[發明專利]一種懸臂縱軸式掘進機斷面自動成形截割運動優化方法

有效

• 申請號: 202110244082.4
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN112983412B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 沈剛;朱真才;湯裕;李翔;江紅祥;張國泰;柏德恩;許少毅;劉送永;王威
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: E21C25/18
• 分類號: E21C25/18;E21C29/22;E21C35/00;E21F17/18;E21F17/00;G06Q50/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李翩

1.一種懸臂縱軸式掘進機斷面自動成形截割運動優化方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1：以掘進機重心為坐標原點O₀建立O₀-X₀Y₀Z₀坐標系，O₀X₀軸垂直于截割斷面方向，O₀Y₀軸垂直于巷道側壁方向，O₀Z₀軸垂直于巷道頂壁方向；以回轉部件與懸臂大梁鉸接位置為坐標原點O₂建立O₂-X₂Y₂Z₂坐標系，以經過O₂并與回轉支撐的軸心延長線相垂直的垂足為坐標原點O₁建立O₁-X₁Y₁Z₁坐標系，以截割頭前端中心位置為坐標原點O₃建立O₃-X₃Y₃Z₃坐標系，當懸臂大梁處于水平位置并且沒有發生左右擺動時，從坐標原點O₃向巷道地面作垂線，以垂足O₄為坐標原點建立O₄-X₄Y₄Z₄坐標系，其中O₁X₁軸、O₂X₂軸、O₃X₃軸、O₄X₄軸與O₀X₀軸平行且指向相同，O₁Y₁軸、O₂Y₂軸、O₃Y₃軸、O₄Y₄軸與O₀Y₀軸平行且指向相同，O₁Z₁軸、O₂Z₂軸、O₃Z₃軸、O₄Z₄軸與O₀Z₀軸平行且指向相同；

S2：設截割頭的第i個截齒在O₃-X₃Y₃Z₃坐標系中的坐標為截割頭水平擺角為θ₁，即θ₁為O₁O₃連線在O₁X₁Y₁平面上的投影與O₁X₁軸之間的夾角，截割頭垂直擺角為θ₂，即θ₂為O₂O₃連線與O₂O₃連線在O₂X₂Y₂平面上的投影之間的夾角，則截割頭第i個截齒在O₀-X₀Y₀Z₀坐標系中的坐標方程為：

式中，l₁為O₀O₁在O₀X₀軸方向上的投影距離，l₂為O₁O₂在O₀X₀軸方向上的投影距離，l₃為O₂O₃在O₀X₀軸方向上的投影距離，h₁為O₀O₁在O₀Z₀軸方向上的投影距離，h₂為O₁O₃在O₀Z₀軸方向上的投影距離；

S3：截割頭水平運動時軌跡規劃：當截割頭沿截割路徑做水平運動時，采用高階多項式過渡線性插值法設定截割過程中的回轉角度α(t)、角速度和角加速度分別為

其中，V_c為截割頭中間勻速段時回轉角速度；t為時間變量；t_smin為起始過渡段時間；t_over為截割頭從起點運動到終點的時間；A_max為截割頭回轉角加速度的最大值；J_max為截割頭回轉角加速度導數的最大值；

截割頭非水平運動時軌跡規劃：當截割頭沿截割路徑做非水平運動時，采用組合正弦函數曲線設定截割過程中的擺動角度β(t)、角速度和角加速度分別為

其中，T為截割頭非水平運動總的運動時間；

S4：根據巷道斷面的形式，確定巷道斷面上各個拐點在截割路徑中的坐標序列{(y₁，z₁)，(y₂，z₂)，……，(y_j，z_j)，……，(y_J，z_J)}，其中，(y_j，z_j)表示第j個拐點在O₀-X₀Y₀Z₀坐標系的Y坐標和Z坐標，截割路徑中共有J個拐點；依次對相鄰的兩個拐點進行步驟S3中的軌跡規劃，得到S形遍歷整個預截割斷面的截割路徑。