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TOPCON POSITIONING, INC. 7400- NATIONAL DRIVE, LIVERMORE CA 94550

SISTEMA AUTOMÁTICO DE NIVELACIÓN TRIDIMENSIONAL

“3D-LPS”

[email protected]

Enero-08

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TOPCON POSITIONING, INC. 7400- NATIONAL DRIVE, LIVERMORE CA 94550

SISTEMA AUTOMÁTICO DE NIVELACIÓN TRIDIMENSIONAL

1.- INTRODUCCIÓN: La creciente necesidad de aprovechar los últimos desarrollos tecnológicos en los campos de la maquinaria, topografía, informática y electrónica en aras de mejorar y optimizar la calidad, eficacia, seguridad y respeto al medio ambiente en la nivelación de superficies en obra civil tiene un claro ejemplo en el Sistema de Nivelación Automática 3D-LPS de TOPCON. Diferentes empresas consultadas han valorado positivamente esta innovación tecnológica, sin precedentes en cuanto a la calidad final de obra alcanzada por estos equipos. Un sistema que, a juicio de ellos, era necesario desarrollar gracias a la evolución que la informática presenta en el campo de la ingeniería. El sistema 3D-LPS instalado en las motoniveladoras, constituye un adelanto a la ejecución de las obras. Este sistema automático de nivelación tridimensional aúna la precisión requerida para refinos con una calidad de ejecución no lograda hasta el día de hoy. Frente a los diferentes tipos de irregularidades obtenidas en las superficies de refino, todos ellos dependientes de la pericia del operador (por dificultad en la interpolación de los perfiles estaquillados manualmente, las transiciones a peraltes, etc…), el sistema 3D-LPS permite obtener superficies homogéneas, suaves y que cumplen los requisitos de calidad impuestos por las empresas, sin necesidad de retroceder para corregir puntos fuera de rango. Los resultados así obtenidos permiten acabados perfectos para las tareas de aglomerado con el consiguiente ahorro de los materiales más costosos de la obra por la ausencia de las irregularidades antes mencionadas y que, hoy día, se cubren con aportaciones extras de estos materiales. Es de resaltar la capacidad de trabajo que el sistema pone a disposición del operador, mostrándole una perspectiva global del trabajo a realizar y permitiéndole organizar el tiempo de una forma más productiva. Se consigue así mayor eficacia y un ahorro en aportaciones de material que en la actualidad, y por no contar con una información de conjunto, se palia con paradas y correcciones en el estaquillado. De esta forma se realizan aportaciones de material difíciles de prever que, en ocasiones, se acaban acumulando a lo largo de la superficie o traza. Debido a la unión de campos como la maquinaria, topografía o la electrónica es posible pensar en un sistema complejo. Sin embargo, 3D-LPS a pesar de la complejidad de su construcción es, como demuestran las instalaciones y formaciones realizadas, un sistema de extrema sencillez para el operador de la máquina y que permite capacitar a los usuarios en horas. Los tiempos de formación demuestran la facilidad de operación del sistema, con una información completa, clara y bien estructurada que permite al usuario, desde operadores hasta topógrafos, un fácil manejo para las tareas a realizar.

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Otros aspectos importantes hoy día, como la protección del medio ambiente o la seguridad en el trabajo se ven favorecidos por el sistema 3D-LPS. Se ha hablado anteriormente del ahorro de materiales caros en precio y costosos por su implicación con respecto a su obtención y la degradación que provocan en el medio ambiente, sin llegar a tener en cuenta la disminución de combustible, no sólo por el aumento de la productividad sino también por la disminución de los trayectos a realizar gracias al incremento de eficacia y completo conocimiento del trabajo a realizar con que cuenta el operador. La disminución de impactos sobre la zona de trabajo y la visión del proyecto permite al operador una gran exactitud en la determinación de áreas de actuación del proyecto, evitando zonas que en ocasiones se ven dañadas por pertenecer a espacios colindantes a las obras. Por último es de reseñar el aumento de seguridad en el trabajo al desplazar del entorno de la máquina a los operadores que, por proximidad, entran en los grupos de riesgo laboral contemplados en obra. Este aspecto es importante y constituye una de las mayores inversiones empresariales e institucionales para paliar la siniestralidad laboral. A modo de resumen de todo lo expuesto como presentación, 3D-LPS esta demostrando un aumento de calidad importante frente a los sistemas láser y ultrasonidos, no digamos ya frente a los sistemas convencionales de nivelación por estacas. Mayor eficacia por sencillez de manejo y por aumento de la capacidad de trabajo del operador. Mayor respeto frente al medio ambiente por ahorro de materiales costosos por extracción y contaminación amén de la disminución de los espacios ocupados en la obra gracias al conocimiento de los lugares de trabajo, el sistema de forma automática no trabaja allí donde no se define el proyecto. Para finalizar, es de resaltar el aumento de seguridad por la eliminación, del entorno de riesgo de la máquina, de los operadores de tareas menores como la limpieza de estacas o reposición de las mismas. 2.- ELEMENTOS DEL SISTEMA.

El sistema 3D-LPS es una evolución de los sistemas láser y ultrasonidos, aunque hay que destacar que las diferencias entre ultrasonidos o láser y el sistema 3D son muy importantes. Tanto como para poder definir a los anteriores como una mera ayuda en el trabajo de nivelación frente a la total automatización del nuevo 3D-LPS. Esta innovación del sistema tridimensional permite trabajar en cualquier lugar sin ninguna referencia previa, lo que añade al sistema un potencial nunca visto hasta la fecha. De los sistemas anteriores permanece el sistema de control hidráulico que permite mover la cuchilla de la máquina automáticamente en función de los impulsos que, ahora un ordenador plenamente adaptado a obra y antes una caja de control, envía a los sensores de la máquina. El sistema está compuesto por los siguientes elementos:

• El Kit automático TOPCON es el sistema de control hidráulico de la máquina. Constituye la parte instalada en la máquina que controla el movimiento de la cuchilla por medio de tres sensores (longitudinal, transversal y rotación) accionados desde los puertos serie del ordenador de abordo.

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Kit Automático TOPCON (ref.8530SD)

• LPS-900, una estación total robotizada de altas prestaciones cuyo fin es dar posición a la máquina allí donde esta vaya sin importar la velocidad de trabajo, desplazamiento o maniobrabilidad. Las pruebas y los trabajos realizados demuestran un perfecto seguimiento de trabajo en cualquier maniobra y a velocidades de trabajo de 16 km/h. Una de las más potentes del mercado, la estación no solo se utiliza para el control 3D de la máquina sino que conserva toda su capacidad para trabajos topográficos (alta precisión, amplio rango de registro interno, capacidades robóticas de trabajo unipersonal, medición automática por tiempos o distancias, idéntico software de trabajo que el resto de la gama TOPCON, etc…). Todo ello orientado además a los controles de calidad que se imponen en obra, permitiendo que una vez realizado el trabajo se pueda comprobar con el mismo instrumental. Tiene una placa diferente dentro del instrumento para calcular y transmitir datos de la posición (20 Hz) mucho más rápido que una estación robótica de topografía.

La transmisión se realiza vía radio de 2.4GHz y que permiten la comunicación en las situaciones más desfavorables (aeropuertos u otras zonas de interferencias). Este tipo de comunicaciones por radio son, hoy día, el sistema de transmisión de datos más seguro y fiable, utilizándose en todo tipo de aplicaciones geomáticas en tiempo real, enlaces GPS, estaciones totales robotizadas, etc. Se evitan de este modo fallos de transmisión por obstáculos, muy frecuentes en obra por paso de camiones u otra maquinaria y se garantiza una comunicación limpia.

Estación total LPS-900

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• PRISMA DE 360º es para el seguimiento de la máquina por la estación total. El prisma del sistema LPS900 (ref99350000) , es un prisma circular de 360˚. La maniobrabilidad de la máquina queda asegurada y permite trabajar en cualquier zona del proyecto con sólo desplazarse y seleccionar el tajo a realizar.

Prisma 360º

• La CAJA DE CONTROL situada en la posición del operador, permite

controlar el trabajo realizado por el sistema automático de forma sencilla. Es un sistema compacto, especialmente diseñado para trabajar en situaciones de obra (polvo, resistente a pequeños golpes, altas temperaturas, etc.), y con una pantalla gráfica táctil. La utilización de un entorno gráfico mejora la accesibilidad, agiliza la selección de parámetros o tareas, aumenta el control del operador sobre el equipo y acrecienta la ergonomía del sistema.

Los datos de trabajo se incorporan mediante una tarjeta PCMCIA que se integra en el ordenador y que permite almacenar numerosos trabajos. Sirva como ejemplo algunas de las obras realizadas y que ocupan 1 Mb de datos con una longitud de 10 km y una anchura de hasta 30 metros cuando la capacidad de la tarjeta es de 20 Mb. Se trata por tanto de un sistema sin limitaciones de memoria.

Ordenador de abordo

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• SOFTWARE OFFICE3D. Se trata de un software incorporado al ordenador de a bordo del sistema y recibe los datos de proyecto de la tarjeta de memoria PCMCIA. La importancia del software de obra civil estriba en la necesidad de utilizar un sistema capaz de calcular la posición de cualquier punto del terreno, evitando las interpolaciones de puntos y resultados con irregularidades. Esta forma de trabajo a través de la geometría, no de nubes o mallas de puntos, permite trabajar con cualquier tipo de diseño, carreteras, líneas férreas o superficies como explanaciones, diques o pistas. Sus múltiples aplicaciones contrastan con su sencillez de manejo, llegando a utilizar siempre la misma metodología de trabajo, las mismas pantallas e idéntico control sobre el sistema, sea cual sea el diseño a realizar y capacitando al operador en horas.

Software OFFICE 3D

La gran importancia del sistema es la capacidad de aunar componentes tan

diversos como los antes mencionados en un sistema único, con unas necesidades tan extremas en cuanto a precisión y calidad para poder llevar a cabo los trabajos que se pretenden.

3.- FUNCIONAMIENTO. Un primer paso en el funcionamiento del sistema, se refiere a la toma de medidas de la cuchilla para referenciar el prisma a la cuchilla. Se busca así la forma de, midiendo respecto al prisma, conocer la posición actual de la cuchilla en el proyecto para seguir el trabajo de la misma. El siguiente paso en el funcionamiento del sistema es la localización de las bases de replanteo donde se pondrá la estación. Para ello es necesario tener en cuenta que el sistema tiene un radio de acción de 350 metros (700 metros de distancia máxima entre dos estaciones) y que debe haber visibilidad entre la estación y la máquina en cualquier punto de su desplazamiento, este hecho podrá disminuir las distancias entre las estaciones. Una vez definidas las bases se deberá poner en estación el aparato de forma que tanto la topografía de obra como los proyectos generados para el trabajo de la máquina tendrán el mismo sistema de coordenadas (georeferenciación). Un programa interno de la estación guía paso a paso solicitando todos los datos necesarios para conectar el sistema (identificación de la estación actual y de la de referencia, altura del instrumento, tipo de conexión, etc.). Una vez finalizados todos los pasos la estación se encuentra disponible para el sistema de la máquina.

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1. Prisma 360˚ 2. Sensor Longitudinal 3. Caja Control 4. Mando Automático 5. Radio RS2 6. Sensor de pendiente 7. Sensor de rotación 8. Válvula hidráulica 9. Estación Robótica TS

Esquema de funcionamiento de los elementos del sistema

Desde este momento, las coordenadas que la estación va midiendo al prisma se encuentran en el mismo sistema de referencia que el proyecto de la máquina. Gracias al prisma, en el momento de iniciarse las comunicaciones, la estación y el prisma se unen pudiendo seguir la estación a la máquina, evitando pérdidas y sobre todo interferencias de otros instrumentos. La estación da coordenadas de posición y las envía al ordenador de abordo. La alta precisión de la estación permite obtener posiciones con menos de 5 mm de error tanto en planimetría (X, Y) como en altimetría (Z). El envío de dichas posiciones se realiza por radio. Las posiciones recibidas por la caja de control se comparan con el terreno final que debe dejar la máquina mediante el software OFFICE 3D, contrastando los proyectos almacenados en la tarjeta PCMCIA con dichas posiciones y cuyos datos se introducen desde

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cualquiera de los programas de carreteras u obra civil que se utilizan en el mercado. Este software calcula las correcciones y devuelve la inclinación y altura a aplicar a la cuchilla a los sensores de la máquina, con la misma cadencia que la medición de posiciones de la estación total, asegurando así un resultado final homogéneo sin ningún tipo de irregularidades. 4.- EXPERIENCIA EN OBRA. TOPCON, empresa líder en sistemas automáticos de maquinaria, tiene una amplia experiencia en este campo y conocedores de la importancia que provocan estos sistemas en la producción, así como de los altos costes que se generan por errores iniciales o paradas; cuenta con su propio Centro de Formación de Maquinaria para Obra Civil, con el fin de acometer las instalaciones en obra con todas las garantías de éxito. Las pruebas realizadas en este Centro han sido innumerables, en ellas se pretendió comprobar la bondad del sistema y localizar todas las limitaciones del mismo. A este respecto es importante señalar que el sistema siempre se comportó de forma robusta y sin ningún aspecto, digno de mención, que haga pensar en limitaciones al mismo. En las pruebas se ejecutaron rectas, curvas, clotoides, ovoides transiciones de sobreancho y peraltes con gran amplitud de valores, los resultados son óptimos, incluso en pruebas de diseños con glorietas y otros aspectos de difícil ejecución con sistemas tradicionales. Hoy día contamos con un amplio historial de experiencias de distinto tipo e importancia. 5.- RESULTADOS. Los resultados del trabajo del sistema se centran en los siguientes puntos: Precisión, producción y calidad. Sobre estos puntos cabe indicar: Resultados en precisión:

El error en cotas proviene tanto de la estación total trabajando a distancias máximas de 400 m (Error de 0,5 cm), como de la materialización de dichas cotas por la cuchilla (Error inferior a 0,5 cm). La trazabilidad o “realidad de ejecución” del sistema se sitúa por debajo de 1 cm, lo que permite cumplir las tolerancias impuestas en las capas de refino de materiales como zahorras, seleccionado, etc. Estos datos de precisión inferiores al centímetro en el refino con el sistema 3D-LPS se han mantenido de forma genérica en todas las obras donde ha trabajado el sistema.

Resultados en calidad:

Se han realizaron mediciones de IRI (índice de regularidad superficial) sobre el refino de zahorras ejecutado con el sistema. Los resultados permitieron concluir que el IRI de zahorras cumplía las tolerancias impuestas para las capas intermedias de aglomerado y que echando a plancha fija la capa bituminosa G-25 sobre el refino de zahorras, el IRI de G-25 cumplía las tolerancias impuestas en la capa de rodadura. Esto ha permitido, en algunos

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casos echar a plancha fija las capas de aglomerado con el consiguiente ahorro de topografía y picas que necesita el extendido de aglomerados.

Los acabados son perfectos, resaltando que estos se producen en cualquier punto de la traza por lo que los errores anteriores de las zonas entre estacas desaparecen.

La utilización del equipo desde capas inferiores favorece el refino de las capas superiores tanto por la calidad y ausencia de problemas de compactación al conseguir mayor regularidad en las tongadas aportadas en los tajos como por el ahorro de materiales que se produce en las capas superficiales y que evitan corregir errores de capas inferiores con el consiguiente ahorro de los materiales más caros de la obra.

Resultados en producción:

Las producciones conseguidas con el sistema superan con creces las obtenidas por medios tradicionales, logrando duplicar las mismas. En capas de suelo seleccionado se consiguen producciones de 8.500 – 9.500 m2 al día extendidos, refinados y compactados con niveladoras modelo 16H. Los resultados de capas superiores de zahorras alcanzan los 12.000 m2 en las mismas condiciones.

Perfección en todo tipo de transiciones tanto en anchos, peraltes o alzados gracias al continuo control del equipo sobre el trazado que realiza el sistema.

Ejecución de medianas, donde la pendiente transversal sea inferior al 6:1 o 20% (límite de trabajo del sensor transversal), con el consiguiente ahorro de la regularización previa de la misma con las máquinas de hormigonado.

Resultados económicos:

Ahorro del estaquillado de las capas donde se utilice el sistema. Ahorro tanto en estacas, equipos de topografía de obra para esta labor, como en las repeticiones de tajo por problemas de precisión.

Aumentos de producción de, en ocasiones, más del doble frente a ejecuciones tradicionales.

Ahorro de materiales por cuanto al control de anchos y control sobre preextendidos que se realicen. El operador realiza de forma previa un control sobre el material extendido, programándose a continuación el movimiento del material y ahorrando combustible, tiempo y material necesario para el refino.

6.- CONCLUSIONES.

De todo lo expresado anteriormente se puede extraer una conclusión clara. Se trata de un sistema con amplias ventajas, demandado por las empresas del sector y que, gracias a los últimos avances en Maquinaria, Topografía, Informática y Electrónica es una realidad. Un sistema que conseguirá avanzar a las empresas de construcción del sector hacia las metas que en calidad y seguridad se fijan y que, cada día más, se imponen en obra desde los organismos oficiales. Incorporar a los catálogos de productos de las empresas de equipamientos estos sistemas, permitirá que dichas metas de calidad, eficacia y seguridad sean una realidad y 3D-LPS se perfila como un sistema que cumple con dichos fines.

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Las ventajas del sistema son claras:

• Aumento importante de la eficacia por el control que el operador dispone del sistema.

• Aumento de la calidad de acabado del refino o nivelación por la precisión del sistema y su capacidad de determinar cualquier posición por complejo que sea el diseño.

• Respeto al medio ambiente, disminuyendo la utilización de materiales costosos para el mismo y el trabajo sobre zonas exentas de proyecto, que en ocasiones se ven afectadas por su proximidad a las obras. En estas zonas el sistema no trabaja.

• Disminución de los desplazamientos con ahorro de combustible. • Evita la presencia de operadores en zonas de riesgo por proximidad a las

máquinas y en tareas de escasa importancia. • No es necesario el replanteo de estacas o cables de nivelación, con reducción

de las tareas más árduas y pesadas de topografía en la obra, consiguiendo un importante ahorro.

• El gasto de materiales de capas superiores para corregir las irregularidades dejadas en tongadas anteriores también se elimina evitando costes añadidos en los materiales más caros de la obra.

• Su control sobre el sistema y la facilidad de operación le permiten aumentar la productividad en un corto espacio de tiempo, quedando operativo el sistema en 1 o 2 jornadas.

• El control del terreno final que realiza el sistema evita la “pericia” y experiencia del operador, tan necesarias para lograr un acabado óptimo hoy día.

• Las zonas entre perfiles que el operador realizaba por tanteos, ahora se hacen automáticamente mediante cálculos geométricos, teniendo siempre en cuenta peraltes, acuerdos, sobreanchos, etc. con la consiguiente mejora de calidad final.

Los aumentos de productividad y eficacia que se obtienen con este sistema

harán cambiar la forma de trabajo de los sistemas de nivelación y refino, especializando aún más la utilización de las diferentes máquinas y alcanzando una rentabilidad muy superior a la actual.