EP0412399B1

EP0412399B1 - Fördermengenregelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers im Tagebau

Info

Publication number: EP0412399B1
Application number: EP90114612A
Authority: EP
Inventors: Edmund Heimes; Hans-Jörg Nüsslin; Johann Hipp; Franz-Josef Hartlief; Franz-Arno Fassbender; Ralf Eckoldt; Dieter Dr. Henning
Original assignee: Ibeo Ingenieurbuero fur Elektronik und Optik J Hipp and G Brohan; Rheinbraun AG; Rheinische Braunkohlenwerke AG; Siemens AG
Current assignee: Ibeo Ingenieurbuero fur Elektronik und Optik J Hipp and G Brohan; Rheinbraun AG; Siemens AG
Priority date: 1989-08-08
Filing date: 1990-07-30
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2010-07-30
Also published as: ES2048372T3; ATE99758T1; AU634802B2; EP0412399A1; AU6027890A; DE59004104D1

Description

Die Erfindung betrifft die Fördermengenregelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers im Tagebau, bei der die Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegers und/oder seine Höhenlage in Abhängigkeit von dem von dem Schaufelrad geschnittenen Festmaterial-Fördervolumen geregelt wird, mit einem in Schaufelradnähe angeordneten Strahlungssender/-empfänger zum Abtasten des Profils des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad.
Eine derartige Fördermengenregelung ist aus der DE-A-1 634 712 bekannt, wobei die Abtastung des Festmaterials mit Hilfe von Strahlen, wie z.B. von Ultraschallwellen, elektromagnetischen Schwingungen oder photoelektrischen Lichtschranken als eine Alternative zu einer mechanischen Abtasteinrichtung angegeben ist. Wie jedoch die Abtastung des Festmaterials mit Hilfe der Strahlen realisiert werden soll, ist der DE-A-1 634 712 nicht zu entnehmen und ist auch bisher nicht bekannt geworden.
Aus der EP-A-0 192 993 ist ein Verfahren zur dreidimensionalen optischen Erfassung von Objekten mit Hilfe eines periodisch intensitätsmodulierten oder gepulsten Lasers bekannt, wobei Laufzeitunterschiede des von dem Objekt reflektierten und mit einem Empfänger erfaßten Lichts in Form von Helligkeitsunterschieden erfaßt und in Höhenstufen des Objekts umgerechnet werden. Zur vollständigen Ausleuchtung des Objekts ist zwischen diesem und dem Laser eine Strahlaufweitungsoptik angeordnet, mit der das Laserlicht zu einem Strahlungskegel aufgeweitet wird. Da das Objekt an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Reflexionseigenschaften aufweisen kann, wird von diesem zunächst ein allgemeines Grauwertbild erzeugt, das als Referenzbild für die Umrechnung der von den Laufzeitunterschieden abhangigen Helligkeitsunterschiede in die Höhenstufen dient.
Aus der Zeitschrift "Braunkohle", 41 (1989), Heft 5, Seiten 148-150, ist die Verwendung von Rotationslasern bei Schaufelradbaggern im Tagebau bekannt, wobei mit dem Laser direkt auf einen zugehörigen Empfänger gemessen wird. Eine Abtastung der von dem Schaufelrad freigelegten Flächen ist nicht vorgesehen.
Schließlich ist aus der DE-A-34 11 540 ein Verfahren zur Fördervolumenmessung bei Bandförderern bekannt, wobei die Oberfläche des Schüttgutes quer zur Förderrichtung an mehreren Meßpunkten mit Hilfe von nach dem Impuls-Laufzeitmeßprinzip arbeitenden Laserentfernungsmeßgeräten abgetastet wird. Dabei ist für jeden Meßpunkt jeweils ein Laserentfernungsmeßgerät vorgesehen, so daß sich die Anzahl der benötigten Geräte nach der Breite des Bandförderers richtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine betriebssichere und tagebaugerechte Fördermengenregelung mit Hilfe einer berührungslosen Ermittlung der vom Schaufelrad erfaßten Festmaterial-Fördersumme anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der Fördermengenregelung der eingangs angegebenen Art, der Strahlungssender/-empfänger ein Laserscanner ist, der einen gepulsten Laserstrahl erzeugt, wobei durch Messung der Entfernung von dem Laserscanner zur Materialoberfläche mit Hilfe von in einem Rechner ausgewerteten Laufzeitmessungen des gepulsten Laserstrahls und durch Messung des Winkels des Laserstrahls zur Materialoberfläche das Profil des neben dem Schaufelrad anstehenden Festmaterials erfaßbar ist.
Die Abtastung der Kontur des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad durch einen Laserstrahl, der vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 905 Nanometer, einer Pulsrate von 3,6 kHz und einer Pulsdauer von ca. 10 Nanosekunden arbeitet und die Auswertung der Laufzeitmessungen des gepulsten Laserlichts in einem Rechner erlaubten ein besonders genaues, gegen unterschiedliche Temperaturen, aufgewirbelten Staub und weitere Umwelteinflüsse unempfindliches Ermitteln des abzubauenden Schnittvolumens. So steht eine betriebssichere Messung des abzubauenden Schnittvolumens zur Verfügung, die eine sichere Regelung der Fördermenge des Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers erlaubt. Dabei hat die Verwendung des Laserscanners den Vorteil, daß eine linienformige Erfassung des abzuspanenden Gebietes erfolgt. Durch die zeilenweise oder wellenlinienförmige Abtastung werden nicht nur Einzeldaten, sondern die Konfiguration der Abbaufront erfaßbar. Durch eine aufwandsarme Optik kann über das gering streuende Licht des Laserscanners eine hohe momentane Energiedichte erreicht werden, wodurch Fehler durch zu starke Streuung, ungenugender Reflektion etc. vermieden oder verkleinert werden. Insgesamt ergibt sich so ein besonders betriebssicheres, tagebaugerechtes Meß- und Regelverfahren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen.

Fig. 1: eine Sicht auf den Abbauort,
FIG 2: eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einer Spanmessung 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. 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 und wenn keine Differenzmessung erfolgt, 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 jeweiligen 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. Desgleichen sind auch andere, als in der Zeichnung angegebene, Positionen der Maßlaser möglich. Bei großer Staubentwicklung empfiehlt sich z.B. eine Anbringung am Bagger und eine Konturerfassung der Abbaufront in einem Abstand von 10-20 m vom Schaufelrad.

Claims

Fördermengenregelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers im Tagebau, bei der die Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegers und/oder seine Höhenlage in Abhängigkeit von dem von dem Schaufelrad geschnittenen Festmaterial-Fördervolumen geregelt wird, mit einem in Schaufelradnähe angeordneten Strahlungssender/-empfänger zum Abtasten des Profils des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlungssender/-empfänger ein Laserscanner ist, der einen gepulsten Laserstrahl erzeugt, wobei durch Messung der Entfernung von dem Laserscanner zur Materialoberfläche mit Hilfe von in einem Rechner ausgewerteten Laufzeitmessungen des gepulsten Laserstrahls und durch Messung des Winkels des Laserstrahls zur Materialoberfläche das Profil des neben dem Schaufelrad anstehenden Festmaterials erfaßbar ist.
Fördermengenregelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem erfaßten Profil, den geometrischen Abmessungen des Schaufelrades, sowie der Anbauposition des Laserscanners, die Querschnittsfläche des vom Schaufelrad erfaßten Spans berechnet wird.
Fördermengenregelung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Differenz des Oberflächenprofils und der äußeren Kontur des Schaufelrades sowie dem Hubwinkel und der Schwenkgeschwindigkeit das Volumen des geschnittenen Festmaterials berechnet wird.
Fördermengenregelung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch kontinuierliche Messung das Profil beidseitig neben dem Schaufelrad ermittelt und aus der Profildifferenz und der Schwenkgeschwindigkeit ein Momentanwert des geschnittenen Festmaterials ermittelt wird.
Fördermengenregelung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserscanner und der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher verbunden sind, in dem Parameter über den Bagger und über die Anbauposition des Laserscanners und Justagewerte gespeichert werden.
Fördermengenregelung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserscanner 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.
Fördermengenregelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserscanner mit Impulsdauern von 1-10 Nanosenkunden und einer Impulsrate im Kilohertzbereich, vorzugsweise im 3-30 kHz-Bereich, arbeitet.
Fördermengenregelung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Impulslaufzeitmessung zunachst ein Startpuls generiert wird, dessen reflektierter Anteil über Verzögerungsleitungen, vorzugsweise in Spulenform, laufzeitverlängert und für eine Start-Stop-Messung verwendet wird.