井下掘进机自动纠偏技术控制要点

王振华

摘 要：目前，悬臂式掘进机广泛应用于我国煤矿井下生产，是大型煤炭生产的重要设备，主要用于采掘工作面布置。在掘进机掘进作业的工程中不可避免的出现偏离巷道中心线，造成切割断面的超挖和欠挖，井下掘进机自动纠偏技术的应用可有效避免此类问题。本文在全面掌握井下掘进机自动纠偏技术相关概述和意义的前提下，对井下掘进机位姿信息的检测和控制要点进行了探讨。

关键词：掘进机;自动纠偏;控制要点;应用意义

地下采煤作业是在一个十分狭小的空间范围内进行的，由于井下巷道施工过程粉尘大、工期长、不稳定因素多，因此，客观环境条件极大地限制了人工作业。为提高巷道掘进的速度和质量，确保煤矿开采作业的正常进行，就必须加强自动化控制技术的应用，加快掘进机的自动化改造，用机械自动化操作来替代人工操作，从而充分发挥采煤机电设备的优势。悬臂式掘进机是井下综掘工作面的核心设备之一，主要用于巷道成形。面对当前国内外煤炭领域无人采掘装备机器人化的发展趋势，掘进机现场作业的少人化和智能化发展受到各生产研发、应用和研究单位的普遍重视。机器人化掘进的实现需落实掘进机的位姿检测、自主纠偏、远程控制与自主截割等环节。其中，基于位姿信息的行进纠偏是保证巷道截割质量的重要前提。

1 井下掘进机自动纠偏技术的概述

掘进机相对巷道中心自动纠偏就是掘进机在截割落煤、装煤、运煤后进行下一自动截割之前依靠掘进机的左右履带行走速度的变化及向前、向后的调整进行调整掘进机中心线与巷道中心线的相对位置，保证掘进机在自动截割时掘进机中心线与巷道中心线接近一致，从而保证掘进机截割头在截割时左右截割的距离一致，控制掘进机沿着巷道中心线沿直线前进，保证巷道的走向。

2 井下掘进机自动纠偏技术的应用意义

传统上，掘进机行走作业主要利用手动方式进行纠偏操作业，掘进机操作人员均是通过手动调节掘进机左右行走液压马达的方式实现纠偏作业，将掘进机的位姿调整为预定值。手动纠偏作业存在着劳动强度大、作业环境恶劣以及地质构造差异与作业人员技术水平不同导致的巷道欠挖和超挖等弊端。而自动纠偏技术能够让操作人员实现对掘进机纠偏作业的远程操作，不需要在进入到工作环境恶劣的第一线。掘进机采用自动纠偏技术具有三点重要意义：

1）自动化纠偏技术实现了操作人员对掘进机的远程化操控，有利于实现少人/无人化的掘进机操作模式;借助于计算机的高速逻辑处理能力，掘进机的工作效率也获得了大幅度的提升，防止了因为地质构造问题、操作人员水平因素造成的巷道成型不规范的问题。

2）我国的采煤作业主要是在井下进行的，因此，掘进机在采煤作业的巷道掘进方面有着重要的、不可替代的作用。自动化纠偏技术对于提高我国煤炭掘进机的自动化水平具有重要意义;

3）自动化纠偏技术能够有效改善工人的工作环境，降低工人的劳动强度，特别在煤与瓦斯突出的矿井，该技术的应用对安全快速高效掘进具有重要意义。

3 井下掘进机位姿信息的检测分析

掘进机不论是行走过程中还是在断面截割作业过程中，掘进机的中心轴线均不可避免地与巷道中心线出现相互偏离的问题。悬臂式掘进机的位姿信息除了包括三维空间坐标之外，还应该包括掘进机的位姿信息。

悬臂式掘进机的工作环境的照明严重不足、作业环境十分恶劣，如果想要对掘进机的位姿信息进行精确地检测，则具有很大的难度。并且在航道内部，不能够使用GPS（全球定位系统），并作业环境的粉尘数量巨大，无法直接运用视觉导航设备，所以激光指向仪便成为掘进机进行掘进作业方向指引的重要的设备。有效的测量方案是自动化掘进作业的关键保障，利用该测量方案测算获得掘进机的位姿信息。掘进机在采用激光指向仪时常常根据激光指向仪的指定方向沿着顶板或者底板向前进，所以，悬臂式掘进机的自动化纠偏不需要控制其三围空间信息坐标。由此我们知道，悬臂式掘进机的位姿信息是进行自动化纠偏的重点和难点。

由于掘进机的位姿检测直接决定了自动化纠偏效果和巷道成型质量，为了获得更加精确的位姿参数，本文以综合采用超声波测距传感器（三个）和双轴倾角传感器（一个）并结合相应的解算方法来获取掘进机的位姿信息。其中，超声波测距传感器负责探测悬臂式掘进机的方位角ɑ和中心偏距a;双轴倾角传感器负责探测悬臂式掘进机的俯仰角β以及悬臂式掘进机的横滚角γ;而后结合解算获得相应信息。获得所需信息之后，便能够掌握参考位姿与实际位姿之间的偏差问题，而后利用纠偏控制器依照特定的控制策略，将其转变成为悬臂式掘进机能够识别的电磁阀开关信息与控制脉冲信号，最终实现掘进机位姿的自动化纠正。

巷道两边的距离特点以及悬臂式掘进機的结构特点均告诉我们，综合采用超声波测距传感器（三个）和双轴倾角传感器（一个）能够准确地获得掘进机的位姿参数，该参数成为掘进机实现自动化纠偏的关键参考。但是同样需要指出的是，上述控制方法要求航道的两帮具有良好的平整度，不能够出现超挖或者欠挖的问题，所以，在实际的使用过程中需要注意该问题。

4 井下掘进机自动纠偏技术控制要点

通过机载工业控制计算机和PLC可实现井下掘进机自动纠偏控制，PLC产生的控制指令经PLVC、电液比例阀控制行走部的左右液压马达，驱动掘进机的驱动轮实现纠偏功能。纠偏控制策略主要由掘进机纠偏程序、角度范围调整子程序、掘进机中心调整子程序、方位角纠偏子程序等实现。

PLC采集超声波测距仪测量值计算掘进机位姿信息中的方位角ɑ和中心偏距a，依据不同方位角ɑ和中心偏距a，采用不同的控制策略。当掘进机方位角a超过该限定值时，如果调用掘进机中心调整子程序，则掘进机可能碰撞巷道煤帮，因此需要首先把掘进的方位角调整到一定的范围之内。当掘进机方位角调整到限定值内后，依据中心偏距的不同情况调用不同子程序完成掘进机的纠偏。当巷道地质条件较为复杂时，调整掘进机机身中心轴线与巷道中心线重合将会出现较大的难度，且用时较长，影响掘进速度，因此在设计程序时允许有一定的距离偏差。当掘进出现距离偏差时，根据机身与巷道的相对位置情况，可以分为机身位于巷道中心左侧左偏、机身位于巷道中心左侧右偏、机身位于巷道中心线右侧右偏、机身位于巷道中心线右侧左偏。

5 结束语

综上所述，掘进机是实现煤矿机械化掘进的关键设备。掘进技术、装备和工艺水平，直接关系到煤矿开采的生产能力、经济效益。正因如此，我国综合机械化掘进程度正逐步提高，自动化控制技术的应用，有效提高了掘进机的工作效率和掘进作业的安全性，促进了采煤作业的快速推进、安全高效和高产稳产。在掘进过程中，往往会出现偏离巷道中心线，造成切割断面的超挖和欠挖等问题，自动纠偏技术的应用，可有效解决此类问题，进一步巩固和完善自动化掘进技术水平。

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