一种矿用钻机自动化升级装置及工作方法
技术领域
本发明公开一种矿用钻机自动化升级装置及工作方法，属于机械装备领域。
背景技术
巷（隧）道掘进以及煤炭开采过程中，因为安全需要，往往要进行探放水以及瓦斯抽放等操作，这些工作都需要进行钻孔作业。我国是煤炭大国，同时也是基建大国，每年仅新掘进隧（巷）道就达数千公里。随着我国机械化进程的不断推进，目前，钻孔作业已经基本普及了机械化。随着人力成本的逐年增加，以及劳动者对减轻劳动量的迫切需求，将机械化进一步升级成自动化、智能化装备是大势所趋。我国目前深孔钻机的现存量达百万台以上，很多钻机是刚刚服役不久的新钻机，如果直接将其替换，将造成重大浪费，并且加重生产企业的运营成本，如果任其老化淘汰，又将拖慢我国深孔钻机自动化、智能化的进程，因此，对现有手动控制的钻机进行自动化、智能化改造将是解决这一问题的有效手段。
目前，现有技术中有几种实现钻机自动化的设计方案，但是，这些方案具有结构复杂，对机械手的工作精度要求高，不适合用于对现有手动深孔钻机进行改造等缺陷。比如，2013年4月11日，中煤科工集团重庆研究院有限公司申请公开了一种煤矿钻机配套用大倾角钻杆输送装置，包括工作平台、设置在工作平台上的抓取装置和输送装置，所述抓取装置包括设置在工作平台上的支撑柱，所述支撑柱上连接有电机底座，所述电机底座设有转向马达，所述转向马达输出端连接有伸缩液压缸，所述伸缩液压缸活塞杆设有抓杆座，所述抓杆座上设有夹持钻杆的卡瓦和驱动卡瓦夹紧的夹持液压缸 ；所述输送装置包括沿垂直于伸缩液压缸方向移动的钻杆箱。本发明通过控制伸缩液压缸和卡瓦，可实现抓取钻杆功能，再结合角度调整液压缸和转向马达，可实现大倾角钻杆的输出和送回。并且， 2014年10 月31日，中煤科工集团重庆研究院有限公司又申请公开了一种井下瓦斯抽采钻机，包括钻机主机及控制钻机主机运行的电控系统；所述钻机主机包括履带行走部、推进部、动力头、大倾角钻杆自动装卸机构及向各组成部分提供动力源的液压泵站；所述电控系统包括设置在地面的远控站及设置在井下的主控站，所述远控站与主控站之间通过光纤以太环网连接；本发明不仅实现了钻机主机无人化全自动钻孔作业，还可以完成多方位角和大倾角自动装卸钻杆作业，进一步降低了工人劳动强度和危险性，提高了瓦斯抽采效率。
从上述两项专利不难发现，第一项专利主要创新在于在钻机平台上加装了一个机械手，通过控制机械手动作来实现钻杆的填装，第二项专利的创新点一方面是第一项专利的整机应用，并且公开了一种整机控制的思路。对于第一项专利，平台上加装机械手在原理上虽然可以实现钻杆的转运装填，但是由于钻机在实际使用过程中，钻机的钻孔方向和钻孔位置会根据现场需要具有不确定性，所以机械手想要适应这一变化控制特别复杂，并且对机械手运动精度要求也非常高。对于第二项专利，根据钻机的具体结构及具体工作过程进行了对应的控制方案的介绍。
本发明为了对现有手动钻机进行自动化、智能化改造而专门设计的，结构布局上可以直接与现有绝大部分的钻机进行安装配合，安装调试方便，工作过程控制上既能满足钻机自动化钻进需要，又考虑了钻机实际工作过程的现实需要。本发明公开一种矿用钻机自动化升级装置及工作方法，具有通用性强，结构简单，改造方便，成本低廉，工作过程可靠性高等优势。
发明内容
为了对现有手动钻机进行自动化、智能化改造，并且使改造升级过程具有通用性强，结构简单，改造方便，成本低廉，工作过程可靠性高等优势，本发明公开一种矿用钻机自动化升级装置，该装置包括主支撑架、移动行架结构、钻杆抓手、钻杆夹持器、水辫、电磁开关阀、钻杆库、控制系统、操纵杆执行器，主支撑架固定安装在钻机推进器的支撑架上，对钻机自动化升级装置主体部分进行支撑固定，移动行架结构布置于主支撑架上部具有两个自由度，钻杆抓手置于移动行架结构上，用于抓取钻杆并在移动行架结构驱动下将钻杆库中的钻杆移动到填装位置，钻杆夹持器与钻机主轴固连，可跟随钻机主轴转动，钻杆夹持器可以夹持钻杆，使得被夹持的钻杆可以随钻机主轴同步转动，用于钻杆移位及拆卸，水辫设置在钻机主轴尾端，钻机主轴为中空设置，水辫与水管之间设置电磁开关阀，电磁开关阀可以控制钻杆中冷却液（气）的通断，钻杆库置于主支撑架上，用于存储钻杆，同时配合钻杆抓手进行钻杆的装填及回收，操纵杆执行器用于驱动操纵杆动作，使得钻机各动作置于控制系统的操控下，控制系统采集钻机动作信息，并控制钻机各部分进行动作，使得钻机在接收到控制指令后自动化进行进钻或是退钻动作。
优选地，所述移动行架结构主要包括第一位移驱动器、第二位移驱动器、横梁、第三位移驱动器、第四位移驱动器，第一位移驱动器和第四位移驱动器平行布置，第一位移驱动器和第四位移驱动器相对于钻机推进器的支撑架也是平行布置，第二位移驱动器和第三位移驱动器平行布置，第二位移驱动器和第三位移驱动器相对于钻机推进器的支撑架垂直布置，横梁将第一位移驱动器和第四位移驱动器上的滑座联通，第二位移驱动器和第三位移驱动器分布在横梁上并于横梁垂直布置。
优选地，所述第一位移驱动器、第二位移驱动器、第三位移驱动器、第四位移驱动器独立控制其上滑座的运动量。
优选地，所述钻杆抓手包括第一钻杆抓手、第二钻杆抓手，第一钻杆抓手和第二钻杆抓手分别布置在第二位移驱动器和第三位移驱动器的滑座上，第二位移驱动器和第三位移驱动器可以驱动第一钻杆抓手和第二钻杆抓手上下运动。
优选地，所述位移驱动器优选电机丝杠结构。
优选地，所述第一钻杆抓手和第二钻杆抓手上分别设置第一感应传感器和第二感应传感器，第一感应传感器和第二感应传感器用于感知第一钻杆抓手和第二钻杆抓手与钻杆的位置关系，并且对何时进行抓取以及是否抓取成功进行判断。
优选地，所述钻杆夹持器安装在回转驱动盘上，回转驱动盘与动力钻杆固连，后夹持器夹紧动力钻杆后可将主钻机扭矩传递给钻杆夹持器，后夹持器松开动力钻杆后，动力钻杆可取下。
优选地，所述动力钻杆为中空管，后端与水辫相连，前端从钻杆夹持器的中心穿过，前端丝口可与新填装的钻杆进行匹配对接。
优选地，所述钻杆库置于钻机推进器支撑架的一侧或两侧，每个钻杆库可以设置多个钻杆仓。
优选地，所述钻杆仓包括升降驱动器、钻杆护板、底部支撑板，升降驱动器置于钻杆仓两端，钻杆护板与升降驱动器上的滑座固连，底部支撑板位于钻杆护板底部并与之固连，升降驱动器驱动其上的滑座上下运动，进而驱动钻杆护板上下运动，钻杆置于底部支撑板上，底部支撑板跟随钻杆护板上下运动，使得钻杆上下运动，进而实现了底部支撑板上方钻杆的入库及出库。
优选地，所述钻杆仓中，在钻杆的两侧布置限位条，通过调节限位条的厚度调节钻杆仓内部宽度尺寸，使得钻杆与仓壁之间具有最佳的间隙。
优选地，所述限位条优选尼龙材料。
优选地，所述钻杆夹持器与钻机推进器的支撑架之间设有位移传感器，位移传感器为控制系统控制钻机自动化升级装置及钻机进行各种动作提供位置定位信息。
优选地，所述操纵杆执行器用于将手动操纵杆变成电控操纵杆，使得各操作动作在控制系统的控制下按照设定步骤动作，控制系统接收工作指令并控制钻机自动化升级装置及钻机进行各种动作。
一种矿用钻机自动化升级装置及工作方法包括：
第一步，调整钻机达到预设的钻位，将钻机上自带的钻杆钻入岩层预设位置；
第二步，钻机的前夹持器动作，夹紧钻入岩层的钻杆，主钻机逆时针旋转，使得主钻机与钻入岩层的钻杆脱离，之后，主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置；
第三步，移动行架结构驱动钻杆抓手运动到钻杆库上方，钻杆库为钻杆抓手提供一根钻杆，钻杆抓手抓取钻杆后在移动行架结构的驱动下将抓取的钻杆转运至钻杆对接位置；
第四步，主钻机顺时针旋转，同时沿推进器的支撑架向前移动，使得新添加的钻杆与主钻机及钻入岩层的钻杆完成对接，对接完成后，前夹持器松开钻杆，主钻机继续将钻杆钻入预设位置；
第五步，参照步骤二至四，这样周而复始，即可使得钻机持续自动化钻进；
第六步，钻孔作业达到预设深度后，前夹持器夹紧钻杆，主钻机逆时针旋转，使得主钻机与钻入岩层的钻杆脱离，之后，钻杆夹持器夹紧钻入岩层的钻杆的末端，前夹持器松开钻杆，主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置，这时钻杆被抽出；
第七步，移动行架结构驱动钻杆抓手运动到抽出的钻杆上方，钻杆抓手抓住被抽出的钻杆，前夹持器夹紧钻杆，钻杆夹持器在主钻机驱动下逆时针旋转，进而拆开被抽出的钻杆，同时钻杆夹持器将被拆开的钻杆向远离前夹持器的方向移动一定距离，使得被拆钻杆的公头与配合的母头完全分离；
第八步，钻杆夹持器松开钻杆，钻杆夹持器继续随主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置，使得被拆钻杆两端均与配套部分完全分离；
第九步，移动行架结构驱动钻杆抓手将钻杆转运至钻杆库上方，钻杆库配合钻杆抓手完成钻杆回收；
第十步，钻杆夹持器随主钻机沿推进器的支撑架前推到预设位置，钻杆夹持器再次夹紧钻入岩层的钻杆的末端，前夹持器松开钻杆，主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置，再次钻杆被抽出，之后重复步骤七至九，这样周而复始，即可实现钻杆的回收。
通过上述技术方案，本发明实现了钻机的自动化钻进，通过在现有手动钻机上加装这样一套钻机自动化升级装置，即可实现对现有手动钻机进行自动化、智能化改造，并且改造升级过程具有通用性强，结构简单，改造方便，成本低廉，工作过程可靠性高等优势。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1：自动化升级装置整体结构布局示意图；
图2：移动行架结构部分布局示意图；
图3：钻杆夹持器部分布局示意图；
图4：钻杆库部分布局示意图；
图5：位移传感器布置示意图。
附图标记说明
1、主支撑架；2、移动行架结构；201、第一位移驱动器；202、第二位移驱动器；203、横梁；204、第三位移驱动器；205、第四位移驱动器；3、钻杆抓手；301、第一钻杆抓手；302、第一感应传感器；303、第二钻杆抓手；304、第二感应传感器；4、钻杆夹持器；401、回转驱动盘；402、后夹持器；403、动力钻杆；5、水辫；6、电磁开关阀；7、钻杆库；71、钻杆仓；711、升降驱动器；712、限位条；713、钻杆护板；714、底部支撑板；8、控制系统；9、操纵杆执行器；10、位移传感器。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
如图1所示，本发明公开一种矿用钻机自动化升级装置，该装置包括主支撑架1、移动行架结构2、钻杆抓手3、钻杆夹持器4、水辫5、电磁开关阀6、钻杆库7、控制系统8、操纵杆执行器9，主支撑架1固定安装在钻机推进器的支撑架上，对钻机自动化升级装置主体部分进行支撑固定，移动行架结构2布置于主支撑架1上部具有两个自由度，钻杆抓手3置于移动行架结构2上，用于抓取钻杆并在移动行架结构2驱动下将钻杆库7中的钻杆移动到填装位置，钻杆夹持器4与钻机主轴固连，可跟随钻机主轴转动，钻杆夹持器4可以夹持钻杆，使得被夹持的钻杆可以随钻机主轴同步转动，用于钻杆移位及拆卸，水辫5设置在钻机主轴尾端，钻机主轴为中空设置，水辫5与水管之间设置电磁开关阀6，电磁开关阀6可以控制钻杆中冷却液（气）的通断，钻杆库7置于主支撑架1上，用于存储钻杆，同时配合钻杆抓手3进行钻杆的装填及回收，操纵杆执行器9用于驱动操纵杆动作，使得钻机各动作置于控制系统8的操控下，控制系统8采集钻机动作信息，并控制钻机各部分进行动作，使得钻机在接收到控制指令后自动化进行进钻或是退钻动作。主支撑架1固定安装在钻机推进器的支撑架上，可以使得钻杆自动化装填的主体部分随着钻机推进器角度的变化而变化，这样钻杆装填将最小限度的受钻机推进器角度变化的影响。
如图2所示，移动行架结构2主要包括第一位移驱动器201、第二位移驱动器202、横梁203、第三位移驱动器204、第四位移驱动器205，第一位移驱动器201和第四位移驱动器205平行布置，第一位移驱动器201和第四位移驱动器205相对于钻机推进器的支撑架也是平行布置，第二位移驱动器202和第三位移驱动器204平行布置，第二位移驱动器202和第三位移驱动器204相对于钻机推进器的支撑架垂直布置，横梁203将第一位移驱动器201和第四位移驱动器205上的滑座联通，第二位移驱动器202和第三位移驱动器204分布在横梁203上并于横梁203垂直布置。第一位移驱动器201、第二位移驱动器202、第三位移驱动器204、第四位移驱动器205独立控制其上滑座的运动量，虽然横梁203将这四部分固连在一起，但是考虑到连接件的受力变形，独立控制有助于钻杆抓手3转运钻杆时位置的微调。钻杆抓手3包括第一钻杆抓手301、第二钻杆抓手303，第一钻杆抓手301和第二钻杆抓手303分别布置在第二位移驱动器202和第三位移驱动器204的滑座上，第二位移驱动器202和第三位移驱动器204可以驱动第一钻杆抓手301和第二钻杆抓手303上下运动。位移驱动器优选电机丝杠结构。第一钻杆抓手301和第二钻杆抓手303上分别设置第一感应传感器302和第二感应传感器304，第一感应传感器302和第二感应传感器304用于感知第一钻杆抓手301和第二钻杆抓手303与钻杆的位置关系，并且对何时进行抓取以及是否抓取成功进行判断。
如图3所示，钻杆夹持器4安装在回转驱动盘401上，回转驱动盘401与动力钻杆403固连，后夹持器402夹紧动力钻杆403后可以将主钻机扭矩传递给钻杆夹持器4，后夹持器402松开动力钻杆403后，动力钻杆403可以取下。这样设计，在不改变钻机主体动力输出结构的前提下，仅仅对钻杆进行简单的改装就实现了动力的输出以及钻杆夹持器4的加装，结构简单，改装方便。动力钻杆403为中空管，后端与水辫5相连，前端从钻杆夹持器4的中心穿过，前端丝口可与新填装的钻杆进行匹配对接。
如图4所示，钻杆库7置于钻机推进器支撑架的一侧或两侧，每个钻杆库7可以设置多个钻杆仓71，钻杆数量可根据钻机机体强度及钻进需求综合考量确定。钻杆仓71包括升降驱动器711、钻杆护板713、底部支撑板714，升降驱动器711置于钻杆仓71两端，钻杆护板713与升降驱动器711上的滑座固连，底部支撑板714位于钻杆护板713底部并与之固连，升降驱动器711驱动其上的滑座上下运动，进而驱动钻杆护板713上下运动，钻杆置于底部支撑板714上，底部支撑板714跟随钻杆护板713上下运动，使得钻杆上下运动，进而实现了底部支撑板714上方钻杆的入库及出库。钻杆仓71中，在钻杆的两侧布置限位条712，通过调节限位条712的厚度即可调节钻杆仓71内部宽度尺寸，使得钻杆与仓壁之间具有最佳的间隙。限位条712优选尼龙材料，尼龙材料相比钢板具有摩擦阻力小，具有较大弹性形变的优势，有助于防止钻杆在钻杆仓71中出现卡死现象。
如图5所示，钻杆夹持器4与钻机推进器的支撑架之间设有位移传感器10，位移传感器10为控制系统8控制钻机自动化升级装置及钻机进行各种动作提供位置定位信息。
操纵杆执行器9用于将手动操纵杆变成电控操纵杆，使得各操作动作在控制系统8的控制下按照设定步骤动作，控制系统8接收工作指令并控制钻机自动化升级装置及钻机进行各种动作。
结合以上诸图，一种矿用钻机自动化升级装置及工作方法包括：
第一步，调整钻机达到预设的钻位，将钻机上自带的第一根钻杆钻入岩层预设位置；
第二步，钻机的前夹持器动作，夹紧钻入岩层的钻杆，主钻机逆时针旋转，使得主钻机与钻入岩层的钻杆脱离，之后，主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置；
第三步，移动行架结构2驱动钻杆抓手3运动到钻杆库7上方，钻杆库7为钻杆抓手3提供一根钻杆，钻杆抓手3抓取钻杆后在移动行架结构2的驱动下将抓取的钻杆转运至钻杆对接位置；
第四步，主钻机顺时针旋转，同时沿推进器的支撑架向前移动，使得新添加的钻杆与主钻机及钻入岩层的钻杆完成对接，对接完成后，前夹持器松开钻杆，主钻机继续将钻杆钻入预设位置；
第五步，参照步骤二至四，这样周而复始，即可使得钻机持续自动化钻进；
第六步，钻孔作业达到预设深度后，前夹持器夹紧钻杆，主钻机逆时针旋转，使得主钻机与钻入岩层的钻杆脱离，之后，钻杆夹持器4夹紧钻入岩层的钻杆的末端，前夹持器松开钻杆，主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置，这时钻杆被抽出；
第七步，移动行架结构2驱动钻杆抓手3运动到抽出的钻杆上方，钻杆抓手3抓住被抽出的钻杆，前夹持器夹紧钻杆，钻杆夹持器4在主钻机驱动下逆时针旋转，进而拆开被抽出的钻杆，同时钻杆夹持器4将被拆开的钻杆向远离前夹持器的方向移动一定距离，使得被拆钻杆的公头与配合的母头完全分离；
第八步，钻杆夹持器4松开钻杆，钻杆夹持器4继续随主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置，使得被拆钻杆两端均与配套部分完全分离；
第九步，移动行架结构2驱动钻杆抓手3将钻杆转运至钻杆库7上方，钻杆库7配合钻杆抓手3完成钻杆回收；
第十步，钻杆夹持器4随主钻机沿推进器的支撑架前推到预设位置，钻杆夹持器4再次夹紧钻入岩层的钻杆的末端，前夹持器松开钻杆，主钻机沿推进器的支撑架后撤到预设位置，再次钻杆被抽出，之后重复步骤七至九，这样周而复始，即可实现钻杆的回收。
可以理解的是，在钻杆更换时，通过控制电磁开关阀6可以在钻机停止钻进时，断开冷却水（气），以便更好地完成钻杆的更换操作。
通过上述技术方案，本发明实现了钻机的自动化钻进，通过在现有手动钻机上加装这样一套钻机自动化升级装置，即可实现对现有手动钻机进行自动化、智能化改造，并且改造升级过程具有通用性强，结构简单，改造方便，成本低廉，工作过程可靠性高等优势。
本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
