在工程建筑行業(yè)，承包商面臨的挑戰(zhàn)和壓力越來越大，在成本控制、質(zhì)量管理、人員(機(jī)手)素質(zhì)方面遇到越來越多的困難。為了幫助承包商應(yīng)對挑戰(zhàn)和壓力，卡特彼勒很早就致力于用于土方工程機(jī)械的控制與導(dǎo)航(以下稱“機(jī)器控制”)技術(shù)的發(fā)展，并逐步把這項(xiàng)技術(shù)集成為機(jī)器的一部分。實(shí)踐證明，機(jī)器控制技術(shù)的作用是巨大的，是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)的最有效途徑。以下就這項(xiàng)技術(shù)的功能與作用、卡特彼勒主要相關(guān)方案及其應(yīng)用進(jìn)行簡要討論。

1 核心功能

在無需傳統(tǒng)的放樁和掛線的條件下，機(jī)器控制技術(shù)為操作手與機(jī)器互動提供了紐帶，使操作手能實(shí)時(shí)了解機(jī)器工作裝置的位置(2D或3D)，并利用引導(dǎo)信息或自動控制功能按事先導(dǎo)入機(jī)載控制箱的設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確操控工作裝置(比如:鏟斗或鏟刀)的位置。圖1為2D挖掘機(jī)場地參照系統(tǒng)控制箱的引導(dǎo)信息。

圖1 2D挖掘機(jī)控制系統(tǒng)引導(dǎo)信息

除了圖1所示的圖形和數(shù)字引導(dǎo)以外，在工作裝置接近目標(biāo)坡度和高程時(shí)還有光標(biāo)和蜂鳴提示操作手，也只有在鏟斗斗齒或鏟刀刀刃即將到達(dá)目標(biāo)時(shí)，操作手才會更多關(guān)注控制箱的引導(dǎo)信息。在3D控制系統(tǒng)的情況下，控制箱將實(shí)時(shí)顯示工作裝置相對設(shè)計(jì)目標(biāo)的三維距離。

總而言之，機(jī)器控制系統(tǒng)賦予了機(jī)器二維或三維測量功能，把挖方和填方作業(yè)面當(dāng)時(shí)的狀態(tài)與記憶中的設(shè)計(jì)要求相比較的結(jié)果顯示給操作手，并在控制模塊與機(jī)器液壓系統(tǒng)對接的條件下實(shí)現(xiàn)工作裝置的自動控制。

2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

a.提高生產(chǎn)效率并延長可作業(yè)時(shí)間。

b.節(jié)省燃油、人工和材料成本。

c.改善作業(yè)精度。

d.提升操作手勝任高質(zhì)量和復(fù)雜工作的能力。

e.提升機(jī)器的多功能性、靈活性并減少機(jī)隊(duì)的規(guī)模。

f.使工地更環(huán)保、更安全。

3 卡特彼勒相關(guān)方案及其在堤壩等水利設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用

卡特彼勒為多種土方工程機(jī)械提供2D和3D機(jī)器控制解決方案。在水利水電項(xiàng)目的建設(shè)中，機(jī)器控制技術(shù)的應(yīng)用對壩體填筑(物料的攤鋪和壓實(shí))以及堤壩和灌渠的邊坡開挖都具有重要價(jià)值。

3.1 用于部分機(jī)器的控制方案

用于部分機(jī)器的控制方案見下表。

用于部分機(jī)器的控制方案表

3.2 應(yīng)用舉例

3.2.1 挖掘機(jī)

圖2和圖3為一臺卡特329DL挖掘機(jī)使用GPS 3D系統(tǒng)在土耳其一個引水灌溉工程中開挖水渠邊坡的情景。該項(xiàng)目使用機(jī)器控制技術(shù)之前連續(xù)半年多每個月的成本都高于中標(biāo)價(jià)格。使用后，計(jì)入投資機(jī)器控制技術(shù)的費(fèi)用在內(nèi)，只用了3個月時(shí)間，承包商就開始盈利，而且盈利幅度逐月增加。不僅如此，整個項(xiàng)目計(jì)劃3年的工期(包括水渠全程混凝土襯砌)預(yù)計(jì)最少可縮短30%。

圖2 挖掘機(jī)GPS 3D系統(tǒng)用于土耳其灌溉工程水渠的邊坡開挖

圖3 控制箱顯示鏟斗左右側(cè)斗齒處在目標(biāo)位置

3.2.2 推土機(jī)

圖4 2D激光系統(tǒng)用于D5N推土機(jī)

圖4 為葛洲壩集團(tuán)在緬甸水電工程成功將2D激光系統(tǒng)用于卡特D5N推土機(jī)進(jìn)行大壩碾壓混凝土作業(yè)。實(shí)踐證明，在大面積平整時(shí)，從卡車卸下料堆開始，粗平和精平加起來2～3個往返就可以把平整度控制在±20mm以內(nèi)。工作效率大幅提高。

圖5為斯洛文尼亞某抽水蓄能電站項(xiàng)目將GPS系統(tǒng)用于卡特D6K推土機(jī)進(jìn)行水庫襯砌物料的攤鋪和平整。使用了GPS控制系統(tǒng)的1臺推土機(jī)替代了原來2臺推土機(jī)和1臺平地機(jī)才能完成的工作。原計(jì)劃6個月的工期縮短到4個月。

圖5 3D系統(tǒng)用于D6K推土機(jī)

3.2.3 平地機(jī)

圖6為3D UTS和橫坡控制系統(tǒng)用于卡特140K平地機(jī)在湖南東常高速公路項(xiàng)目進(jìn)行路堤填筑的精整作業(yè)。經(jīng)過近1周的使用，承包商現(xiàn)場施工人員統(tǒng)計(jì)顯示整個機(jī)隊(duì)(1臺推土機(jī)+1圖平地機(jī)+1臺壓路機(jī))的效率提高了100%左右。

圖6 3D UTS系統(tǒng)用于卡特140K平地機(jī)

3.2.4 壓實(shí)機(jī)

圖7和圖8為GPS智能壓實(shí)系統(tǒng)用于卡特CS56單鋼輪壓實(shí)機(jī)在加拿大某機(jī)場項(xiàng)目進(jìn)行混合物料的填筑作業(yè)。如圖所示，除了實(shí)時(shí)顯示和記錄壓實(shí)遍數(shù)和位置以外，系統(tǒng)還利用CMV值判斷壓實(shí)密度，并通過數(shù)值和色差反映壓實(shí)質(zhì)量，綠色區(qū)域已達(dá)到壓實(shí)密度要求。承包商通過在推土機(jī)、平地機(jī)和壓實(shí)機(jī)上使用GPS 3D控制系統(tǒng)，效率提高和成本節(jié)省的幅度為30%～50%。另外，承包商認(rèn)為機(jī)器控制技術(shù)可以幫他們更好地控制項(xiàng)目的全局和質(zhì)量，從而在投標(biāo)中贏得先機(jī)。

圖7 GPS智能壓實(shí)系統(tǒng)用于卡特CS56單鋼輪壓實(shí)機(jī)

圖8 GPS智能壓實(shí)系統(tǒng)控制箱顯示

卡特彼勒機(jī)器控制技術(shù)除了機(jī)器出廠后安裝，還為部分機(jī)器提供工廠安裝(不包括傳感器和控制箱)的選擇。隨著更多地將機(jī)器控制技術(shù)集成到機(jī)器的設(shè)計(jì)和制造過程中，卡特彼勒將為用戶提供更加便捷和完備的機(jī)器及其控制技術(shù)。