概述
云南銅業(yè)集團(tuán)公司大紅山銅礦二期工程設(shè)計選用無軌設(shè)備開采，四個采區(qū)用分段空場法的基建盤區(qū)已進(jìn)入深孔的設(shè)計和施工，其深孔主要采用瑞典阿斯特拉公司Samba H1354鑿巖臺車。由于是在井下施工，作業(yè)環(huán)境相對較差，從江蘇梅山鐵礦和靜鐵山鐵礦進(jìn)口同類型設(shè)備的使用效果來看，Samba H1354鑿巖臺車配套的定向定位控制系統(tǒng)價格昂貴，但不能適應(yīng)井下的作業(yè)環(huán)境，實際使用的時間短，維護(hù)費用高，甚至連廠家的銷售代表也建議不必配置該系統(tǒng)。因此，大紅山銅礦二期工程設(shè)計選用的Samba H1354鑿巖臺車未定購定向定位控制系統(tǒng)。
但當(dāng)穿爆隊在井下進(jìn)行Samba H1354鑿巖臺車實際操作和一次成井深孔施工時，由于設(shè)備采用人工定向，因而定向儀器的系統(tǒng)誤差、人為誤差均較大，致使深孔偏差率達(dá)5.2% ～10.5%(3～6。)，難以滿足一次成井和下一步盤區(qū)深孔施工的精度要求，同時其定位、定向時間太長(一般為10～15 min/孔)，使得Samba H1354鑿巖臺車的鑿巖效率不能充分發(fā)揮。
為此，我們決定自行研制Samba H1354鑿巖臺車定向定位系統(tǒng)，提高定向儀器的精度，降低儀器的系統(tǒng)誤差和人為誤差，從而確保深孔的質(zhì)量，加快設(shè)備的定向定位系統(tǒng)的操作速度，最大限度地發(fā)揮該設(shè)備的優(yōu)越性能。
Samba H1354鑿巖臺車定向定位系統(tǒng)的研制首先應(yīng)確保鑿巖臺車施工的深孔符合設(shè)計的精度要求，能為今后的盤區(qū)落礦和一次成井實驗提供更為可靠的保證;其次，應(yīng)大幅度節(jié)省鑿巖過程總的定位、定向時間，提高設(shè)備的使用效率;最后，要降低操作人員的勞動強度，節(jié)約保養(yǎng)維修費用，減少維修時間，降低單位固定成本和活勞動成本。
因此，該項目的成功實施將隨著鑿巖臺車的大量使用而帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益。
在進(jìn)口Samba H1354鑿巖臺車上加裝的定向定位自動控制系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器、PIE和工業(yè)圖形顯示器構(gòu)成，可以完成鑿巖臺車鑿巖角度的設(shè)定并自動定向定位，大大提高了鑿巖臺車的工作效率。
根據(jù)前一階段對鑿巖臺車掌握的具體數(shù)據(jù)，確定了提高定向儀器精度、減少定向儀器的系統(tǒng)誤差和人為誤差，縮短定向定位操作時間，提高鑿巖臺車工作效率的研制目標(biāo)。具體控制要求為：定向系統(tǒng)精度0.6°，定向速度控制不大于1 min/孔;定向自動化率100%。
1 定向控制系統(tǒng)的構(gòu)成
根據(jù)我們確定的研制目標(biāo)，結(jié)合深孔鑿巖臺車的動作方式、控制原理及井下高頻振動、高溫高濕的作業(yè)環(huán)境，我們進(jìn)行了深入細(xì)致的討論分析，最后確定了性能優(yōu)良、價格合理、適合鑿巖臺車工作環(huán)境的下列設(shè)備作為本系統(tǒng)的主要監(jiān)測元件和控制器：日本光洋公司的旋轉(zhuǎn)編碼器，日本歐姆龍公司的CdM1系列PLC，日本Digital公司的工業(yè)圖形顯示器。
鑿巖臺車定向定位系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC和工業(yè)圖形顯示器構(gòu)成(見圖1)。抬臂位置和轉(zhuǎn)盤位置由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測，旋轉(zhuǎn)編碼器的角度信號進(jìn)入PLC后，由PLC進(jìn)行處理和運算，并通過通信口將處理后的角度信號送到工業(yè)圖形顯示器上顯示，與此同時，通過工業(yè)圖形顯示器接受操作工的定位角度輸入指令，根據(jù)定位角度輸入指令，由PLC自動控制鑿巖臺車相應(yīng)的電磁閥，操作鑿巖臂運行到指定角度。
1.1 軸定位檢測系統(tǒng)
Samba H1354鑿巖臺車鑿巖定位需使軸(鑿巖臂抬起放下軸、左右轉(zhuǎn)動軸)在三維方向轉(zhuǎn)動配合實現(xiàn)。盡管兩軸在不同的空問運動，但它們都有各自的軸心，并繞軸心運轉(zhuǎn)。對于軸定位檢測系統(tǒng)，目前自控行業(yè)采用最多的檢測元件就是旋轉(zhuǎn)編碼器，它在機器人上得到廣泛運用，具有易安裝、精確、可靠性高等特點。對于我們這樣一個系統(tǒng)，采用精心安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器，完全可以勝任這樣的檢測任務(wù)。因此，在本系統(tǒng)中，兩個軸的角度檢測均采用旋轉(zhuǎn)編碼器來完成。
對于鑿巖臂抬起放下軸，安裝絕對值旋轉(zhuǎn)編碼器，使旋轉(zhuǎn)編碼器能精確檢測旋轉(zhuǎn)體的角位移，旋轉(zhuǎn)編碼器與被檢測旋轉(zhuǎn)體安裝在相同的軸心線上，在旋轉(zhuǎn)體上加裝隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動的附件，此附件直接與旋轉(zhuǎn)編碼器軸相連，當(dāng)被檢測旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時，附件帶動旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，就可將旋轉(zhuǎn)體角位移同步變成旋轉(zhuǎn)編碼器的角位移，旋轉(zhuǎn)編碼器角
位移數(shù)字量上傳至PLC控制系統(tǒng)。
對于大臂左右轉(zhuǎn)動軸，安裝增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器軸由大圓盤周邊傳動。編碼器會將旋轉(zhuǎn)方向及圓盤轉(zhuǎn)動線位移量輸入PLC，通過PLC運算可以同樣得到軸的角位移量。此方式可大大提高檢測的精確度并便于安裝。
1.2 PI 控制系統(tǒng)
PLC控制系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)編碼器送來的數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理和計算后，再將角度信號送至工業(yè)圖形顯示器顯示。
有兩種定位方式供選擇，即手動和自動方式。手動方式是操作工通過工業(yè)圖形顯示器顯示的角度，進(jìn)行角度定位操作;自動方式是操作工通過工業(yè)圖形顯示器進(jìn)行角度設(shè)定。設(shè)定完成后由PLC自動起動液壓操作系統(tǒng)，進(jìn)行軸定位操作，至設(shè)定角后，自動停車。
為實現(xiàn)以上功能，所選CJM1系列PIE配置了CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊。CPU對旋轉(zhuǎn)編碼器信號進(jìn)行處理、計算、控制;輸入模塊接收旋轉(zhuǎn)編碼器信號;輸出模塊通過中間繼電器啟動、停止液壓操作系統(tǒng)的液壓閥。
1.3 工業(yè)圖形顯示器操作系統(tǒng)
工業(yè)圖形顯示器(即人機接口)是為方便操作工操作而設(shè)置的，通過與PLC系統(tǒng)通信，顯示器以模擬圖及數(shù)字方式顯示兩個軸的實際運行角度;在自動方式下，通過工業(yè)圖形顯示器所附觸摸屏可設(shè)定角度并控制臺車自動定位。
工業(yè)圖形顯示器選用日本Digital公司的GP370系列6英寸(1英寸=2.54 cm)彩色圖形顯示器。這種工業(yè)圖形顯示器采用明亮、清晰的彩色顯示而板，1MB的畫面數(shù)據(jù)存儲器，可以自由地設(shè)計畫而，擴展了圖形數(shù)據(jù)的使用能力。高性能的RISC100MHz CPU，加速了畫面數(shù)據(jù)采集和畫面切換。IP65f和NEMA4x/12的防護(hù)等級，可以使顯示器在潮濕或多塵的現(xiàn)場條件下長期工作。觸摸屏操作將復(fù)雜的控制操作變成簡單的畫面觸摸，沒有經(jīng)驗的操作工經(jīng)過簡單培訓(xùn)就可以使用。
圖2是安裝在臺車遠(yuǎn)程控制臺上的圖形顯示器。圖形顯示器的下方是隨鑿巖臺車帶來的遠(yuǎn)程控制臺，通過工業(yè)圖形顯示器的觸摸屏可實現(xiàn)臺車自動定向定位操作;而通過遠(yuǎn)程控制臺可實現(xiàn)臺車手動定向定位操作。
1.4 定位顯示系統(tǒng)
定位顯示是為了操作人員方便快捷地確定排位、機高及對中而設(shè)立的，主要采用3支紅外線光筆完成。其中兩支紅外線光筆安裝在臺車鑿巖機的兩側(cè)，發(fā)光端向外;另一支光筆安裝在其上部，發(fā)光端向上，安裝時需要確保兩側(cè)的兩條光線在同一水平面上，全部3條光線在同一鉛垂面上，即包含3條光線的鉛垂面應(yīng)與臺車轉(zhuǎn)動臂的轉(zhuǎn)動平面平行。然后標(biāo)定兩平面的距離和包含兩條光線的水平面與臺車大轉(zhuǎn)盤軸心線所在水平面間的距離。以此作為今后臺車現(xiàn)場施工排位線和機高線標(biāo)注的依據(jù)。操作工根據(jù)兩側(cè)光筆發(fā)出的光線來確定施工排面的排位和機高，利用上部安裝的光筆確定臺車鑿巖機的位置是否居中，由此提高臺車的定位速度。
2 應(yīng)用
本項目的實施為今后對不具有自動定位能力的臺車進(jìn)行改造積累了經(jīng)驗，為將來進(jìn)一步提高全公司的勞動生產(chǎn)效率提供了可能。