X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

В горном деле, как показывает наступил этап замещения механизированных крепей робототехникой. Сегодня горные роботы это машины на гусеничном ходу с манипуляторами для проведения различных работ, включая оборку кровли при разработке рудных месторождений, бурения скважин различного назначения и разбивки негабаритов удерживаемым манипулятором ударного устройства. Но наступает момент когда роботы найдут применение при очистных и проходческих работах, вместо механизированных крепей, используя для управления, насосные станции, силовые гидроцилиндры, программируемые электрогидравлические распределители и промышленные компьютеры. Мы считаем, что эпоха длинных лав заканчивается, и вместе с тем приходят новые машины и технологией с высокой концентрацией очистных и проходческих работ на относительно небольшой длине по фронту (в камерах). Это позволит универсализировать технологии и распространить с учетом внедрения скважинного диспергирования и расчленения массива пород автоматизированную выемку на рудных месторождениях .

Понятие механизированной крепи и робото – секций

Сформировалось представление, что универсализация технологий [1] вновь приведет к сокращению длины лавы до 50 м с применение безмонтажных работ с поворотами забоя и использованием одной вентиляционно-транспортной выработки. Робото – секции будут способны к поворотам направления движения вправо, влево, вниз, вверх. При этом параллельно будут применяться скважинные технологии дегазации и управления массивом, и в том числе для вентиляции. Секции будут снабжены автоматическими манипуляторами и смогут работать на пологих, наклонных и крутых пластах, рис. 1

Рис. 1 Робото – секция: 1 – обратный лемнискатный механизм; 2,3 – задняя и передняя гидростойки; 4- домкраты управления гидроопорами (проект в ADAMS).

Классификация промышленных роботов.

основные; вспомогательные; универсальные; по характеру выполняемых технологических операций прямоугольная; цилиндрическая; сферическая; сферическая угловая (ангулярная); другие; по системе координат манипулятора в виде гусеничных тележек шагающие индивидуально в любых направлениях; шагающие в группе по конструктивному устройству электромеханический; пневматический; гидравлический; комбинированный; по типу силового привода мобильные; стационарные; по подвижности основания с жесткой программой; перепрограммируемые; адаптивные; с элементами искусственного интеллекта; по виду программы

Рис. 2 Использование робото – секцией манипулятора для возведения стационарно-переносной крепи: 1 – забойная робото-секция; 2 – манипулятор; 3 – устанавливаемая СПК; 4 – установленная стационарно-переносная крепь поддерживаемой выработки.

Забойные проходческо-очистные роботы не имеют гусеничных тележек, а перемещаются шатанием в тоже время осуществляя подачу комбайна на забой. Они могут иметь гидро пневматический, а также привод основанные на электродомкратах с установленными в сочленениях серводвигателями и простыми редукторами, что определяется условиями позиционирования и необходимой величиной усилия развиваемого роботом.

Устройство горного робота.

Манипулятор робота должен обеспечивать движение выходного звена и, несомого объекта по заданной траектории. Для выполнения этого требования рычажный механизм должен иметь не менее шести управляемых подвижностей. Горный робот с шестью подвижностями на первый взгляд является сложным по автоматизации и конструктивному исполнению, программированию и управлению. Поэтому в конструкциях горных роботов часто используются уже известные конструктивные схемы в сумме обеспечивающими требуемую подвижность. Наиболее простые манипуляторы имеют узловые три, или даже две подвижности. Они значительно дешевле в изготовлении и проще в эксплуатации, Это связано с тем что функционирование робота осуществляется по налаженной технологии (или нескольким технологиям), а конструктивные схемы отработаны так, что применение составных узлов логично и соответствует основной цели работы. Для примера представлена структура робота с трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1, 2 и 3 (рисунок 3). Механизм этого манипулятора соответствует цилиндрической системе по Рис 3

координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение φ₁₀), звено 2 перемещается вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S₂₁) и звено 3 перемещается в горизонтальной Рис. 3плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S₃₂). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи. Так как движение объекта осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия u_i. В системе должны быть программное устройство. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления. При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам x_i, которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Такие системы уже отработаны и известны и для первичного моделирования устройств возможен подбор известных устройств и программ. Недостаток же трехподвижной схемы может быть ликвидирован дополнительными устройствами придающих новые движения системе, например за счет шарнирно подвижного спаривания конструкций обеспечивающих движения платформы и подвод к рабочей зоне под разными углами.

Особенности расчета манипуляторов робота

Расчеты манипуляторов по рисунку 2 проводили на основе графо-аналитического метода Артоболевского в известном курсе Теории механизмов и машин. Затем он был преобразован в [2] в расчет на основе табличных процессоров типа Excel, которые имели мощные встроенные языки объектно ориентированного программирования типа VBA. и могли легко преобразовываться в чисто табличные системы этого языка. Это придавало системе наглядность, но самым главным качеством были высокая скорость исполнения программы и практически любая степень точности расчетов до 32 знаков. Что дало возможность имитации даже точности обработки шарнирных сочленений. Их реализация основана на возможности записи в строки таблицы положений манипулятора через заданный элементарный угол поворота. При этом в сложных случаях для лемнискатного механизма не требовалось аналитического нахождения зависимости параметров ведущих и ведомых звеньев, поскольку задача могла решаться численным методом, перебора возможных вариантов. См. рис. 4. Ниже приведены картины моделирования широко функционального манипулятора установленного на секции крепи с применением пакета ADAMS. Из которых ясны диапазоны, в которых может функционировать манипулятор. Один из рычагов манипулятора выполнен в виде гидроцилиндра, что резко повышает

Рис. 4 Робот системы Kawasaki c четырехзвенником Чебышева: 1 – рычаги; 2 – шарниры вращения, 3 – поворотная платформа; 4 – электрический домкрат (сервопривод); 5 - рабочая головка; 6 – Основной электрический привод

Возможности манипулятора для увеличения объемов в рамках которых могут осуществляется его функции

Рис. 5

Рис.6

Рис. 7

Обе силы на этой последней картинке отрицательны/. Конструкция манипулятора с рычажным четырехзвенником в котором один из рычагов закрепленных к основанию переменной длины состоит из коромысла с захватом двух рычагов (ведущий с приводом от гидродомкрата и раздвижным в частности выполненным в виде гидроцилиндра. В результате подвижность, коромысла с захватом существенно возрастает. Такая система применительно к установке на секцию механизированной крепи позволяет решать многие вопросы. Например, вместо захвата можно установить поддерживающий щиток для передового крепления кровли [3]. При этом его же можно использовать для удержания груди забоя от отжима и в том числе и для дополнительной опоры секции о почву или забой. Оптимизация такого устройства возможна и выбором места крепления его рычагов по высоте секции. Очевидно, что это устройство можно использовать и для разрушения забоя, если коромысло оснастить резцами для отбойки угля, конечно в этом случае вопросом исследования будет возможность поддерживать постоянным усилие резания в вертикальном направлении. Его можно использовать и для скалывания верхней пачки угля, например, при струговой выемке при подаче коромысла со скалывателем в горизонтальном направлении. В этом случае можно совместить работу скалывателя с функцией дополнительной поддержки кровли. Такое устройство можно применить и для манипулирования дополнительным оборудованием в забое или на сопряжении с транспортной или вентиляционной выработкой, например, его можно использовать для управления забойным конвейером ( поднимать или опускать его на уступ создаваемый комбайном при преодолении нарушений пласта типа сбросов и всбросов), для управления буровым или ударным устройством, закрепленным на его коромысле для разрушения земника или обдирке почвы при пучении. Возведения стационарно переносной крепи поступающей по конвейеру или канатной дороге в транспортныю выработку. Снятия арочной или рамной крепи на вспомогательных выработках лав. На рис. Усилия в шарнирах 2 и 5 в соединении домкратов с рычагом и коромыслом при перемещении из положения а в положение b, как видим усилие по оси х и у шарнира 2 мало изменяется а для 5 особенно у существенно. При этом усилие на домкрате корамысла равно 80000 н – сжатие штока, а рычага 71000 н – расжимание домкрата. При этом относительно стабильная

Рис. 8

нагрузка возможна на 2/3 пути от нижнего положения. Когда сумма проекций сил постоянна, Далее движение вне рабочего диапазона расчета

Возможности Solіd Works

SolidWorks – система автоматизированного проектирования, инженерного анализа и подготовки производства изделий любой сложности и назначения. SolidWorks является ядром интегрированного комплекса автоматизации предприятия, с помощью которого осуществляется поддержка жизненного цикла изделия в соответствии с концепцией CALS-технологий, включая двунаправленный обмен данными с другими Windows-приложениями и создание интерактивной документации. В зависимости от класса решаемых задач заказчикам предлагается три базовых конфигурации системы: SolidWorks, SolidWorks Professional и SolidWorks Premium.

Решаемые задачи:

Конструкторская подготовка производства (КПП):

• 
  
  3D проектирование изделий (деталей и сборок) любой степени сложности с учётом специфики изготовления.

  Создание конструкторской документации в строгом соответствии с ГОСТ.

  Промышленный дизайн.

  Реверсивный инжиниринг.

  Проектирование коммуникаций (электрожгуты, трубопроводы и пр.).

  Инженерный анализ (прочность, устойчивость, теплопередача, частотный анализ, динамика механизмов, газо/гидродинамика, оптика и светотехника, электромагнитные расчеты, анализ размерных цепей и пр.).

  Экспресс-анализ технологичности на этапе проектирования.

  Управление данными и процессами на этапе КПП.

Технологическая подготовка производства (ТПП):

• 
  
  Проектирование оснастки и прочих средств технологического оснащения.

  Анализ технологичности конструкции изделия.

  Анализ технологичности процессов изготовления (литье пластмасс, анализ процессов штамповки, вытяжки, гибки и пр.).

  Разработка технологических процессов по ЕСТД.

  Механообработка: разработка управляющих программ для станков с ЧПУ, верификация УП, имитация работы станка. Фрезерная, токарная, токарно-фрезерная и электроэрозионная обработка, лазерная, плазменная и гидроабразивная резка, вырубные штампы, координатно-измерительные машины.

Управление данными и процессами:

• 
  
  Работа с единой цифровой моделью изделия.

  Электронный технический и распорядительный документооборот.

  Технологии коллективной разработки.

  Работа территориально-распределенных команд.

  Ведение архива технической документации по ГОСТ.

  Проектное управление.

  Подготовка данных для ERP, расчет себестоимости.

Эти данные открывают возможности для расчета манипулятора за счет составления уравнений равновесия действующих сил, включая и силы инерции по тем координатным осям. В тоже время показана конструктивная логика преврашения манипулятора в робот за счет:

- синтеза конструктивных узлов

- внедрения объединяющих программных элементов

- использования систем электрогидравлического управления

6. Marco - cистема

Работа прогрессивных лав и камерных забоев будет автоматизированна, а в системе автоматизации имеем интелектуальные устройства нейросетей [4, 6]:

передвижение секций крепи в различной последовательности и с выбором неоходимого способа управления горным давлением

выемка угля комбайном или стругом

передвижение конвейера

Одной из современных систем управления лавой является marco - cистема автоматизированного управления процессами добычи (Фирма marco Системный анализ и разработки ГмбХ, основанна в 1982 году,изготавливает для автоматизации производственных процессов в шахтевысококачественные искробезопасные управляющие компьютеры, с помощью которых можно решать любые задачи управления в реальном времени.Система управления marco осуществляет автоматизацию всех функций крепи, исполнительного органа, управление секцией или группой секций. Ее значительные технические возможности системы обеспечиваются широким набором изделий, начиная от кабельной системы conm и разнообразных датчиков sns и кончая искробезопасной централью pm32/ze и поверхностной диспетчерской лавы xalz. Автоматизированное управление и контроль могут быть осуществлены более чем 200 секциями крепи в одной сети. Параметры управления могут задаваться как в центральном компьютере, так и в каждом компьютере локально или для лавы в целом.

Электрогидравлическая система управления

Электрогидравлическая система управления подразделяется на три технологических блока:

I Электронные аппаратные

средства

II Гидравлика

III Программное обеспечение

Поэтому мы делим настоящее описание системы на три части.

Рисунок 6. Управляющий компьютер pm32

Рисунок 7. Монитор системы управления

Рисунок 8. Схема подключения pm32.

Компоненты оборудования pm32/sg/a

Автоматическое управление комбайном и стругом

Системный блок pm32 был разработан в качестве открытой системы для полностью автоматического управления комбайновыми и струговыми лавами в подземной добыче угля.

Программным обеспечением для обслуживания и поиска неполадок. marco производит полный комплект оборудования, датчиков и периферии для управления горизонтом, измерения давления в стойках, измерения пути цилиндров передвижки, синхронных переключателей и т.п. Система соответствует европейскими мировым стандартам,принятым в горном деле.

Программное обеспечение системы изготавливается в соответствии с потребностями Заказчика и содержит все известные на сегодня функции управления. Объем функций системы можно в любой момент расширить в соответствии с пожеланиями Заказчика.

Заключение

Как показывает опыт секции крепи типа Глиник оснащенные системой управления Marco , автоматизируют все операции в лаве , и по существу комплекс является промышленным роботом. Так на ш. Полысаевская в РФ комплекс с длиной лавы 200 м в течении 3 часов работал под управлением одного человека (сообщение доктора Ю. Векслера - одного из кураторов фирмы.) Но наряду с приемушествами такой робототехники имеются и их недостатки, а именно не возможно отрабатывать участки пластов имеющих сложные горногеологические условия в виде нарушений пласта, когда вторая его часть резко "подброшена" вверх или вниз или "отодвинута" от первой, но такие условия составляют большинство от тех объемов, что остались неотработанными, причем их удельный вес в 1,5 - 2 раза превышает уже вынутый. В тоже время наступает этап внедрения на шахтах робототехнических агрегатов на основе камерной выемки, основные моменты анализа которой приведены в данной работе.

Список использованной литературы

1. Бейсембаев К.М. Универсализация технологий разработки пластовых месторождений //Успехи современного естествознания - 2014.- Москва, "Академия Естествознания", № 5 часть 1, с. 126-131

2. Бейсембаев К.М. ,Решетникова О.С., Телиман И.В., Артемова А.А. Особенности проектирования манипуляторов горных машин // Известия вузов, Горный журнал, 2017, №7, с. 87 - 93

3. Болгожин Ш.А-Г., Беркалиев Б.Т.,Вареха Ж.П. Шманов М.Н.Бейсембаев К.М. Авторское свидетельство Устройство для крепления кровли и груди забоя". N 1308767, СССР, 07.05.87, Бюл.N7.

4. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

5. Бейсембаев К.М., Ибраева Н.Р. Мендикенов К.К. Нейросети в управлении горными машинами //Труды Международной научно- практической конференции «Интеграция науки, образования и производства – основа реализации Плана нации» (Сагиновские чтения № 9, 22-23 июня 2017 г.), часть III, Караганда 2017, с 39-41

6. Хасенханов А.М. Элементы расчета манипуляторов IX// Международная студенческая научная конференция «Студенческий научный форум» - 2017

Секция: Разработка моделей и элементов управления технологическими машинами, https://www.scienceforum.ru/2017/

Код для цитирования: Скопировать