一种煤矿掘进机截割路径自主规划系统及方法与流程

本发明涉及智能化掘进设备，更具体地说，它涉及一种煤矿掘进机截割路径自主规划系统及方法。

背景技术：

1、掘进机是用于平直地面下开凿巷道的机器，能够截割出预定形状的巷道以便后续采煤工作。

2、现有技术中，掘进机截割机构在工作时的截割动作和路径主要是依靠人工控制操作台上的各种控制手柄，实现控制油缸的升降，进而实现对截割机构工作状态的控制，具体动作为根据截面要求，先截割外轮廓得到大致截面形状，接下来使用测绘工具不断测量修正，直到达到规定的截面形状尺寸。

3、然而，采用这样的截割方式，断面成形的质量主要由人为主观因素决定，会出现超割或欠割的现象，导致截割精度低，且目前能够实现自动截割的掘进机上截割头也是按照设定好的固定路线进行截割，不能根据掘进机的位置变化和工作面的岩石硬度变化进行自动调整截割头的运动路径和速度，为此，现提出一种煤矿掘进机截割路径自主规划系统及方法以改善现有存在的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种煤矿掘进机截割路径自主规划系统及方法，以改善截割头不能根据掘进机的位置变化和工作面的岩石硬度变化进行自动调整截割头的运动路径和速度的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：机体，所述机体的顶部转动连接有基座，所述基座远离机体的一端铰接有截割部，所述截割部的一侧设置有液压部，所述液压部上设置有检测模块，所述检测模块用于检测截割部的传感信息；

3、主控模块，所述主控模块与检测模块连接，所述主控模块用于接收所述检测模块传输的传感信息，处理所述传感信息，对所述液压部与待截割物之间进行位置定位分析，得到截割路径规划，所述主控模块基于截割路径规划自动控制所述液压部的切割动作；

4、所述传感信息包括：伸长量和转动角度。

5、进一步，具体地，所述液压部包括两组回转液压缸和两组俯仰液压缸，两组所述回转液压缸的一端分别连接于机体的两侧侧壁，另一端分别连接于截割部的两侧侧壁，两组所述俯仰液压缸的一端分别连接于机体的一端，另一端分别连接于所述截割部的底部；两组所述回转液压缸用于控制截割部截割的左右方向，两组所述俯仰液压缸用于控制截割部截割的上下方向。

6、进一步，具体地，所述截割部包括两组前后伸缩液压缸、设置于所述两组前后伸缩液压缸一端的截割电机、设置于所述截割电机输出端的截割臂，以及设置于所述截割臂远离截割电机一端的截割头；

7、所述截割电机的输出端能够贯穿截割臂的两端、并连接于所述截割头，两组所述前后伸缩液压缸用于控制截割头截割时缩进的位移量。

8、进一步，具体地，所述检测模块包括第一传感检测单元、第二传感检测单元和第三传感检测单元；

9、所述第一传感检测单元位于每组回转液压缸的侧壁上，所述第一传感检测单元用于检测每组回转液压缸的伸长量，以及基座和机体的水平转动角度；

10、所述第二传感检测单元位于每组俯仰液压缸的侧壁上，所述第二传感检测单元用于检测每组俯仰液压缸的伸长量，以及基座和截割部的竖直转动角度；

11、所述第三传感检测单元位于每组前后伸缩液压缸的侧壁上，所述第三传感检测单元用于检测每组前后伸缩液压缸的伸长量；

12、所述第一传感检测单元、第二传感检测单元和第三传感检测单元将检测到传感信息传输至所述主控模块。

13、进一步，具体地，所述截割臂和两组回转液压缸组成左右摆动杆，所述截割臂和两组俯仰液压缸组成上下摆动杆，所述左右摆动杆、所述上下摆动杆，以及截割头组成的两转一移机构。

14、进一步，具体地，所述位置定位分析包括以下步骤：

15、s1、基于传感信息构建截割部的空间位姿模型；

16、s2、以基座转动轴圆心为原点，掘进机的左右方向为x轴、掘进机长度方向为y轴以及掘进机的上下方向为z轴构建三维坐标系；

17、s3、设左右摆动杆的长度为l1，上下摆动杆的长度为l2，上下摆动杆的伸长量为l3，上下摆动杆转动副高于左右摆动杆的距离为a，左右摆动杆与x轴的夹角为α，上下摆动杆与水平面的夹角为θ；

18、由左右摆动杆的摆动角度α，上下摆动杆与水平面夹角θ与伸长量l3计算所述截割头空间位置，计算公式为：

19、

20、s4，基于截割头的空间位置坐标，推导得到了截割臂转角与截割头空间位置的关系函数。

21、进一步，具体地，所述截割臂转角变化是由各驱动液压缸驱动；

22、获得两组所述回转液压缸伸长量与其转角关系，包括以下步骤：

23、n1、以掘进机俯视图为准，以基座转动轴圆心为坐标原点a,沿截割头方向为y轴，沿掘进机右方为x轴，两组所述回转液压缸分别为eb与fa；

24、n2、设为eb的起始长度，为fa的起始长度，θ1为eb为y轴的夹角，θ2为fa为y轴的夹角，根据水平夹角α确定回转液压缸伸长量的计算公式；

25、获得两组所述俯仰液压缸伸长量与其转角关系，包括以下步骤：

26、m1、以掘进机侧视图为准，以基座转动轴圆心为坐标原点a,沿截割头水平方向为y轴，沿掘进机上方正方形为z轴；两组所述俯仰液压缸的伸长量相同，按照一个计算即可，设俯仰液压缸为hf；

27、m2、设上下转动副在e点，ef为截割臂起始位置，ef′为截割臂摆动后的位置，俯仰液压缸起始长度hf为与水平夹角为β0，俯仰液压缸身长之后的长度hf′为l6，与水平面夹角为β0；已知量为h、e点坐标，ef长度；

28、俯仰液压缸伸长量计算公式为：

29、

30、两组前后伸缩液压缸伸长量与其伸缩量关系：

31、假设初始的液压缸伸长量大小是液压缸本身的长度，得到其伸缩液压缸伸长量是伸缩杆本身，所以其液压缸伸长量δl7与截割臂的伸长量l3相等，即δl7＝l3。

32、进一步，具体地，根据截割臂转角与截割头空间位置的关系函数，以及基于截割臂和各个驱动液压缸的位置关系，得到各个驱动液压缸伸长量与截割头的关系函数；

33、基于各个驱动液压缸伸长量与截割头的关系函数，得到不同截割截面路径规划，所述截割头基于截割截面路径规划截割，所述切割截面包括：带圆角方形截面、带圆角矩形截面、圆形截面、椭圆形截面和拱形截面；

34、a、带圆角方形截面的截割包括以下步骤：

35、a1、设以方形的中点为截割的起始点，先向正右方截割一个进给量的长度，再向正下方截割一个进给量长度，然后向正左方截割两个进给量长度，再向正上方截割两个进给量长度，完成四次称为一个循环；

36、a2、当剩余截割长度达到总方形边长与圆角直径差值时，下一个循环中向下、向左、向上截割两两之间增加一个半径为进给量的四分之一圆；

37、a3、之后每个循环的四个直线方向距离不再增加，但循环直线方向间的圆弧半径，每经过一个循环增加一个进给量长度，直到直线长度与圆弧直径的和与截面总边长相等时结束循环，再围绕整个截面外轮廓进行截割；

38、b、带圆角矩形截面的截割包括以下步骤：

39、b1、从截面中点出发，进行右下左上四个正方向的直线循环，进给量根据截面形状发生变化；

40、b2、设矩形长为a、宽为b，每个循环的左右正方向路径增加一个单位的进给量，上下正方向路径增加b/a进给量长度；

41、b3、当长度方向到达总边长与圆角直径长度差值时，进行一个与方形截面相同的循环，增加为四分之一椭圆弧，长轴依然是一个进给量长度，短轴是b/a的进给量长度；

42、c、带圆形截面的截割包括以下步骤：

43、以圆心为起点，根据公式绘制阿基米德螺旋线，公式为：

44、

45、其中，r＝aθ，a为进给量，角度为自变量，变化量为θ＝0:-π/60:-r/a，r为圆形截面的半径，由半径和角度的增量形成一条阿基米德螺旋线，角度由r/a限制，半径由r限制；

46、最后,根据圆形截面的外轮廓截割一圈；

47、d、带椭圆形截面的截割包括以下步骤：

48、以椭圆中心为起点，根据公式绘制，公式为：

49、

50、其中，m为椭圆形长轴长度，n为短轴长度，d为进给量，公式中a与b分别控制长轴和短轴的长度，θ控制角度变化；

51、最后,根据椭圆形截面的外圈轮廓进行截割；

52、e、带椭圆形截面的截割包括以下步骤：

53、e1、以拱形中四边形顶边的中点，向正右方截割一个进给量长度，向正下方截割一个进给量长度，向正左方截割两个单位长度进给量，向上截割一个单位长度进给量；

54、e2、设拱形中四边形长为a、宽为b，拱形圆弧弧度为α，进给量大小为k，可以得到圆弧的半径为k/sin(α/2)，根据此长度绘制拱形顶端弧形路径；

55、e3、循环以绘制圆弧路径开始，向正下，正左，正上分别绘制直线,直到圆弧到达拱形截面外轮廓时结束绘制，再外轮廓线截割一圈。

56、基于不同截割截面路径规划的规划结果进行路径优化；

57、所述路径优化包括基于剪刀脱落法的路径优化，具体包括以下步骤：

58、h1、使用硬度为f9级别的花岗岩进行研究，首先计算截割硬岩时的掘进力，掘进力实际上是使岩石块体剪切破坏的剪切力fq为：

59、fq＝f阻

60、根据剪切应力公式计算剪切应力：

61、

62、其中，a为剪切面的截面积；

63、h2、当剪切应力达到或者超过许用剪切应力时，就会发生剪切破坏；结构面抗剪强度τ的经验公式如下：

64、

65、σn作用于节理面上的正应力，jrc为节理面粗糙度系数，jcs为节理面壁的抗压强度，φb为基本内摩擦角；

66、所述路径优化还包括基于粘结破坏计算的路径优化，具体包括以下步骤：

67、j1、使用粉砂岩，计算其粘结力

68、

69、c为岩石的粘聚力，gt为脱落岩石块的自重压力，φ为脱落岩石块的内摩擦角；

70、j2、脱落岩石块的自重由密度算出，设脱落岩石块的体积为v，根据密度公式为

71、gt＝vpg

72、脱落岩石的内摩擦角可以由围岩的内摩擦角计算得出，其转化公式为

73、

74、n为围岩的自由面系数，其值与自由面个数成反比；

75、j3、根据岩石的有效应力抗剪强度公式

76、

77、τf为剪切破坏面上的剪应力，也就是粉砂岩的抗剪强度，可分为两部分来理解：一部分与颗粒间的法向应力有关，本质就是颗粒间的摩擦力；另一部分与法向力无关，是已经计算过的粘聚力；

78、j4、剪切强度

79、

80、ε为剪切应变；

81、g为粉砂岩的剪切模量：g＝e/(2(1+v))

82、e为粉砂岩的弹性模量，v为粉砂岩的泊松比；

83、j5、根据如下切应力公式：

84、

85、f切等于脱落岩石的自重；

86、根据体积公式v＝ad，v为最后要求的脱落岩石的体积，d为截割头的切入深度。

87、一种煤矿掘进机截割路径自主规划方法，采用如上所述的煤矿掘进机截割路径自主规划系统，包括以下步骤：

88、步骤一、检测截割部的传感信息；

89、步骤二、基于传感信息构建截割部的空间位姿模型，推导截割臂转角与截割头空间位置的关系函数，并根据各个驱动液压缸与截割臂的建构位置关系，得到了各个驱动液压缸伸长量与截割头的空间位置关系函数；

90、步骤三、基于各个驱动液压缸伸长量与截割头的关系函数，得到了不同截割截面路径规划，截割截面可分为五大类，分别是带圆角方形截面、带圆角矩形截面、圆形截面、椭圆形截面和拱形截面；

91、步骤四、基于不同截割截面路径规划的规划结果进行路径优化。

92、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

93、(1)根据截割头空间位置与截割臂转角之间的关系函数，推导出了各驱动液压缸伸长量与截割头空间位置的关系函数；根据截割截面的不同，对每种截面的截割路径进行了规划。

94、(2)根据岩体的硬度不同，对掘进机截割的岩石分为了硬岩与软岩，对两种岩石分别进行了截割自由脱落的最小块体计算，得到适合两种岩体截割的进给量。

95、(3)通过计算的硬岩和软岩的自然脱落法，对截割路径进行进一步的优化，能减少截割头的截割距离，可以更高效地完成截割。