Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

рейера по заданному направлению, то большей части нарушений

можно избежать.

Наиболее перспективным для ориентирования механизмов по

заданному направлению является использование узконаправленно-

го лазерного пучка.

Для автоматизации ориентирования передвижчика может быть

использована лазерная система, состоящая из излучателя (лазер-

ного визира) и приемного устройства, выполненного в виде следя-

Рис. VI.28. Схема ориентирования пере-

движчика с помощью лазерного визира:

/ — лазерный визир; 2— следящая система;

3 — передвижчик; 4 — ковейер

4 L, км

Рис. VI.29. Боковое отклоне-

ние земснаряда в зависи-

мости от расстояния L

щей системы (см. рис. VI.22). Испытания такой системы были про-

ведены при передвижке ленточного конвейера на Михайловском

карьере Курской магнитной аномалии. Во время работы лазерный

визир был установлен в начальной точке трассы и ориентировался

таким образом, чтобы лазерный пучок проходил параллельно оси

става конвейера (рис. VI.28). Для лучшего захвата приемника ла-

зерный пучок развертывался в вертикальной плоскости с помощью

цилиндрической линзы. Приемное устройство было размещено на

задней части кабины передвижчика (см. рис. VI.27), блок питания

и блок цифровой индикации — в самой кабине. Водитель управляет

передвижчиком, пользуясь показаниями индикатора, которые фик-

сируют отклонения трактора влево или вправо от проектного на-

правления с точностью до 1 см. Одновременно положение пере-

движчика контролируется теодолитом, с помощью которого берут

отсчеты по горизонтально установленной рейке. Как показали ис-

пытания, отклонения передвижчика от проектного направления не

превышают ±5 см на участке длиной 200 м.

Как в СССР, так и за рубежом ведутся работы по использова-

нию лазеров для ориентирования земснарядов при разработке под-

водных траншей. В настоящее время ориентирование земснаряда

осуществляется визуально по створным знакам, расположенным по

берегам водоема в соответствии с проектным направлением уклад-

ки трубопровода.

Точность ориентирования земснаряда по створным знакам при

разработке подводных траншей зависит от расстояния, метеороло-

гических условий и параметров створа. На рис. VI.29 показана за-

висимость величины минимального бокового отклонения от створа

при визуальном ориентировании земснаряда.

Ошибки в ориентировании земснаряда приводят к дополнитель-

ным разработкам подводного грунта, что не только затягивает сро-

ки разработки траншеи и

повышает затраты, но и за-

трудняет укладку трубопро-

вода.

Для повышения точно-

сти контроля положения

земснаряда в створе разра-

батываемой подводной тран-

шеи в 1973 г. в СССР созда-

на лазерная система ориен-

тирования. В качестве из-

лучателя в этой системе ис-

пользуется лазерный визир

JIB-4 с оптико-механическим

сканирующим узлом (рис.

VI.30).

Чтобы развернуть лазер-

ный пучок В вертикальной

Рис

- Лазерный визир ЛВ-4

1 2 И

Рис. VI.31. Оптическая схема устрой- Рис. VI.32. Структурная схема лазер-

ства развертки лазерного пучка, при- ной системы ориентирования земсна-

меняемого при ориентировании зем- ряда

снаряда:

1 — вращающийся зеркальный барабан;

2 — коллиматор; 3 — зеркало

плоскости, используют восьмигранный зеркальный барабан, уста-

новленный по ходу лазерного пучка перед телескопической системой

(рис. VI.31). Угол развертки пучка лазерного излучения после те-

лескопа составляет 50', а угловая расходимость пучка в горизон-

тальной плоскости — примерно 0,4'.

Приемное устройство состоит из четырех идентичных фотопри-

емников 2, 3, 6, 7, которые облучаются излучателем 1

блока элек-

троники 5 и блока индикации 4 (рис. VI.32).

При ориентировании земснаряда по пучку лазерного излучения

(рис. VI.33) на блок электроники поступают сигналы от фотопри-

емников, на которые попадает пучок лазерного излучения. В соот-

ветствии с поступаемой информацией земснаряд возвращают в

створ с помощью папильонажных лебедок.

Как показали испытания лазерной системы ориентирования,

точность удержания земснаряда относительно пучка лазерного

излучения, составляет в безветренную погоду ±12 см, а при сла-

бом ветре ±20 см. Дальность действия системы не менее 6 км. Та-

ким образом, применение системы ориентирования резко повышает

качество разрабатываемой подводной траншеи, уменьшает объем

земляных работ и позволяет обеспечивать круглосуточную работу

земснаряда.

Рис. VI.33. Схема ориентирования земснаряда с помощью ла-

зерного визира:

1 — лазерный визир; 2, 6, 7, 8, 11 — панильонажные лебедки; 3, 5, 9,

10 — фотоприемники; 4 — земснаряд

Довольно перспективным является использование лазеров для

автоматизации процесса рихтовки железнодорожного пути. Повы-

шение скорости движения железнодорожных составов обусловли-

вает в настоящее время жесткие требования к состоянию путей, в

частности к величинам прогиба рельсов. Для устранения прогиба

рельсов применяются путерихтовочные машины, имеющие ско-

рость передвижения 5 км/ч и более.

Современные средства геодезического контроля за положением

исполнительного механизма путерихтовочной машины довольно

трудоемки и не позволяют автоматизировать процесс рихтовки.

Использование лазеров позволяет полностью устранить эти недо-

статки. Для управления рабочим органом путерихтовочной маши-

ны создана лазерная система автоматического управления J1APC-1.

Система ЛАРС-1 состоит из передающего и приемного устройств,

а передающее устройство — из датчика направления и блока уп-

равления. Датчик направления служит для создания опорной оп-

тической плоскости или двух взаимно перпендикулярных плос-

костей.

Опорная оптическая плоскость в виде веера создается с по-

мощью цилиндрической линзы, а две оптические плоскости — све-

тоделительной призмой и двумя цилиндрическими линзами, распо-

ложенными под углом 90° друг к другу. Блок управления обеспечи-

вает включение лазера, наведение его на приемное устройство и

подключение устройства радиоуправления.

Приемное устройство состоит из фотоприемника и релейного

блока. Фотоприемник обеспечивает прием излучения, анализ поло-

жения приемника относительно пучка и выдачу соответствующих

корректирующих сигналов рассогласования. Релейный блок преоб-

разует сигналы рассогласования с фотоприемника в управляющие

сигналы, подаваемые на гидропривод и контрольные устройства.

Рис. VI.34 .Лазерный датчик направления путерихтовочной машины

На тележке (рис. VI.34), перемещающейся по железнодорожно-

му полотну, устанавливают датчик направления, блок управления

и аккумуляторную батарею. Во время работы тележка обычно на-

ходится на расстоянии 200—400 м от путерихтовочной машины.

Фотоприемник устанавливают на передней тележке машины (рис.

VI.35), а релейный блок — в кабине машины. Лазерный пучок дат-

чика направления наводят на фотоприемное устройство.

При движении машины по железнодорожному полотну фото-

приемник перемещается относительно пучка, так как рельсы не яв-

ляются прямой линией, параллельной пучку. В результате переме-

щения на выходе приемника вырабатывается корректирующий сиг-

нал, который подается на исполнительный механизм, возвращаю-

щий приемник в первоначальное относительно пучка положение.

Перемещение фотоприемника относительно машины использу-

ют для подачи команд на силовые установки машины, которые пе-

ремещают рельсы вместе со шпалами в ту или иную сторону до

тех пор, пока корректирующий сигнал с выхода фотоприемника не

станет равным нулю. Как показали испытания, ЛАРС-1 обеспечи-

вает точность рихтовки ±2,0 мм.

Рис. VI.35. Фотоприемное устройство, устанавливаемое

на пу-

терихтовочной машине

Таблица

VI.2

Модель, страна

Назначение

Дальность

действия,

Диапазон

измеряемых

величин,

мм

200

±80

200

±100

3000 —

150 Зависит

от длины

рейки

600

±100

Точность измерения

LGE 9005/LGE 9006

(ФРГ)

LGE 9010/LGE

9001

(ФРГ)

LGE 9010/LGE

9001

(ФРГ)

Geoplane

300 (Шве-

ция)

Laserplane

(США)

Для управления

грейдерами, дорож-

ными комбайнами

машинами

для рих

товки

ж/д

полотна

Для управления

дре

нажными машинами

бульдозерами

То

же

Для нивелирования

Для управления

грейдерами, дорожны-

ми комбайнами, буль-

дозерами

мм на рас-

стоянии

200 м

см на рас-

стоянии

200 м

см на рас-

стоянии

1 км

мм на рас-

стоянии

100 м

мм на рас-

стоянии

600 м

Помимо рихтовки эта система может быть использована и для

нивелирования железнодорожного пути.

Лазерные устройства, предназначенные для автоматического

одномерного управления строительными машинами, выпускаемые

за рубежом (табл. VI.2), обеспечивают автоматическое управление

положением рабочих органов машины, которые приводятся в то

или иное положение гидравлической системой, а также точность ог

1 до 10 мм на каждые 100 м.

§ VI.4. СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ

ПЛАНИРОВКИ

При проведении земляных работ на объектах водохозяйствен-

ного, сельскохозяйственного и дорожного строительства во многих

случаях требуется обеспечение плоской поверхности с заданной сте-

пенью точности. Например, согласно требованиям строительных

норм и правил (СНиП), при планировке чеков рисовых систем от-

клонение спланированной поверхности от средней плоскости в каж-

дой точке не должно превышать 5 см. Такую точность можно обе-

спечить только при условии систематического контроля.

Обычно высотный геодезический контроль осуществляют гео-

метрическим нивелированием, причем несколько раз: до начала

строительства, периодически в процессе строительства, и после

окончания — исполнительное нивелирование.

Существующие в настоящее время методы контроля планиро-

вочных работ основаны на том, что качество планировки проверяют

нивелированием по контрольным точкам. Причем, чем выше тре-

бования к качеству планировки, тем большее количество точек

располагают на контролируемой поверхности. После нивелирова-

ния и обработки полученных данных составляют схему, на которой

показывают, какие точки и насколько лежат выше или ниже про-

ектной плоскости. При этом методе контроля строительные меха-

низмы необходимо либо останавливать, либо перебрасывать на

другой участок на время производства геодезических работ. При

обнаружении отклонений от проектных отметок производится пе-

ределка сооружений и дополнительный геодезический контроль.

Такая система контроля трудоемка и не позволяет постоянно и ак-

тивно влиять на работу землеройной техники, не предотвращает

возможности брака в работе и последующих переделок. Машинист

землеройной машины (скрепера, грейдера, бульдозера) при прове-

дении работы вынужден ориентироваться на различные временные

геодезические знаки (колья, вехи и т. п.), которые в процессе работы

могут быть уничтожены и требуют неоднократного восстановления.

Для контроля за качеством работы машинисту постоянно прихо-

дится отрываться от управления машиной, что существенно сни-

жает производительность труда. При проведении планировочных

земельных работ машинист «на глазок» определяет вертикальное

перемещение рабочего органа, что не обеспечивает точную оценку

профиля местности и ведет к проведению повторных планировок

одного и того же участка с промежуточным геодезическим контро-

лем. При таком методе контроля точность выполнения заданного

профиля зависит от субъективных качеств и квалификации маши-

ниста, что не позволяет полностью использовать технические воз-

можности землеройной техники. В результате сроки и стоимость

строительства увеличиваются. Трудность обеспечения необходимо-

го качества земляных работ ограничивает возможность производ-

ства их в ночное время.

Для повышения эффективности высотного геодезического кон-

троля и качества выполняемых работ нужен метод, дающий объек-

тивную оценку профиля обрабатываемой поверхности и обеспечи-

вающий постоянную информацию о высотных отметках поверхно-

сти, т. е. метод автоматического контроля высотных отметок обра-

батываемой поверхности.

Одним из наиболее перспективных и прогрессивных методов

ориентирования строительных машин при планировании площадей

является определение высотного положения машины или ее рабо-

чего органа относительно опорной плоскости, заданной оптическим

излучением [И, 15].

Таблица VI.3

Параметры

Вид землеройных машин

экскаваторы

траншей-

ные

дреноукла-

дочные

авто-

грей де-

ры

бульдо-

зеры

скре-

перы

планиров-

щики

1500

±5

—20

Ц-50

40 000

1500

±3

—20

+50

40 000

500

±3

—20

+50

40 000

500

±20

—20

+50

40 000

500

±20

—20

+50

40 000

500

±10

—20

+50

40 000-

Дальность действия, м

Точность контроля, мм

Диапазон рабочих темпера-

тур, °С

Относительная влажность,

Освещенность плоскости при-

емного экрана, лк

Источник питания, В

Потребляемая мощность, Вт

Масса переносимого обору-

дования, кг

Время на перестановку аппа-

ратуры (без учета времени на

перевозки), мин

Аккумуляторная батарея 12 и 24 В

В табл. VI.3 приведены требования к системам автоматическо-

го контроля и управления мелиоративными дорожными и планиро-

вочными машинами при проведении земляных работ.

С учетом этих требований в Министерстве электронной промыш-

ленности разработана система автоматического контроля СКП-1.

Датчик высотного положения создает стабилизированную в про-

странстве оптическую опорную плоскость, расположенную парал-

лельно той поверхности, которая должна быть получена в результа-

те проводимой планировки. На землеройной машине устанавливают

\ • •о'.'ь.'.о- ^-..V/.V.

-Ч' Л V'. я.":: >• .V Т®. f. Vb- .-С" р.- PVA-•.•?.". :

'/ф

Рис. VI.36. Принцип действия системы контроля СКП-1:

-лазерный датчик опорной плоскости; 2 — фотоприемное устройство; 3 — штанга; 4 —

планировочная машина; 5 — рабочий орган (нож)

Рис. VI.37. Датчик опорной плоскости (а) и его разрез (б):

1 — пентапризма; 2 — клин; 3 — корпус пентапризмы; 4 — шарикоподшипник;

5 — коллиматор; 6 — лазер; 7 — блок питания; 8 — демпфер; 9 — электродви-

гатель; 10 — основание; 11 — карданный шарнир; 12 — узел; 13 — штатив

приемное устройство, дающее информацию о положении машины

относительно опорной плоскости.

СКП-1 (рис. VI.36) состоит из трех

функционально связанных между собой

блоков лазерного датчика, неподвижно

установленного на опоре в точке с изве-

стной отметкой; фотоприемного устрой-

ства, закрепленного вертикально на зем-

леройной машине, и индикатора положе-

ния (см. рис. VI.40), установленного в

кабине машины.

Лазерный датчик (рис. VI.37 и 38)

формирует оптическую опорную плос-

кость, относительно которой определяют-

ся высотные отметки точек поверхности.

Фотоприемное устройство (рис. VI.39)

регистрирует положение машины относи-

тельно этой плоскости. Индикатор (рис.

Рис. VI.38. Датчик опор-

ной плоскости (без ко-

жуха) :

/ — электродвигатель; 2

—«

корпус пентапризмы; 3 —

коллиматор; 4 — гелий-нео-

новый лазер ОКГ-13; 5 —

блок питания; 6 — демпфер,

7 — арретир

Рис. VI.3^. Фото-

приемное устрой-

ство

Рис. VI.40. Инди-

катор положения

VI.40) отображает вводимую в него информацию о высотном поло-

жении машины.

Для обеспечения стабильного положения в пространстве опти-

ческой плоскости узел 12 датчика опорной плоскости (рис. VI.37, б)

подвешивается к основанию 10 на карданном шарнире 11. Осно-

вание 10 закреплено на штативе 13. В узле 12 установлен блок пи-

тания 7 лазера 6, коллиматор 5 и демпфер 8 для успокоения коле-

баний подвески. Для компенсации неточностей в изготовлении пен-

тапризмы 1 ставится клин 2 с малой величиной клиновости. При

вращении клина вокруг собственной оси он исправляет ход лучей

после пентапризмы.

Внешний вид лазерного датчика опорной плоскости и его схе-

ма показаны на рис. VI.37, а и б, а датчик без кожуха на рис.

VI.38.

Лазер 6 (см. VI.37, б), укрепленный вертикально, создает пу-

чок, распространяющийся вверх. Пучок, выходя из лазера, прохо-

дит коллиматор 5, служащий для уменьшения расходимости и воз-

можности фокусирования пучка. После коллиматора широкий пу-

чок с малой расходимостью попадает на пентапризму У, поворачи-

вающую пучок на 90°. Корпус 3 пентапризмы, установленный в

подшипниках 4

связан с электродвигателем 9, который приводит

пентапризму во вращение, при этом пучок разворачивается в оп-

тическую плоскость. Скорость вращения пентапризмы можно ме-

нять, изменяя напряжение, подводимое к электродвигателю.

Датчик опорной плоскости обеспечивает стабилизацию в про-

странстве оптической плоскости, которая достигается благодаря

использованию карданной подвески. Эта подвеска на шарикопод-

шипниках обладает существенными преимуществами перед други-

ми видами подвесок — проволочными, ленточными, пружинными:

при достаточной чувствительности она весьма надежна, проста по

конструкции, долговечна, обеспечивает жесткую ориентировку ста-

билизирующего элемента относительно прибора, имеет малые габа-

риты и массу, нечувствительна к колебаниям температуры и уда-

рам, сравнительно дешева и легко ремонтируется. При точной ус-

тановке шарикоподшипников в опоре, обеспечивающей равномер-

ный зажим колец подшипников, чувствительность такой подвески

определяется только трением в подшипниках. Подобная конструк-

ция обеспечивает высокую чувствительность, порядка нескольких

секунд, лишь в сравнительно узком диапазоне углов наклона ста-

билизатора, не превышающем нескольких минут (чувствитель-

ность в «точке»). С увеличением углов наклона начинают сказы-

ваться неточности геометрической формы деталей подшипника,

трение в сепараторе, неравномерная смазка, частицы пыли и дру-

гие факторы, снижающие чувствительность подвески и вызываю-

щие смещение нулевого отсчета или исходной установки.

Для предварительной установки прибора на корпусе имеется

круглый уровень с ценой деления 5'. Датчик устанавливают выдви-

жением ног штатива с помощью винтов точного перемещения. При

наклонах штатива подвижная часть под действием гравитацион-

ных сил будет совершать затухание колебания. Для успокоения

свободных колебаний подвески применяют масляный демпфер 6

(см. рис. VI.38), представляющий собой ребристый цилиндр, поме-

щенный в масляный кожух. Успокоение осуществляется вследствие

вязкости, которая тормозит движение цилиндра.