凿岩机器人钻孔自适应控制研究

摘要

凿岩机器人广泛应用于钻爆法隧道开挖和矿山开采等工程施工，其液压凿岩机的控制性能直接关系到钻进速度和炮孔质量，影响工程效率和经济效益，是凿岩机器人领域重要的研究内容。本文以液压凿岩机-岩石为研究对象，针对液压凿岩机冲击动力学控制和推进力自适应控制方面开展了如下研究： 冲击式钻孔动力学研究，基于布西涅斯克理论，分别建立岩石在楔形齿、球形齿冲击下的应力状态模型，采用Workbench软件对不同岩石在不同齿形冲击下的岩石破碎机理进行了仿真，揭示出不同岩石破碎与冲击应力之间的关系。利用波动力学分析了冲击应力与冲击速度和钻头反弹应力之间的关系，以不同岩石破碎需要的冲击能量为控制目标，根据液压凿岩机工作参数与结构参数之间的关系，分析了流量和外载荷对系统工作压力的影响规律，通过仿真获得了不同冲击速度时岩石应力分布状态和冲击过程中能量变化规律。 凿岩机钎杆末端与岩石接触力阻抗控制研究，基于液压凿岩机回转负载与回转压力的对应关系，提出一种利用实时检测的回转压力进行计算接触力的方法，实现了复杂工况下凿岩机器人接触力的间接测量。利用获取的实际接触力对岩石刚度进行在线估计，分析了当前接触深度误差对稳态接触力控制的影响规律，采用 Lyapunov稳定性理论在线估计当前接触深度，获得出接触力阻抗控制稳定性的接触深度误差边界，推导出控制器参数调整规律。 液压凿岩机推进力自适应控制研究，分析了液压油的压缩性以及液压缸的非对称性对力控制精度和稳定的影响，提出一种活塞伸出或缩回状态时有效承载面积的加权平均法，并重新定义负载流量与负载压力，建立了零开口阀控非对称液压缸双向运动的数学模型，在AMEsim中建立了液压凿岩机动态仿真模型，通过仿真获得了不同工况下推进压力随回转压力的变化曲线，为凿岩机器人钻孔自适应控制提供了理论依据。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的主要研究内容

第二章 冲击式破岩机理

2.1 冲击破岩应力分布

2.2 岩石在冲击作用下的破碎机理

2.3 冲击破岩过程中能量耗散分析

2.4 本章小结

第三章 液压凿岩机冲击动力学控制

3.1 液压凿岩机工作原理

3.2 应力波传播特性分析

3.3 液压凿岩机动力学控制

3.4 冲击应力仿真分析

3.5 本章小结

第四章 凿岩机钎杆末端与岩石接触力阻抗控制

4.1 引言

4.2 钻进过程中的力学特性

4.3 凿岩机钎杆末端与岩石接触力阻抗控制

4.4 本章小结

第五章 液压凿岩机推进力自适应控制

5.1 引言

5.2 液压凿岩机推进系统数学建模

5.3 液压凿岩机推进力仿真分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果

在学期间主持及参与的项目