DE19715095C1 - Vorrichtung zur Lageanzeige eines schwenkbaren vorderen Teils eines lasergeführten zweiteiligen Tunnelbohrkopfes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lageanzeige eines schwenkbaren vorderen Teils eines lasergeführten zweiteiligen Tunnelbohrkopfes, mit in Ausgangsposition axialer Ausrichtung parallel zum Laserstrahl und einer Zielplatte im Inneren des hinteren Teils, die zum Laserstrahl weisend und orthogonal zur Längsachse eine Mattscheibe hat und im Strahlengang dahinter eine Kamera mit Bilderfassungs- und Übertragungselektronik aufweist.

Vorrichtungen zur Lageanzeige eines Tunnelbohrkopfes sind bekannt.

Aus den Produktbeschreibungen eines "Laser Trac" des Ingenieurbüros Wente/Thiedig, 38106 Braunschweig, DE, ist eine Zieltafel mit im Strahlengang dahinter angeordneter Kamera mit Bilderfassungs- und Übertragungselektronik und aus einer Beschreibung zum "MST-13/2" auf Seite 22 der Bedienungsanleitung "Rohrvortrieb Maschinensteuerung MST-12/13d" der GEO Feinmechanik GmbH, 45481 Mülheim an der Ruhr, DE, eine elektronische Zieltafel bekannt. Derartige Zieltafeln werden im hinteren Teil eines zweiteiligen Tunnelbohrkopfes entsprechend angeordnet und dienen der Erfassung der Bohrlochauslenkung bzw. des hinteren Teils des Tunnelbohrkopfes. Die Lage des vorderen Tunnelbohrkopfes ist damit weder absolut noch bezüglich des hinteren Teils zu erfassen.

Ferner ist die EP 0 523 907 A1 bekannt. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Lageanzeige eines schwenkbaren vorderen Teils eines lasergeführten zweiteiligen Tunnelbohrkopfes. Neben ungeschützten Spiegeln zum Umlenken eines Laserstrahls weist die Vorrichtung im wesentlichen eine zweigeteilte Zielplatte im Inneren des hinteren Teils des Tunnelbohrkopfes auf, die einen durchlässigen Abschnitt aufweist, der z. B. zum Laserstrahl ausgerichtet ist und einen weiteren undurchlässigen Abschnitt, der als Zielplatte des an einem Spiegel ausgelenkten Laserstrahls dient. Der Spiegel ist letztlich an einem Hebel angeordnet, der z. B. im vorderen Teil fest verankert ist. Eine Kamera erfasst die Lichtpunkte auf der zweigeteilten Zielplatte und überträgt ihre Daten mittels einer Übertragungselektronik. Die Vorrichtung verwendet somit den Laserstrahl im durchlässigen Abschnitt der Zielplatte, um eine Auslenkung des Bohrloches, also des hinteren Teils darzustellen und ferner dessen gespiegeltes Bild auf dem undurchlässigen Abschnitt der Zielplatte, wobei dessen Auslenkung sowohl von der Lage des vorderen gegenüber dem hinteren Teil des Bohrkopfes als auch von einer Auslenkung der Bohrung selbst, also des hinteren Teils abhängt. Die Spiegel und der undurchlässige Abschnitt der Zielplatte sind aus der axialen Ausrichtung heraus geneigt angeordnet. Die von der Kamera zu beobachtenden beiden Lichtpunkte des Laserstrahls sind somit, wenn sie denn überhaupt die Abschnitte der Zielplatte treffen, nur über eine geometrische Berechnung des Strahlengangs der Lage der Tunnelkopfteile zueinander und bezüglich des Laserstrahls zuzuordnen. Ein intuitives Steuern ist nicht möglich.

Ferner ist beispielsweise aus der US 5,529,437 ein Führungssystem und ein Verfahren zur kontinuierlichen Ausrichtung einer Tunnelbohrmaschine entlang einer geraden Linie bekannt. Obgleich es sich dabei im Gegensatz zum Anmeldungsgegenstand um eine begehbare Tunnelbohrmaschine zum Bohren großer Durchmesser handelt, die keinerlei Energieversorgungs-, Daten­ übertragungs- und Platzprobleme im Bohrkopf hat, so verwendet das Führungssystem zur Lageanzeige des nur einteiligen Bohrkopfes bezüglich der axialen Er­ streckung der bereits verlegten Rohre eine Laser­ führung. Dies geschieht dadurch, daß ein Laserstrahl, beginnend im Bereich der zuletzt verlegten Rohre, axial in den Bohrkopf weist und dort auf in axialer Richtung und in Abstand zueinander hintereinander angeordnete Zielplatten mit je einem Fadenkreuz trifft, von denen die zum Laser weisende halb durchlässig ist. Die Abweichungen der Laserauftreffpunkte auf den Zieltafeln bezüglich der Fadenkreuze sind von einem Maschinen­ fahrer zu erkennen und lassen mittels EDV die Be­ rechnung der Lage der Tunnelbohrmaschine bezüglich der zuletzt verlegten Rohre zu. Der Maschinenfahrer gibt dazu die Koordinaten in einen Steuerungscomputer ein, der dann die entsprechenden Antriebe der Tunnelbohr­ maschine zur Rückführung der Abweichungen ansteuert. Das Führungssystem gewährleistet somit eine wenig anschauliche visuelle Darstellung der Lage des Bohr­ kopfes bezüglich der axialen Ausrichtung des zuletzt gebohrten Bohrabschnittes auf zwei Zieltafeln. Ein derartiges Führungssystem ist überdies, mangels des erforderlichen Platzbedarfs, auf wesentlich kleinere, also unbemannte Tunnelbohrköpfe nicht zu übertragen und gewährleistet weder eine Positionsbestimmung der Bohrung am Ort des Bohrkopfes noch eine Information für die Lage des Bohrkopfes bezüglich der Sollbohrung.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 07 372 U1 ist eine Lagereferenzeinrichtung für Bohrungen kleineren Durchmessers, also nicht bemannte Tunnelvortriebs­ maschinen bekannt. Die daraus bekannte Lagereferenz­ einrichtung dient insbesondere der Messung einer Winkelabweichung zwischen der Längsachse der Tunnel­ vortriebsmaschine und einem zum Ziel weisenden Laserstrahl. Hierzu ist vor der zur Erfassung der Lageabweichung dienenden Sensoranordnung mindestens ein Abschattungselement angebracht, das den Laserstrahl nur bei einem bestimmten Einfallswinkel ungehindert passieren läßt und ihn zunehmend abschwächt, je stärker der Einfallswinkel von der bevorzugten Durchlaßrichtung abweicht. Mit Hilfe der optischen Sensoranordnung wird dann die Gesamtintensität des durchgelassenen Laser­ strahls gemessen und einer Regeleinrichtung als Rückkopplungssignal zugeführt. Die Regeleinrichtung beeinflußt auf elektrischem Weg die bevorzugte Durch­ laßrichtung des Abschattungselements und regelt das Abschattungselement so, daß die durchgelassene Licht­ menge maximal wird. Die so geregelte Einstellung des Abschattungselements gibt die Richtung des Laserstrahls in bezug auf die Tunnelvortriebsmaschine an und ge­ stattet die Bestimmung der Winkelabweichung in einer Ebene. Wird auch eine Winkelabweichung in einer dazu senkrechten Ebene gewünscht, ist ein entsprechendes weiteres System zu ergänzen. Bereits hierdurch wird deutlich, daß diese Lagereferenzeinrichtung für mehrere Ebenen sehr aufwendig ist. Ferner ist sie überaus störempfindlich gegenüber Fremdlichteinfall und verwendet zu deren Minimierung zwei weitere Ab­ schattungselemente, wobei die Abschattungselemente z. B. auch elektromotorisch angetrieben werden. Diese aufwendige Lagereferenzeinrichtung ist ferner nicht geeignet, die Lage der Tunnelvortriebsmaschine bezüglich des tatsächlich zuletzt gebohrten Bohrab­ schnittes anzuzeigen, was bei zweiteiligen Tunnel­ bohrköpfen zu äußerst präzisen Bohrergebnissen führen kann.

Der vorstehend genannte Stand der Technik ist somit nicht geeignet, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung befriedigend zu lösen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Lageanzeige eines schwenkbaren vorderen Teils eines lasergeführten zweiteiligen Tunnelbohr­ kopfes zu schaffen, die am Ort des Tunnelbohrkopfes einen kontinuierlichen Soll-/Ist-Positionsvergleich der Bohrung und gleichzeitig kontinuierlich eine darauf bezogene Anzeige der momentanen Lage des schwenkbaren Teils bezüglich des nicht schwenkbaren ermöglicht und für eine automatische Steuerung und Dokumentation bereitstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Strahlengang zwischen Mattscheibe und Kamera eine entlang der Mattscheibenfläche bewegbare Scheibe an einem Endabschnitt eines im hinteren Teil gelagerten Hebelwerks angeordnet ist, dessen anderer Endabschnitt kugelgelenkig im vorderen Teil gelagert ist, daß das Hebelwerk die Scheibe aus der Ausgangsposition ent­ sprechend der Lage des vorderen bezüglich des hinteren Teils entlang der Mattscheibenfläche auslenkt und die Kamera den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Mattscheibe und den Schattenpunkt der Scheibe erfaßt.

Die erfindungsgemäß in den Strahlengang innerhalb einer Zielplatte, also zwischen Mattscheibe und Kamera ein­ gebrachte Scheibe, die die Verschwenkung des vorderen Teils gegenüber dem hinteren eines zweiteiligen Tunnel­ bohrkopfes repräsentiert, führt zu einer äußerst präzi­ sen wie auch anschaulichen Darstellung der Lagever­ hältnisse sowohl der Bohrung selbst, als auch der Tun­ nelbohrkopfteile zueinander und ermöglicht gleichzeitig eine direkte Vorstellung dieser Verhältnisse und somit dem Maschinenführer eine fast intuitive Steuerbewegung zum Ausgleich etwaiger Abweichungen der Bohrung. Über die Kamera und dessen Bilderfassungs- und Übertragungselektronik kann das erfaßte Bild in einen Steuerstand übertragen und dort an eine Steuerautomatik und Protokollierungselektronik übergeben werden.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß sich der zum Laser­ strahl weisende Endabschnitt des hinteren Teils des Tunnelbohrkopfes auf bereits verlegten Rohren gleich ausgerichtet abstützt und der vordere Teil in der Aus­ gangsposition in axialer Ausrichtung des hinteren Teils und parallel zum Laserstrahl verläuft, der vom Bohr­ start zum Bohrziel weist. Üblicherweise wird der Tunnelbohrkopf, auch ein zweiteiliger, mit einer Hydraulik in einem Startschacht durch die Bohrung geradlinig in Richtung Endschacht gepreßt, also zum Bohrziel. Die Kraftübertragung von der Hydraulik auf den Tunnelbohrkopf vermittelt das bereits verlegte Rohr. Der Tunnelbohrkopf selbst ist dabei extern steuerbar, also von einem Steuerstand aus, um Rich­ tungsabweichungen der Bohrung auszugleichen, die beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Bohrver­ hältnisse entstehen. Die Richtungsabweichungen werden über den Laserstrahl festgestellt, wenn die Bohrung nicht mehr der Ausgangsposition entspricht. Im Ideal­ fall, also ohne Abweichung der Bohrung, entspricht der zweiteilige Tunnelbohrkopf einem einteiligen mit axialer Ausrichtung entsprechend der Sollbohrung.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Mattscheibe exzentrisch am inneren Umfang des hinteren Teils des zylindrischen Tunnelbohrkopfes derart angeordnet ist, daß der Laserstrahl in der Ausgangsposition die Mattscheibe in ihrem Zentrum trifft. Wie bereits erwähnt, zeigt der Laserstrahl vom Bohrstart zum Bohrziel. Da im Zentrum der Bohrung, also auch im Tunnelbohrkopf Bohrelemente, wie beispielsweise eine Schnecke oder für eine Spülbohrung Zu- und Ableitungen angeordnet sind, verläuft der Laserstrahl exzentrisch. Die Mattscheibe ist am hinteren, unbeweglichen Teil des Tunnelbohrkopfes derart angeordnet, daß ein mittiges Auftreffen des Laserstrahls die Sollposition der Bohrung anzeigt bzw. eine Abweichung aus dem Zentrum der Mattscheibe eine Istabweichung von einer Sollposition direkt anzeigt.

Ferner ist vorgesehen, daß das Hebelwerk die Scheibe in der Ausgangspostion zwischen Mattscheibe und Kamera im Zentrum der Mattscheibe positioniert und dessen Dreh­ punkt auf der Achse des Laserstrahls liegt. Dies hat den Vorteil, daß, solange die beiden Teile des Tunnel­ bohrkopfes gleich ausgerichtet sind, diese Ausrichtung ebenfalls bezüglich des vom Laser erzeugten Auftreff­ punkts angezeigt bzw. von der Kamera erfaßt wird. Befinden sich also sowohl der Laserauftreffpunkt als auch der Schattenpunkt im Zentrum der Mattscheibe, dann sind beide Teile des Tunnelbohrkopfes entsprechend dem Laserstrahl ausgerichtet und die Bohrung entspricht der Sollvorgabe. Rückt der Laserpunkt aus dem Zentrum heraus, dann kann zur Rückführung durch eine Steuer­ bewegung der vordere Teil aus seiner bisherigen Lage herausgeschwenkt werden, wodurch über das Hebelwerk die Scheibe und somit der Schattenpunkt ebenfalls aus dem Zentrum der Mattscheibe herausläuft. Diese Steuerbe­ wegung ist nun über die Kamera am Steuerstand sichtbar, so daß die Schwenkbewegung in Betrag und Richtung gezielt ansteuerbar ist und die Bohrrichtungsabweichung optimal zurückgeführt werden kann, bis letztlich sowohl der Laserauftreffpunkt wie auch der Schattenpunkt wieder im Zentrum zu liegen kommen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Abstände zwischen Mattscheibe und Kamera und Scheibe und Kamera auswertbare Ab­ bildungen des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf der Mattscheibe und des Schattenpunkts erzeugen. Um das erfindungsgemäße einfache optische Prinzip optimal ausnutzen bzw. über eine Kamera auswerten zu können, sind die Abstände zwischen Mattscheibe und Kamera sowie Scheibe und Kamera derart zu wählen, daß sicher aus­ wertbare Abbildungen in der Kamera entstehen. Da die Laserstrahlen trotz Aufweitung als weitgehend parallele Strahlen im entfernten Tunnelbohrkopf ankommen, können diese Voraussetzungen einfach erfüllt werden und führen zu reproduzierbaren Darstellungen in der Kamera.

Vorteilhaft ist ferner vorgesehen, daß je nach Ausge­ staltung des Hebelwerks eine horizontale Verschwenkung des vorderen Teils eine proportionale gleichsinnige oder gegensinnige Verschwenkung und eine vertikale Verschwenkung des vorderen Teils eine proportionale gleichsinnige oder gegensinnige Verschwenkung letztlich der Scheibe bewirkt. Das Hebelwerk kann erfindungsgemäß überaus einfach, nämlich quasi als Wippe ausgebildet sein, die sowohl horizontale wie auch vertikale Ver­ schwenkungen zuläßt. Die Längen der Hebel zueinander auf beiden Seiten der Lagerung bilden dabei eine Möglichkeit der Anpassung des maximalen Schwenkbereichs des vorderen Teils an die Abmessungen der Mattscheibe. Das Hebelwerk kann vorteilhaft eine jeweils gegen­ sinnige Verschwenkung der beiden Hebelabschnitte bewirken, so daß jede Auslenkung der Scheibe seiten­ richtig der Auslenkung des vorderen Teils entspricht und das auf der Kamera erscheinende Bild den tat­ sächlichen Verhältnissen entspricht, wodurch eine einfache und direkte Handhabung der Steuerung möglich wird.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß am inneren Umfang des hinteren Teils mindestens je ein in horizontaler und in vertikaler Richtung drehbewegliches Lager die schwenkbewegliche Lagerung des Hebelwerks bildet und die zur Scheibe und zum vorderen Teil weisenden Hebelabschnitte starr oder über ein deren Auslenkrichtung umkehrendes Getriebeelement verbunden sind. Hierdurch ist es möglich, die zuvor genannten Bewegungen der Hebelabschnitte einfach zu realisieren, wobei der zentrale Drehpunkt der Hebelabschnitte am hinteren Teil fixiert ist.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß der Endabschnitt des zum vorderen Teil weisenden Hebelabschnitts ein Kugelelement aufweist, welches in einer entsprechenden Lagerpfanne des vorderen Teils kugelgelenkig gelagert ist. Hierdurch ist es auf einfachste Weise möglich, eine in einem Kegelabschnitt drehbewegliche, besser kugelgelenkige Lagerung des entsprechenden Hebelabschnittes zu gewährleisten. Am Rande sei erwähnt, daß auch große Schwenkbewegungen des vorderen Teils durch eine entsprechende Position der Vorrichtung ausgleichbar sind. Dies verdeutlicht den universellen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Vorteilhaft ist vorgesehen, daß die Scheibe am zum Laserstrahl weisenden Endabschnitt des Hebelabschnitts angeordnet ist, der dem Strahlengang ausweichend bogenförmig und schattenmindernd schmal ausgestaltet ist. Hierdurch wird die Position der Scheibe möglichst nahe an die Mattscheibe herangeführt, wodurch der Paralaxenfehler bei Abweichungen von der Sollage minimiert wird. Der Hebelabschnitt ist bogenförmig ausgestaltet, so daß die durch ihn erzeugten Schatteneffekte gering gehalten werden, die die Auswertung stören könnten. Hierzu ist der Hebelab­ schnitt auch noch äußerst schmal ausgestaltet, so daß er, beleuchtet vom Laserstrahl, einen möglichst schmalen Schatten wirft.

Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein zwischen Scheibe und Kamera angeordneter 45° Spiegel den Strahlengang parallel zur Ebene der Mattscheibe zur Kamera umlenkt. Hierdurch kann der Drehpunkt der schwenkbeweglichen Lagerung auf der Achse des Laserstrahls der eingangs beschriebenen Ausgangs­ position positioniert werden, wodurch das Hebelwerk, wie ausgeführt, anmeldungsgemäß einfach ausgestaltet sein kann. Das Bild für die Kamera kann dabei ohne Informationsverlust über den Spiegel zur Seite umge­ lenkt werden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kamera eine CCD-Kamera mit inte­ grierter Bilderfassungs- und Übertragungselektronik ist, die ein Videosignal an einen Steuerstand über­ trägt. Hierdurch ist die direkte Auswertung des von der Kamera erfaßten Bildes mittels eines Videogerätes möglich. Die CCD-Kamera erfaßt somit das Bild und gibt z. B. ein BAS Videosignal als Videoinformation zum Steuerstand ab. Zur Verbesserung der Bildqualität kann in der Übertragungselektronik das Signal auch geeignet vorbehandelt und am Steuerstand wieder in den ursprüng­ lichen Zustand zurückversetzt werden. Im Steuerstand wird das Videosignal dann in einer bekannten PC- gestützten Frame-Grabber-Karte digitalisiert und durchläuft einen Bilderkennungsalgorithmus, der die Mittelpunkte des Auftreffpunkts des Laserstrahls und des Schattenpunkts identifiziert, filtert und visualisert. Die digitalen Daten liegen dann im PC zur Steuerung, Archivierung und Weiterverwendung vor.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Übertragunselektronik eine Auswerteelektronik mit digitalem Signalprozessor zur Digitalisierung und Auswertung der Mittelpunkts­ koordinaten der Bildpunkte vorgeschaltet ist. Hierdurch kann die räumlich begrenzte Übertragungsmöglichkeit von analogen Videosignalen überwunden werden und gleich­ zeitig ein vollständig ausgewertetes digitales Signal zum Steuerstand übermittelt werden. Hierzu werden die Mittelpunktskoordinaten des Laserauftreffpunkts sowie des Schattenpunkts über einen digitalen Signalprozessor und einen Bilderkennungsalgorithmus in der Kamera er­ mittelt und digital und gefiltert an den Steuerstand übertragen. Dies erleichtert eine manuelle Bohrkopf­ steuerung und ermöglicht gleichzeitig eine automatische Bohrkopfsteuerung mit digitaler Datenerfassung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Mattscheibe, die Kamera die Bilderfassungs-, Auswerte- und Übertragungs­ elektronik und der zum Laserstrahl weisende Hebelab­ schnitt, sowie die Lagerung des Hebelwerks in einem dichten entfeuchteten Gehäuse mit Stickstoff angeordnet sind, welches am inneren Umfang des hinteren Teils befestigbar ist, und daß das Hebelwerk die Gehäuse­ durchführung gasdicht verschließt. Hierdurch entsteht eine in sich abgeschlossene Vorrichtung, die als solche handel- und einsetzbar ist. Um die äußerst robuste Vorrichtung, die neben empfindlichen optischen auch elektronische Elemente aufweist gegen Feuchtigkeit zu schützen, sind sämtliche Öffnungen des Gehäuses vor der Endmontage mit Silikon zu verschließen, das Silikon auszutrocknen und bei der Endmontage das Gehäuse mit einem Heißluftstrom zu trocknen und anschließend über ausgewählte Schraubenlöcher mit Stickstoff zu spülen.

Die Vorrichtung arbeitet nun folgendermaßen:

Der Laserstrahl zeigt vom Bohrschacht in Richtung des Bohrzieles. Er trifft dabei auf die Mattscheibe im Tunnelbohrkopf und erzeugt dort einen hellen Auf­ treffpunkt. Die Ausrichtung entspricht der Vorgabe, wenn das Zentrum des hellen Auftreffpunkt im Zentrum der Mattscheibe liegt. Auf der Rückseite der Matt­ scheibe befindet sich die CCD-Kamera, die das Bild der Mattscheibe als Videoinformation (BAS Signal) zum Steuerstand überträgt. Die Steuerbewegung des vorderen Teils wird durch die Mechanik des Hebelwerks auf die Scheibe übertragen, die sich zwischen Mattscheibe und Kamera befindet. Die Scheibe deckt den Lichtfluß zwischen Mattscheibe und Kamera ab und erscheint somit als dunkler Schatten im Kamerabild. Befindet sich dieser Schatten im Zentrum des Kamerabildes so ist der steuerbare vordere Teil des Bohrkopfes in Bohrkopf­ achse. Befindet sich der Schatten links, rechts, über oder unter dem Zentrum des Kamerabildes, so ist der vordere Teil des Bohrkopfes entsprechend nach links, rechts, oben oder unten ausgelenkt (oder entsprechend gegensinnig). Anhand des hellen und des dunklen Punktes wird eine Hydraulik zur Richtungskorrektur des Bohr­ kopfes manuell betätigt. Gegenüber einer auch bekannten Vorgehensweise zur Lageanzeige des vorderen Teils, bei der z. B. die Wege der Steuerzylinder gemessen und angezeigt werden, aus denen der Maschinenfahrer dann auf die Ausschwenkung des vorderen Teils schließen muß, gibt die erfindungsgemäße Lageanzeige mit dem Schattenpunkt eindeutig die Richtung an, in die gefahren wird. Die erfindungsgemäße Maschinensteuerung ist damit einfacher erlernbar und sicherer gegen Fehlbedienung.

Hinsichtlich der Bildfassungs- und Übertragungs­ elektronik ergeben sich i. d. R. Probleme bei der unverstärkten Übertragung des Videosignals bei einem größeren Abstand. Die Reichweite kann anmeldungsgemäß dadurch erweitert werden, bei gleichzeitiger Ver­ besserung der Bildqualität, daß das Videosignal auf der Kamerseite in der Übertragungselektronik geeignet vorbehandelt und am Steuerstand wieder in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird. Im Steuerstand wird das Videosignal dann in einer handelsüblichen PC gestützten Frame-Grabber-Karte digitalisert. Im PC läuft dann ein Bilderkennungs­ algorithmus, der die Mittelpunkte des Laserauftreff­ punkts und Schattenpunkts identifiziert, filtert und visualisiert. Die digitalen Daten liegen somit im PC zur Archivierung und Weiterverwendung vor.

Auch wird der Auftreffpunkt des Lasers mit zunehmendem Abstand zwischen Startschacht und Mattscheibe unscharf. Ferner beeinflussen Vibrationen im Bohrkopf die Lokalisation der zu identifizierenden Punkte. Hier schafft die erfindungsgemäße Auswerteelektronik mit einem digitalem Signalprozessor zur Digitalisierung und Auswertung der Mittelpunktskoordinaten der Bildpunkte abhilfe, der der Übertragungselektronik vorgeschaltet ist und die Kamera durch eine Bild- und Signalver­ arbeitungstechnik derart ergänzt, daß die Mittel­ punktskoordinaten des Auftreffspunkts und des Schatten­ punkts digital und gefiltert zur Übertragung und Anzeige zur Verfügung stehen. Dadurch wird eine manuelle Bohrkopfsteuerung erleichtert und eine auto­ matische Bohrkopfsteuerung mit digitaler Datenerfassung möglich. Beispielsweise werden jede Sekunde die Mittel­ punkte von Laserstrahl und Schatten dann digitalisiert und das Kamerabild ständig analog übertragen. Bei einer automatischen Steuerung kann auf letzteres verzichtet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend Fig. 1 ohne Gehäuse und Mattscheibe,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt gemäß Linie A-A in Fig. 4 durch einen Tunnelbohrkopf mit erfindungsgemäßer Vorrichtung und

Fig. 4 den Einbauort der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiteiligen Tunnelbohrkopf.

Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Lageanzeige mit einem Gehäuse 11, einer zum nicht dargestellten Laser weisenden Mattscheibe 12, in der Fig. 1 am linken Rand des Gehäuses 11, und einem am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 11 herausragenden Hebelabschnitt 13, der an seinem äußeren Endabschnitt 14 ein Kugelelement 15 zur drehbeweglichen Lagerung in einem, in Fig. 4 dargestellten, vorderen Teil 16 eines zweiteiligen Tunnelbohrkopfes 17 hat. In Fig. 1 ist ein Laser­ strahl 18 des Lasers, wie auch in den übrigen Fig. 2 bis 4, in einer Ausgangsposition mittels einer ge­ strichelten Linie dargestellt. Ersichtlich verläuft die Achse des Laserstrahls 18 durch einen Drehpunkt 19 eines Hebelwerks 20, dessen nach außen ragender Hebel­ abschnitt 13 in einem durch gestrichelte Linien 21 begrenzten Kegelabschnitt drehbeweglich gelagert ist.

Das Gehäuse 11 ist derart konstruiert und beispiels­ weise an einigen Positionen 22 verschraubt und mit Silikon versiegelt, daß es gasdicht ist. Dies betrifft auch das Hebelwerk 20, so daß das Gehäuse 11 nach Austrocknung mit Stickstoff gefüllt werden kann, was der Betriebssicherheit der optischen und elektronischen Einbauten Rechnung trägt. Das Gehäuse 11 ist derart exzentrisch am inneren Umfang eines hinteren Teils 23 des zweiteiligen Tunnelbohrkopfes 17 anzuordnen, daß in der Ausgangsposition, in der der vordere und hintere Teil 16, 23 des Tunnelbohrkopfes 17 parallel zum ziel­ weisenden Laserstrahl 18 verlaufen, der Laserstrahl 18 die Mattscheibe 12 in ihrem Zentrum 34 trifft. Das Gehäuse 11 ist dabei axial derart nahe an den vorderen Teil 16 zu bringen, daß das Kugelelement 15 in eine Lagerpfanne 24 des vorderen Teils 16 eingreifen kann.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1, jedoch ohne Gehäuse 11 und Mattscheibe 12. Dargestellt ist wiederum die Ausgangsposition, d. h., der Dreh­ punkt 19, der Hebelabschnitt 13, das Kugelelement 15, wie auch eine Scheibe 25 am Endabschnitt 26 eines zum Laser weisenden Hebelabschnittes 27 des Hebelwerks 20 befinden sich auf der Achse des Laserstrahls 18. Ersichtlich ist der Hebelabschnitt 27 dem Strahlengang ausweichend bogenförmig und schattenmindernd schmal ausgebildet. Das Hebelwerk 20 übersetzt nun diejenigen Schwenkbewegungen des vorderen Teils 16, angelenkt von der Lagerpfanne 24 über den Hebelabschnitt 13, in gleichsinnige oder gegensinnige Verschwenkungen des Hebelabschnittes 27, bezogen auf den möglichen Be­ wegungskegel 21 und dem Platzangebot auf der Matt­ scheibe 12, so daß die Scheibe 25 eine proportionale gleichsinnige oder gegensinnige Verschwenkung des Hebelabschnittes 13 vollzieht und somit die Lage des vorderen Teils 16 bezüglich des hinteren Teils 23 darstellt. Die Scheibe 25 ist dazu möglichst nahe der Mattscheibe 12 angeordnet um Paralaxenfehler zu minimieren und bewegt sich quasi in der Ebene in der Mattscheibe 12. Wird nun der Hebelabschnitt 13 verschwenkt, so wird gleichzeitig die Scheibe 25 ent­ sprechend aus der Achse des Laserstrahls 18 heraus verschwenkt. Allein aus Platzgründen kann ein 45° Spiegel 28 zwischen Mattscheibe 12, Scheibe 25 und Kamera 29 angeordnet sein, der den Strahlengang in eine zur Mattscheibenebene parallele Richtung umlenkt.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Schnitt gemäß Linie A- A in Fig. 4 derart, daß das von der Kamera 29 erfaßte Bild 30 im Strahlengang hinter der Scheibe 25 zu er­ kennen ist. Das Bild 30 zeigt einen hellen Auftreff­ punkt 31, der dem Auftreffpunkt des Laserstrahls 18 auf die Mattscheibe 12 entspricht und einen dunklen Schat­ tenpunkt 32, der aufgrund der Abschattung durch die Scheibe 25 entsteht. Das in Fig. 3 bezüglich der Matt­ scheibe 12 dargestellte Fadenkreuz 33 weist dessen Zentrum 34 in der Ausgangsposititon aus. Demzufolge befindet sich in Fig. 3 der Laserauftreffpunkt 31 im Zentrum 34 und der Schattenpunkt 32 etwas rechts ober­ halb desselben. Dies bedeutet, daß sich der Bohrkopf 17 momentan auf der Sollinie befindet und der vordere Teil 16 je nach Art des Hebelwerks entweder nach rechts oben oder links unten ausgeschwenkt ist. Der Maschinenfahrer kann nun die Verschwenkung zurückfahren, wodurch der Schattenpunkt 32 ebenfalls ins Zentrum 34 wandert. Wandert bei fortschreitender Bohrung dann der Laserauf­ treffpunkt 31 aus dem Zentrum 34 aus, dann kann gezielt der vordere Teil 16 beispielsweise in die entgegen­ gesetzte Richtung verschwenkt werden bis der Laserauf­ treffpunkt 31 zusammen mit dem Schattenpunkt 32 wieder ins Zentrum 34 geführt sind. Dies alles geschieht kon­ tinuierlich oder diskontinuierlich während des Bohrens. Die Bilder werden über eine CCD-Kamera erfaßt und als Videosignal an einen Steuerstand übertragen, dessen Monitor dem Maschinenfahrer somit kontinuierlich die Lage der Bohrung und die des vorderen Teils 16 bezüg­ lich des hinteren Teils 23 angibt.

Zur Überwindung von Übertragungsproblemen bei einigen Hundert Metern Entfernung, kann das Videosignal in einer Übertragungselektronik vorbehandelt und im Steu­ erstand dann in den ursprünglichen Zustand zurückver­ setzt werden, bevor es in einer handelsüblichen PC- gestützen Frame-Grabber-Karte digitalisiert und die Mittelpunkte des Laserauftreffpunkts 31 und des Schattenpunkts 32 im PC über einen Bilderkennungs­ algorithmus identifiziert, gefiltert und visualisiert werden. Die digitalen Daten liegen damit dem PC zur Archivierung usw. vor. Beispielsweise liegen dann jede Sekunde die Mittelpunkte digitalisiert und das Kamerabild kontinuierlich und analog vor.

Alternativ kann auch bereits der Übertragungselektronik eine Auswerteelektronik mit digitalem Signalprozessor zur Digitalisierung und Auswertung der Mittelpunkts­ koordinaten der Bildpunkte vorgeschaltet sein, so daß bereits digitale Daten übertragen werden, wodurch die Entfernungsprobleme überwunden werden und gleichzeitig eine automatische Bohrkopfsteuerung mit digitaler Da­ tenerfassung möglich wird. Ferner ist in Fig. 3 die exzentrische Anordnung der Vorrichtung 10 im Tunnel­ bohrkopf 23, z. B. wegen einer Förderschnecke 35, gut zu erkennen.

Fig. 4 zeigt den hier interessierden vorderen Teil 16 und hinteren Teil 23 des zweiteiligen Tunnelbohrkopfes 17 in einer schematischen Darstellung. Die Vorrichtung zur Lageanzeige 10 ist im hinteren Teil 23 an dessen innerem Umfang nahe des vorderen Teils 16 angeordnet, damit die in ihm befestigte Lagerpfanne 24 das Kugel­ element 15 aufnehmen kann. Dargestellt ist wiederum die Ausgangsposition, also diejenige, in der keine Ver­ schwenkung der beiden Teile 16, 23 des Tunnelbohr­ kopfes 17 zueinander vorliegt und der Tunnelbohrkopf 17 gleichzeitig in der Achse des Laserstrahls 18 aus­ gerichtet ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Fig. 1 bis 4 sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Er­ findung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindungen in ihren unterschiedlichen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Lageanzeige eines schwenkbaren vorderen Teils eines lasergeführten zweiteiligen Tunnelbohrkopfes, mit in Ausgangsposition axialer Ausrichtung parallel zum Laserstrahl und einer Zielplatte im Inneren des hinteren Teils, die zum Laserstrahl weisend und orthogonal zur Längsachse eine Mattscheibe hat und im Strahlengang dahinter eine Kamera mit Bilderfassungs- und Übertragungs­ elektronik aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Mattscheibe (12) und Kamera (29) eine entlang der Mattscheibenfläche bewegbare Scheibe (25) an einem Endabschnitt (26) eines im hinteren Teil (23) gelagerten Hebelwerks (20) angeordnet ist, dessen anderer Endabschnitt kugelgelenkig im vorderen Teil (16) gelagert ist, daß das Hebelwerk (20) die Scheibe (25) aus der Ausgangsposition entsprechend der Lage des vorderen bezüglich des hinteren Teils (16, 23) entlang der Mattscheibenfläche auslenkt und die Kamera (29) den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Mattscheibe (12) und den Schattenpunkt (32) der Scheibe (25) erfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der zum Laserstrahl (18) weisende Endabschnitt des hinteren Teils (13) des Tunnelbohrkopfes (17) auf bereits verlegten Rohren gleich ausgerichtet abstützt und der vordere Teil (16) in der Ausgangsposition in axialer Ausrichtung des hinteren Teils (23) und parallel zum Laserstrahl (18) verläuft, der vom Bohrstart zum Bohrziel weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mattscheibe (12) exzen­ trisch am inneren Umfang des hinteren Teils (23) des zylindrischen Tunnelbohrkopfes (17) derart angeordnet ist, daß der Laserstrahl (18) in der Ausgangsposition die Mattscheibe (12) in ihrem Zentrum (34) trifft.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hebelwerk (20) die Scheibe (25) in der Ausgangspostion zwischen Mattscheibe (12) und Kamera (29) im Zentrum (34) der Matt­ scheibe (12) positioniert und dessen Drehpunkt (19) auf der Achse des Laserstrahls (18) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abstände zwischen Matt­ scheibe (12) und Kamera (29) und Scheibe (25) und Kamera (29) auswertbare Abbildungen des Auftreff­ punkts (31) des Laserstrahls (18) auf der Matt­ scheibe (12) und des Schattenpunkts (32) erzeugen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je nach Ausgestaltung des Hebel­ werks (20) eine horizontale Verschwenkung des vorderen Teils (16) eine proportionale gleich­ sinnige oder gegensinnige Verschwenkung und eine vertikale Verschwenkung des vorderen Teils (16) eine proportionale gleichsinnige oder gegensinnige Verschwenkung letztlich der Scheibe (25) bewirkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am inneren Umfang des hinteren Teils (23) mindestens je ein in horizontaler und in vertikaler Richtung drehbewegliches Lager die schwenkbewegliche Lagerung des Hebelwerks (20) bildet und die zur Scheibe (25) und zum vorderen Teil (16) weisenden Hebelabschnitte (13, 27) starr oder über ein deren Auslenkrichtung umkehrendes Getriebeelement verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Endabschnitt des zum vorderen Teil (16) weisenden Hebelabschnitts (13) ein Kugelelement (15) aufweist, welches in einer entsprechenden Lagerpfanne (24) des vorderen Teils (16) kugelgelenkig gelagert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Scheibe (25) am zum Laser­ strahl (18) weisenden Endabschnitt des Hebel­ abschnitts (27) angeordnet ist, der dem Strahlen­ gang ausweichend bogenförmig und schattenmindernd schmal ausgestaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zwischen Scheibe (25) und Kamera (29) angeordneter 45° Spiegel (28) den Strahlengang parallel zur Ebene der Matt­ scheibe (12) zur Kamera (29) umlenkt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kamera (29) eine CCD-Kamera mit integrierter Bilderfassungs- und Übertragungs­ elektronik ist, die ein Videosignal an einen Steuerstand überträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übertragungselektronik eine Auswerteelektronik mit digitalem Signalprozessor zur Digitalisierung und Auswertung der Mittel­ punktskoordinaten der Bildpunkte (31, 32) vorgeschaltet ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mattscheibe (12), die Kamera (29), die Bilder­ fassungs-, Auswerte- und Übertragungstechnik und der zum Laserstrahl (18) weisende Hebelab­ schnitt (27), sowie die Lagerung des Hebel­ werks (20) in einem dichten entfeuchteten Gehäuse (11) mit Stickstoff angeordnet sind, welches am inneren Umfang des hinteren Teils (23) befestigbar ist, und daß das Hebelwerk (20) die Gehäusedurchführung gasdicht verschließt.