Устройство для определения отклонения проходческого щита относительно проектной оси тоннеля

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА ОТНОСИТЕЛЬНО ПРОЕКТНОЙ ОСИ ТОННЕЛЯ, содержасцее источник светового излучения и фотоприемник, включающий фотодатчик , собирающую линзу, вращающийся модулятор с прямолинейной и спиралеобразной светопроницаемьвли щелями и датчик углового положения модулятора , который подключен к входу фо ялирователя сигналов отклонения , к второму входу которого подключен выход фотодатчика, отличающееся тем, что, с целью повьвоения точности и быстродействия, модулятор выполнен в виде цилиндра с диаметром, равным фокусному расстоянию собирающей линзы, ось симметрии цилиндра совпадает с осью его вращения, перпендикулярна главной оптической оси собирающей линзы и расположена на расстоянии от фокальной плоскости собирающей линэы равном половине фокусного расстояния линзы, поверхность цилиндра выполнена со светопроницаемым окном, напротив которого расположены парраллельная оси цилиндра прямолинейная и на его.образующей спиралеобразная щели, а на нижнем основании цилиндра закреплен датчик углового положения модулятора, при этом формирователь сигналов отклонения выполнен в виде нормализатора импульсов фотодатчика, блока управления ключами заполнения счетчиков, блока формирования команд по угловому положению модулятора и четырех индикаторых цепей, каждая из кото| йх включает последовательно сое диненныё ключ заполнения счетчика, счетчик, ключ перезаписи и регистр памяти с индика1%ией, причем выход нормализатора импульсов фотодатчика подключен к первому входу блока управ ления, ключами заполнения счетчиков, первый и второй выходы блока фор шрования команд по угловому положеншо модулятора подключены к второму и третьему входам блока управления клиг чами заполнения счетчиков, выходы ю которого всщк1яочены соответственно 1СД к уарааляющему входу ключа заполнени счетчиков каждой индикаторной цепи, С0 к информационным входам подК| ключен третий выход блока Формирования команд по угловому положению ел модулйто| а, четвертый выход которого соединен с управляющим входом ключа перезаписи и с входом начальной уста, новки счетчика каждой индикаторной цепи, при этом вход блока формирования к :я4анд по угловому положению модулятора является первым входом формирователя сигналов отклонения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСтИЧ(.-СИКХ

РЕСПУБЛИК (1Е . (111

ГОСУДАРСТВЕНИЫИ НОМИТЕТ СССР

ПО ДаЛАМ ИЗОБ) атКНИй И От)4(итИй (21) 3635445/22-03 (22) 17.08.83 (46) 23.11.84. Вюл.9 43 (72) С.A.Бахов, В.В.Покровский, В.П.Саенко и Я.З.Стоник (71) Специальное конструкторскотехнологическое. бюро Глазного управления по строительству инженерных сооружений в г.Москве (53) 624.1.9:622,232.8:528.421(088.8) (56) 1.Клорикьян В..К. и Ходом В.A.

Горнопроходческие щиты и комплексы.

Х., Недра, 1977, с.149.

2.Патент ФРГ в 1658721, кл. Е 01 С 3/00, опублик. 1973.

3.Авторское свидетельство СССР

9 949188, кл.E 21 D 9/66, 1980 (прототип) . (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ .

ОТКЛОНЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО ЩИТА ОТНОСИТЕЛЬНО ПРОЕКТНОЙ ОСИ ТОННЕЛЯ, со» держащее источник светового излучения и фотоприемник, включающий фотодатчик, собирающую линзу, вращающийся модулятор с прямолинейной и спиралеобразной светонроницаемьми щелями и датчик углового положения модулятора, который подключен к первому входу формирователя сигналов отклонения, к второму входу которого подключен выход фотодатчика, о т л ичающее с я тем, что, с целью повмаения точности и быстродействия, модулятор выполнен в виде цилиндра с диаметром, равным фокусному расстоянию собирающей линзы, ось : симметрии цилиндра совпадает с осью его вращения, нерпендикуляриа главной оптической оси собирающей линзы и расположена на расстоянии от Фокальной плоскости собирающей линзы, равном половине фокусного расстояния линзы, поверхность цилиндра выполнена со светопроницаемым окном, напротив которого расположены парраллельная оси цилиндра прямолинейная и на его.образующей спиралеобразная щели, а на нижнем основании цилиндра закреплен датчик углового положения модулятора, при этом формирователь сигналов отклонения выполнен в виде нормалиэатора импульсов фотодатчика, блока управления ключами заполнения счетчиков, блока формирования команд по угловому положению модулятора и четырех индикаторых цепей, каждая из которых включает последовательно сое диненные ключ заполнения счетчика, Я счетчик, ключ перезаписи и регистр памяти с индикацией, причем выход нормализатора импульсов фотодатчика подключен к nepsoaey входу блока управ ления, ключами заполнения счетчиков, первый и второй выходы блока форми- Я рования команд по угловому положению модулятора подключены к второму и третьему входам блока управление клщ;-,) чами заполнения счетчиков, выходы которого подключены соответственно к управляющему входу ключа заполнени счетчиков каждой индикаторной цепи, к инфермациониым входам которых подключен третий выход блока формиро- . вания команд по угловому положению модулятора, четвертый выход которого соединен с управляющим входом ключа перезаписи и с входом начальной уста новки счетчика каждой индикаторной цепи, при этом вход блока формирования команд по угловому положению модулятора является первым входом формирователя сигналов отклонения.

1125375 пиралеобраэной светопроницаемими елями и датчик углового положения одулятора, подключенный к формироателю сигналов отклонения, к втоому входу которого подключен .выход отодатчика (3) .

Недостатками известного устройтва являются недостаточная точность риентаций и низкое быстродействие стройства.

При движении проходческого щита иаметр светого луча изменяется в вязи с изменением расстояния между сточником излучения и фотоприемниом.

Нестабильность диаметра падающего а фотоприемник луча определяет погешность системы, которая проявляетя при попадании луча в центр модуляора и является следствием геометических свойств последнего. Щели моулятора, рассчитанного на диаметр уча 3,,начинаются с радиуса d/2 то обеспечивает нормальную работу истемы. Однако, если диаметр свеового луча меньше диаметра d, то учи смогут пройти поочередно через ели лишь при отклонении их от цента модулятора на определенное растояние. Следовательно, при незначиельных отклонениях луча от центра одулятора величину смещения прибор егистрировать не будет.

Если диаметр светового луча болье диаметра 3, то лучи проходят че ез обе щели одновременно, в то зрея как для регистрации координат смеения необходимо последовательное рохождение луча через две щели.

В этом случае также невозможно очно установить величину смещения ита от трассы проходки. Кроме того, ля гарантированного прохождения cseоного луча сквозь щели обоих модуяторов необходимо, чтобы их скороти отличались одна от другой, а для

ыполнения требований точности регитрации углов эти скорости должны тличаться существенно. В связи тем, что быстродействие системы пределяется периодом вращения меденно вращающегося модулятора, оно граничено.

Целью изобретения является повышеие точности и быстродействия устройтва.

Поставленная цель достигается тем, то в устройстве для определения отлонения проходческого щита относиельно пооектной оси тоннеля, содер ащем источник светового излучения и отоприемник, включающий фотодатчик, обирающую линзу, вращающийся модуятор с прямолинейной и спиралеобазной светопроницаемыми щелями и атчик углового положения модулятоа, который подключен к первому вхбу формирователя сигналов отклонения второму входу которого подключен

Изобретение относится к горной с промышленности, а именно к устрой- щ ствам ориентации проходческого щита м относительно проектной оси тоннеля, в задаваемой световым лучом,и может р быть использовано при ручном и ав- 5 ф томатическом управлении перемещением проходческого щита. с

Известно устройство ориентации о гроходческого щита, содержащее источ- у ник светового луча, установленный в верхней части тоннеля, и фотоприем- д ник, .включающий две координатные с системы с четырьмя фотодатчиками и каждая, установленные в хвостовой К части ножевой части щита.

Следящая система фотоприемника, н

I закрепленного на щите, выводит мат- р рицу с фотодатчиками на луч лазера с таким образом, чтобы луч падал на т все четыре фотодатчика независимо р от направления смещения щита с задан- 20 д ного лучом курса (1) . л

Недостатками данного устройства ч являются малая надежность в работе с и его большие габариты. т

Известно устройство ориентации g5 л проходческого щита, содержащее источ- щ ник светового луча, установленный в р верхней части тоннеля, фотоприемник, с закрепленный на корпусе щита, с фо- т кусирующей линзой и средствами для З0 м регистрации линейного смещения и yr- p лового отклонения проходческого щита от трассы проходки, ш

Средство для регистрации линей- р ного смещения проходческого шита вы- м полнено в виде фотоприемной матри- щ цы с набором фоточувствительных эле- п ментов. Длн регистрации углового отклонения щита использована оптичес- T кая система проектирующая луч на

Р () . 40 вторую фотоприемную матрицу 2 . д

Недостатком данного устройства является большое количество Фото- л чувствительных элементов, образующих с фотоприемные матрицы, которые тре- в буют сложной аппаратуры усилия и 45 с обработки поступающей от них инфор- о мации. Размещение большого количе- с ства фоточувствительных элементов на подвижной конструкции требует ис- л пользования гибких подвижных жгутов 50 о или кабелей, что уменьшает эксплуатационную надежность устройства. Оптическая система, состоящая из не- с скольких линз, сложна и увеличивает габаритный размер фотоприемника вдоль ч оптической оси.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для ф определения линейного и углового отклонения проходческого щита отно- 60 л сительно проектной оси тоннеля, со-.. р держащей источник светового излу- д чения и фотоприемник, включающий р фотодатчик, собирающую линзу, враща- д ющийся модулятор с прямолинейной и 65 к

1125375 выход фотодатчика, модулятор выполнен в виде цилиндра с диаметром, рав» .ным фокусному расстоянию собирающей линзы, ось симметрии цилиндра совпадает с осью его вращения, перпендикулярна главной оптической оси собирающей линзы и расположена на расстоянии от фокальной плоскости собирающей линзы, равном половине фокусного расстояния линзы, поверхность цилиндра выполнена со светопроницаемым окном, напротив которого расположены параллельная оси цилиндра прямолинейная и на его образующей спиралеобразная щели, а на нижнем основании цилиндра закреплен датчик 15 углового положения модулятора, при этом формирователь сигналов отклонения выполнен в виде нормализатора импульсов фотодатчика, блока управления ключами заполнения счетчиков, бло 20 ка фоРмирования команд по угловому положению модулятора и четырех индикаторных цепей, каждая из которых включает последовательно соединенные ключ заполнения счетчика, счетчик, 25 ключ перезаписи и регистр памяти с индикацией, причем выход нормалиэатора импульсов фотодатчика подключен к первому входу блока управления ключами заполнения счетчиков, первый и второй выходы блока формирования команд по угловому положению модулятора подключены к второму и третьему входам блока управления клю. чами заполнения счетчиков, выходы ко" торого подключены соответственно к управляющему входу ключа заполнения счетчиков каждой индикаторной цепи, к информационным входам которых подключен третий выход блока формирова ния команд по угловому положению мо-. 40 дулятора, четвертый выход которого . соединен с управляющим входом ключа перезаписи и с входом начальной установки счетчика каждой индикаторной цепи, при этом вход блока формиро- 45 вания.команд по угловому положению модулятора является первым входом формирователя сигналов отклонения.

На фиг.1 изображено устройство для определения отклонения проходческого щита от проектной оси тоннеля, заданной световым лучом; на фиг.2 — развертка боковой поверхности модулятора; на фиг.3 — функциональная схема формирователя сигналов .отклонения; на фиг.4 - диаграмма со55 стояний элементов формирователя сигналов отклонения. . Устройство для определения отклонения проходческого щита относитель" но проектной оси тоннеля содержит источник светового излучения (не . показан) и фотоприемник, выполненный в виде моноблока (фиг.1) и содержащйй собирающую линзу 1, расположенный непосредственно, за ее фокальной 65 плоскостью фотодатчик 2, размещенный между линэой 1 и фотодатчиком

2 моделятор 3 с приводом 4 и датчиком 5 углового положения модулятора импульсного или любого другого типа.

Модулятор 3 представляет собой полый цилиндр с диаметром, равныМ фокусному расстоянию линзы 1, Ось вращения модулятора совпадает с его геометрической осью, перпендикулярна главной оптической оси линзы и расположена на расстоянии от фокальной плоскости линзы 1, равным половине ее фокусного расстояния.

Поверхность цилиндра выполнена со светопроницаемым окном б, напротив которого расположены светопроницаемые щели 7 и 8. Одна щель 7 параллельна оси цилиндра, а вторая щель 8 выполнена в виде спирали на образующей цилиндра. Высота щелей обеспечивает при вращении модулятора 3 сканирование всей поверхности линзы. угол наклона щели 8 определяет масштаб при считывании координаты луча по оси У. Ширина щелей обеспечивает пропускание светового потока, достаточного для регистрации его фотодатчиком 2. Минимальное расстояние между щелями превышает диаметр светового луча. На поверхности модулятора с противоположной стороны от щелей 7 и 8 расположено светопроницаемое окно 6, обеспечивающее попадание луча на датчик 2 при про,хождении луча сквозь щели 7 и 8.

Фотодатчик 2 имеет линейные размеры, обеспечивающие перекрытие диапазона измерения углового отклонения. Так, при . фокусном расстоянии собирающей линзы, равным F, и диапазоне изме" рения угловых отклонений i aLE paa) диаметр D щотоактивной зоны фотоприемника равен

Re(, Д) — °

t

Диаметр собирающей линзы .1 определяется диапазоном измерения линейного смещения щита относительно светового луча.. На практике он должен быть равен 15-20 см, поскольку допуск иа отклонение тоннеля от проектной оси составляет +5-7 см.

Фокусное расстояние линзы 1 определяет габариты устройства и разрешающую способность при изменении угловых отклонений: чем больше фокусное расстояние, тем больше линейное отклонение луча от главной оптической оси линзы в ее фокальной плоскости при одном и том же угловом отклонении щита.

Оптимальным для предлагаемого уст- ройства отношением фокусного Расстоя. ния к диаметру линзы является 1,5-2., ФормиРователь сигналов отклонения (фиг.З) содержит включенные последо1 125375 модулятора зависит от исполнения дат чика 5 углового положения.

При исполнении датчика 5 импульсным с отдельным каналом формирования импульса исходного положения блок 27 представляет собой схему, обеспечивающую появление на первом выходе II-го и на вторОм выходе п-го импульсов в цикле одного оборота модулятора. При этом на четвертом выходе блока 27 повторяются импульсы, присутствующие íà его входе, по амплитуде и длительности согласованные с входом счетчиков 15-18.

Нормалиэатор 9 импульсов фотодатчика представляет собой схему, обеспечивающую нормирование по амплитуде, фронтам и длительности импульсов поступающих от фотодатчика 2.

Блок 10 управления ключами заполнения счетчиков представляет собой логическую схему, Формирующую сигналы на своих четырех выходах в зависимости от сигналов на.трех ее входах в соответствии с диаграммой, представленной на фиг.4.

При проходе импульса на второй вход блока .10 появляется потенциал на первом выходе блока и сохраняется на нем до появления импульса на первом входе. Одновременно с появлением импульса на первом входе формируется потенциал на втором выходе, который присутствует там до прихода очередного импульса на второй вход блока. Аналогично импульс на третьем входе блока 10 обуславливает появление потенциала на третьем выходе этого блока, импульс от формирователя 9.снимает потенциал с третьего выхода и ведет к появлению потенциала на четвертом выходе, снимаемому очередным импульсом по первому входу. Таким образом, за один цикл работы блока

27 на его выходах появляются потенциалы, участвующие в обеспечении логики работы устройства в целом.Реализация блока 10 управления ключами заполнения счетчиков может быть проведена средствами обычного проектиро вания на электронных логических элементах (например, на счетных триггерах и схемах совпадения) .

Регистры 23-26 памяти и индикации обеспечивают непрерывную индикацию информации с обновлением ее с приходом импульса на ключи 19-22 перезаписи. Кроме того, регистр памяти и индикации обеспечивает масштабирование информации, поступающей от счетчиков 15-18.

Устройство работает следующим образом.

Модулятор 3 приводится во вращение приводом 4,При прохождении прямолинейной щели 7 модулятора 3 вдбль

)плоскости собирающей линзы 1 щель 7 пересекает луч, который, пройдя вательно с фотодатчиком 2 нормализа. тор 9 импульсов фотодатчика и блок

10 управления ключами заполнения счетчиков.. Четыре выхода блока 10 связаны с управляющими входами четырех ключей 11-14 заполнения счетчиков, которые входят в состав четырех идентичных индикаторных цепей, состоящих иэ последовательно включенных ключей 11-14, счетчиков

15-18, ключей 19-22 перезаписи и 10 регистров 23-26 памяти с индикацией °

Выход датчика 5 углового положения модулятора связан с входом блока 27 формирования команд по угловому положению модулятора. Первый и второй 15 выходы блока 27 связаны с вторым и третьим входами блока 10 управления ключами заполнения счетчиков. Третий выход блока 27 связан с входами начальной установки счетчиков 15-18 и с управляющими входами ключей 19-22 перезаписи, четвертый выход связан с информационными входами ключей ll-l4 заполнения счетчиков. Блок 2/ Формирования команд по угловому положению модулятора обеспечивает формирование на своих выходах следующие сигналы. На первом выходе блока формируется импульс при прохождении прямолинейной щелью 6 модулятора 3 точки начала отсчета координаты линейного смещения по оси Х (смещение в плане). Данная точка выбирается из условия обеспечения отсчета координаты прохождения луча через крайнюю по оси Х точку фокусируЗ5 ющей линзы. После прохождения модутором указанного углового положения должен начаться отсчет координаты линейного смещения щита по оси Х

На втором выходе блока 27 Форми- 40 рования команд по угловому положению модулятора должен формироваться импульс при прохождении прямолинейной щелью 7 модулятора 3 точки начала отсчета координаты углового отклонения 45 щита в проекции на плоскость =О (отклонение в плане). После прохождения модулятором 3 указанного углового положения должен начаться отсчет координаты углового отклонения щита ( в проекции на плоскость =0 (угловое отклонение в плане).

На третьем выходе блока 27 формируется импульс, передний фронт которого обеспечивает перезапись содержи. .мого счетчиков 15-18 в регистры

23-26 памяти с индикацией, задний фронт импульса обеспечивает обнуление счетчиков.

На четвертом выходе блока 27 формируется последовательность импуль- 0

60 сов с частотой следования, обеспечивающей йеобходимую дискретность отсчета величин отклонения. Коструктивное исполнение блока 27 формирования команд по угловому положению 65

1125375 сквозь окно 6, попадает на фотодатчик

2. При этом угловое положение модулятора 3 регистрируется датчиком 5 углового положения и соответствует абсциссе прохождения луча в плоскости собирающей линзы 1. При дальнейшем вращении модулятора 3 луч пересекает криволинейная щель 8. Угол поворота модулятора между предыдущей засветкой фотодатчика 2 и данным моментом определяет ординату све- 1 тового луча в плоскости собирающей линзы. Продолжая вращение щели 7 и 8 попадают в зону фокальной плоскости, где на фотодатчик 2 таким же образом поступают два световых импульса от пересечения щелей с лучом в фокальной плоскости собирающей линзы 1.

При этом в плоскости линзы 1 находится светопроницаемое окно 6 модулятора 3. Углы положения модулятора

3 в моменты попадания светового луча на фотодатчик 2 определяют абсцис— су и ординату точки пересечения луча фокальной плоскости собирающей линзы 1. Координаты этой точки определяют угловое отклонение корпуса проходческого щита относительно проектной оси тоннеля.

Формирование сигналов отклонения по линейному смещению и угловому отклонению производится следующим образом.

При прохождении прямолинейной щелью 7 точки, соответствующей началу отсчета смещения луча по.оси К, блок 27 формироания команд по угловому положению модулятора формирует импульс, ведущий к появлению потенциала на первом выходе блока 10 управления ключами. Этот потенциал открывает ключ 11 заполнения счетчика. На счетчик 15 поступают импульсы, формируемые на четвертом выходе блока 27. При дальнейшем вращении модулятора 3 произойдет засветка фотодатчика 2 при прохождении луча через прямолинейную щель 8. Импульс на первом входе блока 10 ведет к закрытию ключа 11 заполнения счетчиков и к открытию кЛюча 2. В результате этого в счетчике 15 сформируется сигнал, пропорциональный координате линейного отклонения луча лазера по оси )(, что однозначно характеризует линейное смещение щита по той же координате. Ключ 12 закроется при очередной засветке фотодатчика 2 при прохождении луча через криволинейную щеЛь 8. В результате в счетчике 16 сформируется сигнал,пропорциональный смещению луча по оси1.

При прохождении прямолинейной. щелью 7 начальной точки отсчета координаты углового отклонения в плане (ссответствует координате 1 пересечения луча фокальной плоскости собирающей линзы 1) блок 27 формирует импульс, поступающий на третий вход

5 блока 10 управления ключами заполнения счетчиков ° На третьем выходе бло. ка 10 появляется потенциал, открываю» щий ключ 13 и обеспечивающий заполнение счетчика 17. Импульс фотодатчика 2 от прохождения лучом прямолинейной щели 2 модулятора 3 аналогичным образом прерывает заполнение импульсами счетчика 17 и обеспечивает работу счетчика 18.

Прохождение на первый вход блока 10 управления ключами импульса засветки фотодатчика 2 от прохождения луча через криволинейную щель 8 ведет к закрытию ключа 14.

В результате описанных операций20 в счетчиках 15-18 накапливается информация о линейном смещении относительно оси X и линейном смещении относительно оси 1

Перед моментом формирования блоком 27 импульса, ведущего к открытию ключа 11 заполнения счетчика, на третьем выходе блока 27 формирования команд по угловому положению модулятора формируется импульс, посту30 пающий на вход начальной установки счетчиков 15-18 и управляющий вход ключей 19-22 перезаписи.

Передний фронт этого импульса обеспечивает путем открытия ключей

35 19-22 перезапись содержимого счетчи. ков и регистры 23-26 памяти и индикации. Зданий фронт импульса обеспечивает подготовку счетчиков к очередному циклу работы.

Таким образом, в предлагаемом устройстве положительный эффект достигается за счет последовательного определения координат прохождения луча в двух плоскостях — плоскости собирающей линзы и фокальной плос45 кости этой линзы. При этом точность определения координат не ограчичена дискретностью, соответствующей отношению скоростей вращения двух модуляторов в известном устройстве, от50 сутствует неопределенность снятия координат в зоне совпадения луча с оптической осью линзы и, наконец, интересующая информация считывается за один оборот модулятора, что увели55 чивает скорость ее считывания.

Предлагаемое устройство более эффективно по сравнению с известными . так как позволяет осуществлять точный и непрерывный в процессе про60 ходки контроль отклонения щита от проектной оси тоннеля и быстродеЯствия устройства.

1125375

1125375

ВНИИПИ Заказ 8457/25

Тираж 435 Подписное

ЮЮЮ4Ю

Филиал QGH "Патент", r.Óæroðîä, ул. Проектыая, 4