Die Efindung bezieht sich auf eine Fördermengenregelung eines Schaufelradaufnehmers (6) im Tagebau, bei der die Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegers (7) und/oder seine Höhenlage unter Berücksichtigung des Schaufelrad-Antriebsstromes sowie des Gewichtes und Volumens des geförderten Gutes geregelt wird, wobei als weitere Regelgröße das vom Schaufelrad geschnittene FestmaterialFördervolumen verwendet wird.
Die Erfindung betrifft die Fördermengenregelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers im Tagebau, bei der die Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegers und/oder seine Höhenlage unter Berücksichtigung des Schaufelradantriebsstromes sowie des Gewichtes und Volumens des geförderten Gutes geregelt wird.
Für den Betrieb eines Schaufelradbaggers ist es wesentlich, die Hub- und/oder Schwenkbewegung des Schaufelradauslegers so zu regeln, daß das größtmögliche Fördervolumen erreicht wird, ohne den Schaufelradantrieb sowie die abfördernden Bänder zu überlasten. Zur Regelung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers ist es bekannt, den Schaufelradantriebsstrom sowie das Gewicht und das Volumen des geförderten Gutes zu messen und danach die Schwenkbewegung und möglicherweise die Hubhöhe des Schaufelrades zu regeln. Mit diesen Regelgrößen ist die Förderung eines Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers bereits zufriedenstellend, eine Regelung an der äußersten Leistungsgrenze des Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers ist jedoch noch nicht möglich, da das Gewicht und das Volumen des geförderten Gutes nur mit zeitlichem Abstand zum eigentlichen Fördervorgang und ungenau ermittelt werden kann.
Eine direkte Messung des Schnittvolumens am Schaufelrad ist bisher nicht bekannt und erscheint mit den heutigen technischen Mitteln auch nicht lösbar. Bekannt sind bisher Verfahren, durch die Messung von geometrischen Parametern des Baggers indirekt auf das Volumen des vom Schaufelrad momentan geschnittenen Spans zu schließen. In die Berechnung geht unter anderem die nach jedem Schwenkvorgang vom Bagger durchgeführte Spanvorfahrt 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 oft mit erheblichen Fehlern behaftet, bedingt durch mechanische Ungenauigkeiten und Verschmutzungsprobleme. Ein Rückschluß vom geförderten zum zu schneidenden Volumen ist aufgrund des variierenden Auflockerungsfaktors nur bedingt möglich.
Die bekannten Meßverfahren ergeben einen nicht unerheblichen Meßfehler, so daß sie eine Regelung des Baggers im Grenzbereich zwischen Überlastung und größtmöglicher Fördermenge nicht erlauben. Auch die Regelung nach dem aufgenommenen Strom des Schaufelradantriebes ist hierzu nicht in der Lage, insbesondere da in diesen die unterschiedlichen, materialabhängigen Reibungsverhältnisse am Schaufelrad eingehen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Fördermengenregelung anzugeben, die eine sichere Führung des Abbauvorganges an der Grenze einer vorgegebenen Förderleistung ermöglicht, die der maximal zulässigen Förderleistung des Fördergerätes oder nachgeschalteter Förderanlagen entspricht.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als weitere Regelgröße das vom Schaufelrad erfaßte Festmaterial-Fördervolumen verwendet wird. Das vom Schaufelrad erfaßte Festmaterial-Fördervolumen erlaubt eine direkte Aussage über die Beanspruchung des Baggers und seine Auslastung. Der Schaufelradbagger oder der Schaufelradaufnehmer kann daher vorteilhaft so geregelt werden, daß er die momentan vorgegebene Fördermenge aufnimmt. Dies kann sowohl durch eine Veränderung der Schwenkgeschwindigkeit des Schaufelradauslegerarmes allein oder in Verbindung mit der Veränderung der Hubhöhe der Fall sein. In Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß die Ermittlung des vom Schaufelrad erfaßten Festmaterial-Fördervolumens durch einen Laserstrahl erfolgt, der die Kontur des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad abtastet. Die Abtastung der Kontur des Festmaterials in Schwenkrichtung vor dem Schaufelrad durch einen Laserstrahl, der vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 905 Nanometer, einer Pulsrate von 3,6 kHz und einer Pulsdauer von ca. 10 Nanosekunden arbeitet, erlaubt eine besonders genaue, gegen unterschiedliche Temperaturen, aufgewirbelten Staub und weitere Umwelteinflüsse unempfindliches Ermitteln des abzubauenden Schnittvolumens. So steht eine betriebssichere Messung des abzubauen den Schnittvolumens zur Verfügung, die eine sichere Regelung der Fördermenge des Schaufelradbaggers oder Schaufelradaufnehmers erlaubt.
In Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, daß der Laserstrahl von einem in Schaufelradnähe angeordneten, lageorientierten Meßlaser erzeugt wird, der über die von einem Rechner ausgewerteten Laufzeitmessungen des gepulsten Laserlichts, die Kontur des anstehenden Festmaterials mißt.
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. Durch eine aufwandsarme Optik kann über das gering streuende Licht eines Laserscanners eine hohe momentane Energiedichte erreicht werden, wodurch Fehler durch zu starke Streuung, ungenügender Reflektion etc. vermieden oder verkleinert werden. Insgesamt ergibt sich so ein besonders betriebssicheres, tagebaugerechtes Meß- und Regelverfahren.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprüchen. Es zeigen:
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.
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.
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.
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.
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.
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. Desgleichen sind auch andere, als in der Zeichnung angegebene, Positionen der Maßlaser 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.