（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟样机的掘进机模拟操纵系统研究.pdf

论文题目：基于虚拟样机的掘进机模拟操纵系统研究 专 业：机械制造及其自动化 硕 士 生：田 云 （签名） 指导教师：曹春玲 （签名） 摘 要 掘进机广泛应用于采矿工程和地下工程中。目前，掘进机的操作主要是人在作业现 场通过操作台来实现的，现场的环境比较恶劣。随着科学技术的发展和人民生活水平的 提高，掘进机的智能化、无人化发展趋势越来越受到人们的重视。本文以某型悬臂式掘 进机为对象，对掘进机截割机构模拟操纵控制进行了研究。 论文分析断面形状与截割臂姿态之间的关系，根据煤矿巷道断面的成形过程，提出 截割头在断面成形过程中的截割路径规划方案。并将路径离散化成一个点序列，从而将 断面的截割路径分成若干小段，每一小段看作直线段。论文针对掘进机截割臂的运动特 点，推导出其运动的空间几何模型，并进行抽象简化。构建了掘进机构虚拟样机模型， 并进行了运动学仿真分析。 论文进行了控制数据与样机模型之间的接口程序开发。数据文件是独立于 adams 模型存在的，要实现外部数据文件的驱动仿真，需要编写用户接口函数，实现读取外部 数据文件生成样条曲线的功能。adams 提供了开放的用户接口，通过自定义子函数， 经过编译连接后得到 adams 动态连接库函数， 仿真过程中调用库函数实现外部控制数 据驱动虚拟样机模拟操纵的功能。 论文最后部分，通过掘进机截割机构虚拟样机仿真试验验证研究方案的正确性。 关 键 词：掘进机；截割机构；轨迹规划；虚拟样机；模拟操纵控制 研究类型：应用研究 subject ： simulation of roadheader manoeuvring system research based on virtual prototype specialty ：mechanical manufacture and automation name ：tian yun (signature) instructor：cao chunling (signature) abstract roadheader is widely used in mining and underground engineering. at present, the roadheader operation is mainly manual operation. the environment is relatively poor at the scene. with scientific and technological development and the improvement of peoples living standards, more and more people have pay attention to the intelligent and automatic development of roadheader. based on an automatic boom-type roadheader, this paper discusses the simulation control of rocker arm in the laneway profiling. this paper analyzed the calculation formula between sectional shape and rocker arm gesture. according to the profiling process of the coalmine laneway section, proposed the path planning of the section forming process. the path was turned into a discrete sequence of points. thus the path was divided into many segments, and each segment can be seen as a short line. based on the kinematics characteristics of the rocker arm, derived a space geometric model of its motion and then simplified the model. constructed virtual prototyping model of tunneling institutions, and done the kinematics simulation analysis. introduces three-axis operation control devices based on electro-hydraulic proportional control, through the manipulation of controller generates control data files and drive the virtual prototype simulation. this thesis mainly developed interface program between control data and prototype model. data files is independent of adams models, if we want to realize the simulation of external data files driver simulation, we have to code user interface function, in order to realize the function of read the external data file and generate spline curve. adams provides open user interface, through the custom son function, and then we get languae adams dynamic-link libraries function after connect, the simulation process call library function, and then we can realize the function of external control data driven virtual prototype simulation manipulations. this thesis last part has verified the correctness of the research schemes, in the way of virtual prototype of determing cutting simulation test cut institutions. key words: roadheader transverse cutting institutions trajectory planning virtual prototype simulation control thesis : application research 1 绪论 1 1.绪论 1.1 引言 本世纪三十年代后期，就开始了用掘进机开掘巷道的尝试，由于结构不够完善，未 得到工业应用。如苏联 1938 年研制的1 型截链式掘进机。四十年代后，掘进机的 类型、结构和性能都有了较大的发展。六十年代以来，掘进机已成为各主要产煤国家不 可缺少的生产设备，各国竞相制造掘进机，发展很快。英国 1960 年引进型掘进机，在 此基础上研制生产了多斯科 mk2 型和 mk2a 型及安德逊马弗公司生产的型掘进 机。日本在引进苏联、英国掘进机基础上，改进研制成系列掘进机。1 掘进机是煤矿生产的重要装备，主要用于巷道的掘进，以布置采煤工作面。掘进机 的重要发展方向是操作控制方式的自动化、信息化、智能化。未来的矿山机械将全面装 备融合电子化、自动化、机器人化为一体的机电一体化技术，逐渐发展为掘进机器人。 本章主要描述国内外相关内容的研究现状，论述本课题的研究基础、研究内容以及研究 意义。 1.2 掘进机的分类 按照掘进机对巷道断面的作用方式，可将掘进机分做两大类2：即“全断面掘进机 （tbmtunnelling boom machine） ” 如图 1.1 所示，和“部分断面掘进机（part-face tunneling machine） ”如图 1.2 所示。在长距离、大断面的硬岩隧道施工中，全断面掘进 机得到了广泛的应用，我国秦岭西康铁路隧道就是用两台德国产 tb880e 全断面掘进机 完成的。但是全断面掘进机作业线投资偏高，对隧道围岩地质和巷道适应性较差，一旦 开工，只能单向作业，不能调头，影响了其大量推广使用，尤其在矿业部门，对于中短 巷道的掘进采用全断面掘进机是很不经济的。 图 1.1 全断面掘进机 图 1.2 部分断面掘进机 西安科技大学硕士学位论文 2 悬臂式掘进机（boom-type roadheader）是一种部分断面掘进机，工作时通过截割 头的旋转和截割臂（也称悬臂）的上、下、左、右自由摆动，能够截割出任意形状的断 面。 按照悬臂上安装的截割头的方式不同， 又可以分为纵轴式和横轴式两大类， 如图 1.3 和图 1.4 所示。 图 1.3 纵轴式悬臂掘进机 图 1.4 横轴式悬臂掘进机 掘进机分类如图 1.5 所示。 图 1.5 掘进机系统分类图 1 绪论 3 目前各国制造、推广使用的煤、岩和煤岩掘进机多以悬臂式掘进机为主。实践证 明悬臂式部分断面掘进机有以下一些优点： （1）掘进速度快，工作质量好。如果支护作业安排在作业后进行，掘进机可实现 连续掘进，能同时完成破煤岩、煤炭转运等工作，效率高，且掘进机是机械破岩，掘进 后煤岩巷道周围煤岩壁完整光滑，超挖掘量少，减少了支护量，与传统的钻爆法相比， 掘进速度可提高 11.5 倍，并避免了爆破作业时巷道周围煤岩因爆破振动而破坏的现象 发生，有利于巷道支护，又可减少冒顶和瓦斯突出的危险，大大提高了生产的安全性。 （2）结构紧凑。目前悬臂式掘进机多采用耙装式装载机构和履带式行走机构。其 装载能力大、调运灵活、工作可靠。悬臂式工作机构的外形尺寸比掘进断面小，便于维 修和更换截齿，空顶面积小，有利于安全生产，从而扩大了使用范围。 （3）工作方式灵活，适应性强。由于工作机构可在机器的允许范围内任意摆动， 截割头能够截割出任意形状不同断面的巷道； 对采准巷道断面的规格形状和煤岩赋存情 况的适应性较好，所掘进巷道断面的变化范围较宽。 （4）经济、安全、成本低。经济效益和社会效益高，工效平均提高 12 倍，进尺 成本降低 3050%2；改善了工人的劳动条件。同全断面掘进机（tbm）相比，在巷道 断面尺寸大致相同的情况下， 悬臂式掘进机的基本投资费用约为全断面掘进机的15%3， 尤其是在中短距离巷道的施工中，因此对于绝大多数的矿山井下巷道掘进，悬臂式部分 断面掘进机是很适用的。同时避免了因爆破钻进而造成的人员伤亡，事故率大大减少。 1.3 悬臂式掘进机目前国内外的发展状况 国外新型掘进机可实现掘进方向监控、电机功率自动调节、截割路径循环程控、离 机遥控操作、截割断面监控等。 1.3.1 国外发展概况 目前，世界上各主要产煤国用掘进机掘进的巷道已占巷道总长的 40%50%4。 近年来，悬臂式掘进机不仅应用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤岩巷道掘进 中也取得了良好的应用效果，国外的某些重型掘进机已能切割一些较硬的岩石巷道。 近年来国外悬臂式掘进机的发展与研究主要体现在以下几个方面6： （1）切割功率稳定提高，机器的可靠性增强 近年来，日本成功地使用 tm60k 型掘进机掘进全岩质引水隧道，岩石硬度高达 170200mpa。目前最大的 wav408 型掘进机重达 160 吨，切割功率可达 408kw，定位 切割断面面积可达 3 87.5m。日本凭借先进的制造技术，从原材料质量到零部件的加工精 度都进行严格的控制，再加上优越的国际协作条件，有效的保证了掘进机的质量水平。 此外，安全可靠性技术得到了广泛的应用，其主要表现为机械结构得到大大的简化，在 西安科技大学硕士学位论文 4 齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，很多地方用嵌装式结构代替了 螺栓组结构，既简化了结构，又大大提高了整机的可靠性。 （2）配套设备越来越丰富 为充分发挥掘进机效能，各国都十分重视综合机械化掘进作业线配套设备的研究。 为缩短支护时间，在中等稳定顶板条件下，常用机载锚杆钻机支护；为使掘进机与支护 平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架，但使用效果都不理想。在后配套运 输方面，通常采用桥式胶带转载机，后配胶带式输送机，有条件时设置活动煤仓。 （3）采用机电一体化技术 国外新型掘进机均配有完善的工况检测和故障诊断系统，从而可以在早期发现机器 故障，并快速排除故障，大大缩短了机器的停机时间，生产率相应大幅提高；这样还可 以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当而引起的系统尖峰载荷，从而延长 机器的使用寿命。部分新型掘进机可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、切割 断面轮廓尺寸监控。 （4）研究探索新的截割技术，如冲击振动式截割机具的研制，高压水射流掘进机 的研制等。 1.3.2 国内发展概况 我国掘进机的发展起步较晚。尽管我国在 1956 年引进前苏联 jik3 型掘进机用 于煤巷掘进， 60 年代后期也进行了国产掘进机的研制， 但由于当时的技术水平与生产条 件所限，未能在生产中广泛采用。 “六五”以前，我国的掘进机研究水平还停留在轻型 掘进机上，用途以截割煤为主。通过“六五” ， “七五” ， “八五”的技术攻关，经过科技 工作者不断的努力，我国掘进机研究与制造均取得了喜人的成绩，掘进机从轻型发展到 了中型、重型，截割对象从煤拓展到了岩石，掘进机的使用范围产生了质的变化。目前， 悬臂掘进机研制技术已经跃上了一个新的台阶，总体水平接近国外同行。取得的成绩主 要有4： （1） 相继开发出三种重型掘进机， 它们是 ebj160 型， ebj160h 型和 ebh 132 型，其中 ebj160 型掘进机获 1999 年国家科技进步二等奖，它的研制成功 使我国的掘进机研究与制造水平迈上了一个新台阶，标志着我国掘进机研制开发水平进 入国际先进行列，使国产掘进机可经济截割 80mpa 硬度的岩石，使用范围不断扩大， 目前已经推广到铁路、公路、水利建设等部门，并出口俄罗斯等国。 （2）完成了硬岩截齿的研究，研制出“三高”硬质合金刀头和新的截齿制造工艺， 使我国的硬岩截齿消耗达到国际先进水平。 （3）对高压水射流辅助截割技术和惯性冲击辅助截割技术进行了探索和尝试，并 研制成功了 elmb75c 型振动式掘进机，现已批量生产。 1 绪论 5 （4） 将 plc(可编程控制器)成功应用到部分掘进机电控系统中， 在电控系统的保护 插件及故障诊断等方面取得了一定的成绩。 国内掘进机产品相比较国外同类产品， 在新技术应用水平上， 尤其是自动化水平上， 仍然相对落后，目前国内己开始掘进机自动化方面的研究，但仍处于理论研究、试验调 试阶段，都没达到市场化水平。为此，国家于 2008 年设立“煤矿井下采掘装备遥控关 键技术”为“863 计划资源环境技术领域 2008 年度第一批重点项目” ，也是迄今为止第 一个有关煤矿设备的重点项目，旨在鼓励和推动国内科研人员对采掘相关技术进行研究 攻关，推进我国采掘设备自动化水平。 1.4 课题的提出 随着科学技术的发展和现代化生产的需要，技术创新是目前矿山机械发展所面临的 新课题。面对新世纪煤矿生产的新需要，矿山机械将向大型化、智能化、无人化方向发 展。 矿山机械涉及机械系统、电子系统、控制工程、软件工程等多学科多领域知识。传 统的设计过程从市场调查开始，在确定设计任务、明确设计要求的前提下，进入机械系 统和控制系统方案设计，整个开发过程基本上是在各个环节相对独立的层面上进行的。 开发过程中，机械设计人员很少顾及控制系统对产品性能的影响，而控制系统工程师则 采用简化了的系统动力学模型用于控制系统设计。这样难免造成开发出来的机械系统与 控制系统不能很好的满足测试要求，不得已进行多次设计反复，甚至需要制造多个物理 样机，因而增加了开发成本，延长了交货期。 虚拟样机技术是一种基于产品计算机模型仿真的数字化设计方法，这些数字模型即 虚拟样机（vp）支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模 理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式 用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。虚拟样机技术在产品设计开发中，将分 散的零部件设计和分析技术融合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该 产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析， 预测产品的整体性能， 进而改进产品设计， 提高产品性能。虚拟样机在产品设计过程中所起的作用和物理样机类似，即提供一个可 操作的原型产品。虚拟样机在模仿产品的特性方面，要求功能上至少和物理样机等同。 可仿真特性包括产品的视觉特性、用户界面功能、产品功能与行为、用户与产品的交互 作用等诸多方面。应用虚拟样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者，在产品 研制的早期，在虚拟环境中，直观形象地对虚拟样机进行优化设计、性能测试以及制造 仿真。 目前，虚拟样机技术得到广泛应用，涉及汽车制造、工程机械、航空航天、造船、 航海、机械电子和通用机械等众多领域。 西安科技大学硕士学位论文 6 针对矿山机械存在的上述问题，结合虚拟样机仿真技术拥有的诸多优势，有效的解 决方法是采用虚拟样机仿真技术，实现集成、并行、协同的设计开发过程，使样机模型 能够对模拟操纵系统做出合理的响应。本文主要论述掘进机工作机构截割头的模拟操纵 控制。 1.5 研究内容与方法 论文针对掘进机截割臂的运动特点，推导出其运动的空间几何模型，并进行抽象简 化。采用虚拟样机仿真技术，以 adams 仿真软件为开发工具完成掘进机截割机构虚拟 样机模型建立、运动学仿真分析。介绍了基于电液比例控制的三轴操纵控制器，通过操 纵控制器产生控制数据文件，最终实现掘进机截割机构模拟操纵。 全文内容编排如下： 第一章 阐述掘进机相关知识，综述国内外相关领域的研究概况，并提出研究课题。 第二章 本章首先分析了 ebj-132a 型掘进机主要结构和技术特征， 简约地介绍其行走机 构，重点分析其截割部工作机构，分析工作机构中悬臂的垂直摆动和水平摆动 的工作原理。 第三章 研究掘进机截割机构总体结构分析，进行了悬臂式掘进机截割头运动的轨迹规 划，然后采用几何投影的方法，建立了悬臂式掘进机在巷道开挖过程中，其主 要工作机构参数与巷道断面尺寸之间的数学模型，以及回转液压缸与升降液压 缸动作距离。 第四章 介绍虚拟样机仿真技术及仿真软件 adams，通过 pro/e 建立掘进机截割机构模 型并导入到仿真软件中，对掘进机构虚拟样机机型运动仿真。 第五章 介绍基于电液比例控制的操纵控制器，进行了控制数据与样机模型之间的接口 程序开发，实现读取外部数据文件生成样条曲线的功能，仿真过程中虚拟样机 调用库函数实现外部控制数据驱动实现模拟操纵的的功能。 第六章 给出全文主要结论，提出后续工作展望。 2 纵轴式悬臂掘进机主要构造和工作机构分析 7 2 纵轴式悬臂掘进机主要构造和工作机构分析 悬臂式掘进机按照截割头与悬臂的布置方式来划分有横轴式和纵轴式两种。它们的 工作原理如图 2.1 所示7， 其中横轴式悬臂掘进机的截割头旋转轴与悬臂轴线垂直布置， 如图 2.2 所示，这种形式的掘进机的截割头一般不易截割出平整的巷道侧壁，截割头运 动轨迹为空间螺旋线，在巷道两侧壁上会出现与截割头形状相应的台阶，为此，必须加 设专门的附属设备，或通过控制行走部，使截割悬臂的伸出长度可以调节，才能截割出 平整的巷道侧壁。纵轴式悬臂掘进机的截割头旋转轴与悬臂轴线同轴布置，截割头运动 轨迹近似平面摆线。因此，当截割头的形状和悬臂的铰接点与巷道断面形状相适应时， 如图 2.3 所示，能够截割出平整的巷道8 11。 图 2.1 纵轴式和横轴式悬臂掘进机工作原理图 图 2.2 横轴式掘进机巷道侧壁图 2.3 纵轴式掘进机巷道侧壁情况图 本章主要以 ebj-132a 型掘进机为例，简要介绍了纵轴式悬臂掘进机的基本构成， 西安科技大学硕士学位论文 8 并在分析其主要工作机构运动关系的基础之上推导建立了悬臂掘进机截割机构的相关 虚拟样机模型。 2.1 ebj-132a 型掘进机主要结构及主要技术特征 ebj-132a 型掘进机是一种半煤岩重型巷道掘进机，主要由履带行走部、截割部、 转载部以及喷雾降尘等部分组成，其外形如图 2.4 所示。 图 2.4 ebj-132a 型掘进机外形图 ebj-132a 型掘进机主要技术特征如表 2.1 所示。 表 2表 2 .1 1 ebj-132a 型掘进机主要技术特征型掘进机主要技术特征12 2 纵轴式悬臂掘进机主要构造和工作机构分析 9 掘进机工作时，司机通过控制操作台上的各种手柄改变各个流量阀的开度，使流向 液压缸工作腔的液压油流量改变，从而使液压缸的位移得到控制，以此达到控制悬臂在 垂直面和水平面的摆动，最终使截割头按照规定要求经过多次工作循环切割出巷道断 面。 2.2 ebj-132a 型掘进机行走部简介 行走机构既是驱动掘进机行走、调动的执行机构，又是整台掘进机的连接、支撑基 西安科技大学硕士学位论文 10 础。 悬臂式掘进机通常采用履带式行走机构，掘进机在足够的牵引力驱动下，以一定的 速度按工作要求，作前进、后退和左、右转弯的调动。履带式行走机构具有机动性好、 工作可靠、调动灵活和对巷道底板适应性好等优点。ebj-132a 型掘进机行走部也使用 的使履带式行走机构。 履带机构是依靠接地履带与巷道底板之间相对运动所产生的摩擦力驱动机器行走 的，其最大静摩擦力取决于机器重量以及履带板与底板之间的粘着系数。在行走机构电 动机容量一定或油马达转矩一定的情况下，行走阻力如果小于粘着力，当主动链轮旋转 时，链轮上的槽齿会拔压履带链板上的凸台，由于粘着力的存在，因此阻止了履带链运 动，从而迫使机器整体向前移动。反之，当行走阻力大于粘着力时，主动链轮的槽齿拔 压履带链板上的凸台，履带链能够克服履带板与底板之间的粘着力，则会出现履带链空 转即履带打滑现象。因此，为了保证掘进机的正常行走，行走机构必须具有足够的牵引 力。 悬臂式巷道掘进机的行走机构，需要满足驱动机体前进、后退以及左右转弯调动的 工作要求，所以履带式行走机构的左、右履带装置都采用分别单独驱动的传动方式。掘 进机前进、后退时，左、右履带装置同时驱动主动链轮带动履带运转，而当掘进机需要 转弯时，可以单独驱动转弯方向的另外一侧履带装置，而使转弯一侧的履带装置停止运 转；或者可以采用以相反方向分别驱动左右履带装置的方法，使机体急转弯。 履带式行走机构的驱动方式主要有电动机驱动和油马达驱动两种方式。ebj-132a 型掘进机行走机构的驱动方式为低速大扭矩油马达驱动方式，左右分别单独驱动，行走 机构主要由履带架、履带、张紧轮组、张紧油缸、下支重轮、拖轮、行走减速机、履带 限护板以及油马达等组成，履带行走速度的调节是通过改变油马达的转速来实现的。行 走部示意简图如图 2.5 所示。 1-驱动轮 2-导向轮 3-下支重轮 4-履带 5-托轮 图 2.5 履带式行走机构工作原理图 2 纵轴式悬臂掘进机主要构造和工作机构分析 11 2.3 ebj-132a 型掘进机截割部工作机构分析 截割部是悬臂掘进机中直接在工作面截割煤岩、实现巷道掘进的执行机构。因此， 工作机构的结构形式、截割能力、运转情况，对掘进机的生产能力、掘进效率和机体的 稳定性影响很大，虽然使用液压传动可以获得较大的调速范围并易于控制，液压马达的 体积也比同样输出扭矩的电动机小，但液压系统过载能力小，对于煤岩硬度变化较大的 掘进工作来说，适应性和可靠性差，所以掘进机工作机构一般都采用电动机驱动。 ebj-132a 型掘进机也采用这种方式，截割电机功率为 132kw，截割头额定转速为 34r/min。 悬臂式掘进机的截割部一般由电动机、联轴器、减速器、悬臂和截割头等组成，布 置在掘进机的前端，有些悬臂式掘进机的悬臂还带有伸缩机构，可以使悬臂沿巷道前进 方向伸缩，ebj-132a 型掘进机不带这种伸缩机构，工作时依靠机器自身的重力将掘进 头顶进截割断面，联轴器将掘进头和悬臂联接在一起，掘进头绕悬臂轴线的转动是依靠 电动机经过减速器和联轴器来实现的，电动机和减速器均安装在悬臂内部，这种设计一 方面可以使工作机构结构更加紧凑，提高悬臂的刚性，另一方面也可以有效地防止掘进 机工作时截割断面落下的煤岩损伤电动机与减速器。 ebj-132a 型掘进机的截割头呈圆台形，在圆台体上焊接有螺旋叶片，在螺旋叶片 上沿螺旋线方向并按照截线间距布置了一系列齿座，截齿安装在各个齿座上，这样设计 的目的是为了有效的进行截割并减少掘进头在钻入工作面时引起的截割阻力。 2.3.1 悬臂垂直摆动机构分析 由图 2.6 可以看出， ebj-132a 型掘进机的悬臂升降是由一对同步升降液压缸来完成 的，一对同步升降液压缸分别与掘进机的机架和悬臂进行铰接，关于机器中心线对称布 置，悬臂也与机架铰接，当升降液压缸的行程改变时，悬臂将绕其与机架的铰接点在垂 直面内作摆动，当升降液压缸伸长时，悬臂向巷道上方摆动，当升降液压缸缩短时，悬 臂向巷道下方摆动，因而可以方便地改变掘进头在巷道断面上的高度。值得注意的是， 因为掘进机自身具有一定的高度，悬臂的最大上摆角和最大下摆角一般并不相等，并且 悬臂在处于水平中位时，悬臂与机架的铰接点和悬臂轴线并不在同一个水平面内，二者 在垂直方向有一段固定的间距，而且这个间距随机型不同而不同。掘进机悬臂的垂直摆 动角度范围在-4545 角度大于向下摆动角度 13 。 西安科技大学硕士学位论文 12 图 2.6 ebj-132a 型掘进机截割部示意图 2.3.2 悬臂水平摆动机构分析 ebj-132a 型掘进机悬臂的水平摆动是依靠水平回转工作台的回转来实现的，机架 部分整体安装在水平回转工作台上，当回转台水平摆动时，安装在其上的机架将带动悬 臂作水平摆动。如图 2.7 所示，回转台由一对对称布置的液压缸来推动，工作液压缸的 两端分别与水平回转工作台、机身铰接。工作时，一侧的液压缸伸长，而另一侧的液压 缸相应缩短，需要改变悬臂的水平摆动方向时，只需相应改变一对对称摆动液压缸柱塞 杆的运动方向。由液压系统联系，升降液压缸和水平回转液压缸既可以单独运动，也可 以同时作复合运动。14 图 2.7 水平回转工作台示意图 2.4 本章小结 本章主要分析了 ebj-132a 型掘进机主要结构和技术特征，简约地介绍了其行走机 构，重点分析了其截割部工作机构，对工作机构中悬臂的垂直摆动和水平摆动的工作原 理分别作了分析。 3 掘进机截割机构数学模型的建立 13 3 掘进机截割机构数学模型的建立 本章首先根据机构运动学分析的一般方法，结合悬臂掘进机截割机构的构成以及悬 臂掘进机作业时的一些特点，在上一章对悬臂掘进机截割机构分析的基础之上，采用几 何投影的方法，进行了截割头截割轨迹的简化和截割工艺路线的确定，最后在此基础上 建立了巷道断面高度 h 、 宽度 b 和掘进机升降油缸长度 1 l 以及一对水平回转油缸长度 2a l， 2b l之间的数学关系。 3.1 掘进机截割头运动轨迹的简化及截割工艺路线的规划 3.1.1 掘进机截割头运动轨迹的简化 掘进机在工作时，除开切钻进以外，在一个工作循环以内截割头均处于水平摆动截 割状态，截割头上截割煤岩时的截齿运动是截割头自身旋转和悬臂水平摆动的复合运 动，由于悬臂在水平摆动时所形成的是一个圆柱面，因此截割头上截齿的运动轨迹为与 之相切的空间摆线。同样，悬臂在垂直面内作上下摆动所形成的也是一个圆柱面。综合 这两种情况，在完成一个工作断面的开挖任务后，实际上形成的是一个内凹的断面（如 图 2.3 所示） ， 而我们主要关心的是巷道的轮廓是否符合施工要求， 因此可将这个内凹面 向巷道断面方向投影，得到的即是巷道断面的轮廓。 当掘进机截割头切入巷道断面开始截割时，切入深度和水平进给量一般保持不变， 由于 ebj-132a 型掘进机的截割头近似为圆台状，则截割头在巷道断面上的投影可简化 为一个大小已知的圆(根据截割头钻进的深度不同， 其在巷道断面上的投影大小也不同)， 因此可将截割头的运动简化成水平平动和绕悬臂轴线转动的复合运动；同时考虑到掘进 机悬臂长度通常比截割头直径大很多，而悬臂的摆动速度又比截割头自身转速慢很多， 因此可认为截割头运动所形成的包络线即是巷道断面的轮廓。 这样简化和截割头的真实运动相比误差是很小的。15 3.1.2 截割工艺路线的规划 纵轴式掘进机在进行截割作业时应根据巷道断面的大小和形状，以及煤层的赋存情 况，合理地进行截割工作，超挖会给支护工作带来困难，并使巷道掘进效率降低，施工 成本增加。严格地说，要提出一种适用于任何断面截割的作业程序是不可能的，但对于 一般较均匀的中等硬度煤层，采取由下而上的作业程序，而对于相当坚硬的煤岩巷道， 也可以采取由下而上的作业程序，截割时应注意煤层的层理情况，沿层理进行截割，尽 量避免出现大的煤岩块，以利于装载转运。17另一方面，由前面的分析不难看出，悬臂 西安科技大学硕士学位论文 14 掘进机在进行截割作业过程中， 机器本身沿巷道中心线方向布置， 掘进头如果摆动到左、 右、上、下极限位置时，那么所得到的极限断面形状呈腰鼓形（如图 3.1 所示） ，其中最 宽处出现在巷道中部，巷道顶部和巷道底部的宽度均小于巷道中部宽度；而在实际作业 过程中， 悬臂掘进机所截割断面的形状均小于极限断面， 一般为标准的梯形， 半圆拱形、 矩形等等，在实际开采过程中，半圆拱形应用的较多。 现在针对具体形状的标准断面进行截割工艺路线的初步规划。 图 3.1 极限断面和几种标准断面情况 综合这几方面的因素，本文在进行悬臂掘进机截割工艺路线的规划时考虑采用如图 3.2 所示的截割工艺路线。 图 3.2 截割工艺路线的规划 由以上的分析可知，当给定巷道断面形状和具体尺寸时，假设初始时刻截割头中心 在巷道断面投影上的位置坐标为 00 (,)xy,其中x为任一时刻截割头中心距巷道中心线的 水平距离，y为任一时刻截割头中心距巷道底板的垂直高度；如果按照规划好的截割工 艺路线， 以时间为坐标， 给定截割头截割时的进给量， 将截割机构整个作业过程离散化， 3 掘进机截割机构数学模型的建立 15 则可得到截割头中心在巷道断面投影上的位置坐标序列： 00112211 (,),( ,),(,)(,),(,) kkkk xyx yxyxyxy l l 由这个序列的每个元素可方便地求出截割头在任一时刻的运动轨迹，而由整个序列 可作出截割头运动轨迹的包络线，即巷道断面轮廓。 经过截割头运动轨迹简化和截割作业工艺路线的规划，可将表示巷道断面特征的高 度、宽度等要素和截割头中心在巷道断面投影上的位置坐标联系在一起。18 3.2 掘进机截割机构的运动学分析 掘进机在进行巷道断面截割作业时，是通过悬臂带动截割头分别在垂直面内和水平 面内摆动来完成断面截割任务的，因此需要在垂直面内和水平面内分别对悬臂的运动加 以分析。 3.2.1 悬臂垂直摆动分析 通常情况下，掘进机工作装置的伸缩油缸仅在截割头钻进煤岩层时动作，而在垂直 和水平摆动截割时保持不变，因此下面的分析将悬臂段作为一个整体来考虑。为了简化 分析，不考虑悬臂掘进机主要工作机构各个部件的具体结构形式，由于掘进机截割机构 本身具有很大的刚度，受外力而引起的形状变化很小，并且由液压油的压缩而引起的工 作机构形变也很微小，因此可将它们简化为和实际长度相等的刚性杆件，则掘进机悬臂 升降机构可简化为如图 3.3 所示的摇杆机构，因为一对同步升降油缸是关于机器中心线 对称布置的，因此可将其简化为一个中心油缸，它的长度和实际的升降油缸长度是相等 的。 掘进机的悬臂升降是由一对同步升降液压缸来完成的，一对同步升降液压缸分别与 掘进机的机架和悬臂进行铰接，关于机器中心线对称布置，悬臂也与机架铰接。当升降 液压缸的行程改变时，悬臂将绕其与机架的铰接点在垂直面内作摆动。当升降液压缸伸 长或缩短时，悬臂将向巷道上或下方摆动，因而可以方便地改变掘进头在巷道断面上的 高度。 如图 3.3 所示，a 点为升降液压缸与机架的铰接点，b 点为升降液压缸与悬臂的铰 接点， 3 o 点为截割头中心在巷道断面上的投影位置，升降液压缸 ab 的长度记为 1 l ，悬 臂轴线 3 o b在水平面内时 2 ao b记为 0 ， 1 o 为水平回转工作台中心线在垂直面内的投 影， 2 o 为悬臂垂直回转中心， 23232323 bo obo obo obo o= = = 记为 0 ，这是由 工作部件具体尺寸和安装位置决定的， 并不随悬臂绕点 2 o 的转角改变而改变。 升降液压 缸长度 1 l 和 0 都随着改变而改变。 123123 hhh、 、 、分别为截割头在掘进最高 处、地板、卧底时悬臂的转角和 3 o 距离地面的高度。悬臂长为l，当悬臂轴线处于水平 西安科技大学硕士学位论文 16 位置时， 3 o 距离地面的高度为 4 h ，ebj-132a 型悬臂式掘进机具体参数尺寸见图 3.3 所 示。 20其他型号的纵轴式悬臂掘进机亦可通过这种方式建立数学模型，只要修改相应的 参数就可以了。 任意时刻悬臂的转角与截割头中心距地面高度 h 之间的关系式为： 4 0 arcsin hh l =+ 41 ()hhh (3.1) 4 0 arcsin hh l = 34 ()hhh (3.2) 22 22220 2cos()lo ao bo a o b=+ + (3.3) 图 3.3 悬臂垂直摆动示意图 3.2.2 悬臂水平摆动分析 截割臂水平摆动依靠水平回转工作台回转实现。回转台由对称布置的水平回转液压 缸推动，活塞杆与回转台相连，缸筒与机架相连。工作时，一侧液压缸伸长，另一侧液 压缸由于刚性连接相应缩短，液压缸一伸一缩，推动回转台带动截割臂绕水平摆动中心 1 o 左右摆动。 图 3.4 为悬臂水平摆动分析示意图。假定 12 oo 与巷道中心线重合，ebj-132a 型悬 臂式掘进机各个铰接点的位置及相关的参数见图 3.4。其中 1 o 为水平回转中心， 2 o 为垂 3 掘进机截割机构数学模型的建立 17 直回转中心在水平面内的投影，二者之间的水平距离为d。 23 o o 为悬臂轴线投影到水平 面内的长度,显然 23 coso ol=,为悬臂在垂直面内的转角。b为巷道宽度。当悬臂处 于中位时 4170 o oo=，任意时刻悬臂与巷道中心线之间的夹角为，截割头中心距巷 道中心线距离为b，左右回转液压缸的长度分别为 2a l和 2b l。20 当悬臂在水平面内向巷道左方转过角时： arcsin cos b ld = + (3.4) 此时对应的水平回转液压缸长度分别为： 22 2411741170 2cos() a lo oooo ooo=+ (3.5) 22 2411741170 2cos() b lo oooo ooo=+ + (3.6) 当悬臂向相反方向旋转时，只需将上两式中换为即可。 图 3.4 悬臂水平摆动示意图 3.3 本章小结 本章结合悬臂掘进机工作机构的构成以及悬臂掘进机作业时的一些特点，采用几何 投影的方法，进行了截割头运动轨迹的简化和截割工艺路线的确定，最后在此基础上建 立了巷道断面高度h、宽度b和掘进机升降液压缸长度 1 l 以及一对水平回转液压缸长度 2 l a， 2 l b 之间的数学关系。 西安科技大学硕士学位论文 18 4 掘进机截割机构虚拟样机建模与仿真 4.1 虚拟样机仿真技术 机械工程中的虚拟样机仿真技术又称为机械系统动态仿真技术，是 20 世纪 80 年代 随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（cae）技术。工程师在 计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机的设计方案，用 数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚拟样机技术可以大大简化机械产品的设计 开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质 量，提高产品系统性能，获得最优化的设计产品。21, 22 机械系统动态仿真技术的研究对象是机械系统，机械系统设计中有三种性质不同的 分析：系统静力学分析、系统运动学分析和系统动力学分析。 一定条件下，机械系统变成一个刚性系统，系统中的各构件之间没有相对运动。系 统静力学主要研究各种力的作用下，各构件的受力和强度问题。 机械系统运动学分析主要涉及系统及其各构件的运动分析，而与引起运动的力无 关。运动学分析中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置是关于时间的已知函数， 其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置、速度和加速度的方 程组来确定。 机械系统动力学分析主要涉及由外力作用引起的系统运动分析，包括两种情况：动 力学正解问题和动力学逆解问题。动力学正解问题涉及已知系统主动件驱动力，求末端 执行器的运动；动力学逆解问题涉及给定末端执行器的位置速度和加速度反求主动件施 加的驱动力。42 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算 机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时 刻的位置、速度和加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需 的作用力及其反作用力。24 4.1.1 虚拟样机关键技术 （1）建模技术 建模是整个虚拟样机的基础，关系到虚拟样机能否在一定程度上取代物理样机，让 客户能够准确地对产品进行仿真、测试以及评价。因此根据产品设计信息产生的虚拟样 机应力求在功能、行为以及视觉等特性方面与实际产品尽可能相似。 现代产品的功能、结构日趋复杂，往往牵涉到多个学科和多个领域。这类复杂产品 4 掘进机截割机构虚拟样机建模与仿真 19 的模型建立需要综合连续系统建模、离散事件系统建模等多种建模技术。采用的方法主 要有多领域建模、混合系统建模和分枢式协同建模。 现代产品的多学科复杂性使其虚拟样机建模具有多学科复杂性的同时，设计人员有 时还必须在异地、异构的情况下从事建模活动，而这些设计人员的角色、设计目标、协 同方式、工作流程往往又各不相同。这些复杂因素都大大增加了现代产品虚拟样机建模 的难度。为此，应加强多模式建模、并行分布式建模以及基于知识的建模技术的研究， 争取在系统层次上对虚拟样机模型进行统一表达，综合考虑后续的仿真、测试评价等因 素，以有效支持产品全生命周期的集成化开发。25 （2）仿真技术 目前有关虚拟样机的仿真方法主要集中在对多学科复杂产品的仿真方法研究上， 面 向由多个部件构成的系统，可能跨越多个领域，如机械、电子领域等。当今多领域复杂 产品仿真的主要方法和主要研究方向是针对多学科多领域的协同仿真。可分为基于统一 语言和基于接口两类。统一语言是通过提供统一的仿真语言，实现不同领域的建模、仿 真、 控制和验证。 基于接口是通过提供统一的接口标准来实现不同领域之间的信息交互， 对现有的仿真软件只需对自身的信息交换接口进行改造就可实现，较为方便。如图 4.1 所示。 图 4.1 虚拟样机多领域协同 虚拟样机仿真技术涉及到多个部件、跨越多个领域，适用于系统整体性能的仿真。 随着产品虚拟样机向异地、异构和大规模方向的发展，加强协同仿真框架，分布协同理 论研究， 更广泛灵活地将人工智能应用在仿真方面将是虚拟样机仿真技术发展的重要课 题之一。 西安科技大学硕士学位论文 20 （3）人机交互与人机结合技术 无论是设计人员还是用户，总是希望在产品设计过程中或者产品全生命周期内都能 实时地获得产品的相关信息并对产品的设计活动进行操控。人与产品虚拟样机的交互显 得尤为重要。 人机交互技术的一个关键问题是人机之间的双向通信，尤其是机器对人的信息的感 知与反馈。主要涉及形式化计算机语言、自然语言处理、图像图形识别等相关技术的研 究。人机结合是人工智能的一个重要研究方向，能够发挥人机各自特长处理复杂系统问 题。其核心是将人的心智与机器智能统一在一个相互作用、相互影响的环境中，通过人 机协作，实现智能互补，充分发挥系统的整体优势和综合优势，建立和谐的人机交互环 境。26 （4）测试评估技术 建立产品虚拟样机的全要目的是对设计产品的主要性能参数进行预先测试评价， 进 而指导并改进设计工作。 虚拟样机的测试评估研究大致分两个方面:一是通过研究虚拟样 机与物理样机关系， 测试评拈虚拟样机的可信性与可靠性:二是直接对虚拟样的主要性能 参数或指标进行测试评价。 第一个方面主要是通过研究物理样机与虚拟样机的相似度，进而检验虚拟样机的有 效性，但这类方法一直受限于相似元的选取和权重的确定。第二个方面，目前有基于目 标函数和基于虚拟现实技术、 触感技术的方法。 前者通过建立主要性能参数的评价函数， 利用该评价函数对虚拟样机仿真结果进行评估。但前提是主要性能参数明确，且能够建 立评价函数的简单虚拟样机。后者一般是结合虚拟现实和触感技术，建立包含虚拟样机 的外观、主要参数和主要性能指标的系统，由设计人员或者