ES2833380T3 - Dispositivo y procedimiento de recogida y de colocación automatizada de una dovela para formar un revestimiento de un túnel - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la recogida y la colocación automatizada de una dovela que forma el revestimiento de un túnel, destinado a ser acoplado a una tuneladora (1) provista de un erector de dovelas (2), comprendiendo dicho erector unos accionadores (101) equipados con sensores de posición (102), caracterizado por que comprende: - un controlador (201) configurado para comunicarse con un autómata (103) de la tuneladora adaptado para mandar el accionamiento del erector, y para recibir unos datos de medición de los sensores del erector, - un sistema de visión tridimensional (202) que comprende por lo menos cuatro perfilómetros láser (21), destinado a ser fijado sobre el erector de manera que (i) determine una separación en posición y en inclinación entre el erector y una dovela que se debe tomar, y (ii) adquiera el conjunto de los datos de análisis de las separaciones de la posición y de la inclinación de una dovela (V) que se debe colocar mantenida por el erector con respecto a por lo menos una dovela y/o un anillo de dovelas ya colocado, estando dicho sistema de visión tridimensional acoplado al controlador para transmitirle dichos datos de medición, estando el controlador (201) configurado para recibir un plano de colocación de dovelas y para, gracias a un planificador informático adaptado para procesar dichos datos de análisis del sistema de visión tridimensional (202), los datos de medición de los sensores (102) del erector y dicho plano de colocación, determinar una trayectoria del erector para colocar dicha dovela (V) que se debe colocar frente a dicha dovela y/o anillo (A) de dovelas ya colocado, y comunicar unas órdenes de movimiento al autómata (103) de la tuneladora para accionar el erector (2) para tomar la dovela (V) que se debe colocar y desplazarla según dicha trayectoria.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo y procedimiento de recogida y de colocación automatizada de una dovela para formar un revestimiento de un túnel
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo para la recogida y la colocación automatizada de una dovela destinada a ser acoplada a una tuneladora provista de un erector de dovelas, así como a un procedimiento de recogida y colocación automatizada de dovelas que utiliza dicho dispositivo.
Antecedentes de la invención
El revestimiento de un túnel está constituido generalmente por dovelas prefabricadas dispuestas en forma de una pluralidad de anillos sucesivos.
A medida que avanza la tuneladora, se construye un nuevo anillo ensamblando sucesivamente una pluralidad de dovelas contra un anillo colocado anteriormente.
La cara delantera de cada nuevo anillo (es decir, la cara orientada hacia el cabezal de corte de la tuneladora) sirve de superficie de apoyo para unos cilindros de empuje situados en la parte trasera del escudo de la tuneladora (es decir, en el lado opuesto al cabezal de corte) y destinados a ejercer el empuje necesario para la excavación del terreno excavado.
La colocación de las dovelas es realizada por un erector, es decir, una máquina que permite la prensión de una dovela a partir de un almacén dispuesto en la parte trasera del escudo de la tuneladora, y después su desplazamiento hacia su sitio previsto para formar el anillo. El erector es un componente del escudo de la tuneladora, situado en la parte trasera de ésta.
En la actualidad, el erector es mandado generalmente por un operario situado cerca del mismo, en la zona en la que se colocan las dovelas.
Sin embargo, este pilotaje por un operario adolece de varios inconvenientes.
Por un lado, la presencia de uno o varios operarios en la zona de colocación de las dovelas presenta un riesgo para la seguridad de éstos.
Por otro lado, el tiempo de colocación de cada dovela es largo, en particular debido a que uno o varios operarios controlan la posición de una dovela colocada con respecto a las dovelas ya colocadas, y a que los eventuales ajustes de posición se efectúan de manera empírica por dicho(s) operario(s). Esta labor es además particularmente dura ya que impone múltiples desplazamientos para el operario.
Por lo tanto, sería deseable poder automatizar la colocación de las dovelas con vistas, por un lado, a evitar la presencia de operarios en la zona de colocación y, por otro lado, a mejorar la calidad y el tiempo de colocación de las dovelas.
Al ser el erector una máquina hidráulica de gran capacidad y de gran alcance, con unas flechas importantes en funcionamiento, su posicionamiento es poco preciso y repetible. Estos defectos se acentúan por el desgaste importante y el aumento significativo de los juegos de funcionamiento sobre la duración de explotación de la tuneladora.
El documento FR 2745327 describe un dispositivo que permite asistir a un operario cuando tiene lugar la colocación de dovelas en un túnel. Este dispositivo utiliza un sensor de medición diseñado para medir la posición de un punto de referencia sobre una cara lateral de una dovela colocada previamente y de un punto de referencia sobre una cara lateral de la dovela que se debe colocar, debiendo estos dos puntos de referencia ser colocados uno frente al otro. Este dispositivo comprende además un ordenador configurado para determinar, a partir del análisis de las separaciones de estos dos puntos de referencia, la trayectoria del erector para trasladar la dovela que se debe colocar hasta la posición deseada con respecto a la dovela ya colocada.
En un primer momento, el operario manda el erector para trasladarlo aproximadamente a una posición próxima a la de la dovela ya colocada. El sensor de medición está colocado de tal manera que la dovela que se debe colocar y la dovela ya colocada estén en su campo de visión. Se realiza entonces el análisis de las separaciones de los puntos de referencia y se transmite al ordenador.
El ordenador calcula entonces el desplazamiento del erector necesario para trasladar a su posición final la dovela que se debe colocar. En esta fase, el erector es pilotado automáticamente según el desplazamiento definido por el
ordenador, sin intervención del operario.
Sin embargo, este dispositivo no permite automatizar totalmente la colocación de la dovela, efectuándose la instalación aproximada por un operario. Además, este dispositivo no permite controlar la calidad de colocación de la dovela (debiendo ésta ser considerada según diferentes grados de libertad). Además, el sensor de medición es propio del erector, de manera que pueda seguirlo.
El documento CN104747213 describe un dispositivo para la colocación automatizada de dovelas. Este dispositivo comprende dos cámaras tridimensionales destinadas a adquirir unas imágenes de una cara de la dovela que se debe colocar y de la cara de una dovela ya colocada destinadas a ser colocadas en contacto una con la otra cuando tiene lugar la colocación de la dovela. Este dispositivo comprende además un ordenador que permite analizar dichas imágenes para determinar un desplazamiento entre dichas dovelas.
En un primer momento, la dovela que se debe colocar es trasladada a una posición aproximada con respecto a una dovela ya colocada.
En un segundo momento, las cámaras adquieren unas imágenes de las caras de los segmentos destinados a ser colocados uno frente al otro.
Estas imágenes son transmitidas al ordenador, que las procesa para deducir de ellas un desplazamiento entre las dos dovelas definido, por un lado, por la distancia entre las caras con respecto a las dos dovelas y la distancia entre las caras delanteras de las dos dovelas. Si este desplazamiento es inferior a un umbral determinado, se considera que la dovela está correctamente posicionada y se completa el procedimiento de colocación de dicha dovela. Si este desplazamiento excede dicho umbral, el ordenador determina los movimientos del erector necesarios para mejorar la precisión de posicionamiento de la dovela, y el erector es mandado automáticamente para efectuar dichos movimientos. Este procedimiento se puede repetir eventualmente hasta que el desplazamiento entre las dos dovelas sea inferior a un umbral determinado.
Sin embargo, el tiempo de procesamiento dichas imágenes es relativamente largo, lo cual penaliza el tiempo de colocación de cada dovela. Además, este dispositivo no tiene en cuenta un eventual desplazamiento angular de la dovela que se debe colocar con respecto a la dovela ya colocada.
El documento JPH08-296400 describe un erector que permite la colocación automatizada de dovelas que comprende un sensor de visión constituido por dos cámaras, de las cuales una presenta un campo de visión más grande que el de la otra.
En un primer momento, la dovela que se debe colocar es trasladada a una posición aproximada con respecto a una dovela ya colocada.
Un proyector láser proyecta una línea luminosa sobre las caras destinadas a estar en contacto con la dovela ya colocada y con la dovela que se debe colocar. Las cámaras adquieren unas imágenes de dicha línea luminosa. Estas imágenes son transmitidas al ordenador, que las procesa para deducir de ellas un desplazamiento entre las dos dovelas, siendo este desplazamiento definido en posición (distancias en tres direcciones) y en inclinación (ángulos según tres direcciones). El ordenador determina los movimientos del erector necesarios para alinear las dos dovelas, y el erector es mandado automáticamente para efectuar dichos movimientos.
Sin embargo, el erector descrito en este documento ha sido diseñado específicamente y la automatización que proporciona no es, por lo tanto, adaptable a un erector existente de una tuneladora del mercado.
Finalmente, ninguno de los documentos mencionados anteriormente menciona la instalación de la primera dovela ni la de la llave (última dovela que permite cerrar el anillo en el caso de un anillo universal), que presenta una complejidad de instalación más importante.
Breve descripción de la invención
Un objetivo de la invención es diseñar un dispositivo para la colocación automatizada de una dovela que permita aumentar la seguridad de los operarios y la productividad, minimizando la intervención de un operario, minimizando el tiempo de colocación de cada dovela y mejorando la precisión de colocación. Este dispositivo debe permitir la colocación de un anillo completo, incluyendo la primera y la última dovela que constituyen el anillo, ya se trate de un anillo universal o no. Por otro lado, dicho dispositivo debe ser compatible con un erector de una tuneladora del mercado. Finalmente, dicho dispositivo debe ocupar poco espacio y ser fácil de instalar.
De acuerdo con la invención, se propone un dispositivo para la recogida y la colocación automatizada de una dovela que forma el revestimiento de un túnel, destinado a ser acoplado a una tuneladora provista de un erector de dovelas, comprendiendo dicho erector unos accionadores equipados con sensores de posición, caracterizado por que comprende:
- un controlador configurado para comunicarse con un autómata de la tuneladora adaptado para ordenar el accionamiento del erector, y para recibir unos datos de medición de los sensores del erector,
- un sistema de visión tridimensional que comprende por lo menos cuatro perfilómetros láser, destinado a ser fijado sobre el erector que manera que (i) se determine una separación en posición y en inclinación entre el erector y una dovela que debe ser tomada, y (ii) se adquiera el conjunto de los datos de análisis de las separaciones de la posición y de la inclinación de una dovela que se debe colocar mantenida por el erector con respecto a por lo menos una dovela y/o un anillo de dovelas ya colocado, estando dicho sistema de visión tridimensional acoplado al controlador para transmitirle dichos datos de medición,
estando el controlador configurado para recibir un plano de colocación de dovelas y para, gracias a un planificador informático adaptado para procesar dichos datos de análisis del sistema de visión tridimensional, los datos de medición de los sensores del erector y dicho plano de colocación, determinar una trayectoria del erector para colocar dicha dovela que se debe colocar frente a dicha dovela y/o anillo de dovelas ya colocado, y comunicar las órdenes de movimiento al autómata de la tuneladora para accionar el erector para tomar la dovela que se debe colocar y desplazarla según dicha trayectoria.
De manera ventajosa, el dispositivo comprende además una interfaz hombre-máquina acoplada al controlador. Según un modo de realización, el controlador está configurado para enviar al autómata de la tuneladora unas órdenes de movimiento de por lo menos un cilindro de empuje de la tuneladora, para liberar una zona de colocación de la dovela que se debe colocar y para asegurar dicha dovela una vez colocada en su sitio.
Según una forma de realización ventajosa, el controlador está configurado para reconocer, a partir de los datos de medición, una dovela que se debe colocar.
Otro objeto de la invención es una tuneladora que incorpora un erector de dovelas y un dispositivo tal como se ha descrito anteriormente.
Otro objeto se refiere a un procedimiento de recogida y de colocación automatizada de una dovela para formar el revestimiento de un túnel, por una tuneladora provista de un erector de dovelas y de un autómata adaptado para mandar el accionamiento del erector, caracterizado por que comprende:
- el suministro de un dispositivo tal como se ha descrito anteriormente,
- la instalación de un sistema de visión tridimensional en el erector,
- el establecimiento de una comunicación entre el controlador de dicho dispositivo y el autómata de la tuneladora,
- la recepción, por parte del controlador, de un plano de colocación de dovelas y de datos de medición de los sensores del erector,
- la comunicación, por el controlador al autómata de la tuneladora, de una orden de prensión de la dovela que debe ser colocada por el erector,
- la prensión de una dovela que debe ser colocada por el erector,
- el traslado de dicha dovela en una zona de colocación definida por el controlador,
- la adquisición, por el sistema de visión tridimensional, de datos de análisis de las separaciones de la posición y de la inclinación de la dovela que se debe colocar con respecto a por lo menos una dovela y/o un anillo de dovelas ya colocadas,
- el procesamiento de dichos datos de medición por el controlador para, a partir de dichos datos de medición del sistema de visión tridimensional, de los datos de medición de los sensores del erector y de dicho plano de colocación, determinar una trayectoria del erector para colocar dicha dovela que se debe colocar frente a dicha dovela y/o anillo de dovelas ya colocada,
- la comunicación, por el controlador, de órdenes de movimiento del erector al autómata de la tuneladora, - el accionamiento del erector por el autómata según dichas órdenes de movimientos, para instalar la dovela, - la comunicación al autómata, por el controlador, de órdenes de movimiento de por lo menos un cilindro de empuje de la tuneladora,
- el aseguramiento de dicha dovela por dicho cilindro de empuje contra un anillo ya colocado.
Según un modo de realización, dicho procedimiento comprende además, antes de la prensión de la dovela que se debe colocar, el reconocimiento de dicha dovela por el controlador a partir de los datos proporcionados por el sistema de visión tridimensional.
Según un modo de realización, tras asegurar la dovela, el controlador envía al autómata de la tuneladora una orden de relajación de la prensión de la dovela.
De manera particularmente ventajosa, dicho procedimiento permite la colocación automatizada de un anillo completo de dovelas, siendo dicho procedimiento realizado para todas las dovelas que constituyen dicho anillo. Según un modo de realización, el procedimiento comprende además, tras la colocación de un anillo completo de dovelas, la medición, por el sistema de visión tridimensional, de por lo menos una característica geométrica de dicho anillo, que comprende el ángulo de balanceo, la planitud de la cara delantera, el centrado del anillo en el faldón de la tuneladora y/o la ovalización del anillo.
Según una forma de realización preferida, en función de dicha medición de dicha característica geométrica del anillo, el controlador ajusta el plano de colocación de las dovelas del anillo siguiente.
Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de la descripción detallada siguiente, en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista de conjunto de la parte trasera de un escudo de tuneladora,
- la figura 2 ilustra un erector que lleva una dovela frente a un anillo de dovelas ya colocado,
- la figura 3 es una sinóptica del funcionamiento del dispositivo de colocación automatizada según la invención y de su interfaz con una tuneladora,
- la figura 4 es un esquema del principio del sistema de visión tridimensional.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 es una vista de conjunto en sección parcial de la parte trasera de un escudo de tuneladora para la cual la invención es susceptible de ser utilizada, precisándose que la invención no está limitada en términos de tipo de tuneladora (tuneladora de presión de tierra, de presión de lodo, etc.).
De manera conocida en sí misma, la tuneladora 1 comprende, en su parte delantera, un cabezal de corte 10 rotativo y provisto de herramientas de corte, destinado a la excavación del terreno.
El cabezal de corte 10 está fijado en la parte delantera de un escudo 11 que asegura la protección y la estanqueidad del trabajo de excavación.
En la parte trasera del cabezal de corte 10 se encuentra una cámara de excavación 12 a la que se transfieren los escombros que proceden del frente de corte.
Los escombros pueden ser extraídos de la cámara de excavación mediante un tornillo de extracción 13, en cuya salida se depositan sobre una cinta transportadora con el fin de ser evacuados. Según el tipo de tuneladora, los medios de extracción pueden variar y no están limitados al tornillo representado.
En su parte trasera, el escudo 11 presenta un faldón 14 bajo el cual se colocan las dovelas V que forman el revestimiento del túnel.
La tuneladora 1 está provista de cilindros de empuje 15 que se apoyan sobre la cara delantera F del último anillo A de dovelas colocado, estando dichos cilindros 15 destinados a ejercer sobre el cabezal de corte 10 una fuerza de empuje hacia adelante durante la fase de excavación.
Para instalar las dovelas V, se dispone en el escudo un erector de dovelas 2, protegido del faldón 14.
El erector 2 es alimentado con dovelas desde el exterior de la tuneladora por un sistema de transporte (no representado).
Como se puede ver mejor en la figura 2, el erector de dovela 2 comprende un dispositivo de prensión 20 que presenta una forma sustancialmente complementaria del interior de las dovelas V. De manera preferida, la prensión se efectúa por depresión (efecto de ventosa generado por aspiración), de manera que no es necesaria ninguna herramienta ni ninguna manipulación particular para el mantenimiento de las dovelas sobre el erector. De manera alternativa (no representada), el erector puede estar provisto de elementos de prensión aptos para pasar a través de orificios realizados en las dovelas.
El erector está provisto de un cierto número de accionadores (en particular, unos cilindros y unos motores) que proporcionan por lo menos seis grados de libertad en rotación y en translación al dispositivo de prensión y que permiten un gran número de movimientos. Más precisamente, el erector comprende un rotor y unos cilindros dispuestos entre el rotor y el dispositivo de prensión.
El erector puede funcionar a una velocidad relativamente elevada, en una fase de aproximación (posicionamiento aproximado) de la dovela frente a la zona de colocación prevista, y a una velocidad relativamente lenta en una fase de posicionamiento preciso.
Para la realización de la invención, los accionadores del erector están instrumentados con cualquier tipo de sensor (por ejemplo, unos sensores de elongación de los cilindros, unos codificadores en rotación de los motores, etc.) de manera que sea posible conocer en cualquier momento la posición del dispositivo de prensión con respecto a una posición de referencia, según cada grado de libertad. Como se ha indicado anteriormente, las informaciones de posición proporcionadas por estos sensores son solamente teóricas en la medida en que no tienen en cuenta las flechas, juegos de funcionamiento, etc. de los diferentes componentes del erector, que pueden ser importantes. Por lo tanto, no es posible basarse únicamente en estas informaciones para posicionar con precisión una dovela. La invención supera este inconveniente equipando el erector con un sistema de visión tridimensional que ayuda a la prensión y después a la instalación precisa de las dovelas.
Un autómata de la tuneladora permite mandar el accionamiento del erector pilotando los diferentes accionadores para mover el dispositivo de prensión según una trayectoria determinada. En una tuneladora convencional, esta trayectoria está definida por un operario. Gracias a la invención, dicha trayectoria está determinada por un controlador y un planificador que se describirán con mayor detalle más adelante. Sin embargo, sigue estando disponible, en caso de necesidad, un modo de funcionamiento en el que un operario manda el autómata.
Se debe observa que, salvo el hecho de que los accionadores del erector estén equipados previamente, la instalación del sistema de visión tridimensional sobre el erector y una adaptación del autómata para aceptar una interfaz con el controlador mencionado anteriormente, la invención no necesita modificar el erector ni otros elementos de la tuneladora. En otras palabras, la invención se aplica a cualquier tuneladora y a cualquier erector de dovelas existente.
El sistema de visión tridimensional comprende por lo menos cuatro perfilómetros láser. Cada perfilómetro comprende un láser apto para proyectar una línea láser hacia un objeto (en este caso, una dovela que se debe colocar y por lo menos una parte de la zona de colocación, en particular una dovela ya colocada y/o un anillo de dovelas ya colocado) y un dispositivo de adquisición del perfil del objeto. Las líneas de los diferentes perfilómetros se proyectan de manera que determinen unas secciones de la dovela y de su entorno distantes las unas de las otras con el fin de deducir de ello la posición de la dovela en el espacio.
Más precisamente, los cuatro perfilómetros se utilizan simultáneamente cuando tiene lugar la prensión de una nueva dovela que se debe colocar, así como para la colocación de la última dovela de un anillo. Los dos perfilómetros orientados hacia el anillo A ya colocado permiten determinar una separación en posición y en orientación de la dovela que se debe colocar con respecto al anillo precedente. Uno de los dos perfilómetros orientados hacia el anillo en curso de colocación permite el ajuste fino en posición y en orientación de la dovela que se debe colocar para formar el anillo.
Con este fin, tal como se ilustra en la figura 4, dos perfilómetros (cuya línea láser 210 está esquematizada) están orientados hacia el anillo A constituido por dovelas V, que está ya colocado, y otros dos perfilómetros (cuya línea láser 210 también está esquematizada) están orientados sustancialmente de manera perpendicular a los dos primeros.
Los perfilómetros se seleccionan con un intervalo de funcionamiento adaptado al desplazamiento posible relativo de la dovela con respecto a su entorno durante la fase de aproximación. Por otro lado, la resolución de los perfilómetros se selecciona en función de la precisión deseada para las informaciones recogidas - se selecciona típicamente una resolución inferior a 1 mm. Finalmente, los perfilómetros se seleccionan con una frecuencia de adquisición muy elevada con el fin de permitir un tiempo de procesamiento lo más reducido posible.
Cada perfilómetro proporciona una información local, pero el conjunto de los perfilómetros proporciona una información global gracias a una capa de inteligencia de programa informático; y aprovechada por el controlador, que permite interpretar las mediciones combinadas de los perfilómetros.
Según un modo de realización, los perfilómetros son solidarios con el rotor.
La figura 2 ilustra, a título de ejemplo, dos perfilómetros 21 (solo uno es visible) dispuestos sobre el erector 2 a distancia del dispositivo de prensión 20. Las líneas láser emitidas por cada uno de los perfilómetros están esquematizadas según la referencia 210. Se ha representado una referencia ortonormal X, Y, Z. De manera convencional, el eje X es el eje longitudinal del túnel, el eje Y se extiende en el sentido de la anchura del túnel y el eje Z se extiende en el sentido de la altura del túnel. El ángulo de balanceo se define alrededor del eje X, el ángulo de cabeceo longitudinal se define alrededor del eje Y, y el ángulo de guiñada se define alrededor del eje Z.
Con respecto a unas cámaras de visión tridimensional, los perfilómetros láser presentan la ventaja de necesitar un tratamiento más corto para permitir determinar la posición y la inclinación de un objeto.
El dispositivo comprende además un procesador configurado para recibir los datos de medición del sistema de visión tridimensional (típicamente, un perfil de la dovela y de su entorno en un plano X, Z) y para procesar estos datos de manera que se determine una separación en posición y en inclinación de la dovela que se debe colocar con respecto a por lo menos una dovela y/o un anillo de dovelas ya colocadas.
El dispositivo comprende asimismo un controlador configurado para comunicarse con dicho procesador y para recibir un plano de colocación de las dovelas. Dicho plano de colocación comprende unas informaciones relativas al tipo de dovela que se debe colocar, a un sitio previsto para cada dovela y a una secuencia de colocación de dichas dovelas.
De manera ventajosa, el dispositivo comprende asimismo un planificador informático adaptado para comunicarse con el controlador (pudiendo el planificador, eventualmente, estar integrado en el controlador) y configurado para, a partir de los datos de medición de los sensores del erector y, llegado el caso, de los datos de análisis del sistema de visión tridimensional, determinar una trayectoria del erector hacia una posición final definida por el plano de colocación de las dovelas.
La prensión y la colocación de una dovela comprenden cuatro fases sucesivas que utilizan o no el sistema de visión tridimensional:
- en una primera fase (prensión de una nueva dovela que se debe colocar), el sistema de visión tridimensional se activa para determinar una separación en posición y en orientación del erector con respecto a una dovela que se debe tomar;
- en una segunda fase, denominada ciega (es decir, que no hace intervenir al sistema de visión tridimensional), el planificador define la trayectoria del erector hacia una posición intermedia determinada a partir del plano de colocación, cerca del anillo ya colocado;
- en una tercera fase, que utiliza el sistema de visión tridimensional, se instala la dovela en el sitio determinado por el plano de colocación;
- en una cuarta fase, ciega, el planificador define una trayectoria de retorno del erector hacia una nueva dovela que se debe tomar.
En general, el plano de colocación es transmitido al autómata de la tuneladora y validado por un operario mediante una interfaz hombre-máquina. De manera alternativa, el plano de colocación se puede transmitir al controlador por medio de una interfaz hombre-máquina del dispositivo según la invención. Dicha interfaz hombre-máquina se describirá con mayor detalle a continuación.
El controlador está configurado además para recibir las informaciones de posición proporcionadas por los diferentes sensores de posición del erector, o bien directamente, o bien por medio del autómata de la tuneladora.
A partir del plano de colocación, de los datos de análisis de las separaciones de posición y de inclinación y de las informaciones de posición del erector, el controlador realiza un algoritmo de cálculo (generador de movimientos o planificador) que permite determinar un conjunto de desplazamientos del dispositivo de prensión del erector en el espacio que permite trasladar la dovela que se debe colocar al sitio requerido con una precisión de posición y de orientación óptima, y transmite al autómata de la tuneladora unas ordenes de movimiento del erector.
Eventualmente, la colocación de la dovela se puede efectuar de manera iterativa, por ejemplo ajustando sucesivamente la posición de la dovela según los diferentes grados de libertad. Con cada paso de la iteración, el sistema de visión tridimensional permite determinar una nueva posición y una nueva inclinación de la dovela que se debe colocar con respecto a su entorno, y el controlador determina un nuevo conjunto de desplazamientos para ajustar su posicionamiento.
A título indicativo, la precisión obtenida con la invención es del orden de 1 mm, mientras que un pilotaje del erector mediante un mando a distancia accionado por un operario proporciona una precisión como mucho del orden de 2 a 3 mm. Sin embargo, las ventajas aportadas por la invención no se limitan a un aumento de la precisión como tal, sino que permiten optimizar el compromiso de rapidez - precisión de colocación y aumentar la repetibilidad y la fiabilidad de la colocación con respecto a un pilotaje del erector por un operario.
La interfaz hombre-máquina está diseñada para permitir que un operario, de manera general, vigile y controle el funcionamiento del dispositivo de colocación automatizada. Así, la interfaz hombre-máquina permite iniciar una secuencia de colocación de dovelas, definir los modos de funcionamiento del dispositivo (por ejemplo: totalmente automático, semiautomático, etc.), recoger informaciones de funcionamiento, reparar el dispositivo en caso de alarma.
La interfaz hombre-máquina está configurada asimismo para, si fuese necesario (por ejemplo, en caso de un incidente), desactivar el dispositivo de colocación automatizada y permitir que un operario pilote directamente el erector por medio de un mando a distancia utilizado convencionalmente en las tuneladoras existentes. Con este fin, la interfaz hombre-máquina comprende un botón de parada de urgencia.
La figura 3 es una sinóptica de funcionamiento del dispositivo y de su interfaz con la tuneladora.
La tuneladora está esquematizada por el bloque 100.
El bloque 101 representa los accionadores del erector de dovelas.
El bloque 102 representa los sensores de posición del erector.
La tuneladora comprende en particular un autómata 103 que permite accionar el erector. Con este fin, el autómata 103 recibe unos datos de medición de los sensores de posición del erector 102. El autómata 103 manda los accionadores 101 del erector con vistas a alcanzar una posición dada del dispositivo de prensión.
El dispositivo según la invención está esquematizado por el bloque 200.
El bloque 201 representa el controlador, el bloque 202 representa el sistema de visión tridimensional y el bloque 203 representa la interfaz hombre-máquina.
Por otro lado, el controlador 201 puede transmitir a la interfaz hombre-máquina 203 un informe de colocación con vistas a su edición y/o su memorización.
El controlador 201 recibe unos datos de medición del sistema de visión tridimensional 202 que está fijado sobre erector. Por medio del autómata 103 de la tuneladora, el controlador 201 recibe además los datos de medición de los sensores 102 del erector y deduce de ellos una posición teórica del erector. De manera alternativa, para evitar la latencia debida a la consulta del autómata, el controlador puede comunicarse directamente con los sensores 102.
A partir del plano de colocación, de los datos de medición de los sensores del erector y de los datos de análisis de las diferencias del sistema de visión tridimensional, el controlador 201 determina una trayectoria del erector para instalar una dovela que se debe colocar frente a una dovela y/o un anillo de dovelas ya colocado, y comunica unas ordenes de movimiento al autómata 103 de la tuneladora para accionar el erector con el fin de tomar la dovela que se debe colocar y desplazarla según dicha trayectoria.
De manera particularmente ventajosa, el dispositivo comprende además un dispositivo de seguridad (no representado), por ejemplo, una barrera inmaterial que permite desactivar el dispositivo si un operario irrumpe en la zona de trabajo del erector.
El funcionamiento del dispositivo es el siguiente.
Se transmite al controlador un plano de colocación.
De manera conocida en sí misma, se coloca cerca del erector una dovela que se debe colocar.
De manera particularmente ventajosa, un reconocimiento de dicha dovela puede ser realizado por el dispositivo. En efecto, no todas las dovelas destinadas a formar un anillo son necesariamente idénticas, en particular sobre el anillo universal, y en todos los casos sobre la última dovela (llave) y las dovelas adyacentes (contra-llaves) que presentan generalmente unas despullas más importantes que las otras dovelas.
Para ello, se activa el sistema de visión tridimensional de manera que adquiera un perfil tridimensional de la dovela. Este perfil es comparado por el controlador con un perfil de referencia incluido en el plano de colocación.
De manera alternativa, el reconocimiento de la dovela que se debe colocar se puede efectuar mediante cualquier otro medio a disposición del experto en la materia, tal como un lector adaptado para leer un código de barras o un código matricial adherido sobre cada dovela. El código leído es comparado por el controlador con un código de referencia incluido en el plano de colocación.
Si el controlador detecta que la dovela presentada no es la dovela que se debe colocar según el plano de colocación, emite una alerta. Se puede efectuar entonces un cambio de dovela y el procedimiento de reconocimiento se puede reanudar con la dovela de sustitución.
Si el controlador detecta que la dovela presentada es efectivamente la dovela que se debe colocar, envía al autómata de la tuneladora unas órdenes de movimiento del erector para tomar la dovela que se debe colocar. El autómata activa entonces los accionadores del erector para colocar el dispositivo de prensión frente a la dovela y acciona la prensión (por ejemplo, generando una depresión que proporciona un efecto de ventosa) para solidarizar la dovela que se debe colocar en el dispositivo de prensión. En la fase de prensión, el sistema de visión tridimensional permite el buen posicionamiento del dispositivo de prensión con respecto a la dovela, pudiendo el controlador determinar la posición y la inclinación de la dovela que se debe colocar con respecto al dispositivo de prensión.
Se observará que, aunque ventajoso, este reconocimiento de la dovela que se debe colocares solamente opcional. Como variante, se puede prever que el controlador envíe al autómata de la tuneladora unas órdenes de movimiento del erector para tomar la dovela presentada sin haber verificado previamente la conformidad de dicha dovela, efectuándose esta verificación por un operario aguas arriba de la cadena de aprovisionamiento de la dovela hacia el erector.
Con el fin de liberar la zona destinada a la colocación de la dovela, el controlador envía al autómata de la tuneladora una orden de movimiento del o de los cilindros de empuje en apoyo en esta zona contra el último anillo.
Una vez tomada la dovela por el erector, el controlador envía al autómata de la tuneladora unas órdenes de movimiento del erector para trasladar la dovela aproximadamente al sitio previsto. Para ello, el controlador utiliza las informaciones de posición del erector y el plano de colocación. En esta fase de aproximación aproximada, se respeta una distancia de seguridad del erector y de la dovela con respecto al entorno de la posición final de la dovela, con el fin de no correr el riesgo de una colisión. Como se ha indicado anteriormente, esta fase de desplazamiento utiliza el planificador, no utilizándose el sistema de visión tridimensional.
Una vez alcanzada esta posición aproximada, se activa el sistema de visión tridimensional para adquirir unos datos de medición de la posición y de la inclinación de la dovela que se debe colocar con respecto a su entorno final, es decir un anillo ya colocado y/o una dovela ya colocada. Estos datos de medición permiten determinar con precisión la separación entre la dovela y el referencial que constituye este entorno final. Esta separación se caracteriza por unas distancias en translación (por ejemplo, según tres ejes X, Y, Z de una referencia ortonormal) y por unos ángulos en rotación (por ejemplo, balanceo, cabeceo y guiñada).
A partir de esta separación, el controlador determina un conjunto de desplazamientos del dispositivo de prensión del erector en el espacio que permite trasladar la dovela que se debe colocar al sitio requerido. Esta determinación combina las informaciones de posición del erector y los datos de análisis de las separaciones del sistema de visión tridimensional.
El controlador transmite, por lo tanto, al autómata de la tuneladora unas órdenes de movimiento del erector.
Una vez colocada la dovela, el controlador envía al autómata de la tuneladora unas órdenes de movimiento de un cilindro de empuje para asegurar la dovela.
El controlador envía entonces al autómata de la tuneladora una orden de desolidarización de la dovela con respecto al dispositivo de prensión del erector, por ejemplo, una orden para relajar la depresión ejercida si la dovela se mantiene en el dispositivo de prensión por efecto de ventosa. Se debe observar que la seguridad del sistema de prensión no se ve afectada por el dispositivo según la invención, permaneciendo ésta asegurada por el autómata de la tuneladora que ejecuta la solidarización sólo si se cumplen las condiciones de seguridad.
El erector es trasladado entonces a una posición de reposo antes de la colocación de una nueva dovela según el procedimiento que acaba de ser descrito. Como se ha indicado anteriormente, esta fase de desplazamiento es pilotada por el planificador, sin la asistencia del sistema de visión tridimensional.
El controlador puede registrar unos datos sobre la colocación de cada dovela y editar eventualmente un informe de colocación, lo cual permite asegurar la trazabilidad de la realización del túnel.
De manera ventajosa, tras la instalación de un anillo completo de dovelas, el dispositivo de colocación
automatizada puede medir, gracias al sistema de visión tridimensional, por lo menos una característica geométrica de dicho anillo. Esta característica geométrica puede ser, en particular:
- el ángulo de balanceo (con el fin de asegurar que las zonas de apoyo dispuestas sobre las dovelas para los cilindros de empuje están realmente frente a los cilindros de la tuneladora),
- la planitud de la cara delantera del anillo (pudiendo un defecto de planitud de la cara delantera del anillo implicar unas variaciones de las fuerzas de empuje de los cilindros).
- el centrado del anillo en el faldón de la tuneladora (esta información es útil, por un lado, para conocer la posición del anillo en el espacio, que es necesaria para el guiado de la tuneladora: conociéndose la posición del escudo en el referencial del sistema de guiado, la posición del anillo con respecto al faldón del escudo permite determinar la posición del anillo en el referencial del sistema de guiado; por otro lado, para evitar cualquier fricción del faldón sobre los anillos)
- y/o la ovalización del anillo.
El control de estas características es útil en la medida en la que puede influir sobre la colocación del anillo siguiente y/o sobre el funcionamiento de la tuneladora. Así, por ejemplo, si se alinean los bordes de los anillos, una eventual ovalización es susceptible de propagarse a los anillos siguientes. Asimismo, un defecto de planitud de la cara delantera del anillo es susceptible de repercutir sobre la cara delantera del anillo siguiente.
De manera ventajosa, el controlador tiene en cuenta la o las característica(s) medida(s) para ajustar el plano de colocación del anillo siguiente y compensar así los eventuales defectos de colocación del anillo que se acaba de colocar.
Por otro lado, dichas características pueden registrarse con el informe de colocación para asegurar la trazabilidad de la construcción del túnel.
Una ventaja del dispositivo que se acaba de describir es que permite colocar de manera precisa el conjunto de las dovelas que constituyen un anillo, incluyendo las dos dovelas cuya colocación presenta una complejidad más importante, a saber:
- la primera dovela de un anillo, teniendo en cuenta que no existe todavía ninguna dovela adyacente, y
- la última dovela (o llave) que debe ser insertada entre dos dovelas ya colocadas.
En el caso de la primera dovela de un anillo, como se ha indicado anteriormente, el barrido de la zona de colocación por el erector equipado de un perfilómetro permite determinar a través de los puntos y/o zonas destacables el ángulo de balanceo de la primera dovela con respecto al último anillo colocado, y el controlador puede tener en cuenta esta medición para determinar la trayectoria de colocación de la dovela.
En el caso de la última dovela, el sistema de visión tridimensional permite que el controlador determine el espacio disponible para montar la última dovela que, si es demasiado importante o demasiado débil, puede desencadenar la intervención de un operario.
La invención permite, por lo tanto, colocar sucesivamente varias dovelas -incluso varios anillos consecutivos- sin ninguna intervención humana en la zona de trabajo del erector, lo cual minimiza los riesgos en los que incurren los operarios y la dureza de su trabajo.
Por otro lado, como ya se ha explicado anteriormente, el dispositivo automatizado permite fiabilizar la colocación de los anillos y contribuye a la trazabilidad de la realización del túnel registrando los planos de colocación efectivamente realizados y las características controladas sobre los anillos colocados.
Referencias
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JPH08-296400
Claims (11)
1. Dispositivo para la recogida y la colocación automatizada de una dovela que forma el revestimiento de un túnel, destinado a ser acoplado a una tuneladora (1) provista de un erector de dovelas (2), comprendiendo dicho erector unos accionadores (101) equipados con sensores de posición (102), caracterizado por que comprende:
- un controlador (201) configurado para comunicarse con un autómata (103) de la tuneladora adaptado para mandar el accionamiento del erector, y para recibir unos datos de medición de los sensores del erector, - un sistema de visión tridimensional (202) que comprende por lo menos cuatro perfilómetros láser (21), destinado a ser fijado sobre el erector de manera que (i) determine una separación en posición y en inclinación entre el erector y una dovela que se debe tomar, y (ii) adquiera el conjunto de los datos de análisis de las separaciones de la posición y de la inclinación de una dovela (V) que se debe colocar mantenida por el erector con respecto a por lo menos una dovela y/o un anillo de dovelas ya colocado, estando dicho sistema de visión tridimensional acoplado al controlador para transmitirle dichos datos de medición,
estando el controlador (201) configurado para recibir un plano de colocación de dovelas y para, gracias a un planificador informático adaptado para procesar dichos datos de análisis del sistema de visión tridimensional (202), los datos de medición de los sensores (102) del erector y dicho plano de colocación, determinar una trayectoria del erector para colocar dicha dovela (V) que se debe colocar frente a dicha dovela y/o anillo (A) de dovelas ya colocado, y comunicar unas órdenes de movimiento al autómata (103) de la tuneladora para accionar el erector (2) para tomar la dovela (V) que se debe colocar y desplazarla según dicha trayectoria.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, que comprende además una interfaz hombre-máquina (203) acoplada al controlador (201).
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que el controlador (201) está configurado para enviar al autómata (103) de la tuneladora unas órdenes de movimiento de por lo menos un cilindro de empuje (15) de la tuneladora, para liberar una zona de colocación de la dovela que se debe colocar y para asegurar dicha dovela una vez en su sitio.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el controlador (201) está configurado para reconocer, a partir de los datos de medición, una dovela que se debe colocar.
5. Tuneladora que comprende un erector de dovelas (2) y un dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4.
6. Procedimiento de recogida y de colocación automatizada de una dovela (V) para formar el revestimiento de un túnel, por una tuneladora provista de un erector de dovelas (2) y de un autómata (103) adaptado para mandar el accionamiento del erector, caracterizado por que comprende:
- el suministro de un dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4,
- la instalación del sistema de visión tridimensional (202) sobre el erector (2),
- el establecimiento de una comunicación entre el controlador (201) de dicho dispositivo y el autómata (103) de la tuneladora,
- la recepción, por el controlador (201), de un plano de colocación de dovelas y de datos de medición de los sensores (102) del erector,
- la comunicación, por el controlador (201) al autómata (103) de la tuneladora, de una orden de prensión de la dovela (V) que debe ser colocada por el erector,
- la prensión de una dovela (V) que debe ser colocada por el erector (2),
- el traslado de dicha dovela (V) a una zona de colocación definida por el controlador (201),
- la adquisición, por el sistema de visión tridimensional (202), de datos de análisis de las separaciones de posición y de inclinación de la dovela (V) que se debe colocar con respecto a por lo menos una dovela (V) y/o un anillo (A) de dovelas ya colocadas,
- el procesamiento de dichos datos de medición por el controlador (201) para, a partir de dichos datos de medición del sistema de visión tridimensional, de los datos de medición de los sensores (102) del erector y de dicho plano de colocación, determinar una trayectoria del erector para instalar dicha dovela que se debe colocar frente a dicha dovela y/o anillo de dovelas ya colocado,
- la comunicación, por el controlador (201), de órdenes de movimiento del erector (2) al autómata (103) de la tuneladora,
- el accionamiento del erector (2) por el autómata (103) según dichas órdenes de movimientos, para instalar la dovela,
- la comunicación al autómata (103), por el controlador (201), de órdenes de movimiento de por lo menos un cilindro de empuje (15) de la tuneladora,
- el aseguramiento de dicha dovela (V) por dicho cilindro de empuje (15) contra un anillo (A) ya colocado.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, que comprende además, antes de la prensión de la dovela (V) que se debe colocar, el reconocimiento de dicha dovela por el controlador (201) a partir de los datos proporcionados por el sistema de visión tridimensional (202).
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 7, en el que, después de asegurar la dovela (V), el controlador (201) envía al autómata (103) de la tuneladora una orden de relajación de la prensión de la dovela.
9. Procedimiento de colocación automatizada de un anillo completo de dovelas, caracterizado por que se utiliza el procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8 para todas las dovelas que constituyen dicho anillo (A).
10. Procedimiento según la reivindicación 9, que comprende además, después de la colocación de un anillo completo de dovelas, la medición, por el sistema de visión tridimensional (202), de por lo menos una característica geométrica de dicho anillo (A), que comprende el ángulo de balanceo, la planitud de la cara delantera, el centrado del anillo en el faldón de la tuneladora y/o la ovalización del anillo.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que, en función de dicha medición de dicha característica geométrica del anillo (A), el controlador ajusta el plano de colocación de las dovelas del anillo siguiente.
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