一种适用于潜孔钻机的换杆装置及其换杆控制方法

技术领域

本发明属于矿山钻凿设备领域，尤其涉及一种适用于潜孔钻机的换杆装置及其换杆控制方法。

背景技术

随着矿山各类安全施工要求的出台，以及出于用工难的现状，配置自动换杆装置的智能化潜孔钻机逐渐成为矿山爆破孔施工主流产品，自动换杆装置作为智能化潜孔钻机的关键部件，对安全快速完成钻孔作业、提高生产效率、降低施工成本具有重要意义。

对于目前已有的上卸杆装置，首先，由于钻杆库中的钻杆只能单方向依次送进机械手中，施工过程中钻孔深度经常会发生变化，而机械手只能按照钻杆排列顺序依次进行夹取，无法对任意钻杆进行夹取，则导致每根钻杆使用的频次就会不同，钻杆库中靠前的钻杆使用频率高、磨损程度较为严重，靠后的钻杆使用频率低、磨损程度较轻，这就导致同批次钻杆磨损程度不同，并且无法使用排列靠后的钻杆。

其次，由于钻杆较长，一般采用多个机械手进行夹紧，但目前的机械手均为独立结构，在摆动过程中会存在不同步现象，机械手夹紧钻杆后的摆动与传送过程中会导致钻杆弯曲及损坏，进而影响钻孔的精度。

最后，由于现有的机械手夹紧钻杆方式为单侧夹紧，并且对于大直径钻杆的夹持力不足，空间限制机械手无法夹持大直径钻杆，容易发生掉杆现象，出现安全事故，因此现有技术不能满足大直径钻孔功能的要求。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于潜孔钻机的换杆装置及其换杆控制方法，能够对钻杆库中的任意一根钻杆进行抓取，避免个别钻杆因使用频率过高导致磨损程度大的情形，且能够对钻杆进行多点夹持，可满足大直径钻孔功能的要求。

本发明采取的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种适用于潜孔钻机的换杆装置，其包括安装架、钻杆库和夹持单元；

所述钻杆库包括旋转缸和分别用于限位容置钻杆两端部的钻杆限位驱动单元，所述钻杆限位驱动单元包括护桶和钻杆安装板；所述护桶安装于所述安装架，用于容置所述钻杆端部，其侧部设有夹持口，所述夹持口处设有钻杆到位传感器；所述旋转缸的缸体固定安装于其中一个所述护桶的顶部，输出轴贯穿所述护桶，用于驱动两个所述钻杆安装板旋转，所述钻杆安装板周向间隔设置有多个钻杆限位口；

至少一个所述钻杆限位驱动单元还包括安装于护桶上的档杆和防护油缸，所述防护油缸用于驱动所述档杆打开或关闭所述夹持口；

所述夹持单元包括沿平行于所述钻杆轴向的方向设置的至少2个夹持机构，各所述夹持机构分别包括安装座、摆动机构和机械手，所述机械手通过所述摆动机构连接所述安装座，所述安装座安装于所述安装架，所述摆动机构用于驱动所述机械手移动至所述夹持口，所述机械手能够深入所述夹持口以夹持所述钻杆。

上述技术方案中，当所需的钻杆移动至夹持口处，控制档杆打开，控制摆动机构带动机械手移动至夹持口处，然后控制机械手的抓手朝向并深入夹持口，进而控制机械手的抓手收紧，即可将夹持口处的钻杆夹出。机械手可转动设置于摆动机构的摆动端，以实现其自身转动。可以看出，本发明的换杆装置能够自由选择任意一根钻杆并控制夹持单元进行抓取，方便均衡钻杆的使用频率，整体提升钻杆的使用寿命；且多个机械手能够对钻杆进行多点夹持，夹持更加可靠。

可选的，所述档杆第一端的一侧部转动连接于所述夹持口一侧，第一端的另一侧部转动连接所述防护油缸的一端；所述防护油缸的另一端转动连接所述护桶，其伸缩能够带动所述档杆第二端接触或远离所述夹持口另一侧，使得所述夹持口处于关闭或打开状态；

所述钻杆到位传感器安装于所述档杆上。当然传感器也可安装于护桶内位置，在该位置处，当检测到钻杆到位信号，恰好有其中一个其他钻杆到达夹持口即可。

可选的，所述旋转缸的输出轴端部驱动连接一传动杆，所述传动杆固连两个所述钻杆安装板的中部。当旋转缸输出轴转动，钻杆安装板将由传动杆带动旋转，从而带动周部的钻杆转动，直至有所需的钻杆到达夹持口处，则可对钻杆进行夹持控制。

可选的，所述夹持单元还包括第二旋转缸和连杆；所述连杆平行于所述钻杆轴向，所述第二旋转缸的输出轴驱动连接于所述连杆一端，所述连杆贯穿并固定各机械手的本体；所述摆动机构的摆动端固连所述第二旋转缸的缸体，并转动套设于所述连杆外周；所述摆动机构能够驱动连杆在垂直于其自身轴向的平面内摆动，以带动所述机械手的本体移动至所述夹持口处。

上述技术方案中，第二旋转缸能够驱动连杆转动，当所需的钻杆移动至夹持口处，控制档杆打开，驱动连杆摆动带动机械手移动至夹持口处，然后驱动连杆转动并配合连杆摆动，即可使得机械手的抓手朝向并深入夹持口，进而控制机械手的抓手收紧，可将夹持口处的钻杆夹出。多个机械手之间通过连杆同步驱动，能够实现对钻杆的多点夹持，且在夹出钻杆后不易导致钻杆弯曲及损坏，能够进一步延长钻杆工作寿命。

可选的，所述摆动机构包括摆动油缸和摆动臂，所述摆动臂一端为摆动端，用于连接所述第二旋转缸和所述连杆，所述摆动臂的另一端的一侧部铰接于所述安装座，另一侧部转动连接所述摆动油缸的一端，所述摆动油缸的另一端转动连接所述安装座。

以上技术方案中，当摆动油缸伸缩可带动摆动臂绕其铰接点转动，从而带动连杆在垂直于其自身轴向的平面内摆动。

可选的，所述机械手的本体包括安装板、夹紧油缸和对称设置的两抓手，所述安装板垂直于所述连杆并固定安装于连杆上，所述两抓手分别设于所述连杆两侧，各抓手中部转动连接所述安装板，两抓手的根端于连杆一侧分别转动连接所述夹紧油缸的两端，夹持端位于连杆另一侧。

以上方案中，当夹紧油缸伸长，在抓手中部铰点限制下，两夹持端趋于夹持状态，当夹紧油缸收缩，则两夹持端趋于释放状态。

可选的，所述安装板上下对称分别设置一个，所述两抓手安装于两安装板之间；

两安装板侧部还连接有具有凸出部的导向件，两抓手外侧部分别设有适应所述凸出部的导向槽。

两安装板的设置使得两抓手的安装更方便可靠；且在导向槽与凸出部的配合，以及两安装板的限位作用下，两抓手夹持或释放过程运动更平稳，可进一步减少对钻杆外表面的磨损。

可选的，所述两抓手的夹持面上，以及连杆朝向机械手夹持端的一侧，分别设有缓冲垫。该缓冲垫可选用具有一定弹性和摩擦力的材料制成，使得机械手对钻杆的夹持更可靠且能够保护钻杆减少夹持面损伤。

可选的，所述安装架上沿平行于钻杆轴向的方向上还设有导轨，并通过所述导轨滑动安装有回转装置；

所述回转装置具有能够连接钻杆的连接头，以在连接钻杆后能够带动钻杆轴向移动，以实现钻进与提升。

第二方面，本发明提供一种第一方面所述换杆装置的换杆控制方法，包括：

在所述档杆处于关闭状态下，控制所述旋转缸驱动所述钻杆安装板旋转，以带动钻杆转动；

当传感器检测到钻杆到位信号，或者当所需钻杆转动至所述夹持口处，则控制所述旋转缸停止动作，并控制摆动机构带动机械手移动至所述夹持口附近；

控制所述机械手移动至所述夹持口并深入所述夹持口夹持所述钻杆；

控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至打开状态；

控制所述摆动机构带动机械手远离夹持口，并控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至关闭状态；

控制所述摆动机构带动机械手将所夹持的钻杆转移至所需位置。

可选的，若如前述方案中所介绍的，所述换杆装置中，所述夹持单元还包括第二旋转缸和连杆；则本发明换杆装置的换杆控制方法，包括：

在所述档杆处于关闭状态下，控制所述旋转缸驱动所述钻杆安装板旋转，以带动钻杆转动；

当传感器检测到钻杆到位信号，或者当所需钻杆转动至所述夹持口处，则控制所述旋转缸停止动作，并控制摆动机构带动所述连杆，进而带动所述机械手移动至所述夹持口附近；

控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至打开状态，并通过控制所述第二旋转缸驱动连杆转动，使得所述机械手的夹持端朝向所述夹持口，以及控制所述摆动机构，使得机械手移动至所述夹持口，进而控制所述机械手将夹持口处的钻杆夹出；

控制所述摆动机构带动所述连杆摆动，进而带动机械手远离夹持口，并控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至关闭状态；

通过控制所述摆动机构以及所述旋转缸，将机械手所夹持的钻杆移动至所需位置。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下优点和进步：

1）本发明的换杆装置，能够实现对钻杆库中任一钻杆的选择和夹持，可避免因依序选择导致的个别钻杆使用频率高，磨损度严重不均衡的情形；

2）本发明的换杆装置，配合本发明的控制方法，能够实现施工过程中的自动换杆，且在一定程度上减少了人工劳动强度并且提高了施工效率。同时由于钻杆库为回转式结构，可容纳多根钻杆，能够满足正常钻进深度需求；

3）本发明的换杆装置中，机械手的移动由摆动机构与回转机构共同配合驱动，且不同机械手之间由连杆实现同步，在实现多点夹持，保证较大夹持力的基础上，减少了多点夹持不同步带来的钻杆损伤，能够满足大直径钻孔功能的要求，可将钻杆在钻杆库中与工作位中可靠传送，提高作业安全性。

附图说明

图1所示为本发明一种实施例中的换杆装置总体结构示意图；

图2所示为图1所示实施例中的夹持单元结构示意图；

图3所示为图1所示实施例中的钻杆限位驱动单元结构示意图；

图4所示为图1所示实施例的上杆流程初始状态位置图；

图5所示为图1所示实施例的上杆流程的钻杆第一轨迹位置图；

图6所示为图1所示实施例的上杆流程的钻杆第二轨迹位置图；

图7所示为图1所示实施例的上杆流程的钻杆第三轨迹位置图。

图中：1、钻杆库；11、支架；12、旋转缸；13、护桶；14、防护油缸；15、钻杆安装板；16、挡杆；17、钻杆到位传感器；18、夹持口；2、夹持单元；20、安装部；21、安装座；22、摆动油缸；23、摆动臂；24、第二旋转缸；25、抓手；26、连杆；27、夹紧油缸；3、安装架；4、回转装置；5、钻杆。

实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例

本实施例介绍一种适用于潜孔钻机的换杆装置，参考图1至图7，装置包括安装架3、钻杆库1和夹持单元2；

参考图3，钻杆库1包括旋转缸21和分别用于限位容置钻杆5两端部的钻杆限位驱动单元，所述钻杆限位驱动单元包括护桶13和钻杆安装板15；所述护桶13安装于所述安装架3，用于容置所述钻杆5端部，其侧部设有夹持口18，所述夹持口18处设有钻杆到位传感器17；所述旋转缸12的缸体固定安装于其中一个所述护桶13的顶部，输出轴贯穿所述护桶13，用于驱动两个所述钻杆安装板15旋转，所述钻杆安装板15周向间隔设置有多个钻杆限位口；

至少一个所述钻杆限位驱动单元还包括安装于护桶上的档杆16和防护油缸14，所述防护油缸14用于驱动所述档杆16打开或关闭所述夹持口18；

参考图2，所述夹持单元2包括沿平行于所述钻杆轴向的方向设置的至少2个夹持机构，各所述夹持机构分别包括安装座21、摆动机构和机械手，所述机械手通过所述摆动机构连接所述安装座21，所述安装座21安装于所述安装架3，所述摆动机构用于驱动所述机械手移动至所述夹持口18，所述机械手能够深入所述夹持口18以夹持所述钻杆5。

本实施例中，机械手可转动设置于摆动机构的摆动端，以实现其自身转动。在应用时，当所需的钻杆移动至夹持口处，控制档杆打开，控制摆动机构带动机械手移动至夹持口处，然后控制机械手的抓手朝向并深入夹持口，进而控制机械手的抓手收紧，即可将夹持口处的钻杆夹出。

因此，本实施例的换杆装置能够自由选择任意一根钻杆并控制夹持单元进行抓取，方便均衡钻杆的使用频率，整体提升钻杆的使用寿命；且多个机械手能够对钻杆进行多点夹持，夹持更加可靠。

实施例

本实施例在实施例1的基础上进行了优化和改进，不仅能够实现对钻杆的任意选取，还能够实现对钻杆的多点同步夹持。

如图1-图7，本实施例中，换杆装置包括安装架3、钻杆库1和夹持单元2；

参考图3，钻杆库1包括旋转缸21和分别用于限位容置钻杆5两端部的上下两个钻杆限位驱动单元，所述钻杆限位驱动单元包括护桶13和钻杆安装板15；所述护桶13通过支架11安装于所述安装架3，用于容置所述钻杆5端部，其侧部设有夹持口18，所述夹持口18处设有钻杆到位传感器17；所述旋转缸12的缸体固定安装于其中一个所述护桶13的顶部，输出轴贯穿所述护桶13，的输出轴端部驱动连接一传动杆，所述传动杆固连两个所述钻杆安装板15的中部，用于驱动两个所述钻杆安装板15旋转，所述钻杆安装板15周向间隔设置有多个钻杆限位口。当旋转缸输出轴转动，钻杆安装板将由传动杆带动旋转，从而带动周部的钻杆转动，直至有所需的钻杆到达夹持口处，则可对钻杆进行夹持控制。

至少一个所述钻杆限位驱动单元还包括安装于护桶上的档杆16和防护油缸14，当然，优选为两端所述钻杆限位驱动单元均设置档杆16和防护油缸14。防护油缸14用于驱动所述档杆16打开或关闭所述夹持口18，具体的：

所述档杆16第一端的一侧部转动连接于所述夹持口18一侧，第一端的另一侧部转动连接所述防护油缸14的一端；所述防护油缸14的另一端转动连接所述护桶13，其伸缩能够带动所述档杆16第二端接触或远离所述夹持口18另一侧，使得所述夹持口18处于关闭或打开状态.。所述钻杆到位传感器17安装于所述档杆16上。档杆16优选为靠近夹持口18下侧安装，从而能够不干涉机械手的夹持动作，以在机械手夹持到位后再打开档杆，避免档杆提前掉落。

参考图2，所述夹持单元2包括沿平行于所述钻杆轴向的方向设置的上下2个夹持机构，以及第二旋转缸24和连杆26，两个夹持机构之间的距离可根据钻杆5长度设置，或者设置更多的夹持机构。

各所述夹持机构分别包括安装座21、摆动机构和机械手，所述机械手通过所述摆动机构连接所述安装座21，所述安装座21安装于所述安装架3，摆动机构包括摆动油缸22和摆动臂23，所述摆动臂23一端为摆动端，用于连接所述第二旋转缸24和所述连杆26，所述摆动臂23的另一端的一侧部铰接于所述安装座21，另一侧部转动连接所述摆动油缸22的一端，所述摆动油缸22的另一端转动连接所述安装座21。所述摆动机构用于驱动所述机械手移动至所述夹持口18，所述机械手能够深入所述夹持口18以夹持所述钻杆5。

所述连杆26平行于所述钻杆5轴向，所述第二旋转缸24的输出轴驱动连接于所述连杆26一端，所述连杆26贯穿并固定各机械手的本体；所述摆动机构的摆动端固连所述第二旋转缸的缸体，并转动套设于所述连杆26外周；当摆动油缸伸缩可带动摆动臂绕其铰接点转动，从而带动连杆在垂直于其自身轴向的平面内摆动，以带动所述机械手的本体移动至所述夹持口处。

第二旋转缸能够驱动连杆转动，当所需的钻杆移动至夹持口处，控制档杆打开，驱动连杆摆动带动机械手移动至夹持口处，然后驱动连杆转动并配合连杆摆动，即可使得机械手的抓手朝向并深入夹持口，进而控制机械手的抓手收紧，可将夹持口处的钻杆夹出。多个机械手之间通过连杆同步驱动，能够实现对钻杆的多点夹持，且在夹出钻杆后不易导致钻杆弯曲及损坏，能够进一步延长钻杆工作寿命。

结合图2和图4至图7，所述机械手的本体包括安装板、夹紧油缸27和对称设置的两抓手25，所述安装板上下对称分别设置一个，两抓手安装于两安装板之间；各安装板垂直于所述连杆26并固定安装于连杆26上，所述两抓手分别设于所述连杆两侧，各抓手中部转动连接所述安装板，两抓手的根端于连杆一侧分别转动连接所述夹紧油缸的两端，夹持端位于连杆另一侧。当夹紧油缸27伸长，在抓手中部铰点限制下，两夹持端趋于夹持状态，当夹紧油缸27收缩，则两夹持端趋于释放状态。

两安装板侧部还连接有具有凸出部的导向件，两抓手外侧部分别设有适应所述凸出部的导向槽。在导向槽与凸出部的配合，以及两安装板的限位作用下，两抓手夹持或释放过程运动更平稳，可进一步减少对钻杆外表面的磨损。

两抓手25的夹持面上，以及连杆朝向机械手夹持端的一侧，分别设有缓冲垫。该缓冲垫可选用具有一定弹性和摩擦力的材料制成，使得机械手对钻杆的夹持更可靠且能够保护钻杆减少夹持面损伤。

进一步的，在本实施例中，安装架3上沿平行于钻杆轴向的方向上还设有导轨，并通过所述导轨滑动安装有回转装置4；所述回转装置4具有能够连接钻杆5的连接头，以在连接钻杆后能够带动钻杆轴向移动，以实现钻进与提升。如图2，夹持单元将钻杆夹出后，转移至回转装置下方，即可使钻杆与回转装置下部的连接头连接。

实施例

基于实施例1的换杆装置，本实施例介绍一种换杆控制方法，以上杆流程为例，步骤如下：

在所述档杆处于关闭状态下，控制所述旋转缸驱动所述钻杆安装板旋转，以带动钻杆转动；

当传感器检测到钻杆到位信号，或者当所需钻杆转动至所述夹持口处，则控制所述旋转缸停止动作，并控制摆动机构带动机械手移动至所述夹持口附近；

控制所述机械手移动至所述夹持口并深入所述夹持口夹持所述钻杆；

控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至打开状态；

控制所述摆动机构带动机械手远离夹持口，并控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至关闭状态；

控制所述摆动机构带动机械手将所夹持的钻杆转移至所需位置。

实施例4

基于实施例2的换杆装置，本实施例介绍一种换杆控制方法，包括：

在所述档杆处于关闭状态下，控制所述旋转缸驱动所述钻杆安装板旋转，以带动钻杆转动；

当传感器检测到钻杆到位信号，或者当所需钻杆转动至所述夹持口处，则控制所述旋转缸停止动作，并控制摆动机构带动所述连杆，进而带动所述机械手移动至所述夹持口附近；

控制所述第二旋转缸驱动连杆转动，使得所述机械手的夹持端朝向所述夹持口，并通过控制所述摆动机构，使得机械手移动至所述夹持口内，以及控制所述机械手夹持所述钻杆；

控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至打开状态；

控制所述摆动机构带动所述连杆摆动，进而带动机械手远离夹持口，并控制所述防护油缸驱动所述档杆切换至关闭状态；

通过控制所述摆动机构以及所述旋转缸，将机械手所夹持的钻杆移动至所需位置。

具体流程及轨迹参考图4至图7：

如图4示出了上杆流程初始状态位置，首先，启动所述旋转缸12驱动所述钻5随钻杆安装板15旋转，当所述传感器17检测到钻杆到达夹持口18的位置信号时，控制所述旋转缸12停止运行；

此时钻杆5转到位置N，控制所述第二旋转缸24转动，使机械手旋转至朝向夹持口，并通过控制所述摆动油缸22驱动所述摆动臂23摆动，使得机械手的夹持端伸入夹持口，配合对夹紧油缸27的控制，使机械手的两抓手分别切入至钻杆两侧，定位钻杆；此时可驱动所述夹紧油缸27夹紧位置N处的钻杆5；

随后，控制所述防护油缸14驱动所述挡杆16打开，控制所述摆动油缸22驱动所述摆动臂23绕O点旋转，将钻杆5夹取至位置P处，此时所述防护油缸14驱动所述档杆16闭合，钻杆第一轨迹位置如图5所示；

（2）控制所述第二旋转缸24驱动钻杆绕所述连杆26中心C旋转，将钻杆从P点夹取至位置Q，钻杆第二轨迹位置如图6所示；

（3）控制所述摆动油缸22驱动所述摆动臂23绕O点旋转，将钻杆从Q点夹取至位置M，即回转装置4的正下方，钻杆第三轨迹位置如图7所示；

（4）控制所述回转装置4下移并且连接钻杆，实现上杆；

重复上述流程可实现依次上杆，卸杆流程反之。

综上实施例，本发明可实现以下技术目标：

a、所述钻杆库1通过所述防护油缸14驱动所述连杆26实现所述护桶13的开合，所以钻杆库中的钻杆可以任意旋转而不会从开口处发生掉杆，并且钻杆是所述传感器17检测转动到位后，所述机械手2才摆动至所述钻杆库1进行夹取，所以所述机械手2可对所述钻杆库1中的任意一根钻杆进行夹取，解决现有钻杆库中，只能按照顺序依次夹取的弊端，以及由于钻孔深度不同导致各钻杆磨损不均匀的问题；

b、上下两组所述摆动臂23通过所述连杆26进行连接，可实现同步摆动，解决多个所述机械手2摆动过程中不同步问题造成钻杆弯曲，寿命降低的问题；

c、所述夹紧油缸27两端均与所述夹手25连接，夹紧钻杆时可对钻杆进行同步夹紧，夹紧力大，解决大直径钻孔需求时，对大直径钻杆夹持力不足容易发生掉杆问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。