Роботизация земляных и свайных работ

В строительстве для выполнения большой группы земляных ра­бот, таких как возведение насыпи, рытье котлованов и выемок, профилирование земляного полотна, планировка площадок и др., применяют многоцелевые землеройно-транспортные машины. Среди них выделяются одноковшовые экскаваторы, которые по кинематической структуре представляют манипулятор, снабжен­ный прямой или обратной лопатой. Эти машины могут составить основу для разработки роботизированной технологии производст­ва земляных работ на строительных площадках. На их базе воз­можно применение эффективных механизмов с автоматизирован­ным и автоматическим управлением для отрывки котлованов и траншей под фундаменты, зачистки неровностей в малообъемных выемках, подготовки траншей для укладки инженерных коммуни­каций и других работ.

Создание на базе экскаваторов землеройных роботов связано с автоматизацией режимов работы и управления перемещением ра­бочего органа, обеспечением требуемого качества обрабатываемой поверхности и защитой машин при возникновении аварийных мо­ментов во время эксплуатации. При автоматизации режимов копа­ния обеспечивается полное использование мощности двигателя и наибольшая производительность. В основу построения САР режи­мов копания положен принцип стабилизации нагрузки приводно­го двигателя от сил сопротивления резанию путем изменения тол­щины срезаемого слоя. Регулируемым параметром в этих системах является нагрузка на двигатель, а регулирующим — положение ра­бочего органа. Величина нагрузки контролируется косвенными методами путем измерения крутящего момента, тягового усилия, угловой скорости вала двигателя или степени буксования ведущих колес. Создание на базе экскаваторов землеройных роботов связа­но с решением проблемы перевода отдельных операций цикла на программное управление и решением задачи планирования дви­жений рабочего органа. В настоящее время задачи программного управления решаются на базе использования бортовой управляю­щей микроЭВМ. При этом необходимо оснастить машину инфор­мационно-измерительной системой контроля основных парамет­ров состояния. На первых этапах создания землеройных роботов следует использовать интерактивное и супервизорное управление. Процесс обучения выполняется в ручном режиме, в ходе которого запоминается последовательность и основные показатели выпол­нения отдельных операция. Затем эти действия могут многократно повторяться в автоматическом режиме.

Создание на базе экскаваторов землеройных роботов в первую очередь связано с разработкой более совершенных рукоятий-манипуляторов. Значительно боль­ший эффект достигается в соче­тании с телескопической руко­ятью экскаватора (рисунке 6.1).

Рисунок 6.1. Рукоять-манипулятор гидравлического одноковшового экскаватора

Ее применение обеспечивает прямолинейное движение рабо­чего органа. В результате реша­ется проблема устранения вол­нообразного профиля основа­ния (дна) котлованов и траншей.

Для решение проблемы отрывки выемок вблизи стен, фун­даментов, а также с наклонной осью в вертикальной плоско­сти, перпендикулярной оси движения машины и различной конфигурации в плане, разра­ботан манипулятор с цепным рабочим органом (рисунок 6.2).

Работа землеройной машины заключается в следующем. При от­рывке линейно-протяженных выемок и траншей, землеройная ма­шина работает, как существующие экскаваторы с цепным рабочим органом. Для отрывки круглых в плане выемок с помощью гидро­привода приводится во вращение стол и цепной рабочий орган. Одновременно с этим рабочий орган перемещается относительно

стрелы вниз. В результате этого отрывается выемка цилиндриче­ской формы. Аналогично с помощью этого манипулятора осуще­ствляется отрывка выемок овальной в плане и другой формы.

Рисунок 6.2. Манипулятор с цепным рабочим органом для отрывки земляных сооружений заданного профиля

Задание уклонов и плоскостей обрабатываемых котлованов и траншей выполняется с помощью лазерных систем. Она состоит (рисунок 6.3) из лазерного излучателя ЛИ, устанавливаемого на штативе 4, и фотоприемного устройства ФПУ с механизмом пере­мещения МП (электродвигатель с редуктором), размещаемых на машине. Лазерный излучатель ЛИ содержит лазер 1 с коллимато­ром, вращающуюся призму 2, электродвигатель с редуктором 3. Излучатель формирует луч с малым углом расходимости, с помо­щью которого задается опорная линия или плоскость. Угол накло­на луча устанавливается вручную с помощью микрометрических винтов и уровней. При роботизации земляных работ необходимо использовать лазерные излуча­тели с автоматическим задани­ем и установкой направления луча. Для сканирования плос­кости используется вращающа­яся призма 2, которая прелом­ляет луч на 90° и сканирует плоскость. Питается лазерный излучатель от аккумулятора 5.

Фотоприемное устройство со­стоит из трех световодов, рас­положенных один над другим и разделенных между собой экра­нами. Каждый световод окан­чивается фотодиодом ФД, под­ключенным на вход усилителя.

Световоды имеют возможность принимать сигнал (луч) из лю­бой точки горизонта в диапазо­не 360°. Световоды вырабаты­вают сигнал отклонения коор­динаты рабочего органа машины от заданной, который после усиления подается на управление положением рабо­чего органа машины. Веерный луч или плоскость могут быть рас­положены горизонтально или под заданным углом к горизонту. Бортовое оборудование включает фотоприемное устройство (фо­тодетектор) и устройство обработки данных. Фотодетектор имеет круговой обзор и устанавливается на штанге.. Точность управле­ния относительно опорной лазерной плоскости зависит от стаби­льности направления лазерного луча и точности регистрации по­ложения фотоприемника относительно луча. При автоматическом управлении положением рабочих органов выходной сигнал фото­приемного устройства подается в управляющую микроЭВМ.

Рисунок 6.3. Лазерная система задания осей и плоскостей ЛИ — лазерный излучатель; ФПУ — фотоприемное устройство;

1 — лазер; 2 — вращающаяся призма; 3 — привод; 4 — штатив; 5 — аккумулятор СВ — световоды; ШТ — штанга телескопическая; МП — механизм подъема

Еще одно перспективное направление использование промыш­ленных роботов связано с выполнением свайных работ. Примене­ния роботов и создания на основе сваебойных агрегатов РТК, оснащенных лазерными системами контроля, позволяет автомати­зировать процесс забивки свай, их подрезки. В состав комплекса включается сваебойная установка, робот для подачи свай и их по­дрезки со сменным рабочим органом. На рисунке 6.4 приведен при­мер такого комплекса, оснащенного лазерной системой контроля. Аппаратура контроля состоит из лазерного излучателя ЛИ, фото­датчика ФД и панели контроля ПК. Для задания проектной оси забивки свай вдоль нее направляется лазерный луч. На мачте 1 сваебойной установки монтируется фотодатчик, фиксирующий положение луча в горизонтальной плоскости. Установка мачт вы­полняется в створе луча. При забивке свай до заданной отметки фотодатчик размещается на наголовнике и фиксирует положение луча в вертикальной плоскости. Если лазерный луч используется только для задания горизонтального уровня погружения свай, то в этом случае его удобно разворачивать в плоскость, располагая ла­зерный прибор за пределами рабочей площадки. Контроль срезки свай под проектную отметку также целесообразно проводить при помощи лазерного прибора, задающего горизонтальную плос­кость. Относительно этой плоскости и выполняется контроль за положением рабочего органа 3 установки. Фотодатчик ФД разме­щается на рабочем органе. Информация с фотодатчика поступает в систему управления комплексом и используется для установки свай и рабочего инструмента в заданное положение.

Рисунок 6.4. Роботизированный комплекс для свайных работ 1 — сваебойная установка; 2 — свая; 3 — рабочий орган; 4 — робот для подачи, установки и подрезки свай; 5 — лазерная система контроля

С помощью лазерного луча задаются разбивочные оси и высотные отметки при забивке и подрезке свай. Кроме того, лазерный луч, разверну­тый в вертикальную плоскость, позволяет контролировать верти­кальность погружения свай и положение направляющей-мачты копра. При сооружении свайных фундаментов лазерное визирова­ние в сочетании с линейными измерениями в направлении разбивочных осей позволяет автоматизировать процесс установки свай в заданное место и их погружения до заданной отметки. Исполь­зование лазерной системы в составе РТК позволяет автоматизиро­вать процесс разбивки свайного поля, передвижение оборудова­ния и его ориентирование в новой точке по створу разбивочных осей. Автоматизация процесса погружения свай на основе роботов и лазерных систем позволяет значительно улучшить качество воз­ведения фундаментов, повысить производительность труда и со­кратить сроки выполнения работ.

Заключение

Дальнейшее развитие строительных технологических процессов во многом связано с широким внедрением и применением средств и систем автоматизации и робототехники на строительной пло­щадке. Это становится возможным по мере совершенствования строительной техники, обусловленного использованием новейших достижений в области электроники. Интеллектуализация строите­льных машин направлена на повышение точности выполнения ра­бочих операций, улучшение управляемости, повышение рентабе­льности и безопасности, снижению доли трудоемких процессов. Наблюдается заметный прогресс в области совершенствования датчиков и устройств обработки информации, в первую очередь микропроцессоров и микро-ЭВМ, так что стала возможной авто­матизация различных видов работ.

Известные зарубежные фирмы, выпускающие строительную технику, все чаще оснащают свои машины различными автомати­ческими контрольными устройствами, позволяющими предотвра­щать повреждения двигателя, коробки передач и гидравлики, устранение которых обходится дорого и требует больших затрат времени. Кроме того, мощность машины используется более эф­фективно и тем самым снижается расход топлива. Работы, целесо­образность проведения которых у многих вызывала сомнения, привели к созданию эффективных и надежных электронных сис­тем, устройств, объединяемых бортовыми микро-ЭВМ.

Любая система, использующая микропроцессор, может отобра­жать состояние самой машины или же окружающей ее среды на мо­ниторе. В основном мониторы представляют собой системы инди­кации на электронной или цифровой панели, на которой состояние машины представляется в виде различных величин символов и зна­ков. Существуют мониторы, отображающие состояние машины на дисплее с жидкими кристаллами и при необходимости делающие сообщения с помощью синтезатора речи. Например, разработан электронный ограничитель грузового момента, который преду­преждает оператора об опасности при превышении допустимых предельных величин у самоходных кранов. Другое электронное устройство может автоматически подсчитывать выработку экскава­тора [1]. При помощи мониторов удобно контролировать положе­ние машин (траншеекопателя, проходческого щита и т. д.), состоя­ние объектов и передавать информацию о них в виде видеосигналов.

Автоматизация позволяет неопытному водителю управлять сложной машиной. Дальнейшее развитие автоматизации идет по пути создания машин, работающих в оптимальном режиме и при­спосабливающихся к рельефу местности и погодным условиям, как это делает опытный оператор, и чтобы режимы эксплуатации не ограничивались бы одной моделью управления. Машиной с полной автоматизацией может считаться такая, которая при нажа­тии кнопки пуска оператором выполняла бы операции по реше­ниям, принятым ею самой, и работала бы по заданной программе.Однако, строительных машин, в управлении которых не принимал бы участия человек, пока нет. В числе машин с самообучающейся системой считывания, подобных множеству промышленных робо­тов, когда они вводятся для заданного перемещения и повторения этого перемещения, на практике применяются такие устройства, как буровая каретка, роботы для нанесения штукаткурных защит­ных покрытий, отделки полов и другие. Для подачи команд пере­мещения вначале использовался способ, при котором оператор за­давал воздействия с помощью обычного переключения рычагов. В связи с большими размерами машин и сложными командами, для ввода которых требовалось много времени, в последнее время получила распространение система ввода данных в виде числовых значений по осям координат. Данные вводятся с помощью моде­лирования работы машины по графам, отображенным на дисплее специальной персональной ЭВМ (система с числовым програм­мным управлением).

Список использованной литературы

1) Булгаков А. Г., Гернер И., Каден Р. Исследования и практиче­ские примеры организации производства и использования ро­ботов в стройиндустрии // Машины, механизмы, оборудование и инструмент — М.: ВНИИНТПИ, 2008, вып. 1. — 48 с.

2) Загороднюк В. Т., Паршин Д. Я. Строительная робототехни­ка. — М.: Стройиздат, 2006. — 269 с.

3) Зенкевич С. Л., Ющенко А. С. Управление роботами. Основы управления манипуляционными роботами. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009. — 400 с.

4) Красников В. Ф. Промышленные роботы и манипуляторы: Учеб. пособие / РИСХМ. — Ростов н/Д, 2004. — 110 с.

5) Паршин Д. Я., Булгаков А. Г. Автоматизация и роботизация строительно-монтажных работ: Учеб. пособие / НПИ. — Но­вочеркасск, 2008. — 288 с.

6) Спыну Г. А. Промышленные роботы: Конструирование и при­менение. — Киев: Вища шк., 2005. — 176 с.

Дата добавления: 2015-05-29