CN109238137A - 基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统及方法，所述系统包括：激光测距仪，安装于拱架安装机外部，具有多自由度转动功能，用于量测激光源点至已拼装完成的两排拱架上目标点位之间的距离；中心控制器，与激光测距仪互联，用于接收激光测距仪采集的距离数据，经过几何关系计算，得到激光源点至待拼装拱架纵向相应目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向激光测距仪发出相应的角度转动指令。本发明能实现待拼拱架纵向间距、环向分节接头位置的准确自动定位，有效确保拱架的安装精度。

Description

基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统及方法
技术领域
本发明属于交通隧道工程机械化施工领域，具体涉及一种基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统及方法。
背景技术
软弱围岩隧道中拱架是喷锚支护的主要组成部分，隧道围岩岩性决定了喷锚支护中拱架布设间距及拱架型号，拱架的安装精度直接关系到喷锚支护的质量，若定位失准，易造成初支结构失稳。
目前，隧道机械化施工中采用的拱架安装机已经代替了起初的人力拼装拱架，但主要是用于机械抓取拱架、人力辅助完成拼装，拱架定位还需借助于人工量测的手段，自动定位功能相对较差，拼装精度难以精确保证。因此，研制新型的能够自动定位待拼拱架拼装目标点位的设备，实现拱架纵向、环向位置的准确定位，确保喷锚衬砌的施工质量，并降低人力劳动成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统及方法，能实现待拼拱架纵向间距、环向分节接头位置的准确自动定位，有效确保拱架的安装精度。
本发明所采用的技术方案为：
基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统，其特征在于：
所述系统包括：
激光测距仪，安装于拱架安装机外部，用于量测激光源点至已拼装完成的两排拱架上目标点位之间的距离，激光测距仪上安设若干角度控制器，实现多自由度转动功能；
中心控制器，位于拱架安装机操作室内，通过通信电缆与激光测距仪及激光测距仪上的角度控制器互联，用于控制激光测距仪测距并接收其采集的距离数据，经过几何关系计算，得到激光源点至待拼装拱架纵向相应目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向安设在激光测距仪上的角度控制器发出相应的角度转动指令来控制激光测距仪转动。
基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
沿隧道纵向依次推进施工拱架，拱架拼装区段内的第n-1榀拱架和第n榀拱架已完成拼装，第n+1榀拱架为待拼拱架；
拱架安装机定位后，拱架安装机外部安装的激光测距仪分别测量激光源点至第n-1榀拱架和第n榀拱架上位于同一条纵向直线上的两个目标点位之间的距离，并将距离数据发送给中心控制器；
中心控制器通过几何关系计算，获得激光源点至待拼装拱架纵向共线目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向激光测距仪发出相应的角度转动指令；
激光测距仪收到中心控制器的控制指令，转动后射向待拼装拱架纵向相应目标点位，实现待拼装拱架纵向相应目标点位的定位。
中心控制器接收距离数据后的计算过程包括：
其中：
O0为激光源点，On-1为第n-1榀拱架3上的目标点位，On为第n榀拱架4上的目标点位，On+1为第n+1榀拱架5上的目标点位，On-1、On、On+1纵向共线；
d1为On-1与On间的距离，d2为On与On+1间的距离；
Ln-1为O0至On-1之间距离，Ln为O0至On之间距离；
γ为O0与On-1的连线与隧道纵向的夹角，θ为激光测距仪2所需的转动夹角；
已知d1和d2，由Ln-1和Ln通过式(a)和(b)，计算得到Ln+1，再根据式(c)和(d)计算得到θ。
已拼装完成的两排拱架上的目标点位为拱架接头，通过拱架定位系统获得的最终定位点为待拼装拱架纵向共线的拱架接头目标点位，实现待拼装拱架环向分节接头位置的准确定位。
已拼装完成的两排拱架上的目标点位与激光测距仪2纵向共线，通过拱架定位系统获得的最终定位点也与激光测距仪2纵向共线，实现待拼装拱架纵向间距的准确定位。
本发明具有以下优点：
本发明于拱架安装机上安设多个多自由度激光测距仪，每个激光测距仪均可独立量测出激光源至拱架目标点位间的距离，通过几何关系可计算得到激光测距仪量测待拼拱架目标点位需转动的角度大小，进而实现自动定位待拼装拱架的目标点位。
激光测距仪测距、转动角度计算、及转动角度输入均通过控制激光测距仪的中心控制器自动实现，能实现待拼拱架纵向间距、环向分节接头位置的准确自动定位，有效确保拱架的安装精度，智能化程度较高。
附图说明
图1为本发明立面示意图；
图2为本发明平面示意图；
图3为本发明定位原理示意图；
图4为本发明拱架接头位置、纵向间距定位示意图；
图中，1—拱架安装机，2—激光测距仪，3—第n-1榀拱架，4—第n榀拱架，5—第n+1榀拱架，6—角度θ，7—角度γ。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统，可实现拱架纵向间距、环向分节接头位置的准确定位，所述系统包括：
1、激光测距仪2，安装于拱架安装机1外部，可多自由度转动，用于量测激光源点至已拼装完成的两排拱架上目标点位之间的距离。
本发明涉及的激光测距仪2在现有激光测距仪设备基础上设置了若干角度控制器，来实现多自由度转动功能。
2、中心控制器，位于拱架安装机1操作室内，是控制计算机，通过通信电缆与激光测距仪2及激光测距仪2上的角度控制器互联，用于控制激光测距仪2测距并接收其采集的距离数据，经过几何关系计算，得到激光源点至待拼装拱架纵向相应目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向安设在激光测距仪2上的角度控制器发出相应的角度转动指令来控制激光测距仪2转动。
基于上述系统的拱架定位方法，具体由以下步骤实现：
1、沿隧道纵向依次推进施工拱架，拱架拼装区段内的第n-1榀拱架3和第n榀拱架4已完成拼装，第n+1榀拱架5为待拼拱架；
2、拱架安装机1定位后，拱架安装机1外部安装的激光测距仪2分别测量激光源点至第n-1榀拱架3和第n榀拱架4上位于同一条纵向直线上的两个目标点位之间的距离，并将距离数据发送给中心控制器；
中心控制器通过几何关系计算，获得激光源点至待拼装拱架纵向共线目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向激光测距仪2发出相应的角度转动指令；
3、激光测距仪2收到中心控制器的控制指令，转动后射向待拼装拱架纵向相应目标点位，实现待拼装拱架纵向相应目标点位的定位。
中心控制器接收距离数据后的计算过程包括：
其中：
O0为激光源点，On-1为第n-1榀拱架3上的目标点位，On为第n榀拱架4上的目标点位，On+1为第n+1榀拱架5上的目标点位，On-1、On、On+1纵向共线；
d1为On-1与On间的距离，d2为On与On+1间的距离；
Ln-1为O0至On-1之间距离，Ln为O0至On之间距离；
γ为O0与On-1的连线与隧道纵向的夹角，θ为激光测距仪2所需的转动夹角；
已知d1和d2， 由Ln-1和Ln通过式(a)和(b)，计算得到Ln+1，再根据式(c)和(d)计算得到θ。
若已拼装完成的两排拱架上的目标点位为拱架接头，通过拱架定位系统获得的最终定位点为待拼装拱架纵向共线的拱架接头目标点位，实现待拼装拱架环向分节接头位置的准确定位。
若已拼装完成的两排拱架上的目标点位与激光测距仪2纵向共线，通过拱架定位系统获得的最终定位点也与激光测距仪2纵向共线，实现待拼装拱架纵向间距的准确定位。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位系统，其特征在于：
所述系统包括：
激光测距仪(2)，安装于拱架安装机(1)外部，用于量测激光源点至已拼装完成的两排拱架上目标点位之间的距离，激光测距仪(2)上安设若干角度控制器，实现多自由度转动功能；
中心控制器，位于拱架安装机(1)操作室内，通过通信电缆与激光测距仪(2)及激光测距仪(2)上的角度控制器互联，用于控制激光测距仪(2)测距并接收其采集的距离数据，经过几何关系计算，得到激光源点至待拼装拱架纵向相应目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向安设在激光测距仪(2)上的角度控制器发出相应的角度转动指令来控制激光测距仪(2)转动。
2.基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位方法，其特征在于：
由以下步骤实现：
沿隧道纵向依次推进施工拱架，拱架拼装区段内的第n-1榀拱架(3)和第n榀拱架(4)已完成拼装，第n+1榀拱架(5)为待拼拱架；
拱架安装机(1)定位后，拱架安装机(1)外部安装的激光测距仪(2)分别测量激光源点至第n-1榀拱架(3)和第n榀拱架(4)上位于同一条纵向直线上的两个目标点位之间的距离，并将距离数据发送给中心控制器；
中心控制器通过几何关系计算，获得激光源点至待拼装拱架纵向共线目标点位的距离，进而计算得到激光源点射向待拼装拱架纵向相应目标点位需转动的角度值，并向激光测距仪(2)发出相应的角度转动指令；
激光测距仪(2)收到中心控制器的控制指令，转动后射向待拼装拱架纵向相应目标点位，实现待拼装拱架纵向相应目标点位的定位。
3.根据权利要求2所述的基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位方法，其特征在于：
中心控制器接收距离数据后的计算过程包括：
其中：
O0为激光源点，On-1为第n-1榀拱架(3)上的目标点位，On为第n榀拱架(4)上的目标点位，On+1为第n+1榀拱架(5)上的目标点位，On-1、On、On+1纵向共线；
d1为On-1与On间的距离，d2为On与On+1间的距离；
Ln-1为O0至On-1之间距离，Ln为O0至On之间距离；
γ为O0与On-1的连线与隧道纵向的夹角，θ为激光测距仪(2)所需的转动夹角；
已知d1和d2，由Ln-1和Ln通过式(a)和(b)，计算得到Ln+1，再根据式(c)和(d)计算得到θ。
4.根据权利要求23所述的基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位方法，其特征在于：
已拼装完成的两排拱架上的目标点位为拱架接头，通过拱架定位系统获得的最终定位点为待拼装拱架纵向共线的拱架接头目标点位，实现待拼装拱架环向分节接头位置的准确定位。
5.根据权利要求3所述的基于隧道施工用拱架安装机的拱架定位方法，其特征在于：
已拼装完成的两排拱架上的目标点位与激光测距仪(2)纵向共线，通过拱架定位系统获得的最终定位点也与激光测距仪(2)纵向共线，实现待拼装拱架纵向间距的准确定位。
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