Система нивелирования AccuGrade

Системы нивелирования эволюционировали до сложных комплексов, использующих компьютерные технологии, лазер, глобальную спутниковую систему позиционирования. Наиболее известные поставщики систем нивелирования – Leica, Trimble, Topcon, MOBA.

Системы нивелирования эволюционировали до сложных комплексов, использующих компьютерные технологии, лазер, глобальную спутниковую систему позиционирования. Наиболее известные поставщики систем нивелирования – Leica, Trimble, Topcon, MOBA. Они поставляют универсальные решения, предназначенные для монтажа на строительные машины любых марок. Есть и специализированные решения, когда фирма-производитель строительной техники предлагает систему под собственной маркой, которую можно смонтировать на машину прямо на заводе. Из таких поставщиков нам известен производитель дорожно-строительной техники Wirtgen. Его система построена на аппаратуре фирмы MOBA, но несовместима с последней из-за измененной распайки разъемов. Не так давно к поставщикам систем нивелирования присоединилась Caterpillar.

Caterpillar разработала систему нивелирования AccuGrade совместно с фирмой Trimble Navigation Limited. Аппаратура AccuGrade и Trimble полностью совместима. Если заказать на заводе машину вместе с системой, то на приборах будет стоять марка Cat. Когда же систему заказывают отдельно, уже после покупки машины, маркировка будет Trimble. Впрочем, обещано, что через полгода и отдельные комплекты тоже будут маркироваться Caterpillar.

В чем же разница между аппаратурой Caterpillar и Trimble? Разница прежде всего в разных подходах – у Trimble универсализация, у Caterpillar специализация. У обоих подходов свои преимущества и их оборотная сторона – недостатки.

Универсальную систему можно комплектовать как конструктор и смонтировать на любой машине. Но универсальность предусматривает избыточную функциональность и сложность аппаратуры и программного обеспечения, ведь один и тот же компьютер должен работать на самых разных машинах и со всевозможными приборами. Монтаж системы занимает много времени, требует очень высокой квалификации и не всегда гарантирует успех. Только на обмер машины и занесение ее размеров в систему уходит целый день. По каждой проблеме и даже вопросу приходится обращаться к фирме-поставщику.

Аппаратура Caterpillar рассчитана на определенные виды техники и, более того, на определенные модели, все данные о которых уже внесены в программу, что делает ее узкоспециальной. Системами нивелирования обычно оснащают землеройную технику, от которой требуют точности при выполнении земляных работ: автогрейдеры, бульдозеры и экскаваторы, и дорожно-строительную технику – асфальтоукладчики и самоходные фрезы. Номенклатура техники Caterpillar, сходящей со сборочных конвейеров уже подготовленной к монтажу системы AccuGrade, пока ограничивается автогрейдерами серии М, бульдозерами серий К и Т, экскаваторами и катками последнего поколения. Следующая серия грейдеров К также будет включать подготовку к монтажу системы AccuGrade. Для асфальтоукладчиков и фрез Caterpillar предлагает системы фирмы Topcon.

Подготовка к монтажу означает, что вся электропроводка уложена внутри металлоконструкций и подведена к местам крепления приборов. При монтаже надо только подсоединить приборы к кабелям, а в программе выбирают модель машины, что не требует суперквалификации. Кроме того, в компьютер AccuGrade оператор сам может внести изменение размеров рабочего оборудования вследствие его износа, и вызывать при этом специалиста фирмы-поставщика не надо. Все аппаратные интерфейсы цифровые, что исключает искажение сигнала при прохождении по соединительным кабелям.

В арсенале Caterpillar дву- и трехмерные системы. Двумерные системы:
• Cross Slope. Построена на датчиках уклона и поворота. Предлагается как наиболее простой вариант системы нивелирования для автогрейдера;
• Laser. Включает лазерный построитель плоскости и приемник/ приемники. Применяют на автогрейдерах, бульдозерах и экскаваторах;
• Sonic. Система с ультразвуковыми датчиками. Применяют на автогрейдерах.

Трехмерные системы:
• GPS. Система с использованием глобальной спутниковой системы позиционирования. Применяют на автогрейдерах, бульдозерах, экскаваторах и катках;
• ATS (Advanced Tracking Sensor). Лазерная система нивелирования с тахеометром. Применяют на автогрейдерах.

В зависимости от выбранной системы или их комбинации Caterpillar предлагает не универсальный компьютер, а три варианта специализированных компьютеров, работающих с дву- или трехмерным пространством. Совсем необязателен для обработки и визуализации данных в двух измерениях более сложный и дорогой «трехмерный» компьютер. Различается и программное обеспечение. Как уже сказано, в программу внесены размеры машин, и надо только выбрать нужную модель машины и рабочего оборудования. Компьютеры снабжены портом CompactFlash, через который в память записывают проект, а также дополнительное программное обеспечение и обновления. Программа «понимает» множество форматов проектов, подготовленных в системах проектирования Autocad, Microstation, Terramodel и т. п.

В комплект системы Cross Slope входит двухосевой датчик уклона, установленный на основном отвале грейдера, датчик поворота на поворотном круге, датчик вертикального ускорения, установленный на раме грейдера, и компьютер. Простейший вид компьютера – со светодиодными индикаторами, по которым можно судить об отклонении рабочего оборудования от заданного профиля насыпи. Компьютер DC610 с жидкокристаллическим монитором и двумерной графикой показывает машину на участке с вычерченным профилем, причем показывает в масштабе, а не условно. При этом можно выводить на монитор поочередно несколько проекций.

На грейдере серии М с электрогидравлическим управлением достаточно смонтировать все датчики и компьютер, а система AccuGrade возьмет на себя функции корректировки положения рабочего оборудования в соответствии с загруженным проектным профилем. На грейдерах серии Н с механической управляющей связью возможны два варианта исполнения системы нивелирования. Первый вариант – простой, когда оператор отслеживает по монитору отклонения рабочего оборудования и вручную корректирует его. Второй вариант – с активным электрогидравлическим управлением, и в этом случае предусматривается замена штатной крышки гидрораспределителя на крышку со встроенными соленоидами и электрической связью с компьютером. Механическое управление при этом сохраняется.

Система Cross Slope наиболее доступна по цене, она проста в монтаже и эксплуатации, работает с точностью ±0,2%. Система хорошо сочетается с ультразвуковыми датчиками, лазерным построителем плоскости, системами GPS и ATS при замене компьютера на «трехмерный». Таким образом, двумерную систему расширяют до трехмерной, дающей отклонения от проектного профиля 10...15 мм, что при отсыпке земляного полотна является очень точным показателем. Основной недостаток системы Cross Slope – ошибки измерения датчиков, а кроме того, датчики необходимо периодически калибровать.

В комплект системы Laser входят лазерный построитель плоскости и один или два приемника LR410. Эту систему применяют при профилировании обширных площадей, как горизонтальных, так и под уклоном, в том числе двусторонних. В зоне видимости ставят ротационный лазерный построитель плоскости, работающий на длине волны 670…1000 нм. Лазерный луч, вращаясь вокруг вертикальной оси, «рисует» вокруг построителя плоскость, регулируемую по двум осям на самом приборе и по высоте вручную, поднимая или опуская прибор. Продольный уклон задается в пределах от –0,5 до +25%, поперечный – от –10 до +10%. Приемники устанавливают на мачтах с электрическим подъемником на рабочее оборудование – на бульдозерный отвал, как правило, два приемника, на отвал грейдера один, но в сочетании с системой Cross Slope. Приемник – прибор высотой 250 мм, оснащенный вертикальными сенсорами, которые улавливают и отслеживают лазерный луч. При включении мачта начинает автоматически подниматься, пока приемник не поймает луч. Если этого не случилось, значит, построитель надо переставить. Во время движения машины приемник реагирует на отклонения от плоскости и подает соответствующий сигнал компьютеру, который в свою очередь корректирует положение рабочего оборудования. Точность профилирования при использовании системы Laser достигает 10 мм при условии, что гидропривод машины работает без люфта. Основной недостаток системы в том, что ее целесообразно применять при профилировании плоских площадок, для сложного профиля она не подходит. Пыль, туман и снегопад затрудняют работу системы.

Комплект системы AccuGrade для экскаваторов представляет собой сложный комплекс, в который входят резистивные датчики поворота, установленные на шарниры рабочего оборудования, датчик уклона на поворотной платформе, компьютер СВ410. Система помогает разрабатывать котлованы, траншеи и каналы с дном заданного профиля, в том числе под водой, планировать длинные откосы. Компьютер вычисляет положение ковша относительно проектного профиля по данным от датчиков и визуально отражает это на мониторе. Систему можно дополнить гравитационными датчиками уклона AS300 на стрелу, рукоять и тягу ковша, лазерным приемником или приемником GPS, что расширит возможности экскаватора по разработке крупных котлованов и длинных траншей.

Система AccuGrade Sonic с ультразвуковым датчиком предназначена для контроля продольного профиля. Датчик оснащен пятью ультразвуковыми сенсорами, которые замеряют высоту пяти точек на отрезке 25…30 см. При этом самый большой и самый маленький результаты отбрасываются и усредняются оставшиеся три. Таким образом, исключив единичные отклонения или случайные препятствия – чью-то ногу, например, ультразвуковой датчик дает продольный профиль, близкий к проектному. Шестой сенсор, расположенный под прямым углом к остальным, предназначен для измерения скорости звука в конкретных атмосферных условиях и внесения коррективов в результаты измерения.

Систему Sonic применяют в дорожном строительстве, при восстановлении и расширении дороги. Для нее необходима базовая поверхность, например существующее покрытие при расширении дороги или поверхность, спрофилированная при предыдущем проходе. Недостаток системы – в повторении неровностей базовой поверхности. Для точного профилирования применяют струну.

Для выполнения сложных проектов с частым изменением профиля дороги, уклонами, виражами целесообразно применять трехмерные системы нивелирования. Система GPS вобрала в себя самые передовые технологии современности. С ее помощью можно добиться точности профилирования по вертикали до 2,5 см, по горизонтали – до 1 см. Каким же образом это достигается, ведь мы знаем, что «бытовой» GPS дает точность ±10 м?

Глобальная система позиционирования построена на 24 спутниках, выведенных на стационарную орбиту на высоте около 28 тыс. км и наземных станций. Наземные станции необходимы для постоянной корректировки координат спутников. «Бытовой» приемник GPS вычисляет свои координаты по времени прохождения сигнала минимум от трех спутников одновременно. Ничтожная асинхронность часов приемника и спутников, атмосферные помехи и техническая неспособность «бытового» приемника абсолютно точно вычислить время прохождения сигнала, искаженного помехами, и дают в итоге точность ±10 м.

Система AccuGrade GPS построена на тех же принципах и, возможно, на той же компонентной базе, что и у других поставщиков. Комплект состоит из базовой станции с приемником GPS и радиопередатчиком, одного или двух приемников GPS MS990, установленных на рабочем оборудовании машины, соответственно одного или двух радиоприемников TC450 и «трехмерного» компьютера CD700. Комплект можно дополнить датчиком уклона, на автогрейдер его устанавливают на отвале. Базовую станцию устанавливают стационарно, она действует в радиусе 10 км. Разница в прохождении сигнала от спутника до станции и до машины, отстоящей от нее на 10 км, настолько ничтожна, что ее принимают за ноль. Станция принимает сигналы минимум от четырех спутников на нескольких частотах одновременно, что повышает точность вычислений. Время прохождения сигнала от спутника из-за атмосферных помех меняется, и поскольку станция неподвижна, она может вычислить поправку и по радиоканалу сообщить о ней компьютеру машины, а тот внесет эту поправку в свои координаты. В Западной Европе уже практикуют установку наземных станций, которые работают по такому же принципу и дают поправки находящимся в зоне действия «бытовым» приемникам GPS.

GPS применим на открытой местности. Даже древесная листва может препятствовать прохождению сигнала от спутника. В строении с железобетонными перекрытиями, в тоннеле сигнал не будет проходить вовсе. В России проблемы в применении системы AccuGrade GPS заключаются в том, что на радиочастоту, по которой базовая станция «общается» с радиоприемником машины, требуется получить разрешение, а также в том, что проекты необходимо предварительно переводить в координатную сетку GPS. Нормативные требования можно обойти, перенастроив радиоаппаратуру на частоту GSM.

Обойти ограничения GPS можно с помощью трехмерной системы AccuGrade ATS. Основные компоненты системы – стационарный роботизированный тахеометр и призма, установленная на машине. Систему также дополняют датчиком/ датчиками уклона. Тахеометр с загруженными данными проекта выносят на удобное место в зоне видимости (до 600 м) и привязывают к системе координат строительной площадки по двум-трем опорным точкам. Тахеометр автоматически отслеживает призму и по подключенному к нему радиомодему передает данные о текущем положении призмы в бортовой компьютер, куда поступают также дополнительные геометрические параметры от датчика уклона. Компьютер сопоставляет полученные данные с проектными и вычисляет корректирующие действия гидросистемы, выполняемые автоматически или при необходимости вручную оператором, который ориентируется по информации, выводимой на монитор компьютера. Когда машина уходит из зоны видимости тахеометра, его переносят на новое место.

Для грунтовых и асфальтовых катков Caterpillar разработал свой комплект AccuGrade. В него входят базовая станция и оборудование, монтируемое на каток: приемник GPS MS900, радиоприемник ТС450, компьютер CD700 и гравитационный датчик AS400. С помощью датчика оператор контролирует уплотнение. На монитор выводится диаграмма уплотнения, которую оператор сравнивает с эталонным участком и принимает решение о дополнительных проходах, необходимости подсыпать грунт и т. п. Ровность поверхности и положение катка на участке он контролирует с помощью GPS. Электрогидравлическая связь AccuGrade c вибромеханизмом вальца для автоматического регулирования частоты не предусмотрена.

Таким образом, корпорация Caterpillar разработала и предлагает специализированные комплекты системы AccuGrade и программное обеспечение, с помощью которых можно увеличить качество и производительность строительных работ. Достоинства системы AccuGrade – глубокая интеграция с машинами Caterpillar, причем с конкретными моделями, легкость монтажа, гарантированное качество и эстетичность монтажа, расширяемость системы при отсутствии избыточной функциональности. Теперь дело осталось за асфальтоукладчиками и фрезами.