本發(fā)明涉及掘進機技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種掘進機截割控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

掘進機廣泛應(yīng)用于煤礦開采,交通水利巷道開挖等生產(chǎn)施工場合。對于如何保證掘進機在巷道開挖中保證按照預(yù)定的規(guī)格進行施工，避免欠挖或超挖，并在此前提下減少人力投入一直是相關(guān)研發(fā)設(shè)計人員的研究熱點和難點。

對于上述問題，現(xiàn)有的研究方向主要有兩個，一是從掘進機自身定位信息的獲取和應(yīng)用角度出發(fā)，確保掘進機能夠按照規(guī)定路線及規(guī)格準(zhǔn)確施工，降低超挖量提高經(jīng)濟效益；二是從如何提高掘進機掘進的自動化操作角度出發(fā)，降低操作人員的工作量并提高施工效率。

由于生產(chǎn)施工環(huán)境的特殊性，如高粉塵、高噪聲、強震動及視線不清等，導(dǎo)致在地面上成熟的技術(shù)手段不能很好的適用，大部分較先進的技術(shù)方案還只停留在理論可行階段，并不具備實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種掘進機截割控制系統(tǒng)及控制方法，實用性強，有效降低操作人員工作量，并提高了施工效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種掘進機截割控制系統(tǒng)，包括：

傾角傳感器，一個安裝在掘進機的截割臂上，用于檢測截割臂相對于水平面的傾斜角；另一個安裝在掘進機本體上，用于檢測掘進機本體相對于水平面的傾斜角；

位移傳感器，其內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，用于檢測截割臂的位移量；

回轉(zhuǎn)角度傳感器，其安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，用于檢測截割臂的回轉(zhuǎn)角；

主控制器，其安裝在掘進機本體上，用于處理傳感器數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送控制命令，控制執(zhí)行裝置工作；

所述傾角傳感器、位移傳感器和回轉(zhuǎn)角度傳感器均與主控制器的信號輸入端連接，主控制器的信號輸出端與液壓閥控制連接。

進一步地，還包括：電流傳感器和電壓傳感器，所述電流傳感器用于檢測截割電機的電流值，所述電壓傳感器用于檢測系統(tǒng)的電壓值，所述電流傳感器和電壓傳感器與主控制器的信號輸入端連接。

進一步地，還包括：信號隔離柵，用于傳感器和主控制器之間的信號隔離。

進一步地，還包括：上位機監(jiān)控界面，用于顯示掘進機的工作狀態(tài)，并顯示截割超限報警，所述上位機監(jiān)控界面通過can或者rs485通信模塊與主控制器進行雙向通信。

進一步地，還包括：操作箱，用于輸入掘進機操作命令和確定輸入截割斷面定位數(shù)據(jù)，所述操作箱通過can或者rs485通信模塊與主控制器進行雙向通信。

進一步地，還包括：比例控制電磁閥，用于按照主控制器輸出命令比例輸出控制液壓油缸伸縮和馬達快慢、正反向運轉(zhuǎn)。

本發(fā)明還提供一種掘進機截割控制方法，包括以下步驟：

步驟1，布設(shè)傳感器

位移傳感器內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，一個傾角傳感器安裝在掘進機的截割臂上，另一個傾角傳感器安裝在掘進機本體上；

步驟2，操作掘進機截割頭進行斷面定位；

步驟3，操作掘進機進行規(guī)劃斷面截割，在截割過程中，如果截割頭超出標(biāo)定位置點計算范圍，則發(fā)出預(yù)警，停止截割頭動作；

步驟4，規(guī)劃斷面截割參數(shù)學(xué)習(xí)；

步驟5，根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行輔助截割。

進一步地，所述步驟2的具體實現(xiàn)過程為：將掘進機截割頭調(diào)整于規(guī)劃斷面輪廓線上的不同位置點，使用操作箱進行確認(rèn)，主控制器存儲相應(yīng)位置點位置信息，位置點的選取需體現(xiàn)規(guī)劃斷面輪廓的特征。

進一步地，所述步驟4的具體實現(xiàn)過程為：對截割過程中傳感器數(shù)據(jù)及截割電流值進行記錄，每一個截割位置點對應(yīng)四種數(shù)據(jù)，分別為截割頭相對掘進機本體的傾角、截割臂的回轉(zhuǎn)角、截割臂的伸縮位移量和截割電機的電流值；根據(jù)三角計算公式可求得截割頭的實時位置坐標(biāo)(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐標(biāo)系以巷道底部中心為原點，以巷道底部為橫軸，以巷道縱向中心線為縱軸；α1為截割臂與水平面的夾角、α2為掘進機本體與水平面的夾角、β1為截割臂與截割斷面垂直方向的水平夾角、β2為截割臂與掘進機本體的夾角、h1為截割臂轉(zhuǎn)軸心距地面的高度、h2為截割頭在截割斷面的高度、h3為截割頭偏離截割斷面縱向中心線的位移、h4為截割臂長度和c為截割定值高度。

進一步地，所述步驟5的具體實現(xiàn)過程為：根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行輔助截割，主要體現(xiàn)在：斷面超挖報警或者液壓閥配合限制超挖、過載截割路徑提示并自動降低截割給進速度；對于超挖報警的判斷約束條件如下：

其中，a點為巷道的最高點，de兩點和cf兩點限制了巷道的最大寬度，bg兩點描述了巷道上部拱形的坡度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明通過布置在掘進機上的傳感器獲取截割頭在斷面上的位置，對于首次截割的新斷面，根據(jù)規(guī)劃的斷面形狀進行斷面形狀定位，操作者在定位限定下對規(guī)劃斷面進行學(xué)習(xí)截割，在截割過程中，主控制器會記錄相應(yīng)的截割電機的電流值、截割頭位置信息，后續(xù)截割中會根據(jù)學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進行輔助截割，包括截割超限提醒和限定、過載減速保護等，主控制器會根據(jù)截割斷面的實際情況對學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行更新或人為干預(yù)更新，確保持續(xù)有效輔助截割，提高截割效率，降低整機故障。

2.本發(fā)明可以使巷道截割高度受控，避免超挖，提高工作效率并降低工程總成本。

3.使用實測傳感器相對數(shù)據(jù)進行工況參數(shù)學(xué)習(xí)記錄，排除由于傳感器裝配及傳感器本身的測量誤差并具有廣泛巷道適應(yīng)性。

4.在限定范圍內(nèi)，操作者可手動截割，在特殊情況(即自動定位)下可實現(xiàn)智能輔助截割，提高截割效率，在一定程度上避免了操作者不當(dāng)操作，降低設(shè)備故障率。

5.本發(fā)明可手動更新工況數(shù)據(jù)，設(shè)備也可根據(jù)前幾次截割情況平均值和額定參數(shù)自動更新一次截割參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例一種掘進機截割控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的截割頭的位置示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例標(biāo)定的巷道極限點分布示意圖；

圖4是掘進機本體傾角為0時的側(cè)視圖；

圖5是掘進機本體傾角為α2時的側(cè)視圖；

圖6為本發(fā)明實施例一種掘進機截割控制方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述：

實施例一：參見圖1所示，本實施例提供一種掘進機截割控制系統(tǒng)，包括：

傾角傳感器，一個安裝在掘進機的截割臂上，用于檢測截割臂相對于水平面的傾斜角；另一個安裝在掘進機本體上，用于檢測掘進機本體相對于水平面的傾斜角；傾角傳感器可采用雙軸傾角傳感器。

位移傳感器，其內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，用于檢測截割臂的位移量，在本實施例中，位移傳感器可采用拉線傳感器或者油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器。

回轉(zhuǎn)角度傳感器，其安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，用于檢測截割臂的回轉(zhuǎn)角，可采用旋轉(zhuǎn)編碼器。

電流傳感器，用于檢測截割電機的電流值；電壓傳感器，用于檢測系統(tǒng)的電壓值。

主控制器，其安裝在掘進機本體上，用于處理傳感器數(shù)據(jù)，接收和發(fā)送控制命令，控制執(zhí)行裝置工作。所述傾角傳感器、位移傳感器、回轉(zhuǎn)角度傳感器、電流傳感器和電壓傳感器均與主控制器的信號輸入端連接，主控制器的信號輸出端與液壓閥控制連接。

比例控制電磁閥，用于按照主控制器輸出命令比例輸出控制液壓油缸伸縮和馬達快慢、正反向運轉(zhuǎn)。

信號隔離柵，用于傳感器和主控制器之間的信號隔離。

上位機監(jiān)控界面，用于顯示掘進機的工作狀態(tài)和進度，并顯示截割超限報警，所述上位機監(jiān)控界面通過can或者rs485通信模塊與主控制器進行雙向通信。

操作箱，安裝在掘進機的操作時內(nèi)，用于輸入掘進機操作命令和確定輸入截割斷面定位數(shù)據(jù)，所述操作箱通過can或者rs485通信模塊與主控制器進行雙向通信。

如圖6所示，本實施例還提供一種掘進機截割控制方法，包括以下步驟：

步驟1，布設(shè)傳感器

位移傳感器內(nèi)置于回轉(zhuǎn)油缸和伸縮油缸中，回轉(zhuǎn)角度傳感器安裝在截割臂的回轉(zhuǎn)座上，一個傾角傳感器安裝在掘進機的截割臂上，另一個傾角傳感器安裝在掘進機本體上。

步驟2，操作掘進機截割頭并與操作箱組合或者鼠標(biāo)組合進行斷面定位，將掘進機截割頭調(diào)整于規(guī)劃斷面輪廓線上的不同位置點，使用操作箱進行確認(rèn)，主控制器存儲相應(yīng)位置點位置信息，位置點的選取需體現(xiàn)規(guī)劃斷面輪廓的特征，一般大于截割頭直徑為間隔(以截割頭外圍計算)記錄一個位置點信息。以常見巷道輪廓具體如圖3所示，a點為巷道的最高點，de兩點和cf兩點限制了巷道的最大寬度，bg兩點描述了巷道上部拱形的坡度，o點為計算坐標(biāo)系原點。

步驟3，操作掘進機進行規(guī)劃斷面截割，在截割過程中，如果截割頭超出標(biāo)定位置點計算范圍，則發(fā)出預(yù)警，若與液壓閥門關(guān)聯(lián)，則主動停止截割頭動作，以恒定的給進量和擺動速度進行截割操作，保證主控制器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)客觀有效，直至完成規(guī)劃斷面的首次截割。

步驟4，如圖2、圖4和圖5所示，規(guī)劃斷面截割參數(shù)學(xué)習(xí)，對截割過程中傳感器數(shù)據(jù)及截割電流值進行記錄，每一個截割位置點對應(yīng)四種數(shù)據(jù)，分別為截割頭相對掘進機本體的傾角、截割臂的回轉(zhuǎn)角、截割臂的伸縮位移量和截割電機的電流值；根據(jù)三角計算公式可求得截割頭的實時位置坐標(biāo)(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐標(biāo)系以巷道底部中心為原點，以巷道底部為橫軸，以巷道縱向中心線為縱軸；α1為截割臂與水平面的夾角、α2為掘進機本體與水平面的夾角、β1為截割臂與截割斷面垂直方向的水平夾角，由回轉(zhuǎn)角度傳感器檢測、β2為截割臂與掘進機本體的夾角、h1為截割臂轉(zhuǎn)軸心距地面的高度、h2為截割頭在截割斷面的高度、h3為截割頭偏離截割斷面縱向中心線的位移、h4為截割臂長度和c為截割定值高度。

步驟5，根據(jù)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進行輔助截割，主要體現(xiàn)在：斷面超挖報警或者與液壓閥配合限制超挖、過載截割路徑提示并自動降低截割給進速度；對于超挖報警的判斷約束條件如下：

其中，a點為巷道的最高點，de兩點和cf兩點限制了巷道的最大寬度，bg兩點描述了巷道上部拱形的坡度。

需要說明的是，上述所用的坐標(biāo)值為使用截割頭按照實際巷道定位得到，而不是使用單一巷道輪廓規(guī)劃預(yù)定的理論坐標(biāo)值，適應(yīng)性好。

以上所示僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，例如，在主控制器數(shù)據(jù)處理能力允許的情況下，用于測定設(shè)備截割頭機鏟板姿態(tài)的傳感器可布設(shè)多個，并對多傳感器數(shù)據(jù)進行融合，以提高傳感數(shù)據(jù)的精確度，還有在主控制器數(shù)據(jù)處理能力允許的情況下，截割頭進行截割定位時可選擇多點，甚至可以記錄完整的實測截割斷面形狀數(shù)據(jù)，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。