用于预切槽机的变形监测系统及变形监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于预切槽机的变形监测系统及变形监测方法。这种变形监测系统包括：媒介单元，其设置于链刀的内部，当链刀发生变形时，所述媒介单元获取所述链刀的变形位置；数据采集处理单元，其设置于所述链刀的内部，用于采集所述变形位置，并且根据所述变形位置确定所述链刀的变形量；显示单元，其实时地接收并且显示所述链刀的所述变形量。这种变形监测系统测量准确，并且能够实时地显示链刀的变形情况。
【专利说明】用于预切槽机的变形监测系统及变形监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程机械领域，尤其涉及一种用于预切槽机的变形监测系统。此外，本 发明还涉及一种所述预切槽机的变形监测方法。
【背景技术】
[0002] 预切槽技术属于预支护技术范畴，是指在开挖掌子面之前，用预切槽机沿隧道断 面周边切割出一条深槽，随后紧接着向槽中灌注混凝土，这样就在掌子面前面形成了一个 连续的预支护壳体，也就是一个预置拱圈。随后在混凝土壳体的保护下进行机械的全断面 或者半断面开挖。预切槽技术形成的混凝土壳体是分环施工的，环与环之间有一定的搭接， 从而形成连续的支护结构，它可以作为永久支护的一部分，在开挖后进行二次衬砌混凝土 的浇筑。这种混凝土壳体可以同时完成超前支护和喷混凝土两方面的作用，可以有效地控 制地表沉降和对周围建筑物的影响。
[0003] 预切槽机主要包括四部分：链刀刀具、切槽导轨、龙门架和走行机构。预切槽机的 刀具类似一个大型的链锯，表面呈锯齿状。通常的刀具采用的是双导轨，相互间是锯齿咬 合。链式刀具安装在导轨上，导轨的形状就是断面的外轮廓形状。龙门架的作用主要是确 保导轨的结构刚度和稳定性。此外，还包括两个相互独立的走行机构。在导轨的两端各一 个，主要用于带动上述部件移动。
[0004] 虽然链刀属于钢结构，但是在切削岩土的过程中链刀会受到岩土对其的反作用 力，而这种反作用力使得链刀产生一定的变形。链刀变形过大会影响隧道预支拱的质量，因 此需要对预切槽机的链刀的变形情况适时地进行检测。通常采用水准仪、全站仪、近景摄影 测量、GPS、测量机器人、三维激光扫描仪、液体静力水准仪等方法检测链刀的变形，由于链 刀工作环境的特殊性，上述测量方法对几何变形量的处理都不是很直观，并且测量结果存 在误差的情况。因此，急需一种测量准确、直观化的变形监测系统。
【发明内容】
[0005] 针对上述的问题，本发明提出了一种用于预切槽机的变形监测系统，采用这种变 形监测系统进行链刀变形监测时准确性高、可靠性好并且采集结果直观化。此外，本发明还 提出了一种相关的变形监测方法。
[0006] 根据本发明的第一方面，提出了一种用于预切槽机的变形监测系统，其包括：媒介 单元，其设置于链刀的内部，当链刀发生变形时，媒介单元获取链刀的变形位置；数据采集 处理单元，其设置于所述链刀的内部，用于采集所述变形位置，并且根据所述变形位置确定 所述链刀的变形量；显示单元，其实时地接收并且显示链刀的变形量。
[0007] 采用本发明的预切槽机的变形监测系统测量链刀的变形量时，媒介单元实时地获 取链刀的变形位置，数据采集处理单元采集该并行位置并且将该变形位置转换为链刀的变 形量，然后显示单元实时地显示该变形量。由此在采用预切槽机施工的过程中能够随时掌 握链刀的变形情况，确保施工质量。
[0008] 在一个实施例中，变形监测系统还包括控制器，所述数据采集处理单元通过交换 机将所述变形量发送至所述控制器，所述控制器将所述变形量发送至所述显示单元。由此 数据采集处理单元及时地处理所述变形位置来获取变形量，并且顺利地将该变形量传输给 显示单元以显示。
[0009] 在一个实施例中，交换机通过Profinet总线分别电连接于数据采集处理单元和控 制器，和/或控制器通过Profibus-Dp总线电连接于显示单元。由此提高数据传输速度的同 时，提高数据传输的可靠性。
[0010] 在一个实施例中，媒介单元包括：激光发射器，其设置于链刀的根部，并且能够发 射沿链刀的轴线方向的激光束；多个激光靶，其沿链刀的轴线方向分散设置于链刀的内部， 并且激光靶的靶面朝向激光发射器；其中激光束能够在激光靶上形成图像，并且能够穿透 激光靶。由此当链刀弯曲变形时激光束在激光靶上形成的图像中的变形位置就会偏离原来 的基准位置。
[0011] 在一个实施例中，数据采集处理单元包括与多个激光靶对应的多个视觉传感器， 视觉传感器能够采集对应的激光靶上的图像，并且视觉传感器能够将图像中的变形位置处 理成变形量。多个激光靶和对应的多个视觉传感器的设置可以采集到链刀不同部位的弯曲 变形情况。
[0012] 在一个实施例中，激光靶和视觉传感器的数量分别为3个，分别对应地设置于链 刀的前部、中部和后部。从而在保证监测效果的同时节省成本。
[0013] 在一个实施例中，激光靶的靶面上设置有过滤网格，过滤网格的线条部分能够阻 挡激光束穿透以使激光束在靶面上形成图像，并且激光束能够穿透过滤网格的空白部分。 由此激光束能够在前面的激光靶上形成图像的同时还能够发射到后面的激光靶上。
[0014] 在一个实施例中，相邻的视觉传感器间隔20ms采集变形位置。由此避开传感器自 身的振动频段，提高视觉传感器采集图像的准确性。
[0015] 在一个实施例中，控制器能够根据输入指令控制激光发射器和视觉传感器的启动 和关闭。
[0016] 根据本发明的第二方面，提出了一种变形监测方法，其包括以下步骤：步骤1 :通 过设置于链刀内部的媒介单元获取链刀的变形位置；步骤2 :通过设置于所述链刀内部的 数据采集处理单元采集变形位置，并且根据变形位置确定所述链刀的变形量；步骤3 :实时 地显示链刀的变形量。由此实现链刀变形量的实时监测，提高采用预切槽机施工的质量。
[0017] 在本申请中，用语"前部"、"后部"规定为远离链刀根部的位置为前，靠近链刀根部 的位置为后。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优点在于，通过设置于链刀内部的媒介单元获取链刀 的变形位置，特别是设置于链刀根部的激光发射器和沿链刀轴线方向分散设置的多个激光 靶，激光发射器发射沿链刀轴线方向的激光束，在链刀变形时激光束在激光靶上位置发生 改变，即在激光靶上形成变形位置，通过对应的视觉传感器获取该变形位置后，将变形位置 与标准坐标值比较以形成变形量，以此确定链刀的变形量。该变形监测系统包括的显示单 元能够实时地显示该变形量，由此现场作业人员可以实时地掌握链刀作业过程中的变形 量，确保施工质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
[0020] 图1是根据本发明的一个优选实施例的变形监测系统的原理框图；
[0021] 图2是图1所示的变形监测系统在链刀内部的媒介单元和数据采集单元的安装示 意图；
[0022] 图3是图1所示的变形监测系统的媒介单元工作示意图；
[0023] 图4是图1所示的变形监测系统的显示单元的显示界面图；
[0024] 图5是根据本发明的一个优选实施例的变形监测方法的流程图。
[0025] 在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0027] 本发明公开的用于预切槽机的变形监测系统包括媒介单元、数据采集处理单元和 显示单元。下面将详细地描述本发明的变形监测系统及其各个器件。
[0028] 需要说明的是，链刀的根部是指链刀与切槽导轨的连接处。另外，需要说明的是通 常情况下，链刀是长度为7米左右的矩形长梁钢结构。此外，显示单元显示的变形量是人为 能够识别的数值，而数据采集处理单元获取的变形量以及传输过程中的变形量是各个器件 能够识别的电信号。
[0029] 媒介单元设置于链刀的内部，当链刀发生变形时，媒介单元获取链刀的变形位置。 作为一个优选的实施例，媒介单元包括激光发射器10和多个激光靶，如图2和图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。激光发射器10设置在链刀的根部， 由此可以以激光发射器10所在的位置作为基准位置，多个激光靶与激光发射器10尽可能 地保持在一条直线上，优选地，激光发射器10所发射的激光束沿链刀的轴线方向，多个激 光靶沿链刀的轴线方向分散设置，并且激光靶的靶面朝向激光发射器10 (参见图3)，当激 光束射向激光靶时，部分激光束在激光靶上形成图像，其余部分激光束穿透激光靶射向后 面的激光靶，由此在链刀未发生变形的情况下，激光束在各个激光靶上形成基准位置图像， 记录该基准位置图像，如图3中的XY平面的原点位置可以作为基准位置。当链刀发生变形 时，激光靶随着链刀的变形而移动，而由于链刀的根部一般不会发生变形，所以设置在链刀 根部的激光发射器10所发出的激光束的方向和位置均没有发生变化，因此激光束在各个 激光靶上形成的图像相比基准位置发生变化，即变形位置可能偏离基准位置，由此在激光 靶上呈现变形位置图像，记录该变形位置图像。
[0030] 而上述基准位置图像和变形位置图像的截取通过数据采集处理单元来实现，该数 据采集处理单元同样也设置在链刀的内部，由此可以采集到链刀的变形位置。作为优选地， 数据采集处理单元包括与多个激光靶对应的多个视觉传感器，视觉传感器能够采集对应激 光靶上的图像，并且视觉传感器能够将图像中的变形位置处理成变形量。
[0031] 在一个优选的实施例中，如图1、图2和图3所示，激光靶和视觉传感器的数量分别 为3个，分别对应地设置于链刀的前部、中部和后部。如图1和图2所示，链刀的内部设置 有3处激光靶的安装位置，第一安装位置处20设置在链刀的后部，第二安装位置处30设置 在链刀的中部，第三安装位置处40设置在链刀的前部，第一安装位置处20安装有第一激光 靶21和对应的视觉传感器22,第二安装位置处30安装有第二激光靶31和第二视觉传感器 32,第三安装位置处40安装有第三激光靶41和第三视觉传感器42。
[0032] 然后，视觉传感器能够结合基准位置图像的基准位置和变形位置图像中的变形位 置通过CalibrateAdvanced工具进行坐标转换与标定，由此形成图4中所示的操作人员直 观看到的网格坐标和变形量。
[0033] 上位机70 (参见图1)包括显示单元，如图4所示，显示单元可以实时地接收并且 显示链刀的变形量。如图所示第一变形位置210示意为链刀后部的变形量，第二变形位置 310示意为链刀中部的变形量，第三变形位置410示意为链刀前部的变形量。可见正如上文 所述，链刀的根部一般不会发生变形，激光束穿过设置在链刀后部的第一安装位置处20的 激光靶21在链刀变形前后基本没有发生变化，而激光束穿过设置在链刀中部的激光靶31 和链刀后部的激光靶41在链刀变形前后发生变化。
[0034] 由此本发明所采用的变形监测方法包括步骤S1 :通过设置于链刀内部的媒介单 元获取链刀的变形位置。步骤S2 :通过设置于所述链刀内部的数据采集处理单元采集变形 位置，并且根据变形位置确定链刀的变形量；步骤S3 :实时地显示链刀的变形量。便于现场 施工人员实施监测链刀的变形量。
[0035] 进一步地，激光靶的靶面上设置有过滤网格，过滤网格的线条部分能够阻挡激光 束穿透，从而使得部分激光束在靶面上形成图像，但是其余激光束能够穿透过滤网格的空 白部分。由此激光束能够在各个激光靶上一一形成图像。为了保证激光发射器10可以依 次穿过3个激光靶，为了适应链刀的工作环境，激光靶选用高强度有机玻璃，抗拉强度为 55?77Mpa并且抗压强度为130Mpa。另外为了保障每个激光靶上的激光光斑能被视觉传 感器识别并且采集该光斑图像，激光靶材料的光学特性影响到视觉传感器对激光靶上的激 光光斑的捕捉，本发明优选选用的有机玻璃材料可透过92%以上的太阳光，特别是紫外线 的透过率达73. 5%，材料本身做表面处理，单面丝印红色网格线，网格大小2mmX2mm，线条 粗0. 3_，发射到红色线条部分时激光的行程收到阻滞，由此在激光靶上形成图像，而其余 空白处为干涉带通滤光部位，保证激光可以通过这些空白处穿过。
[0036] 在一个优选的实施例中，视觉传感器安装在激光靶的前侧，以便获取变准确地图 像。优选地，相邻的视觉传感器间隔20ms采集变形位置。视觉传感器可以是摄像机，避开 其自身的振动频段后，调节焦距及光圈，由此确保图像清晰，例如控制器50可以顺次间隔 20ms启动第一视觉传感器22、第二视觉传感器32和第三视觉传感器42 (参见图1和图3)。
[0037] 此外，如图1所示，变形监测系统还包括控制器50,数据采集处理单元将处理好的 变形量结果通过交换机60发送给控制器50,由控制器50传输给上位机70,此外通过上位 机70还可以向控制器50发送输入指令，控制器50可以根据不同的输入指令控制激光发射 器和视觉传感器的启动和关闭。另外，控制器50还可以承担将变形量的显示信号发送给上 位机70的显示单元，以在屏幕上显示变形量。优选地,交换机60通过Profinet总线分别连 接于数据采集处理单元和控制器50,控制器50通过Profibus-Dp总线连接于显示单元。 [〇〇38] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况 下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公 开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
【权利要求】
1. 一种用于预切槽机的变形监测系统，其特征在于，包括： 媒介单元，其设置于链刀的内部，当链刀发生变形时，所述媒介单元获取所述链刀的变 形位置； 数据采集处理单元，其设置于所述链刀的内部，用于采集所述变形位置，并且根据所述 变形位置确定所述链刀的变形量； 显示单元，其实时地接收并且显示所述链刀的所述变形量。
2. 根据权利要求1所述的变形监测系统，其特征在于，还包括控制器，所述数据采集处 理单元通过交换机将所述变形量发送至所述控制器，所述控制器将所述变形量发送至所述 显示单元。
3. 根据权利要求2所述的变形监测系统，其特征在于，所述交换机通过Profinet总线分 别电连接于所述数据采集处理单元和所述控制器，和/或所述控制器通过Profibus-Dp总线 电连接于所述显示单元。
4. 根据权利要求2或3所述的变形监测系统，其特征在于，所述媒介单元包括： 激光发射器，其设置于所述链刀的根部，并且能够发射沿所述链刀的轴线方向的激光 束； 多个激光靶，其沿所述链刀的轴线方向分散设置于所述链刀的内部，并且所述激光靶 的靶面朝向所述激光发射器； 其中所述激光束能够在所述激光靶上形成图像，并且能够穿透所述激光靶。
5. 根据权利要求4所述的变形监测系统，其特征在于，所述数据采集处理单元包括与 所述多个激光靶对应的多个视觉传感器，所述视觉传感器能够采集对应的所述激光靶上的 所述图像，并且所述视觉传感器能够将所述图像中的变形位置处理成所述变形量。
6. 根据权利要求5所述的变形监测系统，其特征在于，所述激光靶和所述视觉传感器 的数量分别为3个，分别对应地设置于所述链刀的前部、中部和后部。
7. 根据权利要求4所述的变形监测系统，其特征在于，所述激光靶的所述靶面上设置 有过滤网格，所述过滤网格的线条部分能够阻挡所述激光束穿透以使所述激光束在所述靶 面上形成所述图像，并且所述激光束能够穿透所述过滤网格的空白部分。
8. 根据权利要求5至7中任一项所述的变形监测系统，其特征在于，相邻的所述视觉传 感器间隔20ms采集所述变形位置。
9. 根据权利要求5或6所述的变形监测系统，其特征在于，所述控制器能够根据输入指 令控制所述激光发射器和视觉传感器的启动和关闭。
10. -种变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :通过设置于链刀内部的媒介单元获取所述链刀的变形位置； 步骤2 :通过设置于所述链刀内部的数据采集处理单元采集所述变形位置，并且根据 所述变形位置确定所述链刀的变形量； 步骤3 :实时地显示所述链刀的所述变形量。
【文档编号】G01B11/16GK104111033SQ201410365744
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】邹今检, 秦念稳, 秦伟航, 李鹏华 申请人:中国铁建重工集团有限公司