CN103821510B - 掘进机及其截割头定位系统、截割系统和截割方法 - Google Patents

掘进机及其截割头定位系统、截割系统和截割方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掘进机及其截割头定位系统、截割系统和截割方法。其中,该截割头定位系统包括车身定位检测装置、截割头定位检测装置和电气控制装置。其中,电气控制装置的信号输入端与车身定位检测装置以及截割头定位检测装置相连接,用于根据车身定位检测装置和截割头定位检测装置的输入信号确定截割头相对于巷道的位置;电气控制装置的信号输出端与掘进机的液压系统相连接,以驱动掘进机的执行机构进行截割操作。本发明可以提高截割断面成型准确性,尽可能地避免截割断面欠挖、超挖现象的发生,并且降低劳动强度,提高工作效率,提高作业的安全性。

Description

掘进机及其截割头定位系统、截割系统和截割方法
技术领域
[0001] 本发明涉及掘进机技术领域,特别涉及一种掘进机及其截割头定位系统、截割系 统和截割方法。
背景技术
[0002] 目前,掘进机井下工作面的截割操作都是由操作手人工操作截割头左右及上下动 作,实现对巷道断面的截割操作的。
[0003] 但是,当掘进机在进行环境恶劣、地质复杂、岩石硬度较大的截割作业时,作业粉 尘、灰尘量都会很大,掘进机剧烈振动,这将严重影响操作手的视线,使操作手无法准确定 位截割臂及截割头的位置,从而,降低截割断面成型准确性,使截割断面欠挖、超挖现象经 常发生。
[0004] 为此,现有技术中采用的方式是,额外增加一名工作人员配合操作手共同进行巷 道断面内部截割。当灰尘散尽后进行扫帮、修形的工作,从而导致截割效率较低。同时,额外 增肌的工作人员也存在安全隐患,且劳动强度大。
发明内容
[0005] 有鉴于此,本发明提出一种掘进机及其截割头定位系统、截割系统和截割方法,以 提高截割断面成型准确性,尽可能地避免截割断面欠挖、超挖现象的发生,并且降低劳动强 度,提高工作效率,提高作业的安全性。
[0006] 第一方面,本发明掘进机截割头定位系统包括车身定位检测装置、截割头定位检 测装置和电气控制装置。其中,所述车身定位检测装置用于确定掘进机车身相对于巷道的 位置;所述截割头定位检测装置用于确定截割头相对于掘进机车身的位置;所述电气控制 装置的信号输入端与所述车身定位检测装置以及所述截割头定位检测装置相连接,用于根 据所述车身定位检测装置和所述截割头定位检测装置的输入信号确定截割头相对于巷道 的位置;所述电气控制装置的信号输出端与掘进机的液压系统相连接,以驱动掘进机的执 行机构进行截割操作。
[0007] 进一步地,上述掘进机截割头定位系统中,所述车身定位检测装置包括:车身相对 于巷道的水平位置检测单元、车身相对于巷道的水平旋转角度检测单元、车身俯仰角检测 单元和车身翻滚角检测单元;其中,所述水平位置检测单元和所述水平旋转角度检测单元 设置于掘进机车身后部两侧;所述车身俯仰角检测单元和车身翻滚角检测单元设置于掘进 机回转台。
[0008] 进一步地,上述掘进机截割头定位系统中,所述水平位置检测单元和所述水平旋 转角度检测单元为激光测距仪、红外测距仪或雷达测距仪。
[0009] 进一步地,上述掘进机截割头定位系统中,所述车身俯仰角检测单元和所述车身 翻滚角检测单元为双轴倾角传感器。
[0010] 进一步地,上述掘进机截割头定位系统中,截割头定位检测装置包括:截割臂相对 于车身的俯仰角度检测单元、截割臂相对于车身的水平回转角检测单兀;截割臂相对于车 身的所述俯仰角度检测单元和所述水平回转角检测单元安装于掘进机回转台。
[0011] 进一步地,上述掘进机截割头定位系统中,截割臂相对于车身的所述俯仰角度检 测单元和所述水平回转角检测单元均为旋转编码器。
[0012] 进一步地,上述掘进机截割头定位系统中,所述电气控制装置为控制器;所述激光 测距仪与所述控制器通过RS23或24邪数据连接;所述旋转编码器与所述控制器通过CAN总 线连接;所述倾角传感器与所述控制器通过AI输入连接;所述控制器通过电磁阀与所述液 压系统相连接。
[0013] 本发明掘进机截割头定位系统中,通过车身定位检测装置实时检测掘进机车身相 对于巷道的位置,通过截割头定位检测装置实时检测截割头相对于掘进机车身的位置;然 后,电气控制装置根据所述掘进机车身相对于巷道的位置及所述截割头相对于掘进机车身 的位置,实时检测截割头相对于巷道的位置。这样,依据截割头相对于巷道的位置判断如何 驱动截割头进行截割操作,具体为:
[0014] 若所述截割头相对于巷道的位置位于所述巷道截割断面内部时,则截割参数不 变,继续截割操作;
[0015] 若所述截割头相对于巷道的位置接近所述巷道截割断面时,所述电气控制装置输 出信号控制所述液压系统的主油路流量,使所述执行机构动作变慢;
[0016] 若所述截割头继续接近所述截割断面边界并超出所述截割断面时,所述电气控制 装置切断液压系统主油路,使截割臂移动油缸失去动力源,停止移动。从而避免超挖现象的 发生;当截割头远离截割断面边界时,控制系统控制液压主油路正常工作。
[0017] 可以看出,本发明通过确定截割头与预先存储于电气控制装置中的巷道截割断面 之间的位置关系,控制液压系统驱动执行机构相应的进行动作,可以尽可能地避免截割断 面欠挖、超挖现象的发生,节约支护成本,提高截割断面成型准确性。并且,由于无需额外增 加工作人员,总体上降低劳动强度,同时,提高施工作业的安全性。
[0018] 第二方面,本发明还公开了一种掘进机截割系统,包括液压系统、执行机构,以及 上述的掘进机截割头定位系统;所述掘进机截割头定位检测系统中的电气控制装置的信号 输出端与液压系统相连接,以驱动掘进机的执行机构进行截割操作。
[0019] 第三方面,本发明还公开了一种掘进机,设置有上述的掘进机截割系统。
[0020] 由于掘进机截割系统和掘进机都包括有上述的掘进机截割头定位系统,因此,掘 进机截割系统和掘进机也具有上述技术效果。由于掘进机截割头定位系统的结构、工作原 理和技术效果在上面已经进行了说明,故在此不再进行赘述。
[0021] 第四方面,本发明还公开了一种掘进机的截割方法,所述方法基于上述的掘进机 截割系统,该掘进机截割方法包括如下步骤:确定巷道截割断面,将所述巷道断面的参数预 置于所述电气控制装置内;所述车身定位检测装置实时检测掘进机车身相对于巷道的位 置;所述截割头定位检测装置实时检测截割头相对于掘进机车身的位置;所述电气控制装 置根据所述掘进机车身相对于巷道的位置及所述截割头相对于掘进机车身的位置,实时检 测截割头相对于巷道的位置;若所述截割头相对于巷道的位置位于所述巷道截割断面内部 时,则截割参数不变,继续截割操作;若所述截割头相对于巷道的位置接近所述巷道截割断 面时,所述电气控制装置输出信号控制所述液压系统的主油路流量,使所述执行机构动作 变te;右所述截割头继续接近所述截割断面边界并超出所述截割断面时,所述电气控制装 置切断液压系统主油路,使截割臂移动油缸失去动力源,停止移动。
[0022]可以看出,本发明通过确定截割头与预先存储于电气控制装置中的巷道截割断面 之间的位置关系,控制液压系统驱动执行机构相应的进行动作,可以尽可能地避免截割断 面欠挖、超挖现象的发生,节约支护成本,提高截割断面成型准确性。并且,由于无需额外增 加工作人员,总体上降低劳动强度,同时,提高施工作业的安全性。 '
附图说明
[0023]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:
[0024]图1为本发明截割系统优选实施例的结构框图;
[0025]图2为本发明截割系统优选实施的结构示意图;
[0026]图3为本发明截割系统优选实施中,车身相对于巷道的水平旋转角度的示意图; [0027]图4为本发明截割系统优选实施中,车身相对于巷道的俯仰角的示意图;u ' [0028]图5为本发明截割系统优选实施中,车身相对于巷道的车身翻滚角的示意图;
[0029]图6为本发明截割系统优选实施中,截割臂相对于车身的俯仰角度示意图;^
[0030]图7为本发明截割系统优选实施中,截割臂相对于车身的水平回转角示意图。
[0031]附图标记说明 [GG32] 1 双轴倾角传感器
[0033] 2 第一旋转编码器
[0034] 3 第二旋转编码器
[GG35] 4 第一激光测距仪
[0036] 5 第二激光测距仪
[0037] 6 第三激光测距仪
[0038] 7 第四激光测距仪
[0039] 8 控制器
[0040] 9 液压系统
[0041] 1〇 执行机构
具体实施方式
[0042]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。
[0043] 下面,结合图1至图7,对本发明截割系统的优选实施例进行详细说明。
[0044] 参照图1,本实施例截割系统包括液压系统、执行机构,以及掘进机截割头定位系 统;掘进机截割头定位检测系统与液压系统相连接,以驱动掘进机的执行机构进行截割操 作。
[0045] 具体地,掘进机截割头定位系统包括车身定位检测装置、截割头定位检测装置和 电气控制装置。
[0046] 其中,车身定位检测装置用于确定掘进机车身相对于巷道的位置;截割头定位检 测装置用于确定截割头相对于掘进机车身的位置。
[0047]电气控制装置的信号输入端与车身定位检测装置以及截割头定位检测装置相连 接,用于根据车身定位检测装置和截割头定位检测装置的输入信号确定截割头相对于巷道 的位置。电气控制装置的信号输出端与掘进机的液压系统相连接,以驱动掘进机的执行机 构进行截割操作。
[0048]下面对车身定位检测装置的结构进行说明。
[0049]车身定位检测装置包括车身相对于巷道的水平位置检测单元、车身相对于巷道的 水平旋转角度检测单元、车身俯仰角检测单元和车身翻滚角检测单元。其中,水平位置检测 单元和水平旋转角度检测单元设置于掘进机车身后部两侧;车身俯仰角检测单元和车身翻 滚角检测单元设置于掘进机回转台。
[0050]在本实施例中,水平位置检测单元和水平旋转角度检测单元可以为激光测距仪; 车身俯仰角检测单元和车身翻滚角检测单元为双轴倾角传感器。当然,水平位置检测单元 和水平旋转角度检测单元也可以为红外测距伩或雷达测距仪或者,水平位置检测单元也可 以用不可见光测距仪测量,本发明对此不做限定。
[0051] 为减少截割时粉尘及振动的影响,在本实施例中,掘进机车身后部两侧安装四个 激光测距仪,即第一激光测距仪4、第二激光测距仪5、第三激光测距仪6和第四激光测距仪 7,通过这四个激光测距仪,实时检测掘进机车身相对于巷道的水平位置及水平旋转角度, 同时,通过安装在掘进机回转台上的双轴倾角传感器1检测掘进机车身相对于巷道的俯仰 角Y和翻滚角队从而确定车身相对于巷道的位置。各个激光测距仪的设置方式参照图2。 [0052] 更加具体地,车身相对于巷道的位置通过如下方式确定。
[0053]参照图3至图5。首先,通过第一激光测距仪4、第二激光测距仪5、第三激光测距仪6 和第四激光测距仪7测量掘进机车身到巷道两侧的距离11丄2儿3儿4)。参照图3,通过几何 关系可得掘进机水平旋转角度〇=3]:(^38【(1^2-1^)八11和1^2激光束的垂直距离)】或(1 = &1'以&8【(13吃4)八13和1^激光束的垂直距离)】,剔除异常的激光测距数据,取两个(1角度的 均值作为最终的水平旋转角度;其次,检测掘进机车身俯仰角度和翻滚角,通过安装在掘进 机上的双轴倾角传感器1分别测量掘进机车身相对于巷道的俯仰角Y和掘进机车身相对于 巷道的车身翻滚角P。
[0054]可以看出,掘进机自身位置及姿态确定简单、可靠、独立性强:利用测量距离的方 式确定掘进机车身水平旋转角度;在掘进机机身后侧安装激光测距仪减少灰尘及振动的影 响;位置确定不依赖其他设备,独立性强。
[0055] 在本实施例中,截割头定位检测装置包括:截割臂相对于车身的俯仰角度检测单 元、截割臂相对于车身的水平回转角检测单元;并且,截割臂相对于车身的俯仰角度检测单 元和水平回转角检测单元安装于掘进机回转台,二者可以均采用旋转编码器,即第一旋转 编码器2和第二旋转编码器3,设置方式参照图2。并且,截割臂相对于车身的俯仰角度检测 单元也可以通过倾角传感器测量。
[0056]掘进机车身位置确定后,根据掘进机截割头相对机械结构,通过安装在回转台上 的第一旋转编码器2和第二旋转编码器3,测量掘进机截割臂相对于掘进机车身的俯仰角度 和水平回转角,通过截割臂的长度即可计算出截割头相对于掘进机的水平和俯仰距离。从 而确定截割头相对于掘进机的相对位置。
[0057] 更加具体地,截割头相对于掘进机的相对位置通过如下方式确定。
[0058] 参照图6和图7。由第一旋转编码器2和第二旋转编码器3测量掘进机截割臂相对于 掘进机车身的俯仰角度ZA和水平回转角ZB,通过截割臂的长度即可计算出截割头相对于 掘进机的水平和俯仰距离。将上述两系统检测输出结果送入掘进机控制系统进行分析,处 理。最终确立截割头相对于巷道的空间位置。
[0059] 可以看出,截割头相对掘进机车身的位置及姿态测量容易、算法简单,仅需要通过 旋转编码器测量角度变化,利用几何三角关系确定截割头位置,准确度高。在具体实施时, 设置零点,避免截割角度出现负值问题,简化难度,提高检测速度。设置零点含义为:角度是 由两条边及一个交点组成的,旋转编码器中心相当于角度交点,编码器旋转测量角度时相 当于移动的那条边,零点就是不动的那条边对应的角度(也称零度角点,也就是找一个固定 不变的参考边旋转之后计算角度);具体设置方法:通过总线发送命令即可设置旋转编码器 的零点(零度角点)。
[0060]电气控制装置可以直接选用一个控制器8,第一激光测距仪4、第二激光测距仪5、 第三激光测距仪6和第四激光测距仪7与控制器8通过RS23或2485数据连接;第一旋转编码 器2和第二旋转编码器3与控制器8通过CAN总线连接;双轴倾角传感器1与控制器 8通过AI (模拟量)输入连接;控制器8通过电磁阀与液压系统9相连接,驱动执行机构1〇进行截割操 作。
[0061]由于当巷道设计完成时,巷道断面的形状就确定了,大部分为拱形断面或矩形断 面,掘进机进入巷道后,可以确定掘进机车身在巷道中的位置。掘进机正常截割工作时,控 制器8实时检测截割头相对于巷道的位置,如果截割头在巷道截割断面内部截割时,正常截 害J;如检测到截割头接近截割断面边界时,掘进机控制系统输出信号控制液压系统 9的主油 路流量,从而使执行机构10 (截割臂左右及俯仰移动油缸内流量及压力)动作缓慢;此时,如 截割头继续接近截割断面边界,超出截割断面,即将达到超挖状态时,控制器 8切断液压系 统9的主油路,使截割臂移动油缸失去动力源,停止移动,从而确保超挖现象的发生,当截割 头远离截割断面边界时,控制器 8控制液压系统9的主油路正常工作,实现掘进机截割头定 位 控制器进行控制--带动液压系统--驱动执行机构--截割头定位的闭环控制 系统。
[0062]从上述说明可以看出,本实施例具有如下特点:
[0063] 本发明的关键点和保护点
[0064]第一、掘进机自身设置的截割系统通过测量掘进机距巷道两侧的距离(利用激光 测距仪、红外测距仪、雷达测距仪)及几何关系确定掘进机水平旋转角。
[0065]第二、截割头定位系统中通过旋转编码器测量水平、旋转角度及利用相对几何关 系确立水平回转和垂直位置;
[0066] 第三、通过掘进机相对于巷道的位置及截割头相对于掘进机的位置确定掘进截割 头相对于巷道位置;
[0067] 第四、实现掘进机截割头定位一一控制器进行控制一一带动液压系统一一驱动执 行机构:一截割头定位的闭环控制系统,根据检测截割头位置控制液压系统主油路,从而 控制执行机构(油缸)。减少截割断面超挖现象发生,节约超挖支护成本。
[0068] 另一方面,本发明还公开了一种掘进机的截割方法,该方法基于上述的掘进机截 割系统,该掘进机截割方法包括如下步骤:
[0069] SOI:确定巷道截割断面,将巷道断面的参数预置于电气控制装置内;
[0070] S02:车身定位检测装置实时检测掘进机车身相对于巷道的位置;
[0071] S03:截割头定位检测装置实时检测截割头相对于掘进机车身的位置;
[0072] S04:电气控制装置根据掘进机车身相对于巷道的位置及截割头相对于掘进机车 身的位置,实时检测截割头相对于巷道的位置;
[0073] S05:
[0074] 右截割头相对于巷道的位置位于巷道截割断面内部时,则截割参数不变,继续截 割操作;
[0075]若截割头相对于巷道的位置接近巷道截割断面时,电气控制装置输出信号控制液 压系统的主油路流量,使执行机构动作变慢;
[0076]若截割头继续接近截割断面边界并超出截割断面时,电气控制装置切断液压系统 主油路,使截割臂移动油缸失去动力源,停止移动。
[0077]本发明的实施例通过确定截割头与预先存储于电气控制装置中的巷道截割断面 之间的位置关系,控制液压系统驱动执行机构相应的进行动作,可以尽可能地避免截割断 面欠挖、超挖现象的发生,节约支护成本,提高截割断面成型准确性。并且,由于无需额^卜增 加工作人员,总体上降低劳动强度,同时,提高施工作业的安全性。 '
[0078] 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,凡在本发明的米青 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 (7)

1. 一种掘进机截割头定位系统,其特征在于,包括:车身定位检测装置、截割头定位检 测装置和电气控制装置;其中, 所述车身定位检测装置用于确定掘进机车身相对于巷道的位置; 所述截割头定位检测装置用于确定截割头相对于掘进机车身的位置; 所述电气控制装置的信号输入端与所述车身定位检测装置以及所述截割头定位检测 装置相连接,用于根据所述车身定位检测装置和所述截割头定位检测装置的输入信号确定 截割头相对于巷道的位置; 所述电气控制装置的信号输出端与掘进机的液压系统相连接,用于驱动掘进机的执行 机构进行截割操作; 所述车身定位检测装置包括:车身相对于巷道的水平位置检测单元、车身相对于巷道 的水平旋转角度检测单元、车身俯仰角检测单元和车身翻滚角检测单元; 所述水平位置检测单元和所述水平旋转角度检测单元设置于掘进机车身后部两侧; 所述车身俯仰角检测单元和车身翻滚角检测单元设置于掘进机回转台; 所述截割头定位检测装置包括:截割臂相对于车身的俯仰角度检测单元、截割臂相对 于车身的水平回转角检测单元; 所述截割臂相对于车身的俯仰角度检测单元和所述水平回转角检测单元安装于掘进 机回转台; 所述截割臂相对于车身的俯仰角度检测单元和所述水平回转角检测单元均为旋转编 码器。
2. 根据权利要求1所述的掘进机截割头定位系统,其特征在于, 所述水平位置检测单元和所述水平旋转角度检测单元为激光测距仪、红外测距仪或雷 达测距仪。
3. 根据权利要求2所述的掘进机截割头定位系统,其特征在于, 所述车身俯仰角检测单元和所述车身翻滚角检测单元为双轴倾角传感器。
4. 根据权利要求3所述的掘进机截割头定位系统,其特征在于, 所述电气控制装置为控制器; 所述激光测距仪与所述控制器通过RS23或2485数据连接; 所述旋转编码器与所述控制器通过CAN总线连接; 所述倾角传感器与所述控制器通过AI输入连接; 所述控制器通过电磁阀与所述液压系统相连接。
5. -种掘进机截割系统,包括液压系统以及执行机构;其特征在于,该截割系统还包括 如权利要求1至4中任一项所述的掘进机截割头定位系统; 所述掘进机截割头定位系统中的电气控制装置的信号输出端与掘进机的液压系统相 连接,以驱动掘进机的执行机构进行截割操作。
6. -种掘进机,其特征在于,设置有如权利要求5所述掘进机截割系统。
7. -种掘进机的截割方法,其特征在于,所述截割方法基于如权利要求5所述的掘进机 截割系统,该掘进机截割方法包括如下步骤: 确定巷道截割断面,将所述巷道断面的参数预置于所述电气控制装置内; 所述车身定位检测装置实时检测掘进机车身相对于巷道的位置; 所述截割头定位检测装置实时检测截割头相对于掘进机车身的位置; 所述电气控制装置根据所述掘进机车身相对于巷道的位置及所述截割头相对于掘进 机车身的位置,实时检测截割头相对于巷道的位置; 若所述截割头相对于巷道的位置位于所述巷道截割断面内部时,则截割参数不变,继 续截割操作; 若所述截割头相对于巷道的位置接近所述巷道截割断面时,所述电气控制装置输出信 号控制所述液压系统的主油路流量,使所述执行机构动作变慢; 若所述截割头继续接近所述截割断面边界并超出所述截割断面时,所述电气控制装置 切断液压系统主油路,使截割臂移动油缸失去动力源,停止移动。
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