中文譯文光電觸覺傳感器在采煤機設計中的應用——用于在地下煤炭開采中辨認巖石表面摘要 在傳統(tǒng)采礦業(yè)中自動化的應用并沒有很成功。很多時候自動化的益處被認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率等各種問題。這些應用的引入在許多情況下并沒有充分考慮采礦環(huán)境。因此，有效的技術往往在還沒有機會展示其真正的能力之前被貼上了失敗的標簽。因此，我們認為，要在采礦系統(tǒng)或子系統(tǒng)中有效的發(fā)展自動化技術，需要投入最少的操作者。這可以從幾個方面來實現。首先，通過縮小自動化采礦系統(tǒng)中必須操作的域名，這樣不太復雜的自動化技術可以得到強勁的應用?；蛘撸ㄟ^更精密的控制技術要求，可以對由于非結構化的地質多樣性和不可預測的環(huán)境所導致的采礦操作環(huán)境的不明情況作出靈活的反應。采煤機的自動化在光電觸覺傳感器的協(xié)助下，應使機器能檢測頂部和底部的煤巖界面。在本文中應用到一種嘗試，與現有采煤機聯合，當采煤機在地下煤礦的長壁工作面工作時，一個新開發(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其表面紋理發(fā)現不同類型的材料（煤，石灰石，砂巖，殼）。關鍵詞：采煤機，煤炭，巖石/煤界面，自動化，光電觸覺傳感器 .1.引言與問題導向采煤機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），一個驅動旋轉切割頭（滾筒），搖臂，行走部分（裝甲鏈式輸送機- AFC）控制部分，機身，鼠籠異步電機，減速器。 5米長的高扭矩旋轉切割頭能夠截割煤層高達5米的煤壁。工作環(huán)境嘈雜，塵土飛揚，有潛在的爆炸性。使長壁采煤工作面生產更安全，更高效已成為澳大利亞煤炭協(xié)會研究計劃中一個長期運行的CSIRO資助項目的主題，其中也提出了設計新的定位技術和指導長壁采煤的切割設備的新技術。澳大利亞長壁采礦作業(yè)的停機時間的統(tǒng)計數字顯示，10類機械相關故障停機時間占百分之五十[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。一個完全自動化的采煤機必須包括在內和解決這些問題。目前，采煤機自動化控制，主要是指水平控制，即：如何控制自動化采煤機的截割水平，使其始終停留在煤層和削減厚度均勻。為了實現這一目標，采煤機必須能夠辨認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，必須立即調整其切割滾筒位置。除了隨身攜帶的微處理器，存儲和分析數據和命令的問題，一個自動化采煤機系統(tǒng)還需要一個煤巖界面檢測系統(tǒng)和傾角用來測量和調整滾筒高度和機身間距。伽瑪射線煤層厚度測量系統(tǒng)已經用于檢測煤巖界面[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開發(fā)和測試，但他們都是在實驗階段。這些都是基于吸引力，巖石振動和攝像機[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)是根據不同的煤所需的切削力降低煤層中的直接頂的原則。通過隨身攜帶的計算機處理吸引力的變化，可以識別煤巖界面。為了區(qū)分煤巖界面，振動評估系統(tǒng)利用計算機分析切割巖石和煤時的振動特性差異的原則。該系統(tǒng)包括一個或多個振動傳感器并盡可能靠近切割滾筒安裝[5]。一臺采煤機需要兩個操作者，一個負責切割滾筒，另一個負責尾部滾筒。他們的目的是控制滾筒的切縫在任何時候保持同一水平。他們通常的做法是通過煤層中一個或多個連續(xù)的采礦夾層來引導他們。這適用于大多數情況下，良好的領導滾筒，最大限度地減少頂煤。但是，它對尾部滾筒不起作用因為底板通常是覆蓋著底煤和裝甲鏈式輸送機（AFC）。因此，采煤機自動化的第一步是控制滾筒的切割水平。一臺伽瑪射線傳感器就是專為這項任務。在采煤機切割之后，距離預定的采煤機背后的掩護梁將必須提前推進。為了完成這項任務，在任何時候必須知道采煤機的位置，這個信息要傳達給掩護梁采取推進。這項任務是通過紅外傳感器或接近傳感器完成的。 全部自動化采煤機系統(tǒng)需要以下傳感器：一臺紅外傳感器或里程計以在任何時候確定采煤機位置。一臺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）和采煤機的啟動（在工作面方向）。具有電液控制系統(tǒng)的掩護梁。一種長壁采煤機的自動控制系統(tǒng)原理如圖2中顯示。該系統(tǒng)[6]有三個獨立的計算機，如一個負責屏幕管理控制，掩護梁與掩護梁界面的中央，以及一個負責采煤機傳感器的數據處理計算機和控制采煤機操作站顯示器表面的計算機?，F代長壁開采采用先進的電力支持（或掩護梁支撐）。它不僅支撐了頂板，推送裝甲鏈式輸送機（AFC），并推進本身，而且還為所有相關的采礦活動提供了安全的環(huán)境。該自動化采煤機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。在最初的運行中，例如從頭部到尾部的進程中，搖臂位置傳感器（或測斜儀）將調整切割水平，伽瑪射線傳感器在一個固定的時間間隔讀取信息。此信息存儲在計算機，引導搖臂位置傳感器在從尾至頭的下一次進程。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。該機器的控制系統(tǒng)已顯示[1]，它可以在惡劣的條件下進行，成功地通過煤層（圖3）在明顯的擾動區(qū)開采礦產。長壁開采系統(tǒng)[1，11]包括以下子系統(tǒng)：采煤機，掩護梁，裝甲鏈式輸送機，裝載機，帶式輸送機。每個子系統(tǒng)由一個或多個組件構成。對于一個長壁開采系統(tǒng)連續(xù)工作，所有子系統(tǒng)及其部件，必須綜合或自動化，以激發(fā)連續(xù)開采系統(tǒng)的全部潛力。今天，大多數子系統(tǒng)部分或完全自動化。為了實現自動化，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。主要包括數據通信識別和將要采取的行動的證實。為了落實子系統(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系。通信需要接觸和/或提供的監(jiān)測數據在子系統(tǒng)組件或子系統(tǒng)專用計算機。通信系統(tǒng)的在網絡中的運行，很像常用的電子郵件網絡。每個子系統(tǒng)都有自己的電腦和可以自行運作，即使網絡出現故障。如果網絡中斷，子系統(tǒng)之間的通信被中斷。從表面上看，主機系統(tǒng)包括服務器，網絡控制器和處理器以及顯示器。也有個人電腦，工作站和筆記本電腦連接到網絡。在長壁開采系統(tǒng)中，采煤機是硬件，它的數據是通過現代調制解調器中心傳輸。采煤機也可以通過無線系統(tǒng)發(fā)射器如紅外線接收器與掩護梁聯系在一起。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，或以任何其他產品的過程，都會產生一個特定的表面，這是一個特定的流程和工具的行動造成的結果/或程序和科學現象在表面上留下的后果，造成表面波紋度和粗糙度。其他產品獲得表面特征由于各種自然現象。如石頭與煤的表面性質，取決于由于火山噴發(fā)所產生的巨大壓力造成的結果。據推測，煤與石頭的表面紋理也與晶體一樣受其內部晶體結構的影響。表面粗糙度或波紋的特點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），一個波峰到下一個波峰的距離（f）。一個觸覺傳感器觸可以指定一個表面的幾何參數。3.觸覺傳感器在采煤機中的應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[7]。知道了某些物體表面紋理性質，為機器或智能系統(tǒng)，創(chuàng)造一個近似的物體識別的想法。每一個對象，如煤炭，水泥，瓷磚，地毯，地氈，路面或墻壁，石頭或音色，一個螺栓或一個加工產品或鑄造產品，總之，每一個對象的性質包括其表面結構，相位和紋理的完整性。因此傳感表面紋理和結構可以允許對象的部分承認，在某些情況下的充分肯定是可能的。在這個特定的工作中觸覺式傳感器用于檢測表面紋理和承認它。對于帕特森和內維爾設計的較成功的人造皮膚類型觸覺傳感器[8]稱為誘導振動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，利用在地下采煤機中的應用，感覺和區(qū)分煤和巖石表面。一個光電觸覺傳感器通過一系列合理的實驗[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不同。文獻調查表明，一臺手指狀觸覺傳感器是基于W. Lo, Y. Shen, and Y. Liu (2001)提供的光學技術，它已被應用[10]來捕捉一個對象被接觸的面積。如圖6所示，手指狀的光學觸覺傳感器包括一個透明和靈活的光纖波導由橡膠彈性膜，一個有機玻璃的支持下，一組鏡頭，光纖電纜形象，微光源，覆蓋1 CCD器件。根據作者所寫，光源被安置在管道，以避免光線散射。光注入光學波導。如果沒有對象接觸與傳感器，光線反射回內橡膠電纜指南內，沒有光線傳遞到鏡頭。為了煤礦井下采煤機設備的進一步自動化，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)可用于評估確認特定巖石和煤的表面紋理。該傳感器的光纖技術 [7]，其設計原則和工作原理如圖8所示。它是由一個全鍍銀鏡，觸覺針，一個發(fā)光二極管（LED小片），一個光電晶體管，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鉸鏈在其偏轉關節(jié)。一個發(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纖維載體。5.實驗這是進行了合理的現實生活中的實驗工程，以便使發(fā)達國家光電觸覺傳感器可以被用于采煤機的自動化，因為該傳感器已被實驗承認。對于研究煤和石頭表面可以達到類似的結果。現實生活中的一個實驗室正在進行一系列試驗，并分為三個階段：分為（一）從實際開采區(qū)采集足夠數量的石和煤；（二）下面的描述的程序[7， 9]，以及（三）使用現代計算技術的處理方法開發(fā)和辨識（煤或巖石）。所得到的觸覺傳感器單元處理與軟計算技術幫助的結果，可用于工業(yè)采煤機的主控制系統(tǒng)接口部分。6.結論自動化采煤機的應用產生了以下好處：提高了煤炭回收率和質量——因為始終保持在自切割煤層，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;留下頂煤將提高產品質量。加強頂板控制——許多煤層直接頂薄弱，一些頂煤必須繼續(xù)加以保護。自動視野控制可以很容易做到這一點。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行。采礦高度也能比較均勻的削減。觸覺傳感器可有效地應用于礦山機械自動化系統(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