一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法，包括自動打鉆過程，所述自動打鉆過程包括依次實施的鉆桿箱自動巡檢步驟、大傾角自動上鉆桿步驟、鉆桿自動接扣步驟和鉆桿自動鉆進步驟；還包括自動卸鉆過程，所述自動卸鉆過程包括自動卸扣過程、動力頭定位過程、大傾角自動下鉆桿過程。本發(fā)明提供了一種礦用液壓鉆機全自動控制技術，使得鉆機自動完成加載或拆卸鉆桿、自動鉆進等工作過程，無需人工手動操作，降低了工人的勞動強度，有效地保證了鉆機工作的穩(wěn)定性可靠性，極大地提高了鉆機的工作效率。
【專利說明】一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及液壓鉆機的控制【技術領域】，特別涉及一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法。

【背景技術】
[0002]目前，礦用液壓鉆機無論是在現(xiàn)場工作面操作，還是遠程操作，都是由人工手動控制的，這就對操作人員有較高的技術要求。而且人工長時間操作鉆機作業(yè)，不斷地重復復雜的操作過程，易出現(xiàn)操作疲勞而產(chǎn)生誤操作，甚至造成安全事故，同時人工控制操作效率較低，使得鉆機作業(yè)效率也較低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種礦用液壓鉆機全自動控制方法，使得鉆機安全可靠地自動完成工作過程，無需人工手動操作，有效地保證鉆機的安全作業(yè)，也降低了工人的勞動強度，而且全自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)鉆機多個執(zhí)行機構同步動作或多臺鉆機同時作業(yè)，極大地提高了鉆機的工作效率。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法，包括自動打鉆過程，所述自動打鉆過程包括依次實施的鉆桿箱自動巡檢步驟、大傾角自動上鉆桿步驟、鉆桿自動接扣步驟和鉆桿自動鉆進步驟；
[0005]所述鉆桿箱自動巡檢步驟具體為:
[0006]S1:通過手動調(diào)試，記錄準確抓取每根鉆桿時位移傳感器的位移值；
[0007]S2:機械臂伸縮液壓缸向下伸出，當機械手接近鉆桿時，若接近開關到位，則停止伸出，記錄當前位移值，并縮回機械臂伸縮液壓缸；
[0008]S3:將步驟S2中位移傳感器的位移值與步驟SI中記錄的移傳感器的位移值進行比較，即可確定當前列鉆桿的根數(shù)；
[0009]所述大傾角自動上鉆桿步驟具體為:
[0010]Sll:首先通過礦用隔爆型姿態(tài)儀尋北，對整機進行定位；
[0011]S12:控制系統(tǒng)自動調(diào)整機架至目標姿態(tài)；
[0012]S13:機械臂以機架姿態(tài)為參考目標，完成自動上鉆桿的過程；
[0013]上鉆桿的過程具體為:
[0014]S21:機械手垂直伸出到目標鉆桿位置并夾緊鉆桿；
[0015]S22:機械手縮回；
[0016]S23機械臂旋轉到水平位置；
[0017]S24:增大機械臂的傾角到指定角度；
[0018]S25:機械手水平伸出到指定位置；
[0019]S26:后夾持器夾緊鉆桿；
[0020]S27:機械手松開并水平縮回到指定位置；[0021 ] S28:減小機械臂的傾角，使機械臂處于抓取鉆桿前的初始位置；
[0022]所述鉆桿自動接扣步驟具體為:
[0023]S31:上鉆桿過程完成后，接第一個扣，后夾持器松開；
[0024]S32:接第二個扣，前夾持器松開，自動接扣完成。
[0025]進一步，在上鉆桿前滿足以下條件:機械手垂直且機械手伸縮到指定位置；鉆桿箱當前列有鉆桿。
[0026]進一步,還包括自動卸鉆過程，所述自動卸鉆過程包括自動卸扣過程、動力頭定位過程、大傾角自動下鉆桿過程；
[0027]所述自動卸扣過程具體為:
[0028]S11:動力頭快速推進到接扣區(qū)并完成正常接扣，前夾持器松開并反轉；
[0029]S22:動力頭邊旋轉邊后退到第一指定位置；
[0030]S33:后夾持器夾緊，前夾持器夾緊并正轉；
[0031]S44:后夾持器松開卸第一個扣；
[0032]S55:動力頭到第二指定位置，后夾持器夾緊卸第二個扣；
[0033]S66:卸扣完成后，動力頭退至最后端；
[0034]大傾角自動下鉆桿過程具體為:
[0035]Slll:機械手水平伸出到指定位置并夾緊鉆桿；
[0036]S112:后夾持器松開，機械手水平縮回到指定位置；
[0037]S113:減小機械臂的傾角，使機械手垂直；
[0038]S114:檢查鉆桿箱當前列是否滿，若是，則鉆桿箱換列；若否，則機械手垂直伸出并松開機械手；
[0039]SI 15:機械手縮回；
[0040]S116:增大機械臂的傾角，使機械手處于下鉆桿的初始狀態(tài)。
[0041]進一步，在自動打鉆和自動卸鉆過程中，采用自適應定位方法對鉆桿箱、機械手、機械臂以及動力頭進行定位，鉆桿箱、機械手、機械臂及動力頭統(tǒng)稱為執(zhí)行機構；所述自適應定位方法具體包括:
[0042]1、給定執(zhí)行機構一個較小的初始定位速度V0，記錄執(zhí)行機構停下來的位置；
[0043]I1、判斷執(zhí)行機構當前位置是否在目標區(qū)間；若未到目標區(qū)間，則執(zhí)行機構回退，自動修正以大于VO的速度重新定位；若在該區(qū)間，下次仍以該定位速度進行定位；若超出了該區(qū)間，則執(zhí)行機構回退，自動修正以小于VO的速度重新定位；重復之前步驟，直到執(zhí)行機構停的位置在定位區(qū)間內(nèi)，即完成了一次定位。
[0044]進一步,下一次定位的初始速度為上一次定位時的最后一個循環(huán)的定位速度。
[0045]進一步，控制模塊根據(jù)傳感器反饋值及動態(tài)經(jīng)驗庫提供的參數(shù)計算出實時卡鉆可能性knx ;處理模塊根據(jù)knx的大小及動態(tài)經(jīng)驗庫提供的相關參數(shù)值來進行相應的防卡鉆處理如下:
[0046]當knx < knxO時，此時推進太慢，增加推進速度，直到滿足knxO〈knx〈knxl ；
[0047]當knxO < knx < knxl時,鉆進狀態(tài)正常；
[0048]當knxl ^ knx < knx2時，減少推進速度，直到滿足knxO〈knx〈knxl ；
[0049]當knx2 ( knx < knx3時，停止推進一定時間，直到滿足knxO〈knx〈knxl ；
[0050]當knx彡knx3時,在該點往返前進后退一定時間，直到滿足knxO〈knx〈knxl。
[0051]本發(fā)明的優(yōu)點在于:鉆機全自動作業(yè)，無需人工進行繁瑣的操作，降低了操作人員技術要求；安全可靠的全自動控制功能，降低了人工操作帶來的風險，減少了安全隱患；鉆機可實現(xiàn)多個執(zhí)行機構同步動作，提高了鉆機的作業(yè)效率；利用全自動控制系統(tǒng)一人可控制多臺鉆機同時作業(yè)，極大提高了人工操作的效率；人工操作鉆機時，從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題，整個過程有一定的滯后性，而全自動控制系統(tǒng)具有完善的故障自診斷和預處理機制，極大提高了系統(tǒng)應對突發(fā)事件和容錯的能力，保證了鉆機工作的穩(wěn)定性和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0053]圖1為本發(fā)明全自動控制系統(tǒng)結構圖；
[0054]圖2為自動打鉆控制流程圖；
[0055]圖3為大傾角自動上下鉆桿控制流程圖；
[0056]圖4自動鉆進控制原理圖；
[0057]圖5自動卸鉆控制流程圖；
[0058]圖6為自適應定位原理圖。

【具體實施方式】
[0059]以下將結合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0060]如圖1所不,礦用液壓鉆機全自動控制系統(tǒng)主要包括PLC模塊、信號放大板、繼電器模塊、傳感器組以及先導電磁閥。PLC模塊主要包括CPU模塊、數(shù)字量模塊和模擬量模塊，傳感器組主要包括壓力傳感器、溫度傳感器、轉速傳感器、位移傳感器、傾角傳感器、超聲傳感器以及接近開關。根據(jù)控制要求，數(shù)字量經(jīng)過繼電器模塊、模擬量經(jīng)過信號放大板共同完成對先導電磁閥的控制，所述先導電磁閥控制液壓多路閥，所述液壓多路閥用于控制執(zhí)行機構。所述傳感器組將采集到執(zhí)行機構信號作為反饋信號，經(jīng)濾波處理傳輸?shù)侥M量模塊，經(jīng)模擬量模塊處理后傳輸?shù)紺PU模塊，CPU模塊發(fā)出控制指令，對執(zhí)行機構進行實時調(diào)整控制輸出。
[0061]一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法，包括自動打鉆過程，如圖2所示，所述自動打鉆過程包括依次實施的鉆桿箱自動巡檢步驟、大傾角自動上鉆桿步驟、鉆桿自動接扣步驟和鉆桿自動鉆進步驟；開始自動打鉆之前，須確定鉆機的初始狀態(tài)為:前夾持器松開并反轉到位；后夾持器松開到位；機械手水平，機械手松開并有一定傾角；鉆桿箱的每列鉆桿根數(shù)不得小于前一列鉆桿根數(shù)，并保證鉆桿箱選定列到位；設定機械手目標傾角與機架目標傾角值相同。所有執(zhí)行機構若不在初始狀態(tài)，須手動操作至初始狀態(tài)。
[0062]所述鉆桿箱自動巡檢步驟具體為:
[0063]SI:通過手動調(diào)試，記錄準確抓取每根鉆桿時位移傳感器的位移值；
[0064]S2:機械手伸縮液壓缸向下伸出，當機械手接近鉆桿時，若接近開關到位，則停止伸出，記錄當前位移值，并縮回機械手伸縮液壓缸；
[0065]S3:將步驟S2中位移傳感器的位移值與步驟SI中記錄的移傳感器的位移值進行比較，即可確定當前列鉆桿的根數(shù)。
[0066]圖3為大傾角自動上鉆桿控制流程圖。在大傾角自動上下鉆桿控制中，主要應用了礦用隔爆型姿態(tài)儀定位技術。礦用隔爆型姿態(tài)儀在靜止狀態(tài)下通過光纖陀螺儀和傾角傳感器通過薩格納克效應測量地球的自轉角速度的各分量，通過導航控制芯片對陀螺儀和傾角傳感器的輸出信號進行解算，短時間內(nèi)找到設備與真正北方向的夾角，再進行方位對準和姿態(tài)解算，通過傾角傳感器測量出設備的傾角及橫滾角，最后將以上姿態(tài)參數(shù)通過顯控裝置進行顯示，同時通過RS485通訊傳送給至PLC模塊，作為自動控制的參考值。在大傾角自動上下鉆桿過程中，首先通過礦用隔爆型姿態(tài)儀尋北對整機進行定位，再根據(jù)實際需要設定機架姿態(tài)目標值，控制系統(tǒng)便會自動調(diào)整機架至目標姿態(tài)。最后，機械手會以機架姿態(tài)為參考目標，完成自動上下鉆桿的過程。
[0067]所述大傾角自動上鉆桿步驟具體為:
[0068]S11:首先通過礦用隔爆型姿態(tài)儀尋北，對整機進行定位；
[0069]S12:控制系統(tǒng)自動調(diào)整機架至目標姿態(tài)；
[0070]S13:機械臂以機架姿態(tài)為參考目標，完成自動上鉆桿的過程；
[0071]上鉆桿的過程具體為:
[0072]S21:機械手垂直伸出到目標鉆桿位置并夾緊鉆桿；
[0073]S22:機械手縮回；
[0074]S23機械臂旋轉到水平位置；
[0075]S24:增加機械臂的傾角到指定角度；
[0076]S25:機械手水平伸出到指定位置；
[0077]S26:后夾持器夾緊鉆桿；
[0078]S27:機械手松開并水平縮回到指定位置；
[0079]S28:減小機械臂的傾角，使機械臂處于抓取鉆桿前的初始位置；
[0080]所述鉆桿自動接扣步驟具體為:
[0081]S31:上鉆桿過程完成后，接弟個扣，后夾持器松開；
[0082]S32:接第二個扣，前夾持器松開，自動接扣完成。
[0083]在上鉆桿前滿足以下條件:機械手垂直且機械手伸縮到指定位置；鉆桿箱當前列有鉆桿。
[0084]圖4為自動鉆進控制原理圖。如圖所示，傳感器是測量單元，包含壓力、速度傳感器，主要用來測量旋轉和推進的實時壓力和速度，并反饋給控制模塊；控制模塊根據(jù)傳感器反饋值及動態(tài)經(jīng)驗庫提供的參數(shù)計算出實時卡鉆可能性knx ;處理模塊根據(jù)knx的大小及動態(tài)經(jīng)驗庫提供的相關參數(shù)值來進行相應的防卡鉆處理如下:
[0085]當knx < knxO時，此時推進太慢，應適當增加推進速度，直到滿足knxO<knx<knxl ；
[0086]當knxO < knx < knx I時，說明鉆進狀態(tài)正常，可不處理；
[0087]當knxl < knx < knx2時，應適當減少推進速度，直到滿足knxO〈knx〈knxl ；
[0088]當knx2 < knx < knx3時，需停止推進一定時間，直到滿足knxO〈knx〈knxl ；
[0089]當knx ^ knx3時，此時有很大的卡鉆可能性，需在該點往返前進后退一定時間，直到滿足knxO〈knx〈knxl (若knx不能變小,則報警人工處理)。
[0090]在自動鉆進過程中，智能防卡鉆技術的應用，使得鉆機卡鉆的可能性較小，鉆進的效率較高。
[0091]圖5為自動卸鉆控制流程圖。如圖所示，自動卸鉆主要包括自動接扣卸扣、動力頭定位、大傾角自動下鉆桿過程。圖5中虛框部分即為大傾角自動下鉆桿過程。開始自動卸鉆iu須調(diào)整鉆機的初始狀態(tài)為:打完鉆后直接開時卸鉆；動力頭在最如端連接著鉆桿；iu夾持器松開并反轉到位；后夾持器松開；機械手張開，機械手水平并有傾角到位；鉆桿箱的每列鉆桿根數(shù)不得小于前一列鉆桿根數(shù)，并保證鉆桿箱選定列到位；設定機械手目標傾角與機架目標傾角值相同。所有執(zhí)行機構若不在初始狀態(tài)，須手動操作至初始狀態(tài)。
[0092]所述自動卸扣過程具體為:
[0093]S11:動力頭快速推進到接扣區(qū)并完成正常接扣，前夾持器松開并反轉；
[0094]S22:動力頭邊旋轉邊后退到第一指定位置；
[0095]S33:后夾持器夾緊，前夾持器夾緊并正轉；
[0096]S44:后夾持器松開卸第一個扣；
[0097]S55:動力頭到第二指定位置，后夾持器夾緊卸第二個扣；
[0098]S66:卸扣完成后，動力頭退至最后端。
[0099]大傾角自動下鉆桿流程如圖5中的虛框部分，大傾角自動下鉆桿過程具體為:
[0100]Slll:機械手水平伸出到指定位置并夾緊鉆桿；
[0101]S112:后夾持器松開，機械手水增縮回到指定位置；
[0102]S113:減小機械臂的傾角，使機械手垂直；
[0103]S114:檢查鉆桿箱當前列是否滿，若是，則鉆桿箱換列；若否，則機械手垂直伸出并松開機械手；
[0104]SI 15:機械手縮回；
[0105]S116:增大機械臂的傾角，使機械手處于下鉆桿的初始狀態(tài)。
[0106]自動打鉆和自動卸鉆過程中鉆桿箱、機械手、機械臂以及動力頭都需要定位，控制系統(tǒng)采用了位移傳感器和控制器組成的閉環(huán)控制定位方式。但是在實際工作過程中，一方面由于先導閥有一定的關閉時間以及機械和液壓存在慣性，使得控制存在滯后位移；另一方面受先導閥和多路閥靈敏度以及摩擦阻力的影響，定位速度會發(fā)生變化，使得定位電流(即先控制導電磁閥的輸入電流)和定位速度(即定位控制過程中執(zhí)行機構的移動速度)沒有準確的對應關，使得定位出現(xiàn)較大的偏差，故系統(tǒng)采用了自適應定位技術。自適應定位原理如圖6所示。在自適應定位過程中，先由控制程序給定一個較小的初始定位速度W，等執(zhí)行機構停下來后，再判斷當前位置是否在目標區(qū)間，若在，下次仍以該定位速度進行定位；若超出了該區(qū)間，則控制執(zhí)行機構回退，自動修正以小于VO的速度重新定位；若仍超出，(此時超出幅度應小于前一次)，則重復之前步驟，直到執(zhí)行機構停的位置在目標區(qū)間內(nèi)，即完成了一次定位。下一次定位可根據(jù)上一次的經(jīng)驗將定位的初始速度設置成上一次最后一個循環(huán)的定位速度。當預設定為速度太小時，亦可根據(jù)同樣的原理進行智能摸索，并求解出合適的定位速度。
[0107]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權利要求】
1.一種礦用液壓鉆機的全自動控制方法，其特征在于:包括自動打鉆過程，所述自動打鉆過程包括依次實施的鉆桿箱自動巡檢步驟、大傾角自動上鉆桿步驟、鉆桿自動接扣步驟和鉆桿自動鉆進步驟； 所述鉆桿箱自動巡檢步驟具體為: Si:通過手動調(diào)試，記錄準確抓取每根鉆桿時位移傳感器的位移值； S2:機械臂伸縮液壓缸向下伸出，當機械手接近鉆桿時，若接近開關到位，則停止伸出，記錄當前位移值，并縮回機械臂伸縮液壓缸； S3:將步驟S2中位移傳感器的位移值與步驟SI中記錄的移傳感器的位移值進行比較，即可確定當前列鉆桿的根數(shù)； 所述大傾角自動上鉆桿步驟具體為: Sll:首先通過礦用隔爆型姿態(tài)儀尋北，對整機進行定位； S12:控制系統(tǒng)自動調(diào)整機架至目標姿態(tài)； S13:機械臂以機架姿態(tài)為參考目標，完成自動上鉆桿的過程； 上鉆桿的過程具體為: S21:機械手垂直伸出到目標鉆桿位置并夾緊鉆桿； S22:機械手縮回； S23機械臂旋轉到水平位置； S24:增大機械臂的傾角到指定角度； S25:機械手水平伸出到指定位置； S26:后夾持器夾緊鉆桿； S27:機械手松開并水平縮回到指定位置； S28:減小機械臂的傾角，使機械臂處于抓取鉆桿前的初始位置； 所述鉆桿自動接扣步驟具體為: S31:上鉆桿過程完成后，接弟個扣，后夾持器松開； S32:接第二個扣，前夾持器松開，自動接扣完成。
2.根據(jù)權利要求1所述的礦用液壓鉆機的全自動控制方法，其特征在于:在上鉆桿前滿足以下條件:機械手垂直且機械手伸縮到指定位置；鉆桿箱當前列有鉆桿。
3.根據(jù)權利要求1所述的礦用液壓鉆機的全自動控制方法，其特征在于:還包括自動卸鉆過程，所述自動卸鉆過程包括自動卸扣過程、動力頭定位過程、大傾角自動下鉆桿過程; 所述自動卸扣過程具體為: S11:動力頭快速推進到接扣區(qū)并完成正常接扣，前夾持器松開，動力頭反轉； S22:動力頭邊旋轉邊后退到第一指定位置； S33:后夾持器夾緊，前夾持器夾緊，動力頭正轉； S44:后夾持器松開卸第一個扣； S55:動力頭到第二指定位置，后夾持器夾緊卸第二個扣； S66:卸扣完成后，動力頭退至最后端； 大傾角自動下鉆桿過程具體為: Slll:機械手水平伸出到指定位置并夾緊鉆桿； S112:后夾持器松開，機械手水平縮回到指定位置； S113:減小機械臂的傾角，使機械手垂直； S114:檢查鉆桿箱當前列是否滿，若是，則鉆桿箱換列；若否，則機械手垂直伸出并松開機械手； SI 15:機械手縮回； S116:增大機械臂的傾角，使機械手處于下鉆桿的初始狀態(tài)。
4.根據(jù)權利要求3所述的礦用液壓鉆機的全自動控制方法，其特征在于:在自動打鉆和自動卸鉆過程中，采用自適應定位方法對鉆桿箱、機械手、機械臂以及動力頭進行定位，鉆桿箱、機械手、機械臂及動力頭統(tǒng)稱為執(zhí)行機構；所述自適應定位方法具體包括: 1、給定執(zhí)行機構一個較小的初始定位速度V0，記錄執(zhí)行機構停下來的位置； I1、判斷執(zhí)行機構當前位置是否在目標區(qū)間；若未到目標區(qū)間，則執(zhí)行機構回退，自動修正以大于VO的速度重新定位；若在該區(qū)間，下次仍以該定位速度進行定位；若超出了該區(qū)間，則執(zhí)行機構回退，自動修正以小于VO的速度重新定位；重復之前步驟，直到執(zhí)行機構停的位置在定位區(qū)間內(nèi)，即完成了 一次定位。
5.根據(jù)權利要求4所述的礦用液壓鉆機的全自動控制方法，其特征在于:下一次定位的初始速度為上一次定位時的最后一個循環(huán)的定位速度。
6.根據(jù)權利要求3所述的礦用液壓鉆機的全自動控制方法，其特征在于:控制模塊根據(jù)傳感器反饋值及動態(tài)經(jīng)驗庫提供的參數(shù)計算出實時卡鉆可能性knx ;處理模塊根據(jù)knx的大小及動態(tài)經(jīng)驗庫提供的相關參數(shù)值來進行相應的防卡鉆處理如下: 當knx < knxO時，此時推進太慢，增加推進速度，直到滿足knxO〈knx〈knxl ； 當knxO < knx < knx I時,鉆進狀態(tài)正常； 當knxl ( knx < knx2時，減少推進速度，直到滿足knxO〈knx〈knxl ； 當knx2 ( knx < knx3時，停止推進一定時間，直到滿足knxO〈knx〈knxl ； 當knx ^ knx3時,在該點往返前進后退一定時間,直到滿足knxO〈knx〈knxl。
【文檔編號】E21B44/00GK104196517SQ201410394711
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權日:2014年8月12日
【發(fā)明者】王清峰, 陳松林, 肖玉清, 王宇, 黃麟森, 吳鋒, 段勛興, 胡小林, 宋輝, 王國震, 秦怡, 楊燕鴿, 張先韜, 周寶成 申請人:中煤科工集團重慶研究院有限公司