APPARATUS FOR DEFINING THE POSITION OF THE CUTTING HEAD OF A BORING OR MINING MACHINE

Abstract: 1. Apparatus for determining the position of the cutting head of a boring or mining machine, characterised by a sensor (8), which is oriented relative to the longitudinal axis of the drift and which may be mounted in a drift a transmitter (6) for transmitting electromagnetic radiation in the wave-length range of 1 mu m to 10 cm on the cutting head (4) and/or on a cutting arm (3), and a telemeter for determining the distance (r) of at least one reference point on the cutting head (4) and/or cutting arm from the sensor (8), and preferably an indicator (12) for indicating the position of the cutting head (4) relative to a required profile (14) to be cut.

Description: Einrichtung zur Erfassung der Position des Schrämkopfes einer Vortriebs- oder Gewinnungsmaschine. Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der Position des Schrämkopfes einer Vortriebs- oder Gewinnungsmaschine. Zur Erfassung der Position des Schrämkopfes einer Vortriebs- oder Gewinnungsmaschine relativ zu einem zu schramenden Sollprofil ist es bereits bekannt geworden, am Rahmen der Schrämmaschine Strahlungsempfänger anzuordnen, welche zusammen mit den Signalen eines ortsfest in der Strecke festgelegten Senders die Ermittlung der Raumkoordinaten der Schrämmaschinenlängsachse erlauben. Ausgehend von den auf diese Weise bestimmten Raumkoordinaten des Rahmens der SchrRmmaschine bzw. der Längsachse der Schrämmaschine, wurde nun noch unter Zuhilfenahme zusätzlicher Signale und vor allen Dingen unter Hinzuziehung von Signalen weiterer Einrichtungen zur Bestimmung der Schwenklage des Schrämarmes relativ zur Schrammaschine auf die Koordinaten des Schrämkopfes geschlossen. Es ist bereits bekannt, bei derartigen Maschinen Anzeigevorrichtungen vorzusehen, bei welchen die Abbildung des Schrämkopfes relativ zum Sollprofil in räumlicher oder ebener Darstellung erfolgte. Gemeinsam ist den bekannten Konstruktionen, dass die Position des Schrämkopfes selbst nie unmittelbar bestimmt werden konnte, und dass vielmehr aus den horizontalen und vertikalen Parallelabweichungen, der Schrägstellung und Neigung zur Streckenachse, sowie dem Sollwinkel der Maschine, unter beträchtlichem technischen Aufwand auf die tatsächlichen Raumkoordinaten des Schrämkopfes geschlossen wird. Bedingt durch die grosse Anzahl der hiefür erforderlichen Bauteile, ergab sich auch eine erhöhte Störanfälligkeit derartiger Einrichtungen. Die Erfindung zielt nun darauf ab, die Position eines Schrämkopfes bzw. der Schreimkepfe von Teilschnittschrämmaschinen unmittelbar und nhne Ermittlung der tage des Fahrwerkes der Schrämmaschine relativ zur Strecke zu erfassen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemässe Einrichtung gekennzeichnet durch einen relativ zur Streckenlängsachse orientierten, in einer Strecke anbringbaren Empfänger, einen Sender für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 1 gm bis 10 cm am Schrämkopf und/oder einem Schrämarm und einen Entfernungsmesser für die Ermittlung des Abstandes wenigstens eines Bezugspunktes am Schrämkopf und/oder Schrämarm von dem Empfänger, sowie vorzugsweise eine Anzeigevorrichtung für die Position des Schrämkopfes relativ zu einem zu schrämenden Sollprofil. Dadurch, dass nun ein Sender für elektromagnetische Strahlung unmittelbar am Kopf oder einem Bezugspunkt am Schrämarm vorgesehen ist, lässt sich bei gleichzeitiger Berücksichtigung des Abstandes dieses Punktes von dem in der Strecke ortsfest angeordneten Empfänger durch eine einzige Winkelbestimmung eine exakte Darstellung der Position des Schrämkopfes in Polarkoordinaten ausdrücken und in einer Anzeigevorrichtung bzw. als Steuersignal für eine automatische Steuerung der Vortriebs- oder Gewinnungsmaschine verwerten. Mit Rücksicht auf die im Bereich der Ortsbrust und damit in unmittelbarer Nähe des Schrämkopfes vorherrschende staubbeladene Atmosphäre, werden zu diesem Zweck Strahlungen gewählt, welche eine geringere Streuung als sichtbares Licht zeigen und ein höheres Durchdringungsvermögen aufweisen, u. zw. vorzugsweise elektromagnetische Strahlung in einem gegenüber sichtbarem Licht längeren Wellenbereich von 1 gm bis 10 cm. In besonders vorteilhafter Weise kann hiebei die Wärmeentwicklung bei der Schrämarbeit ausgenutzt werden, da hiebei die Meissel und der Schrämkopf eine wesentlich höhere Temperatur als die Umgebung aufweisen und somit als Infrarotstrahlensender wirken. Die grosse Temperaturdifferenz zwischen den heissen Meisseln der Schrämköpfe und der Umgebung ermöglicht die Verwendung relativ unempfindlicher Empfänger, wobei auch eine aufwendige Kühlung des Empfängers in der Regel entfallen kann. Vorzugsweise ist der Empfänger hiebei als WHrmebildkamera ausgebildet, welche ortsfest in der Strecke angeordnet ist und zur Streckenlängsachse, beispielsweise an Hand des üblicherweise verwendeten . Laserstrahlenleitstrahles ausgerichtet wird. Derartige Wärmebildkameras weisen eine Zeilenabtastung auf und es kann das auf diese Weise erhaltene Videosignal unmittelbar mit bekannten elektronischen Einrichtungen verwertet, auf Bildschirmen angezeigt und/oder einer Steuereinrichtung zugeführt werden. Die Ausbildung kann aber auch so getroffen sein, dass der Empfänger schwenkbar angeordnet ist und auf wenigstens einen von dem Sender gebildeten Bezugspunkt des Schrämkopfes zur Bestimmung des Winkels zwischen einer Parallelen zur Streckenlängsachse und dem Bezugspunkt des Schrämkopfes ausrichtbar ist. Die servomotorische Nachführung eines derartig schwenkbar ausgeführten Empfängers und Ausrichtung auf den Sender, ergibt hiebei unmittelbar ein Mass für den zu messenden Winkel. Zusammen mit der in bekannter Weise, beispielsweise unter Verwendung von Infrarotstrahlen, gemessenen Entfernung lässt sich die Position des Schrämkopfes unmittelbar darstellen. Wenn lediglich ein Bezugspunkt als Sender gewählt wird, empfiehlt es sich, diesen nahe der Drehachse des Schrämkopfes anzuordnen, da dann auf Grund der bekannten Geometrie des Kopfes und der bekannten Dimension eines Kopfes zusammen mit der gemessenen Entfernung die exakte Position des Schrämkopfes in jeder Drehlage desselben ermittelt werden kann. Die Entfernung kann auch zwischen dem ortsfest angeordneten Empfänger und der Ortsbrust selbst gemessen werden, da ja der Schrämkopf mit der Ortsbrust in Eingriff steht. Insbesondere bei Verwendung einer Wärmebildkamera ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn der als Infrarotstrahlensender ausgebildete Sender von dem auf Betriebstemperatur befindlichen Schrämkopf selbst gebildet ist. In diesem Fall wird mit dem Empfänger die gesamte Kontur des heissen Schrämkopfes erfasst und die Entfernungsmessung könnte in diesem Fall dadurch erfolgen, dass bei gegebener Dimension des Schrämkopfes bei unterschiedlichem Abstand des Schrämkopfes von der Wärmebildkamera die Kontur grösser bzw. kleiner gemessen wird. Eine Verkleinerung der bei fester Brennweite der Wärmebildkamera gemessenen Schrämkopfkontur entspricht einem grösseren Abstand-von der Wärmebildkamera. In vorteilhafter Weise enthält die Anzeigevorrichtung einen Bildschirm, auf welchem die Lage des Schrämkopfes relativ zum Sollprofil darstellbar ist, wobei die Sollprofildarstellung oder die Schrämkopfdarstellung in Abhängigkeit vom Abstand des Schrämkopfes von einem Infrarotstrahlungsempfänger bzw. der Wärmebildkamera in der Grösse veränderbar ist. Auf diese Weise kann die massstäbliche Darstellung am Bildschirm beibehalten werden. In einfacher Weise kann dies dadurch geschehen, dass die Wärmebildkamera ein in Abhängigkeit von der Entfernung des Schrämkopfes in seiner Brennweite verstellbares Varioobjektiv aufweist. Die bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Einrichtung besteht darin, dass die Wärmebildkamera ortsfest in der Strecke orientiert angeordnet ist, dass das Wärmebild in an sich bekannter Weise zeilenweise abgetastet wird, und dass das auf diese Weise erhaltene Videosignal der Anzeigevorrichtung und/oder einer Steuereinrichtung für die Bewegung des Schrämkopfes zugeführt ist. Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung der Einrichtung in einer Strecke, Fig. 2 und 3 eine Darstellung der für die Ermittlung der Raumkoordinaten geltenden geometrischen Bedingungen, Fig. 4 eine schematische Seitenansicht der Einrichtung nach Fig. 1, Fig. 5 das Bild einer Anzeigevorrichtung, welche an die Anordnung nach Fig. 1 angeschlossen ist, und Fig. 6 eine schematische Darstellung der für die Auswertung der erhaltenen Signale erforderlichen Schaltungsanordnung. In Fig. 1 ist eine Teilschnittschrämmaschine 1 innerhalb der Strecke 2 dargestellt. Der Schrämarm dieser Teilschnittschrämmaschine ist mit 3 bezeichnet und weist an seinem Ende zwei rotierbar gelagerte Schrämköpfe 4 auf, welche um die sich quer zur Achse des Schrämarmes erstreckende Achse 5 rotierbar gelagert sind. Ein von einem Infrarotsender gebildeter Bezugspunkt 6 ist nahe dieser Achse 5 am Schrämarm 3 angeordnet. An einem Ausbaurahmen 7 ist ortsfest eine Wärmebildkamera 8 angeordnet, welche in entsprechender Weise am Laserstreckenleitstrahl 9 ausgerichtet ist. Der ortsfeste Empfänger 8 ermittelt die Distanz zwischen von einem Infrarotsender gebildeten Bezugspunkt 6 am Schrämarm und dem Empfänger 8. Die cartesischen Koordinaten des Bezugssystems des Empfängers sind mit x, y und z angedeutet, und es werden zwei Winkel relativ zu diesem Koordinatensystem gemessen, wie dies in Fig. 2 und 3 erläutert ist. In Fig. 2 ist hiebei das cartesische Bezugssystem mit dem Ursprung am Messpunkt der Wärmebildkamera 8 dargestellt. Die x-y-Ebene dieses Bezugssystems wird hiebei in einfacher Weise parallel zum Streckenleitstrahl 9 orientiert. Ausgehend von einer derartigen Orientierung des Bezugssystems der Wärmebildkamera wird nun der Bezugspunkt 6 des Schrämarmes bzw. Schrämkopfes in Polarkoordinaten durch die Winkel und den Abstand r ausgedrückt. Es werden somit zwei Winkel und die Strecke zwischen dem Ursprung des Bezugssystems der Wärmebildkamera 8 und dem Bezugspunkt am Schrämkopf bzw. Schrämarm gemessen. Ebenso gut kannt aber auch die in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Aussenkontur der Schrämkb'pfe in ihrer Gesamtheit durch eine Wärmebildkamera abgetastet werden. Die zu messenden Winkel zu , ff sind in Fig. 3 eingezeichnet. In Fig. 4 ist wiederum der Empfänger 8 ortsfest und relativ zur Streckenlängsachse orientiert an einem Ausbaurahmen 7 festgelegt. Der Winkel 1 ist hiebei zur x-y-Ebene des Bezugs Systems des Empfängers gemessen und erscheint daher gegenüber dem Winkel ' in Fig. 3 um 900 verringert. In analoger Weise ergibt sich in der nicht dargestellten Draufsicht der Winkel 5 ausgehend von der x-Achse des Bezugssystems des Empfängers. Anstelle des Abstandes r zwischen dem Bezugspunkt 6 am Schrämarm und dem Messpunkt des Empfängers 8 kann der Abstand a vom Empfänger 8 zur Ortsbrust 11 gemessen werden, da dieser Abstand bei grösserem Abstand des Empfängers 8 vom Bezugspunkt 6 nur unwesentlich von der Distanz r verschieden ist. Wenn nun abweichendvonden für einen bestimmten, von einem Infrarotsender gebildeten Bezugspunkt 6 am Schrämarm oder Schrämkopf, die gesamte Aussenkontur 10 der Schrämköpfe 4 von der Wärmebildkamera erfasst wird, lässt sich unmittelbar aus dem erhaltenen Videosignal der Warmebildkamera die -in Fig. 5 gezeigte Bildschirmdarstellung erzielen. Der Bildschirm des Monitors 12 ist- hiebei mit 13 bezeichnet und zeigt das Sollprofil 14 der aufzufahrenden Strecke. Innerhalb dieses Sollprofils 14 sind- die Abbildungen der Schrämköpfe 4 ersichtlich, wobei die Spuren der rotierenden Meissel deutlich als im wesentlichen vertikal verlaufende Striche abgebildet sind. Eine für die Abtastung des Videosignals der Wärmebildkamera geeignete Schaltung ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Die Wärmebildkamera ist hiebei ebenso wie der Empfänger mit 8 bezeichnet. Der Kamera werden Signale für die vertikale und horizontale Ablenkung über Leitungen 15 bzw. 16 zugeführt. Das Videosignal gelangt über eine Leitung 17 und ein Differenzierglied 18 zu einem Komparator 19 und kann unmittelbar dem Monitor 12 zugeführt werden. Zum Zwecke der automatischen Steuerung der Arbeitsbewegung des Schrämkopfes bzw. Schrämarmes kann dieses Signal aber auch einer Bildauswertungsschaltung 20 zugeführt werden. Für die drei-Raumkoordinaten der Position des Schrämkopfes können hiebei gesonderte Stellsignale fber Leitungen 21 erhalten werden.

Claims: Patentansprüche: l. Einrichtung zur Erfassung der Position des Schrämkopfes einer Vortriebs- oder Gewinnungsmaschine, gekennzeichnet durch einen relativ zur Strecken längsachse orientierten in einer Strecke anbringbaren Empfänger (8), einen Sender (6) für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbe reich von 1 Fm bis 10 cm am Schrämkopf (4) und/oder an einem Schrämarm (3) und einen Entfernungsmesser für die Ermittlung des Abstandes (r) wenigstens eines Bezugs punktes am Schrämkopf (4) und/oder Schrämarm (3) von dem Empfänger (8), sowie vorzugsweise eine Anzeigevorrichtung (12) für die Position des Schrämkopfes (4) relativ zu einem zu schrämenden Sollprofil (14). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (8) als Wärmebildkamera ausgebildet ist. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass der Empfänger (8) schwenkbar angeordnet ist und auf wenigstens einen von dem Sender (6) gebildeten Bezugspunkt des Schrämkopfes (4) zur Bestimmung des Winkels ( - ) zwischen der Parallelen zur Strecken längsachse und dem Bezugspunkt des Schrämkopfes ausricht bar ist. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugspunkt am Schrämkopf (4) nahe der Drehachse (5) des Schrämkopfes (4) angeordnet ist. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (6) als Infrarotstrahlen sender ausgebildet ist und vorzugsweise von dem auf Betriebstemperatur befindlichen Schrämkopf (4) gebildet ist. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (12) einen Bildschirm (13) enthält, auf welchem die Lage des Schräm kopfes (4) relativ zum Sollprofil (14) darstellbar ist, und dass die Sollprofildarstellung oder die Schrämkopfdar stellung in Abhängigkeit vom Abstand (r) des Schrämkopfes (4) von einem Infrarotstrahlungsempfänger (8) bzw. der Wärmebildkamera in der Grösse veränderbar ist. 7. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wärmebildkamera (8) ein in Abhängigkeit von der Entfernung (r) des Schrämkopfes in seiner Brenn weite verstellbares Varioobjektiv aufweist. 8. Einrichtung nach Anspruch 2, 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, dass die Wärmebildkamera (8) ortsfest in der Strecke orientiert angeordnet ist, dass das Wärmebild in an sich bekannter Weise zeilenweise abgetastet wird, und dass das auf diese Weise erhaltene Videosignal der Anzeigevorrichtung (12) und/oder einer Steuereinrichtung für die Bewegung des Schrämkopfes (4) zugeführt ist.

Inventors: DROSCHER, BERNHARD DIPL.-ING., SCHELLENBERG, EDUARD, DIPL.-ING., ZITZ, ALFRED, Dröscher, Bernhard Dipl.-Ing.
Applicants: VOEST-ALPINE AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: E21D9
IPC codes: E21F17, G01C15, G01S3, E21D9, E21C35