專利名稱：基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦采掘裝備自動(dòng)化、檢測(cè)測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法。
背景技術(shù)：
懸臂式掘進(jìn)機(jī)不僅是煤礦巷道掘進(jìn)施工的主要設(shè)備，而且經(jīng)過技術(shù)改造后在鐵路隧道施工中也有廣闊的使用前景。巷道掘進(jìn)中，需要盡可能避免超采或欠采，不僅可以提高掘進(jìn)效率，也減少了各種事故發(fā)生的概率。超采或欠采均由斷面輪廓控制和巷道走向控制誤差導(dǎo)致，因此，掘進(jìn)機(jī)的位姿檢測(cè)和控制就成為確定巷道最終走向和斷面輪廓精度的關(guān)鍵因素之一。 目前，煤礦巷道的設(shè)計(jì)軸線由精確調(diào)整的激光指向儀指示，掘進(jìn)機(jī)操作員通過目視斷面上的激光光斑控制掘進(jìn)機(jī)截割頭在斷面上的截割位置，由于掘進(jìn)過程中工作面粉塵較大，作業(yè)現(xiàn)場光線差，特別是在截割巷道底板時(shí)，操作員的視線要受掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的遮擋，使得截割部在巷道掘進(jìn)過程中，其位置難于準(zhǔn)確判斷，給掘進(jìn)方向控制帶來很大困難，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、掘進(jìn)速度緩慢、生產(chǎn)效率低、巷道超采欠采現(xiàn)象嚴(yán)重，掘進(jìn)質(zhì)量很大程度上取決于操作員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度?；谏鲜霈F(xiàn)狀，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化成為行業(yè)發(fā)展方向，而掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化的前提就是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)方向的自動(dòng)檢測(cè)，這方面已有發(fā)明專利如公開號(hào)為CN 101629807A，名稱為“掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及其方法”的發(fā)明專利提出了一種掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)與方法，由線激光發(fā)射器、線激光發(fā)射器機(jī)架、激光標(biāo)靶、可編程計(jì)算機(jī)控制器、A/D轉(zhuǎn)換模塊和兩個(gè)傾角傳感器組成。線激光發(fā)射器由激光指向儀和線激光器機(jī)架定位，發(fā)出扇形激光束，在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上形成線形光斑。在任意時(shí)刻，由光敏元件組成的兩個(gè)激光標(biāo)靶上分別有一個(gè)位置的光敏元件感應(yīng)激光束并產(chǎn)生電流信號(hào)，其經(jīng)過激光標(biāo)靶內(nèi)部電路和可編程計(jì)算機(jī)控制器處理計(jì)算，確定激光束在激光標(biāo)靶上的位置，而激光標(biāo)靶在掘進(jìn)機(jī)上的安裝位置已知，從而得到掘進(jìn)機(jī)的偏向角和偏向位移。兩個(gè)傾角傳感器測(cè)量掘進(jìn)機(jī)的俯仰角和滾動(dòng)角，從而完成掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)測(cè)量。上述技術(shù)方案忽略了巷道掘進(jìn)中很重要的高差測(cè)量，高差測(cè)量和控制對(duì)于巷道掘進(jìn)的意義在于可以控制掘進(jìn)機(jī)沿設(shè)計(jì)的巷道頂板或底板進(jìn)行巷道掘進(jìn)，從而保證巷道的頂板和底板不被破壞，否則有可能引發(fā)難以預(yù)料的后果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)測(cè)量技術(shù)忽略了巷道掘進(jìn)中的高度測(cè)量，有可能造成巷道頂板底板破壞的問題，提供了一種基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)按照一般巷道掘進(jìn)工藝要求，截割頭高差定義為截割頭末端中心與線結(jié)構(gòu)光所在平面之間的距離。基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置、單軸傾角儀，一字線結(jié)構(gòu)光激光器，光敏組件以及激光指向儀；單軸傾角儀安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂上，其測(cè)量軸線與懸臂軸向一致；光敏組件由若干光敏單元線性排列而成，安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂上，光敏單元線性排列的走向與掘進(jìn)機(jī)懸臂軸向一致；一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀的位置關(guān)系滿足一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的光面即基準(zhǔn)平面包含激光指向儀發(fā)出的指向光束。具體來說一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀安裝在同一水平面上。具體來說一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀通過連接件相連接，也可不進(jìn)行物理連接，但應(yīng)保證激光指向儀光束在線結(jié)構(gòu)光形成的光面內(nèi)。計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身控制臺(tái)上?；蛘哂?jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置 替換為可編程邏輯控制器，安裝在掘進(jìn)機(jī)電控箱內(nèi)。一種基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)方法，其步驟如下 第一步，掘進(jìn)機(jī)到達(dá)截割位置并進(jìn)行斷面截割之前測(cè)量懸臂回轉(zhuǎn)中心相對(duì)基準(zhǔn)面的高
差，具體步驟為，
掘進(jìn)機(jī)懸臂向上抬起，直到掘進(jìn)機(jī)懸臂上安裝的光敏組件中某一光敏單元接收到一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的激光信號(hào)，數(shù)據(jù)采集裝置采集此時(shí)光敏組件的輸出信號(hào)，光敏組件的輸出信號(hào)為一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出光束與光敏組件交點(diǎn)到懸臂回轉(zhuǎn)中心的距離
￡，同時(shí)單軸傾角儀測(cè)得懸臂俯仰角cr，懸臂回轉(zhuǎn)中心與結(jié)構(gòu)光平面之間的高差Hd由下式
(I)得出，
= L■ ski ex(I)，
第二步，掘進(jìn)機(jī)開始截割后截割頭相對(duì)基準(zhǔn)面高差的實(shí)時(shí)測(cè)量，截割過程中，單軸傾角儀實(shí)時(shí)檢測(cè)懸臂的傾角％，截割頭在時(shí)刻I與懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的高差Ht，也即截割頭相對(duì)懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的實(shí)時(shí)高差，由下式(2)得出，
Ht = Lq. Sm at(2),
式中Ai為截割頭末端中心與懸臂回轉(zhuǎn)中心之間距離，可由掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)獲取，
截割頭在時(shí)刻I與基準(zhǔn)平面的高差H，也即截割頭相對(duì)基準(zhǔn)平面的實(shí)時(shí)高差，由下式
(3)得出，
H = H ⑶，
則截割頭末端中心在時(shí)刻I到巷道頂板、底板的距離、Hfl由下式(4)、(5)得出，
Htl = — Ht + H1(4)，
Hti = H2-HQ+Ht(5),
式中、 ζ為基準(zhǔn)平面與巷道頂板、底板間的距離。本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果如果巷道頂板或底板被破壞可能引發(fā)冒頂、透水等嚴(yán)重后果，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此煤礦巷道掘進(jìn)一般都有沿頂?shù)装寤蜓€掘進(jìn)的要求。本發(fā)明既可在現(xiàn)階段幾乎所有型號(hào)掘進(jìn)機(jī)上應(yīng)用以輔助掘進(jìn)機(jī)操作人員進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，也可用于未來掘進(jìn)機(jī)的無人作業(yè)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好、使用方便、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。本發(fā)明中高差檢測(cè)精度取決于光敏單元的尺寸及線結(jié)構(gòu)光在光敏單元上形成的線狀激光的線寬，以目前較為常用的元器件建立的測(cè)量裝置，其檢測(cè)精度可達(dá)厘米級(jí)。


圖I為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2為光敏組件結(jié)構(gòu)示意圖，
圖3為懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面高差測(cè)量原理示意圖，圖4為截割頭高差測(cè)量原理示意圖，
圖中1-掘進(jìn)機(jī)機(jī)身，2-掘進(jìn)機(jī)懸臂，3-巷道斷面，4- 一字線激光光斑，5-單軸傾角儀，6-光敏組件，7-激光指向儀光束，8-激光指向儀及一字線結(jié)構(gòu)光激光器，9-數(shù)據(jù)采集裝置，10-計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步說明。如圖I所示，本發(fā)明的系統(tǒng)組成包括計(jì)算機(jī)10及數(shù)據(jù)采集裝置9(可替換為可編程邏輯控制器)，單軸傾角儀5，一字線結(jié)構(gòu)光激光器，光敏組件6，激光指向儀等。單軸傾角儀5安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂2上，其測(cè)量軸線與掘進(jìn)機(jī)懸臂軸向一致，用于檢測(cè)懸臂俯仰角度；光敏組件6由大量光敏單元線性排列而成，安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂上，線性排列的走向與掘進(jìn)機(jī)懸臂方向一致，用于接收一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的光信號(hào)；一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀通過連接件相連接并可在安裝好激光指向儀后調(diào)整一字線結(jié)構(gòu)光激光器使其發(fā)出的結(jié)構(gòu)光平面水平且包含激光指向儀所發(fā)出指向光束；計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身控制臺(tái)上，或替換為可編程邏輯控制器安裝在掘進(jìn)機(jī)電控箱內(nèi)，用于采集單軸傾角儀、光敏組件等傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)軟件處理和計(jì)算，得到懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面于結(jié)構(gòu)光平面之間的高差。結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀可以不進(jìn)行物理上的連接，但必須安裝在同一水平面并保證結(jié)構(gòu)光激光器使其發(fā)出的結(jié)構(gòu)光平面水平且包含激光指向儀所發(fā)出指向光束，由此將激光指向儀所確定的高度基準(zhǔn)傳遞到結(jié)構(gòu)光激光器所形成的激光平面上來。如圖2所示，光敏組件由光敏元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。按照設(shè)計(jì)，光敏組件僅對(duì)結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的特定波長的激光敏感，并且，光敏組件中不同位置接收到結(jié)構(gòu)光后輸出的信號(hào)也不同。按照一般巷道掘進(jìn)工藝要求，截割頭高差定義為截割頭末端中心與結(jié)構(gòu)光所在平面之間的距離，其中，結(jié)構(gòu)光平面水平且包含激光指向儀所發(fā)出指向光束。巷道的頂板和底板是經(jīng)過地質(zhì)勘探確定的，激光指向儀的指向一旦確定即作為基準(zhǔn)，與巷道的頂板底板形成確定的關(guān)系，具體關(guān)系取決于頂板底板之間距離及激光指向儀的懸掛高度。
本發(fā)明中截割頭高差測(cè)量分兩步，第一步是掘進(jìn)機(jī)到達(dá)截割位置并進(jìn)行斷面截割之前測(cè)量懸臂回轉(zhuǎn)中心相對(duì)基準(zhǔn)面的高差測(cè)量；第二步是掘進(jìn)機(jī)開始截割后截割頭相對(duì)基準(zhǔn)面高差的實(shí)時(shí)測(cè)量。這種測(cè)量方式是基于一個(gè)斷面截割過程中機(jī)身(包括懸臂回轉(zhuǎn)中心)高差不改變，其改變一般發(fā)生在掘進(jìn)機(jī)從一個(gè)截割位置行進(jìn)到下一個(gè)截割位置的過程中的事實(shí)，如果在特定環(huán)境下這一條件不滿足的話也可在一個(gè)斷面截割過程中多次重復(fù)上述第一步的工作。工作原理如圖3所示，進(jìn)行上述第一步測(cè)量時(shí)，掘進(jìn)機(jī)懸臂向上抬起，直到懸臂上安裝的光敏組件中某一光敏單元接收到一字線激光器發(fā)出的激光信號(hào)，數(shù)據(jù)采集裝置采集此時(shí)光敏組件的輸出信號(hào)，與單軸傾角儀檢測(cè)到的懸臂俯仰角一起計(jì)算懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面與結(jié)構(gòu)光平面之間的距離，即機(jī)身高差。如圖4所示，獲得懸臂回轉(zhuǎn)中心相對(duì)基準(zhǔn)面之間的高差后，即可開始進(jìn)行斷面截害I]，截割過程中，單軸傾角儀實(shí)時(shí)檢測(cè)懸臂的傾角，利用已知的懸臂結(jié)構(gòu)長度。即可計(jì)算截割頭相對(duì)懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的實(shí)時(shí)高差，從而可計(jì)算截割頭相對(duì)基準(zhǔn)面的實(shí)時(shí)高 差。具體計(jì)算方法如下
假設(shè)單軸傾角儀測(cè)得懸臂俯仰角為《，一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出光束與光敏組件交點(diǎn)到懸臂回轉(zhuǎn)中心的距離為ζ，懸臂回轉(zhuǎn)中心到截割頭末端中心的距離是Α)，截割過程中某
時(shí)刻！懸臂俯仰角為則懸臂回轉(zhuǎn)中心與結(jié)構(gòu)光平面之間的高差 H0 = L - sm a ；
截割頭在時(shí)刻I與懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的高差為
Ht = ￡0 - sin at
截割頭在時(shí)刻 與基準(zhǔn)平面的高差為
H = H0- Ht
假設(shè)基準(zhǔn)平面與巷道頂板、底板間的距離分別為if、#,則截割頭末端中心在時(shí)刻I到巷道頂板、底板的距離分別為
ZffI = Zfj _ H。+Zfi。實(shí)施例
設(shè)單軸傾角儀測(cè)得懸臂俯仰角為Oi= 35°,—字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出光束與光敏組件交點(diǎn)到懸臂回轉(zhuǎn)中心的距離為￡=2.13 m,懸臂回轉(zhuǎn)中心到截割頭末端中心的距離是
La = 2.8 m,激光指向儀即基準(zhǔn)平面與巷道頂板、底板之間的距離分別為=
則懸臂回轉(zhuǎn)中心與結(jié)構(gòu)光平面之間的高差 Hn = 1.22 m ；
設(shè)截割過程中某一時(shí)刻懸臂俯仰角為A = 20° ,則截割頭在此時(shí)與懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的高差為Ht=0.96 m；
貝U，此時(shí)截割頭末端中心與基準(zhǔn)平面之間的高差為 H = 0.26 m ；
截割頭末端中心在時(shí)刻 < 到巷道頂板、底板的距離分別為— I, idlfe In ; Htl - 3.74 m。
權(quán)利要求
1.一種基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于包括計(jì)算機(jī)(10)、數(shù)據(jù)采集裝置(9)、單軸傾角儀(5)、一字線結(jié)構(gòu)光激光器、光敏組件(6)以及激光指向儀；單軸傾角儀(5)安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂(2)上，其測(cè)量軸線與掘進(jìn)機(jī)懸臂軸向一致；光敏組件(6)由若干光敏單元線性排列而成，安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂(2)上，光敏單元線性排列的走向與掘進(jìn)機(jī)懸臂軸向一致；一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀的位置關(guān)系滿足一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的光面即基準(zhǔn)平面包含激光指向儀發(fā)出的指向光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀安裝在同一水平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身控制臺(tái)上。
4.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置，其特征在于計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置替換為可編程邏輯控制器，安裝在掘進(jìn)機(jī)電控箱內(nèi)。
5.一種基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)方法，其步驟如下 第一步，掘進(jìn)機(jī)到達(dá)截割位置并進(jìn)行斷面截割之前測(cè)量懸臂回轉(zhuǎn)中心相對(duì)基準(zhǔn)面的高差，具體步驟為， 掘進(jìn)機(jī)懸臂(2 )向上抬起，直到掘進(jìn)機(jī)懸臂(2 )上安裝的光敏組件(6 )中某一光敏單元接收到一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的激光信號(hào)，數(shù)據(jù)采集裝置(9)采集此時(shí)光敏組件的輸出信號(hào)，光敏組件的輸出信號(hào)為一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出光束與光敏組件交點(diǎn)到懸臂回轉(zhuǎn)中心的距離￡，同時(shí)單軸傾角儀(5)測(cè)得懸臂俯仰角Qf，懸臂回轉(zhuǎn)中心與結(jié)構(gòu)光平面之間的高差I(lǐng)q由下式⑴得出， /Z0 = Zi- sm α·(I)， 第二步，掘進(jìn)機(jī)開始截割后截割頭相對(duì)基準(zhǔn)面高差的實(shí)時(shí)測(cè)量，截割過程中，單軸傾角儀實(shí)時(shí)檢測(cè)懸臂的傾角仏，截割頭在時(shí)刻I與懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的高差,也即截割頭相對(duì)懸臂回轉(zhuǎn)中心所在水平面的實(shí)時(shí)高差，由下式(2)得出，Ht=L0- sin at⑵，式中￡Q為截割頭末端中心與懸臂回轉(zhuǎn)中心之間距離， 截割頭在時(shí)刻I與基準(zhǔn)平面的高差H，也即截割頭相對(duì)基準(zhǔn)平面的實(shí)時(shí)高差，由下式(3)得出， H = Hfj - Ht (3)， 則截割頭末端中心在時(shí)刻I到巷道頂板、底板的距離Htl、Ht2由下式(4)、(5)得出， Htl = Hli - Ht + H1(4)， Htl^ H2-H ,+Ht(5), 式中#、丑2為基準(zhǔn)平面與巷道頂板、底板間的距離。
全文摘要
本發(fā)明屬于煤礦采掘裝備自動(dòng)化、檢測(cè)測(cè)量的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于線結(jié)構(gòu)光的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭高差自動(dòng)檢測(cè)裝置及方法，解決了現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)測(cè)量技術(shù)可能造成巷道頂板底板破壞的問題。其單軸傾角儀安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂上，光敏組件由若干光敏單元線性排列而成，安裝在掘進(jìn)機(jī)懸臂上，一字線結(jié)構(gòu)光激光器與激光指向儀的位置關(guān)系滿足一字線結(jié)構(gòu)光激光器發(fā)出的光面即基準(zhǔn)平面包含激光指向儀發(fā)出的指向光束。檢測(cè)方法，步驟為掘進(jìn)機(jī)到達(dá)截割位置并進(jìn)行斷面截割之前測(cè)量懸臂回轉(zhuǎn)中心相對(duì)基準(zhǔn)面的高差，掘進(jìn)機(jī)開始截割后截割頭相對(duì)基準(zhǔn)面高差的實(shí)時(shí)測(cè)量，然后計(jì)算。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好、使用方便、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102829727SQ201210312009
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者田原, 于向東, 侯林, 張夢(mèng)奇, 袁曉明, 呼守信, 鮑文亮, 王德光, 李仁杰, 彭利明 申請(qǐng)人:中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院, 山西天地煤機(jī)裝備有限公司