Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Führung eines Bagger-Schaufelra­des (6) zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen im Tagebau, insbeson­dere im Stein- und Braunkohletagebau durch eine fortlaufende Vermessung der vom Schaufelrad freigelegten Fläche und geregel­te Nachführung des Schaufelrades in die notwendige Position zur Erzeugung der vorherbestimmten Fläche, wobei die Führung des Schaufelrades durch einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführ­ten, Rotationslaser (8,9) erzeugten, gepulsten Laserstrahl erfolgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen, z.B. Planum oder Rampe, im Tagebau, insbesondere im Stein- oder Braunkohletagebau, durch eine fortlaufende Vermessung der vom Schaufelrad freigelegten Fläche und Nachführung des Schaufelrades in die notwendige Position zur Erzeugung der vorherbestimmten Fläche.

[0002] Für den Betrieb eines Schaufelradbaggers ist es wesentlich, beim Abbau von Kohle, Erz oder anderen zu fördernden Materia­lien die sich im Zuge des Abbaufortschrittes verändernde Stand­fläche des Gerätes vorzugeben, damit dieses seine Abbauvor­gaben erfüllen kann. Das Problem wird bisher bezüglich der Vermessung als auch bezüglich der Führung des Schaufelrades sehr aufwendig, unter Einschaltung manueller Schritte, gelöst. Eine entsprechende Lösung ist aus der Zeitschrift "Braunkohle 41 (1989) Heft 5, S.148-150, bekannt.

[0003] Es ist Aufgabe der Erfindung, die Führung eines Bagger-Schau­felrades zum Erzeugen vorherbestimmter Flächen im Tagebau der­art auszugestalten, daß die vorherbestimmten Flächen automa­tisiert mit hoher Genauigkeit erreicht werden.

[0004] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Führung des Schaufel­rades durch einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführten Meß­laser, erzeugten, gepulsten Laserstrahl erfolgt, der die Kontur der erzeugten Fläche mißt.

[0005] Geeignete Laser sind prinzipiell bekannt, so z.B. aus dem Buch "Lasertechnik: Eine Einführung", Hüthig Verlag, Heidelberg, 1982, Seite 368ff. Die bekannten Laser werden sowohl für die Vermes­sung im Tagebau als auch für die Führung von Arbeitsmaschinen, z.B. von Bandrückraupen verwendet. Ein automatisiertes Erreichen einer vorherbestimmten Flächenform bei der Arbeit des Baggers ist hierdurch jedoch nicht erreichbar.

[0006] In Ausgestaltung der Erfindung is vorgesehen, daß der Meß­laser über einen Lotsensor lageorientiert ist und daß er den Verlauf der freigelegten Fläche über in einem Rechner ermittelte Laufzeitmessungen des Laserlichtes ermittelt. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft eine lageunabhängige Verlaufs­ermittlung der freigelegten Fläche über Referenzlinien, zwischen denen der genaue Flächenverlauf leicht durch Inter­polation ermittelt werden kann. Die Ermittlung kann entweder durch den Rechner erfolgen, der auch die Laufzeit des Laser­lichtes auswertet und damit den Abstand des Lasers von den ein­zelnen Punkten der freigelegten Fläche ermittelt als auch in einem Rechner, der gleichzeitig als Steuerungsrechner dienen kann.

[0007] Die Position des die fortlaufenden Messungen durchführenden Lasers ist wahlweise entweder in der Nähe des Schaufelrades oder auf dem Pylon des Baggers, auf jeden Fall derart, daß ein ungestörtes Ausmessen der freigelegten Fläche (Planum) möglich ist. Die genaue Wahl der Position des Lasers hängt dabei von den übrigen, dem Laser und dem Rechner übertragenen Aufgaben ab, so z.B. der Kollisionsüberwachung oder der Lager­stätten-Verlaufsüberwachung.

[0008] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen als Beispiel in Verbindung mit einer Schnittvolumenmessung:

FIG 1 eine Sicht auf den Abbauort,

FIG 2 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einer Schnittvolumenmessung und

FIG 3 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse am Abbauort in vereinfachter Form.

[0009] Die FIG 1 zeigt die Ermittlung der Einzelheiten des Abbauortes durch zwei Meßlaser, insbesondere Laserscanner 8, 9, die das Oberflächenprofil auf dem Abbaumaterial 1 und die abgearbei­tete Fläche 3 durch scannen auf den Scanlinien 10, 11 vertikal vermessen. Die Laserscanner 8, 9 sind neben dem Schaufelrad 6 mit den Schaufeln 5 am Schaufelradträger 7 angebracht und ver­messen vornehmlich den nach unten gerichteten Profilteil 2. Eine Anbringung am Bagger ist ebenso möglich und empfiehlt sich bei starker Staubentwicklung. Zum Einsatz sind IR-Laser beson­ders geeignet, die z.B. mit Impulsdauern von 1-10 Nanosekunden und einer Impulsrate im Kilohertzbereich, vorzugsweise im 3-30 kHz-Bereiche, arbeiten.

[0010] Das Profil wird aus Entfernung/Winkel-Wertepaaren ermittelt. Es wird in erster Linie das Profil 1, 2 derjenigen Seite für die Regelung verwendet, auf die sich das Schaufelrad 6 zubewegt. Bei gleichmäßiger Bewegung in nur eine Richtung kann auch auf den zweiten Profilscanner verzichtet werden. Während der Schwenk­bewegung dreht sich das Schaufelrad 6 und fräst das Festmaterial 1 um das Oberflächenmaß 4 ab.

[0011] Das hintere Profil 12 (weggefrästes Festmaterial) ist, wie FIG 2 zeigt, durch die Kontur des Schaufelrades 6 vorgegeben, da al­les vorstehende Material zwangsweise weggefräst wird. Aus der hinteren Kontur 12 und dem gemessenen Profil 13 wird die Quer­schnittsfläche 14 des jeweilig geschnittenen Spans errechnet. Die Überlappung des Schaufelrades 6 über das gemessene Profil des Laserscanners stellt diese Differenzfläche dar. Durch die Schwenkbewegung des Baggers fräst sich das Schaufelrad 6 seit­lich in das Festmaterial. Das Volumen des Spans ist umso größer, je schneller diese Schwenkbewegung erfolgt. Das von der Span­querschnittsfläche 14 überstrichene Volumen pro Zeiteinheit stellt den geförderten Volumenstrom des momentan weggefrästen Festmaterials dar. Die erforderlichen Rechnungen für Festmate­rial, Fördervolumen, Spandicke, Spanhöhe, Lage der Schnittfläche und Aufmaß (separat vermessen), werden in einem Rechner vorge­nommen, der dem Laserscanner nachgeschaltet ist. Dieser Rechner kann im Laserscanner integriert sein. Für die Berechnung ist im wesentlichen der Schwenkradius, die Schwenkgeschwindigkeit, der Hubwinkel (α) des Schaufelradauslegers, die Anbauposition des Laserscanners 8, 9, weitere geometrische Abmessungen des Baggers sowie seine Lage im Raum notwendig. Diese Informationen können im Rechner des Laserscanners leicht gespeichert werden. Vorteil­haft wird der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher ausgerüstet.

[0012] Da der Montageort und die Ausrichtung des Laserscanners 8, 9 relativ zum Bagger 16 bekannt ist, bzw. einmalig bestimmt werden kann, ist der Hubwinkel (α) des Schaufelradauslegers direkt im Laserscanner 8, 9 oder im nachgeschalteten Rechner zu verwerten. Die Länge des Schaufelradauslegers ist ein bekannter Parameter. In Verbindung mit der Schwenkgeschwindigkeit reichen die Infor­mationen aus, um im Laserscanner 8, 9 oder im nachgeschalteten Rechner den Festmaterial-Volumenstrom aus den Profildaten zu berechnen, ohne daß weitere Meßwerte dem Laserscanner 8, 9 bzw. dem nachgeschalteten Rechner zugeleitet werden müssen. Bei einer Schrägstellung des Baggers 16 ist gegebenenfalls eine Korrektur notwendig, die aus einer Lotmessung ermittelt werden kann und als Korrekturgröße dem Rechner aufgegeben wird. Für die Vorgabe einer Schnittfläche ist, wie FIG 2 zeigt, das räumliche Profil durch Bezug auf das Lot 15 im Raum zu orientieren.

[0013] Der Profilteil auf dem Planum 3 (abgearbeitete Fläche) ist durch eine Gerade approximierbar. Die Steigung dieser Geraden ist be­rechenbar. Die Höhe des Schaufelrades 6 über Planum kann eben­falls aus dem Profil bestimmt werden, in dem aus der Schrägent­fernung auf die approximierte Gerade in Planum die Projektion auf die Vertikale berechnet wird. Aus beiden Größen können IST-­Werte für den Ort des Schaufelrades 6 berechnet werden. Damit ist der Ort des Schaufelrades 6 relativ zum Standpunkt des Baggers 16 kontinuierlich vermeßbar. Gibt man für den Ort des Schaufel­rades 6 SOLL-Werte vor, so kann aus der Differenz der IST-Werte und SOLL-Werte eine Regelgröße zur Steuerung des Schaufelrades 6 auf beliebige Oberflächenformen abgeleitet werden.

[0014] Da sowohl die Lage des Schaufelradauslegers 7 als auch die Ober­flächenkontur des Planums 3 und der Fräsfläche bekannt sind, kann auch der Abstand des Auslegers 7 zum anstehenden Material berechnet werden. Die Unterschreitung eines bestimmten Abstandes kann sehr vorteilhaft dazu benutzt werden, einen Kollisionsalarm auszulösen.

[0015] Die vorstehende Erfindung, die ein bisher als unlösbar angese­henes Grundproblem bei der Arbeit von Schaufelradbaggern löst, ist bevorzugt mit Laserscannern, insbesondere IR-Laserscannern, durchführbar. Es versteht sich jedoch für den Fachmann von selbst, daß auch andere, einem Laser vergleichbare Strahlungs­quellen eingesetzt werden können, z.B. elektromagnetische Strahler sehr hoher Frequenz und vergleichbarer Strahlbündelung. Vorteilhaft werden jedoch IR-Meßlaser eingesetzt, die Impuls­dauern von 1-10 Nanosekunden und eine Impulsrate im Kilo­hertzbereich, vorzugsweise im 3-30 kHz-Bereich, aufweisen.

Ansprüche

1. Führung eines Bagger-Schaufelrades zum Erzeugen vorherbe­stimmter Flächen im Tagebau, insbesondere im Stein- und Braun­kohletagebau durch eine fortlaufende Vermessung der vom Schau­felrad freigelegten Fläche und geregelte Nachführung des Schaufelrades in die notwendige Position zur Erzeugung der vorherbestimmten Fläche, wobei die Führung des Schaufelrades durch einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführten, Meßlaser erzeugten, gepulsten Laserstrahl erfolgt.

2. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser über einen Lotsensor lageorientiert ist.

3. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser den Verlauf der freigelegten Fläche über in einem Rechner ermittelte Laufzeitmessungen des Laserlichts ermittelt.

4. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geo­metrie der vom Schaufelrad freigelegten Fläche aus einer Meß­position auf dem Schaufelradbagger ermittelt wird.

5. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser und der Rechner mit einem beschreibbaren Permanentspeicher verbunden ist, in dem Parameter über den Bagger und über die Anbauposition des Laserscanners und Justage­werte gespeichert werden.

6. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2,3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßlaser in den Winkelbereichen, die nicht zur Profilauswertung herangezogen werden, auf ein geräteinternes Ziel mißt und die dabei gemessene, bekannte Entfernung als Kontrollwert für die Funktionsfähigkeit des Gerätes und als Eichwert verwendet wird.

7. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach Anspruch 1,2,3,4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner eine Sollwertspeicherung für die zu erzeugende Fläche (Planum) aufweist und das Schaufelrad danach geregelt geführt wird.

8. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß zur Erzeugung einer vorherbestimmten Fläche, z.B. Planum oder Rampe bei der Arbeit eines Tagebau­fördergerätes ein Laserscanner verwendet wird, der die erzeugte Fläche fortlaufend vermißt.

9. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Meßlaser als IR-Laser ausgebildet ist und mit Impulsdauern von 1-10 Nanosekunden sowie einer Impulsfrequenz im Kilohertzbereich, vorzugsweise im 10-50 kHz-­Bereich, arbeitet.

10. Führung eines Bagger-Schaufelrades nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß für die Impulslaufzeitmessung zunächst ein Startpuls generiert wird, dessen reflektierten Anteil über Verzögerungsleitungen, vorzugsweise in Spulenform, laufzeit­verlängert und für eine Start-Stop-Messung verwendet wird.

Zeichnung