阅读说明：本技术 悬臂式掘进机及其掘进控制方法 (Cantilever type tunneling machine and tunneling control method thereof ) 是由 王朝 智泽华 刘文科 张慧伶 袁秀楠 宋栋帅 王雪松 李建忠 牛卫兵 王磊 刘鸿 于 2020-03-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种悬臂式掘进机及其掘进控制方法,包括：用于调节悬臂角度的水平调整油缸和垂直调整油缸,水平调整油缸和垂直调整油缸通过比例阀与控制单元连接；悬臂上设置有横向旋转编码器和纵向旋转编码器,分别用于检测悬臂的水平角度和垂直角度,并发送给控制单元；控制单元,用于通过比例阀控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作。本发明的悬臂式掘进机及其掘进控制方法,通过比例阀控制油缸动作,并设置旋转编码器进行角度信息测量,实现对悬臂角度的自动化调节和闭环反馈控制,悬臂角度的位置精度较高,进而提高掘进巷道的成型质量。且通过自动化控制取代人工操作,降低了劳动强度,提高了安全性能。(The invention discloses a cantilever type tunneling machine and a tunneling control method thereof, wherein the tunneling control method comprises the following steps: the horizontal adjusting oil cylinder and the vertical adjusting oil cylinder are used for adjusting the angle of the cantilever and are connected with the control unit through a proportional valve; the cantilever is provided with a transverse rotary encoder and a longitudinal rotary encoder which are respectively used for detecting the horizontal angle and the vertical angle of the cantilever and sending the horizontal angle and the vertical angle to the control unit; and the control unit is used for controlling the actions of the horizontal adjusting oil cylinder and the vertical adjusting oil cylinder through the proportional valve. According to the cantilever type tunneling machine and the tunneling control method thereof, the proportional valve is used for controlling the oil cylinder to act, the rotary encoder is arranged for measuring angle information, automatic adjustment and closed-loop feedback control of the cantilever angle are achieved, the position accuracy of the cantilever angle is high, and the forming quality of a tunneling roadway is improved. And manual operation is replaced by automatic control, so that the labor intensity is reduced, and the safety performance is improved.)

悬臂式掘进机及其掘进控制方法

技术领域

本发明涉及煤矿掘进技术领域，尤其涉及一种悬臂式掘进机及其掘进控制方法。

背景技术

悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输、自及喷雾除尘的联合机组。现有技术在进行采煤掘进时，由专业掘进机司机，依照图纸和简单的激光束指向进行巷道掘进。每次向前掘进一段距离后(进给距离视顶板条件而确定，有很大的人为因素)，进行人工锚杆支护和喷浆作业，然后继续向前掘进，如此往复。或者，在掘进机上统一配置开关量电磁阀组，以及短距离遥控和视频检测设备，由司机在后方或者略远额监控屏幕处进行遥控截割。

发明人发现上述技术至少存在以下问题：巷道掘进依靠人为控制准确性和稳定性差，且效率低下，安全隐患大。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种悬臂式掘进机及其掘进控制方法。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种悬臂式掘进机，包括：用于调节悬臂角度的水平调整油缸和垂直调整油缸，所述水平调整油缸和所述垂直调整油缸通过比例阀与控制单元连接；所述悬臂上设置有横向旋转编码器和纵向旋转编码器，分别用于检测所述悬臂的水平角度和垂直角度，并发送给所述控制单元；所述控制单元，用于通过所述比例阀控制所述水平调整油缸和所述垂直调整油缸动作。

在一种可能的设计中，所述悬臂式掘进机的机身上设置有与巷道激光指向装置相适配的激光接收装置，用于激光指向定位掘进方向。

在一种可能的设计中，所述悬臂式掘进机的机身上设置有机身姿态传感器，所述机身上设置有支撑单元，所述机身姿态传感器和所述支撑单元分别与所述控制单元连接；所述控制单元，用于根据机身姿态传感器检测到的机身倾角，调整所述支撑单元使所述机身保持水平并固定。

在一种可能的设计中，所述支撑单元包括设置在所述机身底部的底板支护，设置在所述机身顶部的顶板支护和设置在所述机身侧壁的侧壁支护。

在一种可能的设计中，所述控制单元以多个防爆箱插接组合形成，每个防爆箱内设置有一个控制模块。

第二方面，提供了一种悬臂式掘进机的掘进控制方法，所述方法包括：

控制单元根据给定角度，通过比例阀控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作，调整悬臂至目标角度；

横向旋转编码器和纵向旋转编码器采集悬臂的当前角度信息，并将当前角度信息发送给控制单元；

控制单元根据当前角度与给定角度之间的差值，发出指令控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作；

重复上述过程直至悬臂的当前角度信息与给定角度相同。

在一种可能的设计中，所述方法还包括：悬臂式掘进机移动至目标位置后，机身姿态传感器检测机身倾角并发送给控制单元，控制单元根据机身倾角调整支撑单元动作使机身保持水平并固定。

在一种可能的设计中，机身保持水平并固定之后，开始掘进工作，掘进过程包括顺次进行的第一阶段掘进、第二阶段掘进、第三阶段掘进，下述公式中，α表示悬臂横向角度，β表示悬臂纵向角度，R表示悬臂长度、r表示炮头半径、Lw表示目标巷道宽度；

第一阶段掘进包括：悬臂带动炮头顺时针方向进行数圈圆周运动，每圈圆周运动的起始位置为横向角度∠α＝0°，纵向角度通过下述公式进行确定：

当时：

当时：

在一种可能的设计中，第二阶段掘进包括：

悬臂带动炮头进行数次扇形往复运动，每次扇形往复运动的起始位置为横向角度∠α＝0°，纵向角度通过下述公式确定：

直至炮头往复运动结束，完成第二阶段掘进。

在一种可能的设计中，第三阶段掘进包括：完成第一阶段掘进和第二阶段掘进之后，检测机身竖直方向误差角度、机身水平方向误差角度和机身偏移角度，并根据机身竖直方向误差角度、机身水平方向误差角度和机身偏移角度，对悬臂的移动进行修正。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的悬臂式掘进机及其掘进控制方法，通过比例阀控制油缸动作，并设置旋转编码器进行角度信息测量，实现对悬臂角度的自动化调节和闭环反馈控制，悬臂角度的位置精度较高，进而提高掘进巷道的成型质量。且通过自动化控制取代人工操作，降低了劳动强度，提高了安全性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一个实施例提供悬臂式掘进机中悬臂的角度控制逻辑框图；

图2为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机中机身上激光接收装置的示意图；

图3为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机机身竖直方向误差角度的示意图；

图4为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机机身水平方向误差角度的示意图；

图5为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机机身偏斜角度的示意图；

图6和图7为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机中支撑单元的结构示意图；

图8为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机中控制单元的结构示意图；

图9为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机的掘进控制方法中各参量在坐标系中的表示；

图10为本发明一个实施例提供的悬臂式掘进机的掘进控制方法中悬臂路径示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

第一方面，本发明实施例提供了一种悬臂式掘进机，该悬臂式掘进机包括：用于调节悬臂角度的水平调整油缸和垂直调整油缸，水平调整油缸和垂直调整油缸通过比例阀与控制单元连接；悬臂上设置有横向旋转编码器和纵向旋转编码器，分别用于检测悬臂的水平角度和垂直角度，并发送给控制单元；控制单元，用于通过比例阀控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作。

以下对本发明实施例提供的悬臂式掘进机的工作原理进行说明：

如附图1所示，控制单元根据给定角度，通过比例阀控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作，调整悬臂至目标角度。横向旋转编码器和纵向旋转编码器采集悬臂的当前角度信息，并将角度信息发送给控制单元。控制单元根据当前角度与给定角度之间的差值，发出指令控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作，重复上述过程直至悬臂的当前角度与给定角度相同。通过上述过程，实现对悬臂角度的闭环反馈控制，悬臂角度的位置精度较高。

可见，本发明实施例提供的悬臂式掘进机，通过比例阀控制油缸动作，并设置旋转编码器进行角度信息测量，实现对悬臂角度的自动化调节和闭环反馈控制，悬臂角度的位置精度较高，进而提高掘进巷道的成型质量。且通过自动化控制取代人工操作，降低了劳动强度，提高了安全性能。

其中，控制单元与比例阀之间可以连接有比例控制器，实现自动液控过程。比例阀通过PID控制油缸动作，使悬臂偏斜。

为了便于悬臂式掘进机的地下定位，如附图2所示，悬臂式掘进机的机身上设置有与巷道激光指向装置相适配的激光接收装置，用于激光指向定位掘进方向。如此设置，避免悬臂式掘进机行进方向发生偏差。

进一步地，为了使悬臂动作进行掘进时，机身被固定在水平状态，本发明实施例提供的悬臂式掘进机的机身上设置有机身姿态传感器，机身上设置有支撑单元，机身姿态传感器和支撑单元分别与控制单元连接；控制单元，用于根据机身姿态传感器检测到的机身倾角，调整支撑单元使机身保持水平并固定。如此设置，悬臂式掘进机在巷道移动至预设位置后，利用悬臂式掘进机移动至目标位置后，机身姿态传感器检测机身倾角并发送给控制单元，控制单元根据机身倾角调整支撑单元动作使机身保持水平并固定，然后悬臂和炮头开始动作进行掘进过程。

其中，机身姿态传感器可以为机身姿态双轴倾角传感器，其可以完成机身竖直方向误差角度∠γ1(参见附图3)、机身水平方向误差角度∠γ2(参见附图4)和机身偏移角度∠γ3(参见附图5)的检测。

基于上述可知，支撑单元用于完成对机身的固定，为了提高固定效果，如附图6和附图7所示，支撑单元包括设置在机身底部的底板支护，设置在机身顶部的顶板支护和设置在机身侧壁的侧壁支护。如此设置，可以在不同方向对机身进行全方位的支撑固定，进而提高固定效果，避免掘进过程中机身发生偏移倾斜等影响巷道掘进效果。

其中，底板支护的数量可以为4个，分别分布在底板的四角处。顶板支护的数量可以为4个，分别分布在顶板的四角处。侧壁的支护的数量可以为4个，机身每侧分别设置有两个。

举例来说，顶板支护、顶板支护和侧壁支护可以为多级伸缩臂结构。其只要能抵紧在巷道和机身之间对机身起到固定和支撑作用即可，本发明实施例中不再进行详细阐述。

可选地，本发明实施例提供的，如附图8所示，控制单元以多个防爆箱插接组合形成，每个防爆箱内设置有一个控制模块。如此设置，根据不同的功能需求，选用不同的防爆箱插接形成具备不同功能的控制单元，便于完成不同的电液控需要。控制单元的灵活性和可拓展性提高。

举例来说，控制单元可以包括常规电液控输出模块、人机界面模块和通讯模块等，以及程序控制模块和遥控模块两种特殊模块，以方便不同技术需要。遥控控制模块可以关联配套的本质安全型遥控装置。程序控制模块可以预设巷道的高度、宽度、地质条件等选项，实现自动化巷道掘进。

第二方面，本发明实施例提供了一种悬臂式掘进机的掘进控制方法，如附图1所示，该方法包括：

控制单元根据给定角度，通过比例阀控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作，调整悬臂至目标角度。

横向旋转编码器和纵向旋转编码器采集悬臂的当前角度信息，并将角度信息发送给控制单元。

控制单元根据当前角度与给定角度之间的差值，发出指令控制水平调整油缸和垂直调整油缸动作，重复上述过程直至悬臂的当前角度信息与给定角度相同。

本发明实施例提供的悬臂式掘进机，通过比例阀控制油缸动作，并设置旋转编码器进行角度信息测量，实现对悬臂较低的自动化调节和闭环反馈控制，悬臂角度的位置精度较高，进而提高掘进巷道的成型质量。且通过自动化控制取代人工操作，降低了劳动强度，提高了安全性能。

进一步地，本发明实施例提供的掘进控制方法还包括：悬臂式掘进机移动至目标位置后，机身姿态传感器检测机身倾角并发送给控制单元，控制单元根据机身倾角调整支撑单元动作使机身保持水平并固定。便于后续进行掘进作业。

机身保持水平并固定之后，开始掘进时，悬臂转动，由设置在悬臂端部的炮头进行截割。

掘进过程包括顺次进行的第一阶段掘进、第二阶段掘进、第三阶段掘进，下述公式中，α表示悬臂横向角度，β表示悬臂纵向角度，R表示悬臂长度、r表示炮头半径、Lw表示目标巷道宽度，h表示目标巷道高度的一半，H表示目标巷道高度；

第一阶段掘进包括：悬臂带动炮头顺时针方向进行数圈圆周运动，每圈圆周运动的起始位置为横向角度∠α＝0°，纵向角度通过下述公式进行确定：

当时：

当时：

即，保持∠α＝0°，∠β由0°上升为炮头以顺时针方向进行圆周运动，回到原位后，∠β由变为炮头继续做顺时针圆周运动……，

期间∠α与∠β的约束条件为∠α＝arcsin(cosβ)

∠β＝arcsin(cosα)

(当∠β为负值时，)

当时：

当时：

可见，第一阶段掘进过程中，形成的巷道直径逐渐加大，直至达到目标巷道宽度。可以理解的是，上述n为悬臂圆周运动的圈数，n为自然数。

第二阶段掘进包括：

悬臂带动炮头进行扇形往复运动，每次扇形往复运动的起始位置为横向角度∠α＝0°，纵向角度通过下述公式确定：

直至炮头往复运动结束，完成第二阶段掘进。

具体地，保持∠α＝0°，使得∠β由上升为炮头以顺时针方向进行扇形往复运动。回到原位后，保持∠α＝0°，∠β由上升为炮头继续做往复运动……，直至的炮头往复运动结束。

可见，第二阶段掘进中，炮头移动范围的宽度受限，继续进行高度方向的截割作业，因此炮头的运动轨迹为往复的扇形。可以理解的是，上述N为悬臂扇形往复运动的圈数，N为自然数

悬臂动作进行巷道掘进过程中，巷道的反作用力作用在机身下，机身受力较大。虽然本发明实施例中设置了全方位的支撑单元，机身仍可能发生偏斜。基于此，为了进一步提高掘进效果，本发明实施例中还设置有第三阶段掘进。

第三阶段掘进包括：完成第一阶段掘进和第二阶段掘进之后，检测机身竖直方向误差角度、机身水平方向误差角度和机身偏移角度，并根据机身竖直方向误差角度、机身水平方向误差角度和机身偏移角度，对悬臂的移动进行修正。通过第三解决掘进对掘进过程中的机身偏斜产生的误差进行补偿，提高掘进效果。

综上所述，本发明实施例提供的一个悬臂式掘进机的掘进控制方法包括：

S1，悬臂式掘进机在巷道激光指向装置的激光指向下前进一个仅给距离S。

S2，悬臂式掘进机保持悬臂平直，并通过支撑单元调整机身至对中状态。

S3，进行第一阶段掘进。

S4，进行第二阶段掘进。

S5，进行第三阶段掘进。

通过上述S1-S5，完整一个阶段进给距离S的掘进。重复上述步骤直至完成整个巷道掘进过程。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。