CN111473780A - 一种悬臂掘进机测量系统 - Google Patents
一种悬臂掘进机测量系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111473780A CN111473780A CN202010283890.7A CN202010283890A CN111473780A CN 111473780 A CN111473780 A CN 111473780A CN 202010283890 A CN202010283890 A CN 202010283890A CN 111473780 A CN111473780 A CN 111473780A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cantilever
- data
- computer
- drill bit
- inclinometer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 16
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims description 15
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 7
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011326 mechanical measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
- G01C15/002—Active optical surveying means
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
- E21D9/003—Arrangement of measuring or indicating devices for use during driving of tunnels, e.g. for guiding machines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
本发明涉及一种悬臂掘进机测量系统，包括计算机，所述计算机通过线缆与设置在悬臂掘进机尾部附近隧道壁上的全站仪相连，所述悬臂掘进机尾部设置有主动棱镜；所述悬臂掘进机内部中间位置设置有用于检测悬臂掘进机主体俯仰角和滚动角的倾角仪；所述悬臂掘进机的悬臂伸缩缸上设有用于检测油缸长度的行程传感器；所述倾角仪和行程传感器均与所述计算机相连。本发明能够准确测量出钻头位置，从而能够实现精确导向，保证掘进工作的顺利进行。
Description
技术领域
本发明涉及工程建设技术领域中的悬臂掘进机，特别是涉及一种悬臂掘进机测量系统。
背景技术
悬臂掘进机是一种挖掘公路隧道和煤矿常用的掘进设备，有着安装方便、操作灵活、成本低、效率高的特点，但是掘进过程震动较大，钻头前部粉尘大，导致不论人工还是设备都难以准确测量钻头位置，更加难以控制，而如果没有准确的钻头位置和姿态数据为基础，便无法计算出实时的超欠挖情况，更加无法进行掘进机的自动控制。
目前使用的方式是使用激光在挖掘面上投影出隧道轮廓，由掘进机司机在掘进中作为参考进行掘进，激光投影布设有着精度低、速度慢，震动较大，易被遮挡，无法数字化等缺点。而其他传统的隧道导向系统，例如盾构导向系统和顶管导向系统，又有着测量范围有限、震动较大时易失败、测量速度慢频率低、失锁后难以自动重新锁定或锁定错误等问题，无法直接应用于悬臂掘进机的导向工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种悬臂掘进机测量系统，能够准确测量钻头位置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种悬臂掘进机测量系统，包括计算机，所述计算机通过线缆与设置在悬臂掘进机尾部附近隧道壁上的全站仪相连，所述悬臂掘进机尾部设置有主动棱镜；所述悬臂掘进机内部中间位置设置有用于检测悬臂掘进机主体俯仰角和滚动角的倾角仪；所述悬臂掘进机的悬臂伸缩缸上设有用于检测油缸长度的行程传感器；所述倾角仪和行程传感器均与计算机相连。
所述主动棱镜有两个，分别位于所述悬臂掘进机尾部的两侧。
所述全站仪有两个，分别位于所述悬臂掘进机尾部附近两侧隧道壁上。
所述全站仪的测量范围大于150度，且最高频率为20Hz。
所述计算机在计算钻头位置时，控制所述全站仪实时测量出主动棱镜的坐标，并实时读取所述倾角仪的角度数据，利用主动棱镜的坐标和倾角仪的角度数据，计算出悬臂掘进机的实时姿态；再根据所述行程传感器的实时数据计算出悬臂的转动角度，并通过悬臂的长度信息确定出钻头位置。
所述计算机在计算超欠挖数据时，将实时的钻头数据投影到要计算超欠挖的断面上，投影为圆锥曲线；然后根据断面的设计数据利用二分法逼近的方式计算出投影的圆锥曲线与断面边界的距离最大值，该距离最大值若为负值则表示为欠挖距离，该距离最大值若为正值则表示为超挖距离。
所述计算机在计算进尺量和方量时，将隧道设计的中心线微分成等间距的断面，然后将断面微分成等边长的正方形，循环判断正方形与断面内各个钻头数据的关系，当正方形在钻头内时标记为1，当正方形未进入钻头内时标记为0，通过积分得出断面的挖掘面积，将各个断面的挖掘面积积分得到此段里程内的挖掘方量，将字段里程的挖掘方量除以标准断面面积得到进尺量。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过在悬臂掘进机尾部设置主动棱镜，并利用全站仪获取主动棱镜的位置，通过主动棱镜的位置和设置在悬臂掘进机内部的倾角仪获取的角度信息能够确定出悬臂掘进机的实时姿态，利用得到的实时姿态能够准确测量出钻头位置，从而能够实现精确导向，保证掘进工作的顺利进行。
附图说明
图1是本发明中悬臂掘进机测量系统的背面剖视图；
图2是本发明中悬臂掘进机测量系统的侧面剖视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种悬臂掘进机测量系统，如图1和图2所示，包括计算机、全站仪3、主动棱镜4、倾角仪5和行程传感器6。其中，计算机分别与全站仪3、主动棱镜4、倾角仪5和行程传感器6，用于控制各个部件协调工作，以及对各个部件采集到的数据进行计算。
本实施方式中主动棱镜4共有两个，分别位于悬臂掘进机1尾部的左右两侧，主动棱镜4可在测量时被识别，确保不会锁定错误。本实施方式中全站仪3也有两个，分别位于悬臂掘进机1尾部附近两侧隧道壁2上。全站仪是一种集光、机、电为一体的高级技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，本实施方式中的全站仪3用于测量主动棱镜4的三维坐标，实现对主动棱镜4的跟踪锁定，该全站仪3的最高频率可达到20Hz，测量速度快频率高，可提高震动下测量结果的精度，该全站仪测量范围大，可达到不低于150°的测量范围，如此可降低失锁可能性，并在失锁后可自动搜索，提高自动化程度，降低人工干预度。
本实施方式中的倾角仪5位于悬臂掘进机1内部的中间位置，其与悬臂掘进机1位置相对固定，其用于检测悬臂掘进机主体的俯仰角和滚动角，可高频次输出角度数据。本实施方式中的行程传感器6位于悬臂掘进机悬臂伸缩油缸上，其与悬臂伸缩油缸位置相对固定，且随伸缩油缸一同伸缩，其用于检测油缸长度数据。
在测量时，计算机会控制全站仪3自动搜索并锁定主动棱镜4，进行1-20Hz的自动测量，计算机会不停读取倾角仪5和行程传感器6的数据，实时计算出悬臂掘进机的机身位置和姿态数据，并依此计算出悬臂前端钻头的位置，再根据钻头和隧道断面设计数据的相对关系计算出超欠挖数据并显示出来，这些数据会实时上传到悬臂掘进机的数据中心辅助进行自动掘进。在需要时，计算机会读取已计算得出的钻头数据对比隧道的中线和断面设计数据，计算得出相应的进尺量和方量数据，供现场技术人员使用。
在确定钻头位置时，首先，建立起悬臂掘进机的数学模型，根据此数学模型可得到两个主动棱镜以及倾角仪和悬臂掘进机的相对关系。在悬臂掘进机工作时，全站仪可实时测量出两个主动棱镜的坐标，系统可实时读取倾角仪的角度数据，有了两个主动棱镜的坐标和角度数据后，可根据上述数学模型计算出此时悬臂掘进机的实时姿态。在此悬臂掘进机实时姿态的基础上，根据悬臂上的行程传感器实时数据可计算出悬臂的转动角度，而悬臂的长度是固定已知的，由此可计算出钻头的准确位置。
利用得到的钻头的位置可以计算超欠挖数据，具体为：将实时的钻头数据投影到要计算超欠挖的断面上，投影为圆锥曲线；然后根据断面的设计数据计算出投影圆锥曲线与断面边界的距离最大值，由于投影圆锥曲线的曲率半径远小于断面边界，因此投影圆锥曲线与断面边界的距离定有一个极值出现，所以使用二分法逼近可求得此距离最大值，该距离最大值若为负值则表示为欠挖距离，该距离最大值若为正值则表示为超挖距离。
本实施方式还可根据钻头的实测数据计算出当前断面的完成度、任意给定里程范围内的进尺量和方量。计算进尺量和方量使用的是微积分的原理。首先，将隧道的设计中心线微分成等间距的断面，然后将断面微分成等边长的小正方形，循环判断这些小正方形与断面内各个钻头数据的关系，在钻头内的小正方形标记为1，其他未进入钻头内的小正方形标记为0，循环计算完毕后，积分得出断面的挖掘面积，将各个断面的挖掘面积积分得到此段里程内的挖掘方量，而进尺量则是字段里程的挖掘方量除以标准断面面积得出的。
不难发现，本发明通过在悬臂掘进机尾部设置主动棱镜，并利用全站仪获取主动棱镜的位置，通过主动棱镜的位置和设置在悬臂掘进机内部的倾角仪获取的角度信息能够确定出悬臂掘进机的实时姿态，利用得到的实时姿态能够准确测量出钻头位置，解决了无法在掘进过程中测量悬臂掘进机钻头的问题，同时解决了传统自动测量系统测量范围小，震动情况下易测量失败或精度降低的问题。另外，利用得到的钻头位置还可以得到超欠挖数据和进尺量和方量，给自动掘进提供了可行的数据基础，保证掘进工作的顺利进行。
Claims (7)
1.一种悬臂掘进机测量系统，包括计算机，其特征在于，所述计算机通过线缆与设置在悬臂掘进机尾部附近隧道壁上的全站仪相连，所述悬臂掘进机尾部设置有主动棱镜；所述悬臂掘进机内部中间位置设置有用于检测悬臂掘进机主体俯仰角和滚动角的倾角仪；所述悬臂掘进机的悬臂伸缩缸上设有用于检测油缸长度的行程传感器；所述倾角仪和行程传感器均与所述计算机相连。
2.根据权利要求1所述的悬臂掘进机测量系统，其特征在于，所述主动棱镜有两个，分别位于所述悬臂掘进机尾部的两侧。
3.根据权利要求1所述的悬臂掘进机测量系统，其特征在于，所述全站仪有两个，分别位于所述悬臂掘进机尾部附近两侧隧道壁上。
4.根据权利要求1所述的悬臂掘进机测量系统，其特征在于，所述全站仪的测量范围大于150度，且最高频率为20Hz。
5.根据权利要求1所述的悬臂掘进机测量系统，其特征在于，所述计算机在计算钻头位置时，控制所述全站仪实时测量出主动棱镜的坐标，并实时读取所述倾角仪的角度数据，利用主动棱镜的坐标和倾角仪的角度数据，计算出悬臂掘进机的实时姿态；再根据所述行程传感器的实时数据计算出悬臂的转动角度，并通过悬臂的长度信息确定出钻头位置。
6.根据权利要求1所述的悬臂掘进机测量系统，其特征在于，所述计算机在计算超欠挖数据时，将实时的钻头数据投影到要计算超欠挖的断面上，投影为圆锥曲线；然后根据断面的设计数据利用二分法逼近的方式计算出投影的圆锥曲线与断面边界的距离最大值，该距离最大值若为负值则表示为欠挖距离，该距离最大值若为正值则表示为超挖距离。
7.根据权利要求1所述的悬臂掘进机测量系统，其特征在于，所述计算机在计算进尺量和方量时，将隧道设计的中心线微分成等间距的断面，然后将断面微分成等边长的正方形，循环判断正方形与断面内各个钻头数据的关系，当正方形在钻头内时标记为1，当正方形未进入钻头内时标记为0，通过积分得出断面的挖掘面积，将各个断面的挖掘面积积分得到此段里程内的挖掘方量，将字段里程的挖掘方量除以标准断面面积得到进尺量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010283890.7A CN111473780A (zh) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | 一种悬臂掘进机测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010283890.7A CN111473780A (zh) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | 一种悬臂掘进机测量系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111473780A true CN111473780A (zh) | 2020-07-31 |
Family
ID=71752176
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010283890.7A Pending CN111473780A (zh) | 2020-04-13 | 2020-04-13 | 一种悬臂掘进机测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111473780A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113108772A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-13 | 上海米度测量技术有限公司 | 一种悬臂掘进机测量系统 |
| CN113108754A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-13 | 上海米度测量技术有限公司 | 一种基于相机的悬臂掘进机测量系统 |
| CN113670239A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-11-19 | 上海米度测量技术有限公司 | 一种竖井掘进位姿测量装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003082990A (ja) * | 2001-09-13 | 2003-03-19 | Nippon Koki Kk | トンネル掘削機の位置計測装置 |
| CN101266134A (zh) * | 2008-04-30 | 2008-09-17 | 山西焦煤集团有限责任公司 | 悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法 |
| CN104295297A (zh) * | 2014-09-16 | 2015-01-21 | 三一重型装备有限公司 | 一种掘进机截割头定位系统及方法和掘进机 |
| CN106401643A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-02-15 | 铁道第三勘察设计院集团有限公司 | 基于激光点云的隧道超欠挖检测方法 |
| KR102043702B1 (ko) * | 2018-10-29 | 2019-11-12 | 주식회사 세종지오텍 | 터널 변위 계측장치 |
| CN110674995A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-10 | 山西路恒交通勘察设计咨询有限公司 | 一种环保、经济约束条件下的路线优化方法 |
-
2020
- 2020-04-13 CN CN202010283890.7A patent/CN111473780A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003082990A (ja) * | 2001-09-13 | 2003-03-19 | Nippon Koki Kk | トンネル掘削機の位置計測装置 |
| CN101266134A (zh) * | 2008-04-30 | 2008-09-17 | 山西焦煤集团有限责任公司 | 悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法 |
| CN104295297A (zh) * | 2014-09-16 | 2015-01-21 | 三一重型装备有限公司 | 一种掘进机截割头定位系统及方法和掘进机 |
| CN106401643A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-02-15 | 铁道第三勘察设计院集团有限公司 | 基于激光点云的隧道超欠挖检测方法 |
| KR102043702B1 (ko) * | 2018-10-29 | 2019-11-12 | 주식회사 세종지오텍 | 터널 변위 계측장치 |
| CN110674995A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-10 | 山西路恒交通勘察设计咨询有限公司 | 一种环保、经济约束条件下的路线优化方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113108772A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-13 | 上海米度测量技术有限公司 | 一种悬臂掘进机测量系统 |
| CN113108754A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-13 | 上海米度测量技术有限公司 | 一种基于相机的悬臂掘进机测量系统 |
| CN113670239A (zh) * | 2021-08-04 | 2021-11-19 | 上海米度测量技术有限公司 | 一种竖井掘进位姿测量装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111473780A (zh) | 一种悬臂掘进机测量系统 | |
| CN101266134B (zh) | 悬臂掘进机头位姿的测量系统及其方法 | |
| CN110108255B (zh) | 多扫描仪通用的移动式数据采集与处理隧道检测系统 | |
| CN111485879B (zh) | 一种掘进机车体及其截割滚筒的定位方法及定位系统 | |
| CN201247045Y (zh) | 悬臂掘进机头位姿的测量系统 | |
| CN112282781A (zh) | 一种凿岩设备姿态测量系统和方法 | |
| CN102095401A (zh) | 长距离盾构法隧道贯通测量方法 | |
| CN205300569U (zh) | 隧道变形监测设备和系统 | |
| CN106123776A (zh) | 一种顶管智能顶进测量系统以及测量方法 | |
| CN202066500U (zh) | 一种悬臂式掘进机的位姿测量系统 | |
| CN111121735A (zh) | 一种隧道、地铁和矿井开挖掘进自主定位定向系统及方法 | |
| CN110736434A (zh) | 一种煤矿巷道表面位移在线监测系统及监测方法 | |
| CN110030939A (zh) | 一种围岩线性位移测量装置及方法 | |
| CN113075650A (zh) | 一种基于uwb与惯性单元的地下巷道掘进装备实时定位方法 | |
| CN108827220B (zh) | 一种基于捷联惯导的煤矿综采工作面直线度检测方法 | |
| CN111173502A (zh) | 一种市政工程用顶管开挖激光导向测量施工工法 | |
| CN113252063A (zh) | 一种基于全站仪的采掘装备进深测量方法 | |
| CN111060100A (zh) | 一种智能导向仪的测量方法、系统及终端 | |
| CN114485614B (zh) | 基于双全站仪的采掘设备的导航定位系统及方法 | |
| CN112857340B (zh) | 一种全智能凿岩台车虚拟掌子面定位方法及装置 | |
| CN102636101B (zh) | 一种巷道表面收敛测量方法 | |
| CN113108754A (zh) | 一种基于相机的悬臂掘进机测量系统 | |
| CN114739394A (zh) | 悬臂式掘进机自动导航和定位截割的方法和系统 | |
| CN103512507A (zh) | 一种大跨距钢轨轨距测量方法 | |
| CN113252044A (zh) | 一种掘进装备机身偏差计算方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Jinbo Inventor after: Wu Xiaoyan Inventor after: Qin Xu Inventor after: Wang Huiqin Inventor after: Liu Chao Inventor after: Zhu Tao Inventor after: Sun Yanfei Inventor after: Niu Jianqiang Inventor after: Ma Ziyun Inventor before: Wang Jinbo Inventor before: Wu Xiaoyan Inventor before: Qin Xu Inventor before: Wang Huiqin Inventor before: Liu Chao Inventor before: Zhu Tao |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210622 Address after: 201702 room 216, area m, 2nd floor, 158 Shuanglian Road, Qingpu District, Shanghai Applicant after: SHANGHAI M&D TECHNICAL MEASUREMENT Co.,Ltd. Applicant after: CHINA RAILWAY ENGINEERING EQUIPMENT GROUP TUNNELING EQUIPMENT MANUFACTURING Co.,Ltd. Address before: 201702 room 216, area m, 2nd floor, 158 Shuanglian Road, Qingpu District, Shanghai Applicant before: SHANGHAI M&D TECHNICAL MEASUREMENT Co.,Ltd. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200731 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |