为解决支护装备、掘进机等巷道掘进装备现存的主要问题,本文在工艺上和理念上提出一种适用于巷道掘进的掘支锚作业机组,将掘进、临时支护、永久锚固和运输四大主要功能集成于一体。本课题得到了国家自然青年科学基金项目(编号:51304107)、辽宁省教育厅重点实验室项目(编号:LJZS006)以及企业横向课题的大力资助。以课题组申请的国家发明专利“液压迈步式超前支护装备”、“适用于硬岩巷道掘进的迈步式掘进支护装置”的结构研究为前期基础,对机组进行机械系统与自主定形定向截割控制方法研究:(1)通过对综掘巷道现有掘、支、锚、运设备存在的不足之处,对本文研究的新型掘支锚机组的机械系统进行研究,完成对掘支锚机组各主要作业机构的结构和工作原理的阐述。为后续进行掘支锚机组力学特性、运动学特性以及自主定形定向截割控制方法的研究提供依据。(2)通过对掘支锚机组工况和结构特性的分析,基于变形协调原理与奇异函数分析方法建立不同工况下的机组静力学分析模型。基于牛顿第二定律建立掘支锚机组多自由度系统在离散坐标系中的运动微分方程;采用变步长四-五阶Runge-Kutta法对方程组进行求解,得到掘进扰动作用下主副支撑组的动力响应特性。为对掘支锚机组的力学特性进一步理论分析以及结构设计和改进提供理论依据。(3)通过掘支锚机组全局坐标系和运动学回路的构建,基于齐次坐标变换分析方法对截割部和支护机构两部分的运动学模型进行建立和分析。得到截割头与支护装置的相对位置关系和姿态关系的正向和反向运动学方程;为实现截割部的运动控制和巷道断面仿形截割以及为实现掘支锚机组在巷道内推移控制和自主定形定向截割控制提供理论基础。(4)基于UWB超宽带定位技术,研究一种多点测距的自主定形定向截割控制技术,能够通过分别安装于主副支撑组的多个定位模块,互为定位基站与运动标签,实时测得主副支撑组的相对姿态与位置信息,并与预定运行轨迹比较,实现自主定形定向截割控制。(5)基于物理学相似理论,确立掘支锚机组原型机与实验模型样机的相似准则和实验模型样机的主要参数,以此建立实验室条件下的实验模型样机。研究不同工况下机组的静力学和动力学响应,与理论分析结果相互验证。对掘支锚机组定形定向截割方法进行实验研究,研究定形定向截割方法的可行性和理论推导计算方法的正确性。以实验研究结果揭示机组原型机的机械系统特性与自主定位定向技术的可行性,为以后实现掘支锚机组原型机的研制和改进提供一定基础和依据。