劉若涵，劉永立，劉爽

（1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；4.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引言

巷道掘進(jìn)裝備自主運(yùn)行能力和平行協(xié)調(diào)能力的智能化是其高可靠性與長壽命的基礎(chǔ)。目前，巷道掘進(jìn)機(jī)多采用人工操作，由司機(jī)目視控制掘進(jìn)機(jī)截割頭等機(jī)構(gòu)運(yùn)動。煤炭開采及裝備的數(shù)字化和智能化發(fā)展對裝備的適應(yīng)性、工作效能、多功能、多用途、安全可靠性等方面提出了更高要求。而掘進(jìn)工作面存在高粉塵、機(jī)器振動、復(fù)雜地質(zhì)條件等因素，增加了掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)的截割狀態(tài)、成形截割和各機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)動作關(guān)聯(lián)性的檢測、預(yù)測與控制難度。對于智能化多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)，截割路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤控制過程中的懸臂與鏟臺防干涉碰撞及協(xié)調(diào)控制是不容忽視的關(guān)鍵問題。

目前，對懸臂式掘進(jìn)機(jī)防干涉碰撞的研究多集中在液壓防干涉、位姿檢測與感知等方面。葉旺盛等[1]設(shè)計(jì)了由先導(dǎo)液壓油源和防干涉閥等組成的液壓防干涉裝置，有效避免了掘進(jìn)機(jī)截割臂與鏟板的干涉碰撞。劉送永等[2]建立了截割位姿與運(yùn)行軌跡方程，提出了一種通過懸臂機(jī)構(gòu)水平擺動和升降液壓缸行程在線監(jiān)測確定截割頭位姿狀態(tài)的方法，并給出了懸臂位置與液壓缸行程的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。張超等[3]提出了基于雙目立體視覺的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿自動測量方法，并通過3D-3D 運(yùn)動估計(jì)方法實(shí)現(xiàn)位姿參數(shù)求解。朱殿燁[4]對掘進(jìn)機(jī)懸臂截割機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程進(jìn)行分析研究，給出了掘進(jìn)機(jī)升降油缸閥塊與叉形架肋板不發(fā)生干涉的條件。左奪等[5]通過鏟板部升降液壓油缸和截割部升降液壓缸中位移傳感器數(shù)據(jù)，獲得鏟臺和懸臂的實(shí)際距離，設(shè)計(jì)了一種防碰撞液壓系統(tǒng)。馬源等[6]比較了懸臂式掘進(jìn)機(jī)多種姿態(tài)檢測方法，給出了精確的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭等空間位置檢測方案。劉濤[7]研制了智能液壓限位控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)是否干涉的可視化監(jiān)控，可利用記憶程控截割技術(shù)獲取截割軌跡，從而控制截割臂和鏟板的相對位置。姬魁[8]通過分析EBZ-120 型懸臂式綜掘機(jī)懸臂與鏟臺接觸碰撞的問題，給出了綜掘機(jī)懸臂不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象的參數(shù)條件，提出了數(shù)字化油缸控制和鏟板結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施。劉春生等[9]從防止懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)機(jī)械干涉出發(fā)，給出了截割頭截割軌跡與鏟板位置的可視化干涉預(yù)警方法，研制了一種基于角度傳感器的計(jì)算機(jī)控制防干涉及程控截割的自動控制系統(tǒng)。李飛等[10]針對煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)智能截割、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控、智能協(xié)同控制3 個方面進(jìn)行分析，提出了可自適應(yīng)識別與控制的智能截割方法。王鵬江等[11]提出了一種懸臂式掘進(jìn)機(jī)煤矸智能截割控制系統(tǒng)，通過實(shí)時采集多種傳感器信息，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在不同截割狀態(tài)下驅(qū)動截割臂智能截割。張旭輝等[12]分析了數(shù)字孿生驅(qū)動的懸臂式掘進(jìn)機(jī)智能操控系統(tǒng)，基于機(jī)載計(jì)算機(jī)傳感檢測模塊實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)機(jī)身和截割頭位姿等信息檢測，實(shí)現(xiàn)地面與井下截割數(shù)據(jù)的融合及掘進(jìn)機(jī)實(shí)時同步控制。秦彥博[13]采用截割臂升降、回轉(zhuǎn)等位移傳感器，檢測懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭水平擺動和上下擺動位置坐標(biāo)，開發(fā)了掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)自動截割。張杰[14]通過設(shè)置改向鏈輪超前銜接，優(yōu)化裝載結(jié)構(gòu)，避免了懸臂和鏟臺碰撞。吳淼等[15]提出了一種掘進(jìn)機(jī)懸臂擺動檢測方式，改進(jìn)推導(dǎo)了捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)初始粗對準(zhǔn)和姿態(tài)更新算法，實(shí)現(xiàn)了懸臂姿態(tài)和位置的精確感知。雷振廷[16]針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部與鏟板部的干涉問題，采用數(shù)字液壓缸實(shí)現(xiàn)行程控制，避開鏟板與截割臂的干涉范圍。華洪濤等[17]提出了一種基于捷聯(lián)慣導(dǎo)和推移油缸信息融合的智能掘進(jìn)位姿測量方法，利用捷聯(lián)慣導(dǎo)實(shí)時測量掘進(jìn)姿態(tài)信息，再結(jié)合推移油缸位移數(shù)據(jù)進(jìn)行航位推算，采用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波算法將捷聯(lián)慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和油缸數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，提高位姿測量精度。馬宏偉等[18]基于數(shù)字孿生驅(qū)動方法實(shí)現(xiàn)智能掘進(jìn)全局和局部精準(zhǔn)定位定向及斷面截割精準(zhǔn)定形控制。朱彥秋等[19]分析了懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭與鏟板出現(xiàn)的機(jī)械干涉，闡述了固定擋塊法和機(jī)械、電氣和液壓復(fù)合法的防干涉工作原理。

上述研究主要基于單一的控制方法，將防干涉碰撞條件融入到控制中的研究較少。因此，本文通過研究懸臂機(jī)構(gòu)及其控制，建立懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)空間位置的數(shù)學(xué)描述，根據(jù)懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置模型和懸臂與鏟臺防干涉碰撞的控制規(guī)則，建立懸臂和鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置干涉解算模型，為智能化掘進(jìn)機(jī)懸臂和鏟臺的防干涉控制奠定基礎(chǔ)。

1 懸臂機(jī)構(gòu)

應(yīng)用懸臂機(jī)構(gòu)的煤礦裝備主要有傳統(tǒng)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)、巷道修復(fù)機(jī)、多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)等。傳統(tǒng)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)如圖1 所示，懸臂靠上下和水平2 個自由度的組合擺動來完成截割軌跡控制與巷道斷面成形，但不能實(shí)現(xiàn)截割刀具的空間姿態(tài)調(diào)整。巷道修復(fù)機(jī)如圖2 所示，工作機(jī)構(gòu)由主懸臂和輔助懸臂構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)上下、水平擺動，截割具有更靈活的適應(yīng)性、更寬泛的工作范圍，且工作狀態(tài)可任意調(diào)整，滿足巷道壁修復(fù)功能的要求。多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)如圖3 所示。其具有主懸臂和輔助懸臂[20]，主懸臂主要完成截割巷道斷面成形時的水平和上下擺動，輔助懸臂主要完成截割煤巖姿態(tài)的調(diào)控功能，并輔助主懸臂擴(kuò)大工作范圍。多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)不但可實(shí)現(xiàn)上下、水平4 個自由度擺動，還可實(shí)現(xiàn)截割軌跡、斷面輪廓與截割破碎煤巖姿態(tài)的綜合調(diào)控。主懸臂與輔助懸臂協(xié)同運(yùn)動時，由于多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)自由度的增多，增大了懸臂與鏟臺發(fā)生干涉碰撞的概率，所以需要研究懸臂和鏟臺的控制方法，防止懸臂與鏟臺發(fā)生運(yùn)動干涉碰撞。

圖1 傳統(tǒng)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)Fig.1 Traditional boom-type roadheader

圖2 巷道修復(fù)機(jī)Fig.2 Roadway repair machine

圖3 多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)Fig.3 Multi-degree of freedom boom-type roadheader

2 懸臂機(jī)構(gòu)控制

懸臂機(jī)構(gòu)控制原理如圖4 所示。懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)采用協(xié)同控制方式，通過智能控制器控制電液比例閥，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動懸臂與鏟臺，截割刀具按特定軌跡實(shí)現(xiàn)巷道成形；通過不同液壓缸的組合動作調(diào)整刀具截割煤巖姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳截割破碎煤巖狀態(tài)[21]。為保證截割過程自動控制的可靠性，通過懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置模型，解算干涉條件，計(jì)算相關(guān)控制量與方向，進(jìn)而避免干涉碰撞，實(shí)現(xiàn)懸臂與鏟臺動作方向的聯(lián)鎖。

圖4 懸臂機(jī)構(gòu)控制原理Fig.4 Control principle of boom mechanism

懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置模型和干涉條件解算是實(shí)現(xiàn)懸臂智能控制的基礎(chǔ)。當(dāng)巷道成形參數(shù)及截割刀具軌跡給定時，初始化液壓缸各參數(shù)，依據(jù)懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置模型，解算出主懸臂、輔助懸臂邊界等效分段空間直線上特定點(diǎn)至鏟臺等效空間平面的距離 ρ，與給定的最小相對距離 Δρ進(jìn)行比較。據(jù)此給出懸臂與鏟臺防干涉碰撞的控制規(guī)則：當(dāng) ρ≤Δρ時，懸臂與鏟臺分離（反向）擺動、懸臂上擺特定點(diǎn)位移≥鏟臺上擺特定點(diǎn)位移、懸臂下擺位移≤鏟臺下擺位移、鏟臺不擺動與懸臂不擺動或上擺動；當(dāng)ρ ＞ Δρ時，懸臂和鏟臺各液壓缸的運(yùn)動不受限制。

3 懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)空間位置的數(shù)學(xué)描述

為研究多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)主懸臂、輔助懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)空間位置關(guān)系，將懸臂機(jī)構(gòu)簡化為分段空間直線，鏟臺機(jī)構(gòu)簡化為空間平面。懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)位置關(guān)聯(lián)如圖5 所示。x，y，z軸分別為平行懸臂中位軸線、垂直地面軸線和垂直懸臂軸線；δ為主懸臂水平任意擺動位置角；δ0為主懸臂中位擺動位置角；δ1為輔助懸臂相對主懸臂任意擺動位置角；β1為輔助懸臂相對主懸臂上下擺動位置角；β2為主懸臂上下擺動位置角；β3為鏟臺2 個鉸接點(diǎn)連線與x軸夾角；β4，β40分別為鏟臺上下和中位擺動位置角；α1，α10分別為輔助懸臂擺動液壓缸在任意行程和中位行程時液壓缸2 個鉸接點(diǎn)與輔助懸臂鉸接點(diǎn)連線間的夾角；α2，α20分別為主懸臂擺動液壓缸在任意行程和中位行程時液壓缸2 個鉸接點(diǎn)與主懸臂鉸接點(diǎn)連線間的夾角；α3，α30分別為鏟臺擺動液壓缸在任意行程和中位行程時液壓缸2 個鉸接點(diǎn)與鏟臺鉸接點(diǎn)連線間的夾角；o0，o2，o3分別為主懸臂水平擺動、上下擺動和鏟臺擺動液壓缸與機(jī)架鉸接點(diǎn)；o，o1，o4分別為主懸臂水平擺動、上下擺動和鏟臺擺動中心點(diǎn)；φ1為輔助懸臂擺動液壓缸安裝結(jié)構(gòu)夾角；φ2為點(diǎn)o3和點(diǎn)o4連線與x軸夾角；φ3為輔助懸臂擺動液壓缸鉸接點(diǎn)和點(diǎn)o1連線與x軸夾角；φ4為主懸臂2 個鉸接點(diǎn)連線與x軸夾角；φ5為鏟臺2 個鉸接點(diǎn)連線與x軸夾角；L為點(diǎn)o到點(diǎn)o0的距離；Ls為點(diǎn)o1到輔助懸臂鉸接點(diǎn)的距離；L0為點(diǎn)o到點(diǎn)o1的距離；L1為點(diǎn)o1到主懸臂上下擺動液壓缸鉸接點(diǎn)的距離；L2為點(diǎn)o1到點(diǎn)o2的距離；L3為點(diǎn)o3到點(diǎn)o4的 距離；L4為鏟臺底邊長度；L5為輔助懸臂鉸接點(diǎn)到截割刀具的距離；L00，L10，L20，L30分別為主懸臂水平擺動、輔助懸臂擺動、主懸臂上下擺動、鏟臺上下擺動液壓缸的最小長度；R為主懸臂水平回轉(zhuǎn)臺半徑；R1為輔助懸臂繞鉸接點(diǎn)擺動半徑；R3為鏟臺繞點(diǎn)o4擺動半徑；φ0為截割刀具外徑；J為截割刀具截深；S0，S1，S2，S3分別為主懸臂水平擺動、輔助懸臂擺動、主懸臂上下擺動和鏟臺上下擺動液壓缸行程；S00，S10，S20，S30分別為主懸臂水平擺動、輔助懸臂擺動、主懸臂上下擺動和鏟臺上下擺動液壓缸中位行程；a1，b1，a2，b2為主懸臂和輔助懸臂空間直線邊界點(diǎn)；Δa1，Δb1，Δa2，Δb2為主懸臂和輔助懸臂機(jī)構(gòu)等效結(jié)構(gòu)尺寸；dJ為截割刀具邊界點(diǎn)；ΔdJ為截割刀具相對懸臂機(jī)構(gòu)的距離；E1，E2，E3分別為鏟臺上下擺動液壓缸鉸接點(diǎn)和鏟臺前邊緣點(diǎn)；ΔE1，ΔE2，ΔE3分別為鏟臺上下擺動液壓缸鉸接點(diǎn)和鏟臺前邊緣點(diǎn)的結(jié)構(gòu)尺寸，且 ΔE1=ΔE2；xo4，yo4分別為點(diǎn)o4的x，y坐標(biāo)值；BE為鏟臺上下擺動液壓缸2 個鉸接點(diǎn)間的距離。

圖5 懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)位置關(guān)聯(lián)Fig.5 Position correlation between boom mechanism and shovel table mechanism

3.1 鏟臺等效空間平面方程

依據(jù)鏟臺的結(jié)構(gòu)凸凹外形特征，將鏟臺簡化等效為圍繞點(diǎn)o4上下擺動的空間平面Ⅲ，設(shè)定鏟臺等效空間平面方程：

式（1）中的待定系數(shù)A，B，C，D可由鏟臺上下擺動液壓缸鉸接點(diǎn)和鏟臺前邊緣點(diǎn)坐標(biāo)E1(x1,y1,z1)，E2(x2,y2,z2)，E3(x3,y3,z3)來確定。

3.2 懸臂邊界等效分段空間直線方程

根據(jù)懸臂機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，采取分段處理方法簡化結(jié)構(gòu)外形，采用包容性方法描述懸臂下邊緣外形邊界線，可得兩點(diǎn)式懸臂邊界等效分段空間直線方程：

式中（xaj，yaj，zaj）（xbj，ybj，zbj）分別為懸臂空間直線邊界點(diǎn)aj，bj的坐標(biāo)。

當(dāng)j=1時，式（6）為輔助懸臂邊界等效空間直線方程Ⅰ；當(dāng)j=2時，式（6）為主懸臂邊界等效空間直線方程Ⅱ。則空間直線的分解矩陣式為

由圖5 所示的幾何關(guān)系，得出方程Ⅰ，Ⅱ兩點(diǎn)坐標(biāo)a（jxaj,yaj,zaj），b（jxbj,ybj,zbj）的解算式：

4 懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置干涉解算模型

根據(jù)懸臂邊界等效分段空間直線上特定點(diǎn)和截割刀具邊界點(diǎn)至鏟臺等效空間平面的距離可判斷懸臂與鏟臺是否干涉。

截割刀具邊界點(diǎn)坐標(biāo)為

當(dāng)xdJ＜x3時，截割刀具進(jìn)入鏟臺的擺動工作區(qū)域，即截割刀具與鏟臺可能發(fā)生干涉碰撞。

懸臂邊界等效分段空間直線上特定點(diǎn)至鏟臺等效空間平面的距離為

由此獲得任何工作狀態(tài)下懸臂與鏟臺不發(fā)生干涉碰撞的臨界條件：

式中ρ1，ρ2，…，ρm為懸臂邊界等效分段空間直線上第1，2，…，m個特定點(diǎn)至鏟臺等效空間平面的距離。

5 懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置干涉解算模型應(yīng)用分析

基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)各機(jī)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，利用懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)不發(fā)生干涉碰撞的臨界條件，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析懸臂與鏟臺不發(fā)生干涉碰撞的極限擺動范圍和關(guān)聯(lián)運(yùn)動范圍。

5.1 懸臂與鏟臺不發(fā)生干涉碰撞的擺動范圍

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)總體設(shè)計(jì)參數(shù)（懸臂和鏟臺極限擺動位置角與各液壓缸長度分別見表1 和表2），確定主懸臂擺動、輔助懸臂擺動與鏟臺擺動范圍，如圖6 所示。當(dāng)輔助懸臂相對主懸臂不發(fā)生擺動時，截割刀具擺動范圍為寬4 200 mm、高3 000 mm 的鼓形，鏟臺擺動范圍與截割刀具擺動范圍重疊面積為0.675 m2；輔助懸臂相對主懸臂發(fā)生擺動時，輔助懸臂擺動范圍為寬5 200 mm、高4 000 mm 的鼓形，其擴(kuò)展的擺動范圍面積為8.2 m2。

表1 懸臂和鏟臺極限擺動位置角Table 1 Limit swing angle of boom and shovel table

表2 各液壓缸長度Table 2 Length of each hydraulic cylinder mm

圖6 懸臂和鏟臺工作擺動范圍Fig.6 Working swing range of boom and shovel table

5.2 懸臂與鏟臺不發(fā)生干涉碰撞的運(yùn)動范圍

依據(jù)懸臂和鏟臺各擺動液壓缸行程傳感器檢測的S0，S1，S2，S3，由式（3）—式（5）求出β3，β4及鏟臺上下擺動液壓缸鉸接點(diǎn)和鏟臺前邊緣點(diǎn)坐標(biāo)E1(x1,y1,z1)，E2(x2,y2,z2)，E3(x3,y3,z3)，并代入式（2）得到鏟臺等效空間平面方程的待定系數(shù)A，B，C，D；再由式（8）—式（10）求出β1，β2及懸臂邊界等效分段空間直線上特定點(diǎn)與截割刀具邊界點(diǎn)坐標(biāo)，并代入式（10）和式（11）解算出相應(yīng)的距離ρ。當(dāng)懸臂邊界線或截割刀具邊界點(diǎn)與鏟臺空間平面無限接近，即ρ→0 時，基于表1、表2 相關(guān)參數(shù)的限制范圍，可解算出各種干涉情況對應(yīng)干涉點(diǎn)坐標(biāo)、各液壓缸長度及懸臂和鏟臺的擺動位置角，如圖7 所示。可看出當(dāng)鏟臺上下擺動位置角β4增大時，懸臂不發(fā)生干涉的主懸臂上下擺動位置角β2逐漸增大，鏟臺擺動位置角在[6.5°，21.7°]范圍內(nèi)變化時，主懸臂的極限下擺動位置角范圍為[22.6°，33.6°]。當(dāng)主懸臂下擺動位置角為22.6°時，對應(yīng)截割刀具到地面的距離為264.3 mm；當(dāng)主懸臂下擺動位置角為33.6°時，截割刀具臥底量為197.1 mm；當(dāng)鏟臺處在中位狀態(tài)（β4=15°）時，主懸臂和輔助懸臂無相對擺動下，不發(fā)生干涉碰撞條件下的極限下擺動位置角為29.5°，最大截割刀具臥底量為42 mm。

圖7 主懸臂隨鏟臺的極限擺動位置角Fig.7 The ultimate swing angle of main boom with shovel table

在主懸臂和鏟臺擺動至某一特定位置時，輔助懸臂隨主懸臂向下擺動，其極限擺動位置角如圖8所示。其中β4,1=6.5°，β4,2=15°，β4,3=21.72°分別為鏟臺處于上擺極限狀態(tài)、中位狀態(tài)和下擺極限狀態(tài)時的β4值。在輔助懸臂處于下擺極限狀態(tài)（輔助懸臂相對主懸臂上下擺動位置角β1=25°），隨著主懸臂上下擺動位置角β2增大，輔助懸臂和截割刀具與鏟臺平面干涉的風(fēng)險(xiǎn)增大。在鏟臺處于上擺極限狀態(tài)、中位狀態(tài)和下擺極限狀態(tài)下，主懸臂極限下擺動位置角范圍分別為[0°，22°]，[0°，28°]，[0°，33.5°]，對應(yīng)的最低截割高度分別為73，-163，-475 mm?？梢?，鏟臺的高度越大，主懸臂極限下擺動位置角越小。當(dāng)鏟臺處在中位狀態(tài)（β4=15°）時，主懸臂和輔助懸臂相對協(xié)同擺動下（β1=22°，β2=8°），不發(fā)生干涉碰撞條件下的最大截割刀具臥底量為163 mm。β1極限曲線綜合反映出鏟臺、主懸臂和輔助懸臂的擺動位置角相互制約關(guān)系，可作為機(jī)構(gòu)擺動液壓缸聯(lián)動協(xié)調(diào)控制不發(fā)生干涉碰撞的限定條件。

圖8 輔助懸臂隨主懸臂的極限擺動位置角Fig.8 The ultimate swing angle of auxiliary boom with main boom

6 結(jié)論

1）基于多自由度懸臂式掘進(jìn)機(jī)主懸臂、輔助懸臂與鏟臺的空間位置關(guān)系，給出了懸臂與鏟臺防干涉碰撞的控制規(guī)則。通過分析主懸臂、輔助懸臂水平與上下擺動，建立了懸臂邊界等效分段空間直線方程和鏟臺等效空間平面方程。

2）基于懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)空間位置數(shù)學(xué)描述，建立了懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置干涉解算模型，通過數(shù)值模擬獲得懸臂和鏟臺相關(guān)聯(lián)極限擺動位置角范圍，作為機(jī)構(gòu)擺動液壓缸聯(lián)動協(xié)調(diào)控制不發(fā)生干涉碰撞的限定條件。懸臂與鏟臺機(jī)構(gòu)關(guān)聯(lián)位置干涉解算模型應(yīng)用實(shí)例表明：當(dāng)鏟臺處在中位狀態(tài)時，主懸臂和輔助懸臂無相對擺動下，不發(fā)生干涉碰撞條件下的極限下擺動位置角為29.5 °，最大截割刀具臥底量為42 mm；主懸臂和輔助懸臂協(xié)同擺動下（β1=22°，β2=8°），不發(fā)生干涉碰撞條件下的最大截割刀具臥底量為163 mm。