專利名稱：全自動掘進(jìn)機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦用掘進(jìn)機設(shè)備，具體地說是一種全自動掘進(jìn)控制系統(tǒng)。 它可實現(xiàn)全自動掘進(jìn)操作，可以減少人為因素的影響，使掘進(jìn)巷道更準(zhǔn)確。
背景技術(shù)：
目前， 一般的掘進(jìn)機進(jìn)給都是依靠煤礦工人手動操作，來控制設(shè)備完 成掘進(jìn)任務(wù)的。但是由于礦井內(nèi)工作環(huán)境惡劣，體力消耗大，手動操作使 煤礦工人承擔(dān)較大的勞動強度，同時也增加了煤礦工人在井下操作的危險 性。所以，非常需要一種全自動掘進(jìn)操作機械，來提高工作效率，降低操 作者的勞動強度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種工作效率高、能大大 降低搡作者勞動強度的全自動掘進(jìn)機。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所釆用的方案是由地測數(shù)據(jù)生成掘進(jìn)機的運 動軌線及航天導(dǎo)航定位儀實時檢測掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)，對 掘進(jìn)機實施位置控制，實現(xiàn)自動尋跡功能，包括
上位機，存有系統(tǒng)管理程序；接收航天導(dǎo)航定位儀上傳數(shù)據(jù)，通過 CAN-BUS傳輸接口與下位機通訊；
航天導(dǎo)航定位儀，由測量單元和各種傳感器組成，將傳感器采集到的 各種信息傳送到測量單元進(jìn)行信號處理，將掘進(jìn)機特征提取值和導(dǎo)航計算 值通過RS-232接口傳送到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)特征融合；
下位機，以兩個運動控制器(主運動控制器和輔助運動控制器)為核 心，作為控制部分；通過RS-232接口與航天導(dǎo)航定位儀與上位機的通訊， 實時檢測掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)，由下位機對掘進(jìn)機實施位置 控制，實現(xiàn)自動尋跡功能；運動控制器根據(jù)預(yù)存在上位機里的地測數(shù)據(jù)及 航天導(dǎo)航定位儀所提供的本地數(shù)據(jù)及自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開采面的網(wǎng) 格數(shù)據(jù)，以及掘進(jìn)機和截割頭的當(dāng)前位置通過執(zhí)行機構(gòu)對掘進(jìn)機和截割頭 進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)自動掘進(jìn)機的自動開釆。
其中所述主運動控制器，存有下位機控制程序，控制與液壓回路液壓 換向閥相連的電磁閥，控制液壓馬達(dá)的運行及轉(zhuǎn)向，從而控制掘進(jìn)機的左 前進(jìn)、左后退、右前進(jìn)、右后退、星輪正轉(zhuǎn)及星輪反轉(zhuǎn)；經(jīng)第一 八繼電器 的線圈的常開接點分別與油泵電機、高速截割電機、低速截割電機，二運 電機、以及循環(huán)泵電機回路的第一 五真空接觸器的線圈相連，從而實現(xiàn)對
各電機的控制；
傾角傳感器，分別接收截割臂的傾角的檢測信號及掘進(jìn)機伊扳的傾角
信號，經(jīng)CAN總線發(fā)送隨之發(fā)生變化的數(shù)據(jù)至上位機；
綜合轉(zhuǎn)換電路，作為顯示器與CAN總線的RS-422/CAN的轉(zhuǎn)換電路； 旋轉(zhuǎn)編碼器，接收截割臂的擺轉(zhuǎn)角度信號，經(jīng)CAN總線上發(fā)送隨之發(fā) 生變化的數(shù)據(jù)至上位機；
導(dǎo)|^位儀，接收傳感器信號，經(jīng)過信號預(yù)處理，將結(jié)雜凝ij上^Ml; 遙控接收器，接收遙控發(fā)射器的指令，并將控制指令發(fā)送到CAN總線 上，通過CAN總線傳送到主運動控制器；
脈沖位移傳感器，安裝在截割頭伸縮油缸內(nèi)部、用來截割頭的伸縮位 置，輸出的電流信號至航天導(dǎo)航定位儀；
輔助運動控制器經(jīng)繼電器及電磁水閥來控制水路，實現(xiàn)截割時的冷卻和滅塵。 其中所述上位機中系統(tǒng)管理程序流程中主程序包括自檢子程序流程， 行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序，檢査截割狀態(tài)子程序流程，經(jīng)實時通信接口 與下位機通信，通過CAN總線接收安裝在截割臂上的傾角傳感器和安裝在 回轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的數(shù)據(jù)、遙控接收器等發(fā)送的信息，執(zhí)行實時監(jiān) 控程序，對運動軌跡、車體位置、車體姿態(tài)、截割頭位置進(jìn)行顯示；具體 流程為初始化，裝入掘進(jìn)機車體軌跡、確定作業(yè)規(guī)劃和控制策略并進(jìn)行 系統(tǒng)自檢，并將這些數(shù)據(jù)和命令通過通訊接口下達(dá)到下位機，由下位機完 成所有的控制工作；調(diào)用自檢子程序，查詢開始按鈕是否按下，否則重復(fù) 查詢開始按鈕是否按下，是則裝入車體軌跡；求得當(dāng)前車體坐標(biāo)與目標(biāo)點 之間的坐標(biāo)偏差；再判斷當(dāng)前掘進(jìn)機車體是否應(yīng)該到達(dá)目標(biāo)點，若否，則 查詢是否有人工啟動信號，如有人工啟動信號，調(diào)用行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡 子程序；當(dāng)掘進(jìn)機到達(dá)目標(biāo)點時，或行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序執(zhí)行完畢 時，發(fā)送安放支撐命令，當(dāng)放好支撐后執(zhí)行檢查截割狀態(tài)子程序，之后在 收好支撐時返回載入車體軌跡步驟。
下位機的控制程序在主運動控制器中運行，進(jìn)行掘進(jìn)機車體運動控制、 截割頭的升降、回轉(zhuǎn)控制和伸縮控制并與上位機實時通訊、實現(xiàn)對執(zhí)行機 構(gòu)的實時控制；接收手動/自動切換指令，處理暫時不能識別的異常地質(zhì)結(jié) 構(gòu)情況下的手動操作處理，方便系統(tǒng)調(diào)試，并通過傳感器檢測截割電流的 大??；系統(tǒng)初始化后調(diào)用顯示輸出程序、數(shù)據(jù)釆集與、數(shù)據(jù)處理、報警輸 出控制后調(diào)用油泵控制子程序和截割電機控制子程序進(jìn)行電機運行控制。 本發(fā)明的有益效果是
1. 工作效率高是本發(fā)明的顯著特點。采用本發(fā)明可以達(dá)到無人化自動 掘進(jìn)，運行中的水平度、方位自動判斷，掘進(jìn)進(jìn)程優(yōu)化控制，環(huán)境狀態(tài)的 智能識別，所以大大提高了工作效率。
2. 降低勞動強度、保證安全生產(chǎn)。本發(fā)明釆用遙控器對掘進(jìn)機的工作進(jìn)行控制，使井下搡作人員在任何方便和安全的位置控制掘進(jìn)機，克服了 現(xiàn)有技術(shù)因礦井內(nèi)工作環(huán)境惡劣、體力消耗大、手動操作使煤礦工人承擔(dān) 較大的勞動強度的不足，同時也消除了煤礦工人在井下操作的危險性。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明更具有如下主要功能 (1 )自主定位尋跡功能由地測數(shù)據(jù)生成掘進(jìn)機的運動軌跡及慣性導(dǎo) 航系統(tǒng)，實時檢測掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)，對掘進(jìn)機實施位置 控制，實現(xiàn)自動尋跡功能。
(2) 自動開釆功能由地測數(shù)據(jù)及航天導(dǎo)航定位儀(Inertia Measure Unit, IMU)慣測所提供的本地數(shù)據(jù)，自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開采面的網(wǎng) 格數(shù)據(jù)，即截割斷面變成由許多點組成的網(wǎng)格，根據(jù)航天導(dǎo)航定位儀提供 的截割頭在虛擬的載體坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)及截煤工藝發(fā)出伸縮或偏移命 令，命令傳給掘進(jìn)機控制系統(tǒng)，通過對截割頭的位置控制，實現(xiàn)自動開采。
(3) 手動控制功能基于不能自主識別開釆面地質(zhì)層異常狀態(tài)，因此 保留原機手動控制功能。
(4) 環(huán)境狀態(tài)的智能識別功能當(dāng)掘進(jìn)機遇到硬巖或大塊落煤的情況 時，掘進(jìn)機將根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行判別截割環(huán)境的狀態(tài)，并根據(jù)截割 環(huán)境來控制截割頭的移動速度和截割速度。


圖1-1為硬件系統(tǒng)方案總圖。
圖l-2為圖1-1中航天導(dǎo)航定位儀與上位機和下位機的連接結(jié)構(gòu)圖。 圖2-1為系統(tǒng)管理程序結(jié)構(gòu)框圖。 圖2-2-1為上位機中系統(tǒng)管理主程序流程圖。 圖2-2-2為主程序中自檢子程序流程圖。 圖2-2-3為主程序中行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序流程圖。 圖2-2-4為主程序中檢査截割狀態(tài)子程序流程圖。 圖3-1為下位機控制程序結(jié)構(gòu)框圖。 圖3-2-1為控制主程序流程圖。 圖3-2-2為電機運行控制中油泵控制子程序流程圖。 圖3-2-3為電機運行控制中截割電機控制子程序流程圖。 圖3-2-4為控制主程序中的輸出顯示子程序流程圖。 圖3-2-5為控制主程序中數(shù)據(jù)采集與處理子程序流程圖。 圖3-2-6為控制主程序中報警輸出控制子程序流程圖。 圖4為電氣主回路原理圖。 圖5為控制部分電路原理圖(含主運動控制器)。 圖6為控制部分電路原理圖(含輔助運動控制器)。 圖7為控制部分電路原理圖(含第一 二傾角傳感器、綜合轉(zhuǎn)換電路、 旋轉(zhuǎn)編碼器、航天導(dǎo)航定位儀、遙控接收器、脈沖位移傳感器)。
圖8為控制電源回路原理圖。
圖9為控制部分電源電路原理圖。 圖IO為電控箱結(jié)構(gòu)示意圖(內(nèi)部)。 圖11為遙控發(fā)送器面板示意圖(布局)。 圖12為掘進(jìn)機坐標(biāo)位置控制原理框圖。 圖13為截割頭坐標(biāo)位置控制原理框圖。
圖14-1為電控箱通電后主運動控器與實時監(jiān)控制程序控制的顯示屏通 訊畫面。
圖14-2為電控箱通電后數(shù)秒主運動控器與實時監(jiān)控制程序控制的顯示 屏通訊畫面。
圖14-3為切割高速電機溫度超溫畫面。
圖14-4為電機漏電閉鎖檢測通訊畫面(油泵電機啟動前在無故障時)。 圖14-5為高速截割電機啟動、停止檢測通訊畫面(油泵電機啟動前在 無故障時)。
圖14-6為低速截割電機啟動、停止檢測通訊畫面(油泵電機啟動前在 無故障時)。
圖14-7為二運電機啟動、停止檢測通訊畫面(油泵電機啟動前在無故 障時)。
圖14-8為循環(huán)泵電機啟動、停止檢測通訊畫面(油泵電機啟動前在無 故障時)。
圖14-9為車體姿態(tài)顯示畫面。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
考慮到設(shè)備原機的繼承性，系統(tǒng)控制精度、成本、'周期及其它主機性 能指標(biāo)，總體設(shè)計思想為基于多傳感器信息融合技術(shù)，慣性測量方式，
對被控對象自主尋跡，實現(xiàn)環(huán)境的智能識別。同時基于優(yōu)化控制技術(shù)，尋 求設(shè)備效率的最大化，并通過計算機圖形技術(shù)，建立良好的人機環(huán)境。
包括上位機、下位機、航天導(dǎo)航定位儀、驅(qū)動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)及機械 部分，其中
驅(qū)動機構(gòu)由液壓泵、截割電機、油泵電機等組成； 執(zhí)行機構(gòu)由液壓換向電磁閥、液壓油缸、液壓馬達(dá)等組成； 機械部分由本體部、截割部、伊板部、第一運輸部、行走部及后支撐
部等組成。 ' 考慮到設(shè)備的可靠性，均選用國外知名公司產(chǎn)品，硬件系統(tǒng)同時冗余
多個釆集通道及傳感器(具體參見控制部分說明)。
上位機(存有系統(tǒng)管理程序)、下位機以及航天導(dǎo)航定位儀都放在電控
箱內(nèi)，下位機由兩個運動控制器(本實施例采用芬蘭EPEC公司生產(chǎn)的
SPT-K-2023作為主運動控制器和SPT-K-2024作為輔助運動控制器)組成， 作為控制部分；如圖1-1、 1-2所示，上位機采用工控機的主板(系統(tǒng)管理 主程序)和接口 ，具有RS-232和CAN-BUS傳輸接口 ， RS-232用于航天導(dǎo) 航定位儀(測量單元和各種傳感器組成)與上位機的通訊，將傳感器采集 到的各種信息傳送到測量單元進(jìn)行信號處理，將掘進(jìn)機特征提取值和導(dǎo)航 計算值通過RS-232接口傳送到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)特征融合，然后上位機通過
CAN-BUS傳輸接口與下位機通訊，將導(dǎo)航數(shù)據(jù)即掘進(jìn)機慣性空間絕對位置 坐標(biāo)、掘進(jìn)機的性態(tài)特征(掘進(jìn)機的姿態(tài)特征)以及截割頭的位置(即相 對截割頭于掘進(jìn)機本體的慣性空間絕對位置)坐標(biāo)傳送到下位機，即傳送 到兩個運動控制器中，運動控制器根據(jù)預(yù)存在上位機里的地測數(shù)據(jù)及航天 導(dǎo)航定位儀所提供的本地數(shù)據(jù)及自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開采面的網(wǎng)格數(shù) 據(jù)，以及掘進(jìn)機和截割頭的當(dāng)前位置通過執(zhí)行機構(gòu)對掘進(jìn)機和截割頭進(jìn)行 實時控制，實現(xiàn)自動掘進(jìn)機的自動開采。
運動控制器也是一種PLC (可編程控制器)，是控制部分的主要控制元 件，如圖5-7所示，兩個運動控制器組成的下位機作為控制部分，所述控制 部分由主運動控制器U1 (存有下位機控制程序)、輔助運動控制器U2、傾 角傳感器(本實施例采用芬蘭AXIOMATIC公司生產(chǎn)的 MVINC-CO-2-PGll)、綜合轉(zhuǎn)換電路U5、旋轉(zhuǎn)編碼器U6 (本實施例采用 德國FRABA公司生產(chǎn)的OCD-C600B-0012-PRL)、航天導(dǎo)航定位儀U8 、 遙控接收器U9、脈沖位移傳感器U12,其中
脈沖位移傳感器U12安裝在截割頭伸縮油缸內(nèi)部、用來截割頭的伸縮 位置，將截割頭的伸縮位置轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號送到航天導(dǎo)航定位儀 U8，數(shù)字化處理后傳送到上位機。 '
航天導(dǎo)航定位儀U8接收傳感器信號，經(jīng)過信號預(yù)處理，將結(jié)果通過 RS-232接口傳送到上位機。 、
掛在CAN總線上的第一傾角傳感器U3用來檢測截割臂的傾角，截割 臂的傾角發(fā)生變化，第一傾角傳感器U3自動經(jīng)CAN總線上發(fā)送隨之發(fā)生 變化的數(shù)據(jù)至上位機，第二傾角傳感器U4用來檢測掘進(jìn)機鏟扳的傾角，經(jīng) CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機。
綜合轉(zhuǎn)換電路U5是顯示器與CAN總線的RS-422/CAN的轉(zhuǎn)換電路(為 巿購產(chǎn)品，型號EC-7)，因為顯示器接口是RS-422的。
旋轉(zhuǎn)編碼器U6 (安裝在回轉(zhuǎn)臺上)用來檢測截割臂的擺轉(zhuǎn)角度，截割 臂的擺轉(zhuǎn)角度變化，旋轉(zhuǎn)編碼器U6經(jīng)CAN總線上發(fā)送隨之發(fā)生變化的數(shù) 據(jù)至上位機。
遙控接收器U9用來接收遙控發(fā)射器的指令,并將控制指令發(fā)送到CAN 總線上。
主運動控制器Ul從CAN總線上接收指令，主運動控制器Ul經(jīng)第一
四電磁閥YA1 YA4分別控制掘進(jìn)機的左、右行走馬達(dá)；經(jīng)第七 八電磁閥 YA7-YA8控制收煤的星輪正、反轉(zhuǎn)；主運動控制器Ul通過控制第一 四 電磁閥YA1-YA4及第七 八電磁閥YA7 YA8來控制液壓回路液壓換向 閥，由液壓馬達(dá)輸出軸驅(qū)動掘進(jìn)機的左、右行走和左、右星輪；所述第一 八電磁閥YA1 YA8是液壓回路中的先導(dǎo)控制閥，先導(dǎo)控制閥用來控制液 壓換向閥，液壓換向閥用來切換壓力油的方向，液壓回路中壓力油的方向 改變了，則液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向也發(fā)生改變；掘進(jìn)機的左、右行走和左、右 星輪由4個液壓馬達(dá)驅(qū)動，所以主控制器U1控制電磁閥YA1 YA8能控制 掘進(jìn)機的左前進(jìn)、左后退、右前進(jìn)、右后退、星輪正轉(zhuǎn)及星輪反轉(zhuǎn)。主運 動控制器U1控制第一 八繼電器KA1 KA8線圈得電，通過繼電器的常開 接點分別與控制油泵電機M1、高低速截割電機M2、 M3， 二運電機M4、 以及循環(huán)泵電機M5回路的第一 五真空接觸器KM1 KM5的線圈相連，從 而實現(xiàn)對各電機的控制。利用第七 十一繼電器KA7 KA11的常開接點用 來將漏電閉鎖檢測模塊(參見圖4)分別接到油泵電機、二運電機、截割電 機、以及循環(huán)泵電機的主回路，測量油泵電機、二運電機、截割電機、以 及循環(huán)泵電機回路的漏電流，當(dāng)某一回路漏電流超過規(guī)定值時，則主運動 控制器U1發(fā)出指令，所有電機都不能啟動，實現(xiàn)漏電閉鎖功能；總急停按 鈕SB2 (設(shè)在掘進(jìn)機整機油箱前側(cè)作為機器總急停)、二運停按鈕SB4 (設(shè) 在二運電機旁邊，它作為二運的急停)常閉觸點相串聯(lián)后通過與接24V的 中間繼電器KAO相連，控制中間繼電器KAO的線圈的電源，兩個急停按鈕 中的任何一個被按下，則其常閉觸點斷開，中間繼電器KAO線圈斷電，中 間繼電器KA0常開接點斷開，則經(jīng)中間繼電器KA0常開接點送到主運動控 制器U1的XM2.5管腳的輸入信號消失，控制器發(fā)出指令立即停車，設(shè)備 停止運轉(zhuǎn)；主運動控制器U1經(jīng)接線端子端接截割緊急停止按鈕SB3 (設(shè)在 整機左側(cè)作為截割電機的急停),其常閉觸點與主運動控制器U1的XM2.13 相連接，另一端接24V，當(dāng)該按鈕被按下時，其常閉觸點斷開，主運動控 制器U1的XM2.13無信號輸入，主運動控制器U1發(fā)出指令，截割電機立 即停止運轉(zhuǎn)，主運動控制器Ul經(jīng)第三斷路器QF3接至控制電源回路中冷 卻水路處，第三斷路器QF3對冷卻水路的第一 四電磁水閥YV1 YV4回路 進(jìn)行過流和過載保護(hù)；主運動控制器Ul經(jīng)第四斷路器QF4接至控制電源 回路中報警電鈴BHL回路，第四斷路器QF4對報警電鈴BHL回路進(jìn)行過 流和過載保護(hù)；主運動控制器Ul經(jīng)第五斷路器QF5接至控制電源回路中 照明回路，第五斷路器QF5對第一 三照明燈HL1 HL3所在照明回路進(jìn)行 過流和過載保護(hù)；第一 三溫度開關(guān)TS1 TS3 (常閉狀態(tài))埋在油泵電機 Ml、高速截割電機M2及低速截割電機M3里，正常情況接收24V信號， 電機的溫度達(dá)到145。C時，溫度開關(guān)的常閉觸點斷開，則通過第一 三溫度 開關(guān)TS1 TS3送到主運動控制器Ul的XM1.9 、 Ul的XM1.10、 Ul的
XM1.11管腳的輸入信號消失，主運動控制器U1發(fā)出指令，設(shè)備停止運轉(zhuǎn)，
并在顯示屏上給出報警信息，參見圖5、圖6和圖14-3。主運動控制器U1 還分別與第一 五真空接觸器KM1 KM5常開觸點相連，在用來判斷真空接 觸器的主觸電是否粘連；所述輔助運動控制器U2控制電磁閥箱里的第九 二十電磁閥YA9 YA20,分別控制一運正反轉(zhuǎn)、截割頭的升降、截割頭的 擺轉(zhuǎn)、截割頭的伸縮、伊扳的升降、后支撐的伸縮的液壓回路里的換向閥， 實現(xiàn)一運正轉(zhuǎn)、 一運反轉(zhuǎn)、截割上升、截割下降、截割左轉(zhuǎn)、截割右轉(zhuǎn)、 截割伸出、截割縮回、鏟板上升、鏟板下降后支撐伸出及后支撐縮回。
輔助運動控制器U2還經(jīng)第十二 十五繼電器KA12 KA15 (安裝在電 控箱內(nèi))控制電源回路中所述冷卻水路中的第一 四電磁水閩YV1 YV4， 用來控制水路，實現(xiàn)截割時的冷卻和滅塵。第十六繼電器KA16安裝在電 控箱內(nèi)，于輔助運動控制器U2與照明燈之間，第十六繼電器KA16線圈得 電，其常幵接點接通，通過接線端子控制設(shè)備上的后照明燈點亮。
CAN,全稱為"Controller Area Network",即控制器局域網(wǎng)，是國 際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場中總線之一，CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)可掛127個 節(jié)點，CAN可提供達(dá)IMbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有很強的實時性，使實 時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤鑒定特性也增強了 CAN的抗電磁 干擾的能力。
對掘進(jìn)機的操作可通過遙控發(fā)射器進(jìn)行，遙控接收器U9安裝在電控箱 的側(cè)面，通過通訊電纜與電控箱內(nèi)部的CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接，遙控接收器接 收的控制指令通過CAN總線傳送到主運動控制器U1，輔助運動控制器U2 執(zhí)行的命令是從CAN總線接收的主輔助控制器Ul發(fā)出的命令。手動自動 切換是通過對遙控發(fā)射器上的手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作來完成的，請參見 圖11。 '
參見圖2-l,航天導(dǎo)航定位儀U8中所述各種傳感器包括溫度傳感器(安 裝在電控箱內(nèi)，檢測電控箱溫度的溫度)、壓力傳感器(安裝在設(shè)備車體上， 檢測大氣壓力)、電源傳感器屬于航天導(dǎo)航定位儀的元件，檢測航天導(dǎo)航定 位儀的電壓是否正常)、位移傳感器(安裝在截割頭伸縮油缸內(nèi)，測量出截 割頭的伸縮量，傳送到上位機，來確定截割頭當(dāng)前位置坐標(biāo))、航天導(dǎo)航定 位儀U8可測量出車體在慣性空間絕對坐標(biāo)系的位移量，作為前進(jìn)與后退的 信息，傳送到上位機)、航天導(dǎo)航定位儀U8可測量車體與慣性空間絕對坐 標(biāo)系三軸的角度，作為車體姿態(tài)信息，傳送到上位機)；各傳感器信號經(jīng)測
量單元傳送到上位機。
所述測量單元是一塊計算機電路板PhyCore-MPC555，(巿購產(chǎn)品)。包
括經(jīng)輸入輸出接口，接收各傳感器信號，將各傳感器的信號進(jìn)行預(yù)處理， 將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，以便進(jìn)行計算機處理，然后進(jìn)提取特征(如3 個方向的位移，與空坐標(biāo)軸的夾角)、導(dǎo)航計算(參見下述計算公式，A=ME-Nt， A-Me - M,)該產(chǎn)品可在高速移動、苛刻的環(huán)境下工作(工作溫度-40 ~ 125°C),性能優(yōu)良并具有高度的靈活性和可靠性。
測量單元主要有以下功能模塊
主頻40MHz的精簡指令集CPU (RCPU);
四級存儲器控制器；
U-Bus系統(tǒng)接口單元(USIU);
靈活的指令和數(shù)據(jù)存儲保護(hù)單元；
448K字節(jié)Flash EEPROM ;
26K字節(jié)SRAM;
雙時間處理單元(TPU3);
18通道模塊I/O系統(tǒng)(MIOS1 );
雙隊列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(QADC);
雙CAN2.0B控制器模塊(TouCANs);
隊列串行多通道模塊(QSMCM )。
本實施例測量單元配有各類應(yīng)用1/0模塊(即輸入輸出接口電路)、 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及通信接口并裝有一套實時操作系統(tǒng)。所有與測量單元連 接的傳感器都是通過測量單充電路板上的I/O模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來實現(xiàn) 的。
利用航天導(dǎo)航定位儀U8 (參見附圖7)實時檢測掘進(jìn)機慣性空間絕對 位置坐標(biāo)，以及通過旋轉(zhuǎn)編碼器U6和第一傾角傳感器U3確定截割頭的坐 標(biāo)，并把檢測結(jié)果通過CAN總線傳送到上位機，上位機對監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)定 數(shù)據(jù)進(jìn)行比較后發(fā)送控制指令到下位機，由下位機對第一 四電磁閥YA1 -YA4進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對掘進(jìn)機行走液壓馬達(dá)的控制，對第十一 十六電 磁閬YA11 YA16進(jìn)行控制完成截割頭的升降、回轉(zhuǎn)、'伸縮功能，實現(xiàn)自 動尋跡(定位)掘進(jìn)功能。航天導(dǎo)航定位儀U8是基于MEMS技術(shù)的六自
由度固態(tài)慣性傳感器組合(巿購產(chǎn)品)，可準(zhǔn)確地測量被測物體在慣性坐標(biāo) 系中三個軸的角速率和線加速度，從而得到掘進(jìn)機在慣性坐標(biāo)系中三個軸 的角和位移。具有高可靠性和高封裝堅固性；所具有的六個自由度的每一 個都具備自檢測(Self-Test)功能。
MEMS ( Micro-Electro-Mechanical-Systems )是指集機械元素、微型傳 感器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微機 電系統(tǒng)。
參見圖2-l，上位機中系統(tǒng)管理程序流程為由主程序(包括自檢子程 序流程，行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序，檢查截割狀態(tài)子程序流程)經(jīng)實時 通信接口 (CAN接口)與下位機通信，通過CAN總線接收安裝在截割臂 上的傾角傳感器U3、安裝在回轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)編碼器U6和遙控接收器等發(fā)送 的數(shù)據(jù)，執(zhí)行實時監(jiān)控程序，對運動軌跡、車體位置、車體姿態(tài)、截割頭
亍立置進(jìn)行顯示。
實時監(jiān)控程序以仿真的二維(或三維)圖形化界面，對掘進(jìn)機的運動 軌跡、車體姿態(tài)和截割頭位置進(jìn)行實時監(jiān)視，在這個監(jiān)控畫面中，將以俯
仰側(cè)滾表顯示車體的姿態(tài)信息。圖14-9中，-90與90度之問的交界線表示 地球切平面。圓周上的刻度表示車體繞X軸、在[YOZ]平面上產(chǎn)生的角度， 即表示車體的側(cè)滾角度。圓周頂部的三角為側(cè)滾角度的指針。圓中間的刻 度表示車體繞Y軸、在[XOZ]平面上產(chǎn)生的角度，即表示車體的俯仰角度。 監(jiān)控畫面中還將顯示掘進(jìn)機的側(cè)滾角度和俯仰角度。用戶可以非常直觀的 了解掘進(jìn)機當(dāng)前的工作情況，并且可以將掘進(jìn)機的實際工作情況與給定工 作數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。
手動/自動切換功能，便于系統(tǒng)調(diào)試和用于暫時不能識別的異常情況的 手動處理。
所述主程序具體流程為初始化又包括掘進(jìn)機車體軌跡裝入、作業(yè)規(guī) 劃(截割參數(shù)據(jù)的確定)、控制策略(控制算法)選擇和系統(tǒng)自檢，在初始 化過程中，用戶可以通過可視化人機界面，設(shè)置掘進(jìn)機運動軌跡、截割頭 自動開釆方式和控制策略，并將這些數(shù)據(jù)和命令通過通訊接口下達(dá)到下位 機，由下位機完成所有的控制工作；調(diào)用自檢子程序，查詢開始按鈕是否 按下操作遙控器上的開始按鈕，否則重復(fù)查詢開始按鈕是否按下，是則裝 入車體軌跡；求得當(dāng)前車體坐標(biāo)與目標(biāo)點之間的坐標(biāo)偏差；再判斷當(dāng)前掘 進(jìn)機車體是否應(yīng)該到達(dá)目標(biāo)點，若否，則査詢是否有人工啟動信號，如有 人工啟動信號，調(diào)用行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序；當(dāng)掘進(jìn)機到達(dá)目標(biāo)點時, 或形勢狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序執(zhí)行完畢時，發(fā)送安放支撐(包括油缸的后 支撐、鏟板的前支撐)命令當(dāng)放好支撐后執(zhí)行檢查截割狀態(tài)子程序，之后 在收好支撐時返回載入車體軌跡步驟。 '
所述自檢子程序流程為首先，自檢(掘進(jìn)機的當(dāng)前狀態(tài))，接收下位 機傳輸?shù)木蜻M(jìn)機車體軌跡以及截割頭運行軌跡信息，輸出當(dāng)前車體坐標(biāo)值 以及截割頭的姿態(tài)角；其中系統(tǒng)自檢功能主要是便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。
行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序流程為先將坐標(biāo)偏差發(fā)給運動傳感器， 調(diào)整車體軌跡運行，再求出車體當(dāng)前坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差，再判斷 車體是否達(dá)到頂點，車體沒達(dá)到頂點，則返回調(diào)整車體軌跡運行步驟，否 則向下執(zhí)行。
所述檢查截割狀態(tài)子程序流程為接收支撐放好的命令后載入當(dāng)前挖 掘目標(biāo)點，并判斷當(dāng)前目標(biāo)是否為空(空節(jié)點)，若是則不需要掘進(jìn)，結(jié)東
程序運行；否則由軌跡偏差計算當(dāng)前目標(biāo)點實際應(yīng)該向下截割的量(這里
指掘進(jìn)機軌跡坐標(biāo)的計算，釆用公式A=ME-ML,即慣測的當(dāng)前位置與 地測數(shù)據(jù)的差值)；再進(jìn)行下一個挖掘目標(biāo)點的判斷如目標(biāo)點是空節(jié)點， 計算當(dāng)前目標(biāo)坐標(biāo)點經(jīng)過坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)，并計算機械臂處于當(dāng)前目標(biāo)
點時的方位角、俯仰角和臂長，置標(biāo)志位執(zhí)行截割頭的坐標(biāo)位置計算，載 入下一個挖掘目標(biāo)點，返回判斷當(dāng)前目標(biāo)是否為空步驟；如目標(biāo)點是非空 節(jié)點時，由軌跡偏差計算得下一目標(biāo)點實際應(yīng)該向下截割的量，分別計算 當(dāng)前目標(biāo)坐標(biāo)點以及下一個目標(biāo)坐標(biāo)點經(jīng)過坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)、計算機械 臂處于當(dāng)前目標(biāo)點坐標(biāo)點以及下一目標(biāo)坐標(biāo)點時的方位角、俯仰角和臂長
(信息分別取自第一傾角傳感器U3和旋轉(zhuǎn)編碼器U6，其第一傾角傳感器 U3提供截割臂傾角，旋轉(zhuǎn)編碼器U6提供截割臂擺轉(zhuǎn)角度)，并通過兩個目 標(biāo)點之間方位角、俯仰角和臂長的比較，確定當(dāng)前掘進(jìn)機的方向，置標(biāo)志 位，再執(zhí)行截割頭的坐標(biāo)位置計算(即截割頭動作軌跡坐標(biāo)，采用計算公 式A=Me-Mi)，最后載入下一個挖掘目標(biāo)點，返回判斷當(dāng)前目標(biāo)是否為 空步驟。
坐標(biāo)系定義
所述掘進(jìn)機慣性空間絕對位置的慣性坐標(biāo)系地心為坐標(biāo)原點，以Xn、 Yn、Zn為掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)，由測量單元提供的本地測量。 系統(tǒng)變量為
ML = (Xn Yn Zn)
載體坐標(biāo)系以掘進(jìn)機上的一點，即截割臂的回轉(zhuǎn)中心為原點，以X^、 Ygm、 Zgm為由地測數(shù)據(jù)提供的慣性空間的絕對目標(biāo)位置坐標(biāo)，其伸縮量來 自位移傳感器U12、俯仰角來自第一傾角傳感器U3，左右擺來自旋轉(zhuǎn)編碼 器U6，由上位機裝入，系統(tǒng)變量為
Me = (Xgm Ygm Z gm)
設(shè)cu P、 Y是姿態(tài)數(shù)據(jù)為掘進(jìn)機在慣性坐標(biāo)系中，與三個坐標(biāo)軸的夾
角。通過顯示器實時顯示掘進(jìn)機的姿態(tài)。
ME由地測數(shù)據(jù)提供的慣性空間的絕對目標(biāo)位置坐標(biāo)，由上位機裝入變
直 Xgm 、 Ygm 、 Zgm o
圖12為掘進(jìn)機軌跡坐標(biāo)的計算的原理框圖，由測量單元提供ml及me 數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機中系統(tǒng)管理程序，經(jīng)控制算法后通過實時通訊接口傳送到
主運動控制器中行走程序中，將計算結(jié)果作為控制信號送至執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行;
其執(zhí)行機構(gòu)經(jīng)各種傳感器將數(shù)據(jù)送至測量單元，形成一個數(shù)據(jù)循環(huán)過程。
計算過程(指算法1)為由地測數(shù)據(jù)Mt及航天導(dǎo)航定位儀所提供的本地 數(shù)據(jù)一Me,自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開釆面的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，通俗地講，掘進(jìn)機 的自動掘進(jìn)軌跡是由無數(shù)個開采截割面組成，而每個截割面又是由許多截 割點組成，通過原理公式A= ME - ML來確定掘進(jìn)機和截割頭需要改變的量， 從而實施自動開采。
建立慣性系為航天導(dǎo)航定位儀提供虛擬的載體坐標(biāo)系?；癁榻馗畋?的仰角、(P2為截割臂的擺角、l為截割頭伸縮油缸的伸縮量，在載體坐標(biāo)系 的位置坐標(biāo)中，以F地測(X Y Z)為地測數(shù)據(jù)目標(biāo)曲線，給定數(shù)據(jù)為Me;
實測數(shù)據(jù)為M"系統(tǒng)變量為 Me二F地測(X Y Z) M尸l xF ((p1"(p2 ) 計算公式A=Me-Mi
圖14為截割頭動作軌跡坐標(biāo)的計算的原理框圖，由測量單元提供]V^ 及Me數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機中系統(tǒng)管理程序，經(jīng)控制算法后通過實時通訊接口將 控制信號傳送到主運動控制器中，控制執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動作；其執(zhí)行機 構(gòu)經(jīng)各種傳感器將數(shù)據(jù)送至測量單元，形成一個數(shù)據(jù)循環(huán)過程。計算過程 (指算法2)為由地測數(shù)據(jù)M,及航天導(dǎo)航定位儀所提供的本地數(shù)據(jù)Me, 自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開采面的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，.通俗地講，掘進(jìn)機的自動掘 進(jìn)軌跡是由無數(shù)個開釆截割面組成，而每個截割面又是由許多截割點組成， 通過原理公式A= Me-M,來確定掘進(jìn)機和截割頭需要改變的量，從而實施 自動開釆。
參見圖3-1,下位機控制程序在主運動控制器U1中運行，具體結(jié)構(gòu)為 通過控制主程序進(jìn)行掘進(jìn)機車體運動控制、截割頭的升降、回轉(zhuǎn)控制和伸 縮控制并與上位機實時通訊、實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的實時控制；接收手動/自動 切換指令，處理暫時不能識別的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況下的手動搡作處理，方 便系統(tǒng)調(diào)試；通過傳感器檢測截割電流的大小。
參見圖3-2-1，控制主程序具體流程為系統(tǒng)初始化后調(diào)用顯示輸出程 序、數(shù)據(jù)釆集與數(shù)據(jù)處理、報警輸出控制后調(diào)用油泵控制子程序和截割電 機控制子程序進(jìn)行電機運行控制。
參見圖3-2-2，所述電機運行控制中油泵控制子程序具體流程先判斷 油泵啟動開關(guān)是否為開狀態(tài)，否則再判斷是否有油泵啟動標(biāo)志，無油泵啟 動標(biāo)志，則結(jié)束程序；有油泵啟動標(biāo)志則依次判斷油泵停止開關(guān)、油泵故 障標(biāo)志、系統(tǒng)急停、電壓超限否，若為是，則結(jié)東程序，若為否，則置油 泵電機啟動標(biāo)志、進(jìn)行油泵啟動延時操作，當(dāng)啟動延時線結(jié)束時，控制接 觸器吸合，啟動電機工作。
參見圖3-2-3，所述電機運行控制中截割電機控制子程序具體流程在 截割電機高速運行時判斷高速啟動標(biāo)志，不存在啟動標(biāo)志時結(jié)東程序；存 在高速啟動標(biāo)志時依次判斷是否結(jié)東低速預(yù)啟動及有無高速轉(zhuǎn)低速標(biāo)志，
若低速預(yù)啟動未結(jié)束則結(jié)東程序；當(dāng)無高速轉(zhuǎn)低速標(biāo)志時，則判斷低速返 回標(biāo)志，無低速返回標(biāo)志時結(jié)東程序；
參見圖3-2-4,所述顯示輸出程序流程為首先顯示供電電源送到掘進(jìn) 機的電源電壓值，然后發(fā)送各電機的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)到顯示屏進(jìn)行顯示，再 分別顯示各工作電機的工作電流值，顯示各電磁閥的工作狀態(tài)，結(jié)東程序。
參見圖3-2-5，所述數(shù)據(jù)采集與處理程序流程為首先判斷所讀取遙控 接收器發(fā)送數(shù)據(jù)是手動否，不是進(jìn)行自動操作；是則讀取由遙控接受器U9
發(fā)送到CAN總線的行走指令數(shù)據(jù)，主運動控制器從CAN總線讀取指令數(shù) 據(jù)，驅(qū)動電磁閥，控制掘進(jìn)機的行走，主運動控制器再從CAN總線讀取截 割頭動作指令數(shù)據(jù)，控制截割頭動作，結(jié)束程序。
參見圖3-2-6，所述報警輸出控制程序(流程為首先判斷主回路電源 電壓是否高于額定電壓(1140V)的120%，高于則延遲30S后停機報警鈴 鳴響并顯示電壓過高，判斷主回路電源電壓是否低于額定電壓75%,是則 延遲30S后報警鈴鳴響停機并顯示電壓過低；對電機過載1.2倍額定電流進(jìn) 行保護(hù)，即電流為額定1.2倍持續(xù)5min系統(tǒng)報警停機并顯示電機1.2倍過 載；對電機過載1.5倍額定電流保護(hù)，即對電流為額定1.5倍持續(xù)2min系 統(tǒng)報警停機并顯示電機1.5倍過載；然后對電機過流進(jìn)行檢測，在當(dāng)電機啟 動后，電流為額定2倍持續(xù)100ms,認(rèn)為電機過流報警停機,顯示電機過流； 最后對電機斷相檢測，即當(dāng)電機啟動后，電流小于額定10。/。持續(xù)3S,系統(tǒng) 認(rèn)為電機斷相報警停，顯示電機斷相。
本發(fā)明工作情況如下
掘進(jìn)機工作狀態(tài)共分為5個狀態(tài)開始狀態(tài)、待機/暫停狀態(tài)、行駛狀 態(tài)、截割狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)。系統(tǒng)幵機即進(jìn)入開始狀態(tài)。在開始狀態(tài)中，通 過上位機系統(tǒng)管理程序來完成自檢、輸入掘進(jìn)機運行軌跡和截割頭運行軌 跡，以及軌跡預(yù)覽等任務(wù)。下位機的控制部分通過CAN總線來讀取系統(tǒng)管 理程序給出當(dāng)前車體軌跡坐標(biāo)值以及截割頭的姿態(tài)角，并在屏幕上顯示。 在待機/暫停狀態(tài)檢查圖12掘進(jìn)機遙控器上"自動啟/停"開關(guān)的狀態(tài)，控制 部分根據(jù)給定的車體的運動距離和運動軌跡，判斷當(dāng)前是否應(yīng)該前進(jìn)。如 果是，則等待人工輸入啟動信號，進(jìn)入行駛狀態(tài)；如果否，則停止。當(dāng)人 工輸入啟動信號后，進(jìn)入行駛狀態(tài)并調(diào)整軌跡。在行駛狀態(tài)中，控制部分 根據(jù)上述給定的運動軌跡和當(dāng)前車體的實際運動軌跡，.根據(jù)預(yù)存在上位機 里的地測數(shù)據(jù)及航天導(dǎo)航定位儀所提供的本地數(shù)據(jù)自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位 置開采面的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，以及掘進(jìn)機和截割頭的當(dāng)前位置計算出車體實際運 行的誤差(公式A-Me-Mj,并將誤差值通過CAN總線傳送到主運動控 制器Ul,由主運動控制器Ul通過行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序調(diào)整車體運 行軌跡。在這個過程中，控制部分根據(jù)運動距離檢測是否到達(dá)截割位置， 如果到達(dá)，則進(jìn)入截割狀態(tài)。在截割狀態(tài)中，開始截割之前先通過CAN-BUS 總線向輔助運動控制器U2發(fā)送命令，控射第十七 十八電磁閥YA17、YA18 動作，實現(xiàn)伊板的升降，鏟板放置好后，伊板支撐到位，向輔助運動控制 器U2發(fā)送命令，控制第十九 二十電磁閥YA19、 YA20動作，實現(xiàn)油缸后 支撐的升降，于是掘進(jìn)機支撐到位；然后，由主運動控制器U1上傳支撐放 好信息，上位機得知支撐放好后，讀取車體當(dāng)前姿態(tài)角，根據(jù)給定截割點 坐標(biāo)軌跡，計算出截割頭實際動作控制量。通過CAN總線發(fā)送到主運動控 制器U1，主運動控制器U1發(fā)送到輔助運動控制器U2，控制第十一 十六
電磁閥YA11-YA16動作，實現(xiàn)截割頭的升降、回轉(zhuǎn)和伸縮，控制第二 三真空接觸器KM2或KM3動作，控制高速截割電機M2或低速截割電機 M3進(jìn)行高速截割或低速截割。在截割過程中，控制部分還通過第一傾角傳 感器U3、旋轉(zhuǎn)編碼器U6和直線位移傳感器U12來獲取截割頭運動軌跡的 反饋信息，截割頭運動的限位信息用以保護(hù)截割頭在安全的運動范圍內(nèi)運 動，巖石軟/硬的判斷信息用以控制截割頭運動速度。在當(dāng)前橫截面截割完 成后，發(fā)送等待掘進(jìn)機支撐升起命令到主運動控制器U1。待收到支撐升起 完成命令后，則進(jìn)入待機/暫停狀態(tài)。請參見圖2-2-1 ~圖2-2-4。
參見圖4，電氣主回路上的各個電機分布在掘進(jìn)機上，即圖l-l的執(zhí)行 機構(gòu)上。隔離開關(guān)QF1用于隔離電源和設(shè)備，安裝在電控箱內(nèi)內(nèi)，由第一~ 五熔斷器FU1-FU5 )、第一 五真空接觸器KM1 KM5、阻容吸收電路、電 壓傳感器和電流傳感器、油泵電機M1、高速截割電機M2、低速截割電機 M3、 二運電機M4、循環(huán)泵電機M5組成主回路，其中電壓傳感器TV1將 檢測的供電電壓轉(zhuǎn)換為0 5V的電壓信號送到主運動控制器U1，由顯示器 來監(jiān)視電源電壓；電流傳感器分別串聯(lián)在油泵電機M1、高速截割電機M2、 低速截割電機M3、 二運電機M4、循環(huán)泵電機M5的各自的電壓回路中， 將檢測的電機電流轉(zhuǎn)換為0~5V的電壓信號獲4-20mA電流信號送到主運 動控制器U1，由顯示器來監(jiān)視電機是否正常工作；油泵電機M1、高速截 割電機M2、低速截割電機M3、 二運電機M4、循環(huán)泵電機M5分別配有第 一~五真空接觸器KM1 KM5，加設(shè)阻容結(jié)構(gòu)的吸附電路，通過隔離開關(guān) QF1與電壓1140 VAC相連。其中高速截割電機M2、低速截割電機M3釆 用雙電機結(jié)構(gòu)，設(shè)有速度調(diào)節(jié)裝置。二運電機M4、循環(huán)泵電機M5加設(shè)第 二 五熔斷器FU2 FU5。
原理隔離開關(guān)作為電源開關(guān)，當(dāng)其閉合時主回路得電。第一 五真空 接觸器KM1 KM5控制油泵電機、低速截割電機、高速截割電機、錨桿電 機和二運電機的運轉(zhuǎn)。利用阻容吸收電路吸收主回路過電壓。電流、電壓 傳感器分別釆集回路電流、電壓信號，漏電電流輸入至可編程控制器的模 擬量輸入模塊(指主運動控制器U1模擬量輸入模塊是自身帶的)，通過程 序?qū)崿F(xiàn)對電機的過流、過載、斷相、漏電檢測以及電源的過壓及欠壓保護(hù) 作用。
如圖8所示，主要為電氣控制部分提供所需的工作電源。該控制電源 主要是由電源變壓器，斷路器、電壓表；開關(guān)電源組成，電源變壓器一次 側(cè)為AC1140V，串聯(lián)有熔斷器FU1， 二次側(cè)分別為AC220V、 AC127V、 AC36V、 AC24V， AC1140V,其中AC220V，經(jīng)過第二斷路器QF2與電壓 表相連，用于監(jiān)視電源電壓是否正常；AC127V,經(jīng)過第三斷路器QF3為控 制冷卻水路的電磁水閥YV1 YV4供電，中間繼電器KA12 KA15,用于控 制電磁水閥YV1 YV4，而KA12 KA15受輔助運動控制器U2的程序控制；
AC36V為報警電鈴BHL供電，經(jīng)過第四斷路器QF4和中間繼電器KA6 分別起保護(hù)和控制作用；AC24V為照明電源，第五斷路器QF5用于短路和 過載保護(hù)。
如圖9所示為主回路的控制部分，對油泵電機、高速切割電機、低速 切割電機、二運電機、循環(huán)泵電機進(jìn)行控制。
如圖IO所示的電控箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中1為箱體，2為安裝板，3為主配 線板，4為接線端子。遙控器發(fā)送器面板如圖ll所示。
控制部分的工作過程以主運動控制器U1、輔助主運動控制器U2為 核心組成的網(wǎng)絡(luò)，主運動控制器U1、輔助運動控制器U2從CAN總線讀取 控制數(shù)據(jù)，對所控制的元器件發(fā)出動作指令，實現(xiàn)對設(shè)備的邏輯控制。操 作人員可以通過遙控器發(fā)出控制指令，遙控接受器U9將接收到的控制指令 通過CAN總線傳送到主運動控制器U1、輔助運動控制器U2，主運動控制 器U1、輔助運動控制器U2控制相應(yīng)的電磁閥動作對掘進(jìn)機的前進(jìn)、后退、
轉(zhuǎn)彎及截割頭的升、降、左擺、右擺、伸、縮等動作進(jìn)行控制，第一傾角 傳感器U3用來檢測截割頭的仰角，第二傾角傳感器U4用來檢測鏟板的傾 角，旋轉(zhuǎn)編碼器U6用來檢測截割頭的擺角；遙控接收器U9安裝在電控箱 外，遙控接收器U9的輸出端連接到CAN總線上，而主運動控制器U1、輔 助運動控制器U2的通信接口也連接到CAN-BUS總線上，遙控接收器U9 接收到各種信息和指令通過CAN總線傳送到主運動控制器Ul、輔助主運 動控制器U1 U2，所以操作人員可以通過遙控器發(fā)出控制指令，并通過 CAN-BUS總線傳送到主運動控制器U1。 下位機工作過程-.
1) 電控箱通電
主運動控器U1與實時監(jiān)控制程序控制的顯示屏通訊時，顯示屏將顯示 如圖14-1所示的畫面；此狀態(tài)為主運動控器U1和顯示器通訊中，此時不
能對設(shè)備進(jìn)行操作，否則顯示操作錯誤。
2) 數(shù)秒之后，主運動控器U1與顯示器通訊結(jié)東，顯示如圖14-2所示 的畫面。
3) 復(fù)位、警報
按壓掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"警鈴啟/停"按鈕，第六繼電器KA6線圈得 電，其常開點閉合，報警電鈴HBL回路接通電源，電鈴鳴響，系統(tǒng)發(fā)出警 報。按壓掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"系統(tǒng)復(fù)位"按鈕，控制系統(tǒng)內(nèi)各報警故障均 復(fù)位。本發(fā)明在截割電機啟動前先發(fā)出報警信號。
4) 油泵電機啟動、停止
啟動在啟動油泵電機M1時(將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"油泵啟/停"開 關(guān)扳到啟動位置),警報運行第六繼電器KA6先得電，電鈴鳴響7秒后停止， 此時油泵運行第一繼電器KA1得電，其常開點閉合，從而使真空接觸器線圈得電，第一真空接觸器KM1主觸點閉合，油泵電機M1主回路接通電源，
電機運行。
停止將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"油泵啟/停"開關(guān)扳到停止位置，油泵 運行第一繼電器KA1線圈失電，其常開點斷開，使第一真空接觸器KM1 線圈失電，主觸點斷開，油泵電機M1主回路電源被切斷，運行中的油泵電 機M1將停止運行。
啟動前，在無故障時，顯示屏將顯示如圖14-4所示的畫面。通過此畫 面能監(jiān)測油泵電機各相的電流值和故障信息(當(dāng)油泵電機M1出現(xiàn)過載、過 流、斷相等故障時，顯示屏將顯示相對應(yīng)的故障畫面)。
5) 高速截割電機啟動、停止
啟動油泵運行后，將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"高速啟/停"開關(guān)扳到啟 動位置，警報運行第六繼電器KA6先得電，電鈴鳴響5秒后停止，此時高 速運行第二繼電器KA2得電，其常開點閉合，使高速第二真空接觸器KM2 線圈得電，接觸器主觸點閉合，使高速截割電機M2主回路接通電源，高速 截割電機M2起動運行。
停止將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"高速啟/停"開關(guān)扳到停止位置，截割 高速運行第二繼電器KA2線圈失電，其常開點斷開，使第二真空接觸器 KM2線圈失電，接觸器主觸點斷開，高速截割電機M2主回路電源被切斷， 運行中的高速截割電機M2停止運行。
啟動前，在無故障時，顯示屏將顯示如圖14-5所示的畫面。通過此畫 面能監(jiān)測截割高速電機M2各相的電流值和故障信息(當(dāng)截割高速電機M2 出現(xiàn)過載、過流、斷相等故障時，顯示屏將顯示相對應(yīng)的故障畫面)。
6) 低速截割電機的啟動、停止
啟動油泵運行(指電機M1)后，將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"低速啟/ 停"開關(guān)扳到啟動位置，警報運行第六繼電器KA6先得電，電鈴鳴響5秒后 停止，此時低速運行第三繼電器KA3得電，其常開點閉合，使低速運行的 第三真空接觸器KM3線圈得電，接觸器主觸點閉合，使低速截割電機M3 主回路接通電源，低速截割電機M3起動運行。
停止將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"低速啟/停"開關(guān)扳到停止位置，第三 繼電器KA3線圈失電，其常開點斷開，使低速運行第三真空接觸器KM3 線圈失電，接觸器主觸點斷開，低速截割電機M3主回路電源被切斷，運行 中的低速截割電機M3停止運行。
啟動前，在無故障時，顯示屏將顯示如圖14-6所示的畫面。通過此畫 面能監(jiān)測截割低速回路各相的電流值和故障信息(當(dāng)截割低速電機出現(xiàn)過 載、過流、斷相等故障時，顯示屏將顯示相對應(yīng)的故障畫面)，本發(fā)明所述 高速截割電機與低速截割電機是互鎖關(guān)系。
7) 二運電機的啟動、停止 啟動將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"二運啟/停"開關(guān)扳到啟動位置，二運
電機M4運行的第四繼電器KA4得電，其常開點閉合，使二運電機M4的 第四真空接觸器KM4線圈得電，接觸器主觸點閉合，使二運電機M4主回 路接通電源，二運電機M4起動運行。
停止將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"二運啟/停"開關(guān)扳到停止位置，二運 運行第四繼電器KA4線圏失電，其常開點斷開，使第四真空接觸器KM4 線圈失電，接觸器主觸點斷開，二運電機M4主回路電源被切斷，運行中的 二運電機M4停止運行。
啟動前，在無故障時，顯示屏將顯示如圖14-7所示畫面。
8) 循環(huán)泵電機的啟動、停止
啟動將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"循環(huán)泵啟/停"開關(guān)扳到啟動位置，警 報運行第六繼電器KA6先得電，電鈴鳴響5秒后停止，此時循環(huán)泵運行第 五繼電器KA5得電，其常開點閉合，使循環(huán)泵第五真空接觸器KM5線圈 得電，接觸器主觸點閉合，使循環(huán)泵電機M5主回路接通電源，循環(huán)泵電機 M5起動運行。
停止將掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"循環(huán)泵啟/停"開關(guān)扳到停止位置，循 環(huán)泵運行第五繼電器KA5線圈失電，其常開點斷開，使第五真空接觸器 KM5線圏失電，接觸器主觸點斷開，循環(huán)泵電機M5主回路電源被切斷， 運行中的循環(huán)泵電機M5停止運行。
啟動前，在無故障時，顯示屏將顯示如圖14-8所示畫面。上、下翻頁 扳動掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"上翻頁"開關(guān)，顯示屏向上翻一頁。扳動掘進(jìn) 機遙控發(fā)送器上的"下翻頁"開關(guān)，顯示屏向上翻一頁。
9) 總急停
按壓掘進(jìn)機遙控發(fā)送器上的"系統(tǒng)急停",運行中的所有電機立刻停止工 作；機體油箱前側(cè)和二運電機M4附近裝有二個緊急停止按鈕，按下其中的 任意一個，并順時針旋轉(zhuǎn)自鎖，使運行中的所有電機立刻停止工作。
10) 截割急停
按下截割緊急停止按鈕，并順時針旋轉(zhuǎn)自鎖，使運行中的截割電機(指 高速截割電機M2或低速截割電機M3)立刻停止工作。
電控箱主要由鋼板焊制的隔爆殼體、兩個獨立腔體、電控箱內(nèi)還安裝 有隔離開關(guān)，熔斷器、變壓器、真空接觸器、阻容吸收器、中間繼電器、 檢漏互感器以及電流、電壓傳感器、開關(guān)電源、瓦斯斷電報警儀、中間繼 電器、及接線端子排等控制元件。箱體的正面還裝有電壓表及顯示屏。
電控箱是按照GB3836.1-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備通用要 求》和GB3836.2-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備隔爆型"d"》的標(biāo)準(zhǔn) 設(shè)計，為隔爆兼本質(zhì)安全型電氣設(shè)備。其隔爆殼體是用鋼板焊制的兩個通 過接線端子相互連接的獨立腔體。上邊為進(jìn)出線腔(接線腔)，下邊為主腔。
接線腔內(nèi)設(shè)有接線端子和內(nèi)接地端子。主腔的右側(cè)裝有主斷路作為系統(tǒng)的 總電源開關(guān)，主盤板占據(jù)了主腔大部分空間，其上裝有控制變壓器、真空 接觸器、漏電斷路器、阻容吸收器以及電流、電壓互感器、中間繼電器及 接線端子等組件。
電控箱的門為兩扇由銷軸支撐，并用螺栓和箱體緊固。左門內(nèi)側(cè)面設(shè) 置了裝有開關(guān)電源、甲烷傳感器電源模塊、及兩個主運動控制器、輔助主 運動控制器模塊組成的控制盒。兩扇門均設(shè)有"嚴(yán)禁帶電開蓋"警告牌，"MA"
及"Exd[ib]r標(biāo)志。左門上有產(chǎn)品銘牌，右門上設(shè)置了電源開關(guān)及顯示屏觀
察窗監(jiān)視掘進(jìn)機運行狀況、故障報警顯示及截割計時等信息。 箱體的正面有電壓表用來監(jiān)視掘進(jìn)機供電電壓的狀況。 接線腔蓋與箱體用螺栓緊固，并設(shè)有"嚴(yán)禁帶電開蓋"警告牌。接線腔和 主腔內(nèi)電源線的進(jìn)線端子均設(shè)有絕緣保護(hù)板，防止誤操作危害人身安全。
執(zhí)行機構(gòu)由液壓換向電磁閥、液壓油缸、液壓馬達(dá)等組成，執(zhí)行機構(gòu) 的動力源為電機驅(qū)動的液壓泵。
在本系統(tǒng)中以液控多路換向閥取代現(xiàn)有手動多路換向閥，這其中由于 釆用電控先導(dǎo)閥，使手動液壓控制轉(zhuǎn)換成由控制器控制成為可能，這樣很 容易實現(xiàn)遙控操作及自動化操作的要求，電磁換向閥的電磁線圈通過控制 器的控制和驅(qū)動而動作，將控制油源連接到相應(yīng)的液控多路換向閥的液控 口上，這樣就實現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)對液控多路換向閥的控制，實現(xiàn)通過控遙 控器對掘進(jìn)機進(jìn)行遙控或啟動自動模式控制掘進(jìn)機自主定位尋跡及自動開 采的功能。
權(quán)利要求
1.一種全自動掘進(jìn)機，包括與掘進(jìn)機相配合的驅(qū)動機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)和機械部分，其特征在于由地測數(shù)據(jù)生成掘進(jìn)機的運動軌線及航天導(dǎo)航定位儀實時檢測掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)，對掘進(jìn)機實施位置控制，實現(xiàn)自動尋跡功能；還包括上位機，存有系統(tǒng)管理程序；接收航天導(dǎo)航定位儀上傳數(shù)據(jù)，通過傳輸接口與下位機通訊；航天導(dǎo)航定位儀，由測量單元和各種傳感器組成，將傳感器采集到的各種信息傳送到測量單元進(jìn)行信號處理，將掘進(jìn)機特征提取值和導(dǎo)航計算值通過接口傳送到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)特征融合；下位機，以兩個專用控制器為核心，作為控制部分；通過接口與航天導(dǎo)航定位儀與上位機的通訊，實時檢測掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)，由下位機對掘進(jìn)機實施位置控制，實現(xiàn)自動尋跡功能；專用控制器根據(jù)預(yù)存在上位機里的地測數(shù)據(jù)及航天導(dǎo)航定位儀所提供的本地數(shù)據(jù)及自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開采面的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，以及掘進(jìn)機和截割頭的當(dāng)前位置通過執(zhí)行機構(gòu)對掘進(jìn)機和截割頭進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)自動掘進(jìn)機的自動開采。
2. 按照權(quán)利要求l所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述控制部 分的組成主控制器接收總線數(shù)據(jù)，對相應(yīng)的電磁閥和中間繼電器進(jìn)行控 制，實現(xiàn)控制掘進(jìn)機的前進(jìn)、后退、星輪正反轉(zhuǎn)、以及油泵電機、高速截 割電機、低速截割電機、二運電機、循環(huán)泵電機的啟停；
3. 按照權(quán)利要求2所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述傳感器 包括位移傳感器，安裝在截割頭伸縮油缸內(nèi)，測量出截割頭的伸縮量，來 確定截割頭當(dāng)前位置坐標(biāo)；截割臂上傾角傳感器，用來測量與車體的角度, 找出其空間坐標(biāo)；角速度傳感器和加速度傳感器，與航天導(dǎo)航定位儀為一 體結(jié)構(gòu)，與測量單元的輸入輸出接口電路連接，其測量信息傳送到上位機。
4. 按照權(quán)利要求l所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述上位機 中系統(tǒng)管理程序流程中主程序包括自檢子程序流程，行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡 子程序，檢查截割狀態(tài)子程序流程，經(jīng)實時通信接口與下位機通信，通過 總線接收安裝在截割臂上的傾角傳感器和安裝在回轉(zhuǎn)臺上的旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā) 出的數(shù)據(jù)、遙控接收器發(fā)送的信息，執(zhí)行實時監(jiān)控程序，對運動軌跡、車 體位置、車體姿態(tài)、截割頭位置進(jìn)行顯示。
5. 按照權(quán)利要求4所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述自檢子 程序流程為首先自檢，然后接收下位機傳輸?shù)木蜻M(jìn)機車體軌跡以及截割 頭運行軌跡信息，輸出當(dāng)前車體坐標(biāo)值以及截割頭的姿態(tài)角。
6. 按照權(quán)利要求4所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述行駛狀態(tài)及調(diào)整軌跡子程序流程為先將坐標(biāo)偏差發(fā)給運動傳感器，調(diào)整車體運 動軌跡，再求出車體當(dāng)前坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)之間的偏差，再判斷車體是否達(dá) 到頂點，車體沒達(dá)到頂點，則返回調(diào)整車體運動軌跡步驟，否則向下執(zhí)行。
7. 按照權(quán)利要求4所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述檢查截 割狀態(tài)子程序流程為分別計算當(dāng)前目標(biāo)坐標(biāo)點以及下一個目標(biāo)坐標(biāo)點經(jīng) 過坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)、計算機械臂處于當(dāng)前目標(biāo)點坐標(biāo)點以及下一 目標(biāo)坐 標(biāo)點時的方位角、俯仰角和臂長，并通過兩個目標(biāo)點之間方位角、俯仰角 和臂長的比較，確定當(dāng)前掘進(jìn)機的方向，置標(biāo)志位，執(zhí)行截割頭的坐標(biāo)位 置計算，即截割頭動作軌跡坐標(biāo)的計算，最后載入下一個挖掘目標(biāo)點，返回判斷當(dāng)前目標(biāo)是否為空步驟。
8. 按照權(quán)利要求7所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述掘進(jìn)機 軌跡坐標(biāo)的計算，由測量單元提供ML及Me數(shù)據(jù)，通過原理公式A二ME-ML來確定掘進(jìn)機和截割頭需要改變的量；其中Me是以掘迸機上的一點， 即截割臂的回轉(zhuǎn)中心為原點，以X^、 Ygm、 Zgm為由地測數(shù)據(jù)提供的慣性 空間的絕對目標(biāo)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)；1Vt是以地心為坐標(biāo)原點，以Xn、Yn、Zn為掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)的本地測量數(shù)據(jù)。
9. 按照權(quán)利要求7所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于其中所述截割頭 動作軌跡坐標(biāo)的計算，由測量單元提供M,及Me數(shù)據(jù)，通過原理公式A-Me -M,來確定掘進(jìn)機和截割頭需要改變的量，從而實施自動開釆；Me是以截 割臂的回轉(zhuǎn)中心為原點，以X^、 Ygm、 Zgm為由地測數(shù)據(jù)提供的慣性空間 的絕對目標(biāo)位置坐標(biāo)、以F M (X Y Z)為地測數(shù)據(jù)目標(biāo)曲線的給定數(shù) 據(jù)Me=FttM(X Y Z); M!為實測數(shù)據(jù)M尸lxF(cp,, cp2)，其中cp,為截割臂的仰角、(P2為截割臂的擺角、l為截割頭伸縮油缸的伸縮量。
10. 按照權(quán)利要求2所述全自動掘進(jìn)機，其特征在于下位機的控制 程序在主控制器中運行，進(jìn)行掘進(jìn)機車體運動控制、截割頭的升降、回轉(zhuǎn) 控制和伸縮控制并與上位機實時通訊、實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的實時控制；接收 手動/自動切換指令，處理暫時不能識別的異常地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況下的手動操作 處理，方便系統(tǒng)調(diào)試，并通過傳感器檢測截割電流的大?。幌到y(tǒng)初始化后 調(diào)用顯示輸出程序、數(shù)據(jù)釆集與數(shù)據(jù)處理、報警輸出控制后調(diào)用油泵控制 子程序和截割電機控制子程序進(jìn)行電機運行控制。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全自動掘進(jìn)機，由航天導(dǎo)航定位儀通過RS-232接口與上位機通訊，將掘進(jìn)機特征提取值和導(dǎo)航計算值傳送到上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)特征融合，實時檢測掘進(jìn)機在慣性空間的絕對位置坐標(biāo)；上位機通過CAN-BUS傳輸接口與下位機通訊，將控制數(shù)據(jù)傳送到下位機，由下位機對掘進(jìn)機實施位置控制，實現(xiàn)自動尋跡功能。下位機，以兩個運動控制器為核心，作為控制部分，運動控制器根據(jù)預(yù)存在上位機里的地測數(shù)據(jù)及航天導(dǎo)航定位儀所提供的本地數(shù)據(jù)及自動生成掘進(jìn)機當(dāng)前位置開采面的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，以及掘進(jìn)機和截割頭的當(dāng)前位置通過執(zhí)行機構(gòu)對掘進(jìn)機和截割頭進(jìn)行實時控制，實現(xiàn)自動掘進(jìn)機的自動開采。
文檔編號E21C35/00GK101169038SQ200610134080
公開日2008年4月30日 申請日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者吳佳梁, 勇 李, 李恩龍, 李鐵寧, 梁堅毅, 王志剛, 王智永, 鍔 陳 申請人:三一重型裝備有限公司