DE102011053984A1

DE102011053984A1 - Vorrichtung für die fräsende und/oder bohrende Bearbeitung von Materialien und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102011053984A1
Application number: DE102011053984A
Authority: DE
Inventors: Martin Müller; Roland Anderegg; Lukas Kurmann
Original assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28
Also published as: JP6077548B2; US9347315B2; AU2012316316A1; CL2014000716A1; CN103987920A; JP2014531538A; US20140232168A1; BR112014007233A2; PE20141743A1; CA2849967A1; EP2761135B1; PL2761135T3; WO2013048974A1; RU2610474C2; RU2014116892A; EP2761135A1; EP2761135A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren und eine Vorrichtung für die fräsende und/oder bohrende Bearbeitung von Materialien, insbesondere zum Abtragen von Gestein, Beton, Mineralien oder Kohle, mit einer Werkzeugtrommel (10), in der mehrere Werkzeugwellen (9), die an ihren von der Werkzeugtrommel (10) vorragenden Enden Bearbeitungswerkzeuge (7) tragen, drehend antreibbar gelagert sind. Ein Antriebselement (12) für die Werkzeugwellen und die Werkzeugtrommel (13) sind relativ zueinander verdrehbar und der Trommelträger ist mit einer Bewegungseinrichtung (6, 7) relativ zum Material bewegbar. Mittels einer Steuereinrichtung ist die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeugträger (2) und Material und die Drehzahl der Werkzeugtrommel (10) veränderbar. Um kritische Betriebspunkte zu vermeiden, ist der Vorrichtung wenigstens ein Messsensor (30) zur Messung der translatorischen Eigenschwingung und/oder wenigstens ein Messsensor (32; 34) zur Ermittlung der Drehschwingungen der Werkzeugtrommel (10) zugeordnet, und die Steuereinrichtung weist wenigstens ein Schwingungsanalysemodul auf, mittels welchem in einer Schwingungsanalyse ein Schwingungsspektrum bestimmbar ist, und mindestens ein Reglermodul auf, mittels dem Ansteuerparameter in Abhängigkeit von den mit dem Analysemodul bestimmten Schwingungen regelbar sind oder geregelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die fräsende und/oder bohrende Bearbeitung von Materialien, insbesondere zum Abtragen von Gestein, Beton, Mineralien oder Kohle, mit einer an einem Trommelträger um eine Trommelachse drehbar gelagerten Werkzeugtrommel, in der mehrere Werkzeugwellen, die an ihren von der Werkzeugtrommel vorragenden Enden Bearbeitungswerkzeuge tragen, drehend antreibbar gelagert sind, wobei mindestens zwei Werkzeugwellen von einem gemeinsamen Getriebeantrieb antreibbar sind, der an den Werkzeugwellen drehfest angeordnete Abtriebszahnräder und ein gemeinsames Antriebselement aufweist, dass mit den Abtriebszahnrädern zusammenwirkt, wobei das Antriebselement und die Werkzeugtrommel relativ zueinander verdrehbar sind, mit einer Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Trommelträgers relativ zu dem zu bearbeitenden Material, und mit einer Steuereinrichtung, mit der die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeugträger und Material und die Drehzahl der Werkzeugtrommel veränderbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die fräsende und/oder bohrende Bearbeitung von Materialien, insbesondere zum Abtragen von Gestein, Mineralien oder Kohle, mittels einer Vorrichtung, die eine um eine Trommelachse rotierende, an einem Trommelträger gelagerte Werkzeugtrommel aufweist, in der mehrere von einem Antriebselement eines gemeinsamen Getriebeantriebs rotierend angetriebene Werkzeugwellen gelagert sind, die an ihren von der Werkzeugtrommel vorragenden Enden Bearbeitungswerkzeuge tragen, wobei die Werkzeugwellen mit einer ersten Drehzahl und die Werkzeugtrommel mit einer zweiten Drehzahl rotieren, wobei der Werkzeugträger mittels einer Bewegungseinrichtung relativ zu einem zu bearbeitenden Material bewegt wird, und wobei mittels einer Steuereinrichtung die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeugträger und Material und die Drehzahl der Werkzeugtrommel und/oder der Werkzeugwellen verändert wird.
Gattungsgemäße Vorrichtungen, auf welchen das vorgenannte Verfahren durchgeführt werden kann, sind beispielsweise aus der EP 1 841 949 B1 sowie der WO 2008/025 555 A1 bekannt. Mit den gattungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich mit hoher Fräsleistung auch ansonsten schwierig zu bearbeitende Materialien wie beispielsweise Beton, aber auch andere harte Materialien wie Eisenerze und dgl., abtragen. In Abhängigkeit von den gewählten Maschinenparametern wie beispielsweise der Drehzahl der Werkzeugtrommeln, des Übersetzungsverhältnisses, des abzutragenden Materials und des Materials der verwendeten Werkzeuge zeigen sich unterschiedliche Abtragsraten und unterschiedliche Standzeiten der Vorrichtung. Beobachtungen im Betrieb haben gezeigt, dass bei manchen Betriebszuständen höhere Abtragsleistungen bei geringerem Verschleiß erzielt werden können als bei der Wahl anderer Betriebsparametern, und dass zugleich kritische Betriebsparameter existieren, bei welchen Schäden an der Vorrichtung und/oder den Werkzeugen auftreten können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung derart zu verbessern, dass entsprechende kritische Betriebspunkte nicht auftreten bzw. vermieden werden und/oder die Vorrichtung mit optimierten Betriebsparametern eingesetzt werden kann, sowie ein Verfahren anzugeben, wie eine entsprechende Vorrichtung für diese Zielsetzung betrieben werden sollte.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der Vorrichtung wenigstens ein Messsensor zur Messung der translatorischen Schwingung der Vorrichtung und/oder wenigstens ein Messsensor zur Ermittlung der Drehschwingung der Werkzeugtrommel zugeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung wenigstens ein Schwingungsanalysemodul, mittels welchem in einer Schwingungsanalyse für die ermittelte(n) Schwingung(en) ein Schwingungsspektrum bestimmbar ist, und mindestens ein Reglermodul umfasst, mittels dem die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den mit dem Analysemodul bestimmten Schwingungen regelbar ist oder geregelt wird. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass sowohl die Interaktion zwischen dem jeweiligen Werkzeug und dem abzutragenden Material als auch die sich aus dem mechanischen Aufbau der Vorrichtung ergebenden Dynamiken insbesondere aus der Überlagerung der rotierenden Werkzeugtrommel und der dieser Rotation überlagerten Bewegung der Bearbeitungswerkzeuge bzw. Werkzeugwellen zu berücksichtigen sind. Um auf Basis dieser Faktoren ein geeignetes Mess- und Regelungskonzept aufbauen zu können, werden die translatorischen Eigenschwingungen der Vorrichtung und/oder die rotatorischen Schwingungen der Werkzeugtrommel messtechnisch erfasst, in einer geeigneten Schwingungsanalyse ausgewertet und anhand der Schwingungsanalyse bzw. aus dem Schwingungsspektrum werden über vorzugsweise ein Reglermodul oder über mehrere Reglermodule Ansteuerparameter für die Drehzahl oder die Relativgeschwindigkeit hergeleitet. Das Schwingungsanalysemodul und das Reglermodul können hierzu insbesondere aus Softwareroutinen innerhalb der Steuereinrichtung bestehen, mit denen dass sich einstellende und gemessene Frequenzspektrum vorzugsweise in Echtzeit ausgewertet wird, um dann über die genannten Maschinenparameter, nämlich die Drehzahl- und/oder die Relativgeschwindigkeit, die Vorrichtung für ein verbessertes Betriebsverhalten zu trimmen.
Gemäß einem möglichen Aufbau kann die Vorrichtung eine Werkzeugtrommel mit einem Trommelantrieb aufweisen, der von dem Getriebeantrieb für die Werkzeugwellen entkoppelt ist, wobei dann bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung das Drehzahlverhältnis als zusätzlicher Regelparameter mittels der Steuereinrichtung veränderbar ist. Die Vorrichtung kann jedoch auch einen Aufbau haben, bei welchem die Werkzeugtrommel und die Werkzeugwellen gekoppelt sind und einen gemeinsamen Drehantrieb aufweisen, mithin die Werkzeugtrommel das Sonnenrad und die Werkzeugwellen die Planeten hierzu bilden. Bei einer Vorrichtung mit festem Drehzahlverhältnis zwischen der Werkzeugtrommel-Drehzahl und der Werkzeugwellen-Drehzahl bildet dieses Frequenzverhältnis eine vorrichtungsspezifische feste Größe, die zwar werkseitig optimal für ein späteres Betriebsverhalten eingestellt werden kann, im laufenden Betrieb allerdings nicht verändert werden kann.
Das Schwingungsanalysemodul kann insbesondere einen FFT-Algorithmus verwenden. Alternativ kann das Schwingungsanalysemodul beispielsweise eine Wavelet-Transformation verwenden, da über Wavelet in einer relativ schnellen Transformation immer ein geeignetes Abbild von Frequenz und Zeit analysiert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Bewegungseinrichtung aus einem Schwenkarm bestehen und die Schwenkgeschwindigkeit des Schwenkarmes ist als Regelparameter veränderbar. Alternativ kann die Bewegungseinrichtung aus einem Triebstock oder einer Zahnstange sowie wenigstens einem hiermit kämmenden Zahnrad bestehen und die Drehzahl des Zahnrades ist als Regelparameter veränderbar.
Der Trommelantrieb und/oder der Getriebeantrieb bestehen vorzugsweise aus stufenlos regelbaren Antrieben.
Das Schwingungsspektrum zeigt bzw. umfasst neben einer Grundschwingung bzw. Anregungsfrequenz in der Regel auch harmonische Oberschwingungen der Anregungsfrequenz sowie subharmonische Schwingungen der Anregungsfrequenz. Gemäß einem vorteilhaften Regelkonzept können die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit derart regelbar sein oder geregelt werden, dass Oberschwingungen ein definiertes Verhältnis zur Grundschwingung besitzen. Schwingungsanalysen haben diesbezüglich gezeigt, dass die rotatorischen Schwingungen meist um den Faktor 10 größer sind als die translatorischen Schwingungen. Durch geeignetes Trimmen der Kinematik der Vorrichtung können die in der Schwingungsanalyse bestimmten Oberschwingungen danach geregelt werden, dass nur bestimmte Frequenzen bzw. Ordnungen von Oberschwingungen auftreten. Zur Verstärkung des Abtragseffektes kann die Regelung allerdings auch derart erfolgen, dass die weiteren Oberschwingungen einen Verstärkungseffekt bewirken. Nach einem anderen Regelungskonzept können aus der Schwingungsanalyse und dem Schwingungsspektrum subharmonische Schwingungen bestimmbar sein bzw. bestimmt werden, oder die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit sind derart regelbar oder geregelt, dass die subharmonischen Schwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung eine bestimmten Sollwert einnehmen. Gemäß noch einem weiteren alternativen Regelungskonzept können aus der Schwingungsanalyse nichtlineare subharmonische Schwingungen bestimmbar sein oder bestimmt werden und der Steuereinrichtung ist ein Reglermodul zugeordnet, mit dem die Geschwindigkeit der Bewegungseinrichtung oder eine Materialeindringtiefe derart regelbar ist, dass die subharmonischen Schwingungen einen Sollwert erreichen. Das jeweilige Regelungskonzept kann sich auch danach richten, ob eine möglichst hohe Abtragsleistung oder aber ein verschleißarmer Abbau und damit eine lange Standzeit erzielt werden soll. Durch Trimmen der Vorrichtung in ein stabiles Schwingungsverhalten unter Berücksichtigung der harmonischen Oberschwingungen und/oder subharmonischen Schwingungen kann die Effizienz des Abtragsprozesses signifikant erhöht werden, vor allem kann das nichtlineare Betriebsverhalten der Vorrichtung optimiert werden, da gerade durch dieses nichtlineare Betriebsverhalten eine erhöhte Belastung der Vorrichtung bei verminderter Abbauleistung auftreten würde. Die Änderung der Maschinenregelparameter insbesondere Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit und gegebenenfalls noch Schnitttiefen kann insbesondere nach parametrisierter Zeit erfolgen.
Die Messsensoren für die translatorischen Eigenschwingungen können aus einem Beschleunigungssensor, insbesondere aus einem dreiachsigen Beschleunigungssensor bestehen. Als Messsensor für die Ermittlung der Drehschwingungen kann ein der Werkzeugtrommel zugeordneter direktmessender Absolutdrehgeber, insbesondere ein induktiver Sensor, verwendet werden, oder der Werkzeugtrommel bzw. einem mit dieser drehfest gekoppelten Bauteil kann beispielsweise ein Hall-Sensor zugeordnet sein. Der Messsensor für die Ermittlung der Drehschwingungen kann auch aus den Werkzeugwellen zugeordneten Drehmomentsensoren bestehen.
Die vorgenannte Aufgabe wird in ihrem verfahrensmäßigen Aspekt dadurch gelöst, dass mittels eines Messsensors die translatorischen Schwingungen der Vorrichtung gemessen und/oder mittels eines Messsensors die Drehschwingungen der Werkzeugtrommel ermittelt werden, wobei mittels einer Schwingungsanalyse für die ermittelte Schwingung oder die ermittelten Schwingungen ein Schwingungsspektrum gebildet bzw. bestimmt wird und die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den mit dem Analysemodul bestimmten Schwingungen geregelt werden. Die Regelung kann derart erfolgen, dass die Drehzahl und/oder die Regelgeschwindigkeit derart geregelt werden, dass harmonische Oberschwingungen zur Grundschwingung, die jeweils über das Schwingungsspektrum bestimmt werden können, einen Sollwert erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelung derart erfolgen, dass aus der Schwingungsanalyse bzw. dem Schwingungsspektrum subharmonische Schwingungen bestimmt werden und die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit derart geregelt werden, dass diese subharmonischen Schwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung einen Sollwert erreichen, oder alternativ werden aus der Schwingungsanalyse subharmonische Schwingungen bestimmt und der Steuereinrichtung ist ein Reglermodul zugeordnet mit dem die Geschwindigkeit der Bewegungseinrichtung oder eine Materialeindringtiefe derart geregelt wird, dass die subharmonischen Schwingungen optimiert werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines schematisch in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:
1 schematisch in Seitenansicht eine erfindungsgemäße, entlang eines Triebstocks linear bewegliche Vorrichtung;
2 schematisch in Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1 deren inneren Aufbau sowie die Anordnung von Messsensoren; und
3 anhand eines Steuerdiagramms die Regelmöglichkeiten für die Vorrichtung gemäß 1 und 2.
Die 1 und 2 zeigen schematisch stark vereinfacht und nur zur grundsätzlichen Verdeutlichung des Konzepts der Erfindung eine insgesamt mit Bezugszeichen 1 bezeichnete Vorrichtung mit einem Gehäuse 2, welches entlang einer Zahnstangen- oder Triebstockanordnung 3, die neben Maschinenführungen 4 auch eine Zahnstange 5 aufweist, mit welcher ein Zahnrad (Bezugszeichen 6, nur in 3 gezeigt) als Linearantrieb zum Bewegen der Vorrichtung 2 kämmt, angeordnet sind. Über die Triebstockanordnung 3 und das mittels eines geeigneten Motors angetriebene Zahnrad 6 kann die Vorrichtung 2 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten parallel zu einem abzutragenden Material, beispielsweise einer abzutragenden Abbaufront aus Mineraliengestein oder Kohle, aber auch parallel zu einer Betonwand oder dgl., bewegt werden. Das Abtragen des Materials erfolgt mittels einzelner Werkzeuge 7, die in mehreren Reihen umfangsverteilt an Werkzeugköpfen 8 angeordnet sind, die über die in 2 gezeigten Werkzeugwellen 9 an einer Werkzeugtrommel 10 gelagert sind. Die Werkzeugtrommel 10 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Trommelachse T, die hier parallel zur mit Pfeil B in 2 angedeuteten Bewegungsrichtung der Vorrichtung 1 steht. Am Umfang der Trommel 10 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Werkzeugwellen 9 mit zugehörigen Werkzeugköpfen 8 angeordnet, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel die Wellenachsen W der einzelnen Werkzeugwellen 9 senkrecht auf die Trommelachse T stehen. Zur Abstützung der rotierbaren Werkzeugtrommel 10 am Gehäuse 2 der Vorrichtung ist das Gehäuse 2 zu beiden Seiten der Werkzeugtrommel 10 jeweils mit einem Auslegerarm 2A, 2B versehen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Werkzeugwelle 9 an ihrem dem Werkzeugkopf 8 gegenüberliegenden Ende im Inneren der Werkzeugtrommel 10 mit einem Abtriebszahnrad 11 verbunden, welches in Zahneingriff mit einem weiteren Zahnrad 12 als gemeinsames Antriebselement für sämtliche Werkzeugwellen 9 steht. Das Zahnrad 12 als Antriebselement ist relativ zur Werkzeugtrommel 10 aufgrund der drehbaren Lagerung mittels der Lager 13 verdrehbar und das Antriebszahnrad 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Zahnriemen 14, welches mit einem am Eingang z.B. eines Nabengetriebes 15 befestigten ersten Riemenrades 16 in Eingriff steht, über den Antrieb 17 antreibbar. Ferner ist auch die Werkzeugtrommel 10 über einen zweiten Zahnriemen 20 und einen in 2 verdeckt hinter dem Antrieb 17 liegenden Trommelantrieb 21, wie in 1 gezeigt, antreibbar, wozu wiederum ein weiteres Riemenrad 22 an der Eingangsseite eines zweiten Nabengetriebes 23 befestigt ist. Die beiden Nabengetriebe 15 und 23 können auch aus anderen Getriebebausätzen bestehen, um jeweils unabhängig voneinander über den Antrieb 17 die Werkzeugwelle 9 und über den Antrieb 21 die Werkzeugtrommel 10 anzutreiben. Der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung wird beispielsweise auch in der internationalen Patentanmeldung WO 2008/025 555 A1 der Anmelderin beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt ergänzend Bezug genommen wird. Da, ohne die Erfindung zu verlassen, der innere Aufbau der Vorrichtung bzw. der Trommel auch derart sein könnte, dass die Werkzeugwellen schräg zur Trommelachse stehen und/oder die Bewegung der gesamten Vorrichtung nicht parallel zur Trommelachse, sondern senkrecht zur Trommelachse erfolgen könnte, wie in der WO 2008/025 555 A1 beschrieben, wird auch in diesem Zusammenhang auf die dortige Offenbarung ergänzend verwiesen.
Um an der Vorrichtung 1 ein verbessertes Betriebsverhalten zu erzielen und entsprechende Ansteuerverfahren für die Vorrichtung 1 realisieren zu können, ist im Ausführungsbeispiel an den Trägerarmen 2A, 2B jeweils ein Messsensor 30 zur Messung der translatorischen Schwingungen der Vorrichtung 1 angeordnet, wobei die Messsensoren 30 vorzugsweise aus dreidimensionalen Beschleunigungssensoren bestehen. Dem Getriebeantrieb (14, 15, 16, 17) für die Werkzeugwelle 9 ist ein Messsensor 31 für die Absolutdrehzahl z.B. der Riemenscheibe 16 und dem Getriebeantrieb (20, 21, 22, 23) der Werkzeugtrommel 10 ist ein Messsensor 32 als Absolutdrehgeber für die Drehzahl der Riemenscheibe 22 zugeordnet. Der Riemenscheibe 16 für die Werkzeugwelle 9 ist zusätzlich ein Messsensor 32, z.B. ein Hallsensor zugeordnet, und/oder der Zahnriemenscheibe 22 ist ein weiterer Messsensor 34, z.B. wiederum ein Hallsensor, zugeordnet, wobei über die Messsensorsysteme 31, 33 die Drehschwingungen der Zahnriemenscheibe 16 für die Werkzeugwelle 9 und über das Messsensorsystem 32, 34 die Drehschwingungen für die Werkzeugtrommel 10 ermittelt werden können. Anstelle von Hallsensoren könnten auch induktive Sensoren und andere Sensoren zur Ermittlung der Drehschwingungen eingesetzt werden.
Es wird nun Bezug genommen auf 3, in welcher anhand eines Schaubildes das Regelungskonzept für die Vorrichtung nach den 1 und 2 erläutert ist. Soweit im Schaubild Messsensoren oder Bauelemente gemäß der 1 und 2 angedeutet sind, werden im Schaubild 3 dieselben Bezugszeichen verwendet wie in 1 und 2. Dies gilt beispielsweise für die Zahnstange 5, das zugehörige, hiermit kämmende Antriebszahnrad 6, die Werkzeugtrommel 10, die zugehörigen Getriebe 15, 23 sowie Motoren 17, 20.
Zur Ansteuerung der Vorrichtung ist der Vorrichtung eine Maschinensteuerung 50 als Steuereinrichtung zugeordnet, der beispielsweise die von den Drehzahl- und Drehschwingungssensoren 32, 34 für die Werkzeugtrommel 10 gemessenen Werte zurückgeliefert werden. Gleiches gilt auch für die Messwerte der Messsensoren 31, 33. Die mit dem Sensorsystemen 32, 34 bzw. 31, 33 ermittelten Drehschwingungen werden einem Schwingungsanalysemodul 51, welches vorzugsweise Softwaretechnisch innerhalb der Maschinensteuerung realisiert wird, zugeführt und dort wird mittels geeigneter Frequenzanalysemethoden wie einer klassischen FFT-Frequenzanalyse oder einer Wavelet-Transformation das jeweilige Schwingungsspektrum bestimmt und hinsichtlich Grundschwingungen, harmonischen Oberschwingungen, subharmonischen Schwingungen, Periodenverdopplungen, Schwingungsamplituden etc. ausgewertet. Dem Schwingungsanalysemodul 51 werden auch die Messwerte der Messsensoren 30 zur Messung der translatorischen Eigenschwingungen der Vorrichtung zugeführt und über ein geeignetes Reglermodul 52, welches wiederum vorzugsweise aus geeigneten Softwareroutinen bestehen kann, werden aus den mittels der Schwingungsmessung der translatorischen Eigenschwingung und der rotatorischen Schwingung ermittelten Kennwerten Regelparameter sowie Ansteuerparameter in der Maschinensteuerung 50 festgelegt. Die Maschinensteuerung 50 regelt anhand der ermittelten Schwingungen wie einer Grundschwingung z.B. mit einer Anregungsfrequenz f, anhand harmonischer Oberschwingungen mit ganzzahligen Vielfachen der Anregungsfrequenz f (mithin 2f, 3f, ...) und/oder anhand subharmonischer Schwingungen mit z.B. den Frequenzen f/2, f/3, f/4, ... der Anregungsfrequenz, wobei diese mit dem Schwingungsanalysemodul 51 anhand des Schwingungsspektrums bestimmt werden, und einem diesem nachgeschalteten Regler 52, z.B. über einen Regler oder einen Frequenzumrichter 53 die Antriebsdrehzahl des Antriebs 20 für die Werkzeugtrommel 10 und/oder über einen Regler 54 die Relativgeschwindigkeit der gesamten Vorrichtung 1 relativ zum abzutragenden Material, indem über den Regler 54 die Ansteuerparameter des Motors 60 für das Antriebsrad 6 verändert werden. Die absolute Antriebsdrehzahl des Antriebszahnrades 6 kann hierbei wiederum mittels eines weiteren Messsensors 61 ermittelt und an die Maschinensteuerung 50 als Kontrollgröße zurückgeliefert werden.
Falls, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, die Drehzahl der Werkzeugwellen separat von der Drehzahl der Werkzeugtrommel 10 ansteuerbar ist, umfasst das gesamte Regelungskonzept einen weiteren Regler oder Frequenzumrichter 55, welcher dem Antrieb 17 für die Werkzeugwellen 9 zugeordnet ist, wobei dann über das Messsensorsystem 31, 33 die Drehschwingungen auch dieses Antriebsstrangs dem Schwingungsanalysemodul 51 zugeführt werden. Zur Visualisierung kann ein Monitor 65 und zur Aufzeichnung und Auswertung der einzelnen Werte der Regler und Module kann eine Anzeige- und Aufzeichnungseinrichtung 66 vorgesehen sein.
Das Reglerkonzept und die hiermit realisierbaren Ansteuerverfahren für eine entsprechende Vorrichtung können für andere Vorrichtungen oder Abbauverfahren erweitert werden. Die gesamte Vorrichtung kann beispielsweise zusätzlich noch eine Zustelleinrichtung 70 aufweisen, mit welcher beispielsweise die gesamte Vorrichtung in der Höhe verschwenkt werden kann oder aber die Schnitttiefe als zusätzlicher Regelparameter verstellt werden kann.
Das Mess- und Regelsystem kann beispielsweise einen Verfahrensablauf derart realisieren, dass mit Hilfe der Maschinenparameter für die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung, mit Hilfe der Drehzahl für die Werkzeugwellen und mit Hilfe der Drehzahl der Werkzeugtrommel 10 die Kinematik der gesamten Vorrichtung derart getrimmt wird, dass die in der Frequenzanalyse bestimmten Oberschwingungen abnehmen. Hierzu kann in erster Näherung das Verhältnis der Frequenzen zwischen der Werkzeugtrommel 10 und den Werkzeugwellen 9 und dann das Verhältnis der Bewegungsgeschwindigkeit zu einer der beiden Drehzahlfrequenzen verstellt werden. Über eines der Reglermodule kann dann die Ansteuerung derart erfolgen, dass alle Nichtlinearitäten optimiert werden, und hierzu z.B. minimiert werden, also keine subharmonischen Schwingungen auftreten, wobei das Auftreten entsprechender subharmonischer Schwingungen über die Schwingungsanalyse kontinuierlich während des laufenden Arbeitsbetriebs ermittelt wird. Um Überlastungen zu vermeiden, könnte bei Grenzsituationen beispielsweise auch die Schnitttiefe verändert werden.
Die Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind nicht auf das vorstehende Ausführungsbeispiel beschränkt. Die gesamte Vorrichtung könnte auch mit einem einzigen Antrieb für Werkzeugtrommel und Werkzeugwellen arbeiten, so dass dann die Werkzeugtrommel nach Art eines Sonnenrades ausgebildet wäre und die Werkzeugwellen in einem festen Drehzahlverhältnis zu dem Sonnenrad stehen. Wesentlich ist allerdings, dass beim Abbauverfahren eine überlagerte Rotation der Werkzeugtrommel und einer Rotation der die Werkzeuge tragenden Werkzeugwellen erfolgt und die sich durch diese überlagerte Funktion ergebenden Schwingungen als Ansteuerparameter für die einstellbaren Maschinengrößen verwendet werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1841949 B1 [0002]
WO 2008/025555 A1 [0002, 0017]

Claims

Vorrichtung für die fräsende und/oder bohrende Bearbeitung von Materialien, insbesondere zum Abtragen von Gestein, Beton, Mineralien oder Kohle, mit einer an einem Trommelträger (2A, 2B) um eine Trommelachse (T) drehbar gelagerten Werkzeugtrommel (10), in der mehrere Werkzeugwellen (9), die an ihren von der Werkzeugtrommel (10) vorragenden Enden Bearbeitungswerkzeuge (7) tragen, drehend antreibbar gelagert sind, wobei mindestens zwei der Werkzeugwellen (9) von einem gemeinsamen Getriebeantrieb antreibbar sind, der an den Werkzeugwellen (9) drehfest angeordnete Abtriebszahnräder (11) und ein gemeinsames Antriebselement (12) aufweist, das mit den Abtriebszahnrädern (11) zusammenwirkt, wobei das Antriebselement (12) und die Werkzeugtrommel (13) relativ zueinander verdrehbar sind, mit einer Bewegungseinrichtung (6, 7) zum Bewegen des Trommelträgers relativ zu dem zu bearbeitenden Material, und mit einer Steuereinrichtung (50), mit der die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeugträger (2) und Material und die Drehzahl der Werkzeugtrommel (10) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung wenigstens ein Messsensor (30) zur Messung der translatorischen Schwingung der Vorrichtung und/oder wenigstens ein Messsensor (32; 34) zur Ermittlung der Drehschwingungen der Werkzeugtrommel (10) zugeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (50) wenigstens ein Schwingungsanalysemodul (51), mittels welchem in einer Schwingungsanalyse für die ermittelte(n) Schwingung(en) ein Schwingungsspektrum bestimmbar ist, und mindestens ein Reglermodul umfasst, mittels dem die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den mit dem Analysemodul (51) bestimmten Schwingungen regelbar ist oder geregelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugtrommel (10) einen Trommelantrieb (21) aufweist, der von dem Getriebeantrieb (17) für die Werkzeugwellen (9) entkoppelt ist, wobei das Drehzahlverhältnis als zusätzlicher Regelparameter mittels der Steuereinrichtung (51) veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugtrommel und die Werkzeugwellen einen gemeinsamen Drehantrieb aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsanalysemodul (51) einen FFT-Algorithmus verwendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungsanalysemodul eine wavelet-Transformation verwendet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung aus einem Schwenkarm besteht und die Schwenkgeschwindigkeit des Schenkarmes als Regelparameter veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung aus einem Triebstock (5) oder einer Zahnstange sowie wenigstens einem hiermit kämmenden Zahnrad (6) besteht und die Drehzahl des Zahnrades als Regelparameter veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 und/oder einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Trommelantrieb und/oder der Getriebeantrieb aus vorzugsweise stufenlos regelbaren Antrieben bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit derart regelbar oder geregelt sind, dass harmonische Oberschwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung einen Sollwert erreichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Schwingungsanalyse subharmonische Schwingungen bestimmbar sind oder die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit derart regelbar oder geregelt sind, dass die subharmonischen Schwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung einen Sollwert erreichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Schwingungsanalyse subharmonische Schwingungen bestimmbar sind oder bestimmt werden und der Steuereinrichtung ein Reglermodul zugeordnet ist, mit dem die Geschwindigkeit der Bewegungseinrichtung oder eine Materialeindringtiefe derart regelbar ist, dass die subharmonischen Schwingungen einen Sollwert erreichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (30) für die translatorischen Eigenschwingungen aus einem Beschleunigungssensor, insbesondere aus einem dreiachsigen Beschleunigungssensor besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Messsensor (32; 34) für die Ermittlung der Drehschwingungen ein der Werkzeugtrommel zugeordneter direktmessender Absolutdrehgeber, insbesondere ein induktiver Sensor, und/oder ein Hall-Sensor zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor für die Ermittlung der Drehschwingungen aus den Werkzeugwellen zugeordneten Drehmomentsensoren besteht.
Verfahren für die fräsende und/oder bohrende Bearbeitung von Materialien, insbesondere zum Abtragen von Gestein, Mineralien oder Kohle, mittels einer Vorrichtung, die eine um eine Trommelachse (T) rotierende, an einem Trommelträger (2) gelagerte Werkzeugtrommel (10) aufweist, in der mehrere von einem Antriebselement eines gemeinsamen Getriebeantriebs rotierend angetriebene Werkzeugwellen (9) gelagert sind, die an ihren von der Werkzeugtrommel (10) vorragenden Enden Bearbeitungswerkzeuge (7) tragen, wobei die Werkzeugwellen (9) mit einer ersten Drehzahl und die Werkzeugtrommel (10) mit einer zweiten Drehzahl rotieren, wobei der Werkzeugträger (2) mittels einer Bewegungseinrichtung relativ zu dem zu bearbeitenden Material bewegt wird, und wobei mittels einer Steuereinrichtung (50) die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Werkzeugträger und Material und die Drehzahl der Werkzeugtrommel und/oder der Werkzeugwellen verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Messsensors (30) die translatorischen Schwingungen der Vorrichtung gemessen und/oder mittels eines Messsensors (32; 34) die Drehschwingungen der Werkzeugtrommel (10) ermittelt werden, wobei mittels einer Schwingungsanalyse für die ermittelte(n) Schwingung(en) ein Schwingungsspektrum bestimmt wird und die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den mit dem Analysemodul bestimmten Schwingungen geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit derart geregelt werden, dass Oberschwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung einen Sollwert erreichen.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Schwingungsanalyse bzw. dem Schwingungsspektrum nichtlineare subharmonische Schwingungen bestimmt werden und die Drehzahl und/oder die Relativgeschwindigkeit derart geregelt werden, dass die subharmonischen Schwingungen im Verhältnis zur Grundschwingung einen Sollwert erreichen.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Schwingungsanalyse bzw. dem Schwingungsspektrum subharmonische Schwingungen bestimmt werden und der Steuereinrichtung ein Reglermodul zugeordnet ist, mit dem die Geschwindigkeit der Bewegungseinrichtung oder eine Materialeindringtiefe derart geregelt wird, dass die subharmonischen Schwingungen abnehmen.