Claims (7)
BeschreibungDescription
Die Erfindung betrifft ein optisches Meßsystem zur Überwachung der Sollwerte beim grabenlosen Verpressen von Rohren.The invention relates to an optical measuring system for monitoring the target values during trenchless pipe pressing.
Es ist bekannt. Rohre grabenlos unter Verwendung sogenannter
Horizontal-Vortriebeinrichtungen aus einer Startgrube ausgehend zu verpressen, beispielsweise unter einer Straße durch einen Bahndamm oder
dgl., wobei dem vorderen Rohrteil ein steuerbarer Schneidschuh aufgesetzt
ist, mit dem die Richtung, in die sich der Schneidschuh bewegen soll,
beeinflußbar und bestimmbar ist.It is known to press pipes trenchlessly using so-called horizontal jacking devices starting from a starting pit, for example under a road through a railway embankment or similar, whereby a controllable cutting shoe is attached to the front part of the pipe, with which the direction in which the cutting shoe is to move can be influenced and determined.
Das Problem bei einer derartigen Verlegung von Rohren im nichtbegehbaren
Nennweitenbereich unter Verwendung von Preßbohrgeräten, d.h. Geräten, die sowohl das Rohr mit dem vorn sitzenden Schneidrohr verpressen
als auch das im Rohr aufstehende Gebirge ausbohren oder abfördern, bestand
darin, daß es praktisch unmöglich ist, den genauen Verlauf der Rohrverlegung exakt den festgelegten Sollwerten entsprechend zu steuern.
Man verfuhr eigentlich im wesentlichen so, daß man die erste Rohrtour in der Startgrube mit dem davor befindlichen Schneidschuh möglichst exakt
vermittels bekannter Meßgeräte, wie Wasserwaage oder Schlauchwaage, ausrichtete und dann zu pressen begann. Auch während des Pressvorganges
standen keine anderen Meßgeräte zur Verfügung, die die Abweichung von den Sollwerten exakt hätten erfassen können.The problem with laying pipes in this way in the non-accessible nominal width range using press drilling equipment, i.e. equipment that both presses the pipe with the cutting pipe at the front and drills out or removes the rock in the pipe, was that it is practically impossible to control the exact course of the pipe laying exactly according to the specified target values. The procedure was essentially that the first pipe run in the starting pit with the cutting shoe in front of it was aligned as precisely as possible using known measuring devices such as a spirit level or hose level and then pressing began. Even during the pressing process, no other measuring devices were available that could have accurately recorded the deviation from the target values.
In manchen Fällen ist es sogar üblich gewesen, zuerst ein Rohr zu
verpressen mit einem übergroßen Durchmesser und das eigentliche Nutz-In some cases it has even been common practice to first press a pipe with an oversized diameter and then
rohr in diesem großen Rohr dann zu verlegen, weil so erheblicher zusätzlicher Raum zur Korrektur zur Verfugung stand.pipe in this large pipe because this provided considerable additional space for correction.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein optisches Meßsystem vorzuschlagen,
mit dem die Steuerung der vermittels Preßbohrgeräte und steuerbarem Schneidschuh bei grabenloser Verlegung von Rohren diese
exakt erfolgen kann, d.h. die einzuhaltenden Sollwerte exakt gehalten werden können bzw. Abweichungen von diesen Werten in der Horizontalen und Vertikalen erfaßt und entsprechende Cegensteuerungen vorgenommen
werden können.The object of the invention is to propose an optical measuring system with which the control of the trenchless laying of pipes using press drilling machines and a controllable cutting shoe can be carried out precisely, i.e. the target values to be maintained can be maintained precisely or deviations from these values in the horizontal and vertical can be recorded and corresponding counter-controls can be carried out.
Auch eine Verdrehung des Rohres (Verrollung) um seine eigene
Achse ist durch das erfindungsgemäße System erfaßbar.The system according to the invention can also detect a twisting of the pipe (rolling) around its own axis.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwei Vorderflächenplanspiegel,
von denen der eine teildurchlässig ist, zu einem an der Ortsbrust angeordneten Trispelprisma so angeordnet sind, daß der Strahl
eines Lasers mit Aufweitungsoptik, der von außen gegen den einen Spiegel gerichtet ist, auf den zweiten reflektiert wird, in den Mittelpunkt
des Trispelprismas an der Ortsbrust trifft und mit der optischen Achse zusammenfällt, wobei die Spiegel senkrecht zueinanderstehen und der
eine außerhalb des Rohres und der andere im Querschnittsbreich des
Rohres.This task is solved by arranging two front surface plane mirrors, one of which is partially transparent, in a triple prism arranged at the face in such a way that the beam of a laser with expansion optics, which is directed from the outside against one mirror, is reflected onto the second, hits the center of the triple prism at the face and coincides with the optical axis, with the mirrors being perpendicular to each other and one outside the pipe and the other in the cross-sectional area of the pipe.
Der Laser ist oberhalb des Rohres in der Startgrube angeordnet
und wirft seinen Strahl auf den halbdurchsichtigen Vorderflächenplanspiegel, derart, daß der Strahl im Mittelpunkt dieses Spiegels ankommt,
der mit einem Fadenkreuz oder sonstigen Einrichtungen versehen sein kann,
dann auf den Mittelpunkt des zweiten Spiegels reflektiert wird, der jetzt im Bereiche des Innenraumes des zu verpressenden Rohres liegt und wiederum
derart angeordnet und geneigt ist, daß sein reflektierter StrahlThe laser is arranged above the pipe in the starting pit
and throws its beam onto the semi-transparent front surface plane mirror in such a way that the beam arrives at the center of this mirror,
which can be provided with a crosshair or other device,
is then reflected onto the center of the second mirror, which is now in the area of the interior of the pipe to be pressed and is again
arranged and inclined in such a way that its reflected beam
in den Mittelpunkt des an der Ortsbrust angeordneten Tripelprismas
fällt.falls into the centre of the triple prism arranged at the face.
Die dem Meßstrahl zugewandte Fläche des Tripelprismas ist mit einer Anderson-Blende versehen, die ein Beugungsbild einer gewünschten
Form produziert, das dann als Meßbild auf dem halbdurchlässigen Spiegel z. B. als Fadenkreuz erscheint und beispielsweise einen Stern oder dgl.
darstellt.The surface of the triple prism facing the measuring beam is provided with an Anderson aperture, which produces a diffraction image of a desired shape, which then appears as a measuring image on the semi-transparent mirror, e.g. as a crosshair and represents, for example, a star or similar.
Es ist nun zu erkennen, wenn im Verlaufe des Vorpressens des Rohres der Schneidschuh oder das Rohr selbst aus der festgelegten
Sollrichtung in die xz-Ebene auswandert, so bleibt das Eichbild im Ursprung der Skala des zweiten teildurchlässigen Spiegels stehen, aber
das Meßbild wandert aus, also das reflektierte Bild.It can now be seen that if, during the pre-pressing of the pipe, the cutting shoe or the pipe itself migrates from the specified
target direction into the xz plane, the calibration image remains at the origin of the scale of the second partially transparent mirror, but
the measurement image migrates, i.e. the reflected image.
Wandert andererseits das Preßgerät in der xz-Ebene aus, so wandert
das Eichbild EB aus. Die relative Lage des Meßbildes zu dem Eichbild bleibt jedoch gleich.On the other hand, if the pressing device moves in the xz plane, the calibration image EB moves. However, the relative position of the measurement image to the calibration image remains the same.
Treten beide Fälle zusammen auf, so wandert Eichbild und Meßbild aus, derart, daß sich die relative Lage vom Meßbild zum Eichbild
verändert, d. h. das Eichbild zeigt die Abweichung des Preßgeräts in der Startgrube, während das Meßbild die Abweichung des Schneidschuhes
an der Ortsbrust relativ zum Eichbild zeigt.If both cases occur together, the calibration image and the measurement image migrate in such a way that the relative position of the measurement image changes to the calibration image, i.e. the calibration image shows the deviation of the pressing device in the starting pit, while the measurement image shows the deviation of the cutting shoe at the face relative to the calibration image.
Das erfindungsgemäße Meßsystem ist aber auch in der Lage, die Verrollung anzuzeigen, und zwar geschieht das dadurch, daß sich das
Meßbild MB, was angezeigt wird, verdreht. Es ist also eine Fehlmessung, die durch eine Verrollung des Rohres vorgetäuscht werden könnte, ausgeschlossen.
The measuring system according to the invention is also able to indicate the rolling, and this is done by the fact that the measurement image MB that is displayed is twisted. This means that an incorrect measurement, which could be simulated by the rolling of the pipe, is ruled out.
Wie bereits oben erwähnt, ist die dem Meßstrahl zugewandte Fläche des Tripelprisma mit einer Anderson'schen Blende versehen,
die ein Beugungs- oder Interferenzbild gewünschter Form produziert,
das dann als Meßbild auf dem teildurchlässigen Spiegel reflektiert erscheint. Wenn sich also das Tripelprisma, welches innerhalb des
Schneidschuhes an der Ortsbrust befestigt ist, um die y-Achse verdreht, dreht sich das Beugungsbild mit. Die Messung des Anstellwinkels
geschieht dadurch, daß das Beugungsgitter gekippt wird, so daß eine Aufspaltung des Beugungsbildes erzeugt wird. Entsprechend
des erhaltenen Meßbildes kann nun der Schneidkopf oder das Preßgerät nachgeseuert werden. Das Tripelprisma ist vorzugsweise an der hinteren
Wand des Schneidschuhes befestigt. Der seinen Lichtstrahl auf das Tripelprisma
richtende Vorderflachenplanspiegel M1 ist oberhalb der Förderschnecke
am Horizontalpreßbohrgerät unter einem Winkel von 45° zur Rohrachse befestigt. Der mit der Skala oder dem Fadenkreuz versehene teildurchlässige
Vorderflächenspiegel M2 ist unter einem Winkel von 90° zu dem Spiegel Ml angeordnet, wobei beide Spiegel vorzugsweise starr miteinander verbunden
sind. Das Planspiegelsystem läßt sich in der xz-Ebene verstellen. Der Laser wiederum ist mit seiner Optik freistehend angebracht, aber so, daß sein
Strahl bohrachsenparallel verläuft und auf den Mittelpunkt des Spiegels M2 trifft. Der Laser ist in der xz-Ebene nachjustierbar.As already mentioned above, the surface of the triple prism facing the measuring beam is provided with an Anderson aperture, which produces a diffraction or interference image of the desired shape, which then appears as a measurement image reflected on the partially transparent mirror. So when the triple prism, which is attached to the face inside the cutting shoe, rotates around the y-axis, the diffraction image rotates with it. The angle of attack is measured by tilting the diffraction grating so that a splitting of the diffraction image is produced. The cutting head or the pressing device can now be adjusted according to the measurement image obtained. The triple prism is preferably attached to the rear wall of the cutting shoe. The front surface plane mirror M1, which directs its light beam onto the triple prism, is attached above the conveyor screw on the horizontal pressing drilling device at an angle of 45° to the pipe axis. The partially transparent front surface mirror M2, which is provided with the scale or crosshairs, is arranged at an angle of 90° to the mirror M1, whereby both mirrors are preferably rigidly connected to one another. The plane mirror system can be adjusted in the xz plane. The laser, in turn, is mounted free-standing with its optics, but in such a way that its beam runs parallel to the bore axis and hits the center of the mirror M2. The laser can be readjusted in the xz plane.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, die ein Strahlenschema
zeigt und eines zu verpressenden Rohres beispielsweise erläutert.The invention will now be explained with reference to the drawing, which shows a beam diagram and an example of a pipe to be pressed.
In der Zeichnung ist eine Startgrube 1 gezeigt, aus der ein
Rohr 2 über einen Preßring 3 und einer nicht dargestellten Horizontalpreßvorrichtung
in einen Wall 4 gepresst wird, das an seinem vorderen Ende einen steuerbaren Schneidschuh 5 trägt. Die Steuerung
soll vermittels hydraulischer oder mechanischer Einrichtungen z.B. erfolgen, die im Bereiche 6 angeordnet sind. Das Führungsrohr für den Schneidschuh
soll bei 7 liegen.The drawing shows a starting pit 1, from which a
pipe 2 is pressed via a press ring 3 and a horizontal pressing device (not shown)
into a wall 4, which has a controllable cutting shoe 5 at its front end. The control
should be carried out by means of hydraulic or mechanical devices, for example, which are arranged in area 6. The guide pipe for the cutting shoe
should be located at 7.
Oberhalb des Rohres 2 ist der Laser freistehend und nachjustierbar
in der xz-Ebene angeordnet und richtet seinen Strahl S bohrachsenparallel auf den Mittelpunkt des Spiegls M2. Dieser Spiegel
ist mit einer Skala oder einem Fadenkreuz versehen, wie das mit dem danebenstehenden Aufsichtsbild M21 angedeutet werden soll. Der auf
den Spiegel M2 treffende Laserstrahl wird nun reflektiert auf den Spiegel M1 und trifft jetzt auf das Tripelprisma TP. Solche optischen Geräte
sind an sich bekannt. Das Tripelprisma ist jedoch noch mit einer Anderson-Blende
AB ausgestattet, so daß ein bestimmtes Beugungsbild erzeugt wird, das auf der optischen Achse OA zurückgeworfen wird und auf dem
teildurchlässigen Spiegel M2 in Form des dargestellten Kreuzes MB als
Meßbild oder Elchbild erscheint. Das im Spiegel M2' im Fadenkreuzmittelpunkt liegende Meßbild entspricht so dem Eichbild.Above the tube 2, the laser is free-standing and adjustable in the xz plane and directs its beam S parallel to the bore axis onto the center of the mirror M2. This mirror is provided with a scale or crosshairs, as is indicated by the adjacent top view image M2 1. The laser beam striking the mirror M2 is now reflected onto the mirror M1 and then strikes the triple prism TP. Such optical devices are known per se. The triple prism is, however, also equipped with an Anderson diaphragm AB, so that a specific diffraction image is generated which is reflected on the optical axis OA and appears on the partially transparent mirror M2 in the form of the cross MB shown as a measurement image or moose image. The measurement image located in the center of the crosshairs in the mirror M2' thus corresponds to the calibration image.
Wandert nun der Schneidschuh in einer bestimmten Ebene aus, so wandert das Eichbild aus der Mitte des Spiegels in einen Quadranten
des Fadenkreuzes, beispielsweise nach oben rechts, wie bei MB' dargestellt. Nun steht fest, daß die Verlegung des Rohres von den Sollwerten
abweicht und unter entsprechender Betätigung hydraulischer Einrichtungen
am Schneidkopf oder am Preßgerät oder an beiden kann entsprechend gegengesteuert werden, bis das Meßbild wieder mit dem
Eichbild zusammenfällt.If the cutting shoe now moves in a certain plane, the calibration image moves from the center of the mirror into a quadrant of the crosshairs, for example to the top right, as shown in MB'. It is now clear that the pipe laying deviates from the target values and by operating the hydraulic devices on the cutting head or on the pressing device or on both, the corresponding countermeasures can be taken until the measurement image coincides with the calibration image again.
Vermittels des erfindungsgemäßen optischen Meßsystems ist es möglich, eine absolut korrekte grabenlose Verlegung von Rohren
insbesondere großen Querschnitts durchzuführen. Der Verpreß- und Bohrvorgang ist jederzeit unter Kontrolle und ist jederzeit überwacht.Using the optical measuring system according to the invention, it is possible to carry out absolutely correct trenchless laying of pipes, especially those with large cross-sections. The grouting and drilling process is under control and monitored at all times.
Zur Steuerung des Pressvorganges wird vorzugsweise das Meßbild in dem teildurchlässigen Spiegel, welches ein Interferenzmuster ist,
optisch hell und dunkel abgetastet und dann optisch in binäre Signale umgewandelt. Diese optischen, binären Signale werden über einen
Optokoppler in binäre, elektrische Signale umgewandelt, die dann wiederum über einen Puffer in ein Rechensystem eingelesen werden
können und dort weiterverarbeitet werden, mit dem Ziele, die erhaltenen
Daten über die Lage des Pressgerätes und des steuerbaren Schneidschuhes
in Korrektursignale der Steuerung umzuwandeln.To control the pressing process, the measurement image in the partially transparent mirror, which is an interference pattern, is preferably scanned optically bright and dark and then optically converted into binary signals. These optical, binary signals are converted into binary, electrical signals via an optocoupler, which can then be read into a computer system via a buffer and processed there, with the aim of converting the data obtained about the position of the pressing device and the controllable cutting shoe into correction signals for the control system.
AnsprücheExpectations
1. Optisches Meßsystem zur Überwachung der Sollwerte beim grabenlosen
Verpressen bzw. Verlegen von Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Vorderflächenplanspiegel (MI, M2), von denen der eine (M2)
teildurchlässig ist, zu einem an der Ortsbrust angeordneten Tripelprisma
(TR) so angeordnet sind, daß der Strahl (S) eines Lasers (L), der von außen gegen den einen Spiegel (M2) gerichtet ist und auf den
zweiten reflektiert wird, in den Mittelpunkt des Tripelprismas (TP) an der Ortsbrust trifft, wobei die Spiegel senkrecht übereinanderstehen
und der eine außerhalb des Rohres und der andere im Querschnittsbereich des Rohres, wobei der reflektierte Strahl des Tripelprismas (TR)
auf dem teildurchlässigen Spiegel (M2) ein Meßbild (MB') erzeugt.1. Optical measuring system for monitoring the target values during trenchless grouting or laying of pipes, characterized in that two front surface plane mirrors (MI, M2), one of which (M2) is partially transparent, are arranged in relation to a triple prism (TR) arranged on the face in such a way that the beam (S) of a laser (L), which is directed from the outside against one mirror (M2) and is reflected onto the second, hits the center of the triple prism (TP) on the face, the mirrors being arranged vertically one above the other and one outside the pipe and the other in the cross-sectional area of the pipe, the reflected beam of the triple prism (TR) producing a measurement image (MB') on the partially transparent mirror (M2).
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel
(M2 und M1) starr miteinander verbunden sind und einen Winkel von
90° miteinander bilden.2. System according to claim 1, characterized in that the mirrors (M2 and M1) are rigidly connected to one another and form an angle of 90° with one another.
3. System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Tripelprisma eine Anderson-Blende trägt.3. System according to claim 1 and 2, characterized in that the triple prism carries an Anderson diaphragm.
4. System nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Laser freistehend so angeordnet ist, daß sein Strahl bohrachsenparal-IeI
auf den teildurchlässigen Spiegel (M2) trifft und in der xz-Ebene nachjustierbar ist.4. System according to claims 1 to 3, characterized in that the laser is arranged free-standing so that its beam strikes the partially transparent mirror (M2) parallel to the bore axis and is readjustable in the xz plane.
5. System nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das
Tripelprisma an dem Führungsrohr des Schneidschuhes hinter der Hydraulik desselben befestigt ist und der Spiegel (Ml) oberhalb der
Förderschnecke am Horizontalpreßbohrgerät und 45° geneigt zur Bohrachse. 5. System according to claims 1 to 4, characterized in that the triple prism is attached to the guide tube of the cutting shoe behind the hydraulics of the same and the mirror (Ml) above the conveyor screw on the horizontal press drilling device and inclined at 45° to the drilling axis.
5. System nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verpressen der Rohre zur Bestimmung der absoluten Abweichung von der vorgegebenen Bohrachse unter gleichzeitiger Berücksichtigung
der mitgemessenen Verrollung des Rohres und des Anstellwinkels des steuerbaren Schneidschuhes relativ zur Bohrachse mit rechnergesteuerter
Bohrüberwachung und Korrektur nach dem Prinzip einer fourieroptischen Mustererkennung erfolgt.5. System according to claims 1 to 5, characterized in that the pressing of the pipes to determine the absolute deviation from the predetermined drilling axis is carried out with simultaneous consideration of the measured rolling of the pipe and the angle of attack of the controllable cutting shoe relative to the drilling axis with computer-controlled drilling monitoring and correction according to the principle of Fourier optical pattern recognition.
7. System nach Anspruch 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Interferenzmuster des Meßbildes hell und dunkel abgetastet, optisch
in binäre Signale umgewandelt, diese Signale über einen Optokoppler in binäre/elektrische Signale umgewandelt werden, die über einen
Puffer in ein Rechensystem eingelesen und dort weiterverarbeitet werden.7. System according to claims 1 - 6, characterized in that the interference pattern of the measurement image is scanned light and dark, optically converted into binary signals, these signals are converted via an optocoupler into binary/electrical signals, which are read into a computer system via a buffer and further processed there.