基于路径规划的大容量钻杆自动输送系统研究.pdf

王清峰,陈航． 基于路径规划的大容量钻杆自动输送系统研究[J]． 矿业安全与环保,2020,4７（1）1－６． DOI 10． 1９83５/ j． issn． 1008－44９５． 2020． 01． 001 特特特约约约专专专栏栏栏 基于路径规划的大容量钻杆自动输送系统研究 王清峰1,2,陈 航1,2 1． 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 40003９; 2． 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆 40003７ 摘要针对现有煤矿钻机钻杆自动输送系统容量小,需要人工频繁补充钻杆的问 题,开发了大容量钻杆自动输送系统。 以钻杆一般输送路径规划和多列多层钻杆起点 归一化方法为基础,结合 ZYWL 全方位自动钻机总体结构方案,利用钻杆箱侧下方的 空间,设计了升降输送路径方案,降低了钻机整体高度。 基于路径方案设计了钻杆箱、 转运器、主机械手和副机械手等执行机构,并根据具体结构对输送路径进行了适应性 调整,避免了输送装置与钻机主机结构发生运动干涉。 理论验算与样机试验表明,大 容量钻杆自动输送系统路径设置合理,可准确实现钻杆的自动输送。 关键词自动钻机;钻杆自动输送;输送路径;路径规划;升降输送路径;机械手;大容量钻杆箱 中图分类号ＴＤ41 文献标志码Ａ 文章编号1008－44９５（2020）01－0001－0６ 收稿日期201９－11－1５;201９－12－23 修订 基金项目国家重点研发计划项目（2018YFＣ0808000）; 重庆 市 创 新 专 项 重 点 研 发 计 划 项 目 （ ＣSＴＣ201７ZＤＣY － ZＤYFX00５0）;重庆市“科技创新领军人才支持计划” 项 目（ＣSＴＣＣXLJRＣ201７0９） 作者简介王清峰（1９６8）,男,山东郯城人,博士,研究 员,中国煤炭科工集团首席科学家,主要从事煤矿安全装备 及工艺研究工作。 E－mailwqf５18 aliyun． com。 Research on automatic conveying system of large-capacity drill pipe based on path planning WANG Qingfeng1,2, CHEN Hang1,2 （1. CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2. State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China） AbstractIn order to solve tｈe proｂlem tｈat tｈe capacity of automatic conveying system of tｈe existing drill pipe and drill rig is insufficient and manual replenisｈment of drill pipe is required frequently, an automatic conveying system of large－capacity drill pipe is developed． Ｔｈe lifting conveyor patｈ plan comｂined witｈ tｈe overall structural design of ZYWL multidirectional automatic drill rig designed ｂased on tｈe general conveying patｈ plan and tｈe starting point normaliｚation metｈod for tｈe multi－row and multi－layer pipes． Ｔｈis plan is ｈelpful to reduce tｈe ｈeigｈt of tｈe drill rig ｂecause of using tｈe space ｂelow tｈe side of tｈe drill pipe ｂox． Operating mecｈanisms are designed, including tｈe drill pipe ｂox, tｈe transferring device, tｈe main and tｈe deputy manipulator． Ａccording to tｈe mecｈanism structural plan, tｈe conveying patｈ is adjusted adaptively to avoid structure and moving interference ｂetween tｈe conveying system and tｈe drill rig． It is verified ｂy ｂotｈ tｈe tｈeoretical calculation and tｈe model macｈine test tｈat tｈe pipe conveying patｈ of automatic conveying system of large－capacity drill pipe is set properly and tｈe drill pipe can ｂe delivered automatically and accurately． Keywordsautomatic drill rig; automatic transmission of drill pipe; conveying patｈ; patｈ planning; lifting conveyor patｈ; manipulator; large－capacity drill pipe ｂox 传统的煤矿钻机上、下钻杆完全依靠人力,劳动 强度大,施工效率低,存在较大的安全隐患[1－4]。 近 年来,随着对自动钻机的研究和应用不断深入,作为 其重要配套装置的钻杆自动输送系统也在不断创 1 第 4７ 卷第 1 期 2020 年 2 月 矿业安全与环保 Mining Safety 2机架;3动力头;4钻进轴线;５夹持器。 图 1 单根钻杆坐标系及输送路径示意图 由图 1 可知,需将钻杆沿基准坐标系的 3 个坐 标轴分别进行平移。 平移的路径向量为 E Sr（xEO,yEO,zEO）－（xSO,ySO,zSO） （1） 即钻杆在直角坐标系中3 个方向的位移分别为 rxxEO－xSO ryyEO－ySO rzzEO－z SO （2） 1. 2 多列多层钻杆起点归一化方法 为满足煤矿井下深孔钻进的需求,钻杆箱内需 存储多根钻杆。 按照易取出、易回收、大容量的原 则,设计钻杆摆放方式为多列多层方式,并按列竖直 向上取出,如图 2 所示。 图 2 多列多层钻杆起点归一化示意图 假设钻杆摆放为 n 列、m 层（行）的矩形,借鉴矩 阵的原理,定义离钻机主机最近一列为第 1 列,最上 面一行为第 1 行,位于该位置的钻杆为 g（1,1）,其起 点为 O（1,1） S （x（1,1） SO , y（1,1） SO , z（1,1） SO ）,其余钻杆以此类 推。 显然,所有钻杆在向主机输送的过程中都必须 经过 g（1,1）位置,即从此处开始,所有钻杆输送的路 径均重合。 因此,将 g（1,1）的起点坐标系原点 O（1,1） S 作为所有钻杆输送的起点。 对比 g（1,1）单根钻杆的 输送路径,只需先进行其他钻杆起点坐标系原点到 点 O（1,1） S 的初始化处理即可,即沿 y 轴和 z 轴的平 移。 任意钻杆 g（p,q）平移至 g（1,1）的路径矢量为 （1,1） （p,q）r（x （1,1） SO ,y（1,1） SO ,z（1,1） SO ）－（x（p,q） SO ,y（p,q） SO ,z（p,q） SO ） （3） 2 Vol． 4７ Ｎo． 1 Feｂ． 2020 矿业安全与环保 Mining Safety q 为钻杆行代码, 1≤q≤m。 此时 x 方向无移动,并假设基准坐标系与 g（1,1） 的起点坐标系重合。 结合图 2 可得,3 个方向的分 量为 （1,1） （p,q）rx0 （1,1） （p,q）ryy （1,1） SO －y（p,q） SO （1,1） （p,q）rzz （1,1） SO －z（p,q） SO （4） 1. 3 输送路径方案设计 根据钻杆路径一般性的假设,以及多列多层的 摆放方式,制订了钻杆顶部输送和升降输送 2 套路 径总体规划方案。 1． 3． 1 顶部输送路径方案 钻杆顶部输送路径方案如图 3 所示。 该方案可 分解为起点归一化、对正调节、平移输送 3 个阶段, 共有 A1 A５５ 段子路径 1）起点归一化经过子路径 A1和 A2,将任意待 输送钻杆 g（p,q）的起点移动至 g（1,1）的起点 O（1,1） S ; 2）对正调节经过子路径 A3和 A4,分别使钻杆 g（p,q）在 z 轴和 x 轴方向上与钻进轴线对齐; 3）平移输送经过子路径 A５,使钻杆 g（p,q）沿 y 轴向钻进轴线移动,并最终与之重合。 图 3 钻杆顶部输送路径方案 该方案非常接近单根钻杆一般路径,路径较为 简单,充分利用了钻杆存储设备上方的空间,有助于 减小钻杆输送装置在水平面内沿 x、y 轴方向的尺 寸。 但是,该方案对 z 轴方向（即钻机高度方向）的 空间需求较大,可能会增加钻机整体高度,减弱钻机 的通过性。 1． 3． 2 升降输送路径方案 钻杆升降输送路径方案如图 4 所示。 该方案可 分解为起点归一化、下降移动、对正调节、平移输送 4 个阶段,共有 B1 B６６ 段子路径 1）起点归一化经过子路径 B1和 B2,将任意待 输送钻杆 g（p,q）的起点移动至 g（1,1）的起点 OS（1,1）; 2）下降移动经过子路径 B3,将钻杆移动至钻 杆箱侧面下方; 3）对正调节经过子路径 B4和 B５,分别使钻杆 g（p,q）在 x 轴和 z 轴方向上与钻进轴线对齐; 4）平移输送经过子路径 B６,使钻杆 g（p,q）沿 y 轴向钻进轴线移动,并最终与之重合。 图 4 钻杆升降输送路径方案 该方案在一般路径的基础上,通过一个升降往 返路径（B3和 B５）,将钻杆沿 x 轴方向的移动调整到 钻杆箱的侧下方,有助于降低钻杆输送装置和钻机整 机的高度,但有可能增加输送系统的执行动作数量。 1． 3． 3 方案选择分析 具体钻杆输送路径的选择应充分结合钻机总体 设计方案及适用工况条件。 ZYWL 全方位自动钻机 总体布局方案如图 ５ 所示。 1控制系统;2履带车;3姿态调节装置;4动力头; ５机架;６双夹持器。 图 ５ ZYWL 全方位自动钻机总体布局方案示意图 该方案的最大特点是将机架横向外置,大幅降 低了钻机开孔高度和整机高度,同时扩展了钻孔倾 角和方位角范围,可同时满足工作面端头与两帮大 倾角钻孔需求。 因此,根据降低钻机高度的整体设 计理念,采用升降输送路径方案。 2 大容量钻杆自动输送系统结构设计 2. 1 总体方案 根据升降输送路径方案,拟设计与钻机主机相 3 第 4７ 卷第 1 期 2020 年 2 月 矿业安全与环保 Mining Safety 子路径 B1 B3由同一执行机构完 成,且 B1、B3应由同一个移动副往复执行;B4由另 一个移动副完成;B５、B６由同一执行机构的 2 个移 动副完成,且该执行机构应同时具备随机架调整倾 角的转动副。 所设计的大容量钻杆自动输送系统如 图 ６ 所示。 1副机械手;2钻杆箱;3转运器;4主机械手。 图 ６ 大容量钻杆自动输送系统总体方案 该系统由钻杆箱、转运器、主机械手和副机械手 组成。 钻杆箱是存储钻杆的设备,根据需要最多可 存储近 100 根钻杆;转运器实现钻杆与钻机沿 x 轴 对齐,即执行子路径 B4;副机械手实现钻杆从钻杆 箱到转运器的输送,即执行子路径 B1 B3;主机械 手实现钻杆从转运器到钻进轴线的输送,即执行子 路径 B５、B６。 2. 2 钻杆箱 钻杆箱主体为竖直多列、顶部开口的框架式箱 体,所有钻杆均从顶部开口取出,保持了钻杆输送路 径的一致性。 可根据现场需求通过增减列数或高 度,调整钻杆箱容量,样机设计为 ９ 列 8 行,容量为 ７2 根钻杆。 为便于全方位自动钻机方位角调整,钻 杆箱与回转平台固定连接,相对钻机主机始终水平 固定放置。 钻杆箱结构如图 ７ 所示。 1箱体;2齿条。 图 ７ 钻杆箱结构示意图 2. 3 副机械手 副机械手具有 2 个伸缩和 1 个平移共计 3 个自 由度,由手爪、伸缩关节Ⅰ、伸缩关节Ⅱ和平移关节 等构成,如图 8 所示。 手爪为油缸驱动的单边钳式 结构,执行钻杆夹持动作;平移关节为液压马达驱动 的齿轮齿条机构,带动钻杆沿 y 轴平移,执行子路径 B2;伸缩关节Ⅰ和Ⅱ均为油缸驱动的移动副,组合执 行子路径 B1、B3。 伸缩关节Ⅰ使钻杆沿 y 轴移动时 高于钻杆箱,避免被干扰;伸缩关节Ⅱ带动钻杆在钻 杆箱内沿 z 轴升降。 1滑块;2齿轮;3液压马达;4伸缩关节Ⅰ; ５伸缩关节Ⅱ;６手爪。 图 8 副机械手结构示意图 2. 4 转运器 转运器由盒体、调宽机构、对正油缸和导轨等组 成,如图 ９ 所示。 盒体为钻杆输送容器,在对正油缸 的驱动下沿导轨在 x 轴方向来回运动,使钻杆对齐 钻进轴线或钻杆箱,执行子路径 B4。 调宽机构由油 缸驱动,可调节转运器的钻杆放置宽度,提高钻杆对 正精度,并使转运器可适应不同长度的钻杆。 1盒体;2调宽机构;3安装座;4导轨;５对正油缸。 图 ９ 转运器结构示意图 2. 5 主机械手 主机械手具有倾角调节、回转和伸缩 3 个自由 度,由倾角关节、翻转关节、伸缩关节和手爪等构成, 如图 10 所示。 倾角关节以液压马达驱动的回转式 减速器为执行机构,实现主机械手－９0 ９0倾角 调节,保持钻杆与钻机主机倾角同步。 翻转关节采 4 Vol． 4７ Ｎo． 1 Feｂ． 2020 矿业安全与环保 Mining Safety 2回转关节;3伸缩关节;4手爪。 图 10 主机械手结构示意图 3 理论验算与样机试制 3. 1 理论验算 3． 1． 1 钻杆实际输送路径 钻杆的实际输送路径如图 11 所示。 图 11 钻杆实际输送路径示意图 钻杆实际输送路径的子路径 T1 T4与设计方 案的子路径 B1 B4相同,考虑到钻机布局、避免干 涉等方面的原因,实际输送路径与设计方案存在以 下差异 1）起点归一化时,钻杆实际起点 OS（1,1）位于钻 杆 g（1,1）正上方,确保钻杆从钻杆箱内取出; 2）采用翻转子路径 T５实现钻杆沿 z 轴移动,同 时完成到子路径 T６的过渡。 实际执行中,T５、T６可 同时执行,以提高输送效率。 3． 1． 2 起点、终点坐标验算 以钻杆实际起点 OS（1,1）为基准坐标系原点,以 输送路径最远的钻杆 g（９,8）为例进行验算。 根据钻 机结构尺寸测得钻杆起点坐标和终点坐标为 （x（９,8） SO ,y（９,8） SO ,z（９,8） SO ） （0． 0,－824． 0,－６７７． ５） （xEO,yEO,zEO） （５７６． 0,1 33６． 0,－６8． 0 { ） （５） 钻杆输送过程各机构的动作及参数如表 1 所 示,仅列出与钻杆输送路径相关动作的参数值。 表 1 钻杆输送过程动作参数 机构动作方向动作参数值/ mm变量路径 副机械手 伸出－zT1 抓杆T1 缩回z６７７． ５ z1T1 平移y1 0５６． 0y1T2 伸出－z2７4． ５z2T3 转运器平移x５７６． 0 x1T4 主机械手 抓杆 倾角 翻转 伸出 T５ T５ y７81． 0y2T５ z20６． ５ z3T５ y323． 0y3T６ 将表 1 中沿相同坐标轴移动的参数值与钻杆起 点坐标相加,正向取“”号,负向取“－”号,可得 x（９,8） x（９,8） SO x1５７６． 0 y（９,8） y（９,8） SO y1y2y31 33６． 0 z（９,8） z（９,8） SO z1－z2z3 －６8． 0 （６） 对比式（５）和式（６）可知,所规划的路径实现了 钻杆起点与终点的重合。 3. 2 虚拟样机干涉检查 采用 Inventor 的干涉检查功能,分别对副机械手 与钻杆箱、副机械手与转运器、主机械手与转运器、 主机械手与姿态调节装置进行检查,结果均为无干 涉,表明各机构可在给定行程内任意运动,完成整箱 钻杆的输送与回收。 3. 3 样机试制 根据钻机总体结构设计方案和钻杆输送路径方 案进行加工图纸设计,试制了采用大容量钻杆自动 输送系统的 ZYWL－2000Y 型全方位自动钻机样机, 并对钻杆自动输送系统进行了试验调试。 调试过程 中,钻杆输送路径与设计路径一致;输送系统各机构 动作执行到位,运动过程无干涉,且留有适当空间距 离,可设计并行动作提高输送效率。 样机调试现场 如图 12 所示。 ５ 第 4７ 卷第 1 期 2020 年 2 月 矿业安全与环保 Mining Safety 操作人 员在近孔口位置,劳动环境较差。 采用自动钻机后,钻孔施工全过程为全自动钻 进、全自动上下钻杆,人员只需向钻杆箱内添加 2 3 次钻杆。 因此,单班只需配备 2 人,且操作人员可 远距离遥控钻机,大幅减轻了劳动强度,改善了劳动 环境。 5 结论 1）借鉴矩阵原理对钻杆输送路径进行归一化处 理,使得全部钻杆路径可进行统一设计,有利于简化 输送路径方案和输送机构设置; 2）升降输送路径方案将钻杆沿 x 轴方向的调节 机构（转运器）设于钻杆箱侧下方,满足了全方位自 动钻机降高度的整体要求; 3）按照路径与运动副对应关系,设计了由钻杆 箱、转运器、主机械手和副机械手等组成的大容量钻 杆自动输送系统结构方案,并根据结构方案对输送 路径进行了适应性调整,使其更加符合钻机总体布 局需求,避免结构干涉; 4）理论验算与样机试验表明,大容量钻杆自动 输送系统的路径简单合理,各机构执行准确可靠,自 动输送钻杆高效安全。 参考文献 [1] 辛德忠． ZYW－4000G 高转速钻机研制及试验研究[J]． 矿业安全与环保,201６,43（4）2７－30． [2] 辛德忠,龚宪生,王清峰． 基于负载自适应的煤矿用钻机 卡盘动态夹紧理论[J]． 煤炭学报,2013,38（3）4９8－ ５04． [3] 吕晋军,辛德忠． ZYWL－4000SY 智能遥控自动钻机的设 计[J]． 煤矿机械,201９,40（3）4－６． [4] 张锐,姚克,方鹏,等． 煤矿井下自动化钻机研发关键技 术[J]． 煤炭科学技术,201９,4７（５）５９－６3． [５] 刘聪． 全液压凿岩台车钻臂动态分析及仿真研究[Ｄ]． 西安西安工业大学,2018． [６] 陈航． 遥控智能钻机自动上、下钻杆流程优化[J]． 煤矿 机械,2018,3９（12）102－104． [７] 罗华． 自动钻机六自由度换杆机械手运动学分析及仿 真[J]． 煤炭科学技术,2018,4６（11）10７－113． [8] 蒲剑． 自动上下钻杆装置的比较选型[J]． 煤矿机械, 2018,3９（1）84－8５． [９] 陈航． ZYW－3200 钻机旋转式钻杆输送装置的设计[J]． 煤炭技术,201７,3６（4）2６0－2６2． [10] 刘小华． 基于 ＡMESim 的 ZKL－4000SY 自动钻机机械 手倾角调节系统研究[J]． 矿山机械,201６,44（10） ９－13． [11] 黄金凤,孙佳涛,李占贤,等． 袋装水泥装车机械手轨迹 规划与运动仿真[J]． 机械设计与制造,201９（增刊 1） ６９－７2． [12] 郭建根,双丰,阚宏林． 基于 ROS 的六关节机器人运动 规划研究 [ J]． 安 徽 工 程 大 学 学 报,201９,34 （1） 3６－4５． [13] 王红星,李瑞峰,葛连正,等． 高冗余类人双臂移动机器 人运动规划[J]． 华中科技大学学报（自然科学版）, 2018,4６（8）12－1７． [14] 肖振楠,申燚,倪辰旖． 六自由度机械手的运动轨迹规 划与仿真[J]． 机床与液压,2018,4６（1５）５8－６3． [1５] 吴长征,岳义,韦宝琛,等． 双臂机器人自碰撞检测及其 运动规划 [ J]． 上 海 交 通 大 学 学 报,2018,５2 （1） 4５－５3． [1６] 杨超,张铭钧,秦洪德,等． 水下机器人机械手姿态调 节系统研究[J]． 哈尔滨工程大学学报,2018,3９（2） 3７７－383． （责任编辑陈玉涛） ６ Vol． 4７ Ｎo． 1 Feｂ． 2020 矿业安全与环保 Mining Safety Environmental Ｐrotection 第 4７ 卷第 1 期 2020 年 2 月 万方数据