CN107990847A - 一种基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，属于掘进机辅助设备技术领域，该装置称为激光标示仪，实质上为一种激光光路调整装置，共包括棱镜折射光路调整模块、光栅衍射光路调整模块、振镜扫描光路调整模块共计三个功能模块，能实现将点状激光调整为连续激光线的功能，解决了多点激光发射时装置繁多且难以识别的缺点，提高了巷道轮廓标示精度。针对不同形状的巷道轮廓，可灵活选用三个功能模块，装置通用性强。常采用多套设备并用的工作方式，优化激光投射路径，提高工作安全性。可利用振镜扫描光路调整模块中的测量反馈装置测量投射距离并反馈至控制装置，对投射出的激光图案进行自动调整，消除误差，解决掘进工作中的实时跟进问题。
Description
技术领域
本发明属于掘进机辅助设备技术领域，尤其涉及一种对掘进巷道轮廓进行标示的方法及装置。
背景技术
目前，巷道掘进过程中由于粉尘大，粉尘浓度高，掘进机司机无法观测巷道断面轮廓，导致超挖欠挖严重，巷道成型不理想，在粉尘过大的场合中掘进工作甚至不能正常进行，大大影响了掘进作业的工作效率。因此，迫切需要一种能够投射出呈巷道轮廓形状激光的方法，为掘进工作人员提供巷道轮廓作为基准。实际情况中，巷道轮廓图形中经常包含一段或多段圆弧，而现有激光投射设备多是投射直线激光，如激光标线仪，激光水平仪，为此提出利用一种基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，不仅可以将一个点状激光经光路调整系统后变为一条连续激光线，还可以投射出包含圆弧曲线的激光线。
山东科技大学的研究人员曾提出一种巷道掘进示阔装置及其操作方法(专利号CN105806256A)，该装置包括主体框架以及设于主体框架上的电源、示阔激光管、定位装置、数据处理系统和每一示阔激光管对应的自动调整部件，其中主框架包括呈矩形或直墙半圆拱形的主体框架，因此能够实现轮廓为矩形或直墙半圆拱形的巷道的示阔功能。但该装置结构复杂，示阔激光管繁多，每个激光管只能发射一点激光，往往造成掘进机司机难以识别，巷道成型质量差的问题。同时，由于受到主框架形状的限制，只能应用于矩形或直墙半圆拱形的巷道，当遇到不同巷道轮廓时，需要再制作相应的主框架以满足需要，装置通用性差。
天地上海采掘装备科技有限公司的研究人员曾提出一种巷道轮廓发生装置(专利号 CN103835724A)，该巷道轮廓发生装置主要包括光影发生器和距离测量装置，可把巷道轮廓用多点激光的方式照射到巷道尽头，形成可见的巷道轮廓光点，实现巷道示阔功能。但该装置发射的只能为光点，而非连续的曲线，需要多个发光组件打出多个点，识别效果不如连续的激光线好，结构较复杂，实用性不够好。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的激光多点发射，识别效果差，装置复杂繁多，通用性差的缺点，本发明提供了一种基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，将该装置称为激光标示仪。
激光标示仪，实质上是一种激光光路调整装置，共包括三个功能模块，分别为：棱镜折射光路调整模块、光栅衍射光路调整模块、振镜扫描光路调整模块。三个模块分别利用不同的原理，均能够实现将点状激光调整为连续激光线的功能。其中，棱镜折射光路调整模块依次由激光发生装置、光学棱镜元件和弯曲度调整元件组成；光栅衍射光路调整模块依次由激光发生装置和光栅元件组成；振镜扫描光路调整模块依次由激光发生装置、X方向反射镜片、 X方向伺服电机、Y方向反射镜片、Y方向伺服电机、距离测量反馈装置和控制装置组成。
在棱镜折射光路调整模块中，激光发生装置发出点状激光，经过光学棱镜元件，折射成一条连续的激光线，通过弯曲度调整元件可调整光学棱镜元件弯曲度的大小，从而改变连续激光线的弧度大小。
在光栅衍射光路调整模块中，激光发生装置发出点状激光，经过光栅元件的衍射作用，点状激光变为呈特定图案的连续激光线；根据掘进巷道的具体轮廓，刻制相应图案的光栅元件，所投射出的图案即掘进巷道的轮廓图案。
在振镜扫描光路调整模块中X方向伺服电机和X方向反射镜片相连接，Y方向伺服电机和Y方向反射镜片相连接，使得X方向反射镜片和Y方向反射镜片分别随X方向伺服电机、 Y方向伺服电机的转动而转动。激光发生装置发出点状激光，激光先投射在由X方向伺服电机驱动的X方向反射镜片上，之后反射至由Y方向伺服电机驱动的Y方向反射镜片上，再由 Y方向反射镜片将激光反射出去，通过振镜的在短时间内的高速扫描，投射出的众多点状激光连成一条连续的激光线。
振镜扫描光路调整模块中，控制装置包含图形编辑控制卡和振镜驱动卡，可接收来自SD 卡内的图形文件，并按照该文件中的图形来控制X方向伺服电机和Y方向伺服电机的转动，通过对应的X方向反射镜片和Y方向反射镜片的反射来实现短时间内不同点的高速投射，从而形成相应的激光曲线。因此，根据不同形状的巷道轮廓，可在计算机上利用绘图软件绘制不同的巷道断面轮廓图形，将绘制好的图形文件导入SD卡内，控制装置根据SD卡中相应的图形文件来控制电机转动以投射出不同类型的巷道轮廓图形。
振镜扫描光路调整模块中，随着掘进机的掘进，激光发出点到巷道迎头的距离会不断发生变化，实际投射距离由距离测量反馈装置测量并反馈至控制装置，控制装置根据具体的距离会调整X方向伺服电机和Y方向伺服电机的转动过程，反射镜片的转动过程也随之发生相应变化，从而投射出的激光点位置发生变化，实现了对激光图案的调整，消除了因距离变化产生的标示误差，解决掘进工作中的实时跟进问题。
在激光投射过程中，根据巷道轮廓形状与现场要求，可灵活采用一套设备居中投射或多套设备并用的工作方式来投射激光。在实际工作场合中，常采用多套设备并用的工作方式，每套设备安装在巷道的边缘或顶角，分别负责一部分激光图案的投射，最后共同拼接成一个整体图案，该方式不仅优化了激光投射路径，还降低了工人作业的危险程度，提高工作安全性。
相比于以前的巷道轮廓标示技术，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用激光标示仪中的三个功能模块均能够实现将一点状激光调整为一条连续激光线的特点，解决了多点激光发射时装置繁多且难以识别的缺点，提高了巷道轮廓的标示精度。
(2)针对不同形状的巷道轮廓，可灵活选用激光标示仪中的三个功能模块，解决了各类巷道的轮廓标示问题，应用灵活，通用性强。
(3)随着掘进机的掘进，激光发出点到巷道迎头的距离会不断发生变化，可利用振镜扫描光路调整模块中的测量反馈装置测量实际投射距离并反馈至控制装置，从而自动对投射出的激光图案进行调整，消除因距离变化带来的误差，解决掘进工作中的实时跟进问题。
(4)在实际投射过程中，常采用多套设备并用的工作方式，设备安装在巷道的边缘或顶角，每套设备分别负责一部分激光图案的投射，最后共同拼接成一个整体图案，该方式优化了激光的投射路径，最大程度地避开前方障碍物，同时降低了工人作业的危险程度，提高了工作安全性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1是本发明的激光标示仪的组成及其各模块组成示意图
图2是矩形掘进巷道轮廓示意图
图3是梯形掘进巷道轮廓示意图
图4是半圆拱形掘进巷道轮廓示意图
图5是三心圆拱形掘进巷道轮廓示意图
图6是圆角矩形掘进巷道轮廓示意图
图7是实施例一中采用一套设备居中投射的工作方式示意图
图8是实施例一中采用两套设备并用投射的工作方式示意图
图9是实施例二中采用两套设备并用投射的工作方式示意图
图10和图11分别是实施例二中两种不同角度下的投射工作方式示意图
其中，图1中：
1：棱镜折射光路调整模块 2：光栅衍射光路调整模块
3：振镜扫描光路调整模块 4：激光发生装置
5：光学棱镜元件 6：弯曲度调整元件
7：激光发生装置 8：光栅元件
9：激光发生装置 10：X方向反射镜片
11：X方向伺服电机 12：Y方向反射镜片
13：Y方向伺服电机 14：距离测量反馈装置
15：控制装置
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
在图1中，提出的一种激光光路调整装置，称之为激光标示仪，共包括三个功能模块，分别为：棱镜折射光路调整模块、光栅衍射光路调整模块、振镜扫描光路调整模块。其中，棱镜折射光路调整模块依次由激光发生装置、光学棱镜元件和弯曲度调整元件组成；光栅衍射光路调整模块依次由激光发生装置和光栅元件组成；振镜扫描光路调整模块依次由激光发生装置、X方向反射镜片、X方向伺服电机、Y方向反射镜片、Y方向伺服电机、距离测量反馈装置和控制装置组成。三个模块分别利用不同的原理，均能够实现将点状激光调整为连续激光线的功能。
在图2至图7中，给出了工程中六种常见的掘进巷道轮廓，分别是：
在图2中，给出的是一种常见的矩形掘进巷道轮廓。
在图3中，给出的是一种常见的梯形掘进巷道轮廓。
在图4中，给出的是一种常见的半圆拱形掘进巷道轮廓。
在图5中，给出的是一种常见的圆弧拱形掘进巷道轮廓。
在图6中，给出的是一种常见的三心圆拱形掘进巷道轮廓。
在图7中，给出的是一种常见的圆角矩形掘进巷道轮廓。
实施例一：
本实施例选择图2中的矩形掘进巷道轮廓作为所要标示的对象，目的是利用激光标示仪投射出呈矩形的激光图案于巷道迎头上，对矩形掘进巷道轮廓进行标示。
在图8中，选择本实施例中的工作方式为一套设备居中投射的方式，即采用一套激光标示仪安装于巷道顶部的居中位置，利用激光光路调整装置中的光栅衍射光路调整模块或振镜扫描光路调整模块均可实现矩形激光图案的投射。
在图9中，选择本实施例中的工作方式为两套设备并用投射的方式，即采用两套激光标示仪，对这两套激光标示仪分别编号为1号标示仪和2号标示仪，两套激光标示仪均以悬挂的方式安装在巷道顶部，分别位于巷道的左右两个顶角，分别对矩形图案的左半部分和右半部分进行投射，最终拼接成一个完整的矩形图案。采用该工作方式，可极大程度地优化激光的投射路径，避免激光在投射过程中和掘进机等设备发生干涉而传播不畅，同时降低了工人作业的危险程度，提高了工作安全性。
本实施例中，针对矩形掘进巷道，可使用光栅衍射光路调整模块，刻制相应的光栅元件，激光发生装置射出点状激光，通过光栅元件之后调整为矩形的激光图案。当使用一套激光标示仪时，点状激光通过所刻制光栅后可调整为一整个矩形激光图案；当使用两套激光标示仪时，1号激光标示仪中点状激光通过所刻制光栅后可调整为矩形激光图案的左半部分，2号激光标示仪中点状激光通过所刻制光栅后可调整为矩形激光图案的右半部分。
本实施例中，针对矩形掘进巷道，可使用振镜扫描光路调整模块，先在计算机利用绘图软件绘制相应的图案，将绘制好的图形文件导入SD卡内，而振镜扫描光路调整模块中的控制装置包含图形编辑控制卡和振镜驱动卡，可接收和识别来自SD卡内的图形文件，可按照该文件中的图形来控制X方向伺服电机和Y方向伺服电机的转动，投射出相应的激光图案。当使用一套激光标示仪时，在计算机上所绘制的图形即整个矩形；当使用两套激光标示仪时，1 号激光标示仪中使用的图形文件在绘制时画出矩形的左半部分即可，2号激光标示仪中使用的图形文件在绘制时画出矩形的右半部分。
本实施例中，随着掘进机向前推进，投射的激光图案会随着投射距离的变化而发生变化，为避免因距离变化产生的标示误差，解决掘进工作中的实时跟进问题，应采用振镜扫描光路调整模块，该模块中的距离测量反馈装置实时测量激光投射距离并反馈至控制装置，控制装置根据具体的距离会调整X方向伺服电机和Y方向伺服电机的转动过程，反射镜片的转动过程也随之发生相应变化，投射出的激光点位置发生变化，实现了对激光图案的调整。
实施例二：
本实施例选择图7中的圆角矩形掘进巷道轮廓作为所要标示的对象，目的是利用激光标示仪投射出呈圆角矩形的激光图案于巷道迎头上，对圆角矩形掘进巷道轮廓进行标示。
在图10中，选择本实施例中的工作方式为两套设备并用投射的方式，即采用两套激光标示仪，对这两套激光标示仪分别编号为3号标示仪和4号标示仪，两套激光标示仪均以悬挂的方式安装在巷道顶部，分别位于巷道的左右两个顶角，分别对圆角矩形图案的左半部分和右半部分进行投射，最终拼接成一个完整的圆角矩形图案。采用该工作方式，可极大程度地优化激光的投射路径，避免激光在投射过程中和掘进机等设备发生干涉而传播不畅，同时降低了工人作业的危险程度，提高了工作安全性。
在图11中，为了更清楚地显示出两套激光标示仪投射激光的工作方式，给出不同角度下的投射工作方式示意图。
本实施例中，针对圆角矩形掘进巷道，可使用光栅衍射光路调整模块，刻制相应的光栅元件，激光发生装置射出点状激光，通过光栅元件之后调整为圆角矩形的激光图案。由于使用两套并用的方式，3号激光标示仪中的点状激光通过所刻制光栅后可调整为圆角矩形激光图案的左半部分，4号激光标示仪中点状激光通过所刻制光栅后可调整为圆角矩形激光图案的右半部分。
本实施例中，针对圆角矩形掘进巷道，可使用振镜扫描光路调整模块，先在计算机利用绘图软件绘制相应的图案，将绘制好的图形文件导入SD卡内，而振镜扫描光路调整模块中的控制装置包含图形编辑控制卡和振镜驱动卡，可接收和识别来自SD卡内的图形文件，可按照该文件中的图形来控制X方向伺服电机和Y方向伺服电机的转动，投射出圆角矩形的激光图案。由于使用两套激光标示仪，3号激光标示仪中使用的图形文件在绘制时画出圆角矩形的左半部分即可，4号激光标示仪中使用的图形文件在绘制时画出圆角矩形的右半部分。
本实施例中，随着掘进机向前推进，投射的激光图案会随着投射距离的变化而发生变化，为避免因距离变化产生的标示误差，解决掘进工作中的实时跟进问题，应采用振镜扫描光路调整模块，该模块中的距离测量反馈装置实时测量激光投射距离并反馈至控制装置，控制装置根据具体的距离会调整X方向伺服电机和Y方向伺服电机的转动过程，反射镜片的转动过程也随之发生相应变化，投射出的激光点位置发生变化，实现了对激光图案的调整。
Claims (9)
1.一种基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，称该装置为激光标示仪，其特征在于：激光标示仪，实质上为一种激光光路调整装置，共包括三个功能模块，分别为：棱镜折射光路调整模块(1)、光栅衍射光路调整模块(2)、振镜扫描光路调整模块(3)；棱镜折射光路调整模块(1)依次由激光发生装置(4)、光学棱镜元件(5)和弯曲度调整元件(6)组成；光栅衍射光路调整模块(2)依次由激光发生装置(7)和光栅元件(8)组成；振镜扫描光路调整模块(3)依次由激光发生装置(9)、X方向反射镜片(10)、X方向伺服电机(11)、Y方向反射镜片(12)、Y方向伺服电机(13)、距离测量反馈装置(14)和控制装置(15)组成。
2.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：棱镜折射光路调整模块(1)中，激光发生装置(4)发出点状激光，经过光学棱镜元件(5)，折射成一条连续的激光线，通过弯曲度调整元件(6)可调整光学棱镜元件弯曲度的大小，从而改变连续激光线的弧度大小。
3.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：光栅衍射光路调整模块(2)中，激光发生装置(7)发出点状激光，经过光栅元件(8)，点状激光变为呈特定图案的连续激光线；根据掘进巷道的具体轮廓，刻制相应图案的光栅元件，所投射出的图案即掘进巷道的轮廓图案。
4.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：振镜扫描光路调整模块(3)中X方向伺服电机(11)和X方向反射镜片(10)相连接，Y方向伺服电机(13)和Y方向反射镜片(12)相连接，从而使X方向反射镜片(10)和Y方向反射镜片(12)分别随X方向伺服电机(11)、Y方向伺服电机(13)的转动而转动。
5.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：振镜扫描光路调整模块(3)中，激光发生装置(9)发出点状激光，激光先投射在由X方向伺服电机(11)驱动的X方向反射镜片(10)上，之后反射至由Y方向伺服电机(13)驱动的Y方向反射镜片(12)上，再由Y方向反射镜片(12)将激光反射出去，通过振镜在短时间内的高速扫描，投射出的众多点状激光连成一条连续的激光线。
6.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：振镜扫描光路调整模块(3)中，控制装置(15)包含图形编辑控制卡和振镜驱动卡，可接收来自SD卡内的图形文件，并按照该文件中的图形来控制X方向伺服电机(11)和Y方向伺服电机(13)的转动，通过对应的X方向反射镜片(10)和Y方向反射镜片(12)的反射来实现短时间内不同点的高速投射，从而形成相应的激光曲线。
7.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：振镜扫描光路调整模块(3)中，根据不同形状的巷道轮廓，可在计算机上利用绘图软件绘制不同的巷道断面轮廓图形，将绘制好的图形文件导入SD卡内，控制装置(15)根据SD卡中相应的图形文件来投射出不同类型的巷道轮廓图形。
8.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：振镜扫描光路调整模块(3)中，随着掘进机的掘进，激光发出点到巷道迎头的距离会不断发生变化，实际投射距离由距离测量反馈装置(14)测量并反馈至控制装置(15)，控制装置(15)根据具体的投射距离调整X方向伺服电机(11)和Y方向伺服电机(13)的转动过程，从而对投射出的激光图案进行调整，消除标示误差。
9.根据权利要求1所述的基于激光光路调整的掘进巷道轮廓标示方法及装置，其特征在于：在激光投射过程中，根据巷道轮廓形状与现场要求，可灵活采用一套设备居中投射或多套设备并用的工作方式来投射激光图案，在实际工作场合中，常采用多套设备并用的工作方式，每套设备安装在巷道的边缘或顶角，分别负责一部分激光图案的投射，最后共同拼接成一个整体图案，该方式不仅优化了激光投射路径，还降低了工人作业的危险程度，提高了工作安全性。
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