CN112066948A - 吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，包括：测量支架，在测量支架上固定设置测量主机，所述的测量主机用于测量自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度；所述的测量主机和手持显示及控制终端以无线方式实现数据交互，并且手持显示及控制终端用于控制测量主机转动和显示吊柱安装位置及固定底板倾斜角度。本发明还公开了一种吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量方法，只需对测量仪进行简单的放置调整，通过手持终端，便可对吊柱位置和吊柱固定底板的倾斜角度等参数实现一键测量。测量人数可降至1～2人，测量数据实时保存，定位准确，测量迅速，测量效率较传统方法大大提高。

Description

吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置和方法

技术领域

本发明属于工程测绘技术领域，具体涉及一种铁路隧道内吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置和方法。

背景技术

铁路隧道内吊柱的安装作业往往是在铺设钢轨之前进行的，依据铁路线路的中心位置和吊柱的限界值来确定吊柱的安装位置。

目前确定铁路隧道内吊柱安装位置的方法是：通过从铁路隧道顶吊线锤的方式或者借助激光接触网检测仪以及全站仪等间接的方法进行确定，存在测量过程复杂、测量效率低、协同测量人员较多等问题。同时，由于铁路隧道的顶部大都是圆弧形状，吊柱固定底板安装在铁路隧道顶壁上时需要与水平面有一定的夹角，以保证吊柱安装后垂直于轨道面。不同位置处的吊柱固定底板与水平面的夹角不同，所以测量出吊柱安装位置的同时、还需要测量出吊柱固定底板与水平面的夹角，现有自动测量装置无法快速准确地测量出吊柱固定底板与水平面的夹角。

随着铁路建设的规模和速度的提高，迫切需要一种能快速确定吊柱安装位置高度和吊柱固定底板倾斜角度的测量仪器。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用高精度激光测距技术、谐波传动精密控制技术、绝对式光栅测角技术和超高精度双轴倾角测量技术等，将吊柱处的铁路隧道截面距离轨道中心的尺寸精确测算出来，同时对吊柱位置自动定位并计算出固定底板倾斜角度，实现了铁路隧道内吊柱安装位置和固定底板倾斜角度的高精度测量。使用时只需对自动测量装置进行简单的放置调整，通过手持终端，便可对吊柱安装位置和吊柱固定底板的倾斜角度等参数实现一键测量。本发明所采用的技术方案如下：

吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，包括：测量支架，在测量支架上固定设置测量主机，所述的测量主机用于测量自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度；所述的测量主机和手持显示及控制终端以无线方式实现数据交互，手持显示及控制终端用于接收测量主机测量出的自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度，并且手持显示及控制终端用于控制测量主机转动和显示吊柱安装位置高度及固定底板倾斜角度。

吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量方法，吊柱安装位置为距离线路中心LA处，LA是铁路线路建设时的设计值，应用前述的自动测量装置，包括以下步骤：

当A1*sinβ＝LA时，即找到了铁路隧道内壁上对应LA的点，并计算处该点的高度HA＝A1*cosβ+A2；其中，A1为铁路隧道内壁与自动测量装置之间的距离，A2为地面与自动测量装置之间的距离，β为自动测量装置的旋转角度；

固定底板倾斜角度为arctan((HC-HB)/2*△L)，其中，HC为吊柱固定底板的固定孔C的高度，HB为吊柱固定底板的固定孔B的高度，△L为吊柱固定底板的固定孔B和固定孔C距离吊柱中心的距离。

本发明的有益效果：

使用时只需对自动测量装置进行简单的放置调整，通过手持显示及控制终端，便可对吊柱安装位置和吊柱固定底板的倾斜角度等参数实现一键测量。测量人数可降至1～2人，测量数据实时保存，定位准确，测量迅速，测量效率较传统方法大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1为本发明实施例的自动测量装置的外观结构示意图；

图2为本发明实施例的测量支架的主视图；

图3为本发明实施例的测量支架的俯视图；

图4为本发明实施例的水平调节机构的剖视图；

图5为本发明实施例的旋转圆盘侧面的立体图；

图6为本发明实施例的测量主机固定底盘的结构示意图；

图7为本发明实施例的测量主机的剖视图；

图8为本发明实施例的测量主机的立体结构示意图；

图9为本发明实施例的测量主机固定支架的立体结构示意图；

图10为本发明实施例的旋转头的结构示意图；

图11为本发明实施例的第一旋转轴的结构示意图；

图12为本发明实施例的第二旋转轴的结构示意图；

图13为本发明实施例的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度的计算原理示意图；

图中，1-测量支架，2-测量主机，3-手持显示及控制终端，4-三脚支撑机构，5-水平调节机构，6-水平气泡，7-旋转圆盘，8-微调旋钮，9-锁紧旋钮，10-旋转头，11-测量主机固定支架，12-第一高精度激光测距仪，13-绝对式高精度光栅编码器，14-谐波减速电机及控制器，15-超高精度双轴倾角传感组件，16-中控板，17-液晶显示组件，18-测量主机固定底盘，19-第一螺纹孔，20-第二螺纹孔，21-第三螺纹孔，22-第一轴承孔，23-第二轴承孔，24-第一腔室，25-第二腔室，26-第三腔室，27-旋转头壳体，28-旋转轴，29-测距仪光轴出口，30-第一旋转轴，31-第二旋转轴，32-第二高精度激光测距仪，33-弹簧装置。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。

如图1所示，为本发明实施例的自动测量装置的外观结构示意图。一种铁路隧道内吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，它包括测量支架1，测量时将测量支架1可靠地放置在地面之上。在测量支架1上固定设置有测量主机2，所述的测量主机2用于测量自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度。所述的测量主机2和手持显示及控制终端3以无线方式实现数据交互，手持显示及控制终端3用于接收测量主机2测量出的自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度，并且手持显示及控制终端3用于控制测量主机2转动和显示吊柱安装位置及固定底板倾斜角度。

如图2所示，为本发明实施例的测量支架的主视图；如图3所示，为本发明实施例的测量支架的俯视图。测量支架1下部与地面接触的部分为三脚支撑机构4，在三脚支撑机构4上面固定设置有水平调节机构5，所述的水平调节机构5采用全站仪的三角式调节螺旋结构，由三个等边三角形布置的调节旋钮和水平调整底座组成，水平调整底座内设置有水平气泡6，通过旋转三个调节旋钮调整测量支架1各个方向的高低，使水平气泡6的位置居中，实现自动测量装置的水平调节功能。测量支架1主体采用铝合金材料，保证强度的同时实现了自动测量装置自身的轻量化。

作为优选的实施例，水平调节机构5的水平调整底座的平面截面形状为等边三角形、三个角设计为弧形，可以在三脚支撑机构4的三个支撑脚的上端部设计外螺纹，在水平调节机构5的水平调整底座的对应位置设置与支撑脚的上端部的外螺纹大小相配合的带内螺纹的孔，通过螺纹副连接将三脚支撑机构4与水平调节机构5固定成一体。这种结构可以节省材料、且稳定性高、易于安装调整。如图4所示，为本发明实施例的水平调节机构的水平调整底座的剖视图。

在水平调节机构5的上面设置有用于连接测量主机的旋转圆盘7，所述的水平调节机构5与旋转圆盘7通过螺栓连接为一体。所述的旋转圆盘7分为上下两部分，旋转圆盘7的下部与水平调节机构5固定，上部可以大幅度转动。在旋转圆盘7的一侧设有锁紧旋钮9，在锁紧旋钮9的两侧相对设置弹簧装置33、微调旋钮8，通过微调旋钮8调整旋转圆盘7上的测量主机2的旋转角度，使测量主机2上的激光点对准地面的标记点，用于确定垂直于轨道的铁路隧道截面并锁定测量主机2。

如图5所示，为本发明实施例的旋转圆盘侧面的立体图。弹簧装置33、微调旋钮8和锁紧旋钮9固定在水平调节机构5上。初始状态时，锁紧旋钮9处于松开状态，旋转圆盘7上部的活动部分可以大幅度转动；当需要微调测量主机2的转动角度时，首先旋转锁紧旋钮9使锁紧旋钮旋9的端部顶住旋转圆盘7的活动部分，使锁紧旋钮9和旋转圆盘7接触连接为一体；锁紧旋钮9与微调旋钮8以及弹簧装置33始终保持接触，通过微调旋钮8的旋转，即可实现旋转圆盘7的小幅度转动、也即实现了测量主机2的小幅度旋转。

如图6所示，为本发明实施例的测量主机固定底盘的结构图。测量主机固定底盘18的形状为与测量主机2底部相配合的长方体结构，在测量主机固定底盘18的中间位置设置有4个第二螺纹孔20，在旋转圆盘7上设置有4个与第二螺纹孔20相对应的第一螺纹孔19，通过螺栓将测量主机固定底盘18与旋转圆盘7进行紧固连接。

所述的水平调节机构5、旋转圆盘7、主机固定底盘18的中心位置均设有位置相适应的开孔，所述的开孔形成的通道供高精度激光测距仪的激光束通过用于测量主机距地面的距离。

测量主机2固定设置在测量主机固定底盘18上，测量支架1、水平调节机构5、旋转圆盘7、测量主机2上下连接组成一个整体。如图7所示，为本发明实施例的测量主机的剖视图；如图8所示，为本发明实施例的测量主机的立体结构示意图。

测量主机2是自动测量装置的核心部分，它包括旋转头10和测量主机固定支架11。如图9所示，为本发明实施例的测量主机固定支架的立体结构示意图。在测量主机固定底盘18的边角位置设置有4个第三螺纹孔21，在测量主机固定支架11的下侧面设置有4个与第三螺纹孔21相对应的螺纹孔，通过螺栓将测量主机固定底盘18和测量主机固定支架11紧固连接成一体。

所述的测量主机固定支架11为中部开设凹槽的长方体结构，在凹槽部位相对的两个侧面对称设置有第一轴承孔22、第二轴承孔23，第一轴承孔22、第二轴承孔23用于安装轴承座。在测量主机固定支架11的两端和下部分别设置有第一腔室24、第二腔室25、第三腔室26。第一腔室24中设置有：绝对式高精度光栅编码器13，第二腔室25中设置有：谐波减速电机及控制器14、中控板16和液晶显示组件17，第三腔室26中设置有：超高精度双轴倾角传感组件15、第二高精度激光测距仪32。所述的中控板(16)由ARM微控制器(可采用STM32F103芯片的微控制器)和蓝牙传输模块组成，用于计算吊柱安装位置高度及固定底板倾斜角度，并且与手持显示及控制终端3实现无线数据传输。

如图10所示，为本发明实施例的旋转头的结构示意图。旋转头10包括：旋转头壳体27、旋转轴28。在第一轴承孔22、第二轴承孔23中设置有轴承座、轴承座中安装有轴承，旋转轴28安装在轴承上，旋转头壳体27固定安装在旋转轴28上。第一高精度激光测距仪12设置在旋转头壳体27中，第一高精度激光测距仪12通过旋转轴28的中心。旋转头10上设有圆筒状的测距仪光轴出口29，测距仪光轴出口29垂直于旋转轴28，第一高精度激光测距仪12通过测距仪光轴出口29发射激光实现测距、测量铁路隧道内壁与旋转轴28之间的距离。所述的旋转头10分别与绝对式高精度光栅编码器13、谐波减速电机及控制器14连接实现旋转控制。

所述的旋转轴28由第一旋转轴30、第二旋转轴31组成。如图11所示，为本发明实施例的第一旋转轴的结构示意图；如图12所示，为本发明实施例的第二旋转轴的结构示意图。第一旋转轴30、第二旋转轴31均与旋转头壳体27通过螺栓连接，且第一旋转轴30和第二旋转轴31的轴线共线。

长度较短的第一旋转轴30与电机轴固定，第二旋转轴31与编码器内孔配合并被编码器自带的锁紧环锁紧；编码器为类似轴承的中空结构，编码器外侧部分与固定支架固定。内孔侧转动时，编码器就可以读出角度的变化量、记录转动的角度。当电机转动时，就会带动第一旋转轴30、旋转头壳体27和第二旋转轴31以及编码器的内孔侧转动。

中控板16、液晶显示组件17固定设置在测量主机固定支架11上，中控板16固定在液晶显示组件17外壳内，液晶显示组件17通过螺钉固定在测量主机固定支架11的前端。中控板16与液晶显示组件17有线连接，同时中控板16上设有蓝牙传输模块，与手持显示及控制终端3之间实现无线数据传输。

激光测距仪和编码器以及倾角传感器的数据先传给中控板，中控板对数据进行分析计算后将测量结果一方面通过蓝牙传输模块传给手持终端，另一方面传送给液晶显示组件，实现多终端显示。

所述的手持显示及控制终端3采用工业用三防手机，实现测量参数的设定、测量指令的发出和测量数据的计算、显示、保存和导出等。倾角传感器将角度信息、测距仪将距离信息等传送给手持显示及控制终端3，手持显示及控制终端3经过计算，将计算结果通过中控板16上的蓝牙传输模块传输到液晶显示组件17上进行显示。液晶显示组件17用以显示自动测量装置在轨道方向和垂直轨道方向的倾斜角度以及辅助显示测量数据等。

测距仪光轴是指测距仪发出的激光束的中心线；旋转头绕着旋转轴轴线转动，逆时针和顺时针都可以。旋转头转动时两测距仪光轴保持共面，且在旋转头上的测距仪光轴竖直向上时形成同轴状态。

作为优选的实施方式，本发明实施例中，绝对式高精度光栅编码器13采用西克AFS60A-THAK262144编码器；第一高精度激光测距仪12、第二高精度激光测距仪32采用莱卡S910测距仪；零回差谐波减速电机及控制器14采用东方马达PK523电机；超高精度双轴倾角传感器组件15采用北微传感BWD-VG400超高精度动态倾角传感器，用以保证测量主机的精密调平，并对测量数据进行补偿和修正，从而保证测量数据的准确。

动态倾角传感器将测量数据传送给中控板，中控板将测量结果显示在液晶屏上，倾角测量结果包括X和Y两个垂直方向的倾角值。无论粗调平还是精细调平都是采用通用的调平方法。大体过程如下，首先在当前位置通过调节旋钮将X方向和Y方向的倾角值调节到0值附近，然后将测量主机旋转180°，观察X方向和Y方向的倾角值是否接近0值。如果相差较大，则再次通过调节旋钮调节X方向和Y方向的倾角值。反复上述过程，直至主机旋转前后X方向和Y方向的倾角值都接近0或者在允许范围内。然后验证旋转90°和270°时，测得的Y方向和X方向的值是否也接近0值。

第一高精度激光测距仪12测量铁路隧道内壁与自动测量装置之间的距离A1，第二高精度激光测距仪32测量地面与自动测量装置之间的距离A2；绝对式高精度光栅编码器13用以精确获取测量主机2的转动角度β；零回差谐波减速电机和控制器14用来带动旋转头10转动，用来实现吊柱安装位置的精确定位。

如图13所示，为本发明实施例的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度的计算原理示意图。吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量方法，吊柱安装位置为距离线路中心LA处。LA的数值是铁路线路建设时的设计值，每个吊柱的LA值不完全一样，提前将数据录入到手持终端，使用时根据吊柱的号码直接调用。测量过程中，A1和自动测量装置旋转角度β实时更新，当A1*sinβ＝LA时，即找到了铁路隧道内壁上对应LA的点，并计算处该点的高度HA＝A1*cosβ+A2，从而实现吊柱安装位置的定位。吊柱固定底板的固定孔B和C距离吊柱中心的位置△L为已知量，通过上述公式可计算出固定孔B和C的高度差HC-HB，结合两孔的水平距离差为2*△L，可以得到固定底板倾斜角度为arctan((HC-HB)/2*△L)。

实际使用时，地面上有标记好的点，将自动测量装置放置于标记点上方，打开测量装置后用底部的测距仪光点对准标记点，然后调整装置的水平，调完水平后确认底部测距仪光点是否与标记点重合，重合后即可旋转测量主机，通过手动转动旋转圆盘和电机控制主机头旋转使其对准地面的另一个标记点(该标记点的作用是找垂直隧道的截面)，然后锁住旋转圆盘，即可开始测量。计算公式中的β是旋转轴的转动角度，通过编码器获取！

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，包括：测量支架(1)，在测量支架(1)上固定设置测量主机(2)，所述的测量主机(2)用于测量自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度；所述的测量主机(2)和手持显示及控制终端(3)以无线方式实现数据交互，手持显示及控制终端(3)用于接收测量主机(2)测量出的自动测量装置距隧道内壁的距离、自动测量装置距地面的距离和自动测量装置的旋转角度，并且手持显示及控制终端(3)用于控制测量主机(2)转动和显示吊柱安装位置高度及固定底板倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的测量主机(2)包括：旋转头(10)、中控板(16)，所述的旋转头(10)中设置有第一高精度激光测距仪(12)，所述的旋转头(10)与绝对式高精度光栅编码器(13)、谐波减速电机及控制器(14)连接，第二高精度激光测距仪(32)设置在测量主机(2)的下部，中控板(16)与第一高精度激光测距仪(12)、第二高精度激光测距仪(32)、绝对式高精度光栅编码器(13)连接；

所述的中控板(16)由ARM微控制器和蓝牙传输模块组成。

3.根据权利要求2所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的测量主机(2)安装在测量主机固定支架(11)上，所述的测量主机固定支架(11)为中部开设凹槽的长方体结构，在凹槽部位相对的两个侧面对称设置有第一轴承孔(22)、第二轴承孔(23)，在测量主机固定支架(11)的两端和下部分别设置有第一腔室(24)、第二腔室(25)、第三腔室(26)；第一腔室(24)中设置有：绝对式高精度光栅编码器(13)，第二腔室(25)中设置有：谐波减速电机及控制器(14)、中控板(16)和液晶显示组件(17)，第三腔室(26)中设置有：超高精度双轴倾角传感组件(15)、第二高精度激光测距仪(32)。

4.根据权利要求3所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的旋转头(10)包括：旋转头壳体(27)、旋转轴(28)，在第一轴承孔(22)、第二轴承孔(23)中设置有轴承座、轴承座中安装有轴承，旋转轴(28)安装在轴承上，旋转头壳体(27)固定安装在旋转轴(28)上，第一高精度激光测距仪(12)设置在旋转头壳体(27)中，第一高精度激光测距仪(12)通过旋转轴(28)的中心；旋转头(10)上设有圆筒状的测距仪光轴出口(29)，测距仪光轴出口(29)垂直于旋转轴(28)。

5.根据权利要求4所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的旋转轴(28)由第一旋转轴(30)、第二旋转轴(31)组成，第一旋转轴(30)、第二旋转轴(31)均与旋转头壳体(27)通过螺栓连接，且第一旋转轴(30)和第二旋转轴(31)的轴线共线。

6.根据权利要求1所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的测量支架(1)包括：三脚支撑机构(4)，在三脚支撑机构(4)上面固定设置水平调节机构(5)，在水平调节机构(5)上面固定设置旋转圆盘(7)，在旋转圆盘(7)上面固定设置测量主机固定底盘(18)。

7.根据权利要求6所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的水平调节机构(5)采用全站仪的三角式调节螺旋结构，在旋转圆盘(7)的一侧设有锁紧旋钮(9)，在锁紧旋钮(9)的两侧相对设置弹簧装置(33)、微调旋钮(8)，弹簧装置(33)、微调旋钮(8)和锁紧旋钮(9)固定在水平调节机构(5)上。

8.根据权利要求7所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的水平调节机构(5)、旋转圆盘(7)、主机固定底盘(18)的中心位置均设有位置相适应的开孔。

9.根据权利要求1－8任一项所述的吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量装置，其特征在于，所述的手持显示及控制终端(3)采用工业用三防手机。

10.吊柱安装位置及固定底板倾斜角度自动测量方法，吊柱安装位置为距离线路中心LA处，LA是铁路线路建设时的设计值，其特征在于，应用如权利要求9所述的自动测量装置，包括以下步骤：

当A1*sinβ＝LA时，即找到了铁路隧道内壁上对应LA的点，并计算处该点的高度HA＝A1*cosβ+A2；其中，A1为铁路隧道内壁与自动测量装置之间的距离，A2为地面与自动测量装置之间的距离，β为自动测量装置的旋转角度；

固定底板倾斜角度为arctan((HC-HB)/2*△L)，其中，HC为吊柱固定底板的固定孔C的高度，HB为吊柱固定底板的固定孔B的高度，△L为吊柱固定底板的固定孔B和固定孔C距离吊柱中心的距离。

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