Vorrichtung zur Führung einer Arbeitsmaschine Das Hauptpatent betrifft eine Vorrichtung zur Füh rung einer Arbeitsmaschine in einer bestimmten Füh rungsebene mit Hilfe eines von einem fest aufgestellten Laser erzeugten, in der Führungsebene aufgefächerten Leitstrahls, wobei die Laserstrahlung moduliert ist und eine mit der Arbeitsmaschine fest verbundene Emp fangseinrichtung vorgesehen ist, die wenigstens zwei auf einer Achse senkrecht zur Führungsebene angeordnete Fotoempfänger enthält, welche bei einer Abweichung der Arbeitsmaschine aus der Führungsebene über einen Differenzverstärker ein Steuersignal für die Rück führung der Arbeitsmaschine in die Führungsebene erzeugen.
Die Erfindung gemäss dem Hauptpatent geht dabei von der Erkenntnis aus, dass zur genauen Führung mit einer Empfangseinrichtung, die nur wenige, insbesonde re zwei Fotoelemente enthält, diese relativ nahe überein ander oder nebeneinander angeordnet werden müssen, um bereits kleine Abweichungen aus der Sollebene feststellen zu können. In diesem Fall wird die Laser strahlung, die im Normalfall in einer Ebene zwischen den beiden Fotozellen auftrifft, auch bei einer geringen seitlichen Verschiebung noch beide Fotoelemente beein flussen, so dass eine automatische Anzeige unabhängiger Fotoelemente überhaupt nicht möglich ist. Durch das Vorsehen eines Differenzverstärkers wird jedoch die geringe unterschiedliche Strahlungsdichte am Ort der beiden Fotozellen erkannt und zur Bildung eines Steuer signals für den Antrieb einer Arbeitsmaschine verwen det.
Die zu führende Arbeitsmaschine, beispielsweise eine Tunnelvortriebsmaschine, ein Drainage-Pflug oder eine Gleisbaumaschine, bewegt sich dabei im Laufe eines Führungsabschnittes von dem festaufgestellten Laser weg bzw. auf diesen zu, wobei die Entfernung vom Laser zwischen einigen Metern und einigen hundert Metern schwanken kann. Da nun auch noch bei einer Entfernung von einigen hundert Metern das im Diffe renzverstärker gebildete Signal genügend gross sein muss, damit die zur Korrektur einer etwaigen Abwei chung dienenden Einrichtungen geschaltet werden kön nen, treten im Nahbereich, d. h. bei einer Bewegung der Arbeitsmaschine in der Nähe des Lasers Schwierigkeiten auf, was sich insbesondere in einer verminderten An sprechempfindlichkeit äussert.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Vorrichtung nach dem Hauptpatent derart zu verbessern, dass diese Schwierigkeiten und Empfind lichkeitsverluste vermieden werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs erwähn ten Art vorgesehen, dass die an die Fotoempfänger anschliessende Verstärkeranordnung mit einem automa tisch arbeitenden Regelkreis versehen ist, der eine Aussteuerung irgendeiner der Verstärkerstufen in ihren Sättigungsbereich ausschliesst.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Empfindlichkeitsabnahme im Bereich kleiner Entfernungen zwischen dem Laser und der Arbeitsma schine auf einer Sättigung der den Fotoelementen nachgeschalteten Verstärkern beruht. Aufgrund der Strahlauffächerung ist nämlich die auf die Fotoelemente auftreffende Strahlungsdichte bei kleiner Entfernung sehr viel grösser als bei grossen Entfernungen. Die zur Erzielung eines ausreichend grossen Steuersignals bei grossen Entfernungen nötige Verstärkung führt bei den hohen Strahlungsdichten, denen die Fotoelemente in der Nähe des Lasers ausgesetzt sind, unweigerlich zu einem Übersteuern der nachgeschalteten Verstärker.
Da nun aber die auf einer Achse senkrecht zur Ebene des Strahlfächers angeordneten Fotoempfänger im allgemeinen einen Abstand haben sollen, der kleiner ist als die Breite des Strahlfächers senkrecht zur Auffächerungsrichtung, damit bereits kleinste Verschie bungen erkannt und korrigiert werden können, sind bereits bei einer Lage der Arbeitsmaschine in der Sollebene, d. h. wenn das Zentrum des Strahlfächers genau zwischen den Fotozellen liegt, die auf die Fotoele mente auftreffenden, relativ geringen Teilstrahlungslei stungen in der Nähe des Lasers so gross, dass die nachgeschalteten Verstärker sättigen und eine Verschie bung des Strahlzentrums, d. h.
ein Fehllauf der Maschi ne erst bei sehr grossen Verschiebungen eine Änderung des Ausgangssignals bewirkt.
Wird eine derartige Sättigung der Verstärker durch eine erfindungsgemäss ausgestaltete Vorrichtung vermie den, so erhöht sich der Empfindlichkeitsbereich der Vorrichtung um Grössenanordnungen, so dass bereits Verschiebungen um weniger als 1 mm zu einem Schalten der Korrektur-Relais ausreichen.
Da die Sättigung der Verstärker im allgemeinen erst in den letzten Stufen eintritt, kann der Regelkreis in einfacher Weise dadurch gebildet sein, dass in den Ausgangskreis der vor den zur Sättigung neigenden Endstufen gelegene Eingangsstufen der Verstärker va riable Ausgangsbelastungen eingeführt werden, die sich gemäss einem aus den Verstärkerausgängen gebildeten Summensignale ändern. Dieses Summensignal kann in einfacher Weise in der nachgeschalteten Differenzstufe miterzeugt werden, während die variable Belastung vorteilhafterweise eine geeignete Transistorschaltung ist.
Anhand des in der Figur der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Zweikanal-Emp fangseinrichtung dargestellt, wobei jedem Kanal eine Fotozelle 6 bzw. 7 zugeordnet ist. Das Ausgangssignal dieser Fotozelle 6 und 7 wird jeweils mit Hilfe von zweigeteilten Verstärkerstufen V11 und V12 bzw. V21 und V22 einem Differenzverstärker 8 zugeführt, dessen Aus gängen 11a bzw. 11b die positiven bzw. negativen Steuersignale entnommen werden, die bei Überschreiten einer bestimmten Grösse ein Relais 26 oder 27 schalten.
Zusätzlich zu dieser Differenzbildung wird aus den Signalen S1 und S2 in einer Summierstufe 28 ein Summensignal S1 und S2 gebildet, welches in den Ausgangskreisen der Verstärker V11 und V21 liegende variable Belastungen 29 und 30 steuert.
Mit Hilfe eines erfindungsgemässen Regelkreises ist also die Verstärkung der einzelnen Kanäle im Nahfeld des Lasers, d. h. bei grossser Strahlungsdichte auf den Fotoempfängern klein und bei grosser Entfernung gross, so dass die an den Ausgängen 11a und 11b der Differenzstufe auftretenden Steuersignale bereits bei kleinen Verschiebungen des Strahlzentrums - unab hängig von der Entfernung der Arbeitsmaschine vom Laser - zum Schalten der Relais ausreichen.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausfüh rungsbeispiel beschränkt; so kann die Ausbildung des Regelkreises auch in anderer Weise erfolgen, wobei es insbesondere auch möglich wäre, anstelle einer Regelung mit Hilfe des Summensignals eine getrennte Regelung jedes einzelnen Kanals mit Hilfe des von ihm abgegebe nen Signals S1 bzw. S2 vorzunehmen.
Device for guiding a work machine The main patent relates to a device for guiding a work machine in a certain management level with the help of a guide beam generated by a fixed laser, fanned out in the management level, the laser radiation being modulated and a receiving device firmly connected to the work machine is provided, which contains at least two photoreceivers arranged on an axis perpendicular to the guide plane, which generate a control signal for the return of the machine to the guide plane via a differential amplifier when the machine deviates from the guide plane.
The invention according to the main patent is based on the knowledge that for precise guidance with a receiving device that contains only a few, in particular two photo elements, these must be arranged relatively close on top of each other or next to each other in order to determine even small deviations from the target plane can. In this case, the laser radiation, which normally hits a plane between the two photo cells, will still influence both photo elements even with a slight lateral shift, so that an automatic display of independent photo elements is not possible at all. By providing a differential amplifier, however, the slight difference in radiation density at the location of the two photocells is recognized and used to form a control signal for driving a work machine.
The working machine to be guided, for example a tunnel boring machine, a drainage plow or a track construction machine, moves away from or towards the fixed laser in the course of a guide section, whereby the distance from the laser can vary between a few meters and a few hundred meters. Since the signal formed in the differential amplifier must be sufficiently large even at a distance of a few hundred meters so that the devices used to correct any deviations can be switched. H. Difficulties arise when the work machine moves in the vicinity of the laser, which is expressed in particular in a reduced sensitivity to speech.
The present invention has now set itself the task of improving the device according to the main patent in such a way that these difficulties and sensitivity losses are avoided. To solve this problem, a device of the type mentioned at the outset provides that the amplifier arrangement connected to the photoreceiver is provided with an automatically operating control circuit which excludes any of the amplifier stages from being controlled in their saturation range.
The invention is based on the knowledge that the decrease in sensitivity in the area of small distances between the laser and the work machine is based on a saturation of the amplifiers connected downstream of the photo elements. Because of the fanning out of the beams, the radiation density impinging on the photo elements is much greater at a small distance than at a great distance. The amplification necessary to achieve a sufficiently large control signal at large distances inevitably leads to an overdrive of the downstream amplifier given the high radiation densities to which the photo elements in the vicinity of the laser are exposed.
But since the photoreceivers arranged on an axis perpendicular to the plane of the beam fan should generally have a distance that is smaller than the width of the beam fan perpendicular to the fanning direction, so that even the smallest shifts can be recognized and corrected, are already at one location Working machine in the target plane, d. H. if the center of the beam fan is exactly between the photocells, the relatively low Teilstrahlungslei stungen impinging on the Fotoele elements in the vicinity of the laser so large that the downstream amplifiers saturate and a shift of the beam center, d. H.
a malfunction of the machine only causes a change in the output signal with very large shifts.
If such a saturation of the amplifiers is avoided by a device designed according to the invention, the sensitivity range of the device increases by orders of magnitude so that shifts of less than 1 mm are sufficient to switch the correction relays.
Since the saturation of the amplifier generally only occurs in the last stages, the control loop can be formed in a simple manner in that variable output loads are introduced into the output circuit of the amplifier input stages located upstream of the output stages tending to saturation, which are produced according to a change the sum signals formed at the amplifier outputs. This sum signal can be generated in a simple manner in the downstream differential stage, while the variable load is advantageously a suitable transistor circuit.
The invention will be explained in more detail below on the basis of the exemplary embodiment shown schematically in the figure of the drawing.
In the exemplary embodiment, a two-channel Emp receiving device is shown, each channel being assigned a photocell 6 or 7. The output signal of this photocell 6 and 7 is fed to a differential amplifier 8 with the help of two-part amplifier stages V11 and V12 or V21 and V22, whose outputs 11a and 11b, the positive and negative control signals are taken, which are exceeded when a certain value is exceeded Switch relay 26 or 27.
In addition to this difference formation, a sum signal S1 and S2 is formed from the signals S1 and S2 in a summing stage 28 which controls variable loads 29 and 30 in the output circuits of the amplifiers V11 and V21.
With the aid of a control circuit according to the invention, the gain of the individual channels in the near field of the laser, i.e. H. With high radiation density on the photoreceivers small and with great distance large, so that the control signals occurring at the outputs 11a and 11b of the differential stage are sufficient to switch the relays even with small shifts of the beam center - regardless of the distance between the machine and the laser.
The invention is not limited to the illustrated Ausfüh approximately example; the control loop can also be designed in a different way, in which case it would also be possible, instead of a control with the aid of the sum signal, to control each individual channel separately with the aid of the signal S1 or S2 given by it.