DE19527663A1 - Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Maschinenteils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Po­ sition eines beweglichen Maschinenteils in einer Ebene, in der das Maschinenteil bewegbar ist, sowie eine entsprechende Einrichtung.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Bestimmung einer Position eines beweglichen Maschinenteils eines Hebe­ zeuges, z. B. die Bestimmung einer Position einer Laufkatze eines Laufkrans.

Viele große Maschinen, darunter große Hebezeuge wie z. B. Laufkrane, müssen bei ihrem Betrieb gewissermaßen trotz ihrer Größe hohen Präzisionsanforderungen bei der Positionierung beweglicher Maschinenteile erfüllen. Ein Beispiel hierfür ist das Anfahren einer gewünschten Position, in der Regel als "Anschlagposition" oder "Anschlagpunkt" bezeichnet, durch ei­ nen Laufkran in einem Kernkraftwerk, wobei eine Laufkatze des Laufkrans eine schwere Last, beispielsweise ein Kernreaktor­ brennelement, trägt. Ein Kernreaktorbrennelement ist in der Regel eine relativ langgestreckte Säule mit Seitenlängen von deutlich weniger als 1 m und ist in einem Reaktorkern mit ei­ ner Präzision, die unter Umständen eine Genauigkeit von weniger als 1 cm erfordert, zu positionieren. Diese hohe Prä­ zision erfordert es, daß Formveränderungen des Hebezeuges aufgrund der eventuellen hohen Belastung berücksichtigt wer­ den müssen, da diese Formveränderungen durchaus zu einer Ver­ änderung der Position einer schweren Last in der genannten Größenordnung führen können. Besonders anfällig gegen derar­ tige Veränderungen ist beispielsweise ein Laufbalken eines Laufkrans, das heißt ein Maschinenteil, an dem die die Last tragende Laufkatze aufgehängt ist und entlang dessen sie sich bewegen kann.

Es ist dementsprechend nicht in jedem Fall ausreichend, sich bei der Bestimmung einer Position eines Maschinenteils nach Art einer Laufkatze auf einem Hebezeug auf Meßskalen zu ver­ lassen, die an der Maschine selbst angebracht sind; solche Skalen können sich durch Formveränderungen verschieben und sich damit für eine genaue Positionsbestimmung ungeeignet ma­ chen. Im Einzelfall kann es möglich sein, Korrekturtabellen oder dergleichen für solche Meßskalen anzugeben; da eventu­ elle Korrekturen abhängig sind von der Belastung der Maschi­ ne, ist ihre Ermittlung aufwendig und ihr Nutzen somit ge­ ring.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Be­ stimmung einer Position eines beweglichen Maschinenteils in einer Ebene sowie eine dementsprechende Einrichtung anzuge­ ben, bei denen mit einer Beeinträchtigung der Bestimmung ei­ ner Position durch Formveränderungen der Maschine nicht oder allenfalls in deutlich verringertem Umfang zu rechnen ist.

Zur Lösung der auf ein Verfahren bezogenen Aufgabe angegeben wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung einer Posi­ tion eines beweglichen Maschinenteils in einer Ebene, in der das Maschinenteil bewegbar ist, wobei zumindest drei in einer Umgebung des Maschinenteils definierte Fixpunkte, welche in der Ebene zumindest ein Dreieck bilden, von dem Maschinenteil aus angepeilt und zumindest zwei Winkel, welche von Sichtli­ nien zwischen jeweils zwei Fixpunkten eingeschlossen sind, gemessen werden und aus den Winkeln sowie geometrischen Kenn­ größen des zumindest einen Dreiecks die Position bestimmt wird.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Ungenauigkeiten, die sich aus einer Bestimmung einer Position anhand von Skalen, die an der Maschine selbst orientiert sind, dadurch vermeiden lassen, daß die Bestimmung der Position in neuer und we­ sentlich veränderter Weise erfolgt, nämlich nicht mehr unter Verwendung von auf die Maschine bezogenen Skalen, sondern un­ ter Verwendung von ortsfesten und gut definierten Fixpunkten, bezüglich derer die Position bestimmt wird. Einschlägige Ver­ fahren hierzu sind grundsätzlich aus der Geodäsie bekannt; insbesondere kommt das sogenannte "Triangulationsverfahren" in Frage.

Bei der Triangulation reicht es im allgemeinen aus, drei ortsfeste Fixpunkte sowie zwei Basislinien, jede Basislinie zwischen zweien der Fixpunkte, festzulegen und den Winkel zwischen den beiden Basislinien, die an einem der drei Fix­ punkte zusammenstoßen müssen, zu bestimmen. Werden anschlie­ ßend die beiden Winkel bestimmt, unter denen die Basislinien von dem Maschinenteil aus gesehen werden, so kann aus diesen beiden Winkeln und den drei zuvor genannten Parametern des durch die Fixpunkte bestimmten Dreiecks mit den Mitteln der ebenen Trigonometrie und aus einer einfachen Beziehung die Position des Maschinenteils bestimmt werden. Im allgemeinen ist jede Messung mit gewissen Meßfehlern behaftet; unter Um­ ständen ist es daher vorteilhaft, mehr als drei Fixpunkte zu verwenden und die Bestimmung der gewünschten Position anhand mehr als eines Dreiecks durchzuführen. Insbesondere das vor­ stehend skizzierte Meßverfahren findet hierbei anhand jedes Dreiecks, das für die Bestimmung benutzt wird, Anwendung, und die aus verschiedenen Meßungen bestimmten Positionen können untereinander gemittelt werden, um einen relativ genauen Mittelwert für die tatsächliche Position des Maschinenteils zu bekommen.

An einem Hebezeug ist die Bestimmung der Position in einer horizontal ausgerichteten Ebene von größter Bedeutung, da ein Hebezeug naturgemäß eine relativ einfache Variation einer vertikalen Position eines Hebestücks erlaubt. Falls ge­ wünscht, kann die Bestimmung einer Position in einer horizon­ talen Ebene selbstverständlich ergänzt werden um die Bestim­ mung einer Position in einer Richtung senkrecht zu der Ebene, also in vertikaler Richtung. Auf diese Weise kann die Positi­ on des Maschinenteils in drei Dimensionen relativ zur Umge­ bung ermittelt werden.

Es versteht sich, daß eine eventuelle Formveränderung der Ma­ schine, zu der das Maschinenteil gehört, unter Umständen auch zu einer Verschiebung des Maschinenteils senkrecht zur Ebene führen kann. Um dies zu berücksichtigen, ist es unter Umstän­ den vorteilhaft, die Fixpunkte nicht punktförmig in der be­ sagten Ebene vorzusehen, sondern in Form von mehr oder weni­ ger langen Strecken, die im wesentlichen senkrecht zu der Ebene orientiert sind. Auf diese Weise wird eine Beeinflus­ sung der Bestimmung der Position durch eine Verschiebung des Maschinenteils senkrecht zu der Ebene weitgehend ausgeschlos­ sen.

Das Anpeilen der Fixpunkte von dem Maschinenteil aus erfolgt vorzugsweise mit einem Laserstrahl. Zum Nachweis, daß der La­ serstrahl zu gegebener Zeit tatsächlich das Maschinenteil, bzw. einen Festpunkt, der auf dem Maschinenteil ausgewählt wurde und eine definierte geometrische Beziehung zu dem ge­ samten Maschinenteil hat, mit einem Fixpunkt verbindet, kann jedwedes zum Nachweis des Laserstrahls grundsätzlich geeig­ nete Detektorsystem benutzt werden.

Um alle Fixpunkte mit dem Laserstrahl erreichen zu können, wird der Laserstrahl vorzugsweise in der Ebene geschwenkt. Mit weiterem Vorzug erfolgt das Schwenken des Laserstrahls mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Hierdurch ist eine re­ lativ einfache Winkelbestimmung möglich, da die Bestimmung eines Winkels zwischen den Sichtlinien zwischen dem Festpunkt und zwei Fixpunkten reduzierbar ist auf eine Bestimmung einer Zeit, die benötigt wird, um den Laserstrahl von einer Sicht­ linie zu einer anderen Sichtlinie zu schwenken.

Weiterhin bevorzugt ist es, den Laserstrahl an jedem Fixpunkt zu dem Maschinenteil zurück zu reflektieren und den Laser­ strahl an dem Maschinenteil selbst nachzuweisen. Hierdurch wird die Anwendung eines üblichen Laser-Sendeempfängers im Zusammenhang mit der Erfindung erschlossen; hierauf wird wei­ ter unten noch eingegangen.

Das Verfahren gemäß jedweder Ausgestaltung findet bevorzugte Verwendung, indem die Position des Maschinenteils mit einer vorher bestimmten Anschlagposition verglichen und das Maschi­ nenteil von der bestimmten Position zu der Anschlagsposition bewegt wird. Auf diese Weise erschließt sich die Anwendung der Erfindung zur Steuerung des Maschinenteils.

Das Maschinenteil ist insbesondere ein Teil eines Hebezeuges, beispielsweise eine Laufkatze eines Laufkrans, wie bereits erläutert.

Zur Lösung der auf eine Einrichtung bezogenen Aufgabe der Er­ findung angegeben wird eine Einrichtung zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Maschinenteils in einer Ebene, in der das Maschinenteil bewegbar ist, umfassend:

• a) das Maschinenteil;
• b) zumindest drei in einer Umgebung des Maschinenteils fest bestimmte Fixpunkte, welche in der Ebene zumindest ein Dreieck bilden;
• c) eine dem Maschinenteil und den Fixpunkten zugeordnete Peileinrichtung zur Messung zumindest zweier Winkel, wel­ che von Sichtlinien zwischen jeweils zwei Fixpunkten ein­ geschlossen sind; und
• d) eine Auswerteeinrichtung, mit welcher aus den Winkeln und geometrischen Kenngrößen des zumindest einen Dreiecks die Position bestimmbar ist.

Diese Einrichtung stellt sowohl die geometrischen Mittel als auch die Auswertemittel bereit, um beispielsweise ein Trian­ gulationsverfahren zur Bestimmung der Position des bewegli­ chen Maschinenteils durchzuführen. Weitere vorteilhafte Ei­ genschaften der Einrichtung ergeben sich aus den Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren.

Vorzugsweise umfaßt die Peileinrichtung einen auf dem Maschi­ nenteil angebrachten und in der Ebene schwenkbaren Laser-Sen­ deempfänger sowie eine Vielzahl von Reflektoren, deren jeder an einem entsprechenden Fixpunkt angebracht ist und einen von dem Laser-Sendeempfänger ausgesandten Laserstrahl, von dem er getroffen wird, zu dem Laser-Sendeempfänger zurück reflek­ tiert. Im Rahmen dieser Weiterbildung sind sämtliche Mittel und Einrichtungen, die für die Erzeugung oder den Nachweis des Laserstrahls erforderlich sind, auf einem gemeinsamen Träger, nämlich dem Maschinenteil, konzentriert. Die Reflek­ toren, die abseits des Maschinenteils an den Fixpunkten ange­ bracht werden, sind lediglich passive Reflektoren. Bei­ spielsweise kommen sogenannte Tripelprisma-Reflektoren oder Reflektoren, die Strichcodes (z. B. zur Identifizierung des Fixpunktes) und/oder Hologramme tragen, zum Einsatz. Weiter­ hin vorzugsweise hat jeder Reflektor in einer Richtung senk­ recht zur Ebene eine Ausdehnung, die deutlich aus der Ebene herausreicht; ist die Ebene horizontal ausgerichtet und ist das Maschinenteil ein lastentragendes Teil eines Hebezeuges, so ist es besonders bevorzugt, daß sich jeder der Reflektoren aus der Ebene deutlich nach unten erstreckt und somit Verlagerungen des Maschinenteils nach unten, welche sich beim Betrieb unter schwerer Last ergeben, die Bestimmung der Posi­ tion nicht beeinträchtigen können.

Weiterhin bevorzugt ist die Peileinrichtung mit der Auswerte­ einrichtung über elektromagnetische Wellen, insbesondere also drahtlos, verbunden.

Das Maschinenteil in der Einrichtung ist vorzugsweise ein Teil eines Hebezeuges; insbesondere ist das Hebezeug ein Laufkran und das Maschinenteil ist eine Laufkatze des Lauf­ krans. Die Einrichtung kommt insbesondere in Frage zur Er­ tüchtigung eines Laufkrans für die Manipulation von Kernreak­ torbrennelementen und dergleichen schweren Lasten in einem Kernkraftwerk.

Hinweise zu bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gehen aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung hervor. Die Erfin­ dung selbst ist freilich nicht auf die anhand der Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Laufkran in einem Kernreaktorgebäude nebst ei­ ner Einrichtung zur Bestimmung einer Position eines Maschinenteils des Laufkrans, nämlich einer Laufkatze

Fig. 2 eine Skizze für ein Meßverfahren zur Bestimmung einer Position.

Fig. 1 zeigt einen Laufkran 1, 2, 3, 4 mit einer Laufkatze 1, die entlang eines Laufbalkens 2 beweglich ist und ein Ha­ kenteil 3 zur Aufnahme einer Last trägt, und Schienen 4, ent­ lang derer der Laufbalken 2 in Richtungen etwa senkrecht zu den Bewegungsrichtungen der Laufkatze 1 beweglich ist. Der Laufkran 1, 2, 3, 4 ist angebracht in einem Kernreaktorgebäu­ de 5, und in der dargestellten Anwendung trägt er ein Kernre­ aktorbrennelement 6. Dieses ist zu einer als Kreuz gestri­ chelter Linien dargestellten Anschlagsposition 7 auch gele­ gentlich als "Anschlagpunkt" bezeichnet, zu bringen. Um dies mit einer im dargestellten Fall erforderlichen Genauigkeit zu bewerkstelligen, ist an dem Laufkran 1, 2, 3, 4 eine Ein­ richtung zur Bestimmung einer Position der Laufkatze 1 ange­ bracht, welche die Bestimmung der Position unabhängig von Messungen an dem Laufkran 1, 2, 3, 4 selbst erlaubt. Hierzu trägt die Laufkatze 1 einen drehbaren Laser-Sendeempfänger 8 zur Anpeilung von Fixpunkten 9, die an Wänden des Gebäudes 5 fest installiert sind. An jedem Fixpunkt 9 angebracht ist ein Reflektor 10, dessen Position mit dem Laser-Sendeempfänger 8 nachzuweisen ist, um den entsprechenden Fixpunkt 9 anzupei­ len. Ein Reflektor 10 kann ein einfacher Reflektor des Tripelprisma-Typs sein, es kommen aber alle allgemein mögli­ chen Reflektoren in Betracht. Besonders vorteilhaft ist unter Umständen der Einsatz von Reflektoren, die Strichcodes und/oder Hologramme tragen. Der Laser-Sendeempfänger 8 peilt in noch näher zu erläuternder Weise die Fixpunkte 9 bzw. die Reflektoren 10 an und bestimmt, worauf weiter unten detail­ liert eingegangen wird, Winkel, aus denen sich die Position des Maschinenteils 1 bestimmen läßt.

Die ermittelten Informationen werden einer Auswerteeinrich­ tung 11, hier dargestellt der Einfachheit halber als Bild­ schirm übermittelt, und zwar über elektromagnetische Wellen 12, wofür sowohl die Peileinrichtung 8 als auch die Auswerte­ einrichtung 11 entsprechende Antennen 13 tragen. Eine Steu­ ereinrichtung 14 für den Laufkran 1, 2, 3, 4 kann unter Be­ achtung entsprechender Informationen über die Position der Laufkatze 1 manuell erfolgen, es ist aber auch denkbar, eine Verbindung 15 zwischen der Auswerteeinrichtung 11 und der Steuereinrichtung 14 herzustellen, die es erlaubt, eine An­ schlagposition 7 für die Laufkatze 1 vorzugeben und eine ent­ sprechend erforderliche Bewegung der Laufkatze 1 und des Laufbalkens 2 automatisiert zu bewerkstelligen.

Das bis hierhin erläuterte Verfahren zur Bestimmung einer Po­ sition der Laufkatze 1 bezieht sich lediglich auf eine Be­ stimmung der Position in einer, im vorliegenden Fall horizon­ talen, Ebene, die beispielsweise durch die beiden Schienen 4 definiert ist. Das Problem, das mit der Erfindung gelöst werden soll, ist freilich naturgemäß dreidimensional, da es herrührt von der Möglichkeit, daß sich der Laufbalken 2 sowie möglicherweise zusätzliche Komponenten unter einer schweren Belastung der Laufkatze 1 durchbiegen können, woraus sich Unsicherheiten bei der Positionierung der Laufkatze 1 erge­ ben, wenn die Position der Laufkatze 1 nur entlang des Lauf­ balkens 2 und entlang der Schienen 4 bestimmt wird. Es ist daher durchaus bevorzugt, die bisher erläuterte Möglichkeit der Bestimmung der Position der Laufkatze 1 in zwei Dimensio­ nen zu einer mehr oder weniger vollständig dreidimensionalen Positionsbestimmung zu ergänzen. Hierzu kann die Laufkatze 1 um eine entsprechende Höhenmeßeinrichtung 16, die ebenfalls wie die Peileinrichtung 8 mit einem Laser arbeiten kann, er­ gänzt werden. Dargestellt ist eine Höhenmeßeinrichtung 16, die lediglich eine Bestimmung eines Abstandes zwischen der Laufkatze 1 und dem Hakenteil 3 erlaubt; es ist selbstver­ ständlich möglich, die Höhenmeßeinrichtung 16 derart umzuge­ stalten, daß sie eine Bestimmung einer Höhe der Laufkatze 1 relativ zu dem Gebäude 5 erlaubt.

Fig. 2 zeigt eine Skizze, anhand derer ein Meßverfahren zur Bestimmung einer Position eines Maschinenteils 1, in Fig. 2 dargestellt lediglich als Punkt, erläutert wird. Hierzu sind zunächst Fixpunkte 9 vorgegeben, deren Positionen genau be­ kannt sind und die in der Ebene, in der die Position des Ma­ schinenteils 1 bestimmt werden soll, ein Dreieck bilden. Zur Bestimmung der Position des Maschinenteils 1 werden Winkel 17 gemessen, unter denen jeweils zwei benachbarte Fixpunkte 9 von dem Maschinenteil 1 bzw. einem darauf festgelegten Be­ zugspunkt aus gesehen werden bzw. die von Sichtlinien 18 und 19 zwischen dem Maschinenteil 1 und den angepeilten Fixpunk­ ten 9 aufgespannt werden. Aus diesen Winkeln 17 sowie aus be­ stimmten geometrischen Kenngrößen 20, 21 des Dreiecks, näm­ lich den Längen der Strecken 20 zwischen jeweils zwei Fix­ punkten 9 und dem Winkel 21 zwischen den beiden Strecken 20 an demjenigen Fixpunkt 9, der beiden Strecken 20 gemeinsam ist, läßt sich die Position des Maschinenteils 1 eindeutig bestimmen. Die relevanten Informationen, aus denen die Posi­ tion eindeutig hervorgeht, sind insbesondere die Länge der inneren Sichtlinie 19 zwischen dem Maschinenteil 1 und dem­ jenigen Fixpunkt 9, der beiden Strecken 20 gemeinsam ist, so­ wie ein Winkel 22 zwischen einer Strecke 20 und der inneren Sichtlinie 19. Sowohl die Länge als auch der Winkel 22 erge­ ben sich aus einfachen Beziehungen, in welche die soeben auf­ gezeigten Daten eingehen; insbesondere ergibt sich der Cotan­ gens des Winkels 22 als gebrochen rationaler Ausdruck, in dem die Längen der Strecken 20 sowie trigonometrische Funktionen der Winkel 21 und 22 auftreten. In Kenntnis der Winkel 22 er­ gibt sich die Länge der inneren Sichtlinie 19 ebenfalls als einfacher rationaler Ausdruck aus der Länge einer der Strecken 20 sowie trigonometrischen Funktionen der Winkel 17 und 21. Das Meßverfahren findet seine Grundlage in der elementa­ ren Trigonometrie und bedarf keiner weiteren Erläuterung an dieser Stelle.

Claims (13)

1. Verfahren zur Bestimmung einer Position (19,22) eines be­ weglichen Maschinenteils (1) in einer Ebene, in der das Ma­ schinenteil (1) bewegbar ist, wobei zumindest drei in einer Umgebung des Maschinenteils (1) definierte Fixpunkte (9), welche in der Ebene zumindest ein Dreieck bilden, von dem Ma­ schinenteil (1) aus angepeilt und zumindest zwei Winkel (17), welche von Sichtlinien (18, 19) zwischen jeweils zwei Fixpunk­ ten (9) eingeschlossen sind, gemessen werden und aus den Win­ keln (17) sowie geometrischen Kenngrößen (20, 21) des zumin­ dest einen Dreiecks die Position (19, 22) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fixpunkte (9) von dem Maschinenteil (1) aus mit einem Laserstrahl (23) ange­ peilt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Laserstrahl (23) in der Ebene geschwenkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Laserstrahl (23) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit geschwenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Laserstrahl (23) an jedem Fixpunkt (9) zu dem Maschinenteil (1) zurück reflektiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Position (19, 22) des Maschinenteils (1) mit einer vorher bestimmten Anschlagposition (7) verglichen und das Maschinen­ teil (1) von der bestimmten Position (19, 22) zu der Anschlag­ position (7) bewegt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Maschinenteil (1) ein Teil eines Hebezeuges (1, 2, 3, 4) ist.

8. Einrichtung zur Bestimmung einer Position (19,22) eines beweglichen Maschinenteils (1) in einer Ebene, in der das Ma­ schinenteil (1) bewegbar ist, umfassend:

• a) das Maschinenteil (1);
• b) zumindest drei in einer Umgebung des Maschinenteils (1) fest bestimmte Fixpunkte (9), welche in der Ebene zumin­ dest ein Dreieck bilden;
• c) eine dem Maschinenteil (1) und den Fixpunkten (9) zuge­ ordnete Peileinrichtung (8, 10) zur Messung zumindest zweier Winkel (17), welche von Sichtlinien (18, 19) zwi­ schen jeweils zwei Fixpunkten (9) eingeschlossen sind; und
• d) eine Auswerteeinrichtung (11), mit welcher aus den Win­ keln (17) und geometrischen Kenngrößen (20, 21) des zumin­ dest einen Dreiecks die Position (19, 22) bestimmbar ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, bei der die Peileinrichtung (8, 10) einen auf dem Maschinenteil (1) angebrachten und in der Ebene schwenkbaren Laser-Sendeempfänger (8) sowie eine Vielzahl von Reflektoren (10), deren jeder an einem entspre­ chenden Fixpunkt (7) angebracht ist und einen von dem Laser-Sendeempfänger (8) ausgesandten Laserstrahl (23), von dem er getroffen wird, zu dem Laser-Sendeempfänger (8) zurück re­ flektiert.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Peilein­ richtung (8, 10) mit der Auswerteeinrichtung (11) über elek­ tromagnetische Wellen (12) verbunden ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der das Maschinenteil (1) ein Teil eines Hebezeuges (1, 2, 3, 4) ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, bei der das Hebezeug (1, 2, 3, 4) ein Laufkran (1, 2, 3, 4) und das Maschinenteil (1) eine Laufkatze (1) des Laufkrans (1, 2, 3, 4), ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, bei der der Laufkran (1, 2, 3, 4) zur Manipulation von Kernreaktorbrennelementen (6) in einem Kernkraftwerk (7) installiert ist.