用于預切槽機的變形監測系統及變形監測方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于預切槽機的變形監測系統及變形監測方法。這種變形監測系統包括：媒介單元，其設置于鏈刀的內部，當鏈刀發生變形時，所述媒介單元獲取所述鏈刀的變形位置；數據采集處理單元，其設置于所述鏈刀的內部，用于采集所述變形位置，并且根據所述變形位置確定所述鏈刀的變形量；顯示單元，其實時地接收并且顯示所述鏈刀的所述變形量。這種變形監測系統測量準確，并且能夠實時地顯示鏈刀的變形情況。
【專利說明】用于預切槽機的變形監測系統及變形監測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及工程機械領域，尤其涉及一種用于預切槽機的變形監測系統。此外，本 發明還涉及一種所述預切槽機的變形監測方法。

【背景技術】
[0002] 預切槽技術屬于預支護技術范疇，是指在開挖掌子面之前，用預切槽機沿隧道斷 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 連續的預支護殼體，也就是一個預置拱圈。隨后在混凝土殼體的保護下進行機械的全斷面 或者半斷面開挖。預切槽技術形成的混凝土殼體是分環施工的，環與環之間有一定的搭接， 從而形成連續的支護結構，它可以作為永久支護的一部分，在開挖后進行二次襯砌混凝土 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] 預切槽機主要包括四部分：鏈刀刀具、切槽導軌、龍門架和走行機構。預切槽機的 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軌，相互間是鋸齒咬 合。鏈式刀具安裝在導軌上，導軌的形狀就是斷面的外輪廓形狀。龍門架的作用主要是確 保導軌的結構剛度和穩定性。此外，還包括兩個相互獨立的走行機構。在導軌的兩端各一 個，主要用于帶動上述部件移動。
[0004] 雖然鏈刀屬于鋼結構，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生一定的變形。鏈刀變形過大會影響隧道預支拱的質量，因 此需要對預切槽機的鏈刀的變形情況適時地進行檢測。通常采用水準儀、全站儀、近景攝影 測量、GPS、測量機器人、三維激光掃描儀、液體靜力水準儀等方法檢測鏈刀的變形，由于鏈 刀工作環境的特殊性，上述測量方法對幾何變形量的處理都不是很直觀，并且測量結果存 在誤差的情況。因此，急需一種測量準確、直觀化的變形監測系統。


【發明內容】

[0005] 針對上述的問題，本發明提出了一種用于預切槽機的變形監測系統，采用這種變 形監測系統進行鏈刀變形監測時準確性高、可靠性好并且采集結果直觀化。此外，本發明還 提出了一種相關的變形監測方法。
[0006] 根據本發明的第一方面，提出了一種用于預切槽機的變形監測系統，其包括：媒介 單元，其設置于鏈刀的內部，當鏈刀發生變形時，媒介單元獲取鏈刀的變形位置；數據采集 處理單元，其設置于所述鏈刀的內部，用于采集所述變形位置，并且根據所述變形位置確定 所述鏈刀的變形量；顯示單元，其實時地接收并且顯示鏈刀的變形量。
[0007] 采用本發明的預切槽機的變形監測系統測量鏈刀的變形量時，媒介單元實時地獲 取鏈刀的變形位置，數據采集處理單元采集該并行位置并且將該變形位置轉換為鏈刀的變 形量，然后顯示單元實時地顯示該變形量。由此在采用預切槽機施工的過程中能夠隨時掌 握鏈刀的變形情況，確保施工質量。
[0008] 在一個實施例中，變形監測系統還包括控制器，所述數據采集處理單元通過交換 機將所述變形量發送至所述控制器，所述控制器將所述變形量發送至所述顯示單元。由此 數據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] 在一個實施例中，交換機通過Profinet總線分別電連接于數據采集處理單元和控 制器，和/或控制器通過Profibus-Dp總線電連接于顯示單元。由此提高數據傳輸速度的同 時，提高數據傳輸的可靠性。
[0010] 在一個實施例中，媒介單元包括：激光發射器，其設置于鏈刀的根部，并且能夠發 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置于鏈刀的內部， 并且激光靶的靶面朝向激光發射器；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 的基準位置。
[0011] 在一個實施例中，數據采集處理單元包括與多個激光靶對應的多個視覺傳感器， 視覺傳感器能夠采集對應的激光靶上的圖像，并且視覺傳感器能夠將圖像中的變形位置處 理成變形量。多個激光靶和對應的多個視覺傳感器的設置可以采集到鏈刀不同部位的彎曲 變形情況。
[0012] 在一個實施例中，激光靶和視覺傳感器的數量分別為3個，分別對應地設置于鏈 刀的前部、中部和后部。從而在保證監測效果的同時節省成本。
[0013] 在一個實施例中，激光靶的靶面上設置有過濾網格，過濾網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射到后面的激光靶上。
[0014] 在一個實施例中，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確性。
[0015] 在一個實施例中，控制器能夠根據輸入指令控制激光發射器和視覺傳感器的啟動 和關閉。
[0016] 根據本發明的第二方面，提出了一種變形監測方法，其包括以下步驟：步驟1 :通 過設置于鏈刀內部的媒介單元獲取鏈刀的變形位置；步驟2 :通過設置于所述鏈刀內部的 數據采集處理單元采集變形位置，并且根據變形位置確定所述鏈刀的變形量；步驟3 :實時 地顯示鏈刀的變形量。由此實現鏈刀變形量的實時監測，提高采用預切槽機施工的質量。
[0017] 在本申請中，用語"前部"、"后部"規定為遠離鏈刀根部的位置為前，靠近鏈刀根部 的位置為后。
[0018] 與現有技術相比，本發明的優點在于，通過設置于鏈刀內部的媒介單元獲取鏈刀 的變形位置，特別是設置于鏈刀根部的激光發射器和沿鏈刀軸線方向分散設置的多個激光 靶，激光發射器發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生 改變，即在激光靶上形成變形位置，通過對應的視覺傳感器獲取該變形位置后，將變形位置 與標準坐標值比較以形成變形量，以此確定鏈刀的變形量。該變形監測系統包括的顯示單 元能夠實時地顯示該變形量，由此現場作業人員可以實時地掌握鏈刀作業過程中的變形 量，確保施工質量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 在下文中將基于實施例并參考附圖來對本發明進行更詳細的描述。其中：
[0020] 圖1是根據本發明的一個優選實施例的變形監測系統的原理框圖；
[0021] 圖2是圖1所示的變形監測系統在鏈刀內部的媒介單元和數據采集單元的安裝示 意圖；
[0022] 圖3是圖1所示的變形監測系統的媒介單元工作示意圖；
[0023] 圖4是圖1所示的變形監測系統的顯示單元的顯示界面圖；
[0024] 圖5是根據本發明的一個優選實施例的變形監測方法的流程圖。
[0025] 在圖中，相同的構件由相同的附圖標記標示。附圖并未按照實際的比例繪制。

【具體實施方式】
[0026] 下面將結合附圖對本發明做進一步說明。
[0027] 本發明公開的用于預切槽機的變形監測系統包括媒介單元、數據采集處理單元和 顯示單元。下面將詳細地描述本發明的變形監測系統及其各個器件。
[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構。此外，顯示單元顯示的變形量是人為 能夠識別的數值，而數據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] 媒介單元設置于鏈刀的內部，當鏈刀發生變形時，媒介單元獲取鏈刀的變形位置。 作為一個優選的實施例，媒介單元包括激光發射器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。激光發射器10設置在鏈刀的根部， 由此可以以激光發射器10所在的位置作為基準位置，多個激光靶與激光發射器10盡可能 地保持在一條直線上，優選地，激光發射器10所發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置，并且激光靶的靶面朝向激光發射器10 (參見圖3)，當激 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，由此在鏈刀未發生變形的情況下，激光束在各個激光靶上形成基準位置圖像， 記錄該基準位置圖像，如圖3中的XY平面的原點位置可以作為基準位置。當鏈刀發生變形 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生變形，所以設置在鏈刀 根部的激光發射器10所發出的激光束的方向和位置均沒有發生變化，因此激光束在各個 激光靶上形成的圖像相比基準位置發生變化，即變形位置可能偏離基準位置，由此在激光 靶上呈現變形位置圖像，記錄該變形位置圖像。
[0030] 而上述基準位置圖像和變形位置圖像的截取通過數據采集處理單元來實現，該數 據采集處理單元同樣也設置在鏈刀的內部，由此可以采集到鏈刀的變形位置。作為優選地， 數據采集處理單元包括與多個激光靶對應的多個視覺傳感器，視覺傳感器能夠采集對應激 光靶上的圖像，并且視覺傳感器能夠將圖像中的變形位置處理成變形量。
[0031] 在一個優選的實施例中，如圖1、圖2和圖3所示，激光靶和視覺傳感器的數量分別 為3個，分別對應地設置于鏈刀的前部、中部和后部。如圖1和圖2所示，鏈刀的內部設置 有3處激光靶的安裝位置，第一安裝位置處20設置在鏈刀的后部，第二安裝位置處30設置 在鏈刀的中部，第三安裝位置處40設置在鏈刀的前部，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，視覺傳感器能夠結合基準位置圖像的基準位置和變形位置圖像中的變形位 置通過CalibrateAdvanced工具進行坐標轉換與標定，由此形成圖4中所示的操作人員直 觀看到的網格坐標和變形量。
[0033] 上位機70 (參見圖1)包括顯示單元，如圖4所示，顯示單元可以實時地接收并且 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生變形，激光束穿過設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生變化，而激光束穿過設置在鏈刀中部的激光靶31 和鏈刀后部的激光靶41在鏈刀變形前后發生變化。
[0034] 由此本發明所采用的變形監測方法包括步驟S1 :通過設置于鏈刀內部的媒介單 元獲取鏈刀的變形位置。步驟S2 :通過設置于所述鏈刀內部的數據采集處理單元采集變形 位置，并且根據變形位置確定鏈刀的變形量；步驟S3 :實時地顯示鏈刀的變形量。便于現場 施工人員實施監測鏈刀的變形量。
[0035] 進一步地，激光靶的靶面上設置有過濾網格，過濾網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。為了保證激光發射器10可以依 次穿過3個激光靶，為了適應鏈刀的工作環境，激光靶選用高強度有機玻璃，抗拉強度為 55?77Mpa并且抗壓強度為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，本發明優選選用的有機玻璃材料可透過92%以上的太陽光，特別是紫外線 的透過率達73. 5%，材料本身做表面處理，單面絲印紅色網格線，網格大小2mmX2mm，線條 粗0. 3_，發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] 在一個優選的實施例中，視覺傳感器安裝在激光靶的前側，以便獲取變準確地圖 像。優選地，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，避開 其自身的振動頻段后，調節焦距及光圈，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，變形監測系統還包括控制器50,數據采集處理單元將處理好的 變形量結果通過交換機60發送給控制器50,由控制器50傳輸給上位機70,此外通過上位 機70還可以向控制器50發送輸入指令，控制器50可以根據不同的輸入指令控制激光發射 器和視覺傳感器的啟動和關閉。另外，控制器50還可以承擔將變形量的顯示信號發送給上 位機70的顯示單元，以在屏幕上顯示變形量。優選地,交換機60通過Profinet總線分別連 接于數據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] 雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不脫離本發明的范圍的情況 下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。本發明并不局限于文中公 開的特定實施例，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。
【權利要求】
1. 一種用于預切槽機的變形監測系統，其特征在于，包括： 媒介單元，其設置于鏈刀的內部，當鏈刀發生變形時，所述媒介單元獲取所述鏈刀的變 形位置； 數據采集處理單元，其設置于所述鏈刀的內部，用于采集所述變形位置，并且根據所述 變形位置確定所述鏈刀的變形量； 顯示單元，其實時地接收并且顯示所述鏈刀的所述變形量。
2. 根據權利要求1所述的變形監測系統，其特征在于，還包括控制器，所述數據采集處 理單元通過交換機將所述變形量發送至所述控制器，所述控制器將所述變形量發送至所述 顯示單元。
3. 根據權利要求2所述的變形監測系統，其特征在于，所述交換機通過Profinet總線分 別電連接于所述數據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. 根據權利要求2或3所述的變形監測系統，其特征在于，所述媒介單元包括： 激光發射器，其設置于所述鏈刀的根部，并且能夠發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置于所述鏈刀的內部，并且所述激光靶 的靶面朝向所述激光發射器； 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. 根據權利要求4所述的變形監測系統，其特征在于，所述數據采集處理單元包括與 所述多個激光靶對應的多個視覺傳感器，所述視覺傳感器能夠采集對應的所述激光靶上的 所述圖像，并且所述視覺傳感器能夠將所述圖像中的變形位置處理成所述變形量。
6. 根據權利要求5所述的變形監測系統，其特征在于，所述激光靶和所述視覺傳感器 的數量分別為3個，分別對應地設置于所述鏈刀的前部、中部和后部。
7. 根據權利要求4所述的變形監測系統，其特征在于，所述激光靶的所述靶面上設置 有過濾網格，所述過濾網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格的空白部分。
8. 根據權利要求5至7中任一項所述的變形監測系統，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. 根據權利要求5或6所述的變形監測系統，其特征在于，所述控制器能夠根據輸入指 令控制所述激光發射器和視覺傳感器的啟動和關閉。
10. -種變形監測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :通過設置于鏈刀內部的媒介單元獲取所述鏈刀的變形位置； 步驟2 :通過設置于所述鏈刀內部的數據采集處理單元采集所述變形位置，并且根據 所述變形位置確定所述鏈刀的變形量； 步驟3 :實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 優先權日:2014年7月29日
【發明者】鄒今檢, 秦念穩, 秦偉航, 李鵬華 申請人:中國鐵建重工集團有限公司