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隧道支护钻孔机器人的研制及其动力学分析
| 论文题名： | 隧道支护钻孔机器人的研制及其动力学分析 |
| 关键词： | 钻孔机器人;隧道支护;动力学分析;误差补偿 |
| 摘要： | 本文课题来源于国家自然科学基金重大科研仪器研制项目:深部巷道/隧道动力灾害物理模拟试验系统，编号：51427803，对正确、深入地揭示深部巷道/隧道岩爆等类似动力灾害的形成机制和演化规律具有重要的理论和应用价值。本课题所研究的隧道支护钻孔机器人是整个动力灾害模拟试验系统中锚杆支护和钻孔的主要装置。通过对其进行研制及动力学分析，再加上相应的控制系统以完成定位及钻孔的任务，同时预留安装插锚杆机构的位置为后续插锚杆做准备。 本文首先介绍了钻岩技术的历史发展，并由此引出国内外锚杆钻机的研究现状，介绍了机械振动和定位误差分析的方法。通过对比国内外锚杆钻机的驱动形式和样式，结合具体工况和课题要求，提出了隧道支护钻孔机器人总体设计方案。包括钻头进给机构、整机支撑机构、支撑主轴、驱动方式的选择，以及驱动电机及控制电机的选型计算及整个机器人工作过程介绍。 其次，本文对隧道支护钻孔机器人进行了运动学及逆运动学分析，给出了钻头的工作空间，得出了钻头的运动满足设计要求的结论；针对径向进给电机和钻头电机转速匹配问题，进行了理论推导，为实验提供了理论依据；针对钻头轴向振动这一严重影响工作稳定性的问题，提出了钻孔机器人简化的力学模型，并在理论上推导了钻孔机器人的振动方程。根据方程及振动模型受力，对支撑弹簧的参数进行了优化。并利用优化的弹簧模型结合钻头受力，对整机进行了adams振动仿真，验证了理论推导的合理性；针对细长钻头，对其进行了有预应力的模态分析，得出钻头强度和刚度满足设计要求的结论。 再次，本文对控制系统进行了设计。包括控制系统总体框架、通信设计、电机控制硬件设计以及控制系统软件设计。其中电机控制硬件部分包括传感器的选型及原理介绍、步进电机及无刷直流电机的控制原理和实现。此外，重点分析了电机的定位误差，并提出了误差的来源及补偿方法。 最后，本文对隧道支护钻孔机器人样机进行了现场实验，包括钻孔功能实验、振动实验、行走定位实验，得出此隧道支护钻孔机器人能满足设计要求的钻孔功能的结论，并且通过实验验证了振动分析理论的正确性以及误差补偿方法的有效性。 |
| 作者： | 洪维 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张忠林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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