计算机控制凿岩台车（隧道凿岩机器人）简介

范子正

（华东师范大学第一附属中学，上海 200434）

1 绪论

开挖隧道与山洞的工作是交通建设、能源发展、建筑施工等各领域中十分重要的一项施工作业。先前的凿岩台车均是工人进行手动操作的，不但工人的劳动强度大、工作环境恶劣，而且工作的精度和可靠性很大程度上依赖于操作工人的熟练度，其凿岩精度也随着断面横截面积的增大和道路弯曲程度而改变。

1.1 岩石破碎机理

凿岩机械的工作目标多为矿山中的岩石和矿石，而进行隧道掘进作业的目的就是为了破碎岩石。岩石由于其组成的矿物质颗粒的形状与尺寸、相互间的排列位置不同而形成不同的种类，根据其形成原因不同可大致分为三类：沉积岩、火山岩和变质岩。岩石的某些工程特性，例如其构造、硬度、磨蚀性、破碎性能等决定了岩石的破碎方式，即进行爆破或钻进。不仅如此，这些参数也影响着开采方式的改变和钻进技术的提升。

岩石的固有工程特性以及相关钻进工艺、钻具的选择决定岩石是否可钻，而其指标一般可用钻头磨损指数和钻速指数来表示；岩石的可爆破性是指岩石在爆破时受到阻力的大小，该指标受岩石的均质性、硬度、韧性以及破碎性能所影响。

目前岩石的钻进方式大都为机械钻进式，根据钻机的工作原理不同可以大致分为三类：旋转式、旋转冲击式和冲击旋转式，针对不同硬度的岩石可选择不同种类的钻机进行钻进作业。

1.2 钻车的分类

液压凿岩台车属于地下工程施工机械，其分类方式各有不同，按行走机构的差别可分为轨道式、履带式、轮胎式；根据工作的功能可分为锚杆台车、装药台车、凿岩台车、喷浆台车、采矿台车；根据工作原理的差别可分为冲击旋转式钻机，包括露天钻机、凿岩台车、潜孔钻机；连续旋转式钻机，如切削钻机；旋转冲击式钻机，如牙轮钻机。

2 凿岩机器人详述

凿岩机器人是一种用于隧道和地下工程建设的凿岩设备，采用钻进和爆破的方式进行作业，其特点是可以进行移动，并且在计算机控制系统的作用下，支持多台钻机同时进行作业。

2.1 凿岩机器人的基本结构

凿岩台车的主要作用是在进行移动的寻找爆破孔并定位之后，进行炮孔的钻凿，同时也集填装炸药、稳定车体、移动行走、收放电缆、补充液压油等辅助功能于一体。我国自主研发的第一台凿岩机器人采用龙门架式车体，由钻臂及安装在其上的凿岩机和推进器、辅助臂、伸缩式龙门架、行走系统、液压系统、辅助功能系统组成凿岩台车本体；由操作装置、传感器组、计算机控制器、监控检测系统组成控制系统；钻臂在进行炮孔定位及钻凿过程中均采用电液比例控制的方式进行工作。

2.2 电脑控制凿岩台车的优越性

隧道凿岩工作的效率取决于断面爆破的效率，而断面爆破是否满足预期的要求，很大程度上取决于凿岩爆破孔的钻孔精度。传统凿岩台车的工作效率很大程度上依赖于操作工人的操作熟练度，而仅由于工人操作熟练度的不同，凿岩效率最大就能相差高达30%。与传统凿岩台车相比，计算机控制凿岩台车具有以下优越性：首先钻臂由计算机自动控制，不需要进行人工作业，大大改善了作业环境；其次，钻臂会按照预先在控制器中输入的程序进行轨迹的规划及寻找爆破孔的位置，无需在工作断面画爆破孔；再者，由于不需要工人进行施工作业，因此不需要操作工人具备很高的操作熟练度；由于采用计算机进行控制和规划，可以很精确的控制钻进炮孔的角度、直径和深度，同时能智能寻找出最优的钻孔路径，与此同时，避免钻臂干涉，大大减少了工作成本；计算机在凿岩的过程中能自动记录各项工作数据及相关参数，从而利于工作人员发现工作工程中的有关问题，改进钻进技术，制定合理的维修方案、设备维护周期等，减少设备的损耗。

根据有关施工现场提供的数据表明，采用计算机控制的凿岩台车，其工作时的不必要开采量可减少10%以上，单次爆破深度能提高10%以上，设备寿命尤其是钻头使用寿命提高20%以上，总生产效率提高约20%。以上各种数据充分表明，相对于传统的凿岩台车，使用计算机控制凿岩台车，其经济效益十分显著。

2.3 凿岩机器人的发展

国内对液压凿岩设备的研究几乎与国外同步,在国家863计划的资助下，中南大学在2000年前后成功开发出国内第一台计算机控制凿岩钻车样机，并达到1998年前的国际先进水平。该样机具备计算机控制导向、自动防卡钎等功能，在简单工况下能够可以实现钻孔的自动定位和自动钻孔功能。该样机在自动化功能方面做了深入研究，如激光车体定位、运动学求解、工作空间求解、孔序动态规划、双三角平行联动机构各油缸的负载分析与运动速度比例控制等。同时，中南大学还依据铁路隧道国标开发了一套与之配套的适合我国国情的隧道断面与布孔设计软件。此外，中南大学还对凿岩钻车机械臂的运作进行了虚拟现实研究，开发了一套虚拟现实软件。该钻车样机本体接近世界先进水平，其自主开发的控制系统已达到了世界先进水平。

为了进一步在该领域达到国际先进水平，湖南山河智能机械股份有限公司联合中南大学机电工程学院，在国家 863计划引导项目资金的资助下，正在全面推进产品的产业化，并加快控制系统的研究，着力开发计算机控制的多钻臂液压凿岩钻车，为尽早实现全自动化与智能化做准备。

3 隧道凿岩机器人的定位及工作原理

3.1 定位原理

凿岩机器人在开始钻孔前，必须有一套简单而可行的定位方案来确定隧道断面与凿岩机器人车体以及钻臂之间的相互位置关系。

3.1.1 车体定位原理

首先将凿岩台车的车体停放在装有激光发生器的隧道断面前，激光发生器发射出的激光在大地坐标系(固定坐标系)中的坐标得以确定，将钻车的钻臂、钎杆全部收缩至极限位置，调节钻臂的位置使得激光发生器发射出的激光恰好通过位于钻臂后方推进器上的激光靶，由PLC采集此时凿岩机器人钻臂各个关节的角度和位移并将这些数据传递给上位机进行分析，求出车体坐标至固定坐标系的变换矩阵，以此来确定需要钻进的炮孔相对于车体的方位。

3.1.2 钻臂定位原理

根据炮孔布置图每个炮孔相对于车体坐标的位姿矩阵，由钻臂运动学方程的逆解求出每个关节应转动（或移动）的角度（距离），再由控制系统控制钻臂运动，实现定位。

3.1.3 工作方式

凿岩机器人的工作方式，根据其自动化程度由高至低可分为全自动凿岩、计算机控制凿岩以及人工控制凿岩，其工作模式的切换可根据实际工作情况与隧道断面的性质，通过控制面板上的工作模式按键进行选择。

目前最为常见的凿岩机器人工作方式即计算机控制凿岩，该模式是由操作人员将预先设计规划好的凿岩炮孔布置图存入凿岩机器人的计算机控制器内，在工作时根据实际的工作情况，由操作人员选择最佳的钻孔轨迹，作为凿岩的真实目标。

3.2 工作原理

当车体定位完成后，操作工人将预先设计布置好的炮孔图调出，此时如果选择全自动凿岩方试，则只需按下“自动”按钮，钻臂将会自动完成定位，同时开始按照预先确定的钻孔轨迹和钻孔深度开始自动凿岩；如果选择计算机控制凿岩模式，则需要手动操作将显示器上钻臂的位置与钻孔的位置重合，再按下“钻进”按钮开始钻孔，同时，在使用该模式时，需要随时根据钻孔情况和钻臂位置选择最优的钻孔轨迹。

若由于钻臂打滑或者控制系统故障等原因而出现未钻进的炮孔，则需要采用人工控制模式，由工人手动操作进行钻进。

3.2.1 液压系统的工作原理

凿岩台车的液压系统主要由定位控制回路、钻臂控制回路、辅助臂控制回路等主回路以及行走、升降、稳车等辅助回路而构成。钻臂控制回路一般为相互独立的两个钻臂，且两个钻臂与辅助臂不能同时工作。液压系统的液压动力源为两台串联的恒压变量泵(一台主泵一台辅泵)，恒压变量泵是指在工作压力已经给定并设置完成后，泵的排量能根据工作负载的变化自动进行调节。

定位控制回路通过主泵进行供油，通过若干换向阀和比例阀进行控制，加以集成的插装阀来驱动执行机构，完成多个定位时的位移动作，包括钻臂平移、钻臂升降与俯仰、位移速度控制等。

凿岩控制回路仍然通过主泵进行供油，包括凿岩冲击回路与推进回路，通过比例控制来实现不同工况下冲击与推进的匹配。推进器与钻臂的回转由辅助泵单独进行供油。

辅助臂控制回路由主泵进行供油，采用比例阀分别驱动各个执行液压缸，实现司机室的升降、辅助臂的升降与俯仰、辅助臂吊篮的上下平移等动作。

3.2.2 控制系统的工作原理

凿岩台车为了实现计算机控制的功能，首先必须将隧道断面上的凿岩炮孔的位置进行计算机辅助设计，在设计完成后将设计图存入台车的控制系统内，通过激光定位原理确定车体坐标系与固定坐标系(即隧道断面坐标系)的联系，确定钻臂需要进行钻进的位置、深度、角度等参数，并将这些信息反馈给控制系统，再由控制系统根据这些信息控制台车的执行机构进行作业，以达到快速、准确、可靠地进行钻孔作业的目的。

4 结语

本文对目前国内先进的隧道凿岩机器人进行了详细地叙述，介绍了其基本的结构组成及发展情况，并且对该产品最为核心的定位原理和工作方式有了充分的了解和认识。计算机控制的凿岩机器人与传统的凿岩工具相比，不仅对操作者而言，减少了其工作强度、改善了工作条件、降低了操作门槛，而且对公司、企业而言，减少了工作成本、提高了工作效率、增加了工作的精度和可靠性，其优点十分显著。近年来，我国在隧道凿岩机器人领域发展十分迅速，取得了不少突出的成果，在某些技术方面已达到国际先进水平。

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