一種掘進(jìn)鑿巖臺車鉆孔自動定位裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機電一體化領(lǐng)域，尤其涉及一種掘進(jìn)鑿巖臺車鉆孔自動定位裝置及方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巷道鑿巖開采經(jīng)歷人工挖鑿、風(fēng)動工具、半自動化臺車、到全自動化臺車的局面。 其中半自動化臺車在成本效率方面最優(yōu)，但是鉆孔定位的效率低，制約設(shè)備效能的更大發(fā) 揮。因此，能實現(xiàn)鉆孔自動定位，尤其是精度要求較高的巷道中心區(qū)域的鉆孔自動定位，人 工輔助完成鉆孔工作，極大提高效率、節(jié)省人工成本、降低對操作工的技術(shù)能力要求。在成 本增加不多的情況下，自動化程度大大提高，這樣的升級產(chǎn)品具有廣泛的市場前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對掘進(jìn)鑿巖臺車鉆孔位置，人工操作精確定位不易，自動定位技術(shù)與應(yīng)用缺乏 的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供了一種掘進(jìn)鑿巖臺車鉆孔自動定位裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種掘進(jìn)鑿巖臺車鉆孔自動定位方 法，該方法包括鑿巖臺車在巷道中的定位方法和巷道面鉆孔的定位方法。
[0005] 掘進(jìn)鑿巖臺車在巷道內(nèi)的定位，在推進(jìn)梁位置已經(jīng)初始設(shè)定的情況下，根據(jù)安裝 在推進(jìn)梁前端的測距傳感器，通過交互顯示終端查看測距傳感器與巷道面的距離；根據(jù)交 互顯示終端提示確定鑿巖臺車是否移動到合適位置；這樣可以避免鑿巖過程中的二次移動 鑿巖臺車。
[0006] 巷道面上鉆孔的定位，是通過計算鉆頭的位置得到的，而鉆頭安裝在推進(jìn)梁前端， 由推進(jìn)梁驅(qū)動；推進(jìn)梁是通過安裝在液壓油缸外部或內(nèi)部的位移傳感器、拉繩傳感器、激光 測距傳感器等測量行程，通過鉆臂結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，把油缸的行程轉(zhuǎn)換為安裝在推進(jìn)梁上 鉆頭的位置。
[0007] 自動定位是根據(jù)布孔模式設(shè)定的目標(biāo)位置，或激光指向部件指向的目標(biāo)位置，和 當(dāng)前鉆頭位置的差值，控制液壓閥驅(qū)動油缸行程或轉(zhuǎn)動一定角度，使鉆頭向目標(biāo)位置移動 運動，最終自動定位到目標(biāo)位置。
[0008] 目標(biāo)孔位的設(shè)定，通過交互顯示終端人工設(shè)定；或機器安裝時預(yù)置的布孔模式的 孔位設(shè)定；或用電腦的設(shè)計工具中完成布孔設(shè)計，由存儲介質(zhì)存儲，再由顯示終端讀入的布 孔模式的設(shè)定值；這些孔位設(shè)定方式可供操作人員選擇。
[0009] 目標(biāo)孔位的設(shè)定，還可以通過激光指向部件指向的位置確定，通過這樣的孔位設(shè) 定方式組成布孔模式，存入顯示終端，供操作人員使用。
[0010] 控制器，采集傳感器數(shù)據(jù)，并與交換顯示終端通信，接收顯示終端的控制命令，接 收操作手柄的指令，完成各種動作控制。
[0011] 開孔扶釬器、推進(jìn)梁定位器，在開孔作業(yè)時，巷道面與鉆頭有一定的傾斜角度（非 接近直角），這種情況下，開孔困難，在沖擊力作用下鉆頭位置會發(fā)生偏移。開孔扶釬器和推 進(jìn)梁定位器保證了開孔的容易，及孔位的精度。
[0012] 激光指向部件，在布孔模式的孔位不適用實際場景時，尤其靠幫孔的定位，激光指 向部件啟動工作，推進(jìn)梁鉆頭就會跟蹤激光光斑的移動，進(jìn)行布孔作業(yè)。
[0013] 本發(fā)明自動布孔實施的過程如下：
[0014] 在巷道面布孔時，控制器根據(jù)從交互顯示終端接收到的布孔模式的相關(guān)參數(shù)，并 控制液壓閥，驅(qū)動油缸，帶動鉆臂，使推進(jìn)梁移動到巷道面的目標(biāo)位置；根據(jù)測距傳感器的 距離，使開孔扶持器剛好接觸巷道面；完成孔的定位。
[0015] 確定需要啟動開孔鑿巖時，操作人員通過交互顯示終端發(fā)指令給控制器，控制器 控制推進(jìn)梁定位器附著在巷道面，并保持一定的附著力，固定推進(jìn)梁位置，開始鉆孔作業(yè)。
[0016] 鉆孔到一定深度，根據(jù)釬桿的位置傳感器，確定達(dá)到目標(biāo)深度，并控制退釬，完成 一個孔位的鉆孔。
[0017] 本發(fā)明的定位過程可以自動和人工結(jié)合方式完成。本發(fā)明的定位過程和鉆孔過 程，也可以不需要人工的鉆孔指令，全自動完成。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明裝置包括開孔扶持器，扶持鉆頭開孔，不會發(fā)生偏 移，確?？孜粶?zhǔn)確；測距傳感器，確定掘進(jìn)鑿巖臺車、推進(jìn)梁與工作巷道面的位置關(guān)系；推 進(jìn)梁定位器，固定推進(jìn)梁與巷道面的位置，確保開鑿孔位時，受到?jīng)_擊力不會發(fā)生移動；置 于靠幫油缸、伸縮油缸、俯仰油缸、補償油缸、舉升油缸上的位移傳感器；置于旋轉(zhuǎn)油缸上的 角度傳感器；激光指向部件，操作激光指向巷道面某處，用于人工或自動引導(dǎo)布孔位置；交 互顯示終端，用于測量及計算數(shù)據(jù)的顯示、布孔模式的選擇和設(shè)置等人機交互的功能；控制 器，接收交互顯示終端的命令，驅(qū)動液壓閥，控制油缸的行程，通過傳感器的測量數(shù)據(jù)計算 推進(jìn)梁的位置及姿態(tài)，最終確定鉆頭的位置；手柄，接收人工操作信號，用于控制臺車作業(yè)。 本發(fā)明裝置根據(jù)布孔模式，實現(xiàn)鉆孔自動定位。本發(fā)明提高了鑿巖臺車的自動化程度，降低 了對操作工人的技術(shù)要求，提高了巷道作業(yè)的效率，以及鉆桿、鉆頭的使用壽命。本發(fā)明在 鑿巖臺車上具有廣泛應(yīng)用。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明掘進(jìn)鑿巖臺車鉆孔自動定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為本發(fā)明的中心區(qū)域布孔模式定位的幾何計算示意圖，孔位由液壓油缸及支 架的幾何關(guān)系確定，作為計算原理，以舉升油缸為例，抽象成幾何圖形及邊長的變換來計 算；
[0021] 圖3為開孔固定方式示意圖；
[0022] 圖4為本發(fā)明的開孔扶持器和推進(jìn)梁定位器示意圖；
[0023] 圖5為本發(fā)明電氣及控制的連接框圖；
[0024] 圖6-圖14為本發(fā)明的布孔模式；
[0025] 圖中，靠幫油缸1、旋轉(zhuǎn)油缸2、伸縮油缸3、俯仰油缸4、補償油缸5、舉升油缸6、控 制臺7、開孔扶持器8、推進(jìn)梁定位器9、激光指向部件10、測距傳感器11、巷道面12。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027] 如圖1所示，掘進(jìn)鑿巖臺車自動定位裝置包括開孔扶持器8、測距傳感器11、推進(jìn) 梁定位器9、舉升油缸位移傳感器S1和S2,俯仰油缸位移傳感器S3和S4,靠幫油缸位移傳 感器S5。開孔扶持器8安裝在推進(jìn)梁前端，套住鉆頭的位置。測距傳感器11安裝在開孔扶 持器8的下方，有防碰撞保護。推進(jìn)梁定位器9安裝在推進(jìn)梁前端的下方部位。位移傳感 器安裝在油缸的內(nèi)部或外部；其中舉升油缸6和俯仰油缸4是雙油缸，二個油缸的行程可以 不一樣，需要各兩個傳感器測量。
[0028] 如圖2所示，不失一般性，把舉升油缸6、大臂及支架等效成一個椎體，由四個面的 三角形構(gòu)成。S1、S2的長度是可變的，其它是不變的，如圖2 (a)。抽取其中一個由S1和大 臂組成的三角面，如圖2 (b)。三角形的三邊中，其它二邊長度不變，長度S1變成長度S1'， 使得P點位置變化為P'。
[0029] 已知：L，Θ，R ;S1 變化時，a (si)為：
[0031] P 點的坐標(biāo)：P (sl*cos a，slsin α )
[0032] Ρ 到 Ρ'的位移為：（Δ X，Δ y)
[0035] 從上述式子，可以得到由于油缸si的位移，引起坐標(biāo)Ρ的位置變化；根據(jù)這一基本 原理及立體幾何位置的關(guān)系，可以最終求出推進(jìn)梁位置的變換。
[0036] 通過旋轉(zhuǎn)油缸及角度傳感器，伸縮油缸及位移傳感器，補償油缸及位移傳感器等 部件的控制，在中心區(qū)域布孔的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)推進(jìn)梁在更大的空間范圍的布孔，從而能 實現(xiàn)全巷道面的自動布孔。旋轉(zhuǎn)油缸的轉(zhuǎn)動范圍是-180°~+180°，通過角度編碼器或傾 角傳感器可以測得。伸縮油缸的位移測量及計算同圖2。
[0037] 如圖3所示，由于經(jīng)過爆破后巷道面不會很平整，鉆孔時受到釬桿的沖擊力，鉆頭 會發(fā)生滑動偏移，造成孔與孔之間距離發(fā)生變化，作業(yè)完成的孔與孔之間不平行，或者兩孔 之間打通，影響爆破效果。安裝本發(fā)明的開孔扶持器和推進(jìn)梁定位器，可以確保開孔時鉆頭 不發(fā)生偏移，按設(shè)定的孔位要求完成布孔作業(yè)。
[0038] 如圖4所示，開孔扶持器、推進(jìn)梁定位器的結(jié)構(gòu)和安裝方法，開孔扶持器安裝在推 進(jìn)梁的前端，套住鉆頭的位置，起扶持鉆頭和抵觸巷道面的作用。推進(jìn)梁定位器安裝在推進(jìn) 梁的下方，油缸驅(qū)動球關(guān)節(jié)，并由帶有錨釘?shù)拿娼佑|巷道面。這樣在保證開孔沖擊力的作用 下，鉆頭不會發(fā)生移動。
[0039] 如圖5所示，控制器連接框圖，位移傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流或SSI信號，接入控 制器標(biāo)注的A/D模擬端口、或數(shù)字口，A/D采集為16位。手柄信號輸出為電壓、電流或CAN 信號，接入控制器標(biāo)注的A/D模擬端口、或數(shù)字口，A/D采集為16位。液壓閥輸入是電壓、 電流或CAN信號，接入控制器標(biāo)注的D/A模擬端口、或數(shù)字口，D/A轉(zhuǎn)換為16位。開關(guān)量及 繼電器，接入相應(yīng)的10 口，完成采集和