基于三維模型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割技術(shù)研究

孫常軍 魏民 石泉 鄭洪濤 盧新明

[摘 ? ?要]為了解決懸臂式掘進(jìn)機(jī)在我國煤炭工業(yè)生產(chǎn)中多年來存在的問題，提高智能控制技術(shù)水平，分析了目前遠(yuǎn)程可視化技術(shù)、記憶截割技術(shù)和自動截割技術(shù)等智能控制技術(shù)的控制原理和存在問題，提出了一種基于三維模型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割技術(shù)，通過在山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦11502W軌道巷進(jìn)行了8個(gè)月的現(xiàn)場測試，驗(yàn)證了該技術(shù)能夠滿足掘進(jìn)機(jī)智能控制和煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)的要求。

[關(guān)鍵詞]懸臂式掘進(jìn)機(jī);三維模型;自適應(yīng)截割技術(shù)

[中圖分類號]TD421.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）08–00–03

[Abstract]In order to solve the problems of cantilever roadheaders in my country's coal industry for many years and improve the level of intelligent control technology， firstly， the control principles of intelligent control technologies such as remote visualization technology， memory cutting technology and automatic cutting technology are analyzed. And there are problems， and then proposed a three-dimensional model-based cantilever roadheader adaptive cutting technology， through 8 months of field testing in Shandong Energy Xinwen Mining Group Zhaizhen coal mine 11502W track lane to verify the technology It can meet the requirements of intelligent control of roadheader and underground tunneling operations in coal mines.

[Keywords]cantilever roadheader; three-dimensional model; adaptive cutting technology

在我國的煤炭工業(yè)生產(chǎn)中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為一種廣泛使用的采掘設(shè)備，占有極其重要的地位。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步對于發(fā)展綜合機(jī)械化掘進(jìn)、提高掘進(jìn)效率、保障礦井安全生產(chǎn)以及降低工人勞動強(qiáng)度具有重要意義。雖然我國掘進(jìn)機(jī)已有長足發(fā)展，但是還存在如下問題[1]：

（1）未能解決自身定位和自動定向的問題。

（2）操作自動化水平較低，掘進(jìn)機(jī)巷道截面截割主要是人工操作，截割頭運(yùn)動路徑依靠工人目測和經(jīng)驗(yàn)控制，截割精度低。

（3）截割臂擺速手動控制期間，擺速低時(shí)會導(dǎo)致截割效率低下，擺速大時(shí)遇上夾矸會導(dǎo)致截齒和擺動油缸損壞，最終導(dǎo)致截割電機(jī)使用壽命降低。

（4）不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，因而難以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)綜掘工作面的少人化和無人化，特別是掘進(jìn)高突（瓦斯突出、水突出等）工作面時(shí)存在嚴(yán)重的安全隱患。

（5）掘進(jìn)面工作環(huán)境惡劣，用工人數(shù)多，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，安全隱患多。

為了解決以上問題，多年來許多專家學(xué)者致力于掘進(jìn)機(jī)智能控制技術(shù)的研究，提出了遠(yuǎn)程可視化技術(shù)、記憶截割技術(shù)和自動截割技術(shù)等智能控制技術(shù)，但受煤礦井下極其復(fù)雜、惡劣的現(xiàn)場環(huán)境影響，以及工人文化程度低、技術(shù)水平差等客觀因素制約，在掘進(jìn)工作面生產(chǎn)現(xiàn)場卻無法正常應(yīng)用。本文先分析了遠(yuǎn)程可視化技術(shù)、記憶截割技術(shù)和自動截割技術(shù)等智能控制技術(shù)的控制原理和存在問題，然后提出了一種基于三維模型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割技術(shù)，詳細(xì)介紹了控制原理和實(shí)現(xiàn)方法，能夠滿足掘進(jìn)機(jī)智能控制和煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)的要求。

1 遠(yuǎn)程可視化技術(shù)

1.1 控制原理

整個(gè)遠(yuǎn)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)控站和主控站兩大部分組成，兩者之間通過交換機(jī)進(jìn)行信息的交互。操作員通過視頻監(jiān)視器觀察井下掘進(jìn)機(jī)工作運(yùn)行和周圍環(huán)境情況，通過工況監(jiān)視器觀察掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際需要操作相應(yīng)的手柄，把控制信號傳輸給主控站從而控制掘進(jìn)機(jī)的相應(yīng)動作[2]?？刂圃砣鐖D1所示。

1.2 存在問題

操作員主要是通過攝像儀來觀察井下掘進(jìn)機(jī)工作運(yùn)行和周圍環(huán)境情況，但是因?yàn)榫蜻M(jìn)時(shí)現(xiàn)場粉塵、水霧等比較大，造成在截割過程中不可視，工作效率低。同時(shí)由于無法獲取掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息以及遠(yuǎn)程操作時(shí)存在控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的延時(shí)，操作員只能憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與手感來調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的位置和截割頭的位置，對操作員的專業(yè)技術(shù)能力要求很高，且巷道成型效果不好。

2 記憶截割技術(shù)

2.1 控制原理

記憶截割的控制過程分為2個(gè)部分：人工示范和記憶自動截割。人工示范過程：操作員運(yùn)用操作手柄依據(jù)工作現(xiàn)場的工作狀況操作掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割示范，PCC把采集記錄下來的相關(guān)路徑信息傳輸給智能工控面板。記憶自動截割過程：智能工控面板根據(jù)記錄的相關(guān)路徑信息，對其進(jìn)行路徑擬合和優(yōu)化，然后規(guī)劃出最優(yōu)化的記憶自動截割路徑并且發(fā)出控制指令，傳輸?shù)絇CC后根據(jù)優(yōu)化后人工示范的路徑控制回轉(zhuǎn)及升降油缸進(jìn)行記憶自動截割。同時(shí)，回轉(zhuǎn)及升降油缸和截割電機(jī)電流傳感器對記憶自動截割運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其反饋控制[3]?？刂圃砣鐖D2所示。

2.2 存在問題

記憶截割一般都是人工示范階段控制器根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔或者是距離間隔對截割過程中的截割數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，主要包括截割頭的位置、截割臂擺動的速度等。由于無法獲取掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息，因此只能在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身不動的情況下使用。同時(shí)由于在巷道開采的過程中會有矸石等地質(zhì)條件（地質(zhì)硬度）發(fā)生變化，此時(shí)若采取同樣的截割速度可能會導(dǎo)致截割電機(jī)負(fù)載過大造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)或者截割機(jī)構(gòu)損壞等現(xiàn)象發(fā)生，因此在記憶自動截割階段還需要操作員手動進(jìn)行調(diào)節(jié)改變截割進(jìn)給速度，對操作員的專業(yè)技術(shù)能力要求較高。

3 自動截割技術(shù)

3.1 控制原理

通過PCC模塊化編程，完成對懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在自動截割控制時(shí)智能工控面板首先存儲巷道斷面輪廓同時(shí)經(jīng)由Recipe部分處理顯示，隨后Mainctrl自動截割模塊開始運(yùn)轉(zhuǎn)，智能工控面板利用Imacomm部分運(yùn)算來自PCC經(jīng)Input部分搜尋獲得的回轉(zhuǎn)以及升降油缸運(yùn)行距離，從而判斷截割頭此刻的位置，隨后通過和設(shè)定路徑比較來獲取截割頭之后抵達(dá)的位置，進(jìn)而反推出回轉(zhuǎn)以及升降油缸預(yù)定值，并傳輸至PCC經(jīng)由Output部分輸出控制命令，控制截割頭開始工作的同時(shí)完成實(shí)時(shí)對比，若達(dá)到預(yù)定值在停止油缸的同時(shí)執(zhí)行下一截割指令，直到截割工作完成。Drawbmp部分完成截割頭運(yùn)行以及結(jié)束時(shí)的位置信息并于上位機(jī)界面上顯示的工作，進(jìn)而繪制出巷道中截割頭工作的動態(tài)運(yùn)行軌跡[4]?？刂圃砣鐖D3所示。

3.2 存在問題

自動截割一般都是操作員根據(jù)巷道斷面輪廓信息和地質(zhì)條件情況設(shè)定好截割頭的截割路徑和截割臂擺動的速度，控制器根據(jù)提前編好的程序采用閉環(huán)控制方式來調(diào)整截割頭的位置和截割臂擺動的速度，自動化程度比記憶截割技術(shù)有明顯提升，但由于無法獲取掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息，因此也只能在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身不動的情況下使用。

4 基于三維模型的自適應(yīng)截割技術(shù)

4.1 控制原理

主處理器接收控制器發(fā)送的掘進(jìn)機(jī)空間位置信息、方位角、位姿信息以及各油缸的位移信息，并按圖4程序流程圖編寫程序，能夠根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的空間位置變化和掘進(jìn)工作面的巖壁硬度變化自動調(diào)整截割頭的運(yùn)動路徑和速度（包括截割頭轉(zhuǎn)速和截割臂的擺動速度）。

控制器與掘進(jìn)機(jī)上的定位裝置、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、各類傳感器和電磁閥連接，控制器通過定位裝置、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和各類傳感器采集掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息、方位角、位姿信息、各油缸的位移信息以及截割電機(jī)的電流或功率，并上傳至主處理器，還接收主處理器反饋的掘進(jìn)機(jī)的截割方式、截割頭的運(yùn)動路徑和速度信息，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的截割方式、截割頭的運(yùn)動路徑和速度信息，通過電磁閥控制升降油缸、回轉(zhuǎn)油缸來調(diào)整截割頭的空間位置，或控制液壓馬達(dá)驅(qū)動掘進(jìn)機(jī)履帶來調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的空間位置，使截割頭切入工作面巖壁一定深度，然后通過掘進(jìn)機(jī)機(jī)體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和截割頭的升降運(yùn)動，即可切割出所要求的巷道斷面形狀[5]。

控制原理如圖5所示。

4.2 實(shí)現(xiàn)方法

4.2.1 掘進(jìn)工作面在大地坐標(biāo)系下的三維模型的建立方法

建立屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫，獲取掘進(jìn)工作面的鉆孔數(shù)據(jù)、三維地震數(shù)據(jù)和物探數(shù)據(jù)，并存儲到屬性數(shù)據(jù)庫中;獲取物探區(qū)的地理分布、鉆孔的地理位置及巷高、巷寬等數(shù)據(jù)，存儲到空間數(shù)據(jù)庫中;根據(jù)屬性數(shù)據(jù)庫中的鉆孔數(shù)據(jù)確定掘進(jìn)工作面的采掘工程平面圖;采用ArcEngine三維控件，并結(jié)合OpenGL技術(shù)，以采掘工程平面圖、屬性數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，建立掘進(jìn)工作面在大地坐標(biāo)系下的三維模型。

4.2.2 掘進(jìn)機(jī)截割頭在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)計(jì)算方法

通過定位裝置對掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)工作面巷道內(nèi)的空間位置進(jìn)行精確定位，來獲得掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo);通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取掘進(jìn)機(jī)的方位角、位姿信息，采集掘進(jìn)機(jī)的各油缸的位移信息，計(jì)算出掘進(jìn)機(jī)截割頭在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[6]。

4.2.3 確定掘進(jìn)機(jī)截割方式、截割頭的運(yùn)動路徑和速度的方法

以截割頭的坐標(biāo)為基礎(chǔ)，根據(jù)巷道斷面的大小和形狀，確定在掘進(jìn)工作面的三維模型中截割頭的運(yùn)動路徑和速度;利用掘進(jìn)工作面的三維模型，確定煤巖的分布情況和巖壁硬度;根據(jù)煤巖的分布情況和巖壁硬度，確定掘進(jìn)機(jī)的截割方式，包括左右循環(huán)向上的截割方式和由下向上左右截割方式。當(dāng)巖壁的硬度小于設(shè)定閾值，屬于較軟的巖壁時(shí)，掘進(jìn)機(jī)采用左右循環(huán)向上的截割方式;當(dāng)巖壁的硬度大于等于設(shè)定閾值，屬于較硬的巖壁時(shí)，掘進(jìn)機(jī)采用由下向上左右截割方式。

4.2.4 掘進(jìn)機(jī)截割頭的截割效果的判斷方法

采集截割電機(jī)的電流或功率大小。若截割電機(jī)的電流或功率大于設(shè)定閾值，則說明截割頭截割工作面巖壁的硬度大于根據(jù)掘進(jìn)工作面的三維模型所確定的巖壁硬度;若截割電機(jī)的電流或功率小于設(shè)定閾值，則說明截割頭截割工作面巖壁的硬度小于根據(jù)掘進(jìn)工作面的三維模型所確定的巖壁硬度。

4.2.5 截割頭速度的修正方法

若截割頭截割工作面巖壁的硬度大于根據(jù)掘進(jìn)工作面的三維模型所確定的巖壁硬度，則減小截割頭轉(zhuǎn)速和截割臂的擺動速度;若截割頭截割工作面巖壁的硬度小于根據(jù)掘進(jìn)工作面的三維模型所確定的巖壁硬度，則增大截割頭轉(zhuǎn)速和截割臂的擺動速度。

4.2.6 截割頭的運(yùn)動路徑的調(diào)整方法

計(jì)算掘進(jìn)機(jī)的空間位置變化值，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息變化值大于設(shè)定閾值，使得截割頭位置無法接觸到掘進(jìn)工作面巖壁時(shí)，調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的空間位置;根據(jù)新的掘進(jìn)機(jī)的空間位置信息，計(jì)算截割頭的坐標(biāo);根據(jù)截割頭的坐標(biāo)，重新確定截割頭的運(yùn)動路徑。

5 井下試驗(yàn)

改造了一臺EBZ160型掘進(jìn)機(jī)，使其具備智能控制功能，于2019年11月至2020年6月在山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)翟鎮(zhèn)煤礦11502 W軌道巷進(jìn)行了測試。

經(jīng)過現(xiàn)場測試，基于三維模型的自適應(yīng)截割技術(shù)開發(fā)的程序能夠以三維方式自動控制掘進(jìn)機(jī)按照設(shè)定的行走路徑行走到巷道斷面前，根據(jù)設(shè)定的截割路徑進(jìn)行截割，并根據(jù)掘進(jìn)機(jī)本體的空間位置變化和掘進(jìn)工作面的巖壁硬度變化自動調(diào)整截割頭的運(yùn)動路徑和速度。通過測量掘進(jìn)機(jī)截割后的斷面發(fā)現(xiàn)，左右兩幫的偏差能穩(wěn)定控制在15 cm以內(nèi)，頂?shù)装宓钠钅芊€(wěn)定控制在10 cm以內(nèi)，截割深度的偏差能穩(wěn)定控制在5 cm以內(nèi)，滿足《煤炭井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求。

6 結(jié)論

（1）基于三維模型的自適應(yīng)截割技術(shù)能夠自動控制掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)本體的空間位置變化和掘進(jìn)工作面的巖壁硬度變化自動調(diào)整截割頭的運(yùn)動路徑和速度，截割后的斷面滿足《煤炭井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，為掘進(jìn)機(jī)的智能控制奠定了基礎(chǔ)。

（2）通過檢測截割電機(jī)的電流或功率大小來判斷截割頭截割工作面巖壁的硬度與掘進(jìn)工作面三維模型所確定的巖壁的硬度大小，根據(jù)截割效果實(shí)時(shí)對截割頭的速度進(jìn)行修正，解決了在巷道開采過程中地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)的自適應(yīng)調(diào)速問題，保護(hù)了截割電機(jī)和截割結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王蘇彧，杜毅博，薛光輝，等.掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].中國煤炭，2013，39（4）：63-67.

[2] 陽延軍.懸臂式掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，2017，38（7）：29-31.

[3] 張鎮(zhèn).懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)身姿態(tài)檢測及記憶自動截割控制系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，2015，36（10）：63-64.

[4] 李海斌.懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國礦業(yè)，2016，25（10）：150-153.

[5] 袁清國，石泉，李國鑫.掘進(jìn)機(jī)截割路徑規(guī)劃方法、裝置及掘進(jìn)機(jī)截割控制系統(tǒng)：201811401420.5[P].2019-02-26.

[6] 石泉，孫常軍，鄭洪濤，等.掘進(jìn)機(jī)機(jī)器人化的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（S2）：199-204.