一种掘进机定位掘进方法及其系统与流程

本发明涉及隧道掘进技术领域，具体涉及一种掘进机定位凿孔装置和定位掘进方法。

背景技术：

掘进机是用于平直底面开凿隧道的机器；通过机械破岩石。常用于隧道和采煤等。按照结构组成，可分为悬臂式掘进机和盾构机。其中，盾构机适用于长直的隧道掘进，例如地铁和超长的穿山隧道，其支护类型比较单一，只能采用环形支护；悬臂式掘进机包括截割机构、装载机构、运输机构、行走机构、机架及回转台、液压系统、电气系统、冷却灭尘供水系统和操作系统；悬臂式掘进机具有较大的灵活性，能用于任何支护类型；相较于盾构机；具有投资少、施工准备时间短和再利用型高的优点。在一些较短且弯度设计较大，或者采煤需要根据煤层位置分布变换时，就需要用到其灵活性较大的特性。但是，现有的悬臂式掘进机在工作时，基本靠人工分辨方位和掘进路径；可能与设计路线发生偏差导致隧道之间不易接通；且每次截割均以之前的开采面为基础，容易产生误差累积。而在一些硬岩层，在截割机进行工作之前，则需要用凿岩机进行凿孔，以降低截割头截割时所受的阻力。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的不足，本发明的目的在于提供一种掘进机定位掘进方法及其系统，解决了现有技术中，悬臂式掘进机掘实际进路径与设计路径发生偏差的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种掘进机定位掘进方法，包括以下步骤：

s1：根据隧道设计生成隧道模型并根据截割头活动范围生成模型；

s2：确定定位原点，建立坐标系，生成隧道模型坐标和截割范围模型坐标；

s3：掘进机初步定位，确定掘进机截割模型坐标；

s4：选取基点，确定基准面，所述基准面是隧道模型上经过所述基点的横截面；

s5：根据基准面和每次截割深度确定待截割体坐标；

s6：开始掘进作业。

一种实施上述方法的掘进机定位掘进系统，包括：

存储模块：存储隧道模型以及截割头活动范围模型并记录关键点信息；

定位模块：根据选取的定位原点和关键点位置，定位隧道模型和截割范围模型坐标；根据选取的基点确定基准面；同时根据基准面得出待截割体模型坐标；根据定位发射器信号，确定定位发射器在坐标中的位置；

计算模块：根据截割头所处位置和方向以及目标位置和方向，计算移动和旋转路径，并生成指令；

控制模块：根据指令，控制电机和液压设备的启动和停止进而控制截割头或定位凿孔装置活动。

一种由上述系统控制的掘进机定位凿孔装置，包括分别位于掘进机截割部分两侧的两个定位凿孔机构；所述定位打孔机构包括凿孔机、控制凿孔机沿其长度方向前进或者后退的驱动板和配合掘进机转向机构控制驱动板空间位置和角度的机械臂；驱动板两端设有定位发射器，所述计算模块还根据驱动板所处位置和方向以及目标位置和方向，计算驱动板移动和旋转路径，并生成指令。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的一种掘进机定位掘进方法；通过建模定位，定位后通过机械自动截割，降低人工辨别导致的误差；在原模型上设置基准定位面并随掘进进行变换，基准面的设置均以初始模型为准，小段式掘进，不会产生误差累积。还提出一种掘进机定位系统，包括存储模块、定位模块、校验模块和控制模块；完成待截割体的定位与校验；基于上述方法和系统，设计了一种掘进机定位凿孔装置；利用上述方法同样的原理和同样的系统装置，实现对待截割部分的自动凿孔；使在加工硬岩时，截割头所受的阻力更小。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明工作流程示意图；

图2为各模块连接关系图；

图3为各个模型重合示意图；

图4为待截割模型示意图；

图5为截割路径图；

图6为定位凿孔装置在截割机构的位置展示图；

图7为定位凿孔装置结构示意图。

其中，截割头1、定位凿孔装置2、基准面3、待截割体4、待截割面5、基点6、截割范围模型7、隧道模型8、支撑柱21、第一转动盘22、第二转动盘23、调节板24、驱动板25、凿孔机26。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

如图1-7所示，本发明提出了一种掘进机定位装置及其定位方法，包括以下步骤：

s1：根据隧道设计生成隧道模型8并根据截割头1活动范围生成截割范围模型7。

s2：确定定位原点，建立坐标系，生成隧道模型8的坐标和截割范围模型7的坐标，

s3：掘进机初步定位，确定掘进机截割模型坐标。

s4：选取基点6，确定基准面3，所述基准面是隧道模型上经过所述基点的横截面。

s5：根据基准面3和每次截割深度确定待截割体4坐标。

s6：开始掘进作业。

一种实施上述方法的掘进机定位掘进系统，包括：

存储模块：存储隧道模型8以及截割头1活动范围模型并记录关键点信息。关键点须包括模型直线的端点、圆弧的端点和圆心以及曲线的端点。

定位模块：根据选取的定位原点和关键点位置，定位隧道和截割范围模型7坐标；根据选取的基点6确定基准面3；同时根据基准面3得出待截割体4模型坐标；根据定位发射器信号，确定定位发射器在坐标中的位置。定位后，模型确定了坐标中的位置和方向。

计算模块：根据驱动板25所处位置和方向以及目标位置和方向，根据截割头1所处位置和方向以及目标位置和方向，计算移动和旋转路径，并生成指令。

控制模块：根据指令，控制电机和液压设备的启动和停止进而控制截割头1或定位凿孔装置2活动。

一种基于上述定位系统的掘进机定位凿孔装置，包括分别位于掘进机截割机构两侧的两个定位凿孔机构；所述定位打孔机构包括凿孔机26、控制凿孔机26沿其长度方向前进或者后退的驱动板25和配合掘进机转向机构控制驱动板25空间位置和角度的机械臂；驱动板25两端设有定位发射器。其中，所述计算模块还根据驱动板所处位置和方向、目标位置和方向，计算驱动板移动和旋转路径，并生成指令。

上述方案中，本发明的工作过程为：在隧道设计完成后，根据隧道设计路线以及形状生成隧道模型8和关键点信息，并根据截割头1的活动范围建立截割范围模型7，录入存储模块中；隧道模型8可认为是由许多截面叠加而成；截割范围模型7由掘进机型号决定。具体掘进时，选定定位原点，建立坐标系，并根据关键点位置确定隧道模型8的坐标，将掘进机驱动至掘进位置附近，此时根据掘进机位置，确定截割范围模型7的坐标，并录入定位模块中。然后选取待掘进面比较突出的点作为基点6，例如图3中c点，建立基准面3，基准面3是隧道模型8上经过该基点6的横截面；将驱动板25调节至垂直于截面方向，并调节驱动板25前端在基准面3上；以垂直于基准面3为掘进方向，预设掘进深度，进而得出待掘进体。再通过校验模块匹配待截割体4是否在掘进机截割范围模型7内；如果在，则开始在基准面3上选取多点进行凿孔；如果不在则调整掘进机位置。截割完毕后，改变掘进机位置并在新的待截割面5上选取新的基点6，并确定新的基准面3。在隧道直的情况下，待截割体4就是与隧道模型8重合，因此新的基点6也在隧道模型8上，即使在弯道部分，相邻待截割体4也是绝大部分与隧道模型8重合，不选取待截割面5边缘的位置为基点6便可。在弯道部分，如图3所示(待截割体4和隧道模型8略有偏差)，截割后的隧道内壁需稍作修整，在架设隧道支护时可以顺便完成。截割时，如图5所示(阴影部分表示截割路径)，采用“s”型路径从下往上截割。

若掘进硬岩层，选定基点6时，采用定位凿孔装置2进行，先将驱动板25调整至待截割面5突出部分，将驱动板25前端调整至距离突出部分2-5cm的位置，此时选定前端的定位发射器的位置为基点6，得出基准面3，再通过控制系统调整驱动板25垂直于基准面3，且前端的定位发射器位于基准面3上。然后控制系统控制凿孔机26和无杆气缸凿孔，凿孔深度选择一般根据岩层性质和掘进机截割头1的大小进行合理的选择。以便于初步设置掘进机位置为准，同时截割头1所受阻力也不应过大。然后开始凿其它孔，凿孔的数量根据岩层硬度决定，以截割头1所受阻力在该型号截割机通常截割阻力范围内为准。凿其它孔时，也应控制驱动板25垂直于基准面3，前端的定位发射器位于基准面3上，凿孔机26伸长长度相同，而不是凿孔深度相同。凿完所有孔之后，收起定位凿孔装置2。在定位驱动板25时，如图4所示，定位系统获取驱动板25两端的位移发射器信号，利用两点确定一条直线的原理，确定驱动板25的空间位置，进而通过计算模块获得移动和旋转路径并发送给控制模块，控制模块发送相应指令，进而控制其垂直于基准面3。

在需要截割时，先将截割头1移动至基准面3左下角的位置，相应也通过定位发射器定位截割头1的位置，一般三维定位需要三个定位发射装置才能确定空间位置和角度，但是由于截割头1为回转体，只需在其轴线方向上设置两个定位发射装置即可确定其位置和角度。

所述机械臂包括轴线两两垂直的支撑柱21、第一转动盘22和第二转动盘23，支撑柱21可伸缩设置，支撑柱21一端铰接在掘进机上，并可在液压缸的驱动下上下摆动，所述第一转动盘22和第二转动盘23设置在支撑柱21的自由端，以控制所述驱动板25的角度。两个相互垂直的转动盘，配合掘进机截割机构的水平转向的功能，实现对驱动板25除以自身长度方向为轴线的方向的转动外的任意角度控制，结合支撑柱21的可伸缩和高度方向的摆动设置，实现对驱动板25的角度和位置控制，两个定位凿孔装置2配合，基本无死角，实际操作过程中，无须严格实现每个位置的准确到达，大体实现即可。

所述定位驱动和第二转动盘23之间还设有调节槽，所述调节槽上设有供所述驱动板25沿其长度方向滑动的凹槽。所述调节槽内设有丝杠机构为驱动板25提供动力。所述驱动板25上设有控制凿孔机26的位置的无杆气缸。调节槽的设置，使得在定位好驱动板25的角度和平面位置后，其长度方向上的位置可以直接通过调节槽进行补偿调节，使计算模块计算路径的算法和控制更加方便。而传动方式的设置，丝杠机构在驱动板25补偿定位时效果更好，无杆气缸传动，则更适于驱动板25上的安装空间和钻孔过程中的行程控制。

凿孔时，采用如图5所示的分布方式，孔与孔之间隔应小于截割头1的最大截割面；以保证岩石的破碎效果。注意驱动板25均垂直于基准面3，且前端在每次凿孔机26的伸长长度相同，并非凿孔深度相同，凿孔的深度一般根据岩层性质和掘进机截割头1的大小进行合理的选择。凿孔完毕后收起定位凿孔装置2折线截割。至于计算模块的计算方式，可用自动控制领域常用的算法进行，下面就其中一种计算过程给与举例说明。

如图4所示，ab为驱动板25上两个定位发射器的位置，cd为其中一个目标位置，在路径计算时，先通过两个转动盘将ab转至cd平行的ab1，这个过程中以a为中心，转动角度a至与cd平行。再控制机械臂配合掘进机本身自带水平转向结构将驱动板从a移动至c位置，进而实现从现在位置到目标位置的转移。第一次调整角度凿孔后，后面无需调整角度，直接调整位置即可。在确定基准面3后，按照预先设定的孔在基准面3上的位置开凿。

相应的截割头1的控制方式，到达左下角预定位置后，直接按照悬臂式掘进机预设的“s”形路径截割自下往上掘进就行。还有其他实现相同功能的其他常用算法，也应认为本发明的具体实施例。进行完一个待截割体4的掘进后，再在截割后的面上选择新的基点6确定新的待截割体4进行截割。

本发明采用局域网定位，定位更为准确，而不采用民用的gps定位(地图，公交等定位方式)，也不会受隧道内网络信号不好影响。在选择定位原点时，可就选择第一次掘进时，掘进机位置为原点，并设置相应的网络装置，使各定位发射器位置离定位模块的接收装置更近，精度更好；在掘进一个较大的的距离后，可以变更原点和接受装置信号产生位置。

关键点的选择须包括模型直线的端点、圆弧的端点和圆心以及曲线的端点。例如隧道模型8的定位，在其中几个关键点的位置设置定位发射器，通过几个点的定位，确定隧道模型8的坐标定位，在隧道关键点的选择上，还应设置隧道模型8外的关键点，便于初始掘进时，隧道模型8的坐标定位。

选择基点6时，其处在待截割面5上突出的部分之外的2-5cm，即该基点6与突出的部分之间间隔2-5cm，以防止移动过程中发生碰撞。亦即，一方面，放置驱动板25在转移凿孔位置时，避免基准面3与实际待截割面5不重合时，发生磕碰，隧道转角曲率一般不大，故间隔2-5cm即可，同时也给与定位模块一定的误差允许的范围。

上述操作中，总的说来，定位模块分别与存储模块、计算模块和校对模块连接；定位模块从存储模块获取模型形状和关键点信息，控制模块和计算模块连接；校对模块从定位模块获得位置信息后对待掘进体和接个范围模型进行重叠校对；计算模块根据预定位模块得出的预定位置和现在位置进行路径计算并发送指令给控制模块。

如上述方案所示，本发明的技术思路为：提供一种掘进方法，通过对截割头1、隧道建模定位，实现对截割动作的自动控制，减少人为判断掘进方向所带来的误差；运用小段式截割，每次定位均以模型为准，不以上一截割面为准，降低误差累计，使隧道整体位置准确。在掘进机上设置定位凿孔装置，结合定位掘进系统，实现硬岩凿孔的自动控制，无需专门先用凿孔机26进行凿孔，提高工作效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。