悬臂式掘进机定向掘进系统的设计

2021-10-21杨超

机械管理开发 2021年10期

杨超

（忻州窑矿机电科，山西大同 037003）

引言

掘进机的定向掘进是实现矿井掘自动化、少人化的关键部分，其关键技术在于精确获取掘进机的坐标位置，通过实时坐标确定掘进机位置，目前有很多技术理论被应用在研究掘进机定向掘进中，如基于全站仪的定向掘进技术、基于电子罗盘的定向掘进技术、基于超声波测距仪的定向掘进技术等[1]。MEMS 即微机械系统，其集卫星技术、传感器技术、控制功能等于一体，具有信息获取、处理和执行功能。MEMS 惯性技术不依赖任何外界辅助条件，如激光、无线电等，定位精度完全取决于元器件本身，可避免外界干扰，且可以提供位置、速度、姿态角度和航向多组数据，利用该技术设计方案易于实现生产目标，且功能、精度容易满足，有一定的实际应用价值。

1 悬臂式掘进机掘进过程控制设计

1.1 MEMS 捷联惯性导航技术

MEMS 捷联惯性导航技术的核心结构为陀螺仪和加速度针，两者直接安装在掘进机机体上，工作时，陀螺仪感测掘进机的角运动信息，加速度计感测掘进机的线速度信息，均为机体坐标系下的物理量，经坐标转换、解算得到掘进机的位置信息，系统将其与给定的位置坐标进行比较，根据误差控制调整掘进机工作过程，使得掘进机机身中心和设定的巷道中心线趋于一致，实现定向掘进，保证完整切割断面。

1.2 掘进机构建模

对掘进机掘进机构进行建模时，首先要简化其掘进机构，如图1 所示。图中阴影部分为掘进机的两条履带，其长度为B，两履带间宽W。掘进机的掘进过程也相应简化为如图四轮形式，掘进液压马达为R1、R2两个，R3、R4为两个驱动链轮。可以用R1、R2两个掘进液压马达控制掘进机掘进功能，图1 也表示了掘进机掘进的初始位置，虚线表示给定的巷道中心线，要求掘进过程中掘进机机身重心与虚线保持一致[2]。掘进中，机身可绕中心O 进行360°旋转，设定顺时针旋转角度为正。

图1 掘进机行走机构初始位置模型图

1.3 巷道中心线建模

掘进机掘进过程中，绝大多数的巷道中心线设定都是圆弧和直线的组合。在对圆弧巷道进行切割掘进时，如果对中心线不做处理，掘进机掘进就会比较困难。因此对圆弧巷道切割轨迹建模，如下页图2所示，假设设定的中心线为y=f（x），离散化巷道中心线，A、B、C、…为离散点，连接相邻离散点，以线段代替原中心线，让掘进机掘进时按离散线段掘进，此时，掘进机掘进过程中位置和方向会有一些变化，只要对这些变化及时调整，使掘进机中线点与下一离散线段保持同一直线方向，以此方式掘进，可很好地控制掘进机掘进方向和质量[3]。

图2 巷道中心线离散模型图

1.4 掘进过程建模

掘进机在掘进过程中，机身中心线会与巷道离散中心线发生一定偏离。图2 也可以看出掘进机由初始位置走向A 点的线路，在掘进过程中，由O 点向A 点掘进，掘进机掘进前姿态需要调整，保证机身中心线指向A 点，即L2直线，因此掘进机需要旋转如图α 角，设驱动链轮行走的距离为LA，可知：

假设驱动链轮半径为r，减速比为I，马达容积率为δ，q 为液压马达的排量，则驱动链轮行走LA的距离消耗液压马达流量为：

可知下次从A 到B 掘进时，掘进机需要再次进行位姿调整，调整过程为，首先旋转一定角度，然后掘进一定行程，之后再旋转一定角度，进而可推导出在任何一点的旋转角度和所需流量为：

2 马达流量控制设计

重点运用电液比例阀器件进行马达流量控制设计，电液比例阀可以接收控制器发送来的电信号，进而控制掘进机的液压流量，从而对掘进机掘进进行控制，控制过程如图3 所示。首先上位机处理器接收到陀螺仪和加速度计感测到的掘进机位置数据，经处理对比得到偏差，根据偏差计算出调整位置所需的液压马达流量，此时电动机、齿轮泵、比例电磁阀至液压马达回路开始工作，调节掘进机的左右行走液压马达对偏差进行纠正[4]。

图3 马达流量控制过程设计

3 掘进仿真

仿真软件选用MATLAB，通过前文建模可知掘进机行走过程可视为曲线和直线的组合，直线掘进过程简单易实现，此处仅对圆弧段进行仿真研究。离散圆弧段巷道中心线，离散点为n，连接相邻两离散点确定一个内接弦长，用若干段弦长代替圆弧段，实际中应适度离散化，选择合理的点数。设定n=5、20，则掘进示意图如图4 所示。