本發(fā)明涉及豎井挖掘裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控傘鉆及其立柱調(diào)垂方法。

背景技術(shù)：

隨著我國采礦工程及地下空間的發(fā)展，豎井開挖逐漸增多。在采礦領(lǐng)域，豎井是工作人員和礦石的進(jìn)出通道，同時豎井也是地下工程通風(fēng)必要的構(gòu)造。豎井縱向貫穿地表巖層，深達(dá)千米，豎井鉆爆法施工是目前豎井建造的最主要的方法，采用傘鉆鉆鑿炮眼，爆破后挖掘。施工中需要多位工人在豎井地步開鑿面作業(yè)，環(huán)境潮濕陰冷，粉塵污染嚴(yán)重，而且面臨塌方、涌水、瓦斯氣體等多種風(fēng)險因素，作業(yè)環(huán)境危險性非常高。此外，而現(xiàn)有技術(shù)中傘鉆通過中心穩(wěn)車?yán)K下放到井底之后，底座位置和中心位置可能存在偏差，進(jìn)而影響炮眼位置，導(dǎo)致爆破效果不理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述背景技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種數(shù)控傘鉆及其立柱調(diào)垂方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中作業(yè)環(huán)境差，操作控制難，操控精度差，爆破效果不理想的技術(shù)問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種數(shù)控傘鉆，包括支撐機(jī)構(gòu)、調(diào)垂機(jī)構(gòu)、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)、檢測裝置、控制系統(tǒng)；支撐機(jī)構(gòu)包括固定盤、支撐臂、支腿、立柱，支撐臂與固定盤活動連接，支腿與支撐臂固定連接，固定盤下方設(shè)有支撐臂油缸，支撐臂油缸的伸縮端與支撐臂相連接，支腿端部設(shè)有支腿油缸，固定盤上表面設(shè)有傾角儀，立柱安裝在固定盤的中心位置，立柱的底部設(shè)有調(diào)高油缸；調(diào)垂機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)臂、支撐油缸、大臂、調(diào)垂油缸、滑移架、鉆臂、大齒輪、液壓馬達(dá)；大齒輪安裝在立柱上且位于固定盤的下方，轉(zhuǎn)臂安裝在立柱上且位于大齒輪的下方，液壓馬達(dá)固定安裝在轉(zhuǎn)臂上，液壓馬達(dá)的輸出端與大齒輪相配合，大臂的一端與轉(zhuǎn)臂相連接、另一端與滑移架相連接，支撐油缸的尾端與轉(zhuǎn)臂相連接，支撐油缸的伸縮端與大臂相連接，調(diào)垂油缸的尾端與大臂相連接，調(diào)垂油缸的伸縮端與滑移架相連接，鉆臂與滑移架相連接，支撐油缸與調(diào)垂油缸串聯(lián)；鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)包括鑿巖機(jī)和鉆桿，鑿巖機(jī)安裝在鉆臂上，鉆桿與鑿巖機(jī)相連接；檢測裝置包括壓力傳感器、位移傳感器、編碼器；控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控裝置、井下監(jiān)控裝置、PLC終端控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置。

所述支撐臂有三個且均布在固定盤的外側(cè)，傾角儀的一個方向與一個支撐臂平行；調(diào)垂機(jī)構(gòu)、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)各有三個，所述轉(zhuǎn)臂有三個且均布在立柱的外圓周面上且與立柱活動連接，：所述支撐油缸的尾端與轉(zhuǎn)臂的下部活動連接，調(diào)垂油缸的伸縮端與滑移架的頂端活動連接。

所述大臂的一端設(shè)有上連接孔、另一端設(shè)有下連接孔，大臂的中間設(shè)有第一中間孔和第二中間孔，上連接孔、下連接孔、第一中間孔和第二中間孔在同一條直線上；上連接孔與轉(zhuǎn)臂的頂端活動連接，下連接孔與滑移架的中部活動連接，第一中間孔與支撐油缸的伸縮端相連接，第二中間孔與調(diào)垂油缸的尾端相連接。

所述轉(zhuǎn)臂、支撐油缸、大臂組成的三角形與大臂、調(diào)垂油缸、滑移架組成的三角形相似。

所述液壓馬達(dá)與轉(zhuǎn)臂固定連接，液壓馬達(dá)的輸出端設(shè)有小齒輪，小齒輪與大齒輪相嚙合。

所述支腿油缸內(nèi)部設(shè)有壓力傳感器，液壓馬達(dá)上安裝有多圈絕對值編碼器，鑿巖機(jī)的上部和下部設(shè)有位移傳感器。

所述地面監(jiān)控裝置與井下監(jiān)控裝置采用工業(yè)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通訊；井下監(jiān)控裝置與PLC終端控制裝置采用CAN總線通訊：井下監(jiān)控裝置安裝數(shù)據(jù)計算與處理單元；PLC終端控制裝置與數(shù)據(jù)采集裝置相連接。

一種傘鉆立柱調(diào)垂方法，傘鉆通過中心穩(wěn)車?yán)K下放到井底之后，底座位置和中心位置可能存在偏差，導(dǎo)致傘鉆立柱會傾斜一個角度，而這個傾斜必須通過三個大臂來進(jìn)行糾正，否則對于炮孔的定位將會產(chǎn)生偏差；首先根據(jù)傾角儀輸出的X，Y兩方向傾角計算立柱傾斜角度，將立柱圓周方向分為0°、-120°，120°、-240°，240°、-360°三個區(qū)域，對應(yīng)三個大臂兩兩之間區(qū)域，每個區(qū)域的計算單獨(dú)列為一種情況；以0°、-120°之間區(qū)域?yàn)槔涸O(shè)X、Y兩方向傾角分別為α、β，立柱傾斜角度為θ，立柱高度H， G點(diǎn)為傾斜立柱的頂端中心，M、N分別為G點(diǎn)在X、Y軸上的投影點(diǎn)，O點(diǎn)為立柱的中心點(diǎn)，則：

X方向偏差為： ON=H*α，

Y方向偏差為： OM=H*β，

立柱頂端中心偏差為：OG2=ON2+OM2，

立柱傾斜角為： θ=arctan（OG/H）；

在獲得立柱頂端中心偏差和立柱傾角后，如果偏差超過允許范圍，需要通過伸縮支撐油缸對立柱進(jìn)行調(diào)；油缸補(bǔ)償量計算是通過將立柱頂端中心偏差向三個大臂方向投影求分量的方法來計算補(bǔ)償位移，考慮到工作平面為圓形，除了中心投影補(bǔ)償外還要考慮輪廓補(bǔ)償，將中心偏差補(bǔ)償記為初步補(bǔ)償，輪廓補(bǔ)償記為剩余補(bǔ)償；

初步補(bǔ)償計算：將立柱中心從G點(diǎn)移動到O點(diǎn)， OG長度和θ已知，三個大臂兩兩之間互成120°，OA、OB、OC分別表示三個大臂，則三個支撐油缸初步補(bǔ)償分別為OA、GB和OC，其中GA、GB和GC分別垂直于OA、OB和OC；根據(jù)直角三角形勾股定理，

OA=OG*cosθ；

因?yàn)锽G和OC互為120°夾角，所以∠BOC=30°，

則∠BOG=120°+30°-θ=150°-θ，

所以BG=OG*cos（150°-θ）；

OC= OG*cos（120°-θ）；

剩余補(bǔ)償計算：E為O點(diǎn)在工作面上的投影點(diǎn)，Q點(diǎn)為G點(diǎn)在工作面上的投影點(diǎn)， FQ垂直O(jiān)E交點(diǎn)為F，工作面為圓形， FQ為弦長，在初步補(bǔ)償計算中已經(jīng)獲得，根據(jù)FQ和半徑OQ可以計算OF²= OQ2-FQ²，進(jìn)而計算剩余補(bǔ)償量EF= OQ-OF；

所以最終的補(bǔ)償量為初步補(bǔ)償和剩余補(bǔ)償量之和。

本發(fā)明可以進(jìn)行人工操作控制，也可以進(jìn)行自動控制，實(shí)現(xiàn)無人操控作業(yè)或遠(yuǎn)程操控作業(yè)；它能夠?qū)嵤z測空間結(jié)構(gòu)位置，運(yùn)動路線和工作參數(shù)，一旦出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可以發(fā)出警報并停止作業(yè)。該數(shù)控傘鉆可以根據(jù)輸入的參數(shù)，比如開挖面，炮眼間距、深度等；自動計算并規(guī)劃各炮眼的鉆鑿順序和運(yùn)動路徑；并能根據(jù)工作過程的進(jìn)度狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整。該立柱調(diào)垂方法計算簡單，精度高，確保炮眼與設(shè)計位置重合，達(dá)到理想爆破效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)電路框圖。

圖3為計算立柱傾角簡化圖。

圖4為初步補(bǔ)償計算簡化圖。

圖5為剩余補(bǔ)償計算簡化圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：如圖1所示，一種數(shù)控傘鉆，包括支撐機(jī)構(gòu)1、調(diào)垂機(jī)構(gòu)2、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)3、檢測裝置、控制系統(tǒng)；支撐機(jī)構(gòu)包括固定盤101、支撐臂102、支腿103、立柱104，支撐臂102與固定盤101活動連接，支腿103與支撐臂102固定連接，固定盤101下方設(shè)有支撐臂油缸105，支撐臂油缸105的伸縮端與支撐臂102相連接，支腿103端部設(shè)有支腿油缸106，固定盤上表面設(shè)有傾角儀107，立柱104安裝在固定盤101的中心位置，立柱104的底部設(shè)有調(diào)高油缸108；調(diào)垂機(jī)構(gòu)2包括轉(zhuǎn)臂201、支撐油缸202、大臂203、調(diào)垂油缸204、滑移架205、鉆臂206、大齒輪207、液壓馬達(dá)208；大齒輪207安裝在立柱104上且位于固定盤101的下方，轉(zhuǎn)臂201安裝在立柱104上且位于大齒輪207的下方，液壓馬達(dá)208固定安裝在轉(zhuǎn)臂201上，液壓馬達(dá)208的輸出端與大齒輪207相配合，大臂203的一端與轉(zhuǎn)臂201相連接、另一端與滑移架205相連接，支撐油缸202的尾端與轉(zhuǎn)臂201相連接，支撐油缸202的伸縮端與大臂203相連接，調(diào)垂油缸204的尾端與大臂203相連接，調(diào)垂油缸204的伸縮端與滑移架205相連接，鉆臂206與滑移架205相連接，支撐油缸202與調(diào)垂油缸204串聯(lián)；鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)3包括鑿巖機(jī)301和鉆桿302，鑿巖機(jī)301安裝在鉆臂206上，鉆桿302與鑿巖機(jī)301相連接；檢測裝置包括壓力傳感器、位移傳感器、編碼器；控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控裝置、井下監(jiān)控裝置、PLC終端控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置。

實(shí)施例2：如圖1-5所示，一種數(shù)控傘鉆，包括支撐機(jī)構(gòu)1、調(diào)垂機(jī)構(gòu)2、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)3、檢測裝置、控制系統(tǒng)；支撐機(jī)構(gòu)包括固定盤101、支撐臂102、支腿103、立柱104，支撐臂102與固定盤101活動連接，支腿103與支撐臂102固定連接，固定盤101下方設(shè)有支撐臂油缸105，可以調(diào)節(jié)支撐臂的高度，支撐臂油缸105的伸縮端與支撐臂102相連接，支腿103端部設(shè)有支腿油缸106，用以頂緊井壁進(jìn)行工作，固定盤上表面設(shè)有傾角儀107，傾角儀可以顯示固定的傾斜角度，以便及時調(diào)整；立柱104安裝在固定盤101的中心位置，立柱104的底部設(shè)有調(diào)高油缸108，實(shí)現(xiàn)對整個傘鉆支撐結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整；所述支撐臂102有三個且均布在固定盤101的外側(cè)，傾角儀107的一個方向與一個支撐臂102平行；調(diào)垂機(jī)構(gòu)、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)各有三個，所述轉(zhuǎn)臂201有三個且均布在立柱104的外圓周面上且與立柱104活動連接，轉(zhuǎn)臂可繞立柱旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)各個方向的工作；調(diào)垂機(jī)構(gòu)2包括轉(zhuǎn)臂201、支撐油缸202、大臂203、調(diào)垂油缸204、滑移架205、鉆臂206、大齒輪207、液壓馬達(dá)208；大齒輪207安裝在立柱104上且位于固定盤101的下方，轉(zhuǎn)臂201安裝在立柱104上且位于大齒輪207的下方，液壓馬達(dá)208固定安裝在轉(zhuǎn)臂201上，液壓馬達(dá)208的輸出端與大齒輪207相配合，大臂203的一端與轉(zhuǎn)臂201相連接、另一端與滑移架205相連接，所述支撐油缸202的尾端與轉(zhuǎn)臂201的下部活動連接，支撐油缸202的伸縮端與大臂203相連接，調(diào)垂油缸204的尾端與大臂203相連接，調(diào)垂油缸204的伸縮端與滑移架205的頂端活動連接；鉆臂206與滑移架205相連接，支撐油缸202與調(diào)垂油缸204串聯(lián)；大臂可由支撐油缸控制抬升角度，像雨傘一樣張開或縮攏；調(diào)垂油缸調(diào)整鑿巖機(jī)的工作角度；鑿巖機(jī)實(shí)現(xiàn)炮眼的鉆鑿；移動架上設(shè)有頂緊油缸，為鑿巖機(jī)的工作提供合適的高度位置和頂緊力。所述大臂203的一端設(shè)有上連接孔231、另一端設(shè)有下連接孔232，大臂203的中間設(shè)有第一中間孔233和第二中間孔234，上連接孔231、下連接孔232、第一中間孔233和第二中間孔234在同一條直線上；上連接孔231與轉(zhuǎn)臂201的頂端活動連接，下連接孔232與滑移架205的中部活動連接，第一中間孔233與支撐油缸202的伸縮端相連接，第二中間孔234與調(diào)垂油缸204的尾端相連接。所述轉(zhuǎn)臂201、支撐油缸202、大臂203組成的三角形與大臂203、調(diào)垂油缸204、滑移架205組成的三角形相似，相似三角形邊長比值與油缸的面積比值相同，這里，油缸的面積比值是指支撐油缸的有桿腔與調(diào)垂油缸的無桿腔的面積比值。所述液壓馬達(dá)208與轉(zhuǎn)臂201固定連接，液壓馬達(dá)208的輸出端設(shè)有小齒輪，小齒輪與大齒輪207相嚙合。鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)3包括鑿巖機(jī)301和鉆桿302，鑿巖機(jī)301安裝在鉆臂206上，鉆桿302與鑿巖機(jī)301相連接；檢測裝置包括壓力傳感器、位移傳感器、編碼器；所述支腿油缸106內(nèi)部設(shè)有壓力傳感器，液壓馬達(dá)208上安裝有多圈絕對值編碼器，檢測鉆臂的回轉(zhuǎn)角度；鑿巖機(jī)301的上部和下部設(shè)有位移傳感器，判斷鑿巖動作的開始和結(jié)束位置，并用以指示當(dāng)前的鉆鑿深度；檢測裝置具備鉆架位置檢測、立柱垂直度檢測、鉆臂回轉(zhuǎn)角度檢測、支撐臂位置檢測、調(diào)垂?fàn)顟B(tài)檢測、推進(jìn)位置檢測功能。控制系統(tǒng)包括地面監(jiān)控裝置、井下監(jiān)控裝置、PLC終端控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置。所述地面監(jiān)控裝置與井下監(jiān)控裝置采用工業(yè)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通訊；井下監(jiān)控裝置與PLC終端控制裝置采用CAN總線通訊：井下監(jiān)控裝置安裝數(shù)據(jù)計算與處理單元；PLC終端控制裝置與數(shù)據(jù)采集裝置相連接。通過該種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的操作與監(jiān)視，可以實(shí)現(xiàn)自動控制與遠(yuǎn)程監(jiān)視。

參考現(xiàn)階段人工氣動傘鉆的工作過程，設(shè)計電腦控制自動調(diào)平過程，基本可以概括為以下幾個步驟：

（1）下放傘鉆到井底約300毫米時，停止下放，放好底座。將傘鉆移至井筒中央，坐于底座上，此時盡量通過中心穩(wěn)車?yán)K將傘鉆吊正；

（2）同時升起三個大臂，保持同步至水平位置；

（3）同時伸出大臂，同步測量油缸壓力，到達(dá)接觸壓力后停止伸出，直至三個支腿全部到達(dá)接觸壓力；

（4）三個支腿全部到達(dá)接觸壓力后，測量立柱傾角。如果傾角偏差均在允許范圍內(nèi)，則同時繼續(xù)伸出，直至穩(wěn)定可靠壓力；如果傾角誤差超出允許范圍，則根據(jù)傾角儀調(diào)整支腿。

如此一來，對系統(tǒng)就提出了兩個急需解決的問題：

（1）如何測量立柱的傾斜角度；

（2）如何根據(jù)測得的傾斜角度來補(bǔ)償三個支撐油缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)立柱垂直平臺調(diào)平。

目前關(guān)于傾斜測量常用的傳感器為雙軸傾角傳感器（量程正負(fù)5°，精度0.1°）利用該傳感器可以測量物體在兩個正交方向上的傾斜翻轉(zhuǎn)角度，解決測量立柱傾斜角度的問題。

關(guān)鍵是調(diào)垂立柱，傘鉆通過中心穩(wěn)車?yán)K下放到井底之后，底座位置和中心位置可能存在偏差，導(dǎo)致傘鉆立柱會傾斜一個角度，而這個傾斜必須通過三個大臂來進(jìn)行糾正，否則對于炮孔的定位將會產(chǎn)生偏差；其計算過程如下：首先根據(jù)傾角儀輸出的X，Y兩方向傾角計算立柱傾斜角度，將立柱圓周方向分為0°、-120°，120°、-240°，240°、-360°三個區(qū)域，對應(yīng)三個大臂兩兩之間區(qū)域，每個區(qū)域的計算單獨(dú)列為一種情況；以0°、-120°之間區(qū)域?yàn)槔涸O(shè)X、Y兩方向傾角分別為α、β，立柱傾斜角度為θ，立柱高度H， G點(diǎn)為傾斜立柱的頂端中心，M、N分別為G點(diǎn)在X、Y軸上的投影點(diǎn)，O點(diǎn)為立柱的中心點(diǎn)，則：

X方向偏差為： ON=H*α，

Y方向偏差為： OM=H*β，

立柱頂端中心偏差為：OG2=ON2+OM2，

立柱傾斜角為： θ=arctanOG/H；

在獲得立柱頂端中心偏差和立柱傾角后，如果偏差超過允許范圍，需要通過伸縮支撐油缸對立柱進(jìn)行調(diào)；油缸補(bǔ)償量計算是通過將立柱頂端中心偏差向三個大臂方向投影求分量的方法來計算補(bǔ)償位移，考慮到工作平面為圓形，除了中心投影補(bǔ)償外還要考慮輪廓補(bǔ)償，將中心偏差補(bǔ)償記為初步補(bǔ)償，輪廓補(bǔ)償記為剩余補(bǔ)償；

初步補(bǔ)償計算：將立柱中心從G點(diǎn)移動到O點(diǎn)， OG長度和θ已知，三個大臂兩兩之間互成120°，OA、OB、OC分別表示三個大臂，則三個支撐油缸初步補(bǔ)償分別為OA、GB和OC，其中GA、GB和GC分別垂直于OA、OB和OC；根據(jù)直角三角形勾股定理，

OA=OG*cosθ；

因?yàn)锽G和OC互為120°夾角，所以∠BOC=30°，

則∠BOG=120°+30°-θ=150°-θ，

所以BG=OG*cos150°-θ；

OC= OG*cos120°-θ；

剩余補(bǔ)償計算：E為O點(diǎn)在工作面上的投影點(diǎn)，Q點(diǎn)為G點(diǎn)在工作面上的投影點(diǎn)， FQ垂直O(jiān)E交點(diǎn)為F，工作面為圓形， FQ為弦長，在初步補(bǔ)償計算中已經(jīng)獲得，根據(jù)FQ和半徑OQ可以計算OF2= OQ2-FQ2，進(jìn)而計算剩余補(bǔ)償量EF= OQ-OF；

所以最終的補(bǔ)償量為初步補(bǔ)償和剩余補(bǔ)償量之和。

傘鉆的工作工程：井壁支撐：傘鉆鉆架通過繩索下放至井底，保持立柱垂直，三個支腿依靠支撐臂油缸同步升起，全部升起到位后，三個支腿油缸伸出，由于三個支腿油缸油路互通，在支腿油缸伸出過程中，只有當(dāng)三個支腿全部頂住井壁后才會建立壓力頂緊井壁。支腿油缸到達(dá)頂緊壓力后調(diào)高油缸向下伸出，并最終頂緊地面；大臂旋轉(zhuǎn)：在鉆孔過程中，需要先將鉆臂旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度，鉆臂依靠馬達(dá)減速機(jī)帶動小齒輪繞大齒輪旋轉(zhuǎn)到達(dá)目標(biāo)位置，在馬達(dá)減速機(jī)上裝有測量旋轉(zhuǎn)角度的傳感器；大臂伸縮：鉆臂旋轉(zhuǎn)到正確角度后，依靠支撐油缸和調(diào)垂油缸將鑿巖機(jī)送到目標(biāo)位置；鉆孔：鑿巖機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置后，頂緊油缸先頂住地面，施加一個頂緊力，然后鑿巖機(jī)開始打孔。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。