DE1473931C3 - Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Koordinatensystem - Google Patents

Description

rsprünge je eines maschinenfesten Bezugskoordinatenstems E₁H₁Z bzw. E₂H₂Z, wobei die beiden Koordiitensysteme zwangläufig zur Parallelität und zur sten Distanzierung in der gemeinsamen Z-Achse auf nen bekannten Distanzwert l_z starr verbunden sind, j ist vorgesehen, daß der Verkantungswinkel ζ vischen den maschinenfesten Koordinatensysteen S₁H₁Z, E₂H₂Z und zugeordneten raumfesten oordinatensystemen X₁ Y₁ Z bzw. X₂ Y₂ Z fortwäh- ;nd ermittelt wird und daher stets bekannt ist. Mit A t die räumlich definierte Zentralachse eines extrem igen Lichtbündels bezeichnet, zu welcher die Z-Achse er Tunnelbohrmaschine also deren Hauptachse und auptbewegungsrichtung, einigermaßen, aber nicht ;nau, gleichgerichtet ist.

Die momentane Lage und Orientierung der Maschine, . h. die Lage der Punkte O₁, O₂ und die Orientierung ;r Maschinenachse O₁ O₂ kann durch fortwährende rmittlung der Schnittpunkte der Ebenen E₁H₁ bzw. .,H₂ mit der Achse A des Lichtbündels bzw. der -oordinatenwertpaare I₁,1]₁ und I₂, η₂ dieser Schnittlinkte genau definiert werden. Voraussetzung zur .chnischen Realisierung dieses Prinzipes ist es, daß ι der Maschine G Strahlungsempfänger S₁, S₂ be- :stigt und je in zugeordneten gerätefesten Quer-Koordiatenrichtungen E₁, H₁ bzw. E₂, H₂ verschiebbar sind nd daß es möglich ist, zu erfühlen, ob die Zentren 5O₁, O₂ der beiden Empfänger genau in der Lichtündelachse A liegen. Unter diesen Umständen defiieren die Koordinatenpaare I₁, η_λ bzw. |_?, η₂ genau ie Positionen der Empfängerzentren SO₁, SO₂ gegenber der Maschine G. Sofern weiterhin noch der /inkel γ jederzeit bekannt ist, um welchen die ma- :hinenfesten Koordinatenrichtungen E₁, H₁ bzw. '.,, H₂ gegenüber den räumlich festen, d. h. z. B. auf as Lot bezogenen Koordinatenrichtungen X₁ Y₁ bzw. '₂, Y₂ verdreht ist, lassen sich die Lagen der beiden laschinenfesten Punkte O₁ und O₂ in einem räumlich ;sten Koordinatensystem, gegeben durch die Lichtündelachse A als Z-Achse und die horizontalen bzw. ertikalen Richtungen X, Y nach folgenden Beziehunen genau definieren:

χ = ξ cos φ — η sin φ, y — ξ sin φ + η cos φ.

Aus den so errechneten Wertepaaren X₁J₁ und »y₂ lassen sich gemäß nachfolgender Beziehung die lomponenten λ, tx des Winkels zwischen der Achse Z, !. h. der Geraden c, O₂ und der Lichtbündelachse A λ der YZ- bzw. A'Z-Ebene errechnen.

= _k(y₂-_yi),

i = k (x₂-X₁),

Unter der Voraussetzung, daß die vier Sollwerte x_2S, .., tg«s, tg/„ welche die Lage des einen Bezugspunk- :s O₂ und die beiden Richtungswinkel χ. λ definieren, ckannt sind, lassen sich jeweils durch Vergleich jedes stwertes mit dem zugehörigen Sollwert die Lage- bzw. )ricntierungsfehler/;c, f_fh /cc, fl ermitteln, die einer :rvomotorischen Korrektur der betreffenden Istwerte der einer Handkorrckturdurch eine Bedienungsperson ugrundi; liegen können.

Gemäß F i g. 2, die den Grundriß eines zu bohrenden Stollens oder Tunnels zeigt, ist eine Tunnelbohrmaschine G schematisch dargestellt, für deren momentane Lage der Punkt O_z vorn und für dessen Orientierung der Punkt O₁ bzw. der Richtungswinkel« maßgebend ist. Sofern die F i g. 2 als Aufriß betrachtet wird, ist an Stelle des Horizontwinkels λ der Höhenrichtwinkel X, wie in Fig. 1, einzutragen. Zur Festlegung der räumlichen Lage des raumfesten Koordinatensystems, auf welches die für jede Lage des Maschinenpunktes O₂ längs der Tunnel-Mittelachse voraus berechenbaren Sollwertquadrupel x_2S, y₂s, tg«_s, tg/₅ bezogen sind, wird an einer Stelle am Ende des gebohrten Tunnelabschnittes ein Lichtstrahler L S,

z. B. ein Laser, zur Erzeugung eines extrem engen Lichtbündels vorzugsweise unter dem Tunnelscheitel fest montiert und so gerichtet, daß der erzeugte Lichtstrahl, dessen Achse mit A bezeichnet ist, über eine längere Tunnelstrecke als Bezugslinie brauchbar ist.

Die Sollwertquadrupel für die Bestimmung der Lage und Orientierung der Tunnelbohrmaschine G werden für jede Distanz von dem Lichtstrahler LS ermittelt und beispielsweise dem Bohrmaschinenführer in tabellarischer Form übergeben. Dieser kann, wie später an Hand von F i g. 8 erläutert werden wird, an seinem Instrumentarium jederzeit die Lagefehlerkomponenten/a; /y und die Orientierungsfehler /cc /X ablesen und entsprechende Maßnahmen zur Verminderung dieser Fehler treffen. Es ist leicht ersichtlich, daß auf diese Weise die Bohrmaschine dauernd im Arbeitsbetrieb gehalten werden kann, solange die Lage des Lichtbündels noch paßt und dessen Intensität noch ausreicht. Im allgemeinen wird das bei Stollenbauten etwa für eine Bohrstrecke von etwa 100 m, also mindestens für mehrere Arbeitstage ausreichen.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 3, 4, 5 und 6 werden die Ausbildung und Wirkungsweise der Strahlungsempfänger, die servomotorischen Verstellantriebe für die Empfänger sowie die zugehörigen Schaltungsmittel besprochen.

Auf der Tunnelbohrmaschine G, (s. F i g. 4) sind zwei Trägerplatten I₁ und I₂ in vorbestimmter Orientierung und in vorbestimmter Distanz l_z fest montiert. Jede dieser Platten bildet den Träger eines Empfängers S₁ bzw. S₂ und dessen servomotorischer Verstellantriebe. Auf Schlittenführungen 10 dieser Trägerplatten sind Zwischenplatten I₂ bzw. I₁ in Richtung quer zur Zeichenebene, d. h. in der Koordinatenrichtung E verschiebbar. Zu diesem Zweck sei an der Trägerplatte I₁ bzw. I₂ ein Servomotor SM befestigt, dessen Abtriebszahnrad 11 in eine Zahnstange 21 an der Unterseite der Zwischenplatte I₁ bzw. 2₂ eingreift. In Führungen 22 der Zwischenplatte 2₁ bzw. 2. ist ein Empfängergehäuse 3i bzw. 3₂ in der vertikalen Koordinatenrichtung// verschiebbar, zu welchem Zweck an der Zwischenplatte I₁ bzw. 2, ebenfalls ein Servomotor SM befestigt ist, dessen Abtriebszahnrad 23 in eine Zahnstange 33 am Empfängergehäuse 3, bzw. 3₂ eingreift. Im Empfängergehäuse 3, ist eine Bildoptik 30 montiert, deren optische Achse mit a₂ bezeichnet ist. In gleicher Weise ist in dem nur teilweise gezeichneten Empfängergehäuse 3j der Grundplatte I₁ die optische Achse mit W₁ bezeichnet. Über der Bildoptik 30 ist, um die optische Achse drehbar, eine Blendenscheibe 31 gelagert, die in F i g. 3 in Ansicht von oben gezeigt ist. Sie wird von einem im Empfängergehäuse 3, bzw. 3^ fest montierten Synchronmotor 34 über ein Zahnrad 35 angetrieben. Die Blendenscheibe 31 enthält

einen offenen 90°-Sektor 310 und trägt zwei zueinander um 90° verstellte Radumfangsstreifen 3I_x, 31,,, die sich je über ISO Bogengrade erstrecken. Eine Lampe 36 wirkt mit zwei Fotozellen 36_T, 36_y derart zusammen, daß diese Fotozellen bei der Drehung der Blendenscheibe elektrische Referenzsignale r_x bzw. r_y erzeugen, deren zeitlicher Verlauf in Abhängigkeit von den in F i g. 3 eingetragenen Winkelstellungen in F i g. 5 eingezeichnet ist. Über der Blendenscheibe 31 ist, unter 45° geneigt, ein Spiegel 37₂ eingebaut, der dazu bestimmt ist. das Lichtbündel, dessen Achse mit A bezeichnet ist. in Richtung der optischen Achse a₂ des Empfängers umzulenken. Das vorgelagerte Empfängergehäuse 3_X ist mit einem halbdurchlässigen Spiegel 3T₁ ausgerüstet, so daß dort nur ein Teil des Lichtes abgelenkt wird.

Das nach unten gespiegelte Lichtbündel wird von der Empfängeroptik 30 auf die Fotozelle 38 gesammel'. in welcher ein Fotostrom Z erzeugt wird. Für vier mögliche Lagen der Bündelachse A₃, A₂, A₁, A₀ in bezug auf die Blendenscheibe 31 sind die entsprechenden Zeitdiagramme der Fotoströme Z₃, Z₂, Z₁, Z₀ am Ausgang der Fotozelle 38 in F i g. 5 dargestellt. Man sieht daraus, daß bei zentraler Lage der Lichtbündelachse A der Fotostrom Z₀ unverändert bleibt und bei der dargestellten Verschiebung des Lichtbündels in der Richtung E aus dem Blendenzentrum schrittweise in die Form /₃ übergeht. Eine Verschiebung des Lichtbündels in der //-Richtung ergäbe dieselben Stromdiagramme, aber mit 90° Phasenverschiebung. Es ist aus F i g. 5 leicht ersichtlich, daß der zeitliche Mittelwert 7 des Fotostromes Z in allen Lagen unverändert bleibt. Gemäß F i g. 4 wird der gebildete Fotostrom Z in einem Regelverstärker RV in bekannter Weise auf konstanten Pegel verstärkt und anschließend in einem Diskriminator D, der in F i g. 6 dargestellt ist, zur Bildung der Gleichspannungssignale Δ ξ und Δη ausgewertet. Dieser Diskriminator D umfaßt gemäß F i g. 6 einen Eingangsübertrager Ue, Dioden Di, Transistorpaare Ty₁, Tr₅ bzw. T-Y₁, Tx₂ sowie gegengekoppelte Endverstärker EV und Widerstände, bzw. Kapazitäten C in einer leichtverständlichen und an sich bekannten Schaltung. Diese Signale werden gemäß F i g. 4 in Verstärkern Vq bzw. Ff verstärkt und als Steuerspannungen ιιη, ■/; den genannten Servomotoren SM zugeführt, so daß diese das Empfängergehäuse 3j bzw. 3₂ so bewegen, daß das Zentrum der Blendenscheibe 31 stets auf die Achse A des Lichtbündels wandert. Es ist in F i g. 4 auch gezeigt," wie durch Umstellung von Umschaltkontakten UK auch eine Hand\'erstellung der optischen Achse a» in eine vorgewollte Position erreicht werden kann. Es sei hier noch bemerkt, daß mit Vorteil ein Lichtbündel verwendet wird, das mit einer Frequenz von beispielsweise 1000 Hz gechoppt wird, weil auf diese Weise Streulicht keinen Einfluß ausübt und zur Auswertung Wechselstromschaltungen verwendbar sind.

Tn F i g. 7 ist dargestellt, wie die sich servomotorisch einstellenden, jeweiligen Drehstellungen der beiden Servomotorwellen in beiden Empfängern mittels mechanischelektrischer Wandler Wa in elektrische Wechselstromsignale umgewandelt werden. Mit Hilfe bekannter Sinus-Kosinusrechner oder Resolvern KT. deren gemeinsame Verstellwelle W<p in Funktion des früher definierten Winkels γ verdreht wird, werden diese Werte nach bekannten trigonometrischen Gesetzen umgeformt. Beispielsweise kann ein Pendel P zur Einstellung der ¹AeIIe Wψ auf den Neigungswinkel ψ verwendet werden. So entstehen an den Ausgängen der Resolver KT die Istwertpaare .Y₁, V₁ bzw. .Y₂, V₂.

Ein induktives Pick-off Οφ bekannter Bau- und Wirkungsweise. dessen Rotor von der Welle W ψ verdreht wird, kann zur Fernanzeige des momentanen Wertes des Neigungswinkels ψ der Bohrmaschine gegen die Horizontale X verwendet werden. Von Einstellwellen Ws aus können jederzeit die momentan gültigen Sollwertquadrupel .Y₂₅, y_2S, tg.x₅, tg/_s eingestellt werden, die in Wandlern Wa in entsprechende Wechselstromsignale umgewandelt werden. Unter Verwendung von Differentialübertragern D U und Demodulatoren DEM lassen sich in der Schaltung nach F i g. 7 die momentanen Einstell- bzw. Orientierungsfehler

Λ =	,Vo Artg,	tgÄS;
Λ =	■y τι	tgAs
/« =	/C(A2 -Y1J
/λ =	&(j2 — V1) —

als fernanzeigbare Gleichstromsignale ermitteln.

Endlich zeigt noch F i g. 8 ein Beispiel eines Instrumentenbrettes im Überwachungsraum der Bohrmaschine.

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Koordinatensystem, dessen Längsachse annähernd in einer vorgegebenen Hauptbewegungsrichtung der Bohrmaschine liegt und durch ein extrem enges Strahlungsbündel eines hinter der Bohrmaschine, vorzugsweise an der Tunneldecke, befestigten Lichtstrahlers, z. B. eines Lasers, gebildet wird, und bei der das enge Strahlungsbündel durch einen Strahlungsempfänger erfühlbar ist, der an der Tunnelbohrmaschine angeordnet ist und im Betrieb servomotorisch zentrisch zum Strahlungsbündel gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bohrmscchine (C) in Längsrichtung (Z) hintereinander und in bekanntem Abstand (Z₂) zwei Strahlungsempfänger (S₁, S₂) angeordnet sind, die je in zwei zueinander paarweise parallelen maschinenfesten Koordinatenrichtungen (E₁, H₁; E₂, H₂) servomotorisch zur Selbstzentrierung in die Lichtbündelachse (A) verstellbar sind, daß der jeweilige Verkantungswinkel (φ) zwischen den maschinenfesten Koordinatenrichtungen (E₁, ₂, H₁, g) und entsprechenden Querkoordinatenrichtungen (X₁, ₂; Y₁, ₂) des raumfesten Koordinatensystems (A X Y) mit Hilfe einer an sich bekannten Verkantungs-Kontrollvorrichtung (P, Qy) fortwährend ermittelt wird, und daß die jederzeit mit Hilfe von Meßvorrichtungen (W ) ermittelten Koordinatenwerte (ξ_χ, I]₁; ξ.,, v_l2) der Zentren (SO₁, SO₂) der beiden Strahlungsempfänger (S₁, S₂) relativ zu ihren maschinenfesten Ausgangslagen (O₁, O₂) über Koordinaten-Transformatoren (KT) in Abhängigkeit vom Verkantungswinkel (γ) in Istlagewerte (.Y₁, )\; .Y₂, y₂), welche die momentane Orientierung der Bohrmaschine in bezug auf das raumfeste Koordinatensystem (.V, Y, A) delinieren, tranformiert werden.

2. Einrichtung nach Anspruch !,dadurchgekennzeichnet, daß jeder Strahlungsempfänger (Si, S₂) eine motorisch zur Rotation um die optische Achse (a₂) eines Abbildungssystems (30) angetriebene

Blende (31) mit einem offenen Sektor (310) sowie in der Bildebene des Abbildungssystems eine Fotozelle (38) umfaßt, aus deren in Abhängigkeit von der Relativlage der optischen Systemachse (a₂) zur Lichtbündelachse (A) moduliertem Fotostrom (/) unter Benützung von nur von der Blendenrotation abhängigen Referenzsignalen (r_x, r_y) in einer Fehlerdetektorschaltung (D) zwei Fehlerspannungen (ϋξ, Ιίη) zur Steuerung der Servomotoren (SM) gewonnen werden, die zur Selbstzentrierung des

betreffenden Strahlungsempfängers in die Lichtbündelachse (A) dienen (F i g. 3, 4).

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zur Eingabe von Soll-Lagen (x*s, J>2s) und Sollorientierungen (tg«₃, tgA_s) der Bohrmaschine in programmierter Abhängigkeit von der jeweiligen Distanz zum Lichtstrahler (LS) und durch Mittel (DEM) zur Anzeige bestehender Lage- und Orientierungsfehler (J_x, fy, fix, /λ) der Bohrmaschine (F i g. 7, 8).

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 009 550/23

Claims (3)

1 2 Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung Patentansprüche: zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Koordinatensystem, dessen

1. Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Längsachse annähernd in einer vorgegebenen Haupt-Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Ko- 5 bewegungsrichtung der Bohrmaschine liegt und durch ordinatensystem, dessen Längsachse annähernd ein enges Strahlungsbündel eines hinter der Bohrin einer vorgegebenen Hauptbewegungsrichtung maschine, vorzugsweise an der Tunneldecke, beder Bohrmaschine liegt und durch ein enges festigten Lichtstrahlers, z.B. eines Lasers, gebildet Strahlungsbündel eines hinter der Bohrmaschine, wird, und bei der an der Bohrmaschine in Längsvorzugsweise an der Tunneldecke, befestigten io richtung hintereinander und in bekanntem Abstand Lichtstrahlers, z. B. eines Lasers, gebildet wird, zwei Strahlungsempfänger zum Erfühlen des engen und bei der an der Bohrmaschine in Längsrich- Strahlenbündels angeordnet sind.

tung hintereinander und in bekanntem Abstand Eine Einrichtung dieser Art ist aus der FR-PS

zwei Strahlungsempfänger zum Erfühlen des en- 13 67 722 bekanntgeworden. Durch die Verwendung gen Strahlenbündels angeordnet sind, dadurch 15 von zwei mit einem festen Abstand hintereinander an gekennzeichnet, daß dieStrahlungsempfän- der Bohrmaschine angeordneten Auffangschirmen, ger (S₁, S₂) in je zwei zueinander paarweise par- die je mit einer Zentrierungsmarke versehen sind, allelen maschinenfesten Koordinatenrichtungen kann die Bedienungsperson optisch und qualitativ (E₁, H₁, Ξo, H₂) servomotorisch zur Selbstzentrie- den normalen Ort und die normale Orientierung der rung in die Lichtbündelachse (A) verstellbar sind, 20 Bohrmaschine relativ zu dem Strahlungsbündel überdaß der jeweilige Verkantungswinkel (φ) zwischen prüfen. Sich auf den Empfangsschirmen abzeichden maschinenfesten Koordinatenrichtungen (E₁, ₂, nende Orts- und/oder Orientierungsänderungen der H₁, ₂) und entsprechenden Querkoordinatenrich- Bohrmaschine aus der Normallage sind durch enttungen (X₁, ₂; Y₁, ₂) des raumfesten Koordinaten- sprechende Gegensteuermaßnahmen aufzufangen, systems (A X Y) mit Hilfe einer an sich bekann- 25 Nachteilig bei dieser bekannten Einrichtung ist, daß ten Verkantungs-Kontrollvorrichtung (P, Q φ) . die Orts- und Orientierungsfehler nicht quantitativ fortwährend ermittelt wird, und daß die jederzeit erfaßt werden, und insbesondere besteht der wesentmit Hilfe von Meß vorrichtungen (W) ermittelten liehe Nachteil, daß die Richtung des Lichtstrahl-Koordinatenwerte (ξ_ν Jj₁; ξ₂, ?)„) der Zentren bündeis immer genau mit der Arbeitsrichtung der (SO₁, SO₂) der beiden Strahlungsempfänger (S₁, 30 Maschine übereinstimmen muß und eine Änderung S₂) relativ zu ihren maschinenfesten Ausgangs- der Arbeitsrichtung eine entsprechende Umorientielagen (O₁, O₂) über Koordinaten-Transformato- rung der Strahlrichtung bedingt,
ren (KT) in Abhängigkeit vom Verkantungswin- Aus der OE-PS 2 30 925 ist eine Einrichtung

kel (φ) in Istlagewerte (X₁, V₁; x,, y₂), welche die zum Nivellieren von Eisenbahngleisen bekanntgemomentane Orientierung der Bohrmaschine in 35 worden, bei der fortwährend die Isthöhenlage des hebezug auf das raumfeste Koorinatensystem (X, weglichen Nivelliergerätes in einem Bezugskoordi- Y, A) definieren, transformiert werden. natensystem festgestellt wird, dessen Längsachse an-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- nähernd in einer vorgegebenen Hauptbewegungszeichnet, daß jeder Strahlungsempfänger (S₁, S₂) richtung des Gerätes liegt. Bei dieser bekannten Eineine motorisch zur Rotation um die optische Achse 40 richtung wird die Längskoordinatenachse durch ein (a₂) eines Abbildungssystems (30) angetriebene enges Lichtbündel gebildet und ist am beweglichen Blende (31) mit einem offenen Sektor (310) sowie Gerät ein Empfänger für das Lichtbündel servomotoin der Bildebene des Abbildungssystems eine Foto- _risch in Höhenrichtung verstellbar, welche Richtung zelle (38) umfaßt, aus deren in Abhängigkeit von zwangläufig stets mindestens angenähert parallel zu der Relativlage der optischen Systemachse (a₂) zur 45 der in einer vertikalen Ebene verlaufenden Querachse Lichtbündelachse (A) moduliertem Fotostrom (/) des Bezugs-Koordinatensystems orientiert bleibt. Daunter Benützung von nur von der Blendenrotation bei ist der Empfänger derart ausgebildet und wirkt mit abhängigen Referenzsignalen (r_x, r_y) in einer Feh- seinem servomotorischen Verstellantrieb derart zulerdetektorschaltung (D) zwei Fehlerspannungen sammen, daß sein Zentrum dauernd annähernd in (ϋξ, ϋη) zur Steuerung der Servomotoren (SM) 50 Höhe der Lichtstrahlbündelachse gehalten wird,
gewonnen werden, die zur Selbstzentrierung des _{Auch ist es bej} Streckenvortriebsmaschinen bereits betreffenden Strahlungsempfängers in die Licht- bekannt, die Achse eines Lichtbündels als Bezugsgebündelachse (A) dienen (F i g. 3, 4). rade für Richtarbeiten und Vermessungen zu ver-

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn- wenden.

zeichnet durch Mittel zur Eingabe von Soll-Lagen 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei (*2ä> ^2«) und Sollorientierungen (tg«,, tgA„) der einer Einrichtung der eingangs genannten Art den Bohrmaschine in programmierter Abhängigkeit jeweiligen Ort und die Orientierung der Bohrmaschine von der jeweiligen Distanz zum Lichtstrahler (LS) im raumfesten Koordinatensystem jederzeit selbsttätig und durch Mittel (DEM) zur Anzeige bestehender zu ermitteln und einen dauernden Arbeitsbetrieb Lage- und Orientierungsfehler (J_x, fy, fot, /λ) der 60 auch bei von der Richtung des Strahlenbündels abBohrmaschine (F i g. 7, 8). weichender Arbeitsrichtung der Maschine zu ermöglichen. Dieses Problem stellt sich bei einer Gleisbaumaschine gemäß OE-PS 2 30 925 weniger, da die Trasse für ein Eisenbahngleis im Freien mit anderen,

65 einfacheren und konventionellen Mitteln legbar ist,

da die Bezugspunkte vor der bereits erstellten Trasse zugänglich sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß