李海斌

(山西省同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041)

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

李海斌

(山西省同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041)

針對(duì)目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化及智能化控制程度低等問題，提出了自動(dòng)截割控制技術(shù)。通過建立截割頭空間位置數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)以可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC模塊化功能為基礎(chǔ)完成對(duì)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。針對(duì)目前其可視化程度低的缺陷，設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控，并與PCC進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后進(jìn)行了井上井下實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果證明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，重復(fù)精度高、無累計(jì)偏差，完成自動(dòng)截割及刷幫功能后，巷道兩幫無明顯誤差，能夠很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割功能。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)；自動(dòng)截割；PCC

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制是提升截割效率以及精度的重點(diǎn)部分，完成其自動(dòng)以及智能化具有很好地保障煤礦的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，在很大程度生縮減工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提升采煤效率等優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)截割控制方法以完成懸臂式掘進(jìn)機(jī)的精確以及自動(dòng)截割。

1　建立截割頭空間位置數(shù)學(xué)模型

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(jiǎn)化成球體和剛性桿件[1]，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1(a)、圖2(b)所示。通過建立的數(shù)學(xué)模型可以獲得升降及回轉(zhuǎn)右側(cè)液壓缸伸縮量l1、l2以及巷道坐標(biāo)系內(nèi)截割頭的橫縱坐標(biāo)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式[2]，然后就能獲取截割頭的確切位置。

根據(jù)圖1(a)可得，截割頭和升降油缸伸縮量l1間可通過其在巷道中的縱坐標(biāo)建立關(guān)系，見式(1)。

(1)

式中：z及Δl分別表示截割頭縱坐標(biāo)及其伸縮油缸伸長(zhǎng)量；L表示截割臂長(zhǎng)度；L1、L2分別表示截割臂垂直運(yùn)動(dòng)中心O2到升降油缸和機(jī)架的鉸接節(jié)點(diǎn)A及升降油缸和機(jī)架的鉸接節(jié)點(diǎn)B的距離；L0表示截割臂在水平位置時(shí)點(diǎn)A到點(diǎn)B的距離；φ0表示截割臂在水平位置時(shí)的角∠AO2X2；θ0表示截割臂和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(cè)到的l1確定。

根據(jù)圖1(b)可得，截割頭和回轉(zhuǎn)油缸伸縮量l2間可通過其在巷道中的橫坐標(biāo)建立關(guān)系，見式(2)。

(2)

圖1　截割機(jī)構(gòu)幾何模型

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(cè)到的l2確定。

所以只要檢測(cè)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　懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制設(shè)計(jì)

2.1自動(dòng)截割成形控制設(shè)計(jì)

通過PCC模塊化編程，完成對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(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)/遙控器通訊以及綜?？刂频裙δ躘3-4]，自動(dòng)截割控制流程圖及各模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割控制方法見圖2(a)、圖2(b)。

根據(jù)圖2(b)，在自動(dòng)截割控制時(shí)智能工控面板首先存儲(chǔ)巷道斷面輪廓同時(shí)經(jīng)由Recipe部分處理顯示，隨后Mainctrl自動(dòng)截割模塊開始運(yùn)轉(zhuǎn)，智能工控面板利用Imacomm部分運(yùn)算來自PCC經(jīng)Input部分搜尋獲得的回轉(zhuǎn)以及升降油缸運(yùn)行距離，從而判斷截割頭此刻的位置，隨后通過和設(shè)定路徑比較來獲取截割頭之后抵達(dá)的位置，進(jìn)而反推出回轉(zhuǎn)以及升降油缸預(yù)定值，并傳輸至PCC經(jīng)由Output部分輸出控制命令，控制截割頭開始工作的同時(shí)完成實(shí)時(shí)對(duì)比，若達(dá)到預(yù)定值在停止油缸的同時(shí)執(zhí)行下一截割指令，直到截割工作完成。Drawbmp部分完成截割頭運(yùn)行以及結(jié)束時(shí)的位置信息并于上位機(jī)界面上顯示的工作，進(jìn)而繪制出巷道中截割頭工作的動(dòng)態(tài)運(yùn)行軌跡。

2.2自動(dòng)刷幫控制設(shè)計(jì)

掘進(jìn)機(jī)在自動(dòng)截割的過程中，如果截割步距小于截割頭半徑，盡管截割控制精度高，然而截割次數(shù)很多從而影響其效率[5]；如果截割步距大于截割頭半徑小于其直徑，盡管能夠提升截割效率，然而對(duì)巷道兩幫的粗糙度誤差產(chǎn)生有擾動(dòng)，見圖3，誤差范圍是53.6～400mm。自動(dòng)刷幫控制方法使掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)修正斷面兩幫，從而使截割步距小于529mm以滿足“巷道截割斷面邊界檢測(cè)最大誤差小于10cm”的條件[6-8]，進(jìn)而縮減粗糙度誤差提升效率。自動(dòng)刷幫控制見圖4，設(shè)置刷幫路徑是從上向下，該路徑將對(duì)自動(dòng)截割過程產(chǎn)生的誤差特別刷幫，設(shè)計(jì)其余路徑成斜線截割以縮減步數(shù)，而實(shí)際截割時(shí)能夠按照需要修改控制程序。

以B→D為例，截割臂進(jìn)程向下運(yùn)行時(shí)，每間隔0.5s要運(yùn)算一次回轉(zhuǎn)油缸應(yīng)該到達(dá)的伸長(zhǎng)量，以確保截割頭依照巷道邊界運(yùn)行。①巷道左右兩幫：當(dāng)刷幫運(yùn)行到巷道左右兩幫時(shí)，只需運(yùn)算一次升降油缸伸縮量設(shè)置值Ctl[1]，每間隔0.5s運(yùn)算一次回轉(zhuǎn)油缸伸縮量設(shè)置值Ctl[0]，依據(jù)首次運(yùn)算獲得的目標(biāo)值把CmdKey[ACTXANGLE]及CmdKey

圖2　自動(dòng)截割控制流程圖及各模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割控制方法

圖3　斷面粗糙度誤差示意圖

圖4　矩形巷道斷面自動(dòng)刷幫控制路徑

[ACTYANGLE]同步置1，Ctl[1]表示此截割過程完結(jié)時(shí)的目標(biāo)值，隨后開始計(jì)時(shí)，在等于0.5s時(shí)刻按照此時(shí)垂直位置AI[ACTYANGLE]從新運(yùn)算0.5s后回轉(zhuǎn)油缸伸縮量應(yīng)獲取的目標(biāo)值，并傳輸至Ctl[0]更新之中的值，直到AI[ACTYANGLE]等于Ctl[1]時(shí)結(jié)束，以此實(shí)現(xiàn)左或右?guī)徒馗睿虎谄溆嘟馗钸^程：僅運(yùn)算一次回轉(zhuǎn)以及升降油缸伸縮量設(shè)置值Ctl[0]及Ctl[1]，并按照目標(biāo)值執(zhí)行相應(yīng)油缸，等于目標(biāo)值就依次關(guān)閉此油缸停止運(yùn)動(dòng)。

通過PCC對(duì)油缸流量大小進(jìn)行控制，即依據(jù)自動(dòng)刷幫功能需求對(duì)截割臂的擺速進(jìn)行控制。由于實(shí)行左右兩幫的截割操作時(shí)，水平方向是微調(diào)，如果仍然高速運(yùn)行將導(dǎo)致超越巷道邊界從而無法完成自動(dòng)刷幫工作，所以設(shè)定截割臂擺速垂直及水平方向分別是高速以及低速運(yùn)行。實(shí)行其他截割過程時(shí)，截割臂擺速垂直及水平方向都設(shè)定是高速運(yùn)行。

2.3上位機(jī)設(shè)計(jì)

該自動(dòng)截割控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控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。

截割頭位置動(dòng)態(tài)顯示界面中主要是對(duì)截割輪廓的調(diào)整狀況與其工作狀況進(jìn)行顯示，以完成對(duì)工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)控。如果截割頭沒有跨越巷道邊界，那么顯示綠色，并且持續(xù)執(zhí)行自動(dòng)截割指令；如果截割頭跨越巷道邊界，那么就顯示紅色，以此來警示掘進(jìn)機(jī)司機(jī)停止機(jī)車運(yùn)作。模擬量參數(shù)界面可直觀的實(shí)時(shí)顯示懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)并記錄工作參數(shù)。

3　試驗(yàn)仿真及結(jié)果

3.1井上實(shí)驗(yàn)

設(shè)定巷道截割面的寬度和高度分別為3m和2.5m，懸臂式掘進(jìn)機(jī)選用EBZ200，工控機(jī)上位機(jī)功能界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。

經(jīng)過對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割的反復(fù)試驗(yàn)，截割頭按照預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行自動(dòng)截割，左右兩幫的刷幫截割路徑和巷道斷面形狀大體相符，工作過程中回轉(zhuǎn)以及升降油缸聯(lián)動(dòng)取得很好的成效，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割試驗(yàn)結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)可以很好的實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)截割的功能。

3.2井下實(shí)驗(yàn)

在井下進(jìn)行斷面自動(dòng)截割試驗(yàn)時(shí)，巷道斷面的寬度和高度分別為4.5m和4m。設(shè)定自動(dòng)截割步距為700mm，則經(jīng)過3個(gè)截割步驟即可截割一個(gè)完整斷面。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，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，在斷面自動(dòng)截割成形后，還進(jìn)行了斷面自動(dòng)刷幫功能試驗(yàn)。根據(jù)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，相對(duì)控制最大誤差為2.2%；右?guī)妥畲笳`差為20mm，相對(duì)控制最大誤差為0.9%；兩幫綜合最大誤差為70mm，相對(duì)控制最大誤差為1.6%，經(jīng)過多組試驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)重復(fù)精度高、無累計(jì)偏差。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)/mm

4　結(jié)　論

通過建立截割頭空間位置數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制系統(tǒng)，同時(shí)運(yùn)用PCC模塊化編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割控制，并且在上位機(jī)功能界面中能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)顯示截割頭工作情況。根據(jù)井下工業(yè)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：掘進(jìn)機(jī)斷面自動(dòng)截割成形控制系統(tǒng)在井下工業(yè)生產(chǎn)中能夠運(yùn)行良好，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定；控制掘進(jìn)機(jī)完成自動(dòng)截割、自動(dòng)刷幫功能后，巷道兩幫無明顯誤差，能夠很好地實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)截割。

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The design of boom roadheader automatic cutting control system

LI Hai-bin

(Meiyukou Mine，Shanxi Datong Coal Mine Group，Datong 037041，China)

In view of the present low level of automation and intelligent control of boom roadheader，automatic cutting control technology is proposed.By establishing the mathematical model of cutting head space design of the cantilever machine automatic control system，at the same time，based on the programmable computer controller PCC modular functions to complete the program design of automatic cutting control system.Aiming at the defect of the low degree of visualization，design the PC monitoring，real-time communication with the PCC，to realize the real-time monitoring of running status of machine.Inoue underground experiment was carried out at last，the results show that the control system is stable and reliable operation，high repeat precision，no cumulative deviation，completion of automatic cutting and brush help function，no obvious error of two sides of roadway，can well realize the automatic cutting.

boom roadheader；automatic cutting；programmable computer controller

2016-02-10

李海斌(1975-)，男，山西懷仁人，同煤集團(tuán)煤峪口礦機(jī)電礦長(zhǎng)、工程師，專業(yè)為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化，研究方向?yàn)槊旱V井下機(jī)電設(shè)備與管理。

TD421

A

1004-4051(2016)10-0150-04