对悬臂式掘进机自动纠偏技术的研究

摘　要：悬臂式掘进机的自动纠偏技术有效解决了传统手动纠偏方式存在的劳动强度大、作业环境恶劣以及地质构造差异与作业人员技术水平不同导致的巷道欠挖和超挖问题。在本文中，笔者就悬臂式掘进机自动纠偏技术的相关问题进行了分析和探讨。

关键词：悬臂式掘进机；自动纠偏技术；位姿检测；行走系统
1. 前言
　　传统上，掘进机行走作业主要利用手动方式进行纠偏操作业，掘进机操作人员均是通过手动调节掘进机左右行走液压马达的方式实现纠偏作业，将掘进机的位姿调整为预定值。手动纠偏作业存在着劳动强度大、作业环境恶劣以及地质构造差异与作业人员技术水平不同导致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自动纠偏技术能够让操作人员实现对掘进机纠偏作业的远程操作，不需要在进入到工作环境恶劣的第一线；同时，借助于计算机的高速逻辑处理能力，掘进机的工作效率也获得了大幅度的提升，防止了因为地质构造问题、操作人员水平因素造成的巷道成型不规范的问题。
2. 悬臂式掘进机自动纠偏技术及其实现方法
      2.1 悬臂式掘进机位姿信息的检测
　　掘进机不论是行走过程中还是在断面截割作业过程中，掘进机的中心轴线均不可避免地与巷道中心线出现相互偏离的问题。悬臂式掘进机的位姿信息除了包括三维空间坐标（x，y，z）之外，还应该包括掘进机的位姿信息（ɑ，β，γ，a）。其中，ɑ表示悬臂式掘进机的方位角、β表示悬臂式掘进机的俯仰角、γ表示悬臂式掘进机的横滚角、a表示中心偏距（即悬臂式掘进机机身中心点和巷道设计中心线的偏距）。
                                                  图1，悬臂式掘进机位姿信息的简略图
　　                                      
　　悬臂式掘进机的工作环境的照明严重不足、作业环境十分恶劣，如果想要对掘进机的位姿信息进行精确地检测，则具有很大的难度。并且在航道内部，不能够使用GPS（全球定位系统），并作业环境的粉尘数量巨大，无法直接运用视觉导航设备，所以激光指向仪便成为了掘进机进行掘进作业方向指引的重要的设备。有效的测量方案是自动化掘进作业的关键保障，利用该测量方案测算获得掘进机的位姿信息（ɑ，β，γ，a）。掘进机在采用激光指向仪时常常根据激光指向仪的指定方向沿着顶板或者底板向前进，所以，悬臂式掘进机的自动化纠偏不需要控制其三围空间信息坐标（x，y，z）。由此我们知道，悬臂式掘进机的位姿信息是进行自动化纠偏的重点和难点。由于掘进机的位姿检测直接决定了自动化纠偏效果和巷道成型质量，为了获得更加精确的位姿参数，本文以综合采用超声波测距传感器（三个）和双轴倾角传感器（一个）并结合相应的解算方法来获取掘进机的位姿信息。其中，超声波测距传感器负责探测悬臂式掘进机的方位角ɑ和中心偏距a；双轴倾角传感器负责探测悬臂式掘进机的俯仰角β以及悬臂式掘进机的横滚角γ；而后结合解算获得相应信息。获得所需信息之后，便能够掌握参考位姿与实际位姿之间的偏差问题，而后利用纠偏控制器依照特定的控制策略，将其转变成为悬臂式掘进机能够识别的电磁阀开关信息与控制脉冲信号，最终实现掘进机位姿的自动化纠正。
　　巷道两边的距离特点以及悬臂式掘进机的结构特点均告诉我们，综合采用超声波测距传感器（三个）和双轴倾角传感器（一个）能够准确地获得掘进机的位姿参数，该参数成为了掘进机实现自动化纠偏的关键参考。但是同样需要指出的是，上述控制方法要求航道的两帮具有良好的平整度，不能够出现超挖或者欠挖的问题，所以，在实际的使用过程中需要注意该问题。
      2.2 悬臂式掘进机行走结构分析
　　对于悬臂式掘进机而言，行走系统是一个非常关键的部件，它负责为掘进机整体的前进、后退、拐弯以及钻进截割的进给运动等多种运动形式。待获取掘进机的位姿参数之后，掘进机行走系统便可以根据特定的纠偏指令执行运动。分析掘进机的行走系统有利于我们准确控制掘进机依照参考轨迹运动。
3. 悬臂式掘进机纠偏控制策略的实现途径
　　悬臂式掘进机的纠偏控制策略通过机载工业控制计算机和PLC实现，PLC产生的控制指令经PLVC、电液比例阀控制行走部的左右液压马达，驱动掘进机的驱动轮实现纠偏功能。纠偏控制策略主要由掘进机纠偏程序、角度范围调整子程序、掘进机中心调整子程序、方位角纠偏子程序等实现。
　　PLC采集超声波测距仪测量值计算掘进机位姿信息中的方位角ɑ和中心偏距a，依据不同方位角ɑ和中心偏距a，采用不同的控制策略。当掘进机方位角a超过该限定值时，如果调用掘进机中心调整子程序，则掘进机可能碰撞巷道煤帮，因此需要首先把掘进的方位角调整到一定的范围之内。当掘进机方位角调整到限定值内后，依据中心偏距的不同情况调用不同子程序完成掘进机的纠偏。当巷道地质条件较为复杂时，调整掘进机机身中心轴线与巷道中心线重合将会出现较大的难度，且用时较长，影响掘进速度，因此在设计程序时允许有一定的距离偏差。当掘进出现距离偏差时，根据机身与巷道的相对位置情况，可以分为机身位于巷道中心左侧左偏、机身位于巷道中心左侧右偏、机身位于巷道中心线右侧右偏、机身位于巷道中心线右侧左偏。
4. 结束语
　　掘进机采用自动纠偏技术具有三点重要意义：首先，自动化纠偏技术实现了操作人员对掘进机的远程化操控，有利于实现少人/无人化的掘进机操作模式；其次，自动化纠偏技术对于提高我国煤炭掘进机的自动化水平具有重要意义；最后，自动化纠偏技术能够有效改善工人的工作环境，降低工人的劳动强度，特别在煤与瓦斯突出的矿井, 该技术的应用对安全快速高效掘进具有重要意义。
参考文献：
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