鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)

許 峰

鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)

許 峰

（中鐵巖鋒成都科技有限公司，成都 611731）

本文對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要闡述基于A(yíng)tlas L2D的鑿巖臺(tái)車(chē)?yán)肞LC自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及旋轉(zhuǎn)編碼器、工業(yè)圖形顯示器如何實(shí)現(xiàn)定向定位的自動(dòng)控制，最后闡述鑿巖臺(tái)車(chē)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

鑿巖臺(tái)車(chē) 定向定位 自動(dòng)控制系統(tǒng)

目前，我國(guó)隧道施工的主要方法仍然是鉆爆法。掘進(jìn)工序作業(yè)模式主要采用在簡(jiǎn)易多功能臺(tái)架上配備多臺(tái)手持支腿式風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔作業(yè)，并進(jìn)行人工裝藥，機(jī)械化程度低。鉆孔作業(yè)工序存在作業(yè)人員多（事故安全隱患極大）、作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、氣動(dòng)設(shè)備能量利用率低等問(wèn)題，已不能適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家及相關(guān)部門(mén)的政策強(qiáng)制要求。鑿巖臺(tái)車(chē)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)械化的關(guān)鍵設(shè)備，使其實(shí)現(xiàn)定向定位的自動(dòng)控制，可以更好地提升鉆孔效率。鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，注重提高定向儀器精度，并對(duì)系統(tǒng)誤差和人為誤差進(jìn)行有效控制，充分發(fā)揮設(shè)備的優(yōu)越性，提高隧道施工水平。本文對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究，著重分析了定向控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及工業(yè)圖形顯示器操作系統(tǒng)在鑿巖臺(tái)車(chē)中的實(shí)際應(yīng)用，以期為鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。

1 鑿巖臺(tái)車(chē)概念與其定向定位系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

鑿巖臺(tái)車(chē)是指在手持式鑿巖機(jī)與拖式底盤(pán)基礎(chǔ)車(chē)上發(fā)展而來(lái)的一種新型、現(xiàn)代化施工機(jī)械。在應(yīng)用中，為了能充分發(fā)揮臺(tái)車(chē)有效性，通常選擇高效能沖擊器或者鑿巖機(jī)，并采取大推力推進(jìn)器等設(shè)備，以提高設(shè)備運(yùn)行的有效性。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國(guó)公路、鐵路、水利等領(lǐng)域取得了飛速發(fā)展。鑿巖臺(tái)車(chē)作為上述領(lǐng)域發(fā)展的重要設(shè)備，能完成惡劣環(huán)境下的掘進(jìn)工作。目前，Atlas L2D鑿巖臺(tái)車(chē)在具體操作過(guò)程中，主要為人工操作鉆孔，鉆孔精度不高，影響了隧道超欠挖控制。對(duì)此，筆者引進(jìn)PLC控制系統(tǒng)，提高設(shè)備定向精度，減少人為和系統(tǒng)誤差，提高鉆孔精度和設(shè)備性能。

傳統(tǒng)設(shè)備定位定向系統(tǒng)的研發(fā)主要建立在深孔設(shè)計(jì)要求上，設(shè)備的調(diào)整也應(yīng)大幅度節(jié)省鑿巖過(guò)程的定位、定向時(shí)間，提高設(shè)備使用效率。結(jié)合此前收集與整理的鑿巖臺(tái)車(chē)的具體數(shù)據(jù)，筆者確定了設(shè)備精度等目標(biāo)，如精度確定為0.5°，速度在1min/孔以?xún)?nèi)等。

2 鑿巖臺(tái)車(chē)定向控制系統(tǒng)分析

鑿巖臺(tái)車(chē)的定向控制系統(tǒng)必須要結(jié)合鑿巖臺(tái)車(chē)的實(shí)際工作方式和工作環(huán)境，并根據(jù)相關(guān)原理設(shè)計(jì)定向控制系統(tǒng)，以更好地滿(mǎn)足實(shí)際工作需要，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。鑿巖臺(tái)車(chē)定向控制系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)以及圖形顯示器。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，PLC自動(dòng)化控制起到了系統(tǒng)控制作用，通過(guò)對(duì)圖形顯示器、旋轉(zhuǎn)編碼器傳遞的信息進(jìn)行有效處理，控制鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行工作，更好地提升鉆孔效率。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)涉及到軸定位檢測(cè)系統(tǒng)這一問(wèn)題。

隧道施工過(guò)程中，鑿巖臺(tái)車(chē)需要利用軸定位檢測(cè)系統(tǒng)，確保臺(tái)車(chē)能更好地進(jìn)行工作。軸定位檢測(cè)系統(tǒng)可以保證鑿巖臺(tái)車(chē)在工作過(guò)程中，能精準(zhǔn)定缺，具有較高的安全性和可靠性，且在實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)目標(biāo)時(shí)，需要利用旋轉(zhuǎn)編碼器，保證鑿巖臺(tái)車(chē)的工作能順利進(jìn)行[2]。

針對(duì)鑿巖臂抬起和放下軸而言，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制，可以通過(guò)安裝絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)體的角位移。其工作原理如下：將編碼器與被檢測(cè)對(duì)象同時(shí)安裝在同軸心線(xiàn)上，并在旋轉(zhuǎn)體上增加附件，借助附件的“橋梁”作用。當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象旋轉(zhuǎn)時(shí)，附件帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)編碼器也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并將此過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息上傳至PLC控制系統(tǒng)中，通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的整理和分析，能及時(shí)判斷角位移是否處于合理范圍內(nèi)，如果出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，系統(tǒng)將會(huì)提醒工作人員進(jìn)行調(diào)整，以確保鑿巖臂能做出正確反應(yīng)。

而對(duì)于大臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)而言，其與前者不同，主要采取安裝增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)圓盤(pán)帶動(dòng)周邊，借助傳動(dòng)力量實(shí)現(xiàn)對(duì)周邊的控制[3]。該編碼器能將轉(zhuǎn)動(dòng)軸及其圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)位移量輸入自動(dòng)控制系統(tǒng)中，并利用系統(tǒng)運(yùn)算方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸的準(zhǔn)確調(diào)整，以有效提高檢測(cè)的精確度，為設(shè)備安裝奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 鑿巖臺(tái)車(chē)PLC控制系統(tǒng)分析

鑿巖臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)定向定位控制目標(biāo)，PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)是不可缺少的一個(gè)關(guān)鍵部分，在利用PLC控制系統(tǒng)時(shí)，必須要保證PLC系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，能對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器傳遞回來(lái)的數(shù)字信息信號(hào)進(jìn)行有效處理，并將之傳遞給工業(yè)圖形顯示器，以供工程師參考，并使其作出相應(yīng)決策。

在對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以考慮以下兩點(diǎn)：一是手動(dòng)操控方式，二是自動(dòng)控制方式。手動(dòng)操控是根據(jù)PLC反饋的信息，根據(jù)工業(yè)圖形顯示器，進(jìn)行手動(dòng)角度定位操作；自動(dòng)控制方式，則是由PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)啟動(dòng)液壓控制系統(tǒng)，之后進(jìn)行軸定位操作，自動(dòng)停車(chē)[4]。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，鑿巖臺(tái)車(chē)在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用CJM1系統(tǒng)，并配備相應(yīng)的CPU模塊、輸入/輸出模塊。其中，CPU是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分，能對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器傳遞的信號(hào)進(jìn)行有效處理，并通過(guò)輸出模塊進(jìn)行信息傳輸，并在工業(yè)圖形顯示器上顯示。

4 鑿巖臺(tái)車(chē)工業(yè)圖形顯示器操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

工業(yè)圖形顯示器是鉆孔作業(yè)過(guò)程中必不可少的組成部分，可以方便操作工進(jìn)行實(shí)際操作，該系統(tǒng)與PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)連接，可以更好地指導(dǎo)實(shí)際鉆孔工作。在設(shè)計(jì)工業(yè)圖形顯示器系統(tǒng)時(shí)，必須要考慮模擬圖及數(shù)字方式顯示的運(yùn)行角度。

工業(yè)圖形顯示器操作系統(tǒng)在進(jìn)行型號(hào)選擇時(shí)，要考慮以下幾點(diǎn)內(nèi)容：第一，工業(yè)圖形顯示器必須為彩色圖形顯示器，顯示面板必須要明亮、清晰；第二，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量要符合實(shí)際生產(chǎn)需要，并能對(duì)畫(huà)面進(jìn)行自由設(shè)計(jì)，圖形數(shù)據(jù)的使用能力必須得到有效保證；第三，可以更好地進(jìn)行畫(huà)面切換和數(shù)據(jù)采集工作，能對(duì)實(shí)際操作進(jìn)行有效指導(dǎo)；第四，工業(yè)圖形顯示器的操作必須簡(jiǎn)便，工人經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后，就能進(jìn)行實(shí)際操作[5]。

定位顯示系統(tǒng)是鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行定向定位自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的一個(gè)必然選擇，在應(yīng)用過(guò)程中，必須要保證操作員可以根據(jù)定位顯示系統(tǒng)，對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行有效定位。在設(shè)計(jì)定位顯示系統(tǒng)時(shí)，主要利用三支紅外線(xiàn)光筆完成。在安裝時(shí)，需要在鑿巖臺(tái)車(chē)兩側(cè)安裝兩只紅外線(xiàn)光筆，并且將發(fā)光端向外，鑿巖臺(tái)車(chē)的上部需要安裝一支紅外線(xiàn)光筆。操作工要根據(jù)工業(yè)圖形顯示器，對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)的前進(jìn)位置進(jìn)行定位。定位顯示系統(tǒng)將直接影響鑿巖臺(tái)車(chē)定位速度，關(guān)系到鑿巖臺(tái)車(chē)的工作效率[6]。

鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位系統(tǒng)可以更好地對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行定位操作，且大大地提升了鑿巖臺(tái)車(chē)的工作效率。鑿巖臺(tái)車(chē)在應(yīng)用定向定位自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，可以不借助外部測(cè)量手段就進(jìn)行定位操作，其中，兩軸定位誤差不超過(guò)0.3度，提升了工作效率，對(duì)隧道施工掘進(jìn)機(jī)械化來(lái)說(shuō)，起到了積極的推動(dòng)作用，提高了鉆孔質(zhì)量和施工效率。

5 鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位系統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 標(biāo)準(zhǔn)化方向

當(dāng)前，世界上多個(gè)企業(yè)大力研究新技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)鉆臂、推進(jìn)器等零部件的標(biāo)準(zhǔn)化研究。同時(shí)，隨著社會(huì)各領(lǐng)域快速發(fā)展，對(duì)設(shè)備提出了多樣化需求，企業(yè)開(kāi)始開(kāi)展針對(duì)性零部件的生產(chǎn)，在很大程度上豐富了設(shè)備類(lèi)型及品種，且技術(shù)支持不斷提高，各類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的周期日漸縮短，產(chǎn)品技術(shù)含量也隨之提升。另外，為了提高設(shè)備應(yīng)用的靈活性，未來(lái)設(shè)備研究還會(huì)簡(jiǎn)化布線(xiàn)，減少故障，靈活配置系統(tǒng)，促使其積極作用得到最大程度發(fā)揮。

5.2 自動(dòng)化方向

隨著電子技術(shù)的發(fā)展及推廣，鑿巖循環(huán)工作已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)論是開(kāi)孔，還是停機(jī)都能進(jìn)行無(wú)人操作，全自動(dòng)化臺(tái)車(chē)成為鑿巖機(jī)器人。由于該類(lèi)機(jī)器人能用于隧道開(kāi)挖等工作，有效地解放了人力。目前，日本、法國(guó)等多個(gè)國(guó)家陸續(xù)參與到全自動(dòng)化鑿巖機(jī)的研制工作中[7]，尤其是近幾年，計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)步，智能技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，有效提高了自動(dòng)化水平，自動(dòng)化鑿巖及臺(tái)車(chē)逐漸應(yīng)用到實(shí)踐中，顯著提高了工作效率及質(zhì)量，有效保障了工作人員人身安全。

5.3 環(huán)保方向

傳統(tǒng)鑿巖臺(tái)車(chē)噪聲較大，對(duì)操作人員身心健康構(gòu)成極大威脅。為了構(gòu)建良好的工作環(huán)境，可以選擇液壓鑿巖機(jī)。該設(shè)備在具體應(yīng)用中，不僅噪聲小，且不會(huì)排出油霧和有害氣體。和傳統(tǒng)氣動(dòng)鑿巖機(jī)相比，其具有效率高、噪聲小等優(yōu)勢(shì)[8]。但是，該設(shè)備噪聲聲壓級(jí)仍在人耳敏感頻率范圍內(nèi)，對(duì)施工人員身體健康的危害并未完全消除。噪聲主要由沖擊結(jié)構(gòu)引起，結(jié)構(gòu)間隙、蓄能器參數(shù)等因素都能產(chǎn)生噪聲。對(duì)此，除對(duì)液壓鑿巖機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)、改造外，還在遠(yuǎn)距離有線(xiàn)控制及設(shè)計(jì)研制全隔音等方面取得了較大突破，推動(dòng)設(shè)備朝著環(huán)保方向發(fā)展。此外，鑿眼臺(tái)車(chē)未來(lái)還會(huì)朝著多樣化方向發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，注重對(duì)其相關(guān)理論的分析，并根據(jù)實(shí)際情況，提出了定向定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要以及相關(guān)設(shè)計(jì)方式、方法。通過(guò)分析定向控制系統(tǒng)的構(gòu)成、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軸定位檢測(cè)系統(tǒng)、工業(yè)圖形顯示器操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)、定位顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，探討鑿巖臺(tái)車(chē)定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)作用。結(jié)合本文的研究，我們不難看出，鑿巖臺(tái)車(chē)對(duì)促進(jìn)我國(guó)隧道施工機(jī)械化具有十分重要的作用，因此，必須加強(qiáng)這一技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，從而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

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Jumbo Directional Positioning Automatic Control System

XU Feng
(Iron rock Feng Technology Co., Ltd. of Chengdu,Chengdu 611731)

In this paper, jumbo directional positioning automatic control system research, mainly on Atlas L2D based on the jumbo use PLC automation control systems and rotary encoders, industrial graphics display how to achieve automatic control of directional orientation, and finally elaborate drill rig car future trends.

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