李海斌

(山西省同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041)

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懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)設(shè)計

李海斌

(山西省同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037041)

針對目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動化及智能化控制程度低等問題，提出了自動截割控制技術(shù)。通過建立截割頭空間位置數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動控制系統(tǒng)，同時以可編程計算機(jī)控制器PCC模塊化功能為基礎(chǔ)完成對自動截割控制系統(tǒng)的程序設(shè)計。針對目前其可視化程度低的缺陷，設(shè)計了上位機(jī)監(jiān)控，并與PCC進(jìn)行實時通訊，以實現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)測。最后進(jìn)行了井上井下實驗，其結(jié)果證明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，重復(fù)精度高、無累計偏差，完成自動截割及刷幫功能后，巷道兩幫無明顯誤差，能夠很好地實現(xiàn)自動截割功能。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)；自動截割；PCC

懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制是提升截割效率以及精度的重點部分，完成其自動以及智能化具有很好地保障煤礦的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，在很大程度生縮減工人勞動強(qiáng)度的同時提升采煤效率等優(yōu)勢。本文設(shè)計了自動截割控制方法以完成懸臂式掘進(jìn)機(jī)的精確以及自動截割。

1　建立截割頭空間位置數(shù)學(xué)模型

將懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割頭及每個工作結(jié)構(gòu)部件簡化成球體和剛性桿件[1]，分別建立掘進(jìn)機(jī)截割結(jié)構(gòu)垂直及水平平面的數(shù)學(xué)幾何模型，如圖1(a)、圖2(b)所示。通過建立的數(shù)學(xué)模型可以獲得升降及回轉(zhuǎn)右側(cè)液壓缸伸縮量l1、l2以及巷道坐標(biāo)系內(nèi)截割頭的橫縱坐標(biāo)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式[2]，然后就能獲取截割頭的確切位置。

根據(jù)圖1(a)可得，截割頭和升降油缸伸縮量l1間可通過其在巷道中的縱坐標(biāo)建立關(guān)系，見式(1)。

(1)

式中：z及Δl分別表示截割頭縱坐標(biāo)及其伸縮油缸伸長量；L表示截割臂長度；L1、L2分別表示截割臂垂直運(yùn)動中心O2到升降油缸和機(jī)架的鉸接節(jié)點A及升降油缸和機(jī)架的鉸接節(jié)點B的距離；L0表示截割臂在水平位置時點A到點B的距離；φ0表示截割臂在水平位置時的角∠AO2X2；θ0表示截割臂和O2B的夾角。

根據(jù)式(1)可以看出，唯一變量是l1，所以截割頭在巷道中的垂直坐標(biāo)z可直接通過位移傳感器檢測到的l1確定。

根據(jù)圖1(b)可得，截割頭和回轉(zhuǎn)油缸伸縮量l2間可通過其在巷道中的橫坐標(biāo)建立關(guān)系，見式(2)。

(2)

圖1　截割機(jī)構(gòu)幾何模型

根據(jù)式(2)可知，唯一變量是l2，所以截割頭在巷道中的水平坐標(biāo)y可直接通過位移傳感器檢測到的l2確定。

所以只要檢測出l1與l2，自動截割控制就可以根據(jù)式(1)、式(2)經(jīng)過計算機(jī)編程實現(xiàn)。

2　懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割控制設(shè)計

2.1自動截割成形控制設(shè)計

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，PCC具有采集并傳送控制信號到I/O模塊、與上位機(jī)/遙控器通訊以及綜?？刂频裙δ躘3-4]，自動截割控制流程圖及各模塊實現(xiàn)自動截割控制方法見圖2(a)、圖2(b)。

根據(jù)圖2(b)，在自動截割控制時智能工控面板首先存儲巷道斷面輪廓同時經(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完成實時對比，若達(dá)到預(yù)定值在停止油缸的同時執(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。

2.2自動刷幫控制設(shè)計

掘進(jìn)機(jī)在自動截割的過程中，如果截割步距小于截割頭半徑，盡管截割控制精度高，然而截割次數(shù)很多從而影響其效率[5]；如果截割步距大于截割頭半徑小于其直徑，盡管能夠提升截割效率，然而對巷道兩幫的粗糙度誤差產(chǎn)生有擾動，見圖3，誤差范圍是53.6～400mm。自動刷幫控制方法使掘進(jìn)機(jī)自動修正斷面兩幫，從而使截割步距小于529mm以滿足“巷道截割斷面邊界檢測最大誤差小于10cm”的條件[6-8]，進(jìn)而縮減粗糙度誤差提升效率。自動刷幫控制見圖4，設(shè)置刷幫路徑是從上向下，該路徑將對自動截割過程產(chǎn)生的誤差特別刷幫，設(shè)計其余路徑成斜線截割以縮減步數(shù)，而實際截割時能夠按照需要修改控制程序。

以B→D為例，截割臂進(jìn)程向下運(yùn)行時，每間隔0.5s要運(yùn)算一次回轉(zhuǎn)油缸應(yīng)該到達(dá)的伸長量，以確保截割頭依照巷道邊界運(yùn)行。①巷道左右兩幫：當(dāng)刷幫運(yùn)行到巷道左右兩幫時，只需運(yùn)算一次升降油缸伸縮量設(shè)置值Ctl[1]，每間隔0.5s運(yùn)算一次回轉(zhuǎn)油缸伸縮量設(shè)置值Ctl[0]，依據(jù)首次運(yùn)算獲得的目標(biāo)值把CmdKey[ACTXANGLE]及CmdKey

圖2　自動截割控制流程圖及各模塊實現(xiàn)自動截割控制方法

圖3　斷面粗糙度誤差示意圖

圖4　矩形巷道斷面自動刷幫控制路徑

[ACTYANGLE]同步置1，Ctl[1]表示此截割過程完結(jié)時的目標(biāo)值，隨后開始計時，在等于0.5s時刻按照此時垂直位置AI[ACTYANGLE]從新運(yùn)算0.5s后回轉(zhuǎn)油缸伸縮量應(yīng)獲取的目標(biāo)值，并傳輸至Ctl[0]更新之中的值，直到AI[ACTYANGLE]等于Ctl[1]時結(jié)束，以此實現(xiàn)左或右?guī)徒馗睿虎谄溆嘟馗钸^程：僅運(yùn)算一次回轉(zhuǎn)以及升降油缸伸縮量設(shè)置值Ctl[0]及Ctl[1]，并按照目標(biāo)值執(zhí)行相應(yīng)油缸，等于目標(biāo)值就依次關(guān)閉此油缸停止運(yùn)動。

通過PCC對油缸流量大小進(jìn)行控制，即依據(jù)自動刷幫功能需求對截割臂的擺速進(jìn)行控制。由于實行左右兩幫的截割操作時，水平方向是微調(diào)，如果仍然高速運(yùn)行將導(dǎo)致超越巷道邊界從而無法完成自動刷幫工作，所以設(shè)定截割臂擺速垂直及水平方向分別是高速以及低速運(yùn)行。實行其他截割過程時，截割臂擺速垂直及水平方向都設(shè)定是高速運(yùn)行。

2.3上位機(jī)設(shè)計

該自動截割控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面包含有截割頭位置動態(tài)顯示、模擬量參數(shù)顯示及報警記錄等功能界面。

截割頭位置動態(tài)顯示界面中主要是對截割輪廓的調(diào)整狀況與其工作狀況進(jìn)行顯示，以完成對工作面的實時監(jiān)控。如果截割頭沒有跨越巷道邊界，那么顯示綠色，并且持續(xù)執(zhí)行自動截割指令；如果截割頭跨越巷道邊界，那么就顯示紅色，以此來警示掘進(jìn)機(jī)司機(jī)停止機(jī)車運(yùn)作。模擬量參數(shù)界面可直觀的實時顯示懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作狀態(tài)并記錄工作參數(shù)。

3　試驗仿真及結(jié)果

3.1井上實驗

設(shè)定巷道截割面的寬度和高度分別為3m和2.5m，懸臂式掘進(jìn)機(jī)選用EBZ200，工控機(jī)上位機(jī)功能界面可以實現(xiàn)對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的實時在線監(jiān)控。

經(jīng)過對懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割的反復(fù)試驗，截割頭按照預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行自動截割，左右兩幫的刷幫截割路徑和巷道斷面形狀大體相符，工作過程中回轉(zhuǎn)以及升降油缸聯(lián)動取得很好的成效，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動截割試驗結(jié)果顯示，該控制系統(tǒng)可以很好的實現(xiàn)其自動截割的功能。

3.2井下實驗

在井下進(jìn)行斷面自動截割試驗時，巷道斷面的寬度和高度分別為4.5m和4m。設(shè)定自動截割步距為700mm，則經(jīng)過3個截割步驟即可截割一個完整斷面。測試數(shù)據(jù)見表1。

經(jīng)過實驗證明，掘進(jìn)機(jī)斷面自動截割成形功能設(shè)計正確，截割頭可按預(yù)設(shè)路徑自動截割，所有截割路徑能基本覆蓋巷道斷面，在斷面自動截割成形后，還進(jìn)行了斷面自動刷幫功能試驗。根據(jù)表1可知，認(rèn)定掘進(jìn)機(jī)機(jī)身到截割頭方向為前方，左幫最大誤差為50mm，相對控制最大誤差為2.2%；右?guī)妥畲笳`差為20mm，相對控制最大誤差為0.9%；兩幫綜合最大誤差為70mm，相對控制最大誤差為1.6%，經(jīng)過多組試驗，驗證了該控制系統(tǒng)重復(fù)精度高、無累計偏差。

表1　實驗數(shù)據(jù)/mm

4　結(jié)　論

通過建立截割頭空間位置數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了掘進(jìn)機(jī)自動截割控制系統(tǒng)，同時運(yùn)用PCC模塊化編程實現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)的自動截割控制，并且在上位機(jī)功能界面中能夠動態(tài)監(jiān)測顯示截割頭工作情況。根據(jù)井下工業(yè)性實驗結(jié)果證明：掘進(jìn)機(jī)斷面自動截割成形控制系統(tǒng)在井下工業(yè)生產(chǎn)中能夠運(yùn)行良好，系統(tǒng)工作可靠、穩(wěn)定；控制掘進(jìn)機(jī)完成自動截割、自動刷幫功能后，巷道兩幫無明顯誤差，能夠很好地實現(xiàn)其自動截割。

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The design of boom roadheader automatic cutting control system

LI Hai-bin

(Meiyukou Mine，Shanxi Datong Coal Mine Group，Datong 037041，China)

In view of the present low level of automation and intelligent control of boom roadheader，automatic cutting control technology is proposed.By establishing the mathematical model of cutting head space design of the cantilever machine automatic control system，at the same time，based on the programmable computer controller PCC modular functions to complete the program design of automatic cutting control system.Aiming at the defect of the low degree of visualization，design the PC monitoring，real-time communication with the PCC，to realize the real-time monitoring of running status of machine.Inoue underground experiment was carried out at last，the results show that the control system is stable and reliable operation，high repeat precision，no cumulative deviation，completion of automatic cutting and brush help function，no obvious error of two sides of roadway，can well realize the automatic cutting.

boom roadheader；automatic cutting；programmable computer controller

2016-02-10

李海斌(1975-)，男，山西懷仁人，同煤集團(tuán)煤峪口礦機(jī)電礦長、工程師，專業(yè)為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化，研究方向為煤礦井下機(jī)電設(shè)備與管理。

TD421

A

1004-4051(2016)10-0150-04