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Titel: Verfahren und Einrichtung zum profilgenauen
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Schneiden des Vortriebsquerschnitts beim Vortrieb unterirdischer
Bauwerke Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum profilgenauen Schneiden des Vortriebsquerschnitts
beim Vortrieb unterirdischer BauwerkeS wie vor allem Tunnel, Stollen, Untertagestrecken
u.dgl., mittels einer Teilschnitt-Vortriebsmaschine, die mit einem höhen- und seitenverschwenkbaren
Schneidarm mit einem angetriebenen Schneidwerkzeug versehen ist9 wobei zur Uber^nchung
und/oder Steuerung der Vortriebsmaschine die Position des Schneidwerkzeuges innerhalb
des vorgegebenen Schnittprofils mittels eines Leitstrahlsystems, insbesondere eines
Lasersystems, und eines am Schneidarm angeordneten Empfängers ermittelt wird0 Ferner
bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Es ist bekannt, Teilschnittmaschinen für das Auffahren von Tunneln
u.dgl, mit einer Profilsteuerung auszustatten, um sicherzustellen, daß das vorgegebene
Streckenprofil von der Vortriebsmaschine profilgenau geschnitton wird (Zeitschrift
Bergbau", 4/1976, Seiten 100 bis 107). Bei diesen Profil- oder Schablonensteuerungen
wird das vorgegebene Streckenprofil auf eine am Steuerstand der Teilschnittmaschine
angeordnete Mattscheibe in verkleinertem Maßstab aufgetragen. Die Abtastung der
Schablone erfolgt mittels einer motorisch verstellbaren Reflexionslichtschranke,
deren Fahrwege in den senkrecht zueinander stehenden Richtungen durch Winkelkodierer
gemessen werden. Die Anordnung ist so getroffen, daß beim Erreichen der Profilkonturen
die Bewegungsgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges der Teilschnittmaschine zunächst
vermindert und beim Anfahren der Profilkontur gestoppt wird. Auf diese Weise ist
ein profilgenaues Schneiden des Streckenprofils möglich, vorausgesetzt, daß die
Teilschnittmaschine ihre Sollage innerhalb des zu schneidenden Streckenprofils während
der Vortriebsarbeit nicht verändert. Da diese Voraussetzung aber in aller Regel
nicht gegeben ist, muß die Schablonensteuerung mit einer sogenannten elektronischen
Istwert-Sollwertkorrektur versehen werden.
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Um den jeweiligen Maschinenstand einer mit einer Schablonensteuerung
ausgerüsteten Teilschnitt-Vortriebsmaschine zu erfassen, ist es aus DE-OS 26 22
738 bekannt, an dem allseitig schwenkbaren Schneidarm ein Markierungselement anzuordnen,
welches durch Verschwenken des Schneidarmes auf einen als Leitstrahl dienenden Laserstrahl
ausgerichtet werden kann. Dabei werden mittels die Schwenkbewegungen des Schneidarmes
erfassenden Winkelkodierern die Abweichungen
der Vortriebsmaschine
aus ihrer Sollage ermittelt und die entsprechenden Signale einer Korrekturelektronik
bzw0 einem Rechner mit Istwert-Sollwert-Vergleich zugeführt Bei den vorgenannten
Verfahren und Einrichtungen wird mit einem Laserstrahl gearbeitet, der in der vorgegebenen
Streckenrichtung genau ausgerichtet ist und demgemäß eine feste Bezugslinie für
die im Wege der Istwert-Sollwert-Korrektur zu ermittelnde Ausrichtung der Vortriebsmaschine
bildet. Die Praxis hat gezeigt, daß die genaue Standortbestimmung der Vortriebsmaschine
mit den bekannten Verfahren schwer zu erreichen ist9 insbesondere deshalb, weil
sich die Ungenauigkeiten und Meßfehler der Winkelkodierer addieren und dadurch die
Ergebnisse verfälschen. Außerdem kann die Vortriebsmaschine während der Vortriebsarbeit
ihren Stand unkontrolliert verändern, sofern sie nicht zuverlässig abgespannt wird0
Weiterhin ergeben sich Schwierigkeiten dadurch9 daß beim Auffahren größerer Streckenquerschnitte
die Vortriebsarbeit aufgrund des begrenzten Aktionsradius des Schneidarmes nicht
aus ein und demselben Maschlnenstand durchgeführt werden kann, sondern die Vortriebsmaschine
quer zur Vortriebsrichtung umgesetzt werden mußO Dabei ist es nicht möglich, den
Profilschnitt genau beizubehalten0 Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und
zuverlässiges Verfahren zu entwickeln, mit dem ein profilgenaues Schneiden des Sollquerschnitts
möglich ist, ohne daß mit Hilfe von dem schwenkbaren Schneidarm zugeordneten Winkelkodierern
uodglo der jeweilige Maschinenstand und dessen Abweichungen von der Sollage ermittelt
werden müssen. Ferner bezweckt die Erfindung eine zweckdienliche Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens.
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Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst,
daß das vorgegebene Schnittprofil mit Hilfe mindestens eines bewegten Leitstrahles
dargestellt und über den Empfänger zur Schnittbegrenzung des Schneidwerkzeuges herangezogen
wird.
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Bei diesem Verfahren wird also anstelle eines ortsfesten Leitstrahles
mit mindestens einem beweglichen Leitstrahl gearbeitet, welcher das Schnittbild
bzw. das vorgegebene Schnittprofil darstellt und infolgedessen mit Hilfe des am
verschwenkbaren Schneidarm angeordneten Empfängers unmittelbar zur Überwachung und/oder
Steuerung des Schneidwerkzeuges im Sinne eines profilgenauen Schneidens des vorgegebenen
Vortriebsquerschnitts ausgenutzt werden kann, ohne daß mit Hilfe von Winkelkodierern
u.dgl. der jeweilige Standort der Vortriebsmaschine und deren Abweichungen von der
Sollage ermittelt werden müssen. Das erfindungsgemäß Verfahren läßt sich in einfacher
Weise so durchführen, daß der Leitstrahl lediglich die Begrenzung bzw.
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die Profilkontur des vorgegebenen Schnittprofils wiedergibt, also
über die Profilkontur hinwegbewegt wird, so daß im Zuge der Vortriebsarbeit der
am Schneidarm angeordnete Empfänger in die Bewegungsbahn des Leitstrahles gelangt,
sobald das Schneidwerkzeug eine Position erreicht, in der es die Profilkontur des
vorgegebenen Schnittprofils schneidet. Dabei läßt sich die Anordnung so treffen,
daß die Vortriebsmaschine bzw. deren Schneidwerkzeug selbsttätig stillgesetzt wird,
wenn das Schneidwerkzeug aus dem vorgegebenen Schnittprofil herausläuft, was dann
der Fall ist, wenn der im vorderen Bereich des Schneidwerkzeuges angeordnete Empfänger
aus der Bewegungsbahn des Leitstrahles herausläuft.
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In bevorzugter Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also
mit Hilfe des bewegten Leitstrahles das vorgegebene
Schnittprofil
nur in seiner Profilkontur wiedergegeben9 d.h. der Leitstrahl wird mit der erforderlichen
Geschwindigkeit über eine der Profilkontur entsprechende Bewegungsbahn hinwegbewegt.
Das Leitstrahlsystem mit dem bewegten Leitstrahl bildet hierbei eine Schranke, die,
vergleichbar einer Lichtschranke, von das Schneidwerkzeug nicht überfahren werden
kann. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch mögliche nur das Schneidwerkzeug9
nicht aber die Vortriebsmaschine selbst, unabhängig von dem jeweiligen Maschinenstand
zu steuern0 Die Steuerung erfolgt dabei über den am Schneidarm angeordneten Empfänger.
Dabei läßt sich das Verfahren so durchführen, daß im Normalbetrieb der Empfänger
dem das vorgegebene Schnittprofil abfahrenden Leitstrahl folgt Fährt der Empfänger
aus der Bewegungsbahn des Leitstrahles heraus9 was auch bei einem Umsetzen der Vortriebsmaschine
der Fall ist9 so wird der Antrieb des Schneidwerkzeuges und/oder der Schwenkantrieb
des Schneidarmes automatisch stillgesetzt. Der Maschinenfahrer muß dann den Empfänger
wieder genau in die Bewegungsbahn des Leitstrahles fahren, um die Vortriebsarbeit
wieder aufnehmen zu können0 Bei einer automatischen Steuerung kann ein elektronischer
Rechner vorgesehen werden9 welcher die Maschinendaten wie auch die Daten des Leitstrahles
erfaßt9 speichert und verarbeitet und der getrennt von der Teilschnitt-Vortriebsmaschine
in der bereits aufgefahrenen Strecke aufgestellt werden kann9 wobei er mit der Vortriebsmaschine
lediglich über ein Steuerkabel verbunden ist0 Damit ist die gesamte Elektronik der
Einwirkung von Erschütterungen9 Hitze und Staub entzogen Das erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich auch so durchftihren9 daß jeweils vor Beginn der Vortriebsarbeit mit Hilfe
des über die Profilkontur bewegten Leitstrahles das vorgegebene Schnittprofil9 zOBo
als Profilschablone,
mittels des elektronischen Rechners aufgezeichnet
wird, so daß anschließend die Teilschnitt-Vortriebsmaschine nach Maßgabe des aufgezeichneten
Schnittprofils gesteuert werden kann. Auch hier ist es nicht erforderlich, den jeweiligen
Maschinenstand mit Hilfe von Winkelkodierern u.dgl.
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zu bestimmen.
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Andererseits läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Handsteuerung
der Vortriebsmaschine auch nur zur Überwachung der Vortriebsarbeit verwenden, indem
der Maschinenfahrer das Schneidwerkzeug bei Annäherung an die Profilkontur nur so
weit fährt, bis der Empfänger in die Bewegungsba'hn des Leitstrahles gelangt. Dabei
kann am Maschinenstand eine Überwachungsvorrichtung, z.B. ein Monitor, angeordnet
sein, an der der Maschinenfahrer das Erreichen der Profilkontur feststellen kann0
Mittels z.B.
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optischer Signale kann das Erreichen oder Überschreiten der Profilkontur
angezeigt werden. Die Uberwachungsvorrichtung kann auch mit einer Steuervorrichtung
kombiniert werden, die in einfacher Ausführung so ausgelegt ist, daß sie bei Überlaufen
der Profilkontur die Maschine automatisch stillsetzt.
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Als Leitstrahlsystem kann ein Lasergerät oder eine Kombination von
Lasergeräten verwendet werden, die entweder selbst bewegt werden oder deren Laserstrahl
bei ortsfester Anordnung des Gerätes durch eine geeignete Vorrichtung entsprechend
dem vorgegebenen Schnittprofil bewegt wird. Anstelle von Laserstrahlen kann auch
mit anderen Leitstrahlen, z.B. gerichteten Ultraschallstrahlen uçdgl., gearbeitet
werden0 Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Einrichtung
verwendet werden, die mit einem in der
Strecke od.dgl. angeordneten,
vorzugsweise als Laser ausgebildeten Leitstrahlsystem und einem an dem schwenkbaren
Schneidarm einer Teilschnitt-Vortriebsmaschine angeordnete ten Empfänger od.dgl.
mit einer Steuer- und/oder Überwachungsvorrichtung zur Steuerung und/oder Überwachung
der Teilschnitt-Vortriebsmaschine versehen ist. Erfindungsgemäß ist dabei das Leitstrahlsystem
so ausgebildet, daß es mindestens einen das vorgegebene Schnittprofil widergebenden
Leitstrahl erzeugt. Der am Schneidarm angeordnete Empfänger ist dabei mit einem
Signalgeber od.dgl. versehen, der mit der Überwachungs- und/oder Steuervorrichtung
gekoppelt ist. Der Signalgeber liefert dabei die erforderlichen Überwachungs- und/oder
Steuersignale in Abhängigkeit von der Bewegung des Leitetrahles bzw. von der Relativlage
des Empfängers zu der Bewegungsbahn des Leitstrahles. Die Steuervorrichtung kann
über einen Regelkreis mit den Schwenkantrieben des Schneidarmes gekoppelt sein,
so daß der Schneidarm mit dem Schneidwerkzeug in seiner Arbeitsbewegung im Sinne
eines profilgenauen Schneidens des Vortriebsquerschnitts gesteuert pferden kann0
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung kann die Steuervorrrichtung,
wie erwähnt, einen elektronischen Rechner mit Datenspeicher aufweisen9 der einerseits
mit dem Leitstrahlsystem und andererseits mit dem Signalgeber des Empfängers gekoppelt
ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung vereinfacht
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: Fig0 1 im Längsschnitt
durch eine Strecke od.dgl.
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eine Teilschnitt-Vortriebsmaschine nebst einer erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Üb erwachung
und/oder Steuerung dieser Maschine;
Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 11-11, wobei die Bewegungsbahn des Leitstrahlsystems
durch Pfeile angedeutet ist.
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Die dargestellte Teilschnitt-Vortriebsmaschine 10 ist im Aufbau an
sich bekannt. Sie weist ein Maschinengestell 11 mit einem RaupenfahrwerI 12 auf.
Auf dem Maschinengestell 11 ist ein Drehgestell 13 um eine Vertikalachse 14 drehbar
gelagert. Das Drehgestell- 13 trägt einen Schneidarm 15, der um eine Horizontalachse
16 schwenkbar ist. Der Schneidarm 15 ist demgemäß sowohl höhenverschwenkbar als
auch seitenverschwenkbar, wobei diese Schwenkbewegungen mittels hydraulischer Schwenkzylinder
bewirkt werden. Am Kopfende des Schneidarmes 15 ist ein Schneidwerkzeug 17 gelagert,
welches aus einem angetriebenen Schneidkopf besteht, dessen Schneidwalzen um eine
gemeinsame, parallel zur Achse des Gelenks 16 verlaufende Achse drehbar sind.
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Mit Hilfe dieser Teilschnitt-Vortriebsmaschine 10 wird das unterirdische
Bauwerk, z.B. ein Tunnel oder eine sonstige Strecke 18, mit dem jeweils gewunschten
Streckenprofil vorgetrieben. In Fig. 2 ist die Profilkontur des Strecken-bzw. Schnittprofils
mit 19 bezeichnet. Es ist erwtinscht, das vorgegebene Streckenprofil 18 mit Hilfe
der Vortriebsmaschine 10 möglichst profilgenau zu schneiden, d.h. einen über die
Profilkontur 19 hinausgehenden Uberschnitt zu vermeiden. Die Vortriebsarbeit erfolgt
aus dem Stand der Vortriebsmaschine durch Höhen- und Seitenverschwenkung des Schneidarmes
15. Da sich die Vortriebsmaschine 10 ohne langwierige und umständliche Ausrichtarbeiten
nicht genau in die Achse des Streckenprofils ausrichten läßt, sondern gegenüber
dieser regelmäßig mehr oder weniger versetzt und zumeist auch gegenüber der Vortriebsachse
in
der Höhe und/oder Seitenrichtung geneigt istp besteht das Problems
das Streckenprofil unabhangig von der jeweiligen Lage der Vortriebsmaschine 10 profilgetreu
zu schneidens Im Abstand hinter der Teilschnitt-Vortriebsmaschine 10 ist in der
Strecke od.dgl. ein Leitstrahlsystem 20 angeordnet , welches vorzugsweise aus einem
oder mehreren Lasergeräten besteht und die so ausgebildet sind, daß sie mindestens
einen das vorgegebene Schnittprofil darstellenden bewegten Leitstrahl 21 erzeugen,
der, wie in Figo 1 angegebene parallel zur Vortriebs- bzw, Streckenachse gegen die
Ortsbrust 31 gerichtet ist und der durch entsprechende Bewegung des Leitstrahlsystems
20 und/oder mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen, wie optischer Systeme u.dgl., so
bewegt wird daß er das vorgegebene Schnittprofil 19 in schneller Umlauf- oder Hin-
und Herbewegung überstreicht.
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In Fig. 2 ist die Bewegungsbahn des Leitstrahles 21 bzw0 dessen Auftreffpunkt
auf der Ortsbrust 31 durch die Pfeile 22 angegeben. Der Leitstrahl 21 bewegt sich
danach parallel zu der vorgegebenen Profilkontur 19 zwischen der linken Streckenseite
23 und der rechten Streckenseite 24 hin und her. Statt dessen kann aber auch mit
mehreren Leitstrahlen gearbeitet werden welche das Schnittprofil abfahren0 Beispielsweise
kann ein Leitstrahl eine Hin- und Herbewegung zwischen der linken Streckenseite
23 und der Firste 25 und ein zweiter Leitstrahl eine entsprechende Hin- und Herbewegung
zwischen der rechten Streckenseite 24 und der Firste 25 ausführen. Wesentlich ist9
daß mit Hilfe des Leitstrahlsystems 20 das Sollprofil bzw0 dessen Prof ilkontur
dargestellt wird.
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Im Bereich des vorderen Endes ist mittig auf dem Schneidm arm 15 ein
Empfänger 26 befestigt, der zweckmäßig zwischen den beiden Schneidwalzen des Schneidwerkzeuges
17 angeordnet
ist. Der Empfänger 26 kann in einfachster Ausführung
aus einem einfachen Markierungselement oder Fadenkreuz u.dglQ bestehen. Bei einer
Handsteuerung der Teilschnitt-Vortriebsmaschine 10 von dem Fahrerstand 27 aus werden
die Arbeitsbewegungen des Schneidarmes 15 in üblicher Weise von Hand gesteuert.
Gelangt dabei das Schneidwerkzeug 17 in den Bereich der äußeren Profilkontur 19
des Schnittprofils 18, so befindet sich der Empfänger 26 in der Bewegungsbahn des
Leitstrahles 21 Durch den Lichteinfall am Empfänger 26 wird dem Maschinenfahrer
am Fahrerstand 27 somit angezeigt, daß sich das Schneidwerkzeug 17 in einer Arbeitsposition
befindet, in der es die Profilkontur 19 schneidet. Ein weiteres Ausschwenken des
Schneidarmes 15 in eine Position, in welcher das Schneidwerkzeug 17 über die Profilkontur
19 hinaus schneidet, kann allein durch visuelle Beobachtung seitens des Maschinenfahrers
verhindert werden. Ferner besteht die Möglichkeit, das Schneidwerkzeug 17 so zu
verschwenken, daß es einen Profilschnitt entsprechend der gewünschten Profilkontur
19 schneidet. Hierbei befindet sich der Empfänger 26 stets in der Bewegungsbahn
des Leitstrahles 21.
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Falls z.B. infolge starker Staubentwicklung eine visuelle Beobachtung
des Empfängers 26 vom Fahrerstand 27 her unzweckmäßig ist, kann die Anordnung auch
so getroffen werden, daß in dem Augenblick, in welchem sich der Empfänger 26 in
der Bewegungsbahn des Leitstrahles 21 befindet, am Maschinenstand ein z.B. optisches
Signal gegeben wird. Der Empfänger 26 kann hierbei mit einem entsprechenden Signalgeber
ausgerüstet sein, welcher ein Signal zu dem Maschinenstand liefert, sobald sich
der Empfänger in der Bewegungsbahn des Leitstrahles 21 befindet. Am Maschinenstand
wird hierbei zweckmäßig ein Uberwachungsgerät, z.3. ein Monitor 28, vorgesehen,
welchem die genannten
Signale über eine Signalleitung zugführt
werden.
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Die Anordnung kann auch so getroffen werden daß zu Beginn der Vortriebsarbeit
das Schneidwerkzeug 17 über die gesamte Profilkontur bzw0 die gesamte Bewegungsbahn
des Leitstrahles 21 von der Stelle 23 bis zur Stelle 24 oder umgekehrt bewegt wird.
Bei diesem Vorgang befindet sich der Empfänger 26 ständig in der Bewegungsbahn des
Leitstrahles 21o Diese Bewegung des Schneidwerkzeuges 17 über die Profilkontur kann
zOBo am Steuerstand bzw0 an dem Überwachungsgerät 28 nach Art einer Schablone 18'
(Fig0 2) aufgezeichnet werden. Diese aufgezeichnete Schablone 18' dient anschließend
als Arbeitsschablone für den Maschinenfahrers wobei die jeweilige Position des 5chneidwerkzeuges
17 an dem Überwachungsgerät angezeigt wird so daß der Maschinenfahrer jederzeit
die Lage des Schneidwerkzeuges 17 innerhalb des vorgegebenen Schnittprofils erkennen
kanne Mit Hilfe des beschriebenen Leitstrahlsystems ist auch eine Steuerung der
Teilschnitt-Vortriebsmaschine 10 möglich. Dabei kann in der bereits fertiggestellten
Strecke ein elektronisches Steuergerät 29 angeordnet werden, welches lediglich über
ein Steuerkabel 30 mit der Vortriebsmaschine 10 verbunden ist. Die Steuervorrichtung
29 umfaßt einen elektronischen Rechner (Mikroprozessor) mit Speicher, welcher über
die Schwenkantriebe des Schneidarmes 15 das Schneidwerkzeug 17 so steuert9 daß es
sich stets innerhalb des vorgegebenen Schnittprofils 18 befindet Fahrt der Empfänger
26 aus der Bewegungsbahn des Leitstrahles 21 nach außen heraus, so kann mit Hilfe
der Steuervorrichtung 29 der Maschinenantrieb bzw. der Antrieb des Schneidwerkzeuges
17 automatisch stillgesetzt werden.
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Die Steuervorrichtung 29 läßt sich im einzelnen so ausgestalten,
daß
sich der Empfänger 26 des Schneidwerkzeuges 17 stets in der Bewegungsbahn des Leitstrahles
21 beS4nX det, wenn der Schnitt im Bereich der Profilkontur 19 durch geführt wird.
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Es versteht sich, daß das Leitstrahlsystem 20 bzw. der Leitstrahl
21 in seiner Bewegung genau auf das Sollprofil ausgerichtet werden muß was sich
mit herkömmlichen Mitteln ohne weiteres erreichen läßt, zumal das Leitstrahlsystem
20 sich in der bereits fertiggestellten Strecke befindet. Dabei ist zugleich über
eine Abstandsmessung des Leitstrahlsystems zu dem Empfänger 26 der Leitstrahl und
dessen Bewegungsbahn innerhalb des Schnittprofils zu bestimmen. Die vorstehend beschriebene
Verfahrensweise ermöglicht es auch, die Teilachnitt-Vortriebamaschine 10 beim Auffahren
größerer Streckenprofile umzusetzen, ohne daß hierbei der jeweilige Standort der
Vortriebsmaschine in umständlicher Weise ermittelt werden muß. Mit Hilfe des Leitstrahlsystems
wird lediglich die Position des Schneidwerkzeuges 17 bestimmt bzw. gesteuert, ohne
daß es hierbei auf die Lage der Vortriebsmaschine selbst ankommt.
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An Stelle eines ortsfest in der Strecke od.dgl. angeordneten, einen
bewegten Leitstrahl erzeugenden Leitstrahlsystems kann auch ein Leitstrahlsystem
mit mindestens einer Leitstrahlquelle verwendet werden, die selbst zur Darstellung
des Schnittprofils bewegt wird. Dabei wird zweckmäßig eine Führung für die Leitstrahlquelle
vorgesehen, die zu Steuerungszwecken bzw. zur veränderlichen Einstellung des Schnittprofils
verstellbar, z.B. horizontal und/oder vertikal kippbar sein kann.