煤炭资源是基础工业生产不可或缺的原料,合理开发和使用煤炭是关系着当今社会可持续发展的重要问题。目前我国煤炭经过多年开采,浅层资源日趋枯竭,随着开采深度的不断加大,开采难度也逐渐增大。伞钻作为煤炭深层立井凿岩开拓中的关键设备,对于深层煤炭开采中的岩层钻爆起到至关重要的作用。目前工程应用中的伞钻设备主要分为气动伞钻和液压伞钻两类,相较于硬岩钻孔效率低、进尺慢、噪音大的气动伞钻而言,液压伞钻在立井开拓的不断发展中逐渐成为了国内外专家学者的研究重点。日前,中国矿业大学机电工程学院研制了一种新型全液压四臂伞钻,其结构由液压系统、凿岩系统、风水系统和臂架系统组成,其中液压系统为整个液压伞钻提供动力;凿岩系统完成钎杆推进与拨钎、回转和冲击动作;风水系统在伞钻凿岩过程中起到通风、清洗炮眼的作用;臂架系统中各机械结构协同运动完成钎杆位置与姿态的动作调节。液压伞钻臂架系统特点在于由轻质量化的细长机械结构串联,不同于其他的工程机械臂架系统,结构刚性较差导致各个臂架在实际运动过程中弹性变形和振动非常明显。各臂架的驱动液压缸位移产生的微小变化,经过臂架系统机械结构的放大作用,将导致臂架系统末端位置与姿态发生较大偏移,因而使钎杆位姿不易精确控制。新型全液压伞钻虽在结构设计、传动方式上都进行了创新并达到了很好的效果,但在控制方式上任保留了传统的手动开环控制方法。由于液压伞钻的工作条件恶劣且存在一定的安全隐患,在控制方式上,现有的人工手动开环控制方法因其控制精度低、效率不高等问题已不能够满足施工要求。因此针对液压伞钻现有控制方式中存在的问题,为提高控制性能,本文以中国矿业大学机电工程学院所研制的一种新型全液压四臂伞钻为模型,将实现液压伞钻中臂架系统的电液自动控制作为主要研究内容,设计了一种能够对液压伞钻臂架系统运动进行自动化控制的电液控制系统。通过新型四臂全液压伞钻臂架系统试验型样机的设计、臂架系统电液自动控制系统的设计以及实验,论证了该自动化电液控制系统的可行性。本文具体研究内容如下:根据中国矿业大学机电工程学院研制的新型全液压四臂伞钻的工作原理、整体机械结构和关键技术参数,设计用于自动控制的液压伞钻电液控制系统。以新型全液压四臂伞钻为模型制造其试验用机械结构,设计满足其工作需要的电液系统及测控系统。在电液系统设计上,改善传统的机液负载敏感动态响应和功率匹配效率,在电液比例伺服控制下,提高液压系统控制精度和可靠性。采用D-H法建立液压伞钻臂架系统的正运动学模型,采用几何法建立逆运动学模型及确立关节空间变量与驱动液压缸空间变量的函数关系,使用MATLAB Robotics Toolbox验证运动学建模的正确性。通过刚体动力学理论建模与虚拟样机建模,得到臂架系统关节力矩变化曲线,分析理论计算与虚拟样机仿真结果的误差来源,建立更符合伞钻臂架系统实际运动情况的刚柔耦合模型,通过仿真分析得出大臂与钻臂运动过程中均有不同程度弹性变形,且钻臂变形量大于大臂变形量,臂架运动过程中振动相对较小,启停过程中有较大振动,钻臂末端点速度震荡表现得更加明显。随机将贴近实际液压缸运行速度曲线导入刚柔耦合模型中,仿真结果表明速度规划可实现液压伞钻臂架系统钻臂末端平稳位姿调节,减小臂架系统运动抖动。为了快速完成液压伞钻臂架系统钻臂末端的位姿控制,抑制系统抖动以提高运动稳定性及钻臂末端位姿的控制精度,进行液压缸速度轨迹规划,减少臂架系统运动抖动。通过PID和模糊PID算法控制臂架运动的轨迹跟踪,比较仿真分析及实验研究中两种控制方式的效果。从现场PID实验中大臂液压缸及倾斜液压缸运行速度的波动情况看,二者运动冲击都很大,这也说明液压伞钻臂架系统运动过程中有明显的弹性变形与臂架振动伴随。模糊PID整体控制效果良好,虽然液压缸速度也有一定波动,但是波动幅度并不大,时间也明显减少。通过参数整定,实现模糊PID校正下液压缸稳态速度误差1mm/s以内的钻臂末端位姿快速、精确控制,大幅度减少钎杆位置和姿态调整时间。最后通过变量补偿降低钻臂末端的重复位姿误差和绝对位姿误差,配合变量补偿方法控制钻臂末端与基准孔的位置偏差在30mm以内,角度偏差在0.5°以内,保证液压伞钻臂架系统的40mm直径钎杆能通过预设的直径100mm的孔。本文首次提出液压伞钻自动化控制的电液系统设计,采用电液比例伺服技术的负载敏感系统应用于液压伞钻臂架系统运动控制中,提高液压系统控制精度及可靠性,改进传统的机液负载敏感系统的动态响应和功率匹配效率,实现节能、高精度的钻臂末端位姿控制。通过系统设计、理论分析与仿真验证研究液压伞钻臂架系统运动控制问题,获得液压伞钻臂架系统运动学、刚体动力学及刚柔耦合模型,通过仿真研究证明建模的正确性;根据适合液压伞钻臂架系统运动的轨迹规划方法、控制策略的仿真及实验研究,实现伞钻臂架系统运动的有效控制,大幅度减少钎杆位置和姿态的调整时间,提高位姿精度。本文以实现液压伞钻臂架系统自动控制为目的,立足于该实际对象开展切实可行的研究,研究成果也能应用于类似工程机械的臂架系统运动控制问题中。