CN111749243A - 一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，通过在作业端和边缘参考端的两个区域的识别、反馈、调节的施工方法，不仅减少传统从安装仪器到指挥挖机的繁琐工序，还解决了许多复杂地形下土方开挖的施工困境，降低了施工作业人员安全风险，节省人力和提高施工效率。该方法达到准确控制需求工作面标高和平整度的目的，来避免工作面不不合格带来的地基不稳定、易损坏或建筑材料浪费现象，实现由人工指挥判断到智能可视化反馈，为物联网及信息化工地提供一种思路。
Description
技术领域
本发明属于土方开挖施工技术领域，特别涉及基坑工程中场地整平施工技术，具体涉及一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法。
背景技术
随着城市化进程的加快，城市地下工程的施工日趋普遍并呈增加趋势。在土方开挖施工中，土方的场地整平需要为下一道工序提供可靠的工作面。发明人通过对现场土方开挖场地整平进行了研究分析发现在非作业区域喷涂高层标记、用水准仪或激光投射仪标定、施工人员用塔尺对开挖作业面进行多次点位测量读数并上前指挥挖机、挖掘机操作手收到标高差数值的指令后实施调节方案或进入下一步作业环节，致使施工作业端的叠加和逐级反馈，很容易造成标高控制误差和施工管理混乱，浪费人力物力，施工效率低。同时人员与重型机械在一个作业端的重合，有一定的安全隐患。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，包括:
步骤1、预先在边缘参考端的场地内结构性构件上放置智能识别竖直挂尺，并在挖掘机上安装激光发射器和传感器安装，并进行场地清理以及预处理场地参数设定；
步骤2、在挖掘机作业过程中铲斗的4个微型压力传感器对数字激光发射器进行发出指令，采用安装在挖掘机第一节活动臂上的数字激光发射器对最近距离的智能识别竖直挂尺发出激光发射水平路径线，并对其上的数字标高信息码区进行标高识别分别；
步骤3、根据铲斗平整态高度C、虚拟零标高A、需求工作面标高B、活动臂长度L参数，以及激光读数标高X、活动臂辅助角ɑ数据，计算判断值H=X-C-(B-A)-Losɑ/2，根据判断值H调整挖掘方向和距离，直至H为0。
在上述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，步骤1的具体操作方法是：首先进行场地清理，然后明确施工现场周边环境，确定铲斗平整态高度C、活动臂长度L和该段作业方向宽度参数，并确定需求工作面标高B。
在上述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，步骤1中，智能识别竖直挂尺的安装方法是：首先用引测法将水准仪将平面范围内或竖直范围内的水准点引至边缘参考端14区域内，并在墙柱等结构性构件上做喷涂标记；将智能识别竖直挂尺12展开，悬挂在焊在铁柱等在一段时间内不发生绝对位移的横向非受力构件的钢筋上并与标记的水准高度匹配固定安放；按照土方场地退挖方向进一步布置智能识别挂尺，在一个激光作业视距内拟不少于两个。
在上述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，步骤1中，激光发射器的安装方法是：分别在挖掘机15的第一节活动臂的上下节铰支座处外30mm定出数字激光发射器92/93上位下位的位置，取两点连线的中点标记出数字激光发射器91中位的位置，其中连线即为活动臂位线8；安装三个位置的激光发射器，并测试单线扫描上传(将激光扫描数字标高信息码区13得到的标高数据直接反馈给场地高层计算器16)及双线接收指令反应的功能。
在上述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，步骤1中，传感器的安装方法是：将挖掘机的铲斗31取下，在铲斗底面板32上外圈烧融，分别制成5mm深的矩形端口；如图4.在端口冷却后安装微型压力传感器35（3mm），该压力传感器可在铲斗底面板32接触并全部贴合土层时，且4个感应器的指令动作时间为0.5s,即可传达数字激光发射器91发出激光扫描数据，灵敏度为5ms；同时当4个传感器其中1个无压力荷载或小于其他三个传感器的压力荷载的10%，则指令激光闪烁扫描，提示场地平整度不符合要求。
在上述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，步骤2具体包括：
步骤2.1、辅助竖直角调零：重力阻尼竖直角度测量器通过安置在第一活动臂上节端，利用阻尼重力效应快速确定活动臂的活动臂位线与辅助垂线的辅助活动角ɑ；首先，让铲斗放于已平整土方层，使铲斗底面板预接触并全部贴合土层，得到预读数X1，计算X=C-(B-A)-L，轻微调整活动臂使显示的读数X1与计算得到的X吻合；
步骤2.2、铲斗放平读数：对开挖后的土方层进行平整压实，0.5s之内数字激光发射器快速扫描得到激光读数标高X；在复杂地质和环境下可以选用在竖直方向合适的高程点挂放智能识别竖直挂尺，同时启用不同激光水平发射路径线对应的上位数字激光发射器和下位数字激光发射器灵活获取标高读数；
步骤2.3、激光闪烁：当活动臂上的数字激光发射器91发出的扫描激光为闪烁状态,且表征持续，则读数作废；驾驶员进一步进行平整待确定场地处理软弱土或淤泥质土，并在边缘参考端14区采取挖小宽度水沟明排，改善施工过程中土下水的集中渗透情况。
在上述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，步骤3中，判断调整的具体方法是：
当H>0（,则还需往下再挖H；
当H<0,则还需往上再挖H；
如此往复，直至H=0；可继续往土方退挖方向行进，进入待平整土方层。
因此，本发明具有如下优点：1、本发明与传统施工工艺相比，大幅减少的现场施工人员的投入，也减少了测量仪器的使用，有利于施工管理高效化和资源的最大化利用。2、本发明采用计算结果直接反馈给挖掘机操作手的方法，与驾驶员的操作需要人工测量判断并在现场指挥的传统方法相比，大大降低了施工安全风险。3、利用安装四个微型压力传感器的铲斗，可精确控制梁的尺寸和钢筋间距，保证了场地平整度的质量，从而避免了避免工作面不不合格带来的地基不稳定、易损坏或建筑材料浪费现象。4、本发明利用挖掘机铲斗在整平土方场地时，对作业区域进行有效标高测量并完成自我调整及复核，完全颠覆了传统工序下人在作业端读数、参考端在场地外的逐级反馈顺序，由四个作业位减少至两个，实现了施工的半自动化。同时在挖掘机增加信息化装置给操作手提供了一个场地标高整平可视化方案，迅速作出判断和反应，从而实现流程的数字化。
附图说明
图1为本发明施工场地整平主要光学几何关系原理示意图。
图2为作业区土方层区与边缘参考端的位置关系示意图。
图3为复杂工况下多种 水平激光路径示意图。
图4为安置有微型压力传感器的下底面铲斗示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
下面结合附图对本发明作以下详细说明。
1、作业准备及参数输入：场地清理，然后明确施工现场周边环境，确定铲斗平整态高度C4、活动臂长度L5和该段作业方向宽度等参数，进一步确定需求工作面标高B102并输入，同时充分考虑范围内软弱土层地质情况、地下水渗透状况。
2、挂尺安置： 首先用引测法将水准仪将平面范围内或竖直范围内的水准点引至边缘参考端14区域内，并在墙柱等结构性构件上做喷涂标记。将智能识别竖直挂尺12展开，悬挂在焊在铁柱等在一段时间内不发生绝对位移的横向非受力构件的钢筋上并与标记的水准高度匹配固定安放。按照土方场地退挖方向进一步布置智能识别挂尺，在一个激光作业视距内拟不少于两个。如图2。
3、激光发射器安装：分别在挖掘机15的第一节活动臂的上下节铰支座处外30mm定出数字激光发射器92/93上位下位的位置，取两点连线的中点标记出数字激光发射器91中位的位置，其中连线即为活动臂位线8。安装三个位置的激光发射器，并测试单线扫描上传(将激光扫描数字标高信息码区13得到的标高数据直接反馈给场地高层计算器16)及双线接收指令反应的功能（受到微型压力传感器和驾驶室的双线调节）。
4、传感器安装：将挖掘机的铲斗31取下，在铲斗底面板32上外圈烧融，分别制成5mm深的矩形端口。如图4.在端口冷却后安装微型压力传感器35（3mm），该压力传感器可在铲斗底面板32接触并全部贴合土层时，且4个感应器的指令动作时间为0.5s,即可传达数字激光发射器91发出激光扫描数据，灵敏度为5ms。同时当4个传感器其中1个无压力荷载或小于其他三个传感器的压力荷载的10%，则指令激光闪烁扫描，提示场地平整度不符合要求。
5、辅助竖直角调零：如图1，重力阻尼竖直角度测量器17通过安置在第一活动臂上节端，利用阻尼重力效应快速确定活动臂的活动臂位线8与辅助垂线6的辅助活动角ɑ。首先，让铲斗放于已平整土方层1，使铲斗底面板32预接触并全部贴合土层，得到预读数X1，计算X=C-(B-A)-L，轻微调整活动臂使显示的读数X1与计算得到的X吻合。
6、铲斗放平读数：对开挖后的土方层进行平整压实，0.5s之内数字激光发射器快速扫描得到激光读数标高X103。在复杂地质和环境下可以选用在竖直方向合适的高程点挂放智能识别竖直挂尺12，同时启用不同激光水平发射路径线112/113对应的数字激光发射器92/93（上位/下位）灵活获取标高读数。如图图3。
7、激光闪烁：当活动臂上的数字激光发射器91发出的扫描激光为闪烁状态,且表征持续，则读数作废。驾驶员进一步进行平整待确定场地处理软弱土或淤泥质土，并在边缘参考端14区采取挖小宽度水沟明排，改善施工过程中土下水的集中渗透情况。
8、数据处理：根据H=X-C-(B-A)-Losɑ/2公式利用场地高层计算器16无差别自动计算，得到H。
9、结果分析判断：当H>0（比如H=80）,则还需往下再挖H.(80mm)
当H<0（比如H=-80）,则还需往上再挖H.(80mm)
如此往复，直至H=0。可继续往土方退挖方向行进，进入待平整土方层2。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，包括:
步骤1、预先在边缘参考端的场地内结构性构件上放置智能识别竖直挂尺，并在挖掘机上安装激光发射器和传感器安装，并进行场地清理以及预处理场地参数设定；
步骤2、在挖掘机作业过程中铲斗的4个微型压力传感器对数字激光发射器进行发出指令，采用安装在挖掘机第一节活动臂上的数字激光发射器对最近距离的智能识别竖直挂尺发出激光发射水平路径线，并对其上的数字标高信息码区进行标高识别分别；
步骤3、根据铲斗平整态高度C、虚拟零标高A、需求工作面标高B、活动臂长度L参数，以及激光读数标高X、活动臂辅助角ɑ数据，计算判断值H=X-C-(B-A)-Losɑ/2，根据判断值H调整挖掘方向和距离，直至H为0。
2.根据权利要求1所述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，步骤1的具体操作方法是：首先进行场地清理，然后明确施工现场周边环境，确定铲斗平整态高度C、活动臂长度L和该段作业方向宽度参数，并确定需求工作面标高B。
3.根据权利要求1所述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，步骤1中，智能识别竖直挂尺的安装方法是：首先用引测法将水准仪将平面范围内或竖直范围内的水准点引至边缘参考端14区域内，并在墙柱等结构性构件上做喷涂标记；将智能识别竖直挂尺12展开，悬挂在焊在铁柱等在一段时间内不发生绝对位移的横向非受力构件的钢筋上并与标记的水准高度匹配固定安放；按照土方场地退挖方向进一步布置智能识别挂尺，在一个激光作业视距内拟不少于两个。
4.根据权利要求1所述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，步骤1中，激光发射器的安装方法是：分别在挖掘机15的第一节活动臂的上下节铰支座处外30mm定出数字激光发射器92/93上位下位的位置，取两点连线的中点标记出数字激光发射器91中位的位置，其中连线即为活动臂位线8；安装三个位置的激光发射器，并测试单线扫描上传(将激光扫描数字标高信息码区13得到的标高数据直接反馈给场地高层计算器16)及双线接收指令反应的功能。
5.根据权利要求1所述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，步骤1中，传感器的安装方法是：将挖掘机的铲斗31取下，在铲斗底面板32上外圈烧融，分别制成5mm深的矩形端口；如图4.在端口冷却后安装微型压力传感器35（3mm），该压力传感器可在铲斗底面板32接触并全部贴合土层时，且4个感应器的指令动作时间为0.5s,即可传达数字激光发射器91发出激光扫描数据，灵敏度为5ms；同时当4个传感器其中1个无压力荷载或小于其他三个传感器的压力荷载的10%，则指令激光闪烁扫描，提示场地平整度不符合要求。
6.根据权利要求1所述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，步骤2具体包括：
步骤2.1、辅助竖直角调零：重力阻尼竖直角度测量器通过安置在第一活动臂上节端，利用阻尼重力效应快速确定活动臂的活动臂位线与辅助垂线的辅助活动角ɑ；首先，让铲斗放于已平整土方层，使铲斗底面板预接触并全部贴合土层，得到预读数X1，计算X=C-(B-A)-L，轻微调整活动臂使显示的读数X1与计算得到的X吻合；
步骤2.2、铲斗放平读数：对开挖后的土方层进行平整压实，0.5s之内数字激光发射器快速扫描得到激光读数标高X；在复杂地质和环境下可以选用在竖直方向合适的高程点挂放智能识别竖直挂尺，同时启用不同激光水平发射路径线对应的上位数字激光发射器和下位数字激光发射器灵活获取标高读数；
步骤2.3、激光闪烁：当活动臂上的数字激光发射器91发出的扫描激光为闪烁状态,且表征持续，则读数作废；驾驶员进一步进行平整待确定场地处理软弱土或淤泥质土，并在边缘参考端14区采取挖小宽度水沟明排，改善施工过程中土下水的集中渗透情况。
7.根据权利要求1所述的一种半自动挖掘机数字化土方场地标高控制施工方法，其特征在于，步骤3中，判断调整的具体方法是：
当H>0（,则还需往下再挖H；
当H<0,则还需往上再挖H；
如此往复，直至H=0；可继续往土方退挖方向行进，进入待平整土方层。
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