DE2901908C3

DE2901908C3 - Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung des über die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkzeuges einer Teilschnitt-Streckenvortriebsmaschine und Vorrichtung zur Durchführung diesen Verfahrens

Info

Publication number: DE2901908C3
Application number: DE2901908A
Authority: DE
Inventors: Alfred Ing. Zeltweg Zitz
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine AG
Priority date: 1978-02-15
Filing date: 1979-01-18
Publication date: 1983-01-13
Also published as: ZA79255B; MX148288A; AU517581B2; YU34979A; DE2901908A1; SU1105126A3; GB2014633A; IN151233B; GB2014633B; NZ189522A; PL213418A1; RO78612A; YU41383A; SE7900219L; CA1109495A; PL120125B1; FR2417632B1; DE2901908B2; CS250202B2; JPS54120922A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung des über die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkzeuges einer Teilschnitt-Streckenvortriebsmaschine durch Ermitteln der jeweiligen Posiiion des Schrämwerkzeuges unter Berücksichtigung der jeweiligen Stellung der Streckenvortriebsmaschine relativ zum Sollprofil des aufzufahrenden Streckenquerschnitts, wobei das Sollprofil des Streckenausbruchs durch mindestens einen in Streckenlangsrichtung verlaufenden laserstrahl festgelegt wird, sowie eine Vorrichtung /ur Durchlührung des Verfahrens

Beim Vorn iben von Tunnels ist es von wesentlicher Bedeutung, daß eine einmal gewählte Richtung so genau wie nur möglich eingehalten wird, um die fur die Herstellung von Tunnels erforderliche F.nergie so gering wie nur möglich zu halten. Dieses Problem ist insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn ein solcher Tun.iel von /wei Seiten gleichzeitig begonnen wird, und in einem solchen Fall ist es entscheidend, daß der Durchbruch im Mittclbereich des Tunnels möglichst genau mit dem an der anderen Seite des Tunnels begonnenen Stollen fluch;ü. Üblicherweise wird beim Vortreiben einer Strecke die Lage des gewünschten Sollprofils djrch einen in St^eckenlängsrichtung verlaufenden Laserstrahl festgelegt. Da die Position des Schrämwerkzeugs nur relativ zur Streckenvortriebsmaschine in einfacher Weise genau festgestellt werden kann, wurde bereits versucht, auch die Lage der Streckenvortriebsmaschine möglichst genau /u bestimmen, um Korrekturmaßnahmen /u set/en. um das gewünschte Sollprofil zu schrämen. Zur Feststellung der Position eines Schrämarmes bzw. des Schrämwerkzeugs können beispielsweise Winkelcodierer oder Potentiometer verwendet weiden. Die von solchen Hilfsgerätcn gemessenen Werte ergeben aber nur relative Positionsangaben des Schrämwerkzeuges, wenn der genaue Standort der Maschine nicht bekannt ist. Bisher wurde /ur Erfassung des Standortes der Maschine vorgeschlagen, einen Laserstrahl ζ·.ι verwenden, und es wurden eine Reihe von Vorrichtungen entwickelt, mit welchen Abweichungen des Mnschinenstandortes von einer mit dem Laserstrahl fluch'enden Geraden gemessen werden. Die Leistung eines Lasers ist aber nun zum eine.i durch seine Bauart und zum anderen durch die Streuung des Laserlichtes durch Staub in unmittelbarer Nähe der Maschine beschränkt. Darüber hinaus ergibt sich bei solchen Ausbildungen 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 m 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 ζμγ Streckenachse, eine vertikale Parallelabweichung oder Höhenverschiebung relativ zur Streckens-rrhse oder aber verschiedene Neigungen bedingt ui>reh den Steig-. Gefäll- oder Rollwinkel zur Streckenachse einnehmen. Der Steig- bzw. Gefällwinkel und der Rollwinkel können in einfacher Weise von Winkelioc^'.rern (Inklinometern) in an sich bekannter Weise eriaßt werden. Für die Festlegung von Parallelverschicbungen in horizontaler oder vertikaler Richtung h/w. von Schrägstellungen d:r Streckenvortriebsmaschine is·, aber eine Orientierung an einer Längsachse der Strecke, wie sie beispielsweise durch einen Laserstrah! 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 Schramwerk/eugs der eingangs erwähnten Art r\x schaffen, bei welchem eine /uverlässi ge Erfassung zumindest einiger Abweichungen und eine genaue Bestimmung des Ausmaßes dieser Anweichun gen in einfacher Weise ermöglicht wird.

Zt Lösung dieser Aufgabe besteht die vorliegende Erfindung 1111 wesentlichen dann, daß wenigstens ein raumfester MeUpunkt relativ /ur Streckenlangsachse mittels eines Laserstrahls ausgerichtet wire, daß die Laufzeiten von Signalen /wischen we; igstens einem solchen Meßpunkt und /wei an der Streckenvortriebsmaschine vorgesehenen Punkten oder wenigstens zwei solchen Meßpunkten und wenigstens einem an der Streckenvortriebsmaschine festgelegten Punkt gemessen werden, worauf aus den gemessenen Laufzeiten dielst-Lage der Streckenvortriebsmaschine trigonometrisch errechnet wird und die Einstellung der Lage de> Schrämwerkzeuges in die Soll-Lage relativ /ur Ist-Lage der Streckenvortriebsmaschine vorgenommen wird.

Auf diese Weise können beliebige Sign?le gewählt werden, wobei vor allen Dingen solche Signale interessant sind, welche durch Staub nicht gestört werden. In erster Linie werden im Rahmen des erfindungsgemäße; Verfahrens Radar-, Infrarot-, Ultra schallwellen oder Echolotimpulse verwendet, die sich durchwegs dadurch auszeichnen, daß sie auch dann noch sicher empfangen werden können, wcnii Lichtstrahlen bereits nicht mehr registriert werden können. Durch die Bestimmung der Laufzeiten der Signale und die Berechnung der sich <:us diesen Laufzeiten ergebenden Abstände wird eine exakte trigonometrische Berechnung der Position der Streckenvortriebsmaschine ermöglicht und clic Einstellung der Lage des Schräm-

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Werkzeuges in die Soll-Lage relativ zur Ist-L&ge der Streckenvortriebsmaschine stellt rechnerisch und steuertechnisch keine Probleme dar, da es sich, mathematisch gesprochen, lediglich um eine Koordinatentransformation bzw. um einen Vergleich der Raumkoordination des Schrämwerkzeuges mit den Raumkoordinaten des Soll-Profils des zu schrämenden Streckenquerschnitts handelt. Hierzu ist us lediglich erforderlich, jeweils den Abstand zweier raumfester Meßpunkte bzw. zweier Punkte 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 Dreiecks, welches trigonometrisch aufgelöst werden kann. In besonders einfacher Weise Schrämarrnes verwertbar ist. Mit einer solchen Einrichtung ist in Verbindung mit einem Kreiselkompaß. Inkünometern, Potentiometern oder Winkelcodierern die vollständige Bestimmung der Position der Streckenvortriebsmaschine möglich. Die Orientierung des Schrämwerkzeugs selbst wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise dadurch ermittelt, daß an der Streckenvortriebsmaschine an sich bekannte Inklinometer. Potentiometer oder Winkelcodierer angeord-

to net sind, deren Signale die Orientierung des Schrämwerkzeugs in Relation zur Streckenvortriebsmaschine sowie gegebenenfalls den Steig-, Ge'äll- 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

oi»uui.aiitviiiti;ii isun

antennen und als Punkte 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. mit einem 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 Inkünometern, Potentiometern oder Winkcicodierern ermittelt werHen. 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 Dreiecks angeordnet werden und daß drei Empfangsantennen an der Streckenvortriebsmaschine angeordnet werden, welche gleichfalls eine Ebene definieren. In einfacher Weise kann hierbei so vorgegangen werden, daß die Signale periodisch abgestrahlt werc!~n. 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 in der Strecke wenigstens ein als fester Bezugsmeßpunkt dienender Sender oder Empfänger sowie wenigstens zwei Antennen in bezug auf die durch einen Laser gegebene Streckenlängsachse raumfest installiert sind, daß an der Streckenvortriebsmaschine wenigstens ein Empfänger oder Sender mit wenigstens zwei Antennen angeordnet ist und daß die Sender und Empfänger über Leitungen mit einem Rechner verbunden sind, der in Abhängigkeit der ermittelten Abweichungen sowohl der Streckenvortriebsmaschine als auch des Schrämwerkzeuges von ihren jeweiligen Sollstellungen ein Ausgangssignal abgibt, welches zum Korrigieren der Steuerung des

WIfU, UCSlIIIIIIfIC /"VLfWCHIIUIIgCtI UCI Γ U3lllir;f UCf

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 Dreiecks angeordneten Antennen vorgesehen ist, wobei die Ls₄JC der durch die Antennen definierten Ebene in Relation zur Streckenlängsachse ausgerichtet ist. daß an der Schrämmaschine zwei Empfänger und gleichfalls drei Antennen vorgesehen sind jnd daß die Antennen wahlweise mit dem Sender uzw. den Empfängern verbunden sind.

In bevorzugter Weiterbildung der erfindungsgemä-Ben Vorrichtung ist die Ausbildung so getroffen, daß der Rechner mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist, welche die jeweilige Position des Schrämwerkzeugs in Relation zum Soll Profil anzeigt.

Die erfindungsgemäß verwendete Anzeigevorrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, daß die Anzeige vorrichtung 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 Schrämwerkzeugs zeigt, und daß vor diesen Positionierbändern eine das Soll-Profil maßstäblich zeigende Schablone angeordnet ist. In diesem 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 zwei den Rand des Soll-Profils zeigende Schablonen in Abstand voneinander angeordnet sind und daß das das Schrämwerkzeug tragende Positionierband zwischen diesen 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 Schrämwerkzeugs tragende Positionierband transparent ausgebildet ist und daß die Nachbildung des

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Schrämwerkzeug* lichischwächcnd ausgebildet ist. Wenn die Anzeigeeinrichtung mit einem elektrohydraulischen Stellglied zur Abstellung des Schwcnkanlricbs bei Berührung von Soll-Profil und Schrämwerkzeugkontur verbunden ist, kann auf die leicht zu überhörenden akustischen oder zu übersehenden optischen Signale verzichtet werden.

Die Frfiiidiing wird an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche weitere Details zeigt, näher erläutert. In dieser zeigt Γ i g. I eine schematische Seitenansicht einer Schrämmaschine.

F i g. 2 eine Ansicht der Schrämmaschine nach I" i g. I von hinten und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Darstellung nach Fig. 1. die Fig. 4. 5. 6 und 7 schematische Teilschritte bei der Bestimmung der Position der Streckenvortriebsmaschine, die

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht der Anzeigevorrichtung bei abgenommener Soll-Profil-Schablone, l· ι g. y eine Ansicht des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes von vorne und

Fig. 10 einen Schnitt quer zu den Profilschablonen einer weiteren Ausbildung der Anzeigevorrichtung.

In Fig. I ist mit dem Doppelpfeil 1 die vertikale Parallelabweichung oder Höhenverschiebung der Strekkenvortriebsmaschine angedeutet. Mit deiii L»oppelpfeil 2 wird die Fehlstellung der Streckenvortriebsmaschine, welche auf den Steig- bzw. Gefällwinkel zurückzuführen ist, angedeutet. Die Streckenvortriebsmaschine 3 weist hierbei 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 10 der Streckenvortriebsmaschine ist in Fig. 2 dargestellt. Die Bewegung um diese vertikale Achse im Sinn des Pfeils 11 der Fig. 3 ergibt eine Schrägstellung der Streckenvortriebsmaschine in Relation zur Streckenlängsachse. In F i g. 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 Laserstrahl 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 Signals am Empfänger 18 sich der Abstand & zwischen Sendeantenne 15 und Empfangsantenne 17 errechnen läßt. Es wird nun vom gleichen Sender 14 ein weiterer Impuls von der Antenne 16 abgestrahlt und 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 Dreieckseilen ;/. 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. In dieser F i g. 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 Streckenlängsachsc 12 ausgerichteten Sendeantennen bezeichnet. Bei der in dieser F i g. 5 veranschaulichten Messung wird ein Impuls lediglich von der Sendeantenne 15 abgestrahit 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 Signals von der Sendeantenne 15 zur Empfangsantenne 20 ergibt sich rechnerisch ein Abstand d und aus der Laufzeit des Signals von der Sendeantenne 15 zur Empfangsantenne 17 ergibt sich der Abstand e. Der Abstand der Empfangsantennen 17 und 20 voneinander, welcher mit f bezeichnet ist, kann in einfacher Weise bestimmt werden und die Orientierung der Verbindungslinie zwischen den Empfangsantennen 17 und 20 in Relation zur Streckenvortriebsmaschine 3 ist bekannt. Wiederum läßt sich aus den Dreieckseiten d. e und f das von Sendeantenne 15 und Empfangsantennen 17, 20 aufgespannte Dreieck auflösen und sämtliche Winkel können bestimmt werden. 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

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die Laufzeiten dieser Signale von der Sendeantenne 15 zur Empfangsantenne 17 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 den Sendeantenne 21 zur Empfangsantenne 17 wiederum ein Abstr.nJ /. Aus der trigonometrLv-'hen Auflösung des durch die Seiten g, h und / definierten Dreiecks läßt sich die vertikale Parallelabweichung bzw. Höhenverschiebung errechnen.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Bestimmung des Steigungs- bzw. Gefällwinkels der Streckenvortriebsmaschine zweckmäßig mit Hilfe eines Inklinometers in an sich bekannter Weise. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, läßt sich aber der Steigungs- bzw. Gefällwinkel und die Höhenverschiebung gemeinsam durch trigonometrische Messung erfassen, wenn eine weitere Empfangsanlenne 22 an drr .Strerlcpnvortriehsmasrhinp 3 vnrgpsrhen ist. In F i g. 7 ist wiederum der Laser mit 13 und die Streckenlängsachse mit 12 bezeichnet. Bei der in F i g. 7 schematisch erläuterten Messung strahlt wiederum die Sendeantenne 15 einen Impuls aus, welcher von den Empfangsantennen 22 und 17 empfangen we. den kann. Die Empfangsantenne 22 kann mit einem nicht dargestellten eigenen Empfänger verbunden sein, kann aber auch ohne weiteres mit dem mit der Antenne 17 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 /zwischen Sendeantenne 15 und Empfangsantenne 22. In Verbindung mit dem bekannten Abstand mder Empfangsantennen 17 und 22 voneinander kann nun wiederum das Dreieck mit den Seiten k, I und m trigonometrisch aufgelost werden. Wenn nun die vertikale Parallelabweichung oder Höhenverschiebung od-«; der Steigungs- oder Gefällwinkel bereits bekannt ist, kann aus dieser Berechnung die jeweils andere Abweichung errechnet werden. Die beiden Entfernungen k und /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 Teilmessungen können in beliebiger Reihenfolge vorgenommen werden. Wenn zusätzlich die Signale eines Kreiselkompasses, welche nach Orientierung des Kreiselkompasses an der Streckenlängsachse 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 Ztüabständen in Vortriebsrichtung nachgesetzt werden und am Laserstrahl neu jusitien werden. Die VerbindiiHgsleitungen zwischen Sender und Ma- > schine 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 Messun-

in gen in gleichbleibender Reihenfolge und zyklisch vorgenommen. Die jeweils neuesten Meß- bzw. 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 vin zwei Winkelmessungen ermittelt werden. Der Horizontal- und der Vertikalschwenkwinkel kann beispielsweise durch inHiiktivp Drphophpr linna^itivp Drphophpr

elektrooptisch^ 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 Schrämwerkzeugs im Maschinen-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 F i g. 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 zwischen den beiden Systemen. Der Rechner transformiert die durch die Arbeitsbewegungen des Schwenkarn.s bedingten Schrämwerkzeugabweichungen im Maschinenkoordinatensystem unter Zugrundelegung der momentanen Maschinenabweichung (entspricht Koordinatenverschiebung und -drehung'? in Cv: Strecken-Koordinatensystem und erzeugt ein der Schrämkopfabweichung im Sireckenkoordinatensystem proportionales Signal, das zur Ansteuerung der Anzeigevorrichtung benutzt werden kann.

Die hierbei verwendete Anzeigevorrichtung ist schematisch in den F i g. 8 und 9 dargestellt.

In Fig.8 ist zur besseren Übersichtlichkeit die das

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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 Positionierband 25 angeordnet, welches "· vom Stellmotor 26 angetrieben wird. Der Träger 27 der Achsen 28 und 29 für die Umlenkung des horizontalen Positionierbandes 25 ist starr bei 30 mit dem vertikalen Positionierband 23 verbunden. Der Stellmotor 26 für das horizontale Positionierband ist hierbei gleichfalls starr κι 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 Schrämwerkzeuges 33. Durch Ansteuemng des Motors 24 für den Antrieb des ι j vertikalen Positionierbandes 23 wird das horizontale Positionierband in seiner Höher.richtung verschoben und die maßstabgetreue Nachbildung 33 des Schrämwerkzeugs in Höhenrichtung bewegt. Der .Stellmninr 26 bewegt die Nachbildung 33 des Schrämwerkzeuges in seitlicher Rieh ;jng.

In F i g. 9 sind die Bezugszeichen der Fig. 8 beibehalten und es ist zusätzlich die Schablone 34 ersichtlich, deren (nnenkontur 35 eine maßstabgetreue Nachbildung des Soll-Profils darstellt.

Die gesamte Anzeigevorrichtung kann in einfacher Weise in einem nicht dargestellten staubdichten Gehäuse angeordnet werden, wobei die vordere Abdeckung dieses Gehäuses durchsichtig gewählt werden muß.

Wenn nun die Kontur 36 der Nachbildung des Schrämwerkzeugs 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 Lei'chtdioden der Kontur 36 der Nachbildung des Schrämwerkzeugs 33 ausgestrahlte Licht auf die Fototransistoren trifft. Dieses Signal bedeutet, daß i!as Schrämwerkzeug einen Rand des Soll-Profils berührt. Bei Auftreten dieses Signals 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 Schwenkantriebs über ein elektrohydraulisches Stellglied verwendet werden.

Je nach Ausstattung kann die Anzeigevorrichtung verschiedene Aufgaben erfüllen. Beispielsweise kann durch die Anzeigevorrichtung lediglich die Anzeige der Position des Schrämwerkzeugs erfolgen, wobei der Schwenkarm vollkommen frei ist und auch außerhalb des Soll-Profils vom Maschinenfahrer bewegbar ist. Bei Ausstattung der Anzeigevorrichtung mit Leuchtdioden und Fototransistoren kann ein optisches oder akustiiches Warnsignal ausgelöst werden, sobald die Schrämwerkzeugkontur 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 Ausführungsiörm können zwei das Soll-Profil aufweisende Schablonen in Abstand voneinander parallel angeordnet sein. In diesem F*!! kann di.-·' Ram' der Hnenkontur dieser Schablonen, weicher dem Soll-Profil entspricht, mit Liciittc.tern, Leuchtdioden und/oder Fototransistoren ausgestattet sein, wobei die Positionier bänder 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 Schrämwerkzeug* lichtschwächend ausgebildet ist, wird eine Änderung des von den Fototransistoren gemessenen Signals eintreten, sobald die Kontur der Nachbildung des Schrämwerkzeugs in den Strahlengang zwischen den inneren Rändern der Schablonen eintaucht. In diesem Falle wird diese Abweichung des Signals der Fototransistoren für die Auslösung der aknstisrhpn ndpr nnrisrhen Win-ncionalp hppanop7nnpn oder aber zur Abstellung des Schrämantriebes verwendet.

Die das Soü-Profil aufweisenden Schablonen können in einfacher \Veise ausgetauscht werden, so daß verschiedene maßstäbliche Abbildungen des zu schrämenden Profils eingesetzt werden können. Die Schanlone kann hierbei eine Durchbrechung aufweisen, welche dem zu schrämenden Soll-Profil entspricht, oder aber in den Bereichen außeihalb des maßstäblich dargestellten Sollprofils eine geringere Transparenz aufweisen als innerhalb dieses Bereiches.

Bei der Ausbildung nach Fig. 10 sind wiederum das vertikale Positionierband mit 23 und das horizontale Positionierband mi; 25 bezeichnet. Das horizontale Positionierband 25 trägt die Schrämwerkzeugnachbildung 33. In der Draufsicht auf die Anzeigevorrichtung in Richtung des Pfeils 39 sind in Abstand hintereinander Profilschablonen 34 und 38 angeordnet. Die Ränder 35 dieser Profilschablonen tragen Fotodioden bzw. Fototransistoren 37, wobei jeweils an der Steile einer Fotodiode an der Schablone 34 in Richtung des Pfeils 39 auf der Schablone 38 ein Fototransistor vorgesehen ist. Die Schrämwerkzeugnachbildung 33 ist derart in Abstand vom Positionierband 25 festgelegt, d^ß sie zwischen den beiden Schablonen 34 und 38 verschoben wird. Wenn nun die Nachbildung 33 des Schrämwerkzeugs in den Strahlengang zwischen Fotodioden und Fototransistoren 37 der Schablonen 34 und 38 gelangt, wird der Strahlengang unterbrochen und ein entsprechendes Signal bzw. ein Steuerimpuls für eine Abschalteeinrichtung des Antriebs 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 40 erfolgen, welches sich durch den lichten Raum der einen der beiden Profilschablonen. im gezeigten Fall der Profilschablone 38, erstreckt.

Der Antrieb der Schrämwerkzeugnachbiidung kann in einfacher Weise anstelle der «zeigten Positionierbänder von einem Spindelantrieb ^sbildet sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

29 Ol Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der Arbeitsbewegung des über die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkzeuges einer Teilschnitt-Streckenvortriebsmaschine durch Ermitteln der jeweiligen Position des Schrämwerkzeuges unter Berücksichtigung der jeweiligen Stellung der Streckenvortriebsmaschine relativ zum Sollprofil des aufzufahrenden Streckenquerschnitts, wobei das Sollprofil des Streckenausbruchs durch mindestens einen in Streckenlängsrichtung verlaufenden Laserstrahl festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein raumfe ster Meßpunkt relativ zur Streckenlängsachse i.~ mittels eines Laserstrahles ausgerichtet wird, daß die Laufzeiten von Signalen zwischen wenigstens einem solchen Meßpunkt und zwei an der Streckenvortriebsmaschine vorgesehenen Punkten oder wenigstens z\»«-' solchen Meßpunkten und wenigstens einem an der Streckenvortriebsmaschine festgelegten Punkt gemessen werden, worauf aus den gemessenen Laufzeiten die Ist-Lage der Streckenvortriebsmaschine trigonometrisch errechnet wird und die Einstellung der Lüge des Schrämwerkz :uges in die Soll-Lage relativ zur Kt-Lage der Streckenvortriebsmaschine vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß als Meßpunkte Sendeantennen oder Empfangsantennen und daß als Punkte F.mpfangsantennen ocW Sendeantennen verwendet werden, wobei von den Sendeantennen elektromagnetische oder akusiische Wellen abgestrahlt werden und die Empfänger für den Emr/fang der elektromagnetischen oder akustischen Wellen eingerichtet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß von den Sendeantennen Signale in Form vor 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.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß drei Sendeantennen innerhalb einer relativ zur .Streckenlängsachse ausgerichteten F.bene unter Aufspannung eines Dreiecks angeordnet werden und daß drei Empfangsantennen an der Streckenvortriebsmaschine angeordnet werden, welche gleichfalls eine F.bene definieren.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Signale periodisch abgcstahlt werden, die durch die trigonometrische Berechnung ermittelten Werte zwischengespeichert und durch den jeweils neuesten Wert ersetzt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 6, bei der zur Regelung der Arbeitsbewegung des über die Ortsbrust bewegbaren Schrämwerkz.euges einer Teilschnitt-Streckenvortriebsmaschine Mittel zur F.rmittlung der jeweiligen Position des Schräm werkzeuges unter Berücksichtigung der jeweiligen Stellung der Streckenvortriebsmaschine relativ zu dem durch mindestens einen in Streckenlängsrichtungverlaufenden Laserstrahl festgelegten Soll-Profil des aufzufahrenden Streckenquerschnitts vorgesehen srnd, dadurch gekennzeichnet, daß in der Strecke wenigstens ein als fester Bezugsmeßpunkt dienender Sender (14) oder Empfänger sowie wenigstens zwei Antennen (15, 16, 21) in bezug auf die durch einen Laser (13) gegebene Streckenlängsachsc (12) raumfest installiert sind, daß an der Streckenvortriebsmaschine (3) wenigstens ein Empfänger (18, 19) oder Sender mit wenigstens zwei Antennen (17, 20, 22) angeordnet ist und daß die Sender und Empfänger über Leitungen mit einem Rechner verbunden sind, der in Abhängigkeit der ermittelten Abweichungen sowohl der Streckenvortriebsmaschine (3) als auch des Schrämwerkzeugs (5) von ihren jeweiligen Sollstellungen ein Ausgangssignal abgibt, welches 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 Rechv er 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.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerantennen (17. 20, 22) sowie gegebenenfalls die Inklinometer verstellbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis

10. dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender f 14) mit drei an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordneten Antennen (15, 16, 21) vorgehen ist. wobei die Lage der durch die Antennen definierten Ebene in Relation zur Streckenlängspclise (12) ausgerichtet ist. daß an der Streckenvortriebsmaschine (3) zwei Empfänger (18,19) und gleichfalls drei Antennen (17, 20, 22) vorgesehen sind und daß die Antennen wahlweise mit dem Sender bzw den Empfängern verbunden sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 b.s

11. dadurch 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 licht-

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empfindliche Elemente, wie beispielsweise Leuehtclioden oder Fototransistoren, aufweist, daß der Innenrand der Profilschablone (34) lichtempfindliche Elemente oder lichtquellen, wie beispielsweise Fototransistoren oder Leuchtdioden, aufweist und daß bei A uftreten 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 Sollprofils zeigende Schablonen (34, 38) in Abstand voneinander angeordnet sind, daß die Nachbildung (33) des Schrämwerkzeugs (5) lichtschwächend ausgebildet und zwischen den beiden Schablonen verschiebbar ist und daß die Innenränder (35) der Schablonen mit Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden, und/ oder fotoempfindlichen Elementen, beispielsweise Fototransistoren,(37) bestückt sind.

16. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 12 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichlung <nii einem elektrohydraulischen Stellglied zur Absteilung des Schwenkantriebs bei Beruh mg von Sollprofil und Schrämwerkzeugkontur verbunden ist.

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