Fördervolumenmessung aus der Schnittkontur eines Schaufelradbaggers oder anderen Tagebaugeräts

Abstract

 Die Erfindung betrifft die Fördervolumenmessung aus der Schnittkontur eines Schaufelradbaggers (6) oder von anderen Tage­baugeräten mit Hilfe von Impulslaufzeit-Messungen der Geometrie eines Abbauortes. Die Ermittlung der Geometrie des Abbauortes erfolgt durch zumindest einen, in einem vom Tagebaugerät mit­geführten, lageorientierten Meßlaser (8,9) erzeugten, Laser strahl über Laufzeitmessungen des Laserlichtes, wobei die Laufzeit in einem Rechner ausgewertet wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Fördervolumenmessung aus der Schnitt­kontur eines Schaufelradbaggers oder anderen Tagebaugeräts mit Hilfe der berührungslos gemessenen Geometrie eines Abbauortes.

[0002] Für den Betrieb eines Schaufelradbaggers ist es wesentlich, das geförderte Volumen des abzubauenden Materials zu messen, so daß dieses z.B. als Führungsgröße für die Regelung des Baggers ver­wendet werden kann. So ist es möglich, die Förderleistung des Baggers zu optimieren. Weiterer Einsatzfall ist z.B. die Erstel­lung des Aufmasses für die übergeordnete Betriebssteuerung.

[0003] Eine direkte Messung des geförderten Materialvolumens am Schau­felrad ist nicht bekannt und erscheint mit den heutigen techni­schen Mitteln auch nicht lösbar. Bekannt sind jedoch Verfahren, durch die Messung von geometrischen Parametern des Baggers in­direkt auf das Volumen des vom Schaufelrad abgefrästen Spans zu schließen und daraus das geförderte Volumen zu berechnen. In diese Berechnung geht unter anderem die nach jedem Schwenkvor­gang vom Bagger durchgeführte Weiterfahrt ein, die als Maß für die Dicke des Spans herangezogen wird. Die Weiterfahrt des Bag­gers wird beispielsweise mittels Wegmeßaufnehmer an den Bagger­fahrwerken gemessen. Dieser Meßwert ist jedoch sehr oft mit erheblichen Fehlern behaftet, bedingt durch mechanische Unge­nauigkeiten und Verschmutzungsprobleme.

[0004] Im Gegensatz zu der Messung des geförderten Festmaterialvolumens ist eine Volumenstrommessung bei Schüttgütern auf Bandförderern in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Es handelt sich dabei meist um Messungen mit Entfernungsmeßgeräten, mit denen an einer oder mehreren Stellen zur Konturbestimmung auf die Oberfläche des Schüttgutes gemessen wird. Aus der Differenz zwischen den Messungen auf das leere Band und das gefüllte Band kann die Fläche des Schüttgutes und aus dem Produkt aus Fläche und Ge­schwindigkeit des Bandes der Volumenstrom in der aufgelockerten Form, in der er auf dem Band vorliegt, mit guter Genauigkeit berechnet werden. Da das geförderte Material vom Schaufelrad auf ein Förderband übertragen wird, kann durch die Volumenstrom­messung des Schüttgutes am Förderband nur mit der großen Unge­nauigkeit materialabhängiger Auflockerungsfaktoren auf das ge­förderte Volumen des Abbaumaterials geschlossen werden.

[0005] Meßgeräte der vorbeschriebenen Art, durch die auf das Förder­volumen des Abbaumaterials geschlossen werden kann, zeigt bei­spielsweise die DE-Al-34 11 540. Hier werden Punkte der Kontur der freien Oberfläche des geförderten Gutes quer zur Förder­richtung durch fortlaufende, berührungsfreie Entfernungsmes­sungen mit Hilfe von Sende/Empfangs-Einrichtungen abgetastet, denen ein Rechner nachgeschaltet ist. Bei dieser bekannten Füllquerschnittsermittlung wird das Messen der Füllhöhe des Förderbandes dadurch erzielt, daß als Sende/Empfangs-Einrichtung Laserentfernungsmesser verwendet werden, die nach dem Impuls-­Laufzeitmeßprinzip arbeiten und wobei mindestens zwei Einzel­laser ihre Meßergebnisse auf einen Rechner zur Ermittlung des Fördervolumens auf dem Band geben. Das Meßergebnis ist relativ ungenau, da die gemessenen Einzelpunkte keine Aussage über den genauen Verlauf der Oberflächenkontur ermöglichen.

[0006] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Fördervolumenmessung anzu­geben, die die Konturen des abzutragenden Materials und daraus abzuleitende Größen wie Spandicke, Spanhöhe, Lage der Schnitt­fläche an der Abbaustelle usw. direkt mißt. Dabei soll die Er­mittlung des Spanvolumens unempfindlich gegen unterschiedliche Temperaturen, gegen aufgewirbelten Staub und die übrigen Umwelt­ einflüsse sein. Die ermittelten Ergebnisse sollen so genau sein, daß eine Regelung des Abbauvorganges und die Erstellung eines Aufmasses möglich ist.

[0007] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ermittlung der Geome­trie des Abbauortes durch zumindest einen, in einem vom Tage­baugerät mitgeführten, lageorientierten Meßlaser erzeugten, Laserstrahl über Laufzeiten des Laserlichtes erfolgt, wobei die Laufzeiten in einem Rechner ausgewertet werden. Zusätzlich wird während des Meßvorganges die Winkellage des Meßstrahles an den Rechner gegeben. Die Lageorientierung des Meßlasers kann dabei sowohl mechanisch als auch virtuell im Rechner unter Benutzung eines Sensors erfolgen.

[0008] Die Steuerung der Schaufelradbewegung kann so optimiert werden. Die Verwendung eines Meßlasers, insbesondere in Form eines Laserscanners, hat bei dieser Anwendung den Vorteil, daß eine linienförmige Erfassung des abzuspanenden Gebietes erfolgt. Durch die zeilenweise oder wellenlinienförmige Abtastung werden nicht nur Einzeldaten, sondern die Konfiguration der Abbaufront erfaßbar. Die Verwendung eines Lasers, vorzugsweise eines Fest­körperlasers, der vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 905 Nanometer, einer Pulsrate von 3,6 kHz und einer Pulsdauer von ca. 10 Nanosekunden arbeitet, für das Scanning ist dabei besonders vorteilhaft, da durch sein sehr gering divergierendes Licht über eine aufwandsarme Optik eine hohe Energiedichte erreicht wird, wodurch Fehler durch zu starke Streuung, ungenügende Reflektion etc. vermieden oder verkleinert werden.

[0009] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen:

FIG 1 eine Sicht auf den Abbauort,

FIG 2 eine Darstellung der geometrischen Verhältnisse bei einer Spanmessung und

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

[0010] 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. 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 und wenn keine Dif­ferenzmessung erfolgt, 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 jeweiligen 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 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. Desgleichen sind auch andere, als in der Zeichnung angegebene, Positionen der Meßlaser möglich. Bei großer Staubentwicklung empfiehlt sich z.B. eine Anbringung am Bagger und eine Konturerfassung der Abbaufront in einem Abstand von 10-20 m vom Schaufelrad.

Ansprüche

1. Fördervolumenmessung aus der Schnittkontur eines Schaufel­radbaggers oder von anderen Tagebaugeräten mit Hilfe der berüh­rungslos gemessenen Geometrie eines Abbauortes, dadurch gekennzeichnet, daß die, Ermittlung der Geometrie des Abbauortes durch zumindest einen, in einem vom Tagebaugerät mitgeführten, lageorientierten Meß­laser erzeugten, Laserstrahl über Laufzeiten des Laserlichtes erfolgt, wobei die Laufzeiten in einem Rechner ausgewertet werden.

2. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl das räum­liche Oberflächenprofil des neben dem Schaufelrad anstehenden Festmaterials durch fortlaufende Messung von Entfernung und Winkel auf die Materialoberfläche mißt, diese Profildaten dem Rechner zuführt und daß in diesem Rechner aus dem Profil, den geometrischen Abmessungen des Schaufelrades sowie der Anbau­position des Meßlasers, die Querschnittsfläche des vom Schau­felrad abgefrästen Spans berechnet wird.

3. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Differenz des Ober­flächenprofils und der äußeren Kontur des Schaufelrades sowie dem Hubwinkel und der Drehgeschwindigkeit des Schaufelradarmes der Volumenstrom des geförderten Festmaterials berechnet wird.

4. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1,2 oder 3, da­durch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Abbauortes aus einer Meßposition im Schaufelradbereich ermittelt wird.

5. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1,2,3 oder 4, da­durch gekennzeichnet, daß durch konti­nuierliche Messung das Profil beidseitig neben dem Schaufel­rad ermittelt und aus der Profildifferenz und der Schwenk­geschwindigkeit ein Momentenwert des Fördervolumens ermittelt wird.

6. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1,2,3,4 oder 5, da ­durch 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.

7. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1,2,3,4,5 oder 6, da ­durch 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.

8. Fördervolumenmessung nach Anspruch 1,2,3,4,5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Impulslaufzeitmessung zunächst ein Startpuls generiert wird, dessen reflektierter Anteil über Verzögerungsleitungen, vor­zugsweise in Spulenform, laufzeitverlängert und für eine Start-Stop-Messung verwendet wird.

9. Fördervolumenmessung nach einem oder mehreren der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­net, daß der Meßlaser mit Impulsdauern von 1-10 Nano­sekunden und einer Impulsrate im Kilohertzbereich, vorzugs­weise im 3-30 kHz-Bereich, arbeitet.

10. Fördervolumenmessung nach einem oder mehreren der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­net, daß zur Fördervolumenmessung eines Tagebauförder­gerätes ein vom Gerät mitgeführter Laserscanner verwendet wird.

11. Fördervolumenmessung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene, geförderte Volumen eines Tagebaufördergerätes zur Bilanzierung des Tage­baubetriebes verwendet wird.

Zeichnung