[发明专利]一种悬臂纵轴式掘进机断面自动成形截割运动优化方法

权利要求书

1.一种悬臂纵轴式掘进机断面自动成形截割运动优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：以掘进机重心为坐标原点O₀建立O₀-X₀Y₀Z₀坐标系，O₀X₀轴垂直于截割断面方向，O₀Y₀轴垂直于巷道侧壁方向，O₀Z₀轴垂直于巷道顶壁方向；以回转部件与悬臂大梁铰接位置为坐标原点O₂建立O₂-X₂Y₂Z₂坐标系，以经过O₂并与回转支撑的轴心延长线相垂直的垂足为坐标原点O₁建立O₁-X₁Y₁Z₁坐标系，以截割头前端中心位置为坐标原点O₃建立O₃-X₃Y₃Z₃坐标系，当悬臂大梁处于水平位置并且没有发生左右摆动时，从坐标原点O₃向巷道地面作垂线，以垂足O₄为坐标原点建立O₄-X₄Y₄Z₄坐标系，其中O₁X₁轴、O₂X₂轴、O₃X₃轴、O₄X₄轴与O₀X₀轴平行且指向相同，O₁Y₁轴、O₂Y₂轴、O₃Y₃轴、O₄Y₄轴与O₀Y₀轴平行且指向相同，O₁Z₁轴、O₂Z₂轴、O₃Z₃轴、O₄Z₄轴与O₀Z₀轴平行且指向相同；

S2：设截割头的第i个截齿在O₃-X₃Y₃Z₃坐标系中的坐标为截割头水平摆角为θ₁，即θ₁为O₁O₃连线在O₁X₁Y₁平面上的投影与O₁X₁轴之间的夹角，截割头垂直摆角为θ₂，即θ₂为O₂O₃连线与O₂O₃连线在O₂X₂Y₂平面上的投影之间的夹角，则截割头第i个截齿在O₀-X₀Y₀Z₀坐标系中的坐标方程为：

式中，l₁为O₀O₁在O₀X₀轴方向上的投影距离，l₂为O₁O₂在O₀X₀轴方向上的投影距离，l₃为O₂O₃在O₀X₀轴方向上的投影距离，h₁为O₀O₁在O₀Z₀轴方向上的投影距离，h₂为O₁O₃在O₀Z₀轴方向上的投影距离；

S3：截割头水平运动时轨迹规划：当截割头沿截割路径做水平运动时，采用高阶多项式过渡线性插值法设定截割过程中的回转角度α(t)、角速度和角加速度分别为

其中，V_c为截割头中间匀速段时回转角速度；t为时间变量；t_smin为起始过渡段时间；t_over为截割头从起点运动到终点的时间；A_max为截割头回转角加速度的最大值；J_max为截割头回转角加速度导数的最大值；

截割头非水平运动时轨迹规划：当截割头沿截割路径做非水平运动时，采用组合正弦函数曲线设定截割过程中的摆动角度β(t)、角速度和角加速度分别为

其中，T为截割头非水平运动总的运动时间；

S4：根据巷道断面的形式，确定巷道断面上各个拐点在截割路径中的坐标序列{(y₁，z₁)，(y₂，z₂)，……，(y_j，z_j)，……，(y_J，z_J)}，其中，(y_j，z_j)表示第j个拐点在O₀-X₀Y₀Z₀坐标系的Y坐标和Z坐标，截割路径中共有J个拐点；依次对相邻的两个拐点进行步骤S3中的轨迹规划，得到S形遍历整个预截割断面的截割路径。