DE10060903A1 - Laser-Höhenregeleinrichtung für eine Baumaschine - Google Patents

Abstract

Eine Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeuges umfaßt drei Lasermeßköpfe, die auf drei voneinander beabstandete Meßpunkte auf einer Referenzfläche gerichtet sind, und eine Auswerteeinrichtung, die aus den Ausgangssignalen der Lasermeßköpfe und aus der bekannten geometrischen Anordnung der Lasermeßköpfe bzgl. dem Bearbeitungswerkzeug die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges gegenüber der Referenzfläche und aus dieser Höhe und einer Soll-Höhe ein Steuersignal für eine Höhenverstellung des Bearbeitungswerkzeuges bestimmt. Die Baumaschine ist ein Straßenfertiger mit einer höhenverstellbaren Bohle oder eine Straßenkaltfräse mit einer höhenverstellbaren Frästrommel.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laser-Regel­ einrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs.

Im Baugewerbe und insbesondere im Tiefbau werden verschiede­ ne Baumaschinen eingesetzt, um große Flächen so zu bearbei­ ten bzw. zu erstellen, daß sie ein erwünschtes, meist nähe­ rungsweise ebenes Profil aufweisen. Im Straßenbau handelt es sich beispielsweise um einen Straßenfertiger, eine Straßen­ kaltfräse, einen "Motorgrader" u. a. Die Baumaschinen ver­ wenden mechanische oder elektronische Regeleinrichtungen, um eine schnelle, kostengünstige und qualitativ hochwertige Er­ stellung einer Oberfläche mit einem erwünschten Profil zu erleichtern. Die damit verbundene Problematik wird im fol­ genden kurz anhand eines Straßenfertigers und einer Kalt­ fräse erläutert.

Allgemein läuft ein Straßenfertiger mit einem Kettenfahrwerk auf einem vorbereiteten Untergrund, auf den eine zu ferti­ gende Straßendecke bzw. ein zu fertigender Straßenbelag auf­ zubringen ist. In Fahrtrichtung hinten am Straßenfertiger ist eine höhenverstellbare Bohle vorgesehen, an deren Vor­ derseite ein Vorrat des Straßenbelagmaterials angehäuft ist, der durch eine Fördereinrichtung verteilt und nachgeführt wird, die dafür Sorge trägt, daß auf der Vorderseite der Bohle immer eine ausreichende jedoch nicht zu große Menge Straßenbelagmaterials bevorratet gehalten wird. Die Höhe der Hinterkante der Bohle gegenüber der Oberfläche des vorberei­ teten Untergrundes, der gegebenenfalls auch durch eine alte Straßenbelagdecke gebildet sein kann, legt die Dicke der gefertigten Straßendecke vor ihrer anschließenden weiteren Verfestigung durch Walzen fest. Die Bohle ist an einem Zug­ arm gehalten, der um einen im Mittenbereich des Straßenfer­ tigers angeordneten Zugpunkt höhenbeweglich gelagert ist, wobei die Höhe der Bohle über eine Hydraulik verstellbar ist.

Bei bekannten Straßenfertigern bedient man sich zur Steue­ rung der Höhe der Bohle, die die Dicke des zu fertigenden Straßenbelages festlegt, z. B. einer mechanischen Tastvor­ richtung, die neben dem Straßenfertiger entlang einer Refe­ renzfläche geführt wird. Entsprechend einer durch eine Aus­ werteeinrichtung erfaßten Höhe eines Tastskis wird die Bohle in ihrer Höhe nachgestellt.

Die Referenzebene, entlang der der Tastski geführt wird, hängt von dem momentanen Bearbeitungsgang ab. Typischerweise ist die Arbeitsbreite eines Straßenfertigers geringer als die Breite der zu fertigenden Straßendecke. Zur Festlegung des Höhenniveaus der zu fertigenden Straßendecke dient übli­ cherweise ein gespanntes Stahlseil als Referenzhöhe für eine zu fertigende erste Bahn der gesamten Straßendecke. Beim Le­ gen der zweiten Bahn, die ohne Höhenversatz an die erste Bahn anschließen soll wird der Tastski über die soeben ge­ fertigte erste Bahn geführt, die dann die Referenzfläche bildet. So ist es bei bekannten Straßenfertigern möglich, durch Verwendung eines Tastskis unterschiedliche Gegenstän­ de, wie beispielsweise das gespannte Referenzseil bzw. die soeben gefertigte Bahn der Straßendecke, als Referenzebene heranzuziehen.

Jedoch hat diese bekannte Art der Höhenregelung der Bohle einige systembedingte Nachteile. Wenn beispielsweise eine gefertigte Bahn der Straßendecke als Referenzebene für die Führung des Tastskis bei der Fertigung der zweiten Bahn verwendet wird und wenn die erste Bahn eine gewisse, uner­ wünschte Welligkeit hat, so wird nötigerweise auch die zwei­ te Bahn mit Fehlern behaftet aufgebaut, die einer Abbildung der Fehler der Straßendecke an dem von dem Tastski abge­ tasteten Bereich entsprechen.

Das mechanische Abtasten mittels eines Tastskis folgt nöti­ gerweise einer Art Hüllkurve, über die jeweils höchsten Punkte der Referenzfläche. Wenn nun auf der Referenzfläche beispielsweise ein unerwünschtes Hindernis in Form eines Steines liegt, so führt die durch diese Störstelle bewirkte unerwünschte Auslenkung des Tastskis zu einem entsprechenden Höhenfehler der gefertigten Bahn der Straßendecke. Ein wei­ teres Problem liegt in der mechanischen Empfindlichkeit des Tastskis begründet, der nicht nur bei einer Unachtsamkeit des Bedienpersonals leicht Schaden nehmen kann, sondern auch beim üblichen Betrieb schnell verschleißt.

Aus dem US-Patent 4,961,173 der Anmelderin ist bereits ein Steuersensor für eine Baumaschine zum Erzeugen von Höhen­ steuersignalen und Richtungssteuersignalen durch Abtastung eines Referenzseiles oder Führungsseiles bekannt. Der be­ kannte Steuersensor verfügt über eine Mehrzahl von quer zur Bewegungsrichtung der Baumaschine angeordneten Ultraschall­ sendeempfängern, die derart benachbart zueinander liegen, daß sich ihre Strahlungskeulen in der Meßebene, in der das Führungsseil oder Referenzseil liegt, überlappen.

Die EP 0542297 B1 beschreibt eine alternative Regeleinrich­ tung, bei der mindestens drei Ultraschallsensoren im wesent­ lichen in der Bewegungsrichtung des Straßenfertigers und voneinander beabstandet an der Hohle angebracht sind, und bei der eine Auswerteeinrichtung die Abstandssignale der Ultraschallsensoren zur Erzeugung eines Höhensteuersignals für die Einstellung der Bohle verwendet. Dieses Prinzip er­ laubt unter anderem einen Mittelwertbildung der Oberfläche in Fahrtrichtung und führt in der Praxis zu zufriedenstel­ lenden Ergebnissen. Es hat aber auch einige entscheidende praktische Nachteile. Da die Sensoren senkrecht über den jeweiligen Meßpunkten am Boden angeordnet sein müssen, muß über der Strecke, über die zu mitteln ist, eine stabile Kon­ struktion aufgebaut werden, um die Sensoren in Position zu halten. Auch müssen die Ultraschallsensoren, um eine gute Genauigkeit zu liefern, möglichst dicht (ca. 30 cm) zur Re­ ferenzfläche montiert werden. Nachteile dieser Ultraschall- Regeleinrichtung sind der hohe konstruktive Aufwand, die Be­ hinderung von Arbeitern bei Tätigkeiten an oder in der Nähe der Baumaschine und die Gefahr der mechanischen Beschädigung der Sensoren und der sie tragenden Konstruktion im rauhen Baustellenbetrieb.

Die EP 0547378 B1 beschreibt eine Ultraschallregeleinrich­ tung für ein fahrbares Fräsegerät. Eine Auswerteeinrichtung verwendet die Signale von mindestens drei Ultraschallsenso­ ren um in Abhängigkeit von einer einstellbaren Sollfrästiefe Ansteuersignale für die Fahrwerkshöhenverstelleinrichtungen zu erzeugen. Diese Vorrichtung hat die gleichen, oben in Zu­ sammenhang mit dem Straßenfertiger beschriebenen Nachteile. Ferner ist eine laserbasierte Regeleinrichtung für einen Straßenfertiger bekannt. Ein Laser tastet das Profil der unbearbeiteten Oberfläche vor dem Aufbringen des Straßen­ belagmaterials und der Oberfläche des frisch aufgebrachten Straßenbelagmaterials entlang einer Ebene längs der Bewe­ gungsrichtung des Straßenfertigers und senkrecht zur Straßenoberfläche an einer Vielzahl von Meßpunkten ab. Aus den so gewonnenen Profildaten erzeugt wiederum eine Auswer­ teeinrichtung ein Steuersignal zur Steuerung der Bohle des Straßenfertigers. Ein Nachteil dieses Systems besteht in der vergleichsweise aufwendigen und empfindlichen Mechanik des verwendeten Laserscanners.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine konstruktiv einfachere, mechanisch robustere und im Bau­ stellenbetrieb anwenderfreundlichere Regeleinrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenver­ stellbaren Bearbeitungswerkzeugs zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Laser-Regeleinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Laser-Regeleinrich­ tung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs, die einen ersten Lasermeßkopf, einen zweiten Lasermeßkopf und einen dritten Lasermeßkopf aufweist, welche an der Baumaschine angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf und der zweite Lasermeß­ kopf in einem ersten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf und der dritte Lasermeßkopf in einem zweiten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Winkel und der zweite Winkel derart gewählt sind, daß ein erster Meßpunkt des ersten Lasermeßkopfs, ein zweiter Meßpunkt des zweiten Lasermeßkopfes und ein dritter Meßpunkt des dritten Lasermeßkopfes auf einer Referenzfläche vonein­ ander beabstandet sind, wobei der erste Meßpunkt, der zweite Meßpunkt und der dritte Meßpunkt im wesentlichen in Bewe­ gungsrichtung der Baumaschine hintereinander liegen. Die Laser-Regeleinrichtung weist ferner eine Auswerteeinrichtung auf, die abhängig von Ausgangssignalen des ersten Lasermeß­ kopfes, des zweiten Lasermeßkopfes und des dritten Lasermeß­ kopfes einen ersten Abstand des ersten Lasermeßkopfes gegen­ über der Referenzfläche, einen zweiten Abstand des zweiten Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche und einen drit­ ten Abstand des dritten Lasermeßkopfes gegenüber der Refe­ renzfläche bestimmt, aufgrund der bestimmten Abstände und der bekannten geometrischen Anordnung des ersten Lasermeß­ kopfes, des zweiten Lasermeßkopfes und des dritten Lasermeß­ kopfes bezüglich des Bearbeitungswerkzeuges die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges gegenüber der Referenzebene berechnet und abhängig von der berechneten Höhe und einer Soll-Höhe ein Höhensteuersignal für das Bearbeitungswerkzeug erzeugt.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung besteht darin, daß die Anordnung der Lasermeßköpfe und die Anordnung der Meßpunkte auf einer Referenzfläche im wesentlichen un­ abhängig voneinander sind. Deshalb können einerseits die La­ sermeßköpfe an einem Ort angebracht werden, an dem sie keine Behinderung für Arbeiten oder Arbeiter an oder in der Umge­ bung der Baumaschine darstellen und selbst vor einer Beschä­ digung sicher sind, z. B. in mehreren Metern Höhe. Anderer­ seits ist die Lage der Meßpunkte auf der Referenzfläche weitgehend frei den praktischen Erfordernissen anpaßbar.

Die Verwendung von drei Lasermeßköpfen ermöglicht eine Ver­ besserung der Regeleigenschaften der Laser-Regeleinrichtung, indem mit einer einfachen Plausibilitätskontrolle Artefakte, die beispielsweise von Gegenständen auf oder Löcherns in der Referenzfläche herrühren können, erkannt werden und die Re­ gelung des Werkzeugs nicht beeinflußen, sowie indem durch eine Mittelung eine Welligkeit der Referenzfläche ggf. aus­ geglichen wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung umfaßt ferner einen vierten Lasermeß­ kopf und einen fünften Lasermeßkopf, die an der Baumaschine unter einem dritten Winkel bzw. unter einem vierten Winkel gegenüber dem ersten Lasermeßkopf angeordnet sind, wobei der dritte Winkel und der vierte Winkel derart gewählt sind, daß der erste Meßpunkt, der zweite Meßpunkt, der dritte Meß­ punkt, ein vierter Meßpunkt des vierten Lasermeßkopfes und ein fünfter Meßpunkt des fünften Lasermeßkopfes auf der Re­ ferenzfläche voneinander beabstandet sind, und daß die Meß­ punkte im wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine hintereinander liegen, wobei die Auswerteeinrichtung die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges ferner abhängig von einem vierten Abstand des vierten Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche, von einem fünften Abstand des fünften Laser­ meßkopfes gegenüber der Referenzfläche und der bekannten geometrischen Anordnung des vierten Lasermeßkopfes und des fünften Lasermeßkopfes bezüglich des Bearbeitungswerkzeuges berechnet.

Vorzugsweise bestimmt die Laser-Regeleinrichtung die Diffe­ renzen von jeweils zwei Abständen und stuft diejenigen Ab­ stände als gültig ein, deren Differenzbetrag kleiner als ein Grenzwert ist, oder verwirft einen der bestimmten Abstände als ungültig und zieht ihn nicht zur Erzeugung des Höhen­ steuersignals heran, wenn der betroffene Abstand außerhalb eines vorab festgelegten Bereiches liegt. Der vorab festge­ legte Bereich kann durch eine vorbestimmte Entfernung ober­ halb/unterhalb einer Ebene festgelegt sein, wobei die Ebene durch die verbleibenden Abstände festgelegt ist.

Vorzugsweise bildet die Auswerteeinrichtung den Mittelwert der bestimmten und ggf. nicht verworfenen Abstände.

Vorzugsweise sind die Lasermeßköpfe ferner in räumlicher Nähe zueinander benachbart, im wesentlichen in Bewegungs­ richtung hintereinander und im wesentlichen in gleichen Abständen zu dem Bearbeitungswerkzeug angeordnet. In diesem Fall kann die gesamte Laser-Regeleinrichtung in einem kom­ pakten Gehäuse angeordnet sein, so daß keine mechanische oder elektrische Verbindung zu entfernt angeordneten Senso­ ren erforderlich ist. Hierdurch werden Nachteile in Zusam­ menhang mit unterbrochenen oder beschädigten Signalleitun­ gen vermieden, die bei bekannten Baumaschinen aufgrund der erforderlichen Anordnung der Ultraschallsensoren auftreten.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung besteht darin, daß sie keine beweglichen oder bewegten Teile enthält, so daß dieselbe besonders robust, wenig störanfäl­ lig und in Konstruktion, Herstellung, Montage und Wartung unaufwendig ist. Die besondere Robustheit ist vor allem unter den Bedingungen an einer Baumaschine (Vibrationen, ein sehr hoher Arbeitstemperaturbereich, Feuchtigkeit, etc.) von großer Bedeutung.

Die erfindungsgemäße Laser-Regeleinrichtung ist z. B. an einem Straßenfertiger oder an einer Straßenkaltfräse ange­ bracht.

Vorzugsweise ist einer der Lasermeßköpfe mit dem zugehörigen Meßpunkt und dem Bearbeitungswerkzeug ausgerichtet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Straßenfertiger mit der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung gemäß einem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Straßenfertigers aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Laser-Re­ geleinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel; und

Fig. 4 eine Straßenkaltfräse mit der Laser-Regeleinrich­ tung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein Straßenfertiger 2 mit einem Kettenfahrwerk 4 auf einem vorbereiteten Untergrund 6 gezeigt. An dem in Fahrtrichtung hinteren Ende des Straßenfertigers 2 ist eine höhenverstellbare Bohle 8 angeordnet, die mittels eines Zug­ armes 10 an einem Zugpunkt 12 an dem Straßenfertiger 2 ange­ bracht ist. Vor der Bohle 8 befindet sich ein Vorrat 14 an Straßenbelagmaterial, der durch eine entsprechende, an sich bekannte Regelung der Drehzahl einer schneckenartigen För­ dereinrichtung 16 im wesentlichen über den gesamten Breiten­ bereich der Bohle 8 konstant gehalten wird.

Die Bohle 8 schwimmt auf dem Straßenbelagmaterial einer zu fertigenden Straßendecke 18 auf. Die Dicke der zu fertigen­ den Straßendecke 18 vor ihrer Endverfestigung durch Straßen­ walzen wird durch eine Ausregelung der Höhenlage der Hinter­ kante 20 der Bohle 8 vorgenommen. Diese Höhenregelung wird durch Veränderung des Anstellwinkels der Bohle 8 herbeige­ führt, und erfolgt typischerweise durch die Ansteuerung von Stellzylindern, die an den vorderen Enden der Zugarme 10 eingreifen.

Der insoweit beschriebene Straßenfertiger 2 stimmt mit Straßenfertigern nach dem Stand der Technik überein, so daß in Anbetracht des Wissens des Fachmannes auf dem vorliegen­ den Gebiet auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.

Der Straßenfertiger 2 weist eine Laser-Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf, die in einem Gehäuse 30 über eine Halterung 32 am Zugarm 10 angebracht ist. Die Laser-Regeleinrichtung umfaßt bei dem gezeigten Ausführungs­ beispiel drei, in Fig. 1 nicht gezeigte Lasermeßköpfe, die drei Laserstrahlen 40, 42 und 44 auf drei Meßpunkte 50, 52 und 54 auf einer Bezugs- bzw. Referenzfläche 60 neben, vor und/oder hinter dem Straßenfertiger richten. Dabei ist der mittlere Lasermeßkopf vertikal über der Hinterkante 20 der Bohle 8 so angeordnet, daß der zugehörige Meßpunkt 52 auf einer Geraden mit der Hinterkante 20 der Bohle 8 liegt. Der erste Laserstrahl 40 und der zweite Laserstrahl 42 bilden einen ersten Winkel 70, der erste Laserstrahl 40 und der dritte Laserstrahl 44 bilden einen zweiten Winkel 72. Die Referenzfläche kann beispielsweise durch eine alte oder eine bereits neu gefertigte Bahn der Fahrbahndecke, durch einen bereits gefertigten Randstreifen der Straße oder eine andere geeignete Fläche gebildet sein.

Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht des Straßenfer­ tigers 2 aus Fig. 1. Die Laserstrahlen 40, 42 bzw. 44 der nicht gezeigten Lasermeßköpfe im Gehäuse 30 sind auf Meß­ punkte 50, 52 bzw. 54 gerichtet. Der erste Meßpunkt 50 und der zweite Meßpunkt 52 liegen auf einer Referenzfläche 60, die am Rand des vorbereiteten Untergrundes 6 liegt, der während der Bewegung des Straßenfertigers im Bild nach rechts mit einer Straßendecke 18 versehen wird. Der dritte Meßpunkt 54 liegt am Rand der gefertigten Straßendecke 18 und mit dem ersten Meßpunkt 50 und dem zweiten Meßpunkt 52 auf einer Geraden. Die Verwendung mehrerer Laserstrahlen 40, 42, 44 von mehreren Lasermeßköpfen ermöglicht eine flexible und an die Bedingungen und Anforderungen des jeweiligen Ein­ satzgebietes angepaßte Anordnung der Meßpunkte 50, 52, 54.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Laser-Regelein­ richtung gezeigt, das, anders als bei dem in Fig. 1 gezeig­ ten Ausführungsbeispiel, fünf Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 mit je einer funktionell zugehörigen Linse 90, 92, 94, 96 bzw. 98 umfaßt. Die Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 emit­ tieren Laserstrahlen 40, 42, 44, 106, 107, die auf Meßpunkte 50, 52, 54, 56, 108, 109 gerichtet sind. Die Laserregelein­ richtung umfaßt ferner eine der Anzahl der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 entsprechende Anzahl von Sende-Empfangs- Schaltungen 110, 112, 114, 116, 118. Diese Sende-Empfangs- Schaltungen 110, 112, 114, 116, 118 sind mit je einem der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 elektrisch signalmäßig ver­ bunden. Die Sende-Empfangs-Schaltungen 110, 112, 114, 116, 118 sind ferner mit einer Auswerteeinrichtung 120, die bei­ spielsweise einen Mikrorechner aufweisen kann, elektrisch signalmäßig verbunden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist jede der Sende-Empfangsschaltungen über zwei Signalleitungen mit der Auswerteeinrichtung verbunden, wobei über eine Leitung Signale an die Sende-Empfangsschaltung gesendet werden und über die andere Leitung Signale von der Sende-Empfangs- Schaltung empfangen werden, wie in Fig. 3 durch die den Lei­ tungen zugeordneten Pfeile gezeigt ist. Die Auswerteeinrich­ tung 120 ist über eine Schnittstelle 122 und einen ersten Anschluß 124 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung zum Ansteuern der oben erwähnten Stellzylinder verbunden, die an den vorderen Enden der Zugarme 10 angreifen um die Höhenlage der Hinterkante 20 der Bohle 8 und somit die Dicke der zu fertigenden Straßendecke 18 zu beeinflussen. Die Verbindung zwischen der Auswerteeinrichtung 120 und der Schnittstelle 122 ist in Fig. 3 schematisch durch den Pfeil 125 gezeigt. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 120 über einen zweiten Anschluß 126 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung ver­ bunden, an der ein Anwender einen Sollwert für die Höhenein­ stellung der Bohle einstellen kann. Über einen nicht darge­ stellten Anschluß werden die Bauglieder der Laser-Regelein­ richtung durch eine nicht dargestellte Leistungsquelle mit elektrischer Leistung versorgt.

Jeder Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 kann mit der je­ weils zugehörigen Sende-Empfangs-Schaltung 110, 112, 114, 116 bzw. 118 in einem Bauelement integriert sein (wie dar­ gestellt) und/oder mit der jeweils zugehörigen Linse 90, 92, 94, 96 bzw. 98. Die Sende-Empfangs-Schaltung 110, 112, 114, 116 bzw. 118, der Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 und die Linse 90, 92, 94, 96 bzw. 98 wirken zusammen um aus der Laufzeit des Laserstrahls 40, 42, 44, 106 bzw. 107 vom Zeit­ punkt seiner Emission durch den Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 bis zum Zeitpunkt des Empfangens des von der Refe­ renzfläche 60 im Meßpunkt 50, 52, 54, 108 bzw. 109 reflek­ tierten Laserlichtes durch den Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 die Entfernung des Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86 bzw. 88 vom jeweiligen Meßpunkt 50, 52, 54, 108 bzw. 109 auf der Referenzfläche 60 zu bestimmen und ein dieser Entfernung entsprechendes elektrisches Signal an die Auswerteeinrich­ tung 120 zu senden. Die Auswerteeinrichtung 120 berechnet aus der so bestimmten Entfernung des Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86 bzw. 88 und aus seiner bekannten geometrischen Anordnung seinen Abstand von der Referenzfläche 60.

Die in Fig. 3 dargestellte Aufteilung von Funktionalitäten innerhalb der Laser-Höhenregeleinrichtung stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar und kann variiert werden, beispiels­ weise indem verschiedene dargestellte Bauelemente mitein­ ander in einem Bauelement integriert werden. Ferner kann die Laser-Höhenregeleinrichtung weitere, nicht dargestellte Schnittstellen zum Austauschen von Daten mit anderen Gerä­ ten, beispielsweise anderen Steuer- und Regelvorrichtungen der Baumaschine 2, mit einem Zentralcomputer der Baumaschine 2 oder mit einem externen Computer für die Durchführung einer Fehlerdiagnose aufweisen.

In Abhängigkeit von dem jeweiligen speziellen Einsatz der Laser-Regeleinrichtung und den mit ihm verbundenen Bedin­ gungen und Gegebenheiten sind die Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bzw. die von ihnen ausgehenden Laserstrahlen 40, 42, 44, 106, 107 räumlich so ausgerichtet, daß die Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 möglichst weit voneinander beabstandet sind, d. h., daß z. B. der erste Winkel 70 zwischen dem ersten Laserstrahl 40 und dem zweiten Laserstrahl 42 und der zweite Winkel 72 zwischen dem ersten Laserstrahl 40 und dem dritten Laserstrahl 44 möglichst groß gewählt werden.

Die Auswerteeinrichtung 120 bestimmt aus den Abständen der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber der Referenzflä­ che 60 und der bekannten geometrischen Anordnung der Laser­ meßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bezüglich der Bohle 8 die Höhe der Bohle 8 gegenüber der Referenzfläche 60. Aus dieser Höhe der Bohle 8 gegenüber der Referenzfläche 60 sowie aus einer Sollhöhe, die an der oben erwähnten, nicht dargestellten, mit der Auswerteeinrichtung 120 über den Anschluß 126 ver­ bundenen Vorrichtung einstellbar ist, bestimmt die Auswerte­ einrichtung 120 ein Höhensteuersignal für die Bohle 8. Dieses Höhensteuersignal dient am Straßenfertiger 2 zum Ansteuern der Stellzylinder zur Verstellung der vorderen Zugpunkte 12 der Zugarme 10 der Bohle 8.

Nachfolgend werden bevorzugte Weiterverarbeitungen der erfaßten Signale von den Lasermeßköpfen 80, 82, 84, 86, 88 durch die Auswerteeinrichtung 120 zur Erzeugung des Höhen­ steuersignals beschrieben.

Aus den aus den Ausgangssignalen der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bestimmten Abständen der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber der Referenzfläche 60 bildet die Aus­ werteeinrichtung 120 einen Mittelwert um die Höhe der Bohle 8 gegenüber der Referenzfläche 60 zu bestimmen. Durch die Mittelwertbildung wird der Einfluß einer Welligkeit der Referenzfläche 60 auf das Höhensteuersignal reduziert und somit eine bessere Ebenheit der neu gefertigten Straßendecke 18 erzielt. Diese Mittelwertbildung funktioniert umso bes­ ser, je mehr Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bzw. Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 auf der Referenzfläche 60 vorhanden sind und je weiter die Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 auf der Referenzfläche 60 voneinander beabstandet sind.

Ferner kann die Auswerteeinrichtung 120 so ausgeführt wer­ den, daß die Auswerteeinrichtung 120 einen Abstand eines Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86, 88 von der Referenzfläche 60 als ungültig verwirft und nicht zur Erzeugung des Höhen­ steuersignals heranzieht, wenn der betroffene Abstand außer­ halb eines vorab festgelegten Bereichs liegt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die unerwünschte Übertragung ver­ schiedener Fehler der Referenzfläche 60 auf die zu fertigen­ de Straßendecke 18 zu unterdrücken. Der vorab festgelegte Bereich kann durch einen unteren Grenzwert und einen oberen Grenzwert für den Abstand eines Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86, 88 von der Referenzfläche 60 definiert sein. Die Fehler der Referenzfläche 60 sind beispielsweise Löcher, Steine oder andere Gegenstände, die auf der Referenzfläche 60 lie­ gen, und deren Einfluß auf die Höhenregelung der Bohle 8 durch die oben beschriebene Mittelung abgeschwächt, aber nicht eliminiert wird. Der obere Grenzwert und der untere Grenzwert werden so gewählt, daß eine Welligkeit der Refe­ renzfläche 60 noch innerhalb des durch den oberen Grenzwert und den unteren Grenzwert definierten Bereichs liegt, um nicht zu viele Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 als ungültig zu verwerfen, und daß die meisten Gegenstände und Löcher auf bzw. in der Referenzfläche 60 bzw. die durch diese Fehler erzeugten Abstände, außerhalb des Bereichs liegen, um keinen Einfluß auf die Höhenregelung der Bohle 8 zu haben. Die ge­ nauen Werte der beiden Grenzwerte sind dabei von den jewei­ ligen Gegebenheiten, beispielsweise von der Qualität der Referenzfläche 60 oder einer Längskrümmung der Referenzflä­ che 60 bzw. der zu fertigenden Straßendecke 18 sowie von der räumlichen Anordnung der Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 ab­ hängig und können auch beim Einsatz manuell oder automatisch an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden.

Der gerade beschriebene Bereich, außerhalb dessen einer der bestimmten Abstände verworfen und nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignals herangezogen wird, kann bei einer Laser- Höhenregeleinrichtung mit mindestens drei Lasermeßköpfen 80, 82, 84, 86, 88, durch einen Bereich oberhalb/unterhalb der Ebene, die durch die verbleibenden Abstände definiert wird, festgelegt sein. Dadurch wird auch im Falle einer Längskrüm­ mung der Referenzfläche 60, deren Übertragung auf die zu fertigende Straßendecke 18 erwünscht ist, ein kleiner vorbe­ stimmter Bereich eingestellt, innerhalb dessen Abstände als gültig eingestuft und nicht verworfen werden.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle der Grenzwerte oder der verbliebenen Abstände die Differenz zwischen jeweils zwei Abständen bestimmt und diejenigen Abstände als ungültig verworfen und nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignals herangezogen, deren Differenzen zu den Abständen der anderen Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber der Referenzfläche 60 einen vorbestimmten Grenz­ wert überschreiten. Auch hierdurch werden Fehler an der Referenzfläche 60 identifiziert und deren Einfluß auf das Höhensteuersignal eliminiert.

Der Vorteil der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber herkömmlichen Ansätzen, die Ultraschallmeßköpfe verwenden, besteht darin, daß im Gegensatz zu Ultraschallmeßköpfen keine senkrechte Einstrahlung auf die Referenzfläche 60 und kein kleiner Abstand zu dieser erforderlich ist. Die Laser­ meßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 können unter normalen Umständen, d. h. bei nicht all zu stark spiegelnder Referenzfläche 60, auch unter großen Winkeln zum Flächenlot und mit großem Abstand zur Referenzfläche 60 eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich, alle Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 weitgehend unabhängig von der Anordnung der zugehörigen Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 auf der Referenzfläche 60 anzuordnen. Insbesondere können alle Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 zusammen mit der Auswerteeinrichtung 120 und der Schnittstelle 122 wie in Fig. 3 gezeigt in einem gemeinsamen Gehäuse 30 angeordnet sein, das in einer Höhe gegenüber der Straße, die im wesentlichen der Höhe des Straßenfertigers 2 entspricht, am Straßenfertiger 2 angebracht ist. Dadurch verringert sich der mechanisch-konstruktive Aufwand für die Anbringung der Regeleinrichtung erheblich. Ferner sinken die Gefahr der Beschädigung der Regeleinrichtung im rauhen Bau­ stellenbetrieb sowie die Gefahr der Behinderung von Baustel­ lenarbeitern bei ihren Tätigkeiten am Straßenfertiger 2 und in seiner direkten Umgebung.

Ferner vermeiden die in ihrer räumlichen Orientierung gege­ benenfalls einstellbaren aber während des Betriebs unbeweg­ lichen Lasermeßköpfen 80, 82, 84, 86, 88 die Nachteile eines im Betrieb beweglichen Laserscanners, der eine empfindliche Mechanik aufweist. Durch den vollständigen Verzicht auf be­ wegliche Teile sind vor allem unter den extremen Bedingungen an einer Baumaschine 2 (Vibrationen, ein sehr großer Ar­ beitstemperaturbereich, Feuchtigkeit, etc.) eine geringere Fehleranfälligkeit, niedrigere Ausfallzeiten, eine längere Lebensdauer und damit eine bessere Wirtschaftlichkeit mög­ lich.

Der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen genannte Straßenfertiger 2 ist nur ein Beispiel für eine Baumaschine an der die Laser-Regeleinrichtung eingesetzt werden kann, um ein höhenverstellbares Bearbeitungswerkzeug so in der Höhe zu regeln, daß die bearbeitete Oberfläche ein erwünschtes Profil aufweist. Ein weiteres Beispiel ist die in Fig. 4 dargestellte Straßenkaltfräse 200 mit einem vorderen Fahr­ werk 202 und einem hinteren Fahrwerk 204, von denen minde­ stens eines höhenverstellbar ist. Das Bearbeitungswerkzeug ist in diesem Fall eine Frästrommel 206, deren Höhe gegen­ über einer unbearbeiteten Fahrbahn 208 und einer bearbeite­ ten Fahrbahn 210 und damit auch die "Frästiefe" eingestellt wird, indem das höhenverstellbare Fahrwerk 202 oder 204 bzw. gegebenenfalls mindestens eines der höhenverstellbaren Fahr­ werke 202, 204 in der Höhe verstellt wird. An der Straßen­ kaltfräse 200 ist über die Halterung 32 wiederum die bereits anhand der Fig. 1 beschriebene Laser-Regeleinrichtung in dem Gehäuse 30 angebracht. Dabei ist einer der Lasermeßköpfe mit dem zugehörigen Meßpunkt und der Achse der Frästrommel (206) ausgerichtet. Das von der Laser-Regeleinrichtung erzeugte Höhensteuersignal steuert in diesem Fall die Höhenverstel­ lung des Fahrwerks 202, 204.

Ferner ist der Einsatz der Laser-Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an jeder Baumaschine möglich, die das Profil einer Oberfläche verändert, d. h. Schichten abträgt oder aufbringt um ein erwünschtes Profil zu erhalten und dabei auf eine Referenzfläche Bezug nehmen kann. Dies kann unter bestimmten Umständen eine Planierraupe, ein sogenann­ ter Motorgrader, etc. sein.

Claims (12)

1. Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine (2; 200) zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bear­ beitungswerkzeugs (8; 206), mit
einem ersten Lasermeßkopf (80), einem zweiten Laser­ meßkopf (82) und einem dritten Lasermeßkopf (84), die an der Baumaschine (2; 200) angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf (80) und der zweite Lasermeßkopf (82) in einem ersten Winkel (70) zueinander angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf (80) und der dritte Lasermeßkopf (84) in einem zweiten Winkel (72) zuein­ ander angeordnet sind, wobei der erste Winkel (70) und der zweite Winkel (72) derart gewählt sind, daß ein erster Meßpunkt (50) des ersten Lasermeßkopfes (80), ein zweiter Meßpunkt (52) des zweiten Lasermeßkopfes (82) und ein dritter Meßpunkt (54) des dritten Laser­ meßkopfes (84) auf einer Referenzfläche (60) vonein­ ander beabstandet sind, wobei der erste Meßpunkt (50), der zweite Meßpunkt (52) und der dritte Meßpunkt (54) im wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine (2; 200) hintereinander liegen; und
einer Auswerteeinrichtung (120), die abhängig von Aus­ gangsignalen des ersten Lasermeßkopfes (80), des zwei­ ten Lasermeßkopfes (82) und des dritten Lasermeßkopfes (84) einen ersten Abstand des ersten Lasermeßkopfes (80) gegenüber der Referenzfläche (60), einen zweiten Abstand des zweiten Lasermeßkopfes (82) gegenüber der Referenzfläche (60) und einen dritten Abstand des drit­ ten Lasermeßkopfes (84) gegenüber der Referenzfläche (60) bestimmt, aufgrund der bestimmten Abstände und der bekannten geometrischen Anordnung des ersten Lasermeß­ kopfes (80), des zweiten Lasermeßkopfes (82) und des dritten Lasermeßkopfes (84) bezüglich des Bearbeitungs­ werkzeugs (8; 206) die Höhe des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber der Referenzebene (60) berechnet und abhängig von der berechneten Höhe und einer Soll-Höhe ein Höhensteuersignal für das Bearbeitungswerkzeug (8; 206) erzeugt.

2. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 1, die einen vier­ ten Lasermeßkopf (86) und einen fünften Lasermeßkopf (88) umfaßt, wobei der vierte Lasermeßkopf (86) an der Baumaschine (2; 200) unter einem dritten Winkel gegen­ über dem ersten Lasermeßkopf (80) angeordnet ist, wobei der fünfte Lasermeßkopf (88) an der Baumaschine (2; 200) unter einem vierten Winkel gegenüber dem ersten Lasermeßkopf (80) angeordnet ist, wobei der dritte Win­ kel und der vierte Winkel derart gewählt sind, daß der erste Meßpunkt (50), der zweite Meßpunkt (52), der dritte Meßpunkt (54), ein vierter Meßpunkt (108) des vierten Lasermeßkopfes (86) und ein fünfter Meßpunkt (109) des fünften Lasermeßkopfes (88) auf der Referenz­ fläche (60) voneinander beabstandet sind und daß der erste (50), zweite (52), dritte (54), vierte (108) und fünfte Meßpunkt (109) im wesentlichen in Bewegungsrich­ tung der Baumaschine (2; 200) hintereinander liegen, wobei die Auswerteeinrichtung (120) die Höhe des Bear­ beitungswerkzeuges (8; 206) ferner abhängig von einem vierten Abstand des vierten Lasermeßkopfes (86) gegen­ über der Referenzfläche (60), von einem fünften Abstand des fünften Lasermeßkopfes (88) und der bekannten geo­ metrischen Anordnung des vierten Lasermeßkopfes (86) und des fünften Lasermeßkopfes (84) bezüglich des Bear­ beitungswerkzeuges (8; 206) berechnet.

3. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Auswerteeinrichtung (120) die Differenzen von jeweils zwei Abständen bestimmt, und diejenigen Abstände als gültig einstuft, deren Differenzbeträge kleiner als ein Grenzwert sind.

4. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Auswerteeinrichtung (120) einen der bestimmten Ab­ stände als ungültig verwirft und nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignales heranzieht, wenn der betroffene Abstand außerhalb eines vorab festgelegten Bereiches liegt.

5. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 4, bei der der vorab festgelegte Bereich durch eine vorbestimmte Entfernung oberhalb/unterhalb einer Ebene festgelegt ist, wobei die Ebene durch die verbleibenden Abstände festgelegt ist.

6. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Auswerteeinrichtung (120) die bestimmten Abstände mittelt.

7. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) in räumlicher Nähe zueinander benachbart, im wesentlichen in Bewegungsrichtung hintereinander und im wesentlichen in gleichen Abständen zu dem Bearbeitungswerkzeug (8; 206) angeordnet sind.

8. Laser-Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der einer der Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) mit dem zugehörigen Meßpunkt (50, 52, 54, 108, 109) und dem Bearbeitungswerkzeug (8; 206) ausgerichtet ist.

9. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Baumaschine ein Straßenfertiger (2) ist und das Bearbeitungswerkzeug eine Bohle (8) ist, die über einen Zugarm (10) mit dem Straßenfertiger (2) ver­ bunden ist, wobei die Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) über eine Hal­ terung (32) an dem Zugarm (10) befestigt sind, wobei das von der Auswerteeinrichtung (120) erzeugte Höhen­ steuersignal eine Einstellung eines Zugpunktes (12) des Zugarmes (10) der Bohle (8) bewirkt.

10. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Baumaschine eine Straßenkaltfräse (200) mit einem vorderen (202) und einem hinteren Fahrwerk (204), von denen zumindest eines höhenverstellbar ist, und bei der das Bearbeitungswerkzeug eine Fräse (206) ist, wobei die Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) über eine Halterung (104) an der Straßenkaltfräse (200) befestigt sind, wobei das von der Auswerteeinrichtung (120) erzeugte Höhensteuersignal eine Höheneinstellung des vorderen (202) und/oder hinteren Fahrwerks (204) bewirkt.

11. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 9, bei der einer der Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) mit dem zugehö­ rigen Meßpunkt (50, 52, 54, 108, 109) und der Hinter­ kante (20) der Bohle (8) ausgerichtet ist.

12. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 10, bei der einer der Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) mit dem zugehö­ rigen Meßpunkt (50, 52, 54, 108, 109) und der Achse der Frästrommel (206) ausgerichtet ist.