DE2511419C2 - Einrichtung zum Führen einer Teilschnittstreckenvortriebsmaschine und Verfahren zum Betrieb dieser Einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Führen einer Vortriebsmaschine, die mit einem an einem allseitig schwenkbaren Tragarm gelagerten Lösewerkzeug ausgestattet ist und aus an der Vortriebsmaschine angeordneten Vorrichtungen zum Ermitteln der Krängungen sowie der Winkel- und Parallelabweichungen und einem Rechner besteht, der mit Vorrichtungen verbunden ist, die den Krängungen und/oder den Winkel- und Parailelabweichungen der Vortriebsmaschine proportionale Signale bilden, mit denen der Rechner mit Hilfe eines das Streckenprofil bestimmenden mathematischen Programms den Aktionsbereich des Tragarmes auf den aufzufahrenden Streckenquerschnitt begrenzt, oder einer an Stelle des Rechners vorhandenen, in ihrer Ebene verschiebbaren, dem aufzufahrenden Streckenquerschnitt ähnlichen Schablone, deren Stellmechanismus von den Krängungen und/oder den Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine proportionalen Signalen gesteuert wird, sowie einer die Schablone abtastenden Lichtschranke, die den Sollwertkoordinaten des Lösewerkzeuges proportiona-Ie Signale erzeugt, denen sich die durch den Winkelabweichungen proportionale Signale korrigierbaren Istwertsignale der Lösewerkzeugkoordinaten angleichen, wobei die Vortriebsrichtung durch den Strahl eines Lasers vorgegeben ist, der von einem

so Empfänger aufgenommen wird, der der Vortriebsmaschine ihren Parallelabweichungen entsprechende Korrektursignale zuleitet, und ein Verfahren zum Betrieb dieser Einrichtung.

Es ist bereits eine Einrichtung vorgeschlagen worden, die zur Begrenzung der Verstellbewegung eines an einem allseitig schwenkbaren Tragarm einer Vortriebsmaschine gelagerten Lösewerkzeuges auf den aufzufahrenden, durch einen in Tunnellängsrichtung verlaufenden Laserstrah! festgelegten Streckenquerschnitt dient.

Sie besitzt eine dem Streckenquerschnitt geometrisch ähnliche, den Aktionsbereich des Lösewerkzeuges begrenzende, von einer Reflektionslichtschranke abgetastete und in ihrer Ebene verschiebbar und drehbar gelagerte Schablone und eine den Laserstrahl aufnehmende, in ihrer Ebene verstellbare, vom Laserstrahl fixierte Empfängerfläche, mit deren Hilfe sie den Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine entsprechende Signale erzeugt. Zwei Kreiselsysteme, von

denen eines eine horizontale und das andere eine vertikale Rotationsachse besitzt, die beide in Querschnittsebenen der aufzufahrenden Strecke liegen, sind mit Vorrichtungen verbunden, die den Winkelabweichungen und den Krängungen der Vortriebsmaschine proportionale Signale bilden. Sie korrigieren mit ihren den horizontalen oder den vertikalen Winkelabweichungen proportionalen Signalen die Istwerte der Lösewerkzeugkoordinaten. Ferner ist ein die Schablone in ihrer Ebene zusammen mit dem Stellmechanismus ihrer Lichtschranke verschiebender und drehender Stellmechanismus vorhanden, der von den Signalen der Empfängerfläche steuerbar ist (deutsche Patentanmeldung P 24 27 816.8).

Außerdem sind bereits Vortriebsmaschinen vorge- is schlagen worden, die mit einem an einem allseitig schwenkbaren Tragarm gelagerten Lösewerkzeug ausgerüstet sind, dessen Aktionsbereich auf den durch einen in Tunnellängsrichtung verlaufenden Laserstrahl festgelegten Streckenquerschnitt begrenzt ist Auch diese Vortriebsmaschinen besitzen Einrichtungen zum Feststellen von Krängungen und Abweichungen gegenüber einem Laserstrahl und erzeugen den Abweichungen und/oder Krängungen proportinale Signale zur Korrektur des Aktionsbereiches des Lösewerkzeuges. Ein Rechner, der mit Hilfe eines das Streckenprofil in Form und Größe bestimmenden mathematischen Programms und eines einer Istwertkoordinate des Lösewerkzeuges proportionalen Signals sowie gegebenenfalls auftretender Korrektursignale fortlaufend eine zu dieser Istwertkoordinate rechtwinklige, durch den Schnittpunkt der Lösewerkzeugkoordinaten verlausende Grenzwertkoordinate errechnet bestimmt durch diese Grenzwertkoordinate jeweils den Punkt der Bewegungsbahn, auf der sich die Mitte des Lösewerkzeuges bei einem das Streckenprofil tangierenden und zu ihm parallelen Schnitt bewegen würde. Außerdem vergleicht der Rechner diese Grenzwertkoordinate fortlaufend mit der anderen Istwertkoordinate des Lösewerkzeugec und unterbindet dadurch jede über den errechneten Grenzwert hinausgehende Lösewerkzeugbewegung (DE-PS 24 58 514).

Bei den vorbeschriebenen Vortriebsmaschinen werden die während der Vortriebsarbeiten auftretenden Erschütterungen und Schwingungen auf die zur Steuerung des Tragarmes und auch auf die zur Ermittlung der Abweichungen dienenden Einrichtungen übertragen und verfälschen die von der Empfängerfläche bzw. von den Kreiseln ausgehenden Korrekturwerte, die den Aktionsbereich des Tragarmes mit der Sollage des Streckenquerschnittes in Übereinstimmung bringen.

Es gehört zum vorbekannten Stand der Technik, Lasergeräte zur Richtungskontrolle von Tunnelbaumaschinen zu benutzen. Diese Lasergeräte sind in einem verwindungssteifen Gehäuse stoß- und spritzwasscrgeschützt untergebracht und an der Tunneldecke aufgehängt (vergleiche Tiefbau 1971, Seite 1180).

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, bei der eingangs erläuterten Einrichtung die Vorrichtungen, die die Maschinenabweichungen ermitteln, vor die Meßergebnisse verfälschenden Schwingungen und Erschütterungen der Vortriebsmaschine geschützt anzuordnen.

Dazu geht die Erfindung von der eingangs beschriebenen Vortriebsmaschine aus und schlägt vor, sie mit einem von Dämpfungsgliedern getragenen Gehäuse zu versehen, in welchem der Laser raumgelenkig gelagert und die die Krängungen und die Winkelabweichungen ermittelnden Vorrichtungen angeordnet sind, die den Laser in einer zur Streckensohle parallelen Lage sowie gegenüber Krängungen fesseln und auf den in der Strecke angeordneten Empfänger ausrichten. Bei dieser Anordnung bleiben sowohl der die Parallelabweichungen mit Hilfe der Empfängerfläche ermittelnde Laser als auch die die Winkelabweichungen und die Krängungen ermittelnden und Laser oder Gehäuse fesselnden Vorrichtungen weitgehend frei von Erschütterungen und Schwingungen. Diese Vorrichtungen und auch der Laser lassen sich im Gegensatz zu dem Empfänger wegen ihrer geringen Abmessungen und Masse in einem verhältnismäßig kleinen, kompakten Gehäuse unterbringen, das ohne Schwierigkeiten auf der Vortriebsmaschine, beispielsweise oberhalb der senkrechten Tragarmschwenkachse, auf Schwingmetallen vor Stoßen und Erschütterungen weitgehend geschützt betriebssicher gelagert werden kann. Von besonderem Vorteil ist es, daß die die Winkelabweichungen und die Krängungen ermittelnden Einrichtungen das Gehäuse oder aber den Laser in seiner senkrechten und auch in seiner horizontalen Ebene festhalten, so daß im Bereich des Empfängers nur die Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine, also deren Abweichungen in der Horizontalen und Vertikalen, mit Hilfe des Laserstrahls ermittelt zu werden brauchen. Diese Abweichungen lassen sich aber selbst in größerer Entfernung von der Vortriebsmaschine noch auf einer relativ kleinen Empfängerfläche darstellen und in Korrektursignale umsetzen; im Gegensatz zu den Winkelabweichungen der Vortriebsmaschine, die bei größeren Entfernungen von der Vortriebsmaschine wegen der weiten Abweichung des Laserstrahls nur noch von einer übergroßen Empfängerfläche erfaßt werden können.

Zweckmäßigerweise ist der Laser kardanisch gelagert und wird von Kreiselsystemen und/oder elektrischen Neigungswaagen und/oder durch die Schwerkraft in seiner vorgegebenen Lage gehalten. Die den Laser in seiner Lage haltenden Stellkräfte können unmittelbar von den Kreiseln oder aber von besonderen Schrittmotoren aufgebracht werden, die von den Kreiseln bzw. von den Neigungswaagen gesteuert werden.

Gegenüber der Horizontalebene ist der Laser in an sich bekannter Weise verstellbar gelagert, damit er sich entsprechend dem Verlauf der ansteigend oder einfallend aufzufahrenden Strecke, also parallel zur Ebene der Streckensohle, einstellen läßt.

Nach einem weiteren, die Erfindung ausgestaltenden Merkmal kann der in der Strecke aufgestellte Empfänger horizontal und vertikal verstellbar gelagert und mit einem vom auftreffenden Laserstrahl steuerbaren, den Mittelpunkt der Empfängerfläche mit dem Laserstrahl zur Deckung bringenden Stellmechanismus versehen sein. Es ist aber auch möglich, den in der Strecke befindlichen Empfänger unbeweglich anzuordnen und ihn mit einer auch die größten Parallelabweichungen des Laserstrahls erfassenden Empfängerfläche auszustatten. In beiden Fällen ist die der Vortriebsmaschine zugewandte Empfängerfläche mit zeilen- oder rasterförmig angeordneten Fotodioden besetzt, von denen jeweils die vom Laserstrahl getroffene Fotodiode einen Impuls auslöst, der mit Hilfe des Stellmechanismus den Flächenmittelpunkt mit dem Laserstrahl zur Deckung bringt oder, bei fest angeordnetem Empfänger den Koordinaten der Fotodiode entsprechende Signale erzeugt, die über eine Leitung oder drahtlos der Vortriebsmaschine, und zwar deren Rechner, als Korrektursignale zugehen.

Es empfiehlt sich, die Empfängerfläche in einzelne Felder zu unterteilen, die den auftreffenden Laserstrahl zu ihrem Mittelpunkt ablenken und die Mittelpunkte über je einen Lichtleiter mit je einer auf einer rückwärtigen Leiterplatte angeordneten Fotodiode zu verbinden. Auf diese Weise kann die Anzahl der benötigten Fotodioden verringert werden, ohne die Genauigkeit der Messungen einzuschränken.

Außerdem läßt sich die Empfängerfläche und die Fläche des Gehäuses durch die der Strahl des Lasers austritt, mit Hilfe eines Luftvorhanges abschirmen, um diese Flächen vor Staub, Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen. Dazu ist eine dem Gehäuse bzw. der Empfängerfläche zugeordnete, die Austrittsfläche des Laserstrahls bzw. die Empfängerfläche umgebende, mit Düsen bestückte Ringieiiung vorgesehen.

Um die Genauigkeit der zur Begrenzung des Tragarmschwenkbereichs dienenden Messungen zu verbessern, können nach einem weiteren Erfindungsmerkmal die die Maschinenabweichungen ermittelnden Messungen nur in vorbestimmten Zeitintervallen vorgenommen, die Meßergebnisse gruppenweise zusammengefaßt und aus jeder Meßwertgruppe Mittelwerte zur Korrektur des Tragarmschwenkbereiches gebildet werden. Durch diese Maßnahme werden etwa auftretende Meßwertfehler ausgeglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und im folgenden Beschreibungsteil näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Vortriebsmaschine in einem Grundriß;

F i g. 2 die Aufhängung des Lasers in perspektivischer Darstellung als Einzelheit;

Fig. 3 eine Einzelheit der Lasereinstellung in einem Schnitt nach der Linie A-A der F i g. 4;

F i g. 4 den Einstellmechanismus des Lasers in Seitenansicht mit in Längsrichtung geschnittener Aufhängung;

F i g. 5 ein Schaltschema;

F i g. 6 den Empfänger in schematischer Darstellung.

Die Vortriebsmaschine 1 löst die Ortsbrust 2 der Strecke 3 mit Hilfe der vom Tragarm 4 gehaltenen Schrämwalze 5. Zylinderpaare 6 verstellen den Tragarm 4 vertikal und die Achse 8, und Zylinderpaare 7 versteilen ihn horizontal um die Achse 9. während die Ladeschaufel 10 das anfallende Haufwerk von der Streckensohle 11 aufnimmt und über den Kratzförderer 12 nach hinten auf ein nicht dargestelltes Streckenfördermittel austrägt.

Ein mit dem Maschinengestell 13 verbundenes Gehäuse 14. das sich in der Querschnittsebene der Strecke 3 befindet in der die senkrechte Schwenkachse

3 uci TfägäTTTlcS 4 iicgu ΓπϊΐΙΠΊί diC diC KrsngüngCn UHC

die die Winkelabweichungen der Vortriebsmaschine 1 ermittelnden Vorrichtungen 15 und auch den Laser 16 auf (Fig. 1). Der vom Laser 16 ausgehende Strahl 17 fällt auf den im hinteren Teil der Strecke 3 angeordneten Empfänger 18, der über ein Kabel 19 oder auch drahtlos mit dem Rechner 20, der sich auf der Vortriebsmaschine 1 befindet, verbunden ist. Mittels eines dem aufzufahrenden Streckenquerschnitt entsprechenden, vom Speicher 21 ausgehenden mathematischen Programms, das die Form und die Abmessungen des Streckenprofils festlegt, bildet der Rechner 20 Steuersignale, die über elektrohydraulische Steuerelemente 22, 23 die Beaufschlagung der Zylinderpaare 6 und 7 und damit die Schwenkbewegung des Tragarmes

4 begrenzen. Beim Errechnen dieser Signale berücksichtigt der Rechner 20 auch die ihm vom Empfänger 18 zugehenden Signale, die den Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine 1 proportional sind, und, da die Vorrichtungen 15 über die Leitungen 24, 25, 26 gleichfalls mit dem Rechner 20 verbunden sind, auch die den Krängungen und den Winkelabweichungen der Vortriebsmaschine 1 proportionalen Korrektursignale. Der Schwenkbereich des Tragarmes 4 wird daher durch Lagenänderung der Vortriebsmaschine 1 nicht verfälscht, sondern bleibt mit dem aufzufahrenden Strekkenquerschnitt stets in Übereinstimmung.

Im folgenden sind Krängungen Drehbewegungen der Vortriebsmaschine 1 um ihre Längsachse; Winkelabweichungen sind dagegen Schieflagen der Maschinenlängsachse gegenüber der Streckenachse und Parallelabweichungen Maschinenverlagerungen mit zur Streckenachse paralleler Maschincnachsc.

Wie aus der F i g. 2 hervorgeht, enthält das Gehäuse 14 zwei aus Kreisein 15a und 156 bestehende Vorrichtungen 15 zum Feststellen der Krängungen und der Winkelabweichungen der Vortriebsmaschine 1.

Ein innerhalb des Gehäuses 14 auf Dämpfungsgliedern 27, beispielsweise auf Schwingmetallen, gelagertes Gestell 28 trägt den Laser 16 und die beiden Kreisel 15a und 15b, deren Rotationsachsen um 90° versetzt zueinander entweder horizontal oder vertikal in den Ebenen zweier Streckenquerschnitle liegen. Das Gestell 28, auf dessen Boden die Kreisel 15a und 15b in Gehäusen angeordnet sind, besitzt im oberen Teil seiner beiden Stirnseiten 29 je eine kreisförmige Öffnung 30.

Jede dieser Öffnungen 30 trägt einen ihrem Durchmesser angepaßten, auf Kugeln 31 oder Rollen drehbar gelagerten Ring 32, die beide durch zwei sich diametral gegenüberliegende Traversen 33 starr miteinander verbunden sind. In der Längsmitte der beiden Traversen 33 befindet sich ein konzentrisch zu den Ringen 32 angeordneter, um die horizontale Achse 34 schwenkbar gelagerter Ring 35. Er umschließt den Laser 16 und greift mit seitlichen Zapfen 36 drehbar in Bohrungen der beiden Traversen 33 ein. In ihm sind zwei Stangen 37 drehbar gelagert, die eine senkrechte Drehachse bilden und einen Ring 38 konzentrisch halten, der mittels horizontaler, zentrisch zur Achse 34 Hegender Zapfen 39 den Laser 16 trägt. Eine konzentrisch zur Achse 34 verlaufende, mit einer Skala ausgestattete, aus einem Ringabschnitt bestehende, in der senkrechten Längsebene des Lasers 16 befindliche Leiste 40, die durch einen Schlitz 41 des Ringansatzes 42 hindurchgreift und hier durch eine Rändelschraube 43 gesichert ist, legt den Laser 16 gegenüber dem Ring 38 einstellbar fest (F i g. 3 und 4). Der Laser 16 kann daher auch bei ansteigend oder einfallend verlaufenden Strecken 3 parallel zur Streckensohle 11 eingestellt werden und wird von ozn Kreiseln 15a und 15b auch ständig in dieser Lage gehalten.

Von den Kreiseln 15a und 15i> gesteuerte Schrittmotoren 44, 45, 46 halten den Laser 16 stets parallel zur Streckenachse und zur Streckensohle Ii und drehen ihn beim Auftreten von Krängungen in einem den Krängungen entgegengesetzten Sinn um seine Längs achse. Die DämpfungsgKeder 27 unterdrücken zwar die Erschütterungen und Schwingungen der Vortriebsmaschine 1, sie geben aber die Parallelabweichungen, das sind Verlagerungen der Vortriebsmaschine 1 mit zur Streckenachse paralleler Maschinenachse, und auch die Winkelabweichungen sowie die Krängungen der Vortriebsmaschine 1 in voller Größe an das Gehäuse 14 und damit auch an das Gestell 28 weiter. Das von Erschütterungen weitgehend freie Gehäuse 14 nimmt

daher an allen Maschinenbewegungen teil und löst deshalb über die beiden Kreisel 15a und/oder 15£> den jeweiligen Abweichungen entsprechende Steuersignale aus, die die Schrittmotoren 44, 45, 46 veranlassen, den Laser 16 wieder in eine Lage zurückzuführen, in der er, ■> um den Krängungswinkel zurückgedreht und/oder um die Winkelabweichungen zurückgeschwenkt, parallel zur Streckenachse liegt.

Der Schrittmotor 44, der mit dem Ritzel 47 seiner Antriebswelle in die nicht dargestellte Verzahnung des iu drehbar gelagerten Ringes 32 eingreift, verstellt den Laser 16 um seine Längsachse, während der Schrittmotor 45 ihn um die in einer Querschnittsebene der Strecke liegende horizontale Achse 34 und der Schrittmotor 46 um die in einer Streckenquerschnittsebene liegende r> senkrechte Achse 48 des Ringes 38 dreht. Lediglich der Schrittmotor 44 ist auf einer mit der Stirnwand 29 des Gestells 28 fest verbundenen Konsole 49 angeordnet. Der Schrittmotor 45 ist dagegen an einer der beiden Traversen 33 und der Schrittmotor 46 an dem Ring 38 befestigt. Infolgedessen nehmen die beiden Schrittmotoren 45, 46 an der vom Schrittmotor 44 ausgehenden Stellbewegung und der Schrittmotor 46 zusätzlich auch an der vom Schrittmotor 45 ausgehenden Stellbcwegung teil.

Die beiden Kreisel 15a und 156 sind in der zur Streckenlängsrichtung parallelen, senkrechten Ebene I bzw. in der horizontalen Ebene 11 kardanisch gelagert. Während die in der Ebene 1 liegende Rotationsachse 50 des Kreisels 15a (künstlicher Horizont) durch die su Schwerkraft auch beim Stillstand senkrecht gehalten wird, muß die Rotationsachse 51 des Kreisels 15f> (Kurskreisel), die durch die Schwerkraft lediglich horizontal ausgerichtet wird, vor Beginn der Vortriebsarbeit zunächst geodätisch rechtwinklig zur Strecken- J5 längsrichtung eingestellt werden. Winkelkodierer52,53, 54 sind mit den in beiden Ebenen I und Il befindlichen Achsen 56, 57 oder 58 der kardanischen Lagerung der Kreisel 15a bzw. i5b verbunden. Sie geben bei auftretenden Abweichungen der Vortriebsmaschine 1 ihre Ausgangssignale über Zähler 59, 60, 61 an je einen Differenzverstärker 62, 63, 64 weiter, deren Ausgangssignale den Schrittmotor 44, 45 oder 46 an Spannung legen und so eine Korrekturbewegung auslösen, die den Laser 16 in seine Ursprungslage zurückführt. Da den von den Zählern 59, 60, 61 ausgehenden Sollwertsignalen in den Differenzverstärkern 62, 63, 64 stets Istwertsignale der mit Hilfe der Zähler 65,66,67 und der Winkelkodierer 68, 69, 70 ermittelten Stellwege der Schrittmotoren 44, 45, 46 gegenüberstehen, endet die Korrekturbewegung des Lasers 16 beim Sollwert-Istwertsb^leich.

Es ist auch möglich, anstelle des Kreisels 15a nicht dargestellte elektrische Neigungswaagen zu benutzen und mit ihrer Hilfe gegebenenfalls auftretende Maschinenabweichungen, d. h. Maschinenbewegungen um die Kardanachsen 57 und 58, zu ermitteln. Die von den Neigungswaagen festgestellten Abweichungen stehen als elektrische Signale direkt vor den Differenzverstärkern 63,64 an und korrigieren in der vorbeschriebenen Weise die Lage des Lasers 16.

Anstelle der elektrischen Neigungswaagen kann der Laser 16 auch mit einer Schwerpunktslage ausgestattet sein, — beispielsweise durch ein außerhalb seiner Achse angeordnetes Gewicht — die ihn mit Hilfe der Schwerkraft in der Horizontalebene festlegt

Weiterhin kann die Kreiselmasse auch so groß sein, daß ihre Trägheitskraft ausreicht, tun den Laser 16 direkt gegenüber auftretenden Winkelabweichungen und Krängungen der Vortriebsmaschine 1 in seiner Ursprungslage festzuhalten. In allen Fällen gehen den Laserstellbewegungen proportionale elektrische Signale dem Rechner 20 über die Leitungen 24, 25, 26 zu, der diese Signale bei der Begrenzung des Aktionsbereiches des Tragarmes 4 berücksichtigt.

Wie bereits ausgeführt, fällt der Laserstrahl 17 auf den hinter der Vortriebsmaschine 1, beispielsweise am Streckenausbau in Höhe des Lasers 16 aufgehängten, mit Fotodioden 71 ausgestatteten Empfänger 18.

In dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 6 kann der Empfänger 18 vertikal und auch horizontal verschiebbar angeordnet und mit nicht dargestellte Stellmechanismen sowie deren Stellwege messenden Einrichtungen ausgerüstet sein. Diese SteHmechanismen werden von der jeweils vom Laser 16 angestrahlten Fotodiode 71 gesteuert, wie in der älteren Patentanmeldung P 24 27 816.8 erläutert, und auf diese Weise Laserstrahl 17 und Flächenmittelpunkt 59 des Empfängers 18 stets miteinander zur Deckung gebracht. Die dabei ermittelten horizontalen und vertikalen Stellwege des Empfängers 18 gehen als Korrektursignale über das Kabel 19 oder auch drahtlos dem Rechner 20 der Vortriebsmaschine 1 zu.

Wählt man die Fläche 72 größer als die maximal auftretenden Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine 1, so kann der Empfänger 18 auch fest, also unverstellbar, in der Strecke 3 angebracht sein. Die auf seiner dem Laser 16 zugewandten Fläche 72 befindlichen Fotodiode 71 geben, wenn sie vom Laserstrahl 17 getroffen werden, in diesem Fall ein ihrem horizontalen und vertikalen Abstand vom Flächenmittelpunkt proportionales Signal ab, das gleich der Parallelabweichung der Vortriebsmaschine 1 ist. Auf diese Weise lassen sich zwar keine stufenlosen, aber für die angestrebte Genauigkeit doch ausreichende Korrektursignale erzeugen.

Besonders bei großflächigem Empfänger 18 empfiehlt es sich, wie in der F i g. 6 dargestellt ist, die Empfängerfläche 72 in einzelne, vorzugsweise quadratische Felder 73 zu unterteilen. In jedem dieser Felder 73, die sich nach innen pyramidenförmig verjüngen, wird der auftreffende Laserstrahl 17 zum Feldmittelpunkt, also zur Spitze der Pyramide, abgelenkt und über einen hier an Stelle der Fotodiode 71 angeordneten Lichtleiter 74 der entsprechenden, auf einer rückwärtigen, verhältnismäßig kleinen und daher preiswerteren Platte 75 angeordneten Fotodiode 71 zugeführt die die den Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine 1 proportionalen ICorrektursignale auslöst Kunststoffaserbündel bilden die dazu benutzten Lichtleiter 74, die beispielsweise aus Polymethakrylsäureestem bestehen. In ihnen wird der eintretende Laserstrahl 17 durch Totalreflexion praktisch verlustlos den Fotodioden 71 zugeleitet Die verhältnismäßig kleine mit Fotodioden 71 besetzte Platte 75 kann zusammen mit den zugehörigen Leitungen in Gießharz vergossen und dadurch gegen Stöße und Feuchtigkeit besser geschützt werden. Sowohl die Empfängerfläche 72 als auch die Fläche des Gehäuses 14, durch die der Laserstrahl 17 austritt, sind, wie in dem Ausführungsbeispiel in der Fig.6 dargestellt, durch einen Luftvorhang abgeschirmt um sie vor Feuchtigkeitsniederschlag und Verunreinigungen, die den Lichtdurchtritt reduzieren, zu schützen. Dazu dient eine diese Fläche umgebende Ringleitung 76, die mit über ihren inneren Umfang verteilten Düsen 77 versehen ist

Vor Beginn der Vortriebsarbeiten wird der in der Strecke 3 am Ausbau aufgehängte Empfänger 18 geodätisch so ausgerichtet, daß sein Flächenmittelpunkt einen Abstand vom Niveau der Streckensohle 11 hat, der gleich dem Abstand: Laserstrahl — Unterkante Maschinenfahrwerk ist und der außerdem auch in der senkrechten Symmetrieebene des Streckenprofils liegt. Die vor der Ortsbrust 2 stehende Vortriebsmaschine 1 soll in dieser Situation möglichst die Mittellage in bezug auf das Streckenprofil einnehmen. Der Laser 16 befindet sich in seiner Sollstellung, in der er unverdreht und parallel zur Maschinenachse liegt. Unter dem Einfluß der Schwerkraft steht die Rotationsachse 50 des kardanisch aufgehängten Kreisels 15a senkrecht und die Rotationsachse 51 des Kreisels i5b waagerecht. Letztere wird geodätisch so ausgerichtet, daß sie in einer Querschnittsebene der Sirecke 3 liegt Beim Einschalten der beiden Kreisel 15a und 156 liegen die vor den Differenzverstärkern 62, 63, 64 anstehenden Sollwerte durch die Lage der Rotationsachsen 50,51 der beiden Kreisel 15a und 156 fest. Die Istwerte dagegen werden durch die Lage des Lasers 16 und damit durch die Lage der Vortriebsmaschine 1 bestimmt. Da die Vortriebsmaschine 1 aller Voraussicht nach nicht parallel zur Streckenachse und auch nicht in einer Horizontalachse stehen wird, korrigieren die in den Differenzverstärkern 62, 63, 64 daraufhin auftretenden Sollwert-Istwertdifferenzen über die Schrittmotoren 44, 45,46 die Lage des Lasers 16 und richten ihn so aus, daß er horizontal und auch zur Streckenlängsachse parallel liegt Außerdem verdrehen sie ihn um seine Längsachse um den Krängungswinkel, d. h. um den der Querneigung der Vortriebsmaschine 1 entsprechenden Winkel. Die zwischen der Vortriebsmaschine 1 und der Streckenachse bestehenden Parallelabweichungen werden durch den jetzt ausgerichteten und auf die Fläche 72 des Empfängers 71 fallenden Laserstrahl 17 ermittelt. Ihre Größe ist dem horizontalen und/oder vertikalen Abstand zwischen dem auf die Empfängerfläche 72 fallenden Laserstrahl 17 und dem Flächenmittelpunkt proportional. Bereits beim Einschalten der Vortriebsmaschine 1 erhält der Rechner 20 daher alle Korrektursignale, die er benötigt, um den Aktionsbereich des Tragarmes 4 in Abhängigkeit von der augenblicklichen Lage der Vortriebsmaschine 1 so zu begrenzen, daß dieser Aktionsbereich mit dem aufzufahrenden Streckenprofil deckungsgleich liegt Außerdem gehen ihm auch ständig die Istwertsignale der Schrämwalzenkoordinaten zu. Dazu ist die horizontale Tragarmschwenkachse 8 und auch die vertikale Tragarmschwenkachse 9 mit je einem Winkelkodierer 78 bzw. 79 gekuppelt die über Zähler 80, 81 mit dem

■XC1.1111C1 ΛΛ9 VCI UUIlUCIl MlIU ^r Ig. IJ. \JVZ UIlII UUCl UlC Zähler 80, 81 zugehenden Istwerte vergleicht der Rechner 20 mit den unter Berücksichtigung der gegebenenfalls anstehenden Korrektursignale errechneten Sollwerten und unterbindet beim Sollwert-Istwertabgleich jede weitere Tragarmbewegung in Richtung des Profilrandes der Ortsbrust durch den Bedienungsmann der Vortriebsmaschine.

Benutzt man zur Steuerung des Tragarmes 4 einen Prozeßrechner 20, der nach einem mathematischen Modell des aufzufahrenden Streckenquerschnittes programmiert ist, so führt der Rechner 20 den Tragarm 4 und damit die Schrämwalze 5 unbeeinflußt vom Bedienungsmann der Vortriebsmaschine 1 fiber die ganze Ortsbrust 2. Etwa in das Gehäuse 14 der Vortriebsmaschine gelangende und die Meßergebnisse verfälschende Erschütterungen lassen sich mit Hilfe des Prozeßrechners 20 weitgehend unterdrücken, wenn man die die Maschinenabweichungen ermittelnden Messungen nur in bestimmten Zeitintervallen vornimmt

^r> oder wenn der Rechner 20 die ihm stetig zugehenden Informationen der Differenzverstärker 62, 63,64 nur in festliegenden Zeitintervallen aufnimmt und aus ihnen Mittelwerte bildet, die er beim Korrigieren des Tragarmschwenkbereiches berücksichtigt.

ίο Treten während des Betriebes Lagenänderungen der Vortriebsmaschine 1 auf, so behalten die Rotationsachsen 50, 51 infolge der Trägheit der Kreisel 15a und 156 ihre Richtung bei. Da beide Kreisel kardanisch aufgehängt und infolgedessen um die sich rechtwinklig kreuzenden Achsen 57,58 bzw. 55,56 ihrer Aufhängung schwenkbar sind, führen sie bei auftretenden Lagenänderungen der Vortriebsmaschine 1 Relativbewcgungcn aus, deren Größe den Lagenänderungen der Vortriebsmaschine 1 proportional ist. Die Winkelkodierer 52, 53,

2(i 54 ermitteln die Größe dieser Relativbewegung und erzeugen ihnen entsprechende digitale Signale, die von den nachgeschalteten Zählern 59,60,61 in Analogsignale umgewandelt werden. Letztere stehen vor den Differenzverstärkern 59, 60, 61 als Sollwerte an, denen sich die von den Zählern 68, 69, 70 ausgehenden, die Lage des sich verstellenden Lasers 16 wiedergebenden Istwerte angleichen. Der Laser 16 wird daher von den beiden Kreiseln 15a und 156 gehalten und bleibt von den Winkelabweichungen und Krängungen der Vortriebs-

3i) maschine 1 frei und deshalb stets in einer gegenüber der Streckenachse unverdrehten, parallelen und außerdem auch horizontalen bzw. zur Streckensohle parallelen Lage.

Nur wenn die Vortriebsmaschine 1 lediglich eine Krängbewegung um den Laserstrahl 17 ausführt, ändern sich die Koordinaten des Auftreffpunktes des Laserstrahls 17 auf der Empfängerfläche 72 nicht. Sonst sind alle Versteilbewegungen des Lasers stets mit einer Änderung der X und Y Koordinaten des auf die Empfängerfläche 72 auftreffenden Laserstrahls 17 verbunden. Die erfindungsgemäße Einrichtung erfaßt daher neben den Winkelabweichungen und den Krängungen auch stets die Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine 1 und leitet ihnen proportionale

⁴S Signale dem Rechner 20 zu. Der Rechner kann, wie in der deutschen Patentschrift 24 58 514 beschrieben, ein Prozeßrechner sein, der die Tragarmbewegung nach einem Programm des Speichers 21 steuert und/oder den Aktionsbereich der Schrämwalze 5 auf die Sollage des aufzufahrenden Streckenquerschnittes 3 begrenzt und die auftretenden Maschinenabweichungen dabei berücksichtigt

Es ist aber auch möglich, die in der deutschen Patentanmeldung P 24 27 816.8 beschriebene Einrichtung in einer entsprechend der Erfindung geänderten Form zu benutzen. Bei der Einrichtung der vorgenannten Patentanmeldung ist an Stelle des Rechners 20 eine in ihrer Ebene verschiebbare und verdrehbare, dem aufzufahrenden Streckenquerschnitt geometrisch ähnli ehe Schablone vorgesehen, deren Stellmechanismus von den Krängungen und/oder den Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine 1 proportionalen Signalen gesteuert wird. Ferner ist hier eine die Schablone abtastende Lichtschranke vorhanden, die den Sollwertes koordinaten der Schrämwalze proportionale Signale erzeugt, denen sich die durch den Winkelabweichungen proportionale Signale korrigierten Istwertsignale der Schrämwalzenkoordinaten angleichen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Führen einer mit einem an einem allseitig schwenkbaren Tragarm gelagerten Lösewerkzeug ausgestatteten Vortriebsmaschine, bestehend aus an der Vortriebsmaschine angeordneten Vorrichtungen zum Ermitteln der Krängungen sowie der Winkel- und Parallelabweichungen und einem Rechner, der mit Vorrichtungen verbunden ist, die den Krängungen und/oder den Winkel- und Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine proportionale Signale bilden, mit denen der Rechner mit Hilfe eines das Streckenprofil bestimmenden mathematischen Programms den Aktionsbereich des Tragarmes auf den aufzufahrenden Streckenquerschnitt begrenzt, oder einer an Stelle des Rechners vorhandenen, in ihrer Ebene verschiebbaren, dem aufzufahrenden Streckenquerschnitt ähnlichen Schablone, deren Stellmechanismus von den Krängungen und/oder den Parallelabweichungen der Vortriebsmaschine proportionalen Signalen gesteuert wird, sowie einer die Schablone abtastenden Lichtschranke, die den Sollwertkoordinaten des Lösewerkzeuges proportionale Signale erzeugt, denen sich die durch den Winkelabweichungen proportionale Signale korrigierbaren Istwertsignale der Lösewerkzeugkoordinaten angleichen, wobei die Vortriebsrichtung durch den Strahl eines Lasers vorgegeben ist, der von einem Empfänger aufgenommen wird, der der Vortriebsmaschine ihren Parallelabweichungen entsprechende Korrektursignale zuleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vortriebsmaschine (1) mit einem von Dämpfungsgliedern (27) getragenen Gehäuse (14) versehen ist, in welchem der Laser (16) raumgelenkig gelagert und die die Krängungen und die Winkelabweichungen ermittelnden Vorrichtungen (15a, 156,) angeordnet sind, die den Laser (16) in einer zur Streckensohle (11 parallelen Lage sowie gegenüber Krängungen fesseln und auf den in der Strecke (3) angeordneten Empfänger (18) ausrichten.

2. Einrichtung nach dem Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den Laser (16) aufnehmende kardanische Aufhängung und ihn in der vorgegebenen Lage haltende Kreiselsysteme (15a, 15i>,l und/oder elektrische Neigungswaagen.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (16) in an sich bekannter Weise gegenüber der Horizontalebene verstellbar gelagert ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Strecke (3) aufgestellte Empfänger (18) horizontal und vertikal verstellbar gelagert ist und einen vom auftreffenden Laserstrahl (17) steuerbaren, den Mittelpunkt der Empfängerfläche (72) mit dem Laserstrahl (17) zur Deckung bringenden Stellmechanismus besitzt.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Strecke (3) befindliche Empfänger (18) unbeweglich angeordnet ist und eine auch die größten Parallelabweichungen des Laserstrahls (17) erfassende Fläche (72) hat.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerfläche (72) in einzelne den auftreffenden Laserstrahl (17) zu ihrem Feldmittelpunkt ablenkende Felder (73) unterteilt ist, deren Mittelpunkt über je einen Lichtleiter (74) mit je einer auf einer rückwärtigen

Leiterplatte (75) angeordneten Fotodiode (71) verbunden sind.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerfläche (72) und die Fläche des Gehäuses (14), durch die der Strahl (17) des Lasers (16) austritt, durch einen Luftvorhang abgeschirmt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine dem Gehäuse (14) und der Empfängerfläche (72) zugeordnete, die Austritts- bzw. die Empfängerfläche (72) umgebende, mit Düsen (77) bestückte Ringleitung (76).

9. Verfahren zum Betrieb einer Führungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die die Maschinenabweichungen ermittelnden Messungen nur in vorbestimmten Zeitintervallen vorgenommen, die Meßergebnisse gruppenweise zusammengefaßt und aus jeder Meßgruppe Mittelwerte zur Korrektur des Tragarmschwenkbereiebas gebildet werden.