悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量系统改进

基于红外LED特征的悬臂式掘进机截割头位姿视觉测量系统中,外参标定稳定性和红外 LED光斑中心提取精确性对截割头位姿检测精度具有重要影响。现有外参标定方法需依靠经验将截割臂摆至正中位置(未知),标定结果存在较大波动。针对该问题,提出了一种基于多点固定的外参标定方法,该方法控制掘进机截割臂分别摆动到左上角、右上角、左下角、右下角4个已知极限位置并采集标靶图像,计算外参矩阵值,可有效提高外参标定稳定性。现有的灰度质心法采用像素的灰度值作为权重来计算光斑质心,精度只能到像素级,仅粗略满足实际应用需求。针对该问题,提出采用亚像素级边缘检测算法改进光斑中心提取方法：首先采用灰度质心法进行光斑中心粗提取,然后采用亚像素级边缘检测算法求出亚像素级边缘坐标,最后使用最小二乘法拟合光斑中心,实现光斑中心精确提取。实验结果表明：改进光斑中心提取方法将标靶LED灯间距最大测量误差从3.2 mm缩小为1 mm,提高了检测精度;基于多点固定的外参标定方法所获得的外参数矩阵比较稳定,平移矩阵中位移的最大变化幅度为15 mm,旋转矩阵中角度的最大变化幅度为1°;视觉测量系统改进前对截割头摆角的测量误差范围为［-1.2°,1.7°］,改进后截割头水平摆角误差范围为［-0.5°,0.5°］,垂直摆角误差范围为［-0.6°,0.6°］,说明改进方法有效提高了截割头摆角的检测精度。     

悬臂式掘进机截割臂互换性设计

针对现有掘进机多采用单一的横轴式或者纵轴式整机,对不同岩层掘进工作的适应能力差等问题,提出一种面向不同岩层的掘进机截割臂互换性设计方案。对纵、横轴式2种掘进机的结构特点与性能进行了对比分析;针对2种截割臂工作模式的特点,分别设计了相应的截割减速器。Solidworks仿真结果表明,与单一横轴式或者纵轴式掘进机相比,采用互换式截割臂结构可有效提高掘进机对不同岩层截割工作的适应能力,提高掘进效率,节省设备运输及使用成本。     

悬臂式掘进机截割机构振动特性研究

悬臂式掘进机工作中常会遇到煤层硬度突然变大,使截割机构发生异常,甚至导致截齿断裂、减速器齿轮受损、截割电机转子不平衡等故障,为了实现对掘进机截割机构运行状态的远程监控,在分析掘进机截割机构工作原理及重要部件频率特征的基础上,提出了采用Hilbert-Huang分析方法的掘进机截割机构异常振动特性研究,在MATLAB中进行了仿真,得到了截齿断裂、减速器齿轮断齿、截割电机转子不平衡状态下振动信号的频谱特征和能量特征,为实现掘进机截割机构运行状态的远程监控奠定了基础.     

悬臂式掘进机截割机构状态诊断策略研究

悬臂式掘进机工作中常会遇到煤层硬度突然变大,使截割机构发生异常,甚至导致截齿断裂、减速器齿轮受损、截割电机转子不平衡等故障.为了实现对掘进机截割机构运行状态的远程监控,在分析掘进机截割机构工作原理及重要部件频率特征的基础上,采用Hilbert-Huang分析方法,在MATLAB中仿真得到了四种不同状态下振动信号的频谱特征和能量特征,基于支持向量机算法设计了系统的多故障分类器,通过仿真测试验证了上述分类器能有效地诊断出系统的故障部件,为实现掘进机截割机构运行状态的远程监控奠定了基础.     

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。     

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。     

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。     

纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析

针对现有掘进机截割头载荷特性研究方法采用单一影响因素不能全面反映截割头载荷及其波动变化规律的问题,通过分析截割头瞬时载荷,确定了纵轴式掘进机在水平截割工况下截割头载荷的主要影响因素有截割岩石特性、截割头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头转速和截割臂摆速。针对某纵轴式掘进机水平截割工况,采用Matlab对影响截割头载荷的多种因素进行仿真分析,得到了各向载荷及其波动随各因素的变化规律:截割头载荷随着岩壁普氏系数的增大而增加,其中横向阻力增加尤为明显,横向阻力波动程度高于其他方向载荷,且随着岩壁普氏系数的增大呈减小趋势;随着截割头掏槽深度的增加,截割头各向载荷近似呈线性增加,其中升力增加幅度最大,各向载荷波动则随着截割头掏槽深度的增大而减小;随着吃刀深度的增加,截割头载荷总体呈增大趋势,载荷波动程度则随之减小;在截割头转速一定的情况下,截割头载荷均随着截割臂摆速的增加而增大,在同一摆速下,截割头载荷随着截割头转速的减小而增大,横向阻力波动明显高于升力和推进阻力波动,横向阻力和推进阻力波动按截割头载荷规律变化,升力波动则与之相反。截割头载荷波动变化规律与截割头载荷变化规律不尽一致,有时甚至相互冲突。因此,掘进机作业过程中应合理选择截割头掏槽深度、吃刀深度等操作参数和截割头转速、截割臂摆速等运动参数,使各参数相互匹配,以减小掘进机振动,延长使用寿命。     

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。     

基于Matlab的纵轴式掘进机截割头切削过程的模拟研究

介绍了理论截槽以及切屑图的绘制原理,使用Matlab编程实现了截割头切削过程的模拟,画出了切屑图,并给出了每一个截齿在不同工况下的切屑面积和偏载荷系数。应用该程序可快速判断截齿排列在给定的截割参数下是否合理,为截齿排列的设计和检验提供了手段。     

煤岩特性对掘进机截割头载荷的影响分析

针对煤岩条件对掘进机截割头载荷的影响问题,提出采用有限元仿真方法对截割头截割过程进行动态仿真分析。以煤岩普氏系数为煤岩特性参数,经仿真得到不同煤岩条件下的截割头动态载荷,通过分析得到了截割头三向力随煤岩普氏系数的变化规律,即截割头载荷随煤岩普氏系数的增加而增大,且当煤岩的普氏系数增大到一定程度时,截割头的牵引阻力将成为截割头的最大载荷,而侧向力一直处于较低的水平。     

悬臂式掘进机切割头位置检测方法研究

分析、比较了几种常用的悬臂式掘进机切割头位置检测方法,得出了如下结论:基于编码器的位置检测方法便于在现有掘进机上安装,是目前比较成熟的检测方法,但现场防护困难;基于油缸行程的位置检测方法现场所需空间小,维护量少,但要对现有掘进机油缸重新设计,对油缸的可靠性要求较高。这一结论对采掘设备回转机构的位置检测有一定的借鉴意义。     

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。     

基于机器视觉的矿用悬臂掘进机自主定位关键技术的研究

针对传统的悬臂式掘进机极少带定位,主要依靠人工放线来确定方位和角度,且目前井下导航技术受恶劣工况影响,存在精度不高、定位不准确等问题,本文采用机器视觉技术提出了一种悬臂式掘进机自动定位与导航技术的理念,促进井下推进设备的自动定位和轨迹收集。本文主要介绍了悬臂掘进机自动定位与导航技术的原理,对硬件设施进行了理论求证,以及加设配套定位统与程序的理念描述。按照机器视觉技术的应用,预计定位精度可达厘米级,总定位偏差非常小,应用效果较为可观,以期为后期实现煤矿井下设备的智能控制和无人化管理提供参考。     

基于激光导向器的悬臂式掘进机位置姿态自动测定方法

掘进机位置及姿态的自动测定是掘进机自动控制中的关键问题之一。文章结合悬臂式掘进机的结构和工作方式,分析了悬臂式掘进机位置及姿态对巷道掘进的影响,提出了一种基于激光导向器的悬臂式掘进机位置姿态自动测定方法,并分析了该方法的可行性。     

截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律分析

为研究悬臂式掘进机截割过程中截割头载荷对机身偏向角的影响规律,建立了掘进机机身偏向角动力学模型,根据模型求解的输入问题,提出了一种截割头载荷计算方法,并通过仿真计算得到截割头载荷与驱动油缸压力及悬臂截割位置之间的关系。对掘进机截割过程中机身偏向角的变化进行了仿真分析,得到了不同工况下和不同悬臂截割位置时截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律:横向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而增大,且在悬臂水平摆角为14°时达到最大值;纵向截割工况下,机身偏向角随截割头载荷的增大而减小,且悬臂垂直摆角越大,机身偏向角越小。     

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。     

悬臂式掘进机俯仰角调控系统仿真研究

目前掘进机俯仰角检测误差主要通过人工控制掘进机前铲板、后支撑来补偿,补偿范围十分有限,且效率低下,控制精度与自动化程度较低。针对该问题,建立了悬臂式掘进机俯仰角与执行机构数学模型,确定了通过PID控制器控制掘进机前铲板与后支撑液压缸位移实现掘进机位姿调整的方法;利用AMESim建立掘进机执行机构的完整液压模型,仿真结果表明,俯仰角调控系统响应时间小于3s,液压缸位移控制误差小于2mm,验证了系统的基本性能;Simulink仿真结果验证了俯仰角调控系统响应时间短、跟踪误差小,且具有较好的动态跟踪性能。     

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。