懸臂式掘進(jìn)機(jī)記憶截割及自動截割控制方法研究

楊士偉

關(guān)鍵詞：懸臂式掘進(jìn)機(jī);記憶截割;自動截割;斷面輪廓

0引言

在采煤機(jī)的煤礦現(xiàn)場應(yīng)用中已經(jīng)實現(xiàn)了記憶截割控制，而懸臂式掘進(jìn)機(jī)由于構(gòu)造復(fù)雜，其控制方式無法借鑒采煤機(jī)的形式，因此還沒有實現(xiàn)記憶截割。本文以懸臂式掘進(jìn)機(jī)記憶截割及自動截割為研究對象，通過系統(tǒng)研究，提出以人工截割為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)路徑，控制掘進(jìn)機(jī)對人工掘進(jìn)過程進(jìn)行學(xué)習(xí)記憶，實現(xiàn)自動截割控制。利用該系統(tǒng)進(jìn)行人工截割時可保證截割頭在邊界范圍內(nèi)，在巷道地質(zhì)條件滿足自動截割的條件下，可以控制懸臂式掘進(jìn)機(jī)按照任意指定路徑開展截割以及刷幫工作。

1自動截割方式亟需解決的問題

1.1截割工序的局限性

在進(jìn)行懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割工序的確認(rèn)時，需要綜合各類條件，包括煤層賦存情況、煤礦巷道幾何形狀、巷道頂板以及巷道壁的基本情況、夾矸分布、煤層物理參數(shù)、現(xiàn)場條件、瓦斯含量以及含水率等綜合數(shù)據(jù)。

對于自動截割作業(yè)，需要在開展作業(yè)之前制定具體的截割工序，確認(rèn)自上而下或者自下而上的方式，在完成設(shè)計之后，需要按照制定的工序嚴(yán)格執(zhí)行。在實際巷道狀況較理想的條件下，截割過程可以實現(xiàn)較好的效果。但是對于地質(zhì)條件復(fù)雜的煤礦，當(dāng)煤層出現(xiàn)地質(zhì)變化的情況時，需要對截割過程重新制定截割程序，繼續(xù)完成自動截割，從而產(chǎn)生一定的作業(yè)延誤。

1.2質(zhì)較軟的巷道截割效率低

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行巷道掘進(jìn)過程中，需要進(jìn)入地面以下一定距離，之后在橫向或者垂直方向進(jìn)行擺動，為了實現(xiàn)截割控制過程的簡化，一般按照路徑類型進(jìn)行截割斷面作業(yè)。對于自動截割的步距設(shè)置需要根據(jù)截割地質(zhì)的情況進(jìn)行設(shè)定，步距的大小可以對多種因素產(chǎn)生影響，主要包括生產(chǎn)效率、截割頭載荷、系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性等。在運(yùn)行步距發(fā)生增大情況時，截割頭所承受的工作載荷有所提高，并且伴隨著效率下降。

2井下巷道任意斷面自動截割理論分析

2.1巷道斷面輪廓

在對井下巷道進(jìn)行截割過程中，為了實現(xiàn)對不同形狀斷面截割的自動控制，本文通過斷面輪廓進(jìn)行分析，斷面輪廓是對截割過程所形成的邊界點集合進(jìn)行定義的。對于矩形、梯形等形狀的斷面來說，通?？梢岳秒x散的邊界點對其進(jìn)行形狀定義，通過這些邊界點對截割頭作業(yè)進(jìn)行控制，保證巷道的控制精準(zhǔn)度。

針對巷道的具體形狀，首先設(shè)定固定的特征點，之后利用曲線擬合形成一系列斷面邊界點位置。圖1所示為邊界輪廓形成過程示意圖。具體的形成步驟可以通過如下過程進(jìn)行描述：在巷道輪廓圖形上取任意3個特征點，確定出橫坐標(biāo)范圍以及縱坐標(biāo)范圍按照式（1）對其需要的插入點數(shù)進(jìn)行計算，之后利用式（2）作出差值運(yùn)算，達(dá)到需要的橫縱坐標(biāo)。之后按照上述方式進(jìn)行多次計算，得出全部邊界點橫縱坐標(biāo)。

2.2掘進(jìn)機(jī)任意巷道斷面自動截割成形控制研究

在井下巷道截割作業(yè)時，為了實現(xiàn)對懸臂式掘進(jìn)機(jī)在水平以及垂直方向的運(yùn)動控制，需要結(jié)合運(yùn)動過程對不同的油缸進(jìn)行控制。在實現(xiàn)自動截割作業(yè)時，需要通過編程實現(xiàn)對升降以及回轉(zhuǎn)順序的控制，最終按照巷道輪廓實現(xiàn)精準(zhǔn)截割，獲得設(shè)計的理想斷面。

在制定完成斷面基本輪廓基礎(chǔ)上，需要針對不同油缸執(zhí)行工作指令，并且按照計算得出的流量控制對應(yīng)的閥口開合度，通過對各閥口的開合角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使截割臂在水平或者垂直方向進(jìn)行作業(yè)。通過位置傳感器對回轉(zhuǎn)、升降過程進(jìn)行實時檢測，從而計算出截割頭所處的位置，通過與事先制定的邊界坐標(biāo)進(jìn)行對照，實現(xiàn)對截割過程的閉環(huán)控制，當(dāng)判斷出超過邊界坐標(biāo)時控制對應(yīng)的油缸停止工作，并進(jìn)入下一步驟截割工作。

在自動截割控制過程中可以按照任意起點開始截割，從而不必制定實現(xiàn)的起始點位置，也就避免了截割過程需要重新回歸原位進(jìn)行作業(yè)的步驟;在完成截割之后，通過回轉(zhuǎn)升降聯(lián)合動作，控制截割頭回歸起始位置，使整體自動截割效率得到提升。

2.3任意巷道斷面自動刷幫控制設(shè)計

在進(jìn)行巷道截割自動控制過程中，如果截割過程步距小于截割頭半徑，那么可以實現(xiàn)較高的截割精度，同時需要完成較多步的截割過程，導(dǎo)致截割效率低下;如果步距尺寸在截割頭半徑與直徑范圍內(nèi)，對于截割效率具有很大的提升效果，而與此同時會產(chǎn)生一定的粗糙度影響，在此情況下通常會產(chǎn)生截割誤差a，53.6mm

在截割作業(yè)中，如果需要滿足斷面誤差不大于10cm，根據(jù)計算得出系統(tǒng)需要的步距應(yīng)在529mm以內(nèi)?；谝陨显?，通過利用自動刷幫，控制懸臂掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)過程自動修正，達(dá)到減小誤差、提高進(jìn)尺效率的效果。

本文為了簡化控制過程，采用由上向下的方向?qū)ο锏肋M(jìn)行刷幫。在對常規(guī)的矩形以及梯形巷道進(jìn)行刷幫時其路徑基本一致。而對于形狀為半圓形的巷道頂面，自動截割無法達(dá)到巷道平整度要求，因此需要對其進(jìn)行再次刷幫。通過以上路徑設(shè)計對自動截割無法達(dá)成的誤差要求實行重點作業(yè)，同時為了實現(xiàn)路徑簡潔化，對于其他路徑采用斜線截割，可以根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)修正。

3煤巷掘進(jìn)記憶截割控制方法

3.1掘進(jìn)機(jī)記憶截割控制方案

圖2所示為本文采用的懸臂掘進(jìn)機(jī)截割記憶控制原理圖。在進(jìn)行人工示范階段，需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場狀況結(jié)合經(jīng)驗完成一組示范截割斷面，并對示范截割過程主要的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)作出詳細(xì)記錄，主要包括位置坐標(biāo)、運(yùn)行電流等信息。將信息通過控制中心記錄并進(jìn)行存儲，形成學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)完成擬合，在后續(xù)記憶截割過程中按照記憶路徑進(jìn)行作業(yè)，同時完成優(yōu)化過程，制定最終的記憶自動截割路徑，按照記憶路徑形成對回轉(zhuǎn)、升降油缸的控制指令，完成自動截割。同時回轉(zhuǎn)、升降以及電機(jī)電流傳感器檢測數(shù)據(jù)返回控制面板，進(jìn)而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

在進(jìn)行記憶自動截割作業(yè)過程中，控制系統(tǒng)對掘進(jìn)控制過程進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)基本斷面截割路徑，在對巷道進(jìn)行水平方向截割作業(yè)時，需要對系統(tǒng)回轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行控制，當(dāng)需要進(jìn)行垂直或者斜線截割時，控制系統(tǒng)同時控制回轉(zhuǎn)、升降油缸動作，根據(jù)截割路徑的距離對閥口進(jìn)行開合度控制，繼而進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動。

3.2掘進(jìn)機(jī)記憶截割主要技術(shù)實現(xiàn)

（1）人工路徑數(shù)據(jù)采集技術(shù)

為了為自動記憶截割的控制過程提供基本參考信息，首先需要完成人工截割過程并進(jìn)行信息記錄，在操作人員對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制使掘進(jìn)機(jī)完成截割步驟轉(zhuǎn)向的過程中，會存在一定的運(yùn)行停滯，也就是對兩組油缸閥口進(jìn)行同時閉合的時候，需要對停滯位置坐標(biāo)進(jìn)行記錄，直到整個示范路徑截割完成。

（2）路徑的存儲及讀寫技術(shù)

在進(jìn)行人工示范路徑的數(shù)據(jù)存儲時，需要將關(guān)鍵路徑位置按照懸臂掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)、升降油缸的伸縮量，按照截割頭進(jìn)行空間坐標(biāo)的確定，通過數(shù)組形式確定采集的每一個關(guān)鍵點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）記憶自動截割技術(shù)

完成人工示范截割之后，在記憶自動截割過程中，需要按照斷面自動截割以及自動刷幫控制程序執(zhí)行，按照人工示范路徑為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑優(yōu)化，對懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行水平控制時，是通過對回轉(zhuǎn)油缸的控制來實現(xiàn)的;而當(dāng)需要控制掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行垂直或者斜向運(yùn)行時，就需要控制執(zhí)行自動刷幫操作，同時完成對不同油缸的動作控制，以截割距離為依據(jù)實現(xiàn)閥口開合度的大小控制，進(jìn)行反復(fù)截割過程。

4結(jié)束語

本文通過對懸臂式截割機(jī)進(jìn)行自動、記憶截割控制研究，可以實現(xiàn)巷道掘進(jìn)作業(yè)過程針對復(fù)雜地質(zhì)條件自動調(diào)節(jié)，同時可以實現(xiàn)掘進(jìn)過程按照設(shè)定的掘進(jìn)邊界進(jìn)行作業(yè)，以人工截割路徑為參考，通過油缸閥口控制程序、巷道邊界點控制實現(xiàn)自動截割以及記憶截割過程。按照本文設(shè)計方案進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行自動記憶截割過程能夠?qū)崿F(xiàn)截割邊界誤差滿足10cm范圍內(nèi)。通過本文研究能夠提升巷道掘進(jìn)作業(yè)的工作效率，為煤礦現(xiàn)場提供可靠的掘進(jìn)控制。