本文通過對鑿岩台車的發展與現狀進行了分析，以 DFZD-1 型鑿岩台車為模型，對其進行基本結構設計。圍繞其鑽臂結構特點，對鑽臂進行了機械臂運動學建模，並使用 matlab 進行了正解與逆解的求解，計算出調平時各缸所需的設定參數。最後，結合 AMESIM 軟體對液壓系統進行了設計、建模與仿真，證明了設計的液壓系統能良好的執行調平所需的各參數設定值，實現自動調平。
第一章 緒論
1.1 研究背景
當前，我國正處於“兩個一百年”奮鬥目標的交匯時期，已基本建成小康社會，實習了第一個百年奮鬥目標，正向著建設社會主義現代化國家新征程這個第二個百年奮鬥目標進軍。伴隨著國家的不斷發展，礦產資源的的開發和利用也不斷面臨新的挑戰。
現代礦產資源開採和現代隧道挖掘的方法主要是“盾構法”和“鑽爆法”。盾構法是指利用大型盾構機對岩石進行切削，通過切割斷面的岩石，從而掘進出斷面的形狀，進而達到實現整個斷面掘進的目的[1]。但是大型全斷面盾構機不僅體型龐大，系統複雜；而且價格不菲，耗能較大[2]；最為關鍵的是，它對土質要求特別高，適用於土質鬆軟的場合，不能在土質堅硬的岩層當中使用。鑽爆法則是指在預先設定的掌子面鑽出相應數量的炮眼或炮孔，隨後將適量的炸藥填入炮孔之中，之後將其引爆，然後用高壓水槍將爆炸過程中的產生的碎石和土塊沖走，接著對爆炸形成的斷面進行修葺，固定。最後安裝斷面所需要的相關裝備形成能夠開採礦產資源的通道或者可供車輛通行的隧道。為了鑽得所需的炮眼或炮孔，需要用到鑿岩台車。
鑿岩台車是鑽爆法實施的必要機械設備。如圖 1-1 所示，鑿岩台車一般由行走系統、底盤、鑽臂、推進器、鑿岩機(含釺杆)、動力系統、電氣控制系統、液壓系統組成[3]。鑿岩台車根據爆破工藝需求，通過各個部件和系統的聯合工作完成對山體或者隧道的布孔，鑽孔，成孔的循環作業過程，適用於礦山、水電、鐵路、公路、採石場等領域巷道、隧道的掘進、採石工作。
圖 1-1 鑿岩台車的組成
................................
1.2 鑿岩台車國內外研究現狀
1.2.1 鑿岩台車國外研究現狀
國外對於鑿岩台車的研究起步比較早，技術已相對成熟。當前世界知名的鑿岩台車及配套設備設計生產公司包括瑞典的 Atlas Copco、芬蘭的 Tamrock、法國的 Montabert 和 Eimco-Secoma、德國的 Krupp、美國的 Ingersoll-Rand、日本的 Furu Kawa 等，產品類型超過 50 種，其中 Atlas Copco 公司和 Tamrock 公司處於世界領先水平，所產的機型品種多、質量好、銷量大，共占有全球 60%左右的市場份額[4]。
早在 1887 年，世界上第一台氣動輕型鑿岩機就誕生了，這改變了以往傳統的人工手動鑿岩方式提高了鑿岩的效率。但是由於氣動鑿岩機本身在工作中存在耗能高、噪音大等問題，因此並沒有形成產業化生產。而後在 1970 年，鑿岩機實現了技術上的關鍵突破，法國 Montabert 公司成功研製出世界上第一台液壓鑿岩機 H50 型，隨後該公司將之裝配到了液壓鑽車上，用於礦山鑽孔工作中，並且創造了連續鑽孔 14000m 的優異成績。這標誌著液壓鑿岩機正式投入市場[5]。
液壓鑿岩機相較於氣動鑿岩機，不僅有著能耗小、噪音小、污染少、自動化程度高的優點，而且液壓鑿岩機使用安全性也是氣動裝備無法比擬的。所以，此後的各國都將研究重心放在了液壓鑿岩機上面。1970 年，法國的 Eimco-Secoma公司生產出了 RPH35 型液壓鑿岩機；1973 年瑞典的 Atlas Copco 公司則研製出了 COP1038HD 型和 COP1238 型液壓鑿岩機，之後該公司又在 1986 年推出了COP1440 型和 COP1550 型等新型高速液壓鑿岩機，新一代的液壓鑿岩機相較之前，在噪音、污染、自動化等方面有了進一步的提升，使得其鑿岩效率整整提升了一倍[6]；1974 年德國 Zalzijit 公司推出了 HH 型鑿岩機；1975 年德國的另一家公司，ThyssenKrupp 公司則研製出了 HB 型鑿岩機[7]；同年美國 Ingersoll Land則推出了 HARD 型液壓鑿岩機，並一舉創造了連續鑿岩 65000m 的驕人成績；一年之後，美國 Joey 公司則推出了 JH-2 型液壓鑿岩機；1978 年日本 Furu Kawa公司也相繼推出 HD100 和 HD200 型液壓鑿岩機[8]。
............................
第二章 DFZD-1 型鑿岩台車結構設計
2.1 底盤
底盤不僅僅是鑿岩台車鑽臂、鑿岩機、操作台等所有系統和相關機械設備的支撐機架，也決定了鑿岩台車行走和轉向的方式。鑿岩台車行走方式分為履帶式，輪胎式和輪軌式。
履帶式底盤是由液壓馬達驅動，從而帶動履帶和鏈輪的轉動，最後完成台車的行走，轉向和制動工作，如圖 2-2 所示。其優點在於工作平穩可靠、爬坡能力強可以通過複雜的路面，但是本身速度不快，而且在高強度的鑿岩工作之下會加劇履帶的磨損，後期維護成本較高，且不適宜在負載變化很大的場合和軟岩巷道使用。
圖 2-2 履帶式鑿岩台車
..........................
2.2 鑽台推進裝置
鑿岩台車打孔的工作機構是鑿岩機，而鑿岩機安裝在推進裝置中。推進裝置通過進給，實現鑽具與巷道斷面岩石的充分接觸，進而確保充分鑿岩的工作，最終實現準確無誤的打孔。在完成打孔動作後，鑽具在推動裝置的作用之下會快速退回，並準備下次的進給和退回動作。
推進裝置中常用的推進器包括馬達絲槓式、液壓缸鋼絲繩式兩種。
圖 2-5 是馬達絲槓式推進器，主要是由馬達、絲槓、螺母補償液壓缸等部分組成。當馬達轉動時帶動絲槓和螺母的從動轉動，通過控制馬達正反轉，實現鑿岩機前進、退後的動作。
圖 2-6 是液壓缸鋼絲繩式推進器，主要由鋼絲繩、滑輪、軟管滑輪、液壓缸、緩衝墊等部分組成。其工作原理是通過軟管滑輪和鋼絲繩的轉動，帶動滑塊移動，滑塊與滑架通過滾珠滾動配合，最終實現滑架上的鑿岩機移動[17]。
圖 2-5 馬達絲槓式推進器
..............................
第三章 鑿岩台車鑽臂機械臂運動學模型.................................... 18
3.1 DFZD-1 鑿岩台車鑽臂結構參數.....................18
3.2 機械臂運動學基礎............................................... 19
第四章 基於 Matlab 的鑽臂位姿計算.......................................... 30
4.1 鑽臂正運動分析與求解.................................. 30
4.1.1 正運動求解.............................................. 30
4.2 鑽臂逆運動求解............................... 31
第五章 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計與仿真.......................... 50
5.1 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計............................... 50
5.2 液壓系統選件................................... 51
第五章 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計與仿真
5.1 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計
液壓系統具有結構緊湊、體積小、慣性小且能傳遞較大的力或者力矩等優點，可容易的實現無極調速功能，在很多工程領域都有成熟的應用。
DFZD-1 鑿岩台車鑽臂均使用液壓系統進行控制與執行動作。鑽臂共由 6 個執行元件組成，分別是左右兩缸支臂缸，後臂內部的伸縮缸，安裝在中臂上的扭轉擺動缸，安裝在上臂上的偏轉擺動缸和調平缸。左右支臂缸可實現鑽臂的升降與左右偏擺；伸縮缸增長後壁，擴大鑽臂工作範圍；扭轉缸可將鑽台繞後臂旋轉，鑽制兩側幫孔；偏轉擺動缸和調平缸配合工作調整鑽台平行。
由於鑿岩台車尺寸相對較大，尤其是在鑽制距離較近的孔陣時，缸的移動量較小。為提高控制精度，故對兩支臂缸、調平缸、偏轉擺動缸使用電液比例閥進行控制，而伸縮缸和扭動缸使用三位四通換向閥配合傳感器進行控制。
考慮到鑿岩機部分液壓系統對泵進行選型在此不再展開，鑽臂部分的液壓系統圖如圖所示。
圖 5-1 電液比例調平液壓系統圖
.........................
結論
鑿岩台車是現代隧道挖掘、礦產資源開採、巷道建設中必不可少的工程機械，是鑽爆法實施的必須機械設備。鑽臂是鑿岩台車進行鑽探掘進的主要工作臂，對岩石的高效、快速破碎有著重要意義。炮孔的水平掘進決定了爆破效果的成敗。因此，對於鑽臂來說，自動電液調平液壓系統就顯得尤為重要。但是，由於國際局勢的變化，西方國家和相關單位開始對我國進行技術上的封鎖，使得我國研製自動電液調平液壓系統的步伐舉步維艱。因此，本文研究鑿岩台車鑽臂自動調平系統，旨在為民族鑿岩台車自動電液調平液壓系統的發展提供技術支持。
本文通過對鑿岩台車的發展與現狀進行了分析，以 DFZD-1 型鑿岩台車為模型，對其進行基本結構設計。圍繞其鑽臂結構特點，對鑽臂進行了機械臂運動學建模，並使用 matlab 進行了正解與逆解的求解，計算出調平時各缸所需的設定參數。最後，結合 AMESIM 軟體對液壓系統進行了設計、建模與仿真，證明了設計的液壓系統能良好的執行調平所需的各參數設定值，實現自動調平。
但是，在工作中依然存在著寫不完美的方面，是以後研究改善的方向：
受疫情影響，企業生產與研發受到影響，樣機建造不完善，導致沒有實驗驗證，但由於使用的方法在其他領域都有成熟的應用，所以研究的正確性也有所保證。
受限於作者自身能力與水平，在機械臂求解中沒有總結出解析解，使得當前運算步驟稍多，數學模型較為複雜，在未來的研究中可以推導解析解，簡化集成數學模型。
參考文獻（略）
第一章 緒論
1.1 研究背景
當前，我國正處於“兩個一百年”奮鬥目標的交匯時期，已基本建成小康社會，實習了第一個百年奮鬥目標，正向著建設社會主義現代化國家新征程這個第二個百年奮鬥目標進軍。伴隨著國家的不斷發展，礦產資源的的開發和利用也不斷面臨新的挑戰。
現代礦產資源開採和現代隧道挖掘的方法主要是“盾構法”和“鑽爆法”。盾構法是指利用大型盾構機對岩石進行切削，通過切割斷面的岩石，從而掘進出斷面的形狀，進而達到實現整個斷面掘進的目的[1]。但是大型全斷面盾構機不僅體型龐大，系統複雜；而且價格不菲，耗能較大[2]；最為關鍵的是，它對土質要求特別高，適用於土質鬆軟的場合，不能在土質堅硬的岩層當中使用。鑽爆法則是指在預先設定的掌子面鑽出相應數量的炮眼或炮孔，隨後將適量的炸藥填入炮孔之中，之後將其引爆，然後用高壓水槍將爆炸過程中的產生的碎石和土塊沖走，接著對爆炸形成的斷面進行修葺，固定。最後安裝斷面所需要的相關裝備形成能夠開採礦產資源的通道或者可供車輛通行的隧道。為了鑽得所需的炮眼或炮孔，需要用到鑿岩台車。
鑿岩台車是鑽爆法實施的必要機械設備。如圖 1-1 所示，鑿岩台車一般由行走系統、底盤、鑽臂、推進器、鑿岩機(含釺杆)、動力系統、電氣控制系統、液壓系統組成[3]。鑿岩台車根據爆破工藝需求，通過各個部件和系統的聯合工作完成對山體或者隧道的布孔，鑽孔，成孔的循環作業過程，適用於礦山、水電、鐵路、公路、採石場等領域巷道、隧道的掘進、採石工作。
圖 1-1 鑿岩台車的組成
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1.2 鑿岩台車國內外研究現狀
1.2.1 鑿岩台車國外研究現狀
國外對於鑿岩台車的研究起步比較早，技術已相對成熟。當前世界知名的鑿岩台車及配套設備設計生產公司包括瑞典的 Atlas Copco、芬蘭的 Tamrock、法國的 Montabert 和 Eimco-Secoma、德國的 Krupp、美國的 Ingersoll-Rand、日本的 Furu Kawa 等，產品類型超過 50 種，其中 Atlas Copco 公司和 Tamrock 公司處於世界領先水平，所產的機型品種多、質量好、銷量大，共占有全球 60%左右的市場份額[4]。
早在 1887 年，世界上第一台氣動輕型鑿岩機就誕生了，這改變了以往傳統的人工手動鑿岩方式提高了鑿岩的效率。但是由於氣動鑿岩機本身在工作中存在耗能高、噪音大等問題，因此並沒有形成產業化生產。而後在 1970 年，鑿岩機實現了技術上的關鍵突破，法國 Montabert 公司成功研製出世界上第一台液壓鑿岩機 H50 型，隨後該公司將之裝配到了液壓鑽車上，用於礦山鑽孔工作中，並且創造了連續鑽孔 14000m 的優異成績。這標誌著液壓鑿岩機正式投入市場[5]。
液壓鑿岩機相較於氣動鑿岩機，不僅有著能耗小、噪音小、污染少、自動化程度高的優點，而且液壓鑿岩機使用安全性也是氣動裝備無法比擬的。所以，此後的各國都將研究重心放在了液壓鑿岩機上面。1970 年，法國的 Eimco-Secoma公司生產出了 RPH35 型液壓鑿岩機；1973 年瑞典的 Atlas Copco 公司則研製出了 COP1038HD 型和 COP1238 型液壓鑿岩機，之後該公司又在 1986 年推出了COP1440 型和 COP1550 型等新型高速液壓鑿岩機，新一代的液壓鑿岩機相較之前，在噪音、污染、自動化等方面有了進一步的提升，使得其鑿岩效率整整提升了一倍[6]；1974 年德國 Zalzijit 公司推出了 HH 型鑿岩機；1975 年德國的另一家公司，ThyssenKrupp 公司則研製出了 HB 型鑿岩機[7]；同年美國 Ingersoll Land則推出了 HARD 型液壓鑿岩機，並一舉創造了連續鑿岩 65000m 的驕人成績；一年之後，美國 Joey 公司則推出了 JH-2 型液壓鑿岩機；1978 年日本 Furu Kawa公司也相繼推出 HD100 和 HD200 型液壓鑿岩機[8]。
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第二章 DFZD-1 型鑿岩台車結構設計
2.1 底盤
底盤不僅僅是鑿岩台車鑽臂、鑿岩機、操作台等所有系統和相關機械設備的支撐機架，也決定了鑿岩台車行走和轉向的方式。鑿岩台車行走方式分為履帶式，輪胎式和輪軌式。
履帶式底盤是由液壓馬達驅動，從而帶動履帶和鏈輪的轉動，最後完成台車的行走，轉向和制動工作，如圖 2-2 所示。其優點在於工作平穩可靠、爬坡能力強可以通過複雜的路面，但是本身速度不快，而且在高強度的鑿岩工作之下會加劇履帶的磨損，後期維護成本較高，且不適宜在負載變化很大的場合和軟岩巷道使用。
圖 2-2 履帶式鑿岩台車
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2.2 鑽台推進裝置
鑿岩台車打孔的工作機構是鑿岩機，而鑿岩機安裝在推進裝置中。推進裝置通過進給，實現鑽具與巷道斷面岩石的充分接觸，進而確保充分鑿岩的工作，最終實現準確無誤的打孔。在完成打孔動作後，鑽具在推動裝置的作用之下會快速退回，並準備下次的進給和退回動作。
推進裝置中常用的推進器包括馬達絲槓式、液壓缸鋼絲繩式兩種。
圖 2-5 是馬達絲槓式推進器，主要是由馬達、絲槓、螺母補償液壓缸等部分組成。當馬達轉動時帶動絲槓和螺母的從動轉動，通過控制馬達正反轉，實現鑿岩機前進、退後的動作。
圖 2-6 是液壓缸鋼絲繩式推進器，主要由鋼絲繩、滑輪、軟管滑輪、液壓缸、緩衝墊等部分組成。其工作原理是通過軟管滑輪和鋼絲繩的轉動，帶動滑塊移動，滑塊與滑架通過滾珠滾動配合，最終實現滑架上的鑿岩機移動[17]。
圖 2-5 馬達絲槓式推進器
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第三章 鑿岩台車鑽臂機械臂運動學模型.................................... 18
3.1 DFZD-1 鑿岩台車鑽臂結構參數.....................18
3.2 機械臂運動學基礎............................................... 19
第四章 基於 Matlab 的鑽臂位姿計算.......................................... 30
4.1 鑽臂正運動分析與求解.................................. 30
4.1.1 正運動求解.............................................. 30
4.2 鑽臂逆運動求解............................... 31
第五章 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計與仿真.......................... 50
5.1 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計............................... 50
5.2 液壓系統選件................................... 51
第五章 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計與仿真
5.1 鑿岩台車鑽臂液壓系統設計
液壓系統具有結構緊湊、體積小、慣性小且能傳遞較大的力或者力矩等優點，可容易的實現無極調速功能，在很多工程領域都有成熟的應用。
DFZD-1 鑿岩台車鑽臂均使用液壓系統進行控制與執行動作。鑽臂共由 6 個執行元件組成，分別是左右兩缸支臂缸，後臂內部的伸縮缸，安裝在中臂上的扭轉擺動缸，安裝在上臂上的偏轉擺動缸和調平缸。左右支臂缸可實現鑽臂的升降與左右偏擺；伸縮缸增長後壁，擴大鑽臂工作範圍；扭轉缸可將鑽台繞後臂旋轉，鑽制兩側幫孔；偏轉擺動缸和調平缸配合工作調整鑽台平行。
由於鑿岩台車尺寸相對較大，尤其是在鑽制距離較近的孔陣時，缸的移動量較小。為提高控制精度，故對兩支臂缸、調平缸、偏轉擺動缸使用電液比例閥進行控制，而伸縮缸和扭動缸使用三位四通換向閥配合傳感器進行控制。
考慮到鑿岩機部分液壓系統對泵進行選型在此不再展開，鑽臂部分的液壓系統圖如圖所示。
圖 5-1 電液比例調平液壓系統圖
.........................
結論
鑿岩台車是現代隧道挖掘、礦產資源開採、巷道建設中必不可少的工程機械，是鑽爆法實施的必須機械設備。鑽臂是鑿岩台車進行鑽探掘進的主要工作臂，對岩石的高效、快速破碎有著重要意義。炮孔的水平掘進決定了爆破效果的成敗。因此，對於鑽臂來說，自動電液調平液壓系統就顯得尤為重要。但是，由於國際局勢的變化，西方國家和相關單位開始對我國進行技術上的封鎖，使得我國研製自動電液調平液壓系統的步伐舉步維艱。因此，本文研究鑿岩台車鑽臂自動調平系統，旨在為民族鑿岩台車自動電液調平液壓系統的發展提供技術支持。
本文通過對鑿岩台車的發展與現狀進行了分析，以 DFZD-1 型鑿岩台車為模型，對其進行基本結構設計。圍繞其鑽臂結構特點，對鑽臂進行了機械臂運動學建模，並使用 matlab 進行了正解與逆解的求解，計算出調平時各缸所需的設定參數。最後，結合 AMESIM 軟體對液壓系統進行了設計、建模與仿真，證明了設計的液壓系統能良好的執行調平所需的各參數設定值，實現自動調平。
但是，在工作中依然存在著寫不完美的方面，是以後研究改善的方向：
受疫情影響，企業生產與研發受到影響，樣機建造不完善，導致沒有實驗驗證，但由於使用的方法在其他領域都有成熟的應用，所以研究的正確性也有所保證。
受限於作者自身能力與水平，在機械臂求解中沒有總結出解析解，使得當前運算步驟稍多，數學模型較為複雜，在未來的研究中可以推導解析解，簡化集成數學模型。
參考文獻（略）
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