ES2952709T3 - Mira de guiado de una tuneladora - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un instrumento nivelador (10) para el guiado de una tuneladora (1), que incluye un prisma reflectante (11), de forma conocida, y un sensor angular (12), caracterizándose dicha guía porque incluye un miembro separador de haz óptico (14) dispuesto de manera que separe un haz incidente en un primer haz (L1) dirigido hacia el prisma (11), y un segundo haz (L2) dirigido hacia el sensor angular (12), y así para devolver el haz (R1) que es reflejado por el prisma (11) paralelo al haz incidente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Mira de guiado de una tuneladora
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una mira para guiar una tuneladora y a un dispositivo de guiado de una tuneladora que incorpora dicha mira.
Antecedentes de la invención
El guiado de una tuneladora requiere un conocimiento preciso, en tiempo real, de la posición de la tuneladora respecto al trazado teórico del túnel, con el fin de ajustarse lo más posible al trazado previsto del túnel.
El túnel se perfora colocando progresivamente anillos de hormigón que constituyen secciones elementales del revestimiento del túnel.
Para guiar la tuneladora, se sabe, como se muestra en la figura 1, instalar una estación total 20 en el anillo 2 en cuyo extremo actúa la tuneladora 1.
El anillo 2 soporta los cilindros de empuje 3 que hacen avanzar la tuneladora 1.
La estación total 20 está fija con respecto al anillo 2 y sus coordenadas en el espacio son conocidas.
La estación total 20 es un teodolito capaz de medir distancias. Consta de un anteojo montado en un eje horizontal y en un eje vertical.
La tuneladora 1 está equipada con una mira 10 que es apuntada por la estación total para determinar las coordenadas de la tuneladora.
Para conocer completamente la posición de la tuneladora, es necesario determinar no sólo las coordenadas espaciales de la mira 10, sino también los ángulos de cabeceo, guiñada y balanceo de la tuneladora.
Con este fin, pruébala mira 10 comprende un prisma reflectante 11, cuya forma es conocida, y un sensor angular 12, que está dispuesto aquí por encima del prisma 11 a lo largo de un eje vertical.
La estación total está equipada con un primer láser de apuntamiento que apunta al prisma 11 (primer haz L1).
El apuntamiento realizado por este primer láser permite determinar las coordenadas del centro del prisma comparando el haz incidente y el haz reflejado por el prisma.
Para medir los ángulos de cabeceo y guiñada, la estación total 20 está equipada con un segundo láser, alejado con respecto al primero, que emite un segundo haz L2 paralelo al primer haz L1 y que se apunta hacia el sensor angular 12.
Por último, para medir el ángulo de balanceo de la tuneladora, se dispone un sensor de ángulo de balanceo 13 en la tuneladora 1.
Sin embargo, una desventaja de este sistema es que requiere la instalación de un láser en la estación total alejado del láser de apuntamiento instalado de forma estándar en la estación total.
Además del coste de este láser remoto, su instalación requiere modificaciones estructurales en la estación total disponible en el mercado.
En particular, requiere que el usuario de la tuneladora fije el láser remoto, así como ajustes y comprobaciones regulares de la alineación del segundo haz con respecto al primero.
Además, la instalación del láser remoto también requiere el uso de cables de alimentación.
No obstante, la estación total se controla periódicamente mediante una doble inversión: tras un primer apuntamiento que permite medir la posición de la mira, la estación total se invierte dos veces (es decir, 180° según eje vertical y según eje horizontal) y se efectúa un segundo apuntamiento, con el fin de comprobar si la posición de la mira medida con este segundo apuntamiento es idéntica a la primera medición.
Los cables añadidos para la instalación del láser remoto dificultan por tanto esta doble inversión.
Para evitar la instalación de un láser remoto en la estación total, se ha propuesto utilizar un láser coaxial que apunte a una mira de prueba en la que el prisma y el sensor angular estén alineados en dos planos paralelos en el eje del haz láser.
En este caso, es necesario utilizar un láser de alta potencia para atravesar el primer plano (del prisma), que es translúcido, y alcanzar el segundo plano (del sensor).
Sin embargo, un láser de este tipo es más caro y su uso es más arriesgado debido a su alta potencia.
También podría preverse equipar la mira con varios prismas y apuntar dichos prismas sucesivamente mediante un único láser.
Sin embargo, debido a las fuertes vibraciones que se producen durante el funcionamiento de la tuneladora, la información deducida de las mediciones tomadas en los diferentes prismas sería inexacta debido al desfase temporal entre estas mediciones.
El documento US 2006/0222,314 divulga una mira de guía que comprende un prisma reflectante. A diferencia de los prismas convencionales, que tienen la forma de la esquina de un cubo, y en los que el vértice de dicha esquina define el centro del prisma, por lo que el haz incidente del láser de apuntamiento se refleja paralelo a dicho haz incidente, el centro del prisma está atravesado por un orificio detrás del cual se dispone un sensor angular.
El diámetro de dicho orificio es del orden de algunas décimas de milímetro y es inferior al diámetro del haz láser. Así, cuando el haz incidente incide en el centro del prisma, la parte central de dicho haz atraviesa el orificio e incide en el sensor angular, mientras que la parte anular del haz que rodea dicha parte central es reflejada por las paredes del prisma y devuelta a la estación total.
Sin embargo, este dispositivo presenta varios inconvenientes.
Por un lado, el hecho de que el prisma esté perforado en su centro hace imposible determinar una posición única de su centro, pero proporciona una pluralidad de soluciones posibles para minimizar la distancia entre el haz incidente y el haz reflejado.
Por otra parte, debido al pequeño diámetro del orificio y a las considerables vibraciones a las que está sometida la mira durante el funcionamiento de la tuneladora, el sensor angular sólo es alcanzado por el rayo láser (y, por tanto, capaz de proporcionar un valor angular) cuando éste se dirige con precisión hacia el centro del prisma. Por el contrario, el sensor angular no puede proporcionar ninguna medida angular durante la fase de búsqueda del centro, cuando el haz láser no incide en el centro del prisma.
Por último, incluso cuando una parte del haz incidente atraviesa el orificio y alcanza el sensor angular, el diámetro del orificio es tan pequeño que genera fenómenos de difracción que penalizan la precisión de la medida del ángulo. El documento W0 2004/019459 describe una mira que comprende un prisma dispuesto para reflejar un haz incidente de manera que el haz reflejado sea paralelo al haz incidente, un sensor angular y un miembro divisor de haz óptico adaptado para dividir un haz incidente en dos haces de la misma forma que el haz incidente y de direcciones divergentes, estando dispuesto dicho miembro divisor de haz para dividir el haz incidente en un primer haz dirigido hacia el prisma y un segundo haz dirigido hacia el sensor angular y para devolver el haz reflejado por el prisma paralelo al haz incidente, estando el sensor angular configurado para determinar un ángulo de guiñada y un ángulo de cabeceo mediante un mismo apuntamiento del prisma por un láser, comprendiendo dicha mira un inclinómetro configurado para medir un ángulo de balanceo.
El documento FR2741149 describe una tuneladora equipada con un blanco de puntería que recibe un haz de luz procedente de un emisor de haz láser colocado fijamente en el exterior de la tuneladora.
Por lo tanto, existe la necesidad de diseñar un dispositivo de guiado de una tuneladora que permite superar los inconvenientes de los sistemas anteriormente mencionados.
En particular, este dispositivo de guiado debe diseñarse de forma que proporcione información precisa sobre la posición de la tuneladora en un único apuntamiento, sin requerir modificaciones estructurales en la estación total disponible en el mercado.
Además, este dispositivo de guiado debe proporcionar información sobre la distancia y la orientación de la tuneladora en todo momento, incluso durante la fase de búsqueda del centro del prisma.
Este dispositivo de guiado también debería permitir utilizar un láser de apuntamiento de baja potencia.
Por último, este dispositivo de guiado debe ser robusto y menos costoso que los dispositivos existentes.
Breve descripción de la invención
De acuerdo con la invención, se propone un dispositivo de guiado de una tuneladora, según la reivindicación 1.
Un dispositivo de este tipo permite obtener, mediante un solo apuntamiento de un láser, la información necesaria para conocer tanto la posición como los ángulos de guiñada y cabeceo de la tuneladora.
Por división del haz se entiende la división de un haz incidente en dos haces de la misma forma que el haz incidente y divergentes en dirección.
Por lo tanto, el término " miembro divisor de haz" se refiere a cualquier dispositivo adaptado para realizar esta función.
Según una realización de la invención, el miembro divisor de haz es una lámina divisora.
Alternativamente, el miembro divisor de haz es un prisma adaptado para dividir un haz incidente en dos haces simétricos.
Preferentemente, la superficie del miembro divisor de haz es al menos igual a la superficie del prisma, de modo que durante la fase de búsqueda del centro del prisma el haz láser incidente incide en el miembro divisor antes de alcanzar el prisma.
De forma particularmente ventajosa, dicho láser tiene una potencia baja, es decir, una potencia inferior o igual a la de un láser de clase 2, sin peligro para el ojo humano.
La invención también se refiere a un procedimiento de guiado de una tuneladora según la reivindicación 5.
Breve descripción de los dibujos
0tras características y ventajas de la invención se desprenderán de la siguiente descripción detallada, con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
• la figura 1 es una ilustración de un dispositivo de guiado conocido,
• la figura 2 es una ilustración esquemática de una realización de la mira según la invención,
• la figura 3 es una vista en perspectiva de una mira según una realización de la invención,
• la figura 4 es una ilustración de un dispositivo de guiado según una realización de la invención.
Para facilitar la visualización de los distintos elementos, las figuras no son representativas de las escalas respectivas de la tuneladora, la estación total y la mira.
Descripción detallada de la invención
En este ejemplo no limitativo, se describirá un procedimiento de fabricación de una mira según la invención y un dispositivo de guiado que comprende dicha mira.
Con referencia a la Figura 2, pruébala mira 10 comprende un prisma 11 de forma conocida.
Así, la reflexión de un haz óptico sobre el prisma 11 permite determinar las coordenadas espaciales del centro del prisma.
Por ejemplo, el prisma tiene la forma de una esquina de cubo y la estación total busca el centro del prisma correspondiente al vértice de la esquina de cubo comparando el haz incidente del láser de apuntmiento con el haz reflejado por el prisma. Esto se debe a que sólo cuando el haz incidente incide en el centro del prisma, el haz reflejado vuelve paralelo al haz incidente; en cambio, cuanto más incide el haz incidente en un punto alejado del centro del prisma, más divergen los haces incidente y reflejado.
La conformación de este prisma convencional es por tanto tal que proporciona un único conjunto de coordenadas para el centro del prisma cuando el centro es golpeado por el haz láser.
La mira también incluye un sensor angular 12.
El sensor 12 es adecuado para medir el ángulo de incidencia de un haz de luz emitido en su dirección.
La mira también incluye un miembro divisor de haz óptico 14.
El miembro divisor de haz 14 está dispuesto para recibir el haz emitido por el láser de apuntamiento de la estación total y dividirlo en un primer haz dirigido al prisma 11 y un segundo haz dirigido al sensor angular 12 y devolver el haz reflejado por el prisma 11 paralelo al haz incidente.
El miembro divisor de haz 14 puede ser, por ejemplo, una lámina divisora.
En este caso, la lámina divisora está orientada en un ángulo sustancialmente de 45° con respecto a la orientación del haz incidente.
Alternativamente, el miembro divisor de haz puede ser un prisma dispuesto para separar el haz incidente en dos haces sustancialmente simétricos.
El esquema de la figura 2 es puramente ilustrativo y huelga decir que las distancias del sensor angular 12 y del prisma 11 con respecto al miembro divisor 14 pueden variarse independientemente una de otra, y/o las ubicaciones del sensor 12 y del prisma 11 pueden invertirse, sin apartarse del ámbito de la presente invención.
Gracias al miembro divisor de haz, es posible, utilizando un único haz láser de baja potencia, incidir en el prisma 11 y en el sensor angular 12.
De manera particularmente ventajosa, la superficie del miembro divisor es suficientemente grande para ser golpeada continuamente por el láser durante la fase de búsqueda del centro del prisma, con el fin de asegurar el seguimiento del prisma permitiendo al mismo tiempo la obtención continua de una medida angular por el sensor angular.
De hecho, la fase de búsqueda del centro del prisma puede ser larga, dadas las intensas vibraciones a las que está sometida la mira, por lo que puede ser útil disponer de medidas angulares no sólo cuando el láser está apuntando al centro del prisma, sino también durante esta fase de búsqueda.
El miembro divisor de haz también está dispuesto para transmitir el haz reflejado por el prisma 11 en una dirección paralela a la dirección del haz incidente, de modo que el haz reflejado sea recibido por la estación total y pueda ser procesado para deducir la posición del prisma y, por tanto, la de la tuneladora.
La figura 3 ilustra una forma particular de realización de la mira.
Como puede verse en esta figura, el sensor angular 12 y el prisma 11 están dispuestos en ángulo recto entre sí, y el miembro divisor del haz 14 es una lámina divisora inclinada a 45° entre el sensor 12 y el prisma 11.
En este caso, el haz incidente L se divide en un haz L1 de la misma dirección que incide directamente sobre el sensor angular 12 y un haz L2 que se desvía hacia el prisma 11.
Naturalmente, las posiciones del prisma y del sensor angular podrían invertirse con respecto a la lámina divisora sin apartarse del ámbito de la invención.
El dispositivo de guiado de la tuneladora que utiliza esta mira 10 se ilustra en la figura 4.
La mira 10 descrita anteriormente se instala en la tuneladora 1.
La mira 10 se sujeta y atornilla preferentemente al cuerpo de la tuneladora, que es el elemento cuya posición y ángulos deben conocerse en tiempo real.
pruébala mira 10 se coloca en una ventana láser, es decir, un volumen que recorre toda la longitud del tren de seguimiento de la tuneladora, en el eje de la estación total, dentro del cual es probable que circulen los haces láser; la ventana láser corresponde, por tanto, a un volumen en el que todo el equipo está excluido.
Para determinar el ángulo de balanceo, la tuneladora 1 también está equipada con un sensor de ángulo de balanceo 13, conocido per se.
Dicho sensor 13 puede consistir, por ejemplo, en un inclinómetro.
0pcionalmente, el ángulo de cabeceo puede medirse por un medio distinto de la mira y la estación total, por ejemplo mediante un inclinómetro.
La estación total 20 se coloca en un lugar fijo conocido en el anillo 2.
La estación total 20 está equipada convencionalmente con un láser que apunta prueba la mira 10.
Dicho láser puede ser un láser de seguimiento (o “tracking” según la terminología anglosajona) o un láser de medición de distancia.
0pcionalmente, la estación total puede estar equipada con un láser de seguimiento y un láser de medición de distancia.
Alternativamente, la estación total puede comprender un único láser que cumpla tanto las funciones de seguimiento como de medición de distancia.
Cualquier estación total del mercado puede utilizarse para la implementación del guiado, sin necesidad de modificar su estructura o añadir un nuevo láser.
El láser de seguimiento o de medición de distancia de la estación total 20 emite un haz L en la dirección de la mira 10.
Más concretamente, el haz L incide en primer lugar en el miembro divisor de haz 14.
Dicho haz incidente L es dividido por el miembro divisor 14 en un haz L1 dirigido hacia el prisma 11 y un haz L2 dirigido hacia el sensor angular 12.
El prisma refleja el haz incidente, que se envía de vuelta a la estación total (haz R1) a través del miembro divisor 14. El ordenador de la estación total está adaptado para tener en cuenta el desplazamiento de fase cuando el haz incidente y el haz reflejado pasan a través del miembro divisor de haz.
La estación total puede entonces seguir el prisma, medir su distancia y determinar sus coordenadas como si la estación total estuviera apuntando directamente al prisma.
La posición y la orientación de la tuneladora pueden determinarse, por tanto, mediante un único apuntamiento. Gracias a la mira, es posible utilizar una estación total del mercado sin modificarla estructuralmente y, con un solo apuntamiento, conocer la posición y orientación de la tuneladora (en guiñada y, si es necesario, en cabeceo).
La implementación del dispositivo de guiado se simplifica considerablemente en comparación con los dispositivos de la técnica anterior.
En particular, es fácil comprobar la estación total mediante una doble inversión.
Además, el dispositivo de guiado también es menos costoso, ya que se utiliza un único láser de baja potencia. Además, la mira permite la medición continua por el sensor angular, incluso cuando el láser tarda mucho en apuntar en el centro del prisma o es difícil de obtener.
Por último, esta medida angular no se obtiene en detrimento de la medida de la posición del centro del prisma, siendo el prisma un prisma convencional que permite una medida precisa.
Las coordenadas de la mira y los ángulos de cabeceo, guiñada y balanceo se transmiten a un ordenador que los procesa para deducir, por ejemplo, una desviación con respecto a una posición y orientación teóricas de la tuneladora.
Si es necesario, la desviación puede corregirse para acercarse al trazado teórico del túnel modificando el punto de consigna de accionamiento de la tuneladora.
Por último, huelga decir que los ejemplos que se acaban de exponer son sólo ilustraciones específicas y no limitan en modo alguno los campos de aplicación de la invención.
Claims (5)
1. Dispositivo de guiado de una tuneladora (1), que comprende
- un cuerpo de tuneladora,
- una mira (10) unida rígidamente al cuerpo de la tuneladora, que comprende:
- un prisma (11) dispuesto para reflejar un haz incidente de modo que el haz reflejado sea paralelo al haz incidente,
- un sensor angular (12), y
- un miembro divisor de haz óptico (14) adaptado para dividir un haz incidente en dos haces de la misma forma que el haz incidente y de direcciones divergentes, estando dicho miembro divisor dispuesto para dividir el haz incidente (L) en un primer haz (L1) dirigido hacia el prisma (11) y un segundo haz (L2) dirigido hacia el sensor angular (12) y para devolver el haz (R1) reflejado por el prisma (11) paralelo al haz incidente,
- una estación total instalada en un anillo de un túnel, que comprende un láser de seguimiento y/o de medición de distancia configurado para apuntar hacia el prisma y el sensor angular, estando el miembro divisor de haz de la mira dispuesto aguas arriba del prisma en la trayectoria del haz emitido por el láser, estando dicha estación total configurada para determinar una posición del prisma y estando el sensor angular configurado para determinar un ángulo de guiñada y un ángulo de cabeceo del cuerpo de la tuneladora mediante el mismo apuntamiento del prisma por el láser,
- un inclinómetro (13) montado en el cuerpo de la tuneladora, estando dicho inclinómetro configurado para medir el ángulo de balanceo de dicho cuerpo,
- un ordenador configurado para:
- determinar, a partir de los ángulos de guiñada, cabeceo y balanceo del cuerpo de la tuneladora y de la posición del prisma, una posición y orientación del cuerpo de la tuneladora, y
- determinar una desviación de la posición y orientación del cuerpo de la tuneladora con respecto a una posición y orientación teóricas.
2. Dispositivo de guiado según la reivindicación 1, caracterizado porque el miembro divisor del haz es una lámina divisora.
3. Dispositivo de guiado según la reivindicación 1, caracterizado porque el miembro divisor de haz es un prisma adaptado para dividir un haz incidente en dos haces simétricos.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el láser para el seguimiento y/o medición de la distancia de la estación total tiene una potencia inferior o igual a la potencia de un láser de clase 2.
5. Procedimiento de guiado de una tuneladora mediante el dispositivo de guiado según una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende las etapas de:
- instalación de la estación total (20) en un anillo (2) del túnel, en una posición conocida,
- instalación de la mira (10) y del inclinómetro (13) en la tuneladora (1), de forma que la mira (10) pueda ser apuntada por el láser que equipa la estación total (20), estando el miembro divisor (14) dispuesto de forma que se encuentre aguas arriba del prisma en la trayectoria del haz emitido por dicho láser en la dirección del prisma (11),
- envío de un haz luminoso (L) por el láser de la estación total, incidiendo dicho haz en el miembro divisor del haz (14) de la mira, dividiendo el miembro divisor del haz dicho haz incidente (L) en un primer haz (L1) dirigido hacia el prisma (11) y un segundo haz (L2) dirigido hacia el sensor angular (12) y devolviendo el haz (R1) reflejado por el prisma (11) hacia la estación total paralelo al haz incidente,
- a partir del haz (R1) reflejado por el prisma (11) y de la medición efectuada por el sensor angular (12), cálculo de las coordenadas de la tuneladora y de los ángulos de guiñada y cabeceo de la tuneladora, y
- medición del ángulo de balanceo de la tuneladora mediante el inclinómetro (13),
- a partir de las coordenadas de la tuneladora y de los ángulos de guiñada, cabeceo y balanceo, determinación de la posición y la orientación del cuerpo de la tuneladora,
- determinación por el ordenador de una desviación de la posición y orientación del cuerpo de la tuneladora con respecto a una posición y orientación teóricas.
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