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数控伞钻控制系统开发及Unity3D的应用

发布时间:2019-09-22 19:26

  摘要: 为提高钻爆法竖井施工的安全性,实现伞钻自动化施工,开发伞钻控制系统。 首先介绍伞钻功能、结构等被控对象背景,之后分别从控制系统硬件、运动控制算法及人机界面软件、Unity3D 功能应用等 3 方面进行描述。 搭载该控制系统的伞钻装置进行多次钻孔试验,结果证明: 该系统整体功能、效率、精度达到设计目标,能实现凿岩过程的自动化,提高施工的安全性;Unity3D 的应用可方便主司机获取伞钻各动臂位姿信息,也能从软件上降低各动臂机械干涉概率。

  关键词: 伞钻; 控制系统; 人机界面; Unity3D 应用

  0 引言

  国内竖井目前多采用钻爆法施工。 该工法中钻凿炮眼是重要的一环,炮眼的位置数量与施工地层密切相关,例如 13m 直径的竖井断面,每次需炮眼 265 个。炮眼开凿的装备主要有气动伞钻和液压伞钻,其中多数为 3 臂或 6 臂的气动伞钻,不具备自动定位功能,每个伞臂均需要一个操作人员来控制。 凿岩机一般功率较小、效率低,过程极为耗时耗力。 凿岩过程中作业面一般噪音巨大、粉尘严重、十分潮湿,现场环境极为恶 劣( 见图 1( a)),且需将挖掘机等大型施工机械悬吊在施工人员头顶上方施工( 见图 1( b)),安全隐患极大[1] 。 液压伞钻可以提高效率,但工作安全性仍然有目前国内中煤五建与中国矿业大学正在联合研制液压伞钻,平煤集团已经研制试用液压伞钻,液压伞钻工作效率是气动伞钻的 2 倍。 国外海瑞克、古河也研制了全液压伞钻。 文献[ 2] 对于伞钻液压化、多功能化、轻型化、综合配套方向进行了预见,指出开发研制 综合凿井设备( 如竖井掘进机) 是提高竖井掘进机械化、自动化的关键。 文献[ 3] 从能量损失角度出发,仿真验证了系统的负载敏感性能以及回转回路的调速性能。 文献[ 4] 介绍了 FJD6A 型伞钻液压系统技术改造。 文献[5] 对液压伞钻与普通气动伞钻的应用效果进行了分析。 文献[ 6] 从安全、高效、防尘、降噪等方

  第一作者简介: 林福龙( 1987—),男,福建南安人,2018 年毕业于石家庄铁道大学,机械工程专业,硕士,工程师,现主要从事隧道设备自动化控制与调试工作。 E-mail: linfulong@ Crectbm. com。

  面开展了新型竖井全液压凿井钻机的研究,新钻机可以降低钻具消耗。 文献[7] 采用动力学仿真软件研究了液压伞钻单臂或者整机的运动控制精度及稳定性、快速性。 文献[ 8] 以全液压伞钻结构优化、降低结构质量为目标,通过 ANSYS 分析了全液压伞钻主要结构件在正常工况下的应力、应变规律及相关结构的变形规律。 文献[9] 介绍了伞钻动臂机构优化设计。 综上可知,目前对伞钻的整体自动化施工的研究还比较少, 本文主要研究由施工作业面上的布孔位置及打孔顺序演算各动臂位移,进而由控制系统实现伞钻自动定位、自动凿岩,从而提高伞钻施工效率和安全性。

  撑油缸、调垂油缸协同工作确定径向位置和入地方向; 顶紧油缸负责支撑臂顶紧作业面,为凿岩提供稳定基石。 凿岩装置负责钻孔。 从机械结构上不难看出,伞钻要实现自动作业需要解决以下几个关键问题: 立柱自动调垂、炮眼布置及钻臂路径规划、钻臂自动定位与凿岩过程。

  1 伞钻结构及功能简介

  伞钻的动作设计是自动控制的基础,首先简要描述一下伞钻机械结构。 伞钻机械结构如图 2 所示。 伞钻机械实物如图 3 所示。

  如图 2 所示,伞钻的固定由 3 个上部支腿和立柱调高油缸共同完成。 运输状态下,伞钻全部油缸收回, 圆周方向尺寸缩至最小;运至井底开凿面后,定好中心立柱的位置,伸出上部支腿,并顶紧井壁。 通过调整上部支腿上的油缸和中心立柱调高油缸可调整伞钻垂直度。 单根支撑臂的定位由回转装置、支撑油缸、调垂油缸、顶紧油缸共同完成;回转机构有马达减速机驱动和油缸顶推 2 种方案负责确定钻孔圆周方向的布局;

  2 伞钻控制系统硬件组成

  2. 1 控制系统架构及硬件选型

  整个系统的控制框架分为 3 层,分别是地面监控层、井下控制层和钻机作业层。 地面监控层用于管理人员实时监控井下设备运行情况,操作人员能浏览各个控制界面和监控画面,但无法操作与修改具体内容; 井下控制层位于伞型钻机上端 5 ~ 10 m 处,布置有操作台和监视器以及电气控制柜等,是操作人员进行钻机操作的主控室,地面监控与井下控制室通过以太网相连,进行数据传输;钻机作业层是钻机实际工作区域,和操作室通过 CAN 总线通讯,执行各个动作。 控制系统整体架构如图 4 所示。

  控制系统可以远程操控,设置手动模式和自动模式 2 种工作模式状态。 手动模式下可以用操作台手柄按钮等手动控制实现所有动作,同时具备位置干涉报警停止功能。 自动模式下可实现按钮一键启动后,按照预定的孔序自动实现炮眼孔位的计算与规划,向控制单元发送指令,控制各个动作的起始、终止位置及运动速度。

  操作台由 1 个触摸显示屏、预留的 1 个视频监视器、2 个双轴操作手柄、1 个急停按钮、多个控制按钮及控制旋钮共同组成,如图 5 所示。 自动模式由人机界面软件设置实现。

  考虑到设备所处的工作环境以及系统上大部分执行元件为液压比例阀,最终选择并设计了以 TTC60 为核心的控制系统,该控制器具有防护等级高、稳定性好、抗干扰能力强、能够适应恶劣工况等特点。 同时该款控制器能够直接驱动 2 ~ 4 A 以内的比例阀,很大程度上简化了电气系统设计。 操作台及伞钻 3D 模拟实物如图 6 所示。

  2. 2 运动控制算法及界面开发

  数控伞钻创新点主要体现在其控制系统算法及功能上,主要功能有: 1) 孔位的批量设计和手动增删,形成布孔图;孔序的规划;钻孔参数调节。 2) 钻臂位置的监测和运动控制。

  钻孔录入有 2 种方式,地质条件良好的情况下可以根据规则批量生成;作业面岩石情况复杂时需要手动设计钻孔位置,如图 7 所示。 钻孔坐标以极坐标表示,每个钻孔坐标由 3 个参数( θ,r,φ) 构成,分别代表极坐标角度、极坐标半径和钻杆钻进角度。 钻孔位置参数在界面实时显示,方便查看修改。

  孔序规划尽可能将钻孔均匀分配给各工作臂,尽可能保持各臂同步运动,以保持钻架平稳。 一般情况下是沿圆周方向均布的,如图 8 所示。

  1) 伞臂位置的检测与计算方法。 伞臂位置的检测与计算方法是数控伞钻实现自动化作业的核心内容。 根据结构运动原理,研究确定如何实时检测控制伞臂的位置,检测炮眼钻进的深度;在完成 1 个工作炮眼后,研究如何使钻臂进入下一工作位置的控制方法。

  2) 运动精度的设计及缓冲补偿设计。 运动精度的设计及缓冲补偿设计是数控伞钻可靠平稳工作的重要环节,通过合理的缓冲设计和参数调试及补偿算法, 提高孔位定位的准确度。

  人机界面软件根据钻孔坐标信息以及各运动部件的尺寸推算出各个油缸应该伸缩的长度的目标值,并发送给控制器,由控制器根据各油缸的目标位移和测量位移实施闭环控制运动到目标位置,从而使凿岩机达到准确位置和姿态。 结合设备机械结构参数、钻孔位置等信息,运用空间立体几何、矢量函数及欧拉角运算等计算出来各个动臂的控制目标位移的运动控制算法,以及各动臂运动过程中的控制精度及缓冲补偿是关键技术。

  3 Unity3D 技术及其应用

  考虑到钻机凿岩工作时的恶劣粉尘环境,人员一般在井上作业层或者地面监控层,如何直观方便地了解作业面的实际工况是一个重要的问题。 系统设计了视频监控和 3D 仿真,二者互相校验。 视频监控较为简单,选用合适的数字摄像头安装在特定角度即可。真实数据驱动的设备 3D 模型仿真不但可以使设备动作情景再现,特有的防碰撞机制还可以预防各机械臂的干涉。 其设计过程及效果如下。

  3. 1 Unity3D 模型处理过程

  详细设计过程如下: 将SolidWorks 模型导出为Stl格式文件,将 Stl 文件批量导入 3Dmax 中,导出为 FBX 格式文件,将 FBX 文件导入 Unity3D 中进行减面处理

  并绑定脚本动作后导出 PC 版 Unity3D 文件,Unity3D文件嵌入上位机程序中由 UnityWebPlayer 播放。 由于 Unity3D 模型中嵌入运动控制脚本代码, 上位机读取控制器数据之后,将相应参数传入脚本,即可控制 3D 模型再现真实设备动作。 本应用的难点是如果模型量过大,上位机运行过程中会出现卡顿;解决方法是对模型进行简化,提高界面运行的流畅度。

  3. 2 主监控功能及 Unity3D 效果

  设计三维实时仿真动画,根据钻机各个执行机构的反馈值还原钻机的实际姿态,方便司机实时查看伞钻的动作姿态。 同时在主监控界面上能够实时查看各个油缸的位移以及大臂当前的角度信息,其效果如图 9 所示。

  图 9 主监控界面

  4 结论与讨论

  本文开发出一套可靠实用的控制程序,实现了钻孔规划、实时参数检测及钻臂运动显示功能,达到钻臂工作的自动定位,并能进行连续的多孔位定位钻孔作业。 Unity3D 技术的应用,数据驱动 3D 模型让界面更直观,Unity3D 软件特有防碰撞机制简化机械防干涉机制,大幅降低机械干涉的可能性。 控制系统满足设计要求,整体技术是先进的。 下一步,要结合项目,比如交通隧道通风竖井、矿用竖井或水电项目竖井,进行多方全面地试验测试,对该技术继续完善修正。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/gc/sk/4111.html

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