CN108168513A - 一种液压支架高度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种液压支架高度测量装置及方法，高度测量装置包括步进电机、轴编码器、测高拉绳、铅锤、张紧传感器、微控制器、快插通信接口等。进行高度测量时，微控制器驱动步进电机控制测高拉绳在铅锤的重力作用下的收放程度，同时张紧传感器监测测高拉绳的张紧力，其检测到张紧力发生变化时判断铅锤已接触到支架底座，微控制器根据轴编码器反馈的旋转角度计算放线长度，从而得到液压支架的测量高度。

Description

一种液压支架高度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及煤炭自动化采掘领域，具体而言，涉及一种综采工作面液压支架高度的自动测量方法、装置和系统。

背景技术

随着煤炭开采自动化技术的发展，综采工作面采煤高度是自动化系统监测的一项重要参数。通常采煤高度与工作面液压支架高度相同，检测采煤高度可通过测量支架高度获得，因此，液压支架高度监测，以及相应的综采工作面开采高度监测变成综采自动化领域的关键技术问题。由于综采工作面环境恶劣，传统通用的高度测量方式在井下应用面临一定的局限性。目前在煤矿下应用的现有技术主要包括激光测距法、倾角组合测量法、液管压力测量法。

激光测距法：在支架顶梁安装激光测距仪，朝底座发射激光测距，或者反过来安装在底座，从而测高。激光测距法的主要面临问题有：1、激光发射窗镜头被煤尘遮盖，镜片污染使得装置无法正常工作；2、靶点不固定，安装架位置和姿态随支架结构部件运动发生变化，激光靶点位置会发生大范围移动，落到支架不同位置时测距数值变化很大，测量误差偏大。

倾角组合测量法：在液压支架的几个重要节点安装倾角装置，例如附图1所示，在顶梁、掩护梁、四连杆、底座安装4个倾角装置，测量各部件倾斜角度，然后结合支架结构部件集合尺寸，利用几何关系和三角函数计算其液压高度。其面临的问题是：1、间接测量，系统复杂，各部分误差累积造成测不准；2、各种类型的支架其结构部件的长度不一样，需要单独标定。

液管压力测高法：利用联通器原理，测量液体联通的两点之间的压力差，从而根据压力差换算出两端的高度差，进而计算出液压支架的高度。其面临的问题有：1受温度变化影响大，液体热胀冷缩，液面高度发生变化，影响测量值；2测量误差较大，误差数达到厘米且随量程变大而变大。

发明内容

本发明基于上述技术问题，提出了一种液压支架高度测量方法，通过高度测量装置检测液压支架高度，实现对于工作面液压支架高度和采高的自动监测系统。

本发明的第一方面，提出了一种液压支架高度测量方法。其原理是利用支架顶梁悬挂铅锤的重力拉紧测高拉绳，当铅锤接触到底座时拉绳张紧力变小，利用此特征判断铅锤已经到达测量位置，通过测量拉伸长度换算成支架顶梁到底座距离,即可测量支架高度。

本发明的第二方面，发明了一种液压支架高度测量装置,包括步进电机、轴编码器、测高拉绳、铅锤、张紧传感器、微控制器、快插通信接口等。步进电机驱动测高拉绳的收放，轴编码器测量拉绳长度，测高拉绳一端连接铅锤，另一端连接步进电机，其长度变化可计量液压支架顶梁到底座的距离变化，铅锤连接测高拉绳的一端，其重力使测高拉绳张紧，张紧传感器用于检测测高拉绳上的张紧力，微控制器采集张紧测量装置测得的张紧力，控制步进电机，通过快插通信接口与支架控制系统通信。

在非工作状态下，所述测高拉绳处于收回状态；

在工作状态中，所述微控制器驱动步进电机旋转，测高拉绳在远端铅锤的重力作用下进入放线状态，所述微控制器采集张紧传感器对于测高拉绳上的张紧力的检测值；

当微控制器检测到张紧传感器的信号变化而判断铅锤接触到底座时，微控制器控制步进电机停止旋转，微控制器计算放线长度，及得到所测液压支架的铅锤高度；

微控制器驱动电机反转，使得测高拉绳回到收容状态。

优选的，所述测高拉绳为钢丝。

优选的，所述微控制器计算放线长度S＝N*a，其中N为步进电机的步数，a为步进电机每步对应的测高拉绳放线长度。

优选的，判断铅锤接触到底座的条件为：张紧传感器的测量压力F<f₀其中f₀为预设阈值。

优选的，判断铅锤接触到底座的条件为：张紧力F<a*f’；f^’为在放线过程中张紧传感器的平均压力值。

本发明的第三方面，提出了一种液压支架高度测量系统，包括液压支架、倾角传感器、支架控制器；所述液压支架高度测量装置吊装在液压支架顶梁下方，所述倾角传感器固定安装在液压支架的底座，所述液压支架控制器对于液压支架高度测量装置和倾角传感器发送控制信号，接收其回传的测量信息并进行计算。

所述液压支架高度测量装置测量液压支架顶梁至底梁的铅锤高度L，通过倾角装置可得到液压支架底板相对于水平位置的倾斜角度α，从而得到液压支架顶梁与底座之间的实际高度H＝L*cos(α)

优选的，倾角装置为MEMS倾角装置。

上述液压支架的高度测量系统可以避免现有技术中利用多个倾角装置或利用液体压力的装置等间接测量方法导致的误差，尤其是，本高度测量系统的误差不会随着测量量程的增加而增大。作为高度测量系统的核心部件的高度测量装置，其基本结构由张紧传感器、步进电机、轴编码器、铅锤、测高拉绳组成，基本结构简单，成本低，安装和维护均较适宜于井下的煤矿开采的条件。同时，步进电机能够精确的控制铅锤线下方的高度，测量精度高，误差控制在1厘米以内。而快插通信接口保证其高度测量装置可以快速插拔，与传统液压支架高度测量装置相比，增加了其适配性和易用性，更加便于安装调试维护和工程施工。

在进行液压支架的实际高度测量时，本发明利用测量测高拉绳长度准确地测定液压支架顶梁到底座的距离，并且用液压支架的倾斜角度进行补偿，从而得出液压支架顶梁最终的角度及高度值。保证了其测量精度，结构简单，不增加额外的复杂电气系统，保证了液压支架正常的工作。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的液压支架高度测量装置结构框图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的液压支架高度测量系统示意图；

图3示出了根据本发明的实施例的液压支架实际高度测量示意图；

附图标记

1.铅锤；2.测高拉绳；3.张紧传感器；4.轴编码器；5.步进电机；6.微控制器；7.快插通信接口。

100.液压支架高度测量装置；200.倾角装置；300.支架控制器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用第三方不同于在此描述的第三方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

附图1示出了根据本发明的一个实施例的液压支架高度测量装置。

高度测量装置包括：铅锤1，测高拉绳2，张紧传感器3、轴编码器4、步进电机5、微控制器6及快插通信接口7。其中张紧传感器3、轴编码器4、步进电机5、微控制器6均位于装置壳体内，装置吊装在液压支架顶梁的下方。测高拉绳2的一端连接步进电机，由步进电机的不同旋转方向控制其收紧或放松，测高拉绳2的另一端连接铅锤1，测高拉绳2可以为钢丝。

非工作状态时，测高拉绳2的大部分也收容于装置壳体内。在铅锤1的重力作用下，测高拉绳2的另一端以自由悬垂状态位于测高装置之外，为了维护液压支架的正常运行，在非工作状态时测高拉绳2仅有较短的一端悬垂于装置外壳之外，以保证铅锤1基本位于液压支架顶梁的附近。

张紧传感器3用于检测测高拉绳的压力，张紧传感器3位于测高拉绳较为靠近步进电机的一端，以保证装置设备运行的稳定性。

轴编码器4通过测量步进电机轴转动的周数计算测高拉绳收放长度。

张紧传感器3和轴编码器4将自身的测量数据传送给微控制器6，步进电机5接受微控制器6的控制。

快插通信接口7提供与支架控制器之间的通信，接受工作状态的控制指令，上报液压支架高度测量值。

液压支架铅锤高度装置进行高度测量的步骤如下：

S1：微控制器接受上位机或主控制器的指令，向步进电机和张紧传感器发送工作信号；

S2：步进电机旋转，测高拉绳在远端铅锤的重力作用下进入放线状态，并将步进电机运行步数传输给微控制器；

S3：张紧传感器对于测高拉绳上的张力进行检测，并将检测信号传输给微控制器；

S4：微控制器检测到张紧传感器的信号变化而判断铅锤接触到底座时，发送信号给步进电机，停止放线；

S5：计算放线长度；

S6：微控制器驱动电机反转，回收测高拉绳使其回到收容状态。

在步骤S5中，微控制器计算放线长度S＝N*a，其中N为步进电机的步数，a为步进电机每步对应的测高拉绳放线长度。

在步骤S4的一个实施例中，判断铅锤接触到底座的条件为：张紧传感器的测量压力F<f₀，其中f₀为预设阈值。

在步骤S4的另一个实施例中判断铅锤接触到底座的条件为：张紧传感器的测量压力F<a*f’，其中a为预设系数，0<a<1；f^’为在放线过程中张紧传感器的平均压力值。

实施例二

附图2示意出了一种液压支架高度测量系统，及液压支架实际高度测量方法，其要解决的问题是：综采工作面作面因煤层起伏而必须采用俯采、仰采工艺时，支架角度往往偏差较大，如附图3所示，目前除激光测距法意外其它方法测得的是液压支架距离铅锤面的距离，即铅锤高L，或者部分高度测量方法其测量的其高度介于铅锤高L与距离液压支架底座的实际高度H之间，与液压支架距离底座方向的垂直距离具有偏差，而进行采煤量的估计或其它依托于采煤高度的计算时，采用的参数应该为液压顶梁距离底座的实际垂直高度H。因而在进行液压高度的测量时，需要对于测量的高度L进行修正。

本高度测量系统包括液压支架，液压支架高度测量装置100、倾角装置200、支架控制器300。其中液压支架高度测量装置100在实施例一中已经叙述过，不再赘述。液压支架高度测量装置100固定安装在液压支架顶梁下方，倾角装置200安装在液压支架底座，控制器300对于液压支架高度测量装置100和倾角装置200发送控制信号，接收其回传的测量信息并进行计算。其中倾角装置可采用MEMS倾角装置或其它测定支架底座与水平面倾斜角度的装置。

液压支架实际高度测量如下：

通过液压支架高度测量装置测量液压支架顶梁至底座的铅锤高L；

通过倾角装置可得到液压支架相对于水平位置的倾斜角度α；

计算液压支架顶梁与底座之间的实际高度H＝L*cos(α)。

本发明实施例方法中的步骤可根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本发明实施例中各的单元可根据实际需要进行合并、划分和删减。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种液压支架高度测量方法，其特征在于：在液压支架顶梁悬挂测高拉绳，所述测高拉绳的另一端连接铅锤，在铅锤通过自身重力下降而拉紧测高拉绳的过程中，利用张紧传感器检测所述测高拉绳的张紧力，通过测得的张紧力的变化判断铅锤是否接触到液压支架底座，将铅锤接触到液压支架底座位置设为测量位置，计算测高拉绳支架顶梁至测量位置的放线长度，从而计算液压支架高度。

2.一种液压支架高度测量装置，其特征在于：包括铅锤、测高拉绳、张紧传感器、步进电机、轴编码器、微控制器、快插通信接口；

所述测高拉绳一端连接步进电机，另一端连接铅锤，所述连接铅锤的一端自液压支架顶梁垂下，其重力使得测高拉绳张紧；

所述张紧传感器用于检测测高拉绳上的张紧力；

所述步进电机驱动测高拉绳的收放；

所述微控制器采集张紧传感器测得的张紧力，同时控制步进电机进行测高拉绳的收放；所述微控制器通过测高拉绳张紧力的变化判断铅锤触碰到液压支架的底座的位置，所述轴编码器测量所述测高拉绳由液压支架顶梁至液压支架的放线长度；

所述快插通信接口与支架控制系统通信。

3.如权利要求4所述的液压支架高度测量装置，其特征在于：所述测高拉绳为钢丝绳。

4.一种液压支架高度测量系统，其特征在于，所述测量系统包括如权利要求2或3所述的液压支架高度测量装置，还包括液压支架、倾角传感器、支架控制器；所述液压支架高度测量装置吊装在液压支架顶梁下方，所述倾角传感器固定安装在液压支架的底座，所述液压支架控制器对于液压支架高度测量装置和倾角传感器发送控制信号，接收其回传的测量信息并进行计算。

5.如权利要求4所述支架高度测量系统，其特征在于：高度测量装置根据是否处于工作状态对测高拉绳进行收放控制；在工作状态中，所述微控制器驱动步进电机旋转，测高拉绳在远端铅锤的重力作用下进入放线状态；测量工作结束后，测高拉绳收回。

6.一种液压支架高度测量方法，其特征在于：采用权利要求3-4任一所述的液压高度测量装置，其测量步骤包括：

S1：微控制器接受上位机或主控制器的指令，向步进电机和张紧传感器发送工作信号；

S2：步进电机旋转，测高拉绳在远端铅锤的重力作用下进入放线状态，

S3：张紧传感器对于测高拉绳上的张力进行检测，并将检测信号传输给微控制器；

S4微控制器检测到张紧传感器的信号变化而判断铅锤接触到底座时，发送信号给步进电机，停止测高拉绳的放置；

S5：轴编码器计算测高拉绳的自放线状态至铅锤接触底座之间的放线长度；

S6：收回测高拉绳。

7.一种如权利要求6所述的液压支架高度测量方法，其特征在于：微控制器计算放线长度S＝N*a，其中N为步进电机的步数，a为步进电机每步对应的测高拉绳放线长度。

8.一种如权利要求6所述的液压支架高度测量方法，其特征在于：判断铅锤接触到底座的条件为：张紧传感器的测量压力F<f₀，其中f₀为预设阈值。

9.一种如权利要求6所述的液压支架高度测量方法，其特征在于：判断铅锤接触到’’底座的条件为：张紧传感器的测量压力F<a*f；其中a为预设系数，0<a<1；f为在放线过程中张紧传感器的平均压力值。

10.一种液压支架高度测量方法，其特征在于，包括权利要求5或6所述的液压支架高度测量系统，所述液压支架高度测量装置测量液压支架顶梁至底梁的高度L作为铅锤高，利用所述倾角装置测量液压支架底板相对于水平位置的倾斜角度α，计算液压支架顶梁与底座之间的实际高度H＝L*cos(α)。