王紅

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系， 內(nèi)蒙古 赤峰　024005)

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經(jīng)驗(yàn)交流

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王紅

(內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系， 內(nèi)蒙古 赤峰024005)

針對目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位存在精度低、自動(dòng)化控制性能差和工作效率低等問題，設(shè)計(jì)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用姿態(tài)檢測技術(shù)和自動(dòng)截割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的精確截割與自動(dòng)控制。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)； 姿態(tài)檢測； 自動(dòng)截割；PCC

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0　引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)檢測是提高截割效率和精確性的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化和智能化是煤礦井下采煤工作面安全生產(chǎn)、減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度及改善其環(huán)境、提高采煤效率的重要前提。目前，煤礦井下還沒有客觀的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身運(yùn)行位姿測量系統(tǒng)和評價(jià)方法，僅用激光指向儀指示掘進(jìn)方向。當(dāng)司機(jī)發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)體偏離巷道設(shè)計(jì)軸線時(shí)，只能根據(jù)斷面上的激光光斑指示及工人的提示手動(dòng)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)位姿，但受到巷道空間狹窄、光線昏暗等因素的影響，無法保證調(diào)姿精度[1-3]。為提高掘進(jìn)機(jī)截割定位精度，本文設(shè)計(jì)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的精確截割與自動(dòng)控制。

1　系統(tǒng)組成

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

1.1機(jī)身姿態(tài)檢測

掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)檢測參數(shù)[4-5]包括機(jī)身偏轉(zhuǎn)角α、俯仰角β、偏向位移a及滾動(dòng)角γ等，如圖2所示。掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)檢測參數(shù)的精確程度將嚴(yán)重影響其定向掘進(jìn)及位姿糾偏。

運(yùn)用航姿儀或者傾角傳感器和激光測距儀實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)檢測，步驟如下：

(1) 在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)頂和兩側(cè)分別安裝垂直方向、水平方向的激光測距儀，其中兩側(cè)的激光測距儀是對稱安裝。

(2) 通過雙軸傾角傳感器測量掘進(jìn)機(jī)機(jī)身俯仰角及其翻滾角。

(3) 通過運(yùn)算激光測距儀檢測的數(shù)據(jù)獲取掘進(jìn)機(jī)機(jī)身水平的偏向角。

1.2掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)糾偏

將掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)檢測參數(shù)傳入由工控機(jī)和可編程計(jì)算機(jī)控制器(ProgrammableComputerController,PCC)組成的糾偏控制器，工控機(jī)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)參數(shù)矩陣，確定相應(yīng)的調(diào)姿策略，并轉(zhuǎn)換為調(diào)姿控制參數(shù)，送入PCC中控制執(zhí)行元件運(yùn)行，完成機(jī)身姿態(tài)糾偏[6]。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1自動(dòng)截割數(shù)學(xué)建模

將懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割頭及每個(gè)工作結(jié)構(gòu)部件簡化成球體和剛性桿件，分別建立掘進(jìn)機(jī)截割結(jié)構(gòu)垂直及水平平面的數(shù)學(xué)幾何模型，如圖3所示。通過建立的數(shù)學(xué)模型可以確定升降液壓缸伸縮量l1、回轉(zhuǎn)液壓缸伸縮量l2和截割頭在巷道坐標(biāo)系中的橫縱坐標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而判定截割頭在巷道中的具體位置坐標(biāo)。

根據(jù)圖3(a)可知，截割頭和升降液壓缸伸縮量l1間可通過其在巷道中的縱坐標(biāo)建立關(guān)系：

(1)

(a) 截割結(jié)構(gòu)垂直平面幾何模型

(b) 截割結(jié)構(gòu)水平平面幾何模型

式中：z為巷道內(nèi)截割頭的縱坐標(biāo)；L為截割臂長度；Δl為截割頭伸縮液壓缸伸長量；L1，L2分別為截割臂垂直運(yùn)動(dòng)中心O2到升降液壓缸和機(jī)架的鉸接節(jié)點(diǎn)A及升降液壓缸和機(jī)架的鉸接節(jié)點(diǎn)B的距離；L0為截割臂在水平位置時(shí)點(diǎn)A到點(diǎn)B的距離；φ0為截割臂在水平位置時(shí)的角度；θ0為截割臂和O2B的夾角。

根據(jù)式(1)可以看出，唯一變量是l1，所以，截割頭在巷道中的垂直坐標(biāo)z可直接通過位移傳感器檢測到的l1而確定。

根據(jù)圖3(b)可知，截割頭和回轉(zhuǎn)液壓缸伸縮量l2間可通過其在巷道中的橫坐標(biāo)建立關(guān)系：

(2)

根據(jù)式(2)可知，唯一變量是l2，所以，截割頭在巷道中的水平坐標(biāo)y可直接通過位移傳感器檢測到的l2確定。

所以，只要檢測出l1與l2，自動(dòng)截割控制就可以根據(jù)式(1)、式(2)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。

2.2軟件設(shè)計(jì)

通過PCC模塊化編程[7]，完成對懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，PCC具有采集并傳送控制信號(hào)到I/O模塊、與上位機(jī)/遙控器通信及綜合保護(hù)控制等功能，系統(tǒng)自動(dòng)控制流程及各模塊自動(dòng)控制方法如圖4所示。

(a) 系統(tǒng)自動(dòng)控制流程

(b) 各模塊自動(dòng)控制方法

根據(jù)圖4(b)，在自動(dòng)截割控制時(shí)智能工控面板首先存儲(chǔ)巷道斷面輪廓并通過Recipe模塊處理顯示信息，然后自動(dòng)截割模塊Mainctrl開始工作，智能工控面板運(yùn)用Imacomm模塊接收來自PCC經(jīng)Input模塊采集的回轉(zhuǎn)、升降液壓缸位移傳感器的值，從而判斷截割頭當(dāng)前的位置，隨后與設(shè)定路徑對比，獲取截割頭下一步到達(dá)的位置，進(jìn)而反算出回轉(zhuǎn)、升降液壓缸的設(shè)定值，把該值傳輸?shù)絇CC并經(jīng)Output模塊輸出控制指令，截割頭開始運(yùn)行，并實(shí)時(shí)進(jìn)行比較，若達(dá)到設(shè)定值則停止液壓缸工作，執(zhí)行下一截割指令步驟，直到截割工作完成。截割頭運(yùn)動(dòng)與停止時(shí)，Drawbmp模塊處理截割頭運(yùn)行和停止時(shí)的位置信息并在上位機(jī)界面上顯示，進(jìn)而形成巷道中截割頭工作的動(dòng)態(tài)軌跡。

2.3上位機(jī)設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控[8]界面包含有截割頭位置動(dòng)態(tài)顯示、模擬量參數(shù)顯示及報(bào)警記錄等功能界面，其中截割頭位置動(dòng)態(tài)顯示界面如圖5所示。

圖5　截割頭位置動(dòng)態(tài)顯示界面

截割頭位置動(dòng)態(tài)顯示界面主要對當(dāng)時(shí)截割輪廓的調(diào)整狀況與截割的運(yùn)行狀況進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)對工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.4實(shí)驗(yàn)仿真分析

設(shè)定巷道截割面的寬度和高度分別為4.5m和4m，懸臂式掘進(jìn)機(jī)選用EBZ200，利用上位機(jī)功能界面實(shí)現(xiàn)對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。斷面截割試驗(yàn)效果如圖6所示，測試數(shù)據(jù)見表1。

圖6　斷面截割試驗(yàn)效果

由圖6可知，掘進(jìn)機(jī)斷面自動(dòng)截割成形功能設(shè)計(jì)正確，截割頭可按預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)截割，所有截割路徑能基本覆蓋巷道斷面。由表1可知，認(rèn)定掘進(jìn)機(jī)機(jī)身到截割頭方向?yàn)榍胺?，左幫最大誤差為50mm，最大相對控制誤差為2.2%；右?guī)妥畲笳`差為20mm，最大相對控制誤差為0.9%；兩幫綜合最大誤差為70mm，最大相對控制誤差為1.6%，經(jīng)多組試驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)控制精度高、無累計(jì)偏差。

表1　測試數(shù)據(jù)　mm

3　結(jié)語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)采用姿態(tài)檢測技術(shù)，通過對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏向位移及滾動(dòng)角等工作參數(shù)的檢測，實(shí)現(xiàn)了對懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)的檢測；同時(shí)，運(yùn)用PCC模塊化編程完成了對掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制，并且在上位機(jī)功能界面中動(dòng)態(tài)顯示截割頭工作軌跡，使掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化水平及工作效率得到了顯著提高。該系統(tǒng)具有控制精度高、累計(jì)偏差小的特點(diǎn)。

[1]康棟梁,童敏明,賈存良,等.懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械,2010，31(4):139-141.

[2]李睿.懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)檢測系統(tǒng)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2012.

[3]田原.懸臂掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)向和定位技術(shù)探索[J].工礦自動(dòng)化,2010,36(8):26-29.

[4]鄧國華.基于激光導(dǎo)向器的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位置姿態(tài)自動(dòng)測定方法[J].工礦自動(dòng)化,2009,35(9):20-23.

[5]田劼.懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)自動(dòng)截割成形控制系統(tǒng)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2010.

[6]劉建功,吳淼,魏景生,等.懸臂掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制關(guān)鍵技術(shù)[J].中國煤炭,2008,34(12):54-57.

[7]王蘇彧,高峰,李睿,等.基于PCC的任意巷道斷面自動(dòng)截割成形控制系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(增刊1):261-266.

[8]王蘇彧.懸臂式掘進(jìn)機(jī)記憶截割及自動(dòng)截割控制方法研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京),2014.

Design of automatic control system of boom roadheader

WANG Hong

(DepartmentofMechanicalEngineering,InnerMongoliaTransportationVocationalTechnicalCollege,Chifeng024005,China)

Inviewofproblemoflowaccuracy,automationcontrolperformanceandworkefficiencyofbodypositioningofexistingboomroadheader,anautomaticcontrolsystemofboomroadheaderwasdesigned,hardwareandsoftwaredesignofthesystemwereintroducedindetail.Thesystemusesattitudedetectiontechnologyandautomationcuttingtechnologytoachieveprecisecuttingandautomaticcontroloftheboomroadheader.

boomroadheader;attitudedetection;automaticcutting;programmablecomputercontroller

1671-251X(2016)09-0068-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.09.016

2015-12-26；

2016-04-13；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

王紅(1974-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮蛹半姎庾詣?dòng)化，E-mail：1149959320@qq.com。

TD632

A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-02 10:18

王紅.懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(9)：68-71.