一种矿用换杆机械臂及液压控制方法技术

一种矿用换杆机械臂及液压控制方法，系统：大臂两端分别与底座和小臂之间转动连接，底座连接在回转支承上，并由液压马达驱动旋转，大臂与底座之间、大臂与小臂之间各连接有一个液压缸；手腕俯仰液压马达一连接在小臂的端部，并驱动安装有手腕横摆液压马达二的第二马达安装座转动，手腕横摆液压马达二驱动安装有手腕旋转液压马达的第三马达安装座转动，手腕旋转液压马达驱动手爪关节总成转动；方法：控制手爪打开，控制机械臂动作到抓取位置；抓取钻杆；控制机械臂到达上杆位置；松开钻杆；机械臂复位；控制机械臂动作到取杆位置；抓取钻杆；控制机械臂到达放杆位置；松开钻杆；机械臂复位。该系统及方法自动化程度高，能提高井下换杆作业的效率。换杆作业的效率。换杆作业的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种矿用换杆机械臂及液压控制方法


[0001]本专利技术属于矿山机械
，具体涉及一种矿用换杆机械臂及液压控制方法。

技术介绍

[0002]冲击地压是导致煤矿灾害事故的主要灾害之一，目前其对应的有效防治措施为钻孔卸压。但是在钻孔施工过程中煤与瓦斯突出、突水等事件时有发生，国内煤矿用钻机因换杆等关键环节的限制，都只能在施工现成进行人工操作。在这种情况下一旦发生孔口瓦斯突出或者涌水事故，操作人员人身安全将面临严重的威胁。为保障钻机操作人员的人身安全，有必要对煤矿井下自动换杆机械手进行研究。
[0003]现有的煤矿井下换杆装置通常由多种机构组合而成，其结构复杂，控制过程极为不便，且作业效率较低。而换杆机械臂相对与其他装置更为灵活，换钻过程更为方便。现有的换钻机械臂多采用液压马达进行驱动，控制方式复杂，且控制精度较低。因此，亟需提供一种控制过程方便，控制精度较高的换杆机械系统及方法。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种矿用换杆机械臂及液压控制方法，该系统结构紧凑，一体化程度高，自由度多，灵活性好，控制方式简单，控制精度高，其能极大提高井下换杆作业的作业效率，同时，能精确的对各个自由度进行精确的控制；该方法自动化程度较高，能够方便的实现钻杆的装填作业和回装作业，其对提高煤矿生产效率和安全性有着巨大的作用。
[0005]本专利技术提供一种矿用换杆机械臂，包括矿用自动换杆机械手和液压控制单元；
[0006]所述矿用自动换杆机械手包括回转支承、液压马达、底座、大臂、小臂、大臂液压缸、小臂液压缸、第一马达安装座、手腕俯仰液压马达一、第二马达安装座、手腕横摆液压马达二、第三马达安装座、手腕旋转液压马达和手爪关节总成组成；所述回转支承安装在支撑平台上，其上连接有用于驱动其上部安装平台转动的液压马达；所述底座的下端通过法兰与回转支承上部安装平台固定连接，底座的上部相对的固定连接有一对连接护板，并于一对连接护板之间形成容纳槽；所述大臂的下端伸入到容纳槽左端的内部，并通过第一销轴与一对连接护板之间可转动的连接，其上端通过第四销轴与小臂的左端连接；所述大臂液压缸位于大臂的右侧，其下端伸入到容纳槽右端的内部，并通过第二销轴与一对连接护板可转动的连接，大臂液压缸的上端通过第三销轴与大臂中部靠下的部分可转动的连接；所述小臂液压缸位于大臂液压缸同侧的上方，且其下端通过第五销轴与大臂中部靠上的部分可转动的连接，其上端通过第六销轴与小臂左部的下端可转动的连接；所述第一马达安装座固定连接在小臂的右端，且其内部安装有手腕俯仰液压马达一；所述第二马达安装座设置在第一马达安装座的下方，其内部安装有手腕横摆液压马达二，其上端固定连接有第一手腕连接板，且第一手腕连接板的自由端与固定套装于手腕俯仰液压马达一输出轴外部的连接法兰一固定连接；所述第三马达安装座设置在第二马达安装座的下方，其下端安装有
手腕旋转液压马达，其上端固定连接有第二手腕连接板，第二手腕连接板的自由端与固定套装于手腕横摆液压马达二输出轴外部的连接法兰二固定连接；所述手腕旋转液压马达与手爪关节总成连接；所述手爪关节总成由手爪关节主体、固定手爪、油缸固定架、活动手爪、手爪开合油缸、上卡瓦和下卡瓦组成；所述手爪关节主体的上端与固定套装在手腕旋转液压马达输出轴外部的连接法兰三固定连接；所述固定手爪的上端与手爪关节主体的下端固定连接，其下端呈向上凹陷的弧形结构；所述油缸固定架位于固定手爪长度方向一端的外侧，且与手爪关节主体中部的外侧壁固定连接；所述活动手爪设置在固定手爪相对的一侧，且其下部呈与固定手爪相配合的弧形结构，其上端于长度方向的两端固定连接有一对连接臂，一对连接臂分别位于手爪关节主体相对两侧的外部，一对连接臂的连接端通过第八销轴与手爪关节主体下端一侧固定连接的连接耳板可转动的连接，所述手爪开合油缸的底座通过铰接座与油缸固定架的下端可转动的连接，其活塞杆端通过第七销轴与一个连接臂的自由端可转动的连接；所述上卡瓦的形状和尺寸与固定手爪的弧面相适配，并固定连接在固定手爪的弧面内部；所述下卡瓦的形状和尺寸与活动手爪下部的弧面相适配，并固定连接在活动手爪下部的弧面内部；
[0007]所述液压控制单元包括发动机、变量泵、比例换向阀一、比例换向阀二、比例换向阀三、比例换向阀四、比例换向阀五、比例换向阀六、比例换向阀七、旋转编码器一、旋转编码器二、旋转编码器三、旋转编码器四、旋转编码器五、旋转编码器六、压力传感器和控制器；所述变量泵由与其同轴连接的发动机驱动，其吸油口与液压油箱连接，其排油口分别与比例换向阀一的P口、比例换向阀二的P口、比例换向阀三的P口、比例换向阀四的P口、比例换向阀五的P口、比例换向阀六的P口和比例换向阀七的P口连接，所述比例换向阀一的T口、比例换向阀二的T口、比例换向阀三的T口、比例换向阀四的T口、比例换向阀五的T口、比例换向阀六的T口和比例换向阀七的T口均与液压油箱连接；所述比例换向阀一的A口、B口分别与第一锁紧回路的第一进油口、第二进油口连接，第一锁紧回路的第一出油口、第二出油口与液压马达的A口、B口连接；所述比例换向阀二的A口、 B口分别与第一平衡回路的第一进油口、第二进油口连接，第一平衡回路的第一出油口、第二出油口与大臂液压缸的无杆腔油口、有杆腔油口连接；所述比例换向阀三的A口、B口分别与第二平衡回路的第一进油口、第二进油口连接，第二平衡回路的第一出油口、第二出油口与小臂液压缸的无杆腔油口、有杆腔油口连接；所述比例换向阀四的A口、B口分别与第二锁紧回路的第一进油口、第二进油口连接，第二锁紧回路的第一出油口、第二出油口与手腕俯仰液压马达一的A口、B口连接；所述比例换向阀五的A口、B口分别与第三锁紧回路的第一进油口、第二进油口连接，第三锁紧回路的第一出油口、第二出油口与手腕横摆液压马达二的A口、B口连接；所述比例换向阀六的A口、B口分别与第四锁紧回路的第一进油口、第二进油口连接，第四锁紧回路的第一出油口、第二出油口与手腕旋转液压马达的A口、B口连接；所述比例换向阀七的A口、B口分别与第五锁紧回路的第一进油口、第二进油口连接，第五锁紧回路的第一出油口、第二出油口与手爪开合油缸的无杆腔油口、有杆腔油口连接；所述旋转编码器一连接在液压马达的输出轴上，用于实时采集底座的回转角度信号；所述旋转编码器二连接在第一销轴上，用于实时采集大臂的转动角度信号；所述旋转编码器三连接在第四销轴上，用于实时采集小臂相对大臂的转动角度信号；所述旋转编码器四连接在手腕俯仰液压马达一的输出轴上，用于实时采集第二马达安装座的俯仰角度信号；所述旋转编码器五连接在手腕横摆液压马达二
的输出轴上，用于实时采集第三马达安装座横摆角度信号；所述旋转编码器六连接在手腕旋转液压马达的输出轴上，用于实时采集手爪关节总成的旋转角度信号；所述压力传感器安装在无杆腔油口，用于实时采集手爪开合油缸无杆腔内的油液压力信号；
[0008]所述控制器分别与发动机、压力传感器、变量泵、比例换向阀一、比例换向阀二、比例换向阀三、比例换向阀四、比例换向阀五、比例换向阀六、比例换向阀七、旋转编码器一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿用换杆机械臂，包括矿用自动换杆机械手和液压控制单元，其特征在于；所述矿用自动换杆机械手包括回转支承(1)、液压马达(18)、底座(2)、大臂(5)、小臂(6)、大臂液压缸(3)、小臂液压缸(4)、第一马达安装座(13)、手腕俯仰液压马达一(7)、第二马达安装座(14)、手腕横摆液压马达二(9)、第三马达安装座(15)、手腕旋转液压马达(11)和手爪关节总成(12)组成；所述回转支承(1)安装在支撑平台上，其上连接有用于驱动其上部安装平台转动的液压马达(18)；所述底座(2)的下端通过法兰与回转支承(1)上部安装平台固定连接，底座(2)的上部相对的固定连接有一对连接护板(19)，并于一对连接护板(19)之间形成容纳槽(20)；所述大臂(5)的下端伸入到容纳槽(20)左端的内部，并通过第一销轴(21)与一对连接护板(19)之间可转动的连接，其上端通过第四销轴(16)与小臂(6)的左端连接；所述大臂液压缸(3)位于大臂(5)的右侧，其下端伸入到容纳槽(20)右端的内部，并通过第二销轴(22)与一对连接护板(19)可转动的连接，大臂液压缸(3)的上端通过第三销轴(23)与大臂(5)中部靠下的部分可转动的连接；所述小臂液压缸(4)位于大臂液压缸(3)同侧的上方，且其下端通过第五销轴(58)与大臂(5)中部靠上的部分可转动的连接，其上端通过第六销轴(17)与小臂(6)左部的下端可转动的连接；所述第一马达安装座(13)固定连接在小臂(6)的右端，且其内部安装有手腕俯仰液压马达一(7)；所述第二马达安装座(14)设置在第一马达安装座(13)的下方，其内部安装有手腕横摆液压马达二(9)，其上端固定连接有第一手腕连接板(8)，且第一手腕连接板(8)的自由端与固定套装于手腕俯仰液压马达一(7)输出轴外部的连接法兰一固定连接；所述第三马达安装座(15)设置在第二马达安装座(14)的下方，其下端安装有手腕旋转液压马达(11)，其上端固定连接有第二手腕连接板(10)，第二手腕连接板(10)的自由端与固定套装于手腕横摆液压马达二(9)输出轴外部的连接法兰二固定连接；所述手腕旋转液压马达(11)与手爪关节总成(12)连接；所述手爪关节总成(12)由手爪关节主体(12
‑
5)、固定手爪(12
‑
6)、油缸固定架(12
‑
4)、活动手爪(12
‑
2)、手爪开合油缸(12
‑
3)、上卡瓦(12
‑
7)和下卡瓦(12
‑
1)组成；所述手爪关节主体(12
‑
5)的上端与固定套装在手腕旋转液压马达(11)输出轴外部的连接法兰三固定连接；所述固定手爪(12
‑
6)的上端与手爪关节主体(12
‑
5)的下端固定连接，其下端呈向上凹陷的弧形结构；所述油缸固定架(12
‑
4)位于固定手爪(12
‑
6)长度方向一端的外侧，且与手爪关节主体(12
‑
5)中部的外侧壁固定连接；所述活动手爪(12
‑
2)设置在固定手爪(12
‑
6)相对的一侧，且其下部呈与固定手爪(12
‑
6)相配合的弧形结构，其上端于长度方向的两端固定连接有一对连接臂(12
‑
9)，一对连接臂(12
‑
9)分别位于手爪关节主体(12
‑
5)相对两侧的外部，一对连接臂(12
‑
9)的连接端通过第八销轴(12
‑
10)与手爪关节主体(12
‑
5)下端一侧固定连接的连接耳板(12
‑
11)可转动的连接，所述手爪开合油缸(12
‑
3)的底座通过铰接座与油缸固定架(12
‑
4)的下端可转动的连接，其活塞杆端通过第七销轴(12
‑
8)与一个连接臂(12
‑
9)的自由端可转动的连接；所述上卡瓦(12
‑
7)的形状和尺寸与固定手爪(12
‑
6)的弧面相适配，并固定连接在固定手爪(12
‑
6)的弧面内部；所述下卡瓦(12
‑
1)的形状和尺寸与活动手爪(12
‑
2)下部的弧面相适配，并固定连接在活动手爪(12
‑
2)下部的弧面内部；所述液压控制单元包括发动机、变量泵(24)、比例换向阀一(28)、比例换向阀二(29)、比例换向阀三(30)、比例换向阀四(31)、比例换向阀五(32)、比例换向阀六(33)、比例换向阀七(34)、旋转编码器一(50)、旋转编码器二(51)、旋转编码器三(52)、旋转编码器四(53)、旋转编码器五(54)、旋转编码器六(55)、压力传感器(26)和控制器(27)；所述变量泵(24)由
与其同轴连接的发动机驱动，其吸油口与液压油箱连接，其排油口分别与比例换向阀一(28)的P口、比例换向阀二(29)的P口、比例换向阀三(30)的P口、比例换向阀四(31)的P口、比例换向阀五(32)的P口、比例换向阀六(33)的P口和比例换向阀七(34)的P口连接，所述比例换向阀一(28)的T口、比例换向阀二(29)的T口、比例换向阀三(30)的T口、比例换向阀四(31)的T口、比例换向阀五(32)的T口、比例换向阀六(33)的T口和比例换向阀七(34)的T口均与液压油箱连接；所述比例换向阀一(28)的A口、B口分别与第一锁紧回路(35)的第一进油口、第二进油口连接，第一锁紧回路(35)的第一出油口、第二出油口与液压马达(18)的A口、B口连接；所述比例换向阀二(29)的A口、B口分别与第一平衡回路(38)的第一进油口、第二进油口连接，第一平衡回路(38)的第一出油口、第二出油口与大臂液压缸(3)的无杆腔油口、有杆腔油口连接；所述比例换向阀三(30)的A口、B口分别与第二平衡回路(39)的第一进油口、第二进油口连接，第二平衡回路(39)的第一出油口、第二出油口与小臂液压缸(4)的无杆腔油口、有杆腔油口连接；所述比例换向阀四(31)的A口、B口分别与第二锁紧回路(40)的第一进油口、第二进油口连接，第二锁紧回路(40)的第一出油口、第二出油口与手腕俯仰液压马达一(7)的A口、B口连接；所述比例换向阀五(32)的A口、B口分别与第三锁紧回路(43)的第一进油口、第二进油口连接，第三锁紧回路(43)的第一出油口、第二出油口与手腕横摆液压马达二(9)的A口、B口连接；所述比例换向阀六(33)的A口、B口分别与第四锁紧回路(46)的第一进油口、第二进油口连接，第四锁紧回路(46)的第一出油口、第二出油口与手腕旋转液压马达(11)的A口、B口连接；所述比例换向阀七(34)的A口、B口分别与第五锁紧回路(49)的第一进油口、第二进油口连接，第五锁紧回路(49)的第一出油口、第二出油口与手爪开合油缸(12
‑
3)的无杆腔油口、有杆腔油口连接；所述旋转编码器一(50)连接在液压马达(18)的输出轴上，用于实时采集底座(2)的回转角度信号；所述旋转编码器二(51)连接在第一销轴(21)上，用于实时采集大臂(5)的转动角度信号；所述旋转编码器三(52)连接在第四销轴(16)上，用于实时采集小臂(6)相对大臂(5)的转动角度信号；所述旋转编码器四(53)连接在手腕俯仰液压马达一(7)的输出轴上，用于实时采集第二马达安装座(14)的俯仰角度信号；所述旋转编码器五(54)连接在手腕横摆液压马达二(9)的输出轴上，用于实时采集第三马达安装座(15)横摆角度信号；所述旋转编码器六(55)连接在手腕旋转液压马达(11)的输出轴上，用于实时采集手爪关节总成(12)的旋转角度信号；所述压力传感器(26)安装在无杆腔油口，用于实时采集手爪开合油缸(12
‑
3)无杆腔内的油液压力信号；所述控制器(27)分别与发动机、压力传感器(26)、变量泵(24)、比例换向阀一(28)、比例换向阀二(29)、比例换向阀三(30)、比例换向阀四(31)、比例换向阀五(32)、比例换向阀六(33)、比例换向阀七(34)、旋转编码器一(50)、旋转编码器二(51)、旋转编码器三(52)、旋转编码器四(53)、旋转编码器五(54)和旋转编码器六(55)连接。2.根据权利要求1所述的一种矿用换杆机械臂，其特征在于，所述液压控制单元还包括溢流阀一(25)，所述变量泵(24)的排油口还通过溢流阀一(25)与液压油箱连接。3.根据权利要求2所述的一种矿用换杆机械臂，其特征在于，所述液压控制单元还包括与控制器(27)连接的限位开关(12
‑
12)，所述限位开关(12
‑
12)固定连接在手爪关节主体(12
‑
5)的下端，且与一个连接臂(12
‑
9)的自由端相配合，当连接臂(12
‑
9)的自由端向手爪关节主体(12
‑
5)下端的方向运动过程中，到达触碰到限位开关(12
‑
12)的位置时，活动手爪(12
‑
2)相对于固定手爪(12
‑
6)呈最大打开状态。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种矿用换杆机械臂，其特征在于，所述第一锁紧回路(35)、第二锁紧回路(40)、第三锁紧回路(43)、第四锁紧回路(46)和第五锁紧回路(49)均由第一液控单向阀(56)和第二液控单向阀(57)组成，第一液控单向阀(56)的进油口作为对应锁紧回路的第一进油口，第一液控单向阀(56)的出油口作为对应锁紧回路的第一出油口，第二液控单向阀(57)的进油口作为对应锁紧回路的第二进油口，第二液控单向阀(57)的出油口作为对应锁紧回路的第二出油口，第一液控单向阀(56)的液控口通过信号油路与第二液控单向阀(57)的进油口连接，第二液控单向阀(57)的的液控口通过信号油路与第一液控单向阀(56)的进油口连接。5.根据权利要求4所述的一种矿用换杆机械臂，其特征在于，所述液压控制单元还包括溢流阀二(36)、溢流阀三(37)、溢流阀四(41)、溢流阀五(42)、溢流阀六(44)、溢流阀七(45)、溢流阀八(47)和溢流阀九(48)，所述液压马达(18)的A口通过溢流阀二(36)与液压油箱连接，液压马达(18)的B口通过溢流阀三(37)与液压油箱连接；所述手腕俯仰液压马达一(7)的A口通过溢流阀四(41)与液压油箱连接，手腕俯仰液压马达一(7)的B口通过溢流阀五(42)与液压油箱连接；所述手腕横摆液压马达二(9)的A口通过溢流阀六(44)与液压油箱连接，手腕横摆液压马达二(9)的B口通过溢流阀七(45)与液压油箱连接；所述手腕旋转液压马达(11)的A口通过溢流阀八(47)与液压油箱连接，手腕旋转液压马达(11)的B口通过溢流阀九(48)与液压油箱连接。6.根据权利要求4所述的一种矿用换杆机械臂，其特征在于，所述第一平衡回路(38)和第二平衡回路(39)均由第一平衡阀和第二平衡阀组成，第一平衡阀由第一单向阀(60)和第一液控顺序阀(61)组成，第一单向阀(60)的进油口和第一液控顺序阀(61)的进油口相连通后形成对应平衡回路的第一进油口，第一单向阀(60)的出油口和第一液控顺序阀(61)的出油口相连通后形成对应平衡回路的第一出油口，第二平衡阀由第二单向阀(62)和第二液控顺序阀(59)组成，第二单向阀(62)的进油口和第二液控顺序阀(59)的进油口相连通后形成对应平衡回路的第二进油口，第二单向阀(62)的出油口和第二液控顺序阀(59)的出油口相连通后形成对应平衡回路的第二出油口，第一液控顺序阀(61)的液控口与第二液控顺序阀(59)的进油口连接，第二液控顺序阀(59)的液控口与第一液控顺序阀(61)的进油口连接。7.根据权利要求6所述的一种矿用换杆机械臂，其特征在于，所述比例换向阀一(28)、比例换向阀二(29)、比例换向阀三(30)、比例换向阀四(31)、比例换向阀五(...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫海峰，姚永成，王忠宾，梁斌，顾进恒，戴剑博，司垒，周震，董红帅，龚子耀，刘立奇，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：