CN113431574B - 一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法及三维扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法及三维扫描装置，获取不同厚度煤壁试件的点云数据进行三维重构，得到煤壁实际厚度特征；建立采煤机切割煤壁试件的滚筒转速、进给速度、煤壁实际厚度特征的回归方程；得到最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征；将最优滚筒转速、最优进给速度、最优能耗代入回归方程，计算得到实际最优滚筒转速、实际最优进给速度；利用实际最优滚筒转速、实际最优进给速度切割煤壁试件，采集采煤机切割的电流数据，根据电流数据调整实际最优滚筒转速、实际最优进给速度，实现采煤机的参数优化。本发明将采煤机滚筒截割性能综合最优运动参数匹配适应煤层厚度变化，从而达到采煤机工作时采煤综合性能最优。

Description

一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法及三维扫描装置
技术领域
本发明涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法及三维扫描装置。
背景技术
现阶段在煤矿领域中采煤机截割煤壁时的监测主要通过人工视觉分辨来完成，即依靠现场采煤机操作人员的人眼观察，同时，煤壁界面的监测大多集中在煤岩界面的区分，现有技术通常是通过调整滚筒截割时各部分参数如滚筒高度，这种调整主要是针对滚筒结构参数进行优化，且其优化结果无法适应煤层厚度的变化。
滚筒转速、牵引速度是采煤机的主要运动参数，煤壁的厚度也会影响采煤机截割能耗及生产效率，但煤壁表面特征的重构、煤层厚度的获取是目前存在的首要难题，如何通过获取煤壁煤层的厚度实时调节采煤机滚筒转速与牵引速度，实现采煤机截割能耗最小、生产率最大化是现阶段亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法及三维扫描装置，以解决上述问题，本发明能够实现采煤机滚筒截割性能综合最优运动参数匹配适应煤层厚度的变化，从而达到采煤机工作时采煤综合性能最优。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法，包括如下步骤：
获取不同厚度煤壁试件的点云数据进行三维重构，得到煤壁实际厚度特征；
通过二次旋转回归正交组合实验建立采煤机在切割所述煤壁试件过程的滚筒转速、进给速度、所述煤壁实际厚度特征的回归方程；
结合遗传算法得到最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征，利用所述最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征计算所述采煤机的最优能耗；
将所述最优滚筒转速、最优进给速度、最优能耗代入所述回归方程，以理论值迭代获取最优值，得到实际最优滚筒转速、实际最优进给速度；
利用所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对所述煤壁试件进行切割，并采集所述采煤机切割时的电流数据，根据所述电流数据调整所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度，实现所述采煤机的参数优化。
优选的，所述煤壁实际厚度特征，具体分为：煤层表面平整、煤层表面上厚下薄、煤层表面下厚上薄、煤层表面中间厚两边薄、煤层表面两边薄中间厚。
优选的，所述滚筒转速、进给速度、煤壁实际厚度特征包括多组数据，通过如下步骤获得：
利用所述二次旋转回归正交组合实验设定具体的所述滚筒转速、进给速度及煤壁实际厚度特征组合值进行切割实验；
将所述最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征代入所述回归方程计算得到所述最优能耗。
优选的，所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度通过如下步骤得出：
将所述最优进给速度、煤壁实际厚度特征输入所述回归方程，在所述最优能耗条件下，计算得到所述实际最优滚筒转速；
将所述实际最优滚筒转速、煤壁实际厚度特征输入所述回归方程，在所述最优能耗条件下，计算得到所述实际最优进给速度。
优选的，所述采煤机的参数优化通过如下步骤获得：
所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对不同厚度的所述煤壁试件进行切割，采集切割不同厚度的所述煤壁试件的电流数据，根据所述电流的数据计算当前所述采煤机的实际能耗；
计算当前煤壁试件厚度与最优厚度特征的差值；
计算所述实际能耗与所述最优能耗的差值；
得到不同煤层厚度条件下的能耗变化；
通过所述能耗变化调整所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度。
一种上述技术方案所述方法的三维扫描装置，包括支架，滑动链接在所述支架上的行走机构，所述行走机构上固定连接有升降机构，所述升降机构一侧固定连接有相机角度调节机构，所述相机角度调节机构上固定连接有相机。
优选的，所述支架为L型结构，所述支架竖向侧壁顶面转动连接有销排，所述销排包括若干等间隔排列的销钉；
所述行走机构包括滑动连接在支架上方的机架，所述机架内固定连接有齿轨轮驱动电机，所述齿轨轮驱动电机轴接有齿轨轮传动轴的一端，所述齿轨轮传动轴另一端穿过所述机架侧壁且轴接有齿轨轮，所述齿轨轮与若干所述销钉相啮合，所述机架远离所述齿轨轮的侧壁底部固定连接有行走滑靴，所述行走滑靴与所述支架横向侧壁滑动连接，所述机架顶部与所述升降机固定连接。
优选的，所述升降机包括固定连接在所述行走机构顶部的直线导轨，所述直线导轨竖直设置，所述直线导轨外侧滑动配合有滑台，所述滑台通过丝杠组件连接有步进电机的输出轴，所述步进电机固定连接在所述直线导轨顶部，所述直线导轨侧壁与所述行走机构顶部固定连接有L型支撑板，所述滑台远离所述直线导轨的一侧与所述相机角度调节机构固定连接。
优选的，所述相机角度调节机构包括固定连接在所述升降机构一侧的云台驱动电机，所述云台驱动电机输出轴轴接有旋转云台，所述旋转云台一侧固定连接有相机连接架，所述相机连接架远离所述云台驱动电机的一侧与所述相机固定连接。
本发明具有如下技术效果：
利用结构光三维重构方法重构煤壁表面特征，获取待截割煤壁煤层的厚度数据，了解煤壁表面的厚度变化情况，提前感知采煤机截割时的实时工况；
利用二次旋转正交组合实验与遗传算法相结合，进一步获取最优组合的优化结果，避免局域最优值的缺陷；
结合回归方程与实际最优值的推导与两次迭代获取实际最优滚筒转速与进给速度，得到不同厚度下的实际最优参数值，完成在不同煤层厚度的条件下实时调节滚筒转速与进给速度；并结合实验法计算当前能耗与最优能耗的差值，通过比例系数获取煤壁厚度与滚筒转速、进给速度之间的关系进一步优化截割参数，最终实现采煤机以最小能耗及最高生产效率截割煤壁。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的详细流程示意图；
图3为本发明三维扫描装置的结构示意图；
图4为本发明三维扫描装置中行走机构结构示意图；
图5为本发明三维扫描装置中相机角度调节机构结构示意图。
其中，1、刮板；2、销排；3、齿轨轮；4、L型支撑板；5、滑台；6、步进电机；7、云台驱动电机；8、相机连接架；9、相机；10、旋转云台；11、行走滑靴；12、直线导轨；13、机架；14、齿轨轮驱动电机；15、齿轨轮传动轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法，包括如下步骤：
获取不同厚度煤壁试件的点云数据进行三维重构，得到煤壁实际厚度特征；
通过二次旋转回归正交组合实验建立采煤机在切割煤壁试件过程的滚筒转速、进给速度、煤壁实际厚度特征的回归方程；
结合遗传算法得到最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征，利用最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征计算采煤机的最优能耗；
将最优滚筒转速、最优进给速度、最优能耗代入回归方程，以理论值迭代获取最优值，得到实际最优滚筒转速、实际最优进给速度；
利用实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对煤壁试件进行切割，并采集采煤机切割时的电流数据，根据电流数据调整实际最优滚筒转速、实际最优进给速度，实现采煤机的参数优化。
进一步优化方案，煤壁实际厚度特征，具体分为：煤层表面平整、煤层表面上厚下薄、煤层表面下厚上薄、煤层表面中间厚两边薄、煤层表面两边薄中间厚。
进一步优化方案，滚筒转速、进给速度、煤壁实际厚度特征包括多组数据，通过如下步骤获得：
利用所述二次旋转回归正交组合实验设定具体的所述滚筒转速、进给速度及煤壁实际厚度特征组合值进行切割实验；
将最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征代入回归方程计算得到最优能耗。
进一步优化方案，实际最优滚筒转速、实际最优进给速度通过如下步骤得出：
将最优进给速度、煤壁实际厚度特征输入回归方程，在最优能耗条件下，计算得到实际最优滚筒转速；
将实际最优滚筒转速、煤壁实际厚度特征输入回归方程，在最优能耗条件下，计算得到实际最优进给速度。
进一步优化方案，采煤机的参数优化通过如下步骤获得：
实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对不同厚度的煤壁试件进行切割，采集切割不同厚度的煤壁试件的电流数据，根据电流的数据计算当前采煤机的实际能耗；
计算当前煤壁试件厚度与最优厚度特征的差值；
计算实际能耗与最优能耗的差值；
得到不同煤层厚度条件下的能耗变化；
通过能耗变化调整实际最优滚筒转速、实际最优进给速度。
一种上述技术方案方法的三维扫描装置，包括支架，滑动链接在支架上的行走机构，行走机构上固定连接有升降机构，升降机构一侧固定连接有相机角度调节机构，相机角度调节机构上固定连接有相机9。
进一步优化方案，支架为L型结构，支架竖向侧壁顶面转动连接有销排2，销排2包括若干等间隔排列的销钉；
行走机构包括滑动连接在支架上方的机架13，机架13内固定连接有齿轨轮驱动电机14，齿轨轮驱动电机14轴接有齿轨轮传动轴15的一端，齿轨轮传动轴15另一端穿过机架13侧壁且轴接有齿轨轮3，齿轨轮3与若干销钉相啮合，机架13远离齿轨轮3的侧壁底部固定连接有行走滑靴11，行走滑靴11与支架横向侧壁滑动连接，机架13顶部与升降机固定连接。支架上滑动连接有刮板1，刮板1与采煤机的采煤机构相连接，用于输送煤矿采煤后的物料，该结构为现有技术在此不再赘述。
进一步优化方案，升降机包括固定连接在行走机构顶部的直线导轨12，直线导轨12竖直设置，直线导轨12外侧滑动配合有滑台5，滑台5通过丝杠组件连接有步进电机6的输出轴，步进电机6固定连接在直线导轨12顶部，直线导轨12侧壁与行走机构顶部固定连接有L型支撑板4，滑台5远离直线导轨12的一侧与相机角度调节机构固定连接。
进一步优化方案，相机角度调节机构包括固定连接在升降机构一侧的云台驱动电机7，云台驱动电机7输出轴轴接有旋转云台10，旋转云台10一侧固定连接有相机连接架8，相机连接架8远离云台驱动电机7的一侧与相机9固定连接。
本发明的详细优化过程如下：
制作不同厚度的煤壁试件，通过控制齿轨轮驱动电机14带动齿轨轮3转动，齿轨轮3与销排2相啮合，使得机架13可以在支架上移动，通过控制步进电机6转动，带动丝杠组件转动，丝杠组件为现有技术，在此不再赘述，从而带动滑台5实现向下移动，相机9随着滑台5的移动的同时对煤壁试件进行拍照，获得不同角度的多张单幅CCD相片，通过3D信号处理-深度图平滑滤波原理进行图像平滑滤波，结合表面光滑处理，离群点过滤等进行去噪，几何测量-平面提取等原理进行处理，得到煤壁实际厚度特征，具体分为：煤层表面平整、煤层表面上厚下薄、煤层表面下厚上薄、煤层表面中间厚两边薄、煤层表面两边薄中间厚。
利用所述二次旋转回归正交组合实验设定具体的所述滚筒转速、进给速度及煤壁实际厚度特征组合值进行切割实验，记录对应组合实验下的能耗值；采煤机截割煤壁时需要通过考虑煤壁煤层实时工况，防止截割时煤层出现坍塌而及时利用获取的煤层厚度。
首先选取采煤过程中滚筒转速、进给速度及煤壁实际煤壁厚度三因素，作为研究采煤机最低损耗的主要影响因素，根据二次旋转回归正交组合的设计规则和步骤，考虑其为三因素三交互作用，同时为了使获取的最优组合中的影响参数值尽可能接近实际最优值，故选取五水平进行试验，总共23个组合，并结合各影响因素的边界条件，明确三因素五水平的二次旋转回归正交实验水平因素编码表，根据建立回归方程的原理，明确各因素上下水平以及零水平后，利用Design-Expert数学统计软件，输入各影响因素数据以及实验采集的各组结果，获取具体的二次旋转回归正交组合设计及实验结果。
通过二次旋转回归正交组合实验建立采煤机在切割煤壁试件过程的滚筒转速、进给速度、煤壁实际厚度特征的回归方程；
结合遗传算法得到最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征，利用最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征计算采煤机的最优能耗；
建立回归方程，为防止局部优化，利用二次旋转回归正交组合实验方法得出多因素耦合最优组合和各个因素的主次影响，并利用遗传算法优化多影响因素耦合结果，获取最优目标值，得到在采煤机最优能耗(能耗最小、生产效率最大)情况下所对应的最优滚筒转速、最优进给速度及最优煤层厚度。
将最优进给速度、煤壁实际厚度特征输入回归方程，在最优能耗条件下，以理论值迭代获取最优值，计算得到实际最优滚筒转速；
将实际最优滚筒转速、煤壁实际厚度特征输入回归方程，在最优能耗条件下，计算得到实际最优进给速度。
利用实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对不同厚度的煤壁试件进行切割，采煤机电机部分安装有电流模块，用于采集采煤机截割时的电流信号，采集切割不同厚度的煤壁试件的电流数据，根据电流数据计算当前采煤机的实际能耗；计算当前煤壁试件厚度与最优厚度特征的差值a；
计算实际能耗与采煤机最优能耗的差值b；
得到差值系数k＝a/b，根据得到的差值系数k的变化调整实际最优进给速度和实际最优滚筒转速，实现采煤机多参数最优化。
本发明可通过大量的数据对比与实验验证，得出滚筒转速及进给速度与煤层厚度的对应关系，即可当已知煤壁表面厚度情况时及时调整滚筒转速及进给速度，实现采煤机能耗最小化、生产效率最大化。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取不同厚度煤壁试件的点云数据进行三维重构，得到煤壁实际厚度特征；
通过二次旋转回归正交组合实验建立采煤机在切割所述煤壁试件过程的滚筒转速、进给速度、所述煤壁实际厚度特征的回归方程；
结合遗传算法得到最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征，利用所述最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征计算所述采煤机的最优能耗；
将所述最优滚筒转速、最优进给速度、最优能耗代入所述回归方程，以理论值迭代获取最优值，得到实际最优滚筒转速、实际最优进给速度；
利用所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对所述煤壁试件进行切割，并采集所述采煤机切割时的电流数据，根据所述电流数据调整所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度，实现所述采煤机的参数优化；
所述煤壁实际厚度特征，具体分为：煤层表面平整、煤层表面上厚下薄、煤层表面下厚上薄、煤层表面中间厚两边薄、煤层表面两边薄中间厚。
2.根据权利要求1所述的一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法，其特征在于：所述滚筒转速、进给速度、煤壁实际厚度特征包括多组数据，通过如下步骤获得：
利用所述二次旋转回归正交组合实验设定具体的所述滚筒转速、进给速度及煤壁实际厚度特征组合值进行切割实验；
将所述最优滚筒转速、最优进给速度、最优厚度特征代入所述回归方程计算得到所述最优能耗。
3.根据权利要求1所述的一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法，其特征在于：所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度通过如下步骤得出：
将所述最优进给速度、煤壁实际厚度特征输入所述回归方程，在所述最优能耗条件下，计算得到所述实际最优滚筒转速；
将所述实际最优滚筒转速、煤壁实际厚度特征输入所述回归方程，在所述最优能耗条件下，计算得到所述实际最优进给速度。
4.根据权利要求1所述的一种采煤机低能耗高效开采参数优化方法，其特征在于：所述采煤机的参数优化通过如下步骤获得：
所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度对不同厚度的所述煤壁试件进行切割，采集切割不同厚度的所述煤壁试件的电流数据，根据所述电流数据计算当前所述采煤机的实际能耗；
计算当前煤壁试件厚度与最优厚度特征的差值；
计算所述实际能耗与所述最优能耗的差值；
得到不同煤层厚度条件下的能耗变化；
通过所述能耗变化调整所述实际最优滚筒转速、实际最优进给速度。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述方法的三维扫描装置，其特征在于：包括支架，滑动链接在所述支架上的行走机构，所述行走机构上固定连接有升降机构，所述升降机构一侧固定连接有相机角度调节机构，所述相机角度调节机构上固定连接有相机(9)。
6.根据权利要求5所述的三维扫描装置，其特征在于：所述支架为L型结构，所述支架竖向侧壁顶面转动连接有销排(2)，所述销排(2)包括若干等间隔排列的销钉；
所述行走机构包括滑动连接在支架上方的机架(13)，所述机架(13)内固定连接有齿轨轮驱动电机(14)，所述齿轨轮驱动电机(14)轴接有齿轨轮传动轴(15)的一端，所述齿轨轮传动轴(15)另一端穿过所述机架(13)侧壁且轴接有齿轨轮(3)，所述齿轨轮(3)与若干所述销钉相啮合，所述机架(13)远离所述齿轨轮(3)的侧壁底部固定连接有行走滑靴(11)，所述行走滑靴(11)与所述支架横向侧壁滑动连接，所述机架(13)顶部与所述升降机固定连接。
7.根据权利要求5所述的三维扫描装置，其特征在于：所述升降机包括固定连接在所述行走机构顶部的直线导轨(12)，所述直线导轨(12)竖直设置，所述直线导轨(12)外侧滑动配合有滑台(5)，所述滑台(5)通过丝杠组件连接有步进电机(6)的输出轴，所述步进电机(6)固定连接在所述直线导轨(12)顶部，所述直线导轨(12)侧壁与所述行走机构顶部固定连接有L型支撑板(4)，所述滑台(5)远离所述直线导轨(12)的一侧与所述相机角度调节机构固定连接。
8.根据权利要求5所述的三维扫描装置，其特征在于：所述相机角度调节机构包括固定连接在所述升降机构一侧的云台驱动电机(7)，所述云台驱动电机(7)输出轴轴接有旋转云台(10)，所述旋转云台(10)一侧固定连接有相机连接架(8)，所述相机连接架(8)远离所述云台驱动电机(7)的一侧与所述相机(9)固定连接。
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Assignee: Guilin Zhongtian Machinery Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980045855

Denomination of invention: A Low Energy and Efficient Mining Parameter Optimization Method and 3D Scanning Device for Coal Mining Machines

Granted publication date: 20220405

License type: Common License

Record date: 20231106