Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Koordinatensystem
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Bezugskoordinatensystem, dessen Längsachse annähernd in Richtung der Tunnelachse orientiert ist.
Bekannte Einrichtungen zur Ermittlung der Istlage von Raketen und zur Lenkung solcher Raketen längs vorbestimmter Flugbahnen sind ungeeignet, um die momentane Istlage einer Tunnelbohrmaschine zu vermessen und gegebenenfalls mit programmierten Sollwerten zu vergleichen, damit aus dem Vergleich der Sollwertkomponenten mit den ermittelten Istwertkomponenten d:e erforderlichen Lage- und Richtkorrekturen für die Tunnelbohrmaschine abgeleitet werden können. So sind, infolge der unvermeidlichen Reflexionen in einem Tunnel und längs der Erdoberfläche weder Radar- noch Funksignalbündel brauchbar.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Bohrmaschine ein Lichtstrahler befestigt ist, welcher ein extrem enges Lichtbündel als apparativ erfühlbare, feststehende Längsachse eines raumfesten Koordinatensystems in Richtung zur Bohrmaschine ausstrahlt und dass an der Bohrmaschine mindestens ein Strahlungsempfänger angeordnet ist, mit dessen Hilfe jederzeit die Lage des Empfängerzentrums relativ zur Lichtbündelachse feststellbar ist. Als einfachstes, vielfach aber ungenügendes Realisierungsbeispiel könnte als Strahlungsempfänger lediglich eine Strahlungsindikatorscheibe an der Bohrmaschine befestigt sein, die dort, wo sie vom Lichtbündel des Lichtstrahlers, z.B. eines LASER-Gerätes, getroffen wird, leuchtet.
Beim Vertrieb der Bohrmaschine könnte so jederzeit kontrolliert werden, ob sich der Lichtfleck noch im Zentrum des Empfängers befindet, bzw. in welcher Richtung Ider Lichtfleck auszuwandern beginnt.
Damit kann rechtzeitig eine Korrektur der Tunnelvortriebsrechnung veranlasst werden.
Es ist aber praktisch von grossem Vorteil, die Einrichtung so zu gestalten, dass es nicht notwendig ist,
2 einen festen Teil der Tunnelbohrmaschine stets in der Strahlbündelachse zu halten.
Es kann z. B. vorgesehen sein, dass mindestens ein an der Bohrmaschine befestigter Strahlungsempfänger in zwei quer zur Lichtbündelachse orientierten, maschinenfesten Koordinatenrichtungen relativ zu einer Bezugslage verstellbar ist, und dass die sich nach Erreichung einer zentrischen Einstellung des Strahlungsempfängers relativ zur Lichtbündelachse ergebenden Koordinaten des Empfängerzentrums in bezug auf die maschinenfeste Bezugslage quantitativ feststellbar sind.
Besonders vorteilhaft ist eine Einrichtung der vorstehend definierten Art, in welcher mindestens ein Strahlungsempfänger so ausgebildet ist und durch derartig von ihm gesteuerten Servoverstellvorrichtungen in den maschinenfesten Koordinatenrichtungen bewegt wird, dass sich eine tselbst- tätige Zentrierung des betreffenden Strahlungsempfängers in bezug auf die Lichtbündelachse ergibt. Dabei kann weiterhin eine an der Bohrmaschine angeordnete Verkantungskontrollvorrichtung zur quantitativen Ermittlung der jeweiligen Abweichung der einen maschinenfesten Koordinatenrichtung von einer raumfesten Koordinatenrichtung (X) vorgesehen werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt in Form eines geometrischen Schaubildes ein beispielsweises Realisierungsprinzip der Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch im Grundriss, der aber ebenso gut als Aufriss betrachtet werden kann, eine beispielsweise Anwendung einer erfindungsgemässen Einrichtung.
Fig. 3 zeigt die Ansicht einer rotierenden Blende, wie sie in einem Strahlungsempfänger verwendet werden kann, der beispielsweise in
Fig. 4 haibschematisch dargestellt ist, in Verbindung mit dem Lichtbündel, den servomotorischen Verstellantrieben und der elektronischen Auswerteschaltung zur Gewinnung der Steuersignale für die Servomotoren.
Fig. 5 stellt ein Zeit- bzw. Winkeldiagramm für die Referenzsignale und den Photozellenstrom i für verschiedene Relativlagen der Lichtbündelachse zum Zentrum des Strahlungsempfängers dar. Weiterhin zeigen:
Fig. 6 ein Schaltschema zur Erzeugung der Steuerspannungen für die Servomotoren, d. h. für den in Fig. 4 mit D bezeichneten Block,
Fig. 7 ein Prinzipschema für die Auswertung und für den Vergleich der senomotorisch ermittelten Ablagekomponenten der gerätefesten Bezugspunkte von der Lichtachse mit vorgegebenen entsprechenden Werten,
Fig. 8 ein Beispiel eines Armaturenbrettes im Führerstand einer Tunnelbohrmaschine, die mit einer erfindungsgemässen Lageermittlungseinrichtung ausgerüstet ist.
In Fig. 1 ist ein Balken G sichtbar, der einen festen Bauteil einerTunnelbohrmaschine bilden mag. Zwei ausgezeichnete Eckpunkte 01 und 0 dieses Balkens G bilden die Ursprünge je eines gerätefesten Bezugskoordi natensystems -i H1 Z bzw. 82 H2 Z, wobei die beiden Koordinaten systeme zwangsläufig zur Parallelität und zur festen Distanzierung in der gemeinsamen Z-Achse auf einen bekannten Distanzwert lz starr verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass die Koordinatensysteme .-lBlZ und -2H2Z entweder dauernd so orientiert werden, dass sie praktisch genau mit den ebenfalls ein- gezeichneten Koordinatensystemen Xt, Y1, Z bzw.
X2, Y2, Z in Deckung sind, in welchen die Lage der Y-Achsen durch das Lot in den Ursprüngen definiert ist oder dass die Verdrehung g der beiden Systeme stets bekannt ist. Mit A ist die räumlich definierte Zentralachse eines extrem engen Lichtbündels bezeichnet, zu welcher die Z-Achse des Gerätes, also dessen Hauptachse und Hauptbewegungsrichtung, einigermassen, aber nicht ge nau. gleichgerichtet sei.
Die momentane Lage und Orientierung des Gerätes, d. h. die Lage der Balkenpunkte 0j, 02 und die Orientierung der Geräteachse 01, 02 kann durch fortwährende Ermittlung der Schnittpunkte S01, SO2 der Ebenen #1 H1 bzw. #2 #2 mit der Achse A des Lichtbündels, bzw. der Koordinatenwertpaare $ 1L und "2 dieser Schnitt- punkte genau definiert werden. Voraussetzung zur technischen Realisierung dieses Prinzipes ist es, dass am Gerät G, d. h. am Balken, der in Fig. 1 gezeichnet ist, Strahlungsempfänger S1, S2 befestigt und je in zugeordneten gerätefesten Querkoordinatenrichtungen H 1 H1 bzw.
22112 verschiebbar sind und dass es möglich ist, zu erfühlen, ob die Zentren SOi, SO der beiden Strahlungs- empfänger genau in der Lichtbündelachse A liegen. Unter diesen Umständen definieren die Koordinatenpaare #1 #1 bzw. $2 t12 genau die Positionen der Empfängerzentren SO1, SO gegenüber dem Balken G, d. h. dem Gerät.
Sofern weiterhin noch der Winkel < p jederzeit bekannt ist, um welchen die gerätefesten Koordinatensysteme -lBl bzw. 2-2 H2 gegenüber den räumlich festen, d. h.
z. B. auf das Lot bezogenen Koordinatensystemen Xt, Y2 bzw. X2, Y verdreht ist, lassen sich die Lagen der beiden gerätefesten Punkte Oi und 0 in einem räumlich festen Koordinatensystem, gegeben durch die Lichtbün- delachse A als Z-Achse und die horizontalen bzw. vertikalen Richtungen X, Y nach folgenden Beziehungen genau definieren:
x = # cos # - r sin # y = # sin # + g cos ç Aus den so errechneten Wertepaaren x1, Ei und x2, Y2 lassen sich gemäss nachfolgender Beziehung die Komponenten A, a des Winkels zwischen der Achse Z, d. h.
der Geraden Oi, O2 und der Lichtbündelachse A in der YZ- bzw. XZ-Ebene errechnen.
tg # = y2-y1 = k(y2-y1)
1z
1 (k = 1 z) x2-x1 tg α = 1z = k(x2-x1) Unter der Voraussetzung, dass die vier Sollwerte X2S, y2S, tg a1, tgAs, welche die Lage des einen Bezugspunktes 2 und die beiden Richtungswinkel a, Ä definieren, bekannt sind, lassen sich jeweils durch Vergleich jedes Istwertes mit dem zugehörigen Sollwert die Lage- bzw. Orlentie- rungsfehler fx, fy, f f, ermitteln, die einer servomotori- schen Korrektur der betreffenden Istwerte oder einer Handkorrektur durch eine Bedienungsperson zugrunde liegen können.
Gemäss Fig. 2, die den Grundriss eines zu bohrenden Stollens oder Tunnels zeigt, ist eine Tunnelbohrmaschine G schematisch dargestellt, für deren momentane Lage der Punkt 0 vorn und für dessen Orientierung der Punkt O, bzw. der Richtwinkel a massgebend ist. Sofern die Fig. 2 als Aufriss betrachtet würde, wäre anstelle des Horizontwinkeis a der Höhenrichtwinkel A wie in Fig. 1 einzutragen.
Die räumliche Lage des Bezugssystems, auf welches die für jede Lage des Maschinenpunktes 0 längs der Tunnelmittelachse voraus berechenbaren Sollquadrupel X28 Y2sx tgas, tag in bezogen sind, wird an einer Stelle LS am Ende des gebohrten Tunnelabschnittes eine Vorrichtung, z.B. ein Laser, zur Erzeugung eines extrem engen Lichtbündels, vorzugsweise unter dem Tunnel scheitel fest montiert und so gerichtet, dass der erzeugte Lichtstrahl A über eine längere Tunnelstrecke als Bezugslinie brauchbar ist.
Die Sollwertquadrupel für die Bestimmung der Lage und Orientierung der Bohrmaschine G werden in bezug auf die dadurch gegebene Leitgerade A für jede Distanz von der Lichtbündelquelle LS ermittelt und beispielsweise dem Bohrmaschinenführer in tabellarischer Form übergeben. Dieser kann, wie später anhand von Fig. 8 erläutert werden wird, an seinem Instrumentarium jederzeit die Lagefehlerkomponenten fx, fy und die Orientierungsfehler f,, f#, ablesen und entsprechende Massnahmen zur Verminderung dieser Fehler treffen. Es ist leicht ersichtlich, dass auf diese Weise die Bohrmaschine dauernd im Arbeitsbetrieb gehalten werden kann, solange die Lage des Lichtbündels A noch passt und dessen Intensität noch ausreicht.
Im algemeinen wird das bei Stollenbauten etwa für eine Bohrstrecke von ca.
100 m, also mindestens für mehrere Arbeitstage ausreichen. Demgegenüber war es mit den bisher verfügbaren Einrichtungen notwendig, spätestens nach sveni- gen Stunden eine langwierige und teure theodolithische Vermessung von Lage und Orientierung der Bohrmaschine vorzunehmen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4, 5 und 6 werden die Ausbildung und Wirkungsweise der Strahlungsempfänger, die servomotorischen Verstellantriebe für die Empfänger sowie die zugehörigen Schaltungsmittel besprochen.
Auf der Maschine G (siehe Fig. 2) sind zwei Trägerplatten 1, und 12 in vorbestimmter Orientierung und in vorbestimmter Distanz 1z fest montiert. Jede dieser Platten bildet den Träger eines Strahlungsempfängers und von dessen servomotorischen Verstellantrieben. Auf Schlittenführungen 10 dieser Grundplatten sind Zwi schenplatten 22 bzw. 2t in Richtung quer zur Papierebene, d. h. in der Koordinatenachse H verschiebbar. Zu diesem Zweck sei an der Grundplatte 1 ein Servomotor SM befestigt, dessen Abtriebszahnrad 11 in eine Zahnstange 21 an der Unterseite der Zwischenplatte 2 eingreift.
In Führungen 22 der Zwischenplatte 2 ist ein Empfängergehäuse 3 in der vertikalen Richtung H verschiebbar, zu welchem Zweck an der Zwischenplatte 2 ebenfalls ein Servomotor SM befestigt ist, dessen Ab triebszahnrad 23 in eine Zahnstange 33 am Empfängergehäuse 3 eingreift.
Im Empfängergehäuse 32 ist eine Bildoptik 30 montiert, deren optische Achse mit a2 bezeichnet ist. In gleicher Weise ist in dem nur teilweise gezeichneten Empfängergehäuse 31 der Grundplatte 11 die optische Achse mit a2 bezeichnet. Über der Bildoptik 30 ist, um die optische Achse drehbar, eine Blendenscheibe 31 gelagert, die in Fig. 3 in Ansicht von oben gezeigt ist. Sie wird von einem im Empfängergehäuse 3 festmontierten Synchronmotor 34 über ein Zahnrad 35 angetrieben. Die Blendenscheibe 31 enthält einen offenen 90"-Sektor 310 und trägt zwei zueinander um 900 verstellte Randumfangsstreifen 31,, 31y, die sich je über 180 Bogengrade erstrecken.
Eine Lampe 36 wirkt mit zwei Photozellen 36x, 36y derart zusammen, dass diese Photozellen bei der Drehung der Blendenscheibe elektrische Refe renzsignale rx bzw. ry erzeugen, deren zeitlicher Verlauf in Abhängigkeit von den in Fig. 3 eingetragenen Winkelstellungen in Fig. 5 elingezeichnet ist. Über der Blendenscheibe 31 ist, unter 45" geneigt, ein Spiegel 37 eingebaut, der dazu bestimmt ist, das Lichtbündel A in Richtung der optischen Achse a2 des Empfängers umzulenken. Das vorgelagerte Empfängergehäuse 3, ist mit einem halbdurchlässigen Spiegel 37t ausgerüstet, so dass dort nur ein Teil des Lichtes abgelenkt wird.
Das nach unten gespiegelte Lichtbündel wird von der Sensoroptik 30 auf die Photozelle 38 gesammelt, in welcher ein Photostrom i erzeugt wird. Für vier mögliche Lagen des Bündelzentrums A3, A2, Ar, Ao in bezug auf die Scheibe 31 sind die entsprechenden Zeitdiagramme der Photoströme i3, i2, it, io am Ausgang der Photozelle 38 in Fig. 5 dargestellt. Man sieht daraus, dass bei zentraler Lage des Lichtbündels A in der Sektorblende 31 der Photostrom i0 unverändert bleibt und bei der dargestellten Verschiebung des Lichtbündels in der Richtung aus dem Blendenzentrum schrittweise in die Form i3 übergeht.
Eine Verschiebung des Lichtbündels A in der l/-Richtung ergäbe dieselben Stromdiagramme, aber mit 90" Phasenverschiebung. Es ist aus Fig. 5 leicht er sichtlich, dass der zeitliche Mittelwert T des Photostromes i in allen Lagen unverändert bleibt. Gemäss Fig. 4 wird der gebildete Photostrom i in einem Regelverstärker RV in bekannter Weise auf konstanten Pegel verstärkt und anschliessend in einem Diskriminator D, der in Fig. 6 dargestellt ist, zur Bildung der Gleichspan nungssignale j E und d 17 ausgewertet.
Dieser Diskrimi- nator D umfasst gemäss Fig. 6 einen Eingangsübertrager Ue, Dioden Di, Transistorpaare Tyt, Ty2 bzw. Btx1, Tx2 sowie gegengekoppelte Endverstärker EV und Widerstände, bzw. Kapazitäten C in einer leichtverständlichen und an sich bekannten Schaltung. Diese Signale werden gemäss Fig. 4 in Verstärkern V bzw. V, verstärkt und als Steuerspannungen U, Ub den genannten Servomotoren SM zugeführt, so dass diese das Empfängergehäuse 3 so bewegen, dass das Zentrum der Blendenscheibe 31 stets auf das Zentrum des Lichtbündels A wandert.
Es ist in Fig. 4 auch gezeigt, wie durch Umstellung vom Umschaltkontakten UK auch eine Handverstellung der Empfängerachse a2 in eine vorgewollte Position erreicht werden kann. Es sei hier noch bemerkt, dass mit Vorteil ein Lichtbündel A verwendet wird, das mit einer Frequenz von beispielsweise 1000 Hz getastet wird, weil auf diese Weise Streulicht keinen Einfluss ausübt und zur Auswertung Wechselstromschaltungen verwendbar sind.
In Fig. 7 ist dargestellt, wie die sich servomotorisch einstellenden, jeweiligen Drehstellungen der beiden Servomotorwellen SM in beiden Strahlungsempfängern mittels mechanisch-elektrischen Wandlern Wa in elektrische Wechselstromsignale umgewandelt werden können, die mit Hilfe bekannter Sinus-Kosinus-Rechner KT oder Resolvern, deren gemeinsame Verstellwelle W in Funktion des früher definierten Winkels ç verdreht wird.
Beispielsweise kann ein Pendel P zur Einstellung der Welle W auf den Neigungswinkel q7 verwendet werden.
So entstehen an den Ausgängen der Resolver KT die Istwertpaare xt, Y1 bzw. xe, y2.
Ein induktives Pick-off Q bekannter Bau- und Wirkungsweise, dessen Rotor von der Welle W verdreht wird, kann zur Fernanzeige des momentanen Wertes des Neigungswinkels ç der Bohrmaschine gegen die Horizontale X verwendet werden. Von Einstellwellen Ws aus können jederzeit die momentan gültigen Sollwert quadrupel X2s, y,,, tga8, tgA8 tgA, eingestellt werden, die in Wandlern Wa in entsprechende Wechselstromsignale umgewandelt werden. Unter Verwendung von Differentialübertragern DU und Demodulatoren DEM lassen sich in der Schaltung nach Fig. 7 die momentanen Einstell- bzw. Orientierungsfehler = K1-XZ,; fy = f = k(x2-x1) - tga; fi = k(y-y1) - tg als fernanzeigbare Gleichstromsignale ermitteln.
Endlich zeigt noch Fig. 8 ein Beispiel eines Instrumentenbrettes im Uberwachungsraum der Bohrmaschine.
Device for determining the actual position of a tunnel boring machine in a spatially fixed coordinate system
The subject of the present invention is a device for determining the actual position of a tunnel boring machine in a spatially fixed reference coordinate system, the longitudinal axis of which is oriented approximately in the direction of the tunnel axis.
Known devices for determining the actual position of missiles and for guiding such missiles along predetermined trajectories are unsuitable for measuring the current actual position of a tunnel boring machine and, if necessary, comparing it with programmed setpoint values so that the position required by comparing the setpoint components with the determined actual value components d: e - and directional corrections for the tunnel boring machine can be derived. Due to the inevitable reflections in a tunnel and along the surface of the earth, neither radar nor radio signal bundles are usable.
The device according to the invention is characterized in that a light emitter is attached behind the drill, which emits an extremely narrow beam of light as an apparatus-perceptible, fixed longitudinal axis of a spatially fixed coordinate system in the direction of the drill and that at least one radiation receiver is arranged on the drill with the help of which at all times the position of the receiver center relative to the light beam axis can be determined. As the simplest, but often inadequate implementation example, a radiation indicator disc could be attached to the drilling machine as a radiation receiver, which is located where it is affected by the light beam of the light emitter, e.g. of a LASER device, lights up.
When selling the drilling machine, it could be checked at any time whether the light spot is still in the center of the receiver or in which direction the light spot begins to migrate.
This means that a correction of the tunnel advance calculation can be initiated in good time.
However, it is of great practical advantage to design the facility in such a way that it is not necessary
2 to keep a fixed part of the tunnel boring machine always in the beam axis.
It can e.g. B. provided that at least one radiation receiver attached to the drill is adjustable in two machine-fixed coordinate directions oriented transversely to the light beam axis relative to a reference position, and that the coordinates of the receiver center resulting after reaching a central setting of the radiation receiver relative to the light beam axis in relation to the machine-fixed reference position can be determined quantitatively.
A device of the type defined above is particularly advantageous in which at least one radiation receiver is designed and is moved in the machine-fixed coordinate directions by servo adjustment devices controlled by it in such a way that the relevant radiation receiver is automatically centered with respect to the light beam axis. In this case, a tilt control device arranged on the drilling machine can also be provided for the quantitative determination of the respective deviation of the one coordinate direction fixed to the machine from a coordinate direction (X) fixed in space.
A preferred embodiment of a device according to the invention is shown in the drawing.
Fig. 1 of the drawing shows in the form of a geometrical diagram an exemplary implementation principle of the invention.
Fig. 2 shows schematically in plan, which can just as well be viewed as an elevation, for example an application of a device according to the invention.
Fig. 3 shows the view of a rotating screen as it can be used in a radiation receiver, for example, in
Fig. 4 is shown semi-schematically in connection with the light beam, the servo-motor adjustment drives and the electronic evaluation circuit for obtaining the control signals for the servo motors.
Fig. 5 shows a time or angle diagram for the reference signals and the photocell current i for different relative positions of the light beam axis to the center of the radiation receiver.
6 shows a circuit diagram for generating the control voltages for the servomotors, i.e. H. for the block labeled D in Fig. 4,
7 shows a basic diagram for the evaluation and for the comparison of the sensor-motor-determined storage components of the reference points fixed to the device from the light axis with predetermined corresponding values,
8 shows an example of a dashboard in the driver's cab of a tunnel boring machine which is equipped with a position determining device according to the invention.
In Fig. 1 a bar G can be seen which may form a solid component of a tunnel boring machine. Two marked corner points 01 and 0 of this bar G each form the origins of a device-fixed reference coordinate system -i H1 Z and 82 H2 Z, the two coordinate systems inevitably for parallelism and for fixed spacing in the common Z-axis to a known distance value lz are rigidly connected. It is provided that the coordinate systems.-LBlZ and -2H2Z are either permanently oriented in such a way that they are practically exactly aligned with the coordinate systems Xt, Y1, Z or
X2, Y2, Z are in congruence, in which the position of the Y-axes is defined by the perpendicular in the origins or that the rotation g of the two systems is always known. A denotes the spatially defined central axis of an extremely narrow light beam, to which the Z-axis of the device, i.e. its main axis and main direction of movement, is somewhat, but not exactly. be rectified.
The current position and orientation of the device, i.e. H. the position of the bar points 0j, 02 and the orientation of the device axis 01, 02 can be determined by continuously determining the intersection points S01, SO2 of the planes # 1 H1 or # 2 # 2 with the axis A of the light beam or the coordinate value pairs $ 1L and " The prerequisite for the technical implementation of this principle is that radiation receivers S1, S2 are attached to the device G, that is to say on the bar shown in FIG. 1, and that the transverse coordinate directions H 1, H1 or .
22112 can be moved and that it is possible to feel whether the centers SOi, SO of the two radiation receivers lie exactly in the light beam axis A. Under these circumstances, the coordinate pairs # 1 # 1 and $ 2 t12 define exactly the positions of the receiver centers SO1, SO with respect to the bar G, i. H. the device.
If the angle <p is still known at all times, by which the device-fixed coordinate systems -lBl or 2-2 H2 compared to the spatially fixed, i.e. H.
z. B. relative to the perpendicular coordinate systems Xt, Y2 or X2, Y is rotated, the positions of the two device-fixed points Oi and 0 in a spatially fixed coordinate system, given by the light bundle axis A as the Z axis and the horizontal or . Exactly define vertical directions X, Y according to the following relationships:
x = # cos # - r sin # y = # sin # + g cos ç From the value pairs x1, Ei and x2, Y2 calculated in this way, the components A, a of the angle between the axis Z, i.e. H.
the straight lines Oi, O2 and the light beam axis A in the YZ or XZ plane.
tg # = y2-y1 = k (y2-y1)
1z
1 (k = 1 z) x2-x1 tg? = 1z = k (x2-x1) Assuming that the four setpoints X2S, y2S, tg a1, tgAs, which define the position of one reference point 2 and the two direction angles a, Ä, are known, they can be compared determine the position or orientation errors fx, fy, ff for each actual value with the associated setpoint value, which can be the basis for a servomotor correction of the actual values in question or a manual correction by an operator.
According to FIG. 2, which shows the floor plan of a gallery or tunnel to be drilled, a tunnel boring machine G is shown schematically, for the current position of which point 0 in front and for its orientation point O or the directional angle a is decisive. If FIG. 2 were viewed as an elevation, the elevation angle A would have to be entered as in FIG. 1 instead of the horizon angle a.
The spatial position of the reference system, to which the nominal quadruples X28 Y2sx tgas, tag in, which can be calculated in advance for each position of the machine point 0 along the tunnel center axis, are referred to, is a device at a point LS at the end of the drilled tunnel section, e.g. a laser, for generating an extremely narrow beam of light, preferably firmly mounted under the tunnel apex and directed so that the generated light beam A can be used as a reference line over a longer tunnel section.
The setpoint quadruples for determining the position and orientation of the drilling machine G are determined in relation to the resulting guide line A for each distance from the light beam source LS and, for example, transferred to the drill operator in tabular form. As will be explained later with reference to FIG. 8, he can at any time read the position error components fx, fy and the orientation errors f 1, f #, from his instruments and take appropriate measures to reduce these errors. It is easy to see that in this way the drill can be kept continuously in operation as long as the position of the light beam A is still correct and its intensity is still sufficient.
In general, this is the case for tunnel construction for a drilling distance of approx.
100 m, which is sufficient for at least several working days. In contrast, with the facilities available up to now, it was necessary to carry out a lengthy and expensive theodolithic measurement of the position and orientation of the drilling machine after a few hours at the latest.
With reference to FIGS. 3, 4, 5 and 6, the design and mode of operation of the radiation receiver, the servomotor adjustment drives for the receiver and the associated circuitry are discussed.
On the machine G (see FIG. 2) two carrier plates 1 and 12 are fixedly mounted in a predetermined orientation and at a predetermined distance 1z. Each of these plates forms the carrier of a radiation receiver and its servomotor adjustment drives. On slide guides 10 of these base plates are inter mediate plates 22 and 2t in the direction transverse to the plane of the paper, d. H. Can be moved in the coordinate axis H. For this purpose, a servomotor SM is attached to the base plate 1, the output gear 11 of which engages in a rack 21 on the underside of the intermediate plate 2.
In guides 22 of the intermediate plate 2, a receiver housing 3 is displaceable in the vertical direction H, for which purpose a servomotor SM is also attached to the intermediate plate 2, whose drive gear 23 engages in a rack 33 on the receiver housing 3.
Image optics 30, the optical axis of which is denoted by a2, are mounted in the receiver housing 32. In the same way, in the only partially drawn receiver housing 31 of the base plate 11, the optical axis is denoted by a2. A diaphragm disk 31, which is shown in FIG. 3 in a view from above, is mounted above the image optics 30 so as to be rotatable about the optical axis. It is driven by a synchronous motor 34 fixedly mounted in the receiver housing 3 via a gear 35. The diaphragm disk 31 contains an open 90 "sector 310 and has two peripheral strips 31, 31y which are displaced by 900 relative to one another and which each extend over 180 degrees of arc.
A lamp 36 interacts with two photocells 36x, 36y in such a way that these photocells generate electrical reference signals rx or ry as the diaphragm disc rotates, the time course of which is shown in FIG. 5 as a function of the angular positions shown in FIG. 3. A mirror 37 is installed above the diaphragm 31, inclined at 45 ", which is intended to deflect the light beam A in the direction of the optical axis a2 of the receiver. The upstream receiver housing 3 is equipped with a semi-transparent mirror 37t so that there only part of the light is deflected.
The light beam reflected downwards is collected by the sensor optics 30 onto the photocell 38, in which a photocurrent i is generated. For four possible positions of the bundle center A3, A2, Ar, Ao in relation to the disk 31, the corresponding timing diagrams of the photocurrents i3, i2, it, io at the output of the photocell 38 are shown in FIG. It can be seen from this that with the central position of the light bundle A in the sector diaphragm 31, the photocurrent i0 remains unchanged and with the illustrated displacement of the light bundle in the direction from the center of the diaphragm it gradually changes into the shape i3.
A shift of the light bundle A in the 1 / direction would result in the same current diagrams, but with a phase shift of 90 ". It is easy to see from FIG. 5 that the time average T of the photocurrent i remains unchanged in all positions the photocurrent i formed is amplified in a known manner at a constant level in a control amplifier RV and then evaluated in a discriminator D, which is shown in FIG. 6, to form the DC voltage signals j E and d 17.
According to FIG. 6, this discriminator D comprises an input transformer Ue, diodes Di, transistor pairs Tyt, Ty2 or Btx1, Tx2 as well as negative output amplifiers EV and resistors or capacitors C in an easily understandable and known circuit. According to FIG. 4, these signals are amplified in amplifiers V and V, respectively, and fed as control voltages U, Ub to the aforementioned servomotors SM, so that they move the receiver housing 3 so that the center of the diaphragm 31 always moves to the center of the light beam A. .
It is also shown in FIG. 4 how a manual adjustment of the receiver axis a2 into a desired position can also be achieved by switching over the changeover contacts UK. It should also be noted here that a light bundle A is advantageously used that is scanned at a frequency of, for example, 1000 Hz, because in this way scattered light has no influence and AC circuits can be used for evaluation.
7 shows how the respective rotary positions of the two servomotor shafts SM in both radiation receivers, which are set by a servo motor, can be converted into electrical alternating current signals by means of mechanical-electrical converters Wa, which are shared with the aid of known sine-cosine computers KT or resolvers Adjusting shaft W is rotated as a function of the previously defined angle ç.
For example, a pendulum P can be used to set the shaft W to the angle of inclination q7.
The actual value pairs xt, Y1 or xe, y2 are thus created at the outputs of the resolver KT.
An inductive pick-off Q of known construction and mode of operation, the rotor of which is rotated by the shaft W, can be used to remotely display the current value of the angle of inclination ç of the drill relative to the horizontal X. The currently valid setpoint quadruple X2s, y ,,, tga8, tgA8 tgA, can be set at any time from setting shafts Ws, which are converted into corresponding alternating current signals in converters Wa. Using differential transformers DU and demodulators DEM, the current setting or orientation errors = K1-XZ ,; fy = f = k (x2-x1) - tga; Determine fi = k (y-y1) - tg as remotely displayable direct current signals.
Finally, FIG. 8 shows an example of an instrument panel in the monitoring space of the drilling machine.