一种综采面惯导系统抗振系统及方法与流程

1.本发明涉及惯导系统技术领域，尤其涉及一种综采面惯导系统抗振系统及方法。


背景技术：

2.随着社会对煤矿安全生产的重视，人们对掘进机的综合性能的要求也越来越高。近年来，为了顺应市场的需求，越来越多的先进技术在掘进机上得到应用，这种需求对传统的掘进机总体设计方案提出了挑战。
3.在煤矿生产中,掘进机设备的重要性毋庸置疑。它不仅是打通巷道的有力保障,而且是机械化采掘产煤工作的核心支撑。掘进机中通常采用惯导系统进行钻井时的导航和定位，以提高煤矿生产的安全性，促进掘进工作的准确、高效。但是掘进机在掘进过程中，尤其直接用于掘进的挖掘臂，会存在必然的振动，从而对设置在其内的惯导系统安装平台以及固定在安装平台上的惯导系统都会产生影响，带动安装平台和惯导系统振动。高振动不仅会对惯导系统的测量精度产生不良影响，还会对惯导系统的各器件寿命产生不可逆影响。
4.因此，有必要研究一种综采面惯导系统抗振系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种综采面惯导系统抗振系统及方法，能够将振动能转化为电能、再转化为抑制惯导系统安装平台振动的扭矩，实现惯导系统的有效、精确抗振。
6.一方面，本发明提供一种综采面惯导系统抗振系统，其特征在于，所述抗振系统包括：
7.发电模块，用于将振动能量转化为电能，并为电机模组供电；
8.惯导系统安装平台，用于设置惯导系统；
9.电机模组，设于惯导系统安装平台的振动传递途径的末端，与惯导系统安装平台固连，用于提供抑制惯导系统安装平台振动的扭矩；
10.振动传感器，设于惯导系统安装平台振动传递途径的首端，用于实时采集振动数据；
11.电压检测模块，用于实时采集发电模块的输出电压；
12.中央控制模块，用于分析振动传感器采集的振动数据以及发电模块的输出电压，并控制电机模组的工作。
13.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述发电模块包括永磁体、导线线圈和电源处理单元；
14.所述永磁体与所述惯导系统安装平台固连；
15.所述导线线圈与综采面振动设备固连，在综采面振动设备的带动下振动并实现对永磁体磁感线的切割；
16.所述电源处理单元与所述导线线圈连接，用于对生成的交流电进行处理以满足电
机模组的供电要求。
17.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导线线圈通过线圈连接件与所述综采面振动设备固连；所述线圈连接件具有微弹性，用于加剧导线线圈的振动。
18.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电机模组包括若干不同额定工作电压的力矩伺服电机；力矩伺服电机通过电机通断实施模组与发电模块连接；
19.所述电机通断实施模组与所述中央控制模块连接，由所述中央控制模块根据检测到的发电模块输出电压控制电机通断实施模组动作，实现相应力矩伺服电机的供电。
20.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电机通断实施模组包括若干继电器类开关器件。
21.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电机模组通过扭矩传输件与所述惯导系统安装平台固连，所述扭矩传输件为扭矩放大器。
22.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电源处理单元包括保护电路、滤波电路以及整流桥。
23.另一方面，本发明提供一种综采面惯导系统抗振方法，其特征在于，所述方法适用于如上任一所述的抗振系统；
24.所述方法的步骤包括：
25.s1、电压检测模块采集发电模块的输出电压，传输给中央控制模块；
26.s2、中央控制模块判断接收到的电压值是否在电机模组的工作工压范围内，若是进入下一步，否则返回s1；
27.s3、中央控制模块判断接收到的电压值处于电机模组中哪一个电机的工作电压范围内，并控制电机通断实施模组中该电机对应的供电开关导通，为电机供电；
28.s4、振动传感器采集实时振动数据并传输给中央控制模块；
29.s5、中央控制模块对接收到的振动数据进行分析，获得振动方向和振动能量数据；
30.s6、中央控制模块根据s5的分析结果控制电机输出与振动方向相反的扭矩抑制振动的发生。
31.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s6中中央控制模块控制电机输出与振动方向相反的扭矩的内容还包括：控制扭矩的输出时间点以及扭矩大小；
32.具体实现内容包括：对抗振系统中的惯导系统安装平台以及与惯导系统安装平台固连的所有部件进行振动模拟，得到振动波从采集点传递到电机扭矩施加位置的时间以及振动强度的变化数据，中央控制模块根据模拟得到的时间以及振动强度的变化数据对电机进行控制，使扭矩的施加时机和扭矩大小与传递来的振动情况精确匹配。
33.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤s5中振动方向为顺时针或逆时针；
34.获得振动方向的方式具体包括：根据采集的振动数据将振动幅度映射到上下左右四个方向，以上下抵消后的振幅所在方向作为纵向振动方向，以左右抵消后的振幅所在方向作为横轴振动方向；判断纵向振动方向和横轴振动方向的振幅大小，以小幅值方向为起
点大幅值方向为终点判断出振动方向是顺时针还是逆时针。
35.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明将振动能转化为电能、再通过扭矩电机转化为抑制惯导系统安装平台振动的扭矩，从而实现惯导系统的抗振；
36.上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明抗振效果好，根据振动的大小选择不同的电机施加扭矩，使得可抗振动覆盖范围大，适用于各种工况；
37.上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：将振动传递过程，包括时间和振动强度的变化情况，作为影响因素考虑到扭矩施加控制中，使得抗振控制更精确、有效。
38.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
40.图1是本发明一个实施例提供的抗振系统的结构示意图；
41.图2是本发明一个实施例提供的振动数据分析图。
42.其中，图中：
43.1、挖掘臂；2、惯导系统安装平台；3、电机模组；4、永磁体；5、导线线圈；6、线圈连接件；7、扭矩传输件；8、振动传感器。
具体实施方式
44.为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
45.应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
46.在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
47.针对现有技术中惯导系统在综采面进行挖掘工作时存在的振动问题，本发明提供一种抗振系统及方法，通过设置永磁体和导线线圈将掘进机的振动能量转化为电能，用该电能再通过电机产生用于抑制惯导系统安装平台振动的扭矩，从而提高惯导系统的抗振能力。
48.如图1所示，本发明的综采面惯导系统抗振系统，包括发电模块、电机通断实施模组、电机模组3、惯导系统安装平台2、中央控制模块、电压检测模块和振动传感器8。
49.发电模块包括永磁体4、导线线圈5和电源处理单元，导线线圈5通过线圈连接件6与掘进机挖掘臂1固连，用于在掘进机的带动下振动实现对永磁体磁感线的切割动作，从而
产生电能。永磁体与惯导系统安装平台固定连接。电源处理单元与导线线圈的两端连接，用于对产生的电能进行处理，使其符合后续电机的使用要求。电源处理单元包括整流电路，还可以根据情况包括放大电路。其中整流电路包括保护电路、滤波电路以及整流桥，切割磁感线产生的交流电经保护电路保护以及滤波电路滤波后输出至整流桥进而转换为直流，用于为后续电机模组供电。线圈连接件6的材质可以具有微弹性，从而放大振动的幅度，加剧导线线圈5的振动，获得更多的电能。
50.电机模组3包括若干不同额定工作电压的电机，可以包括低压电机、中压电机和高压电机。低压电机、中压电机和高压电机分别通过一个扭矩传输件7和惯导系统安装平台的端部固连，优选和振动传递途径的末端固连。在电机控制方面，三个电机均通过电机通断实施模组与电源处理单元的输出端连接。电机通断实施模组可以采用三组继电器类开关器件来实现，开关器件正常情况下处于常断状态，在达到对应电机的工作条件时，由中央控制模块的电机选择单元发出控制信号控制相应的开关器件闭合，并在不再满足工作条件时重新断开。电机为高性能的力矩伺服电机。
51.电压检测模块分别与电源处理单元以及中央控制模块的电机选择单元连接，用于实时监测电源处理单元的输出电压，并传送给电机选择单元，中央控制模块的电机选择单元根据当前检测到的电压值判断适用于哪个电机工作，并控制电机通断实施模组导通该电机对应的开关器件。若检测到的电压值过低或过高，达不到或已超过所有电机的工作电压范围，则不导通任何开关器件，以在特殊情况下对电机及后端平台起到保护作用。
52.中央控制模块、电压检测模块以及电机通断实施模组均设置在惯导系统安装平台上。
53.惯导系统安装平台的一端与掘进机固定连接，另一端与电机模组通过扭矩传输件7连接。扭矩传输件7可以是扭矩放大器，用于根据实际需要放大电机的扭矩，以使之和当前振动能量匹配。惯导系统安装平台的掘进机固定端设有振动传感器8，该传感器实时采集当前的振动数据并传输给中央控制模块的电机控制单元，电机控制单元对振动数据进行分析和判断，根据判断结果控制电机的转向和转速，使电机能够产生与振动相反且力度合适的扭矩。电机控制单元的判断过程包括：根据采集的振动数据分析采集点处的振动动作映射到上下左右四个方向上的振幅大小，上下抵消后的振幅方向为采集点的一个实际振动方向，左右抵消后的振幅方向为采集点的另一个实际振动方向，再判两个振动方向上的振幅大小，采集点的实际振动路径是由小幅值方向到大幅值方向，因此就可以判断出振动方向是顺时针还是逆时针，电机转动方向与该方向相反。需要注意的是，由于采集点和电机扭矩施加位置处于惯导系统安装平台的两端，振动作为一种机械波从采集点传递到电机扭矩施加位置需要一定时间，因此判断出的振动方向和幅值对于电机扭矩施加位置属于预测到的未来动作，使得反向扭矩的施加能够起到有效的抗振作用。如图2所示，上下左右四个方向的幅值分别为o-ya、o-yc、o-xc和o-xa，其中，o点到yc的幅值和o点到yb的幅值抵消，竖直向的有效幅值为yb-ya；o点到xa的幅值和o点到xb的幅值抵消，水平向的有效幅值为xb-xa。很明显地，水平向有效幅值大于竖直向有效幅值，因此，振动方向从ya方向到xc方向，即逆时针振动。电机施加扭矩时则施加顺时针扭矩来抵消，以此达到抗振效果。
54.由于掘进机挖掘臂的振动以上下左右振动为主，沿挖掘臂轴向的振动很小，本发明不对挖掘臂轴向振动做重点说明。
55.为了获得更加精确的扭矩施加时机和力度，可以在前期根据惯导系统安装平台的尺寸、强度等参数以及和惯导系统安装平台固定连接的各器件的位置、重量等因素，模拟振动波从采集点传递到电机扭矩施加位置的时间以及振动强度的变化，中央控制模块的电机控制单元根据该时间和强度变化对电机的工作进行精细控制。
56.导线线圈的匝数和永磁体的参数都可以根据需要进行调整。
57.需要说明的是，图1是本发明设置要旨的示意，实际惯导系统安装平台在综采面设备中进行安装时都各有不同，但是无论怎样安装，都有其固有的振动传递路径，振动数据采集点和扭矩施加点则分别处于该路径的首端和末端，使得首端的振动能够成为末端振动的预测。振动传感器也不是一定安装在惯导系统安装平台上，可以是其他能够较好的预测出末端振动的位置。
58.以上对本技术实施例所提供的一种综采面惯导系统抗振系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
59.如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
60.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
61.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
62.上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求书的保护范围内。