一种伞钻的大臂自动定位装置及方法技术领域
本发明涉及竖井伞形钻机技术领域，具体涉及一种伞钻的大臂自动定位装置及方
法。
背景技术
随着我国采矿工程及地下空间的发展，竖井开挖逐渐增多。在采矿领域，竖井替代
斜巷作为工作人员和矿石的进出通道，可以节约占地面积，缩短建造工期和造价，同时竖井
也是地下工程通风必要的构造。地下采矿作业面和地下工程都需要建造竖井作为通道和通
风井。
竖井钻爆法施工是目前竖井建造的最主要的方法，伞钻用来钻凿炮眼，是竖井钻
爆法施工装备中重要装备。然而伞钻钻臂在更换工作位置时，需要多个步骤才能完成，每次
更换工作半径后，需要操纵控制杆进行定位与调垂，而且人工操作调垂的精度很难控制，钻
凿的炮眼空间方位与理论设计差别较大，难以达到理想爆破的爆破效果。
发明内容
针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种伞钻的大臂自动定位装置及方法，
用以解决现有技术中人工操作困难大，精度低，炮眼空间方位与理论设计差别较大的技术
问题。
本发明的技术方案是： 一种伞钻的大臂自动定位装置，包括与立柱相连接的转
臂、支撑油缸、大臂、调垂油缸、滑移架、钻臂、大齿轮；转臂上设有液压马达，液压马达的输
出端与大齿轮相配合，大臂的一端与转臂相连接、另一端与滑移架相连接，支撑油缸的尾端
与转臂相连接，支撑油缸的的伸缩端与大臂相连接，调垂油缸的尾端与大臂相连接，调垂油
缸的伸缩端与滑移架相连接，钻臂与滑移架相连接，支撑油缸与调垂油缸串联。
所述转臂有三个且均布在立柱的外圆周面上且与立柱活动连接，支撑油缸、大臂、
调垂油缸、滑移架、钻臂、液压马达各有三个。
所述支撑油缸的尾端与转臂的下部活动连接，调垂油缸的伸缩端与滑移架的顶端
活动连接。
所述大臂的一端设有上连接孔、另一端设有下连接孔，大臂的中间设有第一中间
孔和第二中间孔，上连接孔、下连接孔、第一中间孔和第二中间孔在同一条直线上；上连接
孔与转臂的顶端活动连接，下连接孔与滑移架的中部活动连接，第一中间孔与支撑油缸的
伸缩端相连接，第二中间孔与调垂油缸的尾端相连接。
所述转臂、支撑油缸、大臂组成的三角形与大臂、调垂油缸、滑移架组成的三角形
相似。
所述钻臂上设有凿岩机构。
所述液压马达与转臂固定连接，液压马达的输出端设有小齿轮，小齿轮与大齿轮
相啮合，液压马达上设有测量转动角度的多圈绝对值编码器。
一种伞钻的大臂自动定位方法：根据目标孔位置信息算出各个油缸伸缩的长度及
马达旋转的角度；每个钻孔的位置用极坐标（r，θ）或（r，θ，φ）表示，其中φ表示钻杆钻进角
度；
圆周方向上的定位：伞钻固定好后，三个大臂回到各自初始位置，相互之间保持120°夹
角，进行初始位置的标定；钻孔时根据每一个孔位的角度坐标θ，推算液压马达转动角度：
θ=β+α，
α是大臂实际转过的角度，β=0°、120°、240°，液压马达实际转过的角度＝大臂转过的角
度×减速比，减速比已知；
半径方向上的定位：半径方向上的定位又分为两种情况，钻进角度φ＝0和φ≠0；
当φ＝0时：钻杆垂直钻进，需计算支撑油缸和垂直油缸的伸缩长度；钻杆垂直钻进时，
能够始终保持垂直，支撑油缸和调垂油缸联通，大臂定位时只需控制其中一个油缸即；，
步骤1：以大臂为斜边，分别以上连接孔、下连接孔为两条直角边的起点，做出一个直角
三角形，斜边长度已知且为上连接孔与下连接孔之间的距离，两个直角边的长度已知，根据
反三角函数求得两锐角的角度；
步骤2：在转臂、支撑油缸、大臂组成的三角形中，最短边a已知且为上连接孔到支撑油
缸与转臂铰接点之间的距离，最长边c已知且为上连接孔到第一中间孔的距离，最短边a与
最长边c之间的角度B为转臂与大臂之间的角度且已知，支撑油缸的总长度为b，根据余弦定
理：b2=a2+c2-2accosB，求得支撑油缸总长度，支撑油缸的总长度减去油缸本身的长度，即
可求得支撑油缸的伸缩长度；
步骤3：在大臂、调垂油缸、滑移架组成的三角形中，最短边a1已知且为下连接孔到调垂
油缸与滑移架铰接点之间的距离，最长边c1已知且为下连接孔到第二中间孔的距离，最短
边a1与最长边c1之间的角度B1已知，支撑油缸的总长度为b1，根据余弦定理：b12=a12+c12-
2a1c1cosB1，求得调垂油缸总长度，调垂油缸的总长度减去油缸本身的长度，即可求得调垂
油缸的伸缩长度；
当φ≠0时：钻杆斜向钻进，
步骤1：过下连接孔中心做钻杆的平行线，以大臂为斜边，分别以上连接孔、下连接孔为
两条直角边的起点，做出一个直角三角形，斜边长度已知且为上连接孔与下连接孔之间的
距离，两个直角边的长度已知，求得上连接孔、下连接孔所在直线的直线方程；
步骤2：以上连接孔为圆心，上连接孔与下连接孔之间的距离为半径做圆，圆心坐标为
已知，半径已知，求得所做圆的方程；
步骤3：联立直线方程和圆的方程，求得交点的坐标，交点即为下连接孔中心的坐标；
步骤4：根据φ＝0时的步骤求出支撑油缸的伸缩长度和调垂油缸的伸缩长度。
本发明实现伞钻钻臂变换工作半径时，实现钻臂垂直度的自动调整，使钻臂能够
始终保证垂直，而在需要开凿具有内插角或外插角的炮眼时，钻梁可以单独调整至所需角
度；本发明操作简单，降低工作难度，提高了工作效率；本方法精度较高，使炮眼空间方位与
理论设计重合，达到理想爆破效果，确保工作人员安全，降低施工成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明大臂结构示意图。
图3为本方法当φ＝0时的简化示意图。
图4为本方法当φ≠0时的简化示意图。
具体实施方式
实施例1：如图1所示，一种伞钻的大臂自动定位装置，包括与立柱20相连接的转臂
1、支撑油缸2、大臂3、调垂油缸4、滑移架5、钻臂6、大齿轮7；转臂1上设有液压马达8，液压马
达8的输出端与大齿轮7相配合，大臂3的一端与转臂1相连接、另一端与滑移架5相连接，支
撑油缸2的尾端与转臂1相连接，支撑油缸2的的伸缩端与大臂3相连接，调垂油缸4的尾端与
大臂3相连接，调垂油缸4的伸缩端与滑移架5相连接，钻臂6与滑移架5相连接，支撑油缸2与
调垂油缸4串联。
实施例2：如图1-4所示，一种伞钻的大臂自动定位装置，包括与立柱20相连接的转
臂1、支撑油缸2、大臂3、调垂油缸4、滑移架5、钻臂6、大齿轮7；转臂1上设有液压马达8，液压
马达8与转臂1固定连接，液压马达8的输出端设有小齿轮，小齿轮与大齿轮7相啮合，液压马
达可带动大齿轮旋转，液压马达8上设有测量转动角度的多圈绝对值编码器。大臂3的一端
与转臂1相铰接、另一端与滑移架5相铰接，支撑油缸2的尾端与转臂1的下部活动连接，支撑
油缸2的的伸缩端与大臂3相连接，调垂油缸4的尾端与大臂3相连接，调垂油缸4的伸缩端与
滑移架5的顶端活动连接，钻臂6与滑移架5相连接，支撑油缸2与调垂油缸4串联。所述转臂1
有三个且均布在立柱20的外圆周面上且与立柱活动连接，支撑油缸2、大臂3、调垂油缸4、滑
移架5、钻臂6、液压马达8各有三个，均布在立柱的外侧，相互之间保持120°的夹角；钻臂6上
设有凿岩机构9，凿岩机上设有钻杆10，滑移架的下方设有顶紧油缸11，用于打孔时顶紧地
面。所述大臂3的一端设有上连接孔31、另一端设有下连接孔32，大臂3的中间设有第一中间
孔33和第二中间孔34，上连接孔31、下连接孔32、第一中间孔33和第二中间孔34在同一条直
线上；上连接孔31与转臂1的顶端活动连接，下连接孔32与滑移架5的中部活动连接，第一中
间孔33与支撑油缸2的伸缩端相连接，第二中间孔34与调垂油缸4的尾端相连接。所述转臂
1、支撑油缸2、大臂3组成的三角形与大臂3、调垂油缸4、滑移架5组成的三角形相似。相似三
角形边长比值与油缸的面积比值相同，这里，油缸的面积比值是指支撑油缸的有杆腔与调
垂油缸的无杆腔的面积比值。在支撑油缸伸出运动的同时，调垂油缸按比例运动，保证凿岩
机构始终处于平动状态，同步调垂；当需要开凿具有内插角或外插角的炮眼时，调垂油缸单
独驱动钻梁至所需角度。
一种伞钻的大臂自动定位计算方法如下：全电脑伞钻的自动模式下，系统根据目
标孔位置信息算出各个油缸伸缩的长度及马达旋转的角度；每个钻孔的位置用极坐标（r，
θ）或（r，θ，φ）表示，其中φ表示钻杆钻进角度；
圆周方向上的定位：伞钻固定好后，三个大臂回到各自初始位置，相互之间保持120°夹
角，进行初始位置的标定；钻孔时根据每一个孔位的角度坐标θ，推算液压马达转动角度：
θ=β+α，
α是大臂实际转过的角度，β=0°、120°、240°，液压马达实际转过的角度＝大臂转过的角
度×减速比，减速比已知；
半径方向上的定位：半径方向上的定位又分为两种情况，钻进角度φ＝0和φ≠0；
当φ＝0时：钻杆垂直钻进，需计算支撑油缸和垂直油缸的伸缩长度；钻杆垂直钻进时，
能够始终保持垂直，支撑油缸和调垂油缸联通，大臂定位时只需控制其中一个油缸即；简化
动臂结构，O点为立柱中心点，M点为炮孔所在位置，B、C、D、E、F、H为结构固定铰接点，MO即为
钻孔坐标中的r，最终目标是求出油缸ED和HC的长度。BK、BJ、KF、FN、EG是做的垂直和水平辅
助线。
步骤1：以大臂为斜边，分别以上连接孔、下连接孔为两条直角边的起点，做出一个
直角三角形△BKF，斜边BF长度已知且为上连接孔与下连接孔之间的距离，两个直角边BK、
BF的长度已知，∠BFK=arccos（FK/BF），∠KBF=90°-∠BFK；
步骤2：在转臂、支撑油缸、大臂组成的三角形中△BHC中，最短边BH已知且为上连接孔
到支撑油缸与转臂铰接点之间的距离，最长边BC已知且为上连接孔到第一中间孔的距离，
由于BH和EF在运动过程中角度不会发生变化，所以∠HBK与∠EFG已知，∠HBC=∠HBK+∠
KBF，根据余弦定理：HC2=BH2+HC2-2BH×HC×cos∠HBC，求得支撑油缸总长度，支撑油缸的总
长度减去油缸本身的长度，即可求得支撑油缸的伸缩长度；
步骤3：在大臂、调垂油缸、滑移架组成的三角形△DEF中，最短边EF已知且为下连接孔
到调垂油缸与滑移架铰接点之间的距离，最长边FD已知且为下连接孔到第二中间孔的距
离，最短边EF与最长边FD之间的角度∠EFD=180°-∠EFG-∠BFK，根据余弦定理：ED2=FD2+
EF2-2×FD×EF×cos∠EFD，求得调垂油缸总长度，调垂油缸的总长度减去油缸本身的长
度，即可求得调垂油缸的伸缩长度；
当φ≠0时：钻杆斜向钻进，图中M点仍为炮孔所在位置，通过铰接点F做辅助线FN平行
于钻杆，与地面相交于N点，通过N点做垂线NP垂直于钻杆，其中OM为钻孔坐标中的r，∠PMN
为钻孔坐标中的钻进角度φ。通过几何关系可知，NP为固定值且已知，MN=NP/sin∠PMN，所
以ON=OM-MN。设O点为（0，0），OM为x轴，OJ为y轴，则N点坐标为（ON，0），直线FN斜率已知，所以
直线FN方程已知；同时F点轨迹是以B点（BJ，OJ）为圆心，BF为半径的圆，圆心半径均已知，所
以圆的方程已知，联立直线和圆的方程可以求解出交点F的坐标。
求出F点坐标后，根据φ=0的解算方法进而可以求出ED和HC的长度，进而求出支撑
油缸的伸缩长度和调垂油缸的伸缩长度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。