一种液压支架位姿及直线度检测系统的制作方法

本实用新型涉及一种液压支架位姿及直线度检测系统，属于液压支架位姿检测的技术领域。

背景技术：

液压支架是用来控制采煤工作面矿山压力的结构物。采面矿压以外载的形式作用在液压支架上。在液压支架和采面围岩相互作用的力学系统中，若液压支架的各支承件合力与顶板作用在液压支架上的外载合力正好同一直线，则该液压支架对此采面围岩十分适应。

随着煤炭开发技术的发展，对工作面液压支架的稳定性和安全性要求越来越高，液压支架位姿及直线度检测精度要求越来越高。相对位姿检测技术是指，通过相对位姿的实时监测确定两独立物体间的相对位置关系及相对姿态变化，以实现对物体未来位姿的控制。

传统上的液压支架位姿及直线度检测多数是通过角度传感器、位移传感器判断具有关联性质物体各组成元件的相对位姿，也有一部分是借助激光、红外线、电磁式传感器通过判断两物体相对距离实现局部位姿信息监测。例如，中国专利CN102661162B公开了一种采煤工作面直线度控制方法，该方法通过在液压支架的顶梁上安装测距仪和角度传感器，测量液压支架与煤壁之间的距离和检测液压支架顶梁的姿态。通过角度、位移传感器或者激光、红外线、电磁式传感器的检测方法，实施成本一般较高，且很难实现两物体的全位姿检测。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种液压支架位姿及直线度检测系统。

本实用新型的技术方案为：

一种液压支架位姿及直线度检测系统，包括液压支架位姿检测系统、位姿信号传输线缆和计算机处理系统；液压支架位姿检测系统通过位姿信号传输线缆与计算机处理系统连接；液压支架位姿检测系统设置在采煤工作面相邻的两个液压支架之间；所述液压支架位姿检测系统，包括相对位姿检测装置和安装板，所述安装板设置在相对位姿检测装置的两端；两个安装板分别固定设置在相邻的两个液压支架上；

所述相对位姿检测装置，包括弹性波纹管、拉线式传感器固定箱和钢丝绳末端固定箱；所述拉线式传感器固定箱和钢丝绳末端固定箱设置在弹性波纹管的两端；所述拉线式传感器固定箱和钢丝绳末端固定箱的内侧均设置有开口；所述拉线式传感器固定箱内设置有防磨式集绳器固定板，防磨式集绳器固定板上设置有防磨式集绳器；钢丝绳末端固定箱内设置有集绳器固定板，集绳器固定板上设置有集绳器；

拉线式传感器固定箱的内侧壁上设置有拉线式位移传感器；钢丝绳末端固定箱的内侧壁上设置有钢丝绳固定器；

拉线式位移传感器引出的钢丝绳依次穿过防磨式集绳器、集绳器后与钢丝绳固定器固定连接。

拉线式位移传感器在弹性波纹管内部伸缩运动，波纹管和两箱体起到保护和防尘作用，防止其他物体碰撞、接触钢丝绳。波纹管采用柔性橡胶材或柔性塑材，厚度大于1mm(保证其具有一定的抗冲击能力)，最大伸长量大于1m，同时具有较好的弯曲能力和横截面形状自保持能力(弯曲时，保证检测过程中拉线式位移传感器钢丝绳不与弹性波形管接触)。

优选的，所述拉线式位移传感器的个数为9个，每3个拉线式位移传感器为一组；防磨式集线器固定板上设置有三个防磨式集绳器，集绳器固定板上设置有三个集绳器；每组拉线式位移传感器引出的钢丝绳穿过同一个防磨式集绳器，穿过同一个防磨式集绳器的钢丝绳分别穿过不同的集绳器后与不同的钢丝绳固定器连接。

优选的，所述防磨式集绳器固定板与拉线式传感器固定箱的侧壁平行设置；所述集绳器固定板与钢丝绳末端固定箱的侧壁平行设置。

优选的，防磨式集绳器不设置在同一个直线上；集绳器不设置在同一个直线上。

优选的，所述液压支架位姿检测系统包括液压支架顶梁位姿检测系统和液压支架底座位姿检测系统；液压支架顶梁位姿检测系统设置在液压支架顶梁的下表面；液压支架底座位姿检测系统设置在液压支架底座的上表面。液压支架顶梁位姿检测系统和液压支架底座位姿检测系统分别用于检测两相邻支架的顶梁位姿信息和底座位姿信息。

进一步优选的，所述液压支架位姿检测系统水平设置；液压支架顶梁位姿检测系统距离液压支架顶梁下表面的距离小于30cm；液压支架底座位姿检测系统距离液压支架底座上表面的距离小于30cm。

优选的，所述液压支架位姿及直线度检测系统，包括多组液压支架位姿检测系统；多组液压支架位姿检测系统通过同一根位姿信号传输线缆与计算机处理系统连接。计算机处理系统设置在工作面顺槽内。

优选的，所述防磨式集绳器包括底套和顶嘴；底套内侧开有台阶通孔，所述台阶通孔包括大直径孔和小直径孔；所述顶嘴套接设置在所述大直径孔内；所述小直径孔内壁设置有多个第一环形柔性耐磨圈；所述顶嘴和小直径孔之间设置有三个滚子，三个滚子首尾相接呈三角形设置；顶嘴内侧开有顶嘴台阶通孔，顶嘴台阶通孔内设置有多个第二柔性耐磨圈。

进一步优选的，所述小直径孔内壁设置有柔性耐磨圈安装槽，柔性耐磨圈安装槽环绕所述小直径孔内壁一周；第一环形柔性耐磨圈嵌入设置在柔性耐磨圈安装槽内；

顶嘴台阶通孔内设置有第二柔性耐磨圈安装槽，第二柔性耐磨圈安装槽环绕所述顶嘴台阶通孔内壁一周；第二柔性耐磨圈嵌入设置在第二柔性耐磨圈安装槽内。

再进一步优选的，最外侧柔性耐磨圈安装槽的槽边与底套的端面重合；最外侧第二柔性耐磨圈安装槽的槽边与顶嘴的端面重合。环形柔性耐磨圈避免钢丝绳与金属底套接触，导致摩擦严重。

进一步优选的，三个滚子设置在两个相互配合的滚子压盖之间；滚子压盖内设置有滚子安装槽和轴承安装槽；滚子嵌入设置在滚子安装槽内，轴承安装槽内设置有轴承，滚子的两端设置在轴承内。

进一步优选的，所述滚子为中部设置有圆弧形导向槽的圆柱形结构；圆弧形导向槽的直径大于钢丝绳的直径；圆弧形导向槽所在的圆相互外切。此处的机构将三根钢丝绳聚集一起，采用滚动摩擦代替滑动摩擦，降低钢丝绳磨损的可能性。穿过防磨式集绳器的每一根钢丝绳对应设置在一个滚子的圆弧形导向槽内。

进一步优选的，所述顶嘴与底套螺纹连接。螺纹连接的优点是，通过顶嘴与底套的配合，将两滚子压盖压紧在底套与顶嘴之间，通过螺纹灵活调节压紧程度。

优选的，防磨式集绳器与防磨式集绳器固定板螺纹连接。

优选的，所述液压支架位姿检测系统还包括检测模块；所述检测模块通过位姿信号传输线缆与计算机处理系统连接；所述检测模块包括位移信息采集单元和分别与电源模块连接的位移信息采集控制单元、存储器、处理器和信号传输模块；电源模块与位移信息采集单元通过位移信息采集控制单元连接；所述存储器分别与位移信息采集单元、处理器和信号传输模块连接；所述存储器内设置有变换数学模型和液压支架编号。其中，所述变换数学模型用于描述各防磨式集绳器位置参数、集绳器位置参数、拉线式位移传感器伸长量与两液压支架相对位姿变换矩阵间的数学关系位移信息采集单元采集到的每个拉线式传感器的位移信息直接保存到存储器中；存储器中预存支架编号、每路位移信息与位姿矩阵信息的变换数学模型；处理器根据存储器中的变化数学模型将每路位移信息处理成位姿矩阵信息，并保存到存储器中；信号传输模块将存储器中的支架编号和位姿矩阵信息传输到计算机处理系统。位移信息采集控制单元控制是否给位移信息采集单元供电以及供电时间。

进一步优选的，所述位移信号采集控制单元包括依次连接的加速度传感器、信号调理电路、第一A/D转换模块、信号采集识别模块、信息采集控制器和位移信号采集电源开关。加速度传感器采集到的信号依次经信号调理电路、第一A/D转换模块进去信号采集识别模块；信号采集识别模块将加速度数字信息进行降噪、滤波处理，并将处理后的加速度信息传递给信号采集控制器；信号采集控制器根据加速度信息的大小确定液压支架所处的状态，当加速度较大时，信号采集控制器内嵌的分析处理系统判断液压支架有动作，此时信号采集控制器向位移信号采集电源开关发出开关断开信号，禁止电源模块向位移信息采集单元供电，当加速度很小或无加速度时，信号采集控制器内嵌的分析处理系统判断液压支架无动作，此时信号采集控制器向位移信号采集电源开关发出开关闭合信号，允许电源模块向位移信息采集单元供电，供电时间由对信号采集控制器的设置通电时间来确定。

进一步优选的，所述的位移信号采集单元包括依次连接的信号调理电路、第二A/D转换模块和信号采集模块。多个拉线式位移传感器信共用同一信号调理电路、第二A/D转换模块、信号采集模块，多路位移信号在调理电路、第二A/D转换模块、信号采集模块中进行串行传输，且位移信息采集单元的采样频率小于1k Hz。

优选的，所述的计算机处理系统包含采煤工作面直线度分析模块和采煤工作面液压支架三维重构模块。

一种上述液压支架位姿及直线度检测系统的工作方法，包括步骤如下：

1)直线度检测：当液压支架运动使得相邻液压支架不在同一直线度上时，弹性波纹管被拉伸，弹性波纹管中的钢丝绳产生位移，拉线式位移传感器产生电信号；

2)加速度传感器检测到所述电信号，并计算所述电信号对应的加速度，当所述加速度小于设定的加速度阈值，则信号采集控制器向位移信号采集电源开关发出开关闭合信号，电源模块为位移信息采集单元供电；此步骤具有节约电能的有益效果，是本实用新型的一个创新点，即特定时间供电，而且供电时间可由系统自行判断与决定——依据加速度为0或不为0。

3)位移信息采集单元开始采集拉线式位移传感器产生的电信号；所述电信号依次经过信号调理电路、第二A/D模块和信号采集模块，得到位移信号，位移信号经过变换数学模型处理，得到液压支架位姿矩阵信息；所有位移信息采集单元产生的液压支架位姿矩阵信息和存储器内的液压支架编号通过同一根位姿信号传输线缆传输到计算机处理系统；

4)计算机处理系统的直线度分析模块根据位姿信号传输线缆传输回的液压支架编号、液压支架位姿矩阵信息进行工作面直线度分析，显示直线度误差较大的液压支架编号和误差值；所述三维重构模块根据位姿信号传输线缆传输回的液压支架编号、液压支架位姿矩阵信息进行工作面液压支架三维模型的位姿重构，利用虚拟现实技术再现液压支架位姿状态。

所述拉线式位移传感器的工作原理：拉绳式传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。拉线式位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器、绝对值编码器、混合或导电塑料旋转电位计、同步器或解析器。

操作上，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。

所述伸出量检测单元可以被认为是上述提到的“精密旋转感应器”。所述自动张紧装置可以认为是上文提到的“内部弹簧”。这里的弹簧不仅可以使拉绳的张紧度不变，还可以使拉绳伸出末端松开后拉绳回卷入拉线式位移传感器内。

本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型所述液压支架位姿及直线度检测系统，借助拉线式位移传感器，通过检测各拉线式位移传感器钢丝绳的伸出量反推液压支架顶梁和底座的位姿变化，实现了液压支架顶梁和底座的全位姿检测，从而实现了液压支架整体位姿的检测(注：液压支架整体位姿由顶梁位姿和底座位姿决定)；

2.本实用新型所述弹性波纹管，伸缩能力强，弯曲性能良好，制造成本低廉，能够有效防止拉线式位移传感器钢丝绳受到碰撞和干涉，提高了拉线式位移传感器的使用寿命，避免了碰撞、干涉引起的检测误差；

3.本实用新型所述防磨式集绳器避免了拉线式位移传感器钢丝绳伸出和回弹过程中因与坚硬物体接触而造成的磨损，提高了钢丝绳的使用寿命，从而进一步提高了拉线式位移传感器的使用寿命；

4.本实用新型所述液压支架位姿及直线度检测系统，实现了对多个拉线式位移传感器检测信号的实时处理，将冗繁的位移信息转换为简单的位姿矩阵信息，大大减小了信息传输量，减少了每个液压支架顶板位姿矩阵信息、底座位姿矩阵信息对位姿信号传输线缆的占用时间，降低了数以百计工作面液压支架位姿检测过程中信息传输对传输设备的性能需求，减少了信息传输过程中的等待时间，提高了位姿矩阵信息远程传输能力，实现了液压支架位姿远程监测；

5.本实用新型所述液压支架位姿及直线度检测系统，位移信息采集单元只在支架静止时工作，减少了位移信息采集单元的工作时间，降低了因多个拉线式位移传感器一直工作而产生的能耗，另外，由于位移信息采集单元采用间歇式工作，增加了拉线式位移传感器的使用寿命，同时剔除了不必要信息的采集过程，避免了不必要位移信息占用存储器的存储空间，降低存储器因大空间需求而导致的制造成本增加；

6.本实用新型所述液压支架位姿及直线度检测系统，结构及检测原理简单，检测精度高，实现容易，具有广泛的推广价值。

附图说明

图1本实用新型所述液压支架位姿及直线度检测系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述相对位姿检测装置的结构示意图；

图3为本实用新型所述防磨式集绳器的结构示意图；

图4为本实用新型所述防磨式集绳器的轴向截面图；

图5为本实用新型所述检测模块的结构示意图；

图6为本实用新型所述检测模块与计算机处理系统之间的信息流向示意图。

其中，1、液压支架顶梁位姿检测系统；2、相对位姿检测装置；3、安装板；4、计算机处理系统；5、液压支架底座位姿检测系统；6、位姿信号传输线缆；2.1、拉线式位移传感器；2.2、防磨式集绳器固定板；2.3、弹性波纹管；2.4、集绳器固定板；2.5、钢丝绳固定器；2.6、拉线式传感器固定箱；2.7、防磨式集绳器；2.8、集绳器；2.9、钢丝绳末端固定箱；2.7.1、底套；2.7.2、滚子压盖；2.7.3、顶嘴；2.7.4、第一柔性耐磨圈；2.7.5、滚子；2.7.6、第二柔性耐磨圈；2.7.7、轴承。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1

如图1-2所示。

一种液压支架位姿及直线度检测系统，包括液压支架位姿检测系统、位姿信号传输线缆6和计算机处理系统4；液压支架位姿检测系统通过位姿信号传输线缆6与计算机处理系统4连接；液压支架位姿检测系统设置在采煤工作面相邻的两个液压支架之间；所述液压支架位姿检测系统，包括相对位姿检测装置和安装板3，所述安装板3设置在相对位姿检测装置的两端；两个安装板3分别固定设置在相邻的两个液压支架上；

所述相对位姿检测装置，包括弹性波纹管2.3、拉线式传感器固定箱2.6和钢丝绳末端固定箱2.9；所述拉线式传感器固定箱2.6和钢丝绳末端固定箱2.9设置在弹性波纹管2.3的两端；所述拉线式传感器固定箱2.6和钢丝绳末端固定箱2.9的内侧均设置有开口；所述拉线式传感器固定箱2.6内设置有防磨式集绳器固定板2.2，防磨式集绳器固定板2.2上设置有防磨式集绳器2.7；钢丝绳末端固定箱2.9内设置有集绳器固定板2.4，集绳器固定板上设置有集绳器2.8；

拉线式传感器固定箱2.6的内侧壁上设置有拉线式位移传感器2.1；钢丝绳末端固定箱2.9的内侧壁上设置有钢丝绳固定器2.5；

拉线式位移传感器2.1引出的钢丝绳依次穿过防磨式集绳器2.7、集绳器2.8后与钢丝绳固定器2.5固定连接。

实施例2

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述拉线式位移传感器2.1的个数为9个，每3个拉线式位移传感器2.1为一组；防磨式集线器固定板2.2上设置有三个防磨式集绳器2.7，集绳器固定板上2.4设置有三个集绳器2.8；每组拉线式位移传感器2.1引出的钢丝绳穿过同一个防磨式集绳器2.7，穿过同一个防磨式集绳器2.7的钢丝绳分别穿过不同的集绳器2.8后与不同的钢丝绳固定器2.5连接。

实施例3

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述防磨式集绳器固定板2.2与拉线式传感器固定箱2.6的侧壁平行设置；所述集绳器固定板2.4与钢丝绳末端固定箱2.9的侧壁平行设置。

实施例4

如实施例2所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，防磨式集绳器不设置在同一个直线上；集绳器不设置在同一个直线上；即防磨式集绳器2.7的连线构成三角形；集绳器2.8的连线构成三角形。

实施例5

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述液压支架位姿检测系统包括液压支架顶梁位姿检测系统1和液压支架底座位姿检测系统5；液压支架顶梁位姿检测系统1设置在液压支架顶梁的下表面；液压支架底座位姿检测系统5设置在液压支架底座的上表面。液压支架顶梁位姿检测系统1和液压支架底座位姿检测系统5分别用于检测两相邻支架的顶梁位姿信息和底座位姿信息。

实施例6

如实施例5所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述液压支架位姿检测系统水平设置；液压支架顶梁位姿检测系统1距离液压支架顶梁下表面的距离小于30cm；液压支架底座位姿检测系统5距离液压支架底座上表面的距离小于30cm。

实施例7

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述液压支架位姿及直线度检测系统，包括多组液压支架位姿检测系统；多组液压支架位姿检测系统通过同一根位姿信号传输线缆6与计算机处理系统4连接。计算机处理系统4设置在工作面顺槽内。

实施例8

如图3-4所示。

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述防磨式集绳器包括底套2.7.1和顶嘴2.7.3；底套2.7.1内侧开有台阶通孔，所述台阶通孔包括大直径孔和小直径孔；所述顶嘴2.7.3套接设置在所述大直径孔内；所述小直径孔内壁设置有多个第一环形柔性耐磨圈2.7.4；所述顶嘴和小直径孔之间设置有三个滚子2.7.5，三个滚子2.7.5首尾相接呈三角形设置；顶嘴2.7.3内侧开有顶嘴台阶通孔，顶嘴台阶通孔内设置有多个第二柔性耐磨圈2.7.6。

实施例9

如实施例8所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述小直径孔内壁设置有柔性耐磨圈安装槽，柔性耐磨圈安装槽环绕所述小直径孔内壁一周；第一环形柔性耐磨圈2.7.4嵌入设置在柔性耐磨圈安装槽内；

顶嘴台阶通孔内设置有第二柔性耐磨圈安装槽，第二柔性耐磨圈安装槽环绕所述顶嘴台阶通孔内壁一周；第二柔性耐磨圈2.7.6嵌入设置在第二柔性耐磨圈安装槽内。

实施例10

如实施例9所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，最外侧柔性耐磨圈安装槽的槽边与底套2.7.1的端面重合；最外侧第二柔性耐磨圈安装槽的槽边与顶嘴2.7.3的端面重合。环形柔性耐磨圈避免钢丝绳与金属底套接触，导致摩擦严重。

实施例11

如实施例8所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，三个滚子2.7.5设置在两个相互配合的滚子压盖2.7.2之间；滚子压盖2.7.2内设置有滚子安装槽和轴承安装槽；滚子2.7.5嵌入设置在滚子安装槽内，轴承安装槽内设置有轴承2.7.7，滚子2.7.5的两端设置在轴承2.7.7内。

实施例12

如实施例8所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述滚子2.7.5为中部设置有圆弧形导向槽的圆柱形结构；圆弧形导向槽的直径大于钢丝绳的直径；圆弧形导向槽所在的圆相互外切。此处的机构将三根钢丝绳聚集一起，采用滚动摩擦代替滑动摩擦，降低钢丝绳磨损的可能性。穿过防磨式集绳器2.7的每一根钢丝绳对应设置在一个滚子2.7.5的圆弧形导向槽内。

实施例13

如实施例8所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述顶嘴2.7.3与底套2.7.1螺纹连接。螺纹连接的优点是，通过顶嘴2.7.3与底套2.7.1的配合，将两滚子压盖2.7.2压紧在底套2.7.1与顶嘴2.7.3之间，通过螺纹灵活调节压紧程度。

实施例14

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，防磨式集绳器2.7与防磨式集绳器固定板2.2螺纹连接。

实施例15

如图5所示。

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述液压支架位姿检测系统还包括检测模块；所述检测模块通过位姿信号传输线缆6与计算机处理系统4连接；所述检测模块包括位移信息采集单元和分别与电源模块连接的位移信息采集控制单元、存储器、处理器和信号传输模块；电源模块与位移信息采集单元通过位移信息采集控制单元连接；所述存储器分别与位移信息采集单元、处理器和信号传输模块连接；所述存储器内设置有变换数学模型和液压支架编号。

实施例16

如实施例15所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述位移信号采集控制单元包括依次连接的加速度传感器、信号调理电路、第一A/D转换模块、信号采集识别模块、信息采集控制器和位移信号采集电源开关。

实施例17

如实施例15所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述的位移信号采集单元包括依次连接的信号调理电路、第二A/D转换模块和信号采集模块。

实施例18

如实施例1所述的液压支架位姿及直线度检测系统，所不同的是，所述的计算机处理系统4包含采煤工作面直线度分析模块和采煤工作面液压支架三维重构模块。