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摘要：根据镜铁山矿井下所使用的Simba H1354液压钻车的生产实际和使用状况，通过对SimbaH1354液压钻车作业过程中的定位方法进行改造，通过自动控制系统控制钻车的定向和定位，进而提高钻车凿岩效率的方法。
关键词：自动控制 定向定位 凿岩台车 提高效率 plc
中图分类号：TB486+.3
一、 目前桦树沟Simba H1354作业时的定向定位方法
镜铁山矿将钻车行走到巷道作业排面地点且支起，使车体处于水平状态。保持钻车滑移平台与巷道进路垂直 ，与排面平行，推进梁前倾角控制 在85°～90°之间。支平放射中心架 ，使其处在巷道的中心位置，且保持1.2 m的高度，然后旋转推进梁至90°，并将滑移平台移至滑架的中间位置，以确保推进梁、滑移平台、放射中心架都处于巷道的中心，如果推进梁不在中心，可用小侧摆来调整至中心位置。摆角度时推进梁必须垂直在巷道中心，然后才能摆角度。摆好角度后再移动滑移平台至推进油缸与放射中心架的中心重合时停止。升高推进梁 ，使推进梁的顶部顶住岩石，然后支好上下支柱，锁定定位。
但当工人在井下进行Simba H1354凿岩台车实际操作和一次成井深孔施工时，由于设备采用人工定向，因而定向仪器的系统误差、人为误差均较大，致使深孔偏差率达5.2%～10.5%（3°～6°），难以满足一次成井和下一步盘区深孔施工的精度要求，同时其定位、定向时间太长（一般为10—15min/孔），使得Simba H1354凿岩台车的凿岩效率不能充分发挥。
二、 改造实现Simba H1354作业时的自动定向定位
为了提高定向仪器的精度，降低仪器的系统误差和人为误差，从而确保深孔的质量，加快设备的定向定位系统的操作速度，最大限度地发挥该设备的优越性能，我们决定改造Simba H1354凿岩台车定向定位系统。
Simba H1354凿岩台车定向定位系统的改造首先应确保凿岩台车施工的深孔符合设计的精度要求，能为今后的盘区落矿和一次成井实验提供更为可靠的保证；其次，应大幅度节省凿岩过程总的定位、定向时间，提高设备的使用效率；最后，要降低操作人员的劳动强度，节约保养维修费用，减少维修时问，降低单位固定成本和劳动成本。因此，该项目的成功实施将随着凿岩台车的大量使用而带来较大的经济效益。根据前一阶段对凿岩台车掌握的具体数据，确定了提高定向仪器精度、减少定向仪器的系统误差和人为误差，缩短定向定位操作时间，提高凿岩台车工作效率的目标。具体控制要求为：定向系统精度0.6°，定向速度控制不大于1 min/孔；定向自动化率100%。
1. 定向控制系统的构成
根据我们确定的目标，结合深孔凿岩台车的动作方式、控制原理及井下高频振动、低温高湿、灰尘大的作业环境，我们进行了深入细致的讨论分析，最后确定了性能优良、价格合理、适合凿岩台车工作环境的下列设备作为本系统的主要监测元件和控制器：德国海德汉HEIDENHAIN公司的旋转编码器，德国西门子公司的200系列PLC和工业圖形显示器。
凿岩台车定向定位系统主要由旋转编码器、PLC和工业图形显示器构成。抬臂位置和转盘位置由旋转编码器检测，旋转编码器的角度信号进入PLC后，由PLC进行处理和运算，并通过通信口将处理后的角度信号送到工业图形显示器上显示，与此同时，通过工业图形显示器接受操作工的定位角度输入指令，根据定位角度输入指令，由PLC自动控制凿岩台车相应的电磁阀，操作凿岩臂运行到指定角度。
Simba H1354凿岩台车凿岩定位需使轴（凿岩臂抬起放下轴、左右转动轴）在三维方向转动配合实现。尽管两轴在不同的空间运动，但它们都有各自的轴心，并绕轴心运转。对于轴定位检测系统，目前自控行业采用最多的检测元件就是旋转编码器，它在机器人上得到广泛运用，具有易安装、精确、可靠性高等特点。对于我们这样一个系统，采用精心安装的旋转编码器，完全可以胜任这样的检测任务。因此，在本系统中，两个轴的角度检测均采用旋转编码器来完成。
对于凿岩臂抬起放下轴，安装绝对值旋转编码器，使旋转编码器能精确检测旋转体的角位移，旋转编码器与被检测旋转体安装在相同的轴心线上，在旋转体上加装随旋转体转动的附件，此附件直接与旋转编码器轴相连，当被检测旋转体旋转时，附件带动旋转编码器旋转，就可将旋转体角位移同步变成旋转编码器的角位移，旋转编码器角位移数字量上传至PLC控制系统。
对于大臂左右转动轴，安装增量型旋转编码器，编码器轴由大圆盘周边传动。编码器会将旋转方向及圆盘转动线位移量输入PLC，通过PLC运算可以同样得到轴的角位移量。此方式可大大提高检测的精确度并便于安装。
1.1 PLC控制系统
PLC控制系统将旋转编码器送来的数字信号进行转换处理和计算后，再将角度信号送至工业图形显示器显示。有两种定位方式供选择，即手动和自动方式。为实现以上功能，所选200系列PLC配置了CPU模块、输入模块、输出模块。CPU对旋转编码器信号进行处理、计算、控制。
1.2 工业图形显示器操作系统
工业图形显示器是为方便操作工操作而设置的，通过与PLC系统通信，显示器以模拟图及数字方式显示两个轴的实际运行角度；在自动方式下，通过工业图形显示器所附触摸屏可设定角度并控制台车自动定位。
工业图形显示器选用15cm彩色图形显示器。这种工业图形显示器采用明亮、清晰的彩色显示面板，1MB的画面数据存储器，可以自由地设计画面，扩展了图形数据的使用能力。高性能的RISC 100 MHz CPU，加速了画面数据采集和画面切换。IP65f和NEMA 4x/12的防护等级，可以使显示器在潮湿或多尘的现场条件下长期工作。
1.3 定位显示系统
定位显示是为了操作人员方便快捷地确定排位、机高及对中而设立的，主要采用3支红外线光笔完成。其中两支红外线光笔安装在台车凿岩机的两侧，发光端向外；另一支光笔安装在其上部，发光端向上，安装时需要确保两侧的两条光线在同一水平面上，全部3条光线在同一铅垂面上，即包含3条光线的铅垂面应与台车转动臂的转动平面平行。然后标定两平面的距离和包含两条光线的水平面与台车大转盘轴心线所在水平面间的距离。以此作为今后台车现场施工排位线和机高线标注的依据。操作工根据两侧光笔发出的光线来确定施工排面的排位和机高，利用上部安装的光笔确定台车凿岩机的位置是否居中，由此提高台车的定位速度。
三、 结语
预计改造后台车具备了不借助外部测量手段就可直接获知当前实际角度的能力，并可以实现两个轴的自动定位，误差达到0.6°的要求，以前定位由熟练的操作工操作需要10多分钟，现在定位由不太熟练的操作工操作只需要2—3 min，熟练的操作工操作仅需1 min；定向自动化率100%。定向定位控制系统的使用方便了操作工的操作，极大地提高了生产效率，钻孔质量大大提高。本项目的实施为今后对不具有自动定位能力的台车进行改造积累了经验，为将来进一步提高全公司的劳动生产效率提供了可能。
参考文献
[1] 杨光照.邹学新.李云涛 凿岩台车的研发情况与发展趋势-中国重型装备2009.
[2] 应立军.李科军.刘辉 管棚钻机钻杆定位控制系统-现代机械2011.
[3] 郭勇.何清华.谢习华.朱建新 计算机控制凿岩台车的研制-2002
关键词：自动控制 定向定位 凿岩台车 提高效率 plc
中图分类号：TB486+.3
一、 目前桦树沟Simba H1354作业时的定向定位方法
镜铁山矿将钻车行走到巷道作业排面地点且支起，使车体处于水平状态。保持钻车滑移平台与巷道进路垂直 ，与排面平行，推进梁前倾角控制 在85°～90°之间。支平放射中心架 ，使其处在巷道的中心位置，且保持1.2 m的高度，然后旋转推进梁至90°，并将滑移平台移至滑架的中间位置，以确保推进梁、滑移平台、放射中心架都处于巷道的中心，如果推进梁不在中心，可用小侧摆来调整至中心位置。摆角度时推进梁必须垂直在巷道中心，然后才能摆角度。摆好角度后再移动滑移平台至推进油缸与放射中心架的中心重合时停止。升高推进梁 ，使推进梁的顶部顶住岩石，然后支好上下支柱，锁定定位。
但当工人在井下进行Simba H1354凿岩台车实际操作和一次成井深孔施工时，由于设备采用人工定向，因而定向仪器的系统误差、人为误差均较大，致使深孔偏差率达5.2%～10.5%（3°～6°），难以满足一次成井和下一步盘区深孔施工的精度要求，同时其定位、定向时间太长（一般为10—15min/孔），使得Simba H1354凿岩台车的凿岩效率不能充分发挥。
二、 改造实现Simba H1354作业时的自动定向定位
为了提高定向仪器的精度，降低仪器的系统误差和人为误差，从而确保深孔的质量，加快设备的定向定位系统的操作速度，最大限度地发挥该设备的优越性能，我们决定改造Simba H1354凿岩台车定向定位系统。
Simba H1354凿岩台车定向定位系统的改造首先应确保凿岩台车施工的深孔符合设计的精度要求，能为今后的盘区落矿和一次成井实验提供更为可靠的保证；其次，应大幅度节省凿岩过程总的定位、定向时间，提高设备的使用效率；最后，要降低操作人员的劳动强度，节约保养维修费用，减少维修时问，降低单位固定成本和劳动成本。因此，该项目的成功实施将随着凿岩台车的大量使用而带来较大的经济效益。根据前一阶段对凿岩台车掌握的具体数据，确定了提高定向仪器精度、减少定向仪器的系统误差和人为误差，缩短定向定位操作时间，提高凿岩台车工作效率的目标。具体控制要求为：定向系统精度0.6°，定向速度控制不大于1 min/孔；定向自动化率100%。
1. 定向控制系统的构成
根据我们确定的目标，结合深孔凿岩台车的动作方式、控制原理及井下高频振动、低温高湿、灰尘大的作业环境，我们进行了深入细致的讨论分析，最后确定了性能优良、价格合理、适合凿岩台车工作环境的下列设备作为本系统的主要监测元件和控制器：德国海德汉HEIDENHAIN公司的旋转编码器，德国西门子公司的200系列PLC和工业圖形显示器。
凿岩台车定向定位系统主要由旋转编码器、PLC和工业图形显示器构成。抬臂位置和转盘位置由旋转编码器检测，旋转编码器的角度信号进入PLC后，由PLC进行处理和运算，并通过通信口将处理后的角度信号送到工业图形显示器上显示，与此同时，通过工业图形显示器接受操作工的定位角度输入指令，根据定位角度输入指令，由PLC自动控制凿岩台车相应的电磁阀，操作凿岩臂运行到指定角度。
Simba H1354凿岩台车凿岩定位需使轴（凿岩臂抬起放下轴、左右转动轴）在三维方向转动配合实现。尽管两轴在不同的空间运动，但它们都有各自的轴心，并绕轴心运转。对于轴定位检测系统，目前自控行业采用最多的检测元件就是旋转编码器，它在机器人上得到广泛运用，具有易安装、精确、可靠性高等特点。对于我们这样一个系统，采用精心安装的旋转编码器，完全可以胜任这样的检测任务。因此，在本系统中，两个轴的角度检测均采用旋转编码器来完成。
对于凿岩臂抬起放下轴，安装绝对值旋转编码器，使旋转编码器能精确检测旋转体的角位移，旋转编码器与被检测旋转体安装在相同的轴心线上，在旋转体上加装随旋转体转动的附件，此附件直接与旋转编码器轴相连，当被检测旋转体旋转时，附件带动旋转编码器旋转，就可将旋转体角位移同步变成旋转编码器的角位移，旋转编码器角位移数字量上传至PLC控制系统。
对于大臂左右转动轴，安装增量型旋转编码器，编码器轴由大圆盘周边传动。编码器会将旋转方向及圆盘转动线位移量输入PLC，通过PLC运算可以同样得到轴的角位移量。此方式可大大提高检测的精确度并便于安装。
1.1 PLC控制系统
PLC控制系统将旋转编码器送来的数字信号进行转换处理和计算后，再将角度信号送至工业图形显示器显示。有两种定位方式供选择，即手动和自动方式。为实现以上功能，所选200系列PLC配置了CPU模块、输入模块、输出模块。CPU对旋转编码器信号进行处理、计算、控制。
1.2 工业图形显示器操作系统
工业图形显示器是为方便操作工操作而设置的，通过与PLC系统通信，显示器以模拟图及数字方式显示两个轴的实际运行角度；在自动方式下，通过工业图形显示器所附触摸屏可设定角度并控制台车自动定位。
工业图形显示器选用15cm彩色图形显示器。这种工业图形显示器采用明亮、清晰的彩色显示面板，1MB的画面数据存储器，可以自由地设计画面，扩展了图形数据的使用能力。高性能的RISC 100 MHz CPU，加速了画面数据采集和画面切换。IP65f和NEMA 4x/12的防护等级，可以使显示器在潮湿或多尘的现场条件下长期工作。
1.3 定位显示系统
定位显示是为了操作人员方便快捷地确定排位、机高及对中而设立的，主要采用3支红外线光笔完成。其中两支红外线光笔安装在台车凿岩机的两侧，发光端向外；另一支光笔安装在其上部，发光端向上，安装时需要确保两侧的两条光线在同一水平面上，全部3条光线在同一铅垂面上，即包含3条光线的铅垂面应与台车转动臂的转动平面平行。然后标定两平面的距离和包含两条光线的水平面与台车大转盘轴心线所在水平面间的距离。以此作为今后台车现场施工排位线和机高线标注的依据。操作工根据两侧光笔发出的光线来确定施工排面的排位和机高，利用上部安装的光笔确定台车凿岩机的位置是否居中，由此提高台车的定位速度。
三、 结语
预计改造后台车具备了不借助外部测量手段就可直接获知当前实际角度的能力，并可以实现两个轴的自动定位，误差达到0.6°的要求，以前定位由熟练的操作工操作需要10多分钟，现在定位由不太熟练的操作工操作只需要2—3 min，熟练的操作工操作仅需1 min；定向自动化率100%。定向定位控制系统的使用方便了操作工的操作，极大地提高了生产效率，钻孔质量大大提高。本项目的实施为今后对不具有自动定位能力的台车进行改造积累了经验，为将来进一步提高全公司的劳动生产效率提供了可能。
参考文献
[1] 杨光照.邹学新.李云涛 凿岩台车的研发情况与发展趋势-中国重型装备2009.
[2] 应立军.李科军.刘辉 管棚钻机钻杆定位控制系统-现代机械2011.
[3] 郭勇.何清华.谢习华.朱建新 计算机控制凿岩台车的研制-2002