一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机电一体化领域，尤其涉及一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方 法。
【背景技术】
[0002] 巷道凿岩开采经历人工挖凿、风动工具、半自动化台车、到全自动化台车的局面。 其中半自动化台车在成本效率方面最优，但是钻孔定位的效率低，制约设备效能的更大发 挥。因此，能实现钻孔自动定位，尤其是精度要求较高的巷道中心区域的钻孔自动定位，人 工辅助完成钻孔工作，极大提高效率、节省人工成本、降低对操作工的技术能力要求。在成 本增加不多的情况下，自动化程度大大提高，这样的升级产品具有广泛的市场前景。
【发明内容】
[0003] 针对掘进凿岩台车钻孔位置，人工操作精确定位不易，自动定位技术与应用缺乏 的现状，本发明提供了一种掘进凿岩台车钻孔自动定位装置及方法。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种掘进凿岩台车钻孔自动定位方 法，该方法包括凿岩台车在巷道中的定位方法和巷道面钻孔的定位方法。
[0005] 掘进凿岩台车在巷道内的定位，在推进梁位置已经初始设定的情况下，根据安装 在推进梁前端的测距传感器，通过交互显示终端查看测距传感器与巷道面的距离；根据交 互显示终端提示确定凿岩台车是否移动到合适位置；这样可以避免凿岩过程中的二次移动 凿岩台车。
[0006] 巷道面上钻孔的定位，是通过计算钻头的位置得到的，而钻头安装在推进梁前端， 由推进梁驱动；推进梁是通过安装在液压油缸外部或内部的位移传感器、拉绳传感器、激光 测距传感器等测量行程，通过钻臂结构的几何关系，把油缸的行程转换为安装在推进梁上 钻头的位置。
[0007] 自动定位是根据布孔模式设定的目标位置，或激光指向部件指向的目标位置，和 当前钻头位置的差值，控制液压阀驱动油缸行程或转动一定角度，使钻头向目标位置移动 运动，最终自动定位到目标位置。
[0008] 目标孔位的设定，通过交互显示终端人工设定；或机器安装时预置的布孔模式的 孔位设定；或用电脑的设计工具中完成布孔设计，由存储介质存储，再由显示终端读入的布 孔模式的设定值；这些孔位设定方式可供操作人员选择。
[0009] 目标孔位的设定，还可以通过激光指向部件指向的位置确定，通过这样的孔位设 定方式组成布孔模式，存入显示终端，供操作人员使用。
[0010] 控制器，采集传感器数据，并与交换显示终端通信，接收显示终端的控制命令，接 收操作手柄的指令，完成各种动作控制。
[0011] 开孔扶钎器、推进梁定位器，在开孔作业时，巷道面与钻头有一定的倾斜角度（非 接近直角），这种情况下，开孔困难，在冲击力作用下钻头位置会发生偏移。开孔扶钎器和推 进梁定位器保证了开孔的容易，及孔位的精度。
[0012] 激光指向部件，在布孔模式的孔位不适用实际场景时，尤其靠帮孔的定位，激光指 向部件启动工作，推进梁钻头就会跟踪激光光斑的移动，进行布孔作业。
[0013] 本发明自动布孔实施的过程如下：
[0014] 在巷道面布孔时，控制器根据从交互显示终端接收到的布孔模式的相关参数，并 控制液压阀，驱动油缸，带动钻臂，使推进梁移动到巷道面的目标位置；根据测距传感器的 距离，使开孔扶持器刚好接触巷道面；完成孔的定位。
[0015] 确定需要启动开孔凿岩时，操作人员通过交互显示终端发指令给控制器，控制器 控制推进梁定位器附着在巷道面，并保持一定的附着力，固定推进梁位置，开始钻孔作业。
[0016] 钻孔到一定深度，根据钎杆的位置传感器，确定达到目标深度，并控制退钎，完成 一个孔位的钻孔。
[0017] 本发明的定位过程可以自动和人工结合方式完成。本发明的定位过程和钻孔过 程，也可以不需要人工的钻孔指令，全自动完成。
[0018] 本发明的有益效果是：本发明装置包括开孔扶持器，扶持钻头开孔，不会发生偏 移，确保孔位准确；测距传感器，确定掘进凿岩台车、推进梁与工作巷道面的位置关系；推 进梁定位器，固定推进梁与巷道面的位置，确保开凿孔位时，受到冲击力不会发生移动；置 于靠帮油缸、伸缩油缸、俯仰油缸、补偿油缸、举升油缸上的位移传感器；置于旋转油缸上的 角度传感器；激光指向部件，操作激光指向巷道面某处，用于人工或自动引导布孔位置；交 互显示终端，用于测量及计算数据的显示、布孔模式的选择和设置等人机交互的功能；控制 器，接收交互显示终端的命令，驱动液压阀，控制油缸的行程，通过传感器的测量数据计算 推进梁的位置及姿态，最终确定钻头的位置；手柄，接收人工操作信号，用于控制台车作业。 本发明装置根据布孔模式，实现钻孔自动定位。本发明提高了凿岩台车的自动化程度，降低 了对操作工人的技术要求，提高了巷道作业的效率，以及钻杆、钻头的使用寿命。本发明在 凿岩台车上具有广泛应用。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明掘进凿岩台车钻孔自动定位装置结构示意图；
[0020] 图2为本发明的中心区域布孔模式定位的几何计算示意图，孔位由液压油缸及支 架的几何关系确定，作为计算原理，以举升油缸为例，抽象成几何图形及边长的变换来计 算；
[0021] 图3为开孔固定方式示意图；
[0022] 图4为本发明的开孔扶持器和推进梁定位器示意图；
[0023] 图5为本发明电气及控制的连接框图；
[0024] 图6-图14为本发明的布孔模式；
[0025] 图中，靠帮油缸1、旋转油缸2、伸缩油缸3、俯仰油缸4、补偿油缸5、举升油缸6、控 制台7、开孔扶持器8、推进梁定位器9、激光指向部件10、测距传感器11、巷道面12。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图来对本发明作进一步详细说明。
[0027] 如图1所示，掘进凿岩台车自动定位装置包括开孔扶持器8、测距传感器11、推进 梁定位器9、举升油缸位移传感器S1和S2,俯仰油缸位移传感器S3和S4,靠帮油缸位移传 感器S5。开孔扶持器8安装在推进梁前端，套住钻头的位置。测距传感器11安装在开孔扶 持器8的下方，有防碰撞保护。推进梁定位器9安装在推进梁前端的下方部位。位移传感 器安装在油缸的内部或外部；其中举升油缸6和俯仰油缸4是双油缸，二个油缸的行程可以 不一样，需要各两个传感器测量。
[0028] 如图2所示，不失一般性，把举升油缸6、大臂及支架等效成一个椎体，由四个面的 三角形构成。S1、S2的长度是可变的，其它是不变的，如图2 (a)。抽取其中一个由S1和大 臂组成的三角面，如图2 (b)。三角形的三边中，其它二边长度不变，长度S1变成长度S1'， 使得P点位置变化为P'。
[0029] 已知：L，Θ，R ;S1 变化时，a (si)为：
[0031] P 点的坐标：P (sl*cos a，slsin α )
[0032] Ρ 到 Ρ'的位移为：（Δ X，Δ y)
[0035] 从上述式子，可以得到由于油缸si的位移，引起坐标Ρ的位置变化；根据这一基本 原理及立体几何位置的关系，可以最终求出推进梁位置的变换。
[0036] 通过旋转油缸及角度传感器，伸缩油缸及位移传感器，补偿油缸及位移传感器等 部件的控制，在中心区域布孔的基础上，可以实现推进梁在更大的空间范围的布孔，从而能 实现全巷道面的自动布孔。旋转油缸的转动范围是-180°~+180°，通过角度编码器或倾 角传感器可以测得。伸缩油缸的位移测量及计算同图2。
[0037] 如图3所示，由于经过爆破后巷道面不会很平整，钻孔时受到钎杆的冲击力，钻头 会发生滑动偏移，造成孔与孔之间距离发生变化，作业完成的孔与孔之间不平行，或者两孔 之间打通，影响爆破效果。安装本发明的开孔扶持器和推进梁定位器，可以确保开孔时钻头 不发生偏移，按设定的孔位要求完成布孔作业。
[0038] 如图4所示，开孔扶持器、推进梁定位器的结构和安装方法，开孔扶持器安装在推 进梁的前端，套住钻头的位置，起扶持钻头和抵触巷道面的作用。推进梁定位器安装在推进 梁的下方，油缸驱动球关节，并由带有锚钉的面接触巷道面。这样在保证开孔冲击力的作用 下，钻头不会发生移动。
[0039] 如图5所示，控制器连接框图，位移传感器输出标准电压、电流或SSI信号，接入控 制器标注的A/D模拟端口、或数字口，A/D采集为16位。手柄信号输出为电压、电流或CAN 信号，接入控制器标注的A/D模拟端口、或数字口，A/D采集为16位。液压阀输入是电压、 电流或CAN信号，接入控制器标注的D/A模拟端口、或数字口，D/A转换为16位。开关量及 继电器，接入相应的10 口，完成采集和