电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统及工作方法

摘要

本发明公开了一种电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统及工作方法，所述自动转移、装卸系统包括钻杆库、钻杆转移机构、钻杆装卸机构和控制器；所述的钻杆库是在箱体中固定有V形的钻杆放置架，所述钻杆转移机构由机座、腰座、大臂、小臂、手腕、末端执行器和它们之间的各个驱动关节顺序连接组成；通过控制腰座转动、大臂摆动、小臂摆动、手腕摆动、连接梁转动及手爪抓取运动，实现从立体钻杆库中取出钻杆，然后转移到钻杆待装卸位置，最后完成钻杆装卸的全部工作流程。本发明与CMS1‑4500（55）型煤矿钻车相配合，可实现装卸钻杆的自动化。

权利要求

1.一种电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，包括钻杆库、钻杆转移机构、钻杆装卸机构和控制器；所述钻杆装卸机构包括动力头、导轨、机架、夹持器，所述动力头包括卡盘、液压马达及减速器，卡盘用于夹紧钻杆；其特征在于：所述的钻杆库为存放钻杆的立体钻杆库，立体钻杆库安装于钻车车盘一侧后部，待抓取钻杆的放置方向与钻车行走方向相一致；所述立体钻杆库构造是，在箱体中固定有V形的钻杆放置架，简称V形架，V形架两翼用于放置钻杆，每个翼的底部两端分别设置有上挡块和下挡块，上挡块和下挡块下面分别设有驱动电缸；在V形架正下方两端分别设有钻杆顶出电缸，钻杆顶出电缸顶端设有瓦套；

所述钻杆转移机构安装于钻车车盘的立体钻杆库前面，由机座、腰座、大臂、小臂、手腕、末端执行器和它们之间的各个驱动关节顺序连接组成，用于从钻杆库中抓取钻杆并转移至钻车导轨末端，并在动力头的移动下与工作钻杆旋合；所述的驱动关节为电机与减速器的集成式部件，即电机输出轴为减速后的输出轴；

所述末端执行器包括连接梁、手爪及传动轴；手腕与传动轴采用一对锥齿轮啮合传动连接，其中，小锥齿轮安装在手腕驱动电机的输出轴上，大锥齿轮的轴通过键与传动轴连接；连接梁上固定有两个手爪驱动电缸，手爪侧端开有弧形滑槽，滚轴穿过弧形滑槽，使得两侧的手爪分别通过滚轴与对应的手爪驱动电缸的伸出杆连接；通过两个手爪驱动电缸分别驱动两侧手爪运动，使得滚轴带动手爪沿着滑槽轨迹运动，以此来实现手爪的闭合和松开和调节手爪的开合角度，完成待抓取钻杆的抓取；手爪为弧形，适应待抓取钻杆形状；上述手爪的中心位于手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小；

所述控制器是采用“示教法”控制驱动关节电机运转的控制部件，用于控制整套系统各关节运动；通过控制腰座转动、大臂摆动、小臂摆动、手腕摆动、连接梁转动及手爪抓取动作，实现从立体钻杆库中取出钻杆，然后转移到钻杆待装卸位置，最后完成钻杆装卸的全部工作流程。

2.如权利要求1所述的电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，其特征在于，所述驱动电缸、钻杆顶出电缸和手爪驱动电缸均由直流电机与滚珠丝杠组成，是将直流电机的旋转运动转变为伸出杆的直线运动的部件。

3.如权利要求1所述的电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，其特征在于，所述钻杆转移机构的连接关系是：所述机座是在机座板上固定有机座电机，机座电机输出轴与腰座通过齿轮进行连接，从而使得机座电机驱动腰座回转；腰座电机输出轴与大臂通过键连接；大臂电机输出轴与小臂通过键连接；小臂电机输出轴与手腕通过键连接。

4.如权利要求1所述的电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，其特征在于，所述手爪采用平行式三爪结构，即两侧分别布置单片和双片手爪，并且单片手爪侧滚轴长度小于双片手爪侧滚轴。

5.如权利要求1所述的电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，其特征在于，所述手爪表面设有防滑胶垫。

6.如权利要求1所述的电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，其特征在于，所述的瓦套表面设有缓冲橡胶垫。

7.一种如权利要求1‑6任一所述电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统的工作方法，如下：

第一步、系统上电，控制器控制整个系统复位，使手爪处于钻杆库等待工作区；

第二步、控制器控制V形架一翼的驱动电缸，驱动下挡块缩回，最底部钻杆释放至瓦套中，驱动下挡块伸出并驱动上挡块缩回，第二根钻杆落至最底部，其余钻杆随其下落，上挡块伸出将钻杆定位；

第三步、 控制器控制钻杆顶出电缸伸出，举起钻杆；

第四步、 控制器控制手爪抓住钻杆，然后控制钻杆转移机构的姿态，以将钻杆转移至待安装位置；转移时，控制器控制大臂与小臂的摆动运动，使得手爪移至与待装卸钻杆原点Y坐标同轴位置；然后，控制连接梁做旋转运动，手爪移动至导轨末端位置，最终使夹取的钻杆处于导轨末端方向，满足钻杆装卸姿态的要求；

第五步、控制器控制动力头回退至导轨末端，卡盘夹紧钻杆，手爪松开钻杆，动力头带动钻杆正向旋转并进行给进运动，使钻杆旋合，完成钻杆安装；

第六步.拆卸钻杆时，与第五步动作相反，直至卡盘松开钻杆，待手爪抓住钻杆后再采用与第四步相反动作，将钻杆转移至钻杆库并放回V形架最上一根钻杆位置。

说明书

电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统及工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矿用的钻车，尤其涉及钻车的装卸钻杆系统。技术背景

[0002] 现有煤矿井下钻孔施工时，一般采用钻车，例如CMS1‑4500（55）型煤矿钻车；目前的CMS1‑4500（55）型煤矿钻车多为人工操作进行钻杆的装卸，操作劳动强度大，工况恶劣，
极易引起操作工人安全事故。为改善上述状况，目前有与本申请有关的技术如下：

[0003] 王东华2019年7月的授权专利“一种带有钻杆自动装卸功能的钻杆车”，如图1所示。该钻杆车采用一级、二级垂直主臂和水平横臂控制机械手的动作，实现对钻杆的抓取。
该钻杆车为直角坐标式机械手，并且该钻杆车不适用于本发明专用液压钻车的钻杆装卸工
作。

[0004] 辛宇鹏2018年9月的授权专利“一种松软煤层瓦斯钻机自动装卸钻杆装置”，如图2所示，采用在前动力头和后动力头中间固定辅助夹持定位装置来实现自动连接钻杆。但该
装置无钻杆转移机构。

[0005] 赵忠贤2018年8月的授权专利“一种钻杆自动装卸装置”，如图3所示。该装置设计安装一个钻杆托辅器，将钻杆放入钻杆托辅器内，即可实现钻杆装卸。但该装置未涉及钻杆
转移机构。

[0006] 综上所述，现有文献中所设计钻杆装卸系统均不适用于CMS1‑4500（55）型煤矿钻车的钻杆装卸工作。

发明内容

[0007] 本发明针对CMS1‑4500（55）型煤矿钻车的特定结构尺寸与施工过程，提出了一种电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，同时提出了该系统的工作方法，从而提高钻孔施
工自动化程度，减少工人的劳动强度，节约上钻时间，提高作业效率及煤矿生产的安全性。

[0008] 技术方案：一种电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统，包括钻杆库、钻杆转移机构、钻杆装卸机构和控制器；所述钻杆装卸机构包括动力头、导轨、机架、夹持器，所述动
力头包括卡盘、液压马达及减速器，卡盘用于夹紧钻杆，液压马达输出的高速动力通过减速
器后转变为低速，进而驱动钻杆进行钻孔施工。所述钻杆装卸机构与工作原理为已有技术；
其特征在于：

[0009] 所述的钻杆库为存放钻杆的立体钻杆库，立体钻杆库安装于钻车车盘一侧后部，待抓取钻杆的放置方向与钻车行走方向相一致；所述立体钻杆库构造是，在箱体中固定有V
形的钻杆放置架，简称V形架，V形架两翼用于放置钻杆，每个翼的底部两端分别设置有上挡
块和下挡块，上挡块和下挡块下面分别设有驱动电缸；在V形架正下方两端分别设有钻杆顶
出电缸，钻杆顶出电缸顶端设有瓦套；工作原理是，驱动电缸分别驱动上、下挡块顶出或缩
回，以定位钻杆或释放钻杆至瓦套中，钻杆顶出电缸伸出时举起钻杆供钻杆转移机构抓取。

[0010] 进一步上述的瓦套表面设有缓冲橡胶垫。

[0011] 所述钻杆转移机构安装于钻车车盘的立体钻杆库前面，由机座、腰座、大臂、小臂、手腕、末端执行器和它们之间的各个驱动关节顺序连接组成，用于从钻杆库中抓取钻杆并
转移至钻车导轨末端；所述的驱动关节为电机与减速器的集成式部件，即电机输出轴为减
速后的输出轴，如以下所述的机座电机、腰座电机、大臂电机、小臂电机、手腕电机；

[0012] 钻杆转移机构的具体构造是，所述机座是在机座板上固定有机座电机，机座电机输出轴与腰座通过齿轮进行连接，从而使得机座电机驱动腰座回转；腰座电机输出轴与大
臂通过键连接；大臂电机输出轴与小臂通过键连接；小臂电机输出轴与手腕通过键连接；末
端执行器包括连接梁、手爪及传动轴；手腕与传动轴采用一对锥齿轮啮合传动连接，其中，
小锥齿轮安装在手腕驱动电机的输出轴上，大锥齿轮的轴通过键与传动轴连接；连接梁上
固定有两个手爪驱动电缸，手爪侧端开有弧形滑槽，滚轴穿过弧形滑槽，使得两侧的手爪分
别通过滚轴与对应的手爪驱动电缸的伸出杆连接；通过两个电缸分别驱动两侧手爪运动，
使得滚轴带动手爪沿着滑槽轨迹运动，以此来实现手爪的闭合和松开和调节手爪的开合角
度，完成待抓取钻杆的抓取；手爪为弧形，适应待抓取钻杆形状；上述手爪的中心位于手腕
的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小。

[0013] 基于力矩平衡原理，所述手爪采用平行式三爪结构，即两侧分别布置单片和双片手爪，并且单片手爪侧滚轴长度小于双片手爪侧滚轴。

[0014] 另外，手爪表面设有防滑胶垫，以增大表面摩擦力，实现对钻杆的准确抓取。

[0015] 所述钻杆装卸机构为已有技术，包括动力头、导轨、机架、夹持器；所述动力头包括卡盘、液压马达及减速器，卡盘用于夹紧钻杆，液压马达输出的高速动力通过减速器后转变
为低速，进而驱动钻杆进行钻孔施工；

[0016] 所述控制器是采用“示教法”控制驱动关节电机运转的控制部件，用于控制整套系统各关节运动；所述“示教法”为已有技术；通过控制腰座转动、大臂摆动、小臂摆动、手腕摆
动、连接梁转动及手爪抓取运动，实现从立体钻杆库中取出钻杆，然后转移到钻杆待装卸位
置，最后完成钻杆装卸的全部工作流程。

[0017] 所述系统的工作方法如下：

[0018] 第一步.系统上电，控制器控制整个系统复位，使手爪处于钻杆库等待工作区；

[0019] 第二步.控制器控制V形架一翼的驱动电缸，驱动下挡块缩回，最底部钻杆释放至瓦套中，驱动下挡块伸出并驱动上挡块缩回，第二根钻杆落至最底部，其余钻杆随其下落，
上挡块伸出将钻杆定位；

[0020] 第三步. 控制器控制钻杆顶出电缸伸出，举起钻杆；

[0021] 第四步. 控制器控制手爪抓住钻杆，然后控制钻杆转移机构的姿态，以将钻杆转移至待安装位置；转移时，控制器控制大臂与小臂的摆动运动，使得手爪移至与待装卸钻杆
原点Y坐标同轴位置；然后，控制连接梁做旋转运动，手爪移动至导轨末端位置，最终使夹取
的钻杆处于导轨末端方向，满足钻杆装卸姿态的要求；

[0022] 第五步.控制器控制动力头回退至导轨末端，卡盘夹紧钻杆，手爪松开钻杆，动力头带动钻杆正向旋转并进行给进运动，使钻杆旋和，完成钻杆安装；

[0023] 第六步.拆卸钻杆时，与第五步动作相反，直至卡盘松开钻杆，待手爪抓住钻杆后再采用与第四步相反动作，将钻杆转移至钻杆库并放回V形架最上一根钻杆位置。

[0024] 由立体钻杆库、钻杆转移机构、钻杆装卸机构和控制器组成的整套钻杆自动转移、装卸系统，用以实现钻杆装卸。该发明具有结构简单、钻杆装卸自动化程度高及操作安全可
靠等特点，特别适用于煤矿井下宽叶片钻杆的装卸操作。

[0025] 本发明的钻杆转移、装卸系统具有以下优点：

[0026] （1）本发明结构简单，操作方便，性价比高。

[0027] （2）本发明的钻杆装卸系统与CMS1‑4500（55）型煤矿钻车相配合，可实现装卸钻杆的自动化，降低工人劳动强度，提高钻杆装卸操作的安全性。

[0028] （3）本发明的钻杆转移机构采用多关节式机械手进行钻杆转移，可节省人力、提高施工安全性。

附图说明

[0029] 图1是现有技术自动装卸钻杆车的立体图；

[0030] 图2是现有技术松软煤层排瓦斯钻机自动装卸钻杆装置立体图；

[0031] 图3是现有技术钻杆自动装卸装置立体图；

[0032] 图4是本发明实施例的立体示意图；

[0033] 图5本发明实施例的钻杆转移机构中小臂与手爪连接示意图；

[0034] 图6、7、8分别是本发明实施例钻杆转移机构的末端执行器的主视图、侧视图和俯视图；

[0035] 图9、10是本发明实施例的钻杆立体库主视图示意图，图9显示待举状态，图10显示挺举状态；

[0036] 图11是实施例钻杆转移的工作流程图；

[0037] 图12是实施例钻杆转移的轨迹坐标图；

[0038] 图13是本发明实施例的控制器工作原理图。。

[0039] 图例说明：1‑机座、2‑腰座、3‑大臂、4‑手爪、5‑动力头、6‑连接梁、7‑手爪驱动电缸、8‑工作钻杆、9‑卡盘、10‑导轨、11‑手腕、12‑待安装钻杆、13‑小臂、14‑电机、15‑钻杆库、
16‑立柱、17‑手爪驱动电缸伸出杆、18‑箱体、19‑钻杆放置架、20‑待抓取钻杆、21‑上挡块驱
动电缸、22‑下挡块驱动电缸、23‑上挡块、24‑下挡块、25‑瓦套、26‑钻杆顶出电缸伸出杆、
27‑钻杆顶出电缸、28‑滚轴。

具体实施方式

[0040] 如图4所示，一种电动式煤矿钻车钻杆自动转移、装卸系统及工作方法，包括钻杆库15、钻杆转移机构、钻杆装卸机构和控制器；所述钻杆装卸机构包括动力头5、导轨、机架、
夹持器，所述动力头5包括卡盘9、液压马达及减速器，卡盘9用于夹紧钻杆，液压马达输出的
高速动力通过减速器后转变为低速，进而驱动钻杆进行钻孔施工。所述钻杆装卸机构与工
作原理为已有技术；所述的钻杆库15为存放钻杆的立体钻杆库，立体钻杆库安装于钻车车
盘一侧后部，待抓取钻杆20的放置方向与钻车行走方向相一致；所述立体钻杆库15的构造
如图9、图10所示，是在箱体中固定有V形的钻杆放置架19，简称V形架，V形架两翼用于放置
待抓取钻杆20，每翼的最底部两边位置设置有上挡块23和下挡块24，上挡块23和下挡块24
下面分别设有上挡块驱动电缸21和下挡块驱动电缸22；在V形架正下方两边分别设有钻杆
顶出电缸27，钻杆顶出电缸27的伸出杆顶端设有瓦套25；工作原理是，上挡块驱动电缸21和
下挡块驱动电缸22分别驱动上挡块23、下挡块24顶出或缩回，以定位待抓取钻杆20或释放
待抓取钻杆20至瓦套25中，钻杆顶出电缸27伸出时举起待抓取钻杆20供钻杆转移机构抓
取。

[0041] 进一步所述瓦套25与所述钻杆顶出电缸伸出杆26通过螺栓连接，瓦套25表面设有缓冲橡胶垫，使得钻杆滚落时减少载荷冲击。

[0042] 所述钻杆转移机构安装于钻车车盘的立体钻杆库15前面，由机座1、腰座2、大臂3、小臂13、手腕11、末端执行器（包括两个手爪7、销轴28、连接梁6、手爪驱动电缸7、手爪驱动
电缸伸出杆17）和它们之间的各个驱动关节顺序连接组成，用于从钻杆库15中抓取钻杆并
转移至钻车导轨末端；所述的驱动关节为电机与减速器的集成式部件，即电机输出轴为减
速后的输出轴，如以下所述的机座电机14a、腰座电机14b、大臂电机14c、小臂电机14d、手腕
电机14e；钻杆转移机构的具体构造是，所述机座1是在机座板上固定有机座电机14a，机座
电机输出轴与腰座2通过齿轮进行连接，从而使得机座电机14a驱动腰座2回转；腰座电机
14b输出轴与大臂3通过键连接；大臂电机14c输出轴与小臂13通过键连接；小臂电机14d输
出轴与手腕11通过键连接，如图5所示；手腕11与传动轴采用一对锥齿轮啮合传动连接，其
中，小锥齿轮安装在手腕驱动电机14e的输出轴上，大锥齿轮的轴通过键与传动轴连接，如
图6、7、8所示，末端执行器的两个手爪4通过滚轴28与手爪驱动电缸7的伸出杆17连接；连接
梁6上固定有两个手爪驱动电缸7，手爪侧端开有弧形滑槽，滚轴28穿过弧形滑槽，使得两侧
的手爪4分别通过滚轴28与对应的手爪驱动电缸7的伸出杆17连接；通过两个电缸7分别驱
动两侧手爪4运动，使得滚轴28带动手爪4沿着滑槽轨迹运动，以此来实现手爪4的闭合和松
开和调节手爪4的开合角度，完成待抓取钻杆20的抓取；手爪4为弧形，适应待抓取钻杆20形
状；上述手爪4的中心位于手腕11的回转轴线上，以使手腕11的扭转力矩最小。

[0043] 基于力矩平衡原理，所述手爪采用平行式三爪结构，即两侧分别布置1片、2片手爪，并且单手爪侧滚轴长度小于双手爪侧滚轴，如图6、7、8所示。另外，手爪表面设有防滑胶
垫，以增大表面摩擦力，实现对钻杆的准确抓取。

[0044] 所述钻杆装卸机构为现有钻车上的已有机构，包括动力头5、导轨10、机架、卡盘9、液压马达及减速器；卡盘9用于夹紧钻杆，液压马达输出的高速动力通过减速器后转变为低
速，进而驱动钻杆进行钻孔施工；

[0045] 所述控制器是采用“示教法”控制驱动关节电机运转的控制部件，用于控制整套系统各关节运动；所述“示教法”为已有技术；通过控制腰座2转动、大臂3摆动、小臂13摆动、手
腕11摆动、连接梁6转动及手爪4抓取运动，实现从立体钻杆库15中取出钻杆，然后转移到钻
杆待装卸位置，最后完成钻杆装卸的全部工作流程。

[0046] 如图11所示，本发明的工作方法如下：

[0047] 1.系统上电，控制器控制整个系统复位，使手爪4处于钻杆库等待工作区；

[0048] 2.控制器控制V形架一翼的驱动电缸使下挡块24缩回，最底部钻杆释放至瓦套25中，再驱动下挡块24伸出上挡块23缩回，第二根钻杆落至最底部，其余钻杆随其下落，上挡
块23伸出将待抓取钻杆20定位；

[0049] 3. 控制器控制钻杆顶出电缸27伸出，举起待抓取钻杆20；

[0050] 4. 控制器控制手爪4抓住待抓取钻杆20，然后控制钻杆转移机构的姿态，以将待抓取钻杆20转移至待安装位置，成为待安装钻杆12；转移时，控制器控制大臂3与小臂13的
摆动运动，使得手爪4移至与待装卸钻杆12原点Y坐标同轴位置；然后，控制连接梁6做旋转
运动，使得手爪4移动至导轨10末端位置，最终使夹取的钻杆处于导轨10末端方向，满足钻
杆装卸姿态；

[0051] 5.控制器控制动力头5回退至导轨10末端，卡盘9夹紧待安装钻杆12，手爪4松开钻杆，动力头5带动待安装钻杆12沿导轨10正向旋转并进行给进运动，使得待安装钻杆12与卡
盘9夹紧的工作钻杆8发生旋和，以此实现装杆操作，并继续钻进工作；

[0052] 上述手爪4松开钻杆后返回至待抓取钻杆原点位置，等待下一次抓取转移工作；依次类推直至达到钻进深度；

[0053] 6.拆卸工作钻杆8时，与第5步动作相反至卡盘9松开钻杆，手爪7抓住钻杆与第4步相反动作，转移至立体钻杆库15放回V形架上，直至将全部钻杆拆卸完毕。

[0054] 下面根据图12说明钻杆转移机构的运动轨迹：取钻杆库15左上前角点为坐标原点，即O点；钻杆库15的右、上、前分别为三维坐标系X、Y、Z轴的正方向；考虑到待抓取钻杆的
重心平衡性及系统各零部件尺寸关系，将待抓取钻杆20的原点位置、手爪4的原点位置及钻
杆顶出电缸27伸出杆伸出到位时的两伸出杆间距中点设定为同一坐标点（1300，500，500），
即C点，其中，待抓取钻杆20的原点位置的几何关系描述为钻杆底面的中心点，手爪4的原点
位置的几何关系描述为最大张开状态时的手爪在XZ平面投影的中心位置，即附图6中的Q
点，该点为手爪4的几何关系中心点，钻杆顶出电缸27伸出杆伸出到位时的两伸出杆间距中
点为立体钻杆库15中两个钻杆顶出电缸伸出杆均处于顶出到位时的两个伸出杆间距的中
点。

[0055] 手爪4由O点依次经过A、B点到达C点并抓取钻杆，然后手爪4转移至D点，该点即为待装卸钻杆20所处原点位置的Y轴坐标；然后，再经过E点转移至F点，最后到达H点，该点即
为准备装卸钻杆姿态下手爪所处位置。