EP1338702B1 - Verfahren zum räumlich hochgenauen Positionieren von Schienenbefestigungskörpern oder Werkzeugen und Vermessungsvorrichtung dafür - Google Patents

Verfahren zum räumlich hochgenauen Positionieren von Schienenbefestigungskörpern oder Werkzeugen und Vermessungsvorrichtung dafür Download PDF

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    • E01B2204/00—Characteristics of the track and its foundations
    • E01B2204/06—Height or lateral adjustment means or positioning means for slabs, sleepers or rails

Definitions

  • the invention relates both to a method for spatially highly precise positioning of rail fasteners, such as. sleepers, sleepers packages, precast panels, or tools, one on the floor as a base Machining a concrete base course for rails, such as e.g. Milling or drilling machines, using a measuring device, where first reference points close to the Target position of a rail fastening body to be positioned or tool and their positions in one external reference system can be determined and being sensors detect the first reference points of the measuring device and the rail mounting body based on detected first reference points positioned in its target position is, as well as a suitable for performing the method
  • Surveying device using a machine frame comprises a measuring frame on which first sensors for position detection are fixed by fixed first reference points.
  • Such a method and such a measuring device are known for example from DE 195 48 229 C1 .
  • the method known from DE 195 48 229 C1 is used for spatial highly precise positioning of rail fasteners in an external frame of reference, e.g. in the Gauss-Krüger system or a local coordinate system.
  • the target position of the rail fastening body Before the start of the Positioning will be just outside (about 10 to 50 cm away) the target position of the rail fastening body to be positioned locally fixed reference points in the external reference system created whose position in the external reference system is determined with high precision.
  • the rail fasteners or tools are created at a predefined point by one Gripped mounting frame on the sensors for detecting the reference points are attached. By evaluating the detected relative position between the reference point and the sensor the actual position of the rail fastening body in the outer Reference system determined.
  • the weight of the rail fastener to be positioned lead (approx. 350 kg per threshold) and the for Moving the rail fastener required forces for deformations of the rail fastening body and the mounting frame.
  • the left and right rails have different inclinations, several sleepers one behind the other to be positioned Threshold package not in one level, which means Threshold package and mounting frame inevitably around the machine longitudinal axis be wounded.
  • Threshold package and mounting frame inevitably around the machine longitudinal axis be wounded.
  • This also applies to possibly lighter tools which the rail mounting surfaces and / or prepare assembly points for the rail fastenings should.
  • the position of the rail fastening body is preferred or the tool in the sensor reference system based on am Rail fastening body or provided on the tool second reference points determined by sensors of the sensor reference system, in particular optically.
  • the rail fastening body initially in a position slightly below his Target position stored and after determining its position in the external reference system in its target position spatially highly accurate positioned.
  • the above-mentioned task is the one mentioned at the beginning Measuring device solved according to the invention in that second sensors on the measuring frame for position detection of second ones Reference points, which are on the rail fastening body or Tools are provided, are attached and that the measuring frame on the machine frame regardless of the position Rail mounting body or tool is attached.
  • the advantage of the measuring device according to the invention is in that the different sensors on one of the other mechanics independent measuring frames are attached. No variable forces act on them, only the weight of the mass of the measuring frame and sensors.
  • the individual sensors therefore have a fixed and constant relation to each other. Deformation of the frame through Influences of temperature can be partly avoided and partly modeled and be taken into account.
  • the measuring frame is preferably mounted without constraint, in particular lying on e.g. using a 3-point bearing.
  • the measuring frame has three first sensors Position detection of the first reference points and three second sensors for position detection of second reference points, which are provided on the rail mounting body.
  • the in Fig. 1 and 2 shown measuring device 1 is used in the spatially highly precise positioning of rail fastening bodies 2 on a base layer 3 made of concrete, which is laid as a substructure on the ground 4 .
  • the rail fastening bodies 2 can, for example, sleepers, sleeper packs or, as shown in FIG. 1, be a prefabricated panel with a length of up to approximately 9 m.
  • the measuring device 1 has a machine frame 5 which can be moved on the ground 4 and on which a deformation and torsion-resistant measuring frame 7 is positively supported at three support points 6 .
  • a total of ten, in particular optical sensors are attached symmetrically to its longitudinal axis, namely four first sensors 8 each at the outer four corners of the measuring frame 7 and six second sensors 9 , which are offset inward and equidistantly in relation to the first sensors 8 Double row are arranged.
  • the sensors 8, 9 Due to the rigid measuring frame 7, the sensors 8, 9 define a fixed sensor reference system 10 , which is separated or independent of force from the rail fastening body 2.
  • the position and height of reference points in the sensor reference system 10 can be uniquely determined with the sensors 8, 9.
  • steps 4 through 7 are as long repeated until the rail mounting body 2 with the desired Accuracy positioned in its target position is.
  • the measuring device can be used instead of the rail fastening body 1 also for spatially highly precise positioning tools (not shown). With the base layer 3 can then be processed with such tools so precisely, e.g. milled and drilled, that no separate Rail fasteners are required, but the rail are attached directly to the base layer 3 can.

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Description

Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zum räumlich hochgenauen Positionieren von Schienenbefestigungskörpern, wie z.B. von Schwellen, Schwellenpaketen, Fertigteilplatten, oder von Werkzeugen, welche eine auf dem Boden als Unterbau für Schienen verlegte Tragschicht aus Beton bearbeiten, wie z.B. Fräs- oder Bohrmaschinen, unter Verwendung einer Vermessungsvorrichtung, wobei erste Referenzpunkte nahe der Sollposition eines zu positionierenden Schienenbefestigungskörpers bzw. Werkzeugs geschaffen und ihre Positionen in einem äußeren Bezugssystem bestimmt werden und wobei Sensoren der Vermessungsvorrichtung die ersten Referenzpunkte erfassen und der Schienenbefestigungskörper anhand von erfaßten ersten Referenzpunkten in seine Sollposition positioniert wird, als auch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vermessungsvorrichtung, die ein Maschinengestell mit einem Meßrahmen umfaßt, an dem erste Sensoren zur Lageerfassung von ortsfesten ersten Referenzpunkten befestigt sind.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vermessungsvorrichtung sind beispielsweise aus der DE 195 48 229 C1 bekannt geworden.
Das aus DE 195 48 229 C1 bekannte Verfahren dient zum räumlich hochgenauen Positionieren von Schienenbefestigungskörpern in einem äußeren Bezugssystem, z.B. im Gauss-Krüger-System oder einem lokalen Koordinatensystem. Vor Beginn der Positionierung werden knapp (etwa 10 bis 50 cm entfernt) außerhalb der Sollposition des zu positionierenden Schienenbefestigungskörpers im äußeren Bezugssystem örtlich feste Referenzpunkte geschaffen, deren Position im äußeren Bezugssystem hochgenau bestimmt wird. Die Schienenbefestigungskörper oder Werkzeuge werden an vordefinierten Punkten von einem Einbaurahmen gegriffen, an dem Sensoren zum Erfassen der Referenzpunkte angebracht sind. Durch Auswerten der erfaßten relativen Position zwischen Referenzpunkt und Sensor wird die Ist-Position des Schienenbefestigungskörpers im äußeren Bezugssystem ermittelt. Dabei wird der einmal eingemessene Bezug zwischen den Sensoren und dem Einbaurahmen während den Positionierungen als unveränderlich angenommen und auf die Präzision und Reproduzierbarkeit des Greifmechanismus des Einbaurahmens vertraut. Aus der Differenz von Ist- zu Sollposition des zu positionierenden Schienenbefestigungskörpers werden die entsprechenden Stellwerte für eine Positioniervorrichtung berechnet, die den Einbaurahmen samt Schienenbefestigungskörper in seine Soll-Position positioniert.
Allerdings führen das Gewicht der zu positionierenden Schienenbefestigungskörper (ca. 350 kg je Schwelle) und die zum Bewegen der Schienenbefestigungskörper erforderlichen Kräfte zu Verformungen des Schienenbefestigungskörpers und des Einbaurahmens. Außerdem liegen bei einer Trassengeometrie, bei der linke und rechte Schienen unterschiedliche Neigungen haben, mehrere hintereinanderliegende Schwellen eines zu positionierenden Schwellenpakets nicht in einer Ebene, wodurch Schwellenpaket und Einbaurahmen zwangsläufig um die Maschinenlängsachse verwunden werden. Dies gilt auch für eventuell leichtere Werkzeuge, welche die Schienenbefestigungsflächen und/oder Montagepunkte für die Schienenbefestigungen vorbereiten sollen. Diese Verformungen und Verwindungen führen zu einem veränderten Bezug der Sensoren sowohl untereinander als auch zum Schienenbefestigungskörper, wodurch die Vermessungs- und damit auch die Positioniergenauigkeit abnehmen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Vermessungsgenauigkeit zu erhöhen und eine entsprechende Vermessungsvorrichtung dafür bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Positionieren sowohl die Position des Schienenbefestigungskörpers bzw. des Werkzeugs in einem von den Sensoren definierten, vom Schienenbefestigungskörper bzw. vom Werkzeug unabhängigen Sensorbezugssystem als auch die Position des Sensorbezugssystems im äußeren Bezugssystem bestimmt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Bezug zwischen dem Sensorbezugssystem und einem zu positionierenden Schienenbefestigungskörper bzw. Werkzeug bei jeder Positionierung vor Ort neu bestimmt und nicht wie bisher ortsfern und nur einmal eingemessen. Dabei schafft die Unabhängigkeit des Sensorbezugssystems vom Schienenbefestigungskörper bzw. vom Werkzeug insbesondere die folgenden Vorteile:
  • höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Bezugs zwischen den Sensoren und dem zu positionierenden Schienenbefestigungskörper;
  • keine Abhängigkeit von einer Positioniervorrichtung, wodurch Kalibration, Nachweis der Genauigkeit, Transport, Konstruktionsänderungen an der Maschine oder an der Vermessungsvorrichtung einfacher möglich sind;
  • keine Beeinflussung der Vermessungsgenauigkeit durch Kräfte in der Positioniervorrichtung oder im zu positionierenden Schienenbefestigungskörper, insbesondere durch trassenbedingte Verformungen und Verwindungen.
Vorzugsweise wird die Position des Schienenbefestigungskörpers bzw. des Werkzeugs im Sensorbezugssystem anhand von am Schienenbefestigungskörper bzw. am Werkzeug vorgesehenen zweiten Referenzpunkten bestimmt, die von Sensoren des Sensorbezugssystems, insbesondere optisch, erfaßt werden.
In bevorzugter Verfahrensvariante wird der Schienenbefestigungskörper zunächst in eine Position etwas unterhalb seiner Sollposition abgelegt und nach Bestimmung seiner Position im äußeren Bezugssystem in seine Sollposition räumlich hochgenau positioniert.
Die oben genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vermessungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Meßrahmen zweite Sensoren zur Lageerfassung von zweiten Referenzpunkten, welche am Schienenbefestigungskörper bzw. Werkzeug vorgesehen sind, befestigt sind und daß der Meßrahmen am Maschinengestell unabhängig vom zu positionierenden Schienenbefestigungskörper bzw. Werkzeug befestigt ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vermessungsvorrichtung besteht darin, daß die unterschiedlichen Sensoren an einem von der übrigen Mechanik unabhängigen Meßrahmen angebracht sind. Auf diesen wirken keine variablen Kräfte ein, sondern nur die Gewichtskräfte der Eigenmassen von Meßrahmen und Sensoren. Die einzelnen Sensoren haben daher einen festen und konstanten Bezug zueinander. Verformung des Rahmens durch Temperatureinflüsse können teils vermieden und teils modelliert und berücksichtigt werden.
Vorzugsweise ist der Meßrahmen zwangsfrei gelagert, insbesondere aufliegend z.B. mittels einer 3-Punkt-Lagerung.
Es reicht aus, wenn der Meßrahmen drei erste Sensoren zur Lageerfassung der ersten Referenzpunkte und drei zweite Sensoren zur Lageerfassung von zweiten Referenzpunkten, welche am Schienenbefestigungskörper vorgesehen sind, aufweist. Bevorzugt sind die Anzahl und die Anordnung der zweiten Sensoren am Meßrahmen entsprechend der Anzahl und Anordnung von höhenveränderlichen Stützen gewählt, auf die der Schienenbefestigungskörper beim Positionieren abgelegt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigt:
Fig. 1
die erfindungsgemäße Vermessungsvorrichtung schematisch in einer Seitenansicht gemäß I-I in Fig. 2; und
Fig. 2
eine Draufsicht auf die Vermessungsvorrichtung gemäß II-II in Fig. 1.
Die in Fign. 1 und 2 gezeigte Vermessungsvorrichtung 1 wird beim räumlich hochgenauen Positionieren von Schienenbefestigungskörpern 2 auf einer Tragschicht 3 aus Beton verwendet, welche als Unterbau auf dem Erdboden 4 verlegt ist. Die Schienenbefestigungskörper 2 können z.B. Schwellen, Schwellenpaketen oder, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Fertigteilplatte mit einer Länge von bis zu ca. 9 m sein.
Die Vermessungsvorrichtung 1 hat ein auf dem Erdboden 4 verfahrbares Maschinengestell 5, an dem an drei Auflagerpunkten 6 ein verformungs- und verwindungssteifer Meßrahmen 7 zwangsfrei gelagert ist. Am Meßrahmen 7 sind symmetrisch zu seiner Längsachse insgesamt zehn, insbesondere optische Sensoren angebracht, und zwar jeweils vier erste Sensoren 8 an den äußeren vier Ecken des Meßrahmens 7 und sechs zweite Sensoren 9, die gegenüber den ersten Sensoren 8 nach innen versetzt und äquidistant in einer Doppelreihe angeordnet sind. Die Sensoren 8, 9 definieren aufgrund des starren Meßrahmens 7 ein festes Sensorbezugssystem 10, das vom Schienenbefestigungskörper 2 kräftemäßig getrennt bzw. unabhängig ist. Mit den Sensoren 8, 9 können jeweils Lage und Höhe von Referenzpunkten im Sensorbezugssystem 10 eindeutig bestimmen werden.
Im folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte beim Positionieren der Schienenbefestigungskörper 2 in ihre Sollposition beschrieben:
  • 1. Vor Beginn der Positionierung werden knapp (etwa 10 bis 50 cm entfernt) außerhalb der Sollposition des zu positionierenden Schienenbefestigungskörpers 2 auf der Tragschicht 4 (oder mehr) örtlich feste, erste Referenzpunkte 11 geschaffen, deren Position in einem äußeren Bezugssystem 12, z.B. im Gauss-Krüger-System oder einem lokalen Koordinatensystem, hochgenau bestimmt wird.
  • 2. Der Schienenbefestigungskörper 2 wird etwas unterhalb seiner Sollposition auf sechs Stützen 13 (z.B. Spindeln) abgelegt, die in ihrer Höhe (Doppelpfeil 14) höhenveränderlich sind. Das Anordnungsmuster der Stützen 13 am Schienenbefestigungskörper 2 entspricht zweckmäßigerweise dem Anordnungsmuster der zweiten Sensoren 9 am Meßrahmen 7. Auf dem zu positionierenden Schienenbefestigungskörper 2 sind z.B. vom Hersteller zweite Referenzpunkte 15 angebracht und im lokalen Bezugssystem 16 des Schienenbefestigungskörper koordiniert.
  • 3. Der Meßrahmen 7 wird über den abgelegten Schienenbefestigungskörper 2 verfahren, bis sich die ersten und zweiten Sensoren 8, 9 zumindest nahezu über den ersten bzw. zweiten Referenzpunkten 11, 15 befinden.
  • 4. Mittels der ersten Sensoren 8 werden die ersten Referenzpunkte 11 erfaßt und so die Position des Meßrahmens 7 im äußeren Bezugssystem 12, d.h. der Bezug vom Sensorbezugssystem 10 zum äußeren Bezugssystem 12, mit einem die Sensorsignale auswertenden Rechner (nicht gezeigt) bestimmt.
  • 5. Mittels der zweiten Sensoren 9 werden die zweiten Referenzpunkte 15 erfaßt und so die Position des abgelegten Schienenbefestigungskörpers 2 im Sensorbezugssystem 10, d.h. der Bezug des lokalen Bezugssystems 16 zum Sensorbezugssystem 10, mit dem Rechner bestimmt.
  • 6. Mit dem daraus auch bekannten Bezug des lokalen Bezugssystems 16 zum äußeren Bezugssystem 12 wird mit dem Rechner die Ist-Position des abgelegten Schienenbefestigungskörpers 2 im äußeren Bezugssystem 12 ermittelt. Aus der Differenz von Ist- zu Sollposition des Schienenbefestigungskörpers 2 werden vom Rechner die entsprechenden Stellwerte zum Verschieben des Schienenbefestigungskörper berechnet.
  • 7. Entsprechend den berechneten Stellwerten wird der Schienenbefestigungskörper 2 in vertikaler Richtung über die höhenveränderlichen Stützen 13 und in horizontaler Richtung, wie in Fig.2 mit Doppelpfeilen 17 angedeutet ist, in seine Sollposition positioniert. Die horizontale Positionierung kann über geeignet abgestützte, horizontal wirkende Verstelleinrichtungen (z.B. Spindeln) erfolgen. Das vertikale Verstellen der Stützen 13 und das horizontale Verstellen der Verstelleinrichtung können manuell oder über eine vom Rechner gesteuerte Verstellautomatik (nicht gezeigt) erfolgen.
    • Falls erforderlich, werden die Schritte 4. bis 7. so lange wiederholt, bis der Schienenbefestigungskörper 2 mit der gewünschten Genauigkeit in seine Sollposition positioniert ist.
    Wenn von den Sensoren 8, 9 nicht unmittelbar die Referenzpunkte 11, 15, sondern darauf aufgesteckte Signalflächen erfaßt werden, sind diese Signalflächen mit hohem Zeitaufwand und hoher Fehleranfälligkeit genau zu horizontieren. Dieses Horizontieren kann entfallen, wenn eine Schrägstellung der Signalflächen von den Sensoren 8, 9 automatisch ermittelt wird.
    Anstelle für Schienenbefestigungskörper kann die Vermessungsvorrichtung 1 auch zum räumlich hochgenauen Positionieren von Werkzeugen (nicht gezeigt) verwendet werden. Mit diesen Werkzeugen kann dann die Tragschicht 3 so präzise bearbeitet, z.B. gefräst und gebohrt, werden, daß keine separaten Schienenbefestigungskörper erforderlich sind, sondern die Schiene unmittelbar auf der Tragschicht 3 befestigt werden kann.

    Claims (7)

    1. Verfahren zum räumlich hochgenauen Positionieren von Schienenbefestigungskörpern (2) oder von Werkzeugen, welche eine auf dem Boden als Unterbau für Schienen verlegte Tragschicht (3) aus Beton bearbeiten, unter Verwendung einer Vermessungsvorrichtung (1), wobei erste Referenzpunkte (11) nahe der Sollposition eines zu positionierenden Schienenbefestigungskörpers (2) bzw. Werkzeugs geschaffen und ihre Positionen in einem äußeren Bezugssystem (12) bestimmt werden und wobei Sensoren (8) der Vermessungsvorrichtung (1) die ersten Referenzpunkte (11) erfassen und der Schienenbefestigungskörper (2) bzw. das Werkzeug anhand von erfaßten ersten Referenzpunkten (11) in seine Sollposition positioniert wird,
      dadurch gekennzeichnet, daß beim Positionieren sowohl die Position des Schienenbefestigungskörpers (2) bzw. des Werkzeugs in einem von den Sensoren (8) definierten, vom Schienenbefestigungskörper (2) bzw. vom Werkzeug unabhängigen Sensorbezugssystem (10) als auch die Position des Sensorbezugssystems (10) im äußeren Bezugssystem (11) bestimmt werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Schienenbefestigungskörpers (2) bzw. des Werkzeugs im Sensorbezugssystem (10) anhand von am Schienenbefestigungskörper (2) bzw. am Werkzeug vorgesehenen zweiten Referenzpunkten (15) bestimmt wird, die von Sensoren (9) des Sensorbezugssystems (10) erfaßt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Referenzpunkte (11) und/oder die zweiten Referenzpunkte (15) von den Sensoren (8, 9) optisch erfaßt werden.
    4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenbefestigungskörper (2) zunächst in eine Position etwas unterhalb seiner Sollposition abgelegt und dann nach Bestimmung seiner Position im äußeren Bezugssystem (12) in seine Sollposition räumlich genau positioniert wird.
    5. Vermessungsvorrichtung (1) für zu positionierende Schienenbefestigungskörper (2) oder Werkzeuge, welche eine auf dem Boden als Unterbau für Schienen verlegte Tragschicht (3) aus Beton bearbeiten, umfassend ein Maschinengestell (5) mit einem Meßrahmen (7), an dem erste Sensoren (8) zur Lageerfassung von ortsfesten ersten Referenzpunkten (11) befestigt sind, insbesondere zur Verwendung beim Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, daß am Meßrahmen (7) zweite Sensoren (9) zur Lageerfassung von zweiten Referenzpunkten (15), welche am Schienenbefestigungskörper (2) bzw. Werkzeug vorgesehen sind, befestigt sind und daß der Meßrahmen (7) am Maschinengestell (5) unabhängig vom zu positionierenden Schienenbefestigungskörper (2) bzw. Werkzeug befestigt ist.
    6. Vermessungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßrahmen (7) am Maschinengestell (5) zwangsfrei, insbesondere aufliegend, gelagert ist.
    7. Vermessungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßrahmen (7) mindestens drei erste Sensoren (8) zur Lageerfassung der ersten Referenzpunkte (11) und mindestens drei zweite Sensoren (9) zur Lageerfassung von zweiten Referenzpunkten (15), welche am Schienenbefestigungskörper (2) vorgesehen sind, aufweist.
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