自动截割技术的研究( 稿件)
掘进机自动化截割技术的研究
汪晓光荣清白李文泷
(三一重型装备有限公司研究院, 辽宁沈阳110027)
摘要：掘进机是煤矿巷道开拓的主要设备，是衡量一个煤炭生产企业机械化程度的一个重要指标，随着先进生产加工技术的出现，掘进机也朝着智能化方向发展，一批具有先机技术的掘进机不断被客户认可。为煤矿安全生产提供有力保证。
关键词：掘进机巷道自动化
Improvement in the design of roadheader applied to
the soft mudstone tunnel
Wang Xiaoguang
(Sany Heavy Equipment CO, LTD Academy, Shenyang Liaoning 110027)
Abstract:The soft mudstone mainly refers to roadway tunnel floor, roof, the main component of total shale and mudstone ,in contact with water, it will become a mud on the roadway development, coal mine safety in production will have a serious impact, this paper aimed at the soft mudstone roadway characteristics, some improvements in the design of measures to raise roadheader applied to the soft mudstone tunnel.
Key word: Mudstone Roadway roadheader
1、目前国内掘进机的发展现状
随着煤炭开采技术的不断发展，煤矿采掘设备也不断进步，一些先进技术不断被应
用到掘进机上。佳木斯煤矿机械有限公司的EBH350横轴掘进为代表，截割功率达到了
350Kw,山西煤机装备有限公司的EBZ260采用了安装了进口CFT湿式除尘风机，张家口第三煤矿机械有限公司与兰花汉斯合作，推出了具有瓦斯主动抑爆功能的掘进机。
但由于井下工作环境恶劣，冒顶、偏帮事件时有发生。掘进机工作时产生的粉尘也
给掘进机的操作人员和煤矿安全生产极大危险对掘进机上的操作人员影响很大。目前在
巷道除尘方面普遍使用湿式除尘风机，利用长压短抽的工作原理。由于硬岩掘进机在巷
道施工过程中，截割岩石会产生的很多粉尘量。除尘风机的吸风筒就布置在操作台旁边，
噪声很高。掘进机自身截割时，也会有视觉盲点。综上所述，引入自动截割功能，可以
弥补目前掘进机存在的问题，也可以提供工作安全性和工作效率。
本人作者主要介绍了数控加工过程、运动控制器技术、传感器技术在掘进机上实现
过程。并提出具有自动化功能的智能掘进机。
2、自动截割技术的研究
○1、掘进机在巷道中定位
掘进机是巷道开拓使用的设备，本身具有截割、行走、收料、运输等功能。掘进机在巷道中的工作位置，对掘进机工作效率影响很大。根据巷道特点和实际工况，掘进机在工作时位置，主要分为以下两种
图1：掘进机对心工作图2：掘进机偏心工作状态图中各参数含义：
a 巷道宽度参数；
e 掘进机轴线与航道轴线的偏心距离；
α掘进机水平截割时，回转角度
β掘进机水平截割时，最大回转角度
其他工作方式都可以向这两种方式进行转换，其中，第二种工作方式由于掘进机处于偏心工作状态，掘进机在水平截割的最大回转角度和最小回转角度时，掘进机受到的倾覆力矩相差很大。导致掘进机工作时，震动强烈，噪声大。不利于掘进机截割硬岩，推荐采用掘进机对心工作状态，或偏心e尽量小。
○2、截割断面尺寸的确定
图3：掘进机截割断面图
图3中标注了不伸缩式硬岩掘进机的理论截割范围和实际截割范围，其中，理论截割面积是截割部以回转台为中心的工作切削球面在垂直巷道方向上的投影。只要实际截割范围在理论截割范围内，掘进机都可以在更换工作位置的情况下，即可以完成一个工作循环的截割，截割路线采用预编程方式，将截割参数存储在DSP的ROM/RAM中，掘
进机操作者根据给出的巷道断面参数，就可以判断出工作路线和工作循环次数， 图中字母代表的含义：
A ，
B ，
C ，
D 分别代表拱形巷道的断面参数
H ：表示巷道的高度；h:表示掘进机卧底深度
a:表示行的宽度；e:表示掘进机中心与巷道中心的偏距
根据自动截割技术，需要对截割头的行进路线和巷道参数进行设置，因大过巷道在开拓时，都采用拱形巷道。在进行直接截割时，截割头按预编程的截割路线进行工作，为实现巷道断面一次成型，需要对为方便进行圆弧差别计算，特选用复平面数控圆弧求解方法。具体过程如下：
图4： 巷道断面坐标图
插补过程按曲线方向由A →B, 具体计算过程如下：
A(xa,ya), B(xb,yb) ,在复平面内的坐标为
ZA=xa+ya ī
ZB= xb+yb ī
AB=ZB －ZA=（xb-xa ）+(yb-ya) ī
长度 |AB|=22)()(yz yb xa xb -+-
单位向量 ab=||AB Xb Xa -+|
|AB ya yb - AB 中点M 坐标，M(xm,ym)
ZM=xm+ym ī=2xb xa ++2
ya yb -ī 圆心坐标O （xo ，yo ）
Zo= xo+yo ī
向量MO=Z0-Zm=(x0-xm)+(y0-ym) ī
模
因向量 Xo=xm+|AB MO |(yb-ya)
Yo=ym+|
MO|(xb-xa)
AB
通过上面的计算可以得出，只要给出巷道的断面尺寸参数A、B、C、D四点的参数坐标。就可以在复平面内，通过坐标变换，计算出圆心坐标，为后续的圆弧差别计算提供基础。根据A点、B点坐标和巷道高度H。就可以自动确定圆弧差别的路径。
○3、截割断面参数及切割轨迹设置
图5：截割轨迹
如图所示，掘进机截割头在开始截割时，初始位置为A点,系统将此点坐标信息存储到RAM中，根据截割头的高度，系统需要计算出上截割工作循环次数N和下截割工作循环次数M,数字1为上截割曲线，当上截割完成后，系统调用存储器上存储的截割头初始位置坐标。截割部自动恢复初始位置。系统调用下截割曲线2，最后系统完成截割轨迹3，完成以O为圆心的圆弧查补截割。一次截割工作循环完成。
1：上截割工作循环轨迹；2：下截割工作循环轨迹
3：巷道修边，弧顶插补截割轨迹
M：上截割工作循环次数
N:下截割工作循环工作次数
○4、D SP控制器通信方案
本文给出了一种运动控制器的通信方案，具体如下：
运动控制器首先对运动指令（来自终端遥控器），进行解析，并送入FPGA（现场可编程门阵列）RAM/ROM中，一方面，DSP上的数据线将这些数据读出，并进行插补计算。得出理论位置值，令一方面，DSP从范围装置上读出掘进机截割部实际位置的反馈值，计算出两者之间的误差，并进行调节、校正给出下一步的运动输出量。计数器用于读取反馈装置反馈回来的计数脉冲量和方向信号，控制信号线用于接受读取信号和时钟信号。
控制信号线
计数器
图6：通信方式示意图
采用闭环控制，可以提高系统的控制精度高。
3、掘进机自动截割技术研究
将数控加工技术、传感器技术、运动控制器DSP技术应用于掘进机上，就形成了具有自动截割功能的智能化掘进机，该设备除具有以往掘进机的功能外，还拥有截割路线记忆截割功能，巷道断面显示功能，巷道自动修型功能、岩石自动判别功能。
4、总结和市场展望
本文介绍了数控技术、运动控制器技术在掘进机上使用的具体过程，具有智能化、自动化的掘进机是未来煤矿机械发展的一个方向，也是市场竞争日益激烈的环境下，煤矿机械生产企业发展的根本。
参考文献：
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［3］卢艳军，林浒，许朝辉等.2004.开放式数控系统体系结构的开发研究[J].东北大学学报：自然科学版，25（9）：891-894
作者简介：汪晓光男1982年2月18日出生于黑龙江省，2006年7月毕业于沈佳木斯大学机械设计制造及其自动化专业，本科学历。现任沈阳三一重型装备有限公司岩巷掘进机研究院机械工程师，从事硬岩掘进机产品研发工作。电话：024-******** 邮箱：wangxg1229 @https://www.wendangku.net/doc/fc11023932.html,