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Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen mit einem drehbar antreibbaren und in Vortriebsrichtung bewegbaren Arbeitskopf sowie ein Verfahren zur Ansteuerung dieses Arbeitskopfes.
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Derartige Maschinen sind bereits bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 44 40 261 T2 und die
DE 40 15 642 A1 eine derartige Maschine. Die
WO 96/19639 zeigt eine automatische Steuerung dieser Maschine. Nachteilig bei diesen Maschinen ist, dass sie das Tunnelprofil oft relativ langsam schneiden und/oder dass sie einem hohen Verschleiß unterliegen und/oder wenig haltbar sind.
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Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Maschine und ein Verfahren zur Arbeitskopfansteuerung einer derartigen Maschine zu schaffen, welches hinsichtlich zumindest eines der genannten Nachteile verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Maschine und das in den Ansprüchen 6, 10 und 12 wiedergegebene Verfahren gelöst.
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Die erfindungsgemäße Maschine zum Vorantreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen weist einen mittels eines Drehantriebs drehbar antreibbaren Arbeitskopf auf. Der Arbeitskopf ist darüber hinaus in Vortriebsrichtung bewegbar. Er weist schwenkbare Werkzeugarme auf. Die Werkzeugarme sind mittels Werkzeugarmantrieben relativ zu einer die Drehachse des Arbeitskopfes bildenden Bezugsachse radial schwenkbar. An diesen Werkzeugarmen sind hinterschneidend arbeitende Werkzeuge angeordnet, wie Rollenbohrwerkzeuge oder dergleichen. Die Maschine eignet sich insbesondere zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen mit einem von der Kreisform abweichenden Querschnitt. Die Maschine weist ein Arbeitskopfsteuerungssystem auf. Das Arbeitskopfsteuerungssystem umfasst Mittel zum kontinuierlichen Messen der Winkelposition α des rotierenden Arbeitskopfes. Das Arbeitskopfsteuerungssystem weist zudem Mittel zum kontinuierlichen Messen des Schwenkwinkels γ der Werkzeugarme auf. Das Arbeitskopfsteuerungssystem umfasst zudem einen Steuerrechner, der mit den genannten Mitteln wirkverbunden ist und α und γ so aufeinander abstimmt, dass für jede Winkelposition α des Arbeitskopfes jeder schwenkbare Werkzeugarm gemäß eines vorbestimmten Schneidbahnverlaufs radial positioniert ist, um die vorbestimmte Schneidbahn zu schneiden.
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Bevorzugt kontrolliert der Steuerrechner den Schwenkwinkel γ der Werkzeugarme, so dass für jede Winkelposition α des Arbeitskopfes jeder schwenkbare Werkzeugarm radial positioniert ist, gemäß eines vorbestimmten Schneidbahnverlaufs, der vorzugsweise im Rechnerspeicher gespeichert ist, um die vorbestimmte Schneidbahn zu schneiden.
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Die Werkzeugarme rotieren bevorzugt mit dem Arbeitskopf und erstrecken sich weiter bevorzugt in Richtung des Aushubs.
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Bei den Antrieben, mit denen die Werkzeugarme radial schwenkbar sind, handelt es sich vorzugsweise um Linearmotoren und ganz besonders bevorzugt um Hydraulikzylinder.
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Der Arbeitskopf kann auch als Schneidkopf bezeichnet werden und die Werkzeugarme können auch als Schneidarme bezeichnet werden.
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Der Arbeitskopf ist bevorzugt zwischen zwei Schneidvorgängen, etwa mittels eines Schreitwerks und/oder eines Raupenantriebs, in Vortriebsrichtung bewegbar. Während des Schneidvorganges ist er bevorzugt in axialer Richtung fixiert.
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Die hinterschneidend arbeitenden Werkzeuge arbeiten vorzugsweise in einem kurzen Anschnäbelabschnitt nicht hinterschneidend. Weiter bevorzugt arbeiten sie darüber hinaus ausschließlich hinterschneidend. Mit hinterschneidend arbeitenden Werkzeugen sind im Rahmen dieser Druckschrift insbesondere Werkzeuge gemeint, die anders als nicht hinterschneidend arbeitende Werkzeuge, etwa Rollenmeißel, die ähnlich einem Glasschneider im rechten Winkel an den Fels gepresst werden, um eine Druckspannung aufzubauen, in einem Winkel von beispielsweise 10° leicht schräg stehen, so dass sie den Berg „hinterschneiden“ und so das Gestein sprengen und beispielsweise handtellergroße Stücke abplatzen lassen. Die Werkzeuge müssen dabei nur während des kurzen „Anschnäbelns“ gegen die Druckfestigkeit des Gesteins ankämpfen. In der zweiten Phase arbeiten die Werkzeuge dann insbesondere wie ein Stemmeisen, das man schräg in ein Holz treibt und man hat es dadurch nur noch mit der deutlich geringeren Zugfestigkeit zu tun. Entsprechend kleiner sind die benötigten Kräfte. Der Energieaufwand für das Ausbrechen des Gesteins beim Hinterschneiden kann etwa nur halb so groß sein, wie beim konventionellen Aufweiten.
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Bevorzugt erfolgt der Drehantrieb für den Arbeitskopf hydraulisch. Vorzugsweise umfasst der Drehantrieb mindestens einen Hydraulikmotor – bevorzugt Verstellmotor – der von mindestens einer Pumpe – bevorzugt Verstellpumpe – versorgt wird, bevorzugt im geschlossenen Hydraulikkreislauf. Weiter bevorzugt umfasst der Drehantrieb vier Hydraulikmotoren und es sind vorzugsweise zwei Pumpen vorgesehen, die diese Motoren versorgen.
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Sowohl die Pumpen als auch die Motoren können bevorzugt im Schluckvolumen verstellt werden, um einen großen Drehzahlbereich abfahren zu können.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Drehantrieb für den Arbeitskopf elektrisch, mit veränderbarer Drehzahl, also frequenzgeregelt ausgebildet.
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Vorzugsweise arbeiten der Drehantrieb und/oder der Werkzeugarmantrieb hydraulisch, mit Hilfe von mindestens einer Hydraulikpumpe. Mit Vorteil ist eine Pumpenregelung vorgesehen und weiter bevorzugt eine Werkzeugarmsteuerung. Die Pumpenregelung ist bevorzugt innerhalb der Werkzeugarmsteuerung realisiert.
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Grundsätzlich ist denkbar, dass lediglich ein einziger radial schwenkbarer Werkzeugarm vorgesehen ist. Mit Vorteil sind jedoch mehrere Werkzeugarme, insbesondere vier oder sechs schwenkbare Werkzeugarme vorgesehen und die Werkzeugarmantriebe sind bevorzugt als Hydraulikzylinder ausgebildet, die weiter bevorzugt über Servoventile, vorzugsweise aus einem Konstantdrucksystem gespeist werden. Die Werkzeugarmantriebe werden bevorzugt von zwei Hydraulikpumpen – bevorzugt Verstellpumpen – im offenen Hydraulikkreislauf versorgt.
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Mit Vorteil weist das Arbeitskopfsystem mehrere Subsysteme auf. Vorzugsweise weist es ein Subsystem auf, welches die Pumpen für den Drehantrieb bzw. Schwenkantrieb umfasst. Dieses Subsystem umfasst weiter bevorzugt darüber hinaus eine elektrohydraulische Verstellung der Pumpen, Drucksensoren und Verstellungssensoren bzw. Schwenkwinkelsensoren, bzw. Wegesensoren sowie Pumpenregelkarten.
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Ein weiteres Subsystem umfasst bevorzugt Hydraulikmotoren mit elektrohydraulischer Verstellung, Werkzeugarme, angetrieben mit Hydraulikzylindern mit Zylinderhubsensoren und Drehwinkelsensoren der Werkzeugarme sowie Zylinderkammerdrucksensoren.
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Ein weiteres Subsystem umfasst bevorzugt Servoventile mit EtherCAT-Busanschluss und IO-Schnittstellen für Druck- und Winkelsensoren an den Werkzeugarmen.
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Ein weiteres Subsystem umfasst bevorzugt eine IO-Baugruppe im Schaltschrank, die bevorzugt im Leitstand platziert ist.
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Ein weiteres Subsystem umfasst einen Steuerrechner mit Monitor und Steuersoftware sowie Netzwerkschnittstellen zur Maschinen-SPS, sowie zum EtherCAT-Bussystem.
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Das Arbeitskopfsystem umfasst vorzugsweise darüber hinaus eine Steuersoftware.
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Bevorzugt ist durch das Arbeitskopfsteuerungssystem ein allseitiger Versatz zwischen Arbeitskopfdrehachse und der Tunnelachse kompensierbar.
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Das Arbeitskopfsteuerungssystem ist also bevorzugt in der Lage, einen etwa bestehenden Versatz zwischen der Rotationsachse des Arbeitskopfes und der Tunnelachse auszugleichen. Es ist also nicht zwingend erforderlich, dass diese Achsen während des Schneidvorgangs deckungsgleich sind.
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Es ist denkbar, dass das Arbeitskopfsteuerungssystem, für bestimmte Aufgaben, wie etwa das Schneiden eines Tunnels entlang eines Polygonzuges, bewusst einen derartigen Versatz herbeiführt. So kann etwa die Maschine gerade in dem Tunnel verbleiben und dennoch eine Kurve schneiden.
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Bevorzugt umfasst die Maschine ein Richtungskontrollsystem. Mittels des Arbeitskopfsteuerungssystems und dieses Richtungskontrollsystems sind bevorzugt ein vorgegebener Tunnelverlauf und Tunnelkreuzungen mit wechselnden Tunnelprofilen und Übergängen auffahrbar.
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In ihrem Verfahrensaspekt wird die Aufgabe gelöst zunächst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Arbeitskopfes einer Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen, die einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen, mit einem drehbar antreibbaren und in Vortriebsrichtung bewegbaren Arbeitskopf, mit mittels Werkzeugarmantrieben relativ zu einer die Drehachse des Arbeitskopfes bildenden Bezugsachse radial schwenkbaren Werkzeugarmen mit hinterschneidend arbeitenden Werkzeugen, wie Rollenbohrwerkzeugen oder dergleichen, wobei den betreffenden Werkzeugarm von einem Arbeitskopfsteuerungssystem ein sich über den Drehwinkel des Arbeitskopfes so ändernder radialer Arbeitsvorschub erteilt wird, dass sich eine entsprechende Penetration ergibt, mit der schließlich das gewünschte Endprofil (also der gewünschte Querschnitt) erzeugt wird. Der radiale Arbeitsvorschub, der dem betreffenden Werkzeugarm über den Drehwinkel des Arbeitskopfes erteilt wird, wird so optimiert, dass sich ein Schneidbahnverlauf ergibt, derart, dass das vorgegebene Profil bei der maximal zur Verfügung stehenden Leistung der Maschine möglichst schnell geschnitten wird und/oder dass sich ein möglichst geringer Verschleiß der Maschine, insbesondere der Werkzeuge ergibt. Der Schneidbahnverlauf ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also vortriebsgeschwindigkeitsmaximiert und/oder hinsichtlich minimalem Verschleiß optimiert.
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Mit Vorteil setzt sich der Schneidbahnverlauf aus einem – insbesondere inneren – „runden“ spiralförmigen Schneidbahnverlauf und einem – insbesondere äußeren – , den Außenkonturen des zu schneidenden Profils angepassten „unrunden“ Schneidbahnverlauf zusammen. Der Übergang von dem „runden“ zu dem „unrunden“ Verlauf geschieht bevorzugt, bevor der durch den runden Spiralverlauf gebildete Kreis das zu schneidende Profil tangiert.
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Mit Vorteil wird ein Schneidbahnverlauf gewählt, in dessen Verlauf sich die Werkzeuge – insbesondere die äußeren Werkzeuge – stets in schneidendem Eingriff mit dem Gestein befinden. Es wird also bevorzugt keine Bahn wiederholt überfahren. Weiter bevorzugt wird also nicht solange rund geschnitten, wie es möglich wäre (bis also der durch das Rundschneiden erzeugte Kreis das gewünschte Profil tangiert).
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Der Übergang von dem „runden“ zu dem „unrunden“ Verlauf erfolgt bevorzugt im äußeren Randbereich des zu schneidenden Profils. Der Übergang erfolgt insbesondere in einem Randbereich, der in dem Bereich, in dem die Schneidbahnen bzw. Werkzeugbahnen am engsten zusammen liegen, eine Breite von weniger als 50% und weiter bevorzugt etwa 10% des maximalen Radius des zu schneidenden Profils aufweist.
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Die Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt auch gelöst durch ein Verfahren, insbesondere nach einem der Ansprüche 6 bis 9, zur Ansteuerung eines Arbeitskopfes einer Maschine, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen mit einem mittels eines Drehantriebs drehbar antreibbaren und in Vortriebsrichtung bewegbaren Arbeitskopf, mit mittels Werkzeugarmantrieben relativ zu einer die Drehachse des Arbeitskopfes bildenden Bezugsachse radial schwenkbaren Werkzeugarmen mit Werkzeugen, wie Rollenbohrwerkzeugen oder dergleichen, mit einem Arbeitskopfsteuerungssystem, wobei das Arbeitskopfsteuerungssystem die Maschine von während des Vortriebsvorgangs entstehenden Belastungsspitzen entlastet. Hierdurch wird die Haltbarkeit der Maschine erhöht. Bevorzugt findet keine gezielte elastische Entlastung statt. Vorzugsweise arbeitet der Werkzeugarmantrieb hydraulisch mit Hilfe von Servoventilen. Die Belastungsspitzen werden bevorzugt durch Sensoren, insbesondere Drucksensoren, die den Druck des Hydrauliköls detektieren, erfasst. Bei Überschreiten eines kritischen Drucks werden die Servoventile bevorzugt derart betätigt, dass der Druck unterhalb eines kritischen Wertes sinkt. Bevorzugt arbeiten die Ventile und die Steuerung des Arbeitskopfsteuerungssystems so schnell, dass eine Entlastung bereits bei einer Überschreitung des kritischen Drucks für eine Zeit von wenigen Millisekunden stattfindet. Es werden also bevorzugt Belastungsspitzen, insbesondere Druckspitzen, die etwa zu Zylinderausfällen führen können, spätestens nach wenigen Millisekunden abgeschnitten. Mit anderen Worten ausgedrückt wird bevorzugt der „Dynamische Peak“, also ein Impuls an dem Werkzeug, gemessen und das Servoventil öffnet bei einem Überschreiten eines kritischen Wertes, wodurch ein Schutz der nachgeschalteten Hydraulikelemente erzielt wird.
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Die Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt auch gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Arbeitskopfes einer Maschine zum Vortreiben von Strecken, Tunneln oder dergleichen, insbesondere mit einem von der Kreisform abweichenden Querschnitt, wobei der Arbeitskopf mittels eines Drehantriebs drehbar antreibbar und in Vortriebsrichtung bewegbar ist und mittels Werkzeugarmantrieben relativ zu einer die Drehachse des Arbeitskopfes bildenden Bezugsachse radial schwenkbare Werkzeugarme mit hinterschneidend arbeitenden Werkzeugen aufweist, wobei die Ansteuerung mittels eines Arbeitskopfsteuerungssystems geschieht, wobei das Arbeitskopfsteuerungssystem bevorzugt die Geometriedaten des Solltunnelprofils definiert und weiter bevorzugt die Sollpositionsbahnen für die Werkzeugarme unter Berücksichtigung des Solltunnelprofils berechnet und weiter bevorzugt die Arbeitskopfdrehzahl aus Schnittparametern und Werkzeugarmpositionen berechnet und weiter bevorzugt eine Lageregelung und Überwachung der Zylinderposition durchführt und weiter bevorzugt eine Kollisionsüberwachung und Kollisionsvermeidung der Werkzeugarme untereinander durchführt und weiter bevorzugt eine Drehzahlregelung und Positionsregelung des Arbeitskopfes durchführt und weiter bevorzugt einen Vergleich und eine Überwachung der redundanten Werkzeugarmsensoren durchführt und weiter bevorzugt eine Druckregelung der Pumpen für die Werkzeugarmversorgung durchführt und weiter bevorzugt eine Schwenkwinkelregulierung der Pumpen für den Arbeitskopfdrehantrieb durchführt und weiter bevorzugt eine Kommunikation mit der Maschinen-SPS durchführt und weiter bevorzugt alle relevanten Sensoren auf Kabelbruch und Plausibilität überwacht und weiter bevorzugt die Betriebsparameter überwacht und die Schnittparameter bei Überlastung der Maschine reduziert und weiter bevorzugt eine Langzeitaufzeichnung relevanter Betriebsdaten durchführt und weiter bevorzugt ein Meldungswesen durchführt.
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Die Erfindung soll nun anhand eines in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Maschine;
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2 eine vereinfachte Darstellung zweier Schneidbahnen eines inneren und eines äußeren Schneidarmes;
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3 eine Darstellung des Arbeitsbereichs der inneren und äußeren Schneidarme;
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4 eine Darstellung der spiralförmigen Schneidbahnen;
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5 eine Seitenansicht der Ortsbrust mit Veranschaulichung der Schnittparameter;
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5a eine Darstellung des Versatzes von Arbeitskopfdrehachse und Tunnelachse;
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5b eine perspektivische Darstellung einer Tunnelkreuzung mit wechselnden Tunnelprofilen;
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6 eine schematische Darstellung der Schneidarmsteuerung und Arbeitkopfrotationssteuerung;
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7 eine Darstellung der elektrohydraulischen Verstellpumpenregelung;
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8 bis 11 Darstellungen von Bedienoberflächen;
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12 ein Diagramm mit möglichen Verläufen des Drehmoments und der Drehzahl des Arbeitskopfes;
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13 eine schematische Darstellung der Hinterschneidtechnik;
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13a eine Darstellung eines Ausschnitts von 13 in vergrößertem Maßstab;
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14 eine Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Verlaufs des Schwenkwinkels über dem Drehwinkel;
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15 eine vereinfachte Darstellung des zu 14 gehörigen Schneidbahnverlaufs;
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16 und 17 vereinfachte Darstellungen von aus dem Stand der Technik bekannten Schneidverfahren;
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18 bis 23 erfindungsgemäße Verläufe des Schwenkwinkels γ über dem Drehwinkel α sowie jeweils zugehörige Schneidbahnverläufe.
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1 zeigt eine Maschine 1 mit einem Arbeitskopf 2, Werkzeugen 3 sowie Werkzeugarmen 4, 4'. Es sind lediglich zwei Werkzeugarme 4, 4' gezeigt. Auch der Drehantrieb bzw. eine Drehantriebseinheit 6 des Arbeitskopfes 2, die als Verstellmotor 7 ausgeführt ist, sowie zwei als Hydraulikzylinder ausgeführte Werkzeugarmantriebe 10, 10' sind erkennbar. Der Arbeitskopf 2 ist um eine Achse M parallel zur Vortriebsrichtung drehbar antreibbar.
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Wie insbesondere die 2 und 3 zeigen, arbeitet die Maschine 1 nach dem Prinzip der Hinterschneidtechnik. Sie ist mit insgesamt sechs Schneidarmen 4, 4' mit Werkzeugen 3 ausgestattet. Die Werkzeuge 3 sind als Rollenmeißel 3a ausgeführt. Die bei diesem Prozess entstehenden Schneidkräfte werden durch zwei Verspannebenen in die Tunnelwand eingeleitet. Die Rollenmeißel 3a bleiben während des Abbauprozesses in ihren jeweiligen Kerben. Dies reduziert Vibrationen und Verschleiß. Der Zentralbereich 45 der Ortsbrust wird mit Hilfe zweier Schneidarme 4' bearbeitet, die während der Arbeitskopfrotation von außen nach innen verschwenkt werden. (In den 2 und 5 ist lediglich einer der beiden inneren Schneidarme 4' dargestellt). Der äußere Bereich 46 der Ortsbrust wird mittels vier äußerer Schneidarme 4 bearbeitet, die von innen nach außen verschwenkt werden. (In den 2 und 5 ist lediglich einer der vier äußeren Schneidarme 4 dargestellt). Hierdurch wird eine Ortsbrust mit zweifacher Wölbung erzeugt, die sehr stabil ist. Wie die 2 und 4 zeigen, ergeben sich spiralförmige Schneidbahnen 5. Der Arbeitskopf 2 wird während des Schneidvorganges in axialer Richtung nicht bewegt. Erst nachdem die Schneidarme 4, 4' ihre vorgesehene Schwenkbewegung vollzogen haben und in eine sichere Position zurückgekehrt sind, wird er vorgerückt.
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5 veranschaulicht in Verbindung mit 13a die Schnittparameter Andruck/Thrust (F), Penetration (P) und Schneidtiefe (S).
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Wie 5a zeigt, kann das Arbeitskopfsteuerungssystem 1a einen allseitigen Versatz zwischen der Arbeitskopfdrehachse M und der Tunnelachse T kompensieren.
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In 5b ist ein vorgegebener Tunnelverlauf mit einer Tunnelkreuzung mit wechselnden Tunnelprofilen und Übergängen gezeigt, der von der Maschine bzw. der Arbeitskopfsteuerung in Verbindung mit dem Richtungskontrollsystem auffahrbar ist.
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Wie 6 zeigt, erfolgt die Bedienung des Arbeitskopfsteuerungssystems 1a ausschließlich über das Bedienpult im Leitstand der Maschine. Wie in 6 dargestellt, werden die Bedieneingaben über das Pult zunächst von der Anlagen-SPS vorverarbeitet und dann über die Modbus-Schnittstelle an den Schneidprozesssteuerrechner weitergereicht. Insbesondere erfolgt die Anwahl des Betriebsmodus: Schneiden, Service, Wartung, Fahrposition, Basicposition sowie Start und Stopp des Schnittprozesses über das Bedienpult.
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7 zeigt eine Realisierung der Pumpenregelung innerhalb der Schneidarmsteuerung.
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Es können folgende Modi (über das Bedienpult) angewählt werden, wobei alle Modi kollisionsüberwacht sind:
- – Basisposition anfahren: Die Schneidarme fahren auf die Basisposition, der Drehwinkel des Schneidkopfes fährt auf 0 bzw. 180°.
- – Fahrposition anfahren: Die Schneidarme und der Schneidkopf fahren auf die Fahrposition.
- – Servicemodus: Im Servicemodus kann jeder Schneidarm 4, 4' und die Kopfdrehung manuell über Taster gefahren werden. Die Fahrt erfolgt mit einer festgelegten Geschwindigkeit.
- – Wartungsmodus: Im Wartungsmodus werden definierte Positionen der Schneidarme und des Kopfdrehwinkels angefahren. Der Positionsvorgang läuft folgendermaßen ab (um Kollisionen mit einer etwaigen Wartungsbühne zu vermeiden): Einfahren der Arme auf eine Basicposition, Drehen des Arbeitskopfes 2 auf einen Sollwinkel, Ausfahren der Arme auf Wartungsposition.
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Im Schneidmodus erfolgt das Verfahren der Arme 4, 4' auf einer Spiralbahn, die sich aus Penetration und Schneidkopfdrehzahl ergibt. Die Schneidkopfdrehzahl ergibt sich aus der Vorgabe der Schnittgeschwindigkeit und dem aktuell größten Radius der äußeren Schneidarme. Penetration und Schnittgeschwindigkeit können während der Spiralisierung verstellt werden. Die Spiralbahn wird durch das Tunnelprofil begrenzt. Abhängig von einer „Shaping“-Funktion erfolgt ein gleitender Übergang zwischen Kreis- und Profilschnitt, wie dies etwa in 18 und 19 dargestellt ist. Der „Kreisschnitt“ kann auch als „runder Schneidbahnverlauf“ 5a bezeichnet werden und der „Profilschnitt“ kann auch als „unrunder Schneidbahnverlauf“ 5b bezeichnet werden. Die Parameter der „Shaping“-Funktion können nur zu Anfang eines Schnittes geändert werden. Die inneren Schneidarme 4' starten den Schnitt abhängig von einer Radialposition, die die äußeren mindestens erreicht haben müssen. Diese Radiusposition ist von der eingestellten Schnitttiefe abhängig. Die Schnitttiefe kann nur einmal vor dem jeweiligen Schnitt eingestellt werden. Bis auf den Kollisionsfall schneiden innere und äußere Schneidarme unabhängig voneinander. Sobald innere und äußere Schneidarme den Schnitt beendet haben, fahren sie auf eine sichere Kreisbahn zurück und warten, bis die jeweils anderen Arme den Schnitt ebenfalls beendet haben. Sind innere und äußere Arme beide fertig, dann fahren alle Arme 4, 4' auf die Basisposition zurück.
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Der Schnitt kann jederzeit gestoppt werden. Dann fahren die Arme 4, 4' zunächst auf eine sogenannte Restart-Position zurück. Bei einem Restart wird der Schnitt fortgesetzt. Wahlweise kann die Basisposition angefahren werden, dann wird der Schnitt von vorne begonnen (Dies gilt nur für die Arme, die den aktuellen Schnitt noch nicht beendet haben).
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8 zeigt eine Überblicksbedienoberfläche. Zentrales Element ist die Darstellung der Schneidarmposition 48. Der jeweils dargestellte Punkt ist der Kontaktpunkt der Schneidrolle 3a, also des Werkzeugs 3. Die Linie stellt die Position des Kontaktpunktes der letzten Sekunden dar. Die während eines Schnittes bereits überfahrene Schnittfläche wird farbig hinterlegt dargestellt.
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Oberhalb befindet sich eine Buttonleiste 49, mit der das Schnittprofil ausgewählt werden kann.
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Links angeordnet ist der Leistungsbedarf 50 der Elektromotoren für die Hydraulikpumpen. Die Summenleistung der beiden Motoren wird numerisch dargestellt (51). Eine Überlastung wird durch LED’s signalisiert (52). Der Schnittfortschritt – getrennt für innere und äußere Arme – wird unterhalb dargestellt (53). Die Schnittzeit und die Restzeit bis zum Schnittende ebenfalls.
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Im Fenster „cutting state“ 54 wird der Zustand der Schneideinheit über LED’s dargestellt. Es ist ein Fenster 55 vorgesehen, in dem die Sollwerte für Penetration, Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe eingestellt werden (target). Die Schnitttiefe kann nur zu Beginn eines Schnittes eingestellt werden. Eine Veränderung der Penetration wird während mehrer Umdrehungen des Schneidkopfes übernommen. Sowohl die Schnittgeschwindigkeit als auch die Penetration können von der Steuerung im Falle der Überlastung automatisch reduziert werden. Aus diesem Grund kann der jeweilige Sollwert vom Istwert abweichen und wird daher auch dargestellt (current). Zusätzlich wird die wirkliche Penetration dieser Schneidrolle aus dem von der vorherigen Umdrehung bekannten Positionswert berechnet und in beiden Diagrammen dargestellt. Penetration und Schnittgeschwindigkeit können in jedem Berechtigungslevel eingestellt werden.
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Die Parameter des Drehantriebs werden in einem weiteren Fenster 56 dargestellt. Eine Überschreitung des maximal zulässigen Drehmoments wird angezeigt. Das Drehmoment wird über die Druckdifferenz an den Antriebsmotoren und deren Schluckvolumen berechnet. Die Gesamtumdrehungen seit Inbetriebnahme der Maschine werden ebenfalls dargestellt.
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9 zeigt die Seite „cutting arms“ der Bedienoberfläche. Auf dieser Seite werden die relevanten Signale an den Schneidarmen 4, 4' dargestellt. Die einzelnen Arme können einzeln selektiert werden. Die Schneidkraft wird über die Druckdifferenz am Zylinder und die winkelabhängige geometrische Übersetzung berechnet. Es wird nur die Kraftkomponente senkrecht zur Schneidrollenachse ermittelt. Diese Kraft wird für alle sechs Rollen 3a in Graphen dargestellt (60). Für die Ermittlung des Schneidarmwinkels γ stehen zwei Sensorsignale zur Verfügung. Dies sind der Zylinderweg und eine direkte Messung des Schneidarmwinkels. Aus dem Zylinderweg wird der Schneidarmwinkel berechnet.
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In der Box „rotation“ wird der Drehwinkel des Bohrkopfes dargestellt. Des weiteren können auf dieser Seite Leistungsgrenzwerte festgelegt werden, die über einen automatisierten Zugriff Penetration und Schnittgeschwindigkeit während eines Schnittes soweit reduzieren, bis die entsprechenden Messwerte unterhalb der Grenzwerte liegen (Feld 63).
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10 zeigt die Seite „supply“. Hier werden die Parameter der Versorgungspumpen und der Motoren für die Schneidkopfrotation dargestellt. Dies sind: Drücke an den Pumpen 63, Position Schwenkscheibe, Position Stellventile 64, Zustand VPCD 65, Position Schwenkscheibenmotoren, Drücke am rotierenden Kopf 66. Der Versorgungsdruck für die Schneidarme kann über den Parameter 68 vorgegeben werden. Auch sind die hydraulischen Leistungen 69, die sich aus berechnetem Volumenstrom (Schwenkwinkel x Schluckvolumen) und gemessenem Druck ergeben, dargestellt.
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11 zeigt die Seite „maintenance“. Hier können verschiedene Wartungsaufgaben durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Verschleißzustand aller Werkzeuge eingetragen werden. Von der Steuerung wird dann die Zustellung der Rollen automatisch derart justiert, so dass alle Rollen während des Schnittes die gleiche Penetration aufweisen. Hierzu wird die Penetration der größeren Rolle auf das Maß der kleinsten Schneidrolle zurückgenommen. Dies hat zur Konsequenz, dass auch bei nur einer verschlissenen Rolle nicht mehr der größtmögliche Tunnelradius gebohrt werden kann.
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In 12 ist ein Diagramm mit möglichen Verläufen des Drehmoments 72 und der Drehzahl 73 der Schneidarme gezeigt.
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13 zeigt im linken Bereich eine schematische Darstellung der konventionellen Schneidtechnik. Im rechten Bereich ist die Hinterschneidtechnik schematisch dargestellt.
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14 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Verlauf des Schwenkwinkels γ der äußeren Werkzeugarme über dem Drehwinkel α des Arbeitskopfes 2. Diese Darstellung gehört zu dem in 15 dargestellten Schneidbahnverlauf. Die Schneidbahnen sind in den 15, 19, 21 und 23 vereinfacht dargestellt. In Wirklichkeit handelt es sich um Spiralen. Bei dem in den 14 und 15 gezeigten bekannten Verfahren wird erst ein Profil mit kreisförmiger Begrenzung erzeugt und hiernach die Partien ausgearbeitet, die von der Kreisform abweichen bzw. über diese hinausgehen. Es wird also solange rund geschnitten, wie es geht, bis der Kreis das gewünschte Profil tangiert. Weitere Beispiele für das derartige, aus dem Stand der Technik bereits bekannte Verfahren, zeigen die 16 und 17. Die für den Schneidvorgang erforderliche Leistung teilt sich ausschließlich auf in die für die Rotation des Arbeitskopfes 2 erforderliche Leistung und die für die Verschwenkung der Werkzeugarme 4, 4' erforderliche Leistung. Das in den 14 bis 17 gezeigte, bereits bekannte Verfahren hat den Vorteil, dass über einen möglichst langen Zeitraum nur wenig Leistung für das Verschwenken der Werkzeugarme 4 benötigt wird. Denn während des Kreisschnittes bzw. des runden Schneidbahnverlaufs 5a erfolgt lediglich eine wenig Leistung benötigende langsame und kontinuierliche Verschwenkung der Schneidarme 4. Der viel Leistung für die Schwenkarme erfordernde Profilschnitt bzw. unrunde Schneidbahnverlauf 5b ist auf ein Minimum beschränkt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Werkzeuge notwendigerweise mehrfach über einen Bereich 74 geführt werden. Da dieser Bereich 74 bereits bei erstmaligem Durchfahren geschnitten wird, kommen die Werkzeuge bei jeder weiteren Überfahrung mit dem Gestein außer Eingriff. Nachdem sie den Bereich 74 durchfahren haben, greifen sie wieder neu in das Gestein ein. Es hat sich gezeigt, dass dieses Außereingriffkommen und wieder Ineingriffkommen (Einschnäbeln) eine große Belastung für die Maschine 1 darstellt und insbesondere zu einem großen Verschleiß der Werkzeuge 3 führt.
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Das in den 18 bis 23 gezeigte Verfahren vermeidet diesen Nachteil.
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18 und 19 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens. Bei diesem Verfahren wird zur Ansteuerung des Arbeitskopfes der Maschine 1 jedem Werkzeugarm ein sich über den Drehwinkel α des Arbeitskopfes 2 so ändernder radialer Arbeitsvorschub erteilt, dass sich eine entsprechende Penetration ergibt, mit der schließlich das gewünschte Endprofil erzeugt wird. Dies geschieht derart, dass sich ein Schneidbahnverlauf ergibt, der insbesondere darauf optimiert ist, dass sich ein möglichst geringer Verschleiß der Maschine 1, insbesondere der Werkzeuge 3 ergibt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Schneidbahnverlauf gewählt wird, in dessen Verlauf sich die Werkzeuge 3 der äußeren Werkzeugarme 4 stets in schneidendem Eingriff mit dem Gestein befinden. Wie sich aus 19 ergibt, setzt sich der Schneidbahnverlauf aus einem inneren runden spiralförmigen Schneidbahnverlauf 5a und einem äußeren, den Außenkonturen des zu schneidenden Profils 44 angepasst unrunden Schneidbahnverlaufs 5b zusammen. Der Übergang Ü von dem runden zu dem unrunden Verlauf geschieht, bevor der durch den runden Spiralverlauf gebildete Kreis das zu schneidende Profil tangiert. Es wird also bereits „unrund“ geschnitten, bevor dies erforderlich wäre. 19 zeigt, dass auf diese Weise kein Bereich 74 vorhanden ist, der von den Werkzeugen 3 mehrfach durchlaufen wird. Ein Außereingriffkommen und Einschnäbeln der Werkzeuge 3 in diesem Bereich des Schneidbahnverlaufs findet also nicht statt. 19 zeigt auch, dass der Übergang Ü von dem runden zu dem unrunden Schneidbahnverlauf im äußeren Randbereich des zu schneidenden Profils geschieht und zwar in einem Randbereich, der in dem Bereich, in dem die Schneidbahnen am engsten zusammen liegen, eine Breite B von weniger als 50% des maximalen Radius R des zu schneidenden Profils, und zwar etwa 7% aufweist.
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Das in den 20 und 21 gezeigte weitere Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, unterscheidet sich von dem in den 18 und 19 gezeigten Verfahren dadurch, dass der Übergang Ü zwischen dem Kreisschnitt und dem Profilschnitt früher, also radial weiter innen erfolgt.
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Bei dem in den 22 und 23 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens findet überhaupt kein Kreisschnitt der äußeren Werkzeugarme statt. Die Werkzeuge der äußeren Schneidarme 4 bilden also überhaupt keinen runden Schneidbahnverlauf 5a.
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In den 15, 19, 21 und 23 ist der Einfachheit halber der stets „runde“ Schneidbahnverlauf der inneren Werkzeugarme 4' weggelassen. Es ist lediglich der Schneidbahnverlauf der äußeren Werkzeugarme 4 dargestellt.
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Bei dem in 23 gezeigten Verfahren schneiden die äußeren Werkzeugarme ausschließlich im Profilschnitt. Hierdurch ist ein gleichmäßiger, relativ großer Abstand der Schneidbahnen voneinander gewährleistet. Wie 24 erkennen lässt, ist allerdings relativ viel Leistung für das Schwenken der Schwenkarme 4 erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 1a
- Arbeitskopfsteuerungssystem oder Teile davon
- 2
- Arbeitskopf
- 3
- Werkzeuge
- 3a
- Rollenmeißel
- 4, 4'
- Werkzeugarme
- 5
- Schneidbahn
- 5a
- runder Schneidbahnverlauf (ist gleich Kreisschnitt)
- 5b
- unrunder Schneidbahnverlauf (ist gleich Profilschnitt)
- 6
- Drehantrieb bzw. Drehantriebseinheiten
- 7
- Verstellmotor bzw. Hydraulikmotor mit elektrohydraulischer Verstellung
- 7a
- elektrohydraulische Verstellung
- 8, 8'
- Verstellpumpen des Drehantriebs
- 9
- geschlossener Hydraulikkreislauf
- 10, 10'
- Werkzeugarmantrieb bzw. Hydraulikzylinder
- 11, 11'
- Verstellpumpen für die Werkzeugarme
- 12
- Pumpenregelung
- 13
- Werkzeugarmsteuerung
- 14
- Servoventile
- 15 bis 21
- -
- 22
- Drucksensor (Pumpe)
- 23
- Schwenkwinkelsensoren
- 24
- Pumpenregelkarten
- 25
- Zylinderhubsensoren bzw., Wegesensoren
- 26
- Winkelsensoren
- 27
- Steuerrechner
- 27a
- Zylinderkammerdrucksensoren
- 28
- Maschinen SPS
- 29 bis 35
- -
- 36
- Winkelpositionssensor des Arbeitskopfes
- 37 bis 42
- -
- 43
- durch den runden Schneidbahnverlauf gebildeter Kreis
- 44
- zu schneidendes Profil
- 45
- zentraler Bereich der Ortsbrust
- 46
- äußerer Bereich der Ortsbrust
- 47
- -
- 48
- Schneidarmposition
- 49
- Buttonleiste
- 50
- Leistungsbedarf
- 51
- numerische Darstellung
- 52
- LED’s
- 53
- Schnittfortschritt
- 54
- Fenster „cutting state“
- 55, 56
- Fenster
- 57, 58
- -
- 59
- Schneidkraft
- 60
- Fenster
- 61, 62
- -
- 63
- Drücke an den Pumpen
- 64
- Positionsstellventile
- 65
- Zustand Pumpenregelkarte
- 66
- Drücke am rotierenden Kopf
- 67
- -
- 68
- Parameter
- 69
- hydraulische Leistung
- 70, 71
- -
- 72
- Drehmoment
- 73
- Drehzahl
- 74
- Bereich
- α, γ
- Winkel
- B
- Breite
- F
- Thrust
- P
- Penetration
- S
- Cutting depth, Schneidtiefe
- M
- Arbeitskopfdrehachse
- T
- Tunnelachse
- R
- Radius
- Ü
- Übergang
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
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- DE 4440261 [0002]
- DE 4015642 A1 [0002]
- WO 9619639 [0002]
