悬臂式掘进机截割断面极限位置分析.pdf

第 1 O期 2 0 1 1年 1 O月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o m a t i o n No ． 1 0 oc t ．2 O1 1 文 章 编号 1 6 7 1 --2 5 1 X 2 0 1 1 1 O O O 6 7 一O 3 D OI C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ T P ． 2 0 1 1 0 9 2 2 ． 1 3 2 3 ． 0 1 7 悬臂式掘进机截割断面极限位置分析 穆晶， 杜毅博 ， 田劫， 李睿 ， 吴淼 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院， 北京1 0 0 0 8 3 摘要 针对悬臂式掘进机机 身位姿 出现偏差时截割断面会 出现偏差而严重影响定向掘进的问题 ， 提 出了 一 种控制截割臂进行截割断面 自动补偿的方法； 分析 了截割臂 回转和升降摆动控制原理 ， 建立了截割臂 回转 和升 降联 合模 型 ， 并给 出 了该联 合模 型 的 Ma t l a b仿 真验 证 及 控 制 截 割 臂 进 行 截割 断 面边 界 补 偿 的 应 用 方 法 。仿 真结 果验 证 了该方 法 的正确 性 。 关键词 悬臂式掘进机；定向掘进 ；截割臂 ； 截割断面； 位姿；自动补偿 ；边界补偿 中图分类号 T D6 3 2 ． 2 文献标识码 A 网络出版时间 2 0 1 1 0 9 2 2 1 3 2 3 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 1 0 9 2 2 ． 1 3 2 3 ． 0 1 7 ． h t ml Ana l y s i s o f Ext r e me Pos i t i o n of Cut t i ng Se c t i o n o f Bo o m t y pe Ro a d he a de r MU J i n g， DU Yi b o ，TI AN J i e ，L I Ru i ，W U M i a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g o f CUMT． B e i j i n g Be i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，Ch i n a Abs t r a c t I n v i e w o f pr ob l e m t h a t c ut t i ng s e c t i o n w i l l t a k e p l a c e e r r o r whe n p o s e o f b o om- t yp e r o a dhe a d e r ha s e r r or a nd wi l l i nf l u e nc e on d i r e c t i o na l m i n i ng s e r i ou s l y．t h e p a pe r pr o po s e d a me t h od t ha t c o n t r o l l i n g c u t t i n g a r m t o ma k e a u t o ma t i c c o mp e n s a t i o n f o r c u t t i n g s e c t i o n．I t a n a l y z e d c o n t r o l p r i n c i p l e o f r o t a r y a nd l i f t i n g s wi n g o f c ut t i ng a r m ，bu i l t a c o m b i ne d mo de l of r ot a r y a nd l i f t i n g of c ut t i n g a r m ，a nd g a v e M a t l a b s i m u l a t i o n v e r i f i c a t i on o f t h e m o d e l a nd a ppl i c a t i on m e t ho d o f bo un da r y c o mpe n s at i o n o f c u t t i n g s e c t i o n by c o nt r o l l i n g c u t t i n g a r m ．The s i m u l a t i o n r e s u l t v a l i d a t e d c o r r e c t ne s s o f t he me t ho d． Ke y wo r ds b o om t y p e r o a d he a d e r ，di r e c t i on a l m i ni n g，c u t t i n g a r m ，c u t t i ng s e c t i on，po s e ， a ut o ma t i c c ompe ns a t i o n，b ou nd a r y c o m p e n s a t i on 0 引 言 悬臂式掘进机是煤矿井下综采工作面的核心装 备 ， 其远程可视化控制技术_ 1 ] 是研究热点之一 。掘 进断面 自动成形控制技术[ 2 ] 和机身位姿参数检测技 术[ 3 ] 已渐 趋 成熟 ， 为 掘进 机 定 向 掘进 控 制 奠 定 了基 础 。当机身位姿 出现偏差时， 自动截割断面会出现 偏差 ， 严重影响定向掘进 。因此 ， 在机身位姿出现偏 差时如何控制截割臂进行有效断面 自动截割补偿的 问题亟待解决。解决该问题首先要分析截割臂摆动 收稿 日期 2 0 1 1 0 5 1 8 基金项 目 国家 高 技术 研 究 发 展计 划 “ 8 6 3 ” 计 划 资 助项 目 2 0 0 8 AAo 6 2 2 o 1 作者简介 穆 晶 1 9 8 6 一 ， 女 ， 河北 石家庄 人 ， 硕 士研究生 ， 研究 方 向为悬臂式 掘进机机 电一体 化。E - ma i l j e s s i c a mu 1 2 3 4 1 6 3 ． c o rn 对截割断面形状和边界值的影响。 1 截 割臂 回转 、 升 降方 向的控 制 悬臂式掘进机通过截割头旋转和截割臂相对于 掘进机机身的水平与垂直摆动使截割头在空间的行 走轨迹形成截割断面 。水平与垂直摆动 由液压系统 控制， 既可实现截割臂 回转或升降运动 ， 也可实现复 合 运 动 ， 完 成 任 意 断 面 截 割 。E B Z 2 0 0型悬 臂 式 掘 进机 的截割臂 回转和升降摆动控制[ 4 如图 1 所示。 截割臂回转位置控制[ 5 分析如图 2所示。以水 平转台中心为原点建立坐标 系， A、 B两点是 回转液 压缸与转台的铰接点 ， C、 D 两点 为回转液压缸在机 身上的固定点 ， 设截割臂相对于机身的水平偏转角 口 b 为 A AO B与其初始位置 即图 2中的灰 色位置 的夹角 ， 且 回转液压缸在 回转台铰接处到 回转中心 6 8 工矿 自动 化 2 0 1 1年 1 O月 回转控制机身水平机身与 截割臂 截割臂截割头 机身上 同定 图 1 E BZ 2 0 0型悬 臂式 掘进 机 的 截 割 臂 凹 转 与 升降摆动控制 的半 径 r 、 回转 液 压缸 在 回转 台铰 接 处 相 对 于 回转 中心的张角 0 、 回转 中心到回转液压 缸在机身两铰 接处连线的距 离 z 、 两 回转液压缸在 机身铰接处距 离 的一半 h已知 ， 则 钆一厂 c z 一 一s i n - 堡 一 丌 一 导 ㈤ 或由另一液压缸计算 a 倒e 一 丌 一 导 一 2 式 中 一 s i ； z 、 z e为 回转 液压 缸 的长度 。 X ，一 一 一 图 2截 割臂 回转 位 置 控 制 分 析 截 割臂 升 降位 置 控 制 分 析 如 图 3所 示 。 H 点 为截割头齿尖可有效切削 的位置 ， OH 表示截割臂 水平时截割头 中心线所在位置 ， E、 F两点为截割臂 与机身的铰接点 ， G点为升 降液压缸 与截割臂 的铰 接点 。截割臂 以 E点为升降中心 ， 0H 与 y轴 的夹 角为截割臂 的俯仰角 。因 OHG E为刚体 ， 则截割 臂俯仰角 即为 GE F的改变量 。 伽一c 。 s ～ E L ； 2 E F 2 --I 3 伽一 。 L 一 厂 G Z G 一 一 伽 一 一 1 1 猫 2 EF 2 -- l 2 C O S 一 4 ‘ 一一 L 4 式 中 z 。为升降液压缸 的长度 ； l e o 为 z c 的初始 值 。 Z 0 厂广、 、 、 目 强 目 目g g a 目日 r J ． ． ， 一 ⋯ 图 3 截割臂升降位置控制分析 2 截 割臂 回转和 升降 联合模 型 悬臂式掘进机工作时 ， 截割臂大多 同时存在水 平偏转角 口 b和俯仰角 ， 图 4为截割臂回转和升降 联合控制模型， 该模型揭示 了截割曲面的具体形成 方式 。 图 4 截割臂 回转 和升 降联合控制模 型 图4中， 原点 0为水平转台中心， y轴为掘进方 向。在 Y O Z平面 内， 弧 H上、 H下为截割臂以 E为 圆心 旋转 而成 。在 XOY平 面 内 ， 弧 H左 上、 H右 上为 截割臂在 最高点 以 为圆心旋转 而成 ， 弧 H左 下、 H右 下为截割臂在最低点 以 0 为圆心旋转而成。曲 面 H左 上H右 上 H右 下 H左 下即为截割臂在机身位姿正确 时可截得的最大范围。 截割曲面方程 为oE 三 为几何 图标 ， 表示 圆 的一段弧线绕 Z轴旋转一定角度所得 ， 根据立体解 析几何旋转体生成方法可知， 该 曲面方程为 z Y P 一 r F2 4 e 。 z Y 。 5 的一部 分 。 2 0 1 1 年第 1 0期 穆晶等 悬臂式掘进机截割断面极 限位置分析 6 9 式中 e 为 O E 的长度 ； r 为 EH 的长度 。 为适合截割臂 的控制 ， 需分析以截割臂水平 、 竖 直方向偏角 、 为参数的截割断面方程 f z 一 r E C O S P s i n 0 t b Y r E c o s P C O S O r b 6 l 一，． i n 3 截 割 臂 回转和 升 降联合 模 型验证 及 应用 将方程组 6 代入方程 5 中， 验证等式成立 ， 初 步说明截割臂水平和升降联合模型的正确性 。本文 采用 Ma t l a b仿真绘 图验证 该模 型。以 Ma t l a b编 程 ， 代人 E B Z 2 0 0型悬臂式掘进机的相关机械尺寸 ， 结果 如 图 5 所 示 截 割 边 界 数值 与 厂家 说 明书 参 数 一 致 ， 图 5 a 给出了建模后截割断面的直观形状 ， 图 5 b 中坐标与厂家实际截割数据一致 ， 说明模型 正确 。 截割断面 y dmm a 截割断面 3 D视图 b 截 割 断 面平 面 视 图 图 5 截 割断面 3 D视 图和 XO Z平 面视图 上文确定了机身位姿正确时 ， 截割臂带动截割 头掘出断面的形状和最大边界值 。由此可知 ， 机身 出现位 姿偏 差时 ， 预截 割断 面与标 准 截割 断 面在 X0Z平面的投影会存在重叠部分 ， 若重叠部分包含 了巷道 的轮廓 ， 则启动机身位姿误差 自动补偿程序 ， 控制截割臂的摆角 ， 使截割轮廓在机身位姿出现偏 差时仍是准确的， 从 而达 到掘进机机身位姿误差补 偿 和精 确 定 向掘进 的 目的 。图 6为机 身 出现水 平偏 距位姿误差L 2 ] 时的预截割面、 标准截割面与设计 的 巷道轮廓。当预截割面和标准截割面的重叠部分恰 好包含巷道轮廓时 ， 便 可求 出截割臂可 自动补偿 的 机身位姿水平偏距误差最大值。 水平偏距存在时 4 结语 图 6 可补偿 的最大水平偏距 确定方法 面 为实 现 悬 臂 式掘 进 机 截 割 断面 自动 补偿 功 能 ， 使其服务于巷道断面 自动成形控制， 研究了截 割臂 的控制计算方法， 以立体解析几何 的思想对截 割臂 引起的截割头位置变化进行了空间建模分析 ， 并给 出了 Ma t l a b仿真绘 图验证。仿真结果验证 了建立 的截割臂水平和升降联合模型的正确性。 参 考 文 献 [ 1 ] L I U J ， wU M， WE I J ． S t u d y o n t h e Ke y Te c h n o l o g i e s o f Aut o ma t i c Cut t i ng Co nt r o l of Bo o m- t y pe R o a d h e a d e r s [ J ] ． C h i n a C o a l ， 2 0 0 8 1 2 5 4 5 7 ． [ 2 ]田劫 ， 杨 阳 ， 陈 国强 ， 等． 纵轴式掘进机 巷道断面 自动 截 割成形控制方法 [ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 0 9 1 1 1 1 1 1 5 ． [ 3 ] 中国矿业大学 北京 ， 石家庄煤矿机械有限责任 公司． 掘进 机 机 身 位 姿 参 数 测 量 系 统 及 其 方 法 中 国， C N1 O 1 6 2 9 8 0 7 [ P ] ． 2 0 1 0 0 1 2 0 ． [ 4 ] T I AN J ， C HE N G， YA NG Y． Ap p l i c a t i o n a n d T e s t i n g o f a Ve r t i c a l An g l e C o n t r o l f o r a B o o m t y p e Ro a h e a d e r [ J ] ． Mi n i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 1 0 2 0 1 52 1 5 8． [ 5 ] 刘春生 ， 漆利 平 ， 赵汗青 ． 悬 臂式掘 进机悬 臂水 平摆 动 机构的建 模 与仿 真 [ J ] ． 黑 龙 江科 技 学 院学 报 ， 2 0 0 8 1 5 - 8． 1 _z