掘进机截割控制装置、方法及悬臂掘进机与流程

本发明属于自动化掘进设备领域，特别涉及一种掘进机截割控制装置、方法及悬臂掘进机。

背景技术：

悬臂式掘进机作为一种高效灵活的掘进设备，已经广泛应用于巷道和隧道的挖掘。由于工作环境恶劣，高粉尘、高振动，对其工作状态的监视和控制尤为重要。监视方面主要包括：悬臂掘进机各部件的工作状态、实时位置信息等。控制方面主要包括：悬臂掘进机各部件动作、电气及液压实时参数。控制系统的最终目的是实现掘进机在高效率低损耗状态下实施掘进施工，具体指标有超欠挖率、截齿损耗、设备故障率及易操作性。现有技术方案掘进机在控制超欠挖方面主要通过收集设备自身姿态数据并结合后方全站仪对安装在掘进机上反射棱镜的定位数据来实现空间坐标的统一，进而实现掘进机截割头位置的监控，这种方案在其它隧道设备如湿喷机、凿岩台车工作环境振动小、粉尘少的情况下能够达到技术要求，但在掘进机工况下只停留在理论阶段，且单次定位时间会达到几十秒，不适合机动性较强的掘进机设备。对于掘进机截割臂的截割反馈控制现有技术方案主要把截割电机电流作为依据来实现截割推进速度的调整，这种单维度的调整关系在实际工作中并不适用，例如截割岩石硬度分布不均匀或操作手技术不熟练时，截割电机电流会频繁大幅度变化，这就引起截割臂推进速度随之变化，并使掘进机给人留下‘没劲’的直观印象，直接导致截割效率降低。

技术实现要素：

为此，本发明提供一种掘进机截割控制装置、方法及悬臂掘进机，有效控制超欠挖量，提高掘进效率和智能化水平，降低设备故障率及截齿损耗。

按照本发明所提供的设计方案，一种掘进机截割控制装置，包含：

设于掘进机上的掘进机电控比例阀模块，用于控制掘进机截割升降和回转；

设于掘进机上的掘进机传感器模块，用于采集掘进机截割过程中油缸位移数据、掘进机俯仰角滚动角数据、截割部振动数据及掘进机液压系统和水冷却系统两者中的压力和流量数据；

设于掘进机上的扫描定位模块，用于获取隧道断面目标点云数据，及隧道断面与靶点之间空间距离；

设于隧道内的定位靶点模块，包含定位节点和校正节点；

设于隧道内的工业相机，用于依据全站仪模块定位数据采集掘进机多点光标图像；

设于隧道内的全站仪模块，用于测量标定定位靶点模块和工业相机的位置信息；

设于掘进机上的工控一体机，用于接收并处理掘进机电控比例阀模块、掘进机传感器模块、扫描定位模块及全站仪模块反馈数据，并依据工业相机多点光标图像动态显示掘进机断面与截割头的相对位置，并实时显示掘进机实时电气参数、扫描定位模块开挖隧道模型及定位操作指示界面。

上述的，掘进机电控比例阀模块包含截割上升减压阀、截割下降减压阀、截割左回转减压阀、截割右回转减压阀、截割上升溢流阀、截割下降溢流阀、截割左回转溢流阀和截割右回转溢流阀。

上述的，掘进机传感器模块包含截割臂升降油缸、回转油缸、后支撑油缸及铲板油缸的内置磁致位移传感器，掘进机俯仰角左右滚动角检测传感器，安装于截割部的振动检测传感器，安装于液压系统中的压力传感器和流量传感器，及安装于水冷却除尘系统中的压力传感器和流量传感器。

上述的，所述扫描定位模块包含扫描仪、测距激光器、旋转机构、编码器、变焦摄像头及红光指示点发射器，测距激光器内置与扫描仪内，变焦摄像头与测距激光器同向安装，编码器固定于旋转机构上；扫描仪设于旋转机构上，并通过旋转机构的驱动来调整扫描角度，通过编码器记录旋转角度。

优选的，所述旋转机构为步进电机。

一种掘进机截割控制控制方法，基于上述的掘进机截割控制装置实现，实现过程包含如下内容：

准备阶段：获取待截割隧道的断面轮廓信息；将待截割隧道中线和隧道截面内轮廓线数据导入工控一体机；在隧道内布置全站仪、工业相机及定位靶点，利用全站仪标定测量工业相机、定位靶点位置信息，并反馈给工控一体机；掘进机就位，工业相机采集多点光标图像，并存储掘进机初始位置信息；扫描仪对靶点位置进行定位校正，并对掘进面区域进行扫描，获取目标点云数据；掘进机将传感器数据实时上传至工控一体机，工控一体机依据接收到的数据确定截割头位置；

施工阶段；依据实际截割情况及工控一体机显示界面中截割头实时位置信息进行截割作业操作，截割作业中工控一体机根据传感器数据反馈控制电控比例阀模块输出，直至完成隧道全部掘进，其中，截割隧道内利用扫描仪进行扫描测量、三维建模和超欠挖比对，并通过工控一体机进行可视化输出。

上述的方法中，准备阶段中，扫描仪测距红点指示指向至少两处定位靶点位置，完成自定位，并通过调节变焦摄像头获取红点对准图像信息；自定位后，通过旋转扫描仪指向任一校正节点，通过观察红点与校正节点的位置重合度，评估定位精度是否符合作业要求。

上述的方法中，施工阶段中，利用工业相机通过光标定位得到掘进机位置变化信息，当掘进机位置变化超过设定阈值时，工控一体机显示重新定位提示，若未进行重新定位操作，则通过工业相机对掘进机实时定位信息进行截割头位置显示；开掘作业完成后，再次操作扫描仪对准标靶进行自定位，修正开掘作业期间位姿变化信息。

一种悬臂掘进机，悬臂掘进机的运输机上设置有上述的掘进机截割控制装置实现掘进机自适应截割控制。

本发明的有益效果：

本发明采用全站仪将靶点位置信息直接发送给工控机的方式，避免人工操作熟练度带来时效性和准确度的影响，便于推广；能够适应掘进机恶劣工况及不同尺寸断面的掘进；采用工业相机对于传统的棱镜发在实时性上有绝对优势，全站仪棱镜法单次定位需要几十秒，工业相机可小于一秒；在截割反馈控制方面，引入掘进机截割臂姿态及振动信息，相对于简单以截割电流为依据的截割反馈控制，更适合实际工况，对操作手的技术熟练度容忍度更高。进而降低了截齿损耗和设备故障率；在扫描仪测距过程中引入变焦摄像头，并可根据定位的距离相应自动调焦，提高定位时效；在掘进机中引入机载扫描仪模块，通过截割前后的断面扫描，实现截割断面和设计断面模型的可视化对比，实现截割成形评估、二次修型截割及截割方量估算，实现可视化智能化掘进施工。

附图说明：

图1为实施例中截割控制装置示意图；

图2为实施例中截割控制装置布设示意图；

图3为实施例中掘进机工控一体机安装示意图；

图4为实施例中截割控制实现原理示意图。

具体实施方式：

图中标号，标号1代表扫描仪，标号21代表定位节点，标号22代表校正节点，标号23代表光靶，标号3代表工业相机，标号4代表全站仪，标号5代表工控一体机。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例，参见图1～3所示，提供一种掘进机截割控制装置，包含：

设于掘进机上的掘进机电控比例阀模块，用于控制掘进机截割升降和回转；

设于掘进机上的掘进机传感器模块，用于采集掘进机截割过程中油缸位移数据、掘进机俯仰角滚动角数据、截割部振动数据及掘进机液压系统和水冷却系统两者中的压力和流量数据；

设于掘进机上的扫描定位模块，用于获取隧道断面目标点云数据，及隧道断面与靶点之间空间距离；

设于隧道内的定位靶点模块，包含定位节点和校正节点；

设于隧道内的工业相机，用于依据全站仪模块定位数据采集掘进机多点光标图像；

设于隧道内的全站仪模块，用于测量标定定位靶点模块和工业相机的位置信息；

设于掘进机上的工控一体机，用于接收并处理掘进机电控比例阀模块、掘进机传感器模块、扫描定位模块及全站仪模块反馈数据，并依据工业相机多点光标图像动态显示掘进机断面与截割头的相对位置，并实时显示掘进机实时电气参数、扫描定位模块开挖隧道模型及定位操作指示界面。

通过电控比例阀模块、传感器模块、扫描定位模块、定位靶点模块、工业相机、全站仪模块及工控一体机的配合，完成掘进机隧道截割的自动截割控制，有效控制超欠挖量，提高掘进效率和智能化水平，降低设备故障率及截齿损耗。

本发明实施例中，根据实际使用环境需求，掘进机电控比例阀模块可包含截割上升减压阀、截割下降减压阀、截割左回转减压阀、截割右回转减压阀、截割上升溢流阀、截割下降溢流阀、截割左回转溢流阀和截割右回转溢流阀。

本发明实施例中，根据实际使用环境需求，掘进机传感器模块可包含截割臂升降油缸、回转油缸、后支撑油缸及铲板油缸的内置磁致位移传感器，掘进机俯仰角左右滚动角检测传感器，安装于截割部的振动检测传感器，安装于液压系统中的压力传感器和流量传感器，及安装于水冷却除尘系统中的压力传感器和流量传感器。

本发明实施例中，根据实际使用环境需求，扫描定位模块可包含扫描仪、测距激光器、旋转机构、编码器、变焦摄像头及红光指示点发射器，测距激光器内置与扫描仪内，变焦摄像头与测距激光器同向安装，编码器固定于旋转机构上；扫描仪设于旋转机构上，并通过旋转机构的驱动来调整扫描角度，通过编码器记录旋转角度。通过旋转机构驱动，编码器记录旋转角度，配合测距进行实现对外部进行未知点量测，或利用已知点反算自身位置和姿态。作为本发明进一步改进的，为提高定位操作的精度和易操作性，在扫描器内部测距激光器同向安装变焦摄像头，在使用扫描器进行定位靶点测距时能够可视化显示，提高定位精度缩短定位操作时间。

优选的，所述旋转机构为步进电机。通过步进电机驱动扫描仪调整扫描角度，并利用编码器来记录，便于截割参数计算。

基于上述装置，本发明实施例还提供一种掘进机截割控制控制方法，内容：

准备阶段：获取待截割隧道的断面轮廓信息；将待截割隧道中线和隧道截面内轮廓线数据导入工控一体机；在隧道内布置全站仪、工业相机及定位靶点，利用全站仪标定测量工业相机、定位靶点位置信息，并反馈给工控一体机；掘进机就位，工业相机采集多点光标图像，并存储掘进机初始位置信息；扫描仪对靶点位置进行定位校正，并对掘进面区域进行扫描，获取目标点云数据；掘进机将传感器数据实时上传至工控一体机，工控一体机依据接收到的数据确定截割头位置；

施工阶段；依据实际截割情况及工控一体机显示界面中截割头实时位置信息进行截割作业操作，截割作业中工控一体机根据传感器数据反馈控制电控比例阀模块输出，直至完成隧道全部掘进，其中，截割隧道内利用扫描仪进行扫描测量、三维建模和超欠挖比对，并通过工控一体机进行可视化输出。

进一步的，准备阶段中，扫描仪测距红点指示指向至少两处定位靶点位置，完成自定位，并通过调节变焦摄像头获取红点对准图像信息；自定位后，通过旋转扫描仪指向任一校正节点，通过观察红点与校正节点的位置重合度，评估定位精度是否符合作业要求。

进一步的，施工阶段中，利用工业相机通过光标定位得到掘进机位置变化信息，当掘进机位置变化超过设定阈值时，工控一体机显示重新定位提示，若未进行重新定位操作，则通过工业相机对掘进机实时定位信息进行截割头位置显示；开掘作业完成后，再次操作扫描仪对准标靶进行自定位，修正开掘作业期间位姿变化信息。

基于上述装置和方法，本发明实施例还提供一种悬臂掘进机，悬臂掘进机的运输机上设置有上述的掘进机截割控制装置，以实现掘进机自适应截割控制。

为便于更加清晰说明本发明的实施方法，对名词进行定义和解释:

大断面：指隧道开挖断面面积大于掘进机最大截割面积，即如果完成全断面的截割需要掘进机进行多次的移动挪机来实现。

小断面：指隧道开挖断面面积小于掘进机最大截割面积，即如果完成全断面的截割不需要掘进机进行多次的移动挪机来实现，单次定位即可完成。

作为本发明进一步改进的，参见图4所示，根据实际使用环境，掘进机截割控制具体实现过程，可设计如下：

一)大断面：

1、人工编辑隧道设计文件，将隧道中线和隧道截面内轮廓线信息导入工控一体机扫描仪软件系统；或在工控机一体机显示器输入设计隧道断面关键点坐标，生成断面轮廓。

2、布置全站仪、工业相机、靶点至隧道内合适位置，利用全站仪标定测量工业相机、靶点位置信息。全站仪将锚定点和校正点位置信息发送至工控一体机。

3、掘进机进入掘进位置停车就位，工业相机拍摄掘进机后部安装的多点光标图像，存储掘进机初始位置信息。

4、操作控制手柄使扫描仪测距红点指示指向至少两处靶点位置，进行自定位计算，期间通过调节变焦摄像头获取红点对准图像信息来提高定位精度和效率；自定位后自动通过计算旋转扫描仪指向任一校正点，通过观察红点与校正点的位置重合度来评估本次定位精度是否符合要求。

5、利用激光扫描仪对掘进面区域进行扫描，获取目标点云数据；

6、掘进机将传感器模块数据实时上传至工控一体机，工控一体机根据空间位置信息在形成的断面图形中显示截割头的位置；

7、掘进机开始掘进工作，操作手根据观察实际截割情况及显示界面中截割头的实时位置信息进行截割操作。

8、截割过程中工控一体机根据传感器模块数据反馈对电控比例阀模块输出进行控制，具体关系为：振动等级越高，调整加速度越大；截割臂臂展越大，调整系数越大；先调节截割升降、回转减压阀，后调节溢流阀。靠近断面轮廓边界时，自动调节相应动作减压阀以控制相应动作速度。

9、掘进过程中工业相机通过掘进机后部光标图像的计算处理，得到掘进机位置的变化信息，当超过位移变化设定值时，工控一体机显示界面显示重新定位提示，当操作手未进行重新定位操作的前提下，工控机使用工业相机对掘进机的实时定位信息进行截割头位置显示。开掘作业完成后，再次操作扫描仪对准标靶进行自定位，以修正开掘作业期间的设备位姿变化；

10、当进行断面边界截割时(即修整开挖断面的形状使之符合设计要求)，操作手将掘进机移动到相应位置，重复步骤4，相应工控机断面显示切换到相应边界部分放大图像，重复步骤7、8，直至单次截割循环完成；

11、利用激光扫描仪对单次循环完成截割隧道内进行扫描测量及三维建模，利用隧道设计信息进行超欠挖比对，并进行可视化输出，用于截割质量的确定和二次修型指导；

12、重复上述步骤完成全部隧道掘进；

作为本发明进一步改进的，对于小断面掘进，不用挪机的工况，考虑方案通用性和成本，可删除上述步骤工业相机部分工作。

本发明能够适应掘进机恶劣工况及不同尺寸断面的掘进；采用全站仪将靶点位置信息直接发送给工控机的方式，避免人工操作熟练度带来时效性和准确度的影响，便于推广；采用工业相机对于传统的棱镜发在实时性上有绝对优势，全站仪棱镜法单次定位需要几十秒，工业相机可小于一秒；在截割反馈控制方面，引入掘进机截割臂姿态及振动信息，相对于简单以截割电流为依据的截割反馈控制，更适合实际工况，对操作手的技术熟练度容忍度更高。进而降低了截齿损耗和设备故障率；在扫描仪测距过程中引入变焦摄像头，并可根据定位的距离相应自动调焦，提高定位时效；在掘进机中引入机载扫描仪模块，通过截割前后的断面扫描，实现截割断面和设计断面模型的可视化对比，实现了截割成形评估、二次修型截割及截割方量估算，实现了可视化智能化掘进施工。

本发明中，运输机运转方向通过感应开关检测，检测到运输机为出渣运转时，方量检测装置开始连续检测距离或图像轮廓信号，同时均料机构对运输机上的物料进行平摊处理，当物料第一检测传感器检测到物料信号时，发出堵料预警，此时操作人员可反向运行运输机或停机手动处理，当第二检测传感器检测到输出信号时，系统发出堵料报警，需停机手动处理。当运输机翻转时，运输机反转方向开关输出信号。后台处理器根据运输机不同运转方向来计算工作期间的方量总和。本发明在现有悬臂掘进机设备增加少量硬件即可实施，铲板部后部龙门结构避免较大块渣料进入运输机，进一步保证了该方案的精确性和实用性；自动化测量取代人工测量，提高测量工作效率，降低现场测量人员发生安全事故概率；可根据测量数据实时掌握现场施工进度，合理安排调度设备进出场等工作，通过截齿消耗等信息核算单位方量掘进成本；可将测量数据按时间段、截割工作循环、地点等分类存储，对数据的分析挖掘可反馈到现场施工管理及产品的研发改进等，具有较好的工程应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。