悬臂掘进机截割智能控制的Matlab仿真

ｌＳＳＮ　１６７１—２９ＧＩｏ　ＣＮ　４３一ｌ３４７／ＴＤ　采矿技术第７卷第３期　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏ１．７，Ｎｏ．３　２００７年９月　Ｓｅｐ．２００７　

悬臂掘进机截割智能控制的Ｍａｔｌａｂ　仿真　

陈加胜，张康智，邓海顺　

（安徽理工大学机械工程系，　安徽淮南市２３２００１）　

摘要：建立了悬臂式掘进机自动成形截割的数学模型，运用Ｍａｔｌａｂ软件对悬臂式掘进　

机成形截割运动进行了三维动态仿真。验证了自动成形截割运动建模的正确性，为悬臂　

式掘进机自动成形截割的智能控制奠定了基础。　关键词：智能控制；悬臂掘进机；自动成形；仿真　

悬臂式部分断面掘进机在我国井巷工程中得到　广泛应用，使掘进速度大大提高，但仍然是手工操　

作，巷道的成形很大程度上取决于人为因素，有时超　

挖和欠挖比较严重。对掘进机截割运动的智能控制　可以获得规整的巷道断面，减少无用的掘进量和充　填量，提高掘进效率，从而大大降低巷道掘进成本。　

１　自动成形截割运动数学模型的建立　

悬臂掘进机工作部主要由水平回转工作台、机　架、悬臂、与悬臂和机架分别铰接相连的升降油缸、　

掘进头等部分组成，工作时，掘进头工作位置的变换　

是靠调整悬臂姿态来实现，悬臂又通过升降油缸和　水平回转油缸的驱动来分别实现垂直面和水平面内　的摆动。一对升降油缸和一对水平回转油缸分别以　掘进机机身中心线对称布置。根据这些特点，将工　

作机构简化后，采用几何解法，将悬臂掘进机工作机　

构分别在垂直面内和水平面内进行投影，找出掘进　头中心点在巷道断面上投影的位置坐标与各工作油　

缸长度之间的数学关系。由于掘进头中心位置坐标　与升降油缸及水平回转油缸的长度之间存在对应关　

系，按照一定的截割路线将其工作过程离散化，即将　截割路线离散为一系列的点，由数学关系反求出相　

应工作油缸的长度。这样，当断面形状和尺寸已知　时，可以方便地获得悬臂掘进机截割过程中掘进头　

中心点各个时刻的三维坐标及其对应的升降油缸和　

水平回转油缸的长度。　

图１悬臂在纵向竖直面内摆动投影数学模型　

１．１悬臂的垂直摆动分析　如图ｌ所示，Ｈ点为升降油缸与机架的铰接点，　

Ｇ点为升降油缸与悬臂的铰接点，升降油缸ＨＧ的　长度记为Ｚ，，Ｄ为悬臂与机身的铰接点，也是悬臂　垂直回转中心，Ｅ为水平回转工作台中心线在垂直　面内的投影，升降油缸长度Ｚ，随着理的改变而改变。　／＿ＧＤＦ，记为　。，　。是由工作部件尺寸和安装位置　

决定的，并不随悬臂绕点Ｄ的转角改变而改变。理　

为掘进头中心点和悬臂垂直回转中心的连线与水平　面的夹角，悬臂长记为Ｊ己。任意时刻悬臂的转角理与　

掘进头中心距地面高度ｚ之间的关系式为：

　维普资讯 http://www.cqvip.com 陈加胜，等：　悬臂掘进机截割智能控制的Ｍａｆｌａｂ仿真　３９　

＝ａｒｃｓｉｎ兰　＋　。（１５１２＜ｚ￣＜４４０ｏ）（１）　＝ａｒｃｓｉｎ　；　一　。（ｏ≤ｚ￣＜１５１２）（２）　

ｚ　＝／４９５　＋ｌ５５３　一（２×４９５×１５５３）．ｃ０ｓ（５５．７。＋ａｒｃｓｉｎ　＋　（３）　

ｚ　＝／４９５　＋ｌ５５３　一（２×４９５×１５５３）．ｃ０ｓ（５５．７。＋ａｒｃｓｉｎ　一　（４）　

式中ｚ＝０　ｍｍ为挖巷道左右帮的架棚腿窝时　掘进头中心的最低标高；ｚ＝４４ｏｏ　ｍｍ是掘进机能截　

割的最大高度。当悬臂上摆（１５１２＜ｚ￣４４ｏｏ）时，对　

应的升降油缸长度见（３）式；当悬臂下摆（０≤ｚ≤　

１５１２）时，对应的升降油缸长度见（４）式。　１．２悬臂的水平摆动分析　

图２中，假定ＥＤ与巷道中心线重合，Ｅ为水平　回转中心，Ｄ为垂直回转中心在水平面内的投影，两　

者之间的水平距离ｄ＝７７５　ｍｍ。Ｄ　Ｆ　为悬臂轴线投　影到水平面内的长度，显然Ｄ　Ｆ　＝Ｌｃｏｓａ，Ｏｔ为悬臂　

在垂直面内与水平线的夹角，Ｂ为巷道的掘进宽度。　当悬臂处于中位时，／ＢＥＱ＝０，任意时刻悬臂与巷　

道中心线之间的夹角为　（图２中Ｆ　处于巷道边缘　位置），左右回转油缸长度分别为　和Ｚ　。　

把回转高度化分几个台阶，在同一个台阶上各　

个离散点的高度都相同。根据不同的巷道断面适当　选取，这样，掘进头中心点的垂直坐标就确定了，设　

为　，悬臂与巷道中心线之间的夹角　在它的最大　值和最小值（由巷道断面形状及台阶的高低决定）　范围内适当选取：　…ｃｓｉｎ　（５）　

卢　＝一ａｒｃｓｉｎ　＿＝　（６）　

式中Ｂ为悬臂中心线在高为ｚ处的水平面投影　

线与巷道掘进断面轮廓线的交点到巷道中心面的垂　直距离，Ｂ值根据断面形状和台阶的划分来决定。　

巷道左帮轮廓线　

图２悬臂在水平面内摆动投影数学模型　

当悬臂在水平面内向巷道左方转过　角时：　

一ａｒｃｓｉｎ　

此时，对应的水平回转油缸长度分别为：　∞　

（７）　

ｌ　＝／１９２８　＋６２８　一（２×１９２８×６２８）・ｃｏｓ（８０．１。一　）　～（８）　

Ｚ２８＝／１９２８￣＋６２８　一（２×１９２８×６２８）‘ｃｏｓ（８０．１。＋　）　（９）　当悬臂向相反方向旋转时，只需将（８）式、（９）　掘进头中心点的ｘ坐标与Ｙ坐标分别为（假设　式中的ＪＢ换为一ＪＢ即可。如果把ＪＢ在它的最大值和最　此时Ｅ点为坐标原点）：　小值范围内划分为若干个等份，高度划分为若干个　＝｛７７５＋Ｌｅｏｓ［ａｃｒｓｉｎ（（ｚ—ｈ）／Ｌ）］｝ｃｏ　（１１）　

台阶，可以得到若干个离散点（见图３（ａ）），特别是　Ｙ＝｛７７５＋Ｌｃｏｓ［ａｃｒｓｉｎ（（ｚ—ｈ）／Ｌ）］｝ｓｉ　（１２）　边界处离散点位置的确定很重要，这直接决定掘进　可以确定截割头中心点在全断面内所有离散点　

断面的大小和轮廓线的形状。掘进头轮廓运动的包　的三维坐标值。对应各个离散点的回转油缸和升降　络线就是掘进巷道的断面轮廓线。　油缸的长度都可以根据公式（３）、（４）、（８）、（９）分　

全断面截割完成后，还需按图３（ｂ）中进行刷　别求得，每两个相邻点的各油缸的伸长量和缩短量　帮、扫底。边界处离散点对应的悬臂与巷道中心面　也可以求得，为计算机系统提供了控制数据，控制摇　的夹角　必须通过掘进头中心点在边界处的坐标来　臂进行自动成型的截割，掘进出按设计要求的巷道。　

确定，从而推算出边界处回转油缸的长度。按各台　阶高度，可得到掘进头中心点和悬臂垂直回转中心　

的连线与水平面的夹角Ｏｔ＝ａｃｒｓｉｎ［（ｚ—ｈ）／ｔ］，进　而求得悬臂轴线在水平面内投影的长度为：　

ＤｌＦｌ＝Ｌｃｏｓ｛ａｃｒｓｉｎ［（ｚ—ｈ）／ｔ）｝　（１０）　２　掘进机截割运动智能控制的仿真　

采用ＭＡＴＬＡＢ软件对半圆拱形直线巷道自动　行走及自动成形截割进行了三维动态仿真。通过仿　

（下转第４２页）

　维普资讯 http://www.cqvip.com ４２　采矿技术　

．ＡｄｄＮｏｄｅｓ　ｍｓｏＳｅｇｍｅｎｔＣｕｒｖｅ，ｍｓｏＥｄｉｔｉｎｇＡｕｔｏ，ｘｐ，ＹＰ　Ｅｎｄ　Ｉｆ　

．Ｃｏｎｖｅ￣ＴｏＳｈａｐｅ．Ｓｅｌｅｃｔ　Ｅｎｄ　ＷｉｔＩｌ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．ＳｈａｐｅＲａｎｇｅ．Ｈｅｉｇｈｔ：Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．ＳｈａｐｅＲａｎｇｅ．　Ｈｅｉｇｈｔ×０．４　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．ＳｈａｐｅＲａｎｇｅ．ＷｉｄｔＩｌ：Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．ＳｈａｐｅＲａｎｇｅ．　Ｗｉｄｔｈ×０．４　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．ＳｈａｐｅＲａｎｇｅ．Ｔｏｐ：７０　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．ＳｈａｐｅＲａｎｇｅ．Ｌｅｆｔ：１００　Ｕｎｌｏａｄ　ＵｓｅｒＦｏｒｍｌ　Ｅｎｄ　Ｓｕｂ　双击所建窗体中的“取消”命令按钮，进人代码　

编写窗口，并写好如下代码：　Ｐｒｉｖａｔｅ　Ｓｕｂ　ＣｏｍｍａｎｄＢｕｔｔｏｎ２＿Ｃｌｉｃｋ（）　Ｕｎｌｏａｄ　ＵｓｅｒＦｏｒｍｌ　Ｅｎｄ　Ｓｕｂ　

３在ｗｏｒｄ工具栏中添加命令按钮　

写好代码后，关闭整个ＶＢＡ窗口，返回ｗｏｒｄ视　

（上接第３９页）　图。点击ｗｏｒｄ菜单中的“工具＼自定义”，点选“命　令”选项卡“自定义”对话框，在左边的“类别”中选　

择“宏”；将所需的命令从“命令”框中拖动到显示的　

工具栏上，然后单击鼠标右键，在“命名”框中将名　

称改为“正弦曲线”，再按Ｅｎｔｅｒ，最后关闭“自定义”　

对话框。至此，任务已全部完成，点一下刚做好的　“正弦曲线”按钮，电脑立即弹出对话框，输人想要　

的起始角度和终止角度后，点击“确定”，一个标准　

的正弦曲线就画好了。点选刚做好的“正弦曲线”，　按住“Ｃｔｒｌ”键，用光标键微调，将“正弦曲线”准确地　

移到坐标轴上的相应位置，再添上相应的文本框，最　

后将其全部组合即可。　参考文献：　［１］刘强．试论中文版中‘宏’在日常工作中的运用［Ｊ］．读与写　杂志，２００６，９（３）．　［２］罗梓元．用ＶＢＡ创建计算机考核摸版［Ｊ］．广东省经济管理干　部学院学报．２００２，（２）：７０—７１．　［３］史正松．Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｏｆｆｉｃｅ宏及其高级应用［Ｊ］．Ｉ￣ｔ／１１职业学院学　报，２００４，（４）．　

（ａ）截割路线及离散点的划分　

（ｂ）捌帮，卧底路线及离散点的划分　图３截割路线在横断面内离散化示意　真，可以从不同角度观看掘进机完成行走和截　割的运动过程，可以看到掘进头中心运动的立体网　

状轨迹及各离散点的分布规律。截割头的包络线就　是所要掘进的巷道轮廓线，可以验证所掘进的巷道　

轮廓线是否光滑、是否符合设计要求。从一个离散　

点到下一离散点所对应的升降油缸和回转油缸的伸　长或缩短量及有关数据可由程序自动生成，并可作　

为控制悬臂进行自动成形截割的依据，对于其它形　

状轮廓的巷道都可以得到相似结果。　

３　结　论　

在对悬臂掘进机截割过程分析的基础之上，以　

ＥＢＪ一１３２Ａ型掘进机为例，建立了其工作机构和巷　

道断面尺寸之间的数学模型，用Ｍａｔｌａｂ编程摸拟了　

截割运动的全部过程，并计算出截割路线上的各离　散点的坐标值及及对应的回转和升降油缸的伸缩　

量，为控制摇臂进行自动成形的截割提供数据。，　

参考文献：　、　［１］宁仲良，张士勇．悬臂式掘进机巷道自动成形控制初探［Ｊ］．　煤矿机电，２００４，（１）．　［２］宁仲良，王建国，朱华双，等．掘进机自动转位初探［Ｊ］．煤矿　机电，２００５，（３）．　作者简介：陈加胜（１９７０一），男，安徽无为县人，工程师，主　要从教研工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｈｅｎ＿ｊｉａｓｈｅｎｇ２００３＠ｔｏｍ．ｃｏｍｏ

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