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专利名称：一种悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法
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，
按照断面轮廓的设计参数，截割头在断面监视系统的引导下完成整个设计断面轮廓的扫描，则对每一断面轮廓点，即断面监视系统确定的断面轮廓点，作上述步骤3. 2和3. 3中所述计算可获得所有实际切点，获得完整断面轮廓空间坐标序列，然后对其进行投影即可形成实际断面轮廓，投影的方向是巷道轴线方向；
4)、断面轮廓成型精度评价，
对断面轮廓成型精度的评价是在垂直于巷道轴线方向的断面即投影面内进行，完成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差、位置偏差和形状偏差的断面监视性能评价，
4.1、角度偏差，
对实际断面轮廓底部所有特征点进行线性拟合，定义其倾角为断面轮廓横滚角，即实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差，
4. 2、位置偏差，
按照4. 1中角度偏差将各投影点围绕断面轮廓坐标系原点旋转后计算其横坐标均值，以此定义为断面轮廓的横向偏移量，旋转方向为使实际断面轮廓底部所有特征点的拟合直线与断面轮廓坐标系横轴趋于平行的方向，
断面轮廓的纵向偏移量定义为原点至旋转后断面轮廓底部拟合直线的距离，横向偏移量和纵向偏移量一起构成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的位置偏差， 4. 3形状偏差，
断面轮廓形状误差即将实际断面轮廓与设计断面轮廓进行对比，定义各点误差为其沿相应坐标轴方向到设计轮廓相应边线的距离，由此计算最大正偏差即超截量和最大负偏差即欠截量作为实际断面轮廓的形状误差指标，
按照上述步骤中获得的断面轮廓轨�：峁鼋墙�所有特征点围绕断面轮廓坐标系原点旋转以消除断面轮廓轨迹横滚角，而后按照上述步骤中获得的断面轮廓横向偏移量和纵向偏移量将所有特征点沿相应坐标轴方向进行平移以消除偏移量，在此基础上，按照上述方法和断面轮廓定义对特征点与设定断面轮廓进行比较即可获得断面轮廓形状误差。本发明借助掘进机机身结构特征，获取掘进机机身对称轴数据，用于建立虚拟巷道、掘进机机身坐标系和断面轮廓设计等。控制掘进机悬臂，使截割头按照截割工艺在断面监视系统的引导下运动，至断面边界即断面轮廓时，检测截割头末端中心及若干截割头表面其他特征点的空间位置，由此计算截割头在测量坐标系中的偏转角和俯仰角并据此将截割头外表曲面转换至这一空间位置和姿态。计算截割头表面与(预先定义的)巷道侧壁(或底板顶板等)的平行面的切点，即可得到这一位置时截割头表面形成断面轮廓的切点，即截割头在此位置形成的断面轮廓点。随着截割头完成断面扫描，获得一系列断面轮廓切点，按照预先定义的巷道和掘进机机身基准，将所有切点投影到定义断面轮廓的平面上并与预先设定的断面轮廓进行比较，即可对断面监视系统精度进行评价。按照应用中对巷道和断面成型过程中的关注重点，评价指标确定为角度偏差、位置偏差和形状偏差三类，评价指标分别为横滚角、横向偏移量、纵向偏移量、最大超割量和最大欠割量等。本发明具有如下有益效果断面监视性能检验系统用于断面监视系统的性能检验，这一性能与传感器的精度、传感器的安装方式和截割头空间位置检测所用数学模型等因素有关。本发明中提出的断面监视系统性能检验方法可用于完成断面监视系统安装后的掘进机在出厂前进行断面监视性能检验，优点在于无需切割一次性的成本高昂的假煤壁而只是由断面监视系统按照断面轮廓设计参数引导截割头完成断面扫描即可进行检验。


图1为基准坐标系定义示意图，
图2为巷道坐标系、机身坐标系、断面轮廓坐标系定义示意图， 图3为测量坐标系定义示意图， 图4为矩形虚拟巷道示意图， 图5为梯形虚拟巷道示意图， 图6为拱形虚拟巷道示意图， 图7为球面+锥面+柱面截割头母线定义示意图， 图8为抛物线截割头母线定义示意图， 图9为截割头轨迹投影示意图，图10为矩形断面轮廓定义示意图， 图11为梯形断面轮廓定义示意图， 图12为拱形断面轮廓定义示意图， 图13为本发明的流程示意图，
图中1-虚拟巷道，2-掘进机机身，3-设计断面轮廓，4-截割头切点序列投影，5-截割头轨迹点。
具体实施例方式悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法，步骤如下 1、基准
如图1所示，定义机身两侧履带所在底平面之几何中心为机身坐标系原点 iO,底平面前后轴线所在方向为汴轴，左右轴线方向为dI轴，与^r轴、’轴正交的方向为巧轴，如此，机身坐标系建立。以机身坐标系原点为巷道坐标系原点ο,机身坐标系iZ 轴在水平面上投影方向为巷道坐标系ι轴，水平且垂直于ι轴的方向为巷道坐标系r轴 (亦为机身坐标系iF轴在水平面上的投影方向)，与i轴、:T轴正交的方向力Γ轴至此，巷道坐标系建立。测量坐标系指测量仪器自身的基准，坐标系原点位于仪器中心在地面上的投影处，其横轴trI和纵轴iT均水平，竖轴2与横轴i7I和纵轴1T正交。定义坐标系如图1、2所示，包括巷道坐标系OXYZ ,掘进机机身坐标系iOiZtt、 测量坐标系iCTiTYfZ ,断面轮廓坐标系MZ。设4( ^ ! , 4( , , )分别为全站仪测得的掘进机机身两侧在机身坐标系4|轴方向上的两点空间位置坐标，分别设置在机身两侧相同距离处， B1CXsiZYmZZm) , 53( , , )分别为机身坐标系亇轴方向上任意两点空间位置坐标。则机身坐标系原点可表示为
, "rJf +fV cV +iF ￡ 7 +"'7 1 2‘ ^2‘ 2^‘ iI轴方向向量可表示为
# V" — Ic y 一 y iy 一 γ ￡ ψ 一 rJ I
A=I “ja—1M^ -6Jai"
则I轴方向向量可表示为
Λ = { JT^ — .Λ 5 ijfl- ^ ^ 进而，r轴方向向量可表示为
^7 = ( - , H 0} 投影面τ方程为
权利要求
1. 一种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·3.4形成实际断面轮廓，按照断面轮廓的设计参数，截割头在断面监视系统的引导下完成整个设计断面轮廓的扫描，则对每一断面轮廓点，即断面监视系统确定的断面轮廓点，作上述步骤3. 2和3. 3中所述计算可获得所有实际切点，获得完整断面轮廓空间坐标序列，然后对其进行投影即可形成实际断面轮廓，投影的方向是巷道轴线方向；4)、断面轮廓成型精度评价，对断面轮廓成型精度的评价是在垂直于巷道轴线方向的断面即投影面内进行，完成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差、位置偏差和形状偏差的断面监视性能评价，·4.1、角度偏差，对实际断面轮廓底部所有特征点进行线性拟合，定义其倾角为断面轮廓横滚角，即实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差，·4. 2、位置偏差，按照4. 1中角度偏差将各投影点围绕断面轮廓坐标系原点旋转后计算其横坐标均值， 以此定义为断面轮廓的横向偏移量，旋转方向为使实际断面轮廓底部所有特征点的拟合直线与断面轮廓坐标系横轴趋于平行的方向，断面轮廓的纵向偏移量定义为原点至旋转后断面轮廓底部拟合直线的距离，横向偏移量和纵向偏移量一起构成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的位置偏差，·4. 3形状偏差，断面轮廓形状误差即将实际断面轮廓与设计断面轮廓进行对比，定义各点误差为其沿相应坐标轴方向到设计轮廓相应边线的距离，由此计算最大正偏差即超截量和最大负偏差即欠截量作为实际断面轮廓的形状误差指标，按照上述步骤中获得的断面轮廓轨�：峁鼋墙�所有特征点围绕断面轮廓坐标系原点旋转以消除断面轮廓轨�：峁鼋牵�而后按照上述步骤中获得的断面轮廓横向偏移量和纵向偏移量将所有特征点沿相应坐标轴方向进行平移以消除偏移量，在此基础上，按照上述方法和断面轮廓定义对特征点与设定断面轮廓进行比较即可获得断面轮廓形状误差。
全文摘要
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。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。本发明的步骤如下基准建立、建立虚拟巷道、定义截割头外表曲面、断面轮廓处截割头外表曲面空间位置计算、切点计算、形成实际断面轮廓、对断面轮廓成型精度的评价是在垂直于巷道轴线方向的断面即投影面内进行，完成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差、位置偏差和形状偏差的断面监视性能评价。本发明的有益效果无需切割一次性的成本高昂的假煤壁而只是由断面监视系统按照断面轮廓设计参数引导截割头完成断面扫描即可进行检验。
文档编号G01C25/00GK102393211SQ20111024901
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者于向东, 侯林, 张波, 朱同明, 王德光, 田原, 袁晓明, 贾有生, 贾运红, 金江 申请人:中国煤炭科工集团太原研究院, 山西天地煤机装备有限公司