一种掘进机记忆截割控制系统及其方法技术方案

本发明专利技术涉及一种掘进机记忆截割控制系统及其方法，由检测单元、控制单元、比例放大板、负载敏感式比例换向阀组和执行单元组成，其中控制单元包括PCC（可编程计算机控制器）、智能工控面板、遥控器、和机身操作手柄。掘进机记忆截割包括人工示范和记忆自动截割两个过程。首先，掘进机司机根据煤层顶底板及煤岩分布情况利用遥控器或机身操作手柄先操作掘进机割一刀，机载计算机控制系统将检测单元检测到的示范路径信息记录下来。然后，对记录的关键点数据进行路径拟合及智能优化，根据优化后的路径对执行单元发出控制信号，进而自动控制截割头按示范轨迹运动，进行记忆自动截割。在整个记忆截割过程中，还具有边界控制功能，保障人工和记忆自动截割时的巷道成形质量。本发明专利技术为煤巷悬臂式掘进机在巷道围岩稳定的条件下掘进提供一种新的控制手段。

【技术实现步骤摘要】
一种掘进机记忆截割控制系统及其方法
本专利技术涉及一种煤巷机械领域的悬臂式掘进机，特别涉及一种掘进机记忆截割控制系统及其方法。
技术介绍
国内煤及半煤岩巷道掘进一般采用悬臂式掘进机，是井下综掘工作的核心装备，这种掘进机具有机动性能好、可截割任意断面、效率高等优点。悬臂式掘进机截割作业的方式有两种，人工截割方式和自动截割方式。人工截割方式是指司机手动操纵液压阀上的若干手柄，通过人工去控制升降油缸、回转油缸的运动速度、运动幅度、起停顺序，从而实现截割悬臂一定的回转、升降动作，最终截割出一个符合设计要求的巷道断面。其优点是：作业方式灵活、对工况的适应性强。其缺点是：工人劳动强度大、劳动条件恶劣，工作效率较低，断面截割质量较低，对司机的操作水平要求较高。实际上，截割后的断面质量如何，很大程度上就直接取决于司机的个人经验和手感。自动截割方式是指工人通过人机交互界面，向掘进机输入各种所需要的截割参数，继而掘进机即可按照事先编制好的控制程序，自动去控制截割臂运动，最终自动截割出一个符合设计要求的巷道断面。在此过程中，工人只起到设定初始截割参数、监视工况的作用。在人工设定好初始的截割参数后，随后的整个截割作业的具体实施皆可由掘进机自动程控完成。这种自动截割方式的优点是：工人劳动强度小、劳动条件好，工作效率高，断面截割质量较高。其缺点是：作业方式欠灵活，较适用于煤巷的掘进作业，而对其他条件下的工况适应性不强。并且，实际试验时往往会出现：对于煤质较软的巷道，类S路径的设计会降低截割效率；对于除矩形、梯形外的特殊形状的巷道，达不到较好的截割效果。随着计算机技术、通信技术、电子控制技术在大型机械的不断应用与发展，掘进机已经能够实现遥控和远程监测，工人可通过监测画面，远程操作遥控手柄，实现对掘进机的控制。本专利技术致力于提高煤矿井下掘进装备智能化水平，使巷道施工更加安全、优质、高效，提出一种记忆截割的作业方式，工人可以利于掘进机进行学习记忆，掘进机按照记忆存储的数据自动运行，这种截割方式为掘进机在巷道围岩稳定的条件下掘进，提供一种新的控制手段。目前采煤机已有记忆截割方面的研究。但是由于采煤机与掘进机本体结构及工作方式上存在较大差异，并且没有较实用的方案，因此无法借鉴应用于掘进机上。鉴于以上所述情况，本专利技术人基于多年从事此类领域的研究及承担完成大型项目的经验，经过不断的研究、设计，并经反复试验及改进后，终于创设出确具实用价值的本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，提供一种新的掘进机截割作业控制方法，使掘进机在围岩稳定的条件下，不仅可以使用手动方式、自动方式进行截割作业，还可以使用记忆截割方式，综合人工与自动截割的优点，减少工人掘进作业的劳动强度，并且记忆截割过程中加入的边界控制功能能够保证巷道断面边界的成形质量。本专利技术的主要目的还在于，利用记忆截割技术，加之远程遥控与监测技术，可实现远程遥控人工示范截割，之后进行远程一键式控制进行记忆自动截割，达到综掘工作面掘进过程的少人甚至无人化，消除因突水、瓦斯突出等突发事故造成的人身安全隐患，解决了高突工作面的掘进安全难题。专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本专利技术提出的掘进机记忆截割控制系统及其方法，由检测单元、控制单元、执行单元、比例放大板和负载敏感式比例换向阀组组成，其中检测单元包括回转油缸位移传感器、升降油缸位移传感器和截割电机电流传感器；执行单元是指回转台回转油缸和截割臂升降油缸，用于驱动截割臂进行水平和垂直方向的单独或符合运动，从而控制截割头截割出所需巷道断面。整个掘进机记忆截割控制系统，由检测单元检测出描述人工示范截割路径的截割头和截割臂空间位置的油缸位移伸缩量，以及检测截割电机电流值，由控制单元采集检测单元的传感器信号进行存储记录，并且对记忆路径拟合重现后，直接或间接向掘进机的执行单元发出控制信号，进而控制掘进机截割臂和截割头进行记忆自动截割运动。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的掘进机记忆截割控制系统及其方法，其中所述的控制单元包括：PCC（可编程计算机控制器）、智能工控面板、遥控器和机身操作手柄；PCC与智能工控面板构成机载计算机控制系统，PCC置于电控箱中，智能工控面板位于司机座椅右侧，它们之间通过CAN总线协议进行通讯，PCC由CPU及多个输入输出模块组成，可采集掘进机各传感器信号和对掘进机进行综合保护，发出的控制信号经由比例放大板及负载敏感式比例换向阀组输出给执行单元，智能工控面板用于进行自动控制所需的数学运算及逻辑处理，并可用于人机交互、实时显示掘进机运行状态及故障报警信息等；遥控器可无线近距离操作掘进机，还具有一键式触发智能控制功能，与PCC之间通过RS232通讯，该遥控器发出的控制信号，经由PCC解析处理后再传递给后续元件；机身操作手柄为机身上直接用于操作掘进机的摇杆，直接通过负载敏感式比例换向阀组控制执行单元。前述的掘进机记忆截割控制系统及其方法，其中所述的遥控器和机身操作手柄，当使用机身操作手柄操作掘进机时，若掘进机前方粉尘过大，影响司机观察视线，可参考智能工控面板的监测主界面控制截割运动，其主界面上可显示巷道断面形状及截割头在巷道中的位置；当使用遥控器操作掘进机时，若掘进工作面配有远程监测及视频监控系统，司机或技术人员可直接参考远程监测画面操作掘进机进行示范截割，然后一键式触发控制掘进机进行记忆截割，完全脱离掘进机机身来操作。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的掘进机记忆截割控制系统及其方法，其中所述的回转油缸位移传感器、升降油缸位移传感器内置于截割臂升降油缸与回转台回转油缸，用于检测油缸位移伸缩量，从而可以计算出截割头在巷道中水平位置、垂直位置，再结合截割电机电流传感器检测出的电流值可记录出掘进机记忆截割的示范轨迹；截割电机电流大小可间接反应出巷道煤岩硬度变化，用于在掘进机自动截割时对截割臂摆速进行自适应控制，若进行记忆截割时，某一位置截割电机电流总是过载，则可根据情况对记忆截割的路径进行微调，避开煤岩过硬的位置，保护截割电机及截齿。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的掘进机记忆截割控制系统及其方法，其中所述的掘进机记忆截割控制方法包括人工示范和记忆自动截割两个过程；人工示范时，掘进机司机根据现场工况及经验利用遥控器或机身操作手柄先操作掘进机示范截割一刀，PCC通过编制好的程序计算判断，进行采集记录路径；记忆自动截割时，首先智能工控面板通过记忆的信息对示范路径进行拟合，并进行智能优化，将多余的路径去掉，智能优化为适宜掘进机运动的截割路径，根据优化后的路径自动控制截割臂摆动，进行记忆自动截割；边界控制功能无论是人工示范还是记忆自动截割都可保证巷道边界成形质量；记忆自动截割过程中，还可根据检测单元检测到的信息对优化后路径进行微调，但若地质条件发生明显变化，则重复上述两个过程，根据司机手动操作截割情况重新记忆工作参数，再对新路径进行记忆自动截割。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的掘进机记忆截割控制系统及其方法，其中所述的人工示范过程需要采集记录路径，司机操作时无论采用遥控器或者操纵手柄，掘进机每走完一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掘进机记忆截割控制系统，包括检测单元（1）、控制单元（2）和执行单元（3），系统还包括比例放大板（4）及负载敏感式比例换向阀组（5），执行单元（3）包括：回转台回转油缸（13）和截割臂升降油缸（14），其特征在于：——检测单元（1），包括：回转油缸位移传感器（10）、升降油缸位移传感器（11）和截割电机电流传感器（12），用于检测描述截割头和截割臂空间位置的油缸位移伸缩量，以及检测截割电机电流值；——控制单元（2），用于采集检测单元（1）的传感器信号，并且直接或间接向掘进机的执行单元（3）发出控制信号，进而控制掘进机相应部件运动，该控制单元包括：——PCC（6），为可编程计算机控制器，由CPU及多个输入输出模块组成，用于采集掘进机各传感器信号，并经由比例放大板（4）及负载敏感式比例换向阀组（5），向执行单元（3）发出控制信号；——智能工控面板（7），可与PCC（6）进行通讯，用于进行智能控制与优化所需的数学运算及逻辑处理，并可用于实时显示截割头的运行状态及系统参数，发生故障时可显示报警信息等；——遥控器（8），用于无线近距离操作掘进机；——机身操作手柄（9），机身上直接用于操作掘进机的摇杆；其中，PCC（6）与智能工控面板（7）通过CAN总线协议进行通讯，遥控器（8）与PCC（6）之间通过RS232通讯，该遥控器（8）发出的控制信号，经由PCC（6）解析处理后再传递给后续元件。...

【技术特征摘要】
1.一种掘进机记忆截割控制系统，包括检测单元(1)、控制单元(2)和执行单元(3)，系统还包括比例放大板(4)及负载敏感式比例换向阀组(5)，执行单元(3)包括：回转台回转油缸(13)和截割臂升降油缸(14)，其特征在于：——检测单元(1)，包括：回转油缸位移传感器(10)、升降油缸位移传感器(11)和截割电机电流传感器(12)，用于检测描述截割头和截割臂空间位置的油缸位移伸缩量，以及检测截割电机电流值；——控制单元(2)，用于采集检测单元(1)的传感器信号，并且直接或间接向掘进机的执行单元(3)发出控制信号，进而控制掘进机相应部件运动，该控制单元包括：——PCC(6)，为可编程计算机控制器，由CPU及多个输入输出模块组成，用于采集掘进机各传感器信号，并经由比例放大板(4)及负载敏感式比例换向阀组(5)，向执行单元(3)发出控制信号；——智能工控面板(7)，可与PCC(6)进行通讯，用于进行智能控制与优化所需的数学运算及逻辑处理，并可用于实时显示截割头的运行状态及系统参数，发生故障时可显示报警信息；——遥控器(8)，用于无线近距离操作掘进机；——机身操作手柄(9)，机身上直接用于操作掘进机的摇杆；其中，PCC(6)与智能工控面板(7)通过CAN总线协议进行通讯，遥控器(8)与PCC(6)之间通过RS232通讯，该遥控器(8)发出的控制信号，经由PCC(6)解析处理后再传递给后续元件；记忆截割的过程包括如下步骤：(1)人工示范人工示范，掘进机司机根据现场工况，利用遥控器(8)或机身操作手柄(9)先操作掘进机割一刀，PCC(6)将检测单元检测到的相关路径信息记录下来；(2)记忆自动截割记忆自动截割，智能工控面板(7)对记忆的信息进行路径拟合及智能优化，将多余的路径智能优化为适宜掘进机运动的截割路径，根据优化后的路径自动控制截割臂摆动，进行记忆自动截割；记忆截割过程中，边界控制功能无论是人工示范还是记忆自动截割都可保证巷道边界成形质量；此外，系统还可根据检测单元(1)检测到的信息对路径进行微调，但若地质条件发生明显变化，则重复上述过程，根据司机手动操作截割情况重新记忆工作参数，再对新路径进行记忆自动截割。2.根据权利要求1所述的掘进机记忆截割控制系统，其特征在于控制单元(2)中PCC(6)与智能工控面板(7)构成机载计算机控制系统，用于掘进机综合保护及本地自动控制功...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淼，魏景生，王苏彧，张兰胜，姜海，刘福新，杨子贤，尹同舟，杜毅博，李树辉，胡玉龙，杨阳，田劼，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，石家庄煤矿机械有限责任公司，
类型：发明
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