专利名称：全自动掘进机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及煤矿用掘进机设备，具体地说是一种全自动掘进控制系统。它可实现全自动掘进操作，可以减少人为因素的影响，使掘进巷道更准确。
背景技术：
目前，一般的掘进机进给都是依靠煤矿工人手动操作，来控制设备完成掘进任务的。但是由于矿井内工作环境恶劣，体力消耗大，手动操作使煤矿工人承担较大的劳动强度，同时也增加了煤矿工人在井下操作的危险性。所以，非常需要一种全自动掘进操作机械，来提高工作效率，降低操作者的劳动强度。
实用新型内容为了克服上述不足，本实用新型的目的在于提供一种工作效率高、能大大降低操作者劳动强度的全自动掘进机。
本实用新型解决其技术问题所采用的方案是由地测数据生成掘进机的运动轨线及航天导航定位仪实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机实施位置控制，实现自动寻迹功能，包括 上位机，存有系统管理程序；接收航天导航定位仪上传数据，通过CAN-BUS传输接口与下位机通讯； 航天导航定位仪，由测量单元和各种传感器组成，将传感器采集到的各种信息传送到测量单元进行信号处理，将掘进机特征提取值和导航计算值通过RS-232接口传送到上位机进行数据特征融合； 下位机，以两个运动控制器(主运动控制器和辅助运动控制器)为核心，作为控制部分；通过RS-232接口与航天导航定位仪与上位机的通讯，实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，由下位机对掘进机实施位置控制，实现自动寻迹功能；运动控制器根据预存在上位机里的地测数据及航天导航定位仪所提供的本地数据及自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，以及掘进机和截割头的当前位置通过执行机构对掘进机和截割头进行实时控制，实现自动掘进机的自动开采。
其中所述主运动控制器，存有下位机控制程序，控制与液压回路液压换向阀相连的电磁阀，控制液压马达的运行及转向，从而控制掘进机的左前进、左后退、右前进、右后退、星轮正转及星轮反转；经第一～八继电器的线圈的常开接点分别与油泵电机、高速截割电机、低速截割电机，二运电机、以及循环泵电机回路的第一～五真空接触器的线圈相连，从而实现对各电机的控制； 倾角传感器，分别接收截割臂的倾角的检测信号及掘进机铲扳的倾角信号，经CAN总线发送随之发生变化的数据至上位机； 综合转换电路，作为显示器与CAN总线的RS-422/CAN的转换电路； 旋转编码器，接收截割臂的摆转角度信号，经CAN总线上发送随之发生变化的数据至上位机； 航天导航定位仪，接收传感器信号，经过信号预处理，将结果传送到上位机； 遥控接收器，接收遥控发射器的指令，并将控制指令发送到CAN总线上，通过CAN总线传送到主运动控制器； 脉冲位移传感器，安装在截割头伸缩油缸内部、用来截割头的伸缩位置，输出的电流信号至航天导航定位仪； 辅助运动控制器经继电器及电磁水阀来控制水路，实现截割时的冷却和灭尘。
本实用新型的有益效果是 1.工作效率高是本实用新型的显著特点。采用本实用新型可以达到无人化自动掘进，运行中的水平度、方位自动判断，掘进进程优化控制，环境状态的智能识别，所以大大提高了工作效率。
2.降低劳动强度、保证安全生产。本实用新型采用遥控器对掘进机的工作进行控制，使井下操作人员在任何方便和安全的位置控制掘进机，克服了现有技术因矿井内工作环境恶劣、体力消耗大、手动操作使煤矿工人承担较大的劳动强度的不足，同时也消除了煤矿工人在井下操作的危险性。
与现有技术相比，本实用新型更具有如下主要功能 (1)自主定位寻迹功能由地测数据生成掘进机的运动轨迹及惯性导航系统，实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机实施位置控制，实现自动寻迹功能。
(2)自动开采功能由地测数据及航天导航定位仪(Inertia MeasureUnit，IMU)惯测所提供的本地数据，自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，即截割断面变成由许多点组成的网格，根据航天导航定位仪提供的截割头在虚拟的载体坐标系的位置坐标及截煤工艺发出伸缩或偏移命令，命令传给掘进机控制系统，通过对截割头的位置控制，实现自动开采。
(3)手动控制功能基于不能自主识别开采面地质层异常状态，因此保留原机手动控制功能。
(4)环境状态的智能识别功能当掘进机遇到硬岩或大块落煤的情况时，掘进机将根据检测的数据自动进行判别截割环境的状态，并根据截割环境来控制截割头的移动速度和截割速度。
图1-1为硬件系统方案总图。
图1-2为图1-1中航天导航定位仪与上位机和下位机的连接结构图。
图2-1为系统管理程序结构框图。
图2-2-1为上位机中系统管理主程序流程图。
图2-2-2为主程序中自检子程序流程图。
图2-2-3为主程序中行驶状态及调整轨迹子程序流程图。
图2-2-4为主程序中检查截割状态子程序流程图。
图3-1为下位机控制程序结构框图。
图3-2-1为控制主程序流程图。
图3-2-2为电机运行控制中油泵控制子程序流程图。
图3-2-3为电机运行控制中截割电机控制子程序流程图。
图3-2-4为控制主程序中的输出显示子程序流程图。
图3-2-5为控制主程序中数据采集与处理子程序流程图。
图3-2-6为控制主程序中报警输出控制子程序流程图。
图4为电气主回路原理图。
图5为控制部分电路原理图(含主运动控制器)。
图6为控制部分电路原理图(含辅助运动控制器)。
图7为控制部分电路原理图(含第一～二倾角传感器、综合转换电路、旋转编码器、航天导航定位仪、遥控接收器、脉冲位移传感器)。
图8为控制电源回路原理图。
图9为控制部分电源电路原理图。
图10为电控箱结构示意图(内部)。
图11为遥控发送器面板示意图(布局)。
图12为掘进机坐标位置控制原理框图。
图13为截割头坐标位置控制原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
考虑到设备原机的继承性，系统控制精度、成本、周期及其它主机性能指标，总体设计思想为基于多传感器信息融合技术，惯性测量方式，对被控对象自主寻迹，实现环境的智能识别。同时基于优化控制技术，寻求设备效率的最大化，并通过计算机图形技术，建立良好的人机环境。
包括上位机、下位机、航天导航定位仪、驱动机构、执行机构及机械部分，其中 驱动机构由液压泵、截割电机、油泵电机等组成； 执行机构由液压换向电磁阀、液压油缸、液压马达等组成； 机械部分由本体部、截割部、铲板部、第一运输部、行走部及后支撑部等组成。
考虑到设备的可靠性，均选用国外知名公司产品，硬件系统同时冗余多个采集通道及传感器(具体参见控制部分说明)。
上位机(存有系统管理程序)、下位机以及航天导航定位仪都放在电控箱内，下位机由两个运动控制器(本实施例采用芬兰EPEC公司生产的SPT-K-2023作为主运动控制器和SPT-K-2024作为辅助运动控制器)组成，作为控制部分；如图1-1、1-2所示，上位机采用工控机的主板(系统管理主程序)和接口，具有RS-232和CAN-BUS传输接口，RS-232用于航天导航定位仪(测量单元和各种传感器组成)与上位机的通讯，将传感器采集到的各种信息传送到测量单元进行信号处理，将掘进机特征提取值和导航计算值通过RS-232接口传送到上位机进行数据特征融合，然后上位机通过CAN-BUS传输接口与下位机通讯，将导航数据即掘进机惯性空间绝对位置坐标、掘进机的性态特征(掘进机的姿态特征)以及截割头的位置(即相对截割头于掘进机本体的惯性空间绝对位置)坐标传送到下位机，即传送到两个运动控制器中，运动控制器根据预存在上位机里的地测数据及航天导航定位仪所提供的本地数据及自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，以及掘进机和截割头的当前位置通过执行机构对掘进机和截割头进行实时控制，实现自动掘进机的自动开采。
运动控制器也是一种PLC(可编程控制器)，是控制部分的主要控制元件，如图5-7所示，两个运动控制器组成的下位机作为控制部分，所述控制部分由主运动控制器U1(存有下位机控制程序)、辅助运动控制器U2、倾角传感器(本实施例采用芬兰AXIOMATIC公司生产的MVINC-CO-2-PG11)、综合转换电路U5、旋转编码器U6(本实施例采用德国FRABA公司生产的OCD-C600B-0012-PRL)、航天导航定位仪U8、遥控接收器U9、脉冲位移传感器U12，其中 脉冲位移传感器U12安装在截割头伸缩油缸内部、用来截割头的伸缩位置，将截割头的伸缩位置转换成4-20mA的电流信号送到航天导航定位仪U8，数字化处理后传送到上位机。
航天导航定位仪U8接收传感器信号，经过信号预处理，将结果通过RS-232接口传送到上位机。
挂在CAN总线上的第一倾角传感器U3用来检测截割臂的倾角，截割臂的倾角发生变化，第一倾角传感器U3自动经CAN总线上发送随之发生变化的数据至上位机，第二倾角传感器U4用来检测掘进机铲扳的倾角，经CAN总线发送数据至上位机。
综合转换电路U5是显示器与CAN总线的RS-422/CAN的转换电路(为市购产品，型号EC-7)，因为显示器接口是RS-422的。
旋转编码器U6(安装在回转台上)用来检测截割臂的摆转角度，截割臂的摆转角度变化，旋转编码器U6经CAN总线上发送随之发生变化的数据至上位机。
遥控接收器U9用来接收遥控发射器的指令，并将控制指令发送到CAN总线上。
主运动控制器U1从CAN总线上接收指令，主运动控制器U1经第一～四电磁阀YA1～YA4分别控制掘进机的左、右行走马达；经第七～八电磁阀YA7～YA8控制收煤的星轮正、反转；主运动控制器U1通过控制第一～四电磁阀YA1～YA4及第七～八电磁阀YA7～YA8来控制液压回路液压换向阀，由液压马达输出轴驱动掘进机的左、右行走和左、右星轮；所述第一～八电磁阀YA1～YA8是液压回路中的先导控制阀，先导控制阀用来控制液压换向阀，液压换向阀用来切换压力油的方向，液压回路中压力油的方向改变了，则液压马达旋转方向也发生改变；掘进机的左、右行走和左、右星轮由4个液压马达驱动，所以主控制器U1控制电磁阀YA1～YA8能控制掘进机的左前进、左后退、右前进、右后退、星轮正转及星轮反转。主运动控制器U1控制第一～八继电器KA1～KA8线圈得电，通过继电器的常开接点分别与控制油泵电机M1、高低速截割电机M2、M3，二运电机M4、以及循环泵电机M5回路的第一～五真空接触器KM1～KM5的线圈相连，从而实现对各电机的控制。利用第七～十一继电器KA7～KA11的常开接点用来将漏电闭锁检测模块(参见图4)分别接到油泵电机、二运电机、截割电机、以及循环泵电机的主回路，测量油泵电机、二运电机、截割电机、以及循环泵电机回路的漏电流，当某一回路漏电流超过规定值时，则主运动控制器U1发出指令，所有电机都不能启动，实现漏电闭锁功能；总急停按钮SB2(设在掘进机整机油箱前侧作为机器总急停)、二运停按钮SB4(设在二运电机旁边，它作为二运的急停)常闭触点相串联后通过与接24V的中间继电器KA0相连，控制中间继电器KA0的线圈的电源，两个急停按钮中的任何一个被按下，则其常闭触点断开，中间继电器KA0线圈断电，中间继电器KA0常开接点断开，则经中间继电器KA0常开接点送到主运动控制器U1的XM2.5管脚的输入信号消失，控制器发出指令立即停车，设备停止运转；主运动控制器U1经接线端子端接截割紧急停止按钮SB3(设在整机左侧作为截割电机的急停)，其常闭触点与主运动控制器U1的XM2.13相连接，另一端接24V，当该按钮被按下时，其常闭触点断开，主运动控制器U1的XM2.13无信号输入，主运动控制器U1发出指令，截割电机立即停止运转，主运动控制器U1经第三断路器QF3接至控制电源回路中冷却水路处，第三断路器QF3对冷却水路的第一～四电磁水阀YV1～YV4回路进行过流和过载保护；主运动控制器U1经第四断路器QF4接至控制电源回路中报警电铃BHL回路，第四断路器QF4对报警电铃BHL回路进行过流和过载保护；主运动控制器U1经第五断路器QF5接至控制电源回路中照明回路，第五断路器QF5对第一～三照明灯HL1～HL3所在照明回路进行过流和过载保护；第一～三温度开关TS1～TS3(常闭状态)埋在油泵电机M1、高速截割电机M2及低速截割电机M3里，正常情况接收24V信号，电机的温度达到145℃时，温度开关的常闭触点断开，则通过第一～三温度开关TS1～TS3送到主运动控制器U1的XM1.9、U1的XM1.10、U1的XM1.11管脚的输入信号消失，主运动控制器U1发出指令，设备停止运转，并在显示屏上给出报警信息，参见图5、图6。主运动控制器U1还分别与第一～五真空接触器KM1～KM5常开触点相连，在用来判断真空接触器的主触电是否粘连；所述辅助运动控制器U2控制电磁阀箱里的第九～二十电磁阀YA9～YA20，分别控制一运正反转、截割头的升降、截割头的摆转、截割头的伸缩、铲扳的升降、后支撑的伸缩的液压回路里的换向阀，实现一运正转、一运反转、截割上升、截割下降、截割左转、截割右转、截割伸出、截割缩回、铲板上升、铲板下降后支撑伸出及后支撑缩回。
辅助运动控制器U2还经第十二～十五继电器KA12～KA15(安装在电控箱内)控制电源回路中所述冷却水路中的第一～四电磁水阀YV1～YV4，用来控制水路，实现截割时的冷却和灭尘。第十六继电器KA16安装在电控箱内，于辅助运动控制器U2与照明灯之间，第十六继电器KA16线圈得电，其常开接点接通，通过接线端子控制设备上的后照明灯点亮。
CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场中总线之一，CAN总线构成的单一网络可挂127个节点，CAN可提供达1Mbit/s的数据传输速率，具有很强的实时性，使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误鉴定特性也增强了CAN的抗电磁干扰的能力。
对掘进机的操作可通过遥控发射器进行，遥控接收器U9安装在电控箱的侧面，通过通讯电缆与电控箱内部的CAN总线网络连接，遥控接收器接收的控制指令通过CAN总线传送到主运动控制器U1，辅助运动控制器U2执行的命令是从CAN总线接收的主辅助控制器U1发出的命令。手动自动切换是通过对遥控发射器上的手动/自动转换开关的操作来完成的，请参见图11。
参见图2-1，航天导航定位仪U8中所述各种传感器包括温度传感器(安装在电控箱内，检测电控箱温度的温度)、压力传感器(安装在设备车体上，检测大气压力)、电源传感器属于航天导航定位仪的元件，检测航天导航定位仪的电压是否正常)、位移传感器(安装在截割头伸缩油缸内，测量出截割头的伸缩量，传送到上位机，来确定截割头当前位置坐标)、航天导航定位仪U8可测量出车体在惯性空间绝对坐标系的位移量，作为前进与后退的信息，传送到上位机)、航天导航定位仪U8可测量车体与惯性空间绝对坐标系三轴的角度，作为车体姿态信息，传送到上位机)；各传感器信号经测量单元传送到上位机。
所述测量单元是一块计算机电路板PhyCore-MPC555，(市购产品)。包括经输入输出接口，接收各传感器信号，将各传感器的信号进行预处理，将模拟信号转变成数字信号，以便进行计算机处理，然后进提取特征(如3个方向的位移，与空坐标轴的夹角)、导航计算(参见下述计算公式，Δ＝ME-ML，Δ＝Me-M1)该产品可在高速移动、苛刻的环境下工作(工作温度-40～125℃)，性能优良并具有高度的灵活性和可靠性。
测量单元主要有以下功能模块 主频40MHz的精简指令集CPU(RCPU)； 四级存储器控制器； U-Bus系统接口单元(USIU)； 灵活的指令和数据存储保护单元； 448K字节Flash EEPROM； 26K字节SRAM； 双时间处理单元(TPU3)； 18通道模块I/O系统(MIOS1)； 双队列模数转换模块(QADC)； 双CAN2.0B控制器模块(TouCANs)； 队列串行多通道模块(QSMCM)。
本实施例测量单元配有各类应用I/O模块(即输入输出接口电路)、模数转换模块以及通信接口并装有一套实时操作系统。所有与测量单元连接的传感器都是通过测量单元电路板上的I/O模块、模数转换模块来实现的。
利用航天导航定位仪U8(参见附图7)实时检测掘进机惯性空间绝对位置坐标，以及通过旋转编码器U6和第一倾角传感器U3确定截割头的坐标，并把检测结果通过CAN总线传送到上位机，上位机对监测数据和设定数据进行比较后发送控制指令到下位机，由下位机对第一～四电磁阀YA1～YA4进行控制，从而实现对掘进机行走液压马达的控制，对第十一～十六电磁阀YA11～YA16进行控制完成截割头的升降、回转、伸缩功能，实现自动寻迹(定位)掘进功能。航天导航定位仪U8是基于MEMS技术的六自由度固态惯性传感器组合(市购产品)，可准确地测量被测物体在惯性坐标系中三个轴的角速率和线加速度，从而得到掘进机在惯性坐标系中三个轴的角和位移。具有高可靠性和高封装坚固性；所具有的六个自由度的每一个都具备自检测(Self-Test)功能。
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-Systems)是指集机械元素、微型传感器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微机电系统。
参见图2-1，上位机中系统管理程序流程为由主程序(包括自检子程序流程，行驶状态及调整轨迹子程序，检查截割状态子程序流程)经实时通信接口(CAN接口)与下位机通信，通过CAN总线接收安装在截割臂上的倾角传感器U3、安装在回转台上旋转编码器U6和遥控接收器等发送的数据，执行实时监控程序，对运动轨迹、车体位置、车体姿态、截割头位置进行显示。
实时监控程序以仿真的二维(或三维)图形化界面，对掘进机的运动轨迹、车体姿态和截割头位置进行实时监视，在这个监控画面中，将以俯仰侧滚表显示车体的姿态信息。-90与90度之间的交界线表示地球切平面。圆周上的刻度表示车体绕X轴、在[YOZ]平面上产生的角度，即表示车体的侧滚角度。圆周顶部的三角为侧滚角度的指针。圆中间的刻度表示车体绕Y轴、在[XOZ]平面上产生的角度，即表示车体的俯仰角度。监控画面中还将显示掘进机的侧滚角度和俯仰角度。用户可以非常直观的了解掘进机当前的工作情况，并且可以将掘进机的实际工作情况与给定工作数据进行对比分析。
手动/自动切换功能，便于系统调试和用于暂时不能识别的异常情况的手动处理。
所述主程序具体流程为初始化又包括掘进机车体轨迹装入、作业规划(截割参数据的确定)、控制策略(控制算法)选择和系统自检，在初始化过程中，用户可以通过可视化人机界面，设置掘进机运动轨迹、截割头自动开采方式和控制策略，并将这些数据和命令通过通讯接口下达到下位机，由下位机完成所有的控制工作；调用自检子程序，查询开始按钮是否按下操作遥控器上的开始按钮，否则重复查询开始按钮是否按下，是则装入车体轨迹；求得当前车体坐标与目标点之间的坐标偏差；再判断当前掘进机车体是否应该到达目标点，若否，则查询是否有人工启动信号，如有人工启动信号，调用行驶状态及调整轨迹子程序；当掘进机到达目标点时，或形势状态及调整轨迹子程序执行完毕时，发送安放支撑(包括油缸的后支撑、铲板的前支撑)命令当放好支撑后执行检查截割状态子程序，之后在收好支撑时返回载入车体轨迹步骤。
所述自检子程序流程为首先，自检(掘进机的当前状态)，接收下位机传输的掘进机车体轨迹以及截割头运行轨迹信息，输出当前车体坐标值以及截割头的姿态角；其中系统自检功能主要是便于系统的调试和维护。
行驶状态及调整轨迹子程序流程为先将坐标偏差发给运动传感器，调整车体轨迹运行，再求出车体当前坐标与目标坐标之间的偏差，再判断车体是否达到顶点，车体没达到顶点，则返回调整车体轨迹运行步骤，否则向下执行。
所述检查截割状态子程序流程为接收支撑放好的命令后载入当前挖掘目标点，并判断当前目标是否为空(空节点)，若是则不需要掘进，结束程序运行；否则由轨迹偏差计算当前目标点实际应该向下截割的量(这里指掘进机轨迹坐标的计算，采用公式Δ＝ME-ML，即惯测的当前位置与地测数据的差值)；再进行下一个挖掘目标点的判断如目标点是空节点，计算当前目标坐标点经过坐标变换后的数据，并计算机械臂处于当前目标点时的方位角、俯仰角和臂长，置标志位执行截割头的坐标位置计算，载入下一个挖掘目标点，返回判断当前目标是否为空步骤；如目标点是非空节点时，由轨迹偏差计算得下一目标点实际应该向下截割的量，分别计算当前目标坐标点以及下一个目标坐标点经过坐标变换后的数据、计算机械臂处于当前目标点坐标点以及下一目标坐标点时的方位角、俯仰角和臂长(信息分别取自第一倾角传感器U3和旋转编码器U6，其第一倾角传感器U3提供截割臂倾角，旋转编码器U6提供截割臂摆转角度)，并通过两个目标点之间方位角、俯仰角和臂长的比较，确定当前掘进机的方向，置标志位，再执行截割头的坐标位置计算(即截割头动作轨迹坐标，采用计算公式Δ＝Me-M1)，最后载入下一个挖掘目标点，返回判断当前目标是否为空步骤。
坐标系定义 所述掘进机惯性空间绝对位置的惯性坐标系地心为坐标原点，以Xn、Yn、Zn为掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，由测量单元提供的本地测量。系统变量为 ML＝(Xn Yn Zn) 载体坐标系以掘进机上的一点，即截割臂的回转中心为原点，以Xgm、Ygm、Zgm为由地测数据提供的惯性空间的绝对目标位置坐标，其伸缩量来自位移传感器U12、俯仰角来自第一倾角传感器U3，左右摆来自旋转编码器U6，由上位机装入，系统变量为 ME＝(Xgm Ygm Zgm) 设α、β、γ是姿态数据为掘进机在惯性坐标系中，与三个坐标轴的夹角。通过显示器实时显示掘进机的姿态。
ME由地测数据提供的惯性空间的绝对目标位置坐标，由上位机装入变量Xgm、Ygm、Zgm。
图12为掘进机轨迹坐标的计算的原理框图，由测量单元提供ML及ME数据，经上位机中系统管理程序，经控制算法后通过实时通讯接口传送到主运动控制器中行走程序中，将计算结果作为控制信号送至执行机构执行；其执行机构经各种传感器将数据送至测量单元，形成一个数据循环过程。计算过程(指算法1)为由地测数据ML及航天导航定位仪所提供的本地数据ME，自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，通俗地讲，掘进机的自动掘进轨迹是由无数个开采截割面组成，而每个截割面又是由许多截割点组成，通过原理公式Δ＝ME-ML来确定掘进机和截割头需要改变的量，从而实施自动开采。
建立惯性系为航天导航定位仪提供虚拟的载体坐标系。1为截割臂的仰角、2为截割臂的摆角、1为截割头伸缩油缸的伸缩量，在载体坐标系的位置坐标中，以F地测(X Y Z)为地测数据目标曲线，给定数据为Me；实测数据为M1系统变量为 Me＝F地测(X Y Z) M1＝1×F(1.，2) 计算公式Δ＝Me-M1 图14为截割头动作轨迹坐标的计算的原理框图，由测量单元提供M1及Me数据，经上位机中系统管理程序，经控制算法后通过实时通讯接口将控制信号传送到主运动控制器中，控制执行机构执行相应动作；其执行机构经各种传感器将数据送至测量单元，形成一个数据循环过程。计算过程(指算法2)为由地测数据M1及航天导航定位仪所提供的本地数据Me，自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，通俗地讲，掘进机的自动掘进轨迹是由无数个开采截割面组成，而每个截割面又是由许多截割点组成，通过原理公式Δ＝Me-M1来确定掘进机和截割头需要改变的量，从而实施自动开采。
参见图3-1，下位机控制程序在主运动控制器U1中运行，具体结构为通过控制主程序进行掘进机车体运动控制、截割头的升降、回转控制和伸缩控制并与上位机实时通讯、实现对执行机构的实时控制；接收手动/自动切换指令，处理暂时不能识别的异常地质结构情况下的手动操作处理，方便系统调试；通过传感器检测截割电流的大小。
参见图3-2-1，控制主程序具体流程为系统初始化后调用显示输出程序、数据采集与数据处理、报警输出控制后调用油泵控制子程序和截割电机控制子程序进行电机运行控制。
参见图3-2-2，所述电机运行控制中油泵控制子程序具体流程先判断油泵启动开关是否为开状态，否则再判断是否有油泵启动标志，无油泵启动标志，则结束程序；有油泵启动标志则依次判断油泵停止开关、油泵故障标志、系统急停、电压超限否，若为是，则结束程序，若为否，则置油泵电机启动标志、进行油泵启动延时操作，当启动延时线结束时，控制接触器吸合，启动电机工作。
参见图3-2-3，所述电机运行控制中截割电机控制子程序具体流程在截割电机高速运行时判断高速启动标志，不存在启动标志时结束程序；存在高速启动标志时依次判断是否结束低速预启动及有无高速转低速标志，若低速预启动未结束则结束程序；当无高速转低速标志时，则判断低速返回标志，无低速返回标志时结束程序； 参见图3-2-4，所述显示输出程序流程为首先显示供电电源送到掘进机的电源电压值，然后发送各电机的工作状态数据到显示屏进行显示，再分别显示各工作电机的工作电流值，显示各电磁阀的工作状态，结束程序。
参见图3-2-5，所述数据采集与处理程序流程为首先判断所读取遥控接收器发送数据是手动否，不是进行自动操作；是则读取由遥控接受器U9发送到CAN总线的行走指令数据，主运动控制器从CAN总线读取指令数据，驱动电磁阀，控制掘进机的行走，主运动控制器再从CAN总线读取截割头动作指令数据，控制截割头动作，结束程序。
参见图3-2-6，所述报警输出控制程序(流程为首先判断主回路电源电压是否高于额定电压(1140V)的120％，高于则延迟30S后停机报警铃鸣响并显示电压过高，判断主回路电源电压是否低于额定电压75％，是则延迟30S后报警铃鸣响停机并显示电压过低；对电机过载1.2倍额定电流进行保护，即电流为额定1.2倍持续5min系统报警停机并显示电机1.2倍过载；对电机过载1.5倍额定电流保护，即对电流为额定1.5倍持续2min系统报警停机并显示电机1.5倍过载；然后对电机过流进行检测，在当电机启动后，电流为额定2倍持续100ms，认为电机过流报警停机，显示电机过流；最后对电机断相检测，即当电机启动后，电流小于额定10％持续3S，系统认为电机断相报警停，显示电机断相。
本实用新型工作情况如下 掘进机工作状态共分为5个状态开始状态、待机/暂停状态、行驶状态、截割状态和停止状态。系统开机即进入开始状态。在开始状态中，通过上位机系统管理程序来完成自检、输入掘进机运行轨迹和截割头运行轨迹，以及轨迹预览等任务。下位机的控制部分通过CAN总线来读取系统管理程序给出当前车体轨迹坐标值以及截割头的姿态角，并在屏幕上显示。在待机/暂停状态检查图12掘进机遥控器上“自动启/停”开关的状态，控制部分根据给定的车体的运动距离和运动轨迹，判断当前是否应该前进。如果是，则等待人工输入启动信号，进入行驶状态；如果否，则停止。当人工输入启动信号后，进入行驶状态并调整轨迹。在行驶状态中，控制部分根据上述给定的运动轨迹和当前车体的实际运动轨迹，根据预存在上位机里的地测数据及航天导航定位仪所提供的本地数据自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，以及掘进机和截割头的当前位置计算出车体实际运行的误差(公式Δ＝Me-ML)，并将误差值通过CAN总线传送到主运动控制器U1，由主运动控制器U1通过行驶状态及调整轨迹子程序调整车体运行轨迹。在这个过程中，控制部分根据运动距离检测是否到达截割位置，如果到达，则进入截割状态。在截割状态中，开始截割之前先通过CAN-BUS总线向辅助运动控制器U2发送命令，控制第十七～十八电磁阀YA17、YA18动作，实现铲板的升降，铲板放置好后，铲板支撑到位，向辅助运动控制器U2发送命令，控制第十九～二十电磁阀YA19、YA20动作，实现油缸后支撑的升降，于是掘进机支撑到位；然后，由主运动控制器U1上传支撑放好信息，上位机得知支撑放好后，读取车体当前姿态角，根据给定截割点坐标轨迹，计算出截割头实际动作控制量。通过CAN总线发送到主运动控制器U1，主运动控制器U1发送到辅助运动控制器U2，控制第十一～十六电磁阀YA11～YA16动作，实现截割头的升降、回转和伸缩，控制第二～三真空接触器KM2或KM3动作，控制高速截割电机M2或低速截割电机M3进行高速截割或低速截割。在截割过程中，控制部分还通过第一倾角传感器U3、旋转编码器U6和直线位移传感器U12来获取截割头运动轨迹的反馈信息，截割头运动的限位信息用以保护截割头在安全的运动范围内运动，岩石软/硬的判断信息用以控制截割头运动速度。在当前横截面截割完成后，发送等待掘进机支撑升起命令到主运动控制器U1。待收到支撑升起完成命令后，则进入待机/暂停状态。请参见图2-2-1～图2-2-4。
参见图4，电气主回路上的各个电机分布在掘进机上，即图1-1的执行机构上。隔离开关QF1用于隔离电源和设备，安装在电控箱内内，由第一～五熔断器FU1-FU5)、第一～五真空接触器KM1～KM5、阻容吸收电路、电压传感器和电流传感器、油泵电机M1、高速截割电机M2、低速截割电机M3、二运电机M4、循环泵电机M5组成主回路，其中电压传感器TV1将检测的供电电压转换为0～5V的电压信号送到主运动控制器U1，由显示器来监视电源电压；电流传感器分别串联在油泵电机M1、高速截割电机M2、低速截割电机M3、二运电机M4、循环泵电机M5的各自的电压回路中，将检测的电机电流转换为0～5V的电压信号获4-20mA电流信号送到主运动控制器U1，由显示器来监视电机是否正常工作；油泵电机M1、高速截割电机M2、低速截割电机M3、二运电机M4、循环泵电机M5分别配有第一～五真空接触器KM1～KM5，加设阻容结构的吸附电路，通过隔离开关QF1与电压1140VAC相连。其中高速截割电机M2、低速截割电机M3采用双电机结构，设有速度调节装置。二运电机M4、循环泵电机M5加设第二～五熔断器FU2～FU5。
原理隔离开关作为电源开关，当其闭合时主回路得电。第一～五真空接触器KM1～KM5控制油泵电机、低速截割电机、高速截割电机、锚杆电机和二运电机的运转。利用阻容吸收电路吸收主回路过电压。电流、电压传感器分别采集回路电流、电压信号，漏电电流输入至可编程控制器的模拟量输入模块(指主运动控制器U1模拟量输入模块是自身带的)，通过程序实现对电机的过流、过载、断相、漏电检测以及电源的过压及欠压保护作用。
如图8所示，主要为电气控制部分提供所需的工作电源。该控制电源主要是由电源变压器，断路器、电压表；开关电源组成，电源变压器一次侧为AC1140V，串联有熔断器FU1，二次侧分别为AC220V、AC127V、AC36V、AC24V，AC1140V，其中AC220V，经过第二断路器QF2与电压表相连，用于监视电源电压是否正常；AC127V，经过第三断路器QF3为控制冷却水路的电磁水阀YV1～YV4供电，中间继电器KA12～KA15，用于控制电磁水阀YV1～YV4，而KA12～KA15受辅助运动控制器U2的程序控制；AC36V为报警电铃BHL供电，经过第四断路器QF4和中间继电器KA6分别起保护和控制作用；AC24V为照明电源，第五断路器QF5用于短路和过载保护。
如图9所示为主回路的控制部分，对油泵电机、高速切割电机、低速切割电机、二运电机、循环泵电机进行控制。
如图10所示的电控箱内部结构图中1为箱体，2为安装板，3为主配线板，4为接线端子。遥控器发送器面板如图11所示。
控制部分的工作过程以主运动控制器U1、辅助主运动控制器U2为核心组成的网络，主运动控制器U1、辅助运动控制器U2从CAN总线读取控制数据，对所控制的元器件发出动作指令，实现对设备的逻辑控制。操作人员可以通过遥控器发出控制指令，遥控接受器U9将接收到的控制指令通过CAN总线传送到主运动控制器U1、辅助运动控制器U2，主运动控制器U1、辅助运动控制器U2控制相应的电磁阀动作对掘进机的前进、后退、转弯及截割头的升、降、左摆、右摆、伸、缩等动作进行控制，第一倾角传感器U3用来检测截割头的仰角，第二倾角传感器U4用来检测铲板的倾角，旋转编码器U6用来检测截割头的摆角；遥控接收器U9安装在电控箱外，遥控接收器U9的输出端连接到CAN总线上，而主运动控制器U1、辅助运动控制器U2的通信接口也连接到CAN-BUS总线上，遥控接收器U9接收到各种信息和指令通过CAN总线传送到主运动控制器U1、辅助主运动控制器U1～U2，所以操作人员可以通过遥控器发出控制指令，并通过CAN-BUS总线传送到主运动控制器U1。
下位机工作过程 1)电控箱通电 主运动控器U1与实时监控制程序控制的显示屏通讯时，显示屏将显示主运动控器U1和显示器通讯中的画面；此时不能对设备进行操作，否则显示操作错误。
2)数秒之后，主运动控器U1与显示器通讯结束。
3)复位、警报 按压掘进机遥控发送器上的“警铃启/停”按钮，第六继电器KA6线圈得电，其常开点闭合，报警电铃HBL回路接通电源，电铃鸣响，系统发出警报。按压掘进机遥控发送器上的“系统复位”按钮，控制系统内各报警故障均复位。本实用新型在截割电机启动前先发出报警信号。
4)油泵电机启动、停止 启动在启动油泵电机M1时(将掘进机遥控发送器上的“油泵启/停”开关扳到启动位置)，警报运行第六继电器KA6先得电，电铃鸣响7秒后停止，此时油泵运行第一继电器KA1得电，其常开点闭合，从而使真空接触器线圈得电，第一真空接触器KM1主触点闭合，油泵电机M1主回路接通电源，电机运行。
停止将掘进机遥控发送器上的“油泵启/停”开关扳到停止位置，油泵运行第一继电器KA1线圈失电，其常开点断开，使第一真空接触器KM1线圈失电，主触点断开，油泵电机M1主回路电源被切断，运行中的油泵电机M1将停止运行。
启动前，在无故障时，显示屏将显示能监测油泵电机各相的电流值和故障信息(当油泵电机M1出现过载、过流、断相等故障时，显示屏将显示相对应的故障画面)的画面。
5)高速截割电机启动、停止 启动油泵运行后，将掘进机遥控发送器上的“高速启/停”开关扳到启动位置，警报运行第六继电器KA6先得电，电铃鸣响5秒后停止，此时高速运行第二继电器KA2得电，其常开点闭合，使高速第二真空接触器KM2线圈得电，接触器主触点闭合，使高速截割电机M2主回路接通电源，高速截割电机M2起动运行。
停止将掘进机遥控发送器上的“高速启/停”开关扳到停止位置，截割高速运行第二继电器KA2线圈失电，其常开点断开，使第二真空接触器KM2线圈失电，接触器主触点断开，高速截割电机M2主回路电源被切断，运行中的高速截割电机M2停止运行。
启动前，在无故障时，显示屏将显示能监测截割高速电机M2各相的电流值和故障信息(当截割高速电机M2出现过载、过流、断相等故障时，显示屏将显示相对应的故障画面)的画面。
6)低速截割电机的启动、停止 启动油泵运行(指电机M1)后，将掘进机遥控发送器上的“低速启/停”开关扳到启动位置，警报运行第六继电器KA6先得电，电铃鸣响5秒后停止，此时低速运行第三继电器KA3得电，其常开点闭合，使低速运行的第三真空接触器KM3线圈得电，接触器主触点闭合，使低速截割电机M3主回路接通电源，低速截割电机M3起动运行。
停止将掘进机遥控发送器上的“低速启/停”开关扳到停止位置，第三继电器KA3线圈失电，其常开点断开，使低速运行第三真空接触器KM3线圈失电，接触器主触点断开，低速截割电机M3主回路电源被切断，运行中的低速截割电机M3停止运行。
启动前，在无故障时，显示屏将显示能监测截割低速回路各相的电流值和故障信息(当截割低速电机出现过载、过流、断相等故障时，显示屏将显示相对应的故障画面)的画面，本实用新型所述高速截割电机与低速截割电机是互锁关系。
7)二运电机的启动、停止 启动将掘进机遥控发送器上的“二运启/停”开关扳到启动位置，二运电机M4运行的第四继电器KA4得电，其常开点闭合，使二运电机M4的第四真空接触器KM4线圈得电，接触器主触点闭合，使二运电机M4主回路接通电源，二运电机M4起动运行。
停止将掘进机遥控发送器上的“二运启/停”开关扳到停止位置，二运运行第四继电器KA4线圈失电，其常开点断开，使第四真空接触器KM4线圈失电，接触器主触点断开，二运电机M4主回路电源被切断，运行中的二运电机M4停止运行。
启动前，在无故障时，显示屏将显示二运电机停止画面。
8)循环泵电机的启动、停止 启动将掘进机遥控发送器上的“循环泵启/停”开关扳到启动位置，警报运行第六继电器KA6先得电，电铃鸣响5秒后停止，此时循环泵运行第五继电器KA5得电，其常开点闭合，使循环泵第五真空接触器KM5线圈得电，接触器主触点闭合，使循环泵电机M5主回路接通电源，循环泵电机M5起动运行。
停止将掘进机遥控发送器上的“循环泵启/停”开关扳到停止位置，循环泵运行第五继电器KA5线圈失电，其常开点断开，使第五真空接触器KM5线圈失电，接触器主触点断开，循环泵电机M5主回路电源被切断，运行中的循环泵电机M5停止运行。
启动前，在无故障时，显示屏将显示循环泵电机停止画面。上、下翻页扳动掘进机遥控发送器上的“上翻页”开关，显示屏向上翻一页。扳动掘进机遥控发送器上的“下翻页”开关，显示屏向上翻一页。
9)总急停 按压掘进机遥控发送器上的“系统急停”，运行中的所有电机立刻停止工作；机体油箱前侧和二运电机M4附近装有二个紧急停止按钮，按下其中的任意一个，并顺时针旋转自锁，使运行中的所有电机立刻停止工作。
10)截割急停 按下截割紧急停止按钮，并顺时针旋转自锁，使运行中的截割电机(指高速截割电机M2或低速截割电机M3)立刻停止工作。
电控箱主要由钢板焊制的隔爆壳体、两个独立腔体、电控箱内还安装有隔离开关，熔断器、变压器、真空接触器、阻容吸收器、中间继电器、检漏互感器以及电流、电压传感器、开关电源、瓦斯断电报警仪、中间继电器、及接线端子排等控制元件。箱体的正面还装有电压表及显示屏。
电控箱是按照GB3836.1-2000《爆炸性气体环境用电气设备 通用要求》和GB3836.2-2000《爆炸性气体环境用电气设备 隔爆型“d”》的标准设计，为隔爆兼本质安全型电气设备。其隔爆壳体是用钢板焊制的两个通过接线端子相互连接的独立腔体。上边为进出线腔(接线腔)，下边为主腔。接线腔内设有接线端子和内接地端子。主腔的右侧装有主断路作为系统的总电源开关，主盘板占据了主腔大部分空间，其上装有控制变压器、真空接触器、漏电断路器、阻容吸收器以及电流、电压互感器、中间继电器及接线端子等组件。
电控箱的门为两扇由销轴支撑，并用螺栓和箱体紧固。左门内侧面设置了装有开关电源、甲烷传感器电源模块、及两个主运动控制器、辅助主运动控制器模块组成的控制盒。两扇门均设有“严禁带电开盖”警告牌，“MA”及“Exd[ib]I”标志。左门上有产品铭牌，右门上设置了电源开关及显示屏观察窗监视掘进机运行状况、故障报警显示及截割计时等信息。
箱体的正面有电压表用来监视掘进机供电电压的状况。
接线腔盖与箱体用螺栓紧固，并设有“严禁带电开盖”警告牌。接线腔和主腔内电源线的进线端子均设有绝缘保护板，防止误操作危害人身安全。
执行机构由液压换向电磁阀、液压油缸、液压马达等组成，执行机构的动力源为电机驱动的液压泵。
在本系统中以液控多路换向阀取代现有手动多路换向阀，这其中由于采用电控先导阀，使手动液压控制转换成由控制器控制成为可能，这样很容易实现遥控操作及自动化操作的要求，电磁换向阀的电磁线圈通过控制器的控制和驱动而动作，将控制油源连接到相应的液控多路换向阀的液控口上，这样就实现电气控制系统对液控多路换向阀的控制，实现通过控遥控器对掘进机进行遥控或启动自动模式控制掘进机自主定位寻迹及自动开采的功能。
权利要求1.一种全自动掘进机，包括与掘进机相配合的驱动机构、执行机构和机械部分，其特征在于由地测数据生成掘进机的运动轨线及航天导航定位仪实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，对掘进机实施位置控制，实现自动寻迹功能；还包括
上位机，存有系统管理程序；接收航天导航定位仪上传数据，通过传输接口与下位机通讯；
航天导航定位仪，由测量单元和各种传感器组成，将传感器采集到的各种信息传送到测量单元进行信号处理，将掘进机特征提取值和导航计算值通过接口传送到上位机进行数据特征融合；
下位机，以两个专用控制器为核心，作为控制部分；通过接口与航天导航定位仪与上位机的通讯，实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标，由下位机对掘进机实施位置控制，实现自动寻迹功能；专用控制器根据预存在上位机里的地测数据及航天导航定位仪所提供的本地数据及自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，以及掘进机和截割头的当前位置通过执行机构对掘进机和截割头进行实时控制，实现自动掘进机的自动开采。
2.按照权利要求1所述全自动掘进机，其特征在于其中所述控制部分的组成主控制器接收总线数据，对相应的电磁阀和中间继电器进行控制，实现控制掘进机的前进、后退、星轮正反转、以及油泵电机、高速截割电机、低速截割电机、二运电机、循环泵电机的启停。
3.按照权利要求2所述全自动掘进机，其特征在于其中所述传感器包括位移传感器，安装在截割头伸缩油缸内，测量出截割头的伸缩量，来确定截割头当前位置坐标；截割臂上倾角传感器，用来测量与车体的角度，找出其空间坐标；角速度传感器和加速度传感器，与航天导航定位仪为一体结构，与测量单元的输入输出接口电路连接，其测量信息传送到上位机。
专利摘要本实用新型公开一种全自动掘进机，由航天导航定位仪通过RS-232接口与上位机通讯，将掘进机特征提取值和导航计算值传送到上位机进行数据特征融合，实时检测掘进机在惯性空间的绝对位置坐标；上位机通过CAN-BUS传输接口与下位机通讯，将控制数据传送到下位机，由下位机对掘进机实施位置控制，实现自动寻迹功能。下位机，以两个运动控制器为核心，作为控制部分，运动控制器根据预存在上位机里的地测数据及航天导航定位仪所提供的本地数据及自动生成掘进机当前位置开采面的网格数据，以及掘进机和截割头的当前位置通过执行机构对掘进机和截割头进行实时控制，实现自动掘进机的自动开采。
文档编号E21C35/24GK201013380SQ20062009382
公开日2008年1月30日 申请日期2006年10月27日 优先权日2006年10月27日
发明者吴佳梁, 梁坚毅, 勇 李, 王志刚, 李恩龙, 锷 陈, 王智永, 李铁宁 申请人:三一重型装备有限公司