为实现在作业过程中的钻臂自动定位,对智能锚注一体台车钻臂运动学进行研究。以钻臂机械结构为依据,运用D-H方法建立了8自由度钻臂的运动学方程。基于蒙特卡洛法分析钻臂的可达工作空间,在MATLAB中仿真出钻臂的工作空间云图和投影图。根据钻臂的结构特点和关节运动范围提出了一种钻臂运动学逆解算法。针对大断面隧道锚杆作业过程,在台车理想状态和倾斜状态下对钻臂运动学逆解算法进行验证。结果表明(1)智能锚注一体台车钻臂可达工作空间可以满足大部分隧道施工使用需求;(2)钻臂逆运动学算法计算效率高,在台车理想状态和倾斜状态下均表现良好。

针对自动模式下凿岩台车大臂摆动和俯仰因耦合运动难以控制的问题,提出一种大臂耦合运动串级PID复合控制算法。根据大臂机械结构简图分析大臂俯仰和摆动两关节产生耦合运动的原因;分析位置式PID、增量式PID分别适用于串级PID的位置环和速度环,设计出耦合运动串级PID复合控制算法,并解释具体推算过程;通过在样机试验平台上进行搭载测试,验证了该控制算法的有效性和控制系统的稳定性。研究结果表明:该控制算法能有效解决大臂耦合运动问题,串级PID内、外环配合使控制系统稳定性好;在阶跃信号下目标角度的超调量小(0.5%),在斜坡信号下油缸运动速度动态跟随效果好,其角度误差波动率最大为15.87%。