用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)及變形監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)及變形監(jiān)測方法。這種變形監(jiān)測系統(tǒng)包括：媒介單元，其設(shè)置于鏈刀的內(nèi)部，當(dāng)鏈刀發(fā)生變形時，所述媒介單元獲取所述鏈刀的變形位置；數(shù)據(jù)采集處理單元，其設(shè)置于所述鏈刀的內(nèi)部，用于采集所述變形位置，并且根據(jù)所述變形位置確定所述鏈刀的變形量；顯示單元，其實(shí)時地接收并且顯示所述鏈刀的所述變形量。這種變形監(jiān)測系統(tǒng)測量準(zhǔn)確，并且能夠?qū)崟r地顯示鏈刀的變形情況。
【專利說明】用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)及變形監(jiān)測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)。此外，本 發(fā)明還涉及一種所述預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 預(yù)切槽技術(shù)屬于預(yù)支護(hù)技術(shù)范疇，是指在開挖掌子面之前，用預(yù)切槽機(jī)沿隧道斷 面周邊切割出一條深槽，隨后緊接著向槽中灌注混凝土，這樣就在掌子面前面形成了一個 連續(xù)的預(yù)支護(hù)殼體，也就是一個預(yù)置拱圈。隨后在混凝土殼體的保護(hù)下進(jìn)行機(jī)械的全斷面 或者半斷面開挖。預(yù)切槽技術(shù)形成的混凝土殼體是分環(huán)施工的，環(huán)與環(huán)之間有一定的搭接， 從而形成連續(xù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)，它可以作為永久支護(hù)的一部分，在開挖后進(jìn)行二次襯砌混凝土 的澆筑。這種混凝土殼體可以同時完成超前支護(hù)和噴混凝土兩方面的作用，可以有效地控 制地表沉降和對周圍建筑物的影響。
[0003] 預(yù)切槽機(jī)主要包括四部分：鏈刀刀具、切槽導(dǎo)軌、龍門架和走行機(jī)構(gòu)。預(yù)切槽機(jī)的 刀具類似一個大型的鏈鋸，表面呈鋸齒狀。通常的刀具采用的是雙導(dǎo)軌，相互間是鋸齒咬 合。鏈?zhǔn)降毒甙惭b在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的形狀就是斷面的外輪廓形狀。龍門架的作用主要是確 保導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性。此外，還包括兩個相互獨(dú)立的走行機(jī)構(gòu)。在導(dǎo)軌的兩端各一 個，主要用于帶動上述部件移動。
[0004] 雖然鏈刀屬于鋼結(jié)構(gòu)，但是在切削巖土的過程中鏈刀會受到巖土對其的反作用 力，而這種反作用力使得鏈刀產(chǎn)生一定的變形。鏈刀變形過大會影響隧道預(yù)支拱的質(zhì)量，因 此需要對預(yù)切槽機(jī)的鏈刀的變形情況適時地進(jìn)行檢測。通常采用水準(zhǔn)儀、全站儀、近景攝影 測量、GPS、測量機(jī)器人、三維激光掃描儀、液體靜力水準(zhǔn)儀等方法檢測鏈刀的變形，由于鏈 刀工作環(huán)境的特殊性，上述測量方法對幾何變形量的處理都不是很直觀，并且測量結(jié)果存 在誤差的情況。因此，急需一種測量準(zhǔn)確、直觀化的變形監(jiān)測系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述的問題，本發(fā)明提出了一種用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)，采用這種變 形監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行鏈刀變形監(jiān)測時準(zhǔn)確性高、可靠性好并且采集結(jié)果直觀化。此外，本發(fā)明還 提出了一種相關(guān)的變形監(jiān)測方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其包括：媒介 單元，其設(shè)置于鏈刀的內(nèi)部，當(dāng)鏈刀發(fā)生變形時，媒介單元獲取鏈刀的變形位置；數(shù)據(jù)采集 處理單元，其設(shè)置于所述鏈刀的內(nèi)部，用于采集所述變形位置，并且根據(jù)所述變形位置確定 所述鏈刀的變形量；顯示單元，其實(shí)時地接收并且顯示鏈刀的變形量。
[0007] 采用本發(fā)明的預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)測量鏈刀的變形量時，媒介單元實(shí)時地獲 取鏈刀的變形位置，數(shù)據(jù)采集處理單元采集該并行位置并且將該變形位置轉(zhuǎn)換為鏈刀的變 形量，然后顯示單元實(shí)時地顯示該變形量。由此在采用預(yù)切槽機(jī)施工的過程中能夠隨時掌 握鏈刀的變形情況，確保施工質(zhì)量。
[0008] 在一個實(shí)施例中，變形監(jiān)測系統(tǒng)還包括控制器，所述數(shù)據(jù)采集處理單元通過交換 機(jī)將所述變形量發(fā)送至所述控制器，所述控制器將所述變形量發(fā)送至所述顯示單元。由此 數(shù)據(jù)采集處理單元及時地處理所述變形位置來獲取變形量，并且順利地將該變形量傳輸給 顯示單元以顯示。
[0009] 在一個實(shí)施例中，交換機(jī)通過Profinet總線分別電連接于數(shù)據(jù)采集處理單元和控 制器，和/或控制器通過Profibus-Dp總線電連接于顯示單元。由此提高數(shù)據(jù)傳輸速度的同 時，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0010] 在一個實(shí)施例中，媒介單元包括：激光發(fā)射器，其設(shè)置于鏈刀的根部，并且能夠發(fā) 射沿鏈刀的軸線方向的激光束；多個激光靶，其沿鏈刀的軸線方向分散設(shè)置于鏈刀的內(nèi)部， 并且激光靶的靶面朝向激光發(fā)射器；其中激光束能夠在激光靶上形成圖像，并且能夠穿透 激光靶。由此當(dāng)鏈刀彎曲變形時激光束在激光靶上形成的圖像中的變形位置就會偏離原來 的基準(zhǔn)位置。
[0011] 在一個實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集處理單元包括與多個激光靶對應(yīng)的多個視覺傳感器， 視覺傳感器能夠采集對應(yīng)的激光靶上的圖像，并且視覺傳感器能夠?qū)D像中的變形位置處 理成變形量。多個激光靶和對應(yīng)的多個視覺傳感器的設(shè)置可以采集到鏈刀不同部位的彎曲 變形情況。
[0012] 在一個實(shí)施例中，激光靶和視覺傳感器的數(shù)量分別為3個，分別對應(yīng)地設(shè)置于鏈 刀的前部、中部和后部。從而在保證監(jiān)測效果的同時節(jié)省成本。
[0013] 在一個實(shí)施例中，激光靶的靶面上設(shè)置有過濾網(wǎng)格，過濾網(wǎng)格的線條部分能夠阻 擋激光束穿透以使激光束在靶面上形成圖像，并且激光束能夠穿透過濾網(wǎng)格的空白部分。 由此激光束能夠在前面的激光靶上形成圖像的同時還能夠發(fā)射到后面的激光靶上。
[0014] 在一個實(shí)施例中，相鄰的視覺傳感器間隔20ms采集變形位置。由此避開傳感器自 身的振動頻段，提高視覺傳感器采集圖像的準(zhǔn)確性。
[0015] 在一個實(shí)施例中，控制器能夠根據(jù)輸入指令控制激光發(fā)射器和視覺傳感器的啟動 和關(guān)閉。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提出了一種變形監(jiān)測方法，其包括以下步驟：步驟1 :通 過設(shè)置于鏈刀內(nèi)部的媒介單元獲取鏈刀的變形位置；步驟2 :通過設(shè)置于所述鏈刀內(nèi)部的 數(shù)據(jù)采集處理單元采集變形位置，并且根據(jù)變形位置確定所述鏈刀的變形量；步驟3 :實(shí)時 地顯示鏈刀的變形量。由此實(shí)現(xiàn)鏈刀變形量的實(shí)時監(jiān)測，提高采用預(yù)切槽機(jī)施工的質(zhì)量。
[0017] 在本申請中，用語"前部"、"后部"規(guī)定為遠(yuǎn)離鏈刀根部的位置為前，靠近鏈刀根部 的位置為后。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過設(shè)置于鏈刀內(nèi)部的媒介單元獲取鏈刀 的變形位置，特別是設(shè)置于鏈刀根部的激光發(fā)射器和沿鏈刀軸線方向分散設(shè)置的多個激光 靶，激光發(fā)射器發(fā)射沿鏈刀軸線方向的激光束，在鏈刀變形時激光束在激光靶上位置發(fā)生 改變，即在激光靶上形成變形位置，通過對應(yīng)的視覺傳感器獲取該變形位置后，將變形位置 與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值比較以形成變形量，以此確定鏈刀的變形量。該變形監(jiān)測系統(tǒng)包括的顯示單 元能夠?qū)崟r地顯示該變形量，由此現(xiàn)場作業(yè)人員可以實(shí)時地掌握鏈刀作業(yè)過程中的變形 量，確保施工質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：
[0020] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例的變形監(jiān)測系統(tǒng)的原理框圖；
[0021] 圖2是圖1所示的變形監(jiān)測系統(tǒng)在鏈刀內(nèi)部的媒介單元和數(shù)據(jù)采集單元的安裝示 意圖；
[0022] 圖3是圖1所示的變形監(jiān)測系統(tǒng)的媒介單元工作示意圖；
[0023] 圖4是圖1所示的變形監(jiān)測系統(tǒng)的顯示單元的顯示界面圖；
[0024] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例的變形監(jiān)測方法的流程圖。
[0025] 在圖中，相同的構(gòu)件由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。附圖并未按照實(shí)際的比例繪制。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0027] 本發(fā)明公開的用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)包括媒介單元、數(shù)據(jù)采集處理單元和 顯示單元。下面將詳細(xì)地描述本發(fā)明的變形監(jiān)測系統(tǒng)及其各個器件。
[0028] 需要說明的是，鏈刀的根部是指鏈刀與切槽導(dǎo)軌的連接處。另外，需要說明的是通 常情況下，鏈刀是長度為7米左右的矩形長梁鋼結(jié)構(gòu)。此外，顯示單元顯示的變形量是人為 能夠識別的數(shù)值，而數(shù)據(jù)采集處理單元獲取的變形量以及傳輸過程中的變形量是各個器件 能夠識別的電信號。
[0029] 媒介單元設(shè)置于鏈刀的內(nèi)部，當(dāng)鏈刀發(fā)生變形時，媒介單元獲取鏈刀的變形位置。 作為一個優(yōu)選的實(shí)施例，媒介單元包括激光發(fā)射器10和多個激光靶，如圖2和圖3所示，例 如包括第一激光靶21，第二激光靶31和第三激光靶41。激光發(fā)射器10設(shè)置在鏈刀的根部， 由此可以以激光發(fā)射器10所在的位置作為基準(zhǔn)位置，多個激光靶與激光發(fā)射器10盡可能 地保持在一條直線上，優(yōu)選地，激光發(fā)射器10所發(fā)射的激光束沿鏈刀的軸線方向，多個激 光靶沿鏈刀的軸線方向分散設(shè)置，并且激光靶的靶面朝向激光發(fā)射器10 (參見圖3)，當(dāng)激 光束射向激光靶時，部分激光束在激光靶上形成圖像，其余部分激光束穿透激光靶射向后 面的激光靶，由此在鏈刀未發(fā)生變形的情況下，激光束在各個激光靶上形成基準(zhǔn)位置圖像， 記錄該基準(zhǔn)位置圖像，如圖3中的XY平面的原點(diǎn)位置可以作為基準(zhǔn)位置。當(dāng)鏈刀發(fā)生變形 時，激光靶隨著鏈刀的變形而移動，而由于鏈刀的根部一般不會發(fā)生變形，所以設(shè)置在鏈刀 根部的激光發(fā)射器10所發(fā)出的激光束的方向和位置均沒有發(fā)生變化，因此激光束在各個 激光靶上形成的圖像相比基準(zhǔn)位置發(fā)生變化，即變形位置可能偏離基準(zhǔn)位置，由此在激光 靶上呈現(xiàn)變形位置圖像，記錄該變形位置圖像。
[0030] 而上述基準(zhǔn)位置圖像和變形位置圖像的截取通過數(shù)據(jù)采集處理單元來實(shí)現(xiàn)，該數(shù) 據(jù)采集處理單元同樣也設(shè)置在鏈刀的內(nèi)部，由此可以采集到鏈刀的變形位置。作為優(yōu)選地， 數(shù)據(jù)采集處理單元包括與多個激光靶對應(yīng)的多個視覺傳感器，視覺傳感器能夠采集對應(yīng)激 光靶上的圖像，并且視覺傳感器能夠?qū)D像中的變形位置處理成變形量。
[0031] 在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖1、圖2和圖3所示，激光靶和視覺傳感器的數(shù)量分別 為3個，分別對應(yīng)地設(shè)置于鏈刀的前部、中部和后部。如圖1和圖2所示，鏈刀的內(nèi)部設(shè)置 有3處激光靶的安裝位置，第一安裝位置處20設(shè)置在鏈刀的后部，第二安裝位置處30設(shè)置 在鏈刀的中部，第三安裝位置處40設(shè)置在鏈刀的前部，第一安裝位置處20安裝有第一激光 靶21和對應(yīng)的視覺傳感器22,第二安裝位置處30安裝有第二激光靶31和第二視覺傳感器 32,第三安裝位置處40安裝有第三激光靶41和第三視覺傳感器42。
[0032] 然后，視覺傳感器能夠結(jié)合基準(zhǔn)位置圖像的基準(zhǔn)位置和變形位置圖像中的變形位 置通過CalibrateAdvanced工具進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與標(biāo)定，由此形成圖4中所示的操作人員直 觀看到的網(wǎng)格坐標(biāo)和變形量。
[0033] 上位機(jī)70 (參見圖1)包括顯示單元，如圖4所示，顯示單元可以實(shí)時地接收并且 顯示鏈刀的變形量。如圖所示第一變形位置210示意為鏈刀后部的變形量，第二變形位置 310示意為鏈刀中部的變形量，第三變形位置410示意為鏈刀前部的變形量。可見正如上文 所述，鏈刀的根部一般不會發(fā)生變形，激光束穿過設(shè)置在鏈刀后部的第一安裝位置處20的 激光靶21在鏈刀變形前后基本沒有發(fā)生變化，而激光束穿過設(shè)置在鏈刀中部的激光靶31 和鏈刀后部的激光靶41在鏈刀變形前后發(fā)生變化。
[0034] 由此本發(fā)明所采用的變形監(jiān)測方法包括步驟S1 :通過設(shè)置于鏈刀內(nèi)部的媒介單 元獲取鏈刀的變形位置。步驟S2 :通過設(shè)置于所述鏈刀內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集處理單元采集變形 位置，并且根據(jù)變形位置確定鏈刀的變形量；步驟S3 :實(shí)時地顯示鏈刀的變形量。便于現(xiàn)場 施工人員實(shí)施監(jiān)測鏈刀的變形量。
[0035] 進(jìn)一步地，激光靶的靶面上設(shè)置有過濾網(wǎng)格，過濾網(wǎng)格的線條部分能夠阻擋激光 束穿透，從而使得部分激光束在靶面上形成圖像，但是其余激光束能夠穿透過濾網(wǎng)格的空 白部分。由此激光束能夠在各個激光靶上一一形成圖像。為了保證激光發(fā)射器10可以依 次穿過3個激光靶，為了適應(yīng)鏈刀的工作環(huán)境，激光靶選用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃，抗拉強(qiáng)度為 55?77Mpa并且抗壓強(qiáng)度為130Mpa。另外為了保障每個激光靶上的激光光斑能被視覺傳 感器識別并且采集該光斑圖像，激光靶材料的光學(xué)特性影響到視覺傳感器對激光靶上的激 光光斑的捕捉，本發(fā)明優(yōu)選選用的有機(jī)玻璃材料可透過92%以上的太陽光，特別是紫外線 的透過率達(dá)73. 5%，材料本身做表面處理，單面絲印紅色網(wǎng)格線，網(wǎng)格大小2mmX2mm，線條 粗0. 3_，發(fā)射到紅色線條部分時激光的行程收到阻滯，由此在激光靶上形成圖像，而其余 空白處為干涉帶通濾光部位，保證激光可以通過這些空白處穿過。
[0036] 在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，視覺傳感器安裝在激光靶的前側(cè)，以便獲取變準(zhǔn)確地圖 像。優(yōu)選地，相鄰的視覺傳感器間隔20ms采集變形位置。視覺傳感器可以是攝像機(jī)，避開 其自身的振動頻段后，調(diào)節(jié)焦距及光圈，由此確保圖像清晰，例如控制器50可以順次間隔 20ms啟動第一視覺傳感器22、第二視覺傳感器32和第三視覺傳感器42 (參見圖1和圖3)。
[0037] 此外，如圖1所示，變形監(jiān)測系統(tǒng)還包括控制器50,數(shù)據(jù)采集處理單元將處理好的 變形量結(jié)果通過交換機(jī)60發(fā)送給控制器50,由控制器50傳輸給上位機(jī)70,此外通過上位 機(jī)70還可以向控制器50發(fā)送輸入指令，控制器50可以根據(jù)不同的輸入指令控制激光發(fā)射 器和視覺傳感器的啟動和關(guān)閉。另外，控制器50還可以承擔(dān)將變形量的顯示信號發(fā)送給上 位機(jī)70的顯示單元，以在屏幕上顯示變形量。優(yōu)選地,交換機(jī)60通過Profinet總線分別連 接于數(shù)據(jù)采集處理單元和控制器50,控制器50通過Profibus-Dp總線連接于顯示單元。 [〇〇38] 雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況 下，可以對其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。本發(fā)明并不局限于文中公 開的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于預(yù)切槽機(jī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括： 媒介單元，其設(shè)置于鏈刀的內(nèi)部，當(dāng)鏈刀發(fā)生變形時，所述媒介單元獲取所述鏈刀的變 形位置； 數(shù)據(jù)采集處理單元，其設(shè)置于所述鏈刀的內(nèi)部，用于采集所述變形位置，并且根據(jù)所述 變形位置確定所述鏈刀的變形量； 顯示單元，其實(shí)時地接收并且顯示所述鏈刀的所述變形量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制器，所述數(shù)據(jù)采集處 理單元通過交換機(jī)將所述變形量發(fā)送至所述控制器，所述控制器將所述變形量發(fā)送至所述 顯示單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述交換機(jī)通過Profinet總線分 別電連接于所述數(shù)據(jù)采集處理單元和所述控制器，和/或所述控制器通過Profibus-Dp總線 電連接于所述顯示單元。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述媒介單元包括： 激光發(fā)射器，其設(shè)置于所述鏈刀的根部，并且能夠發(fā)射沿所述鏈刀的軸線方向的激光 束； 多個激光靶，其沿所述鏈刀的軸線方向分散設(shè)置于所述鏈刀的內(nèi)部，并且所述激光靶 的靶面朝向所述激光發(fā)射器； 其中所述激光束能夠在所述激光靶上形成圖像，并且能夠穿透所述激光靶。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集處理單元包括與 所述多個激光靶對應(yīng)的多個視覺傳感器，所述視覺傳感器能夠采集對應(yīng)的所述激光靶上的 所述圖像，并且所述視覺傳感器能夠?qū)⑺鰣D像中的變形位置處理成所述變形量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述激光靶和所述視覺傳感器 的數(shù)量分別為3個，分別對應(yīng)地設(shè)置于所述鏈刀的前部、中部和后部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述激光靶的所述靶面上設(shè)置 有過濾網(wǎng)格，所述過濾網(wǎng)格的線條部分能夠阻擋所述激光束穿透以使所述激光束在所述靶 面上形成所述圖像，并且所述激光束能夠穿透所述過濾網(wǎng)格的空白部分。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，相鄰的所述視覺傳 感器間隔20ms采集所述變形位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的變形監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器能夠根據(jù)輸入指 令控制所述激光發(fā)射器和視覺傳感器的啟動和關(guān)閉。
10. -種變形監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :通過設(shè)置于鏈刀內(nèi)部的媒介單元獲取所述鏈刀的變形位置； 步驟2 :通過設(shè)置于所述鏈刀內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集處理單元采集所述變形位置，并且根據(jù) 所述變形位置確定所述鏈刀的變形量； 步驟3 :實(shí)時地顯示所述鏈刀的所述變形量。
【文檔編號】G01B11/16GK104111033SQ201410365744
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】鄒今檢, 秦念穩(wěn), 秦偉航, 李鵬華 申請人:中國鐵建重工集團(tuán)有限公司