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Die vorliegende Erfindung hat eine
Messvorrichtung der Vertikalität
der Versetzung eines Bohrgeräts
zum Gegenstand.
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Präziser ausgeführt betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung, die es kontinuierlich erlaubt, eventuelle
Abweichungen in Bezug auf die Vertikale eines Bohrgeräts zu messen,
das dazu vorgesehen ist, Einstiche von großen Tiefen und reduzierter
Breite, typischerweise gleich der Breite des Geräts, zu bohren.
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Solche Geräte sind vor allem, aber nicht
ausschließlich,
Bohrmaschinen mit rotierenden Walzen. Sie werden vor allem in dem
französischen
Patent 2 211 027 beschrieben. Das Bohrgerät ist an einem Hebegerät durch
die Vermittlung von Kabeln aufgehängt. Das Gerät vollzieht
eine Bewegung des Niederfahrens in dem Maße wie seine rotierenden Walzen
den Einstich bohren.
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Für
bestimmte Arbeiten kann der Einstich eine große Tiefe aufweisen, die bis
zu 100 Meter oder mehr erreichen kann. Darüber hinaus ist es im allgemeinen
notwendig, dass dieser Einstich hinsichtlich seiner Vertikalität eine große Präzision aufweist,
vor allem durch die Tatsache, dass der endgültige Einstich aus einer Nebeneinanderreihung
vertikaler Bohrlöcher
resultiert. Die erforderliche Präzision kann
in der Größenordnung
von 1 mm in horizontaler Richtung pro Meter der Tiefe des Einstichs
sein.
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Auf Grund vor allem der Unregelmäßigkeiten des
Geländes,
in dem der Einstich realisiert werden muss, bestehen bedeutende
Risiken, dass das Bohrgerät
von seinem vertikalen Weg abweicht, wobei dieses Risiko in dem Maße zunimmt,
wie die Tiefe des Bohrlochs zunimmt.
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Es besteht also ein wirklicher Bedarf
daran, Systeme einzurichten, die es erlauben, die Vertikalität der Versetzung
des Geräts
zu überwachen,
indem sie eventuelle Abweichungen in Bezug auf den gewünschten
vertikalen Weg anzeigen.
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Um dieses Problem zu lösen, hat
man bereits vorgeschlagen, das Gestell des Bohrgeräts mit zwei
Neigungsmessern auszustatten. Sie zeigen jeder die Inklinationen
des Gestells entlang zweier senkrechter Achsen an. Man kann unter
diesen Umständen
die Inklination des Bohrwerkzeugs und ein durch Integration der
Winkel in Abhängigkeit
von der Tiefe errechnetes Bohrprofil erkennen.
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Diese Systeme weisen eine gewisse
Anzahl an Unzulänglichkeiten
auf. Auf der einen Seite erfordern sie die Integration ununterbrochen
durchgeführter
Messungen, wodurch die Gefahr besteht, kumulative Fehler mit sich
zu ziehen, da jede Messung von den vorhergehenden Messungen abhängt. Auf
der anderen Seite erlauben es diese Systeme, die Vertikalität des Bohrgeräts und folglich
des Einstichs zu überwachen,
aber sie erlauben es nicht, eine eventuelle Verdrillungsbewegung
des Geräts,
das heißt, eine
Rotationsbewegung des Geräts
um seine vertikale Achse herum, zu ermitteln. Sie erlauben weiterhin
nicht, eine „Krabben"-Bewegung des Geräts zu ermitteln, das heißt, eine
Versetzung von diesem in Bezug auf die Vertikale zur Mittelebene
des zu realisierenden Einstichs. In der Tat bleibt in diesen beiden Fällen die
longitudinale Achse des Geräts
im ganzen vertikal und die Neigungsmesser ermitteln keine Abweichung.
Folglich führen
diese beiden Bewegungen gleichfalls Fehler in der Gesamtgeometrie
des Einstichs als Resultat der ununterbrochenen nebeneinandergereihten
Bohrungen mit sich.
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Es versteht sich, dass es wichtig
ist, die eventuellen Positionsfehler des Geräts in Bezug auf die Vertikale
oder in Bezug auf die Mittelebene des zu realisierenden Einstichs
schnell ermitteln zu können, um
seine Ausrichtung, falls dies nötig
ist, schnell modifizieren zu können
und den Effekt dieser Ausrichtungsmodifizierung zu überprüfen.
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Die Dokumente JP 08 043094A und JP
08 014894A beschreiben Lotmessvorrichtungen zur Versetzung eines
Bohrgeräts,
dass dazu vorgesehen ist, einen in Bezug auf die Bodenoberfläche vertikalen
Einstich zu bohren. Diese Messung gebraucht die Kabel, an denen
das Bohrgerät
aufgehängt
ist, aber sie erlaubt es nicht, alle oben aufgezählten Probleme zu lösen.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist
es, eine kontinuierlich arbeitende Messvorrichtung der Vertikalität eines
Bohrgeräts
zur Verfügung
zu stellen, die es überdies
erlaubt, eine Bewegung der Verdrillung oder eine „Krabben"-Versetzung von diesem
zu ermitteln.
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Um dieses Ziel gemäß der Erfindung
zu erreichen, ist die Messvorrichtung der Vertikalität der Versetzung
eines Bohrgeräts,
dass dazu vorgesehen ist, ausgehend von der Bodenoberfläche einen
vertikalen Einstich zu bohren, wobei das besagte Gerät ein oberes
Ende, das mit Mitteln zur Stützung
des Geräts
während
seines Niederfahrens verbunden ist, ein unteres Ende und eine vertikale
Achse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:
- – zwei
Kabel von geringem Querschnitt, wobei jedes Kabel ein an dem oberen
Ende des Geräts befestigtes
erstes Ende aufweist, wobei die zwei Befestigungspunkte voneinander
getrennt sind,
- – Mittel,
um besagte Kabel unter Spannung zu halten,
- – zwei
Mittel zur Führung,
die oberhalb der Bodenoberfläche
angeordnet sind und in einer horizontalen Ebene den Bereich jedes
Kabels ortsgebunden halten, der in der besagten Ebene angeordnet
ist, entsprechend dem Niederfahren des Geräts, zumindest in den Augenblicken
der Messung, wobei die besagten Mittel zur Führung zwei ortsgebundene Punkte
in räumlicher
Beziehung mit den besagten Befestigungspunkten definieren, wenn
sie in der besagten horizontalen Ebene sind,
- – Mittel
zur Messung, bezüglich
zweier horizontaler und orthogonal zueinander verlaufender Richtungen,
der Inklinationswinkel des Bereichs jedes Kabels, der sich zwischen
den besagten Befestigungspunkten und den besagten Mitteln zur Führung erstreckt,
- – Mittel
zur Messung der Länge
der Kabelbereiche, die sich zwischen den Befestigungspunkten und
den Mitteln zur Führung
entsprechend dem Niederfahren des Geräts erstrecken;
- – Mittel,
verbunden mit besagtem Gerät,
zur Messung der Inklinationswinkel der longitudinalen Achse des
besagten Geräts
bezüglich
der zwei horizontalen und orthogonal zueinander verlaufenden Richtungen;
und
- – Mittel
zur Auswertung, die Mittel zur Berechnung der Versetzung der zwei
Befestigungspunkte der Kabel bezüglich
der besagten orthogonalen Richtungen umfassen, auf der Grundlage
von besagten Messungen der Länge
und besagten Messungen der Inklinationswinkel und der Berechnung der
Versetzungen der zwei getrennten ortsgebundenen Punkte des unteren
Endes des besagten Geräts,
auf der Grundlage der Berechnung der Versetzungen der Befestigungspunkte
der zwei Kabel und der Messung der zwei Inklinationswinkel der vertikalen
Achse des Geräts.
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Es versteht sich, dass, dank der
kontinuierlich durchgeführten
Messung der Länge
der Kabel zwischen dem oberen Ende des Geräts und den ortsgebundenen Mitteln
zur Führung,
und der Messung der zwei Inklinationswinkel der auf dem Gerät befestigten
Kabelenden, man kontinuierlich die Koordinaten der zwei Befestigungspunkte
der Kabel und folglich ihre eventuellen Positionsabweichungen in
Bezug auf die definierten Referenzpositionen auf der Grundlage der
zwei ortsgebundenen Mittel zur Führung
berechnen kann.
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Es versteht sich überdies, dass, dank des mit dem
Gestell des Geräts
verbundenen Neigungsmessers, man kontinuierlich die eventuellen
Positionsabweichungen der zwei Punkte des unteren Endes des Bohrgeräts bestimmen
kann, wobei diese Punkte in dem Fall einer Bohrmaschine mit rotierenden
Walzen den Bereichen des Einsatzes der Walzen entsprechen können. Diese
Anordnung ist besonders interessant, wenn das Bohrgerät ein Gestell
von großer Höhe aufweist.
Sie erlaubt es überdies
sehr schnell, den Effekt der in Richtung des Eindringens des Bohrgeräts durchgeführten Korrekturen
zu ermitteln.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden besser bei der Lektüre der Beschreibung zum Vorschein
kommen, die verschiedenen Arten der Realisierung der Erfindung,
die nicht als erschöpfende
Beispiele gegeben werden, nachgeht. Die Beschreibung bezieht sich
auf die beigefügten
Figuren, von denen:
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die 1 eine
Seitenansicht des mit der Lotmessvorrichtung ausgerüsteten Bohrgeräts ist;
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die 2 eine
Vorderansicht des mit der Lotmessvorrichtung ausgerüsteten Bohrgeräts ist;
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die 3 eine
Teilansicht der Messvorrichtung ist, die die Befestigung des Endes
eines Kabels an dem Bohrgerät
zeigt;
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die 4 eine
Teilansicht der Lotmessvorrichtung ist, die die Anordnung der Kabelführungen zeigt;
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die 5 ein
Schema ist, das die Ermittlung der Versetzungen hinsichtlich der
Vertikalen der zwei Punkte des Bohrgeräts darstellt;
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die 6 ein
perspektivisches Schema ist, das die Ermittlung der Inklinationswinkel
zeigt;
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die 7 eine
vollständige
Form der Realisierung der Lotmessvorrichtung darstellt, was die
auf dem Bohrgerät
angebrachten Organe betrifft; und
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die 8 ein
Schema ist, das die Auswertung der in der Lotmessvorrichtung gebrauchten
Signale erläutert.
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Mit Bezugnahme zuallererst auf die 1 und 2 wird das Prinzip der auf einem Bohrgerät angebrachten
Lotmessvorrichtung beschrieben.
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In diesen Figuren ist ein Bohrgerät 10 dargestellt,
das zum Beispiel vom Typ eines Fräsers mit rotierenden Walzen
ist. Dieses Gerät
umfasst im Wesentlichen ein Gestell 12 und zwei rotierende
Walzen 14 und 16. Das Gerät ist in dem Einstich 18 dargestellt,
den es gerade dabei ist zu bohren. Das Gerät 10 ist mittels eines
nicht dargestellten Flaschenzug-Systems an einem Hebegerät 20 aufgehängt.
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Gemäß der Erfindung sind zwei Kabel 22 und 24 an
ihrem ersten Ende 22a bzw. 24b an zwei getrennten
Punkten A und B des oberen Endes 26 des Gestells 12 des
Bohrgeräts
befestigt. Diese Kabel 22 und 24 sind von geringem
Querschnitt, um nur eine verminderte Steifheit aufzuweisen. Dies
stellt keinen Nachteil dar, da sie ja das Bohrgerät nicht
tragen. Im weiteren Verlauf der Beschreibung werden diese Kabel
Käbelchen
genannt. Vorzugsweise sind die Punkte A und B in der Mittelebene
des Gestells des Bohrgeräts
entlang seiner Breite angeordnet, das heißt, entlang der Richtung seiner
größten Ausdehnung
in einem horizontalen Querschnitt.
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Das andere Ende von jedem Käbelchen 22b, 24b ist
auf einer Walze 28 angebracht, die von dem Hebegerät 20 getragen
wird. Diese Walzen sind mit Systemen ausgerüstet, die es erlauben, die
Käbelchen 22 und 24 entsprechend
dem Niederfahren des Bohrgeräts
unter Spannung zu halten. Darüber
hinaus ist für
jedes Käbelchen
eine Messvorrichtung 30 der Länge der entsprechend dem Niederfahren
des Bohrgeräts
abgewickelten Käbelchen
vorgesehen. Man kann auf diese Weise kontinuierlich den Stand z der
Walzen 14 und 16 des Bohrgeräts in Bezug auf die Bodenoberfläche S, in
die man den Einstich 18 bohrt, kennen.
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Es ist wichtig darauf zu achten,
dass die Käbelchen
vollständig
oberhalb des Bohrgeräts
angeordnet sind. Darüber
hinaus muss der Abstand zwischen den Befestigungspunkten A und B
der Käbelchen
ausreichend sein, um eine präzise
Messung der Versetzungen zu erlauben. Dennoch muss dieser Abstand
I deutlich geringer sein als die Breite I des Geräts, derartig,
dass die Ausrichtung der Käbelchen nicht
Gefahr läuft,
durch die Wand des Einstichs im Falle eines Fehlers der Vertikalität des Geräts beeinträchtigt zu
werden.
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Die 3 zeigt
mehr im Detail die bevorzugte Form der Befestigung des Endes 22a des
Käbelchens 22 auf
dem oberen Ende 26 des Bohrgeräts. Die Befestigungsvorrichtung
umfasst eine untere Platte 31, die mit dem oberen Ende 26 verbunden und
am Punkt A befestigt ist. Diese Platte 31 ist mit einem
Neigungsmesser 32 durch die Vermittlung eines kugelgelenkartigen
Systems 34, das vorzugsweise eine Kardanverbindung ist,
verbunden. Der Neigungsmesser ist mit dem Ende 22a des
Käbelchens 22 verbunden.
Dank des Vorhandenseins der Kardanverbindung 34 entsprechen
die von dem Neigungsmesser 32 gelieferten Angaben effektiv
der Inklination des Endteils des Käbelchens 22, ohne
dass diese Angaben durch eine Verdrillungsbewegung des Käbelchens
oder durch die Steifheit des Käbelchens
in seinem Befestigungsbereich gestört werden.
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In den 1 und 2 ist ebenfalls ein System 36 zur
Führung
der Käbelchen 22 und 24 dargestellt. Dieses
System zur Führung
ist in einer horizontalen Ebene entsprechend dem oberen Ende 18a des
Einstichs angeordnet.
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Die 4 zeigt
mehr im Detail das System zur Führung 36.
Es ist vorzugsweise aus zwei einziehbaren Querstreben 38 und 40 gebildet,
die auf der Führung
des Vor-Grabens 42 befestigt sein können. Jede Querstrebe 38 und 40 weist
an ihrem Mittelpunkt einen Ring zur Führung 44 und 46 zugehörig zu den
Käbelchen 22 und 24 auf.
Man kann andere Formen zur Führung
unter der Bedingung anwenden, dass sie eine präzise Referenzposition der Käbelchen
liefern. Die Käbelchen 22 und 24 gehen
durch diese Ringe 44 und 46 durch. Während des
gesamten Bohrverfahrens sind die Querstreben 38 und 40 befestigt.
Auf diese Weise sind in der durch die Querstreben 38 und 40 definierten
horizontalen Ebene die Käbelchen „ortsfest" in dieser horizontalen
Ebene, ihre Positionen sind durch die Ringe 44 und 46 vorgeschrieben.
Die Position der Ringe 44 und 46 deckt sich zum
Beispiel mit der der Befestigungspunkte A und B, wenn das obere
Ende des Bohrgeräts
im Wesentlichen in dieser gleichen Ebene ist. Die Ringe 44 und 46 definieren
auf diese Weise zwei Referenzpunkte Ao und Bo.
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Es versteht sich, dass, dank des
Systems zur Führung 36 der
Käbelchen,
die Referenzpunkte Ao und Bo nicht von eventuellen Bewegungen des
Hebegeräts 20 abhängen.
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Man sieht ebenfalls, dass es zur
Ermittlung der Positionsfehler des oberen Teils des Bohrgeräts notwendig
ist, die eventuellen Versetzungen zu messen, indem man in eine horizontale
Ebene die Befestigungspunkte A und B der Käbelchen 22 und 24 in Bezug
auf die Referenzpunkte Ao und Bo projiziert. Gemäß der Erfindung wird die Ermittlung
der Werte dieser Versetzungen bezüglich zweier orthogonaler horizontaler
Richtungen X und Y auf der Grundlage der Messung des Stands Z des
Bohrgeräts
und der Angaben der Inklinationswinkel a1, b1, a2, b2, die durch
die an jedem Käbelchen
angeschlossenen Neigungsmesser 32 gegeben werden, erarbeitet.
Es versteht sich in der Tat, dass diese Versetzungen bezüglich X
und Y auf der Grundlage dieser zwei Größentypen leicht kalkulierbar
sind.
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In der 6 ist
in perspektivischer vereinfachter Weise das untere Ende 22a des
Käbelchens 22 dargestellt
und durch a1 und b1 sind die zwei durch den Neigungsmesser 32 ermittelten
Winkel dargestellt, das heißt,
die Winkel, die das Käbelchen mit
den orthogonalen Achsen X, Y der horizontalen Ebene einschließt. Es versteht
sich, dass X der Richtung entspricht, in die der Einstich im Wesentlichen gebohrt
werden muss, während
Y in Richtung der Dicke oder der Breite dieses Einstichs gerichtet
ist.
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In der 5 sind
mit gepunkteter Linie die Führungselemente
dargestellt, die die Referenzpositionen Ao und Bo und eine Position I des
oberen Endes 26 des Bohrgeräts definieren. In dieser Position, die
einem bestimmten Stand Z entspricht, nimmt dieses obere Ende die
mit durchgezogenen Linien in der 5 dargestellte
Position ein. Die Punkte A und B nehmen in der Fläche die
Positionen A1 und B1 ein. Die Messung der Fehler der Vertikalität oder der
Positionierung des Bohrorgans entspricht folglich für diese
Position des Organs des Bohrgeräts
den Versetzungen DA und DB,
die in diesen Figuren dargestellt sind. Noch einfa cher, diese Versetzungen
DA und DB können mit
Hilfe ihrer Komponenten auf den horizontalen Achsen X und Y ausgedrückt werden, die
als DAX und DBX für die Komponente
X, und als DAY und DBY für die Komponente
Y bezeichnet werden. Auf der Grundlage der Versetzungen dieser Punkte
A und B kann man natürlich
jeden Positionsfehler des oben Endes des Bohrgeräts ableiten.
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Es versteht sich, dass es in der
Tat die Abweichungen des unteren Endes des Bohrgeräts sind, die
zu ermitteln von Interesse sind, um sie zu korrigieren. Zu diesem
Zweck illustriert die 7 eine Form
der Realisierung der Erfindung. Gemäß dieser vollständigen Form
der Realisierung ist das Gestell 12 des Bohrgeräts zusätzlich mit
einem Neigungsmesser 50 ausgerüstet. Dieser Neigungsmesser
erlaubt folglich, die Inklinationswinkel a und b der longitudinalen
Achse Z, Z' des
Gestells gemäß der zwei orthogonalen
horizontalen Richtungen X und Y, kontinuierlich zu messen, wobei
diese longitudinale Achse „normalerweise" vertikal ist. Die
Winkel a und b sind auf die gleiche Weise wie die Winkel a1, b1
oder a2, b2 bestimmt. Es versteht sich von selbst, dass die Neigungsmesser 32 und 50 mit
elektrischen Kabeln oder Mitteln zur angemessenen Übertragung
ausgerüstet
sind, um die Informationen in den Auswertungskreislauf, mit dem
die Hebemaschine ausgestattet ist, hinaufzubringen.
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Es versteht sich, dass es auf der
Grundlage der bereits näher
ausgeführten
Berechnung der Versetzungen der Punkte A und B und der durch den Neigungsmesser 50 angezeigten
Inklinationswinkel a und b möglich
ist, die Abweichungen der unteren Punkte A' und B' des Bohrgeräts zu berechnen, wobei diese
Punkte A' und B' zum Beispiel der
Angriffszone der rotierenden Walzen des Fräsers entsprechen. Die eventuellen
Abweichungen der Punkte A' und
B' können auf
der Grundlage der folgenden Näherungs-Formeln
berechnet werden, in denen h für die
Höhe des
Bohrgeräts
steht: DA'X = a1 (Z – h) + ah
DA'Y =
b1 (Z – h)
+ bh
DB'X = a2 (Z – h) + ah
DB'Y =
b2 (Z – h)
+ bh.
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Diese Näherungs-Formeln setzen voraus, dass
die Punkte A und B in der Ausgangsposition des Bohrgeräts mit den
ortsgebundenen Referenzpunkten Ao und Bo übereinstimmen. Im gegenteiligen
Fall müssen
initiale Abweichungen berücksichtigt
werden.
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In der 8 ist
die mathematische Auswertung der durch die verschiedenen Messwertgeber gelieferten
Informationen, die die Berechnung der Abweichungen der unteren Punkte
A' und B' des Bohrgeräts erlauben,
sehr schematisch dargestellt. Der Auswertungskreislauf 52 erhält kontinuierlich
von der Messvorrichtung 30 Informationen, aus denen die
Auswertung die Bestimmung des Stands z des unteren Endes des Bohrgeräts in der
betrachteten Position erlaubt. Der Auswertungskreislauf 52 erhält ebenfalls
von den jedem Käbelchen 22 und 24 zugeordneten
Neigungsmessern 32 die gemessenen Werte der Winkel a1 und
b1 und a2 und b2. Schließlich
erhält
der Auswertungskreislauf 52 die durch den mit dem Bohrgerät verbundenen
Neigungsmesser 50 gelieferten Inklinationswinkel a und
b. Es versteht sich, dass es der Auswertungskreislauf 52 auf
diese Weise erlaubt, kontinuierlich die Informationen der Versetzungen
oder Abweichungen des Bohrgeräts
in Bezug auf die Vertikale der Punkte A' und B' zu erarbeiten, ebenso wie den eventuellen
Effekt einer Verdrillung, der dem Winkel entspricht, den die Segmente
Ao, Bo und A1 und B1 in der 5 bilden.
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In der vorhergehenden Beschreibung
hat man genauer den Fall eines Fräsers mit rotierenden Walzen
betrachtet, das heißt,
den Fall eines Bohrgeräts,
das sich kontinuierlich in den Einstich entsprechend der Ausbohrung
von diesem vertieft.
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Es ist indessen bekannt, dass andere
Bohrgeräte,
des Typs Bohrgerät
mit Greiferkübel,
existieren. In diesem Fall ist es natürlich notwendig, den Kübel jedes
Mal zur Oberfläche
hinaufzubringen, wenn seine Baggereimer mit abgetragener Erde gefüllt sind.
Es ist folglich nicht mehr möglich,
die die Referenzpunkte Ao und Bo definierenden Mittel zur Führung 36 auf
der Bodenoberfläche
zu platzieren. In die sem Fall werden die Punkte Ao und Bo der Käbelchen
von der Hebemaschine 20 ausgehend definiert, an der das
Bohrgerät
derartig aufgehängt
ist, dass diese Punkte Ao und Bo als ortsgebunden betrachtet werden
könnten.
Diese Referenzpunkte werden unter diesen Umständen im allgemeinen in einer
horizontalen Ebene im Wesentlichen oberhalb der Bodenfläche angeordnet.