本發(fā)明涉及掘進(jìn)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

掘進(jìn)機(jī)廣泛應(yīng)用于煤礦開采,交通水利巷道開挖等生產(chǎn)施工場(chǎng)合。對(duì)于如何保證掘進(jìn)機(jī)在巷道開挖中保證按照預(yù)定的規(guī)格進(jìn)行施工，避免欠挖或超挖，并在此前提下減少人力投入一直是相關(guān)研發(fā)設(shè)計(jì)人員的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

對(duì)于上述問題，現(xiàn)有的研究方向主要有兩個(gè)，一是從掘進(jìn)機(jī)自身定位信息的獲取和應(yīng)用角度出發(fā)，確保掘進(jìn)機(jī)能夠按照規(guī)定路線及規(guī)格準(zhǔn)確施工，降低超挖量提高經(jīng)濟(jì)效益；二是從如何提高掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的自動(dòng)化操作角度出發(fā)，降低操作人員的工作量并提高施工效率。

由于生產(chǎn)施工環(huán)境的特殊性，如高粉塵、高噪聲、強(qiáng)震動(dòng)及視線不清等，導(dǎo)致在地面上成熟的技術(shù)手段不能很好的適用，大部分較先進(jìn)的技術(shù)方案還只停留在理論可行階段，并不具備實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)及控制方法，實(shí)用性強(qiáng)，有效降低操作人員工作量，并提高了施工效率。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)，包括：

傾角傳感器，一個(gè)安裝在掘進(jìn)機(jī)的截割臂上，用于檢測(cè)截割臂相對(duì)于水平面的傾斜角；另一個(gè)安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上，用于檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)本體相對(duì)于水平面的傾斜角；

位移傳感器，其內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，用于檢測(cè)截割臂的位移量；

回轉(zhuǎn)角度傳感器，其安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，用于檢測(cè)截割臂的回轉(zhuǎn)角；

主控制器，其安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上，用于處理傳感器數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送控制命令，控制執(zhí)行裝置工作；

所述傾角傳感器、位移傳感器和回轉(zhuǎn)角度傳感器均與主控制器的信號(hào)輸入端連接，主控制器的信號(hào)輸出端與液壓閥控制連接。

進(jìn)一步地，還包括：電流傳感器和電壓傳感器，所述電流傳感器用于檢測(cè)截割電機(jī)的電流值，所述電壓傳感器用于檢測(cè)系統(tǒng)的電壓值，所述電流傳感器和電壓傳感器與主控制器的信號(hào)輸入端連接。

進(jìn)一步地，還包括：信號(hào)隔離柵，用于傳感器和主控制器之間的信號(hào)隔離。

進(jìn)一步地，還包括：上位機(jī)監(jiān)控界面，用于顯示掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)，并顯示截割超限報(bào)警，所述上位機(jī)監(jiān)控界面通過can或者rs485通信模塊與主控制器進(jìn)行雙向通信。

進(jìn)一步地，還包括：操作箱，用于輸入掘進(jìn)機(jī)操作命令和確定輸入截割斷面定位數(shù)據(jù)，所述操作箱通過can或者rs485通信模塊與主控制器進(jìn)行雙向通信。

進(jìn)一步地，還包括：比例控制電磁閥，用于按照主控制器輸出命令比例輸出控制液壓油缸伸縮和馬達(dá)快慢、正反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

本發(fā)明還提供一種掘進(jìn)機(jī)截割控制方法，包括以下步驟：

步驟1，布設(shè)傳感器

位移傳感器內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，一個(gè)傾角傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)的截割臂上，另一個(gè)傾角傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上；

步驟2，操作掘進(jìn)機(jī)截割頭進(jìn)行斷面定位；

步驟3，操作掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行規(guī)劃斷面截割，在截割過程中，如果截割頭超出標(biāo)定位置點(diǎn)計(jì)算范圍，則發(fā)出預(yù)警，停止截割頭動(dòng)作；

步驟4，規(guī)劃斷面截割參數(shù)學(xué)習(xí)；

步驟5，根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助截割。

進(jìn)一步地，所述步驟2的具體實(shí)現(xiàn)過程為：將掘進(jìn)機(jī)截割頭調(diào)整于規(guī)劃斷面輪廓線上的不同位置點(diǎn)，使用操作箱進(jìn)行確認(rèn)，主控制器存儲(chǔ)相應(yīng)位置點(diǎn)位置信息，位置點(diǎn)的選取需體現(xiàn)規(guī)劃斷面輪廓的特征。

進(jìn)一步地，所述步驟4的具體實(shí)現(xiàn)過程為：對(duì)截割過程中傳感器數(shù)據(jù)及截割電流值進(jìn)行記錄，每一個(gè)截割位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)四種數(shù)據(jù)，分別為截割頭相對(duì)掘進(jìn)機(jī)本體的傾角、截割臂的回轉(zhuǎn)角、截割臂的伸縮位移量和截割電機(jī)的電流值；根據(jù)三角計(jì)算公式可求得截割頭的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐標(biāo)系以巷道底部中心為原點(diǎn)，以巷道底部為橫軸，以巷道縱向中心線為縱軸；α1為截割臂與水平面的夾角、α2為掘進(jìn)機(jī)本體與水平面的夾角、β1為截割臂與截割斷面垂直方向的水平夾角、β2為截割臂與掘進(jìn)機(jī)本體的夾角、h1為截割臂轉(zhuǎn)軸心距地面的高度、h2為截割頭在截割斷面的高度、h3為截割頭偏離截割斷面縱向中心線的位移、h4為截割臂長(zhǎng)度和c為截割定值高度。

進(jìn)一步地，所述步驟5的具體實(shí)現(xiàn)過程為：根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助截割，主要體現(xiàn)在：斷面超挖報(bào)警或者液壓閥配合限制超挖、過載截割路徑提示并自動(dòng)降低截割給進(jìn)速度；對(duì)于超挖報(bào)警的判斷約束條件如下：

其中，a點(diǎn)為巷道的最高點(diǎn)，de兩點(diǎn)和cf兩點(diǎn)限制了巷道的最大寬度，bg兩點(diǎn)描述了巷道上部拱形的坡度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明通過布置在掘進(jìn)機(jī)上的傳感器獲取截割頭在斷面上的位置，對(duì)于首次截割的新斷面，根據(jù)規(guī)劃的斷面形狀進(jìn)行斷面形狀定位，操作者在定位限定下對(duì)規(guī)劃斷面進(jìn)行學(xué)習(xí)截割，在截割過程中，主控制器會(huì)記錄相應(yīng)的截割電機(jī)的電流值、截割頭位置信息，后續(xù)截割中會(huì)根據(jù)學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助截割，包括截割超限提醒和限定、過載減速保護(hù)等，主控制器會(huì)根據(jù)截割斷面的實(shí)際情況對(duì)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新或人為干預(yù)更新，確保持續(xù)有效輔助截割，提高截割效率，降低整機(jī)故障。

2.本發(fā)明可以使巷道截割高度受控，避免超挖，提高工作效率并降低工程總成本。

3.使用實(shí)測(cè)傳感器相對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行工況參數(shù)學(xué)習(xí)記錄，排除由于傳感器裝配及傳感器本身的測(cè)量誤差并具有廣泛巷道適應(yīng)性。

4.在限定范圍內(nèi)，操作者可手動(dòng)截割，在特殊情況(即自動(dòng)定位)下可實(shí)現(xiàn)智能輔助截割，提高截割效率，在一定程度上避免了操作者不當(dāng)操作，降低設(shè)備故障率。

5.本發(fā)明可手動(dòng)更新工況數(shù)據(jù)，設(shè)備也可根據(jù)前幾次截割情況平均值和額定參數(shù)自動(dòng)更新一次截割參數(shù)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一種掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的截割頭的位置示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例標(biāo)定的巷道極限點(diǎn)分布示意圖；

圖4是掘進(jìn)機(jī)本體傾角為0時(shí)的側(cè)視圖；

圖5是掘進(jìn)機(jī)本體傾角為α2時(shí)的側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例一種掘進(jìn)機(jī)截割控制方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

實(shí)施例一：參見圖1所示，本實(shí)施例提供一種掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)，包括：

傾角傳感器，一個(gè)安裝在掘進(jìn)機(jī)的截割臂上，用于檢測(cè)截割臂相對(duì)于水平面的傾斜角；另一個(gè)安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上，用于檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)本體相對(duì)于水平面的傾斜角；傾角傳感器可采用雙軸傾角傳感器。

位移傳感器，其內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，用于檢測(cè)截割臂的位移量，在本實(shí)施例中，位移傳感器可采用拉線傳感器或者油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器。

回轉(zhuǎn)角度傳感器，其安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，用于檢測(cè)截割臂的回轉(zhuǎn)角，可采用旋轉(zhuǎn)編碼器。

電流傳感器，用于檢測(cè)截割電機(jī)的電流值；電壓傳感器，用于檢測(cè)系統(tǒng)的電壓值。

主控制器，其安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上，用于處理傳感器數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送控制命令，控制執(zhí)行裝置工作。所述傾角傳感器、位移傳感器、回轉(zhuǎn)角度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器均與主控制器的信號(hào)輸入端連接，主控制器的信號(hào)輸出端與液壓閥控制連接。

比例控制電磁閥，用于按照主控制器輸出命令比例輸出控制液壓油缸伸縮和馬達(dá)快慢、正反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

信號(hào)隔離柵，用于傳感器和主控制器之間的信號(hào)隔離。

上位機(jī)監(jiān)控界面，用于顯示掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)和進(jìn)度，并顯示截割超限報(bào)警，所述上位機(jī)監(jiān)控界面通過can或者rs485通信模塊與主控制器進(jìn)行雙向通信。

操作箱，安裝在掘進(jìn)機(jī)的操作時(shí)內(nèi)，用于輸入掘進(jìn)機(jī)操作命令和確定輸入截割斷面定位數(shù)據(jù)，所述操作箱通過can或者rs485通信模塊與主控制器進(jìn)行雙向通信。

如圖6所示，本實(shí)施例還提供一種掘進(jìn)機(jī)截割控制方法，包括以下步驟：

步驟1，布設(shè)傳感器

位移傳感器內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，一個(gè)傾角傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)的截割臂上，另一個(gè)傾角傳感器安裝在掘進(jìn)機(jī)本體上。

步驟2，操作掘進(jìn)機(jī)截割頭并與操作箱組合或者鼠標(biāo)組合進(jìn)行斷面定位，將掘進(jìn)機(jī)截割頭調(diào)整于規(guī)劃斷面輪廓線上的不同位置點(diǎn)，使用操作箱進(jìn)行確認(rèn)，主控制器存儲(chǔ)相應(yīng)位置點(diǎn)位置信息，位置點(diǎn)的選取需體現(xiàn)規(guī)劃斷面輪廓的特征，一般大于截割頭直徑為間隔(以截割頭外圍計(jì)算)記錄一個(gè)位置點(diǎn)信息。以常見巷道輪廓具體如圖3所示，a點(diǎn)為巷道的最高點(diǎn)，de兩點(diǎn)和cf兩點(diǎn)限制了巷道的最大寬度，bg兩點(diǎn)描述了巷道上部拱形的坡度，o點(diǎn)為計(jì)算坐標(biāo)系原點(diǎn)。

步驟3，操作掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行規(guī)劃斷面截割，在截割過程中，如果截割頭超出標(biāo)定位置點(diǎn)計(jì)算范圍，則發(fā)出預(yù)警，若與液壓閥門關(guān)聯(lián)，則主動(dòng)停止截割頭動(dòng)作，以恒定的給進(jìn)量和擺動(dòng)速度進(jìn)行截割操作，保證主控制器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)客觀有效，直至完成規(guī)劃斷面的首次截割。

步驟4，如圖2、圖4和圖5所示，規(guī)劃斷面截割參數(shù)學(xué)習(xí)，對(duì)截割過程中傳感器數(shù)據(jù)及截割電流值進(jìn)行記錄，每一個(gè)截割位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)四種數(shù)據(jù)，分別為截割頭相對(duì)掘進(jìn)機(jī)本體的傾角、截割臂的回轉(zhuǎn)角、截割臂的伸縮位移量和截割電機(jī)的電流值；根據(jù)三角計(jì)算公式可求得截割頭的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐標(biāo)系以巷道底部中心為原點(diǎn)，以巷道底部為橫軸，以巷道縱向中心線為縱軸；α1為截割臂與水平面的夾角、α2為掘進(jìn)機(jī)本體與水平面的夾角、β1為截割臂與截割斷面垂直方向的水平夾角，由回轉(zhuǎn)角度傳感器檢測(cè)、β2為截割臂與掘進(jìn)機(jī)本體的夾角、h1為截割臂轉(zhuǎn)軸心距地面的高度、h2為截割頭在截割斷面的高度、h3為截割頭偏離截割斷面縱向中心線的位移、h4為截割臂長(zhǎng)度和c為截割定值高度。

步驟5，根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助截割，主要體現(xiàn)在：斷面超挖報(bào)警或者與液壓閥配合限制超挖、過載截割路徑提示并自動(dòng)降低截割給進(jìn)速度；對(duì)于超挖報(bào)警的判斷約束條件如下：

其中，a點(diǎn)為巷道的最高點(diǎn)，de兩點(diǎn)和cf兩點(diǎn)限制了巷道的最大寬度，bg兩點(diǎn)描述了巷道上部拱形的坡度。

需要說(shuō)明的是，上述所用的坐標(biāo)值為使用截割頭按照實(shí)際巷道定位得到，而不是使用單一巷道輪廓規(guī)劃預(yù)定的理論坐標(biāo)值，適應(yīng)性好。

以上所示僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，例如，在主控制器數(shù)據(jù)處理能力允許的情況下，用于測(cè)定設(shè)備截割頭機(jī)鏟板姿態(tài)的傳感器可布設(shè)多個(gè)，并對(duì)多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提高傳感數(shù)據(jù)的精確度，還有在主控制器數(shù)據(jù)處理能力允許的情況下，截割頭進(jìn)行截割定位時(shí)可選擇多點(diǎn)，甚至可以記錄完整的實(shí)測(cè)截割斷面形狀數(shù)據(jù)，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。