專利名稱：一種懸臂式掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦采掘裝備、檢測測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種懸臂式掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法。
背景技術(shù)：
斷面監(jiān)視系統(tǒng)指通過特定方法檢測并計算出截割頭在斷面截割過程中相對于掘進機機身或巷道等基準的實時空間位置，用于輔助或替代人工實時監(jiān)視截割頭在巷道斷面中的相對位置，避免超割或欠割，從而截割出符合設(shè)計參數(shù)的巷道斷面輪廓的裝備和技術(shù)。應(yīng)用斷面監(jiān)視系統(tǒng)的意義在于掘進機操作人員不需要觀察激光指向儀在巷道斷面上的光斑，不需要通過觀察截割頭相對光斑的位置控制斷面成型，也不需要事先在巷道斷面上標記截割范圍或者在截割過程中反復(fù)測量是否超采或者欠采，而是通過一系列自動化的測量和計算獲得截割頭的空間位置，并通過掘進機機載計算機的圖形化界面將相關(guān)數(shù)據(jù)可視化從而控制截割頭完成斷面成型截割。斷面監(jiān)視系統(tǒng)的應(yīng)用可提高裝備的自動化水平，減輕操作人員的勞動強度、提高作業(yè)效率。掘進機斷面監(jiān)視技術(shù)是實現(xiàn)掘進機自動截割的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此成為目前行業(yè)內(nèi)外的一個研究熱點，在某些進口掘進機上已有配備，國內(nèi)大多掘進機廠商也在以各種方式積極開發(fā)相關(guān)技術(shù)和裝備，但對于基于不同原理實現(xiàn)的斷面監(jiān)控技術(shù)和裝備，目前尚無一套完整可信的性能評價體系和檢驗方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的對現(xiàn)有掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)進行性能檢驗和標定。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)
懸臂式掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法，其特征在于所述的步驟如下 1)、基準建立，
定義掘進機機身兩側(cè)履帶所在底平面之幾何中心為機身坐標系原點，底平面前后軸線所在方向為機身坐標系縱軸，底平面左右軸線方向為機身坐標系橫軸，與二者正交的方向為機身坐標系豎軸，建立機身坐標系；
以機身坐標系原點為巷道坐標系原點，機身坐標系橫軸在水平面上投影方向為巷道坐標系橫軸，水平且垂直于巷道坐標系橫軸的方向為巷道坐標系縱軸，與二者正交的方向為巷道坐標系豎軸，建立巷道坐標系；
測量坐標系也即全站儀坐標系指測量儀器自身的基準，測量坐標系原點位于儀器中心在地面上的投影處，其橫軸和縱軸均水平，豎軸與橫軸和縱軸正交；
設(shè)計斷面輪廓坐標系設(shè)計斷面輪廓坐標系原點為巷道坐標系原點，橫軸為巷道坐標系的橫軸，縱軸為巷道坐標系的豎軸；
如上定義坐標系，包括巷道坐標系，掘進機機身坐標系、測量坐標系，設(shè)計斷面輪廓坐標系；2)、建立虛擬巷道，
以巷道坐標系定義虛擬巷道，巷道按照斷面輪廓形狀分為矩形巷道、梯形巷道和拱形巷道，均由底板、頂板和側(cè)壁構(gòu)成，巷道底板均為水平平面，矩形巷道和拱形巷道的側(cè)壁均為鉛垂平面且以巷道軸線為對稱軸，矩形巷道和梯形巷道的頂板亦為水平平面，拱形巷道頂板為部分圓柱面且以巷道軸線為回轉(zhuǎn)軸，梯形巷道的側(cè)壁所在平面與底板所在平面形成特定夾角且兩側(cè)壁以巷道軸線為對稱軸，基于上述巷道坐標系和巷道設(shè)計參數(shù)，虛擬巷道即可建立；
3)、計算方法，
3.1、定義截割頭外表曲面，
根據(jù)截割頭設(shè)計參數(shù)，將截割頭外表曲面以參數(shù)形式定義在測量坐標系中，作為截割頭的初始位置，
截割頭外形包括有兩種，一種由圓柱面、圓錐面和球面組成，一種由拋物線回轉(zhuǎn)面組成，根據(jù)截割頭設(shè)計參數(shù)定義截割頭外表曲面母線，使截割頭外表曲面母線的頂點與測量坐標系原點重合，對稱軸與測量坐標系縱軸重合，則，截割頭外表面可由截割頭母線以其對稱軸為回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成；
3. 2、實際斷面輪廓處截割頭外表曲面空間位置計算，
在截割頭位于初始位置時選定兩個特征點，分別位于截割頭末端中心和截割頭開口邊緣處，截割頭在斷面監(jiān)視系統(tǒng)引導(dǎo)下運動至實際斷面輪廓處時，全站儀檢測截割頭末端中心空間位置及截割頭開口邊緣處任意點空間位置，利用剛體的空間姿態(tài)轉(zhuǎn)換方法計算截割頭相對其初始位置和姿態(tài)的空間位移和姿態(tài)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用剛體的空間姿態(tài)轉(zhuǎn)換方法計算初始位置時截割頭表面任意點在截割頭運動至實際斷面輪廓處時的空間位置，即實際斷面輪廓處截割頭外表曲面的空間位置；
3. 3切點計算，
切點由截割頭表面與構(gòu)成虛擬巷道的表面的平行面相切形成，同時也是截割頭表面與巷道相應(yīng)表面距離最小的點，因此，切點計算為截割頭表面與巷道相應(yīng)表面之間距離最短點的搜索；
3.4形成實際斷面輪廓，
按照斷面輪廓的設(shè)計參數(shù)，截割頭在斷面監(jiān)視系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成整個設(shè)計斷面輪廓的掃描，則對每一斷面輪廓點，即斷面監(jiān)視系統(tǒng)確定的斷面輪廓點，作上述步驟3. 2和3. 3中所述計算可獲得所有實際切點，獲得完整斷面輪廓空間坐標序列，然后對其進行投影即可形成實際斷面輪廓，投影的方向是巷道軸線方向；
4)、斷面輪廓成型精度評價，
對斷面輪廓成型精度的評價是在垂直于巷道軸線方向的斷面即投影面內(nèi)進行，完成實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的角度偏差、位置偏差和形狀偏差的斷面監(jiān)視性能評價，
4.1、角度偏差，
對實際斷面輪廓底部所有特征點進行線性擬合，定義其傾角為斷面輪廓橫滾角，即實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的角度偏差，
4. 2、位置偏差，
按照4. 1中角度偏差將各投影點圍繞斷面輪廓坐標系原點旋轉(zhuǎn)后計算其橫坐標均值，以此定義為斷面輪廓的橫向偏移量，旋轉(zhuǎn)方向為使實際斷面輪廓底部所有特征點的擬合直線與斷面輪廓坐標系橫軸趨于平行的方向，
斷面輪廓的縱向偏移量定義為原點至旋轉(zhuǎn)后斷面輪廓底部擬合直線的距離，橫向偏移量和縱向偏移量一起構(gòu)成實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的位置偏差， 4. 3形狀偏差，
斷面輪廓形狀誤差即將實際斷面輪廓與設(shè)計斷面輪廓進行對比，定義各點誤差為其沿相應(yīng)坐標軸方向到設(shè)計輪廓相應(yīng)邊線的距離，由此計算最大正偏差即超截量和最大負偏差即欠截量作為實際斷面輪廓的形狀誤差指標，
按照上述步驟中獲得的斷面輪廓軌跡橫滾角將所有特征點圍繞斷面輪廓坐標系原點旋轉(zhuǎn)以消除斷面輪廓軌跡橫滾角，而后按照上述步驟中獲得的斷面輪廓橫向偏移量和縱向偏移量將所有特征點沿相應(yīng)坐標軸方向進行平移以消除偏移量，在此基礎(chǔ)上，按照上述方法和斷面輪廓定義對特征點與設(shè)定斷面輪廓進行比較即可獲得斷面輪廓形狀誤差。本發(fā)明借助掘進機機身結(jié)構(gòu)特征，獲取掘進機機身對稱軸數(shù)據(jù)，用于建立虛擬巷道、掘進機機身坐標系和斷面輪廓設(shè)計等。控制掘進機懸臂，使截割頭按照截割工藝在斷面監(jiān)視系統(tǒng)的引導(dǎo)下運動，至斷面邊界即斷面輪廓時，檢測截割頭末端中心及若干截割頭表面其他特征點的空間位置，由此計算截割頭在測量坐標系中的偏轉(zhuǎn)角和俯仰角并據(jù)此將截割頭外表曲面轉(zhuǎn)換至這一空間位置和姿態(tài)。計算截割頭表面與(預(yù)先定義的)巷道側(cè)壁(或底板頂板等)的平行面的切點，即可得到這一位置時截割頭表面形成斷面輪廓的切點，即截割頭在此位置形成的斷面輪廓點。隨著截割頭完成斷面掃描，獲得一系列斷面輪廓切點，按照預(yù)先定義的巷道和掘進機機身基準，將所有切點投影到定義斷面輪廓的平面上并與預(yù)先設(shè)定的斷面輪廓進行比較，即可對斷面監(jiān)視系統(tǒng)精度進行評價。按照應(yīng)用中對巷道和斷面成型過程中的關(guān)注重點，評價指標確定為角度偏差、位置偏差和形狀偏差三類，評價指標分別為橫滾角、橫向偏移量、縱向偏移量、最大超割量和最大欠割量等。本發(fā)明具有如下有益效果斷面監(jiān)視性能檢驗系統(tǒng)用于斷面監(jiān)視系統(tǒng)的性能檢驗，這一性能與傳感器的精度、傳感器的安裝方式和截割頭空間位置檢測所用數(shù)學(xué)模型等因素有關(guān)。本發(fā)明中提出的斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法可用于完成斷面監(jiān)視系統(tǒng)安裝后的掘進機在出廠前進行斷面監(jiān)視性能檢驗，優(yōu)點在于無需切割一次性的成本高昂的假煤壁而只是由斷面監(jiān)視系統(tǒng)按照斷面輪廓設(shè)計參數(shù)引導(dǎo)截割頭完成斷面掃描即可進行檢驗。


圖1為基準坐標系定義示意圖，
圖2為巷道坐標系、機身坐標系、斷面輪廓坐標系定義示意圖， 圖3為測量坐標系定義示意圖， 圖4為矩形虛擬巷道示意圖， 圖5為梯形虛擬巷道示意圖， 圖6為拱形虛擬巷道示意圖， 圖7為球面+錐面+柱面截割頭母線定義示意圖， 圖8為拋物線截割頭母線定義示意圖， 圖9為截割頭軌跡投影示意圖，圖10為矩形斷面輪廓定義示意圖， 圖11為梯形斷面輪廓定義示意圖， 圖12為拱形斷面輪廓定義示意圖， 圖13為本發(fā)明的流程示意圖，
圖中1-虛擬巷道，2-掘進機機身，3-設(shè)計斷面輪廓，4-截割頭切點序列投影，5-截割頭軌跡點。
具體實施例方式懸臂式掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法，步驟如下 1、基準
如圖1所示，定義機身兩側(cè)履帶所在底平面之幾何中心為機身坐標系原點 iO,底平面前后軸線所在方向為汴軸，左右軸線方向為dI軸，與^r軸、’軸正交的方向為巧軸，如此，機身坐標系建立。以機身坐標系原點為巷道坐標系原點ο,機身坐標系iZ 軸在水平面上投影方向為巷道坐標系ι軸，水平且垂直于ι軸的方向為巷道坐標系r軸 (亦為機身坐標系iF軸在水平面上的投影方向)，與i軸、:T軸正交的方向力Γ軸至此，巷道坐標系建立。測量坐標系指測量儀器自身的基準，坐標系原點位于儀器中心在地面上的投影處，其橫軸trI和縱軸iT均水平，豎軸2與橫軸i7I和縱軸1T正交。定義坐標系如圖1、2所示，包括巷道坐標系OXYZ ,掘進機機身坐標系iOiZtt、 測量坐標系iCTiTYfZ ,斷面輪廓坐標系MZ。設(shè)4( ^ ! , 4( , , )分別為全站儀測得的掘進機機身兩側(cè)在機身坐標系4|軸方向上的兩點空間位置坐標，分別設(shè)置在機身兩側(cè)相同距離處， B1CXsiZYmZZm) , 53( , , )分別為機身坐標系亇軸方向上任意兩點空間位置坐標。則機身坐標系原點可表示為
, "rJf +fV cV +iF ￡ 7 +"'7 1 2‘ ^2‘ 2^‘ iI軸方向向量可表示為
# V" — Ic y 一 y iy 一 γ ￡ ψ 一 rJ I
A=I “ja—1M^ -6Jai"
則I軸方向向量可表示為
Λ = { JT^ — .Λ 5 ijfl- ^ ^ 進而，r軸方向向量可表示為
^7 = ( - , H 0} 投影面τ方程為
權(quán)利要求
1. 一種懸臂式掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法，其特征在于所述的步驟如下1)、基準建立，定義掘進機機身兩側(cè)履帶所在底平面之幾何中心為機身坐標系原點，底平面前后軸線所在方向為機身坐標系縱軸，底平面左右軸線方向為機身坐標系橫軸，與二者正交的方向為機身坐標系豎軸，建立機身坐標系；以機身坐標系原點為巷道坐標系原點，機身坐標系橫軸在水平面上投影方向為巷道坐標系橫軸，水平且垂直于巷道坐標系橫軸的方向為巷道坐標系縱軸，與二者正交的方向為巷道坐標系豎軸，建立巷道坐標系；測量坐標系也即全站儀坐標系指測量儀器自身的基準，測量坐標系原點位于儀器中心在地面上的投影處，其橫軸和縱軸均水平，豎軸與橫軸和縱軸正交；設(shè)計斷面輪廓坐標系設(shè)計斷面輪廓坐標系原點為巷道坐標系原點，橫軸為巷道坐標系的橫軸，縱軸為巷道坐標系的豎軸；如上定義坐標系，包括巷道坐標系，掘進機機身坐標系、測量坐標系，設(shè)計斷面輪廓坐標系；2)、建立虛擬巷道，以巷道坐標系定義虛擬巷道，巷道按照斷面輪廓形狀分為矩形巷道、梯形巷道和拱形巷道，均由底板、頂板和側(cè)壁構(gòu)成，巷道底板均為水平平面，矩形巷道和拱形巷道的側(cè)壁均為鉛垂平面且以巷道軸線為對稱軸，矩形巷道和梯形巷道的頂板亦為水平平面，拱形巷道頂板為部分圓柱面且以巷道軸線為回轉(zhuǎn)軸，梯形巷道的側(cè)壁所在平面與底板所在平面形成特定夾角且兩側(cè)壁以巷道軸線為對稱軸，基于上述巷道坐標系和巷道設(shè)計參數(shù)，虛擬巷道即可建立；3)、計算方法，`3.1、定義截割頭外表曲面，根據(jù)截割頭設(shè)計參數(shù)，將截割頭外表曲面以參數(shù)形式定義在測量坐標系中，作為截割頭的初始位置，截割頭外形包括有兩種，一種由圓柱面、圓錐面和球面組成，一種由拋物線回轉(zhuǎn)面組成，根據(jù)截割頭設(shè)計參數(shù)定義截割頭外表曲面母線，使截割頭外表曲面母線的頂點與測量坐標系原點重合，對稱軸與測量坐標系縱軸重合，則，截割頭外表面可由截割頭母線以其對稱軸為回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成；`3. 2、實際斷面輪廓處截割頭外表曲面空間位置計算，在截割頭位于初始位置時選定兩個特征點，分別位于截割頭末端中心和截割頭開口邊緣處，截割頭在斷面監(jiān)視系統(tǒng)引導(dǎo)下運動至實際斷面輪廓處時，全站儀檢測截割頭末端中心空間位置及截割頭開口邊緣處任意點空間位置，利用剛體的空間姿態(tài)轉(zhuǎn)換方法計算截割頭相對其初始位置和姿態(tài)的空間位移和姿態(tài)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，利用剛體的空間姿態(tài)轉(zhuǎn)換方法計算初始位置時截割頭表面任意點在截割頭運動至實際斷面輪廓處時的空間位置，即實際斷面輪廓處截割頭外表曲面的空間位置；`3. 3切點計算，切點由截割頭表面與構(gòu)成虛擬巷道的表面的平行面相切形成，同時也是截割頭表面與巷道相應(yīng)表面距離最小的點，因此，切點計算為截割頭表面與巷道相應(yīng)表面之間距離最短·3.4形成實際斷面輪廓，按照斷面輪廓的設(shè)計參數(shù)，截割頭在斷面監(jiān)視系統(tǒng)的引導(dǎo)下完成整個設(shè)計斷面輪廓的掃描，則對每一斷面輪廓點，即斷面監(jiān)視系統(tǒng)確定的斷面輪廓點，作上述步驟3. 2和3. 3中所述計算可獲得所有實際切點，獲得完整斷面輪廓空間坐標序列，然后對其進行投影即可形成實際斷面輪廓，投影的方向是巷道軸線方向；4)、斷面輪廓成型精度評價，對斷面輪廓成型精度的評價是在垂直于巷道軸線方向的斷面即投影面內(nèi)進行，完成實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的角度偏差、位置偏差和形狀偏差的斷面監(jiān)視性能評價，·4.1、角度偏差，對實際斷面輪廓底部所有特征點進行線性擬合，定義其傾角為斷面輪廓橫滾角，即實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的角度偏差，·4. 2、位置偏差，按照4. 1中角度偏差將各投影點圍繞斷面輪廓坐標系原點旋轉(zhuǎn)后計算其橫坐標均值， 以此定義為斷面輪廓的橫向偏移量，旋轉(zhuǎn)方向為使實際斷面輪廓底部所有特征點的擬合直線與斷面輪廓坐標系橫軸趨于平行的方向，斷面輪廓的縱向偏移量定義為原點至旋轉(zhuǎn)后斷面輪廓底部擬合直線的距離，橫向偏移量和縱向偏移量一起構(gòu)成實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的位置偏差，·4. 3形狀偏差，斷面輪廓形狀誤差即將實際斷面輪廓與設(shè)計斷面輪廓進行對比，定義各點誤差為其沿相應(yīng)坐標軸方向到設(shè)計輪廓相應(yīng)邊線的距離，由此計算最大正偏差即超截量和最大負偏差即欠截量作為實際斷面輪廓的形狀誤差指標，按照上述步驟中獲得的斷面輪廓軌跡橫滾角將所有特征點圍繞斷面輪廓坐標系原點旋轉(zhuǎn)以消除斷面輪廓軌跡橫滾角，而后按照上述步驟中獲得的斷面輪廓橫向偏移量和縱向偏移量將所有特征點沿相應(yīng)坐標軸方向進行平移以消除偏移量，在此基礎(chǔ)上，按照上述方法和斷面輪廓定義對特征點與設(shè)定斷面輪廓進行比較即可獲得斷面輪廓形狀誤差。
全文摘要
本發(fā)明屬于煤礦采掘裝備、檢測測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種懸臂式掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)性能檢驗方法。本發(fā)明的發(fā)明目的，對現(xiàn)有掘進機斷面監(jiān)視系統(tǒng)進行性能檢驗和標定。本發(fā)明的步驟如下基準建立、建立虛擬巷道、定義截割頭外表曲面、斷面輪廓處截割頭外表曲面空間位置計算、切點計算、形成實際斷面輪廓、對斷面輪廓成型精度的評價是在垂直于巷道軸線方向的斷面即投影面內(nèi)進行，完成實際斷面輪廓相對設(shè)計斷面輪廓的角度偏差、位置偏差和形狀偏差的斷面監(jiān)視性能評價。本發(fā)明的有益效果無需切割一次性的成本高昂的假煤壁而只是由斷面監(jiān)視系統(tǒng)按照斷面輪廓設(shè)計參數(shù)引導(dǎo)截割頭完成斷面掃描即可進行檢驗。
文檔編號G01C25/00GK102393211SQ20111024901
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者于向東, 侯林, 張波, 朱同明, 王德光, 田原, 袁曉明, 賈有生, 賈運紅, 金江 申請人:中國煤炭科工集團太原研究院, 山西天地煤機裝備有限公司