WO2002046533A1 - Laser-höhenregeleinrichtung für eine baumaschine - Google Patents

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WO2002046533A1
WO2002046533A1 PCT/EP2001/013912 EP0113912W WO0246533A1 WO 2002046533 A1 WO2002046533 A1 WO 2002046533A1 EP 0113912 W EP0113912 W EP 0113912W WO 0246533 A1 WO0246533 A1 WO 0246533A1
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WO
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laser
laser measuring
measuring head
height
control device
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Application number
PCT/EP2001/013912
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English (en)
French (fr)
Inventor
Willibald Sehr
Original Assignee
Moba-Mobile Automation Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Moba-Mobile Automation Gmbh filed Critical Moba-Mobile Automation Gmbh
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Priority to DE50114533T priority patent/DE50114533D1/de
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01C—CONSTRUCTION OF, OR SURFACES FOR, ROADS, SPORTS GROUNDS, OR THE LIKE; MACHINES OR AUXILIARY TOOLS FOR CONSTRUCTION OR REPAIR
    • E01C19/00—Machines, tools or auxiliary devices for preparing or distributing paving materials, for working the placed materials, or for forming, consolidating, or finishing the paving
    • E01C19/004—Devices for guiding or controlling the machines along a predetermined path
    • E01C19/006—Devices for guiding or controlling the machines along a predetermined path by laser or ultrasound

Definitions

  • the present invention relates to a laser control device for a construction machine for adjusting the height of a height-adjustable machining tool.
  • construction machines are used in the construction industry and in particular in civil engineering in order to machine or create large areas so that they have a desired, usually approximately flat profile.
  • it is a paver, a cold milling machine, an "engine grader” and the like.
  • the construction machines use mechanical or electronic control devices to facilitate the quick, cost-effective and high-quality creation of a surface with a desired profile. The problems associated with this are briefly explained below using a paver and a cold milling machine.
  • a road paver with a crawler track runs on a prepared surface on which a road surface or road surface to be manufactured is to be applied.
  • a height-adjustable screed is provided, on the front of which a stock of the pavement material is piled up, which is distributed and tracked by a conveyor which ensures that on the front of the screed there is always a sufficient but not too large amount of pavement material is kept in stock.
  • the height of the rear edge of the screed in relation to the surface of the prepared subsoil which may also be formed by an old pavement, determines the thickness of the paved surface before it is further consolidated by rollers.
  • the screed is held on a pulling arm which is arranged around a tigers arranged traction point is vertically mounted, the height of the screed is adjustable via hydraulics.
  • Known road pavers use to control the height of the screed, which determines the thickness of the road surface to be manufactured, e.g. B. a mechanical feeler, which is performed alongside the paver along a reference surface.
  • the height of the screed is adjusted in accordance with a height of a touch ski detected by an evaluation device.
  • the reference plane along which the touch ski is guided depends on the current processing step. Typically, the working width of a paver is less than the width of the pavement to be made.
  • a tensioned steel cable is usually used as a reference height for a first path of the entire road surface to be produced.
  • the touch ski is guided over the first track that has just been made, which then forms the reference surface.
  • this known type of screed height control has some system-related disadvantages. If, for example, a manufactured path of the road surface is used as a reference plane for guiding the tactile ski in the production of the second path and if the first path has a certain undesirable ripple, then the second path is also necessarily built up with errors, which depict the Errors in the road surface correspond to the area scanned by the touch ski.
  • Mechanical scanning by means of a touch ski necessarily follows a kind of envelope over the highest points of the reference surface. If, for example, there is an undesired obstacle in the form of a stone on the reference surface, the undesired deflection of the touch ski caused by this defect leads to a corresponding height error in the manufactured path of the road surface.
  • Another problem lies in the mechanical sensitivity of the touch ski, which can not only be easily damaged if the operating personnel are inattentive, but also wears out quickly during normal operation.
  • a control sensor for a construction machine for generating height control signals and directional control signals by scanning a reference rope or guide rope is already known from the applicant's US Pat. No. 4,961,173.
  • the known control sensor has a plurality of ultrasonic transceivers which are arranged transversely to the direction of movement of the construction machine and which are adjacent to one another in such a way that their radiation lobes overlap in the measuring plane in which the guide rope or reference rope lies.
  • EP 0542297 B1 describes an alternative control device in which at least three ultrasonic sensors are attached to the screed in the direction of movement of the paver and at a distance from one another, and in which an evaluation device uses the distance signals of the ultrasonic sensors to generate a height control signal for setting the screed.
  • this principle allows the surface to be averaged in the direction of travel and leads to satisfactory results in practice. But it also has some key practical disadvantages. Since the sensors have to be arranged vertically above the respective measuring points on the ground, a stable construction must be built over the distance over which the center is to hold the sensors in position. In order to provide good accuracy, the ultrasonic sensors must also be as close as possible (approx. 30 cm) to the be mounted on the reference surface. Disadvantages of this ultrasound control device are the high design effort, the hindrance of workers when working on or near the construction machine and the risk of mechanical damage to the sensors and the structure carrying them in rough construction site operation.
  • EP 0547378 B1 describes an ultrasound control device for a mobile milling device.
  • An evaluation device uses the signals from at least three ultrasonic sensors in order to generate control signals for the chassis height adjustment devices as a function of an adjustable target milling depth. This device has the same disadvantages described above in connection with the paver.
  • a laser-based control device for a road paver is also known.
  • a laser scans the profile of the unprocessed surface before applying the pavement material and the surface of the freshly applied pavement material along a plane along the direction of travel of the paver and perpendicular to the road surface at a plurality of measuring points. From the profile data obtained in this way, an evaluation device in turn generates a control signal for controlling the screed of the paver.
  • a disadvantage of this system is the comparatively complex and sensitive mechanics of the laser scanner used.
  • DE 3827617A1 describes a scanning sensor that enables a rail-like target level detection, for which purpose, for example, curbs are used.
  • a distance that can be preset in this way can be used to track and automatically align the processing device at a desired height in relation to the reference plane thus formed.
  • the scanning sensor can be based on the use of ultrasound, a laser beam or other optical scanning systems.
  • the object of the present invention is a to provide a structurally simpler, mechanically more robust and user-friendly control device for a construction machine for setting the height of a height-adjustable machining tool.
  • the present invention provides a laser control device for a construction machine for adjusting the height of a height-adjustable machining tool, which has a first laser measurement head, a second laser measurement head and a third laser measurement head, which are arranged on the construction machine, the first laser measurement head and the second laser measurement head in one the first laser measuring head and the third laser measuring head are arranged at a second angle to each other, the first angle and the second angle being chosen such that a first measuring point of the first laser measuring head, a second measuring point of the second laser measuring head and a third measuring point of the third laser measuring head are spaced apart from one another on a reference surface, the first measuring point, the second measuring point and the third measuring point lying essentially one behind the other in the direction of movement of the construction machine.
  • the laser control device also has an evaluation device which, depending on output signals from the first laser measuring head, the second laser measuring head and the third laser measuring head, has a first distance between the first laser measuring head and the reference surface, a second distance between the second laser measuring head and the reference surface and a third distance from the third Determines the laser measuring head relative to the reference surface, based on the determined distances and the known geometric arrangement of the first laser measuring head, the second laser measuring head and the third laser measuring head with respect to the processing tool, the height of the processing tool relative to the reference plane and, depending on the calculated height and a desired height, a height control signal generated for the machining tool.
  • An advantage of the control device is that the arrangement of the laser measuring heads and the arrangement of the measuring points on a reference surface are essentially independent of one another. Therefore, on the one hand, the laser measuring heads can be attached to a place where they do not represent a hindrance to work or workers on or in the vicinity of the construction machine and are themselves safe from damage, e.g. B. at a height of several meters. On the other hand, the position of the measuring points on the reference surface is largely freely adaptable to practical requirements.
  • the use of three laser measuring heads enables the control properties of the laser control device to be improved by recognizing artefacts, which may originate, for example, from objects on or holes in the reference surface, and not influencing the control of the tool with a simple plausibility check, and by averaging a ripple in the reference surface may be compensated for.
  • a preferred embodiment of the laser control device further comprises a fourth laser measuring head and a fifth laser measuring head, which are arranged on the construction machine at a third angle or at a fourth angle with respect to the first laser measuring head, the third angle and the fourth angle being selected in this way that the first measuring point, the second measuring point, the third measuring point, a fourth measuring point of the fourth laser measuring head and a fifth measuring point of the fifth laser measuring head are spaced apart from one another on the reference surface, and that the measuring points are essentially one behind the other in the direction of movement of the construction machine, the evaluation device the height of the processing tool is also dependent on a fourth distance of the fourth laser measuring head from the reference surface, from a fifth distance of the fifth laser measuring head from the reference surface and the known geometric arrangement of the vie laser measuring head and the fifth laser measuring head calculated with respect to the machining tool.
  • the laser control device preferably determines the differences of two distances in each case and classifies as valid those distances whose difference is less than a limit value, or rejects one of the determined distances as invalid and does not use it to generate the height control signal if the distance concerned is concerned is outside a predetermined range.
  • the predetermined area can be determined by a predetermined distance above / below a level, the level being determined by the remaining distances.
  • the evaluation device preferably forms the average of the determined and, if appropriate, not discarded distances.
  • the laser measuring heads are preferably also arranged in spatial proximity to one another, essentially one behind the other in the direction of movement and at substantially equal distances from the machining tool.
  • the entire laser control device can be arranged in a compact housing, so that no mechanical or electrical connection to remote sensors is required. This avoids disadvantages in connection with interrupted or damaged signal lines, which occur in known construction machines due to the required arrangement of the ultrasonic sensors.
  • An advantage of the laser control device according to the invention is that it contains no moving or moving parts, so that it is particularly robust, less susceptible to faults and is inexpensive to construct, manufacture, assemble and maintain. The particular robustness is particularly important under the conditions on a construction machine (vibrations, a very high working temperature range, humidity, etc.).
  • the laser control device according to the invention is, for. B. attached to a paver or to a cold milling machine.
  • One of the laser measuring heads is preferably aligned with the associated measuring point and the processing tool.
  • Figure 1 shows a paver with the laser control device according to the invention according to a first embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the paver from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a block diagram of the laser control device according to the invention in accordance with a second exemplary embodiment
  • Fig. 4 is a road cold milling machine with the laser control device according to the first embodiment.
  • a road paver 2 with a crawler track 4 on a prepared surface 6 is shown.
  • a height-adjustable screed 8 is arranged, which is attached to the road finisher 2 by means of a pull arm 10 at a pull point 12.
  • a supply 14 of road surface material In front of the screed 8 there is a supply 14 of road surface material, which is kept constant essentially over the entire width range of the screed 8 by a corresponding, known control of the speed of a screw-type conveyor 16.
  • the screed 8 floats on the road surface material of a road surface 18 to be manufactured.
  • the thickness of the the road surface 18 before its final consolidation by road rollers is made by adjusting the height of the trailing edge 20 of the screed 8. This height control is brought about by changing the angle of attack of the screed 8, and is typically carried out by controlling actuating cylinders which engage at the front ends of the tension arms 10.
  • the road paver 2 described so far corresponds to road pavers according to the prior art, so that, in view of the knowledge of the person skilled in the art, a detailed description can be dispensed with.
  • the road paver 2 has a laser control device according to the present invention, which is attached in a housing 30 via a holder 32 on the pull arm 10.
  • the laser control device comprises three laser measuring heads (not shown in FIG. 1), the three laser beams 40, 42 and 44 on three measuring points 50, 52 and 54 on a reference or reference surface 60 next to, in front of and / or point behind the paver.
  • the middle laser measuring head is arranged vertically above the rear edge 20 of the screed 8 in such a way that the associated measuring point 52 lies on a straight line with the rear edge 20 of the screed 8.
  • the first laser beam 40 and the second laser beam 42 form a first angle 70
  • the first laser beam 40 and the third laser beam 44 form a second angle 72.
  • the reference surface can be, for example, an old or an already manufactured path of the road surface, an already manufactured one Edge strips of the road or another suitable surface may be formed.
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the road paver 2 from FIG. 1.
  • the laser beams 40, 42 and 44 of the laser measuring heads (not shown) in the housing 30 are directed at measuring points 50, 52 and 54.
  • the first measuring point 50 and the second measuring point 52 lie on a reference surface 60, which lies on the edge of the prepared subsoil 6, which is provided with a road surface 18 in the image to the right during the movement of the paver.
  • the third measuring point 54 lies on the edge of the finished road surface 18 and with the first measuring point 50 and the second measuring point 52 on a straight line.
  • the use of a plurality of laser beams 40, 42, 44 from a plurality of laser measuring heads enables a flexible arrangement of the measuring points 50, 52, 54 that is adapted to the conditions and requirements of the respective area of use.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the laser control device which, unlike the embodiment shown in FIG. 1, has five laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88, each with a functionally associated lens 90, 92, 94, 96 or 98 comprises.
  • the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 emit laser beams 40, 42, 44, 106, 107, which are directed to measuring points 50, 52, 54, 56, 108, 109.
  • the laser control device further comprises a number of transmit / receive circuits 110, 112, 114, 116, 118 corresponding to the number of laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88.
  • transmit / receive circuits 110, 112, 114, 116 , 118 are electrically connected to one of each of the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88.
  • the transmit / receive circuits 110, 112, 114, 116, 118 are also electrically connected to an evaluation device 120, which may have a microcomputer, for example.
  • each of the transceiver circuits is connected to the evaluation device via two signal lines, signals being sent to the transceiver circuit via one line and signals being received from the transceiver circuit via the other line, as shown in Fig. 3 by the arrows associated with the lines.
  • the evaluation device 120 is connected via an interface 122 and a first connection 124 to a device, not shown, for actuating the above-mentioned actuating cylinders, which act on the front ends of the tension arms 10 around the height of the rear edge 20 of the screed 8 and thus the thickness of the affecting road surface 18.
  • the connection between the evaluation device 120 and the interface 122 is shown schematically in FIG. 3 by the arrow 125.
  • the evaluation device 120 is connected via a second connection 126 to a device, not shown, on which a user can set a target value for the height adjustment of the screed.
  • the components of the laser control device are supplied with electrical power by a power source, not shown, via a connection, not shown.
  • Each laser measuring head 80, 82, 84, 86 or 88 can be integrated with the associated transmit / receive circuit 110, 112, 114, 116 or 118 in one component (as shown) and / or with the associated lens 90 , 92, 94, 96 and 98.
  • the transceiver circuit 110, 112, 114, 116 and 118, the laser measuring head 80, 82, 84, 86 and 88 and the lens 90, 92, 94, 96 and 98 act together from the transit time of the laser beam 40, 42, 44, 106 and 107 from the time of its emission by the laser measuring head 80, 82, 84, 86 and 88, respectively, until the time at which the reference surface 60 is received at the measuring point 50 , 52, 54, 108 or 109 reflected laser light through the laser measuring head 80, 82, 84, 86 or 88 the distance of the laser measuring head 80, 82, 84, 86 or 88 from the respective measuring point 50, 52, 54, 108 or 109 on the reference surface 60 and to send an electrical signal corresponding to this distance to the evaluation device 120.
  • the evaluation device 120 calculates its distance from the reference surface 60 from the distance of the laser measuring head 80, 82, 84, 86 and 88 determined in this way and from its known geometric arrangement.
  • the division of functionalities shown in FIG. 3 within the laser height control device represents only one exemplary embodiment and can be varied, for example by integrating different illustrated components with one another in one component.
  • the laser height control device can have further interfaces, not shown, for exchanging data with other devices. ten, for example other control and regulating devices of the construction machine 2, with a central computer of the construction machine 2 or with an external computer for carrying out a fault diagnosis.
  • the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 and the laser beams 40, 42, 44, 106, 107 emanating from them are spatially oriented in this way that the measuring points 50, 52, 54, 108, 109 are spaced as far apart as possible, d. H. that z. B. the first angle 70 between the first laser beam 40 and the second laser beam 42 and the second angle 72 between the first laser beam 40 and the third laser beam 44 can be chosen as large as possible.
  • the evaluation device 120 determines the height of the screed 8 relative to the reference surface from the distances between the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 with respect to the reference surface 60 and the known geometric arrangement of the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 with respect to the screed 8 60.
  • the evaluation device 120 determines a height control signal for the screed 8 from this height of the screed 8 in relation to the reference surface 60 and from a desired height which can be set on the above-mentioned device (not shown) connected to the evaluation device 120 via the connection 126.
  • This height control signal is used on the road paver 2 to control the actuating cylinders for adjusting the front pull points 12 of the pull arms 10 of the screed 8.
  • the evaluation device 120 can be designed such that the evaluation device 120 rejects a distance of a laser measuring head 80, 82, 84, 86, 88 from the reference surface 60 as invalid and does not use it to generate the height control signal if the distance concerned is outside a distance specified range. This makes it possible, for example, to suppress the undesired transmission of various errors of the reference surface 60 onto the road surface 18 to be produced.
  • the predetermined range can be defined by a lower limit value and an upper limit value for the distance of a laser measuring head 80, 82, 84, 86, 88 from the reference surface 60.
  • the errors of the reference surface 60 are, for example, holes, stones or other objects which lie on the reference surface 60 and whose influence on the height control of the screed 8 is weakened by the averaging described above, but is not eliminated.
  • the upper limit value and the lower limit value are chosen such that a ripple of the reference surface 60 is still within the range defined by the upper limit value and the lower limit value, in order not to reject too many measurement points 50, 52, 54, 108, 109 as invalid , and that most objects and holes on or in the reference surface 60 or the distances generated by these errors lie outside the range so as not to have any influence on the height control of the screed 8.
  • the exact values of the two limit values depend on the respective circumstances, for example on the quality of the Reference surface 60 or a longitudinal curvature of the reference surface 60 or the road surface 18 to be produced as well as on the spatial arrangement of the measuring points 50, 52, 54, 108, 109 and can also be adapted manually or automatically to the respective circumstances during use.
  • the area just described, outside of which one of the determined distances is discarded and not used to generate the height control signal, can be used in a laser height control device with at least three laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88, through an area above / below the plane, which is defined by the remaining distances.
  • a small predetermined range is set within which the distances are classified as valid and are not rejected.
  • the difference between two distances in each case is determined and those distances are rejected as invalid and are not used to generate the height control signal whose differences to the distances of the other laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 exceed a predetermined limit value with respect to the reference surface 60. This also identifies errors on the reference surface 60 and eliminates their influence on the height control signal.
  • the advantage of the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 compared to conventional approaches that use ultrasonic measuring heads is that, in contrast to ultrasonic measuring heads, no perpendicular radiation onto the reference surface 60 and no small distance from this is required.
  • the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 can be used under normal circumstances, ie if the reference surface 60 does not reflect too strongly, also at large angles to the surface solder and at a large distance from the reference surface 60. Thereby it becomes possible to arrange all laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 largely independently of the arrangement of the associated measuring points 50, 52, 54, 108, 109 on the reference surface 60.
  • all laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 can be arranged together with the evaluation device 120 and the interface 122 as shown in FIG. 3 in a common housing 30 which is at a height opposite the road, which is essentially the height of the Paver 2 corresponds to paver 2 is attached.
  • the mechanical and structural outlay for attaching the control device is considerably reduced.
  • the risk of damage to the control device during rough construction site operation and the risk of hindrance of construction site workers in their work on road paver 2 and in its immediate vicinity decrease.
  • the laser measuring heads 80, 82, 84, 86, 88 which can be adjusted in their spatial orientation but are immobile during operation, avoid the disadvantages of a laser scanner that is movable during operation and has a sensitive mechanism.
  • the paver 2 mentioned in the previous exemplary embodiments is only one example of a construction machine on which the laser control device can be used in order to regulate a height-adjustable machining tool in such a way that the machined surface has a desired profile.
  • Another example is the cold road milling machine 200 shown in FIG. 4 with a front chassis 202 and a rear chassis 204, at least one of which is height-adjustable.
  • the machining tool is a milling drum 206, the height of which Above an unprocessed carriageway 208 and a machined carriageway 210 and thus also the “milling depth” is set by adjusting the height of the adjustable chassis 202 or 204 or, if applicable, at least one of the adjustable carriages 202, 204.
  • the laser control device already described with reference to FIG. 1 is in turn mounted in the housing 30 on the road cold milling machine 200 via the holder 32.
  • One of the laser measuring heads is aligned with the associated measuring point and the axis of the milling drum (206).
  • the height control signal generated by the laser control device controls the height adjustment of the undercarriage 202, 204.
  • the use of the laser control device according to the present invention is possible on any construction machine that changes the profile of a surface, i. H. Removing or applying layers to obtain a desired profile and can refer to a reference surface. Under certain circumstances, this can be a bulldozer, a so-called motor grader, etc.

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Abstract

Eine Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine (2) zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeuges (8) umfasst drei Lasermessköpfe, die auf drei voneinander beabstandete Messpunkte (50, 52, 54) auf einer Referenzfläche (60) gerichtet sind, und eine Auswerteeinrichtung, die aus den Ausgangssignalen der Lasermessköpfe und aus der bekannten geometrischen Anordnung der Lasermessköpfe bzgl. dem Bearbeitungswerkzeug (8) die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges (8) gegenüber der Referenzfläche (60) und aus dieser Höhe und einer Soll-Höhe ein Steuersignal für eine Höhenverstellung des Bearbeitungswerkzeuges (8) bestimmt. Die Baumaschine ist ein Strassenfertiger (2) mit einer höhenverstellbaren Bohle (8) oder eine Strassenkaltfräse mit einer höhenverstellbaren Frästrommel.

Description

Laser-Höhenregeleinrichtung für eine Baumaschine
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs.
Im Baugewerbe und insbesondere im Tiefbau werden verschiedene Baumaschinen eingesetzt, um große Flächen so zu bearbeiten bzw. zu erstellen, daß sie ein erwünschtes, meist näherungsweise ebenes Profil aufweisen. Im Straßenbau handelt es sich beispielsweise um einen Straßenfertiger, eine Straßenkaltfräse, einen "Motorgrader" u. a. Die Baumaschinen verwenden mechanische oder elektronische Regeleinrichtungen, um eine schnelle, kostengünstige und qualitativ hochwertige Erstellung einer Oberfläche mit einem erwünschten Profil zu erleichtern. Die damit verbundene Problematik wird im folgenden kurz anhand eines Straßenfertigers und einer Kalt- frase erläutert .
Allgemein läuft ein Straßenfertiger mit einem Kettenfahrwerk auf einem vorbereiteten Untergrund, auf den eine zu fertigende Straßendecke bzw. ein zu fertigender Straßenbelag aufzubringen ist. In Fahrtrichtung hinten am Straßenfertiger ist eine höhenverstellbare Bohle vorgesehen, an deren Vorderseite ein Vorrat des Straßenbelagmaterials angehäuft ist, der durch eine Fördereinrichtung verteilt und nachgeführt wird, die dafür Sorge trägt, daß auf der Vorderseite der Bohle immer eine ausreichende jedoch nicht zu große Menge Straßenbelagmaterials bevorratet gehalten wird. Die Höhe der Hinterkante der Bohle gegenüber der Oberfläche des vorbereiteten Untergrundes, der gegebenenfalls auch durch eine alte Straßenbelagdecke gebildet sein kann, legt die Dicke der gefertigten Straßendecke vor ihrer anschließenden weiteren Verfestigung durch Walzen fest. Die Bohle ist an einem Zugarm gehalten, der um einen im Mittenbereich des Straßenfer- tigers angeordneten Zugpunkt höhenbeweglich gelagert ist, wobei die Höhe der Bohle über eine Hydraulik verstellbar ist.
Bei bekannten Straßenfertigern bedient man sich zur Steuerung der Höhe der Bohle, die die Dicke des zu fertigenden Straßenbelages festlegt, z. B. einer mechanischen Tastvorrichtung, die neben dem Straßenfertiger entlang einer Referenzfläche geführt wird. Entsprechend einer durch eine Auswerteeinrichtung erfaßten Höhe eines Tastskis wird die Bohle in ihrer Höhe nachgestellt .
Die Referenzebene, entlang der der Tastski geführt wird, hängt von dem momentanen Bearbeitungsgang ab. Typischerweise ist die Arbeitsbreite eines Straßenfertigers geringer als die Breite der zu fertigenden Straßendecke. Zur Festlegung des Höhenniveaus der zu fertigenden Straßendecke dient üblicherweise ein gespanntes Stahlseil als Referenzhöhe für eine zu fertigende erste Bahn der gesamten Straßendecke. Beim Legen der zweiten Bahn, die ohne Höhenversatz an die erste Bahn anschließen soll wird der Tastski über die soeben gefertigte erste Bahn geführt, die dann die Referenzfläche bildet. So ist es bei bekannten Straßenfertigern möglich, durch Verwendung eines Tastskis unterschiedliche Gegenstände, wie beispielsweise das gespannte Referenzseil bzw. die soeben gefertigte Bahn der Straßendecke, als Referenzebene heranzuziehen.
Jedoch hat diese bekannte Art der Höhenregelung der Bohle einige systembedingte Nachteile. Wenn beispielsweise eine gefertigte Bahn der Straßendecke als Referenzebene für die Führung des Tastskis bei der Fertigung der zweiten Bahn verwendet wird und wenn die erste Bahn eine gewisse, unerwünschte Welligkeit hat, so wird nötigerweise auch die zweite Bahn mit Fehlern behaftet aufgebaut, die einer Abbildung der Fehler der Straßendecke an dem von dem Tastski abgetasteten Bereich entsprechen. Das mechanische Abtasten mittels eines Tastskis folgt nötigerweise einer Art Hüllkurve, über die jeweils höchsten Punkte der Referenzfläche. Wenn nun auf der Referenzfläche beispielsweise ein unerwünschtes Hindernis in Form eines Steines liegt, so führt die durch diese Störstelle bewirkte unerwünschte Auslenkung des Tastskis zu einem entsprechenden Höhenfehler der gefertigten Bahn der Straßendecke. Ein weiteres Problem liegt in der mechanischen Empfindlichkeit des Tastskis begründet, der nicht nur bei einer Unachtsamkeit des Bedienpersonals leicht Schaden nehmen kann, sondern auch beim üblichen Betrieb schnell verschleißt .
Aus dem US-Patent 4,961,173 der Anmelderin ist bereits ein Steuersensor für eine Baumaschine zum Erzeugen von Höhensteuersignalen und RichtungsSteuersignalen durch Abtastung eines Referenzseiles oder Führungsseiles bekannt. Der bekannte Steuersensor verfügt über eine Mehrzahl von quer zur Bewegungsrichtung der Baumaschine angeordneten Ultraschall- Sendeempfängern, die derart benachbart zueinander liegen, daß sich ihre Strahlungskeulen in der Meßebene, in der das Führungsseil oder Referenzseil liegt, überlappen.
Die EP 0542297 Bl beschreibt eine alternative Regeleinrichtung, bei der mindestens drei Ultraschallsensoren im wesentlichen in der Bewegungsrichtung des Straßenfertigers und voneinander beabstandet an der Bohle angebracht sind, und bei der eine Auswerteeinrichtung die Abstandssignale der Ultraschallsensoren zur Erzeugung eines Höhensteuersignals für die Einstellung der Bohle verwendet . Dieses Prinzip erlaubt unter anderem einen Mittelwertbildung der Oberfläche in Fahrtrichtung und führt in der Praxis zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Es hat aber auch einige entscheidende praktische Nachteile. Da die Sensoren senkrecht über den jeweiligen Meßpunkten am Boden angeordnet sein müssen, muß über der Strecke, über die zu mittein ist, eine stabile Konstruktion aufgebaut werden, um die Sensoren in Position zu halten. Auch müssen die Ultraschallsensoren, um eine gute Genauigkeit zu liefern, möglichst dicht (ca. 30 cm) zur Re- ferenzflache montiert werden. Nachteile dieser Ultraschall- Regeleinrichtung sind der hohe konstruktive Aufwand, die Behinderung von Arbeitern bei Tätigkeiten an oder in der Nähe der Baumaschine und die Gefahr der mechanischen Beschädigung der Sensoren und der sie tragenden Konstruktion im rauhen Baustellenbetrieb.
Die EP 0547378 Bl beschreibt eine Ultraschallregeleinrichtung für ein fahrbares Fräsegerät . Eine Auswerteeinrichtung verwendet die Signale von mindestens drei Ultraschallsensoren um in Abhängigkeit von einer einstellbaren Sollfrästiefe Ansteuersignale für die Fahrwerkshöhenverstelleinrichtungen zu erzeugen. Diese Vorrichtung hat die gleichen, oben in Zusammenhang mit dem Straßenfertiger beschriebenen Nachteile.
Ferner ist eine laserbasierte Regeleinrichtung für einen Straßenfertiger bekannt. Ein Laser tastet das Profil der unbearbeiteten Oberfläche vor dem Aufbringen des Straßenbelagmaterials und der Oberfläche des frisch aufgebrachten Straßenbelagmaterials entlang einer Ebene längs der Bewegungsrichtung des Straßenfertigers und senkrecht zur Straßenoberfläche an einer Vielzahl von Meßpunkten ab. Aus den so gewonnenen Profildaten erzeugt wiederum eine Auswerteeinrichtung ein Steuersignal zur Steuerung der Bohle des Straßenfertigers . Ein Nachteil dieses Systems besteht in der vergleichsweise aufwendigen und empfindlichen Mechanik des verwendeten Laserscanners .
Die DE 3827617A1 beschreibt einen Abtastsensor, der eine schienenähnliche Sollebenenerkennung ermöglicht, wozu beispielsweise Randsteine dienen. Ein hierüber voreinstellbarer Abstand kann dazu dienen das Bearbeitungsgerät in einer gegenüber der so gebildeten Referenzebene gewünschten Niveauhöhe nachzufahren und automatisch auszurichten. Der Abtast- -Sensor kann auf der Verwendung von Ultraschall, einem Laserstrahl oder anderen optischen Abtastsystemen basieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine konstruktiv einfachere, mechanisch robustere und im Baustellenbetrieb anwenderfreundlichere Regeleinrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Laser-Regeleinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs, die einen ersten Lasermeßkopf, einen zweiten Lasermeßkopf und einen dritten Lasermeßkopf aufweist, welche an der Baumaschine angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf und der zweite Lasermeßkopf in einem ersten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf und der dritte Lasermeßkopf in einem zweiten Winkel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Winkel und der zweite Winkel derart gewählt sind, daß ein erster Meßpunkt des ersten Lasermeßkopfs, ein zweiter Meßpunkt des zweiten Lasermeßkopfes und ein dritter Meßpunkt des dritten Lasermeßkopfes auf einer Referenzfläche voneinander beabstandet sind, wobei der erste Meßpunkt, der zweite Meßpunkt und der dritte Meßpunkt im wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine hintereinander liegen. Die Laser-Regeleinrichtung weist ferner eine Auswerteeinrichtung auf, die abhängig von Ausgangssignalen des ersten Lasermeßkopfes, des zweiten Lasermeßkopfes und des dritten Lasermeßkopfes einen ersten Abstand des ersten Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche, einen zweiten Abstand des zweiten Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche und einen dritten Abstand des dritten Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche bestimmt, aufgrund der bestimmten Abstände und der bekannten geometrischen Anordnung des ersten Lasermeßkopfes, des zweiten Lasermeßkopfes und des dritten Lasermeßkopfes bezüglich des Bearbeitungswerkzeuges die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges gegenüber der Referenzebene berechnet und abhängig von der berechneten Höhe und einer Soll-Höhe ein Höhensteuersignal für das Bearbeitungswerkzeug erzeugt. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung besteht darin, daß die Anordnung der Lasermeßköpfe und die Anordnung der Meßpunkte auf einer Referenzfläche im wesentlichen unabhängig voneinander sind. Deshalb können einerseits die Lasermeßköpfe an einem Ort angebracht werden, an dem sie keine Behinderung für Arbeiten oder Arbeiter an oder in der Umgebung der Baumaschine darstellen und selbst vor einer Beschädigung sicher sind, z. B. in mehreren Metern Höhe. Andererseits ist die Lage der Meßpunkte auf der Referenzfläche weitgehend frei den praktischen Erfordernissen anpaßbar.
Die Verwendung von drei Lasermeßköpfen ermöglicht eine Verbesserung der Regeleigenschaften der Laser-Regeleinrichtung, indem mit einer einfachen Plausibilitätskontrolle Artefakte, die beispielsweise von Gegenständen auf oder Löchern in der Referenzfläche herrühren können, erkannt werden und die Regelung des Werkzeugs nicht beeinflußen, sowie indem durch eine Mittelung eine Welligkeit der Referenzfläche ggf. ausgeglichen wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung umfaßt ferner einen vierten Lasermeßkopf und einen fünften Lasermeßkopf, die an der Baumaschine unter einem dritten Winkel bzw. unter einem vierten Winkel gegenüber dem ersten Lasermeßkopf angeordnet sind, wobei der dritte Winkel und der vierte Winkel derart gewählt sind, daß der erste Meßpunkt, der zweite Meßpunkt, der dritte Meßpunkt, ein vierter Meßpunkt des vierten Lasermeßkopfes und ein fünfter Meßpunkt des fünften Lasermeßkopfes auf der Referenzfläche voneinander beabstandet sind, und daß die Meßpunkte im wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine hintereinander liegen, wobei die Auswerteeinrichtung die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges ferner abhängig von einem vierten Abstand des vierten Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche, von einem fünften Abstand des fünften Lasermeßkopfes gegenüber der Referenzfläche und der bekannten geometrischen Anordnung des vierten Lasermeßkopfes und des fünften Lasermeßkopfes bezüglich des Bearbeitungswerkzeuges berechnet .
Vorzugsweise bestimmt die Laser-Regeleinrichtung die Differenzen von jeweils zwei Abständen und stuft diejenigen Abstände als gültig ein, deren Differenzbetrag kleiner als ein Grenzwert ist, oder verwirft einen der bestimmten Abstände als ungültig und zieht ihn nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignals heran, wenn der betroffene Abstand außerhalb eines vorab festgelegten Bereiches liegt. Der vorab festgelegte Bereich kann durch eine vorbestimmte Entfernung oberhalb/unterhalb einer Ebene festgelegt sein, wobei die Ebene durch die verbleibenden Abstände festgelegt ist.
Vorzugsweise bildet die Auswerteeinrichtung den Mittelwert der bestimmten und ggf . nicht verworfenen Abstände .
Vorzugsweise sind die Lasermeßköpfe ferner in räumlicher Nähe zueinander benachbart, im wesentlichen in Bewegungs- richtung hintereinander und im wesentlichen in gleichen Abständen zu dem BearbeitungsWerkzeug angeordnet . In diesem Fall kann die gesamte Laser-Regeleinrichtung in einem kompakten Gehäuse angeordnet sein, so daß keine mechanische oder elektrische Verbindung zu entfernt angeordneten Sensoren erforderlich ist. Hierdurch werden Nachteile in Zusammenhang mit unterbrochenen oder beschädigten Signalleitungen vermieden, die bei bekannten Baumaschinen aufgrund der erforderlichen Anordnung der Ultraschallsensoren auftreten.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung besteht darin, daß sie keine beweglichen oder bewegten Teile enthält, so daß dieselbe besonders robust, wenig störanfällig und in Konstruktion, Herstellung, Montage und Wartung unaufwendig ist. Die besondere Robustheit ist vorallem unter den Bedingungen an einer Baumaschine (Vibrationen, ein sehr hoher Arbeitstemperaturbereich, Feuchtigkeit, etc.) von großer Bedeutung. Die erfindungsgemäße Laser-Regeleinrichtung ist z. B. an einem Straßenfertiger oder an einer Straßenkaltfräse angebracht .
Vorzugsweise ist einer der Lasermeßköpfe mit dem zugehörigen Meßpunkt und dem Bearbeitungswerkzeug ausgerichtet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Straßenfertiger mit der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Straßenfertigers aus Fig. 1;
Fig. 3 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Laser-Regeleinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbei- spiel ; und
Fig. 4 eine Straßenkaltfräse mit der Laser-Regeleinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein Straßenfertiger 2 mit einem Kettenfahrwerk 4 auf einem vorbereiteten Untergrund 6 gezeigt. An dem in Fahrtrichtung hinteren Ende des Straßenfertigers 2 ist eine höhenverstellbare Bohle 8 angeordnet, die mittels eines Zugarmes 10 an einem Zugpunkt 12 an dem Straßenfertiger 2 angebracht ist. Vor der Bohle 8 befindet sich ein Vorrat 14 an Straßenbelagmaterial, der durch eine entsprechende, an sich bekannte Regelung der Drehzahl einer schneckenartigen Fördereinrichtung 16 im wesentlichen über den gesamten Breitenbereich der Bohle 8 konstant gehalten wird.
Die Bohle 8 schwimmt auf dem Straßenbelagmaterial einer zu fertigenden Straßendecke 18 auf. Die Dicke der zu fertigen- den Straßendecke 18 vor ihrer Endverfestigung durch Straßenwalzen wird durch eine Ausregelung der Höhenlage der Hinterkante 20 der Bohle 8 vorgenommen. Diese Höhenregelung wird durch Veränderung des Anstellwinkels der Bohle 8 herbeigeführt, und erfolgt typischerweise durch die Ansteuerung von Stellzylindern, die an den vorderen Enden der Zugarme 10 eingreifen.
Der insoweit beschriebene Straßenfertiger 2 stimmt mit Straßenfertigern nach dem Stand der Technik überein, so daß in Anbetracht des Wissens des Fachmannes auf dem vorliegenden Gebiet auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
Der Straßenfertiger 2 weist eine Laser-Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf, die in einem Gehäuse 30 über eine Halterung 32 am Zugarm 10 angebracht ist. Die Laser-Regeleinrichtung umfaßt bei dem gezeigten Ausführungs- beispiel drei, in Fig. 1 nicht gezeigte Lasermeßkopfe, die drei Laserstrahlen 40, 42 und 44 auf drei Meßpunkte 50, 52 und 54 auf einer Bezugs- bzw. Referenzfläche 60 neben, vor und/oder hinter dem Straßenfertiger richten. Dabei ist der mittlere Lasermeßkopf vertikal über der Hinterkante 20 der Bohle 8 so angeordnet, daß der zugehörige Meßpunkt 52 auf einer Geraden mit der Hinterkante 20 der Bohle 8 liegt. Der erste Laserstrahl 40 und der zweite Laserstrahl 42 bilden einen ersten Winkel 70, der erste Laserstrahl 40 und der dritte Laserstrahl 44 bilden einen zweiten Winkel 72. Die Referenzfläche kann beispielsweise durch eine alte oder eine bereits neu gefertigte Bahn der Fahrbahndecke, durch einen bereits gefertigten Randstreifen der Straße oder eine andere geeignete Fläche gebildet sein.
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht des Straßenfertigers 2 aus Fig. 1. Die Laserstrahlen 40, 42 bzw. 44 der nicht gezeigten Lasermeßköpfe im Gehäuse 30 sind auf Meßpunkte 50, 52 bzw. 54 gerichtet. Der erste Meßpunkt 50 und der zweite Meßpunkt 52 liegen auf einer Referenzfläche 60, die am Rand des vorbereiteten Untergrundes 6 liegt, der während der Bewegung des Straßenfertigers im Bild nach rechts mit einer Straßendecke 18 versehen wird. Der • dritte Meßpunkt 54 liegt am Rand der gefertigten Straßendecke 18 und mit dem ersten Meßpunkt 50 und dem zweiten Meßpunkt 52 auf einer Geraden. Die Verwendung mehrerer Laserstrahlen 40, 42, 44 von mehreren Lasermeßköpfen ermöglicht eine flexible und an die Bedingungen und Anforderungen des jeweiligen Einsatzgebietes angepaßte Anordnung der Meßpunkte 50, 52, 54.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Laser-Regeleinrichtung gezeigt, das, anders als bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel, fünf Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 mit je einer funktionell zugehörigen Linse 90, 92, 94, 96 bzw. 98 umfaßt. Die Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 emittieren Laserstrahlen 40, 42, 44, 106, 107, die auf Meßpunkte 50, 52, 54, 56, 108, 109 gerichtet sind. Die Laserregeleinrichtung umfaßt ferner eine der Anzahl der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 entsprechende Anzahl von Sende-Empfangs- Schaltungen 110, 112, 114, 116, 118. Diese Sende-Empf ngs- Schaltungen 110, 112, 114, 116, 118 sind mit je einem der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 elektrisch signalmäßig verbunden. Die Sende-Empfangs-Schaltungen 110, 112, 114, 116, 118 sind ferner mit einer Auswerteeinrichtung 120, die beispielsweise einen Mikrorechner aufweisen kann, elektrisch signalmäßig verbunden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist jede der Sende-Empfangsschaltungen über zwei Signalleitungen mit der Auswerteeinrichtung verbunden, wobei über eine Leitung Signale an die Sende-Empfangsschaltung gesendet werden und über die andere Leitung Signale von der Sende-Empfangs- Schaltung empfangen werden, wie in Fig. 3 durch die den Leitungen zugeordneten Pfeile gezeigt ist. Die Auswerteeinrichtung 120 ist über eine Schnittstelle 122 und einen ersten Anschluß 124 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung zum Ansteuern der oben erwähnten Stellzylinder verbunden, die an den vorderen Enden der Zugarme 10 angreifen um die Höhenlage der Hinterkante 20 der Bohle 8 und somit die Dicke der zu fertigenden Straßendecke 18 zu beeinflussen. Die Verbindung zwischen der Auswerteeinrichtung 120 und der Schnittstelle 122 ist in Fig. 3 schematisch durch den Pfeil 125 gezeigt. Ferner ist die Auswerteeinrichtung 120 über einen zweiten Anschluß 126 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung verbunden, an der ein Anwender einen Sollwert für die Höheneinstellung der Bohle einstellen kann. Über einen nicht dargestellten Anschluß werden die Bauglieder der Laser-Regeleinrichtung durch eine nicht dargestellte Leistungsquelle mit elektrischer Leistung versorgt.
Jeder Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 kann mit der jeweils zugehörigen Sende-Empfangs-Schaltung 110, 112, 114, 116 bzw. 118 in einem Bauelement integriert sein (wie dargestellt) und/oder mit der jeweils zugehörigen Linse 90, 92, 94, 96 bzw. 98. Die Sende-Empfangs-Schaltung 110, 112, 114, 116 bzw. 118, der Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 und die Linse 90, 92, 94, 96 bzw. 98 wirken zusammen um aus der Laufzeit des Laserstrahls 40, 42, 44, 106 bzw. 107 vom Zeitpunkt seiner Emission durch den Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 bis zum Zeitpunkt des Empfangens des von der Referenzfläche 60 im Meßpunkt 50, 52, 54, 108 bzw. 109 reflektierten Laserlichtes durch den Lasermeßkopf 80, 82, 84, 86 bzw. 88 die Entfernung des Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86 bzw. 88 vom jeweiligen Meßpunkt 50, 52, 54, 108 bzw. 109 auf der Referenzfläche 60 zu bestimmen und ein dieser Entfernung entsprechendes elektrisches Signal an die Auswerteeinrichtung 120 zu senden. Die Auswerteeinrichtug 120 berechnet aus der so bestimmten Entfernung des Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86 bzw. 88 und aus seiner bekannten geometrischen Anordnung seinen Abstand von der Referenzfläche 60.
Die in Fig. 3 dargestellte Aufteilung von Funktionalitäten innerhalb der Laser-Höhenregeleinrichtung stellt nur ein Ausführungsbeispiel dar und kann variiert werden, beispielsweise indem verschiedene dargestellte Bauelemente miteinander in einem Bauelement integriert werden. Ferner kann die Laser-Höhenregeleinrichtung weitere, nicht dargestellte Schnittstellen zum Austauschen von .Daten mit anderen Gera- ten, beispielsweise anderen Steuer- und RegelVorrichtungen der Baumaschine 2, mit einem Zentralcomputer der Baumaschine 2 oder mit einem externen Computer für die Durchführung einer Fehlerdiagnose aufweisen.
In Abhängigkeit von dem jeweiligen speziellen Einsatz der Laser-Regeleinrichtung und den mit ihm verbundenen Bedingungen und Gegebenheiten sind die Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bzw. die von ihnen ausgehenden Laserstrahlen 40, 42, 44, 106, 107 räumlich so ausgerichtet, daß die Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 möglichst weit voneinander beabstandet sind, d. h. , daß z. B. der erste Winkel 70 zwischen dem ersten Laserstrahl 40 und dem zweiten Laserstrahl 42 und der zweite Winkel 72 zwischen dem ersten Laserstrahl 40 und dem dritten Laserstrahl 44 möglichst groß gewählt werden.
Die Auswerteeinrichtung 120 bestimmt aus den Abständen der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber der Referenzfläche 60 und der bekannten geometrischen Anordnung der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bezüglich der Bohle 8 die Höhe der Bohle 8 gegenüber der Referenzfläche 60. Aus dieser Höhe der Bohle 8 gegenüber der Referenzfläche 60 sowie aus einer Sollhöhe, die an der oben erwähnten, nicht dargestellten, mit der Auswerteeinrichtung 120 über den Anschluß 126 verbundenen Vorrichtung einstellbar ist, bestimmt die Auswerteeinrichtung 120 ein Höhensteuersignal für die Bohle 8. Dieses Höhensteuersignal dient am Straßenfertiger 2 zum Ansteuern der Stellzylinder zur Verstellung der vorderen Zugpunkte 12 der Zugarme 10 der Bohle 8.
Nachfolgend werden bevorzugte Weiterverarbeitungen der erfaßten Signale von den Lasermeßköpfen 80, 82, 84, 86, 88 durch die Auswerteeinrichtung 120 zur Erzeugung des Höhensteuersignals beschrieben.
Aus den aus den Ausgangssignalen der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bestimmten Abständen der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber der Referenzfläche 60 bildet die Aus- Werteeinrichtung 120 einen Mittelwert um die Höhe der Bohle 8 gegenüber der Referenzfläche 60 zu bestimmen. Durch die Mittelwertbildung wird der Einfluß einer Welligkeit der Referenzfläche 60 auf das Höhensteuersignal reduziert und somit eine bessere Ebenheit der neu gefertigten Straßendecke 18 erzielt. Diese Mittelwertbildung funktioniert umso besser, je mehr Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 bzw. Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 auf der Referenzfläche 60 vorhanden sind und je weiter die Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 auf der Referenzfläche 60 voneinander beabstandet sind.
Ferner kann die Auswerteeinrichtung 120 so ausgeführt werden, daß die Auswerteeinrichtung 120 einen Abstand eines Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86, 88 von der Referenzfläche 60 als ungültig verwirft und nicht zur Erzeugung des Höhen- steuersignals heranzieht, wenn der betroffene Abstand außerhalb eines vorab festgelegten Bereichs liegt . Dadurch ist es beispielsweise möglich, die unerwünschte Übertragung verschiedener Fehler der Referenzfläche 60 auf die zu fertigende Straßendecke 18 zu unterdrücken. Der vorab festgelegte Bereich kann durch einen unteren Grenzwert und einen oberen Grenzwert für den Abstand eines Lasermeßkopfes 80, 82, 84, 86, 88 von der Referenzfläche 60 definiert sein. Die Fehler der Referenzfläche 60 sind beispielsweise Löcher, Steine oder andere Gegenstände, die auf der Referenzfläche 60 liegen, und deren Einfluß auf die Höhenregelung der Bohle 8 durch die oben beschriebene Mittelung abgeschwächt, aber nicht eliminiert wird. Der obere Grenzwert und der untere Grenzwert werden so gewählt, daß eine Welligkeit der Referenzfläche 60 noch innerhalb des durch den oberen Grenzwert und den unteren Grenzwert definierten Bereichs liegt, um nicht zu viele Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 als ungültig zu verwerfen, und daß die meisten Gegenstände und Löcher auf bzw. in der Referenzfläche 60 bzw. die durch diese Fehler erzeugten Abstände, außerhalb des Bereichs liegen, um keinen Einfluß auf die Höhenregelung der Bohle 8 zu haben. Die genauen Werte der beiden Grenzwerte sind dabei von den jeweiligen Gegebenheiten, beispielsweise von der Qualität der Referenzfläche 60 oder einer Längskrümmung der Referenzfläche 60 bzw. der zu fertigenden Straßedecke 18 sowie von der räumlichen Anordnung der Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 abhängig und können auch beim Einsatz manuell oder automatisch an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden.
Der gerade beschriebene Bereich, außerhalb dessen einer der bestimmten Abstände verworfen und nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignals herangezogen wird, kann bei einer Laser- Höhenregeleinrichtung mit mindestens drei Lasermeßköpfen 80, 82, 84, 86, 88, durch einen Bereich oberhalb/unterhalb der Ebene, die durch die verbleibenden Abstände definiert wird, festgelegt sein. Dadurch wird auch im Falle einer Längskrümmung der Referenzfläche 60, deren Übertragung auf die zu fertigende Straßendecke 18 erwünscht ist, ein kleiner vorbestimmter Bereich eingestellt, innerhalb dessen Abstände als gültig eingestuft und nicht verworfen werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle der Grenzwerte oder der verbliebenen Abstände die Differenz zwischen jeweils zwei Abständen bestimmt und diejenigen Abstände als ungültig verworfen und nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignals herangezogen, deren Differenzen zu den Abständen der anderen Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber der Referenzfläche 60 einen vorbestimmten Grenzwert überschreiten. Auch hierdurch werden Fehler an der Referenzfläche 60 identifiziert und deren Einfluß auf das Höhensteuersignal eliminiert.
Der Vorteil der Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 gegenüber herkömmlichen Ansätzen, die Ultraschallmeßköpfe verwenden, besteht darin, daß im Gegensatz zu Ultraschallmeßköpfen keine senkrechte Einstrahlung auf die Referenzfläche 60 und kein kleiner Abstand zu dieser erforderlich ist. Die Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 können unter normalen Umständen, d. h. bei nicht all zu stark spiegelnder Referenzfläche 60, auch unter großen Winkeln zum Flächenlot und mit großem Abstand zur Referenzfläche 60 eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich, alle Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 weitgehend unabhängig von der Anordnung der zugehörigen Meßpunkte 50, 52, 54, 108, 109 auf der Referenzfläche 60 anzuordnen. Insbsondere können alle Lasermeßköpfe 80, 82, 84, 86, 88 zusammen mit der Auswerteeinrichtung 120 und der Schnittstelle 122 wie in Fig. 3 gezeigt in einem gemeinsamen Gehäuse 30 angeordnet sein, das in einer Höhe gegenüber der Straße, die im wesentlichen der Höhe des Straßenfertigers 2 entspricht, am Straßenfertiger 2 angebracht ist. Dadurch verringert sich der mechanisch-konstruktive Aufwand für die Anbringung der Regeleinrichtung erheblich. Ferner sinken die Gefahr der Beschädigung der Regeleinrichtung im rauhen Baustellenbetrieb sowie die Gefahr der Behinderung von Baustellenarbeitern bei ihren Tätigkeiten am Straßenfertiger 2 und in seiner direkten Umgebung.
Ferner vermeiden die in ihrer räumlichen Orientierung gegebenenfalls einstellbaren aber während des Betriebs unbeweglichen Lasermeßköpfen 80, 82, 84, 86, 88 die Nachteile eines im Betrieb beweglichen Laserscanners, der eine empfindliche Mechanik aufweist. Durch den vollständigen Verzicht auf bewegliche Teile sind vor allem unter den extremen Bedingungen an einer Baumaschine 2 (Vibrationen, ein sehr großer Arbeitstemperaturbereich, Feuchtigkeit, etc.) eine geringere Fehleranfälligkeit, niedrigere Ausfallzeiten, eine längere Lebensdauer und damit eine bessere Wirtschaftlichkeit möglich.
Der in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen genannte Straßenfertiger 2 ist nur ein Beispiel für eine Baumaschine an der die Laser-Regeleinrichtung eingesetzt werden kann, um ein höhenverstellbares Bearbeitungswerkzeug so in der Höhe zu regeln, daß die bearbeitete Oberfläche ein erwünschtes Profil aufweist. Ein weiteres Beispiel ist die in Fig. 4 dargestellte Straßenkaltfräse 200 mit einem vorderen Fahrwerk 202 und einem hinteren Fahrwerk 204, von denen mindestens eines höhenverstellbar ist. Das BearbeitungsWerkzeug ist in diesem Fall eine Frästrommel 206, deren Höhe gegen- über einer unbearbeiteten Fahrbahn 208 und einer bearbeiteten Fahrbahn 210 und damit auch die "Frästiefe" eingestellt wird, indem das höhenverstellbare Fahrwerk 202 oder 204 bzw. gegebenenfalls mindestens eines der höhenverstellbaren Fahrwerke 202, 204 in der Höhe verstellt wird. An der Straßenkaltfräse 200 ist über die Halterung 32 wiederum die bereits anhand der Fig. 1 beschriebene Laser-Regeleinrichtung in dem Gehäuse 30 angebracht. Dabei ist einer der Lasermeßköpfe mit dem zugehörigen Meßpunkt und der Achse der Frästrommel (206) ausgerichtet. Das von der Laser-Regeleinrichtung erzeugte Höhensteuersignal steuert in diesem Fall die Höhenverstellung des Fahrwerks 202, 204.
Ferner ist der Einsatz der Laser-Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an jeder Baumaschine möglich, die das Profil einer Oberfläche verändert, d. h. Schichten abträgt oder aufbringt um ein erwünschtes Profil zu erhalten und dabei auf eine Referenzfläche Bezug nehmen kann. Dies kann unter bestimmten Umständen eine Planierraupe, ein sogenannter Motorgrader, etc. sein.

Claims

Patentansprüche
1. Laser-Regeleinrichtung für eine Baumaschine (2-; 200) zur Einstellung der Höhe eines höhenverstellbaren Bearbeitungswerkzeugs (8; 206), mit
einem ersten Lasermeßkopf (80) , einem zweiten Lasermeßkopf (82) und einem dritten Lasermeßkopf (84) , die an der Baumaschine (2; 200) angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf (80) und der zweite Lasermeßkopf (82) in einem ersten Winkel (70) zueinander angeordnet sind, wobei der erste Lasermeßkopf (80) und der dritte Lasermeßkopf (84) in einem zweiten Winkel (72) zueinander angeordnet sind, wobei der erste Winkel (70) und der zweite Winkel (72) derart gewählt sind, daß ein erster Meßpunkt (50) des ersten Lasermeßkopfes (80) , ein zweiter Meßpunkt (52) des zweiten Lasermeßkopfes (82) und ein dritter Meßpunkt (54) des dritten Lasermeßkopfes (84) auf einer Re erenzfläche (60) voneinander beabstandet sind, wobei der erste Meßpunkt (50) , der zweite Meßpunkt (52) und der dritte Meßpunkt (54) im wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine (2; 200) hintereinander liegen; und
einer Auswerteeinrichtung (120) , die abhängig von Ausgangsignalen des ersten Lasermeßkopfes (80) , des zweiten Lasermeßkopfes (82) und des dritten Lasermeßkopfes (84) einen ersten Abstand des ersten Lasermeßkopfes (80) gegenüber der Referenzfläche (60) , einen zweiten Abstand des zweiten Lasermeßkopfes (82) gegenüber der Referenzfläche (60) und einen dritten Abstand des dritten Lasermeßkopfes (84) gegenüber der Referenzfläche (60) bestimmt, aufgrund der bestimmten Abstände und der bekannten geometrischen Anordnung des ersten Lasermeßkopfes (80) , des zweiten Lasermeßkopfes (82) und des dritten Lasermeßkopfes (84) bezüglich des Bearbeitungs- Werkzeugs (8; 206) die Höhe des BearbeitungsWerkzeugs gegenüber der Referenzebene (60) berechnet und abhängig von der berechneten Höhe und einer Soll-Höhe ein Höhensteuersignal für das Bearbeitungswerkzeug (8; 206) erzeugt .
2. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 1, die einen vierten Lasermeßkopf (86) und einen fünften Lasermeßkopf (88) umfaßt, wobei der vierte Lasermeßkopf (86) an der Baumaschine (2; 200) unter einem dritten Winkel gegenüber dem ersten Lasermeßkopf (80) angeordnet ist, wobei der fünfte Lasermeßkopf (88) an der Baumaschine (2; 200) unter einem vierten Winkel gegenüber dem ersten Lasermeßkopf (80) angeordnet ist, wobei der dritte Winkel und der vierte Winkel derart gewählt sind, daß der erste Meßpunkt (50) , der zweite Meßpunkt (52) , der dritte Meßpunkt (54) , ein vierter Meßpunkt (108) des vierten Lasermeßkopfes (86) und ein fünfter Meßpunkt (109) des fünften Lasermeßkopfes (88) auf der Referenz- fläche (60) voneinander beabstandet sind und daß der erste (50) , zweite (52) , dritte (54) , vierte (108) und fünfte Meßpunkt (109) im wesentlichen in Bewegungsrichtung der Baumaschine (2; 200) hintereinander liegen, wobei die Auswerteeinrichtung (120) die Höhe des Bearbeitungswerkzeuges (8; 206) ferner abhängig von einem vierten Abstand des vierten Lasermeßkopfes (86) gegenüber der Referenzfläche (60) , von einem fünften Abstand des fünften Lasermeßkopfes (88) und der bekannten geometrischen Anordnung des vierten Lasermeßkopfes (86) und des fünften Lasermeßkopfes (84) bezüglich des Bearbeitungswerkzeuges (8; 206) berechnet.
3. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Auswerteeinrichtung (120) die Differenzen von jeweils zwei Abständen bestimmt, und diejenigen Abstände als gültig einstuft, deren Differenzbeträge kleiner als ein Grenzwert sind.
4. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Auswerteeinrichtung (120) einen der bestimmten Ab- stände als ungültig verwirft und nicht zur Erzeugung des Höhensteuersignales heranzieht, wenn der betroffene Abstand außerhalb eines vorab festgelegten Bereiches liegt.
5. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 4, bei der der vorab festgelegte Bereich durch eine vorbestimmte Entfernung oberhalb/unterhalb einer Ebene festgelegt ist, wobei die Ebene durch die verbleibenden Abstände festgelegt ist.
6. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
5, bei der die Auswerteeinrichtung (120) die bestimmten Abstände mittelt.
7. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, bei der die Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) in räumlicher Nähe zueinander benachbart, im wesentlichen in Bewegungsrichtung hintereinander und im wesentlichen in gleichen Abständen zu dem Bearbeitungswerkzeug (8; 206) angeordnet sind.
8. Laser-Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der einer der Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) mit dem zugehörigen Meßpunkt (50, 52, 54, 108, 109) und dem Bearbeitungswerkzeug (8; 206) ausgerichtet ist.
9. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, bei der die Baumaschine ein Straßenfertiger (2) ist und das Bearbeitungswerkzeug eine Bohle (8) ist, die über einen Zugarm (10) mit dem Straßenfertiger (2) verbunden ist, wobei die Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) über eine Hal- terung (32) an dem Zugarm (10) befestigt sind, wobei das von der Auswerteeinrichtung (120) erzeugte Höhensteuersignal eine Einstellung eines Zugpunktes (12) des Zugarmes (10) der Bohle (8) bewirkt.
0. Laser-Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Baumaschine eine Straßenkaltfräse (200) mit einem vorderen (202) und einem hinteren Fahrwerk
(204) , von denen zumindest eines höhenverstellbar ist, und bei der das Bearbeitungswerkzeug eine Fräse (206) ist, wobei die Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) in einem gemeinsamen Gehäuse (30) über eine Halterung (104) an der Straßenkaltfräse (200) befestigt sind, wobei das von der Auswerteeinrichtung (120) erzeugte Höhensteuersignal eine Höheneinstellung des vorderen (202) und/oder hinteren Fahrwerks (204) bewirkt.
11. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 9, bei der einer der Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) mit dem zugehörigen Meßpunkt (50, 52, 54, 108, 109) und der Hinterkante (20) der Bohle (8) ausgerichtet ist.
12. Laser-Regeleinrichtung nach Anspruch 10, bei der einer der Lasermeßköpfe (80, 82, 84, 86, 88) mit dem zugehörigen Meßpunkt (50, 52, 54, 108, 109) und der Achse der Frästrommel (206) ausgerichtet ist.
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