автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка методики поверок и юстировок стереопроектора маркшейдерского на основе исследований его геометрических зависимостей

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Хабаровский государственный технический университет

Магаданский филиал

Титова Вероника Владимировна

УДК 528.425

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЕРОК И ЮСТИРОВОК СТЕРЕОПРОЕКТОРА МАРКШЕЙДЕРСКОГО,

НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЕГО ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

05.15.01. «Маркшейдерия»

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

докт., техн., наук, проф. Л.М. Тригер

Магадан - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. АНАЛИЗ СТЕРЕОПРОЕКТИРУЮЩЕГО МЕТОДА

МАРКШЕЙДЕРСКОЙ СЪЕМКИ И УСТРОЙСТВА, ЕГО

РЕАЛИЗУЮЩЕГО...................................................... 8

1.1. Сущность стереопроектирующего метода маркшейдерской съемки........................................................................................8

1.1.1. Блок - схема стереопроектирующего метода маркшейдерской съемки....................... 8

1.1.2. Геометрические принципы, заложенные в стереопроектирующий метод маркшейдерской съемки................................................ 10

1.1.3. Производство маркшейдерской съемки стереопроектирующим методом.................. 17

1.2. Стереопроектор маркшейдерский СПМ - 1, реализующий стереопроектирующий метод маркшейдерской съемки...................................... 23

1.2.1. Принципиальная схема устройства, реализующего стереопроектирующий

метод съемки.............................................. 23

1.2.2. Главное условие стереоскопического дальномера....................................................... 26

1.2.3. Описание конструкции СПМ -1................. 30

1.3. Анализ основных недостатков, присущих описанному выше методу и устройству..................... 33

1.3.1. Исследования зависимости масштаба

съемки от величины масштабного зазора.... 33

1.3.2. Исследование изменения величины масштабного зазора от угла поворота дально-мерной линейки........................................ 38

1.3.3. Исследование влияния факторов, связанных с технологическими возможностями,

на точность измерений.............................. 41

1.4. Цели и задачи исследований.............................. 44

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО УЗЛА И ВЫБОР

ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ..................................................... 45

2.1. Исследование и выбор отклоняющего и компенсирующего элементов оптического узла.............. 47

2.1.1. Исследование и выбор отклоняющего элемента оптического узла............................ 47

2.1.2. Исследование аберрации оптической системы и выбор компенсирующего элемента.............................................................. 48

2.2. Исследование зависимости угла отклонения визирного луча от угла поворота оптического узла. 51

2.3. Выбор параметров оптической системы............ 54

2.4. Исследование и расчет рабочей поверхности дальномерной линейки....................................... 56

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЕРОК И ЮСТИРОВОК

СТЕРЕОПРОЕКТОРА МАРКШЕЙДЕРСКОГО. 64

3.1. Описание конструкции СПМ - 2.......................... 64

3.1.1. Высотно - проектирующий узел.................. 66

3.1.2. Оптический узел......................................... 68

3.2. Исследование геометрических зависимостей

стереопроектора маркшейдерского (СПМ-2)......... 71

3.2.1. Вывод формулы общего случая хода визирного луча через оптическую систему...... 71

3.2.2. Исследование источников возникновения погрешностей измерений............................ 72

3.2.3 Исследование геометрических зависимостей между источниками погрешностей и различными параметрами оптической системы.......................................................... 75

3.2.4. Теоретические исследования, с использованием методов математического моделирования, влияния различных источников погрешностей на результаты измерений... 78

3.2.5. Исследование и разработка компенсационного способа поверок и юстировок........ 79

3.3. Методика поверок юстировок СПМ-2 на основе компенсационного способа 88

3.4. Результаты испытаний и внедрения стереопроектора маркшейдерского (СПМ-2)........................ 94

Заключение......................................................................................................................................98

Литература........................................................................................................................................100

Приложение № 1......................................................................................................................107

Приложение № 2......................................................................................................................108

Приложение № 3....................................................................................................................109

Приложение №4......................................................................................................................110

Приложение № 5......................................................................................................................113

Приложение № 6......................................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Практика маркшейдерских и геодезических работ показала, что дальнейшее повышение производительности труда связано с созданием новых технических средств и методов съемки.

По сравнению с ведущими зарубежными странами в нашей стране уровень автоматизации производства во всех видах топографо - маркшейдерских работ остается крайне низким. На полевых и камеральных работах сохраняется значительная доля ручного труда из-за отсутствия приборов, соответствующих современным требованиям как по назначению, так и по качеству изготовления.

Однако даже в странах, играющих ведущую роль в области маркшейдер-ско-геодезического приборостроения, возникла тупиковая ситуация, связанная с тем, что несмотря на высокий уровень автоматизации съемок с применением современных электронных геодезических приборов не решается проблема, связанная с необходимостью перемещения рабочего с рейкой или отражателем по снимаемой поверхности.

Для решения этой актуальной на сегодняшний день проблемы нами был предложен новый метод маркшейдерской съемки, получивший название стерео-проектирующий метод маркшейдерской съемки, и разработано устройство для его реализации - стереопроектор маркшейдерский (СПМ).

Предложенный метод и устройство, его реализующее, позволяют произвести съемку одному человеку и при этом точно и подробно составить топографический план непосредственно на местности.

Однако применение существующего стереопроектора маркшейдерского не

позволяет получить необходимой степени точности построения топографиче-«

ского плана местности, обусловленное нарушением его геометрических зависимостей*

Поэтому разработка методики поверок и юстировок стереопроектора маркшейдерского на основе исследования его геометрических зависимостей является актуальной научной задачей.

(

Цель работы. Установление геометрических зависимостей стереопроек тора маркшейдерского для разработки методики его поверок и юстировок, по зволяющей повысить точность построения топографического плана местности.

Идея работы состоит в использовании геометрических зависимостей дл5 повышения точности измерений стереопроектором маркшейдерским.

Научные положения, разработанные лично автором, и их новизна:

1. Стереопроектирующий метод маркшейдерской съемки, основанный ш сканировании мнимой измерительной маркой реальной физической поверхности при помощи тангенциального поворота собирающей линзы, позволяющего осуществлять равномерное наведение и исключить влияние величины масштабного зазора на результаты измерений.

2. Впервые разработан компенсационный способ поверок и юстировок. основанный на выявлении взаимного влияния различных источников погрешностей на результаты измерений методами математического моделирования в программной среде Mathcad 7, позволяющий разработать новую методику поверок и юстировок стереопроектора маркшейдерского.

3. Разработана новая методика поверок и юстировок стереопроектора маркшейдерского, основанная на компенсации в полевых условиях взаимного влияния параметров, являющихся источниками погрешностей, при помощи соответствующих им котировочных устройств, позволяющая получать результаты измерений в пределах допустимой точности.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются:

- использованием теоретических предпосылок, базирующихся на геодезических и стереофртограмметрических методах съемки, примененных для разработки стереопроектирующего метода съемки, результаты использования кото-

А

poro согласуются с вышеперечисленными известными методами;

- удовлетворительной сходимостью результатов маркшейдерской съемки стереопроектором маркшейдерским СПМ- 2 с известными маркшейдерскими

/

методами, погрешность результатов съемки не превышала 1% на всем диапазоне.

Научное значение работы заключается в установлении геометрических зависимостей стереопроектора маркшейдерского при тангенциальном повороте его оптической системы, использования их для усовершенствования стереопро-ектирующего метода маркшейдерских съемок, и в разработке компенсационного способа поверок и юстировок.

Практическое значение работы заключается в разработке принципиального нового, стереопроектирующего метода маркшейдерских съемок, позволяющего повысить производительность труда при маркшейдерских съемках.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Внедрение нового устройства в производство выполнено на действующем горнодобывающем предприятии «Разрез Тал-Юрях».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования Москва - 1997, на Всероссийской научно-технической конференции «Неделя горняка-97» (Москва, МГГУ, февраль 1997г.), Региональных конференциях (Магадан, МфХГТУ март 1996 г., апрель 1997 г., СМУ май 1998 г.) и кафедре Маркшейдерского дела и геодезии ( МГГУ, октябрь 1998 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из трех глав, заключения, 6 приложений, 2 таблиц, 34 рисунков и содержит список литературы из 66 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность своим коллегам Байдо Т.Я., Ни-колаенко А.П., Амербекову И.И., Суворовой A.M., Титову A.B., Титовой C.B. за помощь при разработке и изготовлении макетного образца прибора и оформлении раЬоты.

Особую признательность автор выражает своему научному руководителю проф., д.т.н. Тригеру JIM. и доц., к.т.н. Арыштаеву И.Б. за ценные указания и помощь в течение всего времени работы над диссертацией.

1. АНАЛИЗ СТЕРЕОПРОЕКТИРУЮЩЕГО МЕТОДА МАРКШЕЙДЕРСКОЙ СЪЕМКИ И УСТРОЙСТВА, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕГО

1.1. Сущность стереопроектируюгцего метода маркшейдерской съемки.

Решить проблему повышения производительности труда и снижения трудовых затрат на полевых работах позволяет предложенный нами стереопроектирующий метод съемки. [57]

Применение этого метода позволяет вести съемку без обхода местности реечником, что является существенным в условиях действующего горного предприятия, особенно на участках труднодоступных для перемещения человека.

1.1.1. Блок-схема стереопроектирующего метода маркшейдерской съёмки.

Перед пояснением сущности предложенного стереопроектирующего метода съёмки рассмотрим его блок-схему (рис. 1.1).

Она состоит из:

- блока ввода начальных условий, при помощи которого ориентируют планшет ( азимут - А), выставляют масштаб съемки - (Щ и задают высоту сечения рельефа - (/г);

- блока поиска цели, позволяющего совместить мнимую стереоскопическую марку с реальной физической поверхностью земли, получая при этом данные в полярной системе координат: расстояние - (5) и угол поворота - (/?);

БЛОК ВВОДА НАЧАЛЬНЫЕ УСЛОВИЙ

АМН

БЛОК

ПОИСКА ЦЕЛИ

* <Р

■ ч Ь

\ " Г\ч

Рис. 1.1. Блок-схема стереопроектирующего метода съемки.

ю

- блока управления, вырабатывающего на основании полученных результатов команду для нанесения этих данных на съемочный планшет;

- блока рисовки, выполняющего при помощи карандашного устройства нанесение на съемочный планшет полученных данных (ситуации и рельефа).

Готовый маркшейдерский план получается непосредственно в поле посредством передвижения мнимой измерительной марки по реальной земной поверхности, перемещение которой отслеживается карандашным устройством. Съёмка производится одним человеком, при этом значения высот точек местности или значения горизонталей фиксируются шкалой высот без промежуточных вычислений.

1.1.2. Геометрические принципы, заложенные в стерео-проектирующий метод маркшейдерской съёмки.

Геометрическая сущность метода состоит в том, что определение горизонтальных расстояний и превышений до объектов местности осуществляется в прямоугольной, а направлений - в полярной системах координат.

Определение расстояний и превышений.

Расположение точек местности можно условно подразделить на точки, принадлежащие одной горизонтальной плоскости, и на точки, лежащие на разных горизонтах. Рассмотрим оба случая.

а) Точки местности, принадлежат одной горизонтальной плоскости, (рис. 1.2. а)

Рассмотрим рисунок. 1.2. а. где

- ОХУХ - приборная прямоугольная система координат, в которой ОХ направлена по отвесной линии;

-. А1 и А2 - конечные точки базиса стереодальномера, ориентированного параллельно ОХ и симметричного относительно ОХ;

- М и N - точки местности, принадлежащие одной горизонтальной плоскости и лежащие с точкой А1 в одной вертикальной плоскости, параллельной О У.

Определим координаты точек Ми Ив системе ОХУХ:

Хм= М'М'1=0'А'и Ум=ОМ'г, Хм=00'\

(1.1)

Хм= N'N'1=0^1, Ун=ОЫ', Хк=00';

где - А'г и О'- проекции точек Аг и О на горизонтальную плоскость, которой принадлежат Ми И,

- М' и - проекции Ми N па. плоскость 0X7, а М'г и .ЛГ^ -проекции тех же точек на ОУ;

- АзМ, А^Д, А2М и A2N - положения визирных осей соответственно правого и левого (в дальнейшем и 2^) оптических каналов при визировании на точки Ми N.

При направлении визирного луча на точки М и N подвижный конец проектирующей линейки займёт положение точки ш, лежащей на оси ОХ. Из точки щ проведем линию, параллельную АгИ, до пересечения с осью ОУ в точке гы и прямую,

Рис.1.2. Геометрические принципы стереопроектирующего

метода съёмки.

параллельную АгМ, до пересечения с осью ОУ в точке ть Из точек Гц и ГП1 восстановим перпендикуляры до пересечения с направлениями N'0 к МО в точках тип, где .АР и М - проекции точек Ми N на плоскость ОХУ.

Рассмотрим получившиеся А А1МА/1 и А штЮ, они подобны.

Отсюда

Оа1 От1

ш,

Аналогично из А А^А'г и А штО следует, что

Оа1 Ощ

(1.2)

(1.3)

А,А', ИА\

Так как левые части уравнений (1.2) и (1.3) равны, то равны и правые, т.е.

2ш±_=91Ь-=± (1 4)

МА\ Ш\ М \ • Ь

где - М- знаменатель общий для любой произвольно взятой точки, лежащей вдоль линии МАГ.

Далее, из подобных А ОМ\М' и А Опыт следует, что

тт.] От! От1

МЩ ОМ] МА{ Аналогично, из А ОЛРЛГ* и А Опт,

пп1 Оп1 Оп1

Отсюда, с зачетом (1.4) полним:

0т1 Оп1 тт1 пп1 Оа7 1

ом; ~ оы] ~ м'м; ~ ым; ~ а]а; ~м

(1.5)

(1.6)

, (1.7)

или с зачётом выражения (1.1) получим, что

Хт Хп Ут _ Уп _ 2т _ 2п

(1.8)

Из последнего выражения (1.8) можно сделать окончательный вывод, что взаимное положение точек т и п на планшете в системе координат ОХУ соответствует положению одноимённых точек на местности в масштабе 1/М, а превышение базиса над плоскостью, в которой лежат точки М и И, определяется отрезком осн.

б) Точки местности принадлежат разным горизонтальным плоскостям и лежат на одной отвесной линии, (рис. 1.2.6)

Определим координаты точек В и Ы, расположенных на одной отвесной линии, причем, точка В расположена выше базиса дальномера А1А2, а точка N - ниже. Очевидно, что

Для определения 1В рассмотрим кАхВи и д ахвопх, а для определения 2Ы рассмотрим ^АХ1М и кахопх.

&АХВХ1/ и Аа1вопх, также как и ААхиИ и дя,ои, подобны, поэтому

хв - У в - У

в

в

ви АХВ

(1.9)

т Ах N

(1.10)

ахо ахпх

где: - BU=Zв -высота точки В над линией базиса А1А2; - NU=ZN - высота точки N над линией базиса А1А2;

- АгВ и АгИ - расстояние до снимаемых точек В л N соответственно;

- отрезки швпг и ш щ соответствуют длине проектирующей линейки, параллельной правому визирному лучу, для двух случаев измерения. Причем, как видно из (1.7)

ахвпх ахпх 1

Из формул (1.9) и (1.10) следует, что

= ахо ■ М ахо

Очевидно, что соотношение (1.11) не изменится и для случая, когда точки В и Яне лежат на одной отвесной линии.

Определение горизонтальных направлений.

Наиболее общий случай, когда точки местности расположены на разных направлениях, изображен на рис. 1.3.

Из рисунка видно, что если направления на точки N и В местности составляют некоторый угол Д то на съемочном планшете откладывается тот же угол Д Таким образом, угол между спроектированными направлениями оп и ос соответствует углу /3 на местности между направлениями ОИ и ОД. Для упрощения обозначения на рис. 1.3 соответствуют принятым обозначениям на рисунках 1.2.а и 1.2.6.

На основание проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- измеренные наклонные расстояния с помощью проектирующей линейки проектируются на горизонтальную и вер-

Рис. 1.3. Определение горизонтальных направлений

тикальную составляющие в заданном масштабе, который устанавливается изменением величины масштабного зазора АХ;

- горизонтальная составляющая отложенного расстояния соответствует горизонтальному проложению до точки местности в заданном масштабе;

- вертикальная составляющая измеренного расстояния соответствует превышению точки местности над базисом прибора {А1А2) в заданном масшт