EP0412395A1 - Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen - Google Patents

Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen Download PDF

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EP0412395A1
EP0412395A1 EP90114608A EP90114608A EP0412395A1 EP 0412395 A1 EP0412395 A1 EP 0412395A1 EP 90114608 A EP90114608 A EP 90114608A EP 90114608 A EP90114608 A EP 90114608A EP 0412395 A1 EP0412395 A1 EP 0412395A1
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bucket wheel
excavator
laser
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wheel according
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Hans-Jörg Nüsslin
Johann Hipp
Franz-Josef Hartlief
Franz-Arno Fassbender
Ralf Eckoldt
Dieter Dr. Henning
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Ibeo Ingenieurbuero fur Elektronik und Optik J Hipp and G Brohan
Rheinbraun AG
Siemens AG
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Ibeo Ingenieurbuero fur Elektronik und Optik J Hipp and G Brohan
Rheinbraun AG
Rheinische Braunkohlenwerke AG
Siemens AG
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/18—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging wheels turning round an axis, e.g. bucket-type wheels
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F9/00—Component parts of dredgers or soil-shifting machines, not restricted to one of the kinds covered by groups E02F3/00 - E02F7/00
    • E02F9/20—Drives; Control devices
    • E02F9/2025—Particular purposes of control systems not otherwise provided for

Definitions

  • the invention relates to a guide of an excavator bucket wheel for generating predetermined areas, e.g. Flat surface or ramp, in open-cast mining, in particular in open-cast or lignite mining, by continuously measuring the area exposed by the paddle wheel and tracking the paddle wheel into the necessary position to generate the predetermined area.
  • predetermined areas e.g. Flat surface or ramp
  • the object is achieved in that the blade wheel is guided by a pulsed laser beam which is produced in a measuring laser carried by the surface mining device and which measures the contour of the surface generated.
  • Suitable lasers are known in principle, for example from the book “Laser Technology: An Introduction”, Hüthig Verlag, Heidelberg, 1982, Page 368ff.
  • the known lasers are used both for surveying in open-cast mining and for guiding work machines, such as strip caterpillars.
  • the measuring laser is position-oriented via a plumb sensor and that it determines the course of the exposed area via transit time measurements of the laser light determined in a computer.
  • This advantageously results in a position-independent course determination of the exposed area via reference lines, between which the exact area course can easily be determined by interpolation.
  • the determination can be carried out either by the computer, which also evaluates the transit time of the laser light and thus determines the distance of the laser from the individual points of the exposed area, as well as in a computer that can simultaneously serve as a control computer.
  • the position of the laser carrying out the continuous measurements is either either in the vicinity of the bucket wheel or on the pylon of the excavator, in any case in such a way that undisturbed measurement of the exposed area (planum) is possible.
  • the exact choice of the position of the laser depends on the other tasks transferred to the laser and the computer, e.g. collision monitoring or deposit history monitoring.
  • IR lasers are particularly suitable for use, e.g. work with pulse durations of 1-10 nanoseconds and a pulse rate in the kilohertz range, preferably in the 3-30 kHz range.
  • the profile is determined from distance / angle value pairs.
  • the profile 1, 2 of the side on which the paddle wheel 6 is moving is primarily used for the control. If the movement is even in one direction, the second profile scanner can also be omitted. During the swiveling movement, the paddle wheel 6 rotates and mills off the solid material 1 by the surface dimension 4.
  • the rear profile 12 (milled solid material), as shown in FIG. 2, is predetermined by the contour of the paddle wheel 6, since all of the above material is forcibly milled away.
  • the cross-sectional area 14 of the respectively cut chip is calculated from the rear contour 12 and the measured profile 13.
  • the overlap of the bucket wheel 6 over the measured profile of the laser scanner represents this difference surface.
  • the bucket wheel 6 mills laterally into the solid material due to the swiveling movement of the excavator. The faster the swivel movement, the greater the volume of the chip.
  • the volume swept by the chip cross-sectional area 14 per unit of time represents the conveyed volume flow of the solid material currently milled away.
  • the necessary calculations for solid material, conveying volume, chip thickness, chip height, position of the cutting surface and measurement are carried out in a computer which is connected downstream of the laser scanner.
  • This computer can be integrated in the laser scanner.
  • For the calculation essentially the swivel radius, the swivel speed, the stroke angle ( ⁇ ) of the bucket wheel boom, the mounting position of the laser scanner 8, 9, further geometric dimensions of the excavator and its position in space are necessary. This information can easily be saved in the computer of the laser scanner.
  • the computer is advantageously equipped with a writable permanent memory.
  • the stroke angle ( ⁇ ) of the bucket wheel boom can be used directly in the laser scanner 8, 9 or in the downstream computer.
  • the length of the bucket wheel boom is a known parameter.
  • the information is sufficient to calculate the solid material volume flow from the profile data in the laser scanner 8, 9 or in the downstream computer, without further measured values having to be supplied to the laser scanner 8, 9 or the downstream computer.
  • a correction may be necessary which can be determined from a plumb measurement and which is given to the computer as a correction variable.
  • the spatial profile has to be oriented by reference to the solder 15 in space for the specification of a cut surface.
  • the profile part on the level 3 can be approximated by a straight line.
  • the slope of this straight line can be calculated.
  • the height of the paddle wheel 6 above the level can also be determined from the profile in which the projection from the oblique distance to the approximated straight line in the level is calculated on the vertical.
  • ACTUAL values for the location of the impeller 6 can be calculated from both variables. The location of the bucket wheel 6 relative to the position of the excavator 16 can thus be continuously avoided. If 6 TARGET values are specified for the location of the paddle wheel, a control variable for controlling the paddle wheel 6 can be derived from the difference between the ACTUAL values and TARGET values on any surface shapes.
  • the distance of the boom 7 from the material present can also be calculated. Falling short of a certain distance can be used very advantageously to trigger a collision alarm.
  • the above invention which solves a basic problem previously considered unsolvable when working with bucket wheel excavators, can preferably be carried out with laser scanners, in particular IR laser scanners.
  • laser scanners in particular IR laser scanners.
  • other radiation sources comparable to a laser can also be used, e.g. electromagnetic radiators of very high frequency and comparable beam bundling.
  • IR measuring lasers are advantageously used which have pulse durations of 1-10 nanoseconds and a pulse rate in the kilohertz range, preferably in the 3-30 kHz range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Führung eines Bagger-Schaufelrades (6) zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen im Tagebau, insbesondere im Stein- und Braunkohletagebau durch eine fortlaufende Vermessung der vom Schaufelrad freigelegten Fläche und geregelte Nachführung des Schaufelrades in die notwendige Position zur Erzeugung der vorherbestimmten Fläche, wobei die Führung des Schaufelrades durch einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführten, Rotationslaser (8,9) erzeugten, gepulsten Laserstrahl erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen, z.B. Planum oder Rampe, im Tagebau, insbesondere im Stein- oder Braunkohletagebau, durch eine fortlaufende Vermessung der vom Schaufelrad freigelegten Fläche und Nachführung des Schaufelrades in die notwendige Position zur Erzeugung der vorherbestimmten Fläche.
  • Für den Betrieb eines Schaufelradbaggers ist es wesentlich, beim Abbau von Kohle, Erz oder anderen zu fördernden Materia­lien die sich im Zuge des Abbaufortschrittes verändernde Stand­fläche des Gerätes vorzugeben, damit dieses seine Abbauvor­gaben erfüllen kann. Das Problem wird bisher bezüglich der Vermessung als auch bezüglich der Führung des Schaufelrades sehr aufwendig, unter Einschaltung manueller Schritte, gelöst. Eine entsprechende Lösung ist aus der Zeitschrift "Braunkohle 41 (1989) Heft 5, S.148-150, bekannt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Führung eines Bagger-Schau­felrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen im Tagebau der­art auszugestalten, daß die vorherbestimmten Flächen automa­tisiert mit hoher Genauigkeit erreicht werden.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Führung des Schaufel­rades durch einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführten Meß­laser, erzeugten, gepulsten Laserstrahl erfolgt, der die Kontur der erzeugten Fläche mißt.
  • Geeignete Laser sind prinzipiell bekannt, so z.B. aus dem Buch "Lasertechnik: Eine Einführung", Hüthig Verlag, Heidelberg, 1982, Seite 368ff. Die bekannten Laser werden sowohl für die Vermes­sung im Tagebau als auch für die Führung von Arbeitsmaschinen, z.B. von Bandrückraupen verwendet. Ein automatisiertes Erreichen einer vorherbestimmten Flächenform bei der Arbeit des Baggers ist hierdurch jedoch nicht erreichbar.
  • In Ausgestaltung der Erfindung is vorgesehen, daß der Meß­laser über einen Lotsensor lageorientiert ist und daß er den Verlauf der freigelegten Fläche über in einem Rechner ermittelte Laufzeitmessungen des Laserlichtes ermittelt. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine lageunabhängige Verlaufs­ermittlung der freigelegten Fläche über Referenzlinien, zwischen denen der genaue Flächenverlauf leicht durch Inter­polation ermittelt werden kann. Die Ermittlung kann entweder durch den Rechner erfolgen, der auch die Laufzeit des Laser­lichtes auswertet und damit den Abstand des Lasers von den ein­zelnen Punkten der freigelegten Fläche ermittelt als auch in einem Rechner, der gleichzeitig als Steuerungsrechner dienen kann.
  • Die Position des die fortlaufenden Messungen durchführenden Lasers ist wahlweise entweder in der Nähe des Schaufelrades oder auf dem Pylon des Baggers, auf jeden Fall derart, daß ein ungestörtes Ausmessen der freigelegten Fläche (Planum) möglich ist. Die genaue Wahl der Position des Lasers hängt dabei von den übrigen, dem Laser und dem Rechner übertragenen Aufgaben ab, so z.B. der Kollisionsüberwachung oder der Lager­stätten-Verlaufsüberwachung.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen als Beispiel in Verbindung mit einer Schnittvolumenmessung:
    • FIG 1 eine Sicht auf den Abbauort,
    • FIG 2 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einer Schnittvolumenmessung und
    • FIG 3 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse am Abbauort in vereinfachter Form.
  • Die FIG 1 zeigt die Ermittlung der Einzelheiten des Abbauortes durch zwei Meßlaser, insbesondere Laserscanner 8, 9, die das Oberflächenprofil auf dem Abbaumaterial 1 und die abgearbei­tete Fläche 3 durch scannen auf den Scanlinien 10, 11 vertikal vermessen. Die Laserscanner 8, 9 sind neben dem Schaufelrad 6 mit den Schaufeln 5 am Schaufelradträger 7 angebracht und ver­messen vornehmlich den nach unten gerichteten Profilteil 2. Eine Anbringung am Bagger ist ebenso möglich und empfiehlt sich bei starker Staubentwicklung. Zum Einsatz sind IR-Laser beson­ders geeignet, die z.B. mit Impulsdauern von 1-10 Nanosekunden und einer Impulsrate im Kilohertzbereich, vorzugsweise im 3-30 kHz-Bereiche, arbeiten.
  • Das Profil wird aus Entfernung/Winkel-Wertepaaren ermittelt. Es wird in erster Linie das Profil 1, 2 derjenigen Seite für die Regelung verwendet, auf die sich das Schaufelrad 6 zubewegt. Bei gleichmäßiger Bewegung in nur eine Richtung kann auch auf den zweiten Profilscanner verzichtet werden. Während der Schwenk­bewegung dreht sich das Schaufelrad 6 und fräst das Festmaterial 1 um das Oberflächenmaß 4 ab.
  • Das hintere Profil 12 (weggefrästes Festmaterial) ist, wie FIG 2 zeigt, durch die Kontur des Schaufelrades 6 vorgegeben, da al­les vorstehende Material zwangsweise weggefräst wird. Aus der hinteren Kontur 12 und dem gemessenen Profil 13 wird die Quer­schnittsfläche 14 des jeweilig geschnittenen Spans errechnet. Die Überlappung des Schaufelrades 6 über das gemessene Profil des Laserscanners stellt diese Differenzfläche dar. Durch die Schwenkbewegung des Baggers fräst sich das Schaufelrad 6 seit­lich in das Festmaterial. Das Volumen des Spans ist umso größer, je schneller diese Schwenkbewegung erfolgt. Das von der Span­querschnittsfläche 14 überstrichene Volumen pro Zeiteinheit stellt den geförderten Volumenstrom des momentan weggefrästen Festmaterials dar. Die erforderlichen Rechnungen für Festmate­rial, Fördervolumen, Spandicke, Spanhöhe, Lage der Schnittfläche und Aufmaß (separat vermessen), werden in einem Rechner vorge­nommen, der dem Laserscanner nachgeschaltet ist. Dieser Rechner kann im Laserscanner integriert sein. Für die Berechnung ist im wesentlichen der Schwenkradius, die Schwenkgeschwindigkeit, der Hubwinkel (α) des Schaufelradauslegers, die Anbauposition des Laserscanners 8, 9, weitere geometrische Abmessungen des Baggers sowie seine Lage im Raum notwendig. Diese Informationen können im Rechner des Laserscanners leicht gespeichert werden. Vorteil­haft wird der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher ausgerüstet.
  • Da der Montageort und die Ausrichtung des Laserscanners 8, 9 relativ zum Bagger 16 bekannt ist, bzw. einmalig bestimmt werden kann, ist der Hubwinkel (α) des Schaufelradauslegers direkt im Laserscanner 8, 9 oder im nachgeschalteten Rechner zu verwerten. Die Länge des Schaufelradauslegers ist ein bekannter Parameter. In Verbindung mit der Schwenkgeschwindigkeit reichen die Infor­mationen aus, um im Laserscanner 8, 9 oder im nachgeschalteten Rechner den Festmaterial-Volumenstrom aus den Profildaten zu berechnen, ohne daß weitere Meßwerte dem Laserscanner 8, 9 bzw. dem nachgeschalteten Rechner zugeleitet werden müssen. Bei einer Schrägstellung des Baggers 16 ist gegebenenfalls eine Korrektur notwendig, die aus einer Lotmessung ermittelt werden kann und als Korrekturgröße dem Rechner aufgegeben wird. Für die Vorgabe einer Schnittfläche ist, wie FIG 2 zeigt, das räumliche Profil durch Bezug auf das Lot 15 im Raum zu orientieren.
  • Der Profilteil auf dem Planum 3 (abgearbeitete Fläche) ist durch eine Gerade approximierbar. Die Steigung dieser Geraden ist be­rechenbar. Die Höhe des Schaufelrades 6 über Planum kann eben­falls aus dem Profil bestimmt werden, in dem aus der Schrägent­fernung auf die approximierte Gerade in Planum die Projektion auf die Vertikale berechnet wird. Aus beiden Größen können IST-­Werte für den Ort des Schaufelrades 6 berechnet werden. Damit ist der Ort des Schaufelrades 6 relativ zum Standpunkt des Baggers 16 kontinuierlich vermeßbar. Gibt man für den Ort des Schaufel­rades 6 SOLL-Werte vor, so kann aus der Differenz der IST-Werte und SOLL-Werte eine Regelgröße zur Steuerung des Schaufelrades 6 auf beliebige Oberflächenformen abgeleitet werden.
  • Da sowohl die Lage des Schaufelradauslegers 7 als auch die Ober­flächenkontur des Planums 3 und der Fräsfläche bekannt sind, kann auch der Abstand des Auslegers 7 zum anstehenden Material berechnet werden. Die Unterschreitung eines bestimmten Abstandes kann sehr vorteilhaft dazu benutzt werden, einen Kollisionsalarm auszulösen.
  • Die vorstehende Erfindung, die ein bisher als unlösbar angese­henes Grundproblem bei der Arbeit von Schaufelradbaggern löst, ist bevorzugt mit Laserscannern, insbesondere IR-Laserscannern, durchführbar. Es versteht sich jedoch für den Fachmann von selbst, daß auch andere, einem Laser vergleichbare Strahlungs­quellen eingesetzt werden können, z.B. elektromagnetische Strahler sehr hoher Frequenz und vergleichbarer Strahlbündelung. Vorteilhaft werden jedoch IR-Meßlaser eingesetzt, die Impuls­dauern von 1-10 Nanosekunden und eine Impulsrate im Kilo­hertzbereich, vorzugsweise im 3-30 kHz-Bereich, aufweisen.

Claims (10)

1. Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbe­stimmter Flächen im Tagebau, insbesondere im Stein- und Braun­kohletagebau durch eine fortlaufende Vermessung der vom Schau­felrad freigelegten Fläche und geregelte Nachführung des Schaufelrades in die notwendige Position zur Erzeugung der vorherbestimmten Fläche, wobei die Führung des Schaufelrades durch einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführten, Meßlaser erzeugten, gepulsten Laserstrahl erfolgt.
2. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser über einen Lotsensor lageorientiert ist.
3. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser den Verlauf der freigelegten Fläche über in einem Rechner ermittelte Laufzeitmessungen des Laserlichts ermittelt.
4. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geo­metrie der vom Schaufelrad freigelegten Fläche aus einer Meß­position auf dem Schaufelradbagger ermittelt wird.
5. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser und der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher verbunden ist, in dem Parameter über den Bagger und über die Anbauposition des Laserscanners und Justage­werte gespeichert werden.
6. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2,3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser in den Winkelbereichen, die nicht zur Profilauswertung herangezogen werden, auf ein geräteinternes Ziel mißt und die dabei gemessene, bekannte Entfernung als Kontrollwert für die Funktionsfähigkeit des Gerätes und als Eichwert verwendet wird.
7. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2,3,4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner eine Sollwertspeicherung für die zu erzeugende Fläche (Planum) aufweist und das Schaufelrad danach geregelt geführt wird.
8. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß zur Erzeugung einer vorherbestimmten Fläche, z.B. Planum oder Rampe bei der Arbeit eines Tagebau­fördergerätes ein Laserscanner verwendet wird, der die erzeugte Fläche fortlaufend vermißt.
9. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Meßlaser als IR-Laser ausgebildet ist und mit Impulsdauern von 1-10 Nanosekunden sowie einer Impulsfrequenz im Kilohertzbereich, vorzugsweise im 10-50 kHz-­Bereich, arbeitet.
10. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß für die Impulslaufzeitmessung zunächst ein Startpuls generiert wird, dessen reflektierten Anteil über Verzögerungsleitungen, vorzugsweise in Spulenform, laufzeit­verlängert und für eine Start-Stop-Messung verwendet wird.
EP90114608A 1989-08-08 1990-07-30 Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen Expired - Lifetime EP0412395B1 (de)

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