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Die Erfindung betrifft einen Harvesterkopf für einen Harvester mit (a) zumindest einer Vorschubrolle, die ausgebildet ist zum Befördern eines Stamms und die eine Mantelfläche und eine Mehrzahl an über die Mantelfläche hinausragenden Vorsprüngen besitzt und eine Drehachse hat, und (b) einer Durchmesser-Messvorrichtung zum Messen eines Durchmessers des Stamms. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Holzvolumens eines Stamms.
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Bei der Holzernte werden in der Regel Harvester eingesetzt, die auch als Holz-Vollernter bezeichnet werden können. Die Harvester besitzen einen Ausleger, an dem ein Harvesterkopf angebracht ist. Es besteht der Wunsch, bereits beim Ernten des Holzes das Volumen und/oder den Durchmesser des geernteten Holzes zu bestimmen.
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Aus der
DE 601 25 050 T2 ist dazu bekannt, den Öffnungswinkel der Entastmesser, die Teil des dortigen Harvesterkopfes sind, zur Bestimmung des Durchmessers zu verwenden. Das hat den Vorteil, den rauen Bedingungen beim Ernten von Holz gewachsen zu sein, die erreichbare Genauigkeit ist jedoch begrenzt. Das gilt insbesondere dann, wenn sich die Eigenschaften der Stämme ändern, beispielsweise weil Stämme unterschiedlicher Gehölze verarbeitet werden oder das Holz teilweise gefroren ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messgenauigkeit bei der Vermessung, insbesondere der Durchmesser-Messung, beim Ernten von Holz zu verbessern.
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Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Harvesterkopf, bei dem die Durchmesser-Messvorrichtung einen über die Mantelfläche hinaus bewegbaren Antastkörper besitzt, mittels dem ein Abstand zwischen einer Stammoberfläche des Stamms und der Drehachse bestimmbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Messen eines Durchmessers eines Stamms, mit den Schritten (i) Befördern des Stamms mittels einer Vorschubrolle, die eine Mantelfläche und eine Mehrzahl an über die Mantelfläche hinausragenden Vorsprüngen besitzt und eine Drehachse hat, (ii) Bestimmen eines Abstands zwischen einer Stammoberfläche des Stamms und der Drehachse anhand einer Auslenkung eines Antastkörpers, der in der Vorschubrolle gelagert ist, in Abhängigkeit von einem Drehwinkel der Vorschubrolle, und (iii) Berechnen des Durchmessers aus Messwerten für die Auslenkung, die für zumindest drei Drehwinkel aufgenommen wurden.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass so eine Mehrzahl an potentiellen Fehlerquellen eliminiert werden kann. So werden die Vorschubrollen in der Regel hydraulisch auf den Stamm zugestellt, so dass die Vorsprünge, die in der Regel als Spitzen ausgebildet sind, in den Stamm eingreifen und ihn so sicher fassen. Je weicher das Holz ist, desto tiefer greifen die Vorsprünge in den Stamm ein. Der Abstand der Drehachsen der beiden Vorschubrollen ist daher nur zur groben Abschätzung des Durchmessers des Stamms geeignet. Durch das Zusammendrücken des Stammes mittels der Vorschubrollen deformiert sich zudem der Stamm, so dass bei weichem Holz ein zu kleiner Durchmesser gemessen wird.
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Dadurch, dass erfindungsgemäß der bewegbare Antastkörper verwendet wird, kann der reale Abstand der beiden Stellen der Stammoberfläche ermittelt werden. Die Eindringtiefe der Vorsprünge beeinträchtigt daher die Messungen nicht. Das Eindrücken des Stamms durch die Vorschubrollen kann dadurch erfasst werden, dass der Verlauf der Auslenkung des Antastkörpers erfasst wird. Es ergibt sich so ein genauer Messwert für den Durchmesser des Stamms.
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Es ist ein weiterer Vorteil, dass der Antastkörper so robust ausgebildet werden kann, dass er den rauen Umweltbedingungen beim Ernten von Holz standhält. Beim Ernten von Holz entstehen harzhaltige Späne, die eine Vielzahl an denkbaren Sensorkonzepten in ihrer Messgenauigkeit bzw. Verfügbarkeit zu stark beeinträchtigen.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass sie mit kleinem apparativem Aufwand umgesetzt werden kann. So sind beispielsweise keine zusätzlichen Rollen zur Durchmessererfassung notwendig.
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Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der zumindest einen Vorschubrolle insbesondere eine motorisch angetriebene Vorschubrolle verstanden, die beispielsweise hydraulisch oder elektrisch angetrieben sein kann.
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Unter den Vorsprüngen werden insbesondere Strukturen verstanden, die ausgebildet sind zum Erhöhen der Griffigkeit der Vorschubrolle. Bei den Vorsprüngen kann es sich insbesondere um Spitzen, Riffeln oder Rippen handeln.
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Insbesondere umfasst die Durchmesser-Messvorrichtung zumindest einen Sensor zum Erfassen der Position des Antastkörpers relativ zur Vorschubrolle. Der Sensor ist vorzugsweise ein elektrischer Sensor, insbesondere ein induktiver Sensor. Derartige Sensoren sind gleichzeitig robust und genau.
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Günstig ist es, wenn der Harvesterkopf zwei Vorschubrollen besitzt, wobei zumindest zwei der Vorschubrollen antreibbar ausgebildet sein können. Eine besonders einfache Auswertung der Messergebnisse ergibt sich, wenn die Vorschubrollen so ausgebildet sind, dass sie synchron laufen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Tastkörper eine Tastspitze und ist in eine Ruhelage vorgespannt, in der der Antastkörper mit der Tastspitze über die Mantelfläche hinausragt. Greifen in diesem Fall die Vorsprünge in das Holz ein, so kommt die Tastspitze in Kontakt mit der Stammoberfläche und wird in Richtung auf die Mantelfläche zu gedrückt. Die so resultierende Bewegung der Tastspitze wird erfasst, beispielsweise von einem induktiven Sensor.
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Vorzugsweise ragen die Vorsprünge um eine Vorsprunghöhe über die Mantelfläche hinaus und der Antastkörper ist so ausgebildet, dass er in seiner Ruhelage mit seiner Tastspitze zumindest um die Hälfte der Vorsprunghöhe über die Mantelfläche hinausragt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Antastkörper mehr als die Hälfte der Vorsprunghöhe über die Mantelfläche hinausragt, beispielsweise um die Vorsprunghöhe. Zwar ist grundsätzlich denkbar, dass der Antastkörper auch über die Tastspitzen hinausragt, das bietet jedoch keinen zusätzlichen Vorteil und setzt den Antastkörper großen Belastungen aus. In der Regel ist es daher sinnvoll, wenn die Tastspitze in der Ruhelage nicht über die Vorsprünge hinausragt.
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Vorzugweise ist der Antastkörper in einer Durchgangsöffnung der Vorschubrolle angeordnet. Bei der Durchgangsöffnung kann es sich beispielsweise um eine Durchgangsbohrung handeln. Das hat neben der einfachen Herstellung den Vorteil, dass der Antastkörper mit einer Länge von zumindest einem Durchmesser der Mantelfläche ausgebildet werden kann. Bleibt der Antastkörper stecken, beispielsweise weil sich harzige Holzstückchen verklemmt haben, so wird der Antastkörper dann nach einer halben Umdrehung der Vorschubrolle durch Kontakt mit dem Stamm wieder bewegt, so dass sich die Blockade löst.
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Vorzugsweise hat also der Antastkörper eine Länge von zumindest einem Durchmesser der Mantelfläche der Vorschubrolle. Sofern sich der Durchmesser der Vorschubrollen entlang der Drehachse der Vorschubrolle ändert, so ist derjenige Durchmesser gemeint, der sich auf die Stelle bezieht, an dem der Antastkörper aus der Mantelfläche austritt. In anderen Worten ist der Antastkörper so lang, dass er zumindest an einer Seite über die Mantelfläche hinausragt.
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Vorzugsweise umfasst der Harvesterkopf eine Hemmvorrichtung mittels der eine Bewegungen des Antastkörpers aufgrund der Gewichtskraft des Antastkörpers hemmbar ist, wobei die Hemmvorrichtung so ausgebildet ist, dass sich der Antastkörpers bei einer zusätzlich wirkenden Kraft aufgrund eines Kontakts mit dem Stamm bewegt. In anderen Worten ist die Hemmvorrichtung so ausgebildet, dass sich der Antastkörper nur dann bewegt, wenn er vom Stamm weggedrückt wird. Alternativ oder zusätzlich besitzt der Harvesterkopf eine Ausdrückvorrichtung zum Bewegen des Antastkörpers in seine Ruhelage, in der die Tastspitze über die Mantelfläche hinausragt.
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Erfindungsgemäß ist zudem ein Harvester mit einem erfindungsgemäßen Harvesterkopf. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Harvesterkopf einen Winkelmesser zum Messen eines Drehwinkels zumindest einer der Vorschubrollen.
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Vorzugsweise besitzt ein derartiger Harvester eine elektrische Auswerteeinheit, die eingerichtet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Erfassen einer Auslenkung des Antastkörpers aus der Ruhelage, (ii) Erfassen zumindest eines Drehwinkels zumindest einer Vorschubrolle und (iii) Berechnen des Durchmessers aus der Auslenkung und den Drehwinkeln zu zumindest drei Zeitpunkten. Vorzugsweise ist die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet zum Durchführen dieser Schritte in Echtzeit, so dass zu jedem Zeitpunkt der Durchmesser bekannt ist. Günstig es zudem, wenn die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet ist, um die Durchmesser-Messwerte mit einer Längen-Koordinate zu verknüpfen, die von einer Stirnfläche des Stamms oder eines Stammabschnitts gemessen wird.
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Vorzugsweise ist die elektrische Auswerteeinheit eingerichtet zum Berechnen eines Holzvolumens, das auch als Stammvolumen bezeichnet werden könnte, anhand der Auslenkung und einer Mehrzahl an Drehwinkeln.
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Um die Auswertegenauigkeit zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass das Berechnen des Durchmessers und/oder des Holzvolumens ein Anpassen der Messdaten, die die Auslenkung in Abhängigkeit vom Drehwinkel beschreiben, durch eine vorgegebene Modellfunktion umfasst. Diese wird in Vorversuchen ermittelt.
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Es ist möglich, zusätzlich zu der oben beschriebenen Messung eine Abschätzung des Durchmessers des Stamms anhand der Position von Entastmessern durchzuführen. Überschreitet eine relative Abweichung zwischen dem so gewonnenen Messwert und dem anhand der Messung mit dem Antastkörper gemessenen Messwerte eine vorgegebene Schwelle, so kann ein Alarm ausgegeben werden. Dadurch können Fehlfunktionen eines der beiden Systeme sicher erkannt werden.
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Es ist möglich, dass der Harvesterkopf einen CAN-Bus aufweist und die Messdaten, die den Durchmesser kodieren, über diesen CAN-Bus an eine Auswerteeinheit jenseits des Harvesterkopfes übertragen werden. Es ist aber auch möglich, dass die Messdaten beispielsweise per Funk übertragen werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Ansicht eines Harvesterkopfes,
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2 eine schematische Querschnittsansicht zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Harvesterkopfs,
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3 eine schematische Schnittansicht einer alternativen Ausführungsform für eine Vorschubrolle für einen erfindungsgemäßen Harvesterkopf,
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4 einen weiteren Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer Vorschubrolle und
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5 ein Diagramm mit einem schematischen Verlauf der Messwerte des Durchmessers, der über einen Drehwinkel der Vorschubrolle aufgetragen ist.
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1 zeigt einen Harvesterkopf 10 mit einer Sägevorrichtung 12, einer ersten Vorschubrolle 14.1, einer zweiten Vorschubrolle 14.2, oberen Entastungsmessern 16.1 und 16.2 und unteren Entastungsmessern 18.1 und 18.2. Die Entastungsmesser 16, 18 sind schwenkbar gelagert. Beim Betrieb greifen diese einen in 1 nicht eingezeichneten Stamm, indem sie zuklappen. Dann werden die Vorschubrollen 14 durch einen nicht eingezeichneten Motor angetrieben, so dass der Stamm in seine Längsrichtung an den Entastungsmessern 16, 18 vorbei geschoben wird. Nach einer voreingestellten Länge schneidet die Sägevorrichtung 12 ein Stück des Stamms ab. Danach werden die Vorschubrollen erneut betätigt und ein weiteres Stück mit der Sägevorrichtung 12 abgeschnitten.
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Zu erkennen sind in 1 zudem ein Grundkörper 1 des Harvesterkopfs 10, eine Stützrolle 2, eine Halteöse 3 zum Befestigen des Harvesterkopfs 10 an einem nicht eingezeichneten Harvester und eine Lagerung 5 für die Entastungsmesser 16, 18. Die Bezugszeichen 8 und 9 gehören zu einer optionalen Antastvorrichtung, mittels der erfassbar ist, ob sich ein Stamm zwischen den Vorschubrollen 14 befindet.
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2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch den Harvesterkopf 10 in dem Zustand, in dem ein Stamm 20 aus Holz zwischen den beiden Vorschubrollen 14.1, 14.2 gehalten wird. Durch nicht eingezeichnete Stellmittel wird auf zumindest eine der Vorschubrollen 14 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt als solches) eine Kraft aufgebracht, die den Stamm 20 zwischen den beiden Vorschubrollen 14 festklemmt. Durch diese Kraft deformiert sich der Stamm 20, wie es durch die Eindellungen auf Höhe der Vorschubrollen 14 angedeutet ist.
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Im Betrieb drehen sich die Vorschubrollen 14 so, dass ein linker Drehwinkel φl und ein rechter Drehwinkel φr größer werden. Dadurch wird der Stamm 20 in eine z-Richtung gefördert.
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2 zeigt, dass jede Vorschubrolle, insbesondere die Vorschubrolle 14.1, eine Mantelfläche besitzt. Da diese Mantelfläche der Vorschubrolle 14.1 zugeordnet ist, wird sie als 22.1 bezeichnet. Die Vorschubrolle 14.1 besitzt zudem eine Mehrzahl an über die Mantelfläche 22.1 hervorstehenden Vorsprüngen 24.1a, 24.1b, 24.1c, ..., die beim Betrieb des Harvesterkopfes 10 in den Stamm 20 eingreifen und ihn so sicher halten.
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Die Vorschubrolle 14 hat eine Durchgangsöffnung 26.1, in der ein Antastkörper 28.1 aufgenommen ist. Der Antastkörper 28.1 hat eine Länge L28, die einem Außendurchmesser Da der Vorschubrolle 14.1 entspricht. Der Außendurchmesser Da ist der Durchmesser desjenigen Kreises minimalen Durchmessers, der die Vorschubrolle 14.1 umgibt.
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Der Antastkörper 28.1 ist durch eine Hemmungsvorrichtung 30.1 an einer Bewegung aufgrund der Gewichtskraft des Antastkörpers 28.1 gehemmt. Die Hemmung 30.1 kann beispielsweise einen Reibkörper umfassen, das heißt einen Körper, der mit dem Antastkörper 28.1 einerseits und/oder der Vorschubrolle 14.1 in Reibkontakt steht, so dass eine Reibkraft überwunden werden muss, damit sich der Antastkörper 28.1 bewegt. Die Reibkraft ist größer als die Gewichtskraft des Antastkörpers 28.1. Im vorliegenden Fall ist der Reibkörper durch eine Feder gebildet, die an dem Antastkörper 28.1 befestigt ist und an einer Innenseite der Durchgangsöffnung 26.1 reibt. Mittels eines Sensors 32.1 wird die Lage des Antastkörpers relativ zu der Ruhelage erfasst und über ein nicht eingezeichnetes Kommunikationsmittel an eine schematisch eingezeichnete Auswerteeinheit 40 weitergeleitet.
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Jede der Vorschubrollen 14 besitzt eine Drehachse, unter der die physikalische, also nicht sichtbare Achse verstanden wird. Selbstverständlich kann auch eine physikalische Drehachse vorhanden sein, das ist aber nicht notwendig.
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Dreht sich die Vorschubrolle 14.1, so kommt der Antastkörper 28 mit einer Antastspitze 34.1 mit einer Stammoberfläche 36 des Stamms 20 in Kontakt, so dass der Antastkörper 28 aus einer Ruhelage ausgelenkt wird. Mit fortschreitender Drehung der Vorschubrolle 14 dringen die Vorsprünge 24 tiefer in den Stamm 20 ein und deformieren ihn, so dass der Antastkörper 28 weiter aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Bei weiterer Drehung kommen die Vorsprünge 24 außer Eingriff und die Antastspitze folgt der Stammoberfläche 36, so dass sich die Auslenkung wieder verringert.
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Im Folgenden wird die Berechnung des lokalen Durchmessers d(z) erläutert.
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Im maßgeblichen Koordinatensystem verläuft die z-Achse in Durchlaufrichtung der Stämme und damit in der Regel in Längsrichtung der Stämme. Der Ursprung des Koordinatensystems ist auf Höhe der Drehachsen der Vorschubrollen. Für den lokalen Durchmesser gilt d(z) = d0 – xl – xr Formel 1 mit dem Abstand d0 der beiden Drehachsen der Vorschubrollen 14, dem realen linken Radius xl und dem realen rechten Radius xr, die beide davon abhängen, wie tief die Vorsprünge 24 der Vorschubrollen 14 in den Stamm 20 eingreifen.
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Es gilt xl = dlcosφl, Formel 2 wobei dl der Abstand der Tastspitze von der Drehachse der Vorschubrolle ist und als Auslenkung zur Berechnung des Stammdurchmessers verwendet werden kann. Natürlich kann auch eine Abweichung von dl als Auslenkung definiert werden, wenn die Formeln entsprechend angepasst werden.
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Analog gilt xr = drcosφr, Formel 3 wobei zu beachten ist, dass die Winkel φl und φr so gemessen werden, dass sie bei einem Gleichlauf der Vorschubrollen stets gleich groß sind. Ein Einsetzen der Formeln ineinander liefert d(z) = d0 – dlcosφl – drcosφr Formel 4
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Die z-Position der Tastspitze ergibt sich zu zs = dlsin cosφl = drcosφr Formel 5
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5 zeigt den Verlauf des so berechneten Durchmessers d in Abhängigkeit vom Drehwinkel φ, wobei der gleiche Verlauf für den linken wie für den rechten Drehwinkel erhalten würde, so dass nur der allgemeine Drehwinkel φ gezeigt ist. Es ist zu erkennen, dass der Durchmesser d genau zwischen den beiden Vorschubrollen 14, also für φ = 0, am kleinsten ist. Für weiches Holz ist der Durchmesser erwartungsgemäß kleiner als für hartes Holz. Der Verlauf der Kurve kann durch eine Modellfunktion angepasst werden, die als anzupassenden Parameter die Härte und den Durchmesser enthält. Durch Anpassen dieser Modellfunktion durch Variieren der freien Parameter (curve fitting) kann der korrekte Durchmesser d neben der Harte ermittelt werden. Die Erfindung bezieht sich damit auch auf ein Verfahren zum Messen einer Härte des Stamms.
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Um den Durchmesser da des undeformierten Stamms 20 zu erhalten, kann auch der Wert verwendet werden, der zu dem Drehwinkel φend gehört, bei dem die Tastspitze erstmals in Kontakt mit der Stammoberfläche kommt. Der Wert ist ermittelbar, indem z. B. die Geschwindigkeit der Änderung der Auslenkung erfasst wird. Übersteigt diese einen vorgegebenen Schwellenwert, liegt Kontakt mit der Stammoberfläche vor. Auch die Beschleunigung der Tastspitze in radialer Richtung ist ein geeignetes Kriterium. Übersteigt sie einen Schwellenwert, muss das am Kontakt mit der Stammoberfläche liegen.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Vorschubrolle 14 für einen erfindungsgemäßen Harvesterkopf, die vier Antastkörper 28a, 28b, 28c, 28d umfasst. Diese sind durch Federn 30 in ihrer Ruhelage vorgespannt. Die Position wird durch jeweilige Sensoren erfasst. Die in 2 gezeigte Ausführungsform hat gegenüber der in 3 gezeigten Ausführungsform den Vorteil, dass bei jeder Umdrehung der Vorschubrolle der Antastkörper 28 durch Kontakt mit dem Stamm 20 bewegt wird, wodurch deutlich größere Kräfte erzeugt werden können als durch die Federn. Die in 2 gezeigte Ausführungsform ist daher für die rauen Einsatzbedingungen eines Harvesterkopfes besonders gut geeignet.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorschubrolle für einen erfindungsgemäßen Harvesterkopf, die eine Ausdrückvorrichtung 38 in Form eines ellipsenförmigen Kerns aufweist, der bei Betrieb stillsteht. Die Vorschubrolle 14 rotiert um die Ausdrückvorrichtung 38, an der sich der Antastkörper 28 abstützt. Nach jeweils einer halben Umdrehung wird der Antastkörper 28 dadurch nach außen in seine Ruhelage gedrückt, was sicherstellt, dass er bei jeder Umdrehung eine Messung ausführen kann. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass der Harvesterkopf genau einen Antastkörper aufweist. Es ist auch möglich, dass der Harvesterkopf zwei, drei, vier oder mehr Antastkörper besitzt, die vorzugsweise in äquidistanten Winkelschritten angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Harvesterkopf
- 12
- Sägevorrichtung
- 14
- Vorschubrolle
- 16
- obere Entastungsmesser
- 18
- untere Entastungsmesser
- 20
- Stamm
- 22
- Mantelfläche
- 24
- Vorsprung
- 26
- Durchgangsöffnung
- 28
- Antastkörper
- 30
- Hemmvorrichtung
- 32
- Sensor
- 34
- Antastspitze
- 36
- Stammoberfläche
- 38
- Ausdrückvorrichtung
- 40
- Auswerteeinheit
- φl
- linker Drehwinkel
- φr
- rechter Drehwinkel
- L28
- Länge des Antastkörpers
- Da
- Außendurchmesser der Vorschubrolle
- d
- Durchmesser
- h
- Vorsprunghöhe
