DE3404496A1

DE3404496A1 - Verfahren und einrichtung zur ueberwachung und/oder steuerung einer vortriebsmaschine, insbesondere einer teilschnittmaschine

Info

Publication number: DE3404496A1
Application number: DE19843404496
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Phys. Kurfürst; Johannes Dipl.-Phys. 8000 München König; Martin 8000 München Reuter; Hans-Günther Dipl.-Phys. 8047 Karlsfeld Willers
Original assignee: Gewerkschaft Eisenhutte Westfalia GmbH
Current assignee: Gewerkschaft Eisenhutte Westfalia GmbH
Priority date: 1984-02-09
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1985-08-14
Also published as: GB2154387A; GB8503190D0; FR2559541B1; US4688937A; IT8512424A0; FR2559541A1; GB2154387B; JPS60187809A; IT1186821B

Description

PATENTANWÄLTE ·.. . '.'.:..

Dipl.-Ing. HENNICKE - ττ-

DlPL.-ING. VOLLBACH

KAISER-WILHELM-RING 24

5000 KÖLN 1

Reg.-Nr.	KÖLN,	den	16.1.1984
Gw 8 3jJ6_~]			vo/kr
bitte angeben

Aktenz.:

Anm.: Gewerkschaft Eisenhütte Westfalia, 4670 Lünen

Titel: Verfahren und Einrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung einer Vortriebsmaschine, insbesondere einer Teilschnittmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Überwachung und/oder Steuerung einer Vortriebsmaschine, insbesondere einer Teilschnittmaschine, wobei mit Hilfe eines mit Laserstrahlen arbeitenden Vermessungssystems die Position des Fräskopfes der Vortriebsmaschine bestimmt wird.

Die bekannten TeilSchnittmaschinen für den Vortrieb unterirdischer Hohlräume, wie Tunnels, Stollen, Untertagestrekken u.dgl., weisen einen höhen- und seitenverschwenkbaren Fräsarm auf, der an seinem freien Ende einen angetriebenen Fräskopf trägt. Um ein vorgegebenes Streckenprofil profilgenau zu schneiden und die Strecke mit hoher Richtungsgenauigkeit aufzufahren, sind in der Vergangenheit zahlreiche Verfahren und Einrichtungen entwickelt worden (DE-AS 19 55 866, DE-AS 22 01 403, DE-AS 25 31 759, DE-OS 24 58 514, DE-OS 24 16 947). Die bekannten Verfahren und Einrichtungen arbeiten in der Regel mit Hilfe eines räumlich fixierten Laserstrahls, der als raumfester Leitstrahl dient. Da der Laserstrahl räumlich fixiert ist, sich der Fräskopf aber in allen Raumrichtungen frei bewegen kann, begrenzen die bekannten Verfahren im besten Fall ein Profil, innerhalb dessen sich der Fräskopf frei bewegen kann, oder sie liefern der Teilschnittmaschine eine Information

über nur eine Richtung. Die Teilschnittmaschine kann hierbei durch Extrapolation dieser Information kleine Bewegungen durchführen. Die Bewegungsfreiheit und die Arbeitsgenauigkeit der Maschine sind stark eingeschränkt. Für größere Bewegungen der Teilschnittmaschine ist es erforderlich, den Führungslaser von Hand nachzujustieren. Eine kontinuierliche Vermessung des Abstandes zwischen Laser und Teilschnittmaschine und damit verbunden eine räumliche Lagebestimmung des Fräskopfes sind nicht möglich, da der Laser stets nur kurze Zeit Kontakt mit der Maschine hat. Ferner sind die bekannten Verfahren zumeist maschinenspezifisch, da geometrische Variablen der verschiedenartigen Typen der TeilSchnittmaschinen in die Berechnung der Koordinaten eingehen. Nachteilig ist schließlich auch, daß bei den bekannten Verfahren jeweils nach dem Umsetzen der Teilschnittmaschine und vor erneutem Beginn der Vortriebsarbeit eine Vermessung durchgeführt werden muß, bei der ein am Fräsarm angeordnetes Markierungselement mit dem Laserstrahl zur Deckung gebracht wird, um die Istlage der Teilschnittmaschine bzw. ihrer Abweichung von der Sollage zu ermitteln und danach das Arbeitsprogramm des Fräsarmes rechnergesteuert durchzuführen. Falls die Teilschnittmaschine während der Fräsarbeit ihre Lage ändert, was selbst bei einer Abspannung der Maschine nicht ausgeschlossen werden kann, ist ein profilgenaues Schneiden nicht mehr möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zu entwickeln, mit dem sich maschinenunabhängig eine genaue Bestimmung der Position des Fräskopfes jederzeit während des Maschinenbetriebs durchführen läßt und welches entweder als reines Überwachungsverfahren bei der Handsteuerung der Vortriebs- bzw. Teilschnittmaschine zur Beschränkung des Schwenkbereichs des Fräskopfes oder Fräsarmes auf das Sollprofil dient oder aber zur Steuerung der Vortriebsmaschine selbst ausgenutzt werden kann. Ferner bezweckt die Erfindung eine zweckdienliche Einrichtung zur Durchführung des

Verfahrens, die sich durch hohe Meßgenauigkeit und Betriebssicherheit unter den im Tunnelbau und Bergbau anzutreffenden Betriebsbedingungen auszeichnet und mit der jederzeit eine genaue Lagebestimmung des Präskopfes im Raum möglich ist.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß zur Positionsbestimmung des Fräskopfes von einem raumfesten bekannten Referenzpunkt ausgehend bis zur Vortriebsmaschine bzw. ihrem Fräsarm eine Polygonzug-Messung mit Hilfe mindestens einer die Polygonseite darstellenden Lasermeßstrecke rechnergesteuert durchgeführt wird. Die Polygonzug-Messung wird dabei zweckmäßig im Betrieb der Vortriebsmaschine zur laufenden Lagebestimmung des höhen- und seitenverschwenkbaren Fräskopfes kontinuierlich und automatisch durchgeführt, so daß die räumliche Lage des Fräskopfes zu jedem Zeitpunkt bekannt ist.

Mit der Erfindung wird ein von der Vortriebs- bzw. der Teilschnittmaschine unabhängiges Vermessungsverfahren geschaffen, welches auf der Grundidee eines Polygonzuges beruht und bei welchem der jeweilige Ort des Fräskopfes der Maschine mit Hilfe eines Vermessungssystems, welches weitgehend unabhängig von der jeweils verwendeten Type der Vortriebs- bzw. Teilschnittmaschine ist, rechnergesteuert mit einer ausreichend hohen Genauigkeit vermessen wird. Dabei werden laufend die Koordinaten des Fräskopfes im Bezug auf das Koordinatensystem des in seiner Lage bekannten Referenzpunktes bestimmt. Die Polygonzug-Messung wird zweckmäßig über mindestens zwei die Polygonpunkte bildende Hilfspunkte durchgeführt, von denen einer als Referenzpunkt in größerem Abstand von der Vortriebsmaschine und ein zweiter an der Vortriebsmaschine angeordnet wird, wobei ggf. zwischen diesen beiden Punkten mindestens ein weiterer Polygonpunkt vorgesehen wird. Während des Schneidbetriebs wird von dem Referenz- oder Ausgangspunkt ausgehend sukzes-

siv die relative Lage des Koordinatensystems des oder der Hilfspunkte rechnergesteuert unter Verwendung von Winkel- und Längenmeßgeräten bestimmt und aus den, erhaltenen Werten die jeweilige Ist-Position des Fräskopfes mittels Rechner ermittelt. Die relative Lage der Koordinatensysteme zweier im Polygonzug aufeinanderfolgender Punkte kann in an sich bekannter Weise durch Koordinatentransformation in Abhängigkeit von sechs linear unabhängigen Variablen eindeutig bestimmt werden.

Weitere wesentliche Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen u.a. in folgendem: Die Lasermeßstrecke(n) wird bzw. werden vorzugsweise in Reflexion der Laserstrahlen zum Ausgangspunkt betrieben. Ferner empfiehlt es sich, die ermittelten Meßdaten über die Lasermeßstrecke durch Modulation des Laserstrahles vom einen Hilfspunkt zum nächsten zu übertragen. Die Bestimmung der Koordinaten des oder der Hilfspunkte des Polygonzuges erfolgt zweckmäßig durch Winkelmessung in Kombination mit einer Messung der Abstände der Hilfspunkte, d.h. der Längen der Polygonseite(n). Die Längenmessung kann in einfacher Weise mit Hilfe einer Laufzeitmessung der Laserstrahlen zwischen den Hilfs- bzw. Polygonpunkten durchgeführt werden. Eine Zentraleinheit mit einem zentralen Rechner, die zweckmäßig an dem Maschinengestell der Vortriebsmaschine angeordnet ist, erhält sämtliche Informationen über die Relativkoordinaten der Polygonzugteilstrecken und -richtungen oder die Koordinaten des letzten Polygongliedes bezüglich des ortsfesten Systems zugeführt und errechnet aus diesen Informationen die jeweilige Ist-Positbn des Fräskopfes. Der Rechner kann zugleich zur Steuerung der Vortriebsmaschine z.B. im Sinne einer Profilsteuerung verwendet werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann mit Vorteil eine Einrichtung der im Anspruch 10 angegebenen Bauart verwendet werden. An der oder den Meßstationen, welche

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die Polygonpunkte des Polygonzuges repräsentieren, sind Subrechner angeordnet, welche die Vorgänge zur Ermittlung der Meßdaten steuern und untereinander sowie mit dem zentralen Rechner kommunizieren. Dabei können die Subrechner evtl. die Koordinaten bezüglich der durch den einfallenden Laser übertragenen Daten errechnen, diese Positionsdaten auf die von ihm ausgehenden Laserstrahlen modulieren und/oder mit dem zentralen Rechner kommunizieren. Da die Lasermeßstrecken, wie erwähnt, vorzugsweise in Reflexion betrieben werden, wird die Anordnung zweckmäßig so getroffen, daß vom jeweiligen Ausgangspunkt einer Polygonzug-Teilstrecke aus ein an der betreffenden Meßstation angeordneter, rechnersteuerbarer Laser einen passiven Tripelspiegel am Ende dieser Teilstrecke anpeilt, der den Laserstrahl reflektiert. Ein Tripelspiegel besitzt bekanntlich die Eigenschaft, einen Lichtstrahl stets parallel zu sich selbst zu reflektieren. Der Parallelversatz des reflektierten Lichtstrahls ist dabei proportional zum Abstand des einfallenden Laserstrahles vom Zentrum des Tripelspiegels. Da der Parallelversatz für einen Laserstrahl im Zentrum des Tripelspiegel Null ist, wird auf diese Weise ein Regelkriterium zum exakten Ausrichten des Laserstrahls auf den Tripelspiegel erhalten. Tripelspiegel besitzen regelmäßig eine trigonale Basisfläche. Es empfiehlt sich jedoch, bei der erfindungsgemäßen Einrichtung einen Tripelspiegel mit hexagonaler oder runder Basis zu verwenden, um bei einem günstigen Laserstrahldurchmesser von etwa 10 bis 15 mm einen für die Zwecke der Erfindung ausreichend großen Durchmesser der Tripelspiegelbasis zu erhalten. Wie erwähnt, erfolgt die Datenübertragung zweckmäßig über die Laserstrekken durch Modulation der Laserstrahlen. Hinter dem Zentrum des Tripelspiegel ist zweckmäßig eine Photodiode zur Aufnahme der über den Laserstrahl übertragenden Information (Positionsdaten) vorgesehen. Die Tripelspiegel weisen zweckmäßig in ihrer Achse ein Fenster für den Laserstrahldurchgang auf. Hinter dem Fenster wird vorteilhafterweise eine

Vorrichtung zur Bestimmung der Richtung,des auftreffenden Laserstrahls angeordnet.

Weitere wesentliche Erfindungsmerkmale sind in den einzelnen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Schemazeichnung eine Teilschnittmaschine in Arbeitsposition innerhalb eines Tunnels oder einer Strecke zusammen mit der schematisch angedeuteten erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2 die Einrichtung nach Fig. 1 in einem Blockbild;

Fig. 3 den Polygonzug in Verbindung mit den einzelnen Koordinatensystemen an den die Polygonpunkte bildenden Meßstationen;

Fig. 4 ein bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeter Lasermeßkopf;

Fig. 5 bis 7 die einzelnen Meßstationen des Polygonzuges in perspektivischer Darstellung;

Fig. 8 einen zweidimensionalen Lichtleiter auf der Basis einer Glasplatte mit Fokussiereinrichtung.

In Fig. 1 ist eine an sich bekannte Teilschnittmaschine 1 in ihrer Arbeitsstellung vor der Ortsbrust innerhalb eines aufzufahrenden unterirdischen Bauwerks, z.B. eines Tunnels,

einer Untertagestrecke od.dgl. 2 dargestellt. Die Strecke wird bei dem gewählten Ausführungsbeispiel mit einem Hufeisenprofil 3 aufgefahren. Die Teilschnittmaschine 1 ist mit einem Raupenfahrwerk 4 in der Strecke 2 fahrbar; sie weist einen Fräsarm 5 auf, der an seinem freien Ende einen angetriebenen Fräskopf 6 trägt, der um eine quer zur Längsachse des Fräsarmes 5 verlaufende Achse drehbar ist. Der Fräsarm 5 mit dem Fräskopf 6 ist sowohl höhenverschwenkbar als auch seitenverschwenkbar am Maschinengestell der Teilschnittmaschine 1 gelagert.

Um die Strecke 2 richtungsgenau aufzufahren und das Soll-Profil 3 der Strecke 2 profilgenau zu schneiden, wird mit Hilfe einer Polygonzugmessung die jeweilige Position des Fräskopfes 6 kontinuierlich und automatisch vermessen. Die Polygonzug-Messung erfolgt über mindestens zwei die Polygonpunkte bildende Hilfspunkte, im Ausführungsbeispiel über die Hilfspunkte A, B und C. Der Hilfspunkt A bildet den Referenz- oder Ausgangspunkt der Polygonzugmessung und befindet sich in größerem Abstand hinter der Teilschnittmaschine 1 ortsfest in der Strecke 2. Der Abstand des Hilfspunktes A von der Teilschnittmaschine mag etwa 60 bis 120 m betragen. Der Hilfspunkt B befindet sich in Sichtverbindung zu dem Hilfspunkt A an oder in Nähe der Teilschnittmaschine 1, im gewählten Beispiel am Maschinengestell der Teilschnitt maschine. Der Hilfspunkt C, der den Endpunkt des Polygonzuges bildet, ist in Sichtverbindung zu dem Hilfspunkt B am Fräsarm 5 der Teilschnittmaschine angeordnet. Er bewegt sich somit bei der Höhen- und Seitenverschwenkung des Fräsarmes 5 zusammen mit dem Fräskopf 6.

Es versteht sich, daß zwischen dem raumfesten Referenzpunkt A und dem raumbeweglichen Hilfspunkt C auch mehrere Hilfspunkte B vorgesehen werden können. Im allgemeinen genügt aber eine Polygonzugmessung über die drei Hilfspunkte A, B und C. In machen Fällen ist der Hilfspunkt B

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entbehrlich. Die Punkte A und C befinden sich dann im Sicht abstand zueinander.

Die Koordinaten des raumfesten Hilfs- oder Referenzpunktes A werden durch Rückwärtsjustierung auf einen oder zwei in der Lage vermessene Bezugspunkte H bestimmt und bei Bedarf wiederholt überprüft. Bei Verwendung eines nordsuchenden Navigationsinstruments in A ist nur ein Bezugspunkt nötig; sonst werden zur Standortvermessung von A zwei Bezugspunkte benötigt.

Mit Hilfe des Polygonzug-Vermessungssystems wird im Arbeitsbetrieb der Teilschnittmaschine 1 eine kontinuierliche dreidimensionale Vermessung des in den drei Raumrichtungen frei beweglichen Hilfspunktes C und damit des Fräskopfes 6, der in einem konstanten Abstand zu dem Hilfspunkt C liegt, durchgeführt.

Fig. 3 zeigt den Polygonzug zwischen dem raumfesten Referenzpunkt A und dem frei beweglichen Hilfspunkt C mit dem zwischen A und C liegenden Hilfspunkt B, der ebenfalls frei beweglich ist. Jede der beiden Teilstrecken A-B und B-C des dreidimensionalen vektoriellen Polygonzuges wird durch eine Lasermeßstrecke realisiert, die zusätzlich eine unidirektionale Datenübertragung vom Lasermeßkopf zum nächsten Eckpunkt des Polygonzuges erlaubt. Die Information über Anfangskoordinaten und Richtungen der einzelnen Teilstrecken wird dem Laserstrahl aufgeprägt, so daß an jedem Eckpunkt des Polygonzugs die notwendige Information zur Berechnung der Eckpunkt-Koordianten zur Verfügung steht. Demgemäß bildet jeder der Punkte A, B und C eine Meßstation. Die Meßstrecken zwischen den Meßstationen werden mit Hilfe eines Lasers am einen Ende der Meßstrecke und mit Hilfe eines Tripelspiegel am anderen Ende der Meßstrecke dargestellt. Das Anpeilen und Vermessen der als Anpeil- und Meßglieder dienenden Tripelspiegel erfolgt

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auf automatischem Wege, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Fig. 3 zeigt einen Polygonzug mit den Polygon- bzw. Hilfspunkten A, B und C. Die relative Lage der Koordinatensysteme der Hilfspunkte A, B und C wird sukzessive bestimmt und es werden dann aus den relativen Koordinaten des Hilfspunktes C die Koordinaten, bezogen auf das Referenzsystem des Punktes A bzw. H, berechnet, woraus sich die Ortsbestimmung des Punktes C und damit des in fester Anordnung zu diesem Punkt C befindlichen Fräskopfes 6 ergibt. Die Berechnung läßt sich durch Messung der Winkel in den drei Raumrichtungen sowie der Längen der Polygonseiten durchführen.

Wie erwähnt, wird das Vermessungssystem aus einem Polygonzug von Laserstrahlen aufgebaut, wobei die Endpunkte der Teilstrecken (Lasermeßstrecken) des Polygonzuges vom Anfangspunkt des jeweiligen Vektors (Lasermeßstrahls) aus zweckmäßig in Polarkoordinaten vermessen werden. Die Neigungswinkel (Querneigung, Längsneigung und Drehwinkel) zwischen den Achsen des Koordinatensystems des Anfangspunktes einer Teilstrecke (Lasermeßstrecke) und dem Laserstrahl der vorausgegangenen Teilstrecke (Lasermeßstrecke) werden ebenfalls gemessen. Die Koordinaten des Fräskopfes 6, bezogen auf den Ausgangspunkt A des Polygonzuges, werden von einem Rechner aus den jeweiligen Vektorkomponenten-Koordinaten ermittelt. Die jeweilige Länge R , bzw. R, der Teilstrecken wird über eine Laserabstandsmessung ermittelt. Die Messung der Winkel zwischen ein- und ausfallendem Laserstrahl erfolgt mit Hilfe von Winkelkodierern, die Messung der Winkel bezüglich der Horizontalen und Vertikalen mittels Inklinometer.

Jede Lasermeßstrecke besteht aus einem an ihrem Anfang angeordneten Laser und aus einem an ihrem Endpunkt angeord-

neten Tripelspiegel 7 als Anpeil- und Meßglied. Das Anpeilen und Vermessen des Tripelspiegel erfolgt automatisch mit Hilfe eines Lasermeßkopfes 8.

In Fig. 4 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines solchen Lasermeßkopfes dargestellt, dessen Aufgabe demgemäß darin besteht, die räumliche Position des Tripelspiegel s selbständig aufzufinden und zu vermessen. Dabei wird davon ausgegangen, daß ein in einen Tripelspiegel fallender Laserstrahl parallel zum einfallenden Strahl unter einem Abstand reflektiert wird, der eine eindeutige Punktion des Laserstrahlabstands vom Tripelspiegel Zentrum ist. Beim Überstreichen eines Tripelspiegel mit einem parallelen Lichtbündel nimmt daher der Parallelversatz des reflektierten Strahls zunächst ab, bis die zentrumsnächste Position des Strahls erreicht wird, und wächst dann wieder an. Dabei wird der Laserstrahl stets in die Richtung parallel versetzt, in der, vom ausgesandten Strahl aus gesehen, das Zentrum des Tripelspiegel zu suchen ist. Um den Laserstrahl exakt auf das Zentrum des Tripelspiegeis zu richten, muß demgemäß der Laser so lange in die Richtung gedreht werden, in der der reflektierte Strahl zurückkommt, bis der Laserstrahl exakt in sich selbst zurückläuft. Das Regelkriterium ist also Parallelversatz Null.

Mit der vorstehend beschriebenen Methode kann daher ein Tripelspiegel in einem größeren Raumbereich automatisch gefunden werden, wenn bekannt ist, daß sich in diesem Raumbereich nur ein einziger Tripelspiegel befindet. Ist der Tripelspiegel von dem Lasermeßkopf gefunden, so kann er mit Hilfe desselben Kriteriums auf sein Zentrum geregelt werden. Der Abstand des Tripelspiegel von dem Laser läßt sich über eine Laserstrahl-Laufzeitmessung ermitteln. Richtung (d.h. zwei Winkel) und Abstand des Tripelspiegel vom Laser aus geben die Polarkoordinaten des Tripelspiegel. In Fig. 4 ist der Tripelspiegel, von dem sich jeweils einer an der Meßstation

B und C befindet, mit 7 bezeichnet. Die Meßstationen A und B weisen jeweils einen Lasermeßkopf 8 auf, der eine gegenüber dem zugeordneten Tripelspiegel 7 einstellbare geschlossene Baueinheit bildet. Der Lasermeßkopf weist einen Laser 9 als Laserstrahlquelle auf. Der Laserstrahl wird vor einer Aufweitoptik 10 mit Hilfe einer Strahlteilerplatte 11 geknickt. Der Laser 9 ist demgemäß rechtwinklig zur Achse der Aufweitoptik 10 und der im Abstand davorliegenden Strahlteilerplatte 11 angeordnet, wodurch sich eine verhältnismäßig kleine Baugröße des Lasermeßkopfes ergibt. Der Laserstrahl verläßt den Lasermeßkopf 8 durch ein Fenster 12 in einem Linsensystem 13. Der von dem Tripelspiegel 7 reflektierte Laserstrahl läuft im Lasermeßkopf 8 verschiedene Wege: Der zentrisch, also innerhalb des Emissionsfensters 12 einfallende Teil des Laserlichtes wird zuerst von der nun invers arbeitenden Aufweitoptik 10 konzentriert und nach dem Durchtritt durch die aus einem halbdurchlässigen Spiegel bestehende Strahlteilerplatte 11 mit einer zusätzlichen (nicht dargestellten) Linse auf eine schnelle Photodiode fokussiert. Diese mißt die Laufzeit des Laserstrahls, um über die Laufzeit den Abstand des Tripelspiegeis 7 von dem Lasermeßkopf 8, d.h. die Länge der Lasermeßstrecke R , bzw.

R, zu bestimmen,
bc

Der außerhalb des Sendestrahls zurückkommende Teil des reflektierten Laserstrahls trifft auf das Linsensystem 13. Dieses besteht aus zwei oder vier Segmenten von Fresnel-Linsen 13', deren optische Achsen parallel zur zentralen Achse der Aufweitoptik 10 durch zwei bzw. vier Raumfilter 15a bis 15d verlaufen. Die Raumfilter (Blenden) 15a bis 15d sind in der Fokalebene des jeweils vorgeschalteten Fresnel-Linsensegments 13' angeordnet und haben die Aufgabe, zur optischen Achse parallele Strahlen, insbesondere Tripelspiegelreflexe, passieren zu lassen. Die Teilung der Fresnel-Linsen in Segmente ermöglicht eine sehr kurze Baulänge des Lasermeßkopfes 8, da der Strahlengang zwischen

den Fresnel-Linsen 13 und den Raumfiltern 15a bis 15d nicht von der Aufweitoptik 10 behindert wird. Im Abstand hinter den Raumfiltern 15a bis 15d ist jeweils ein geviertelter XY-Sensor 16a bis 16d untergebracht, welcher eine Aussage über die Parallelverschiebung des reflektierten Lichtes vom emittierten Laserstrahl erlaubt. Jeder XY-Sensor besteht aus einem lichtempfindlichen Sensor. Aufgrund der Rotationssymmetrie des Lasermeßkopfes 8 ist dieser exakt auf das Zentrum des Tripelspiegeis 7 ausgerichtet, wenn alle vier Einzelsensoren 16a bis 16d dasselbe Ausgangssignal liefern.

Da im abgeglichenen Fall die Hauptintensität des reflektierten Laserlichts zentrisch zurückkommt und in jedem Fall genügend Lichtintensität zur Laufzeitmessung auf die Photodiode 14 fallen muß, ist deren zentrische Anordnung dem Problem gut angepaßt. Da der empfangene Laserstrahl zunächst durch die Aufweitoptik 10 komprimiert wird, kann die Fokussierung auf die Photodiode 14 mit einer Linse kürzerer Brennweite und damit platzsparender geschehen. Die Justierung des Lasers 9 kann auf einfache Weise durch den Spiegel 11 geschehen.

Der Laserstrahl kann zusätzlich moduliert werden, um über dieselbe Laserrichtstrecke Informationen z.B. über die Position des Lasermeßkopfes oder des Tripelspiegel zu übertragen. Die Datenaufnahme geschieht durch eine Photodiode 18 (Fig. 6 und 7), die hinter dem Zentrum des mit einem mittig durchgehenden Fenster 30 versehenen Tripelspiegels 14 angeordnet ist. Da der ausgerichtete Laserstrahl stets in das Zentrum des Tripelspiegels 14 trifft und in sich selbst reflektiert wird, ist zum einen sichergestellt, daß der Laserstrahl die Photodiode 18 trifft, zum anderen, daß der dem Laser 9 zugeordnete Sender merkt, wenn die Übertragungsstrecke durch ein Hindernis unterbrochen wird. Damit ist eine sichere Datenübertragung gewährleistet.

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Im folgenden werden in Verbindung mit den Fig. 5 bis 7 zweckmäßige Ausführungsformen der Meßstationen A, B und C an den Polygonpunkten des Polygonzuges beschrieben. Die Meßstation A gemäß Fig. 5 ist um zwei Achsen H und V gesteuert drehbar aufgehängt. Die vertikale Achse V ist dabei ortsfest montiert. Das Suchen und Vermessen eines Tripelspiegels 14 an der angepeilten Meßstation B geschieht durch Drehen der gesamten Meßstation A um diese Achsen mit Hilfe eines geeigneten Drehantriebs. Die Koordinaten des angepeilten Tripelspiegeis 14 können dann über die Lasermeßstrecke unidirektional an die Meßstation B weitergegeben werden.

Die Meßstation A gemäß Fig. 5 besteht aus einem Lasermeßkopf 8 der in Fig. 4 gezeigten Bauart, einem Präzisionslängsneigungsgeber 19, einem Querneigungsgeber 20 und einem nordsuchenden Navigationsinstrument 21 (Kreiselkompaß). Anstelle des nordsuchenden Navigationssystems 21 können aber auch ein Inkrementalwinkelkodierer und ein Präzisionswinkelkodierer vorgesehen werden. Sämtliche vorgenannten Komponenten sind in der Meßstation A in einer kompakten Baueinheit vereinigt, die um die Achsen H und V drehbar ist.

Die Neigungsgeber 19 und 20 bestimmen die Längsneigung der Meßstation bezüglich der Horizontalen. Das nordsuchende Navigationssystem 21 (Kreiselkompaß) bestimmt den Winkel zwischen der Nord-Süd-Achse der Erde und der Meßstation A. Die Koordinaten der Meßstation A können durch Anpeilen eines in bekannter Position (Position H in Fig. 1) befindlichen Tripelspiegels 7 ermittelt werden, wobei die zusätzlich notwendige Richtungsinformation durch die Neigungsgeber 19 und 20 und das nordsuchende Navigationssystem 21 geliefert werden.

Falls das nordsuchende Navigationssystem durch die vorge-

nannten Winkelkodierer ersetzt wird, so können durch Anpeilen eines Tripelspiegel 7 in bekannter Position (H in Fig. 1) die Koordinaten der Meßstation A ermittelt werden. Hierdurch wird außerdem der Nullpunkt der Inkrementalwinkelgeber für die Achsen H und V festgelegt. Die zusätzlich benötigte dritte Winkelinformation liefern die beiden Neigungsgeber 19 und 20.

Die Meßstation A peilt, wie erwähnt, den Tripelspiegel 14 an der Meßstation B an, dessen Position unbekannt ist. Die Abstandsinformation aus der Laufzeitmessung zusammen mit den Winkelinformationen der Winkelkodierer und der Neigungs geber erlauben die Berechnung der Tripelspiegelkoordinaten.

Die Meßstation B besteht gemäß Fig. 6 aus einem Laserkopf 8, einem eindimensionalen optischen Auge 22, einer Photodiode 18 zur Laserdemodulation, einem Präzisionsneigungsgeber (Längsneigung) 23, einem Querneigungsgeber 2 4 und einem Tripelspiegel 7. Zusätzlich kann zur Erhöhung der Genauigkeit bei großen Längs- oder Querneigungen je ein horizontaler und vertikaler Winkelkodierer 25 bzw. 26 vorgesehen werden. Größere Neigungen, bei denen die Neigungsgeber ungenauer arbeiten, können dann über die Winkelkodierer bestimmt werden.

Sämtliche vorgenannten Komponenten sind auch hier in der Meßstation B zu einer Baueinheit vereinigt. Diese ist entweder um die zwei Achsen H und V einer kardanischen Aufhängung od.dgl. gesteuert drehbar oder aber bei kleineren Knickwinkeln nur in einem Drehpunkt einer Kugelhalterung gelagert. Die Drehbewegungen werden auch hier rechnergesteuert durch (nicht dargestellte) Drehantriebe bewirkt.

Die Koordinaten der Meßstation B können dem von der vorhergehenden Meßstation A des Polygonzugs ausgehenden Lasermeßstrahl entnommen werden. Die Richtung des von der

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Meßstation B ausgesandten Laserstrahls wird über die beiden Neigungsgeber und das eindimensionale optische Auge bestimmt.

Die Meßstation B sucht und vermißt selbständig den nächsten Tripelspiegel 7 in der Meßstation C und sendet die Meß-Koordinaten sowie sämtliche Informationen, die über die einlaufende Lasermeßstrecke kommen, über die auslaufende Lasermeßstrecke weiter. Gleichzeitig können diese Informationen über eine externe Schnittstelle ausgegeben werden (Fig. 2).

Wie weiter oben bereits erwähnt, ist es möglich, im Polygonzug eine größere Anzahl an Meßstationen B, die auch von unterschiedlicher Bauweise sein können, hintereinander anzuordnen und damit einen beliebig langen Polygonzug aus Lasermeßstrecken aufzubauen.

Die Meßstation C besteht gemäß Fig. 7 aus einem Tripelspiegel 7, einem eindimensionalen optischen Auge 22, einer Photodiode 18 zur Laserdemodulation, einem Längsneigungsgeber 27, ggf. einem Querneigungsgeber 28 und einem CCD-Sensor Auch hier sind sämtliche Komponenten zu einer Baueinheit vereinigt. Die Meßstation C ist mechanisch starr mit dem zu vermessenden Punkt am Fräsarm 5 der Teilschnittmaschine verbunden. Der Abstand dieses Punktes von dem Fräskopf 6 ist bekannt, so daß bei bekannten Koordinaten des Punktes C auch die Lage des Fräskopfes 6 bekannt ist. Die Richtung zwischen einlaufendem Lasermeßstrahl der Meßstation B und der Verbindungslinie zum Punkt C bzw. zu der Meßstation C kann mittels Neigungsgeber und mittels des eindimensionalen optischen Auges 22 bestimmt werden. Falls der mechanische Aufbau eine Querneigung der Meßstation C verhindert oder diese vernachlässigt werden kann, kann der Querneigungsgeber entfallen.

Die Richtungsinformation sowie die über die einlaufende Lasermeßstrecke ankommenden Informationen können über eine externe Schnittstelle ausgegeben werden (Fig. 2).

Mindestens eine der Meßstationen B und/oder C, im allgemei nen die Meßstation C und die (letzte) Meßstation B sind ge mäß Fig. 2 über Kabel mit der Zentralstation D verbunden, die, wie in Fig. 1 gezeigt, am Maschinengestell der Teilschnittmaschine 1 angeordnet ist. Die Zentralstation D weist einen zentralen Rechner (Hauptrechner) auf, der von den (nicht dargestellten) stationseigenen Rechnern (Subrechnern) der Meßstationen A, B und C mit den Informationen über die Relativkoordinaten der Polygonseiten und über die Richtungen gespeist wird, die zur Berechnung des räumlichen Polygonzugverlaufs und damit zur Bestimmung der absoluten Koordinaten der Meßstation C notwendig sind. Da sich die Meßstation C in festem Abstand zu dem Fräskopf 6 befindet, kann der Zentralrechner auf diese Weise die Lage des Fräskopfes 6 zu jedem Zeitpunkt des Schneidbetriebs ermitteln. Die stationseigenen Rechner, für die zweckmäßig Mikrocomputer verwendet werden, bewirken das Anpeilen des Tripelspiegels 7, die Nachführung des Lasers, die Koordinatenberechnung und die Datenübertragung zur nächstfolgenden Meßstation bzw. zur Zentralstation D. Der Rechner der Meßstation A richtet den hier befindlichen Laser auf den Tripelspiegel der Meßstation B aus und regelt eventuelle Abweichungen, die durch Bewegungen der Teilschnittmaschine in der Meßstation B bewirkt werden, nach. Außerdem liest er die Inklinometer aus. Auf Anforderung kann der Rechner einen gegebenen Punkt fixieren und als Bezugspunkt für weitere Rechnungen nehmen. Der Rechner der Meßstation A gibt seine Meßwerte über die Laserstrecke A-B an den Rechner der nachfolgenden Meßstation B weiter. Der Rechner der Meßstation B richtet den hier befindlichen Laser auf den Tripelspiegel der nachfolgenden Meßstation C aus und bestimmt auch den Ort des von der Meßstation A ankommenden

Laserstrahls im vorgenannten optischen eindimensionalen Auge. Außerdem liest der Rechner der Meßstation B die hier befindlichen Inklinometer aus und gibt die von der Meßstation A über die Laserkommunikationsstrecke übermittelten Daten sowie die in der Meßstation B gesammelten Daten an den Zentralrechner der Zentralstation D weiter. In der Meßstation C übernimmt ein kleinerer Mikrocomputer die Aufbereitung der Daten und deren Transfer zum Zentralrechner der Zentralstation D. Die Aufbereitung der Daten besteht in der Lokalisierung des Lichtpunktes im optischen Auge und der Auswertung des in der Meßstation C befindlichen Inklinometers. Der Zentralrechner der Zentralstation D übernimmt die zentrale Datenauswertung, d.h. die Berechnung der Fräskopfkoordinaten bezüglich des fest vorgegebenen Referenzpunktes A bzw. H.

Die Meßstation A weist zweckmäßig eine Befehlseinheit mit einer Tastatur und einem Anzeigenfeld auf, in dem der momentane Status des Α-Rechners sichtbar ist. Mit Hilfe der Tastatur kann der AnpeilVorgang ausgelöst, der Laserstrahl ein- und ausgeschaltet und die Meßstation A in einen definierten Zustand (Reset) gebracht werden. Im Anzeigenfeld erhält der Benutzer Informationen darüber, ob die Meßstation A normal funktioniert und ob sie den Tripelspiegel der Meßstation B angepeilt hat. Der Rechner der Meßstation B dient vor allem der Nachführung des hier befindlichen Lasers sowie der Koordinatenberechnung der Meßstation C, während der Rechner der Meßstation C zur Kommunikation mit dem Zentralrechner der Zentralstation D dient. Die mittels Modulation an der Meßstation A dem Laserstrahl aufgeprägten Informationen über den Ort des Tripelspiegel der Meßstatin B (von A aus gesehen) wird dem Laserstrahl entnommen und an den Rechner der Meßstation B weitergegeben. Für die Laser, die zur Datenübertragung und auch zur Längenmessung modulierbar sind, werden zweckmäßig kompakte und robuste Halbleiterlaser verwendet. Da die Laser mit Reflexion arbeiten,

ist eine Unterbrechung des Laserstrahls durch eine Person am Sendeort erkennbar. Dies kann dazu ausgenutzt werden, um den Laser abzuschalten oder seine Intensität zu reduzieren. Um die Divergenz des Laserstrahles klein zu machen und den Laserstrahl auf einen Punkt zu fokussieren, ist die oben erwähnte Aufweitoptik vorgesehen, die aus einem Mehrlinsensystem bestehen kann, mit oder ohne Zwischenfokus und/oder Raumfilter.

Bei dem vorstehend beschriebenen Vermessungssystem wird ein Teil des jeweils in den Tripelspiegel 7 fallenden Lichtes an der hinteren Ecke des kegelstumpfförmigen Tripelspiegeis ausgekoppelt, um in einem eindimensionalen optischen Auge weiterverarbeitet zu werden. Zur Auskopplung des Laserlichtes weisen die Tripelspiegel 7 mittig ein durchgehendes Fenster 30 (Fig. 4) auf. Sowohl an der Meßstation B als auch an der Meßstation C muß der Winkel Ϋ zwischen lokalem Koordinatensystem und einfallendem Laserstrahl bestimmt werden. Die Richtung des aus dem Tripelspiegelfenster 30 austretenden Lichtstrahls kann in den Winkelwerten «• und ψ variieren, wobei der Winkel ^P der zu messende Horizontalwinkel, der Winkel V^ der nicht interessierende Vertikalwinkel ist. Es ist wünschenswert, den Winkel ψ' auf optischem Wege zu eliminieren, um den Winkel ¥* mit einem linearen optoelektronischem Sensor, zweckmäßig einem linearen CCD-Array, messen zu können. Diesem Zweck dient das oben erwähnte eindimensionale optische Auge 22, das nachfolgend im Zusammenhang mit der Fig. 8 näher erläutert wird. Das eindimensionale optische Auge kann aus einer dünnen, planparallelen und optisch transparenten Glasplatte 31 bestehen, welche das durch das Fenster 30 des Tripelspiegel 7 hindurchfallende und unter veränderlichen Winkeln [ }f , Ψ ) bezüglich des Lotes auf seine Stirnfläche 32 fallende Licht auf die gegenüberliegende Stirnfläche 33 weiterleitet (zweidimensionaler Lichtleiter; das Licht bleibt bei. Beachtung bestimmter Grenzwinkel durch vielfache Totalreflexionen in der Platte gefan-

gen). Der Lichtstrahl tritt um eine Strecke ox bezüglich des Lotes auf den Eintrittspunkt verschoben mit einem Austritt swinkel ^f aus, der dem Eintrittswinkel des Lichtstrahls entspricht. Der Austrittswinkel ψ ist betragsmäßig gleich dem Einfallswinkel ψ* , kann jedoch entgegengesetztes Vorzeichen besitzen. Die Distanz (Jx hängt vom Eintrittswinkel jf , der Länge L der Glasplatte 31 und dem Brechungsindex η der Glasplatte ab und ist unabhängig von dem Winkel Ψ .

Besitzt der eintretende Lichtstrahl einen Durchmesser in der Größenordnung der Dicke der Glasplatte 31, so hängt unter Beachtung der Grenzwinkel die Verteilung der wieder austretenden Lichtintensität nur vom Eintrittswinkel )P ab. Die austretende Lichtintensität ist in einem Bereich hinter der Glasplatte (dreieckiger Bereich, begrenzt durch die Austritts-Stirnfläche 33 und zwei Seiten mit der Richtung - ι ) unabhängig vom Eintrittswinkel τ' . Die Lichtintensität kann daher von einem in kleinem Abstand hinter der Glasplatte 31 angebrachten schmalen linearen Photosensor 29 (Fig. 6 und 7) aufgenommen werden. Der Ort des Lichtmaximums am Photosensor 29 hängt nur vom Winkel s und dem Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf die Eintrittsfläche 32 der Glasplatte 31 ab. Eine Linse fokussiert bekanntlich alle aus derselben Richtung kommenden Lichtstrahlen auf denselben Punkt, unabhängig vom Auftreffpunkt der Lichtstrahlen auf die Linse. Wird daher in den Strahlengang der planparallelen Platte an geeigneter Stelle eine Zylinderlinse eingebracht, so hängt der Ort des Intensitätsmaximums nur vom Eintrittswinkel O¹* ab. Er wird ferner unabhängig vom Eintrittsort. Die Zylinderlinse kann erfindungsgemäß durch Zusammensetzen der planparallelen Platte 31 aus zwei Gläsern unterschiedlicher Brechkraft und geeigneter Formgebung erzeugt werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 besteht die im Umriß etwa dreieck- oder trapezförmige Glasplatte 31 aus einer Platte 34, welche die Stirnfläche

auf der Seite des Lichteinfalls aufweist, und einer gleich dicken Platte 35 mit der Stirnfläche 33 auf der Seite des Lichtausfalls. Die zwei planparallelen Gläser 34 und 35 mit unterschiedlicher Brechkraft sind optisch miteinander verkittet. Die Glasplatte 34 weist auf ihrer der ebenen Stirnfläche 32 gegenüberliegenden Fläche eine zylindrische Fläche 36 auf, deren Mittelpunkt R in deutlichem Abstand vor der Stirnfläche 32 liegt. Die andere Glasplatte 35 ist an ihrer angrenzenden Stirnfläche entsprechend konkav-zylindrisch geformt. Die Plattenradien R und die Brechkraft der unterschiedlichen Gläser 34, 35 werden auf den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt. Als Glassorten für die Gläser 34 und 35 kommt z.B. eine Kombination von Kronglas BKl und Schwerflint SF6 in Betracht. Bei der gewählten Konfiguration beträgt der Grenzwinkel etwa 45°.

Als linearer Fotodetektor für das durch die Tripelspiegel 7 hindurchfallende Laserlicht wird, wie erwähnt, jeweils ein CCD-Array 29 verwendet, welches einen Winkelbereich von etwa ί 40° überdeckt. Der CCD-Sensor 29 wird' von dem jeweiligen stationseigenen Rechner ausgelesen, der aus der Intensitatsverteilungskurve den Ort des Laserlichtpunktes (Maximum der Intensität) bestimmt. Die Grenzfläche E der beiden Teilstücke 34 und 35 der Glasplatte 31 ist so berechnet, daß im Eintrittsfenster 32 einfallende Lichtstrahlen verschiedener Koordinaten y auf der Fokallinie H zusammentreffen. Strahlen mit verschiedenen vertikalen Koordinaten und Winkeln werden durch Totalreflexionen zum Austrittsfenster 33 transportiert. Das einfallende parallele Strahlenbündel wird somit entlang der Linie G auftreffen, wobei der Ort von G in Y-Richtung nur von dem zu messenden Winkel y* abhängt.

Wenn die Grenzfläche E durch eine Zylinderfläche gebildet wird, was nicht unbedingt erforderlich ist, so beschreibt die Fokallinie den Kreis F. Ein entlang der Linie H ange-

brachter linearer Photoaufnehmer 29 kann demgemäß den Winkel r eines parallelen Lichtbündels messen. Bei Verwendung eines hoch auflösenden Sensors (CCD-Array 29) kann eine Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von ψ gewonnen werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen System, den Winkel /"* auf optischem Wege mittels einer dünnen Glasplatte mit integrierter Linse zu eliminieren, tritt folgendes Problem auf: An der Grenzfläche zweier Medien mit verschiedenen Brechzahlen beeinflußt eine Variation des Winkels Ϋ* das Meßergebnis des Austrittswinkels Jf . Die Abhängigkeit des Winkels Jr von dem Winkel ψ kann im speziellen Anwendungsfall rechnerisch eliminiert werden. Dazu ist die Kenntnis eines weiteren Winkels des optischen Auges bezüglich des raumfesten Koordinatensystems nötig, der z.B. aus der unabhängig davon notwendigen Inklinometermessung abgeleitet werden kann. Die rechnerische Eliminierung des Einflusses des Winkels ψ erfolgt automatisch mit dem Rechner.

Soll vermieden werden, daß der Eintrittswinkel r* den Meßwinkel J^ beeinflußt, so muß jede Änderung der Brechzahl im Strahlengang vermieden werden, d.h. im allgemeinen ist dann der Weg des Lichtstrahls lufterfüllt. Auch unter dieser Prämisse laßt sich abweichend von dem in Fig. 8 gezeigten optischen Auge ein optisches System zur Eliminierung des Winkels 9* wie folgt aufbauen:

Das eindimensionale optische Auge ohne Brechzahländerung im Strahlengang kann mit einem Paar parallel montierter, mit ihren verspiegelten Flächen zueinander gekehrten Spiegeln mit kleinem Luftspalt dazwischen von etwa 2 mm und mit am Eintrittsort des Strahls fest montierter Schlitzblende aufgebaut werden, wobei der Schlitz parallel zur Oberflächennormalen der Spiegel verläuft. Bei dieser Ausgestaltungsform des eindimensionalen optischen Auges wird der horizontale Ort des eintretenden, ausgedehnten Lichtbündels durch

-"-•sis.

die Schlitzblende definiert. Der zwischen den Spiegeln verlaufende Lichtstrahl wird von den beiden parallelen Spiegeln ebenso wie bei der planparallelen Glasplatte gemäß Fig. 8 auf den linearen Fotoaufnehmer gelenkt. Da an keiner Stelle des Strahlengangs Brechung auftritt, kann sich eine Änderung des Winkels γ* auch nicht auf den Meßort auswirken.

Das zur Verwendung kommende eindimensionale optische Auge besteht demgemäß in seiner Grundkonzeption aus einem optischen System, das die Abhängigkeit des einfallenden Lichtstrahls vom Ort in einer Richtung eliminiert (Schlitzblende oder Zylinderlinse) und aus einer zweidimensionalen Lichtleiterkomponente, die den Ort des Strahls in einer Richtung fixiert und in der senkrecht dazu liegenden Richtung variieren läßt (planparallele Glasplatte oder parallele Spiegel). Wird ein Linsensystem benutzt, so kann ein System aufgebaut werden, das mit kleinerer Lichtintensität zuverlässiger arbeitet. In diesem Fall hängt der Meßwert des Systems allerdings stets in definierter Weise auch vom Eintrittswinkel ^ ab, d.h. es muß zusätzlich ein weiterer Raumwinkel des Systems gemessen und damit der Wert des gemessenen Winkels y korrigiert werden.

Die Vorteile der vorstehend beschriebenen Ausführungen des eindimensionalen optischen Auges bestehen vor allem darin, daß die Richtung eines auf eine Fläche fallenden Lichtbündels mit hoher Auflösung für einen unabhängigen Winkel bestimmt werden kann, und daß hierfür vorhandene lineare Aufnehmer, insbesondere lineare CCD-Arrays, eingesetzt werden können.

Mit Hilfe des oben beschriebenen Vermessungssystems läßt sich die jeweilige Lage eines Fräskopfes einer Teilschnittmaschine oder aber des Fräskopfes einer anderen Vortriebsmaschine od.dgl., z.B. einer Vollschnittmaschine, auf automatischem Wege selbsttätig bestimmen. Damit ist die Möglich-

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keit gegeben, das Vermessungssystem zur Überwachung der Vortriebsmaschine während der Vortriebsarbeit und/oder zur Steuerung der Vortriebsmaschine bzw. zur Steuerung der Arbeitsbewegung des Fräsarmes im Sinne der genauen Profilsteuerung auszunutzen. Wie erwähnt, kann die Polygonzugmessung zwischen dem ortsfesten Referenzpunkt A und dem ortsbeweglichen Polygonpunkt C über einen oder auch mehrere Hilfs- bzw. Polygonpunkte B durchgeführt werden. Auch kann die Polygonzugmessung vom Referenzpunkt A direkt zu dem ortsbeweglichen Punkt C der Vortriebsmaschine durchgeführt werden, wenn sich der Punkt A im Sichtabstand zu dem Punkt C befindet. Der Aufbau des Vermessungssystem erfährt hierbei keine grundsätzliche Änderung. Es versteht sich, daß die Übertragung der ermittelten Meßdaten insbesondere auf der Strecke B-C auch über ein Kabel erfolgen kann, vor allem dann, wenn sich der Polygonpunkt bzw. die Meßstation B ebenfalls an der Vortriebsmaschine befindet, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

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Claims

Ansprüche :

1. Verfahren zur Überwachung und/oder Steuerung einer Vortriebsmaschine, insbesondere einer Teilschnittmaschine, wobei mit Hilfe eines mit Laserstrahlen arbeitenden Vermessungssystems die Position des Fräskopfes der Vortriebsmaschine bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet , daß zur Positionsbestimmung des Fräskopfes (6) von einem raumfesten bekannten Referenzpunkt (A) ausgehend bis zur Vortriebsmaschine bzw. ihrem Fräsarm (5) eine Polygonzug-Messung mit Hilfe mindestens einer die Polygonseite darstellenden Lasermeßstrecke rechnergesteuert durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Polygonzug-Messung im Betrieb der Vortriebsmaschine zur Lagebestimmung des höhen- und seitenverschwenkbaren Fräskopfes kontinuierlich und automatisch durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Polygonzug-Messung über mindestens zwei die Polygonpunkte bildende Hilfspunkte (A, B, C) durchgeführt wird, von denen einer (A) als Referenzpunkt in größerem Abstand von der Vortriebsmaschine und ein zweiter (C) an der Vortriebsmaschine angeordnet wird, wobei ggf. zwischen diesen beiden Punkten (A, C) ein oder mehr weiterer Polygonpunkte (B) vorgesehen werden können.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Koordinaten des Referenzpunktes (A) durch von diesem Punkt aus durchgeführte Vermessungen zu mindestens einem ortsfesten und markscheiderisch vermessenen Punkt (H) bestimmt

340U96

werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Schneidbetrieb der Vortriebsmaschine vom Referenzpunkt (A) ausgehend sukzessiv die relative Lage des Koordinatensystems des oder der Hilfspunkte (B, C) rechnergesteuert bestimmt und aus den erhaltenen Werten die jeweilige Ist-Position des Fräskopfes (6) mittels eines Rechners (D) ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Meßdaten über die Lasermeßstrecke(n) durch Modulation des Laserstrahles von einem Polygonpunkt zum nächsten übertragen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasermeßstrecke(n) in Reflexion des Laserstrahles zum Ausgangspunkt betrieben wird bzw. werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Koordinaten der Hilfspunkte (A, B, C) durch Winkelmessung sowie durch Messung der Abstände (Polygonseiten) der Hilfspunkte auf dem Wege der Laufzeitmessung der Laserstrahlen zwischen den Hilfspunkten erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßdaten über mindestens einen stationseigenen Rechner einem an der Vortriebsmaschine angeordneten zentralen Rechner zugeführt werden, welcher die Position des Fräskopfes anzeigt und/oder die Vortriebsmaschine

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steuert.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Laser-Vermessungssystem zur Positionsbestimmung des beweglichen Fräskopfes der Vortriebs- bzw. Teilschnittmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines über mindestens zwei Polygonpunkte gehenden Laserstrahl-Polygonzuges die einzelnen Polygonpunkte durch je eine Meßstation (A, B, C) gebildet sind, von denen die letzte Meßstation (C) an der Vortriebsmaschine bzw. an deren schwenkbaren Fräsarm (5) und die den Anfang des Polygonzuges bildende Meßstation (A) im Abstand raumfest in der Strecke od.dgl. angeordnet ist, wobei ggf. zwischen den vorgenannten Meßstationen (C, A) mindestens eine Hilfsmeßstation (B) vorgesehen ist, daß ferner die den Anfang des Polygonzuges bildende Meßstation (A) und ggf. die Hilfsmeßstatiorfen) (B) jeweils einen Laser (9) zur Erzeugung der Lasermeßstrecke aufweisen, daß sämtliche Meßstationen (A, B, C) mit Winkelmeßgeräten (19, 20, 22 bis 26, 27, 28) versehen sind, daß ferner die an der Vortriebsmaschine bzw. am Fräsarm (5) angeordnete Meßstation (C) und ggf. die Hilfsmeßstation(en) (B) jeweils mit einem Laserstrahl-Anpeil- und Meßglied (7, 14) ausgerüstet sind, und daß eine Datenübertragung zu einer Zentraleinheit (D) mit Zentralrechner vorgesehen ist, die eine Anzeigevorrichtung und/oder eine die Vortriebsmaschine steuernde Steuereinheit aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Datenübertragung über die Laserstrecken mittels modulierbarer Laserstrahlen.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß das oder die Laser-

strahl-Anpeilglieder aus einem Tripelspiegel (7) besteht bzw. bestehen.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem Laser ausgestattete(n) Meßstation(en) (A, B) rechnergesteuert verstellbar, vorzugsweise um eine vertikale und horizontale Achse (H, V) drehbar gelagert ist bzw. sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Laser (9) versehenen Meßstation(en) (A, B) einen Lasermeßkopf (8) aufweist bzw. aufweisen, der in einer Baueinheit enthält:

einen Laser (9) in Winkelanordnung zu der Lasermeßstrecke,

eine Strahlteilerplatte (11) od.dgl., eine Aufweitoptik (10),

ein Linsensystem (13) mit Fenster (12), das mit der Strahlteilerplatte (11) und der Aufweitoptik (10) auf der Laserstrahlachse liegt,

eine schnelle Photodiode (14) hinter der Strahlteilerplatte (11) zur Messung der Laufzeit des Laserstrahls und damit der Länge der Lasermeßstrecke.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Linsensystem (13) des oder der Lasermeßköpfe (8) aus einem oder mehreren, insbesondere zwei oder vier Segmenten von Fresnel-Linsen besteht, deren optische Achsen parallel zur zentralen Achse der Aufweitoptik (10) durch Raumfilter (Blenden 15a bis 15d) laufen, die in der Fokalebene des zugeordneten Fresnel-Linsensegments angeordnet sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß im Strahlengang hinter den Raumfiltern (15a bis 15d) jeweils ein optischer Sensor (16a bis 16d) zur Berechnung der Parallelverschiebung des reflektierten Lichtes des emittierten Laserstrahles vorgesehen ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Zentrum des Tripelspiegeis (7) eine Photodiode zur Aufnahme der über den modulierbaren Laser übertragenen Information (Positionsdaten) vorgesehen ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßgeräte aus Längs- und Querneigungsgebern sowie ggf. einem nordsuchenden Navigationsinstrument (Kreiselkompaß 21) oder Winkelkodierern für die Schwenkachsen (H, V) bestehen.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Tripelspiegel (7) in seiner Achse ein Fenster (30) für den Laserstrahldurchgang aufweist, und daß hinter dem Fenster (30) ein optoelektrischer Sensor, insbesondere ein CCD-Array, zur Bestimmung der Richtung des auftreffenden Laserstrahls angeordnet ist.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß hinter dem Fenster (30) des Tripelspiegels (7) ein eindimensionales optisches Auge angeordnet ist, welches aus einer eindimensionalen Fokussiereinrichtung und einem ebenen Lichtleiter, z.B. aus einer dünnen, planparallelen und optisch transparenten Glasplatte besteht, die aus zwei Teilstücken (34, 35) mit unterschiedlicher Brechkraft zusammengesetzt ist

und deren Grenzflächen (E) so bestimmt sind, daß an der Stirnseite (32) des einen Teilstücks (34) einfallendes Licht nur in einer seiner beiden Koordinaten an der gegenüberliegenden Stirnseite (33) der Glasplatte austritt, wobei hinter dem Lichtleiter ein linearer Fotoaufnehmer, insbesondere ein CCD-Array, vorgesehen ist.