掘进机截割控制系统及控制方法与流程

本发明涉及掘进机技术领域，具体涉及一种掘进机截割控制系统及控制方法。

背景技术：

掘进机广泛应用于煤矿开采,交通水利巷道开挖等生产施工场合。对于如何保证掘进机在巷道开挖中保证按照预定的规格进行施工，避免欠挖或超挖，并在此前提下减少人力投入一直是相关研发设计人员的研究热点和难点。

对于上述问题，现有的研究方向主要有两个，一是从掘进机自身定位信息的获取和应用角度出发，确保掘进机能够按照规定路线及规格准确施工，降低超挖量提高经济效益；二是从如何提高掘进机掘进的自动化操作角度出发，降低操作人员的工作量并提高施工效率。

由于生产施工环境的特殊性，如高粉尘、高噪声、强震动及视线不清等，导致在地面上成熟的技术手段不能很好的适用，大部分较先进的技术方案还只停留在理论可行阶段，并不具备实用价值。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种掘进机截割控制系统及控制方法，实用性强，有效降低操作人员工作量，并提高了施工效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供一种掘进机截割控制系统，包括：

倾角传感器，一个安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂相对于水平面的倾斜角；另一个安装在掘进机本体上，用于检测掘进机本体相对于水平面的倾斜角；

位移传感器，其内置于回转油缸和伸缩油缸中，用于检测截割臂的位移量；

回转角度传感器，其安装在截割臂的回转座上，用于检测截割臂的回转角；

主控制器，其安装在掘进机本体上，用于处理传感器数据，接收和发送控制命令，控制执行装置工作；

所述倾角传感器、位移传感器和回转角度传感器均与主控制器的信号输入端连接，主控制器的信号输出端与液压阀控制连接。

进一步地，还包括：电流传感器和电压传感器，所述电流传感器用于检测截割电机的电流值，所述电压传感器用于检测系统的电压值，所述电流传感器和电压传感器与主控制器的信号输入端连接。

进一步地，还包括：信号隔离栅，用于传感器和主控制器之间的信号隔离。

进一步地，还包括：上位机监控界面，用于显示掘进机的工作状态，并显示截割超限报警，所述上位机监控界面通过can或者rs485通信模块与主控制器进行双向通信。

进一步地，还包括：操作箱，用于输入掘进机操作命令和确定输入截割断面定位数据，所述操作箱通过can或者rs485通信模块与主控制器进行双向通信。

进一步地，还包括：比例控制电磁阀，用于按照主控制器输出命令比例输出控制液压油缸伸缩和马达快慢、正反向运转。

本发明还提供一种掘进机截割控制方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器

位移传感器内置于回转油缸和伸缩油缸中，回转角度传感器安装在截割臂的回转座上，一个倾角传感器安装在掘进机的截割臂上，另一个倾角传感器安装在掘进机本体上；

步骤2，操作掘进机截割头进行断面定位；

步骤3，操作掘进机进行规划断面截割，在截割过程中，如果截割头超出标定位置点计算范围，则发出预警，停止截割头动作；

步骤4，规划断面截割参数学习；

步骤5，根据学习数据进行辅助截割。

进一步地，所述步骤2的具体实现过程为：将掘进机截割头调整于规划断面轮廓线上的不同位置点，使用操作箱进行确认，主控制器存储相应位置点位置信息，位置点的选取需体现规划断面轮廓的特征。

进一步地，所述步骤4的具体实现过程为：对截割过程中传感器数据及截割电流值进行记录，每一个截割位置点对应四种数据，分别为截割头相对掘进机本体的倾角、截割臂的回转角、截割臂的伸缩位移量和截割电机的电流值；根据三角计算公式可求得截割头的实时位置坐标(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐标系以巷道底部中心为原点，以巷道底部为横轴，以巷道纵向中心线为纵轴；α1为截割臂与水平面的夹角、α2为掘进机本体与水平面的夹角、β1为截割臂与截割断面垂直方向的水平夹角、β2为截割臂与掘进机本体的夹角、h1为截割臂转轴心距地面的高度、h2为截割头在截割断面的高度、h3为截割头偏离截割断面纵向中心线的位移、h4为截割臂长度和c为截割定值高度。

进一步地，所述步骤5的具体实现过程为：根据学习数据进行辅助截割，主要体现在：断面超挖报警或者液压阀配合限制超挖、过载截割路径提示并自动降低截割给进速度；对于超挖报警的判断约束条件如下：

其中，a点为巷道的最高点，de两点和cf两点限制了巷道的最大宽度，bg两点描述了巷道上部拱形的坡度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明通过布置在掘进机上的传感器获取截割头在断面上的位置，对于首次截割的新断面，根据规划的断面形状进行断面形状定位，操作者在定位限定下对规划断面进行学习截割，在截割过程中，主控制器会记录相应的截割电机的电流值、截割头位置信息，后续截割中会根据学习的数据进行辅助截割，包括截割超限提醒和限定、过载减速保护等，主控制器会根据截割断面的实际情况对学习数据进行更新或人为干预更新，确保持续有效辅助截割，提高截割效率，降低整机故障。

2.本发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总成本。

3.使用实测传感器相对数据进行工况参数学习记录，排除由于传感器装配及传感器本身的测量误差并具有广泛巷道适应性。

4.在限定范围内，操作者可手动截割，在特殊情况(即自动定位)下可实现智能辅助截割，提高截割效率，在一定程度上避免了操作者不当操作，降低设备故障率。

5.本发明可手动更新工况数据，设备也可根据前几次截割情况平均值和额定参数自动更新一次截割参数。

附图说明

图1是本发明实施例一种掘进机截割控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的截割头的位置示意图；

图3是本发明实施例标定的巷道极限点分布示意图；

图4是掘进机本体倾角为0时的侧视图；

图5是掘进机本体倾角为α2时的侧视图；

图6为本发明实施例一种掘进机截割控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

实施例一：参见图1所示，本实施例提供一种掘进机截割控制系统，包括：

倾角传感器，一个安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂相对于水平面的倾斜角；另一个安装在掘进机本体上，用于检测掘进机本体相对于水平面的倾斜角；倾角传感器可采用双轴倾角传感器。

位移传感器，其内置于回转油缸和伸缩油缸中，用于检测截割臂的位移量，在本实施例中，位移传感器可采用拉线传感器或者油缸内置磁致伸缩位移传感器。

回转角度传感器，其安装在截割臂的回转座上，用于检测截割臂的回转角，可采用旋转编码器。

电流传感器，用于检测截割电机的电流值；电压传感器，用于检测系统的电压值。

主控制器，其安装在掘进机本体上，用于处理传感器数据，接收和发送控制命令，控制执行装置工作。所述倾角传感器、位移传感器、回转角度传感器、电流传感器和电压传感器均与主控制器的信号输入端连接，主控制器的信号输出端与液压阀控制连接。

比例控制电磁阀，用于按照主控制器输出命令比例输出控制液压油缸伸缩和马达快慢、正反向运转。

信号隔离栅，用于传感器和主控制器之间的信号隔离。

上位机监控界面，用于显示掘进机的工作状态和进度，并显示截割超限报警，所述上位机监控界面通过can或者rs485通信模块与主控制器进行双向通信。

操作箱，安装在掘进机的操作时内，用于输入掘进机操作命令和确定输入截割断面定位数据，所述操作箱通过can或者rs485通信模块与主控制器进行双向通信。

如图6所示，本实施例还提供一种掘进机截割控制方法，包括以下步骤：

步骤1，布设传感器

位移传感器内置于回转油缸和伸缩油缸中，回转角度传感器安装在截割臂的回转座上，一个倾角传感器安装在掘进机的截割臂上，另一个倾角传感器安装在掘进机本体上。

步骤2，操作掘进机截割头并与操作箱组合或者鼠标组合进行断面定位，将掘进机截割头调整于规划断面轮廓线上的不同位置点，使用操作箱进行确认，主控制器存储相应位置点位置信息，位置点的选取需体现规划断面轮廓的特征，一般大于截割头直径为间隔(以截割头外围计算)记录一个位置点信息。以常见巷道轮廓具体如图3所示，a点为巷道的最高点，de两点和cf两点限制了巷道的最大宽度，bg两点描述了巷道上部拱形的坡度，o点为计算坐标系原点。

步骤3，操作掘进机进行规划断面截割，在截割过程中，如果截割头超出标定位置点计算范围，则发出预警，若与液压阀门关联，则主动停止截割头动作，以恒定的给进量和摆动速度进行截割操作，保证主控制器学习数据客观有效，直至完成规划断面的首次截割。

步骤4，如图2、图4和图5所示，规划断面截割参数学习，对截割过程中传感器数据及截割电流值进行记录，每一个截割位置点对应四种数据，分别为截割头相对掘进机本体的倾角、截割臂的回转角、截割臂的伸缩位移量和截割电机的电流值；根据三角计算公式可求得截割头的实时位置坐标(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐标系以巷道底部中心为原点，以巷道底部为横轴，以巷道纵向中心线为纵轴；α1为截割臂与水平面的夹角、α2为掘进机本体与水平面的夹角、β1为截割臂与截割断面垂直方向的水平夹角，由回转角度传感器检测、β2为截割臂与掘进机本体的夹角、h1为截割臂转轴心距地面的高度、h2为截割头在截割断面的高度、h3为截割头偏离截割断面纵向中心线的位移、h4为截割臂长度和c为截割定值高度。

步骤5，根据学习数据进行辅助截割，主要体现在：断面超挖报警或者与液压阀配合限制超挖、过载截割路径提示并自动降低截割给进速度；对于超挖报警的判断约束条件如下：

其中，a点为巷道的最高点，de两点和cf两点限制了巷道的最大宽度，bg两点描述了巷道上部拱形的坡度。

需要说明的是，上述所用的坐标值为使用截割头按照实际巷道定位得到，而不是使用单一巷道轮廓规划预定的理论坐标值，适应性好。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，例如，在主控制器数据处理能力允许的情况下，用于测定设备截割头机铲板姿态的传感器可布设多个，并对多传感器数据进行融合，以提高传感数据的精确度，还有在主控制器数据处理能力允许的情况下，截割头进行截割定位时可选择多点，甚至可以记录完整的实测截割断面形状数据，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。