中文譯文光電觸覺傳感器在采煤機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——用于在地下煤炭開采中辨認(rèn)巖石表面摘要 在傳統(tǒng)采礦業(yè)中自動(dòng)化的應(yīng)用并沒有很成功。很多時(shí)候自動(dòng)化的益處被認(rèn)為是解決了許多采礦業(yè)所面對的諸如增加安全性和提高生產(chǎn)率等各種問題。這些應(yīng)用的引入在許多情況下并沒有充分考慮采礦環(huán)境。因此，有效的技術(shù)往往在還沒有機(jī)會(huì)展示其真正的能力之前被貼上了失敗的標(biāo)簽。因此，我們認(rèn)為，要在采礦系統(tǒng)或子系統(tǒng)中有效的發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)，需要投入最少的操作者。這可以從幾個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。首先，通過縮小自動(dòng)化采礦系統(tǒng)中必須操作的域名，這樣不太復(fù)雜的自動(dòng)化技術(shù)可以得到強(qiáng)勁的應(yīng)用。或者，通過更精密的控制技術(shù)要求，可以對由于非結(jié)構(gòu)化的地質(zhì)多樣性和不可預(yù)測的環(huán)境所導(dǎo)致的采礦操作環(huán)境的不明情況作出靈活的反應(yīng)。采煤機(jī)的自動(dòng)化在光電觸覺傳感器的協(xié)助下，應(yīng)使機(jī)器能檢測頂部和底部的煤巖界面。在本文中應(yīng)用到一種嘗試，與現(xiàn)有采煤機(jī)聯(lián)合，當(dāng)采煤機(jī)在地下煤礦的長壁工作面工作時(shí)，一個(gè)新開發(fā)的觸覺傳感器用來檢測不同類型的材料。所推薦的觸覺傳感器能夠辨認(rèn)其表面紋理發(fā)現(xiàn)不同類型的材料（煤，石灰石，砂巖，殼）。關(guān)鍵詞：采煤機(jī)，煤炭，巖石/煤界面，自動(dòng)化，光電觸覺傳感器 .1.引言與問題導(dǎo)向采煤機(jī)用于在澳大利亞的地下長壁采煤工作面，包括作為主要單元的（圖1），一個(gè)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)切割頭（滾筒），搖臂，行走部分（裝甲鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)- AFC）控制部分，機(jī)身，鼠籠異步電機(jī)，減速器。 5米長的高扭矩旋轉(zhuǎn)切割頭能夠截割煤層高達(dá)5米的煤壁。工作環(huán)境嘈雜，塵土飛揚(yáng)，有潛在的爆炸性。使長壁采煤工作面生產(chǎn)更安全，更高效已成為澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)研究計(jì)劃中一個(gè)長期運(yùn)行的CSIRO資助項(xiàng)目的主題，其中也提出了設(shè)計(jì)新的定位技術(shù)和指導(dǎo)長壁采煤的切割設(shè)備的新技術(shù)。澳大利亞長壁采礦作業(yè)的停機(jī)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，10類機(jī)械相關(guān)故障停機(jī)時(shí)間占百分之五十[1]。其中主要的是面對對齊，域控制，信息系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的溝通。一個(gè)完全自動(dòng)化的采煤機(jī)必須包括在內(nèi)和解決這些問題。目前，采煤機(jī)自動(dòng)化控制，主要是指水平控制，即：如何控制自動(dòng)化采煤機(jī)的截割水平，使其始終停留在煤層和削減厚度均勻。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采煤機(jī)必須能夠辨認(rèn)在頂板和底板的煤巖界面。此外，一旦它確定了煤巖界面的水平位置，必須立即調(diào)整其切割滾筒位置。除了隨身攜帶的微處理器，存儲(chǔ)和分析數(shù)據(jù)和命令的問題，一個(gè)自動(dòng)化采煤機(jī)系統(tǒng)還需要一個(gè)煤巖界面檢測系統(tǒng)和傾角用來測量和調(diào)整滾筒高度和機(jī)身間距。伽瑪射線煤層厚度測量系統(tǒng)已經(jīng)用于檢測煤巖界面[2]。伽馬輻射是在頁巖高，砂巖低，幾乎沒有石灰石，煤炭幾乎檢測不到[3]。自然伽瑪射線背景（核NGB）傳感器用于煤礦開采工作面的煤巖界面檢測。許多煤巖界面探測器已經(jīng)開發(fā)和測試，但他們都是在實(shí)驗(yàn)階段。這些都是基于吸引力，巖石振動(dòng)和攝像機(jī)[4]原則。吸引力測量系統(tǒng)的選擇決定所確定的位切削力。該系統(tǒng)是根據(jù)不同的煤所需的切削力降低煤層中的直接頂?shù)脑瓌t。通過隨身攜帶的計(jì)算機(jī)處理吸引力的變化，可以識別煤巖界面。為了區(qū)分煤巖界面，振動(dòng)評估系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)分析切割巖石和煤時(shí)的振動(dòng)特性差異的原則。該系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)傳感器并盡可能靠近切割滾筒安裝[5]。一臺(tái)采煤機(jī)需要兩個(gè)操作者，一個(gè)負(fù)責(zé)切割滾筒，另一個(gè)負(fù)責(zé)尾部滾筒。他們的目的是控制滾筒的切縫在任何時(shí)候保持同一水平。他們通常的做法是通過煤層中一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的采礦夾層來引導(dǎo)他們。這適用于大多數(shù)情況下，良好的領(lǐng)導(dǎo)滾筒，最大限度地減少頂煤。但是，它對尾部滾筒不起作用因?yàn)榈装逋ǔＪ歉采w著底煤和裝甲鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)（AFC）。因此，采煤機(jī)自動(dòng)化的第一步是控制滾筒的切割水平。一臺(tái)伽瑪射線傳感器就是專為這項(xiàng)任務(wù)。在采煤機(jī)切割之后，距離預(yù)定的采煤機(jī)背后的掩護(hù)梁將必須提前推進(jìn)。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，在任何時(shí)候必須知道采煤機(jī)的位置，這個(gè)信息要傳達(dá)給掩護(hù)梁采取推進(jìn)。這項(xiàng)任務(wù)是通過紅外傳感器或接近傳感器完成的。 全部自動(dòng)化采煤機(jī)系統(tǒng)需要以下傳感器：一臺(tái)紅外傳感器或里程計(jì)以在任何時(shí)候確定采煤機(jī)位置。一臺(tái)伽瑪射線探測器或光電觸覺傳感器用以確定煤巖界面。兩臺(tái)量坡儀用以控制搖臂的高度和滾筒的切割高度。量坡儀用以確定和控制間距（在采煤方向）和采煤機(jī)的啟動(dòng)（在工作面方向）。具有電液控制系統(tǒng)的掩護(hù)梁。一種長壁采煤機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖2中顯示。該系統(tǒng)[6]有三個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，如一個(gè)負(fù)責(zé)屏幕管理控制，掩護(hù)梁與掩護(hù)梁界面的中央，以及一個(gè)負(fù)責(zé)采煤機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和控制采煤機(jī)操作站顯示器表面的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)代長壁開采采用先進(jìn)的電力支持（或掩護(hù)梁支撐）。它不僅支撐了頂板，推送裝甲鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)（AFC），并推進(jìn)本身，而且還為所有相關(guān)的采礦活動(dòng)提供了安全的環(huán)境。該自動(dòng)化采煤機(jī)可以用若干種模式操作：速度控制，煤巖界面跟蹤，頂板周期削減，固定高度頂板切斷，門式斷路器。例如，在頂板煤周期削減模式下，頂煤厚度要剩余多少是首要決定的。在最初的運(yùn)行中，例如從頭部到尾部的進(jìn)程中，搖臂位置傳感器（或測斜儀）將調(diào)整切割水平，伽瑪射線傳感器在一個(gè)固定的時(shí)間間隔讀取信息。此信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)，引導(dǎo)搖臂位置傳感器在從尾至頭的下一次進(jìn)程。頂板削減的可以在命令下被替代更換，如果系統(tǒng)確定需要變化。該機(jī)器的控制系統(tǒng)已顯示[1]，它可以在惡劣的條件下進(jìn)行，成功地通過煤層（圖3）在明顯的擾動(dòng)區(qū)開采礦產(chǎn)。長壁開采系統(tǒng)[1，11]包括以下子系統(tǒng)：采煤機(jī)，掩護(hù)梁，裝甲鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，裝載機(jī)，帶式輸送機(jī)。每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)組件構(gòu)成。對于一個(gè)長壁開采系統(tǒng)連續(xù)工作，所有子系統(tǒng)及其部件，必須綜合或自動(dòng)化，以激發(fā)連續(xù)開采系統(tǒng)的全部潛力。今天，大多數(shù)子系統(tǒng)部分或完全自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，子系統(tǒng)和子系統(tǒng)組件必須能夠自由地相互之間保持溝通。主要包括數(shù)據(jù)通信識別和將要采取的行動(dòng)的證實(shí)。為了落實(shí)子系統(tǒng)元件及子系統(tǒng)集成，組件和子系統(tǒng)之間必須建立通訊聯(lián)系。通信需要接觸和/或提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)在子系統(tǒng)組件或子系統(tǒng)專用計(jì)算機(jī)。通信系統(tǒng)的在網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行，很像常用的電子郵件網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)子系統(tǒng)都有自己的電腦和可以自行運(yùn)作，即使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障。如果網(wǎng)絡(luò)中斷，子系統(tǒng)之間的通信被中斷。從表面上看，主機(jī)系統(tǒng)包括服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)控制器和處理器以及顯示器。也有個(gè)人電腦，工作站和筆記本電腦連接到網(wǎng)絡(luò)。在長壁開采系統(tǒng)中，采煤機(jī)是硬件，它的數(shù)據(jù)是通過現(xiàn)代調(diào)制解調(diào)器中心傳輸。采煤機(jī)也可以通過無線系統(tǒng)發(fā)射器如紅外線接收器與掩護(hù)梁聯(lián)系在一起。2.物體的表面紋理物體表面紋理，一般來說，可以通過表面特征和表面粗糙度或不規(guī)則波紋度[7]來表示，如圖5所示。雖然看起來，在任何情況下任何表面是完全光滑平面，但是每面總是有一些粗糙的紋理排序。對于加工或鑄造，或以任何其他產(chǎn)品的過程，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定的表面，這是一個(gè)特定的流程和工具的行動(dòng)造成的結(jié)果/或程序和科學(xué)現(xiàn)象在表面上留下的后果，造成表面波紋度和粗糙度。其他產(chǎn)品獲得表面特征由于各種自然現(xiàn)象。如石頭與煤的表面性質(zhì)，取決于由于火山噴發(fā)所產(chǎn)生的巨大壓力造成的結(jié)果。據(jù)推測，煤與石頭的表面紋理也與晶體一樣受其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的影響。表面粗糙度或波紋的特點(diǎn)如下幾何圖形的高峰和低谷（圖4和5）。用觸覺傳感器或手寫筆，表面紋理的變化可以評估，如上升角（α），波峰到波谷的高度（h），一個(gè)波峰到下一個(gè)波峰的距離（f）。一個(gè)觸覺傳感器觸可以指定一個(gè)表面的幾何參數(shù)。3.觸覺傳感器在采煤機(jī)中的應(yīng)用對象可以感覺到通過視覺，聽覺，嗅覺或觸摸，通過觸摸屏可接觸和非接觸式感應(yīng)[7]。知道了某些物體表面紋理性質(zhì)，為機(jī)器或智能系統(tǒng)，創(chuàng)造一個(gè)近似的物體識別的想法。每一個(gè)對象，如煤炭，水泥，瓷磚，地毯，地氈，路面或墻壁，石頭或音色，一個(gè)螺栓或一個(gè)加工產(chǎn)品或鑄造產(chǎn)品，總之，每一個(gè)對象的性質(zhì)包括其表面結(jié)構(gòu)，相位和紋理的完整性。因此傳感表面紋理和結(jié)構(gòu)可以允許對象的部分承認(rèn)，在某些情況下的充分肯定是可能的。在這個(gè)特定的工作中觸覺式傳感器用于檢測表面紋理和承認(rèn)它。對于帕特森和內(nèi)維爾設(shè)計(jì)的較成功的人造皮膚類型觸覺傳感器[8]稱為誘導(dǎo)振動(dòng)物體表面的評估觸摸傳感器（IVTS）。目前，作者正在探索觸覺傳感器功能，利用在地下采煤機(jī)中的應(yīng)用，感覺和區(qū)分煤和巖石表面。一個(gè)光電觸覺傳感器通過一系列合理的實(shí)驗(yàn)[7，9] 被證明，它具有區(qū)分和識別能力，通過觸摸不同的非流體物體表面紋理。顯然，石頭和煤的表面紋理和表面完整性等性質(zhì)不同。文獻(xiàn)調(diào)查表明，一臺(tái)手指狀觸覺傳感器是基于W. Lo, Y. Shen, and Y. Liu (2001)提供的光學(xué)技術(shù)，它已被應(yīng)用[10]來捕捉一個(gè)對象被接觸的面積。如圖6所示，手指狀的光學(xué)觸覺傳感器包括一個(gè)透明和靈活的光纖波導(dǎo)由橡膠彈性膜，一個(gè)有機(jī)玻璃的支持下，一組鏡頭，光纖電纜形象，微光源，覆蓋1 CCD器件。根據(jù)作者所寫，光源被安置在管道，以避免光線散射。光注入光學(xué)波導(dǎo)。如果沒有對象接觸與傳感器，光線反射回內(nèi)橡膠電纜指南內(nèi)，沒有光線傳遞到鏡頭。為了煤礦井下采煤機(jī)設(shè)備的進(jìn)一步自動(dòng)化，我們正嘗試使用選擇觸覺傳感器。4.光電觸覺傳感器該光電觸覺傳感器系統(tǒng)可用于評估確認(rèn)特定巖石和煤的表面紋理。該傳感器的光纖技術(shù) [7]，其設(shè)計(jì)原則和工作原理如圖8所示。它是由一個(gè)全鍍銀鏡，觸覺針，一個(gè)發(fā)光二極管（LED小片），一個(gè)光電晶體管，兩條光纖電纜，指紋筆尖顛簸橡膠彈性體組成。\如[7]所述，全鍍銀鏡垂直對觸覺針內(nèi)端安裝硬性。在另一端的觸覺引入了彈性橡膠體，它類似于一個(gè)人的手。指紋的凸起，仿佛是鉸接到身體碰撞的橡膠中的一部分，它使各地的假想旋轉(zhuǎn)鉸鏈在其偏轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。一個(gè)發(fā)光二極管（LED）作為主要光源，用于發(fā)射的纖維之一，通過光線光纜。傳播的光線穿過光學(xué)纖維的載體，作為對 [7]的解釋，在全鍍銀鏡聚焦。一些射線的傳播反映的部份立即返回通過二次光學(xué)纖維載體。5.實(shí)驗(yàn)這是進(jìn)行了合理的現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)驗(yàn)工程，以便使發(fā)達(dá)國家光電觸覺傳感器可以被用于采煤機(jī)的自動(dòng)化，因?yàn)樵搨鞲衅饕驯粚?shí)驗(yàn)承認(rèn)。對于研究煤和石頭表面可以達(dá)到類似的結(jié)果?，F(xiàn)實(shí)生活中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行一系列試驗(yàn)，并分為三個(gè)階段：分為（一）從實(shí)際開采區(qū)采集足夠數(shù)量的石和煤；（二）下面的描述的程序[7， 9]，以及（三）使用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的處理方法開發(fā)和辨識（煤或巖石）。所得到的觸覺傳感器單元處理與軟計(jì)算技術(shù)幫助的結(jié)果，可用于工業(yè)采煤機(jī)的主控制系統(tǒng)接口部分。6.結(jié)論自動(dòng)化采煤機(jī)的應(yīng)用產(chǎn)生了以下好處：提高了煤炭回收率和質(zhì)量——因?yàn)槭冀K保持在自切割煤層，徑流式采煤干凈多了。此外，在許多煤層邊界煤含有較高的硫含量;留下頂煤將提高產(chǎn)品質(zhì)量。加強(qiáng)頂板控制——許多煤層直接頂薄弱，一些頂煤必須繼續(xù)加以保護(hù)。自動(dòng)視野控制可以很容易做到這一點(diǎn)。頂板和底板都非常流暢。支撐可以完全更好的接觸頂板和底板，并消除了雙方面對面的路線和開采方向的運(yùn)行。采礦高度也能比較均勻的削減。觸覺傳感器可有效地應(yīng)用于礦山機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)，可能為采礦業(yè)帶來的潛在利益。特別是在這篇文章中描述的光電觸覺傳感器有潛力用于鑒別煤巖界面，識別煤和石頭的表面紋理和完整性