CN105257274A - 一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法；该装置包括：开孔扶持器；测距传感器，确定掘进凿岩台车、推进梁与工作巷道面的位置关系；推进梁定位器；置于靠帮油缸、伸缩油缸、俯仰油缸、补偿油缸、举升油缸上的位移传感器；置于旋转油缸上的角度传感器；激光指向部件；交互显示终端，用于数据的显示、布孔模式的选择和设置；控制器，接收命令驱动液压阀，控制油缸的行程，通过传感器的测量数据计算推进梁的位置及姿态，最终确定钻头的位置；手柄，用于控制台车作业。本发明装置根据布孔模式实现钻孔自动定位，提高了凿岩台车的自动化程度，降低了对操作工人的技术要求，提高了巷道作业的效率，以及钻杆、钻头的使用寿命。

Description

一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法

技术领域

本发明涉及机电一体化领域，尤其涉及一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法。

背景技术

巷道凿岩开采经历人工挖凿、风动工具、半自动化台车、到全自动化台车的局面。其中半自动化台车在成本效率方面最优，但是钻孔定位的效率低，制约设备效能的更大发挥。因此，能实现钻孔自动定位，尤其是精度要求较高的巷道中心区域的钻孔自动定位，人工辅助完成钻孔工作，极大提高效率、节省人工成本、降低对操作工的技术能力要求。在成本增加不多的情况下，自动化程度大大提高，这样的升级产品具有广泛的市场前景。

发明内容

针对掘进凿岩台车钻孔位置，人工操作精确定位不易，自动定位技术与应用缺乏的现状，本发明提供了一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种掘进凿岩台车钻孔自动定位方法，该方法包括凿岩台车在巷道中的定位方法和巷道面钻孔的定位方法。

掘进凿岩台车在巷道内的定位，在推进梁位置已经初始设定的情况下，根据安装在推进梁前端的测距传感器，通过交互显示终端查看测距传感器与巷道面的距离；根据交互显示终端提示确定凿岩台车是否移动到合适位置；这样可以避免凿岩过程中的二次移动凿岩台车。

巷道面上钻孔的定位，是通过计算钻头的位置得到的，而钻头安装在推进梁前端，由推进梁驱动；推进梁是通过安装在液压油缸外部或内部的位移传感器、拉绳传感器、激光测距传感器等测量行程，通过钻臂结构的几何关系，把油缸的行程转换为安装在推进梁上钻头的位置。

自动定位是根据布孔模式设定的目标位置，或激光指向部件指向的目标位置，和当前钻头位置的差值，控制液压阀驱动油缸行程或转动一定角度，使钻头向目标位置移动运动，最终自动定位到目标位置。

目标孔位的设定，通过交互显示终端人工设定；或机器安装时预置的布孔模式的孔位设定；或用电脑的设计工具中完成布孔设计，由存储介质存储，再由显示终端读入的布孔模式的设定值；这些孔位设定方式可供操作人员选择。

目标孔位的设定，还可以通过激光指向部件指向的位置确定，通过这样的孔位设定方式组成布孔模式，存入显示终端，供操作人员使用。

控制器，采集传感器数据，并与交换显示终端通信，接收显示终端的控制命令，接收操作手柄的指令，完成各种动作控制。

开孔扶钎器、推进梁定位器，在开孔作业时，巷道面与钻头有一定的倾斜角度(非接近直角)，这种情况下，开孔困难，在冲击力作用下钻头位置会发生偏移。开孔扶钎器和推进梁定位器保证了开孔的容易，及孔位的精度。

激光指向部件，在布孔模式的孔位不适用实际场景时，尤其靠帮孔的定位，激光指向部件启动工作，推进梁钻头就会跟踪激光光斑的移动，进行布孔作业。

本发明自动布孔实施的过程如下：

在巷道面布孔时，控制器根据从交互显示终端接收到的布孔模式的相关参数，并控制液压阀，驱动油缸，带动钻臂，使推进梁移动到巷道面的目标位置；根据测距传感器的距离，使开孔扶持器刚好接触巷道面；完成孔的定位。

确定需要启动开孔凿岩时，操作人员通过交互显示终端发指令给控制器，控制器控制推进梁定位器附着在巷道面，并保持一定的附着力，固定推进梁位置，开始钻孔作业。

钻孔到一定深度，根据钎杆的位置传感器，确定达到目标深度，并控制退钎，完成一个孔位的钻孔。

本发明的定位过程可以自动和人工结合方式完成。本发明的定位过程和钻孔过程，也可以不需要人工的钻孔指令，全自动完成。

本发明的有益效果是：本发明装置包括开孔扶持器，扶持钻头开孔，不会发生偏移，确保孔位准确；测距传感器，确定掘进凿岩台车、推进梁与工作巷道面的位置关系；推进梁定位器，固定推进梁与巷道面的位置，确保开凿孔位时，受到冲击力不会发生移动；置于靠帮油缸、伸缩油缸、俯仰油缸、补偿油缸、举升油缸上的位移传感器；置于旋转油缸上的角度传感器；激光指向部件，操作激光指向巷道面某处，用于人工或自动引导布孔位置；交互显示终端，用于测量及计算数据的显示、布孔模式的选择和设置等人机交互的功能；控制器，接收交互显示终端的命令，驱动液压阀，控制油缸的行程，通过传感器的测量数据计算推进梁的位置及姿态，最终确定钻头的位置；手柄，接收人工操作信号，用于控制台车作业。本发明装置根据布孔模式，实现钻孔自动定位。本发明提高了凿岩台车的自动化程度，降低了对操作工人的技术要求，提高了巷道作业的效率，以及钻杆、钻头的使用寿命。本发明在凿岩台车上具有广泛应用。

附图说明

图1为本发明掘进凿岩台车钻孔自动定位装置结构示意图；

图2为本发明的中心区域布孔模式定位的几何计算示意图，孔位由液压油缸及支架的几何关系确定，作为计算原理，以举升油缸为例，抽象成几何图形及边长的变换来计算；

图3为开孔固定方式示意图；

图4为本发明的开孔扶持器和推进梁定位器示意图；

图5为本发明电气及控制的连接框图；

图6-图14为本发明的布孔模式；

图中，靠帮油缸1、旋转油缸2、伸缩油缸3、俯仰油缸4、补偿油缸5、举升油缸6、控制台7、开孔扶持器8、推进梁定位器9、激光指向部件10、测距传感器11、巷道面12。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，掘进凿岩台车自动定位装置包括开孔扶持器8、测距传感器11、推进梁定位器9、举升油缸位移传感器S1和S2，俯仰油缸位移传感器S3和S4，靠帮油缸位移传感器S5。开孔扶持器8安装在推进梁前端，套住钻头的位置。测距传感器11安装在开孔扶持器8的下方，有防碰撞保护。推进梁定位器9安装在推进梁前端的下方部位。位移传感器安装在油缸的内部或外部；其中举升油缸6和俯仰油缸4是双油缸，二个油缸的行程可以不一样，需要各两个传感器测量。

如图2所示，不失一般性，把举升油缸6、大臂及支架等效成一个椎体，由四个面的三角形构成。S1、S2的长度是可变的，其它是不变的，如图2(a)。抽取其中一个由S1和大臂组成的三角面，如图2(b)。三角形的三边中，其它二边长度不变，长度S1变成长度S1’，使得P点位置变化为P’。

已知：L,θ,R；S1变化时，α(s1)为：

$\mathrm{\α}\left(s1\right)=\mathrm{\θ}-arccos\frac{s{1}^2+L^2-R^2}{2s1*L}$

P点的坐标：P(s1*cosα,s1sinα)

P到P′的位移为：(Δx,Δy)

$\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}x=x^{\′}& -x=s{1}^{\′}& *sin\mathrm{\α}\left(s{1}^{\′}\right)-s1*sin\mathrm{\α}\left(s1\right)\\ \mathrm{\Δ}y=y^{\′}& -y=s{1}^{\′}& *cos\mathrm{\α}\left(s{1}^{\′}\right)-s1*cos\mathrm{\α}\left(s1\right)\end{array}\right.$

其中： $\mathrm{\α}\left(x\right)=\mathrm{\θ}-arccos\frac{x^2+L^2-R^2}{2x*L}$

从上述式子，可以得到由于油缸s1的位移，引起坐标P的位置变化；根据这一基本原理及立体几何位置的关系，可以最终求出推进梁位置的变换。

通过旋转油缸及角度传感器，伸缩油缸及位移传感器，补偿油缸及位移传感器等部件的控制，在中心区域布孔的基础上，可以实现推进梁在更大的空间范围的布孔，从而能实现全巷道面的自动布孔。旋转油缸的转动范围是-180°～+180°，通过角度编码器或倾角传感器可以测得。伸缩油缸的位移测量及计算同图2。

如图3所示，由于经过爆破后巷道面不会很平整，钻孔时受到钎杆的冲击力，钻头会发生滑动偏移，造成孔与孔之间距离发生变化，作业完成的孔与孔之间不平行，或者两孔之间打通，影响爆破效果。安装本发明的开孔扶持器和推进梁定位器，可以确保开孔时钻头不发生偏移，按设定的孔位要求完成布孔作业。

如图4所示，开孔扶持器、推进梁定位器的结构和安装方法,开孔扶持器安装在推进梁的前端，套住钻头的位置，起扶持钻头和抵触巷道面的作用。推进梁定位器安装在推进梁的下方，油缸驱动球关节，并由带有锚钉的面接触巷道面。这样在保证开孔冲击力的作用下，钻头不会发生移动。

如图5所示，控制器连接框图，位移传感器输出标准电压、电流或SSI信号，接入控制器标注的A/D模拟端口、或数字口，A/D采集为16位。手柄信号输出为电压、电流或CAN信号，接入控制器标注的A/D模拟端口、或数字口，A/D采集为16位。液压阀输入是电压、电流或CAN信号，接入控制器标注的D/A模拟端口、或数字口，D/A转换为16位。开关量及继电器，接入相应的IO口，完成采集和控制。

如图6-图9所示，是全巷道面的布孔模式，包括了中心区域布孔模式、周边区域布孔模式和靠帮孔区域布孔模式；图10-图14仅是中心区域的布孔模式，是在图6-图9所示中心区域布孔模式的基础上增加的，和图6-图9的周边区域布孔模式和靠帮孔区域布孔模式一起也可以组成全巷道面的布孔模式。这些模式存储在交互显示终端的存储器，如PLASH-ROM、SD、USB存储等存储媒介中；可以在交互显示终端中选择多种布孔模式。这些种类的布孔模式，是经过实际试验及优化设计的，具有最佳的爆破效率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此。任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，均可对其进行适当的改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置，其特征在于，包括：油缸驱动部件、测量部件、控制器、交互显示终端、固定部件和激光指向部件(10)；

所述油缸驱动部件，包括：靠帮油缸(1)、旋转油缸(2)、伸缩油缸(3)、俯仰油缸(4)、补偿油缸(5)和举升油缸(6)，由这些油缸驱动控制推进梁及钻头的位置和姿态；

所述测量部件，包括：分别置于靠帮油缸(1)、伸缩油缸(3)、俯仰油缸(4)、补偿油缸(5)、举升油缸(6)上的位移传感器；置于旋转油缸(2)上的角度传感器；置于推进梁前端的测距传感器(11)；

所述控制器与交互显示终端采用RS485或CAN串行通行方式；控制器的输入，以模拟量、数字量、或串行通信的方式，采集测距传感器、位移传感器、角度传感器及开关量数据；同时，控制器也接收控制台(7)的操作手柄等信号的输入；控制器的输出，以模拟量、数字量、或串行通信的方式，输出控制液压阀驱动油缸、继电器的工作；

所述固定部件，包括：开孔扶持器(8)和推进梁定位器(9)；通过固定部件固定钻头与巷道面，使得在作业的冲击力作用下，不会发生钻头的位置偏移；

所述激光指向部件(10)安装在控制台(7)上，具有激光测距功能，可通过测量激光指向部件(10)的方向姿态参数计算目标孔位；并把参数传输到控制器，由控制器控制钻头抵达目标孔位，实现引导定位。

2.根据权利要求1所述一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置，其特征在于，所述位移传感器为拉绳传感器或激光测距传感器，测量位移量；所述角度传感器为编码器或倾角传感器，测量转动角度；所述测距传感器为激光测距传感器或超声测距传感器。

3.根据权利要求1所述一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置，其特征在于，所述开孔扶持器采用钢制圆筒设计，安装在推进梁前端钻头的前部，在钻孔时固定钻头位置，并使得凿岩作业冲击时，钻头抵触不同巷道面也不会滑动移位；同时也是和巷道面相接触支撑的部件。

4.根据权利要求1所述一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置，其特征在于，所述推进梁定位器安装在推进梁的底部，由一个带钉头的球关节和液压油缸组成，通过液压阀控制钉头掌面和巷道面紧密接触，具备一定支撑力，维持开始凿岩冲击时钻头位置的不变。

5.根据权利要求1所述一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置，其特征在于，交互显示终端显示由控制器发来的测量数据及台车的工作状态；交互显示终端存储介质上预存若干布孔模式；用户可增加、修改、删除布孔模式；交互显示终端通过按键操作、菜单选择等方式设定参数。

所述控制器接收交互显示终端的布孔模式及控制参数，按布孔模式自动驱动液压阀控制油缸行程，使钻头抵达所设的布孔位置；发送采集和处理后的数据给交互显示终端显示。

6.一种掘进凿岩台车钻孔自动定位方法，其特征在于，包括：凿岩台车在巷道中的定位方法；巷道面钻孔的定位方法；

所述的凿岩台车在巷道中的定位方法，具体为：使台车处在巷道宽度的中间位置；根据巷道高度、宽度计算出推进梁应该处于的初始位置，并操作完成使推进梁处于初始状态；根据安装在推进梁前端的测距传感器11测量台车与巷道面的距离；前进或后退台车，使得台车处在规定的距离范围内，即完成台车在巷道内的定位；

所述的巷道面钻孔的定位方法，具体为：把巷道面划分为中心区域、周边区域和靠帮孔区域；不同区域根据巷道的具体情况，采用不同的定位方法，或者它们的组合定位；这些方法包括：按布孔模式执行的自动定位、人工干预操作的手工定位、激光指向部件引导的定位等。

7.根据权利要求6所述的掘进凿岩台车钻孔自动定位方法，其特征在于，所述按布孔模式执行的自动定位，布孔模式是根据巷道爆破技术原理设计的一系列孔位的排列组合，包括中心区域的布孔模式和全巷道面的布孔模式；

所述中心区域的布孔模式，由中心区域的若干孔组成，具体为：

中心孔模式1，一个中心孔，以该孔为正菱形对角线的中心位置，正菱形四个顶点布四个孔；此正菱形为内菱形，向外扩张一个正菱形，称为外菱形，外菱形的四个顶点布四个孔，总共九个孔。

中心孔模式2，水平布二个孔，以该二个孔的中间为菱形对角线的中心，该菱形的四个顶点布四个孔，总共六个孔。

中心孔模式3，等边三角形的三个顶点布三个孔，在该三角形外扩张一个菱形，菱形的四个顶点布四个孔，总共七个孔。

中心孔模式4，一个中心孔，以该孔为等边三角形角平分线的交点，等边三角形的三个顶点布三个孔，在该三角形外部扩张一个等边三角形，布三个顶点的孔，总共七个孔。

中心孔模式5，一个等边三角形三个顶点布三个孔，以该三角形为内部三角形，在外部扩张一个三角形，三个顶点布三个孔，总共六个孔。

所述全巷道面的布孔模式，是由整个巷道面的若干孔组成，包括中心区域布孔、周边区域布孔、靠帮孔区域布孔，具体为：

全巷道布孔模式1，采用中心孔模式1布中心区域孔；在中心区域孔之外，扩张一个大菱形，菱形每边等分3个孔；菱形最下面的顶点为中心，左右两边各布二个孔；菱形水平方向对角线，左右各布一个孔；菱形最高顶点为中心，左右各布一个孔；在该三个孔的上部，布设二个孔；共十八个孔组成周边区域布孔。靠帮孔的分布是顶部弧形顶点布一个孔；底部水平等比例布五个孔；左右边界等比例布三个孔；共十二个孔，组成靠帮孔区域的布孔模式。全巷道布孔模式1总共布三十九个孔。

全巷道布孔模式2，考虑到巷道的高度增高，在全巷道布孔模式1的基础上，对于周边区域布孔，在菱形孔顶部增加一条水平的三个孔；相应的靠帮孔左右两边等比例布四个孔；总计四十四个孔。

全巷道布孔模式3，考虑到巷道的宽度增宽，在全巷道布孔模式2的基础上，对于周边区域布孔，在菱形边的中点孔位置，向左右各扩展一个孔，增加了四个孔；靠帮孔底部增加一个孔；总计四十九个孔。

全巷道布孔模式4，考虑到巷道的实际情况，在全巷道布孔模式3的基础上，中心区域布孔下移，从而使得周边区域布孔在下部分密集，上部分稀疏；顶部弧线下方增加一个孔；靠帮孔区域左右各增加一个；总计五十二个孔。

8.根据权利要求6所述的掘进凿岩台车钻孔自动定位方法，其特征在于，所述人工干预操作的手工定位，具体为：在全巷道面布孔时，尤其是周边区域或靠帮孔区域，随时可以中断自动布孔方式，由人工通过手柄操作，控制移动推进梁，实现手工布孔。

9.根据权利要求6所述的掘进凿岩台车钻孔自动定位方法，其特征在于，所述激光指向部件引导的定位，具体为：在全巷道面布孔时，尤其是靠帮孔区域，随时可以中断自动布孔方式，由人工操作激光指向部件(10)，射出的激光光斑在巷道面上的位置，就是需要布孔的位置。

10.根据权利要求6所述的掘进凿岩台车钻孔自动定位方法，其特征在于，所述巷道面的中心区域采用按布孔模式执行的自动定位方法，所述周边区域采用自动或人工手动干预操作的定位方法，所述靠帮孔区域采用自动、人工手动干预或激光指向部件引导的定位方法。