SE508190C2 - Förfarande och anordning för att bestämma läget för ett verktyg hos en arbetsmaskin - Google Patents

Description

508 190 BESKRIVNING AV BESLÄKTAD TEKNIK Den internationella ansökningen WO 94/018512 (Contractor Toos AB) visar styrning av en markbearbetningsmaskin, där den aktuella positionen hos verktygen på maskinen mäts in med hjälp av en målsökande totalstation placerad i närheten av maskinen, samt en reflektor på maskinen. Styr- och och kor- rektionsinformation för maskinerna överförs mellan totalsta- tionen och maskinerna.

UPPFINNINGENS SYFTEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en styrning resp. styrindikering av en arbetsmaskin, som utmed en bestämd bana förflyttar en enhet, som behöver övervakas beträffande sin position.

Ett annat syfte med uppfinningen är att åstadkomma en styr- ning resp. styrindikering av en borrmaskin för borrning i naturen, som ger möjlighet till fullgod styrning av maskinen med så få utanför maskinen placerade mätenheter som möjligt. Ännu ett syfte är att åstadkomma en momentan, kontinuerlig och korrekt lägesindikering av en maskin, t.ex. borrmaskin, under arbete.

Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en direkt positionsbestämning och automatisk följning av den bearbetande delen av maskinen under arbetsoperationen. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma stor flexi- bilitet i uppställning av ett mätsystem i förhållande till arbetsmaskinen i kombination med stort arbetsområde, hög noggrannhet och fjärr- och/eller närindikerbar positionering.

Ett syfte med uppfinningen är även styrning av en pallborr- maskin till optimalt djup för sprängning. Det är sprängaren, 10 15 20 25 30 35 508 190 * Borrtiden blir längre * Mer sprängämnen går åt * Mer sprängsten måste chaktas och transporteras än om exakt borrdjup kunde bestämmas.

Utan bestämning av exakt, optimalt borrdjup får man en osä- kerhet om huruvida alla borrhålen har rätt djup i förhållande till den planerade vägen.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN till banan; * uppmätning av positionen hos ett med förflyttningen av den bearbetande delen medföljande ställe; * beräkning av den bearbetande delens aktuella läge, med ledning av differensen mellan mätpositionerna; 10 15 20 25 35 sus 190 4 förhållande till en önskad bana. Verktyget på arbetsmaskinen flyttas och orienteras om tills dess orientering och position ligger inom ett godtagbart toleransområde för att kunna förflytta den bearbetande delen på önskat sätt utmed banan.

Positions- och orienteringbestämning av den bearbetande delen i förhållande till den fasta delen på verktyget utförs före- trädesvis även när den bearbetande delen förflyttas genom mätningar mot och lägesbestämningar av de första och andra ställena. Mätning och beräkning görs om i intervaller stän- digt under det att arbetsmaskinen förflyttar den bearbetande delen. Beräkning av arbetsriktning och/eller arbetshastighet hos den bearbetande delen utförs efter varje mätning under användande av senaste och tidigare beräkningsresultaten för position och orientering.

Lägesbestämningen kan ske med hjälp av en stationär mätsta- tion, t.ex. en totalstation med automatisk målinriktning, placerad i närheten av arbetsmaskinen, varvid positions- bestämningen sker mot minst en första enhet placerad på verktygets fasta del och en andra enhet placerad på den bearbetande delen eller en del, som följer med den bearbetan- de delens rörelse, varvid positions- och orienteringsmätning samt beräkning för den bearbetande delen utförs.

Företrädesvis görs mätning och beräkning i intervaller stän- digt under det att maskinen är i verksamhet. Beräkningsenhe- ten beräknar efter varje mätning arbetsriktning och/eller arbetshastighet hos den bearbetande delen av verktyget under användande av senaste och tidigare beräkningsresultaten för läge. Beräkningsenheten kan även utnyttja tidigare beräk- ningsresultat för att förutsäga trolig placering, oriente- ring, arbetsriktning och hastighet en viss tid i förväg för arbetsmaskinens bearbetande del.

FÖRDELAR MED UPPFINNINGEN Med uppfinningen har man skapat ett mätsystem, som är enkelt att använda och som dessutom är relativt billigt. Redan 10 15 20 25 508 190 5 befintliga stationer för inmätning av ett område kan utnytt- jas för att styra arbetsmaskinerna. Detta innebär att spe- cialutrustning för stationerna inte behöver köpas in eller forslas till arbetsplatsen speciellt för att användas vid uppfinningen.

Genom att det är position och orientering hos delar på själva arbetsmaskinen, som mäts, och den bearbetande delens läge därefter beräknas med hjälp av signaler från lägesrelations- anordningen, erhålles ett system, som inte kräver speciella ingrepp i maskinens normala styr- och sensorsystem.

Genom att position och riktning hos verktyget mäts med ut- rustning, som ej är placerad på maskinen, ställs lägre krav på denna utrustning beträffande känslighet för inverkan av vibrationer och liknande. Detta ger ett robust mätsystem.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen beskrivs närmare nedan under hänvisning till de bifogade ritningarna, där FIG. 1 visar schematiskt en pallborrmaskin med en första utföringsform av ett mätsystem enligt uppfinningen, FIG. 2 visar schematiskt en pallborrmaskin med en andra utföringsform av ett mätsystem enligt uppfinningen.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Enligt den i fig. 1 visade utföringsformen är en totalstation 1 uppställd åtminstone nära ett markområde, där borrning skall ske. Totalstationen 1 innefattar ett elektroniskt distansmätinstrument 2, i fortsättningen kallat EDM-instru- ment, och horisontal- och vertikalvinkelmätare för uppmätning av instrumentets inriktning mot ett mål. Stationens 1 posi- tion och vinkelläge, i synnerhet i horisontalled, mäts först upp på gängse sätt antingen genom mätningar mot punkter i området med förbestämda positioner eller genom en GPS-givare 10 15 20 25 35 508 190 6 (icke visad) på instrumentet och en horisontalriktningsgiva- re, t.ex. en nordsökande enhet, såsom en elektroniskt av- läsbar eller elektronisk kompass, vilken ju instrumentet kan vara försett med även utan GPS-givare.

Totalstationen ger följaktligen både avstånd och vertikal- och horisontalriktning mot ett mål. Totalstationen är dess- utom försedd med en dator med inskrivbara data för mätningar som skall utföras och för lagring av under mätningar erhållna data. Företrädesvis används en målföljande totalstation, vilket innebär att stationen automatiskt söker efter, ställer in sig mot och följer ett avsett mål.

En pallborrmaskin 3 är i denna utföringsform försedd med två mål 4 och 5 i en placering på maskinen som är väl synlig från totalstationen 1. Varje mål innefattar en reflektor av kub- hörnstyp för avståndsmätning.

I den mycket schematiskt illustrerade fig. 1, med endast de för uppfinningen visade delarna inritade, inriktas och mäter totalstationen 1 omväxlande mot målet 4 placerad vid en borrbom 15, företrädesvis vid dess överände, och mot målet 5 placerat på en borrhållare 16 för en borr 17.

Målen 4 och 5 har i den i fig. 1 visade utföringsformen var sin inriktningsindikator 12 och 13, som ger riktningsanvis- ning för totalstationen beträffande det mål, mot vilket dess momentana inriktning skall göras i och för mätning mot detta mål. Inriktningsindikatorn kan vara av varierande typ bara den riktar in totalstationen automatiskt mot målen men är i den i fig. 1 visade utföringsformen lyselement 12 och 13, företrädesvis med en speciell våglängdskaraktär särskiljbar från omgivningsljuset, och visas här placerade under var sitt respektive mål. Inriktningsindikatorn kan i en annan utfö- ringsform utgöras av själva målet. Totalstationen 1 är härvid utöver själva avståndsmätaren 2 försedd med en sökar- och inställningsenhet 14, som söker upp och låser inriktning mot målet. 10 15 20 25 3G 35 inställningsenheten 14 hinner ställa in sin inriktning mot det lysande av lyselementen, och mätning av avstånd och inriktning mot dess tillhörande mål hinner göras. Mätning utförs i sekvens mot båda målen 4 och 5. des lägesrelation. Både position och orientering, dvs inrikt- ningen av borrbommen och borrhållaren, den i mätsammanhanget väsentliga delen av arbetsmaskinen, kan mätas upp genom in- mätning av målen 4 och 5. och orienteringen av borrbommen. Borrbommens läge och orien- tering ändras därefter normalt inte under själva borrningen, dvs när borren väl har positionerats.

För varje borrhål, som skall borras, positioneras borren 17, riktningen av borren mäts in och startpunkten 18 uppe vid ytan på varje borrhål beräknas. Datorn 6 beräknar om denna I tidigare kända pallborrmaskiner har själva borrdjupet mätts på maskinen under borrning via löphjul, som rullar mot bor- ren. Som kontroll efter avslutad borrning kan borrdjupet 10 20 25 35 508 190 mätas med en mätsond.

I denna utföringsform av uppfinningen använder man under borrningen för lägesrelationsanordningen två mätpunkter, målen 4 och 5, i olika positioner i borrens riktning, där den undre förskjuts nedåt allt eftersom borren matas ner i borr- hålet 19. Totalstationen sänder via en sändarantenn 20 mät- data till en mottagarantenn 21 på en hytt 22 för maskinsköta- ren 23 i borrmaskinen. Borrdjupen kan beräknas i datorn 6 försedd med program med inskrivna data om den planerade vägen, lämpligen placerad i hytten 22.

När borren har satts på rätt plats och med rätt lutning under inmätningsförloppet vidtar det egentliga borrningsarbetet.

Borrbommen 15 håller och styr borrhållaren 16 för borren 17, som borrar ett borrhål 19, varvid borren undan för undan matas ner i borrhålet och dess hållare med målet 5 förs nedåt. Härvid kan lägesrelationen mellan borrbommen och borrhållaren 16 mätas genom mätningar mot de båda målen 4 och 5, genom att borrbommen är stationär under själva arbetsför- loppet. Därigenom kan borrspetsens momentana position beräk- nas av datorn 6. Målets 4 position kontrolleras med mätning- arna mot den under borrningen för att övervaka att inte maskinen rör sig.

Borren förlängs med avpassade mellanrum, varvid borrhållaren 16 med målet 5 förs uppåt för att sedan föras nedåt med bor- rens förlängningsdel. Datorn 6 räknar ut borrspetsens posi- tion med hänsyn tagen till summan av förflyttningarna av målet 5.

Maskinen är företrädesvis försedd med en robust och tydlig styrpanel (icke visad), där maskinskötaren ger kommandon till systemet, och information om borrningens fortskridande tyd- ligt presenteras på en bildskärm, som visar borrhålen, som har och skall borras, på olika sätt, t.eX. med olika färger, och borrens aktuella läge i ett borrhål under borrning. 10 15 20 25 30 35 508 190 9 Mätsekvensen blir lämpligen: * Målenheten 4 placeras vid den övre delen av borrbommen 15. Målenheten 5 placeras på borrhållaren 16.

* Avståndet mellan borrspetsen och målet 5 matas in i datorn.

* Totalstationen aktiveras till att söka först den ena målenheten och låsa på den och mäta in avstånd och rikt- ning till den och därefter upprepa detta för den andra målenheten.

* Borren 17 positioneras över vald punkt på bergytan.

* Mätning mot målenheterna utförs igen. Positionen av den valda punkten beräknas och dessutom det tilltänkta borr- hålets bottenläge enligt den i datorn tidigare inmatade önskade kartbilden av vägen. Borren 17 positioneras om ifall det tilltänkta borrhålet 19 icke skulle råka bli ekvidistant och parallellt med de övriga borrhålen inom tillåtna marginaler.

* Borrning med löpande kontroll av borrspetsens läge genom mätning mot målenheten på borrhållaren under det att borren matas ner i borrhålet, och borrhållaren därvid förs nedåt.

* Vid skarvning av borr förs borrhållaren uppåt på borrbom- men, läget på målenheterna mäts om igen, kontroll beträf- fande lutning görs, och mätsekvensen ovan vid borrning upprepas.

* Eventuell kontrollmätning av borrlängden med mätsond.

I den ovan beskrivna utföringsformen har positioner av en- heter skett genom mätning mot flera mål på mätföremålet från en totalstation. Mätning kan även ske med hjälp av radionavi- gationsenheter, t.ex. av typ GPS (Global Position System), genom att placera två eller flera radionavigations-antenner, t.ex. GPS-antenner, på mätföremålen och på en stationär sta- tion vid sidan av.

I den i fig. 2 visade utföringsformen är två GPS-antenner 31, 32 med mottagare placerade på en pallborrmaskin 33, dels vid 10 15 20 30 sus 190 10 den övre delen av maskinens borrbom 34 och dels på borrstödet 35, så att den kan följa med i borrens 36 rörelse nedåt vid borrning. En stationär station 37 med en GPS-antenn 38 är placerad på lämpligt ställe i naturen med känd position, här bakom arbetsmaskinen 33. Den stationära stationen kan eventu- ellt vara installerad av kommunen. På välkänt sätt görs för varje GPS-antenn differensmätning mot stationen 37 för att få noggrann positionsbestämning.

Positionsgivarenheten, antennen 32, har under inmätning en förbestämd relation till borrspetsen. Med två antennposi- tioner kan lutningsvinkeln hos borrbommen beräknas både mot en lodlinje och i förhållande till norr. Under borrning rör sig den ena utmed en förbestämd bana i förhållande till den andra under arbetets gång. Arbetsrutinen blir väsentligen densamma som beskrivits i anslutning till fig. 1 och 2. En beräkningsenhet 39, lämpligen i form av en dator med bild- skärm eller annan visningsenhet, utför beräkningarna och visar arbetsförloppet för en operatör.

Många modifieringar av de visade utföringsformerna är möjliga inom den ram, som ges av de bifogade patentkraven. Det är således möjligt att ha blandformer med både mål, såsom re- flektorer, och GPS-antenner som lägesdetektorenheter. T.ex. kan en totalstation läges- och rotationsinriktningsbestämmas med hjälp av en eller fler GPS-antenner, t.ex. en på total- stationen och en ett stycke på avstånd från den. Andra typer av arbetsmaskiner än den visade, där man vill ha löpande in- formation om position hos en utmed en förbestämd bana för- skjutbar del under arbetets gång lämpar sig utmärkt för att förses med uppfinningen.

Claims (17)

10 11 I 508 190 PATENTKRAV

1. Förfarande för att bestämma läget hos en utrned en bestämd bana förflyttbar bearbetande del av ett verktyg (17; 36) hos en arbetsmaslcin (3; 33) för att avsluta bearbetningen vid ett förbestämt bearbetningsläge, kännetecknat av att under för- skjutningsförloppet sker: * uppmätning av positionen hos ett förbestämt, under förflyttningen stationärt ställe på arbetsmaskinen med känd relation till banan; * uppmätning av positionen hos ett med förflyttningen av den bearbetande delen medföljande ställe vid verktyget i relation till banan; * berälming av den bearbetande delens aktuella läge, med ledning av differensen mellan mätpositionerna umted samma riktning som banans; * kontroll av om det förbestämda läget har uppnåtts.

2. Pörfarande enligt lcrav 1, kännetecknat av att innan påbörjad förflytming av den bearbetande delen de båda mätställena placeras med fast relation till varandra; att deras respektive positioner mäts upp och kontrolleras om de liggeri förbestämd relation och orientering i förhållande till en önskad bana; samt att verktyget på arbetsmaskinen flyttas och orienteras om tills dess orientering och position ligger inom ett godtagbart toleransområde för att kunna förflytta den bearbetande delen på önskat sätt utmed banan.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att positions- och orienteringbestämning av den bearbetande delen i förhållande till arbetsmaskinen utförs även när den bearbetande delen förflyttas genom mätningar mot och lägesbe- stämningar av åtminstone det rörliga stället.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av att mätning och beräkning görs om i intervaller ständigt under det att arbetsmaskinen förflyttar den bearbetande delen, och att beräkning av arbetsriktning och/eller arbetshastighet hos KJ: 10 15 k) Un 5118 191) 12 den bearbetande delen utförs efter varje mätning under användande av senaste och tidigare beräkningsresultaten för position och orientering.

5. Förfarande enligt något av föregående krav med användning av en totalstation, som mäter mot på ställena placerade målenheter, kännetecknat av att varje rnålenhet (4,5) förses med en inrilctningsindikator (12,13), som ger riktningsanvis- ning för totalstationen beträffande den målenhet, mot vilken dess momentana inriktning skall göras i och för mätning mot denna mål enhet.

6. Förfarande enligt något av föregående lqav, kännetecknat av att varje mätställe förses med en radionavigationsmätenhet för mätning med radiosignal, t. ex. GPS.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat av inlagring av kartbild med önskad topografi över ett område, som skall bearbetas, och presentation till läge och vinkellägen relativt kartbilden av beräknade data för den bearbetande delen på en presentationsenhet.

8. Anordning för att bestämma läget hos en utmed en bestämd bana förflyttbar bearbetande del av ett verktyg på en arbetsmaskin för att avsluta bearbetningen vid ett förbestämt bearbetningsläge, kännetecknad av * minst en första positionsdetektorenhet (4;3 1) placerad på ett förbestämt, under förflyttningen stationärt ställe på arbetsmaskinen med känd relation ull banan; * minst en andra positionsdetelctorenhet (5;32) placerad på ett i relation till banan känt och med förflyttningen av den bearbetande delen medföljande ställe vid verktyget; * en beräkningsenhet (6,3 7) för beräkning av den bearbetande delens aktuella läge, med ledning av differensen mellan aktuella mätpositioner för positionsdetektorenheterna (4,5 ;3 1,3 2); * varvid beräkningsenheten (6;3 7) utför kontroll av om det förbestämda läget har uppnåtts och utför ombestämning av positlonsdetektorenheternas Lil lO h.) Lll 13 508 190 positioner om det förbestâmda läget ännu ej är uppnått och annars styr avslutning av bearbetningen.

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att under en inställningsfas före förflytnung av den bearbetande delen de båda positionsdetektorenheterna (4,5;.> 1,32) är placerade med fast relation till varandra; och att beräkningsenheten (6;3 7) kontrolleras om de liggeri förbestämd relation och orientering i förhållande till en önskad i beräkningsenheten inskriven bana (19) och på en visningsenhet för en operatör visar att arbetsmaskinen skall flyttas och orienteras om tills dess orientering och position ligger inom ett godtagbart toleransoniråde för att kunna förflytta den bearbetande delen på önskat sätt utmed banan.

10. Anordning enligt krav 8 eller 9, kännetecknad av att beräkningsenheten gör om beräkning av detektorenhetemas respektive lägen cykliskt under det att arbetsmaski- nen förflyttar den bearbetande delen, och utför beräkning av arbetsrikming och/eller arbetshastighet hos den bearbetande delen efter varje mätning under användande .n senaste och tidigare beräkningsrestiltaten för posiuon och orientering.

11. Anordning enligt något av kraven 8-10, där den lägesbestärrirnande apparaturen innefattar en stationär måtstation (1;37) placeradi närheten av arbetsmasldnen för lägesbestämning i samverkan med detektoranordningen, kännetecknad av att den lägesbestärnmande apparaturen innefattar minst en första detektorenhet (31;4), för mätning i samverkan med den stationära mätstationen, placerad fast på arbetsmaskinen och en andra detektorenhet (32;5)_ för mätning i samverkan med den stationära mätstationen, placerad på den bearbetande delen eller en del, som följer med den bearbetande delens rörelse.

12. Anordning enligt krav 11, kânnetecknad av att den lägesbestärrirnande apparaturen utför positions- och orienteringsbestärniiingen av den bearbetande delen i förhållande till arbetsrnaslcinen, när den bearbetande delen befinner sig i rörelse 10 l\) (JI 5808 190 14 genom mätningar mot och lägesbestärririingar av åtminstone den första och den andra detektorenheten.

13. Anordning enligt något av kraven 8 - 12, kännetecknad av att mätning och beräkning görs om i intervaller ständigt under det att maskinen âri verksamhet, och att beräkningsenheten (6;3 9) efter varje mätning beräknar arbetsläge och/eller arbetshastighet hos den bearbetande delen av verktyget under användande av senaste och tidigare beräkningsresultaten för position och orientering

14. Anordning enligt något av kraven 8 - 13, kännetecknad av att varje positionsdetektorenhet är en antenn för radionavigationssignaler, t. ex. GPS-antenn (3 1 ,3 2,38), kopplad nll mottagare.

15. Anordning enligt något av kraven 8 - 14, kännetecknad av att den lägesbestärnmande apparaturen innefattar en totalstation (1;31) med avståndsmätare placerad på avstånd från arbetsmaskinen (.>,.>.>) och mätande mot såsom positionsdetektorenheter verkande målenheter på arbetsmaskinen.

16. Anordning enligt krav 15, kännetecknad av att varje målenhet (4,5) är försedd med en inriktningsindikator (12, 13), som ger riktningsanvisning för totalstationen beträffande den målenhet, mot vilken dess momentana inriktning skall göras i och för mätning mot denna målenhet.

17. Anordning enligt något av kraven 8 - 16, kännetecknad av att beräkningsanordningen är försedd med en inlagrad kartbild med önskad topografi över ett område, som skall bearbetas, och berälmade data för den bearbetande delen presenteras till läge och vinkellägen relativt kartbilden på en presentationsenhet.