DE2009360B2 - Anordnung zur gesteuerten Führung einer Arbeitsmaschine mit Laserstrahlen.- - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Anordnungen bei der Steuerung von Tunnelvortriebsmaschinen, Gleisrichtmaschinen, Baumaschinen u. dgl. sind bereits vorgeschlagen worden ( man vergleiche hierzu beispielsweise das ältere deutsche Patent 1 806 450). 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 Tunnelbaumaschine mit Hilfe einer derartigen Anordnung möglich, daß die Maschine etwas verkantet zur Arbeitsrichtung vorangetrieben wird, so daß zwar der auf ihr angemessene Mittelpunkt der Fotoempfängeranordnung stets auf der Sollachse liegt, der Vortriebsschild aber einseitig belastet wird, da er nicht mehr genau senkrecht zur Vortriebsrichtung liegt.

Darüber hinaus kann es auch bei parallel zur Arbeitsrichtung liegender Achse der Arbeitsmaschine dann zu einem eine Fehlsteuerung verursachenden Signal kommen, wenn sich die Arbeitsmaschine mit der daran befestigten Empfangsanordnung lediglich um ihre Achse verdreht. Infolge der damit verbundenen seiilichen Verschiebung der Empfangseinrichtung kommt es dann auch ohne Fehlabweichung der Maschine zu einem Ausgangssignal, welches die Maschine dann durch einen Fehllauf zu korrigieren sucht.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe pesteilt, eine Anordnung zum Erzeugen von Signalen zur gesteuerten Führung von Arbeitsmaschinen zu schaffen, die ohne die Gefahr eines Schräglaufs geführt werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe

ίο werden bei einer Anordnung der eingangs genannten Art gemäß vorliegender Erfindung die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Mit Vorteil ist die Erfindung dabei so ausgestaltet, daß der Laserstrahl in zwei vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden Ebenen unter Bildung eines Fächerkreuzes aufgefächert ist und daß jede Fotoempfängeranordnung mindestens zwei parallel zu jeder Ebene angeordnete Fotoelemente, insbesondere

so Fotozellen, enthält, wobei die Fotoelemente ein großes L bilden und sich die beiden L in einer Projektion parallel zur Laserstrahlachse im wesentlichen zu einem Rechteck ergänzen.

Durch dieses Anmessen von zwei in Achsrichtung

*5 beabstandeten Punkten der Maschine und die gleichzeitige Bestimmung der Winkeldrehung um die Achse läßt sich die Lage der Maschine im Raum eindeutig festlegen und damit auch eine fehlerfreie Steuerung erzielen.

Da es im allgemeinen nur darauf ankommt, die Maschine in einer vorgegebenen Sollachse zu bewegen, können die Fotoempfangseinrichtungen als einfache ja-nein-Empfänger ausgebildet sein, indem je Fotoempfängeranordnung, d.h. je anzumessendem Punkt an der Maschine je ein Fotoelement links und rechts der vertikalen Laserfächerebene und je ein Fotoclement oberhalb und unterhalb der waagerechten 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 od.dgl.

die Antriebseinrichtungen entgegen der angezeigten Auslenkung steuern, d.h. also die Differenzsignale zum Verschwinden zu bringen suchen.

Daß durch diesen Arbeitsablauf wirklich nur die echten seitlichen Verschiebungen dev 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. Um diese Schwierigkeit auszuschließen, kann die Fotoempfangseinrichtung als Proportionalempfänger ausgebildet sein, wobei langgestreckte Fotozellen verwendet werden, deren Empfindlichkeit sich in einer Richtung monoton ändert, indem sie entweder mit einem keilförmigen Filter bedeckt sind oder eine keilförmig sich veränderte Breite aufweisen, oder durch entsprechende Dotierung ein solches Empfindlich-

keilsprofil eingeprägt erhalten.

Will man in diesem Fall noch besonders große seitliche Verschiebungen miterfassen können, so werden derartige proportionale Meßanordnungen infolge der teueren und schwierig herzustellenden Fotoelemente unwirtschaftlich. In Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß die Fotoempfängeranordnungen automatisch durch motorgetriebene Verschiebeanordnungen genau in der Mitte zwischen zwei zusammengehörigen Fotoelementen gehalten sind, wodurch die Verschiebeanordnungen der Verschiebung proportionale Stellsignale liefern. Diese Stellsignale und die Drehsignale der Drehmeßanordnung sollen die Antriebsanordnungen der Maschinen dann so steuern, daß die Stellsignale und die Drehsignale zum Verschwinden gebracht werden.

An Hand des in den Figuren der Zeichnung schemalisch dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Übersichtsdarstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 2 eine der Fotoempfängeranordnungen gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 eine Arbeitsmaschine schematiNch als Rotationskörper angedeutet, deren Maschinenachse 11 längs einer vorgegebenen Leitlinie geführt werden soll. Der Ausgangsstrahl eines fest aufgestellten nicht sichtbaren Lasers wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die mit Hilfe von Zylinderlinsen oder Drehspiegelanordnungen jeweils in senkrecht zueinander stehenden Ebenen aufgefächert werden, wobei vorzugsweise vor der Auffächerung der Strahldurchmesser auf einen Durchmesser von einigen Zentimetern aufgeweitet wird, um die beugungsbegrenztc Parallelität des Strahls zu erhöhen. Die Schnittlinie dieser beiden Laserfächerebenen, die in der Fig. 1 beschrieben ist, liegt parallel zur Maschinenachse 11. Das von diesen aufgefächerten Laserstrahlen im Querschn.tt gebildete Fächerkreuz ist an den Stellen der Fotoempfängeranordnungen 2 und 3 schematisch angedeutet, wobei 4 die senkrechte Fächerebene und 5 die waagerechte Fächerebene ist.

Jede Fotuempfängeranordnung 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 Null, 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 4 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 Antriebseinrich'ungen der Maschine selbsttätig so steuern, daß die Verschiebung wieder rückgängig gemacht wird. Die Fotozellen der beiden Fotoempfängeranordnungen 2 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 Anordnunf 2 die hintere nicht gegenüber dem Laserstrahl abschatten kann.

Da derartige Empfängereinrichtungen mit einer Genauigkeit von weniger als einem Millimeter ohne

ι» Schwierigkeiten realisiert werden können, kann also der maximale Fehllauf eines jeden Meßpunktes 26 bzw. 36 und damit ein Fehllauf der Maschinenachse 11 nur sehr gering werden. Die Genauigkeit der Festlegung der Maschinenachse 11 läßt sich bei gegebener

*5 Ansprechempfindlichkeit der Fotoempfängeranordnungen dadurch besonders groß machen, daß man die beiden Anordnungen in Achsrichtung der Maschine möglichst weit voneinander beabstandet, so daß bei einer seitlichen Verschiebung eines der Meßpunkte

die Winkelverkippung der Maschinenachse 11 besonders klein ist.

In der schematischen Übersichtszeichnung nach Fig 1 ist die Drehmeßanordnung als einfaches auf der Maschinenachse angelenktes Pendel 6 dargestellt,

^a5 welches auf einer metallischen Kreisbogenschiene 7 so gleitet, daß bei verschwindender Reibung ein ausreichender elektrischer Kontakt besteht. Wird zwischen den beiden Endpunkten 8 und 9 der Schiene eine Spannung angeschlossen, wobei beispielsweise

der Mittelpunkt 18 auf Erdpotential liegt, so liegt bei eiiicr Verdrehung der Arbeitsmaschine 1 um ihre Achse 11 am Drehpunkt 10 des Pendels eine positive oder negative Spannung, deren Größe und Polarität der Stärke und Richtung der Verdrehung entspricht.

Dieses Drehsignal kann nun zur selbsttätigen gegenläufigen Zi. ιiuekverdrehungder Arbeitsmaschine verwendet werden.

Kalis eine Verdrehung der Arbeitsmaschine um ihre Achse 11 überhaupt möglich ist, was nur bei manchen Arbeitsmaschinenarten der Fall ist, so ist diese automatische Kompensation der Drehwinkcllage insofern von großer Bedeutung, da diese ohne eine sofortige Kompensation über durch die Drehsignale gesteuerte Antriebseinrichtungen zu einer seitlichen Verschwen-

kung der Fotoempfängeranordnungen 2 und 3 und damit zur fälschlichen Anzeige einer seitlichen Verschiebung die Arbeitsmaschine führen würde, die durch die von den Fotoempfängereinrichtungen gesteuerte Automatik nunmehr in eine tatsächliche fälschliche Seitenverschiebung umgesetzt würde.

In Fig. 2 ist die Fotoempfängereinrichtung 2 mit

• den zugehörigen Steuerorganen schematisch größer dargestellt. Dabei ist den Fotozellen 21 und 22 bzw. 23 und 24 zunächst ein Verstärker 15 und 16 nachgeschaltet, während die Üifferenzstufen in diesen Verstärkern nachgeschalteten, als Kästen 17 und 18 angedeuteten, Steuergeraten 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 Analoganzeige 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 vorzugsweise Spindeln oder Seilzüge enthält, liefert dann den Verschiebekomponenten proportionale Signale, die im Gegensatz zur vorher beschriebenen Digitalanzeige den Absolutwert der seitlichen Verschiebung ihres Meßpunktes darstellen.

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, Fotowiderstände 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. waagerechten Schenkel und der eine Laserfächer entfallen können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Erzeugen von Signalen 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 foioempfindlichen Empfängereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Richtung der Längsachse der Arbeitsmaschine beabstandete, zur Messung der Lage zweier Punkte (26, 36) bezüglich des Laserstrahls dienende Fotoempfängeranordnungen (2, 3) und vorzugsweise eine zusätzliche mit der Arbeitsmaschine verbundene Drehmeßanordnung (6,7) zur Bestimmung der Winkelrotation der Arbeitsmaschine um ihre Längsachse vorgesehen sind.

"* Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in vorgeschlagener Weise in zwei vorzugsweise senkrecht zueinander stehenden Ebenen (4, S) unter Bildung eines Fächerkreuzes aufgefächert ist und daß jede Fotoempfängeranordnung mindestens zwei parallel zu jeder Ebene angeordnete Fotoelemente, insbesondere Fotozellen, enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch 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. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfängeranordnungen automatisch durch motorgetriebene Verschiebeanordnungen genau in der Mitte zwischen zwei zusammengehörigen Fotoelementen gehalten sind, wodurch die Verschiebeanordnungen der Verschiebung proportionale Stellsignale liefern.