[发明专利]一种悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法

说明书

技术领域

      本发明属于煤矿采掘装备、检测测试技术领域，具体涉及一种悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法。

背景技术

断面监视系统指通过特定方法检测并计算出截割头在断面截割过程中相对于掘进机机身或巷道等基准的实时空间位置，用于辅助或替代人工实时监视截割头在巷道断面中的相对位置，避免超割或欠割，从而截割出符合设计参数的巷道断面轮廓的装备和技术。

应用断面监视系统的意义在于掘进机操作人员不需要观察激光指向仪在巷道断面上的光斑，不需要通过观察截割头相对光斑的位置控制断面成型，也不需要事先在巷道断面上标记截割范围或者在截割过程中反复测量是否超采或者欠采，而是通过一系列自动化的测量和计算获得截割头的空间位置，并通过掘进机机载计算机的图形化界面将相关数据可视化从而控制截割头完成断面成型截割。断面监视系统的应用可提高装备的自动化水平，减轻操作人员的劳动强度、提高作业效率。

掘进机断面监视技术是实现掘进机自动截割的关键技术之一，因此成为目前行业内外的一个研究热点，在某些进口掘进机上已有配备，国内大多掘进机厂商也在以各种方式积极开发相关技术和装备，但对于基于不同原理实现的断面监控技术和装备，目前尚无一套完整可信的性能评价体系和检验方法。

发明内容

本发明的发明目的：对现有掘进机断面监视系统进行性能检验和标定。

本发明采用如下的技术方案实现：

悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法，其特征在于所述的步骤如下：

1）、基准建立，

定义掘进机机身两侧履带所在底平面之几何中心为机身坐标系原点，底平面前后轴线所在方向为机身坐标系纵轴，底平面左右轴线方向为机身坐标系横轴，与二者正交的方向为机身坐标系竖轴，建立机身坐标系；

以机身坐标系原点为巷道坐标系原点，机身坐标系横轴在水平面上投影方向为巷道坐标系横轴，水平且垂直于巷道坐标系横轴的方向为巷道坐标系纵轴，与二者正交的方向为巷道坐标系竖轴，建立巷道坐标系；

测量坐标系也即全站仪坐标系：指测量仪器自身的基准，测量坐标系原点位于仪器中心在地面上的投影处，其横轴和纵轴均水平，竖轴与横轴和纵轴正交；

设计断面轮廓坐标系：设计断面轮廓坐标系原点为巷道坐标系原点，横轴为巷道坐标系的横轴，纵轴为巷道坐标系的竖轴；

如上定义坐标系，包括巷道坐标系，掘进机机身坐标系、测量坐标系，设计断面轮廓坐标系；

2）、建立虚拟巷道，

以巷道坐标系定义虚拟巷道，巷道按照断面轮廓形状分为矩形巷道、梯形巷道和拱形巷道，均由底板、顶板和侧壁构成，巷道底板均为水平平面，矩形巷道和拱形巷道的侧壁均为铅垂平面且以巷道轴线为对称轴，矩形巷道和梯形巷道的顶板亦为水平平面，拱形巷道顶板为部分圆柱面且以巷道轴线为回转轴，梯形巷道的侧壁所在平面与底板所在平面形成特定夹角且两侧壁以巷道轴线为对称轴，基于上述巷道坐标系和巷道设计参数，虚拟巷道即可建立；

3）、计算方法，

3.1、定义截割头外表曲面，

根据截割头设计参数，将截割头外表曲面以参数形式定义在测量坐标系中，作为截割头的初始位置，

截割头外形包括有两种，一种由圆柱面、圆锥面和球面组成，一种由抛物线回转面组成，根据截割头设计参数定义截割头外表曲面母线，使截割头外表曲面母线的顶点与测量坐标系原点重合，对称轴与测量坐标系纵轴重合，则，截割头外表面可由截割头母线以其对称轴为回转轴旋转而成；

3.2、实际断面轮廓处截割头外表曲面空间位置计算，

在截割头位于初始位置时选定两个特征点，分别位于截割头末端中心和截割头开口边缘处，截割头在断面监视系统引导下运动至实际断面轮廓处时，全站仪检测截割头末端中心空间位置及截割头开口边缘处任意点空间位置，利用刚体的空间姿态转换方法计算截割头相对其初始位置和姿态的空间位移和姿态参数，在此基础上，利用刚体的空间姿态转换方法计算初始位置时截割头表面任意点在截割头运动至实际断面轮廓处时的空间位置，即实际断面轮廓处截割头外表曲面的空间位置；

3.3切点计算，

切点由截割头表面与构成虚拟巷道的表面的平行面相切形成，同时也是截割头表面与巷道相应表面距离最小的点，因此，切点计算为截割头表面与巷道相应表面之间距离最短点的搜索；

3.4形成实际断面轮廓，