悬臂式掘进机自动调速控制技术的研究

针对通用悬臂式掘进机截割控制存在无法实现截割轨迹规划与自动调速控制的问题,本文研究了悬臂式掘进机自动调速控制技术,借助PCC与工控机实现悬臂式掘进机的自动调速控制,利用ABAQUS软件对截割头与煤层三维模型进行有限元分析,以获取相关工况信息的关系,采用改进S形切割线路规划截割轨迹,构建截割臂摆动全局最优速度模型,最终采用模糊PID控制算法实现控制量计算,获取截割臂的最优控制,并通过反馈至工控机,由工控机下达可获取截割臂最佳摆动速度的控制指令。     

巷道掘进机智能化技术研究现状及展望

基于巷道掘进机智能化的目标是结合智能感知技术与自适应作业实现巷道断面自动精确成形,从智能感知和自适应作业2个方面阐述了巷道掘进机智能化关键技术构架,其中智能感知包括位姿感知、成形感知、状态感知,自适应作业包括自适应纠偏、自适应截割、自适应诊断。总结了掘进机位姿检测与纠偏、巷道断面自动成形与自适应截割、掘进机安全运行保障等技术的研究现状:捷联惯导/UWB组合定位技术在井下受限空间中具有较强的适用性,目前掘进机俯仰位姿纠偏及定向行走等均已实现,但仍存在行走控制误差大、纠偏控制准确性差等问题;将大面积煤矸石带避开的截割方法为自适应截割提供了一种新的思路,但是煤矸石带位置的确定及该种方法在实践中的应用效果有待进一步研究;在故障对象确定、故障原因清晰的情况下,常用故障诊断方法具有一定适用性,但由于掘进机故障原因复杂多样,故障间相互影响,难以进行准确有效的故障诊断。指出研究检测精度高、干涉少、跟随适用性优的导航定位方法,实现掘进机机体位姿偏差动态补偿、煤岩特性与最佳截割参数匹配建模及掘进机全状态监测等是巷道掘进机智能化技术突破方向。     

掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统的研究与应用

掘进机是煤矿巷道机械化掘进中最重要的设备,目前仍由司机手动操作。由于掘进环境恶劣,工作条件差,粉尘、水雾等影响司机的视野,造成掘进巷道断面成形质量差、劳动强度大。针对上述问题,文章介绍了一种掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统,详细介绍了智能型自动成形恒功率截割控制系统中掘进巷道断面自动成形控制和截割头恒功率自动牵引调速控制的设计与实现,并介绍了该系统在EBZ200型掘进机上的应用情况。实际应用表明,该系统实现了远程在线监视、诊断与控制功能,使操作人员远离工作面迎头,减少了人员伤害事故,对实现安全、高效自动化巷道掘进具有一定的现实意义。     

掘进机器人巷道断面记忆截割控制策略研究

矿井巷道开采的过程中司机的视线和所处的环境受粉尘,水雾,光线等的影响,导致在巷道断面在截割的过程中出现超挖或欠挖的现象,使得断面的形状尺寸不规则,进而给后面的顶板支护工作也带来困难,严重影响着巷道掘进的进度;为了解决以上问题,提出掘进机器人巷道断面记忆截割控制策略;记忆截割就是司机对断面初次截割的过程中把截割数据包括截割头的位置、截割臂摆动的角度和速度等数据存储在专门的存储器中,作为之后截割的参考数据直接调用,省去司机频繁的操作,大大提高截割的效率;通过MATLAB仿真和EBZ160试验研究可知,截割头摆动误差可控制在5cm以内,表明掘进机器人巷道断面记忆截割控制策略可以更加有效地控制掘进机截割出整齐的断面,为掘进机巷道断面自动成型奠定了理论依据。     

基于嵌入式软PLC的掘进机控制系统设计

针对现有以普通PLC和专用控制器为核心的煤矿掘进机控制系统存在开发成本高、维护量大、跨平台移植难等问题,设计了一种基于嵌入式软PLC技术的掘进机控制系统,分析了系统的功能需求和实现原理,提出了以嵌入式软PLC为核心的控制系统架构。该系统通过实时操作系统的定制、软PLC运行时系统的移植及驱动组件的开发,实现了掘进机基本逻辑控制、全功能遥控和自动截割功能,可对掘进机状态进行实时监测,通过遥控器实现全功能远程遥控,通过设定断面形状、路径类型、巷道高度、巷道宽度和截割间距等参数实现巷道断面的自动截割成形等。相比于以PLC和专用控制器为核心的控制系统,采用嵌入式软PLC的掘进机控制系统可更好实现掘进机装备的标准统一和系统的组态开发,跨平台移植性好。测试结果证明该系统基本控制功能和遥控操作性能良好,自动截割断面边界最大误差小于10 cm。     

掘进机器人仿形截割建模与轨迹仿真研究

针对掘进机器人掘进过程中,尖峰负荷影响,及切割机构的非平稳振动,引起欠挖和超挖,机器损耗加剧等问题,以悬臂式掘进机巷道自动成形为研究对象,建立了掘进机仿形截割的动态数学模型,推导出截割头运动到半圆拱形巷道边界时,悬臂偏移角和油缸伸长量之间的通用公式,在使用数字液压缸按照所给巷道运动时,通过控制各个油缸伸长量来实现掘进机的自动控制机理。采用MATLAB软件仿真了截割头仿形截割运动过程,取得和实际工况相一致的结果,验证了模型的可行性和优越性,为掘进机器人研究奠定了通用的控制理论基础。     

悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统研究

针对目前煤矿井下掘进过程自动化程度低、掘进效率低、巷道成型质量差等问题,提出了一种悬臂式掘进机器人巷道成形智能截割控制系统。该系统结合巷道尺寸和截割工艺要求,基于三次多项式光滑函数的悬臂式掘进机器人关节空间轨迹规划方法,通过建立的悬臂式掘进机器人坐标系统及悬臂式掘进机器人运动学正问题与逆问题求解,确定轨迹规划光滑函数参数;规划好截割轨迹后,以视觉定位方法获得的悬臂式掘进机器人截割头位姿数据作为反馈量,基于反馈线性化积分滑模控制器的截割轨迹控制算法实时计算控制量,以规划轨迹点和视觉测量位姿点构建反馈控制系统,实现对悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的动态控制。实验结果表明,该系统能够实现悬臂式掘进机器人巷道成形截割过程的智能控制,定位精度高,稳定性好,轨迹跟踪误差小于25.61mm,可满足巷道成形质量需求。     

基于Power Panel和PCC的悬臂掘进机新型电控系统设计

分析了掘进机电控系统的功能需求;提出了一种以Power Panel和PCC为控制器的悬臂掘进机新型电控系统的设计方案,详细介绍了该新型电控系统的软、硬件设计和实现方法。该新型电控系统以PCC为下位机、Power Panel为上位机,具备巷道断面自动成形功能、截割臂恒功率自动牵引调速功能、机身位姿自动检测功能、定向掘进功能及全功能遥控,实现了巷道自动截割与定向掘进系统的计算机控制,为悬臂掘进机的自动化和智能化奠定了基础。实际运行结果表明,该系统控制效果良好。     

考虑煤岩硬度的悬臂式掘进机截割控制

煤岩硬度显著影响悬臂式掘进机空间运行状态,分析掘进机空间运行状态与煤岩硬度变化的关联性,有助于更好地实现悬臂式掘进机自动化截割控制。为提高截割控制精度,提出了一种考虑煤岩硬度的悬臂式掘进机截割控制方法。根据动力学原理获得了悬臂式掘进机空间运行状态与煤岩硬度变化的关系,得出随着截割头与目标点之间的距离、运动范围半径及动态角度增大,截割头的运行稳定性会相应提高。采用加权平衡的方式确定自动化控制参数,采用PID控制和闭环模糊控制方法实现掘进机自动化截割控制。实验结果表明,该方法横向控制和纵向控制都表现出较好的性能,掘进机截割头摆速在2 s内达到稳定值,动态工作稳定性好;悬臂式掘进机截割头回转和升降角度变化轨迹与期望轨迹之间的吻合度较高,整体偏离程度较小,控制精度较高。     

悬臂式掘进机截割断面极限位置分析

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Matlab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。     

纵轴式掘进机自动截割断面边界控制误差分析

为实现掘进装备的高精度自动截割、自主巡航,提出了一种纵轴式掘进机自动截割断面边界控制误差分析方法。明确了掘进机自动截割控制系统的误差来源,主要包括系统稳态误差、传感器精度、截割臂惯性、系统控制方法及其他非理论计算因素。对系统进行了仿真,结果表明负载干扰对系统的稳态特性影响较小,系统是稳定的。对各单项误差进行了计算,最终得到自动截割断面水平边界最大控制误差为71.30mm、垂直边界最大控制误差为55.27mm,达到《煤矿井巷工程质量检验评定标准》中规定的最高(优良)标准。进行了掘进机自动截割控制地面试验,实际测量得到系统断面水平边界最大控制误差为45mm、垂直边界最大控制误差为12mm。     

掘进机恒功率自适应调速与记忆截割系统研究

由于掘进机在进给过程中截割头工作面负载变化存在随机性且幅度很大,设计并开发一套以可编程序控制器为数据采集和控制核心,上位机采用组态软件构建远程监控系统的掘进机自适应控制系统,采用多信息融合技术综合分析负载的变化,实现恒功率自适应调速,同时采用记忆截割与自适应调节相结合的控制方法,在记忆截割的基础上根据反馈信号进行局部调节,更新记忆曲线,保证掘进机的恒功率进给,延长掘进机截割头的使用寿命.     

悬臂式掘进机机身位姿误差消除策略的研究

基于悬臂式掘进机机身位姿检测系统,提出了一种悬臂式掘进机机身位姿误差消除策略:根据悬臂式掘进机机身位姿检测系统所采集的数据,判断各方向位姿误差的大小;当误差较大时,通过控制履带、前铲板与后支撑对悬臂式掘进机整体进行调整,减小机身各方向误差;当误差减小到截割臂的控制补偿范围,根据当前位姿误差设定截割轮廓的正确位置并进行自动截割;解算出各方向剩余位姿误差的补偿量,根据补偿量在自动刷帮过程中控制截割断面的边界位置。该策略对实现自动定向掘进和掘进远程控制具有一定的参考价值。     

掘进机截割臂摆速自动控制方法研究

由于掘进巷道煤岩时有硬度急剧变化现象,人工操控难以及时有效改变掘进机截割臂摆速,会严重影响截割头截齿与截割电动机的使用寿命。针对该问题,在分析截割臂摆速v、截割电动机电流I和煤岩硬度f之间的关系的基础上,提出了基于PID技术的截割臂摆速自动控制方法,即将截割电动机额定电流与实际电流之差值(I0-I)作为输入变量,通过比例单元、积分单元和微分单元的线性组合,对控制电液比例阀阀口开度的电流I1进行控制,从而控制截割臂摆速;依据煤炭行业标准MT/T971—2005,提出了5%的控制精度标准。该控制方法达到了替代人工操控、有效保护截齿和截割电动机,并同时使得截割电动机始终满载恒功率工作的目的。     

悬臂式掘进机自动控制系统设计

针对目前悬臂式掘进机机身定位存在精度低、自动化控制性能差和工作效率低等问题,设计了悬臂式掘进机自动控制系统,详细介绍了系统硬件、软件的设计。该系统采用姿态检测技术和自动截割技术,实现了对悬臂式掘进机的精确截割与自动控制。     

悬臂式掘进机远程线控系统设计

当前传统的掘进机作业主要依赖掘进机司机位于机身手动操作。一方面,由于巷道掘进工作环境恶劣,瓦斯浓度较高,安全事故频发;另一方面,工作现场的粉尘、机体振动等因素给操作人员的工作带来了很大的困难,导致劳动强度较大,掘进效率难以有效保证。本文以实现悬臂式掘进机远程控制为主要目标,提出车体位姿定位控制策略,进行掘进机截割头空间轨迹测控方法的研究,建立截割臂空间位置参数数学模型,阐述基于PLC(可编程逻辑控制器)控制的掘进机远程线控系统,包括硬件系统和软件系统的设计研究。通过设计掘进机远程线控系统,以期能够长期适用于现场恶劣的采掘环境,让操作人员远离粉尘和现场危险地段,改善操作人员的劳动卫生环境,减少人员伤害事故,提高掘进作业的安全性。     

基于C7-636的悬臂式掘进机截割过程可视化监控系统

为解决掘进机在工作过程中粉尘大、操作者看不清截割头的实际位置而造成欠挖和超挖的问题,文章设计了一种基于C7-636的掘进机截割过程可视化监控系统,详细介绍了系统组成及可视化截割过程监控界面的实现,并给出了系统软件设计。该系统显示的曲线和数据,可为操作者提供实时信息,以减小掘进机在实际开凿巷道过程中的超挖与欠挖现象,提高施工质量。     

岩巷掘进机截割机构动载荷识别装置设计

针对现有超重型岩巷掘进机自动截割能力差、稳定性差以及截割动载荷实时识别难度大等问题,结合巷道开采的特点,设计了一种基于RBF神经网络的岩巷掘进机截割机构动载荷识别装置,详细介绍了该识别装置的硬件和软件设计。该装置以工控机为分析中心,通过对截割电动机电流和截割头振动的实时监测,利用多传感器融合技术和RBF神经网络方法进行信号处理和智能分析,实现截割岩石动载荷特征提取及识别,以达到对不同硬度岩石的有效区别。     

掘进自动截割成形控制系统动态特性分析

提出了基于传递函数模型的掘进自动截割成形控制系统动态特性分析方法,阐述了系统组成及主体结构,得出了系统中每一个基本元件组成环节的传递函数模型。对掘进机截割头水平运动时系统的动态特性进行了仿真实验,结果表明,系统传递函数是由比例、积分和二阶振荡环节组成的开环传递函数,为Ⅰ型系统;设计可调增益Kp=14时,系统输出响应效果较好,无超调,曲线平滑,且上升时间较短,为0.428s,调节时间为0.797s;系统不存在零点,其特征根都在S平面左半平面,具有正的幅值裕量和相位裕量,稳定性较好。对系统进行了现场试验,结果表明截割头垂直截割误差小于40mm,巷道截割断面单边定位精度小于50mm,巷道截割断面重复精度小于20mm。     

纵轴式掘进机截割头辅助设计软件开发及应用

基于煤岩截割机理及截割头设计理论,采用MATLAB与EXCEL开发纵轴式掘进机截割头辅助设计及载荷计算软件。该软件可绘制截齿排列图、载荷图以及切屑图,同时生成载荷TXT文本,为截割头参数化建模以及掘进机动态仿真提供数据。使用该软件可快捷研究各个设计参数对掘进机截割性能的影响,找到最优的截割头设计方案。以EBZ220型掘进机截割头的设计为工程对象,以截割比能耗最低为目标,找到最适合该型号掘进机的截割头设计参数,生成截齿排列均匀、结构合理的截割头实体模型。为纵轴式掘进机截割头设计提供了一种新的方法,具有重要的理论意义及工程应用价值。