[發明專利]空間四自由度鑿巖機鉆臂機構綜合方法及鉆臂機構

有效

• 申請號: 201811624822.1
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109555474B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發明（設計）人: 孫良;盧副偉;葉治政;武傳宇
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: E21B7/00
• 分類號: E21B7/00;E21B15/00
• 代理公司: 杭州昊澤專利代理事務所(特殊普通合伙) 33449
• 代理人: 黃前澤

1.空間四自由度鑿巖機鉆臂機構綜合方法，其特征在于：該方法具體如下：

步驟一、對空間四自由度鑿巖鉆機鉆臂機構的主臂組件進行機構綜合，具體如下：

1.1設定主臂組件包括機體、一號液壓缸、主臂、連接構件、四號液壓缸和其余構件，且主臂組件為9構件2自由度的運動鏈；其中，一號液壓缸的缸體和推桿為兩個構件，四號液壓缸的缸體和推桿為兩個構件，根據主臂組件的運動鏈構件數N＝9和自由度數M＝2，計算得到運動副數J＝11；由于拓撲圖中最長路徑包含的頂點數大于或等于N-3，因此，依次以拓撲圖中最長路徑包含的頂點數N、N-1、N-2和N-3為條件尋找所有可能的鄰接矩陣，然后把鄰接矩陣轉化成對應的拓撲圖進行篩選，篩選掉頂點度為1的拓撲圖、含有離散點的拓撲圖、含有剛性子鏈的拓撲圖以及存在彼此同構的拓撲圖；

1.2從步驟1.1得到的拓撲圖中找出所有滿足結構篩選條件的拓撲圖；結構篩選條件如下：

(1)拓撲圖中至少含有5個二度點；

(2)若拓撲圖中無長度為3的二度點串存在時，至少存在兩個長度為2的二度點串；若拓撲圖中有長度為3的二度點串存在時，至少存在一個長度為2的二度點串；

1.3在滿足結構篩選條件的拓撲圖中進行功能優選，得到滿足功能優選條件的拓撲圖；功能優選條件如下：

(1)拓撲圖中連接構件的可選頂點位置為2度頂點位置，機體和主臂的可選頂點位置為頂點度大于或等于2的頂點位置；

(2)拓撲圖中連接構件與主臂相連接，主臂與機體相連接，即拓撲圖中連接構件與機體之間的最短路徑長度為2；

(3)拓撲圖中連接構件與機體之間的連通度為2；

(4)當拓撲圖中存在長度為3的二度點串時，該二度點串除中間位置二度點外的其它兩個二度點中有且僅有一個二度點被選為機體或者連接構件；

(5)選定機體、主臂和連接構件的頂點位置后，拓撲圖中其余頂點位置至少存在兩個長度為2的二度點串；

1.4從滿足功能優選條件的拓撲圖中任選一個作為機構拓撲圖，綜合出主臂組件，具體如下：首先在機構拓撲圖中選定機體、主臂和連接構件的頂點位置；剩余的頂點位置中，長度為2的二度點串之間的邊均為移動副，其余邊均為轉動副，且設計為一號液壓缸是連接主臂和機體的長度為2的二度點串，另外的長度為2的二度點串設計為四號液壓缸；其中，選定機體、主臂和連接構件的頂點位置后，若機構拓撲圖中還存在3個長度為2的二度點串，則同時連接主臂和機體的兩個長度為2的二度點串均設計為一號液壓缸，此時，兩個一號液壓缸同步控制調節主臂的仰俯角；機體、主臂、連接構件、一號液壓缸和四號液壓缸的頂點位置均選定后，若不存在其余頂點，則機體、主臂、連接構件、四號液壓缸以及兩個一號液壓缸組成主臂組件；若存在其余頂點，剩余的頂點為二度點就設計為二副構件，剩余的頂點為三度點就設計為三副構件，剩余的頂點為四度點就設計為四副構件；然后，根據機構拓撲圖中各構件的頂點位置關系以及各頂點間的運動副形式裝配出主臂組件；裝配時，機體先不裝配，且除一號液壓缸以及四號液壓缸的缸體與推桿之間構成移動副外，其余所有構件按照各自在機構拓撲圖中的頂點位置與相鄰的構件構成轉動副；然后，機體通過雙向轉動鉸與機構拓撲圖中相鄰的構件進行裝配，雙向轉動鉸包括支座、第一鉸塊和第二鉸塊；支座與機體固定，第一鉸塊與支座鉸接，第二鉸塊與第一鉸塊固定，第二鉸塊和與機體連接的構件鉸接；第一鉸塊的轉軸豎直設置，第二鉸塊的轉軸水平設置；裝配后，主臂與一號液壓缸和四號液壓缸之間形成的轉動副轉軸均與第二鉸塊的轉軸平行設置；主臂組件中除了機體、一號液壓缸、主臂、連接構件和四號液壓缸外，其余構件的轉動副轉軸均與第二鉸塊的轉軸平行設置；一號液壓缸用于調節主臂相對機體的仰俯角，四號液壓缸用于調節副臂相對于主臂的仰俯角，或者一號液壓缸和四號液壓缸聯動調節主臂相對機體的仰俯角以及副臂相對于主臂的仰俯角；

步驟二、在主臂組件基礎上構建出空間四自由度鑿巖鉆機鉆臂機構，包括主臂組件、二號液壓缸、銷軸、三號液壓缸、副臂、保持架和滑臺；二號液壓缸的推桿與主臂鉸接，二號液壓缸的缸體與機體通過一個雙向轉動鉸連接；三個雙向轉動鉸呈三角形排布；連接構件的一個鉸接位與副臂的第一鉸接位鉸接，另一個鉸接位與三號液壓缸的推桿通過銷軸鉸接；三號液壓缸的缸體與副臂的第二鉸接位通過銷軸鉸接；二號液壓缸的推桿與主臂鉸接處的轉軸豎直設置，連接構件與副臂鉸接處的轉軸、連接構件與三號液壓缸的推桿鉸接處的轉軸和副臂的第二鉸接位的轉軸均水平設置，且均垂直于第二鉸塊的轉軸；副臂上固定設有T型滑軌，與滑臺上的T型槽構成滑動副；保持架固定在副臂上；二號液壓缸位于主臂的側面，用于調節主臂相對機體的左右擺動；三號液壓缸用于調節副臂相對于主臂的左右擺動。

2.空間四自由度鑿巖機鉆臂機構，包括主臂組件、雙向轉動鉸、二號液壓缸、銷軸、三號液壓缸、副臂、保持架和滑臺；其特征在于：所述的主臂組件包括機體、一號液壓缸、主臂、連接構件、四號液壓缸、二副構件和三副構件；三個雙向轉動鉸呈三角形排布；所述的雙向轉動鉸包括支座、第一鉸塊和第二鉸塊；支座與機體固定，第一鉸塊與支座鉸接，第二鉸塊與第一鉸塊固定；第一鉸塊的轉軸豎直設置，第二鉸塊的轉軸水平設置；主臂的第一鉸接位、一號液壓缸的缸體和二號液壓缸的缸體與三個雙向轉動鉸的第二鉸塊分別鉸接；主臂的第二鉸接位與四號液壓缸的缸體鉸接，主臂的第三鉸接位與一號液壓缸的推桿鉸接，主臂的第四鉸接位與二副構件的第一鉸接位鉸接，主臂的第五鉸接位與連接構件的第一鉸接位鉸接；二副構件的第二鉸接位與三副構件的第一鉸接位鉸接，三副構件的第二鉸接位與四號液壓缸的推桿鉸接，三副構件的第三鉸接位與連接構件的第二鉸接位鉸接；主臂的第二和第三鉸接位之間設有第六鉸接位，二號液壓缸的推桿與主臂的第六鉸接位鉸接；一號液壓缸位于主臂的下方，二號液壓缸位于主臂的側面；連接構件的第三鉸接位與副臂的第一鉸接位鉸接，連接構件的第四鉸接位與三號液壓缸的推桿通過銷軸鉸接；三號液壓缸的缸體與副臂的第二鉸接位通過銷軸鉸接；主臂除第六鉸接位的轉軸豎直設置外，其余鉸接位的轉軸均與第二鉸塊的轉軸平行設置；連接構件的第三鉸接位的轉軸、第四鉸接位的轉軸和副臂的第二鉸接位的轉軸均水平設置，且均垂直于第二鉸塊的轉軸；副臂上固定設有T型滑軌，T型滑軌與滑臺上的T型槽構成滑動副；保持架固定在副臂上。