DE2901908A1 - Verfahren zur regelung der arbeitsbewegung eines ueber die ortsbrust bewegbaren schraemwerkzeuges einer streckenvortriebsmaschine und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents
Verfahren zur regelung der arbeitsbewegung eines ueber die ortsbrust bewegbaren schraemwerkzeuges einer streckenvortriebsmaschine und vorrichtung zur durchfuehrung dieses verfahrensInfo
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Description
Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weiciimann, Iji?l.-Phys. Dk. K. Fincke
Dipl.-Ing. EA-Weickmann, Dipl.-Chem. ß. Huber
Dr. Ing. H. Liska 9901 QHH
8000 MÖNCHEN 86, DEN , „ _
POSTFACH S60820
MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22
Vereinigte Österreichische Sisen- und Stahlwerke - Alpine Montan .
Aktiengesellschaft
Friedrichstraße 4
A-1011 ¥ i e η
Friedrichstraße 4
A-1011 ¥ i e η
Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung eines über die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkzeuges
einer Streckenvortriebsmaschine und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
800.133/0575
Vereinigte österreichische Eisen · .und Stahlwerke ·-
Alpine Montan Aktiengesellschaft in Wien (Österreich)
Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung eines üßer die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkzeuges einer Streckenvortriebsmaschine
und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung eines über die Ortsbrust bewegbaren
Schrämwerkzeuges einer Streckenvortriebsmaschine durch Ermitteln
der jeweiligen Position des Schrämwerkzeuges unter Berücksichtigung der Stellung der Streckenvortriebsmaschine
relativ zum Sollprofil des aufzufahrenden Streckenquerschnittes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Beim Vortreiben von Tunnels ist es von wesentlicher Bedeutung, daß eine einmal gewählte Richtung so genau wie
nur möglich eingehalten wird, um die für die Herstellung von Tunnels erforderliche Energie so gering wie nur möglich
zu halten. Dieses Problem ist insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn ein solcher Tunnel von zwei Seiten gleichzeitig
begonnen wJrd, und in einem solchen Fall ist es entscheidend, daß der Durchbruch im Mittelbereich des Tunnels
möglichst genau mit dem an der anderen- Seite des Tunnels begonnenen Stollen fluchtet. Üblicherweise wird beim Vortreiben
einer Strecke die Lage des gewünschten Sollprofiles durch einen in Streckenlängsrichtung verlaufenden Laserstrahl
festgelegt. Da die Position des Schrämwerkzeuges nur relativ zur Streckenvortriebsmaschine in einfacher Weise
genau festgestellt werden kann, wurde bereits versucht, auch die Lage der Streckenvortriebsmaschine möglichst genau
zu bestimmen, um Korrekturmaßnahmen zu setzen, um das gewünschte Sollprofil zu schrämen. Zur Feststellung der
Position eines Schrämarmes bzw. des Schrämwerkzeuges können beispielsweise Winkelcodierer oder Potentiometer verwendet
werden. Die von solchen Ililfsgeräten gemessenen Werte ergeben aber nur relative Positionsangaben des Schrämwerk—
zeuges, wenn der genaue Standort der Maschine nicht bekannt ist. Bisher wurde zur Erfassung des Standortes der Maschine
vorgeschlagen, einen Laserstrahl zu verwenden, und es wurden eine Reihe von Vorrichtungen entwickelt, mit welchen
Abweichungen des Maschinenstandortes von einer mit dem
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Laserstrahl fluchtenden Geraden gemessen v/erden. Die Leistung eines Lasers ist aber nun zum einen durch seine Bauart
und zum anderen durch die Streuung des Laserlichtes durch Staub in. unmittelbarer Nähe der Maschine beschränkt. Darüberhinaus
ergibt sich bei solchen Ausb-ildungen der Nachteil, daß bei einer Abweichung der Streckenvortriebsmaschinenposition
von der Sollposition das Ausmaß dieser Abweichung nur sehr schwer bestimmbar ist, und es muß daher
die Maschine in umständlicher Weise wieder in ihre Soll-Lage gebracht werden.
Abweichungen der Istlage der Streckenvortriebsmaschine von der Soll-Lage können von einer Reihe von Bewegungen
der Streckenvortriebsmaschine herrühren. Die Maschine kann beispielsweise eine horizontale Parallelabweichung oder
Parallelverschiebung aus der Streckenlängsachse, eine Schrägstellung zur Streckenachse, eine vertikale Parallelabweichung
oder Höhenverschiebung relativ zur Streckenachse oder aber verschiedene Neigungen bedincjt durch den Steig-,
Gefäll- oder Rollwinkel zur Streckenachse einnehmen. Der Steig- bzw. Gefällwinkel und der Rollwinkel können in einfacher
Weise von Winkelcodierern (Inklinometern) in an sich bekannter Weise erfaßt werden. Für die Festlegung von
Parallelverschiebungen in horizontaler oder vertikaler Richtung bzw. von Schrägstellungen der Streckenvortriebsmaschine
ist aber eine Orientierung an einer Längsachse der Strecke, wie sie beispielsweise durch einen Laserstrahl
definiert wird/ erforderlich.
Mit Rücksicht auf die Schwierigkeiten, welche sich bei einer direkten Ausrichtung der Streckenvortriebsmaschine an
einem Laserstrahl ergeben, sucht die vorliegende Erfindung,
ein Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung eines Schrämwerkzeuges der eingangs erwähnten Art zu schaffen,
bei welchem eine zuverlässige Erfassung aller Abweichungen und eine genaue Bestimmung des Ausmaßes dieser Abweichungen
in einfacher Weise ermöglicht wird
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die vorliegende Erfindung im wesentlichen darin, daß wenigstens ein raumfester
Meßpunkt relativ zur Streckenlängsachse r beispiels~
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v/eise mittels eines Laserstrahles, ausgerichtet wird,
daß die Laufzeiten von Signalen zwischen wenigstens einem solchen Meßpunkt und zwei Punkten der Streckenvortriebsmaschine
oder wenigstens zwei solchen Meßunkten und wenigstens einem Punkt der Streckenvortriebsmaschine gemessen
werden, worauf aus den gemessenen Laufzeiten die Ist-Lage der Streckenvortriebsmaschine trigonometrisch
errechnetiwird und die Einstellung der Lage des Schrämwerkzeuges in die Soll-Lage relativ zur Ist-Lage der
Schrämmaschine vorgenommen wird.
• Auf diese Weise können beliebige Signale gewählt werden, wobei vor allen Dingen solche Signale interessant
sind, welche durch Staub nicht gestört werden. In erster Linie werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
Radar-, Infrarot-, Ultraschallwellen oder Echolotimpulse verwendet, die sich durchwegs dadurch auszeichnen, daß sie
auch dann noch sicher empfangen werden können, wenn Lichtstrahlen bereits nicht mehr registriert werden können. Durch
die Bestimmung der Laufzeiten der Signale und die Berechnung der sich aus diesen Laufzeiten ergebenden Abstände wird
eine exakte trigonometrische Berechnung der Position der Streckenvortriebsmaschine ermöglicht und die Einstellung
der Lage des Schrämwerkzeuges in die Soll-Lage relativ zur Ist-Lage der Streckenvortriebsmaschine stellt rechnerisch
und steuertechnisch keine Probleme dar, da es sich, mathematisch' gesprochen, lediglich um eine Koordinatentransformation
bzw. UTi einen Vergleich der Raumkoordination des Schrämwerkzeuges mit den Raumkoordinaten des Soll-Profiles
des zu schrämenden Streckenquerschnittes handelt. Hiezu ist es lediglich erforderlich f jeweils den Abstand zweier raumfester
Meßpunkte bzw. zweier Punkt an der Streckenvortriebsmaschine zu kennen. Durch die errechneten Abstände der
raumfesten Meßpunkte innerhalb der Strecke von einem Punkt an der Streckenvortriebsmaschine bzw. zwischen zwei Punkten
der Streckenvortriebsmaschine und einem raumfesten Meßpunkt innerhalb der Strecke ergeben sich jeweils die beiden anderen
Seiten eines Dreieckes, welches trigonometrisch aufgelöst v/erden kann. In besonders einfacher Weise v/erden als Meßpunkte
Sendeantennen oder Empfangsantennen und als Punkte
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Empfangsantennen oder Sendeantennen verwendet, wobei vorzugsweise von den Sendeantennen elektromagnetische oder
akustische Wellen abgestrahlt werden und die Empfänger für den Empfang der elektromagnetischen oder akustischen
Wellen eingerichtet sind. Die Signale können von den einzelnen Sendeantennen in Form von zeitlich getrennten Impulsen
abgestrahlt werden. Bei gleichzeitiger Abstrahlung von Signalen von mehreren Sendeantennen muß jedoch jede Sendeantenne Wellen mit anderer Frequenz abstrahlen.
Die vollständige trigonometrische Bestimmung der Position der Streckenvortriebsmaschine ist mit einem raumfesten
Meßpunkt und zwei Punkten der Streckenvortriebsmaschine bzw. mitjeinem Punkt der Streckenvortriebsmaschine
und zwei raumfesten Meßpunkten innerhalb der Strecke nicht möglich, jedoch können in diesem Fall die für die vollständige
Bestimmung der Streckenvortriebsmaschine erforderlichen Meßwerte von einem Kreiselkompaß, von Inklinometern,
Potentiometern oder Winkelcodierer!! ermittelt werden. Um eine vollständige trigonometrische Bestimmung der Position
der Streckenvortriebsmaschine zu ermöglichen, wird das Verfahren vorzugsweise so durchgeführt, daß drei Sendeantennen
innerhalb einer relativ zur Streckenlängsachse ausgerichteten Ebene unter Aufspannung eines Dreieckes angeordnet werden
und daß drei Empfangsantennen an der Streckenvortriebsmaschine angeordnet werden, welche gleichfalls eine Ebene
definieren. In einfacha: Weise kann hiebei so vorgegangen werden, daß die Signale periodisch abgestrahlt werden, die
durch trigonometrische Berechnung ermittelten Werte zwischengespeichert und durch den jeweils neuesten Wert ersetzt
werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet/,
daß an der Strecke wenigstens ein Sender oder Empfänger sowie wenigstens zwei Antennen, deren Lage in Relation zur
beispielsweise durch einen Laser gegebenen Streckenlängsachse orientiert ist, und an der Streckenvortriebsmaschine ·
wenigstens ein Empfänger oder Sender mit wenigstens zwei
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Antennen angeordnet ist und daß Sender und Empfänger über Leitungen mit einem Rechner verbunden sind, dessen Ausgangssignal
zum Korrigieren der Steuerung des Schrämarmes verwertbar ist. Mit einer solchen Einrichtung ist in Verbindung
mit einem Kreiselkompaß, Inklinometern, Potentiometern oder Winkelcodierern die vollständige Bestimmung der Position
der Streckenvortriebsmaschine möglich. Die Orientierung des Schrämwerkzeuges selbst wird bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung vorzugsweise dadurch ermittelt, daß an der Streckenvortriebsmaschine an sich bekannte Inklinometer,
Potentiometer oder Winkelcodierer angeordnet sind, deren Signale die Orientierung des Schrämwerkzeuges in Relation
zur Streckenvortriebsmaschine sowie gegebenenfalls den Steig-, Gefäll- oder Rollwinkel der Streckenvortriebsmaschine
wiedergeben und gleichfalls dem Rechner über Leitungen zugeführt sind. Um die richtige Ausrichtung der
Sendeantennen in Relation zur Streckenlängsachse zu erleichtern, weisen vorzugsweise die Sendeantennen eine
Justiervorrichtung zur Einstellung ihrer Lage auf. Wenn es gewünscht wird,- bestimmte Abweichungen der Position der
Streckenvortriebsmaschine zuzulassen, kann die Ausbildung so getroffen sein, daß die Empfängerantennen sowie gegebenenfalls
die Inklinometer verstellbar sind. Eine Vorrichtung, mit welcher die vollständige trigonometrische
Bestimmung der Position der Streckenvortriebsmaschine möglich ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender mit
drei an den Eckpunkten eines Dreieckes angeordneten Antennen vorgesehen ist, wobei die Lage der durch die Antennen
definierten Ebene in Relation zur Streckenlängsachse ausgerichtet ist,, daß an der Schrämmaschine zwei Empfänger
und gleichfalls drei Antennen vorgesehen sind und daß die Antennen wahlweise mit dem Sender bzw. den Empfängern verbunden
sind.
In bevorzugter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ausbildung so getroffen, daß der Rechner
mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist, welche die jeweilige Position des Schrämwerkzeuges in Relation zum.
Soll-Profil anzeigt.
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Die erfindungsgemäß verwendete Anzeigevorrichtung ist
vorzugsweise so ausgebildet, daß die Anzeigevorrichtung zwei senkrecht zueinander angeordnete Positionierbänder
aufweist, welche durch vom Rechner gesteuerte Stell- oder Schrittmotoren angetrieben werden, wobei eines der Positionierbänder
vom anderen der Positionierbänder quer zu seiner Bewegungsrichtung mitgenommen wird und eine maßstäbliche
Nachbildung des Schrämwerkzeuges zeicrt, und daß vor diesen
Positionierbändern eine das Soll-Profil maßstäblich zeigende Schablone angeordnet ist. Indiesem Fall kann die Ausbildung
so getroffen sein, daß der Umriß der Schrämwerkzeugnachbildung Lichtquellen oder lichtempfindliche Elemente,
wie beispielsweise Leuchtdioden oder Fototransistoren, aufweist und daß der Innenrand der Profilschablone lichtempfindliche
Elemente oder Lichtquellen, wie beispielsweise Fototransistoren oder Leuchtdioden, aufweist und daß bei Auftreten
von Signalen in den lichtempfindlichen Elementen ein akustisches oder optisches Zeichen auslösbar ist oder
daß zv/ei den Rand des Soll-Profiles zeigende Schablonen in
Abstand voneinander angeordnet sind und daß das das Schrämwerkzeug tragende Positionierband zwischen dissen beiden
Schablonen verschiebbar ist, daß die Innenränder der Schablone mit Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden und/oder
fotoempfindlichen Elementen, beispielsweise Fototransistoren,
bestückt sind, daß das die Nachbildung des Schrämwerkzeuges tragende Positionierband transparent ausgebildet ist und daß
die Wachbildung des Schrämwerkzeuges lichtschwächend ausgebildet ist. Wenn die Anzeigeeinrichtung mit einem elektrohydraulischen
Stellglied zur Abstellung des Schwenkantriebes bei Berührung von Soll-Profil und Schrämwerkzeugkontur
verbunden ist, kann auf die leicht zu überhörenden akustischen oder zu übersehenden optischen Signale verζichtebwerden.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche weitere erfindungswesentliche Details zeigt, näher erläutert.
In dieser zeigen Fig.1 eine schematische Seitenansicht
einer Schrämmaschine, Fig.2 eine Ansicht der Schrämmaschine nach Fig.1 von hinten und Fig.3 eine Draufsicht auf
die Darstellung nach Fig.1, die Fig.4, 5, 6 und 7 schematische
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Teilschritte bei der Bestimmung der Position der Streckenvortriebsmaschine,
die Fig. 8 eine perspektivische Ansicht der Anzeigevorrichtung bei abgenommener Soll-Profil-Schablone,
Fig.9 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes von
vorne und Fig.1o einen Schnitt quer zu den Profilschablonen
einer weiteren Ausbildung der Anzeigevorrichtung.
In Fig.1 ist mit dem Doppelpfeil 1 die vertikale Parallelabweichung
oder Höhenverschiebung der Streckenvortriebsmaschine angedeutet. Mit dem Doppelpfeil 2 wird die Fehlstellung
der Streckenvortriebsmaschine, welche auf den Steig- bzw. Gefällwinkel zurückzuführen ist, angedeutet. Die Streckenvortriebsmaschine
3 weist hiebei einen Schrämarm 4 auf, an dessen Ende Schrämwerkzeuge 5 rotierbar befestigt sind. Das
Raupenfahrwerk der Streckenvortriebsmaschine ist mit 6 bezeichnet.
In Fig.2 wird mit dem Doppelpfeil 7 die horizontale Parallelabweichung oder Parallelverschiebung der Streckenvortriebsmaschine
angedeutet und mit dem Doppelpfeil 8 der Rollwinkel, d.h. die Bewegung um die Längsachse 9 der Streckenvortriebsmaschine.
Die Vertikalachse 1o der Streckenvortriebsmaschine ist in Fig.2 dargestellt. Die Bewegung um
diese vertikale Achse im Sinn des Pfeiles 11 der Fig.3 ergibt
eine Schrägstellung der Streckenvortriebsmaschine in Relation zur Streckenlängsachse. In Fig.3 ist mit dem Doppelpfeil 7
wiederum die horizontale Parallelabweichung oder Parallelverschiebung aus der Streckenlängsachse angedeutet. Das erfindungsgemäße
Verfahren wird, wie in den Fig.4 bis 7 schematisch erläutert ist, durchgeführt. In Fig.4 ist wiederum die
Streckenvortriebsmaschine 3 dargestellt. Die Streckenlängsachse 12 wird von einem Laerstrahl vorgegeben, der Laser selbst
ist mit 13 bezeichnet. An dieser Streckenlängsachse 12 wird ein
Sender 14 ausgerichtet. Dieser Sender 15 weist zwei als raumfeste
Meßpunkte dienende Sendeantennen 15 und 16 auf, deren Abstand a voneinander gemessen wird. Die Verbindungslinie
dieser Sendeantennen 15 und 16 steht normal auf die Streckenlängsachse 12. Es wird nun von der Sendeantenne 15 ein Impuls
abgestrahlt, aus dessen Laufzeit bis zum Auftreffen des Signalsam Empfänger 18 sich der Abstand b zv/ischen Sendeantenne 15 und
Empfangsantenne 17 errechnen läßt. Es wird nun vom gleichen Sender 14 ein weiterer Impuls von "der Antenne 16 abgestrahlt und
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wiederum die Laufzeit des Signals zwischen der Sendeantenne
16 und der Empfangsantenne 17 gemessen. Aus dieser Laufzeit
ergibt sich der Abstand c der Sendeantenne 16 von der Empfangsantenne 17. In der in Fig.4 dargestellten Position der
Streckenvortriebsmaschine ist die Abweichung der Position der Streckenvortriebsmaschine 3 lediglich auf eine horizontale
Parallelverschiebung 7 zurückzuführen. Aus der trigonometrischen Auflösung des durch die Dreieckseiten a, b
und c gegebenen Dreiecks läßt sich aber die genaue Position der Streckenvortriebsmaschine nicht vollständig bestimmen,
da aus dieser Bestimmung noch nicht hervorgehen kann, ob nicht gleichzeitig eine Schrägstellung der Streckenvortriebsmaschine
eingetreten ist, welche die gleichen Abstände b
und c zwischen Sendeantennen 15 und 16 und Empfangsantenne
17 ergeben würde. Indieser Fig.4 ist die Verbindung zwischen
Sender und Rechner und Empfänger und Rechner nicht dargestellt. Diese Verbindung muß aber gegeben sein, um eine Synchronisierung
für die Laufzeitmessung zu ermöglichen. Diese Verbindung kann entweder über eine Meßleitung oder über eine
Funkstrecke hergestellt sein, über diese Verbindung werden je
nach Ausführungsform entweder der Auslöseimpuls oder das
Meßergebnis übertragen.
In Fig.5 ist wiederum die Streckenvortriebsmaschine 3,
der Laser 13 sowie die Streckenlängsachse 12 eingetragen.
Mit 14 ist wiederum der Sender und mit 15 und 16 sind wiederum
die in Relation zur Streckenlängsachse 12 ausgerichteten Sendeantennen bezeichnet. Bei der in dieser Fig.5
veranschaulichten Messung wird ein Impuls lediglich von der Sendeantenne 15 abgestrahlt und von zwei Empfängern
18 und 19 an der Streckenvortriebsmaschine 3 registriert.
Die Empfangsantenne des Empfängers 18 ist wiederum mit 17
bezeichnet, die Empfangsantenne des Empfängers 19 ist mit 20 bezeichnet. Aus der Laufzeit des Signales von der Sendeantenne
15 zur Empfangsantenne 2o ergibt sich rechnerisch ein Abstand d und aus der Laufzeit des Signales von der
Sendeantenne 15 zur Empfangsantenne 17 ergibt sich der Abstand e. Der Abstand der Empfangsantennen 17 und 19 voneinan-
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der, welcher mit f bezeichne): ist, kann in einfacher Weise
bestimmt werden und die Orientierung der Verbindungslinie zwischen den Empfangsantennen 17 und 2o in Relation zur
Streckenvortriebsmaschine 3 ist bekannt. Wiederum läßt sich aus den Dreieckseiten d, e und f das von Sendeantenne
15 und Empfangsantennen 17, 2o aufgespannte Dreieck auflösen und sämtliche Winkel können bestimmt v/erden. Das Ergebnis
dieser Berechnung kennzeichnet sowohl eine Parallelverschiebung als auch eine Schrägstellung. Wenn eine der
beiden Abweichungen durch eine vorangehende Messung bereits bekannt ist, wobei die Parallelverschiebung beispielsweise
durch trigonometrische Messung und die Schrägstellung beispielsweise durch einen Kreiselkompaß ermittelt worden
sein kann, dann kann die jeweilig andere Abweichung aus diesen Meßwerten errechnet werden. Die Messung erfolgt in diesem
Fall durch einen Impuls auf beide Empfänger.
In Fig.6 ist der Laser wiederum mit 13 und die Streckenlängsachse
wiederum mit 12 bezeichnet. Der Sender 14 weist nun neben seiner Sendeantenne 15 noch eine weitere Sendeantenne
21 auf, deren Abstand g von der Sendeantenne 15 gemessen werden kann. Die räumliche Orientierung der Sendeantenne 21 ist
gleichfalls durch entsprechende Justierung einstellbar und in für die Berechnung besonders einfacher Weise wird wiederum ein
rechter Winkel zur Streckenlängsachse gewählt/ wobei die Strecke zwischen Sendeantennen 15 und 21 vertikal gerichtet
ist. Die Streckenvortriebsmaschine 3 weist wiederum den Empfänger 18 sowie die Empfangsantenne 17 auf. Wenn nun von
den Sendeantennen 25 und 21 in zeitlichem Abstand voneinander Signale ausgestrahlt werden, so lassen, sich die Laufzeiten
dieser Signale von der Sendeantenne 15 zur Empfangsantenne und von der Sendeantenne 21 zur Empfangsantenne 17 bestimmen.
Aus diesen Laufzeiten ergibt sich für den Abstand der Sendeantenne 15 zur Empfangsantenne 17 eine Distanz h und für
den Abstand von der Sendeantenne 21 zur Empfangsantenne 17 wiederum ein Abstand i. Aus der trigonometrischen Auflösung
des durch die Seiten g, h und i definierten Dreiecks läßt sich die vertikale Parallelabweichung bzw. Höhenverschiebung
errechnen.
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Wie bereits erwähnt, erfolgt die Bestimmung des Steigungsbzw. Gefällwinkels der Streckenvortriebsmaschine zweckmäßig
mit Hilfe eines Inklinometers in an sich bekannter Weise. Wie in Fig.7 dargestellt ist, läßt sich aber der Steigungsbzw. Gefällwinkel und die Höhenverschiebung gemeinsam
durch trigonometrische Messung erfassen, wenn eine weitere Empfangsantenne 2 2 an der Streckenvortriebsmaschine 3 vorgesehen
ist. In Fig. 7 ist wiederum der Laserjmit 13 und die Streckenlängsachse mit 12 bezeichnet. Bei der in Fig.7 schematisch
erläuterten Messung strahlt wiederum die Sendeantenne 15 einen Impuls aus, welcher von dem Empfangsantennen
22 und 17 empfangen werden-kann. Die Empfangsantenne 22
kann mit einem nicht dargestellten eigenen Empfänger verbunden sein, kann aber auch ohne weiteres mit dem mit der Antenne
1 7 verbundenen Empfänger 18 verbunden werden. Der Abstand der Empfangsantennen 17 und 22 voneinander sowie die räumliche
Lage dieser Empfangsantennen 17 und 22 zur Streckenvortriebsmaschine 3 können in einfacher Weise bestimmt
werden. Die Laufzeiten der Signale, welche von der Sendeantenne 15 abgestrahlt werden, zu den Empfangsantennen 17
und 22 ergeben wiederum die Abstände k zwischen Sendeantenne 15 und Empfangsantenne 17 und 1 zwischen Sendeantenne 15
und Empfangsantenne 22. In Verbindung mit dem bekannten Abstand m der Empfangsantennen 17 und 22 voneinander kann
nun wiederum das Dreieck mit den Seiten k, 1 und m trigonometrisch aufgelöst werden. Wenn nun die vertikale Parallelabweichung
oder Höhenverschiebung oder der Steigungs- oder Gefällwinkel bereits bekannt ist, kann aus dieser Berechnung
die jeweils andere Abweichung errechnet werden. Die beiden Entfernungen k und 1 werden vorzugsweise mit einem
Signalimpuls auf beide Empfangsantennen 17 und 22 gemessen,
wobei die Empfangsantenne 22 entweder mit einem gesonderten, nicht dargestellten Empfänger verbunden ist oder aber mit dem
Empfänger 18 verbunden ist,wobei die Laufzeit zwischen dem
Sender 15 und der Antenne 17 durch Wahl der Schaltungstechnik von der Laufzeit zwischen der Sendeantenne 15 und der
Empfangsantenne 22 unterschieden werden muß.
Die in den Fig.4 bis 7 schematisch erläuterten Teil-
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messungen können in beliebiger Reihenfolge vorgenommen werden.
Wenn zusätzlich die Signale eines Kreiselkompasses, welche nach Orientierung des Kreiselkompasses an der Streckenlängachse
analoge Signale für eine Abweichung der Streckenvortriebsmaschinenposition
durch Schrägstellung, d.h. Verdrehung um eine vertikale Achse ergeben, berücksichtigt
werden, kann die Anzahl der für eine vollständige Bestimmung des Maschinenstandortes erforderlichen Messungen verringert
werden.
Für das Meßprinzip ist es ohne Bedeutung, in welcher Entfernung sich die Sender hinter der Vortriebsmaschine befinden.
Bei größerem Abstand wird jedoch die Genauigkeit der Messung geringer. Die Sender müssen daher entsprechend
der Vortriebsgeschwindigkeit in bestimmten Zeitabständen in Vortriebsrichtung nachgesetzt werden und am Laserstrahl
neu justiert werden. Die Verbindungsleitungen zwischen Sender und Maschine bzw. zwischen Sender und Rechner und Maschine
und Rechner sind gleichbleibend und müssen ausreichend lang bemessen werden,um die Bewegungen der Maschine nicht einzuschränken.
In der Regel werden die trigonometrischen Messungen in gleichbleibender Reihenfolge und zyklisch vorgenommen.
Die jeweils neuesten Meß- bzv/. Rechenwerte werden anstelle der letztgültigen gespeichert und aus dem Speicher in bestimmten
Zeitabständen vom Rechner zur Weiterverarbeitung abgerufen.
Die Position des Schrämwerkzeuges relativ zum Streckenvortriebsmaschinenrahmen
kann mit Hilfe von zwei Winkelmessungen ermittelt werden. Der Horizontal- und der Vertikalschwenkwinkel
kann beispielsweise durch induktive Drehgeber, kapazitive Drehgeber, elektrooptische Winkelcodierer oder
Widerstandsgeber (Potentiometer) gemessen werden. Am Ausgang dieser Geber steht zur Weiterverarbeitung ein digitales
(Impulse oder Code-Wort) oder analoges (Strom oder Spannung) Signal zur Verfügung, das dem Rechner weitergeleitet wird.
Aufgrund der winkelproportionalen Signale ermittelt der Rechner die Koordinaten des Schrämwerkzeuges im Maschinen-
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-Koordinatensystem, einem System mit starrer Lage zum Maschinenrahmen
.
Der vorzugsweise auf der Maschine installierte Rechner muß nun folgende Aufgaben erfüllen:
1. Auswertung der Messungen nach den in den Fig.4 bis 7 erläuterten
Methoden und Errechnung der Abweichungen, die
sich aus diesen Messungen ergeben. Diese Auswertung kann auch durch eine eigene Meßschaltung erfolgen, so daß
dem Rechner für die Weiterverarbeitung bereits analoge oder digitale Werte für die Abweichung zur Verfügung stehen.
2. Die Berechnung der Schrämwerkzeugposition bzw. -abweichung im Maschinenkoordinatensystem.
3. Nach Berechnung der Abweichungen der Maschinenposition bzw. Ablesung der Winkelmeßgeräte oder Entnahme der Werte aus
Meßwertspeichern, kann der Rechner unter Berücksichtigung
der Geometrie der Maschine die Schrämwerkzeugposition bzw. -abweichung im Strecken-Koordinatensystem berechnen,
die durch die Maschinenabweichung zustande kommt. Dabei berücksichtigt der Rechner den Umstand, daß sich Maschinenabweichungen
je nach momentaner Schrämarmstellung unterschiedlich auf das Schrämwerkzeug auswirken.
4. Koordinatentransformation zv/ischen den beiden Systemen. Der Rechner transformiert die durch die Arbeitsbewegungen
des Schwenkarmes bedingten Schrämwerkzeugabweichungen im Ma schinenkoordinatensystem unter Zugrundelegung der momentanen
Maschinenabweichung (entspricht Koordinatenverschiebung und -drehung) in das Strecken-Koordinatensystem und
erzeugt ein der Schrämkopfabweichung im Streckenkoordinaten system proportionales Signal, das zur Ansteuerung der Anzeigevorrichtung
benutzt werden kann.
Die hiebei verwendete Anzeigevorrichtung ist schematisch in den Fig.8 und 9 dargestellt.
In Fig.8 ist zur besseren Übersichtlichkeit die das Soll-Profil tragende Schablone weggelassen. Mit 23 ist ein in
vertikaler Richtung verschiebbares Positionierband bezeichnet, dessen Antrieb durch einen Stellmotor 24 erfolgt. An diesem- .
vertikalen Positionierband ist ein horizontales Positiohierband 25 angeordnet, welches vom Stellmotor 26 angetrieben
-■ 16 -·
909833/0575
-λι-
wird. Der Träger 27 der Achson 28 und 29 für die Umlenkung
des horizontalen Positionierbandes 25 ist starr bei 3o mit dem vertikalen Positionierband 23 verbunden. Der Stellmotor
26 für das horizontale Positionierband ist hiebei gleichfalls starr am Träger 27 festgelegt und es sind Führungsstangen
31, 32 für die Führung des horizontalen Positionierbandes 25 vorgesehen. Das horizontale Positionierband 25
trägt eine Nachbildung des Schrämv/erkzeuges 33. Durch Ansteuerung
des Motors 24 für den Antrieb des vertikalen Positionierbandes 23 wird das horizontale Positionierband
in seiner Höhenrichtung verschoben und die maßstabgetreue Nachbildung 33 des Schrämwerkzeuges in Höhenrichtung bewegt.
Der Stellmotor 26 bewegt die Nachbildung 33 des Schrämwerkzeuges in seitlicher Richtung.
In Fig.9 sind die Bezugszeichen der Fig.8 beibehalten und
es ist zusätzlich die Schablone 34 ersichtlich, deren Innenkontur 35 eine maßstabgetreue Nachbildung des Soll-Profiles
darstellt.
Die gesamte Anzeigevorrichtung kann in einfacher Weise in/nicht dargestellten staubdichten Gehäuse angeordnet werden,
wobei die vordere Abdeckung dieses Gehäuses durchsichtig gewählt werden muß.
Wenn nun die Kontur 36 der Nachbildung des Schrämkwerzeuges 33 mit Leuchtdioden und die Kontur 35 der Schablone 34
mit Fototransistoren ausgestattet ist, werden die Fototransistoren
der Kontur 35 der Schablone 34 dann ein Signal abgeben, wenn das von den Leuchtdioden der Kontur 36 der
Nachbildung des Schrämwerkzeuges 33 ausgestrahlte Licht auf die Fototransistoren trifft. Dieses Signal bedeutet, daß
das Schrämwerkzeug einen Rand des Soll-Profiles berührt. Bei Auftreten dieses Signales kann daher die die Streckenvortriebsmaschine
bedienende Person entsprechende Korrekturen für die Steuerung des Schrämwerkzeuges vornehmen. Dieses
Signal kann aber auch in einfacher Weise zur Abstellung des Schwenkantriebes über ein elektrohydraulisches Stellglied
verwendet werden.
Je nach Ausstattung kann die Anzeigevorrichtung verschiedene Aufgaben erfüllen. Beispielsweise kann durch die
- 17 -
909833/OS7S
Anzeigevorrichtung lediglich die Anzeige der Position des Schräinwerkzeuges erfolgen, wobei der Schwenkarm vollkommen
frei ist und auch außerhalb des Soll-Profiles vom Maschinenfahrer
bewegbar ist. Bei Ausstattung der Anzeigevorrichtung mit Leuchtdioden und Fototransistoren kann ein optisches
oder akustisches Warnsignal ausgelöst werden, sobald die Schrämkwerzeugkontur das Soll-Profil berührt oder zu
überschreiten beginnt.
Die Steuerung der Positionierbänder kann entweder über kontinuierlich arbeitende Stellmotoren und Potentiometer oder
Winkelcodierer erfolgen, oder aber Schrittmotoren aufweisen.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform können zwei das Soll-Profil aufweisende Schablonen in Abstand voneinander
parallel angeordnet sein. In diesem Fall kann der Rand der Innenkontur dieser Schablonen, welcher dem Soll-Profil
entspricht, mit Lichtleitern, Leuchtdioden und/oder Fototransistoren ausgestattet sein, wobei die Positionierbänder
transparent ausgebildet sind. Diese Schablonen müssen dann so angeordnet sein, daß jeweils eine Schablone vor dem
die Nachbildung des Schrämwerkzeuges tragenden Positionierband und eine hinter diesem Positionierband angeordnet ist.
Wenn nun die Nachbildung des Schrämwerkzeuges lichtschwächend ausgebildet ist, wird eine Änderung des von den Fototransistoren
gemessenen Signals eintreten, sobald die Kontur der Nachbildung des Schrämwerkzeuges in den Strahlengang zwischen
den inneren Rändern der Schablonen eintaucht. In dEsem Falle
wird diese Abweichung des Signales der Fototransistoren für die Auslösung der akustischen oder optischen Warnsignale
herangezogen oder aber zur Abstellung des Schrämantriebes verwendet.
Die das Soll-Profil aufweisenden Schablonen können in einfacher Weise ausgetauscht werden, so daß verschiedene
maßstäbliche Abbildungen des zu schrämenden Profiles eingesetzt
werden können. Die Schablone kann hiebei eine Durchbrechung aufweisen, welche dem zu schrämenden Soll-Profil
entsprich^ oder aber in den Bereichen außerhalb des maß- ' '
stäblich dargestellten Sollprofiles eine geringere Transparenz aufweisen als innerhalb dieses Bereiches.
- 18 -
9CS833/0S7B
Bei der Ausbildung nach Fig.io sind wiederum das vertikale
Positionierband mit 23 und das horizontale Positionierband mit 25 bezeichnet. Das horizontale Positionierband 25
trägt die Schrämwerkzeugnachbildung 33. Inder Draufsicht auf die Anzeigevorrichtung in Richtung des Pfeiles 39 sind
in Abstand hintereinander Profilschablonen 34 und 38 angeordnet. Die Ränder 35 dieser Profilschablonen tragen Fotodioden
bzw. Fototransistoren 37, wobei jeweils an der Stelle einer Fotodiode an der Schablone 3 4 in Richtung des
Pfeiles 39 auf der Schablone 38 ein Fototransistor vorgesehen ist. Die Schrämwerkzeugnachbildung 33 ist derart in
Abstand vom Positionierband 25 festgelegt, daß sie zwischen den beiden Schablonen 34 und 38 verschoben wird. Wenn nun
die Nachbildung 33 des Schrämwerkzeuges in den Strahlengang zwischen Fotodioden und Fototransistoren 3 7 der Schablonen
34 und 38 gelangt, wird der Strahlengang unterbrochen und ein entsprechendes Signal bzw. ein Steuerimpuls für'eine
Abschalteeinrichtung des .Antriebes des Schrämarmes ausgelöst. Bei einer solchen Ausbildung braucht das die Schrämwerkzeugnachbildung
tragende Positionierband nicht transparent ausgebildet zu sein. Die Festlegung der Schrämwerkzeugnachbildung
an dem Positionierband kann in einfacher Weise über ein Distanzelement 4o erfolgen, welches sich durch
den lichten Raum der einen der beiden Profilschablonen, im gezeigten Fall der Profilschablone 38, erstreckt.
Der Antrieb der Schrämwerkzeugnachbildung kann in einfacher Weise anstelle der gezeigten Positionierbänder von
einem Spindelantrieb gebildet sein.
Patentansprüche:
Claims (16)
1. Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung eines
über die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkzeuges einer Strekkenvortriebsmaschine
durch Ermitteln der jeweiligen Position des Schrämwerkzeuges unter Berücksichtigung der Stellung
der Streckenvortriebsmaschine relativ zum Sollprofil des aufzufahrenden Streckenquerschnittes, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein raumfester Meßpunkt relativ zur Streckenlängsachse,, beispielsweise mittels eines Laserstrahles,
ausgerichtet wird, daß die Laufzeiten von Signalen zwischen wenigstens einem solchen Meßpunkt und zwei Punkten
der Streckenvortriebsmaschine oder wenigstens zwei solchen Meßpunkten und wenigstens einep\ Punkt der Streckenvortriebsmaschine
gemessen v/erden, worauf aus den gemessenen Laufzeiten die Ist-Lage der Streckenvortriebsmaschine trigonometrisch
errechnet wird und die Einstellung der Lage des Schrämwerkzeuges in die Soll-Lage relativ zur Ist-Lage der
Schrämmaschine vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßpunkte Sendeantennen oder Empfangsantennen und
daß als Punkte Empfangsantennen oder Sendeantennen verwendet
werden, wobei von dan Sendeantennen elektromagnetische
oder akustische Wellen abgestrahlt werdeiund die Empfänger
für den Empfang der elektromagnetischen oder akustischen Wellen eingerichtet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sendeantennen Signale in Form von
Impulsen abgestrahlt werden, wobei die Signale von verschiedenen Sendeantennen als zeitlich getrennte Impulse abgestrahlt
werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet (. daß bei gleichzeitiger Abstrahlung von
Signalen von mehreren Sendeantennen jede Sendeantenne Wellen mit anderer Frequenz abstrahlt.
ORIGINAL INSPECTED
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei Sendeantennen innerhalb einer
relativ zur Streckenlängsachse ausgerichteten Ebene unter Aufspannung eines Dreieckes angeordnet werden und daß drei
Empfangsantennen an der Streckenvortriebsmaschine angeordnet werden, welche gleichfalls eine Ebene definieren.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale periodisch abgestrahlt
.werden, die durch die trigonometrische Berechnung ermittelten Werte zwischengespeichert und durch den jeweils
neusten Wert ersetzt werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
an der Strecke wenigstens ein Sender (14) oder Empfänger sowie wenigstens zwei Antennen (15, 16, 21), deren Lage
in Relation zur beispielsweise durch einen Laser (13) gegebenen Streckenlängsachse (12) orientiert ist, und an
der Streckenvortriebsmaschine (3) wenigstens ein Empfänger (18, 19) oder Sender mit wenigstens zwei Antennen (17, 2o, 22)
angeordnet ist und daß Sender und Empfänger über Leitungen mit einem Rechner verbunden sind, dessen Ausgangssignal
zum Korrigieren der Steuerung des Schrämarmes (4) verwertbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Streckenvortriebsmaschine (3) an sich bekannte
Inklinometer, Potentiometer oder Winkelcodierer angeordnet sind, deren Signale die Orientierung des Schrämwerkzeuges
(5) in Relation zur Streckenvortriebsmaschine sowie gegebenenfalls den Steig-, Gefäll- oder Rollwinkel der
Streckenvortriebsmaschine wiedergeben und gleichfalls dem Rechner über Leitungen zugeführt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendeantennen (15, 16,· 21) eine Justiervorrichtung zur Einstellung ihrer Lage aufweisen.
1o. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß dio Empfängerantennen (17, 2o, 22)
sowie gegebenenfalls die Inklinometcr verstellbar sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 1o, da-
' 2 ^ —
ORIGINAL INSPECTED
2^01908
durch gekennzeichnet, daß ein Sender (14) mit drei an den Eckpunkten eines Dreieckes angeordneten Antennen (15, 16, 21)
vorgesehen ist, wobei die Lage der durch die Antennen definierten Ebene in Relation zur Streckenlängsachse (12) ausgerichtet
ist, daß an der Streckenvortriebsmaschine (3) zwei Empfänger (18, 19) und gleichfalls drei Antennen (17, 2o, 22)
vorgesehen sind und daß die Antennen wahlweise mit dem Sender bzw. den Empfängern verbunden sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadutch
gekennzeichnet, daß der Rechner mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist, welche die jeweilige Position des
Schrämwerkzeuges (5) in Relation zum Soll-Profil anzeigt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzeigevorrichtung zwei senkrecht zueinander angeordnete Positionierbänder (23, 25) oder Positionierspindeln aufweist,
welche durch vom Rechner gesteuerte Stell- oder Schrittmotoren (24, 26) antreibbar sind, wobei eines der Positionierbänder
(25) bzw. eine der Positionierspindeln vom anderen der
Positionierbänder (23) bzw. -spindeln quer zu seiner Bewegungsrichtung mitgenommen wird und eine maßstäbliche Nachbildung
(33) des Schrämwerkzeuges (5) zeigt, und daß vor diesen Positionierbändern bzw. -spindeln eine das Soll-Profil
maßstäblich zeigende Schablone (34) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet,
daß der Umriß (36) der Schrämwerkzeugnachbildung (33) Lichtquellen oder lichtempfindliche Elemente, wie beispielsweise
Leuchtdioden oder Fototransistoren, aufweist, daß der Innenrand der Profilschablone (34) lichtempfindliche Elemente
oder Lichtquellen,- wie beispielsweise Fototransistoren oder
Leuchtdioden, aufweist und daß bei Auftreten von Signalen in den lichtempfindlichen Elementen ein akustisches oder
optisches Zeichen auslösbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei den Rand des Sollprofiles zeigende Schablonen (34, 38) in Abstand voneinander angeordnet sind, daß die
Nachbildung (33) des Schrämwerkzeuges (5) lichtschwächend ausgebildet und zwischen den beiden Schablonen verschiebbar ist
und daß die Innenränder (35) der Schablonen mit Lichtquellen, wie beispielsweise Lcuchtdiodcn, und/oder fotoempfindlichen
909835/0571?
ORIGINALiNSPECTED
Elementen, beispielsweise Fototransistoren^ (37) bestückt sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung mit einem elektrohydraulischen Stellglied zur Abstellung des Schwenkantriebes
bei Berührung von Sollprofil und Schrämwerkzeugkontur verbunden ist.
909033/0575
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