1、第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 薛力猛，马宏伟，王川伟，等 护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；陕西省教育厅专项计划项目（）第一作者：薛力猛，男，河北辛集人，博士研究生，讲师，：通信作者：马宏伟，男，陕西兴平人，教授，：护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究薛力猛，马宏伟，王川伟，张恒，（西安科技大学 机械工程学院，陕西 西安 ；西安科技大学 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室，陕西 西安 ）摘要：为研究全断面滚筒截割在不同硬度煤岩掘进截割过程中截割力变化规律及截割力与煤岩硬度的相互关系，攻克
2、煤矿巷道护盾式智能掘进机器人系统截割控制难题，以护盾式智能掘进系统中的截割机器人为研究对象，采用理论分析、系统仿真和现场试验等相结合的方法，研究护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力。结果表明：当截割速度及截割深度一定时，截割力随煤岩硬度增大而增大；当截割煤岩硬度及截割速度不变时，截割机器人的截割力随截割深度的增加而增大，且截割速度、煤岩硬度不变时，可得到截割机器人的最大截割深度；截割机器人截割试验结果与仿真结果保持一致，对比误差在较小范围内。证明仿真研究方法可用于截割机器人截割作业控制的研究，来确定截割机器人的截割能力，为煤矿巷道快速掘进截割提供理论依据。关键词：护盾式智能掘进系统；截割机器人
3、；运动学分析；截割能力中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：，；，：；引言煤矿巷道快速掘进面临两大挑战 ，一是快速截割，二是快速支护，尤其是面对夹矸厚度大、硬度高、片帮严重等复杂地质条件的大断面巷道截割问题，亟待探究截割理论和方法 ，研发新型截割装备 ，实现智能截割。在巷道截割方法研究方面，马宏伟等针对小保当煤矿夹矸与片帮共存的掘进难题，研发护盾式智能掘进机器人系统，创新了大断面全宽横轴截割的新模式，探索煤岩截割控制新策略 。李旭等基于微分几何理论建立了 型掘进机工作机构运动学模型，用牛顿迭代法求解出运动学方程，并进行仿真分析，结果表明横摆时
4、的截齿运动与实际路径相吻合，截割部回转中心速度和回转台角速度有较强的相关性，截齿的加速度只在掘进截割方向有较大的变化 。李晓豁等建立横轴式掘进机截割时的截齿运动轨迹的几何模型及运动方程，并进行截割头运动特性仿真分析和研究 。黄建农等针对 型煤矿横轴掘进机建立实体模型和坐标系，并进行截割部运动学分析，得到了掘进头截齿速度、位移和加速度的运动变化过程 。刘旭南等用三维设计软件、仿真分析软件等工具建立采煤机截割滚筒受力力学模型，并进行仿真分析，研究滚筒的可靠性，得出输出轴、壳及行星架等的可靠度，发现行星架和壳体的应力集中过程，得到了最大应力值所处位置 。尹力等研究采煤机滚筒的载荷情况，分析不同截割工
5、况下截割参数的关系，得出所用方法准确有效 。年魁等对连续采煤机滚筒载荷进行仿真分析，为装载、行走和整机的设计提供参考 。针对护盾式大断面半煤岩全宽横轴滚筒截割能力、滚筒截割力与煤矿巷道煤岩硬度之间的相互关系及变化规律的研究较少，无法为快速掘进系统掘进截割的控制提供强有力的支撑。针对复杂地质条件煤矿巷道智能截割难题，以西安科技大学等 研发的护盾式智能掘进机器人系统的截割机器人为研究对象，分析其截割特点，建立运动学与动力学模型 ，通过截割仿真分析，获得截割机器人截割力与滚筒转速、滚筒截割速度、截割深度、煤岩硬度之间的变化关系，可为截割机器人定形截割的智能控制提供理论依据。截割机器人基本构成与工作原
6、理护盾式智能掘进机器人系统（图 ），主要包括截割机器人、临时支护机器人、钻锚机器人、电液控平台等。其中截割机器人集成于临时支护机器人底座平台之上，通过临时支护机器人上盾体、下盾体部分与围岩的相互作用，可为截割机器人提供一个稳定的滑移平台（图 ）。截割机器人由截割滚筒、截割臂、滑台、液压油缸等部件构成（图）。通过滑台推移油缸的伸缩控制可实现截割部前后滑移运动，通过个截割臂油缸的伸缩量控制可实现截割滚筒的上下摆动，利用滑台推移油缸和个截割臂油缸的复合运动，可实现巷道断面的成形截割，截割机器人的主要技术参数（表 ）。?图 护盾式智能掘进机器人系统?图 截割机器人与临时支护机器人和 西 安科技大学学报
7、 年第 卷第 期薛力猛，等：护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究?图 截割机器人构成 表 截割机器人技术参数 截割宽度 截割高度 截割硬度 滚筒转速（）截割功率 截割最大步距 截割机器人运动学与平面力学模型 截割机器人运动学模型根据截割机器人结构及组成原理，把截割机器人简化为多连杆机构。建立截割机器人空间运动位姿坐标系（图 ，表 ）。?图 截割机器人空间运动位姿坐标系 设定掘进截割总坐标系为（，），滑台局部坐标系为（，），截割臂局部坐标系（，），截割滚筒轴心局部坐系（，）。表 截割机器人 参数 连杆截割臂 方向投影 杆 转角（）截割臂 方向投影 截割臂转角（）截割机器人齐次变换矩阵为 式中
8、为截割机器人滚筒相对于总体坐标系的齐次变换矩阵；为截割机器人滑台相对于总坐标系的齐次变换矩阵；为截割机器人截割臂相对于滑台坐标系的齐次变换矩阵；为截割机器人截割滚筒轴心相结于截割臂坐标系的齐次变换矩阵。截齿的坐标为 ，则对于总体坐标系（，）的坐标矢量为（）式中，为截割臂和截齿转角；为滑台高度；为滑台到原点长度；为截割臂长度；为截割滚筒半径。滚筒上截齿的轨迹运动方程为 （）式中，分别为截齿在 和 方向的运动轨迹。对任意截割时刻的截齿轨迹方程求导数可得截齿速度。（）式中，为截齿轨迹一阶导数。则截齿速度大小 槡（）截割机器人平面力学模型掘进机器人所受截割阻力是滚筒上的截齿截割煤岩所产生的，滚筒和截齿
9、力学分析是掘进机器人力学分析的基础，截割一段时间后截齿会产生磨损现象，对于磨钝截齿的截割力有 （）（）（）槡（）式中为截割阻力；为牵引阻力；为煤岩接触强度；为截齿的类型系数，旋转截齿取 ，固定截齿取 ；为硬质合金头形状系数；为刀头部形状系数；为硬质合金刀头直径系数；为截齿截割角影响系数；为截割夹矸煤层时磨损面在截割平面上的投影面积。截齿的截割阻力和牵引阻力按坐标系进行分解，巷道轴线方向为 向，牵引方向为 向，则每条截线上 向合力为 （）（）每条截线上 向合力为 （）（）式中 ，分别为第 条截线上第 个截齿在 ，方向的分力。作用在滚筒 方向的合力，方向的合力分别为 （）（）式中 为第 条截线；为
10、任一条截线上第 个截齿；为任一条截线上截齿数；为截线数量。根据截割臂受力析（图 ）及截齿及滚筒受力计算得，在截割机器人稳定截割时满足（）式中 为截割臂力合力矩；，分别为截割臂 和 方向合力。?图 截割机器人截割臂受力分析 截割机器人截割仿真截割机器人的截割能力与滚筒旋转速度、滚筒截割速度、截割深度及煤岩硬度有关。由于截割机器人的设计截割功率为 ，可提供的额定截割力为 。因此，在文中仿真过程中，只要截割机器人的截割力小于 ，说明截割机器人能够完成巷道断面的定形截割任务。根据煤岩特点和计算方便各参数取值：取圆锥形 ，为 ，取 ，截割角 为 取 ，取。在仿真试验中，设定截割机器人截割滚筒旋转速度为
11、。截割机器人运动轨迹仿真截割机器人截割截割滚筒截割速度 ，巷道断面高度 ，滚筒转速 。对截割机器人截齿、截割滚筒、截割臂及滑台运动轨迹进行仿真（图 ），曲线 分别为滚筒上截齿、截割滚筒轴、滑台、截割臂的运动轨迹。滑台和截割臂的曲线运动合成截割滚筒的上下运动，使截割滚筒上的截齿以滚筒轴为中心做周期运动，完成巷道断面的平面截割。?图 截割机器人运动轨迹仿真 机器人截割力与截割硬度仿真设定 截 割 滚 筒 截 割 速 度 分 别 设 置 为 ，巷道断面高度为 ，巷道断面设定有不同硬度的煤岩，煤岩单轴抗压强度分别为 ，和 （大致相当于煤岩硬度）。当截割机器人截割深度为 ，对截割机器人进行仿真，得到不同
12、滚筒截割速度下机器人截割力与截割硬度关系（图 ），其中曲线 表示滚筒截割速度为 时的截割力，曲线 表示滚筒截割速度为 时的截割力，曲线 表示截割机器人滚筒可提供的截割力。通过对截割机器人不同滚筒截割速度下机器人截割力与截割硬度关系（图 ）。随着滚筒截割速度的增加，截割机器人所需要的截割力也会随之增加。当截割机器人运动到煤岩硬度为 时，截割机器人所需要滚筒截割力均小于 ，说明此时截割机器人能够完成巷道断面的截割任务。当截割机器人运动到煤岩硬度为时，需要滚筒截 西 安科技大学学报 年第 卷第 期薛力猛，等：护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究割力分别为 和 ，其值大于 ，此时截割机器人不能完成
13、巷道断面的截割任务。?图 不同滚筒截割速度下机器人截割力与截割硬度关系 机器人截割力与截割深度仿真设定 截 割 滚 筒 截 割 速 度 分 别 设 置 为 ，巷道断面高度为 ，截割深度设定有 ，和 。当煤岩单轴抗压强度 （大致为硬度），对截割机器人进行仿真，得到截割机器人不同滚筒截割速度下机器人截割力与截割深度关系（图 ）。在截割速度为 ，时（图），随着截割机器人截割深度的增加，截割机器人所需要的截割力也会随之增加，截割力的大小与截割深度成正比。当煤岩单轴抗压强度 时，截割深度为 时，截割力为 ，此时截割机器人能够完成巷道断面的成形截割任务。试验验证为了验证理论分析结果的准确性，设计了现场试验
14、，在小保当矿业公司护盾式智能掘进机器人系统进行测试。测试平台（图 ），为压力传感安装位置和数据监测平台。截割机器人截割硬度，截割速度 ，断面高度 ，截割深度分别为 ，位移 流量传感器 个（表 ）。?图 试验测试系统及系统压力监控界面 表 截割机器人及围岩参数 试验条件描述煤岩硬度 截割速度 （）断面高度 截割深度 ，传感器位置 数量 个截割臂油缸 传感器类型位移 流量油缸推 拉径、行程 油缸推力 拉力最大值 液压系统压力 在测试截割机器人滑台推移油缸及截割臂升降油缸的推拉力时，油缸推拉力与液压系统压力之间的关系式为推 ，拉（）（）式中推为油缸推力，；拉为油缸拉力，；为缸筒半径，；为活塞杆径，；
15、为测得的油缸压强，。测试截割臂油缸压力曲线及计算所得截割力比较数据（图 ，表 ）。曲线分别为 ，和 截割深度时油缸?图 不同滚筒截割速度下机器人截割力与截割深度关系 受力情况（图 ），截割臂油缸拉力在截割开始阶段减小来平衡截割臂重力产生的油缸推力，然后迅速增大，截割臂趋水平时，油缸拉力增大趋势减缓，达到最大值，随后油缸拉力逐渐减小，根据截割机器人力学 模 型 及 油 缸 参 数，得 到 速 度 为 时，不同截割深度的截割力（表 ），最大误差在 左右。误差原因有仿真模型为简化模型，各参数的设定与实际还有一定的偏差，还需要通过多次模拟仿真与实际试验进行对比分析，调速各仿真参数，使仿真试验尽可能与实
16、际相一致。?图 不同截割深度截割臂油缸受力 为测试不同煤岩硬度断面截割效果，设定截割速度为 ，截割深度为 ，截割高度为 ，进行了煤岩硬度分别为 和 的断面截割试验。测试效果（图 ），为煤岩硬度为 的断面截割效果和煤岩硬度为 的断面截割效果。由图可知，条件相同的情况下，煤岩硬度低的断面较为平整，硬度高的断面平整度较低。经过对截割机器人截割力的仿真和试验测试分析，可知理论分析与试验结果相一致，可为截割机器人智能截割的截割参数优化提供理论支持。表 不同截割深度截割力比较 截割深度 油缸压力最大值 截割力最大值 仿真截割力最大 仿真误差?图 煤岩硬度 和 断面效果 结论）根据截割机器人结构及组成原理，
17、将截割机器人简化为多连杆机构，建立护盾式截割机器人运动学模型及平面力学模型，得到截割机器人滚筒位移量与各油缸伸缩量的对应关系及滚筒截割阻力、滑台牵引力与煤岩接触强度之间的变化关系。）建立截割机器人虚拟样机模型，完成不同截割速度、截割深度、煤岩硬度下截割能力仿真分析。当截割速度一定时，截割力随煤岩硬度增大而增大，且机器人截割煤岩的最大硬度为。当煤岩截割硬度不变时，截割机器人的截割力随截割深度的增加而增大，且截割速度、煤岩硬度一定时，可确定截割机器人的最大截割深度。）试验表明建立的截割机器人的模型是正确的，试验结果与仿真结果一致，证明该方法可用于截割机器人真实截割作业控制的支撑，为煤矿巷道快速掘进
18、截割提供理论依据。参考文献（）：杨健健，张强，王超，等 煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 煤炭学报，（）：，（）：程建远，陆自清，蒋必辞，等 煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术 煤炭学报，（）：，“”，（）：李刚 煤矿巷道快速掘进工艺及设备配套现状与应用 煤炭技术，（）：西 安科技大学学报 年第 卷第 期薛力猛，等：护盾式智能掘进系统截割机器人截割能力研究 ，（）：吴晓旭，罗会强，丁震 国家能源集团掘进智能化建设现状与路径研究 工矿自动化，（）：，（）：张平松，李圣林，邱实，等 巷道快速智能掘进超前探测技术与发展 煤炭学报，（）：，（）：王步康 煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分析 煤炭科
19、学技术，（）：，（）：郝建生 煤矿巷道掘进装备关键技术现状和展望 煤炭科学技术，（）：，（）：马宏伟，孙思雅，王川伟，等 多机械臂多钻机协作的煤矿巷道钻锚机器人关键技术 煤炭学报，（）：，（）：马宏伟，王世斌，毛清华，等 煤矿巷道智能掘进关键共性技术 煤炭学报，（）：，（）：马宏伟，王鹏，张旭辉，等 煤矿巷道智能掘进机器人系统关键技术研究 西安科技大学学报，（）：，（）：马宏伟，王鹏，王世斌，等 煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法 煤炭学报，（）：，（）：李旭，顾永正，吴淼 基于微分几何的掘进机工作机构运动学分析 煤炭学报，（）：，（）：李晓豁，何洋，李婷，等 纵轴式掘进机横向和纵向随机振
20、动响应的分析 煤炭学报 ，（）：，（）：李晓豁，田晶，黄艳 横轴式截割头截割过程的运动学仿真 黑龙江科技学院学报，（）：，（）：黄建农，白龙，董志峰 型掘进机虚拟样机及截齿运动仿真 机械传动，（）：，（）：刘旭南，赵丽娟，黄凯，等 基于应力 强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析 煤炭学报，（）：，（）：尹力，梁坚毅，朱真才，等 采煤机螺旋式滚筒截割载荷仿真分析 煤炭技术，（）：，（）：年魁，吴凤林 连续采煤机截割参数的确定及计算 煤矿机械，（）：，（）：史琼艳，谢小敏 基于模型控制的并联机构机器人腿简化建模与辨识方法研究 中国工程机械学报，（）：，（）：张德珍，王德伦，马雅丽 基于方向变换矩阵的三维装配草图生成方法 中国机械工程，（）：，（）：董磊，张华，吕继双，等 基于力链的岩石单齿截割特性研究及截割力预测 岩土力学，（）：，（）：杜鑫，应明，韩冰 不同截割线速度截齿受力的分析 煤矿机械，（）：，（）：刘春生，刘延婷，李德根，等 轴向振动截割下碟盘刀刃与煤岩作用机制及其载荷模型 煤炭学报，（）：，（）：王鹏江，杨阳，王东杰，等 悬臂式掘进机煤矸智能截割控制系统与方法 煤炭学报，（）：，（）：张梦奇 纵轴式掘进机截割功率预测方法与试验验证 煤炭学报，（）：，（）：（责任编辑：李克永）西 安科技大学学报 年第 卷
