一种数字化液压支架及其控制方法与流程

本发明涉及煤矿机械及控制技术领域，尤其是涉及一种数字化液压支架及其控制方法。

背景技术：

液压支架是以液压为动力实现升降、前移等运动,进行采煤工作面顶板支护的设备。采面矿压以外载的形式作用在液压支架上。液压支架的主要动力部件是立柱、推移千斤顶、护帮板千斤顶、平衡千斤顶，这些动力部件均使用液压系统，用油缸驱动，油缸的动作多采用电磁先导阀或者电磁换向阀进行控制。每架液压支架上均设有主控制器，支架操作工人通过主控制器上的控制按钮，根据煤矿开采过程中的实际情况操作液压支架完成相应的动作。

目前，在液压支架自动控制领域，主流的发展方向是液压支架的跟机(指的是采煤机)自动化，中国发明专利cn201510020535.x公开了一种煤矿用液压支架自动移架智能控制方法，使用支架控制器依据传感器的工作状态完成液压支架的自动移架，该方案主要是在液压支架上安装一系列传感器进行液压支架的运动状态感知，以完成对液压支架的自动化控制。其控制方式主要是通过控制油缸动作时间窗口的大小来对液压支架进行控制。由于煤矿井下情况复杂，泵站供液压力不稳定，对于不同情况，在相同时间窗口下油缸推移的推移量会存在较大偏差，影响液压支架控制的准确度，导致液压支架控制跟机自动化无法长时间稳定运行，每隔一段时间需要人工对液压支架的位姿进行调整，影响工作效率，达不到工作面减员增效的目的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种数字化液压支架，便于提高液压支架的精确控制及其跟机自动化程度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种数字化液压支架，包括：主控制器、支架底座、支架顶梁、掩护梁、护帮板、推移千斤顶、护帮板千斤顶、平衡千斤顶及支架立柱，所述护帮板、推移千斤顶及支架立柱分别设置于所述支架底座上，所述护帮板及支架立柱的的顶端连接于所述支架顶梁上，所述支架顶梁的前端铰接有所述掩护梁，所述平衡千斤顶位于所述支架顶梁上，所述护帮板千斤顶一端连接于所述支架顶梁上，另一端连接于所述掩护梁上；

所述支架底座上还设有倾角传感器，所述推移千斤顶、护帮板千斤顶及支架立柱分别采用数字油缸，所述倾角传感器及所述数字油缸分别与所述主控制器电连接。

可选地，所述数字油缸包括液压缸及设于所述液压缸中的活塞杆，所述活塞杆将所述液压缸内分成有杆腔及无杆腔，所述液压缸上设有第一进油口及第二进油口，所述第一进油口与所述有杆腔连通，所述第二进油口与所述无杆腔连通，所述第一进油口及第二进油口上分别设有压力传感器，所述第一进油口及第二进油口的进油端连接有电磁换向阀；

所述液压缸、位于所述无杆腔的一端具有容纳腔，在所述容纳腔中设有行程传感器，所述行程传感器的一端与所述活塞杆的活塞端连接，所述行程传感器的信号端与所述油缸控制器电连接，所述油缸控制器的输出端与所述电磁换向阀的控制端连接。

第二方面，本发明实施例提供一种数字化液压支架控制方法，基于数字化液压支架系统实施，所述数字化液压支架系统包括顺槽集控中心及多个设置于采煤工作面的第一方面任一所述的数字化液压支架，多个数字化液压支架的主控制器分别与所述顺槽集控中心电连接；

所述方法包括步骤：

s1、所述数字化液压支架系统上电后，对系统进行初始化操作与自检；

s2、顺槽集控中心向各数字化液压支架的主控制器下发动作指令，所述动作指令包括：降架、移架、推溜、升架、伸护帮板、收护帮板、伸平衡千斤顶、收平衡千斤顶、抬底和/或调架；

s3、所述数字化液压支架的主控制器接收到所述动作指令后，对所述动作指令进行解算，得到当前各数字油缸的伸缩长度驱动信号，将其发送至所述数字油缸；

s4、所述数字油缸接收到伸缩长度驱动信号后，根据所述伸缩长度驱动信号执行与所述动作指令相应的动作，并与倾角传感器向所述主控制器反馈数字化液压支架当前的工作位姿状态；

s5、若所述主控制器判断所述数字化液压支架当前的工作位姿状态异常，则向顺槽集控中心传输异常信号，同时对液压支架工作位姿进行调整控制；

若所述主控制器判断所述数字化液压支架当前的工作位姿状态正常，则向顺槽集控中心发出正常工作信号，进入下一动作指令周期，直至完成当班割煤工作。

可选地，所述主控制器包括：通信模块与解算模块；所述步骤s3包括：

所述主控制器通过所述通信模块接收顺槽集控中心下发的液压支架动作指令；

所述主控制器通过所述解算模块将所述动作指令转化为液压支架各数字油缸的空间姿态，基于各数字油缸的空间姿态得到油缸伸缩长度驱动信号；其中，所述解算模块中预设有动作指令与数字油缸的空间姿态以及数字油缸的空间姿态与油缸伸缩长度驱动信号之间的转换关系；

所述主控制器通过所述通信模块将所述油缸伸缩长度驱动信号传输至数字油缸。

可选地，所述步骤s1中，所述数字化液压支架系统上电后，对系统进行初始化操作与自检包括：液压支架当前位姿测量、数字油缸管路压力检测及系统故障检测。

可选地，所述液压支架当前位姿测量包括：

根据空间几何关系推导出支架位姿空间到驱动空间之间的转换关系，所述驱动空间包括油缸伸缩长度驱动信号；

将所述转换关系作为输入指标，利用神经网络求解得到驱动空间到位姿空间的映射模型，存储至主控制器中；

利用相应的数字油缸反馈当前立柱、顶梁、护帮板及推移千斤顶的伸缩量至主控制器；

所述主控制器基于得到的当前立柱、顶梁及护帮板伸缩量，输入至所述映射模型，计算得到当前液压支架内部关键部件的姿态；所述内部关键部件至少包括立柱、顶梁及护帮板；

基于推移千斤顶伸缩量与所述映射模型，得到液压支架在综采装备空间中的相对位置；

利用固定在底座上的倾角传感器反馈液压支架当前的俯仰角度；

根据得到的液压支架内部关键部件的姿态、液压支架在综采装备空间中的相对位置及液压支架当前的俯仰角度，得到液压支架在综采工作面中的位姿。

可选地，在步骤s5中，若所述主控制器判断所述数字化液压支架当前的工作位姿状态异常，则向顺槽集控中心传输异常信号，同时对液压支架工作位姿进行调整控制之后，所述方法还包括：数字油缸的控制器接收主控制器发送的数字油缸伸缩至目标位置的驱动控制信号；

根据所述驱动控制信号控制数字油缸的活塞杆伸缩运动到目标位置。

可选地，在步骤s2中，若发送的动作指令为降架，则液压支架的动作顺序为：护帮板千斤顶收缩预设长度；立柱收缩，当立柱油缸达到预设油压时停止。

可选地，在步骤s2中，若发送的动作指令为移架，则液压支架的动作顺序为：顺槽集控中心根据液压支架与刮板输送机当前位置，计算当前液压支架需要移动的位移，将其下发至液压支架的主控制器；

液压支架主控制器将基于所述位移确定出推移千斤顶的收缩长度驱动量，发送至推移千斤顶的控制器；

推移千斤顶的控制器接收到收缩长度驱动量后，控制电磁换向阀动作，使推移千斤顶收缩预定长度。

可选地，若移架过程中，推移千斤顶无法收缩至预定长度，则液压支架的主控制器读取当前立柱压力；

若立柱压力大于预设值，则重复降架指令，直至立柱压力小于预设值，继续执行移架指令；

若立柱压力小于预设值，则控制电磁换向阀动作，使推移千斤顶反向移动预定距离，继续执行移架指令；

若在相同位置执行两次以上前述步骤操作，仍不能使推移千斤顶收缩至指定长度，则向顺槽集控中心发出错误指令，提示人工调整。

可选地，在步骤s2中，若发送的动作指令为升架，则液压支架的动作顺序为：立柱油缸伸长，至立柱油缸压力达到预设值时停止；护帮板千斤顶伸长，至护帮板千斤顶压力达到预设值时停止

优选地，若发送的指令为推溜，则液压支架的动作顺序为：顺槽集控中心根据液压支架与刮板输送机当前位置，计算当前刮板输送机需要移动的位移，将其下发至液压支架控制器；液压支架控制器将其转化为推移油缸的伸长长度；数字油缸接收到伸长长度后，控制电磁换向阀动作，伸长相应的长度。

本发明实施例提供的数字化液压支架及其控制方法，由于采用数字油缸代替传统液压支架立柱油缸、推移千斤顶、护帮板千斤顶、平衡千斤顶，通过液压支架的主控制器接收顺槽集控中心的动作指令，并将其解算为对应位置的数字油缸的推移行程，数字油缸伸自动伸缩至预定行程位置，便于实现液压支架的精确控制，从而便于提高液压支架的精确控制及其跟机自动化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的数字数字化液压支架结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的各数字油缸控制结构框图；

图3为本发明一实施例提供的数字油缸结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的数字化液压支架系统结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的数字化液压支架控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，为了更加清楚说明本发明，在以下的具体实施例中描述了众多技术细节，本领域技术人员应当理解，没有其中的某些细节，本发明同样可以实施。另外，为了凸显本发明的发明主旨，涉及的一些本领域技术人员所熟知的方法、手段、零部件及其应用等未作详细描述，但是，这并不影响本发明的实施。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1至图4所示，本发明一实施例提供的数字化液压支架，作为一种煤矿开采装备，适用于煤矿开采场景中。

所述数字化液压支架，包括：主控制器300、支架底座10、支架顶梁20、掩护梁30、护帮板40、推移千斤顶50(图1中未示意，实际位于支架底座上，与支架立柱70底部连接，其位置为本领域技术人员所熟知，因图中被底座上的部件遮挡，未能示意出)、护帮板千斤顶60、平衡千斤顶(图中未示出)及支架立柱70，所述护帮板40、推移千斤顶及支架立柱70分别设置于所述支架底座10上，所述护帮板40及支架立柱70的的顶端连接于所述支架顶梁20上，所述支架顶梁20的前端铰接有所述掩护梁30，所述平衡千斤顶位于所述支架顶梁20上，所述护帮板千斤顶60一端连接于所述支架顶梁20上，另一端连接于所述掩护梁30上；

其中，支架底座10、支架顶梁20、掩护梁30及护帮板40是液压支架的承载结构件。推移千斤顶50、护帮板千斤顶60、平衡千斤顶及支架立柱70是液压支架的动力执行元件，为液压支架支撑和动作提供动力源。

所述支架底座10上还设有倾角传感器80，所述推移千斤顶、护帮板千斤顶60及支架立柱70分别采用数字油缸，所述倾角传感器80及所述数字油缸分别与所述主控制器300电连接。

传感器，是液压支架工作的辅助元件，采集液压支架工作过程中的主要参数。例如，倾角传感器80，用于采集液压支架底座10的倾角，并传输至主控制器300；

由于推移千斤顶50、护帮板千斤顶60、平衡千斤顶及支架立柱70采用数字油缸，为便于描述，下文中也用“各油缸”或“各数字油缸”替代上述各动力执行元件。

所述主控制器300，用于接收顺槽集控中心的动作指令，并将动作指令从位姿空间解算至驱动空间，数字油缸根据接收到的数字驱动信号动作到预定位置，从而实现液压支架自动化控制。

如图2及图3所示，数字油缸包括液压缸110及设于所述液压缸110中的活塞杆111，所述活塞杆111将所述液压缸110内分成有杆腔113及无杆腔114，所述液压缸110上设有第一进油口115及第二进油口116，所述第一进油口115与所述有杆腔113连通，所述第二进油口116与所述无杆腔114连通，所述第一进油口115及第二进油口116上分别设有压力传感器120，所述第一进油口115及第二进油口116的进油端连接有电磁换向阀150；

所述液压缸110、位于所述无杆腔114的一端具有容纳腔，在所述容纳腔中设有行程传感器130及油缸控制器140，所述行程传感器130的一端与所述活塞杆111的活塞端112连接，所述行程传感器130的信号端与所述油缸控制器140电连接，所述油缸控制器140的输出端与所述电磁换向阀150的控制端连接。

其中，液压缸110与设于液压缸110中的活塞杆111是数字油缸的主体，是数字油缸的执行元件；压力传感器120检测油缸进出口的油压；行程传感器130检测数字油缸当前伸缩量，为油缸伸缩量精准控制提供数据支撑；油缸控制器140用于接收压力传感器120和行程传感器130传输的数据发送至主控制器300，以及接受主控制器300下发的动作指令，并根据所述动作指令控制液压缸110动作或停止；电磁换向阀150用于接收油缸控制器140发出的控制信号，切换油路以实现活塞杆111在液压缸110中的动作方向。

图2中，从左数第一个护帮板60为一级护帮板，第二个护帮板60为二级护帮板。

本发明实施例提供的数字化液压支架，由于采用数字油缸代替传统液压支架立柱70油缸、推移千斤顶、护帮板千斤顶60、平衡千斤顶，通过液压支架的主控制器300接收顺槽集控中心的动作指令，并将其解算为对应位置的数字油缸的推移行程，数字油缸伸自动伸缩至预定行程位置，便于实现液压支架的精确控制，从而便于提高液压支架的精确控制及其跟机自动化程度。

实施例二

参看图4及图5所示，本发明还实施例提供的数字化液压支架控制方法，基于数字化液压支架系统实施，如图4所示，所述数字化液压支架系统包括顺槽集控中心及多个设置于采煤工作面的实施例一任一所述的数字化液压支架，多个数字化液压支架的主控制器300分别与所述顺槽集控中心电连接；

如图5所示，所述方法包括步骤：

s1、所述数字化液压支架系统上电后，对系统进行初始化操作与自检；

s2、顺槽集控中心向各数字化液压支架的主控制器300下发动作指令，所述动作指令包括：降架、移架、推溜、升架、伸护帮板40、收护帮板40、伸平衡千斤顶、收平衡千斤顶、抬底和/或调架；

顺槽集控中心200，用于根据生产计划，计算得到为综采工作面装备动作指令；液压支架的主控制器300，至少用于接收顺槽集控中心的动作指令，将其解算为液压支架的驱动信号；数字油缸400，接收液压支架控制器发送的驱动信号，运行到指定位置；传感器500，用于反馈液压支架的工作状态。

具体地，每个液压支架的主控制器300可控制一架液压支架，也可控制多架液压支架。所述的传感器500，包括但不限于倾角传感器80、采高传感器；倾角传感器80安装于液压支架底座10，用于检测液压支架底座10随工作面推进的俯仰角度；采高传感器用于检测液压支架当前采高。

s3、所述数字化液压支架的主控制器300接收到所述动作指令后，对所述动作指令进行解算，得到当前各数字油缸的伸缩长度驱动信号，将其发送至所述数字油缸；

s4、所述数字油缸接收到伸缩长度驱动信号后，根据所述伸缩长度驱动信号执行与所述动作指令相应的动作，并与倾角传感器80向所述主控制器300反馈数字化液压支架当前的工作位姿状态；

s5、若所述主控制器300判断所述数字化液压支架当前的工作位姿状态异常，则向顺槽集控中心传输异常信号，同时对液压支架工作位姿进行调整控制；

若所述主控制器300判断所述数字化液压支架当前的工作位姿状态正常，则向顺槽集控中心发出正常工作信号，进入下一动作指令周期，直至完成当班割煤工作。

所述步骤s1中，所述数字化液压支架系统上电后，对系统进行初始化操作与自检包括：液压支架当前位姿测量、数字油缸管路压力检测及系统故障检测。

若系统状态检测存在异常，则进入步骤s6，向顺槽集控中心发出报警信号，通知操作人员进行检修。

所述液压支架当前位姿测量包括：根据空间几何关系推导出支架位姿空间到驱动空间之间的转换关系，所述驱动空间包括各油缸伸缩长度驱动信号；将所述转换关系作为输入指标，利用神经网络求解得到驱动空间到位姿空间的映射模型，存储至主控制器300中；利用相应的数字油缸反馈当前立柱、顶梁、护帮板40及推移千斤顶的伸缩量至主控制器300；所述主控制器300基于得到的当前立柱、顶梁及护帮板40伸缩量，输入至所述映射模型，计算得到当前液压支架内部关键部件的姿态；所述内部关键部件至少包括立柱、顶梁及护帮板40；基于推移千斤顶伸缩量与所述映射模型，得到液压支架在综采装备空间中的相对位置。

综采装备包括刮板运输机及设于其上的采煤机，一般地，刮板输送机在综采装备空间中的位置的确定的，液压支架的的推移千斤顶连接于刮板输送机的溜槽上，在确定出推移千斤顶伸缩量之后，即可根据推移千斤顶的伸缩量计算得到液压支架在综采装备空间中的相对位置。

利用固定在底座上的倾角传感器80反馈液压支架当前的俯仰角度；根据得到的液压支架内部关键部件的姿态、液压支架在综采装备空间中的相对位置及液压支架当前的俯仰角度，得到液压支架在综采工作面中的位姿。

其中，位姿包括位置及姿态，位置一般以坐标表示，姿态一般以倾角表示。

一些实施例中，在步骤s5中，若所述主控制器300判断所述数字化液压支架当前的工作位姿状态异常，则向顺槽集控中心传输异常信号，同时对液压支架工作位姿进行调整控制之后，所述方法还包括：数字油缸的控制器接收主控制器300发送的数字油缸伸缩至目标位置的驱动控制信号；

根据所述驱动控制信号控制数字油缸的活塞杆111伸缩运动到目标位置。

在步骤s2中，若发送的动作指令为降架，则液压支架的动作顺序为：护帮板千斤顶60收缩预设长度；立柱收缩，当立柱油缸达到预设油压时停止。

在步骤s2中，若发送的动作指令为移架，则液压支架的动作顺序为：顺槽集控中心根据液压支架与刮板输送机当前位置，计算当前液压支架需要移动的位移，将其下发至液压支架的主控制器300；液压支架主控制器300将基于所述位移确定出推移千斤顶的收缩长度驱动量，发送至推移千斤顶的控制器；推移千斤顶的控制器接收到收缩长度驱动量后，控制电磁换向阀150动作，使推移千斤顶收缩预定长度。

进一步地，若移架过程中，推移千斤顶无法收缩至预定长度，则液压支架的主控制器300读取当前立柱压力；若立柱压力大于预设值，则重复降架指令，直至立柱压力小于预设值，继续执行移架指令；若立柱压力小于预设值，则控制电磁换向阀150动作，使推移千斤顶反向移动预定距离，继续执行移架指令；若在相同位置执行两次以上前述步骤操作，仍不能使推移千斤顶收缩至指定长度，则向顺槽集控中心发出错误指令，提示人工调整。

具体地，在步骤s2中，若发送的动作指令为升架，则液压支架的动作顺序为：立柱油缸伸长，至立柱油缸压力达到预设值时停止；护帮板千斤顶60伸长，至护帮板千斤顶60压力达到预设值时停止。

在另一些实施例中，在步骤s2中，若发送的指令为推溜，则液压支架的动作顺序为：顺槽集控中心根据液压支架与刮板输送机当前位置，计算当前刮板输送机需要移动的位移，将其下发至液压支架控制器；液压支架控制器将其转化为推移油缸的伸长长度驱动信号；数字油缸接收到伸长长度驱动信号后，控制电磁换向阀150动作，伸长相应的长度。

在又一些实施例中，所述主控制器300包括：通信模块与解算模块；所述步骤s3包括：所述主控制器300通过所述通信模块接收顺槽集控中心下发的液压支架动作指令；

所述主控制器300通过所述解算模块将所述动作指令转化为液压支架各数字油缸的空间姿态，基于各数字油缸的空间姿态得到油缸伸缩长度驱动信号；其中，所述解算模块中预设有动作指令与数字油缸的空间姿态以及数字油缸的空间姿态与油缸伸缩长度驱动信号之间的转换关系；

所述主控制器300通过所述通信模块将所述油缸伸缩长度驱动信号传输至数字油缸。

其中，所述动作指令可以根据所述预设或计算得到的所述转换关系解算得到支架顶梁2020、掩护梁3040、立柱70的空间姿态，再通过空间姿态与油缸伸缩长度驱动信号之间的转换关系，计算得到驱动空间的油缸伸缩长度驱动信号。其中，油缸伸缩长度驱动信号包括立柱70、护帮板千斤顶6060、推移千斤顶50的伸缩长度驱动量。

具体地，可根据空间几何关系推导出支架位姿空间到驱动空间之间的转换关系，驱动空间包括前述的支架顶梁2020、掩护梁3040、立柱70等各油缸伸缩长度驱动信号。

本实施例提供的数字化液压支架控制方法，通过采用数字油缸，且在主控制器300中预设动作指令到支架位姿空间、支架位姿空间到驱动空间的转换关系，在接收到下发的动作指令时，对所述动作指令进行解算，就可以准确地确定出当前各数字油缸的伸缩长度驱动信号，并基于所述驱动信号进行各油缸伸缩长度的调整控制，即使在发生自身动力系统压力不稳定或外载变化时，仍然能够通过数字油缸自身的传感器获知自身状态并实时调整控制参数、根据预设的转换关系确定出油缸伸缩长度驱动信号，从而便于准确控制支架位姿。

需要说明的是，在本文中，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。