露天顶锤式钻机以其独有的钻孔凿岩特性在凿岩设备市场中占有着重要的位置,顶锤钻机不仅钻孔速度快,而且效率损失很低。国内外目前对钻孔效率、钻机自动化、环境保护和节约能源等要求日益提高,技术先进、性能卓越和环保低碳的顶锤式钻机在国内外有着广泛的市场需求。顶锤式钻机主要使用环境为露天矿山,同时也大面积应用于开挖建筑基底、电站、公路、港口等基建施工场合。钻臂的运动学特性影响着其自身的运动控制功能,而其工作范围空间的大小则决定了顶锤钻机的工作范围。工作范围是判断顶锤钻机整机性能的重要的运动学指标之一;钻臂动力学的特性直接决定着顶锤式钻机的整机工作能力,其对钻臂的整体结构设计和定位控制有重要的意义;所以,对顶锤式钻机的钻臂主要结构开展运动学以及动力学特性研究推理,并且优化钻臂臂架结构设计,拥有重要的理论研究意义和广泛的应用前景。本文将结合项目实际情况,对顶锤式钻机的钻臂结构进行了如下分析和优化设计。首先根据设计参数设计好了钻臂的三维实体模型。参照机器人学中的机械手运动分析理论以及动力分析理论,使用D-H方法和牛顿-欧拉方法创建起钻臂的运动学基本方程、动力学基础方程。然后进行利用运动学和动力学理论对钻臂整体进行了分析,完成了钻臂基础理论研究,并绘制了钻臂的工作范围空间。其次结合NX和ADMAS建立起钻机的虚拟样机模型,对钻机结构进行了优化设计和分析。利用ANSYS计算软件对钻臂整体以及关键零部件进行分析计算。通过分析计算钻臂的各种工况,校核了钻臂及其关键零部件在特殊工况下的强度指标,为钻臂的进一步结构优化反馈了数据。最后通过生产的原型机样机,在实际生产现场依据前期得到的数据,在钻臂应力集中点进行采样测试。利用数据采集系统收集了钻机的加速度和应力数据,对计算结果进行了比较和分析,反馈设计过程,优化经验设定数据。在优化设计理论和计算理论方面,虚拟样机计算结合测试数据的方法是最为行之有效的手段之一。