[发明专利]一种悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法

权利要求书

1.一种悬臂式掘进机断面监视系统性能检验方法，其特征在于所述的步骤如下：

1）、基准建立，

定义掘进机机身两侧履带所在底平面之几何中心为机身坐标系原点，底平面前后轴线所在方向为机身坐标系纵轴，底平面左右轴线方向为机身坐标系横轴，与二者正交的方向为机身坐标系竖轴，建立机身坐标系；

以机身坐标系原点为巷道坐标系原点，机身坐标系横轴在水平面上投影方向为巷道坐标系横轴，水平且垂直于巷道坐标系横轴的方向为巷道坐标系纵轴，与二者正交的方向为巷道坐标系竖轴，建立巷道坐标系；

测量坐标系也即全站仪坐标系：指测量仪器自身的基准，测量坐标系原点位于仪器中心在地面上的投影处，其横轴和纵轴均水平，竖轴与横轴和纵轴正交；

设计断面轮廓坐标系：设计断面轮廓坐标系原点为巷道坐标系原点，横轴为巷道坐标系的横轴，纵轴为巷道坐标系的竖轴；

如上定义坐标系，包括巷道坐标系，掘进机机身坐标系、测量坐标系，设计断面轮廓坐标系；

2）、建立虚拟巷道，

以巷道坐标系定义虚拟巷道，巷道按照断面轮廓形状分为矩形巷道、梯形巷道和拱形巷道，均由底板、顶板和侧壁构成，巷道底板均为水平平面，矩形巷道和拱形巷道的侧壁均为铅垂平面且以巷道轴线为对称轴，矩形巷道和梯形巷道的顶板亦为水平平面，拱形巷道顶板为部分圆柱面且以巷道轴线为回转轴，梯形巷道的侧壁所在平面与底板所在平面形成特定夹角且两侧壁以巷道轴线为对称轴，基于上述巷道坐标系和巷道设计参数，虚拟巷道即可建立；

3）、计算方法，

3.1、定义截割头外表曲面，

根据截割头设计参数，将截割头外表曲面以参数形式定义在测量坐标系中，作为截割头的初始位置，

截割头外形包括有两种，一种由圆柱面、圆锥面和球面组成，一种由抛物线回转面组成，根据截割头设计参数定义截割头外表曲面母线，使截割头外表曲面母线的顶点与测量坐标系原点重合，对称轴与测量坐标系纵轴重合，则，截割头外表面可由截割头母线以其对称轴为回转轴旋转而成；

3.2、实际断面轮廓处截割头外表曲面空间位置计算，

在截割头位于初始位置时选定两个特征点，分别位于截割头末端中心和截割头开口边缘处，截割头在断面监视系统引导下运动至实际断面轮廓处时，全站仪检测截割头末端中心空间位置及截割头开口边缘处任意点空间位置，利用刚体的空间姿态转换方法计算截割头相对其初始位置和姿态的空间位移和姿态参数，在此基础上，利用刚体的空间姿态转换方法计算初始位置时截割头表面任意点在截割头运动至实际断面轮廓处时的空间位置，即实际断面轮廓处截割头外表曲面的空间位置；

3.3切点计算，

切点由截割头表面与构成虚拟巷道的表面的平行面相切形成，同时也是截割头表面与巷道相应表面距离最小的点，因此，切点计算为截割头表面与巷道相应表面之间距离最短点的搜索；

3.4形成实际断面轮廓，

按照断面轮廓的设计参数，截割头在断面监视系统的引导下完成整个设计断面轮廓的扫描，则对每一断面轮廓点，即断面监视系统确定的断面轮廓点，作上述步骤3.2和3.3中所述计算可获得所有实际切点，获得完整断面轮廓空间坐标序列，然后对其进行投影即可形成实际断面轮廓，投影的方向是巷道轴线方向；

    4）、断面轮廓成型精度评价，

对断面轮廓成型精度的评价是在垂直于巷道轴线方向的断面即投影面内进行，完成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差、位置偏差和形状偏差的断面监视性能评价，

4.1、角度偏差，

对实际断面轮廓底部所有特征点进行线性拟合，定义其倾角为断面轮廓横滚角，即实际断面轮廓相对设计断面轮廓的角度偏差，

4.2、位置偏差，

按照4.1中角度偏差将各投影点围绕断面轮廓坐标系原点旋转后计算其横坐标均值，以此定义为断面轮廓的横向偏移量，旋转方向为使实际断面轮廓底部所有特征点的拟合直线与断面轮廓坐标系横轴趋于平行的方向，

断面轮廓的纵向偏移量定义为原点至旋转后断面轮廓底部拟合直线的距离，横向偏移量和纵向偏移量一起构成实际断面轮廓相对设计断面轮廓的位置偏差，

4.3形状偏差，

断面轮廓形状误差即将实际断面轮廓与设计断面轮廓进行对比，定义各点误差为其沿相应坐标轴方向到设计轮廓相应边线的距离，由此计算最大正偏差即超截量和最大负偏差即欠截量作为实际断面轮廓的形状误差指标，

按照上述步骤中获得的断面轮廓轨迹横滚角将所有特征点围绕断面轮廓坐标系原点旋转以消除断面轮廓轨迹横滚角，而后按照上述步骤中获得的断面轮廓横向偏移量和纵向偏移量将所有特征点沿相应坐标轴方向进行平移以消除偏移量，在此基础上，按照上述方法和断面轮廓定义对特征点与设定断面轮廓进行比较即可获得断面轮廓形状误差。