CN116591741A - 一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法 - Google Patents

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CN116591741A CN202310564335.5A CN202310564335A CN116591741A CN 116591741 A CN116591741 A CN 116591741A CN 202310564335 A CN202310564335 A CN 202310564335A CN 116591741 A CN116591741 A CN 116591741A
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谢云跃
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张绍琦
宋维康
孟昭胜
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Abstract

本发明提供了一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，涉及采矿机械设备自动化控制技术领域。该方法包括：建立推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程；在推移杆的中心点安装六轴姿态角度测量传感器并建立空间坐标系，确定各个方向的加速度和转动的角速度；分解推移杆的位移，并对加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分；计算确定经过的时间段后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标。校检推移杆推移前后因位置偏差，在液压缸内部设置的位置传感器监测结果，根据校检结果进行液压缸的调直。该方法可以实现对推移油缸、推移杆、连接头和中部槽之间连接误差的精准控制，为液压支架的自动化控制提供感知方法。

Description

一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法
技术领域
本发明涉及采矿机械设备自动化控制技术领域，尤其是一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法。
背景技术
煤矿井下装备综合机械化设备的回采工作面为综采工作面，其中采煤设备为采煤机，工作面运输设备为刮板输送机，工作面顶板支护采用液压支架，顺槽装备带式输送机。综采工作面在推溜、移架过程中通过推移油缸和推移杆、连接头实现。其中推移油缸与推移杆、推移杆与连接头、连接头与中部槽存在较大连接误差，属于非理想合作连接关系。
现有技术中，通常是靠监测推移油缸行程控制中部槽推移位置来感知推移油缸的位置，现有的感知方式存再误差精准控制的问题。
发明内容
为了实现对推移油缸、推移杆、连接头和中部槽之间连接误差的精准控制，为液压支架的自动化控制提供精准的感知方法，本发明提供了一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，具体技术方案如下。
一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，包括：
S1.建立推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程；
S2.在推移杆的中心点安装六轴姿态角度测量传感器并建立空间坐标系；
S3.确定各个方向的加速度和转动的角速度；
S4.分解推移杆的位移，分别对X、Y、Z三个方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分；
S5.计算确定经过时间段后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标，以及液压支架与推移千斤顶连接点、连接杆与刮板输送机连接点的坐标。
优选的是，对推移杆推移前后因位置偏差进行校检，在液压缸内部设置的位置传感器监测结果，根据校检结果进行液压缸的调直。
优选的是，液压支架与推移千斤顶连接点的固定位置为A点，连接杆与刮板输送机连接点的固定位置为C点；
根据几何结构关系建立关系式：
其中，L0为推溜开始时的液压缸和活塞杆的长度总和，L1为推溜t后液压缸和活塞杆的长度的总和，t为时间段，h为液压千斤顶固定位置与水平面的高度差，X0为推移杆的长度，X1为推溜t后推移杆前端与开始推溜时末端的距离；
推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程为：
ΔX为推移杆推溜后移动的距离，ΔL为活塞缸的位移变化量。
优选的是，所述六轴姿态角度测量传感器作为空间坐标系的原点，推移杆在推移时传感器以100hz的频率采样。
优选的是，在X轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对X方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，ax为t＝n×0.01s的沿X轴方向的加速度，n为整数，ωx为t＝n×0.01s的沿X轴方向的角速度，ΔX’为t＝n×0.01s时推移杆沿X轴的位移，Δθ为t＝n×0.01s时推移杆沿X轴转动的角度。
优选的是，在Y轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对Y方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，ay为t＝n×0.01s的沿Y轴方向的加速度，ωy为t＝n×0.01s的沿Y轴方向的角速度，ΔY’为t＝n×0.01s时推移杆沿Y轴的位移，Δα为t＝n×0.01s时推移杆沿Y轴转动的角度。
优选的是，在Z轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对Z方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，az为t＝n×0.01s的沿Z轴方向的加速度，ωz为t＝n×0.01s的沿Z轴方向的角速度，ΔZ’为t＝n×0.01s时推移杆沿Z轴的位移，Δβ为t＝n×0.01s时推移杆沿Z轴转动的角度。
还优选的是，确定t＝n×0.01s后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标为(ΔX’，ΔY’，ΔZ’)，确定液压支架与推移千斤顶连接点A′的坐标为：
(ΔX-O`A`*cosΔβ*cosΔα、ΔY-O`A`*sinΔβ*sinΔθ、ΔZ+O`A`*cosΔβ*sinΔα)确定连接杆与刮板输送机连接点C′的坐标为：(ΔX-O`C`*cosΔβ*cos(∠A`O`C`-Δα)、ΔY-O`C`*sinΔβ*sinΔθ、ΔZ+O`C`*cosΔβ*sin(C`OA`-Δα))。
还优选的是，通过传感器确定推移杆在t＝n×0.01s时沿X轴的实际前进量ΔXS，将t＝n×0.01s时活塞缸的位移变化量ΔL1，根据推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程计算确定到推移杆的理论前进量ΔX1为推移杆在t＝n×0.01s时沿X轴的理论前进量；
当ΔX1<ΔXS时，活塞缸未走完推溜行程，推移杆已经到达指定的推溜点；
当ΔX1＝ΔXS时，判断为正常推溜状态；
当ΔX1>ΔXS时，活塞缸在走完推溜行程后，推移杆无法到达指定推溜点。
当|ΔX1-ΔXS|<100mm时，通过控制器对稳定并降下活塞缸的运动速度，运动速度为0后再进行液压缸的调直；
当|ΔX1-ΔXS|>100mm时，液压缸正常推移。
还优选的是，液压支架的底座左右侧通过螺栓连接安装调直液压双向缸，在推移杆产生位移偏差时，时调节油缸的活塞位置，对推移杆进行调直；双向液压缸向内调直推移杆，向外调直液压支架的底座。
本发明提供的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，有益效果是，通过建立数学模型、确立坐标系能够对推溜和移架过程中推移油缸的位置进行精确的感知和描述，另外通过分析计算后，可以根据校检结果进行液压缸的调直，进而实现对综采工作面液压支架整体的控制和调解，有利于进一步实现智能化开采。
附图说明
图1是综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法流程图；
图2是液压支架推移部分连接结构示意图；
图3是图2中的结构简化几何模型示意图；
图4是推移杆的传感器安装示意图；
图5是传感器监测特性示意图；
图6是推移杆的工作路径示意图；
图7是推溜形成完成示意图；
图8是调直工作原理示意图；
图中：1-刮板输送机，2-推移杆，4-连接杆，5-推移千斤顶，6-活塞杆，7-传感器，8-推溜点，9-移架点，10-调直液压双向缸。
具体实施方式
结合图1至图8所示对本发明提供的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法的具体实施方式进行说明。
一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，具体步骤包括：
S1.建立推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程；
移架结束时，分别对支架推溜和移架的时候进行数学模型的建立，推溜时A点为液压支架与推移千斤连接处，固定保持不变，C点为连接杆与刮板输送机连接处，固定在推溜点。其中液压支架与推移千斤顶连接点的固定位置为A点，连接杆与刮板输送机连接点的固定位置为C点；
根据几何结构关系建立关系式：
其中，L0为推溜开始时的液压缸和活塞杆的长度总和，L1为推溜t后液压缸和活塞杆的长度的总和，t为时间段，h为液压千斤顶固定位置与水平面的高度差，X0为推移杆的长度，X1为推溜t后推移杆前端与开始推溜时末端的距离；
推溜过程的几何模型，三角形A`B`C`为ABC推溜后的位置，推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程为：
ΔX为推移杆推溜后移动的距离，ΔL为活塞缸的位移变化量。
S2.在推移杆的中心点安装六轴姿态角度测量传感器并建立空间坐标系；
六轴姿态角度测量传感器作为空间坐标系的原点，推移杆在推移时传感器以100hz的频率采样。推移杆的工作环境恶劣，并可能伴有大量的碎石砸在传感器上导致传感器感应的信号发生错误，所以在推移杆的AB中心点O点处下开个凹槽并在其中安装BWT61CL六轴姿态角度测量传感器并在O点建立空间坐标系。考虑到工作环境问题，蓝牙式传感器也可以更好的适合井下的工作，确定传感器规格为BWT61CL六轴姿态角度测量传感器。六轴蓝牙姿态角度测量传感器可以感知沿X,Y,Z方向的加速度以及绕X,Y,Z方向转动的角速度。
S3.确定各个方向的加速度和转动的角速度；当推移杆被推移时，六轴蓝牙姿态角度测量传感器将以100hz的频率采样ax、ay、az加速度信息以及ωx、ωy、ωz角速度信息。
S4.分解推移杆的位移，分别对X、Y、Z三个方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分；
在X轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对X方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，ax为t＝n×0.01s的沿X轴方向的加速度，n为整数，ωx为t＝n×0.01s的沿X轴方向的角速度，ΔX’为t＝n×0.01s时推移杆沿X轴的位移，Δθ为t＝n×0.01s时推移杆沿X轴转动的角度。
在Y轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对Y方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，ay为t＝n×0.01s的沿Y轴方向的加速度，ωy为t＝n×0.01s的沿Y轴方向的角速度，ΔY’为t＝n×0.01s时推移杆沿Y轴的位移，Δα为t＝n×0.01s时推移杆沿Y轴转动的角度。
在Z轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对Z方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，az为t＝n×0.01s的沿Z轴方向的加速度，ωz为t＝n×0.01s的沿Z轴方向的角速度，ΔZ’为t＝n×0.01s时推移杆沿Z轴的位移，Δβ为t＝n×0.01s时推移杆沿Z轴转动的角度。
S5.计算确定经过时间段后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标，以及液压支架与推移千斤顶连接点、连接杆与刮板输送机连接点的坐标。
确定t＝n×0.01s后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标为(ΔX’，ΔY’，ΔZ’)，确定液压支架与推移千斤顶连接点A′的坐标为：
(ΔX-O`A`*cosΔβ*cosΔα、ΔY-O`A`*sinΔβ*sinΔθ、ΔZ+O`A`*cosΔβ*sinΔα)
确定连接杆与刮板输送机连接点C′的坐标为：(ΔX-O`C`*cosΔβ*cos(∠A`O`C`-Δα)、ΔY-O`C`*sinΔβ*sinΔθ、ΔZ+O`C`*cosΔβ*sin(C`OA`-Δα))。
通过三点即可确定A`B`C`D`平面，其他平面同理确定。
因为在推移的过程中，推移杆推移后的位置极其容易与理想的推移后位置产生偏差导致油缸的行程可能已经结束但是推移杆并没有推到理想位置甚至推移过多对推移杆产生损伤。
通过传感器确定推移杆在t＝n×0.01s时沿X轴的实际前进量ΔXS，将t＝n×0.01s时活塞缸的位移变化量ΔL1，根据推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程计算确定到推移杆的理论前进量ΔX1为推移杆在t＝n×0.01s时沿X轴的理论前进量；
当ΔX1<ΔXS时，活塞缸未走完推溜行程，推移杆已经到达指定的推溜点；
当ΔX1＝ΔXS时，判断为正常推溜状态；
当ΔX1>ΔXS时，活塞缸在走完推溜行程后，推移杆无法到达指定推溜点。
当|ΔX1-ΔXS|<100mm时，通过控制器对稳定并降下活塞缸的运动速度，对液压缸活塞进行PID控制，利用PID的三个参数来稳定并降下活塞的运动速度并使其逐渐变为0，运动速度为0后再进行液压缸的调直；
当|ΔX1-ΔXS|>100mm时，液压缸正常推移。
对推移杆推移前后因位置偏差进行校检，在液压缸内部设置的位置传感器监测结果，根据校检结果进行液压缸的调直。
液压支架的底座左右侧通过螺栓连接安装调直液压双向缸，在推移杆产生位移偏差时，ΔL7、ΔL8发生变化，此时调节油缸的活塞位置ΔL5、ΔL6，对推移杆进行调直；双向液压缸向内调直推移杆，向外调直液压支架的底座。
该方法中，通过建立数学模型、确立坐标系能够对推溜和移架过程中推移油缸的位置进行精确的感知和描述，另外通过分析计算后，可以根据校检结果进行液压缸的调直，进而实现对综采工作面液压支架整体的控制和调解，有利于进一步实现智能化开采。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，包括：
S1.建立推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程；
S2.在推移杆的中心点安装六轴姿态角度测量传感器并建立空间坐标系；
S3.确定各个方向的加速度和转动的角速度；
S4.分解推移杆的位移，分别对X、Y、Z三个方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分；
S5.计算确定经过时间段后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标，以及液压支架与推移千斤顶连接点、连接杆与刮板输送机连接点的坐标。
2.根据权利要求1所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，对推移杆推移前后因位置偏差进行校检，在液压缸内部设置的位置传感器监测结果，根据校检结果进行液压缸的调直。
3.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，液压支架与推移千斤顶连接点的固定位置为A点，连接杆与刮板输送机连接点的固定位置为C点；
根据几何结构关系建立关系式：
其中，L0为推溜开始时的液压缸和活塞杆的长度总和，L1为推溜t后液压缸和活塞杆的长度的总和，t为时间段，h为液压千斤顶固定位置与水平面的高度差，X0为推移杆的长度，X1为推溜t后推移杆前端与开始推溜时末端的距离；
推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程为：
ΔX为推移杆推溜后移动的距离，ΔL为活塞缸的位移变化量。
4.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，所述六轴姿态角度测量传感器作为空间坐标系的原点，推移杆在推移时传感器以100hz的频率采样。
5.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，在X轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对X方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，ax为t＝n×0.01s的沿X轴方向的加速度，n为整数，ωx为t＝n×0.01s的沿X轴方向的角速度，ΔX’为t＝n×0.01s时推移杆沿X轴的位移，Δθ为t＝n×0.01s时推移杆沿X轴转动的角度。
6.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，在Y轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对Y方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，ay为t＝n×0.01s的沿Y轴方向的加速度，ωy为t＝n×0.01s的沿Y轴方向的角速度，ΔY’为t＝n×0.01s时推移杆沿Y轴的位移，Δα为t＝n×0.01s时推移杆沿Y轴转动的角度。
7.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，在Z轴方向上每隔0.01s得到一组数据，对Z方向的加速度进行二重定积分，对角速度进行定积分，得到：
式中，az为t＝n×0.01s的沿Z轴方向的加速度，ωz为t＝n×0.01s的沿Z轴方向的角速度，ΔZ’为t＝n×0.01s时推移杆沿Z轴的位移，Δβ为t＝n×0.01s时推移杆沿Z轴转动的角度。
8.根据权利要求1或2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，确定t＝n×0.01s后六轴姿态角度测量传感器的位置坐标为(ΔX’，ΔY’，ΔZ’)，确定液压支架与推移千斤顶连接点A′的坐标为：
(ΔX-O`A`*cosΔβ*cosΔα、ΔY-O`A`*sinΔβ*sinΔθ、ΔZ+O`A`*cosΔβ*sinΔα)确定连接杆与刮板输送机连接点C′的坐标为：(ΔX-O`C`*cosΔβ*cos(∠A`O`C`-Δα)、ΔY-O`C`*sinΔβ*sinΔθ、ΔZ+O`C`*cosΔβ*sin(C`OA`-Δα))。
9.根据权利要求2所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，通过传感器确定推移杆在t＝n×0.01s时沿X轴的实际前进量ΔXS，将t＝n×0.01s时活塞缸的位移变化量ΔL1，根据推移杆推溜移动距离与活塞缸位移变化量的关系方程计算确定到推移杆的理论前进量ΔX1为推移杆在t＝n×0.01s时沿X轴的理论前进量；
当ΔX1<ΔXS时，活塞缸未走完推溜行程，推移杆已经到达指定的推溜点；
当ΔX1＝ΔXS时，判断为正常推溜状态；
当ΔX1>ΔXS时，活塞缸在走完推溜行程后，推移杆无法到达指定推溜点。
当|ΔX1-ΔXS|<100mm时，通过控制器对稳定并降下活塞缸的运动速度，运动速度为0后再进行液压缸的调直；
当|ΔX1-ΔXS|>100mm时，液压缸正常推移。
10.根据权利要求9所述的一种综采工作面液压支架推移油缸的位置精确感知方法，其特征在于，液压支架的底座左右侧通过螺栓连接安装调直液压双向缸，在推移杆产生位移偏差时，时调节油缸的活塞位置，对推移杆进行调直；双向液压缸向内调直推移杆，向外调直液压支架的底座。
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