[发明专利]空间四自由度凿岩机钻臂机构综合方法及钻臂机构

摘要

本发明公开了空间四自由度凿岩机钻臂机构综合方法及钻臂机构。凿岩机的工作速度、凿岩精度是凿岩机发展的关键因素。本发明通过筛选拓扑图综合设计出主臂组件，然后在主臂组件基础上构建出空间四自由度凿岩钻机钻臂机构，包括主臂组件、二号液压缸、销轴、三号液压缸、副臂、保持架和滑台；主臂组件包括机体、一号液压缸、主臂、连接构件、四号液压缸、二副构件和三副构件。本发明能设计出更多符合主臂组件要求且更优的新构型；提供的具体钻臂机构，通过四个液压缸的控制，能实现主臂相对机体的仰俯角调节，主臂相对机体的左右摆动调节，副臂相对主臂的左右摆动调节，副臂相对主臂的仰俯角调节，进而调节凿岩机达到工作环境要求后实施凿岩工作。

主权项

1.空间四自由度凿岩机钻臂机构综合方法，其特征在于：该方法具体如下：步骤一、对空间四自由度凿岩钻机钻臂机构的主臂组件进行机构综合，具体如下：1.1设定主臂组件包括机体、一号液压缸、主臂、连接构件、四号液压缸和其余构件，且主臂组件为9构件2自由度的运动链；其中，一号液压缸的缸体和推杆为两个构件，四号液压缸的缸体和推杆为两个构件，根据主臂组件的运动链构件数N＝9和自由度数M＝2，计算得到运动副数J＝11；由于拓扑图中最长路径包含的顶点数大于或等于N‑3，因此，依次以拓扑图中最长路径包含的顶点数N、N‑1、N‑2和N‑3为条件寻找所有可能的邻接矩阵，然后把邻接矩阵转化成对应的拓扑图进行筛选，筛选掉顶点度为1的拓扑图、含有离散点的拓扑图、含有刚性子链的拓扑图以及存在彼此同构的拓扑图；1.2从步骤1.1得到的拓扑图中找出所有满足结构筛选条件的拓扑图；结构筛选条件如下：(1)拓扑图中至少含有5个二度点；(2)若拓扑图中无长度为3的二度点串存在时，至少存在两个长度为2的二度点串；若拓扑图中有长度为3的二度点串存在时，至少存在一个长度为2的二度点串；1.3在满足结构筛选条件的拓扑图中进行功能优选，得到满足功能优选条件的拓扑图；功能优选条件如下：(1)拓扑图中连接构件的可选顶点位置为2度顶点位置，机体和主臂的可选顶点位置为顶点度大于或等于2的顶点位置；(2)拓扑图中连接构件与主臂相连接，主臂与机体相连接，即拓扑图中连接构件与机体之间的最短路径长度为2；(3)拓扑图中连接构件与机体之间的连通度为2；(4)当拓扑图中存在长度为3的二度点串时，该二度点串除中间位置二度点外的其它两个二度点中有且仅有一个二度点被选为机体或者连接构件；(5)选定机体、主臂和连接构件的顶点位置后，拓扑图中其余顶点位置至少存在两个长度为2的二度点串；1.4从满足功能优选条件的拓扑图中任选一个作为机构拓扑图，综合出主臂组件，具体如下：首先在机构拓扑图中选定机体、主臂和连接构件的顶点位置；剩余的顶点位置中，长度为2的二度点串之间的边均为移动副，其余边均为转动副，且设计为一号液压缸是连接主臂和机体的长度为2的二度点串，另外的长度为2的二度点串设计为四号液压缸；其中，选定机体、主臂和连接构件的顶点位置后，若机构拓扑图中还存在3个长度为2的二度点串，则同时连接主臂和机体的两个长度为2的二度点串均设计为一号液压缸，此时，两个一号液压缸同步控制调节主臂的仰俯角；机体、主臂、连接构件、一号液压缸和四号液压缸的顶点位置均选定后，若不存在其余顶点，则机体、主臂、连接构件、四号液压缸以及两个一号液压缸组成主臂组件；若存在其余顶点，剩余的顶点为二度点就设计为二副构件，剩余的顶点为三度点就设计为三副构件，剩余的顶点为四度点就设计为四副构件；然后，根据机构拓扑图中各构件的顶点位置关系以及各顶点间的运动副形式装配出主臂组件；装配时，机体先不装配，且除一号液压缸以及四号液压缸的缸体与推杆之间构成移动副外，其余所有构件按照各自在机构拓扑图中的顶点位置与相邻的构件构成转动副；然后，机体通过双向转动铰与机构拓扑图中相邻的构件进行装配，双向转动铰包括支座、第一铰块和第二铰块；支座与机体固定，第一铰块与支座铰接，第二铰块与第一铰块固定，第二铰块和与机体连接的构件铰接；第一铰块的转轴竖直设置，第二铰块的转轴水平设置；装配后，主臂与一号液压缸和四号液压缸之间形成的转动副转轴均与第二铰块的转轴平行设置；主臂组件中除了机体、一号液压缸、主臂、连接构件和四号液压缸外，其余构件的转动副转轴均与第二铰块的转轴平行设置；一号液压缸用于调节主臂相对机体的仰俯角，四号液压缸用于调节副臂相对于主臂的仰俯角，或者一号液压缸和四号液压缸联动调节主臂相对机体的仰俯角以及副臂相对于主臂的仰俯角；步骤二、在主臂组件基础上构建出空间四自由度凿岩钻机钻臂机构，包括主臂组件、二号液压缸、销轴、三号液压缸、副臂、保持架和滑台；二号液压缸的推杆与主臂铰接，二号液压缸的缸体与机体通过一个双向转动铰连接；三个双向转动铰呈三角形排布；连接构件的一个铰接位与副臂的第一铰接位铰接，另一个铰接位与三号液压缸的推杆通过销轴铰接；三号液压缸的缸体与副臂的第二铰接位通过销轴铰接；二号液压缸的推杆与主臂铰接处的转轴竖直设置，连接构件与副臂铰接处的转轴、连接构件与三号液压缸的推杆铰接处的转轴和副臂的第二铰接位的转轴均水平设置，且均垂直于第二铰块的转轴；副臂上固定设有T型滑轨，与滑台上的T型槽构成滑动副；保持架固定在副臂上；二号液压缸位于主臂的侧面，用于调节主臂相对机体的左右摆动；三号液压缸用于调节副臂相对于主臂的左右摆动。