DE2009360A1 - Anordnung zur gesteuerten Fuhrung einer Arbeitsmaschine mit Laserstrahlen - Google Patents

Description

SIEMENS AKiIBHGESSLiSGHAFT Hünqhen 2,. den 27. FEB. 1970

Berlin und München Wittels-bacherplatg 2

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Anordnung zur gesteuerten Führung einer Arbeitsmaschine , . mit Laserstrahlen

Bie vorliegende Erfindung betrifft ein.e Anordnung, zur gesteuerten führung einer im v/es ent lieh en in .Richtung, ihrer -!Längsachse bewegten Arbeitsmaschine im Raum mit Hilfe eines raumfesten Laserstrahls und einer auf der Arbeitsmaschine angeordneten fotoempfindlichen Empfängereinrichtung.

Derartige Anordnungen "zur Steuerung von Tunnelvortriebsmaschinen, Gleisrichtmaschin.en_? Baumaschinen und dergleichen sind bereits vorgeschlagen worden (man vergleiche hierzu beispielsweise das deutsche Patent . ... ,». Akt.Z, P 1-8 06 450.1)· "Diese Anordnungen, die sich bereits außerordentlich gut bewährt haben, weisen jedoch für manche Anwendungsfälle gewisse Nachteile"" auf. So ist es beispielsweise bei der Steuerung einer lunne^baumaüchine mit Hilfe einer derartigen Anordnung möglich, daß--die Maschine etwas verkantet zur ArteitQ.richtuO.g' vq range--- _ trieben wird, so daß zwar öer auf ihr angemessene Mittelpunkt der Fotoeinpfäng3ranordnung stets auf der SoXlachse liegt-, der Vortriebsschild aber einseitig belastet wird, da er nicht mehr genau senkrecht 3ur Yortriebsrlchtung ' liegt, ■

Darüber hinaus kann es auch bei parallel zur Arbeitarichtung liegender Achse der Arbeitsmaschine dann zu einem eine Fehlsteuerung verursachendon Signal ko»men₄ wenn 3ich die ArbeitsmaschinQ mit der cHMr*n "befestigten Empfangs anordimng lediglich um ihre Achse Y«3fär«&t., Infolge der damit verbundenen seitlichen Y«rfoife4ebu»g 4er

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einrichtung jjcotnnrt es dann auch ohne rehlabvtelahung; der Maschine W einem Auegangssignal, welches die Maschine dann durch einen Feh.lauf zu korrigieren. > sucht.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe ge-. stellt, eine Anordnung zur gesteuerten Führung von Arbeitsmaschinen zu schaffen, die ohne die Gefahr eines Schräglaufs geführt werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer A:.Ordnung der eingangs genannten Art gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagen, da.'c zwei in Richtung der Längsachse der Arbeitsmaschine beabstandete, ^ur Messung der Lage zweier Punkte bezüglich des Laserstrahls di*. iende L otoempfär;-geranordnungen und vorzugsweise eine zusätzliche mit der Arbeitsmaschine verbundene Drehmeßanoriinung zur Bestimmung der Winkelrotation der Arbeitsmaschine um ihre Längsachse vorgesehen sind.

Mit Vorteil ist die Erfindung dabei so ausgestaltet, daß der Laserstrahl in zwei vorzugsweise eenlcreoht zueinander stehenden Ebenen unter Bildung eines Püclierkreuzes aufgefächert ist u.id daß jede iTotoenpfängerk anordnung mindestens zwei parallel zu jeder Ebene angeordnete Fotoelemente, inabesondere Fotozellen, enthält, wobei die Fotoelemente ein großes L bilden und sich die beiden L in einer Projektion parallel zur Lasarstrahlachse im wesentlichen zu einem Rechtsck ergänzen.

Durch dieses Anmessen von zwei in Aohurichtung beabotandeten Punkten der Maschine und die gleich;:ei tilge Bestimmung der Winkeldrehung um die Achse läßt sich die Lage der !faschine im Raum eindeutig festlegen und damit auch eine fehlerfreie Steuerung erzielen.

BAD ORIGINAL

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Da es "im-allgemeinen "nur darauf, ankommt, die Maschine in einer vorgegebenen Sollachse au. "bewegen, können die Potoempfangseinrichtungen als_einfache ja-nein-Empfanger ausgebildet sein, indem je Potoempfängeranordnung, d.h. je anzumessendem Punkt an der Maschir.s je ein Fotoelement links und rechts der vertikalen Laserfächerebene und je ein Fotoelement oberhalb und unterhalb der waagrechten Laserfächerebene vorgesehen sind. Die jeweils einer Laserfächerebene zugeordneten Fotoelemente arbeiten auf eine Differenzstufe, deren Ausgangssignal nur dann Null ist, wenn die zugehörige Laserfächerebene genau in der Mitte der beiden Fotoelemente liegt. Im anderen Fall werden Ausgangssignale verschiedener Polarität abgegeben, die über Schaltschütze oder dergleichen die Antriebseinrichtungen entgegen der angezeigten Auslenkung steuern, d.h. also die Differenzsignale zum Verschv/inden zu bringen suchen.

Daß durch diesen Arbeitsablauf wirklich nur die echten seitlichen Verschiebungen der Meßpunkte und damit der Maschine erfaßt werden, wird durch;die Drehmeßanordnung gewährleistet, deren Ausgangssignale (Drehsignale) automatisch zu einer gegenläufigen Verdrehung der Maschine herangezogen werden. Um- ein sauberes Ansprechen der Fotoempfangsanordnung sicherzustellen, dürfen die .einander zugeordneten in Differenzschaltung betriebenen. Fotozellen nicht zu weit voneinander beabstandet sein,_:so daß bei einer plötzlichen starken Verschiebung, d.h.. bei einem. plötzlichen stärkeren Fehllauf der Maschine,, der Fang- und Anzeigebereich verlassen wird. IJm diese Schwierigkeit auszusehließen, kann die Fotoempfangseinrichtung. . .· als Proportionalempfänger ausgebildet sein, wobei langgestreckte Fotozellen verwendet werden, deren Empfindliche _;. keit sich in einer Richtung monoton ändert, indem sie entweder mit einem keilförmigen Filter bedeckt sind oder, eine keilförmig sich veränderte Breite auf v/eisen, oder durch entsprechende Dotierung ein solches Empfindlichkeits-'profil 'eingeprägt erhalten. .

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Will man in diesenJMuLl noch besondere große seitliche VerschieTSneni|;en »iijeJnftesen können, so werden derartige proportionale !teßiiftordnungen infolge der teueren und schwierig herzusteilenden Fotoelemente unwirtschaftlich. In Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß die Fotoempfängeranordnungen automatisch über Stellsignale proportional zur Auslenkung aus der Sollage erzeugende motorgetriebene Verschiebeanordnungen parallel zu der (den) Fächerebene (n) des Laserstrahls verstellt werden, bis die Fächerebene(n) genau in der Mitte zwischen zwei-zusammengehörigen Fotoelementen liegt (liegen) und daß diese Stellsignale und die Drehsignale der Drehmcßanordnung die Antriebsanordnungen der Maschinen so steuern, daß die Stellsignale und die Drehsignale zum Versehwinden gebracht werden»

Anhand des in den Figuren der Zeichn, ng sch.:matiach dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend-mit weiteren Merkmalen erläutert v/erden. Dabei zeigt:

Figur 1 eine schematische perspektivische Übersichtsdarstellung einer erfindungsgemäßon*Anordnung und Figur 2 eine der Fotoempfängeranordnungen gemäß Figur 1.

In Figur 1 ist mit 1 eine Arbeitsmaschine schematisch als Rotationskörper angedeutet,' deren Maschinenachoe 11 längs einer vorgegebenen Leitlinie geführt v/erden 3oll. Der Ausgangsstrahl eines fest aufgestauten nicht sichtbaren Lasers wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die mit Hilfe von Zylinderlinsen oder Drehepiegelanordnungen jeweils in senkrecht 5;ueinandsr stehenden Ebenen aufgefächert werden, wobei vorzugsweise vor der Auffächerung der Strahldurchmesser auf einen Durchmesser von einigen Zentimetern aufgeweitet Vird, um die beugungsbeoremjte Parallelität des Strahle zu erhöhen. Die Schnittlinie dieser beiden Laserfächerebenen, die in der F.ig. 1 beschrieben ist, lie^t parallel zur Ma^ohlnonachcc 1'. Das

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von diesen aufgeXa/afci&rten Laserstrahlen im Querschnitt gebildete Fäciasrkreua ist an den Stellen der Fotoempfängeranordnungen 2 und 3 schematiseh angedeutet, wobei 4, die senkrechte Fächerebene und 5 die waagrechte Fächerebene ist. - . ...'".

Jede Fotoempfängeranordnung besteht aus vier paarweise auf die Schenkel eines rechtwinkeligen Dreiecks verteilten Fotozellen 21 bis 24 bzw. 31 bis 34» Liegen die Laserfächer in der in der Zeichnung angedeuteten Weise jeweils genau in der Mitte zwischen zwei Fotozellen eines Schenkels, so liefert eine an diese beiden Fotozellen angeschlossene · Differenzstufe das Ausgangssignal Hull, welches die Sollage repräsentiert. Die beiden Meßpunkte an der Maschine sind somit die Schnittpunkte 26 und 36 der Laserachse 12 mit der·jeweiligen Fotoempfängerebene. Verschiebt sich nun infolge eines Fehllaufes der.Maschine ein solcher Meßpunkt, : was in unserem Fall einer Verschiebung der Fotoempfängeranordnung gegenüber dem ortsfesten Laserkreuz 4, 5 bedeutet, so verursachen die vertikalen bzw. horizontalen Komponenten· der Verschiebung ein entsprechendes Ausgangssignal der Differenzstufe, die an die vertikalen bzw. horizontalen Fotoelemente angeschlossen ist, da nunmehr die Laserfächer und 5, die ihnen zugeordneten Fotoelemente verschieden stark bestrahlen. Diese je nach der Richtung der Verschiebung positiven oder negativen Ausgangssignale der Differenzstufen können nach einer geeigneten Verstärkung über Schaltschütze die Antriebseinrichtungen der Maschine selbsttätig so steuern, daß die Verschiebung wieder rückgängig gemacht wird. Die Fotozellen der beiden Fotoempfängeranordnungen und 3 sind in der in der Zeichnung dargestellten Weise gegeneinander so versetzt, daß sie in Projektion im wesentlichen ,ein Rechteck bilden, so daß die vordere Anordnung 2 die .hintere nicht gegenüber.dem Laserstrahl abschatten kann.

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Da derartige Empfängereinrichtungen mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter ohne Schwierigkeiten realisiert werden können,' kann also der maximale' Fehllauf eines jeden Meßpunktes bzw. 36 und damit ein Fehllauf der Maschinenachse nur sehr gering werden. Die Genauigkeit der Festlegung der Maschinenachse 11 läßt sich bei gegebener Ansprechempfindlichkeit der Fotoempfängeranordnungen dadurch besonders groß machen» daß man die beiden Anordnungen in Achsrichtung der Maschine möglichst weit voneinander beabstandet, so daß bei einer eeitliehen Verschiebung eines der Müßpunkte die Winkel- verkippung der Maschinenachse 11 besondere klein ist.

In der schematischen Übersichtajseichnung nach Fig. ist die B&hraeßanordnung als einfaches auf der Maschinenachse angelenktes Pendel 6 dargestellt, welches auf einer metallischen Kreisbogenschiene 7 so gleitet, daß bei verschwindender Reibung ein ausreichender elektrischer Kontakt besteht. Wird awiechen den beiden Bndpunkten θ und 9 der Schiene eine Spar.nung angeschlossen, wobei beispielsweise der Mittelpunkt 18 auf Erdpotential liegt, so liest bei einer Verdrehung der Arbeitsmaschine 1 um ihre Achse 1 . am Drehpunkt des Pendels eine positive oder negative Spannung, deren Größe und Polarität eier Stärke wv.\ Richtung der Verdrehung entspricht. Dieses Drehsignal kann nun zur selbsttätigen gegenläufigen Zurückverdrehung der Arbeitsmaschine verwendet werden.

Falls eine Verdrehung der Arbeitsmaschine um ihre Achse 1i überhaupt möglich ist, was nur bei manchen Arbeitsmaachiaenarten der Fall ist, so ist diese automatische Kompensation der Drehwinkellage insofern von großer Bedeutung, da diese ohne eine sofortige Kompensation über durch die Drehsignale gesteuerte Antriebseinrichtungen su einer seitlichen Verschwenkung

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der.Fotoempfängeranordnungen 2 und 3 until damit zur fälschlichen -Anzeige einer seitlichen Verschiebung die Arbeitsmaschine führen würde j die durch die von :.den Potoerapfängereinrichtungen gesteuerte Automatik nunmehr in eine tatsächliche fälschliche Seitenverschiebuni'r umgesetzt würde.

In Pigur 2 ist die Fotoempfängereinrichtuiig 2 mit den augehörigen -Stcuerorganen scheinatisch größer dargestellt. Dabei ist den Fotozellen 21 und 22 bzw, 23 und 24 zunächst ein Verstärker 15 und 16 nachgeschaltet, während die Differenzstufen in diesen Verstärkern nachgeschauteten, -als Kästen 17 und 18 angedeuteten, Steuergeräten liegen. Die Arbeitskontakte 19 und 20 der Steuergeräte 17 und 18 sind zur Abgabe von vier Signalen für die möglichen Fälle "zu hoch", "zu tief" und "Sollage" bzw. "zu weit rechts", "zu weit links" und "Sollage" bestimmt. - ' ■

Die angedeuteten Fotoempfängeranordnungen, die lediglich die Aussage richtig, zu hoch, zu tief bzw. zu weit links oder zu weit rechts geben, lassen sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch zu einer Einrichtung mit Analogarizeige erweitern, daß diese Empfänger durch eine Verschiebeanordnung in vertikaler und horizontaler Richtung verschiebbar sind, wobei diese Verschiebung durch die Ausgangssignale der Steuergeräte automatisch durchgeführt wird, bis die Differenzsignale Null sind, d.h. die Laserfächer genau in der Mitte zwischen ihren Fotoelementen liegen. Die Verschiebeeinrichtung, die vprzugsv/eise Spindeln oder Seilzüge enthält, liefert dann den Vei-schi.ebekomponeniien proportionale Signale, die ixa Gegensatz zur vorher beschriebenen Digitalanzeige den Abaolutv/ert der seitlichen Verschiebung ihres Heßpunktes darstellen.

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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es, da es bei der Steuerung der Arbeitsmaschine lediglich auf die Lage der. Maschinenachse ankommt, bei Arbeitsmaschinen, die sich überhaupt nicht um ihre Achse verdrehen können, nicht notwendig, eine automatisch korrigierende Drehmeßeinrichtung vorzusehen, die darüber hinaus in verschiedenster Weise aufgebaut sein könnte. Die im Ausführungsbeispiel angesprochenen Fotozellen können Fotodioden, 3?otowiderstände usw. sein.

Schließlich ist es-selbstverständlich auch möglich, ■im Falle einer Arbeitsmaschine, die nur in einer Richtung ausweichen kann, eine vereinfachte Empfangsanordnung lediglich für eine Richtung zu verwenden, wobei dann die Fotoelemente der senkrechten bzw. waagrechten Schenkel und der eine Laserfächer entfallen können.

2 Figuren

4 Patentansprüche

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Vf λ Ό, .ι;, 109837/0866

Claims (4)

1. a t «s η t a η s ό r ü c h e*

   Iy Anordnung zur gesteuerten Führung einer im wesentlichen in Richtung ihrer Längsachse bewegten Arbeitsmaschine im Raum mit Hilfe eines raumfesten Laserstrahls und einer auf der Arbeitsmaschine angeordneten fötoempfind— lichen Smpfängereinrichtung, dadurch g e k e η η ζ e i G h!..'.n et', daß zwei in Richtung der Längsachse der Arbeitsmaschine beanstandete, zur Messung der Lage zweier Punkte ,(26,.36) bezüglich des Laserstrahls dienende*. Fotoempfängerancrdnungen (2,3) und vorzugsweise eine zusätzliche mit der Arbeitsmaschine verbundene Drehmeßanordnung (6,7) zur Bestimmung der WinkeIrαtatloft der Arbeitsmaschine um ihre Längsachse vorgesehen sind.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gökennzeichne t , daß der Laserstrahl in zwei vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden Sbenen (4*5) unter Bildung eines Fächerkreuzes aufgefächert ist und daß jede Fotoempfängeranordnung mindestens zwei parallel zu jeder Ebene angeordnete Fotoelemente, insbesondere Fotozellen, enthält.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Fotoelemente (21,22,23,24; 31,32,33,34) jeder Fotoempfängeranordnung (2,3) ein L bilden und daß sich die beiden L in einer Projektion parallel zur Laserstrahlachse (12) im wesentlichen zu einem Rechteck ergänzen.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bia 3, da d u r C h g e k e η η ze i ,ο h »ι t , daß die Fotoempfängeranordnungen' automatisch über SteXlsignale proportional zur Auslenkung aus der Sollage erzeugende motorgetriebene-.··

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   Verschiebeanordnungen parallel au der (den) Fächerebene(n) des Laserstrahls verstellt werden bis die Fächerebene(n) genau in der Mitte zwischen awe•L-ssusair.men/'.'ehörigen Fotoelementen liegt (liegen) und daß diese Stellsignale und die Drehsignale der Drehmeßanordnung die Antriebsanordmmgen der Maschinen so steuern, daß die Stellsignale und die Drehsignale zum Verschwinden gebracht werden.

   ΙϊαΪΓ ORIGINAL VPA 9/170/0015

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