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1、(10)申请公布号 CN 103558852 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558852 A (21)申请号 201310527726.6 (22)申请日 2013.10.31 G05D 1/02(2006.01) G05B 19/05(2006.01) (71)申请人 北方重工集团有限公司 地址 110860 辽宁省沈阳经济技术开区开发 大路 16 号 (72)发明人 王斌 李博 杨雪菲 陈欣 杨敬洲 刘振宇 王祎妮 张玉玲 刘志明 许国权 (74)专利代理机构 沈阳世纪蓝海专利事务所 ( 普通合伙 ) 21232 代理人 谭琦 (54) 发明名称 一种用于硬岩巷。
2、道采矿机自动行走和纠偏的 电控系统 (57) 摘要 一种应用于硬岩巷道掘进机领域中的用于硬 岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 由主 机电控系统和激光定位测量系统组成， 主机电控 系统包括隔离开关 QS、 真空接触器 KM、 阻容吸收 器 RC、 电流互感器 TA、 微型断路器 QF、 PLC、 油温 传感器 GWP200-C、 油位传感器 YW、 防爆电铃 DL9、 防爆机车灯 HL1-5、 驱动电机 YBU-160 等， 阻容吸 收器 RC、 电流互感器 TA 串在主回路上， 驱动电机 YBU-160 和真空接触器 KM 连接， 所有的传感器信 号和隔离安全栅 RW 连接， 此连接是为。
3、了达到本安 要求， 所有的传感器信号和隔离安全栅 RW 连接。 该装置掘进速度快及机器智能化水平高、 简化工 人的操作流程、 提高掘进效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 103558852 A CN 103558852 A 1/2 页 2 1. 一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 由主机电控系统和激光定 位测量系统组成， 其特征在于 ： 主机电控系统包括隔离开关 QS、 真空接触器 KM、 阻容吸收器 RC、 电。
4、流互感器 TA1、 电压互感器 CSP、 隔离安全栅 RW、 片式继电器 KA、 微型断路器 QF、 PLC、 油温传感器 GWP200-C、 油位传感器 YW、 甲烷浓度传感器 GJT4/1000、 位移传感器 WY、 防爆电 铃 DL9、 防爆机车灯 HL1-5、 驱动电机 YBU-160， 阻容吸收器 RC、 电流互感器 TA1 串在主回路 上， 驱动电机 YBU-160 和真空接触器 KM 连接， 所有的传感器信号和隔离安全栅 RW 连接， 此 连接是为了达到本安要求 ； 激光定位测量系统包括本安型位姿检测装置、 本安隔爆型激光 指向装置、 防爆型倾斜检测装置、 防爆激光测距装置， 激。
5、光定位测量系统与开关箱通过通讯 和电源电缆连接。 2. 根据权利要求 1 所述的一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 其 特征在于 ： 所述装置的工作原理及操作方法是， 首先由激光定位测量系统测得采矿机偏角、 偏距、 俯仰角和翻滚角、 车前距和机身中心高等位姿参数 ； 再由位移传感器测出支撑油缸的 位移量， 然后 PLC 将这些测量信号与理论设计值进行比较， 计算出相应的模拟量输出 ； 通过 一次变压器送电到开关箱在由开关箱内变压器变成相应的电压等级， 箱内电压等级主要由 3300V， 1140V 驱动电压组成， 开关箱送电后系统先自检测甲烷浓度， 驱动电机是否漏电， 通 讯是否正。
6、常， 油温油位是否正常 ； 开关箱供电后通过激光定位测量系统和位移传感器等采 集的数据反馈到PLC， 由PLC计算出相应的模拟量输出信号再经过PLVC放大， 控制相应的电 磁比例阀， 进而驱动相应的行走履带， 和相应的支撑油缸的伸出或缩回， 再由激光定位测量 系统和支撑油缸内的位移传感器和角度传感器来判断机身的位置和姿态是否行走到预定 的位置和姿态， 从而形成闭环控制系统 ， 经过反复调整达到理想状态 ； 闭环控制的目的是 通过测量所得数据， 分别控制 6 个支撑油缸， 并重复其控制过程， 使其整机中心线与工程巷 道理想中心线偏差在工程要求范围内 ； 其控制过程是 ： 第一步测量整机位姿参数，。
7、 并计算 理想地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第二步再进行整机位姿参数测量， 并计算实际 地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第三步最后进行整机位姿参数测量， 并计算控制误 差补偿量， 控制油缸伸长相应长度， 从而达到工程控制要求。 3. 根据权利要求 1 所述的一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 其特 征在于 ： 其控制参数如下 ： 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 总伸长补偿量依次为 ： L1、 L2、 L3、 L4、 L5、 L6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 理想地平面补偿量依次为 ： l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6 。
8、支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 实际地平面补偿量依次为 ： l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 控制误差补偿量依次为 ： 1、 2、 3、 4、 5、 6 相对应关系为 ： L1=l1+l1+1 L2=l2+l2+2 L3=l3+l3+3 权 利 要 求 书 CN 103558852 A 2 2/2 页 3 L4=l4+l4+4 L5=l5+l5+5 L6=l6+l6+6。 4. 根据权利要求 1 所述的一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 其特 征在于 ： 所述装置的控制系统算法是， 先通过激光定位测量系统检测采矿。
9、机原始位姿参数、 然后智能控制系统通过计算来控制采矿机相应履带的动作， 自动调整采矿机水平偏角与偏 距， 使其满足调整的要求 ； 机身中心高的控制为先撑实、 后调平、 再测高， 即首先测取油缸初 撑压力， 确定每个油缸撑地符合要求， 然后测取机身高度和俯仰角、 翻滚角， 逐个程序调整 每个支撑油缸伸出量， 使上述三个目标控制参数及其误差符合要求。 权 利 要 求 书 CN 103558852 A 3 1/4 页 4 一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统 技术领域 0001 本发明涉及硬岩巷道掘进机领域中的一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏 的电控系统。 背景技术 0002 巷道掘进。
10、机是我国煤矿井下生产中应用最广泛的机械装备。 出于对煤矿生产能力 和生产安全的考虑 , 提升煤矿掘进作业的自动化水平、 减少掘进工作面操作人员的要求已 是十分迫切 , 开发研制自动掘进机是解决该问题的必然方向。掘进机位置及姿态的自动测 定和控制算法是全自动掘进机必须解决的核心问题， 本设备的位置及姿态的自动测定是通 过激光定位测量系统实现的， 电控系统通过将激光定位测量系统检测到的机身位置及姿态 信号与巷道设计的线路进行比对， 如果出现偏差， 则智能控制系统根据控制算法来控制相 应的执行机构动作， 进而实现机器的自动行走和纠偏。 因此， 研制一种用于硬岩巷道采矿机 自动行走和纠偏的电控系统一直。
11、是急待解决的新课题。 发明内容 0003 本发明的目的在于提供一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 该 装置将电控系统的模拟量输出信号通过比例放大器输出给执行机构电磁阀， 再将通过激光 定位测量系统检测到的信号反馈给 PLC， 形成闭环控制， 在硬岩巷道采矿机进行行走和定 位的过程中， 系统需要采用自动行走和纠偏程序进行控制， 对相应执行机构控制的实时性 和位移传感器的精度要求极高， 出现故障时对整个系统的联锁保护也要求的非常全面和严 格。 0004 本发明的目的是这样实现的 ： 一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系 统， 由主机电控系统和激光定位测量系统组成， 主机电控系。
12、统包括隔离开关 QS、 真空接触器 KM、 阻容吸收器 RC、 电流互感器 TA1、 电压互感器 CSP、 隔离安全栅 RW、 片式继电器 KA、 微型 断路器 QF、 PLC、 油温传感器 GWP200-C、 油位传感器 YW、 甲烷浓度传感器 GJT4/1000、 位移传 感器 WY、 防爆电铃 DL9、 防爆机车灯 HL1-5、 驱动电机 YBU-160， 阻容吸收器 RC、 电流互感器 TA1 串在主回路上， 驱动电机 YBU-160 和真空接触器 KM 连接， 所有的传感器信号和隔离安 全栅 RW 连接， 此连接是为了达到本安要求 ； 激光定位测量系统包括本安型位姿检测装置、 本安隔。
13、爆型激光指向装置、 防爆型倾斜检测装置、 防爆激光测距装置， 激光定位测量系统与 开关箱通过通讯和电源电缆连接 ； 所述装置的工作原理及操作方法是， 首先由激光定位测 量系统测得采矿机偏角、 偏距、 俯仰角和翻滚角、 车前距和机身中心高等位姿参数 ； 再由位 移传感器测出支撑油缸的位移量， 然后 PLC 将这些测量信号与理论设计值进行比较， 计算 出相应的模拟量输出 ； 通过一次变压器送电到开关箱在由开关箱内变压器变成相应的电压 等级， 箱内电压等级主要由 3300V， 1140V 驱动电压组成， 开关箱送电后系统先自检测甲烷 浓度， 驱动电机是否漏电， 通讯是否正常， 油温油位是否正常 ； 。
14、开关箱供电后通过激光定位 测量系统和位移传感器等采集的数据反馈到 PLC， 由 PLC 计算出相应的模拟量输出信号再 说 明 书 CN 103558852 A 4 2/4 页 5 经过 PLVC 放大， 控制相应的电磁比例阀， 进而驱动相应的行走履带， 和相应的支撑油缸的 伸出或缩回， 再由激光定位测量系统和支撑油缸内的位移传感器和角度传感器来判断机身 的位置和姿态是否行走到预定的位置和姿态， 从而形成闭环控制系统 ， 经过反复调整达到 理想状态 ； 闭环控制的目的是通过测量所得数据， 分别控制 6 个支撑油缸， 并重复其控制过 程， 使其整机中心线与工程巷道理想中心线偏差在工程要求范围内 ；。
15、 其控制过程是 ： 第一 步测量整机位姿参数， 并计算理想地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第二步再进行整 机位姿参数测量， 并计算实际地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第三步最后进行整机 位姿参数测量， 并计算控制误差补偿量， 控制油缸伸长相应长度， 从而达到工程控制要求 ； 其控制参数如下 ： 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 总伸长补偿量依次为 ： L1、 L2、 L3、 L4、 L5、 L6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 理想地平面补偿量依次为 ： l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 实际地平。
16、面补偿量依次为 ： l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 控制误差补偿量依次为 ： 1、 2、 3、 4、 5、 6 相对应关系为 ： L1=l1+l1+1 L2=l2+l2+2 L3=l3+l3+3 L4=l4+l4+4 L5=l5+l5+5 L6=l6+l6+6 所述装置的控制系统算法是， 先通过激光定位测量系统检测采矿机原始位姿参数、 然 后智能控制系统通过计算来控制采矿机相应履带的动作， 自动调整采矿机水平偏角与偏 距， 使其满足调整的要求 ； 机身中心高的控制为先撑实、 后调平、 再测高， 即首先测取油缸初 撑压力， 确定每个油缸撑。
17、地符合要求， 然后测取机身高度和俯仰角、 翻滚角， 逐个程序调整 每个支撑油缸伸出量， 使上述三个目标控制参数及其误差符合要求。 0005 本发明的要点在于它的电控系统结构及工作原理。其工作原理及操作方法是， 首 先由激光定位测量系统测得采矿机偏角、 偏距、 俯仰角和翻滚角、 车前距和机身中心高等位 姿参数 ； 再由位移传感器测出支撑油缸的位移量， 然后 PLC 将这些测量信号与理论设计值 进行比较， 计算出相应的模拟量输出 ； 通过一次变压器送电到开关箱在由开关箱内变压器 变成相应的电压等级， 箱内电压等级主要由 3300V， 1140V 驱动电压组成， 开关箱送电后系 统先自检测甲烷浓度，。
18、 驱动电机是否漏电， 通讯是否正常， 油温油位是否正常 ； 开关箱供电 后通过激光定位测量系统和位移传感器等采集的数据反馈到 PLC， 由 PLC 计算出相应的模 拟量输出信号再经过 PLVC 放大， 控制相应的电磁比例阀， 进而驱动相应的行走履带， 和相 应的支撑油缸的伸出或缩回， 再由激光定位测量系统和支撑油缸内的位移传感器和角度传 感器来判断机身的位置和姿态是否行走到预定的位置和姿态， 从而形成闭环控制系统 ， 经 说 明 书 CN 103558852 A 5 3/4 页 6 过反复调整达到理想状态 ； 闭环控制的目的是通过测量所得数据， 分别控制 6 个支撑油缸， 并重复其控制过程， 。
19、使其整机中心线与工程巷道理想中心线偏差在工程要求范围内 ； 其控 制过程是 ： 第一步测量整机位姿参数， 并计算理想地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第二步再进行整机位姿参数测量， 并计算实际地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第三 步最后进行整机位姿参数测量， 并计算控制误差补偿量， 控制油缸伸长相应长度， 从而达到 工程控制要求。 0006 一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统与现有技术相比， 具有掘进 速度快及机器智能化水平高、 简化工人的操作流程、 提高掘进效率等优点， 将广泛地应用于 硬岩巷道掘进机领域中。 0007 附图说明 下面结合附图及实施例对本发明进行。
20、详细说明。 0008 图 1 是本发明的结构示意图。 0009 图 2 是图 1 的俯视图。 0010 图 3 是本发明的电控原理图。 0011 图 4 是本发明支撑油缸 A、 B 的结构示意图。 0012 图 5 是本发明支撑油缸 C、 D 的结构示意图。 0013 图 6 是本发明支撑油缸 E、 F 的结构示意图。 0014 图 7 是本发明自动行走和纠偏工作流程图。 0015 参照附图， 一种用于硬岩巷道采矿机自动行走和纠偏的电控系统， 由主机电控系 统和激光定位测量系统组成， 主机电控系统包括隔离开关 QS、 真空接触器 KM、 阻容吸收器 RC、 电流互感器 TA、 电压互感器 CS。
21、P、 隔离安全栅 RW、 片式继电器 KA、 微型断路器 QF、 PLC、 油 温传感器 GWP200-C、 油位传感器 YW、 甲烷浓度传感器 GJT4/1000、 位移传感器 WY、 防爆电铃 DL9、 防爆机车灯HL1-5、 驱动电机YBU-160， 阻容吸收器RC、 电流互感器TA串在主回路上， 驱 动电机 YBU-160 和真空接触器 KM 连接， 所有的传感器信号和隔离安全栅 RW 连接， 此连接是 为了达到本安要求 ； 激光定位测量系统包括本安型位姿检测装置 1、 本安隔爆型激光指向 装置 2、 防爆型倾斜检测装置 3、 防爆激光测距装置 4， 激光定位测量系统与开关箱通过通讯 。
22、和电源电缆连接 ； 所述装置的工作原理及操作方法是， 首先由激光定位测量系统测得采矿机偏角、 偏距、 俯仰角和翻滚角、 车前距和机身中心高等位姿参数 ； 再由位移传感器测出支撑油缸的位移 量， 然后 PLC 将这些测量信号与理论设计值进行比较， 计算出相应的模拟量输出 ； 通过一 次变压器送电到开关箱在由开关箱内变压器变成相应的电压等级， 箱内电压等级主要由 3300V， 1140V 驱动电压组成， 开关箱送电后系统先自检测甲烷浓度， 驱动电机是否漏电， 通 讯是否正常， 油温油位是否正常 ； 开关箱供电后通过激光定位测量系统和位移传感器等采 集的数据反馈到PLC， 由PLC计算出相应的模拟量。
23、输出信号再经过PLVC放大， 控制相应的电 磁比例阀， 进而驱动相应的行走履带， 和相应的支撑油缸的伸出或缩回， 再由激光定位测量 系统和支撑油缸内的位移传感器和角度传感器来判断机身的位置和姿态是否行走到预定 的位置和姿态， 从而形成闭环控制系统 ， 经过反复调整达到理想状态 ； 闭环控制的目的是 通过测量所得数据， 分别控制 6 个支撑油缸， 并重复其控制过程， 使其整机中心线与工程巷 道理想中心线偏差在工程要求范围内 ； 其控制过程是 ： 第一步测量整机位姿参数， 并计算 说 明 书 CN 103558852 A 6 4/4 页 7 理想地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第二步再进。
24、行整机位姿参数测量， 并计算实际 地平面补偿量， 控制油缸伸长相应长度 ； 第三步最后进行整机位姿参数测量， 并计算控制误 差补偿量， 控制油缸伸长相应长度， 从而达到工程控制要求。 0016 其控制参数如下 ： 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 总伸长补偿量依次为 ： L1、 L2、 L3、 L4、 L5、 L6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 理想地平面补偿量依次为 ： l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E、 F 实际地平面补偿量依次为 ： l1、 l2、 l3、 l4、 l5、 l6 支撑油缸 A、 B、 C、 D、 E。
25、、 F 控制误差补偿量依次为 ： 1、 2、 3、 4、 5、 6 相对应关系为 ： L1=l1+l1+1 L2=l2+l2+2 L3=l3+l3+3 L4=l4+l4+4 L5=l5+l5+5 L6=l6+l6+6 所述装置的控制系统算法是， 先通过激光定位测量系统检测采矿机原始位姿参数、 然 后智能控制系统通过计算来控制采矿机相应履带的动作， 自动调整采矿机水平偏角与偏 距， 使其满足调整的要求 ； 机身中心高的控制为先撑实、 后调平、 再测高， 即首先测取油缸初 撑压力， 确定每个油缸撑地符合要求， 然后测取机身高度和俯仰角、 翻滚角， 逐个程序调整 每个支撑油缸伸出量， 使上述三个目标。
26、控制参数及其误差符合要求。 0017 下面结合实施例对本发明作进一步具体描述 ： 机身下方装有两条行走履带， 整个机身装有上下共 6 个支撑， 在硬岩巷道采矿机进行 定位的过程中， 对两条行走履带和 6 个支撑的动作顺序和调整量的程序计算非常复杂， 对 相应执行机构控制的实时性和位移传感器的精度要求极高， 出现故障时对整个系统的联锁 保护也要求的非常全面和严格。 说 明 书 CN 103558852 A 7 1/5 页 8 图 1图 2 说 明 书 附 图 CN 103558852 A 8 2/5 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558852 A 9 3/5 页 10 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103558852 A 10 4/5 页 11 图 6 说 明 书 附 图 CN 103558852 A 11 5/5 页 12 图 7 说 明 书 附 图 CN 103558852 A 12 。