DE102017012123A1

DE102017012123A1 - Verfahren zur Bestimmung einer von einer Baumaschine auf- oder abgetragenen Schichtdicke und Baumaschine

Info

Publication number: DE102017012123A1
Application number: DE102017012123.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zahr
Original assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Current assignee: Bomag GmbH and Co OHG
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2019-07-04
Also published as: WO2019129376A1; DE112018006681A5

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (18) zur Bestimmung einer von einer Baumaschine (1), insbesondere von einem Straßenfertiger oder von einer Straßenfräse, während einer Bearbeitung eines Bodens (8) auf- oder abgetragenen Schichtdicke (d) mit den Schritten: Messen (19) des Abstandes (a) zwischen einem an der Baumaschine (1) montierten Abstandssensor (13) und einem schräg hinter der Baumaschine (1) liegenden bearbeiteten Bereich (17) des Bodens (8) durch den Abstandssensor (13) und Bestimmen (20) der Schichtdicke (d) aus dem Abstand (a) und einer bekannten Montagehöhe (h) sowie dem ebenfalls bekannten Messwinkel (α) des Abstandssensors (13) zwischen einer Vertikalen und einer Messrichtung (14) des Abstandssensors (13). Die Erfindung betrifft ferner eine Baumaschine (1), insbesondere Straßenfertiger oder Straßenfräse, zur Durchführung des Verfahrens (18).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer von einer Baumaschine, insbesondere von einem Straßenfertiger oder von einer Straßenfräse, während einer Bearbeitung eines Bodens auf- oder abgetragenen Schichtdicke. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Baumaschine, insbesondere einen Straßenfertiger oder eine Straßenfräse, zur Durchführung des Verfahrens.
Gattungsgemäße Baumaschinen sind beispielsweise Straßenfertiger und Straßenfräsen. Diese werden im Bau von Straßen und Plätzen sowie beispielsweise Landebahnen eingesetzt. Es handelt sich um selbstfahrende Baumaschinen, die typischerweise einen Maschinenrahmen, einen Fahrerstand und ein Fahrwerk aufweisen. Das Fahrwerk kann sowohl Räder als auch Kettenlaufwerke umfassen. Ferner weisen die gattungsgemäßen Baumaschinen einen Antriebsmotor auf, der üblicherweise ein Dieselverbrennungsmotor ist. Dieser treibt nicht nur das Fahrwerk, sondern auch die weiteren Arbeitseinheiten der Baumaschine an.
Straßenfertiger fahren dabei typischerweise auf einem vorbereiteten, insbesondere ebenen, Boden und bauen eine Tragschicht einer Straße ein. Dafür wird Einbaumaterial aus einem am vorderen Ende des Straßenfertigers angeordneten Materialbunker durch den Straßenfertiger hindurch bis zum Heck transportiert. Hier wird das Einbaugut quer zur Arbeitsrichtung des Straßenfertigers über die gesamte Einbaubreite verteilt. Eine ebenfalls am Heck des Straßenfertigers angeordnete Einbaubohle zieht sodann das verteilte Einbaugut glatt ab und führt ebenfalls eine Vorverdichtung des Materials durch. Die Dicke der eingebauten Schicht ist dabei ein wesentlicher Parameter für die Wirtschaftlichkeit des Straßenbaus. Zum einen ist die Solldicke der zu bauenden Straße vertraglich genau festgelegt, so dass bei einem Unterschreiten der gewünschten Dicke eine Vertragsstrafe fällig sein kann. Zum anderen wird bei einem Überschreiten der gewünschten Dicke zu viel Einbaumaterial verbraucht, was die Herstellungskosten der Straße erhöht und daher ebenfalls unwirtschaftlich ist. Es ist daher das Ziel, die gewünschte Schichtdicke der eingebauten Straße möglichst genau einzuhalten und zu dokumentieren.
Straßenfräsen, üblicherweise Kaltfräsen, werden dazu eingesetzt, alte oder beschädigte Straßen abzutragen. Zentrales Arbeitsgerät einer Straßenfräse ist eine hohlzylindrische Fräswalze, die auf ihrer Außenmantelfläche mit einer Vielzahl von Meißelwerkzeugen bestückt ist. Die Fräswalze wird im Betrieb innerhalb eines Fräswalzenkastens um eine Rotationsachse rotiert und greift mit ihren Meißelwerkzeugen in das abzufräsende Bodenmaterial ein, wodurch dieses abgetragen und zerkleinert wird. Das gelöste Fräsgut wird über eine Fördereinrichtung, beispielsweise ein Förderband, auf ein Transportfahrzeug überladen und von diesem abtransportiert. Auch bei Straßenfräsen ist die Dicke der abgetragenen Schicht von entscheidender Wichtigkeit für die Wirtschaftlichkeit des Fräsvorganges. Zum einen wird auch hier eine gewünschte Frästiefe vorgegeben, die mindestens erreicht werden muss. Darüber hinaus ist das Abtragen von Straßendecken mit hohem Verschleiß an den Meißelwerkzeugen verbunden, weshalb ein unnötiges Abtragen von zu viel Straßenmaterial zu einem erhöhten Verschleiß der Meißelwerkzeuge führt und daher aufgrund der erhöhten Ersatzteilkosten die Wirtschaftlichkeit des Fräsvorganges senkt. Auch im Betrieb einer Straßenfräse ist es daher von wirtschaftlicher Wichtigkeit, die gewünschte Schichtdicke, die abgetragen werden soll, möglichst genau einzuhalten und zu dokumentieren.
Sowohl beim Einbau einer Tragschicht durch einen Straßenfertiger als auch beim Abfräsen einer Straßendecke durch eine Straßenfräse wird die bearbeitete Schichtdicke typischerweise manuell, beispielsweise mittels eines Maßstabes, ermittelt. Derartige Messungen sind allerdings nur punktuell möglich und daher sehr ungenau. Darüber hinaus erfordern sie ein hohes Maß an Arbeitsaufwand und sind daher unwirtschaftlich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Baumaschine zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, bei denen die Bestimmungen der abgetragenen beziehungsweise aufgetragenen Schichtdicke sowohl vereinfacht als auch verbessert ist. Es soll also insbesondere sowohl die Genauigkeit der Arbeit erhöht als auch deren Wirtschaftlichkeit verbessert werden.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Verfahren und einer Baumaschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Konkret gelingt die Lösung mit einem Verfahren zur Bestimmung einer von einer Baumaschine, insbesondere von einem Straßenfertiger oder von einer Straßenfräse, während einer Bearbeitung eines Bodens auf- oder abgetragenen Schichtdicke mit den Schritten: Messen des Abstandes zwischen einem an der Baumaschine montierten Abstandssensor und einem schräg hinter der Baumaschine liegenden bearbeiteten Bereich des Bodens durch den Abstandssensor und Bestimmen der Schichtdicke aus dem Abstand und einer bekannten Montagehöhe sowie dem ebenfalls bekannten Messwinkel des Abstandssensors zwischen einer Vertikalen und einer Messrichtung des Abstandssensors. Der Kerngedanke der Erfindung liegt also darin, die auf- oder abgetragene Schichtdicke über den Abstand eines fest an der Baumaschine angeordneten Abstandssensors von einem bearbeiteten Bereich des Bodens schräg hinter der Baumaschine zu ermitteln. Als Abstandssensoren können sämtliche kontaktlosen Abstandssensoren eingesetzt werden, beispielsweise Laserabstandssensoren oder Radarsensoren. Der Abstandssensor ist dabei derart an der Baumaschine montiert, dass sein vertikaler Abstand vom unbearbeiteten Boden im Wesentlichen konstant bleibt. Der Abstandssensor ist dabei an der Baumaschine montiert, bevorzugt an einem vertikal möglichst weit vom Boden entfernten Punkt der Baumaschine. Beispielsweise ist der Abstandssensor an oder auf dem Dach eines Fahrerstandes der Baumaschine angeordnet. Ein weiterer Kerngedanke der Erfindung ist es nun, dass die Messung des Abstandes des Abstandssensors zu einem bearbeiteten Bereich des Bodens, der also durch das Auf- oder Abtragen einer Schicht gegenüber dem unbearbeiteten Boden erhöht oder erniedrigt ist, nicht senkrecht auf den bearbeiteten Boden erfolgen muss. Vielmehr wird durch den Abstandssensor der Abstand zu einem schräg hinter der Baumaschine liegenden Punkt des bearbeiteten Bereichs des Bodens gemessen. Schräg hinter der Baumaschine heißt vorliegend, dass derjenige Punkt, dessen Abstand zum Abstandssensor bestimmt wird, in einer Arbeitsrichtung der Baumaschine gesehen hinter der Baumaschine liegt, wo diese bearbeiteten Untergrund zurücklässt. Die Messrichtung des Abstandssensors ist daher im Vergleich zur Vertikalen angewinkelt, also schräg angeordnet. Die schräge Messrichtung des Abstandssensors ermöglicht es, den Abstandssensor direkt an der Baumaschine anzuordnen und ihn gleichzeitig dennoch auf den bearbeiteten Bereich des Bodens auszurichten, ohne dass am Heck der Baumaschine angeordnete Bauelemente den Abstandssensor blockieren. Die Montagehöhe des Abstandssensors bezieht sich insbesondere auf den vertikalen Abstand des Abstandssensors zum Boden, insbesondere zu einem unbearbeiteten Bereich des Bodens. Dieser Abstand wird typischerweise durch die Montageposition des Abstandssensors an der Baumaschine vorgegeben und ist daher von vorneherein bekannt. Insbesondere kann dieser Abstand während des Betriebs der Baumaschine als konstant angenommen werden. Dies gilt ebenfalls für den Messwinkel des Abstandssensors. Der Messwinkel beschreibt den Winkel zwischen der Messrichtung des Abstandssensors und der Vertikalen. Die Messrichtung beschreibt im Wesentlichen die Verbindungslinie vom Abstandssensor zum Messpunkt, also demjenigen Punkt auf dem bearbeiteten Bereich des Bodens, dessen Abstand zum Abstandssensor bestimmt wird. Als Vertikale wird die Flächennormale des Bodens bezeichnet. Auch der Messwinkel ist durch die Montage des Abstandssensors an der Baumaschine vorgegeben und kann beispielsweise während des Betriebs der Baumaschine als konstant angesehen werden. Die Montagehöhe, der Messwinkel und der vom Abstandssensor gemessene Abstand sind erfindungsgemäß alle Größen, die zur Bestimmung der Schichtdicke notwendig sind. Es werden daher ausschließlich diese Größen zur Bestimmung der Schichtdicke genutzt, wodurch die Erfindung besonders einfach und damit kostengünstig zu realisieren ist.
Erfindungsgemäß ist es beispielsweise vorgesehen, die auf- oder abgetragene Schichtdicke allein aus einer einzigen Abstandsmessung zusammen mit bereits bekannten Größen zu ermitteln. Vorzugsweise wird also ausschließlich eine einzige Messung, konkret diejenige des Abstandes vom Abstandssensor zu einem Punkt auf dem bearbeiteten Bereich des Bodens hinter der Baumaschine, durchgeführt. Mit anderen Worten erfolgt das Bestimmen der Schichtdicke an einem Punkt des bearbeiteten Bereichs bevorzugt ausschließlich mit dem Messwert des Abstandes des Abstandssensors. Die restlichen Schritte zur Bestimmung der Schichtdicke werden dann rein rechnerisch durchgeführt, beispielsweise durch eine Steuereinheit, der der Messwert des Abstandssensors zugeführt wird. Das Verfahren gestaltet sich dadurch insgesamt besonders einfach und robust.
Wie vorstehend bereits beschrieben, liefert das erfindungsgemäße Verfahren bereits ausreichend genaue Werte für die Schichtdicke, wenn der Abstand des Abstandssensors zum Boden aus der konstruktiv vorgegebenen Montagehöhe des Abstandssensors bekannt und im Betrieb der Baumaschine als konstant angenommen wird. Je nach der genauen Bauart der Baumaschine kann es allerdings sein, dass die Montagehöhe im Betrieb kleinen Schwankungen unterworfen ist. Beispielsweise sind die Baumaschinen teilweise sehr starken Vibrationen ausgesetzt, die teilweise über eine Federung abgedämpft werden. Dennoch kommt es vor, dass der an der Baumaschine montierte Abstandssensor relativ zum Boden auf- und ab schwingt. Aufgrund dieser Bewegung ändert sich die Montagehöhe des Abstandssensors im Bezug zum Boden im Betrieb der Baumaschine ständig. Um in dieser Situation die Genauigkeit der berechneten Werte der Schichtdicke zu erhöhen, ist es bevorzugt vorgesehen, das ein Messen der Montagehöhe zwischen dem Abstandssensor und einem unbearbeiteten Bereich des Bodens mit dem Abstandssensor oder einem weiteren Abstandssensor durchgeführt wird, wobei ein Kompensieren von Schwankungen der Montagehöhe, insbesondere während des Betriebs der Baumaschine, durchgeführt wird. Entweder ist also der Abstandssensor dazu ausgebildet, neben dem Abstand zum schräg hinter der Baumaschine liegenden bearbeiteten Bereich des Bodens ebenfalls den Abstand zum unbearbeiteten Boden, insbesondere parallel zur Vertikalen, zu bestimmen, oder es ist ein zusätzliche Abstandssensor vorgesehen, der den Abstand zum unbearbeiteten Boden, insbesondere parallel zur Vertikalen, bestimmt. Auf diese Weise werden die Abstände vom Abstandssensor zum schräg hinter der Baumaschine liegenden bearbeiteten Bereich des Bodens und zum vertikal unter dem Abstandssensor liegenden unbearbeiteten Boden gleichzeitig gemessen. Der Abstand in vertikaler Richtung zum Boden bezieht sich dabei auf den Abstand desjenigen Abstandssensors, der auch den Abstand zum schräg hinter der Baumaschine liegenden bearbeiteten Bereich des Bodens misst. Dieser kann entweder direkt bestimmt werden, oder beispielsweise aus einer Messung des Abstandes zum Boden eines weiteren Abstandssensors und dessen bauliche Distanz zum ersten Abstandssensor ermittelt werden. Für jeden einzelnen Messwert des Abstandes zum schräg hinter der Baumaschine liegenden bearbeiteten Boden ist also ebenfalls ein Messwert für den vertikalen Abstand des Abstandssensors zum unbearbeiteten Boden verfügbar, so dass Schwankungen dieses Abstandes keinen Einfluss mehr auf die berechnete Schichtdicke haben. Auf diese Weise kann also auch bei starken Schwingungen des Abstandssensors relativ zum Boden eine besonders genaue Bestimmung der Schichtdicke erfolgen.
Wird die Montagehöhe des Abstandssensors während des Betriebs der Baumaschine wie vorstehend beschrieben ständig überwacht, so ist es bevorzugt, dass das Bestimmen der Schichtdicke an einem Punkt des bearbeiteten Bereichs ausschließlich mit dem Messwert des Abstandes des Abstandssensors und dem Messwert der Montagehöhe des Abstandssensors oder des weiteren Abstandssensors erfolgt. Selbstverständlich wird zusätzlich ebenfalls der Messwinkel des Abstandssensors herangezogen, der allerdings bekannt ist und als konstant angenommen wird. Die Schichtdicke lässt sich daher auf Grundlage von nur zwei (Abstands-)Messungen pro Messpunkt ermitteln. Diese Ausbildungsform der Erfindung vereint also sowohl höchste Genauigkeit durch die Kompensation der Schwankungen der Montagehöhe mit einfacher und kostengünstiger Ausführung.
Die erfindungsgemäße Bestimmung der Schichtdicke wird umso genauer, je näher an der Baumaschine der Abstandssensor den Abstand zum bearbeiteten Bereich des Bodens hinter der Baumaschine misst. Dies gilt insbesondere für diejenige Ausführungsform, in der die Montagehöhe des Abstandssensors durch eine Messung bestimmt wird, da dann der Abstand zwischen demjenigen Punkt, an dem der vertikale Abstand zum Boden des Abstandssensors bestimmt wurde, und der Messpunkt des Abstandssensors auf dem bearbeiteten Bereich des Bodens hinter der Baumaschine am kleinsten ist. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass das Messen des Abstandes derart durchgeführt wird, dass ein Messpunkt des Abstandssensors auf dem schräg hinter der Baumaschine liegenden bearbeiteten Bereich des Bodens möglichst nah an der Baumaschine, bevorzugt in einem Abstand von maximal 2,5 m oder maximal 2,0 m oder maximal 1,5 m oder maximal 1,0 m hinter der Baumaschine, liegt. Der Messpunkt des Abstandssensors beschreibt dabei denjenigen Punkt, dessen Abstand vom Abstandssensor durch den Abstandssensor bestimmt wird. Der Messpunkt des Abstandssensors liegt daher auf dem bearbeiteten Bereich des Bodens hinter der Baumaschine. Der Abstand des Messpunktes zur Baumaschine wird dabei vom in Arbeitsrichtung am weitesten hinten liegenden Punkt beziehungsweise Bauteil der Baumaschine aus gemessen. Bei einem Straßenfertiger beispielsweise beziehen sich die Angaben zu Abständen zur Baumaschine auf den Abstand zum hinteren Ende der Einbaubohle. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Messen des Abstandes derart durchgeführt wird, dass der Messwinkel des Abstandssensors zwischen der Vertikalen und der Messrichtung des Abstandssensors möglichst klein, bevorzugt kleiner als 50° oder kleiner als 45° oder kleiner als 40° oder kleiner als 35° oder kleiner als 30°, aber größer als Null, ist. Der Messwinkel ist dabei immer größer als Null, da der Abstand zum bearbeiteten Bereich des Bodens schräg hinter der Baumaschine bestimmt wird. Sowohl dadurch, dass der Messpunkt möglichst nah an das Heck der Baumaschine herangeführt wird, als auch dadurch, dass der Messwinkel des Abstandssensors möglichst klein gewählt wird, wird also die Genauigkeit der Schichtdickenbestimmung verbessert.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert die Schichtdicke einer ein- oder ausgebauten Schicht in einer vertikalen Ebene, die parallel zur Arbeitsrichtung der Baumaschine verläuft. Solange die Schichtdicke über die gesamte Arbeitsbreite quer zur Arbeitsrichtung hinweg im Wesentlichen konstant ist, reicht eine derartige Bestimmung völlig aus. Dies ist allerdings nicht immer der Fall, beispielsweise wenn mittels eines Straßenfertigers ein Dachprofil eingebaut wird, bei dem die Schichtdicke in der Mitte höher ist als in den quer zur Arbeitsrichtung außen liegenden Randbereichen. Um auch in solchen Fällen ausreichende Informationen über die Schichtdicke, auch quer zur Arbeitsrichtung, zu erhalten, ist es bevorzugt, dass das Messen des Abstandes und das Bestimmen der Schichtdicke gleichzeitig mit den Messwerten von wenigstens zwei quer zur Arbeitsrichtung der Baumaschine voneinander beabstandeten Abstandssensoren durchgeführt wird. Mit anderen Worten sind mehrere wie vorstehend beschriebene Abstandssensoren quer zur Arbeitsrichtung der Baumaschine voneinander beabstandet an dieser angeordnet, über die jeweils die Schichtdicke in derjenigen vertikalen Ebene parallel zur Arbeitsrichtung bestimmt wird, in der sie selbst liegen. Auf diese Weise können auch unterschiedliche Schichtdicken über die gesamte Bearbeitungsbreite der Baumaschine bestimmt und dokumentiert werden. Je nachdem, wie eng die jeweiligen Ebenen, in denen die Schichtdicke bestimmt wird, liegen sollen, kann eine beliebige Anzahl an Abstandssensoren quer zur Arbeitsrichtung der Baumaschine voneinander beabstandet angeordnet seien, beispielsweise zwei, drei, vier oder fünf derartiger Abstandssensoren, über die jeweils für sich die Schichtdicke in der entsprechenden Ebene bestimmt wird. Auf diese Weise lässt sich ein Schichtdickenprofil des gesamten bearbeiteten Bereichs des Bodens ermitteln.
Eine ergänzende oder alternative Ausführungsform zur Bestimmung eines Schichtdickenprofils des bearbeiteten Bereichs des Bodens sieht ein Rotieren des Abstandssensors um eine vertikale Achse während des Messens vor, wobei ein Bestimmen der Schichtdicke in einer Fläche des bearbeiteten Bereichs hinter der Baumaschine aus den Messwerten des Abstandssensors durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird der Messpunkt des Abstandssensors mäanderförmig beziehungsweise in Schlangenlinien über den bearbeiteten Bereich des Bodens bewegt und jeweils der Abstand zum Abstandssensor bestimmt. Die Bewegung des Abstandssensors erfolgt dabei bevorzugt derart, dass der Messwinkel konstant bleibt. Im Falle, dass sich der Messwinkel durch die Bewegung des Abstandssensors ändert, wird der Messwinkel ebenfalls bestimmt, beispielsweise aus dem aktuellen Drehwinkel des Abstandssensors. Auch wenn die Bestimmung der Schichtdicke selbstverständlich nur entlang der Linie erfolgt, die der Messpunkt des Abstandssensors auf der bearbeiteten Fläche beschreibt, kann aus den Schichtdicken entlang dieser Linie auf die Schichtdicke der gesamten Fläche geschlossen werden. Dabei kann entweder vorgesehen sein, dass die gesamte Arbeitsbreite der Baumaschine von nur einem Abstandssensor durch das Rotieren des Abstandssensors um die vertikale Achse abgedeckt wird, oder es werden, beispielsweise wie vorstehend beschrieben, mehrere Abstandssensoren eingesetzt, die jeweils für sich um eine vertikale Achse rotierbar sind beziehungsweise rotiert werden und die jeweils einen Teilbereich der bearbeiteten Fläche beziehungsweise der Arbeitsbreite der Baumaschine abdecken. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, dass sowohl feststehende Abstandssensoren als auch rotierende Abstandssensoren in Kombination eingesetzt werden.
Die Lösung der eingangs genannten Aufgabe der Erfindung gelingt ebenfalls durch eine Baumaschine, insbesondere durch einen Straßenfertiger oder durch eine Straßenfräse, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist. Die Baumaschine weist also insbesondere sämtliche zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Komponenten auf, wie wenigstens einen Abstandssensor und eine Steuereinheit. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen. Sämtliche Merkmale, Vorteile und Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten im übertragenen Sinne ebenfalls für die erfindungsgemäße Baumaschine.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1: eine Seitenansicht eines Straßenfertigers;
2: eine Seitenansicht einer Straßenfräse;
3: die Lage des Abstandssensors gegenüber dem Boden beim Einbau einer Tragschicht durch einen Straßenfertiger;
4: die Lage des Abstandssensors gegenüber dem Boden beim Ausbau einer Schicht durch eine Straßenfräse;
5: eine Skizze der Verhältnisse gemäß 3 zur Verdeutlichung der Berechnung der Schichtdicke;
6: eine Skizze der Verhältnisse gemäß 4 zur Verdeutlichung der Berechnung der Schichtdicke;
7: eine Draufsicht auf eine Baumaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
8: eine Draufsicht auf eine Baumaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
9: ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.

Gleiche beziehungsweise gleich wirkende Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugsziffern versehen. Sich wiederholende Bauteile sind nicht in jeder Figur gesondert bezeichnet.
1 zeigt eine Baumaschine 1, hier einen Straßenfertiger. 2 zeigt eine Straßenfräse als Baumaschine 1. Die jeweiligen Baumaschinen 1 weisen einen Maschinenrahmen 3, einen Fahrerstand 2 und ein Fahrwerk 6 auf. Obwohl das Fahrwerk 6 mit Kettenlaufwerken gezeigt ist, kann das Fahrwerk 6 ebenfalls Räder umfassen. Darüber hinaus umfassen die Baumaschinen 1 einen Antriebsmotor 4, der typischerweise als Dieselverbrennungsmotor ausgebildet ist. Im Arbeitsbetrieb bewegen sich die Baumaschinen 1 in Arbeitsrichtung A, die rein beispielhaft als die Vorwärtsfahrtrichtung der Baumaschine 1 gewählt wurde, über den Boden 8 und bearbeiten diesen. Dafür weist der in 1 gezeigte Straßenfertiger einen Materialbunker 11 auf, in dem Einbaugut gelagert ist. Dieses Einbaugut wird durch den Straßenfertiger hindurch bis vor die sich am Heck des Straßenfertigers quer zur Arbeitsrichtung A erstreckende Einbaubohle 12 transportiert. Hier wird das Einbaugut über die gesamte Einbaubreite quer zur Arbeitsrichtung A verteilt und sodann von der Einbaubohle 12 glatt abgezogen und vorverdichtet. Auf diese Weise hinterlässt der Straßenfertiger eine auf den Boden 8 aufgebrachte Tragschicht, so dass der Boden 8 im bearbeiteten Bereich erhöht ist. Die Straßenfräse gemäß 2 weist eine sich quer zur Arbeitsrichtung A erstreckende Fräswalze 9 auf, die mit Meißelwerkzeugen bestückt ist und die im Arbeitsbetrieb um die Rotationsachse 10 rotiert. Die Fräswalze 9 ist innerhalb eines Fräswalzenkastens 7 gelagert und wird im Arbeitsbetrieb rotierend in Eingriff mit dem Boden 8 gebracht, so dass dieser abgefräst wird. Das losgelöste Fräsgut wird von einer Fördereinrichtung 5, beispielsweise einem Förderband, auf ein nicht dargestelltes Transportfahrtzeug überladen und von diesem abtransportiert. Hinter der Straßenfräse hinterlässt diese also eine von der Fräswalze 9 freigelegte Frässpur, so dass in diesem bearbeiteten Bereich des Bodens 8 der Boden niedriger beziehungsweise tiefer ist als im unbearbeiteten Bereich.
Erfindungsgemäß weisen die Baumaschinen 1 jeweils wenigstens einen Abstandssensor 13 auf. Dieser ist im Falle des Straßenfertigers gemäß 1 beispielsweise am in Arbeitsrichtung A hinteren Ende des Daches des Fahrerstandes 2 angeordnet. Bei der Straßenfräse gemäß 2 ist der Abstandssensor 13 am Heck der Straßenfräse angeordnet. Die Messrichtung 14 des Abstandssensors 13 ist durch einen Pfeil angegeben. Insgesamt verläuft die Messrichtung 14 des Abstandssensors 13 schräg zu einer Vertikalen und entgegen der Arbeitsrichtung A hinab zum Boden 8. Insbesondere ist die Messrichtung 14 des Abstandssensors 13 auf den bearbeiteten Bereich des Bodens 8 hinter der Baumaschine 1 gerichtet. Die Messung der Schichtdicke erfolgt daher beispielsweise in der Fahrspur der Baumaschine 1 beziehungsweise ebenfalls beispielsweise in der Frässpur der Straßenfräse. Die jeweiligen Abstände der Abstandssensoren 13 zum bearbeiteten Bereich des Bodens 8 werden entweder in vorgegebenen Intervallen oder kontinuierlich gemessen. Die Messwerte des Abstandssensors 13 werden an eine Steuereinheit 15 übermittelt. Die Steuereinheit 15 ist beispielsweise in den Bordcomputer der Baumaschine 1 integriert und dazu ausgebildet, die Schichtdicke der von der Baumaschine 1 auf- beziehungsweise abgetragenen Schicht aus den vorstehend beschriebenen Werten zu berechnen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit 15 beispielsweise mit einer Speichereinheit ausgerüstet sein, um die Messwerte und die Ergebnisse der Berechnung der Schichtdicke zu speichern, so dass diese später ausgelesen und ausgewertet werden können. Die Steuereinheit 15 kann ebenfalls mit einer Anzeigeeinrichtung verbunden sein, um die berechnete Schichtdicke oder auch die Messwerte des Abstandssensors 13 für den Bediener der Baumaschine 1 anzuzeigen.
Die Anordnung des Abstandssensors 13 ist in den 1 und 2 lediglich beispielhaft. So können ebenfalls andere Positionen für den Abstandssensor 13 am Straßenfertiger und/oder an der Straßenfräse gewählt werden. In 2 ist eine derartige alternative Position für den Abstandssensor 13 beispielsweise durch den gestrichelten Kasten in Arbeitsrichtung A hinter dem Fräswalzenkasten 7 angedeutet. Auch in dieser Position könnte der Abstandssensor 13 auf den bearbeiteten Bereich des Bodens 8, sprich auf die Frässpur, gerichtet sein. Diese läge dann zwar nicht hinter der Baumaschine 1, allerdings hinter dem Fräswalzenkasten 7. Bei einer derartigen Ausführungsform beziehen sich die Abstände also auf den Fräswalzenkasten 7. In Arbeitsrichtung A vor dem Fräswalzenkasten 7 sind zwei weitere optionale Positionen für zusätzliche Abstandssensoren 13 angedeutet, die jeweils dazu ausgebildet sind, den Abstand zum unbearbeiteten Boden 8, in diesem Fall vor dem Fräswalzenkasten 7, zu bestimmen. Aus diesem Abstand lässt sich die Montagehöhe des Abstandssensors 13 bestimmen, der den Abstand zum bearbeiteten Bereich des Bodens 8 bestimmt. Die Straßenfräse gemäß 2 ist insofern ein Spezialfall, als dass beispielsweise die Frästiefe ebenfalls durch die Hubsäulen des Fahrwerks 6 eingestellt wird. Mit einer Veränderung der Höhe dieser Hubsäulen wird allerdings ebenfalls die Montagehöhe des Abstandssensors 13 verändert. Die jeweilige Einstellung der Hubhöhe der Hubsäulen muss also in die Bestimmung der Montagehöhe des Abstandssensors 13 einfließen. Dies kann entweder durch eine Messung der Höhenverstellung der Hubsäulen erfolgen, oder durch einen der in Arbeitsrichtung A vor dem Fräswalzenkasten 7 angedeuteten Abstandssensoren 13, die den Abstand zum unbearbeiteten Boden 8 messen. Um sicher zu gehen, dass eine eventuelle Schrägstellung des Maschinenrahmens 3 der Straßenfräse keine Verfälschung des Resultates liefert, ist an der Straßenfräse ebenfalls zusätzlich ein Lagesensor 23 angeordnet, der die horizontale Lage des Maschinenrahmens 3 misst. Die entsprechenden Messungen des Lagesensors 23 werden ebenfalls an die Steuereinheit 15 übermittelt und von dieser bei der Berechnung der Schichtdicke berücksichtigt. Selbstverständlich kann ein entsprechender Lagesensor 23 ebenfalls am Straßenfertiger gemäß 1 vorgesehen sein.
Die 3 und 4 verdeutlichen die Lage des Abstandssensors 13 gegenüber dem Boden 8, wobei sich 3 auf die Situation beim Straßenfertiger gemäß 1 und 4 auf die Situation bei der Straßenfräse gemäß 2 bezieht. Insbesondere ist der Boden 8 nun explizit mit einem unbearbeiteten Bereich 16 und einem bearbeiteten Bereich 17 dargestellt. Im Falle des Straßenfertigers ist der unbearbeitete Bereich 16 tiefer als der bearbeitete Bereich 17, in dem die Tragschicht der Straße auf den Boden 8 aufgetragen wurde. Im Bereich der Straßenfräse ist der unbearbeitete Bereich 16 höherliegend als der bearbeitete Bereich 17, von dem eine Schicht einer beschädigten oder alten Straßendecke abgetragen wurde. Der Höhenunterschied zwischen dem unbearbeiteten Bereich 16 und dem bearbeiteten Bereich 17 entspricht der von der Erfindung ermittelten Schichtdicke d. Der vertikale Abstand zwischen dem Abstandssensor 13 und dem unbearbeiteten Bereich 16 des Bodens 8 wird als Montagehöhe h des Abstandssensors 13 bezeichnet. Der Winkel zwischen einer vertikalen Geraden oder der Richtung der Montagehöhe h und der Messrichtung 14 des Abstandssensors 13 ist der Messwinkel α des Abstandssensors 13. Der Abstand a zwischen dem Abstandssensor 13 und dem bearbeiteten Bereich 17 des Bodens 8 unter dem Messwinkel α entspricht der Länge des Pfeiles, der die Messrichtung 14 angibt. Die Montagehöhe h ist entweder direkt aus den baulichen Gegebenheiten der Baumaschine 1 bekannt oder wird durch eine Abstandsmessung durch einen Abstandssensor 13 von der Steuereinheit 15 bestimmt, wobei der Abstandssensor 13 entweder derselbe Abstandssensor 13, der ebenfalls den Abstand a bestimmt, oder ein separater Abstandssensor 13 ist. Auch der Messwinkel α ist grundsätzlich bekannt, entweder aus der Montage des Abstandssensors 13 oder aus dessen Drehwinkel, wie nachstehend noch näher erläutert wird. Der Messpunkt P ist derjenige Punkt, an dem der Abstand a des bearbeiteten Bereiches 17 des Bodens 8 vom Abstandssensor 13 bestimmt wird. Der Messpunkt P ist daher genau um den Abstand a vom Abstandssensor 13 beabstandet.
Die Berechnung der Schichtdicke d geht insbesondere aus den 5 und 6 hervor. In diesen Figuren sind jeweils zwei rechtwinklige Dreiecke gezeigt, die sich aus den geometrischen Verhältnissen des Messverfahrens ergeben und die der Berechnung zugrunde gelegt werden. Aus jeweils demjenigen Dreieck, dessen Hypotenuse dem Abstand a entspricht, geht hervor, dass der vertikale Abstand des Abstandssensors 13 bis zu einer Höhe, die der Höhe des bearbeiteten Bereiches 17 des Bodens 8 entspricht, sich aus dem Produkt a . cos(α) ergibt. Daraus folgt unmittelbar, dass die Schichtdicke d im Falle des Straßenfertigers gemäß 5, also in dem Fall, dass der bearbeitete Bereich 17 höher liegt als der unbearbeitete Bereich 16 des Bodens 8, zu berechnen ist aus: $d = h - a \cdot cos (α)$
Darüber hinaus ergibt sich, dass die Schichtdicke d im Falle der Straßenfräse gemäß 6, also in dem Fall, dass der bearbeitete Bereich 17 niedriger liegt als der unbearbeitete Bereich 16 des Bodens 8, zu berechnen ist aus: $d = a \cdot cos (α) - h$
In beiden Fällen ist die Schichtdicke d also gleich dem Betrag der Differenz aus Montagehöhe h und dem Produkt a . cos(α). Zur Berechnung ist also nur die Montagehöhe h, der Abstand a zwischen dem Abstandssensor 13 und dem Messpunkt P auf dem bearbeiteten Bereich 17 des Bodens 8 und der Messwinkel α notwendig. Die entsprechende Berechnung wird durch die Steuereinheit 15 durchgeführt, der sämtliche Werte entweder bekannt sind oder übermittelt werden.
7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Abstandssensoren 13, deren Messwerte jeweils zur Bestimmung der Schichtdicke d an einer anderen Stelle quer zur Arbeitsrichtung A über die Arbeitsbreite der Baumaschine 1 verteilt genutzt werden. Die Messrichtungen 14 der Abstandssensoren 13 sind jeweils parallel und entgegen der Arbeitsrichtung A schräg nach unten ausgerichtet. Auf diese Weise wird die Schichtdicke d gleichzeitig an mehreren Messpunkten P bestimmt, jeweils ein Messpunkt P pro Abstandssensor 13. Die mehreren Abstandssensoren 13 sind bevorzugt im selben Abstand vom Boden 8 auf der Baumaschine 1 montiert, so dass die Abstandssensoren 13 denselben Wert für die Montagehöhe h nutzen können. Alternativ kann ebenfalls die Montagehöhe h jedes einzelnen Abstandssensors 13 separat bestimmt werden, beispielsweise durch die Abstandssensoren 13 selbst oder durch separate, weitere Abstandssensoren 13 wie vorstehend bereits beschrieben. Alternativ zur parallelen Ausrichtung der Messrichtungen 14 könnten ebenfalls beispielsweise die quer zur Arbeitsrichtung A außen liegenden Abstandssensoren 13 ihre Messrichtungen 14 gegenüber der Messrichtung 14 des mittleren Abstandssensors 13 anwinkeln, so dass die Messpunkte P dieser Abstandssensoren 13 beispielsweise weiter von der Mitte der Fahrspur quer zur Arbeitsrichtung A nach außen versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich die Schichtdicke d über eine größere Arbeitsbreite hinweg bestimmen. Durch die Verwendung mehrerer Abstandssensoren 13 und die gleichzeitige Messung der Schichtdicke d an mehreren, insbesondere quer zur Arbeitsrichtung A voneinander beabstandeten, Messpunkten P lassen sich ebenfalls Unterschiede in der Schichtdicke d quer zur Arbeitsrichtung A bestimmen, die beispielsweise bei dem Einbau eines Dachprofiles durch einen Straßenfertiger entstehen.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Abstandssensor 13 um eine vertikale Achse V drehbar ausgebildet ist. Durch die entsprechende Drehbewegung wandert der Messpunkt P des Abstandssensors 13 bei einer Bewegung der Baumaschine 1 in Arbeitsrichtung A sinusförmig über den bearbeiteten Bereich 17 des Bodens 8. Es ist zum Beispiel bevorzugt, dass der maximale Drehwinkel β zwischen der Messrichtung 14 des Abstandssensors 13 und einer vertikalen Ebene, die parallel zur Arbeitsrichtung A ausgerichtet ist, so gewählt ist, dass die gesamte Arbeitsbreite der Baumaschine 1 von einem einzigen Abstandssensor 13 abgedeckt werden kann. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls eine sich quer zur Arbeitsrichtung A variierende Schichtdicke d über die gesamte Arbeitsbreite der Baumaschine 1 hinweg bestimmen. Aus den Messwerten des Abstandssensors 13 kann die Steuereinheit 15 die Schichtdicke d im gesamten bearbeiteten Bereich 17 des Bodens 8 ermitteln beziehungsweise extrapolieren.
In 9 ist ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 18 zur Bestimmung einer von einer Baumaschine 1 während einer Bearbeitung eines Bodens 8 auf- oder abgetragen Schichtdicke d gezeigt. Das Verfahren 18 beginnt mit dem Schritt 19, in dem der Abstand a zwischen einem Abstandssensor 13 und einem Messpunkt P auf dem durch die Baumaschine 1 bearbeiteten Bereich 17 des Bodens 8 bestimmt wird, wobei der Messpunkt P schräg hinter der Baumaschine 1 liegt. Der gemessene Abstand a wird dann an die Steuereinheit 15 übermittelt, die im Schritt 20 aus dem Abstand a, der Montagehöhe h und dem Messwinkel α die Schichtdicke d am Messpunkt P bestimmt, wie vorstehend beschrieben. Die Schichtdicke d wird bevorzugt kontinuierlich gemessen, weshalb das Verfahren 18 gleich wieder mit dem Schritt 19 von vorne beginnt. Optional und daher in 9 gestrichelt dargestellt ist beispielsweise in einem Schritt 21 das Messen der tatsächlichen Montagehöhe h des Abstandssensors 13. Wie vorstehend beschrieben kann dies durch den Abstandssensor 13 selbst oder durch einen weiteren Abstandssensor 13 erfolgen. Durch das Messen der Montagehöhe h und das Übermitteln des Messwertes an die Steuereinheit 15 kann im Schritt 22 ein Kompensieren einer eventuellen Schwankung der Montagehöhe h, beispielsweise durch Vibrationen, durchgeführt werden. Im Endeffekt wird dann für die Berechnung der Schichtdicke d an jedem Messpunkt P die zu diesem Messpunkt P gemessene Montagehöhe h eingesetzt. Auf diese Weise kann auch bei sich betriebsbedingt ändernder Montagehöhe h eine besonders genaue Berechnung der Schichtdicke d erfolgen. Alles in allem wird die Bestimmung der Schichtdicke d durch die Erfindung daher vereinfacht als auch deren Genauigkeit erhöht. So lässt sich die Wirtschaftlichkeit des Betriebes der Baumaschinen 1 erhöhen.

Claims

Verfahren (18) zur Bestimmung einer von einer Baumaschine (1), insbesondere von einem Straßenfertiger oder von einer Straßenfräse, während einer Bearbeitung eines Bodens (8) auf- oder abgetragenen Schichtdicke (d) mit den Schritten: a) Messen (19) des Abstandes (a) zwischen einem an der Baumaschine (1) montierten Abstandssensor (13) und einem schräg hinter der Baumaschine (1) liegenden bearbeiteten Bereich (17) des Bodens (8) durch den Abstandssensor (13) und b) Bestimmen (20) der Schichtdicke (d) aus dem Abstand (a) und einer bekannten Montagehöhe (h) sowie dem ebenfalls bekannten Messwinkel (α) des Abstandssensors (13) zwischen einer Vertikalen und einer Messrichtung (14) des Abstandssensors (13).
Verfahren (18) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (20) der Schichtdicke (d) an einem Punkt des bearbeiteten Bereichs (17) ausschließlich mit dem Messwert des Abstandes (a) des Abstandssensors (13) erfolgt.
Verfahren (18) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch, ein Messen (21) der Montagehöhe (h) zwischen dem Abstandssensor (13) und einem unbearbeiteten Bereich (16) des Bodens (8) mit dem Abstandssensor (13) oder einem weiteren Abstandssensor (13), wobei ein Kompensieren (22) von Schwankungen der Montagehöhe (h) durchgeführt wird.
Verfahren (18) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (20) der Schichtdicke (d) an einem Punkt des bearbeiteten Bereichs (17) ausschließlich mit dem Messwert des Abstandes (a) des Abstandssensors (13) und dem Messwert der Montagehöhe (h) des Abstandssensors (13) oder des weiteren Abstandssensors (13) erfolgt.
Verfahren (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen (19) des Abstandes (a) derart durchgeführt wird, dass ein Messpunkt (P) des Abstandssensors (13) auf dem schräg hinter der Baumaschine (1) liegenden bearbeiteten Bereich (17) des Bodens (8) möglichst nah an der Baumaschine (1), bevorzugt in einem Abstand von maximal 2,5 Metern oder maximal 2,0 Metern oder maximal 1,5 Metern oder maximal 1,0 Meter hinter der Baumaschine (1), liegt.
Verfahren (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen (19) des Abstandes (a) derart durchgeführt wird, dass der Messwinkel (α) des Abstandssensors (13) zwischen der Vertikalen und der Messrichtung (14) des Abstandssensors (13) möglichst klein, bevorzugt kleiner als 50° oder kleiner als 45° oder kleiner als 40° oder kleiner als 35° oder kleiner als 30°, aber größer als Null, ist.
Verfahren (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen (19) des Abstandes (a) und das Bestimmen (20) der Schichtdicke (d) gleichzeitig mit den Messwerten von wenigstens zwei quer zu einer Arbeitsrichtung (A) der Baumaschine (1) voneinander beabstandeten Abstandssensoren (13) durchgeführt wird.
Verfahren (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, ein Rotieren des Abstandssensors (13) um eine vertikale Achse (V) während des Messens (19), wobei ein Bestimmen (20) der Schichtdicke (d) in einer Fläche des bearbeiteten Bereichs (17) hinter der Baumaschine (1) aus den Messwerten des Abstandssensors (13) durchgeführt wird.
Baumaschine (1), insbesondere Straßenfertiger oder Straßenfräse, zur Durchführung des Verfahrens (18) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.