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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur kinematischen Schienenvermessung, insbesondere zur Kranbahnvermessung und für Kranbahnschienen.
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Für den Betrieb einer Krananlage ist vor der ersten Inbetriebnahme und entsprechend den betrieblichen Verhältnissen in regelmäßigen Abständen die Funktionstüchtigkeit zu prüfen. Hierzu zählt insbesondere die Überwachung der Kranbahnschienengeometrie. Die Kranbahnschienengeometrie ist im Hinblick auf die Lage der Schienen, also deren Gradlinigkeit, in Lage und Höhe zu überprüfen.
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Zur Vermessung von Kranbahnschienen können geodätische Messverfahren eingesetzt werden. Wie Malte Jan Schulze in „Optimale Auswertung von kinematischen Neigungsmessungen mit simultaner tachymetrischer Positionsbestimmung bei einem kinematischen Gleismesssystem“ (Diplomarbeit, Leibniz Universität Hannover, April 2009) unterscheidet, gibt es zwei Gruppen von geodätischen Messverfahren, die für diese Aufgabe eingesetzt werden können. Einerseits die Alignierverfahren und andererseits die Polarmessverfahren. Bei einem Polarmessverfahren wird ein Tachymeter großer Genauigkeitsklasse für die Streckenmessung eingesetzt. Der Standpunkt des Tachymeters wird dabei auf oder in der Nähe der Kranbahnschienen gewählt, auf der ein mit einem Prisma ausgestatteter Messwagen verfahrbar ist. Aus den ausgewerteten Messdaten können dann zuverlässige Daten zu Lage und Höhe der Kranbahnschienen ermittelt werden.
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Aus
DE 197 47 872 C2 ist ein System für die Vermessung von Schienen, insbesondere Laufschienen für Krane, Regalbediengeräte, Laufradblöcke mit einer auf der Schiene angeordneten Sendeeinheit bekannt, die einen Laser mit mindestens einem in Schienenlängsrichtung verlaufenden Laserstrahl erfasst und mit einer antriebbaren Empfangseinheit, die auf derselben Schiene in Schienenlängsrichtung verfahrbar ist. Ein dem Laserstrahl zugewandter Fotoempfänger erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, aus dem die Ortslage des Laserstrahls ermittelbar ist, wobei ein Abstandssensor zur Erfassung der Abstandsänderung zwischen Sendeeinheit und Empfängereinheit vorgesehen ist. In der vorstehend getroffenen Unterscheidung der Verfahren handelt es sich hierbei um ein Alignierverfahren.
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Aus
US 2010/0171943 A1 ist ein Verfahren zur geodätischen Überwachung von Schienen bekannt, bei dem ein Tachymeter in der Nähe der Schienen aufgestellt wird und ein Messwagen entlang der Schienen fährt und in regelmäßigen Intervallen von dem Tachymeter gemessen und aufgezeichnet wird. Der Messwagen fährt mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit über die Schienen und in regelmäßigen Zeitabständen wird seine Höhenposition erfasst. Diese Messung wird bei belasteten und nicht belasteten Kranschienen durchgeführt.
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Aus
DE 10 2006 027 852 A1 ist ein Gleisfahrzeug mit einer Messeinrichtung zur Vermessung mindestens einer geometrischen Größe bekannt. Das Fahrzeug besitzt ein Fahrwerk mit einer einstellbaren Spurweite.
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Aus
GB 2,403,861 A ist ein laserbasiertes Überwachungs- und Messsystem bekannt. Das System erfasst die Position von Objekten entlang einer Route, wobei hierzu ein Laserscanner eingesetzt wird. Eine Analyse der Daten wird dabei auf Entfernungsdaten in einem vorgegebenen Bereich beschränkt.
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Aus
DE 10 2007 033 185 A1 ist ein Verfahren zur geodätischen Überwachung von Schienen bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird ein Tachymeter auf einem Tachymeterwagen kontinuierlich zur Entfernungsmessung eingesetzt. Winkelmessungen werden relativ zu einem auf einem Reflektorwagen angeordneten Reflektor durchgeführt. Aus den ermittelten Messwerten wird auf die Gleisgeometrie zurückgerechnet.
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Aus
DE 10 2006 042 496 A1 ist ein Verfahren zur Vermessung von Schienen bekannt, bei dem auf eine zu überprüfende Schiene ein Schienenfahrzeug aufgesetzt wird, das zur kontinuierlichen Messung und Winkelmessung mit einem Reflektorwagen zusammenwirkt und über ein Verbindungs- und Überhöhungsmessgerät Abweichungen von Sollwerten feststellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur kinematischen Schienenvermessung bereitzustellen, das mit möglichst einfachen Mitteln zuverlässige und genaue Daten zu der Schienengeometrie bereitstellt.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße System ist vorgesehen und bestimmt zur kinematischen Schienenvermessung mit einem Tachymeter und einem auf der Kranbahn verfahrbaren Messwagen. Der Messwagen ist mit einer mit dem Tachymeter zusammenwirkenden Reflektoreinheit ausgestattet. Die Reflektoreinheit ist um mindestens eine, bevorzugt um zwei Achsen mit einem verstellbaren Reflektor und mit einer Steuerung zum Ausrichten des Reflektors ausgestattet. Erfindungsgemäß ist der Messwagen zudem mit einer Scannereinheit ausgestattet, die auf die Schiene gerichtet ist. Über die Scannereinheit kann die Schiene und ihre Abnutzung erfasst werden. Ebenso erlaubt die Scannereinheit auch die Schienenbefestigung zu erfassen und bei einer Beurteilung auszuwerten. Die Daten der Lasereinheit zusammen mit den tachymetrisch erfassten Daten erlauben eine hochgenaue Vermessung der Schienen einschließlich einer zuverlässigen Beurteilung der Abnutzung am Schienenkopf. Aus den zusammen erfassten Daten kann eine theoretische Schienenachse ermittelt werden, die auch eine Ursachenermittlung bei komplexen Problemen, beispielsweise im Zusammenspiel mit Belastungen der Schiene und der Schienenlagerung, erlaubt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Scannereinheit mindestens einen Triangulationsscanner auf, der einen Abstand misst. Die Abstandsmessung des Triangulationsscanners kann bevorzugt entlang einer quer zur Schiene verlaufenden Messachse erfolgen. Die Abstandswerte entlang dieser Messachse geben ein relatives Höhenprofil der Schiene im Verhältnis zu dem Messwagen an. Mehrere Höhenprofile hintereinander erlauben eine Beurteilung der Abnutzung am Schienenkopf entlang der Fahrtrichtung des Messwagens.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Scannereinheit mindestens zwei Triangulationsscanner auf, die aus unterschiedlichen Richtungen einen Abstand zur Kranbahn messen. Hierdurch ist es insbesondere auch möglich, den Schienenkopf in einer teilweise seitlichen Sicht an seinem Rand zu erfassen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Messwagen eine Halterung für die Lasereinheit auf, die in oder entgegen der Fahrtrichtung über den Wagen und seine Begrenzung übersteht. Auf diese Weise gewinnt die Lasereinheit einen Blick auf die Schiene und den Schienenkopf von oben, was insbesondere die Bildung eines Profilbildes der Schiene und eine Beurteilung der Schienenbefestigung erleichtert.
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Um mehr Daten sammeln zu können, ist die Lasereinheit oder sind Teile der Lasereinheit entlang der Halterung quer zur Fahrtrichtung des Messwagens verfahrbar. Indem die Lasereinheit in unterschiedlichsten Querpositionen an der Halterung arbeiten und Abstandsdaten erfassen kann, entsteht ein lückenloses Bild des Schienenprofils und der Befestigung der Schienen.
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Bevorzugt ist die Halterung mit einem Ultraschallsensor ausgestattet, der vorausliegende Hindernisse erkennt. Insbesondere bei einem selbstfahrenden Messwagen kann die Hinderniserkennung dazu genutzt werden, um einen Fahrantrieb auszuschalten und den Messwagen rechtzeitig vor dem Hindernis zu stoppen.
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Der motorische Antrieb des Messwagens erfolgt bevorzugt über ein oder zwei angetriebene Rollen, mit denen der Messwagen auf der Schiene verfahrbar ist. Ebenfalls können ein oder mehrere Magnete vorgesehen sein, die den Messwagen gegen die Wirkung der Schwerkraft an der Schiene halten können, beispielsweise auch für eine Über-Kopf-Fahrt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Messwagen mit mindestens einem Paar von Schwenkarmen ausgestattet, die an ihrem freien Ende Führungsmittel tragen, die unter Vorspannung seitlich an der Schiene anliegen. Die Schwenkarme liegen bevorzugt an einander gegenüberliegenden Seiten an der Schiene und insbesondere im Bereich des Schienenkopfes an.
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Um die Vorspannung für die Schwenkarme zu erzeugen, kann beispielsweise ein Spindelantrieb vorgesehen sein. Über den Spindelantrieb werden die Schwenkarme symmetrisch an die Schiene geschwenkt und halten den Messwagen somit auf der Schiene.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Messwagen mit einem Neigungssensor ausgestattet. Insbesondere für die Auswertung der mit der Scannereinheit erfassten Abstandswerte hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn Neigungswerte zu einer Neigung des Messwagens mit erfasst sind. Hierdurch ändert sich der Winkel, unter dem der Abstand zu der Schiene und ihrer Befestigung erfasst wird. Die Abstandsänderung kann mit Hilfe von Neigungswerten zuverlässig aus den Daten eliminiert werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die von der Lasereinheit erfassten Abstandswerte per Funk an eine übergeordnete Auswerteeinheit gesendet. In der übergeordneten Einheit können dann die einzelnen Abstandsprofile verarbeitet und zu einer Gesamtbetrachtung zusammengesetzt werden. Bevorzugt werden hierbei auch die mit dem Tachymeter aufgenommenen Höhenwerte des Wagens mit verarbeitet, so dass eine Verarbeitung der Abstandswerte nicht nur in dem lokalen Koordinatensystem des Messwagens, sondern mit Hilfe der Tachymeterdaten auch in einem absoluten Koordinatensystem erfolgen kann.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des Systems sowie des Messwagens wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen auf eine Schiene aufgesetzten Messwagen in einer Ansicht von der Seite,
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2 den Messwagen aus 1 in einer Ansicht von oben,
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3 den Messwagen aus 1 in einer Ansicht von vorne,
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4 den Messwagen aus 1 in einer Ansicht von hinten,
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5 den Messwagen aus 1 in einer Ansicht von unten, ohne Scaneinheit, und
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6 das System mit einem Tachymeter bei einem aufgesetzten Kran zur Vermessung.
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1 zeigt einen Messwagen 10 in einer Ansicht von der Seite. Der Messwagen 10 besitzt ein Fahrgestell 12, das vorne und hinten jeweils mit einer angetriebenen Laufrolle 14, 16 ausgestattet ist. Zur seitlichen Führung sind Schwenkarme 18 bis 24 vorgesehen. Die Schwenkarme halten an ihrem jeweils freien Ende Führungselemente in Form von Führungsrollen 26, die seitlich an dem zu vermessenden Schienenkopf 28 anliegen. Auf dem Fahrgestell 12 ist an einem Ende eine Halterung 30 vorgesehen. Die Halterung 30 erstreckt sich unter einem spitzen Winkel von der zu vermessenden Kranbahnschiene 32 fort. Am Ende der Halterung ist eine Triangulationslasereinheit 34 angebracht. Wie in 2 zu erkennen, ist eine zweite Triangulationslasereinheit 36 vorgesehen. Beide Triangulationslasereinheiten 34, 36 sind seitlich oberhalb der Schiene 32 angeordnet und blicken auf diese. Am Ende der Halterung 30 ist eine Querschiene 38 vorgesehen, an der die Triangulationslasereinheiten 34, 36 angeordnet sind. Je nach Ausgestaltung ist es auch möglich, die Triangulationseinheiten 34, 36 automatisch an der Querschiene 38 zu verfahren.
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Wie in 1 angedeutet, sind magnetische Aufnahmen 40 vorgesehen, mit deren Hilfe beispielsweise über anzubringende Prismen das Koordinatensystem des Wagens bestimmt und später kontrolliert werden kann.
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Eine mit dem Tachymeter zusammenwirkende Reflektoreinheit 42 ist an dem der Halterung 30 gegenüberliegenden Ende des Fahrgestells angeordnet. Die Reflektoreinheit 42 besitzt ein in zwei Achsen sich zum Vermessungsgerät selbst ausrichtendes Prisma. Auf diese Weise kann über ein Tachymeter die Position des Messwagens bestimmt werden.
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Das vorstehend beschriebene Messsystem ist in seinem Einsatz nicht nur auf die Vermessung von verlegten Schienen beschränkt, sondern kann beispielsweise auch mobil zum Vermessen von nicht verlegten Schienen und Profilen eingesetzt werden.
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In 2 ist zusätzlich ein Switch 44 zu erkennen, unter dem eine Recheneinheit und eine Festplatte als lokaler Datenspeicher angeordnet sind. Die elektrische Versorgung erfolgt über eine zentral angeordnete Batterie 46. Der Neigungsmesser 48 ist als ein zweiachsiges Inklinometer ausgebildet und nahe der Batterie 46 angeordnet. Bei der Auswertung der Daten des Neigungsmessers ist zu berücksichtigen, dass Anfahr- und Bremsvorgänge die Daten ebenso wie Ein- und Ausschwingvorgänge die Messdaten beeinflussen können. Zur Kompensation solcher Einflüsse kann ein Inertialsensor eingesetzt werden.
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Der Messwagen ist zudem mit einem Besen 50 ausgestattet, der sich in der Höhe automatisch anpasst und zum Reinigen der Schienenoberfläche, insbesondere der Schienenkopfoberseite 28, abgesenkt wird. Alternativ ist es auch möglich, den Messwagen 10 nicht mit einem eigenen Antrieb auszustatten, sondern beispielsweise von dem Kran ziehen zu lassen.
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3 zeigt eine Ansicht auf den Messwagen von vorne. Die Triangulationseinheiten 34, 36 sind auf den Schienenkopf 28 gerichtet. Um die von den Triangulationseinheiten 34, 36 erfassten Abstandswerte umrechnen zu können, ist ein Kalibrierkörper 52 in dem Messfeld der Triangulationseinheiten vorgesehen. Der Kalibrierkörper 52 wird in einer genau vorbestimmten Position an dem Messwagen angeordnet und von den an der Halterung 30 bzw. der Querschiene 38 angeordneten Triangulationseinheiten 34, 36 vermessen. Auf diese Weise können die Triangulationseinheiten 34, 36 kalibriert und die ermittelten Abstandswerte der Triangulationseinheiten in das Fahrzeugkoordinatensystem umgerechnet werden.
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Zudem sind in 3 zwei Kameras 54 vorgesehen, die auf den Schienenkopf ausgerichtet sind. Neben dem Beispiel mit zwei Kameras 54 kann auch mit einer Kamera gearbeitet werden. Mit Hilfe der Kamera wird die Oberfläche auf dem Schienenkopf erfasst, was im Wege einer optischen Auswertung beispielsweise die Erkennung von Rissen im Schienenkopf gestattet.
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Bei der in 4 dargestellten Ansicht von hinten sind die beiden Antennen 56 zu erkennen, über die die in dem Messwagen gesammelten Daten an eine übergeordnete Einheit gesendet werden.
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5 zeigt die Ansicht von unten, wobei hier zwei Magnete 58 nahe den Laufrollen erkennbar sind. Die Magnete 58 dienen dazu, den Messwagen über Kopf an einer Profilschiene fahren zu lassen.
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Der Gesamtzusammenhang für das System zur kinematischen Kranbahnvermessung ist in 6 dargestellt. Ein auf einem Dreibein stehendes Tachymeter 60 bestimmt die Relativposition von Reflektoren 62 eines auf zwei Kranbahnschienen 32 verfahrbaren Krans 64. Zur Vermessung der Kranbahnschienen 32 wird der Messwagen 10 auf eine der Kranbahnschienen 32 gesetzt und über das Tachymeter vermessen. Dieser Messvorgang kann mit aufgesetztem Kran 64 und ohne aufgesetzten Kran 64 durchgeführt werden.
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Die vom Tachymeter gesammelten Daten werden entweder leitungsgebunden 66 an eine Verarbeitungseinheit 68 weitergeleitet oder über eine Datennetzverbindung 70 über das Internet an verschiedene Auswerteeinheiten 72, 74 verteilt. Über einen Datenspeicher 76 können die aufgezeichneten Daten gespeichert werden. Bei der Verwendung des Messwagens 10 werden zusätzlich über die Funkantennen 52 die gewonnenen Abstandsdaten der Triangulationseinheiten der Kamera 54 und des Neigungssensors 48 über eine Funkverbindung an einen Auswerterechner 68 weitergeleitet. Auch die von den Kameras 54 aufgezeichneten Daten können per Funk übertragen werden. Hier können die Daten mit den tachymetrisch gewonnenen Daten verknüpft werden, um ein Gesamtbild zu gewinnen. Hierbei ist eine Echtzeitauswertung des fahrenden Messwagens möglich. Die dabei gewonnenen wesentlichen Kenngrößen sind die Überprüfung der Schienengeometrie im belasteten und im unbelasteten Zustand, eine Echtzeitauswertung, z. B. für die Inbetriebnahme und Instandsetzung, die Unabhängigkeit von Schwingungen/Vibrationen während des Betriebs der auf den Schienen betriebenen Messsysteme und geometrische und visuelle Zustandserfassung der Schienen und Schienenbefestigungen. Mit Hilfe der Schwenkarme 18 bis 24 ist es möglich, ein großes Spektrum von Fahrprofilbreiten abzudecken.
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Durch die Verwendung der Scannereinheit ist es möglich, bei Entfernungen bis zu ca. 100 m zum Lasertracker die theoretische und praktische Lage der Schiene in einem übergeordneten System mit einer Messunsicherheit von weniger als 0,5 mm zu bestimmen. Die Abtastung kann hierbei mit einer Frequenz von 1000 Hz erfolgen. Ebenso kann die theoretische und praktische Höhe der Schiene mit dieser Messungenauigkeit bestimmt werden. Die theoretische und praktische Lage und Höhe benachbarter Schienen zueinander können mit einer Messunsicherheit von weniger als 1 mm bestimmt werden. Die Längs- und Querneigung des Schienenkopfes kann mit einer Messunsicherheit von weniger als 1 mm bzw. 0,01° bestimmt werden. Ausfahrungen und Ausbrüche können mit einer Messunsicherheit von weniger als 0,5 mm bis 0,2 mm festgestellt werden, ebenso wie die Abnutzung, Auswalzung und Gratbildung am Schienenkopf. Längs- und Querrisse des Schienenkopfes können erkannt werden, ebenso wie der Zustand der Schienenbefestigung und der Abstand der Schienenkopfkante von der Fahrbahnoberkante.
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Die hohe Genauigkeit der Schienengeometrie ist z. B. für Kranbahnen der Klasse 1 und Trägersysteme für Roboter dringend notwendig.
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Die Erfindung wurde mit ihrem Ausführungsbeispiel für eine Kranbahnschiene erläutert. Die Erfindung kann jedoch für beliebige Schienen und auch Profilschienen bei Robotersystemen eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messwagen
- 12
- Fahrgestell
- 14
- angetriebene Laufrolle
- 16
- angetriebene Laufrolle
- 18
- Schwenkarm
- 20
- Schwenkarm
- 22
- Schwenkarm
- 24
- Schwenkarm
- 26
- Führungsrolle
- 26‘
- Führungsrolle
- 28
- Schienenkopf
- 30
- Halterung
- 32
- Kranbahnschiene
- 34
- Triangulationseinheit
- 36
- Triangulationseinheit
- 38
- Querschiene
- 40
- magnetische Aufnahme
- 42
- Reflektoreinheit
- 44
- Switch
- 46
- Batterie
- 48
- Inklinometer
- 50
- Besen
- 52
- Kalibrierkörper
- 54
- Kamera
- 56
- Antennen
- 58
- Magnete
- 60
- Tachymeter
- 62
- Reflektor
- 64
- Kran
- 66
- Leitung
- 68
- Verarbeitungseinheit / Auswerterechner
- 70
- Datennetzverbindung
- 72
- Auswerteeinheit
- 74
- Auswerteeinheit
- 76
- Datenspeicher
