懸臂式掘進(jìn)機(jī)定向掘進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊 超

（忻州窯礦機(jī)電科，山西 大同 037003）

引言

掘進(jìn)機(jī)的定向掘進(jìn)是實(shí)現(xiàn)礦井掘自動(dòng)化、少人化的關(guān)鍵部分，其關(guān)鍵技術(shù)在于精確獲取掘進(jìn)機(jī)的坐標(biāo)位置，通過(guò)實(shí)時(shí)坐標(biāo)確定掘進(jìn)機(jī)位置，目前有很多技術(shù)理論被應(yīng)用在研究掘進(jìn)機(jī)定向掘進(jìn)中，如基于全站儀的定向掘進(jìn)技術(shù)、基于電子羅盤(pán)的定向掘進(jìn)技術(shù)、基于超聲波測(cè)距儀的定向掘進(jìn)技術(shù)等[1]。MEMS 即微機(jī)械系統(tǒng)，其集衛(wèi)星技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制功能等于一體，具有信息獲取、處理和執(zhí)行功能。MEMS 慣性技術(shù)不依賴任何外界輔助條件，如激光、無(wú)線電等，定位精度完全取決于元器件本身，可避免外界干擾，且可以提供位置、速度、姿態(tài)角度和航向多組數(shù)據(jù)，利用該技術(shù)設(shè)計(jì)方案易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)，且功能、精度容易滿足，有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程控制設(shè)計(jì)

1.1 MEMS 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)

MEMS 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)的核心結(jié)構(gòu)為陀螺儀和加速度針，兩者直接安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)體上，工作時(shí)，陀螺儀感測(cè)掘進(jìn)機(jī)的角運(yùn)動(dòng)信息，加速度計(jì)感測(cè)掘進(jìn)機(jī)的線速度信息，均為機(jī)體坐標(biāo)系下的物理量，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、解算得到掘進(jìn)機(jī)的位置信息，系統(tǒng)將其與給定的位置坐標(biāo)進(jìn)行比較，根據(jù)誤差控制調(diào)整掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程，使得掘進(jìn)機(jī)機(jī)身中心和設(shè)定的巷道中心線趨于一致，實(shí)現(xiàn)定向掘進(jìn)，保證完整切割斷面。

1.2 掘進(jìn)機(jī)構(gòu)建模

對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，首先要簡(jiǎn)化其掘進(jìn)機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。圖中陰影部分為掘進(jìn)機(jī)的兩條履帶，其長(zhǎng)度為B，兩履帶間寬W。掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)過(guò)程也相應(yīng)簡(jiǎn)化為如圖四輪形式，掘進(jìn)液壓馬達(dá)為R1、R2兩個(gè)，R3、R4為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)鏈輪。可以用R1、R2兩個(gè)掘進(jìn)液壓馬達(dá)控制掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)功能，圖1 也表示了掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的初始位置，虛線表示給定的巷道中心線，要求掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)機(jī)身重心與虛線保持一致[2]。掘進(jìn)中，機(jī)身可繞中心O 進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，設(shè)定順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為正。

圖1 掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)初始位置模型圖

1.3 巷道中心線建模

掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，絕大多數(shù)的巷道中心線設(shè)定都是圓弧和直線的組合。在對(duì)圓弧巷道進(jìn)行切割掘進(jìn)時(shí)，如果對(duì)中心線不做處理，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)就會(huì)比較困難。因此對(duì)圓弧巷道切割軌跡建模，如下頁(yè)圖2所示，假設(shè)設(shè)定的中心線為y=f（x），離散化巷道中心線，A、B、C、…為離散點(diǎn)，連接相鄰離散點(diǎn)，以線段代替原中心線，讓掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)按離散線段掘進(jìn)，此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中位置和方向會(huì)有一些變化，只要對(duì)這些變化及時(shí)調(diào)整，使掘進(jìn)機(jī)中線點(diǎn)與下一離散線段保持同一直線方向，以此方式掘進(jìn)，可很好地控制掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方向和質(zhì)量[3]。

圖2 巷道中心線離散模型圖

1.4 掘進(jìn)過(guò)程建模

掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，機(jī)身中心線會(huì)與巷道離散中心線發(fā)生一定偏離。圖2 也可以看出掘進(jìn)機(jī)由初始位置走向A 點(diǎn)的線路，在掘進(jìn)過(guò)程中，由O 點(diǎn)向A 點(diǎn)掘進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)前姿態(tài)需要調(diào)整，保證機(jī)身中心線指向A 點(diǎn)，即L2直線，因此掘進(jìn)機(jī)需要旋轉(zhuǎn)如圖α 角，設(shè)驅(qū)動(dòng)鏈輪行走的距離為L(zhǎng)A，可知：

假設(shè)驅(qū)動(dòng)鏈輪半徑為r，減速比為I，馬達(dá)容積率為δ，q 為液壓馬達(dá)的排量，則驅(qū)動(dòng)鏈輪行走LA的距離消耗液壓馬達(dá)流量為：

可知下次從A 到B 掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)需要再次進(jìn)行位姿調(diào)整，調(diào)整過(guò)程為，首先旋轉(zhuǎn)一定角度，然后掘進(jìn)一定行程，之后再旋轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)而可推導(dǎo)出在任何一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角度和所需流量為：

2 馬達(dá)流量控制設(shè)計(jì)

重點(diǎn)運(yùn)用電液比例閥器件進(jìn)行馬達(dá)流量控制設(shè)計(jì)，電液比例閥可以接收控制器發(fā)送來(lái)的電信號(hào)，進(jìn)而控制掘進(jìn)機(jī)的液壓流量，從而對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)行控制，控制過(guò)程如圖3 所示。首先上位機(jī)處理器接收到陀螺儀和加速度計(jì)感測(cè)到的掘進(jìn)機(jī)位置數(shù)據(jù)，經(jīng)處理對(duì)比得到偏差，根據(jù)偏差計(jì)算出調(diào)整位置所需的液壓馬達(dá)流量，此時(shí)電動(dòng)機(jī)、齒輪泵、比例電磁閥至液壓馬達(dá)回路開(kāi)始工作，調(diào)節(jié)掘進(jìn)機(jī)的左右行走液壓馬達(dá)對(duì)偏差進(jìn)行糾正[4]。

圖3 馬達(dá)流量控制過(guò)程設(shè)計(jì)

3 掘進(jìn)仿真

仿真軟件選用MATLAB，通過(guò)前文建?？芍蜻M(jìn)機(jī)行走過(guò)程可視為曲線和直線的組合，直線掘進(jìn)過(guò)程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，此處僅對(duì)圓弧段進(jìn)行仿真研究。離散圓弧段巷道中心線，離散點(diǎn)為n，連接相鄰兩離散點(diǎn)確定一個(gè)內(nèi)接弦長(zhǎng)，用若干段弦長(zhǎng)代替圓弧段，實(shí)際中應(yīng)適度離散化，選擇合理的點(diǎn)數(shù)。設(shè)定n=5、20，則掘進(jìn)示意圖如圖4 所示。

圖4 離散點(diǎn)為5、20 時(shí)掘進(jìn)巷道示意圖

由圖4 可知，離散點(diǎn)越多，掘進(jìn)軌跡越接近于理想巷道中心線，切割斷面時(shí)，斷面的完整性更高、誤差更小，實(shí)際工程中，還應(yīng)根據(jù)工程具體精度要求，選擇合適的離散點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)論

1）對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)主要結(jié)構(gòu)陀螺儀和加速度計(jì)作用進(jìn)行說(shuō)明。

2）對(duì)掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)、巷道中心線、掘進(jìn)過(guò)程建模，并進(jìn)行馬達(dá)流量控制器設(shè)計(jì)，深入分析掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程，通過(guò)建模得出角度與液壓馬達(dá)流量的關(guān)系，由感測(cè)元件測(cè)得的實(shí)際位置數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)的偏差確定糾偏需要的馬達(dá)流量，結(jié)合馬達(dá)控制器作用對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程糾偏。

3）利用MATLAB 軟件進(jìn)行路徑仿真，主要對(duì)巷道中心線進(jìn)行離散化建模，可知離散化點(diǎn)數(shù)越多，運(yùn)行軌跡控制效果越好，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)精度要求設(shè)定合適的離散點(diǎn)數(shù)。

該系統(tǒng)有利于精準(zhǔn)控制掘進(jìn)機(jī)按規(guī)定巷道定向掘進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，提高掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化和少人化性能，從而改善礦井工作人員的工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增加作業(yè)安全性。