CN103806912A - 掘进机用防碰控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进机用防碰控制系统及方法。掘进机用防碰控制系统包括信号采集装置和控制器。其中，信号采集装置包括设置于掘进机截割臂的第一信号采集单元，以及设置于铲板的第二信号采集单元；控制器与信号采集装置相连接，用于根据信号采集装置获取的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；并判断距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。本发明根据信号采集装置获取的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；在距离小于预置的极限距离时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护，更好的地解决截割臂与铲板的碰撞问题。

Description

掘进机用防碰控制系统及方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种掘进机用防碰控制系统及方法。 

背景技术

目前，不论是煤矿用还是隧道用掘进机在工作时，都存在灰尘大、可视度差的问题。操作手无法看到前方截割头底部或顶部截割位置，因此，很容易导致底部截割臂与铲板碰撞或超挖或欠挖。 

针对截割臂与铲板的碰撞问题，现有技术常常采用的方法是，在极限位置发出报警信号（例如声音报警信号）进行预警，操作手在预警信号的提示下，进行相关操作。 

这种方式存在的问题是，若报警信号发生后，操作员没能及时采取相关措施（例如，由于掘进机在工作时噪音很大，有时候听不到报警信号）还是会产生碰撞，导致故障或破坏。 

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种掘进机用防碰控制系统及方法，以更好的地解决截割臂与铲板碰撞的碰撞问题，或进一步地解决超挖或欠挖问题。 

第一方面，本发明提供了一种掘进机用防碰控制系统，包括：信号采集装置和控制器。其中，信号采集装置包括设置于掘进机截割臂的第一信号采集单元，以及设置于掘进机铲板的第二信号采集单元；控制器与所述信号采集装置相连接，用于根据所述信号采集装置获取的位置信号，计算所述截割臂和铲板之间的距离；并判断所述距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动掘进机的电磁阀，使液压系统控制掘进机的执行装置进行主动防护。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统中，所述第一信号采集单元为第一倾角传感器，用于采集所述截割臂相对于水平面的夹角；所述第二信号采集单元为第二倾角传感器，用于采集所述铲板相对于水平面的夹角。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统中，所述第一信号采集单元为第一油缸磁滞位移传感器，用于采集截割臂升降油缸的位移量，通过三角关系换算近而获得截割臂相对机身本体部履带水平面的夹角；所述第二信号采集单元为第二油缸磁滞位移传感器，用于采集铲板升降油缸的位移量，通过三角关系换算近而获得铲板相对机身本体部履带水平面的夹角。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统还包括：信号防爆隔离装置，其连接于所述信号采集装置与所述控制器之间，用于将所述信号采集装置获取的本安信号转换为非本安信号，并输入至所述控制器中。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统中，所述信号采集装置还包括第三信号采集单元，所述第三信号采集单元为第三倾角传感器，用于采集机身相对于水平面的角度；并且，所述控制器进一步用于，根据如下两个参数计算截割臂截割头的实际作业高度：A、所述机身相对于水平面所成的角度与所述截割臂与水平面所成角度的差；B、截割臂处于水平状态时，截割头的高度；并且，当所述实际作业高度大于预定的极限高度时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行限高模式下的掘进。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统还包括报警装置，与所述控制器相连接；该报警装置用于：在所述截割臂和铲板之间的距离小于预置的极限距离时，发出报警信号；和/或，在所述截割臂的截割头高于预置限高的情况下发出报警信号。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统还包括人机交互设备，与所述控制器相连接，设置有显示单元，用于显示截割臂、铲板或机身的位置或状态信息。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统中，所述人机交互设备还设置有软设定单元，用于临时调整预置的截割臂和铲板之间的极限距离；和/或，临时调整所述截割臂截割头的预置限高。 

本发明根据信号采集装置获取的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；在距离小于预置的极限距离时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护，更好的地解决截割臂与铲板碰撞的碰撞问题。 

这里“主动防护”的含义是，通过电磁阀直接控制液压系统的执行机构，使极限状态下的截割臂或铲板不能继续向前运动，只能向相反方向运动，进而彻底有效保证掘进机的截割臂与铲板不碰撞，保证掘进机的正常截割工作。这里的“主动”是相对于现有技术中的放碰撞的控制而言的，因为现有技术中，若报警信号发生后，操作员没能及时采取相关措施还是会产生碰撞，导致故障或破坏，因此，碰撞防护比较被动。而本发明不完全依赖与操作手针对预警信号的反应，当发生报警的时候，通过电磁阀和液压系统的控制，执行机构就可以自动避免碰撞的发生。 

第二方面，本发明还公开了一种掘进机用防碰控制方法，包括如下步骤：获取掘进机截割臂和铲板的位置信号；根据所述位置信号，计算所述截割臂和铲板之间的距离；判断所述距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动电磁阀，使液压系统控制其执行装置进行主动防护。 

进一步地，上述防碰控制方法还包括：获取机身相对于水平面所成的第一角度和截割臂与水平面所成第二角度；计算所述第一角度和第二角度之差；根据割臂处于水平状态时截割头的高度以及所述第一角度和第二角度之差，确定截割臂截割头的实际作业高度；所述实际作业高度大于预置的极限高度时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行限高模式下的掘进。 

本发明根据截割臂和铲板的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；在距离小于预置的极限距离时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。 

这里“主动防护”的含义是，通过电磁阀直接控制液压系统的执行机构，使极限状态下的截割臂不能继续向前运动，只能向相反方向运动，进而彻底有效保证掘进机的截割臂与铲板不碰撞，保证掘进机的正常截割工作。这里的“主动”是相对于现有技术中的放碰撞的控制而言的，因为现有技术中，若报警信 号发生后，操作员没能及时采取相关措施还是会产生碰撞，导致故障或破坏，因此，碰撞防护比较被动。而本发明不完全依赖与操作手针对预警信号的反应，当发生报警的时候，通过电磁阀和液压系统的控制，执行机构就可以自动避免碰撞的发生。 

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 

图1为本发明掘进机用防碰控制系统优选实施例的结构原理图； 

图2为本发明掘进机用防碰控制系统优选实施例中，传感器的位置设置示意图； 

图3为本发明掘进机用防碰控制系统实施例防碰撞原理示意图； 

图4为本发明掘进机用防碰控制系统实施例实现限高功能时的原理图； 

图5为图4所对应的几何原理图； 

图6为本发明掘进机用防碰控制系统实施例所对应的几何原理示意图。 

附图标记说明 

1  第一倾角传感器 

2  第二倾角传感器 

3  第三倾角传感器 

4  第一油缸磁滞位移传感器 

5  第二油缸磁滞位移传感器 

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 

下面结合图1至图6，对本发明的优选实施例作进一步详细说明。 

本实施例基于如下原理：掘进机仅靠防碰预警是不够的，还需要在极限状态下，限制截割臂继续向前运动，只能向相反方向运动，才能彻底有效保证掘进机的截割臂与铲板不碰撞，保证掘进机的正常截割工作。否则，还有碰撞情况出现。位置设定、位置检测与控制装置的执行机构关联，与显示系统、语音（或警铃）关联，才是防止掘进机截割臂与铲板碰撞的有效措施。 

图1为本发明掘进机用防碰控制系统优选实施例的结构原理图。 

本实施例掘进机用防碰控制系统包括信号采集装置和控制器。其中，信号采集装置包括设置于掘进机截割臂的第一信号采集单元和设置于铲板的第二信号采集单元；控制器与信号采集装置相连接，用于根据信号采集装置获取的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；并判断距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。 

信号采集单元可以选择倾角传感器。例如，第一信号采集单元可以为第一倾角传感器，用于采集截割臂相对于水平面的夹角；第二信号采集单元可以为第二倾角传感器，用于采集铲板相对于水平面的夹角。根据第一倾角传感器和第二倾角传感器所获得的角度信号，再根据几何位置关系，即可以推算出截割臂和铲板之间的距离。然后将计算得到的这个距离与预置的截割臂与做铲板板间的极限距离h₁作比较，若小于该极限距离，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。其原理可以参照图3所示。第一倾角传感器1、第二倾角传感器2的位置设置如图2所示。 

并且，信号采集单元也可以选择位移传感器。例如，上述掘进机用防碰控制系统中，第一信号采集单元可以为第一油缸磁滞位移传感器，用于采集截割臂升降油缸的位移量；第二信号采集单元为可以第二油缸磁滞位移传感器，用于采集铲板升降油缸的位移量。通过两个磁滞位移传感器采集的位移信号进行转换，并根据几个关系，推算出截割臂和铲板之间的距离。然后将计算得到的这个距离与预置的极限距离作比较，若小于该极限距离，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。图2也示出了第一油缸磁滞位移传感器4和第二油缸磁滞位移传感器5的位置设置示意图。 

上文中“主动防护”的含义是，通过电磁阀直接控制液压系统的执行机构，使极限状态下的截割臂不能继续向前运动，只能向相反方向运动，进而彻底有效保证掘进机的截割臂与铲板的星轮不发生碰撞，保证掘进机的正常截割工作。这里的“主动”是相对于现有技术中的防碰撞的控制而言的，因为现有技术中，若报警信号发生后，不能制止操作手在极限状态下继续下压截割臂或向上抬起铲板，还是会产生碰撞，导致故障或破坏，因此，碰撞防护比较被动。而本发明不完全依赖与操作手针对预警信号的反应，当发生报警的时候，通过电磁阀和液压系统的控制，执行机构就可以自动避免碰撞的发生。 

本实施例根据截割臂和铲板的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；在距离大于预置的极限距离时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。 

再次参照图1，可以看出，掘进机用防碰控制系统还包括信号防爆隔离装置，其连接于信号采集装置与控制器之间，用于将信号采集装置获取的本安信号转换为非本安信号，并输入至控制器中。 

进一步地，上述掘进机用防碰控制系统中，信号采集装置还包括第三信号采集单元，第三信号采集单元为第三倾角传感器，用于采集机身相对于水平面的角度；并且，控制器进一步用于，根据如下两个参数计算截割臂截割头的实际作业高度：A、机身相对于水平面所成的角度与截割臂与水平面所成角度的差；B、截割臂处于水平状态时，截割头的高度；并且，当实际作业高度大于预定的极限高度时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行限高模式下的掘进。实际作业高度的计算可以参照图4和图5、图6。 

其中，图4和图5、图6中的各个参数说明如下： 

H——截割向巷道高度（截割臂截割头距地高度）； 

h₀——截割臂水平距离地面的高度 

h——截割头相对于机身中线的高度 

h1——截割臂与铲板间距离 

L——截割臂的长度 

a——截割臂两轴间距离 

b——本体架两轴间距离 

c——截割臂油缸最小长度 

x——截割臂油缸伸出长度 

α——截割臂第一位置与第二位置夹角 

β——机身与截割臂夹角 

α₁——截割臂第一位置时截割油缸所对应角度 

α₂——截割臂第二位置时截割油缸所对应角度 

h=L*sinβ  H=h+h0  α=α₂-α₁

机身倾角可以判断掘进机巷道角度，这样即可保证巷道尺寸，又避免超挖损失或挖掘不到位反复浪费资源情况出现，特别是挖隧道时，“限高”可大大降低隧道成本。 

可以看出，仅用3个倾角传感器（或两个油缸磁滞位移传感器和一个用于机身测量的倾角传感器）就实现防碰防护和限高功能。 

图2为掘进机用防碰控制系统优选实施例中，各个传感器的位置设置示意图。更加优选地，在本实施例掘进机用防碰控制系统中，还包括报警装置，该报警装置与控制器相连接，用于在截割臂和铲板之间的距离小于预置的极限距离时，发出报警信号；和/或，在截割臂的截割头高于预置限高的情况下发出报警信号。 

更加优选地，在本实施例掘进机用防碰控制系统中，还包括人机交互设备，与控制器相连接，设置有显示单元，用于显示截割臂、铲板或机身的位置或状态信息，并可以通过颜色标识等方式进行预警。 

并且，人机交互设备还设置有软设定单元，用于临时调整预置的截割臂和铲板之间的极限距离；和/或，临时调整截割臂截割头的预置限高。换句话说，本实施例还增加了位置软设定功能，保证掘进机对不同类型和高度巷道的适应能力。 

简单的说，本实施例的工作原理是，各个传感器获得掘进机截割臂、铲板、 机身的位置信号，经过隔离防爆处理，送到掘进机控制器，报警位置软设定后，经过信号采集、程序处理，决定是否控制预警，并将电磁阀与液压控制系统关联，实现主动防碰防护输出控制，近而达到截割防碰、限高等目的。实现掘进机操作的可靠性、简易性。具体的说，本实施例实现了下述过程： 

第一、限高设定：先把掘进机截割臂升到限高位置，通过掘进机操作箱按钮组合键，设定的限位信号也通过上述传感器，把限高采集到控制器中。 

第二、防碰设定，把掘进机截割臂与铲板调整到合理不相碰位置，通过掘进机操作箱按钮组合键，设定的防碰位置值，采集到控制器中。小于设定值就预警和保护。 

第三、位置采集：通过掘进机截割臂、铲板、机身传感器，获得相关信号经过隔离防爆处理，送到掘进机控制器中，处理后可以通过显示屏显示截割高度及通过颜色、闪烁等预警。 

第四、信号处理：应用几何数学，通过程序和控制器，实现信号计算、比较和控制相应执行单元输出。 

第五、执行机构：相应电磁阀与液压系统关联，当控制器控制某个电磁阀输出后，相应主动防护功能就实现了。 

综上，本实施例具有以下优点： 

使掘进机的防碰由被动防护，变为主动防护；使掘进机截割高度有预警或防护功能；仅用3个倾角传感器（或两个油缸磁滞位移传感器和一个用于测量的倾角传感器）就实现防碰防护和限高功能。同时，机身倾角可以判断掘进机巷道角度；这样即可保证巷道尺寸、方向，又避免超挖损失或挖掘不到位反复浪费资源情况出现。同时，防护用组合按钮实现软设定，增加防护的实用性、适应性和可靠性。 

此外，需要说明的是，上述实施例是一个优选实施例，掘进机用防碰控制系统中的信号采集装置可以仅仅包括第一信号采集单元和第二信号采集单元，仅仅能够实现防碰功能即可；并非一定要包括第三信号采集单元，实现“限高”功能。具有“防碰”和“限高”功能，是本发明掘进机用防碰控制系统的一个 优选方案。并且，人机交互设备、防爆隔离装置及报警装置也是对仅仅具有“防碰”功能的实施例的进一步优化，并非一定包括的结构。此外，虽然，本发明的“防碰”和“限高”也可用限位开关实现，但不可靠。 

第二方面，本发明还公开了一种掘进机用防碰控制方法，包括如下步骤： 

步骤S1，获取掘进机截割臂和铲板的位置信号； 

步骤S2，根据位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离； 

步骤S3，判断距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动电磁阀，使液压系统控制其执行装置进行主动防护。 

本实施例根据截割臂和铲板的位置信号，计算截割臂和铲板之间的距离；在距离小于预置的极限距离时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行主动防护。 

这里“主动防护”的含义是，通过电磁阀直接控制液压系统的执行机构，使极限状态下的截割臂不能继续向前运动，只能向相反方向运动，进而彻底有效保证掘进机的截割臂与铲板不碰撞，保证掘进机的正常截割工作。这里的“主动”是相对于现有技术中的防碰撞的控制而言的，因为现有技术中，若报警信号发生后，操作员没能及时采取相关措施还是会产生碰撞，导致故障或破坏，因此，碰撞防护比较被动。而本发明不完全依赖与操作手针对预警信号的反应，当发生报警的时候，通过电磁阀和液压系统的控制，执行机构就可以自动避免碰撞的发生。 

进一步地，上述方法还可以包括如下步骤：获取机身相对于水平面所成的第一角度和截割臂与水平面所成第二角度；计算第一角度和第二角度之差；根据割臂处于水平状态时截割头的高度以及第一角度和第二角度之差，确定截割臂截割头的实际作业高度；若实际作业高度大于预置的极限高度时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行限高模式下的掘进。机身倾角可以判断掘进机巷道角度，这样即可保证巷道尺寸，又避免超挖损失或挖掘不到位反复浪费资源情况出现，特别是挖隧道时，“限高”可大大降低隧道成本。实际作业高度的计算方法参照图4和图5、图6。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种掘进机用防碰控制系统，其特征在于，包括：

信号采集装置，包括设置于掘进机截割臂的第一信号采集单元，以及设置于掘进机铲板的第二信号采集单元；

控制器，与所述信号采集装置相连接，用于根据所述信号采集装置获取的位置信号，计算所述截割臂和铲板之间的距离；并判断所述距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动掘进机的电磁阀，使液压系统控制掘进机的执行装置进行主动防护。

2.根据权利要求1所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，

所述第一信号采集单元为第一倾角传感器，用于采集所述截割臂相对于水平面的夹角；

所述第二信号采集单元为第二倾角传感器，用于采集所述铲板相对于水平面的夹角。

3.根据权利要求1所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，

所述第一信号采集单元为第一油缸磁滞位移传感器，用于采集所述截割臂的升降油缸的位移量，通过三角关系换算进而获得截割臂相对机身本体部履带水平面的夹角；

所述第二信号采集单元为第二油缸磁滞位移传感器，用于采集所述铲板升降油缸的位移量，通过三角关系换算进而获得铲板相对机身本体部履带水平面的夹角。

4.根据权利要求2或3所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，还包括：

信号防爆隔离装置，其连接于所述信号采集装置与所述控制器之间，用于将所述信号采集装置获取的本安信号转换为非本安信号，并输入至所述控制器中。

5.根据权利要求1所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，

所述信号采集装置还包括第三信号采集单元，所述第三信号采集单元为第三倾角传感器，用于采集机身相对于水平面的角度；并且

所述控制器进一步用于，根据如下两个参数计算截割臂截割头的实际作业高度：

A、所述机身相对于水平面所成的角度与所述截割臂与水平面所成角度的差；B、截割臂处于水平状态时，截割头的高度；

并且，当所述实际作业高度大于预定的极限高度时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行限高模式下的掘进。

6.根据权利要求1或5所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，还包括：

报警装置，与所述控制器相连接；

该报警装置用于：

在所述截割臂和铲板之间的距离小于预置的极限距离时，发出报警信号；和/或

在所述截割臂的截割头高于预置限高的情况下发出报警信号。

7.根据权利要求6所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，还包括：

人机交互设备，与所述控制器相连接，设置有显示单元，用于显示截割臂、铲板或机身的位置或状态信息。

8.根据权利要求7所述的掘进机用防碰控制系统，其特征在于，

所述人机交互设备还设置有软设定单元，用于：

临时调整预置的截割臂和铲板之间的极限距离；和/或

临时调整所述截割臂截割头的预置限高。

9.一种掘进机用防碰控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取掘进机截割臂和铲板的位置信号；

根据所述位置信号，计算所述截割臂和铲板之间的距离；

判断所述距离是否小于预置的极限距离，若是，则驱动电磁阀，使液压系统控制其执行装置进行主动防护。

10.根据权利要求9所述的防碰控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

获取机身相对于水平面所成的第一角度和截割臂与水平面所成第二角度；

计算所述第一角度和第二角度之差；

根据割臂处于水平状态时截割头的高度以及所述第一角度和第二角度之差，确定截割臂截割头的实际作业高度；

所述实际作业高度大于预置的极限高度时，则驱动电磁阀，使液压系统控制执行装置进行限高模式下的掘进。

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