本發(fā)明涉及掘進機技術領域，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：

掘進機廣泛應用于煤礦開采,交通水利巷道開挖等生產施工場合。對于如何保證掘進機在巷道開挖中保證按照預定的規(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研發(fā)設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)格準確施工，降低超挖量提高經濟效益；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，導致在地面上成熟的技術手段不能很好的適用，大部分較先進的技術方案還只停留在理論可行階段，并不具備實用價值。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術中存在的缺陷，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，其內置于回轉油缸和伸縮油缸中，用于檢測截割臂的位移量；

回轉角度傳感器，其安裝在截割臂的回轉座上，用于檢測截割臂的回轉角；

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。

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，布設傳感器

位移傳感器內置于回轉油缸和伸縮油缸中，回轉角度傳感器安裝在截割臂的回轉座上，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，如果截割頭超出標定位置點計算范圍，則發(fā)出預警，停止截割頭動作；

步驟4，規(guī)劃斷面截割參數(shù)學習；

步驟5，根據(jù)學習數(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，主控制器存儲相應位置點位置信息，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(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐標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)學習數(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)劃斷面進行學習截割，在截割過程中，主控制器會記錄相應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)學習的數(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習數(shù)據(jù)進行更新或人為干預更新，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)學習記錄，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性。

4.在限定范圍內，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操作，降低設備故障率。

5.本發(fā)明可手動更新工況數(shù)據(jù)，設備也可根據(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)的結構示意圖；

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時的側視圖；

圖5是掘進機本體傾角為α2時的側視圖；

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，其內置于回轉油缸和伸縮油缸中，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置磁致伸縮位移傳感器。

回轉角度傳感器，其安裝在截割臂的回轉座上，用于檢測截割臂的回轉角，可采用旋轉編碼器。

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。

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，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，布設傳感器

位移傳感器內置于回轉油缸和伸縮油缸中，回轉角度傳感器安裝在截割臂的回轉座上，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組合進行斷面定位，將掘進機截割頭調整于規(guī)劃斷面輪廓線上的不同位置點，使用操作箱進行確認，主控制器存儲相應位置點位置信息，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，如果截割頭超出標定位置點計算范圍，則發(fā)出預警，若與液壓閥門關聯(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，保證主控制器學習數(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)學習，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(x，y)，

x＝h3＝sinβ1×(cosβ2×h4)；

y＝(sinβ2×h4)+h1+c；

其中，β2＝α1-α2；

其中，坐標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)學習數(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)劃預定的理論坐標值，適應性好。

以上所示僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，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，用于測定設備截割頭機鏟板姿態(tài)的傳感器可布設多個，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視為本發(fā)明的保護范圍。