Устройство для определения отклонения проходческого щита относительно проектной оси тоннеля Советский патент 1984 года по МПК E21D9/14 E21C35/08 

Изобретение относится к горной промьшшенности, а именно к устройствам ориентации проходческого щит относительно проектной оси тоннеля задаваемой световым лучом,и может быть использовано при ручном и автоматическом управлении перемещением проходческого щита. Известно устройство ориентации проходческого щита, содержащее ист ник светового луча, установленный в верхней части тоннеля, и фотопри ник, -включающий две координатные системы с четырьмя фотодатчиками каждая, установленные в хвостовой части ножевой части щита. Следящай система фотоприемника, закренленного на щите, выводит мат рицу с фотодатчиками на луч лазера таким образом, чтобы луч падал на все четыре фотодатчика независимо от направления смещения щита с зад ноге лучом курса ij . Недостатками данного устройства являются малая надежность в работе и его большие габариты. Известно устройство ориентации проходческого щита, содержащее исто ник светового луча, установленный в верхней части тоннеля, фотоприемник закрепленный на корпусе щита, с фокусирующей линзой и средствами для регистрации линейного смещения и у лового отклонения проходческого щита от трассы проходки. Средство для регистрации линейкого смещения проходческого щита вы полнено в виде фотоприемной матрицы с набором фоточувствителбных эле ментов. Для регистрации углового от клонения щита использована оптическая система, проектирующая луч на вторую фотоприемную матрицу 2 , Недостатком данного устройства является большое количество фоточувствительных элементов, образующи фотоприемные матрицы, которые требуют сложной аппаратуры усилия и обработки поступающей от них информации. Размещение большого количества фоточувствительных элементов на подвижной конструкции требует ис пользования гибких подвижных жгутов или кабелей, что уменьшает эксплуатационную надежность устройства. Оп тическая система, состоящая из нескольких линз., сложна и увеличивает габаритный размер фотоприемника вдо оптической оси. Наиболее близким к изобретению п технической сущности и достигаемому результату является устройстводля определения линейного и углового от клонения -проходческого щита относительно проектной оси тоннеля, со-г держащее HqTO4HHK светового излучения и фотоприемник, включающий фотодатчик собирающую линзу, враща ющийся модулятор с прямолинейной и спиралеобразной светопроницаемыми щелями и датчик углового положения модулятора, подключенный к формирователю сигналов отклонения, к второму входу которого подключен .выход фотодатчика з . Недостатками известного устройства являются недостаточная точность .ориентации и низкое быстродействие устройства. При движении проходческого щита диаметр светого луча изменяется в связи с изменением расстояния между источником излучения и фотоприемником. Нестабильность диаметра падающего на фотоприемник луча определяет погpeujHocxb системы, которая проявляется при попадании в центр модулятора и является следствием геометрических свойств последнего. Щели модулятора, рассчитанного на диаметр луча А , начинаются с радиуса d /2 , что обеспечивает нормальную работу системы. Однако, если диаметр светового луча меньше диаметра d , то лучи смогут пройти поочередно через щели лишь при откло.нении их от центра модулятора на определенное расстояние. Следовательно, при незначительных отклонениях луча от центра модулятора величину смещения прибор регис.три| овать не будет. Если диаметр светового луча больше диаметра , то лучи. проходят че-- рез обе щели одновременно, в то время как для регистрации координат смещения неЬбходимо последовательное прохождение луча через две щели. В этом случае также невозможно точно установить величину смещения щита от трассы проходки. Кроме того, для гарантированного прохождения светового луча сквозьщели обоих модуляторов необходимо, чтобы их скорости отличались одна от другой, а для выполнения требований точности регистрации углов эти скорости должны отличаться существенно. В связи с тем, что быстродействие системы определяется периодом вращения медленно вращающегося модулятора, оно ограничено.: . Целью изобретения является повышение точности и быстродействия устрой ства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения отклонения проходческого щита относительно проектной оси тоннеля, содер-жащем источник светового излучения и фотоприемник, включающий фотодатчик, собирающую линзу, вращающийся модулятор с прямолинейной и спиралеобразной светопроницаемыми щелями и атчик углового положения модулятоа, который подключен к первому вхбУ формирователя сигналов .отклонения второму входу которого подключен 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, поверхност цилиндра выполнена со светопроницаемым окном, напротив которого расположены параллельная оси цилиндра прямолинейная и на его образующей сп-иралео бра зная щели, -а на нижнем основании цилиндра закреплен датчик углового положения модулятора, при этом формирователь сигналов отклонения выполнен в виде нормализатора импульсов фЬтодатчика, блока управле ния ключами заполнения счетчиков, бл ка формирования кома.нд по угловому пбложению модулятора и четырех индикаторных цепей, каждая из которых включает последовательно соединенные ключ заполнения счетчика, счетчик, ключ перезаписи и регистр памяти с индикацией, причем выход нормализатора импульсов фотодатчика подключен к первому входу блока управления ключами заполнения счетчиков, первый и второй выходы блока формирова-ния команд по угловому положению модулятора подключены к второму и третьему входам блока управления клю чами за-полнения счетчиков, выходы ко торого подключены соответственно к .управляющему входу ключа заполнения счетчиков каждой индикаторной цепи, к информационным входам которых подключен третий выход блока формировал ния команд по угловому положению модулятора, четвертый выход которого . соединен с управляющим входом ключа перезаписи и с. входом начальной уст ловки счетчика каждой индикаторной цепи, при этом вход блока формирования .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 noBei3xHOсти модулятора; на фиг.З - функциональная схема формирователя сигнало .отклонения; на фиг,4 - диаграмма состояний элементов формирователя сигналов отклонения. . Устройство для определения отклонения проходческого щита относительно проектной оси тоннеля содержит источник светового излучения (не показан) и фотоприемник, выполненный моноблока (фиг.1) и содержащий собирающую линзу 1, расположенный непосредственно.за ее фокальной плоскостью фотодатчик 2, размещенный между линзой 1 и фотодатчиком 2 моделятор 3с приводом 4 и датчиком 5 углового положения модулятора импульсного или любого другого типа. Модулятор 3 представляет собой полый цилиндр с диаметром, 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 еефокусного расстояния. Поверхность цилиндра выполнена со светопроницаемым окном 6, 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 6j обеспечивающее попадание луча на датчик 2 при про.хождемии 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 измерения угловых отклонений i «t t рвлЦ Y диаметр D фотоактивной зоны фотоприемника равен „ 2eb --. 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 на ч отклонение тоннеля от проектной оси составляет -hS-l см. Фокусноерасстояние линзы 1 определяет габариты устройства и разрешающую способность при изменении угловых отклонений: чем боль1ае 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 устройства отношением фокусного расстояния к диаметру линзы является 1,5-2., Формирователь сигналов отклонения (фиг.З) содержит включенные последовательно 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 из последовательно включенных ключей 11-14, счетчиков 15-18, ключей 19-22 перезаписи и регистров 23-26 памяти с индикацией. Выход датчика 5 углового положения модулятора связан с входом блока 2V формирования команд по угловому положению модулятора. Первый и второй 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 11-14 заполнения счетчиков.

Блок 27 формирования команд по угловому положению модулятора обеспечивает формирование на своих выходах следующие сигналы. На первом выхде блока формируется импульс при прохождении прямолинейной щелью 6 модулятора 3 точки начала отсчета координаты линейного смещения по оси X (смещение в плане). Данная точка выбирается из условия обеспечения отсчета координаты прохождения луча через крайнюю по оси X точку фокусир Ю1дей линзы. После прохождения модутором указанного углового положения должен начаться отсчет координаты линейного смещения щита по оси X

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

На третьем выходе блока 27 формируется импульс, передний фронт которого обеспечивает перезапись содержимого счетчиков 15-18 в регистры 23-26 памяти с индикацией, задний фронт импульса обеспечивает обнуление счетчиков.

На четвертом выходе блока 27 формируется последовательность импульсов с частотой следования, обеспечивающей йеорходимую дискретность отсчета величин отклонения. Коструктивное исполнение блока 27 формирования команд по угловому положению

модулятора зависит от исполнения дат чина 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 и-го и на втором выходе т-го импульсов в цикле одного оборота модулятора. При этом на четвертом выходе блока 27 повторяются импульсы, присутствующие на его входе, по амплитуде и длительности согласованные с входом счетчиков 15-18.

Нормализатор 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, преставленной ка 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 это блока, импульс от формирователя 9 снмает 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 проектирования 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 I 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 вдсУль плоскости собирающей линзы 1 щель 7 пересекает луч, который, пройдя сквозь окно 6, попадает на фотодатчи 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 дан,ным моментом определяет ординату све 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 про ходческого щита относительно проектной оси тоннеля. Формирование сигналов отклонения по линейному смещению и угловому от клонению производится следующим об разом. При прохождении прямолинейной щелью 7 точки, соответствующей началу отсчета смещения луча по- оси X блок 27 формироания команд по угловому положению модулятора формирует импульс, ведущий к появлению потенциала на первом выходе блока 10 управления ключами. Этот потенциал от крывает ключ 11 заполнения счетчика. На счетчик 15 поступают импульсы, формируемые на четвертом выходе блока 27. При дальнейшем враще нии модулятора 3 произойдет засветка фотодатчика 2 при прохождении лу прямолинейную щель 8. Импульс на первом входе блока 10 ведет к за рытию ключа 11 заполнения счетчиков и к открытию ключа 12. В резуль тате этого в счетчике 15 сформируется сигнал, пропорциональный координате линейного отклонения луча ла зера по оси X , что однозначно хара теризует линейное смещение щита по той же координате. Ключ 12 закроется при очередной засветке фотодатчика 2 при прохождении луча через криволинейную щеЯь .8. В результате счетчике 16 сформируется сигнал,про порциональный смещению луча по ocиY При прохождении прямолинейной, щелью 7 начальной точки отсчета координаты углового отклонения в плане (соответствует координате X пересечения луча фокальной плоскости собирающей линзы 1) блок 27 формирует импульс, поступающий на третий вход . блока 10 управления ключами заполнения счетчиков. На третьем выходе блока 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 операций в счетчиках 15-18 накапливается информация о линейном смещении относительно оси X и линейном смещении относительно оси Y . 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, поступающий на вход начальной установки счетчиков 15-18 и управляющий вхоД ключей 19-22 перезаписи. Передний фронт этого импульса обеспечивает путем открытия ключей 19-22 перезапись содержимого счетчиков 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 плоскости этой линзы. При этом точность определения координат не ограничена дискретностью, соответствующей отношению скоростей вращения двух модуляторов в известном устройстве, от сутствует неопределенность снятия координат в зоне совпадения луча с оптической осью линзы и, наконец, интересующая информация считывается за один оборот модулятора, что увеличивает скорость ее считывания. Предлагаемое устройство более эффективно по сравнению с известньми, так как позволяет осуществлять точный и непрерывный в процессе проходки контроль отклоиения щита от проектной оси тоннеля и быстродействия устройства.

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 рав- ном 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.

87

/ /

Т

21

/

15

,J

74

78