一种用于掘进机的井下辅助截割系统.pdf

本发明公开了一种用于掘进机的井下辅助截割系统，包括：截割伸缩位移传感器，其安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂的伸缩位移量；截割回转角度传感器，其安装在截割臂的回转座上，用于检测截割臂的回转角；本体俯仰角度传感器，其安装在掘进机本体上，用于检测掘进机本体相对于水平面的倾斜角；截割俯仰角度传感器，其安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂相对于掘进机本体的俯仰角；摄像仪，其安装在截割臂的回转座上；显示操作终端，其安装在掘进机的驾驶室里；以及，电控箱，其安装在掘进机本体上。利用本发明可辅助掘进机井下作业，避免超挖和欠挖现象的发生。

1.  一种用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，包括：
截割伸缩位移传感器，其安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂的伸缩位移量；
截割回转角度传感器，其安装在截割臂的回转座上，用于检测截割臂的回转角；
本体俯仰角度传感器，其安装在掘进机本体上，用于检测掘进机本体相对于水平面的倾斜角；
截割俯仰角度传感器，其安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂相对于掘进机本体的俯仰角；
摄像仪，其安装在截割臂的回转座上；
显示操作终端，其安装在掘进机的驾驶室里；
以及电控箱，其安装在掘进机本体上；其中，
截割伸缩位移传感器、截割回转角度传感器、本体俯仰角度传感器、截割俯仰角度传感器、摄像仪和显示操作终端均与电控箱电连接，电控箱内设置有控制器，所述控制器用于基于接收到的数据绘制巷道标定轮廓以及计算截割臂端部的炮头的位置。

2.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，截割伸缩位移传感器采用拉线传感器或油缸内置磁致伸缩位移传感器。

3.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，截割回转角度传感器采用旋转编码器。

4.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，本体俯仰角度传感器采用倾角传感器。

5.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，所述控制器用于基于截割伸缩位移传感器、截割回转角度传感器、本体俯仰角度传感器和截割俯仰角度传感器采集的多个巷道标定点的位置数据，绘制巷道标定轮廓。

6.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，所述控制器用于基于下式计算所述炮头的位置坐标(X，Y)，
X＝(OB+AB)·cosβ·tanα，
Y＝(OB+AB)·sinβ+OC，
其中，坐标系以截割臂根部回转中心O为原点，以水平线为横轴，以垂直于巷道的直线OC为纵轴；OB为截割臂无伸缩时的长度，AB为截割臂有伸缩时的伸缩位移量，α为截割臂的回转角；β＝δ-γ，其中δ为截割臂与水平面的夹角，γ为巷道底板与水平面的夹角；OC为截割臂根部距巷道底板的垂直距离。

7.  如权利要求1-6中任一项所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，显示操作终端用于同步叠加显示摄像仪拍摄的图像、巷道标定轮廓和炮头位置。

8.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，还包括报警模块，所述报警模块用于当炮头位置超出巷道标定轮廓时发出报警，还用于当炮头位置距离巷道标定轮廓大于预定值时发出报警。

9.  如权利要求1所述的用于掘进机的井下辅助截割系统，其特征在于，其中，所述电控箱的数据传输方式采用CAN2.0或模拟量输入。

一种用于掘进机的井下辅助截割系统
技术领域
本发明涉及掘进机技术领域，具体涉及一种用于掘进机的井下辅助截割系统。
背景技术
掘进机是用于开凿地下巷道的机器，随着综合采煤机械化的快速发展，煤矿作业对巷道掘进速度的要求越来越高，在保证掘进速度的基础上，应最大程度地避免超挖和欠挖现象的发生，提高巷道掘进时的成型质量，对确保安全生产和提高经济效益具有重要作用。掘进机辅助系统能够在掘进机工作过程中辅助控制截割轨迹及截割断面形状，已有的掘进机辅助系统采用将截割头运行轨迹与预存断面形状进行实时对比的方法，取得了较好的效果，但是，由于没有考虑井下定位问题，截割误差普遍偏大，容易导致超挖或欠挖现象的发生。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种用于掘进机的井下辅助截割系统，考虑到掘进机的井下定位因素，综合利用多种传感器采集掘进机工作状态参数，辅助操作人员开展作业。
一种用于掘进机的井下辅助截割系统，包括：截割伸缩位移传感器，其安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂的伸缩位移量；截割回转角度传感器，其安装在截割臂的回转座上，用于检测截割臂的回转角；本体俯仰角度传感器，其安装在掘进机本体上，用于检测掘进机本体相对于水平面的倾斜角；截割俯仰角度传感器，其安装在掘进机的截割臂上，用于检测截割臂相对于掘进机本体的俯仰角；摄像仪，其安装在截割臂的回转座上；显示操作终端，其安装在掘进机的驾驶室里；以及电 控箱，其安装在掘进机本体上；其中，
截割伸缩位移传感器、截割回转角度传感器、本体俯仰角度传感器、截割俯仰角度传感器、摄像仪和显示操作终端均与电控箱电连接，电控箱内设置有控制器，所述控制器用于基于接收到的数据绘制巷道标定轮廓以及计算截割臂端部的炮头的位置。
进一步地，截割伸缩位移传感器采用拉线传感器或油缸内置磁致伸缩位移传感器。
进一步地，截割回转角度传感器采用旋转编码器。
进一步地，本体俯仰角度传感器采用倾角传感器。
进一步地，所述控制器用于基于截割伸缩位移传感器、截割回转角度传感器、本体俯仰角度传感器和截割俯仰角度传感器采集的多个巷道标定点的位置数据，绘制巷道标定轮廓。
进一步地，所述控制器用于基于下式计算所述炮头的位置坐标(X，Y)，
X＝(OB+AB)·cosβ·tanα，
Y＝(OB+AB)·sinβ+OC，
其中，坐标系以截割臂根部回转中心O为原点，以水平线为横轴，以垂直于巷道的直线OC为纵轴；OB为截割臂无伸缩时的长度，AB为截割臂有伸缩时的伸缩位移量，α为截割臂的回转角；β＝δ-γ，其中δ为截割臂与水平面的夹角，γ为巷道底板与水平面的夹角；OC为截割臂根部距巷道底板的垂直距离。
进一步地，显示操作终端用于同步叠加显示摄像仪拍摄的图像、巷道标定轮廓和炮头位置。
进一步地，还包括报警模块，所述报警模块用于当炮头位置超出巷道标定轮廓时发出报警，还用于当炮头位置距离巷道标定轮廓大于预定值时发出报警。
进一步地，所述电控箱的数据传输方式采用CAN2.0或模拟量输入。
本发明实施例的掘进机井下辅助截割系统综合考虑了掘进机本体俯仰角度、截割部的俯仰角度、回转角度、截割部外伸长度以及截割臂与 掘进机本体的夹角等参数，其中掘进机本体俯仰角度解决了掘进机的井下定位问题，该系统实现了掘进机截割过程中作业图像、巷道标定轮廓以及截割头位置的实时辅助显示，给操作人员更好的视觉感受，达到辅助操作的目的，避免超挖、欠挖情况的发生，可提高巷道掘进时的巷道成型质量。
附图说明
图1是本发明实施例安装在掘进机上的井下辅助截割系统的侧视图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明实施例的井下辅助截割系统的电气结构图。
图4是本发明实施例的截割臂的炮头位置示意图。
图5是本发明实施例中标定的巷道极限点分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细描述。
图1和图2分别示出了本发明实施例的安装在掘进机本体上的井下辅助截割系统的侧视图和俯视图，该系统包括：截割伸缩位移传感器2、截割回转角度传感器4、本体俯仰角度传感器5、截割俯仰角度传感器8、摄像仪3、显示操作终端6和电控箱7，其中截割臂1的端部具有炮头9，直接作用于巷道岩石。
具体地，截割伸缩位移传感器2安装在掘进机的截割臂1上，用于检测截割臂1的伸缩位移量。在本发明的实施例中，截割伸缩位移传感器2可采用拉线传感器或油缸内置磁致伸缩位移传感器。
截割回转角度传感器4安装在截割臂1的回转座的中心，用于检测截割臂1相对于掘进机前向中心轴的回转角，可采用旋转编码器。
本体俯仰角度传感器5安装在掘进机本体上，用于检测掘进机本体相对于水平面的俯仰角。在本发明的实施例中，本体俯仰角度传感器5可采用常规的双轴倾角传感器。
截割俯仰角度传感器8安装在截割臂1上，用于检测截割臂1相对 于掘进机前向中心轴的俯仰角。
摄像仪3安装在截割臂1的回转座的两侧，可随回转座转动，摄像仪3用于记录截割臂1的工作图像，图像在显示操作终端6上显示，操作人员通过显示操作终端6即可观察掘进机工作状态和进度。
显示操作终端6布置在掘进机的驾驶室里，供操作人员查看。电控箱7安装在掘进机本体上，具体位置没有特殊要求。
图3示出了本发明实施例的井下辅助截割系统的电气结构图，其电气连接方式如下：截割伸缩位移传感器2、摄像仪3、截割回转角度传感器4、本体俯仰角度传感器5和截割俯仰角度传感器8分别直接电连接到电控箱7，通讯方式可采用CAN2.0或模拟量输入。
其中，电控箱7内的控制器负责的工作如下：
①开始作业前，基于截割伸缩位移传感器2、截割回转角度传感器4、本体俯仰角度传感器5和截割俯仰角度传感器8采集的若干巷道标定点的位置数据，绘制巷道标定轮廓；
②开始作业后，基于截割伸缩位移传感器2、截割回转角度传感器4、本体俯仰角度传感器5和截割俯仰角度传感器8的检测数据，实时计算掘进机截割臂1上的炮头9的位置坐标；
③将由①得到巷道标定轮廓与由②得到的炮头位置同步叠加显示在显示终端6上，实现两者的实时比对；
④实时处理摄像头3的视频图像，图像经滤波处理后显示在显示终端6上，并基于③，实现巷道标定轮廓、炮头位置以及巷道实际视频图像的同时显示，方便操作人员判断掘进机作业情况；
⑤根据巷道标定轮廓与炮头位置的实时比对结果，判断是否发生超挖或欠挖，及时发出报警或直接超越人工操作。
以下描述截割臂炮头位置的计算过程。
图4示出了本发明实施例中截割臂的炮头位置坐标计算示意图，其中掘进机位于巷道中，巷道底板具有一定坡度。该实施例以截割臂的根部回转中心O点为原点，以水平线为横轴，以垂直于巷道的直线OC为纵轴，建立坐标系。
其中，α为截割臂绕根部回转中心偏转的角度，由截割回转角度传感器4检测；
δ为截割臂与水平面的夹角，由截割俯仰角度传感器8检测；
γ为巷道底板与水平面的夹角(也即掘进机本体相对于水平面的夹角)，由本体俯仰角度传感器5检测；
β为截割臂相对于巷道底板的俯仰角度，且β＝δ-γ；
OB为截割臂无伸缩时的长度；
AB为截割臂有伸缩时的位移量；
OC为截割臂根部距巷道底板的垂直距离，为已知量。
根据上述数据可计算得到掘进机截割臂炮头9的位置坐标(X,Y)：
X＝(OB+AB)·cosβ·tanα
Y＝(OB+AB)·sinβ+OC
以下描述利用本发明实施例的井下辅助截割系统的掘进机作业过程。
掘进机开始截割作业前，巷道内无扬尘，能见度较好，驾驶员先将掘进机大致定位在巷道的正中间，然后操作截割臂1前伸，以使炮头9前伸直至碰到巷道岩石(即巷道轮廓的极限位置)，采集此时截割伸缩位移传感器2、截割回转角度传感器4、本体俯仰角度传感器5和截割俯仰角度传感器8的测量参数，传输到电控箱7(用于计算炮头位置，一个炮头位置为一个标定点)；然后多次改变炮头9的位置，分别碰到巷道轮廓的多个极限位置，由此获得多个标定点，由电控箱7内的控制器拟合成一个光滑、封闭的巷道极限轮廓，如图5所示。将巷道极限轮廓模拟显示在显示操作终端6上(显示操作终端6为显示屏)。
标定完毕后，操作人员操作截割臂1上的炮头9开始进行截割，截割伸缩位移传感器2、截割回转角度传感器4、本体俯仰角度传感器5和截割俯仰角度传感器8采集的实时检测数值传入电控箱7内，通过电控箱7内的控制器计算和比对截割臂炮头9相对巷道极限轮廓的位置。同时，电控箱7内的控制器实时采集摄像头3的视频图像，对图像做滤波处理后，将当前截割臂炮头9的位置和巷道极限轮廓同步叠加显示在显 示操作终端6上，给操作人员以直观、可见的操作提示，操作人员控制截割臂炮头9始终沿巷道极限轮廓进行截割作业，不会发生超挖或欠挖，达到辅助截割的目的。
进一步地，电控箱7内含有报警模块，当计算得到的炮头9位置(X,Y)不符合预设条件时，报警模块会发出告警，例如发出报警声或在显示操作终端6上显示报警警示，以提醒操作人员超挖或欠挖风险。
具体来看，通过截割作业图像和图像上叠加的标志线(巷道极限轮廓)来辅助操作人员进行截割作业，当发现当前炮头9超出已标定极限轮廓时，即可能出现超挖，报警模块发出报警警示，提醒操作人员调节炮头位置，此时如果继续操作炮头9前伸，控制器将视该操作无效，不予执行操作，停机以避免超挖；进一步地，还可将系统设置为此时炮头9自行在已标定的极限轮廓范围内继续作业。
类似地，当炮头9的位置距离标定的极限轮廓过远时，即可能出现欠挖，报警模块也会进行报警，提示操作人员；系统也可自行调整炮头9的位置，避免欠挖。
可以理解，在截割头即将超挖或者可能导致欠挖时系统将主动报警，这种调节方式形成了系统的主动闭环控制机制，可及时发现并纠正截割臂与巷道极限轮廓存在的误差，最大限度地避免超挖或欠挖现象。需要注意的是，一旦掘进机前后移动后，系统先前标定的巷道极限轮廓即失效，应重新标定，期间视频信号可持续显示。
上述方案适用范围广，既适用于普通液控型掘进机，也适用于电磁阀控制的电控型掘进机，既适用于纵轴式掘进机，也适用于横轴式掘进机，可降低截割过程中震动对检测和控制的影响，使用可靠，可提高巷道成形质量，具有良好的应用前景。
以上，结合具体实施例对本发明的技术方案进行了详细介绍，所描述的具体实施例用于帮助理解本发明的思想。本领域技术人员在本发明具体实施例的基础上做出的推导和变型也属于本发明保护范围之内。