6 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.

З

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

адание 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.