掘進機用防碰控制系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種掘進機用防碰控制系統及方法。掘進機用防碰控制系統包括信號采集裝置和控制器。其中，信號采集裝置包括設置于掘進機截割臂的第一信號采集單元，以及設置于鏟板的第二信號采集單元；控制器與信號采集裝置相連接，用于根據信號采集裝置獲取的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；并判斷距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。本發明根據信號采集裝置獲取的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；在距離小于預置的極限距離時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護，更好的地解決截割臂與鏟板的碰撞問題。
【專利說明】掘進機用防碰控制系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工程機械領域，特別涉及一種掘進機用防碰控制系統及方法。
【背景技術】
[0002]目前，不論是煤礦用還是隧道用掘進機在工作時，都存在灰塵大、可視度差的問題。操作手無法看到前方截割頭底部或頂部截割位置，因此，很容易導致底部截割臂與鏟板碰撞或超挖或欠挖。
[0003]針對截割臂與鏟板的碰撞問題，現有技術常常采用的方法是，在極限位置發出報警信號(例如聲音報警信號)進行預警，操作手在預警信號的提示下，進行相關操作。
[0004]這種方式存在的問題是，若報警信號發生后，操作員沒能及時采取相關措施(例如，由于掘進機在工作時噪音很大，有時候聽不到報警信號)還是會產生碰撞，導致故障或破壞。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明提出一種掘進機用防碰控制系統及方法，以更好的地解決截割臂與鏟板碰撞的碰撞問題，或進一步地解決超挖或欠挖問題。
[0006]第一方面，本發明提供了一種掘進機用防碰控制系統，包括:信號采集裝置和控制器。其中，信號采集裝置包括設置于掘進機截割臂的第一信號采集單元，以及設置于掘進機鏟板的第二信號采集單元；控制器與所述信號采集裝置相連接，用于根據所述信號采集裝置獲取的位置信號，計算所述截割臂和鏟板之間的距離；并判斷所述距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動掘進機的電磁閥，使液壓系統控制掘進機的執行裝置進行主動防護。
[0007]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統中，所述第一信號采集單元為第一傾角傳感器，用于采集所述截割臂相對于水平面的夾角；所述第二信號采集單元為第二傾角傳感器，用于采集所述鏟板相對于水平面的夾角。
[0008]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統中，所述第一信號采集單元為第一油缸磁滯位移傳感器，用于采集截割臂升降油缸的位移量，通過三角關系換算近而獲得截割臂相對機身本體部履帶水平面的夾角；所述第二信號采集單元為第二油缸磁滯位移傳感器，用于采集鏟板升降油缸的位移量，通過三角關系換算近而獲得鏟板相對機身本體部履帶水平面的夾角。
[0009]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統還包括:信號防爆隔離裝置，其連接于所述信號采集裝置與所述控制器之間，用于將所述信號采集裝置獲取的本安信號轉換為非本安信號，并輸入至所述控制器中。
[0010]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統中，所述信號采集裝置還包括第三信號采集單元，所述第三信號采集單元為第三傾角傳感器，用于采集機身相對于水平面的角度；并且，所述控制器進一步用于，根據如下兩個參數計算截割臂截割頭的實際作業高度:A、所述機身相對于水平面所成的角度與所述截割臂與水平面所成角度的差；B、截割臂處于水平狀態時，截割頭的高度；并且，當所述實際作業高度大于預定的極限高度時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行限高模式下的掘進。
[0011]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統還包括報警裝置，與所述控制器相連接；該報警裝置用于:在所述截割臂和鏟板之間的距離小于預置的極限距離時，發出報警信號；和/或，在所述截割臂的截割頭高于預置限高的情況下發出報警信號。
[0012]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統還包括人機交互設備，與所述控制器相連接，設置有顯示單元，用于顯示截割臂、鏟板或機身的位置或狀態信息。
[0013]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統中，所述人機交互設備還設置有軟設定單元，用于臨時調整預置的截割臂和鏟板之間的極限距離；和/或，臨時調整所述截割臂截割頭的預置限高。
[0014]本發明根據信號采集裝置獲取的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；在距離小于預置的極限距離時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護，更好的地解決截割臂與鏟板碰撞的碰撞問題。
[0015]這里“主動防護”的含義是，通過電磁閥直接控制液壓系統的執行機構，使極限狀態下的截割臂或鏟板不能繼續向前運動，只能向相反方向運動，進而徹底有效保證掘進機的截割臂與鏟板不碰撞，保證掘進機的正常截割工作。這里的“主動”是相對于現有技術中的放碰撞的控制而言的，因為現有技術中，若報警信號發生后，操作員沒能及時采取相關措施還是會產生碰撞，導致故障或破壞，因此，碰撞防護比較被動。而本發明不完全依賴與操作手針對預警信號的反應，當發生報警的時候，通過電磁閥和液壓系統的控制，執行機構就可以自動避免碰撞的發生。
[0016]第二方面，本發明還公開了一種掘進機用防碰控制方法，包括如下步驟:獲取掘進機截割臂和鏟板的位置信號；根據所述位置信號，計算所述截割臂和鏟板之間的距離；判斷所述距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動電磁閥，使液壓系統控制其執行裝置進行主動防護。
[0017]進一步地，上述防碰控制方法還包括:獲取機身相對于水平面所成的第一角度和截割臂與水平面所成第二角度；計算所述第一角度和第二角度之差；根據割臂處于水平狀態時截割頭的高度以及所述第一角度和第二角度之差，確定截割臂截割頭的實際作業高度；所述實際作業高度大于預置的極限高度時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行限高模式下的掘進。
[0018]本發明根據截割臂和鏟板的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；在距離小于預置的極限距離時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。
[0019]這里“主動防護”的含義是，通過電磁閥直接控制液壓系統的執行機構，使極限狀態下的截割臂不能繼續向前運動，只能向相反方向運動，進而徹底有效保證掘進機的截割臂與鏟板不碰撞，保證掘進機的正常截割工作。這里的“主動”是相對于現有技術中的放碰撞的控制而言的，因為現有技術中，若報警信號發生后，操作員沒能及時采取相關措施還是會產生碰撞，導致故障或破壞，因此，碰撞防護比較被動。而本發明不完全依賴與操作手針對預警信號的反應，當發生報警的時候，通過電磁閥和液壓系統的控制，執行機構就可以自動避免碰撞的發生。【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0021]圖1為本發明掘進機用防碰控制系統優選實施例的結構原理圖；
[0022]圖2為本發明掘進機用防碰控制系統優選實施例中，傳感器的位置設置示意圖；
[0023]圖3為本發明掘進機用防碰控制系統實施例防碰撞原理示意圖；
[0024]圖4為本發明掘進機用防碰控制系統實施例實現限高功能時的原理圖；
[0025]圖5為圖4所對應的幾何原理圖；
[0026]圖6為本發明掘進機用防碰控制系統實施例所對應的幾何原理示意圖。
[0027]附圖標記說明
[0028]I第一傾角傳感器
[0029]2第二傾角傳感器
[0030]3第三傾角傳感器
[0031]4第一油缸磁滯位移傳感器
[0032]5第二油缸磁滯位移傳感器
【具體實施方式】
[0033]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
[0034]下面結合圖1至圖6，對本發明的優選實施例作進一步詳細說明。
[0035]本實施例基于如下原理:掘進機僅靠防碰預警是不夠的，還需要在極限狀態下，限制截割臂繼續向前運動，只能向相反方向運動，才能徹底有效保證掘進機的截割臂與鏟板不碰撞，保證掘進機的正常截割工作。否則，還有碰撞情況出現。位置設定、位置檢測與控制裝置的執行機構關聯，與顯示系統、語音(或警鈴)關聯，才是防止掘進機截割臂與鏟板碰撞的有效措施。
[0036]圖1為本發明掘進機用防碰控制系統優選實施例的結構原理圖。
[0037]本實施例掘進機用防碰控制系統包括信號采集裝置和控制器。其中，信號采集裝置包括設置于掘進機截割臂的第一信號采集單元和設置于鏟板的第二信號采集單元；控制器與信號采集裝置相連接，用于根據信號采集裝置獲取的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；并判斷距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。
[0038]信號采集單元可以選擇傾角傳感器。例如，第一信號采集單元可以為第一傾角傳感器，用于采集截割臂相對于水平面的夾角；第二信號采集單元可以為第二傾角傳感器，用于采集鏟板相對于水平面的夾角。根據第一傾角傳感器和第二傾角傳感器所獲得的角度信號，再根據幾何位置關系，即可以推算出截割臂和鏟板之間的距離。然后將計算得到的這個距離與預置的截割臂與做鏟板板間的極限距離h作比較，若小于該極限距離，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。其原理可以參照圖3所示。第一傾角傳感器
1、第二傾角傳感器2的位置設置如圖2所示。[0039]并且，信號采集單元也可以選擇位移傳感器。例如，上述掘進機用防碰控制系統中，第一信號采集單元可以為第一油缸磁滯位移傳感器，用于采集截割臂升降油缸的位移量；第二信號采集單元為可以第二油缸磁滯位移傳感器，用于采集鏟板升降油缸的位移量。通過兩個磁滯位移傳感器采集的位移信號進行轉換，并根據幾個關系，推算出截割臂和鏟板之間的距離。然后將計算得到的這個距離與預置的極限距離作比較，若小于該極限距離，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。圖2也示出了第一油缸磁滯位移傳感器4和第二油缸磁滯位移傳感器5的位置設置示意圖。
[0040]上文中“主動防護”的含義是，通過電磁閥直接控制液壓系統的執行機構，使極限狀態下的截割臂不能繼續向前運動，只能向相反方向運動，進而徹底有效保證掘進機的截割臂與鏟板的星輪不發生碰撞，保證掘進機的正常截割工作。這里的“主動”是相對于現有技術中的防碰撞的控制而言的，因為現有技術中，若報警信號發生后，不能制止操作手在極限狀態下繼續下壓截割臂或向上抬起鏟板，還是會產生碰撞，導致故障或破壞，因此，碰撞防護比較被動。而本發明不完全依賴與操作手針對預警信號的反應，當發生報警的時候，通過電磁閥和液壓系統的控制，執行機構就可以自動避免碰撞的發生。
[0041]本實施例根據截割臂和鏟板的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；在距離大于預置的極限距離時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。
[0042]再次參照圖1，可以看出，掘進機用防碰控制系統還包括信號防爆隔離裝置，其連接于信號采集裝置與控制器之間，用于將信號采集裝置獲取的本安信號轉換為非本安信號，并輸入至控制器中。
[0043]進一步地，上述掘進機用防碰控制系統中，信號采集裝置還包括第三信號采集單元，第三信號采集單元為第三傾角傳感器，用于采集機身相對于水平面的角度；并且，控制器進一步用于，根據如下兩個參數計算截割臂截割頭的實際作業高度:A、機身相對于水平面所成的角度與截割臂與水平面所成角度的差、截割臂處于水平狀態時，截割頭的高度；并且，當實際作業高度大于預定的極限高度時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行限高模式下的掘進。實際作業高度的計算可以參照圖4和圖5、圖6。
[0044]其中，圖4和圖5、圖6中的各個參數說明如下:
[0045]H——截割向巷道高度(截割臂截割頭距地高度);
[0046]h0——截割臂水平距離地面的高度
[0047]h—截割頭相對于機身中線的高度
[0048]hi——截割臂與鏟板間距離
[0049]L——截割臂的長度
[0050]a—截割臂兩軸間距離
[0051]b——本體架兩軸間距離
[0052]c——截割臂油缸最小長度
[0053]X——截割臂油缸伸出長度
[0054]a——截割臂第一位置與第二位置夾角
[0055]P —機身與截割臂夾角
[0056]a:—截割臂第一位置時截割油缸所對應角度
[0057]a 2—截割臂第二位置時截割油缸所對應角度[0058]h=L*sin β H=h+h0 Q=O2-O1
[0059]機身傾角可以判斷掘進機巷道角度，這樣即可保證巷道尺寸，又避免超挖損失或挖掘不到位反復浪費資源情況出現，特別是挖隧道時，“限高”可大大降低隧道成本。
[0060]可以看出，僅用3個傾角傳感器(或兩個油缸磁滯位移傳感器和一個用于機身測量的傾角傳感器)就實現防碰防護和限高功能。
[0061]圖2為掘進機用防碰控制系統優選實施例中，各個傳感器的位置設置示意圖。更加優選地，在本實施例掘進機用防碰控制系統中，還包括報警裝置，該報警裝置與控制器相連接，用于在截割臂和鏟板之間的距離小于預置的極限距離時，發出報警信號；和/或，在截割臂的截割頭高于預置限高的情況下發出報警信號。
[0062]更加優選地，在本實施例掘進機用防碰控制系統中，還包括人機交互設備，與控制器相連接，設置有顯示單元，用于顯示截割臂、鏟板或機身的位置或狀態信息，并可以通過顏色標識等方式進行預警。
[0063]并且，人機交互設備還設置有軟設定單元，用于臨時調整預置的截割臂和鏟板之間的極限距離；和/或，臨時調整截割臂截割頭的預置限高。換句話說，本實施例還增加了位置軟設定功能，保證掘進機對不同類型和高度巷道的適應能力。
[0064]簡單的說，本實施例的工作原理是，各個傳感器獲得掘進機截割臂、鏟板、機身的位置信號，經過隔離防爆處理，送到掘進機控制器，報警位置軟設定后，經過信號采集、程序處理，決定是否控制預警，并將電磁閥與液壓控制系統關聯，實現主動防碰防護輸出控制，近而達到截割防碰、限高等目的。實現掘進機操作的可靠性、簡易性。具體的說，本實施例實現了下述過程:
[0065]第一、限高設定:先把掘進機截割臂升到限高位置，通過掘進機操作箱按鈕組合鍵，設定的限位信號也通過上述傳感器，把限高采集到控制器中。
[0066]第二、防碰設定，把掘進機截割臂與鏟板調整到合理不相碰位置，通過掘進機操作箱按鈕組合鍵，設定的防碰位置值，采集到控制器中。小于設定值就預警和保護。
[0067]第三、位置采集:通過掘進機截割臂、鏟板、機身傳感器，獲得相關信號經過隔離防爆處理，送到掘進機控制器中，處理后可以通過顯示屏顯示截割高度及通過顏色、閃爍等預
目O
[0068]第四、信號處理:應用幾何數學，通過程序和控制器，實現信號計算、比較和控制相應執行單元輸出。
[0069]第五、執行機構:相應電磁閥與液壓系統關聯，當控制器控制某個電磁閥輸出后，相應主動防護功能就實現了。
[0070]綜上,本實施例具有以下優點:
[0071]使掘進機的防碰由被動防護，變為主動防護；使掘進機截割高度有預警或防護功能；僅用3個傾角傳感器(或兩個油缸磁滯位移傳感器和一個用于測量的傾角傳感器)就實現防碰防護和限高功能。同時，機身傾角可以判斷掘進機巷道角度；這樣即可保證巷道尺寸、方向，又避免超挖損失或挖掘不到位反復浪費資源情況出現。同時，防護用組合按鈕實現軟設定，增加防護的實用性、適應性和可靠性。
[0072]此外，需要說明的是，上述實施例是一個優選實施例，掘進機用防碰控制系統中的信號采集裝置可以僅僅包括第一信號采集單元和第二信號采集單元，僅僅能夠實現防碰功能即可；并非一定要包括第三信號采集單元，實現“限高”功能。具有“防碰”和“限高”功能，是本發明掘進機用防碰控制系統的一個優選方案。并且，人機交互設備、防爆隔離裝置及報警裝置也是對僅僅具有“防碰”功能的實施例的進一步優化，并非一定包括的結構。此夕卜，雖然，本發明的“防碰”和“限高”也可用限位開關實現，但不可靠。
[0073]第二方面，本發明還公開了一種掘進機用防碰控制方法，包括如下步驟:
[0074]步驟SI，獲取掘進機截割臂和鏟板的位置信號；
[0075]步驟S2，根據位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；
[0076]步驟S3，判斷距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動電磁閥，使液壓系統控制其執行裝置進行主動防護。
[0077]本實施例根據截割臂和鏟板的位置信號，計算截割臂和鏟板之間的距離；在距離小于預置的極限距離時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行主動防護。
[0078]這里“主動防護”的含義是，通過電磁閥直接控制液壓系統的執行機構，使極限狀態下的截割臂不能繼續向前運動，只能向相反方向運動，進而徹底有效保證掘進機的截割臂與鏟板不碰撞，保證掘進機的正常截割工作。這里的“主動”是相對于現有技術中的防碰撞的控制而言的，因為現有技術中，若報警信號發生后，操作員沒能及時采取相關措施還是會產生碰撞，導致故障或破壞，因此，碰撞防護比較被動。而本發明不完全依賴與操作手針對預警信號的反應，當發生報警的時候，通過電磁閥和液壓系統的控制，執行機構就可以自動避免碰撞的發生。
[0079]進一步地，上述方法還可以包括如下步驟:獲取機身相對于水平面所成的第一角度和截割臂與水平面所成第二角度；計算第一角度和第二角度之差；根據割臂處于水平狀態時截割頭的高度以及第一角度和第二角度之差，確定截割臂截割頭的實際作業高度；若實際作業高度大于預置的極限高度時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行限高模式下的掘進。機身傾角可以判斷掘進機巷道角度，這樣即可保證巷道尺寸，又避免超挖損失或挖掘不到位反復浪費資源情況出現，特別是挖隧道時，“限高”可大大降低隧道成本。實際作業高度的計算方法參照圖4和圖5、圖6。
[0080]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種掘進機用防碰控制系統，其特征在于，包括: 信號采集裝置，包括設置于掘進機截割臂的第一信號采集單元，以及設置于掘進機鏟板的第二信號采集單元； 控制器，與所述信號采集裝置相連接，用于根據所述信號采集裝置獲取的位置信號，計算所述截割臂和鏟板之間的距離；并判斷所述距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動掘進機的電磁閥，使液壓系統控制掘進機的執行裝置進行主動防護。
2.根據權利要求1所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于， 所述第一信號采集單元為第一傾角傳感器，用于采集所述截割臂相對于水平面的夾角； 所述第二信號采集單元為第二傾角傳感器，用于采集所述鏟板相對于水平面的夾角。
3.根據權利要求1所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于， 所述第一信號采集單元為第一油缸磁滯位移傳感器，用于采集所述截割臂的升降油缸的位移量，通過三角關系換算進而獲得截割臂相對機身本體部履帶水平面的夾角； 所述第二信號采集單元為第二油缸磁滯位移傳感器，用于采集所述鏟板升降油缸的位移量，通過三角關系換算進而獲得鏟板相對機身本體部履帶水平面的夾角。
4.根據權利要求2 或3所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于，還包括: 信號防爆隔離裝置，其連接于所述信號采集裝置與所述控制器之間，用于將所述信號采集裝置獲取的本安信號轉換為非本安信號，并輸入至所述控制器中。
5.根據權利要求1所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于， 所述信號采集裝置還包括第三信號采集單元，所述第三信號采集單元為第三傾角傳感器，用于采集機身相對于水平面的角度；并且 所述控制器進一步用于，根據如下兩個參數計算截割臂截割頭的實際作業高度: A、所述機身相對于水平面所成的角度與所述截割臂與水平面所成角度的差；B、截割臂處于水平狀態時，截割頭的高度； 并且，當所述實際作業高度大于預定的極限高度時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行限高模式下的掘進。
6.根據權利要求1或5所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于，還包括: 報警裝置，與所述控制器相連接； 該報警裝置用于: 在所述截割臂和鏟板之間的距離小于預置的極限距離時，發出報警信號；和/或 在所述截割臂的截割頭高于預置限高的情況下發出報警信號。
7.根據權利要求6所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于，還包括: 人機交互設備，與所述控制器相連接，設置有顯示單元，用于顯示截割臂、鏟板或機身的位置或狀態信息。
8.根據權利要求7所述的掘進機用防碰控制系統，其特征在于， 所述人機交互設備還設置有軟設定單元，用于: 臨時調整預置的截割臂和鏟板之間的極限距離；和/或 臨時調整所述截割臂截割頭的預置限高。
9.一種掘進機用防碰控制方法，其特征在于，包括如下步驟:獲取掘進機截割臂和鏟板的位置信號； 根據所述位置信號，計算所述截割臂和鏟板之間的距離； 判斷所述距離是否小于預置的極限距離，若是，則驅動電磁閥，使液壓系統控制其執行裝置進行主動防護。
10.根據權利要求9所述的防碰控制方法，其特征在于，還包括如下步驟: 獲取機身相對于水平面所成的第一角度和截割臂與水平面所成第二角度； 計算所述第一角度和第二角度之差； 根據割臂處于水平狀態時截割頭的高度以及所述第一角度和第二角度之差，確定截割臂截割頭的實際作業高度； 所述實際作業高度大于預置的極限高度時，則驅動電磁閥，使液壓系統控制執行裝置進行限高模式下的掘 進。
【文檔編號】E21D9/00GK103806912SQ201310724701
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】馬子云, 楊潔, 侯寶革 申請人:三一重型裝備有限公司