Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Koordinatensystem
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur Ermittlung der Istlage einer Tunnelbohrmaschine in einem raumfesten Bezugskoordinatensystem, dessen Längsachse annähernd in Richtung der Tunnelachse orientiert ist.
Bekannte Einrichtungen zur Ermittlung der Istlage von Raketen und zur Lenkung solcher Raketen längs vorbestimmter Flugbahnen sind ungeeignet, um die momentane Istlage einer Tunnelbohrmaschine zu vermessen und gegebenenfalls mit programmierten Sollwerten zu vergleichen, damit aus dem Vergleich der Sollwertkomponenten mit den ermittelten Istwertkomponenten d:e erforderlichen Lage- und Richtkorrekturen für die Tunnelbohrmaschine abgeleitet werden können. So sind, infolge der unvermeidlichen Reflexionen in einem Tunnel und längs der Erdoberfläche weder Radar- noch Funksignalbündel brauchbar.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Bohrmaschine ein Lichtstrahler befestigt ist, welcher ein extrem enges Lichtbündel als apparativ erfühlbare, feststehende Längsachse eines raumfesten Koordinatensystems in Richtung zur Bohrmaschine ausstrahlt und dass an der Bohrmaschine mindestens ein Strahlungsempfänger angeordnet ist, mit dessen Hilfe jederzeit die Lage des Empfängerzentrums relativ zur Lichtbündelachse feststellbar ist. Als einfachstes, vielfach aber ungenügendes Realisierungsbeispiel könnte als Strahlungsempfänger lediglich eine Strahlungsindikatorscheibe an der Bohrmaschine befestigt sein, die dort, wo sie vom Lichtbündel des Lichtstrahlers, z.B. eines LASER-Gerätes, getroffen wird, leuchtet.
Beim Vertrieb der Bohrmaschine könnte so jederzeit kontrolliert werden, ob sich der Lichtfleck noch im Zentrum des Empfängers befindet, bzw. in welcher Richtung Ider Lichtfleck auszuwandern beginnt.
Damit kann rechtzeitig eine Korrektur der Tunnelvortriebsrechnung veranlasst werden.
Es ist aber praktisch von grossem Vorteil, die Einrichtung so zu gestalten, dass es nicht notwendig ist,
2 einen festen Teil der Tunnelbohrmaschine stets in der Strahlbündelachse zu halten.
Es kann z. B. vorgesehen sein, dass mindestens ein an der Bohrmaschine befestigter Strahlungsempfänger in zwei quer zur Lichtbündelachse orientierten, maschinenfesten Koordinatenrichtungen relativ zu einer Bezugslage verstellbar ist, und dass die sich nach Erreichung einer zentrischen Einstellung des Strahlungsempfängers relativ zur Lichtbündelachse ergebenden Koordinaten des Empfängerzentrums in bezug auf die maschinenfeste Bezugslage quantitativ feststellbar sind.
Besonders vorteilhaft ist eine Einrichtung der vorstehend definierten Art, in welcher mindestens ein Strahlungsempfänger so ausgebildet ist und durch derartig von ihm gesteuerten Servoverstellvorrichtungen in den maschinenfesten Koordinatenrichtungen bewegt wird, dass sich eine tselbst- tätige Zentrierung des betreffenden Strahlungsempfängers in bezug auf die Lichtbündelachse ergibt. Dabei kann weiterhin eine an der Bohrmaschine angeordnete Verkantungskontrollvorrichtung zur quantitativen Ermittlung der jeweiligen Abweichung der einen maschinenfesten Koordinatenrichtung von einer raumfesten Koordinatenrichtung (X) vorgesehen werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung ist in der Zeichnung dargestellt.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt in Form eines geometrischen Schaubildes ein beispielsweises Realisierungsprinzip der Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch im Grundriss, der aber ebenso gut als Aufriss betrachtet werden kann, eine beispielsweise Anwendung einer erfindungsgemässen Einrichtung.
Fig. 3 zeigt die Ansicht einer rotierenden Blende, wie sie in einem Strahlungsempfänger verwendet werden kann, der beispielsweise in
Fig. 4 haibschematisch dargestellt ist, in Verbindung mit dem Lichtbündel, den servomotorischen Verstellantrieben und der elektronischen Auswerteschaltung zur Gewinnung der Steuersignale für die Servomotoren.
Fig. 5 stellt ein Zeit- bzw. Winkeldiagramm für die Referenzsignale und den Photozellenstrom i für verschiedene Relativlagen der Lichtbündelachse zum Zentrum des Strahlungsempfängers dar. Weiterhin zeigen:
Fig. 6 ein Schaltschema zur Erzeugung der Steuerspannungen für die Servomotoren, d. h. für den in Fig. 4 mit D bezeichneten Block,
Fig. 7 ein Prinzipschema für die Auswertung und für den Vergleich der senomotorisch ermittelten Ablagekomponenten der gerätefesten Bezugspunkte von der Lichtachse mit vorgegebenen entsprechenden Werten,
Fig. 8 ein Beispiel eines Armaturenbrettes im Führerstand einer Tunnelbohrmaschine, die mit einer erfindungsgemässen Lageermittlungseinrichtung ausgerüstet ist.
In Fig. 1 ist ein Balken G sichtbar, der einen festen Bauteil einerTunnelbohrmaschine bilden mag. Zwei ausgezeichnete Eckpunkte 01 und 0 dieses Balkens G bilden die Ursprünge je eines gerätefesten Bezugskoordi natensystems -i H1 Z bzw. 82 H2 Z, wobei die beiden Koordinaten systeme zwangsläufig zur Parallelität und zur festen Distanzierung in der gemeinsamen Z-Achse auf einen bekannten Distanzwert lz starr verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass die Koordinatensysteme .-lBlZ und -2H2Z entweder dauernd so orientiert werden, dass sie praktisch genau mit den ebenfalls ein- gezeichneten Koordinatensystemen Xt, Y1, Z bzw.
X2, Y2, Z in Deckung sind, in welchen die Lage der Y-Achsen durch das Lot in den Ursprüngen definiert ist oder dass die Verdrehung g der beiden Systeme stets bekannt ist. Mit A ist die räumlich definierte Zentralachse eines extrem engen Lichtbündels bezeichnet, zu welcher die Z-Achse des Gerätes, also dessen Hauptachse und Hauptbewegungsrichtung, einigermassen, aber nicht ge nau. gleichgerichtet sei.
Die momentane Lage und Orientierung des Gerätes, d. h. die Lage der Balkenpunkte 0j, 02 und die Orientierung der Geräteachse 01, 02 kann durch fortwährende Ermittlung der Schnittpunkte S01, SO2 der Ebenen #1 H1 bzw. #2 #2 mit der Achse A des Lichtbündels, bzw. der Koordinatenwertpaare $ 1L und "2 dieser Schnitt- punkte genau definiert werden. Voraussetzung zur technischen Realisierung dieses Prinzipes ist es, dass am Gerät G, d. h. am Balken, der in Fig. 1 gezeichnet ist, Strahlungsempfänger S1, S2 befestigt und je in zugeordneten gerätefesten Querkoordinatenrichtungen H 1 H1 bzw.
22112 verschiebbar sind und dass es möglich ist, zu erfühlen, ob die Zentren SOi, SO der beiden Strahlungs- empfänger genau in der Lichtbündelachse A liegen. Unter diesen Umständen definieren die Koordinatenpaare #1 #1 bzw. $2 t12 genau die Positionen der Empfängerzentren SO1, SO gegenüber dem Balken G, d. h. dem Gerät.
Sofern weiterhin noch der Winkel < p jederzeit bekannt ist, um welchen die gerätefesten Koordinatensysteme -lBl bzw. 2-2 H2 gegenüber den räumlich festen, d. h.
z. B. auf das Lot bezogenen Koordinatensystemen Xt, Y2 bzw. X2, Y verdreht ist, lassen sich die Lagen der beiden gerätefesten Punkte Oi und 0 in einem räumlich festen Koordinatensystem, gegeben durch die Lichtbün- delachse A als Z-Achse und die horizontalen bzw. vertikalen Richtungen X, Y nach folgenden Beziehungen genau definieren:
x = # cos # - r sin # y = # sin # + g cos ç Aus den so errechneten Wertepaaren x1, Ei und x2, Y2 lassen sich gemäss nachfolgender Beziehung die Komponenten A, a des Winkels zwischen der Achse Z, d. h.
der Geraden Oi, O2 und der Lichtbündelachse A in der YZ- bzw. XZ-Ebene errechnen.
tg # = y2-y1 = k(y2-y1)
1z
1 (k = 1 z) x2-x1 tg α = 1z = k(x2-x1) Unter der Voraussetzung, dass die vier Sollwerte X2S, y2S, tg a1, tgAs, welche die Lage des einen Bezugspunktes 2 und die beiden Richtungswinkel a, Ä definieren, bekannt sind, lassen sich jeweils durch Vergleich jedes Istwertes mit dem zugehörigen Sollwert die Lage- bzw. Orlentie- rungsfehler fx, fy, f f, ermitteln, die einer servomotori- schen Korrektur der betreffenden Istwerte oder einer Handkorrektur durch eine Bedienungsperson zugrunde liegen können.
Gemäss Fig. 2, die den Grundriss eines zu bohrenden Stollens oder Tunnels zeigt, ist eine Tunnelbohrmaschine G schematisch dargestellt, für deren momentane Lage der Punkt 0 vorn und für dessen Orientierung der Punkt O, bzw. der Richtwinkel a massgebend ist. Sofern die Fig. 2 als Aufriss betrachtet würde, wäre anstelle des Horizontwinkeis a der Höhenrichtwinkel A wie in Fig. 1 einzutragen.
Die räumliche Lage des Bezugssystems, auf welches die für jede Lage des Maschinenpunktes 0 längs der Tunnelmittelachse voraus berechenbaren Sollquadrupel X28 Y2sx tgas, tag in bezogen sind, wird an einer Stelle LS am Ende des gebohrten Tunnelabschnittes eine Vorrichtung, z.B. ein Laser, zur Erzeugung eines extrem engen Lichtbündels, vorzugsweise unter dem Tunnel scheitel fest montiert und so gerichtet, dass der erzeugte Lichtstrahl A über eine längere Tunnelstrecke als Bezugslinie brauchbar ist.
Die Sollwertquadrupel für die Bestimmung der Lage und Orientierung der Bohrmaschine G werden in bezug auf die dadurch gegebene Leitgerade A für jede Distanz von der Lichtbündelquelle LS ermittelt und beispielsweise dem Bohrmaschinenführer in tabellarischer Form übergeben. Dieser kann, wie später anhand von Fig. 8 erläutert werden wird, an seinem Instrumentarium jederzeit die Lagefehlerkomponenten fx, fy und die Orientierungsfehler f,, f#, ablesen und entsprechende Massnahmen zur Verminderung dieser Fehler treffen. Es ist leicht ersichtlich, dass auf diese Weise die Bohrmaschine dauernd im Arbeitsbetrieb gehalten werden kann, solange die Lage des Lichtbündels A noch passt und dessen Intensität noch ausreicht.
Im algemeinen wird das bei Stollenbauten etwa für eine Bohrstrecke von ca.
100 m, also mindestens für mehrere Arbeitstage ausreichen. Demgegenüber war es mit den bisher verfügbaren Einrichtungen notwendig, spätestens nach sveni- gen Stunden eine langwierige und teure theodolithische Vermessung von Lage und Orientierung der Bohrmaschine vorzunehmen.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4, 5 und 6 werden die Ausbildung und Wirkungsweise der Strahlungsempfänger, die servomotorischen Verstellantriebe für die Empfänger sowie die zugehörigen Schaltungsmittel besprochen.
Auf der Maschine G (siehe Fig. 2) sind zwei Trägerplatten 1, und 12 in vorbestimmter Orientierung und in vorbestimmter Distanz 1z fest montiert. Jede dieser Platten bildet den Träger eines Strahlungsempfängers und von dessen servomotorischen Verstellantrieben. Auf Schlittenführungen 10 dieser Grundplatten sind Zwi schenplatten 22 bzw. 2t in Richtung quer zur Papierebene, d. h. in der Koordinatenachse H verschiebbar. Zu diesem Zweck sei an der Grundplatte 1 ein Servomotor SM befestigt, dessen Abtriebszahnrad 11 in eine Zahnstange 21 an der Unterseite der Zwischenplatte 2 eingreift.
In Führungen 22 der Zwischenplatte 2 ist ein Empfängergehäuse 3 in der vertikalen Richtung H verschiebbar, zu welchem Zweck an der Zwischenplatte 2 ebenfalls ein Servomotor SM befestigt ist, dessen Ab triebszahnrad 23 in eine Zahnstange 33 am Empfängergehäuse 3 eingreift.
Im Empfängergehäuse 32 ist eine Bildoptik 30 montiert, deren optische Achse mit a2 bezeichnet ist. In gleicher Weise ist in dem nur teilweise gezeichneten Empfängergehäuse 31 der Grundplatte 11 die optische Achse mit a2 bezeichnet. Über der Bildoptik 30 ist, um die optische Achse drehbar, eine Blendenscheibe 31 gelagert, die in Fig. 3 in Ansicht von oben gezeigt ist. Sie wird von einem im Empfängergehäuse 3 festmontierten Synchronmotor 34 über ein Zahnrad 35 angetrieben. Die Blendenscheibe 31 enthält einen offenen 90"-Sektor 310 und trägt zwei zueinander um 900 verstellte Randumfangsstreifen 31,, 31y, die sich je über 180 Bogengrade erstrecken.
Eine Lampe 36 wirkt mit zwei Photozellen 36x, 36y derart zusammen, dass diese Photozellen bei der Drehung der Blendenscheibe elektrische Refe renzsignale rx bzw. ry erzeugen, deren zeitlicher Verlauf in Abhängigkeit von den in Fig. 3 eingetragenen Winkelstellungen in Fig. 5 elingezeichnet ist. Über der Blendenscheibe 31 ist, unter 45" geneigt, ein Spiegel 37 eingebaut, der dazu bestimmt ist, das Lichtbündel A in Richtung der optischen Achse a2 des Empfängers umzulenken. Das vorgelagerte Empfängergehäuse 3, ist mit einem halbdurchlässigen Spiegel 37t ausgerüstet, so dass dort nur ein Teil des Lichtes abgelenkt wird.
Das nach unten gespiegelte Lichtbündel wird von der Sensoroptik 30 auf die Photozelle 38 gesammelt, in welcher ein Photostrom i erzeugt wird. Für vier mögliche Lagen des Bündelzentrums A3, A2, Ar, Ao in bezug auf die Scheibe 31 sind die entsprechenden Zeitdiagramme der Photoströme i3, i2, it, io am Ausgang der Photozelle 38 in Fig. 5 dargestellt. Man sieht daraus, dass bei zentraler Lage des Lichtbündels A in der Sektorblende 31 der Photostrom i0 unverändert bleibt und bei der dargestellten Verschiebung des Lichtbündels in der Richtung aus dem Blendenzentrum schrittweise in die Form i3 übergeht.
Eine Verschiebung des Lichtbündels A in der l/-Richtung ergäbe dieselben Stromdiagramme, aber mit 90" Phasenverschiebung. Es ist aus Fig. 5 leicht er sichtlich, dass der zeitliche Mittelwert T des Photostromes i in allen Lagen unverändert bleibt. Gemäss Fig. 4 wird der gebildete Photostrom i in einem Regelverstärker RV in bekannter Weise auf konstanten Pegel verstärkt und anschliessend in einem Diskriminator D, der in Fig. 6 dargestellt ist, zur Bildung der Gleichspan nungssignale j E und d 17 ausgewertet.
Dieser Diskrimi- nator D umfasst gemäss Fig. 6 einen Eingangsübertrager Ue, Dioden Di, Transistorpaare Tyt, Ty2 bzw. Btx1, Tx2 sowie gegengekoppelte Endverstärker EV und Widerstände, bzw. Kapazitäten C in einer leichtverständlichen und an sich bekannten Schaltung. Diese Signale werden gemäss Fig. 4 in Verstärkern V bzw. V, verstärkt und als Steuerspannungen U, Ub den genannten Servomotoren SM zugeführt, so dass diese das Empfängergehäuse 3 so bewegen, dass das Zentrum der Blendenscheibe 31 stets auf das Zentrum des Lichtbündels A wandert.
Es ist in Fig. 4 auch gezeigt, wie durch Umstellung vom Umschaltkontakten UK auch eine Handverstellung der Empfängerachse a2 in eine vorgewollte Position erreicht werden kann. Es sei hier noch bemerkt, dass mit Vorteil ein Lichtbündel A verwendet wird, das mit einer Frequenz von beispielsweise 1000 Hz getastet wird, weil auf diese Weise Streulicht keinen Einfluss ausübt und zur Auswertung Wechselstromschaltungen verwendbar sind.
In Fig. 7 ist dargestellt, wie die sich servomotorisch einstellenden, jeweiligen Drehstellungen der beiden Servomotorwellen SM in beiden Strahlungsempfängern mittels mechanisch-elektrischen Wandlern Wa in elektrische Wechselstromsignale umgewandelt werden können, die mit Hilfe bekannter Sinus-Kosinus-Rechner KT oder Resolvern, deren gemeinsame Verstellwelle W in Funktion des früher definierten Winkels ç verdreht wird.
Beispielsweise kann ein Pendel P zur Einstellung der Welle W auf den Neigungswinkel q7 verwendet werden.
So entstehen an den Ausgängen der Resolver KT die Istwertpaare xt, Y1 bzw. xe, y2.
Ein induktives Pick-off Q bekannter Bau- und Wirkungsweise, dessen Rotor von der Welle W verdreht wird, kann zur Fernanzeige des momentanen Wertes des Neigungswinkels ç der Bohrmaschine gegen die Horizontale X verwendet werden. Von Einstellwellen Ws aus können jederzeit die momentan gültigen Sollwert quadrupel X2s, y,,, tga8, tgA8 tgA, eingestellt werden, die in Wandlern Wa in entsprechende Wechselstromsignale umgewandelt werden. Unter Verwendung von Differentialübertragern DU und Demodulatoren DEM lassen sich in der Schaltung nach Fig. 7 die momentanen Einstell- bzw. Orientierungsfehler = K1-XZ,; fy = f = k(x2-x1) - tga; fi = k(y-y1) - tg als fernanzeigbare Gleichstromsignale ermitteln.
Endlich zeigt noch Fig. 8 ein Beispiel eines Instrumentenbrettes im Uberwachungsraum der Bohrmaschine.