CN103821514A - 掘进机截割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进机截割系统，包括掘进机截割头定位系统、截割断面模拟显示系统、液压系统和执行机构。截割头定位系统用于确定截割头相对于巷道的位置，截割断面模拟显示系统与截割头定位系统相连接，包括显示屏，用于根据预先存储的实际巷道的截割断面参数及形状，模拟显示截割头相对于该巷道的位置；液压系统与截割头定位系统相连接，用于根据截割断面模拟显示系统所显示的截割头相对于该巷道的位置信息，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，提高操作人员作业的安全性。

Description

掘进机截割系统

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种掘进机截割系统。

背景技术

煤矿井下掘进机工作面环境恶劣、地质复杂、岩石硬度较大，截割作业时粉尘、灰尘量很大，掘进机剧烈振动，严重影响操作手视线，无法精确定位截割臂及截割头的位置，需要额外增加一名工作人员配合操作手共同进行截割作业，即使如此，因断面轮廓模糊，导致截割断面欠挖、超挖现象经常发生，额外增加支护人力、物力成本。为提高截割断面成形准确性，必须等灰尘散尽后再进行仔细修形，从而降低截割效率。

由此，可以看出，在现有技术的截割机进行截割作业时，不但增加人员、支护成本，而且使工作面现场人员工作时危险程度及劳动强度增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种掘进机截割系统，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。

本发明一种掘进机截割系统，包括掘进机截割头定位系统、截割断面模拟显示系统、液压系统和执行机构；所述掘进机截割头定位系统包括位置信息采集装置和电气控制装置，所述位置信息采集装置用于采集定位截割头所需的位置信息，所述电气控制装置用于确定并输出截割头相对于巷道的位置；所述截割断面模拟显示系统与所述电气控制装置相连接，包括显示屏，用于根据预先存储的实际巷道的截割断面参数及形状以及来自所述电气控制装置的位置信息，模拟显示截割头相对于该巷道的位置；所述电气控制装置还用于根据所述截割断面模拟显示系统显示的位置信息，控制所述液压系统，以驱动掘进机的所述执行机构进行截割操作。

进一步地，上述掘进机截割系统中，还包括驾驶室；所述截割断面模拟显示系统设置于所述驾驶室内，所述驾驶室用于将操作人员与巷道隔离；和/或，所述截割断面模拟显示系统还用于根据截割头相对于巷道的位置进行报警。

进一步地，上述掘进机截割系统中，所述截割断面模拟显示系统还连接有输入设备，用于输入并预先存储不同工况下巷道截割断面的参数及形状。

进一步地，上述掘进机截割系统中，所述位置信息采集装置包括：车身定位检测装置和截割头定位检测装置；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，并将该位置信息输出至所述截割断面模拟显示系统。

进一步地，上述掘进机截割系统中，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、车身翻滚角检测单元，以及，用于测量掘进机车身到巷道顶板的距离值的高度检测单元，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；所述高度检测单元设置于掘进机回转台的上部。

进一步地，上述掘进机截割系统中，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。

进一步地，上述掘进机截割系统中，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。

进一步地，上述掘进机截割系统中，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。

进一步地，上述掘进机截割系统中，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为旋转编码器、截割臂油缸内的磁滞位移传感器或油缸外的拉线位移传感器。

进一步地，上述掘进机截割系统中，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CAN总线输入连接；所述控制器通过电磁阀与所述液压系统相连接。

本发明的工作原理是，通过掘进机截割头定位系统确定截割头相对于巷道的位置；然后，通过截割断面模拟显示系统将截割头相对于该巷道的位置在显示屏上直观的表示；操作人员根据显示屏显示的位置信息，控制电气控制装置，电气控制装置驱动掘进机的执行机构进行截割操作。

由于截割断面模拟显示系统显示的位置信息即为实际作业真实情况的缩影，方便操作人员对截割操作的控制。进而，本实施例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，提高操作人员作业的安全性。

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为本发明掘进机截割系统第一实施例的结构框图；

图2为本发明掘进机截割系统实施例中，掘进机截割断面模拟显示系统显示屏的显示界面示意图；

图3为本发明掘进机截割系统实施例整个截割操作的闭环控制系统示意图；

图4为本发明掘进机截割系统第二实施例中的结构框图；

图5为本发明掘进机截割系统优选实施中，掘进机截割头定位系统的结构示意图；

图6为本发明掘进机截割系统优选实施例中，驾驶室，输入设备和截割断面模拟显示计算机的布置示意图；

图7为掘进机车身相对于巷道的水平旋转角度的示意图；

图8为掘进机车身相对于巷道的俯仰角的示意图；

图9为掘进机车身相对于巷道的车身翻滚角的示意图；

图10为掘进机截割臂相对于车身的俯仰角度示意图；

图11为掘进机截割臂相对于车身的水平回转角示意图。

附图标记说明

1  双轴倾角传感器

2  第一旋转编码器

3  第二旋转编码器

4  第一激光测距仪

5  第二激光测距仪

6  第三激光测距仪

7  第四激光测距仪

8  控制器

9  液压系统

10 执行机构

11 回转台上部测距仪

12 输入设备

13 截割断面模拟显示计算机；

14 驾驶室

A1 预报警线

A2 修行报警线

A3 超挖报警线

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。

参照图1，图1为本发明掘进机截割系统实施例的结构框图。

本实施例一种掘进机截割系统，包括掘进机截割头定位系统、截割断面模拟显示系统、液压系统和执行机构；掘进机截割头定位系统包括位置信息采集装置和电气控制装置，位置信息采集装置用于采集定位截割头所需的位置信息，电气控制装置用于确定并输出截割头相对于巷道的位置；截割断面模拟显示系统与电气控制装置相连接，包括显示屏，用于根据预先存储的实际巷道的截割断面参数及形状以及来自电气控制装置的位置信息，模拟显示截割头相对于该巷道的位置；电气控制装置还用于根据截割断面模拟显示系统显示的位置信息，控制液压系统，以驱动掘进机的执行机构进行截割操作。

截割断面模拟显示系统可以采用截割断面模拟显示计算机。

本实施例的工作原理是，通过掘进机截割头定位系统确定截割头相对于巷道的位置；然后，通过截割断面模拟显示系统将截割头相对于该巷道的位置在显示屏上直观的表示；操作人员根据显示屏显示的位置信息，控制电气控制装置，电气控制装置驱动掘进机的执行机构进行截割操作。

由于截割断面模拟显示系统显示的位置信息即为实际作业真实情况的缩影，方便操作人员对截割操作的控制。进而，本实施例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，提高操作人员作业的安全性。

进一步优选地，上述掘进机截割系统还包括驾驶室；截割断面模拟显示系统设置于驾驶室内，驾驶室用于将操作人员与巷道隔离。这样操作人员在驾驶室内作业既不影响视线，又可以减少恶劣环境的危害，保证健康。进而，可以有效地解决除尘问题。

更进一步地，截割断面模拟显示系统还可以具有根据截割头相对于巷道的位置进行报警的功能，基于截割头相对于巷道的位置，以及操作手的经验，或者预置于截割断面模拟显示系统中的安全位置即可实现。参照图2，例如：报警类型可以为，（1）截割头位置接近截割断面-预报警，如图2所示的预报警线A1；（2）截割头到达截割断面-修形报警，如图2所示的修行报警线A2；（3）截割头即将超出截割断面-超挖报警，如图2所示超挖报警线A3。

掘进机正常截割工作时，掘进机截割头定位系统实时检测截割头相对于巷道的位置（X，Y）与设定的截割断面参数进行比较，并模拟显示。如果截割头在巷道截割断面内部截割时，正常截割；如检测到截割头接近截割断面边界时，显示预报警，操作人员使电气控制装置输出信号控制掘进机液压系统主油路电磁阀，进行粗调截割臂动作；此时，如截割头继续接近截割断面，进行断面边界修形，显示到达截割断面报警，操作人员使电气控制装置将进一步控制截割臂油路电磁阀，进行细调控制功能，通过双重控制作用完成断面成形；即将达到超挖状态时，显示超挖报警，掘进机控制系统关闭液压系统主油路电磁阀，切断主油路，使截割臂动作油缸失去动力源，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，操作人员使电气控制装置控制液压系统主油路电磁阀正常工作。通过上述方式，实现掘进机截割头位置信息采集——控制液压系统——驱动截割臂动作电磁阀（执行机构）——截割头位置信息采集的掘进机防止超挖闭环控制方案。参照图3所示。

此外，截割断面模拟显示系统还连接有输入设备，用于输入并预先存储不同工况下巷道截割断面的参数及形状。也就是说，截割断面模拟显示系统可输入并存储各种实际巷道截割断面参数及形状，可命名并存储，供实际工作时进行选择。

下面，结合图4，对本发明掘进机截割系统做进一步的详细说明。

本优选实施例包括掘进机截割头定位系统、截割断面模拟显示系统、液压系统和执行机构；掘进机截割头定位系统包括位置信息采集装置和电气控制装置，位置信息采集装置用于采集定位截割头所需的位置信息，电气控制装置用于确定并输出截割头相对于巷道的位置。截割断面模拟显示系统与电气控制装置相连接，包括显示屏，用于根据预先存储的实际巷道的截割断面参数及形状以及来自电气控制装置的位置信息，模拟显示截割头相对于该巷道的位置；电气控制装置还用于根据截割断面模拟显示系统显示的位置信息，控制液压系统，以驱动掘进机的执行机构进行截割操作。

其中，位置信息采集装置包括：车身定位检测装置和截割头定位检测装置；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；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，并将该位置信息输出至截割断面模拟显示系统。

更加具体地，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、车身翻滚角检测单元和高度检测单元，该高度检测单元用于测量掘进机车身到巷道顶板的距离值。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车身翻滚角检测单元设置于掘进机回转台；高度检测单元设置于掘进机回转台的上部。

优选地，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、红外测距仪或雷达测距仪。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仪或雷达测距仪，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。

车身俯仰角检测单元和车身翻滚角检测单元可以为双轴倾角传感器。

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；截割臂相对于车身的垂直俯仰角度检测单元和水平旋转角检测单元安装于掘进机回转台。优选地，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为旋转编码器。也可以为截割臂油缸内的磁滞位移传感器或油缸外的拉线位移传感器，采用这种方式时，测量掘进机截割臂油缸行程，经过映射计算出截割头相对于掘进机的水平和俯仰距离。

电气控制装置采用一个控制器即可。激光测距仪与控制器通过RS23或485数据连接；旋转编码器与控制器通过CAN总线连接；倾角传感器与控制器通过CAN总线输入连接；控制器通过电磁阀与液压系统相连接。

截割断面模拟显示系统与第一实施例相似，本实施例在此不再赘述。

下面结合图5至图11，对本发明掘进机截割系统中的掘进机截割头定位系统做进一步的详细说明。

参照图5，,图5为本发明掘进机截割系统优选实施中，掘进机截割头定位系统的结构示意图，定位系统包括双轴倾角传感器1、第一旋转编码器2、第二旋转编码器3、第一激光测距仪4、第二激光测距仪5、第三激光测距仪6、第四激光测距仪7、控制器8、液压系统9、执行机构10和回转台上部测距仪11。

在具体实施时，在测量掘进机车体相对于巷道的位置时，为减少截割时粉尘及振动的影响，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γ和翻滚角β，通过回转台上部测距仪11，测量掘进机车身到巷道顶板的距离值；进而，建立掘进机车身相对于巷道的坐标系。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5。

更加具体地，车身相对于巷道的位置通过如下方式确定。

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（L1、L2、L3、L4）。参照图7至图9。通过几何关系可得掘进机水平旋转角度α=arctag【（L2-L1）/（L1和L2激光束的垂直距离）】或α=arctag【（L3-L4）/（L3和L4激光束的垂直距离）】，剔除异常的激光测距数据，取两个α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γ和翻滚角β，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γ和掘进机车身相对于巷道的车身翻滚角β。

再次参照图5，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。或者，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也可以为安装在截割臂油缸内的磁滞位移传感器、油缸外的拉线位移传感器，测量掘进机截割臂油缸行程，经过映射计算出截割头相对于掘进机的水平和俯仰距离。然后，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。

旋转编码器的测量原理如下。参照图10和图11。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∠A和水平回转角∠B，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。

将检测获取的掘进机车身相对于巷道的位置，以及截割头相对于掘进机的位置输入掘进机控制器8进行分析，处理。最终确立截割头相对于巷道的空间位置。

参照图6，图6示出了本发明掘进机截割系统优选实施例中，驾驶室14，输入设备12和截割断面模拟显示计算机13的布置示意图。截割断面模拟显示计算机13通过USB接口连接输入设备12，用于输入并预先存储不同工况下巷道截割断面的参数及形状。截割断面模拟显示计算机13可输入并存储各种实际巷道截割断面参数及形状，可命名并存储，供实际工作时进行选择。驾驶室14四面封闭，既不影响操作人员的视线，又减少粉尘危害，保证身体健康。

控制器8根据截割断面模拟显示计算机13显示的位置信息，控制液压系统9，以驱动掘进机的执行机构10进行截割操作。

综上，在本申请中：在现有掘进机基础上增加操作人员驾驶室。通过掘进机车身定位检测装置确定掘进机自身位置及姿态，建立相对于巷道的坐标系；通过截割头定位检测装置确定截割头相对掘进机的位置及姿态，建立相对于掘进机的坐标系；通过车身定位检测装置和截割头定位检测装置确定掘进机截割头相对于巷道的相对坐标系及坐标位置。通过输入断面参数，生成与参数匹配的模拟截割断面并存储，截割作业时，实时检测掘进机截割头相对于巷道的位置信息、传输到显示计算机，实现截割断面模拟显示功能，驾驶室内的操作者可完全通过观察显示器，进行截割作业。

通过上述说明，可以看出，本发明在实施时具有如下技术优势：

第一、测量距离的方式确定车身水平旋转角度，简单、可靠、独立性强。

第二、通过旋转编码器测量角度，设置极限零点，避免出现负值，避免倾角传感器必须依靠水平面为基准的局限性。测量容易、算法简单、位置准确。

第三、利用掘进机防止超挖闭环控制系统，节约超挖支护成本。

第四、截割断面模拟显示系统即巷道断面真实情况的缩影显示，显示内容符合实际工况，操作手易于掌握，使用。

第五、截割断面显示系统可输入、命名并存储各种巷道截割断面参数及形状。

第六、节约一名副司机，截割断面准确成型，截割速度快、效率高。

第七、安装驾驶室既不影响操作手视线，又减少粉尘危害，保证身体健康。

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)

1.一种掘进机截割系统，其特征在于，包括掘进机截割头定位系统、截割断面模拟显示系统、液压系统和执行机构；

所述掘进机截割头定位系统包括位置信息采集装置和电气控制装置，所述位置信息采集装置用于采集定位截割头所需的位置信息，所述电气控制装置用于确定并输出截割头相对于巷道的位置；

所述截割断面模拟显示系统与所述电气控制装置相连接，包括显示屏，用于根据预先存储的实际巷道的截割断面参数及形状以及来自所述电气控制装置的位置信息，模拟显示截割头相对于该巷道的位置；

所述电气控制装置还用于根据所述截割断面模拟显示系统显示的位置信息，控制所述液压系统，以驱动掘进机的所述执行机构进行截割操作。

2.根据权利要求1所述的掘进机截割系统，其特征在于，

还包括驾驶室；所述截割断面模拟显示系统设置于所述驾驶室内，所述驾驶室用于将操作人员与巷道隔离；和/或

所述截割断面模拟显示系统还用于根据截割头相对于巷道的位置进行报警。

3.根据权利要求2所述的掘进机截割系统，其特征在于，

所述截割断面模拟显示系统还连接有输入设备，用于输入并预先存储不同工况下巷道截割断面的参数及形状。

4.根据权利要求3所述的掘进机截割系统，其特征在于，

所述位置信息采集装置包括：车身定位检测装置和截割头定位检测装置；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，并将该位置信息输出至所述截割断面模拟显示系统。

5.根据权利要求4所述的掘进机截割系统，其特征在于，

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、车身翻滚角检测单元，以及，用于测量掘进机车身到巷道顶板的距离值的高度检测单元，；

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；

所述高度检测单元设置于掘进机回转台的上部。

6.根据权利要求5所述的掘进机截割系统，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。

7.根据权利要求6所述的掘进机截割系统，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。

8.根据权利要求7所述的掘进机截割系统，其特征在于，

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。

9.根据权利要求8所述的掘进机截割系统，其特征在于，

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为旋转编码器、截割臂油缸内的磁滞位移传感器或油缸外的拉线位移传感器。

10.根据权利要求9所述的掘进机截割系统，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CAN总线输入连接；

所述控制器通过电磁阀与所述液压系统相连接。

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