CN102883842B - 具有用于进给单元的控制器的钻探设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于自动地进给钻探设备（200）的进给架（206）的方法和系统。钻探设备（200）包括钻台（202）、钻探机（204）以及进给架（206）。此外，由进给架（206）悬挂的钻探机（204）包括具有钻探电机的钻头，用于执行穿过钻探对象的钻探操作。进给单元（208）包括电动进给电机，用于使进给架（206）沿着钻台（202）进给。此外，进给单元（208）还包括控制器，用于手动地改变进给电机的旋转方向、速度和进给力。

Description

具有用于进给单元的控制器的钻探设备
技术领域
本发明涉及自动进给系统，具体地，本发明涉及用于自动控制钻探机或类似机器的进给操作的方法和设备。
背景技术
进给单元可用于将诸如钻探机、搪孔机等的任意机器进给至目标对象。此外，当目标对象较大时，该进给尤其很有用，因为操作员可能不需要监督操作。这在操作员不可能接近并监督钻探操作的区域也很有用。
已知本领域中存在实施该进给单元的许多系统。在这些系统中，进给电机可以沿着钻台以恒定的进给力进给钻头。这里，钻探机可以用户设定的预定速度和力进入钻探对象，然而，钻头可能滑离钻探对象上的期望区域并且钻探可能不能产生适当的形状。另外，钻探对象可能具有多层不同的材料，这可能需要不同的进给力和速度。这可能导致电机过载并可能对电机造成永久的损坏。
该系统的另一问题在于进给单元可能不知道进给操作已完成并且可能继续进给。这可能损坏其他外围系统并产生不必要的电力损耗。
此外，由于使用飞轮离合器，安装和拆卸当前的进给系统是一个繁琐的过程，这可能使整个过程变得复杂。此外，螺钉和其他这类固定元件的使用可能使得该过程耗时。
根据前文所述，需要一种用于实施进给单元的改进方法和设备，其将克服或减少电机过载、钻头滑动、过量进给以及安装/拆卸复杂等缺点。
发明内容
鉴于上文所述，本发明的目的在于解决或至少减少上文所讨论的问题。具体地，目的在于提供用于将钻探机的钻头进给至钻探对象内并且能够感测负荷情况、改变进给力的方法和系统以及提供容易安装/拆卸的装置。
该目的通过本发明中所述的用于朝着钻探对象进给进给架（feedinghouse）的新颖设备实现。因此，根据本发明的第一方面，提供了一种钻探设备，包括：钻探机，具有适于执行钻探操作的钻头和用于旋转钻头的钻探电机；钻台；进给架；以及进给单元。进给架悬挂钻探机并可沿着钻台移动；并且进给单元包括用于使进给架沿着钻台进给的电动进给电机。该钻探设备的特征在于控制器连接至进给单元。控制器用于手动地改变（influence）进给电机的旋转方向、速度和进给力。因此，钻探设备不需要单独的控制器来改变进给电机的方向、速度和进给力。所有这些功能都由单个控制器来提供。这使得操作员能够更简便地操纵该钻探设备。
根据本发明，控制器可以是电位计（potentiometer），并且控制器可以连续地变化，以便以连续可变的方式改变进给电机的旋转方向、速度和进给力。因此，可以获得对进给程序的更精确控制。
根据本发明，控制器可以控制施加至电动进给电机的电流和电压。
根据本发明，控制器可以远程连接至进给单元。在本发明的一个方面中，如果工作环境危险、难于接近等，远程连接很有用。根据本发明，远程连接可以是无线连接。因此，钻探设备可以通过无线通信连接或类似连接进行操纵。
根据本发明，钻探设备可以是岩心钻探设备，并且钻头可以是岩心钻头。
根据本发明，控制器可适于在不同操作阶段用于不同目的。首先，当钻头不与钻探对象接触时，控制器可用于手动地改变进给电机的旋转方向和速度。此外，但钻头与钻探对象接触时，控制器可用于手动地改变进给电机的进给力。在本发明的一个方面，在这类系统中，不需要多个控制器，而是同一控制器用于在钻探操作的不同阶段期间执行不同的操作。控制器的功能可由进给单元中的逻辑电路控制。
根据本发明，钻探电机可以是电动钻探电机，并且进给单元可适于通过检测电动钻探电机中的电流变化来检测钻头与钻探对象之间的接触。因此，在电动钻探电机上的负荷增大的时刻，即，当钻头与钻探开始对象接触时，检测到通过电动钻探电机的电流的峰值。
根据本发明，进给单元可包括连接至电动进给电机的齿轮，该齿轮可以是锥齿轮(angle gear)。此外，锥齿轮可以是格里森（Gleason）齿轮。在本发明的一个方面，与蜗杆齿轮相比，格里森齿轮具有更高的效率。此外，格里森齿轮不是不可逆转的，因此还可以用手转动。此外，与蜗杆齿轮相比，格里森齿轮提供沿着钻台的可能更高的进给速度。
根据本发明，电动进给电机可由12-50伏的电池驱动。此外，电动进给电机可由24伏的电池驱动。用于进给单元中的低电压电机具有能够使进给单元的尺寸紧凑的优点。
根据本发明的第二方面，提供了一种沿着钻台进给进给架的方法，该进给架悬挂具有适于在钻探对象中执行钻探操作的钻头的钻探机。此外，进给单元耦接至进给架；进给单元包括使进给架沿着钻台进给的电动进给电机，并且其中，用于控制进给电机的旋转方向、速度和进给力的控制器连接至进给单元。该方法包括改变电动进给电机的速度和旋转方向使得进给架沿着钻台移动并且钻头朝着钻探对象移动的步骤。然后检测钻头是否过快地到达钻探对象。如果钻头过快地到达钻探对象，这将导致在钻探操作开始时进行一些不期望的钻探。如果检测到过快地到达，则停止进给架的进给。此外，该方法包括沿着钻台继续进给进给架使得钻头在钻探对象中执行钻探操作的步骤，并且在钻头在钻探对象中进行钻探操作期间，电动钻探电机的进给力由控制器改变。
因此，提供了一种避免钻头过快地到达钻探对象的钻探操作的方法。由于过快地到达钻探对象，钻头将引起不期望的钻探操作开始，这会对钻探对象和/或钻探机或钻头造成损坏。这可能是由于冲击力会在冲击点处使钻头向旁边移动的原因。
根据本发明，该方法还包括检测钻头开始接触钻探对象时的条件。
根据本发明，在停止进给架的进给之后，如果检测到钻头过快地到达钻探对象，则进给单元可以使进给架沿着使得钻头移动远离钻探对象的方向进给预定的时间。因此，如果朝着钻探对象过快地进给进给架和钻头，则更安全的操作得以进行，不损坏钻探对象。预定的时间可以是较短的时间，只要在钻头与钻探对象之间提供距离就足够了。
根据本发明，钻探机可以设置有电动钻探电机。此外，电动钻探电机中的电流变化可用于检测钻头是否已接触钻探对象。因此，在电动钻探电机上的负荷增大的时刻，即，当钻头与钻探对象开始接触时，可以检测到电动钻探电机中的电流的峰值。
根据本发明，电动进给电机的进给力可通过改变电动进给电机中的电流而改变。
根据本发明，当检测到钻头已钻通钻探对象时，可以停止进给架的进给。
根据本发明，在进给进给架时，使得钻头可以执行钻探操作，该方法还包括检测达到电动钻探电机上的最大负荷的步骤。此外，可以停止进给架的进给，使得电动钻探电机上的负荷降至低于最大负荷。于是，可以设定电动进给电机的最大进给力，所述最大进给力对应于电动钻探电机上的可低于最大负荷的负荷。
根据本发明，停止进给架的进给使得电动钻探电机上的负荷降至低于最大负荷的步骤还可包括使进给架沿着与执行钻探操作的方向相反的方向进给预定时间。相反的方向可以是钻头沿着其在钻探操作期间移动的路径往回移动的方向。因此，提供了更安全的操作，使得钻探电机上的负荷可靠地降至低于最大负荷。
根据本发明，钻头可以是岩心钻头。
根据本发明，控制器可以是电位计，电位计的值可以连续变化。控制器可以改变通过电动进给电机的电流，并且可用于改变电动钻探电机的旋转方向、速度和进给力。
根据本发明，控制器可以远程连接至进给单元，优选地，可以利用无线连接。
根据本发明的第三方面，提供了一种使进给架沿着钻台进给的方法，该进给架悬挂具有适于在钻探对象中执行钻探操作的钻头的钻探机。此外，钻探机包括用于旋转钻头的电动钻探电机。此外，进给单元耦接至进给架，并且进给单元包括用于使进给架沿着钻台进给的电动进给电机。控制器连接至进给单元以改变进给电机的进给力。该方法还包括沿着钻台进给进给架使得钻头在钻探对象中执行钻探操作的步骤，其中在钻头在钻探对象中执行钻探操作期间，电动进给电机的进给力由控制器改变。此外，该方法包括检测电动钻探电机上的最大负荷已达到的步骤以及停止进给使得电动钻探电机上的负荷降至低于最大负荷的步骤。最后，将电动进给电机的最大进给力设定为对应于电动钻探电机上的低于最大负荷的负荷。因此，提供了进给架的进给操作，该操作避免了钻探电机中的过载。当在操作期间第一次检测钻探电机上的最大负荷时，设定最大进给力。无论操作员如何操作用于控制进给电机的进给力的控制器以改变进给力，最大进给力都确保不会再次达到钻探电机上的最大负荷。可以根据进给电机的电流水平设定最大进给力。该方法提供了以避免损坏钻探机的安全特征。
根据本发明，在停止进给架的进给之后，为了将电动钻探电机上的负荷降至低于最大负荷，进给架可以沿着与钻探操作期间的进给方向相反的方向进给预定时间。这可以有助于减轻电动钻探电机上的负荷，因为允许钻头自由旋转离开钻探对象。
根据本发明，钻探机可以包括负荷检测单元，其中负荷检测单元可适于检测钻探电机中的最大负荷，并且当检测到最大负荷时适于使施加至电动钻探的电压以连续的频率波动。可以执行电压的波动，以便减轻钻探电机上的负荷。通过使电压以连续的频率波动，脉冲可以区别于由于改变钻探对象的性能而造成的脉冲。连续的频率可以是预定频率。
根据本发明，钻探机中的负荷检测单元检测转子温度，以便检测钻探电机上的最大负荷。这使得用于检测钻探电机上的最大负荷的可靠性增加。
根据本发明，检测是否达到钻探电机上的最大负荷的步骤包括检测施加到电动钻探电机的以连续频率波动的电压的步骤，并且其中停止进给架的进给可以是对波动电压的检测的响应。当进给单元检测到连续频率的脉冲时，进给单元可以知道脉冲产生是因为钻探电机上的最大负荷已达到的原因。因此，进给单元可以停止进给架的进给。如果检测到由于改变钻探对象的性能产生的不规则频率的脉冲，则进给单元可适于不停止进给架的进给。改变性能可以是例如但不限于混凝土钻探对象中存在铁棍。
根据本发明，检测以连续频率施加至钻探电机的所述波动电压的步骤还可以包括将检测到的频率与预定的存储频率进行比较的步骤。预定频率可以根据一旦检测到最大电荷负荷检测单元就波动电压时的频率进行设定。因此，进给单元可以将检测到的频率与为负荷检测单元设定的频率进行比较，以便确定波动是否由负荷检测单元造成或由其他任何原因造成。其他原因可以是但不限于钻探对象中的变化性能。
根据本发明，该方法还可以包括发送控制信号至钻探机作为对于施加至钻探电机的波动电压的检测的响应的步骤。此外，当波动电压具有不规则频率时可以发送控制信号。这些控制信号可用于调整钻探电机的旋转速度。这些不规则频率的脉冲可以表示存在比钻探对象中的待钻探材料更硬的材料，因此钻探电机的旋转速度将降低。例如，这类更硬的材料可能是例如存在于混凝土钻探对象中的铁棍。不规则频率可以定义为与负荷检测单元使施加至钻探电机的电压波动的预定频率不同的频率。
根据本发明，钻头可以是岩心钻头。
根据本发明，控制器可以是电位计，电位计的值可以连续变化。控制器可以改变通过电动进给电机的电流，并且可用于改变电动钻探电机的旋转方向、速度和进给力。
根据本发明，控制器可以远程连接至进给单元，优选地，可以利用无线连接。
根据本发明，当检测到钻头钻通钻探对象时，可以停止进给架的进给。
根据本发明的第四方面，提供了一种能够将进给单元从进给架快速地释放的设备。钻探设备包括具有钻头的钻探机、用于旋转钻头的钻探电机、钻台、以及用于悬挂钻探机的进给架，其中，进给架可沿着钻台移动，并且进给单元具有用于使进给架沿着钻台进给的电动进给电机。此外，进给单元设置有包含手柄的快速释放联轴器，并且其中，当操作手柄时，进给单元适于从进给架上释放。因此，从进给架上移除进给单元变成了更简单且更快速的过程，因为只操作一个手柄，而不需要旋松任何螺钉、螺栓或类似物。
根据本发明，进给单元可具有可适于由电动进给电机旋转的轴，并且该轴可以耦接至进给架以使进给架沿着钻台进给。此外，手柄可以耦接至轴并且手柄的操作可以影响该轴。
根据本发明，轴的第一端可适于处于伸出位置并且伸出到进给单元外部。轴的该第一端可以耦接至进给架。此外，当操作手柄时，轴的第一端可适于在轴向方向上从伸出位置撤回。这种装配的优势在于，该系统不需要诸如螺钉的任何附加元件。
根据本发明，可围绕该轴安装的弹簧构件可以耦接至轴以朝着伸出位置推动轴。因此，在静止状态下，轴的第一端可由弹簧构件保持并固定在伸出位置，只要不操作手柄即可。例如，静止状态可以例如是进给单元安装在进给架上和进给单元沿着钻台进给进给架时的状态。为了移除进给单元，在移除期间轴通过手柄保持在非伸出位置。
根据本发明，当快速释放联轴器从伸出位置撤回轴时，进给单元可以与进给架分离。因此，进给单元和进给架可以设置有保持构件，用于使安装位置的进给保持在进给架上，并且当轴从伸出位置撤回时所述保持构件可以得到释放。
根据本发明，手柄可以耦接至轴的第二端，该第二端可以处于与轴的第一端轴向相反的方向。
根据本发明，为了从伸出位置撤回轴，可以在轴向方向上拉动手柄。
根据本发明的第五方面，提供了一种钻探设备，包括具有钻头的钻探机、用于旋转钻头的钻探电机、钻台、用于悬挂钻探机并可沿着钻台移动的进给架、以及包括用于使进给架沿着钻台进给的电动进给电机的进给单元。该设备的特征在于，安装轮圈安装在进给架与进给单元之间的耦接点处。安装轮圈还在进给架上为进给单元提供了多个可能的角度安装位置。具有多个安装位置的优势在于，进给单元可以根据具有不同几何形状的不同工作区域的要求容易地安装。此外，当可在不同高度处接近进给单元时，不同身高的操作员可以舒适的方式容易地操作钻探设备。
根据本发明，安装轮圈可以是沿着其外围边缘设置有凹槽的圆盘。
根据本发明，进给单元可以利用至少一个锁定构件锁定在进给架上，锁定构件可与设置在安装轮圈上的许多凹槽中的至少一个相互作用。因此，凹槽的数量可以提供具有锁定构件的多个锁定位置。进给单元可以0-360度之间的角度安装在进给架上。
附图说明
下文将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的用于进给进给单元的系统的框图；
图2示出了根据本发明实施例的钻探设备；
图3示出了根据本发明实施例的从进给架看到的进给单元；
图4示出了根据本发明实施例的进给单元的横截面图；
图5示出了根据本发明实施例的用于将进给单元安装在进给架上的安装轮圈；
图6示出了用于检测钻探机对钻探对象的冲击的方法的流程图；
图7示出了用于检测钻探电机上的最大负荷的方法的流程图。
具体实施方式
下文将参考附图更充分地描述本发明，附图中示出了包含本发明的一个或多个方面的本发明的实例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同的形式，而不应理解为限于此处所述的实施例；相反地，提供这些实施例以使本发明更彻底完善，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。例如，本发明的一个或多个方面可用于其他实施例中，甚至可用于其他类型的设备中。附图中，相同的数字表示相同的元件。
图1示出了根据本发明实施例的系统100的框图。在本发明的实施例中，系统100可以体现在用于控制钻头进入钻探对象的进给的进给单元。
在本发明的实施例中，系统100可包括传感器单元102、控制单元104和控制器106。在本发明的实施例中，控制器106可包括用于控制进给单元的进给参数的装置。在本发明的实施例中，用于控制进给单元的装置可以是电位计401。电位计401可连续地变化用于进给电机参数的精确改变。此外，控制器106还可包括紧急停止开关，用于在紧急情况下停止进给单元在钻探对象中的进给。在一个实施例中，钻探对象可以是混凝土。控制器106的输出可以连接至控制单元104。
此外，传感器单元102可包括电流传感器和热传感器。电流传感器可用于感测进给电机和钻探电机中的电流。在本发明的实施例中，进给电机可以是电动进给电机，并且钻探电机可以是电动钻探电机。在本发明的实施例中，有必要感测电流，因为钻探电机和/或进给电机可能会过载。在这些情况下，控制单元104可以产生适当的命令信号以防止由于过载状态对电机造成损坏。另外，热传感器可用于感测转子绕组的温度，以在温度从预定温度开始升高的情况下指示过载状态。
控制单元104还可包括存储装置108和处理单元110。在本发明的实施例中，存储装置108可以是随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存或任何适当的存储设备。存储装置108可包括用于储存操作指令的各种模块以及控制单元104的其他软件。操作指令可以是用于控制控制单元104的整体操作的一组计算机可执行指令。存储装置108还可储存基于从传感器单元102和控制器106接收的一个或多个信号向进给单元发送命令所需的参数数据库。来自存储装置108的一个或多个参数可以通信至处理单元110。
处理单元110可以执行将钻探机引导至钻探对象所需的所有计算。处理单元110可包括输入/输出（I/O）接口（未示出），该输入/输出接口可操作以便从存储装置108接收参数和计算机可执行指令。处理单元110还可包括计算模块（未示出）以产生用于控制进给单元的命令。
在本发明的实施例中，如果紧急停止开关未启动，则控制器106可用于为控制单元104配置用于执行进给操作的操作参数。所述操作参数可以是旋转方向、进给速度、电流限制等。于是控制单元104可基于操作参数开始进给。此外，控制单元104可借助于传感器单元102开始感测进给单元和钻探机的不同工作参数。在本发明的实施例中，工作参数可以是在钻探电机和/或进给电机中流动的电流。工作参数可用于感测电机中的过载状态、钻头对钻探对象的冲击、钻探操作的完成等。
此外，处理单元110可以基于控制器106和传感器单元102的状态从存储装置108调用命令。包含在处理单元110中的计算模块可以将参数与储存在存储装置108中的数据库进行比较，从而识别出待从存储装置108调用的所需命令。在本发明的实施例中，控制单元104还可基于进给单元的工作状态为用户产生信号。在本发明的实施例中，所述信号可以利用发光二极管（LED）显示在屏幕上，可以是声音信号等。
图2示出了根据本发明实施例的钻探设备200。钻探设备200可包括钻台202、钻探机204、进给架206以及进给单元208。钻台202可以保持悬挂钻探机204和进给单元208的进给架206。此外，进给架206可以沿着钻台202移动。此外，钻台202可以利用诸如螺栓等的固定机构固定在表面上。通常，钻台202以钻探机204可直接位于钻探对象上方的方式定位。
此外，钻探机204可包括钻探电机（未示出）。此外，进给单元208可以利用安装轮圈安装在进给架206上。在本发明的实施例中，安装轮圈可有助于进给单元208相对于进给架206以适当的角度安装。
钻探设备的详细工作方式将在下文中结合其他附图进行说明。
图3示出了根据本发明实施例的进给单元208。进给单元208可用于将安装在进给架206上的钻探机204进给至钻探对象内。在本发明的实施例中，进给单元208用于沿着钻台202进给进给架206。钻探机204适于在钻探对象上执行钻探操作。在本发明的实施例中，钻探设备200可以是岩心钻探设备，并且钻头可以是岩心钻头。
此外，进给单元208可封闭在外壳302内部。在本发明的实施例中，外壳302可由诸如但不限于塑料、金属、合金等材料制成。在本发明的实施例中，进给单元208可以利用安装轮圈304安装在进给架206上。将结合本发明的图5进行进一步说明安装轮圈304。
此外，进给单元208电连接至钻探电机和电源。钻探电机可用于钻头的旋转。在本发明的实施例中，进给单元208的连接件可以使用外部Y形分叉件实现。外部Y形分叉件的一端可以连接至电源。在本发明的实施例中，电源可以是交流电源或直流电源。外部Y形分叉件的另一端可以连接至钻探电机。在本发明的实施例中，可以形成与钻探电机的连接以感测钻探电机中的电流。外部Y形分叉件可以连接至进给单元208内部的控制单元104，其可用于控制其整体操作。进给单元208的其他操作将结合图4进行详细说明。
图4示出了根据本发明实施例的进给单元208的横截面图。在本发明的实施例中，控制器106可用于控制进给单元208的不同参数，如图1所说明的。在本发明的实施例中，控制器106可包括电位计401。在本发明的各种实施例中，电位计401是连续变化的。通过连续变化，其可以以连续变化的方式改变进给电机的旋转方向、速度和进给力。这比电位计401步进式变化对进给过程提供了更精确且更灵活的控制。此外，电位计401可以安装在进给单元208上。在本发明的替换实施例中，电位计401可以远程连接至进给单元208。在本发明的各种实施例中，远程连接可以是无线连接。无线连接可以包括但不限于蓝牙、射频波和红外波等。
此外，在本发明的实施例中，电位计401可以控制施加至进给电机402的电流和电压。在本发明的实施例中，进给电机402可以是直流电机。在本发明的另一实施例中，进给电机402可以是无刷直流电机。替换地，进给电机402可以是有刷直流电机。此外，在本发明的实施例中，进给电机402可以由12至15伏的电池（未示出）驱动。在本发明的另一实施例中，进给电机402可以由大体上为24伏的电池驱动。
在本发明的实施例中，电位计401适于手动地改变进给电机402的各种参数，诸如旋转方向、速度和进给力等。此外，当钻头脱离与钻探对象的接触时，电位计401可以改变进给电机402的旋转方向和速度。在本发明的另一实施例中，当钻头与钻探对象接触时，电位计401适于手动地改变进给电机402的进给力。
在本发明的实施例中，进给单元208适于通过检测钻探电机中的电流变化来检测钻头与钻探对象之间建立连接的状态。此外，电流的某些值可以储存在存储装置108中，并且可以通过比较储存值和感测到的电流值来检测钻头与钻探对象之间的接触。
在本发明的实施例中，进给电机402的轴（未示出）可以连接至齿轮404。在一个实施例中，齿轮404可以是行星齿轮。在本发明的实施例中，齿轮还可以包括滑动型的离合器。此外，在本发明的实施例中，进给单元208的输出轴406可利用另一齿轮单元408连接至齿轮404和离合器。在本发明的实施例中，齿轮单元408可以是锥齿轮。在本发明的实施例中，锥齿轮可以是格里森齿轮。
如图4所示，进给单元208设置有快速释放联轴器，用于将进给单元208耦接至进给架206。快速释放联轴器可包括手柄410。进给单元208可以在操作手柄410时拆卸。此外，手柄410可以耦接至输出轴406，并且手柄410的操作还可以影响输出轴406。在本发明的实施例中，输出轴406可由进给电机402旋转，并且输出轴406可耦接至进给架，以便当输出轴406旋转时沿着钻台202进给进给架206。
在本发明的实施例中，输出轴406第一端412可以伸出到进给单元208外部并耦接至进给架206。此外，在本发明的实施例中，当操作手柄410时，输出轴406可以沿轴向方向从伸出位置撤回，这能够将进给单元208从进给架206上拆卸。在本发明的实施例中，手柄410可以耦接至输出轴406的第二端414，该第二端可以处于与输出轴406第一端412轴向相反的方向上。
此外，在本发明的实施例中，快速释放联轴器还可以包括安装在输出轴406周围的弹簧构件416，用于朝着伸出位置推动输出轴406。此外，输出轴406和齿轮408可以通过三球组件418连接。
此外，进给单元208可具有可用于安装各种元件的面板420。在本发明的实施例中，面板420可以是薄膜面板。薄膜面板还可以包括通断开关和显示装置。显示装置可以包括但不限于LED、灯泡等。显示装置可用于传达进给单元208的操作状态。此外，在本发明的实施例中，进给单元208可以包括紧急停止开关422，用于在紧急情况下停止进给单元208的操作。
进给单元208还可以包括相关部件，诸如DC-DC转换器424、电机控制电路426、冷却部件等。冷却部件还可以包括用于电机冷却的风扇428、用于冷却进给单元208的相关电路的冷却板430、以及用于调节进给单元208内部的新鲜空气的通风阀432。
此外，进给单元208在执行进给操作时可实施两种方法。在一种方法中，进给单元208可以检测钻头对钻探对象的冲击（将结合图6进行说明）。在另一种方法中，进给单元208还可以执行确定最大负荷的方法（将结合图7进行说明）。
图5示出了根据本发明实施例的用于将进给单元208安装在进给架206上的安装轮圈304。在本发明的实施例中，安装轮圈304可以在进给单元208与进给架206之间的耦接点处安装在进给架206上。在本发明的各种实施例中，安装轮圈304可以是沿其外围具有多个凹槽502的圆盘。此外，安装轮圈304可以由但不限于金属和合金等制成。
在本发明的实施例中，进给单元208适于通过利用至少一个锁定构件（未示出）锁定至进给架206的安装轮圈304。在本发明的各种实施例中，锁定构件可与设置在安装轮圈304上的一个或多个凹槽502相互作用，以将进给单元208与安装轮圈304锁定。此外，在本发明的实施例中，设置在安装轮圈304上的多个凹槽502可以提供将进给单元208相对于进给架206安装在各个角度的可能性。这可以为安装进给单元208提供更大的灵活性。
图6示出了根据本发明实施例的用于检测钻头对钻探对象的冲击的方法600的流程图。如前述附图中所示，进给架206悬挂钻探机204，钻探机还包括适于在钻探对象中执行钻探操作的钻头。在本发明的实施例中，钻探机204设置有钻探电机。此外，进给单元208耦接至进给架206。进给单元208可以包括用于沿着设置在钻探设备200上的钻台202进给进给架206的电动进给电机402。钻探设备200还包括连接至进给单元208的控制器106。控制器106适于改变进给电机402的旋转方向、进给电机402的速度和进给力。
在步骤602中，控制器106可以改变电动进给电机402的旋转方向和速度。在本发明的实施例中，控制器106可以改变旋转和速度，使得进给架206沿着钻台202移动并且钻头朝着钻探对象移动。在本发明的实施例中，钻探机204是岩心钻探机，并且钻头是岩心钻头。
在本发明的实施例中，控制器106适于手动地改变进给电机402的旋转方向、进给电机402的速度和进给力。此外，控制器106可以控制施加至电动进给电机402的电流。在本发明的实施例中，控制器106可以通过改变提供给进给电机402的电流而改变进给电机402的进给力。在本发明的各种实施例中，控制器106是电位计401，并且适于连续变化。在本发明的实施例中，电位计401可以远程连接至进给单元208。在一个实施例中，远程连接可以是无线连接。
另外，在步骤604中，进给单元208可以检测钻头到达钻探对象的速度。在本发明的实施例中，进给单元208适于检测钻头与钻探对象接触的状态。在本发明的各种实施例中，当钻头与钻探对象接触时，进给单元208可以检测电动钻探电机中的电流值的变化。控制单元104可以将检测值与储存在存储装置108中的电流值进行比较，因而检测钻头是否过快地到达钻探对象。
另外，在步骤606中，如果进给单元208根据钻探电机中的电流值的变化检测到钻头过快地到达钻探对象，则进给单元208可以停止进给架206的进给。在本发明的各种实施例中，控制单元104可以发送命令信号至进给单元208以便停止进给。此外，控制单元104可以发送命令至进给单元208以沿与实际进给方向相反的方向进给进给架206预定的时间，使得钻头从钻探对象移开。这可以避免对钻探对象和钻头造成损坏。
随后，进给单元208可以在再次继续进行钻探操作之前调整进给电机402的进给力，以避免对钻头和/或钻探对象造成任何损坏。
此外，在步骤608中，控制单元104可以发送一个或多个信号至进给单元208以重新开始进给架206沿着钻台202的进给，使得钻头在钻探对象内进行钻探操作。同时，在钻头在钻探对象内进行钻探操作期间，控制器106还可以按需改变进给电机402的进给力。在本发明的各种实施例中，进给单元208还适于检测钻头钻通钻探对象并且进给单元208因此停止进给架206的进给时的条件。
图7示出了用于检测钻探电机上的最大负荷的方法700的流程图。在步骤702中，控制器106可以发送一个或多个信号至进给单元208以开始进给架206沿着钻台202的进给，使得钻头在钻探对象内进行钻探操作。同时，在钻头在钻探对象中进行钻探操作期间，控制器106还可以按需改变进给电机402的进给力。
此外，在步骤704中，钻探机中的负荷检测单元适于检测是否已达到钻探电机的最大负荷。在本发明的各种实施例中，负荷检测单元可以是控制单元104的一部分，或者另外设置为钻探机204中的独立单元。负荷检测单元适于检测钻探电机的转子温度，进而检测钻探电机上的最大负荷。此外，当检测钻探电机上的最大负荷时，负荷检测单元还适于使施加至钻探电机的电压以连续、预定的频率波动。
在本发明的实施例中，进给单元208可以检测施加至钻探电机的以连续频率波动的电压，并随后将检测到的脉冲频率与预定频率进行比较。如果检测到不规则频率的波动电压，则进给单元208可以发送控制信号至钻探机204。不规则频率可以是不同于预定频率的频率。控制信号可用于调整由钻探电机旋转的钻头的旋转速度。钻探电机上的电压的不规则频率可能由于改变钻探对象中的性能而引起。例如，混凝土的钻探对象中可能存在铁棍。当到达钻探对象中的铁棍时，钻探操作不应停止，而是应该调整钻头的旋转速度和/或进给力。穿过铁棍的钻探操作可以以比穿过混凝土的钻探更低的钻头旋转速度完成。
不规则频率的检测可以设置成不同于预定频率的频率的检测。预定频率可以是频率的区间。频率的区间可以包括一旦检测到最大负荷时负荷检测单元可以使施加至钻探机的电压波动的频率。
在步骤706中，响应于以预定频率施加至钻探电机的波动电压的检测，进给单元208可以停止进给架206的进给，使得钻探电机上的负荷降至低于最大负荷。在本发明的实施例中，进给单元208可以使进给架206沿着与实际钻探操作方向相反的方向进给预定的时间，使得钻探电机上的负荷降至低于钻探电机上的最大负荷。
此外，在步骤708中，控制单元104可以为进给电机402设定与钻探电机上的负荷（低于钻探电机上的最大负荷）对应的可能的最大进给力。因此，用户不会超过钻探电机上的最大负荷，因为最大进给力防止在钻探电机上提供这种负荷的进给力。可以通过限制进给电机402的可能的电流水平来设定最大进给力。这可以设置成用于防止钻探机204和钻探电机受损坏的安全特征。在本发明的各种实施例中，进给单元208还适于检测钻头钻通钻探对象并且进给单元208因此停止进给架206的进给的条件。
尽管上述发明说明了有关钻探机的工作方式，但本领域技术人员应该知道，这种系统可以顺利地应用于其他工具，例如但不限于，镗孔机。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的优选实施例和实例，尽管采用了专用术语，但这些术语只用于普通意义上的描述，并不用于限制的目的，本发明的范围由所附权利要求中所述。

Claims (57)

1.一种钻探设备(200)，包括：
钻探机(204)，具有用于旋转钻头的钻探电机，所述钻头适于在钻探对象中执行钻探操作；
钻台(202)；
进给架(206)，其悬挂所述钻探机(204)，其中，所述进给架(206)能够沿着所述钻台(202)移动；以及
进给单元(208)，包括用于使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给的电动进给电机(402)，
其特征在于，
控制器(106)连接至所述进给单元(208)，以便手动地改变所述进给电机的旋转方向、速度和进给力，并且所述进给单元(208)还包括通过行星齿轮(404)连接至所述电动进给电动机(402)的齿轮(408)，并且所述齿轮(408)是锥齿轮，并且所述齿轮(408)设置成能手动操作，从而所述齿轮不是不可逆转的。
2.根据权利要求1所述的钻探设备(200)，其中，所述控制器(106)是电位计(401)。
3.根据权利要求1或2所述的钻探设备(200)，其中，所述控制器(106)能够连续地变化，以便以连续可变的方式改变所述进给电机的旋转方向、速度和进给力。
4.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述控制器(106)控制施加至所述电动进给电机的电流和电压。
5.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述控制器(106)远程连接至所述进给单元(208)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述控制器(106)无线连接至所述进给单元(208)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述钻探设备(200)是岩心钻探设备，并且所述钻头是岩心钻头。
8.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，当所述钻头不与所述钻探对象接触时，所述控制器(106)适于用于手动地改变所述进给电机的旋转方向和速度。
9.根据权利要求8所述的钻探设备(200)，其中，当所述钻头与所述钻探对象接触时，所述控制器(106)还适于用于手动地改变所述进给电机的进给力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述钻探电机是电动钻探电机，并且其中，所述进给单元(208)适于通过检测所述电动钻探电机中的电流的变化来检测所述钻头与所述钻探对象之间的接触状态。
11.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述齿轮(408)是伞齿轮。
12.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述齿轮(408)是格里森齿轮。
13.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述行星齿轮(404)能够包括离合器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述电动进给电机(402)由12-50伏的电池供电，优选地为24伏的电池。
15.一种沿着钻台(202)进给进给架(206)的方法(600)，所述进给架(206)悬挂具有适于在钻探对象中执行钻探操作的钻头的钻探机(204)，其中，进给单元(208)耦接至所述进给架(206)，所述进给单元(208)包括用于使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给的电动进给电机(402)，并且其中，控制器(106)连接至所述进给单元(208)，以便手动地改变所述进给电机的旋转方向、速度和进给力，
所述方法(600)包括下列步骤：
改变所述电动进给电机(402)的旋转方向和速度，使得所述进给架(206)沿着所述钻台(202)移动并且所述钻头朝着所述钻探对象移动；
检测所述钻头是否过快地到达所述钻探对象；
如果检测到所述钻头过快地到达所述钻探对象，则停止所述进给架(206)的进给；以及
使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)继续进给，使得所述钻头在所述钻探对象中执行钻探操作，在所述钻头在所述钻探对象中进行钻探操作期间，所述电动进给电机(402)的进给力由所述控制器(106)改变，
其中，所述进给单元(208)还包括通过行星齿轮(404)连接至所述电动进给电动机(402)的齿轮(408)，并且所述齿轮(408)是锥齿轮，并且所述齿轮(408)设置成能手动操作，从而所述齿轮不是不可逆转的。
16.根据权利要求15所述的方法(600)，还包括检测所述钻头开始接触所述钻探对象时的条件。
17.根据权利要求15或16中任一项所述的方法(600)，其中，如果检测到所述钻头过快地到达所述钻探对象则停止所述进给架(206)的进给的步骤还包括使所述进给架(206)沿着所述钻头移动远离所述钻探对象的方向进给预定的时间。
18.根据权利要求16所述的方法(600)，其中，所述钻探机(204)设置有电动钻探电机，并且检测所述钻头与所述钻探对象已接触的步骤包括检测所述电动钻探电机中的电流变化的步骤。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法(600)，其中，所述电动进给电机(402)的进给力的改变通过施加至所述电动进给电机(402)的电流的改变而提供。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法(600)，其中，所述方法还包括检测所述钻头已经钻通所述钻探对象以及停止所述进给架(206)的进给的步骤。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法(600)，其中，所述钻探机还包括用于旋转所述钻头的电动钻探电机，并且，所述进给架(206)进给使得所述钻头执行所述钻探操作的步骤还包括下列步骤：
检测是否达到所述电动钻探电机上的最大负荷；
停止所述进给架(206)的进给，使得所述电动钻探电机上的负荷降至低于所述最大负荷；以及
为所述电动进给电机(402)设定与所述电动钻探电机上的低于所述最大负荷的负荷对应的最大进给力。
22.根据权利要求21所述的方法(600)，其中，停止所述进给架(206)的进给使得所述电动钻探电机上的负荷降至低于所述最大负荷的步骤还包括使所述进给架(206)沿着与执行所述钻探操作的方向相反的方向进给预定时间的步骤。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的方法(600)，其中，所述钻头是岩心钻头。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的方法(600)，其中，所述控制器(106)适于手动地改变所述电动进给电机的旋转方向、速度和进给力。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的方法(600)，其中，所述控制器(106)是电位计(401)。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的方法(600)，其中，所述控制器(106)适于连续地变化，以便以连续可变的方式改变所述进给电机的旋转方向、速度和进给力。
27.根据权利要求15至26中任一项所述的方法(600)，其中，所述控制器(106)控制施加至所述电动进给电机(402)的电流。
28.根据权利要求15至27中任一项所述的方法(600)，其中，所述控制器(106)远程连接至所述进给单元(208)。
29.根据权利要求15至28中任一项所述的方法(600)，其中，所述控制器(106)无线连接至所述进给单元(208)。
30.一种使进给架(206)沿着钻台(202)进给的方法(700)，所述进给架(206)悬挂具有适于在钻探对象中执行钻探操作的钻头的钻探机(204)，所述钻探机(204)包括旋转所述钻头的电动钻探电机，其中，进给单元(208)耦接至所述进给架(206)，所述进给单元(208)包括用于所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给的电动进给电机(402)，并且其中，控制器(106)连接至所述进给单元(208)以便改变所述进给电机的进给力，
所述方法(700)包括下列步骤：
使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给，使得所述钻头在所述钻探对象中执行钻探操作，在所述钻头在所述钻探对象中执行钻探操作期间，所述电动进给电机(402)的进给力由所述控制器(106)改变；
检测是否达到所述电动钻探电机上的最大负荷；
停止所述进给架(206)的进给，使得所述电动钻探电机上的负荷降至低于所述最大负荷；以及
为所述电动进给电机(402)设定与所述电动钻探电机上的低于所述最大负荷的负荷对应的最大进给力，
其中，所述进给单元(208)还包括通过行星齿轮(404)连接至所述电动进给电动机(402)的齿轮(408)，并且所述齿轮(408)是锥齿轮，并且所述齿轮(408)设置成能手动操作，从而所述齿轮不是不可逆转的。
31.根据权利要求30所述的方法(700)，其中，停止所述进给架(206)的进给使得所述电动钻探电机上的负荷降至低于所述最大负荷的步骤还包括使所述进给架(206)沿着与执行所述钻探操作的方向相反的方向进给预定时间。
32.根据权利要求30或31中任一项所述的方法(700)，其中，所述钻探机(204)还包括负荷检测单元，所述负荷检测单元适于检测所述钻探电机上的所述最大负荷，并且当检测到所述钻探电机上的所述最大负荷时使施加至所述钻探电机的电压以连续的频率波动。
33.根据权利要求32所述的方法(700)，其中，所述负荷检测单元适于检测所述钻探电机中的转子温度，以便检测所述钻探电机上的最大负荷。
34.根据权利要求32或33中任一项所述的方法(700)，其中，检测是否达到所述钻探电机上的所述最大负荷的步骤还包括检测施加到所述电动钻探电机的以连续频率波动的电压的步骤，并且其中，停止所述进给架(206)的进给的步骤是对波动电压的检测的响应。
35.根据权利要求34所述的方法(700)，其中，所述方法还包括将检测到的脉冲频率与预定频率进行比较的步骤。
36.根据权利要求34或35中任一项所述的方法(700)，其中，所述方法还包括发送控制信号至所述钻探机(204)作为对于检测到的施加至所述钻探电机的波动电压的响应。
37.根据权利要求36所述的方法(700)，其中，发送控制信号至所述钻探机(204)是对于施加至所述钻探电机的以不规则频率波动的电压的检测的响应。
38.根据权利要求36或37中任一项所述的方法(700)，其中，发送至所述钻探机(204)的控制信号包括调整所述钻探电机的旋转速度的信号。
39.根据权利要求30至38中任一项所述的方法(700)，其中，所述钻头是岩心钻头。
40.根据权利要求30至39中任一项所述的方法(700)，其中，所述控制器(106)是电位计(401)。
41.根据权利要求30至40中任一项所述的方法(700)，其中，所述控制器(106)适于手动地改变所述电动进给电机的旋转方向、速度和进给力。
42.根据权利要求30至41中任一项所述的方法(700)，其中，所述控制器(106)能够连续变化，以便以连续可变的方式改变所述进给电机的进给力。
43.根据权利要求30至42中任一项所述的方法(700)，其中，所述控制器(106)控制施加至所述电动进给电机(402)的电流。
44.根据权利要求30至43中任一项所述的方法(700)，其中，所述控制器(106)远程连接至所述进给单元(208)。
45.根据权利要求30至44中任一项所述的方法(700)，其中，所述控制器(106)无线连接至所述进给单元(208)。
46.根据权利要求30至45中任一项所述的方法(700)，还包括检测所述钻头已经钻通所述钻探对象以及进而停止所述进给架(206)的进给的步骤。
47.一种钻探设备(200)，包括：
钻探机(204)，具有钻头；
钻探电机，用于旋转所述钻头；
钻台(202)；
进给架(206)，其悬挂所述钻探机(204)，并且其中，所述进给架(206)能够沿着所述钻台(202)移动；以及
进给单元(208)，包括用于使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给的电动进给电机(402)，
其特征在于，
所述进给单元(208)设置有包含手柄(410)的快速释放联轴器，并且其中，当操作所述手柄(410)时，所述进给单元(208)适于从所述进给架(206)上释放，并且，所述进给单元(208)还包括通过行星齿轮(404)连接至所述电动进给电动机(402)的齿轮(408)，并且所述齿轮(408)是锥齿轮，并且所述齿轮(408)设置成能手动操作，从而所述齿轮不是不可逆转的。
48.根据权利要求47所述的钻探设备(200)，其中，所述进给单元(208)还包括适于由所述电动进给电机(402)旋转的轴(406)，并且其中，所述轴耦接至所述进给架(206)以使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给，并且其中，所述快速释放联轴器的手柄(410)耦接至所述轴(406)，并且所述轴(406)受所述手柄(410)的操作的影响。
49.根据权利要求47所述的钻探设备(200)，其中，所述轴(406)的第一端(412)适于处于伸出位置并伸出到所述进给单元(208)外部以耦接至所述进给架(206)，并且，当操作所述手柄(410)时，所述轴(406)的第一端(412)适于在轴向方向上从所述伸出位置撤回。
50.根据权利要求49所述的钻探设备(200)，其中，所述快速释放联轴器还包括耦接至所述轴(406)并适于朝着所述伸出位置推动所述轴(406)的弹簧构件(416)。
51.根据权利要求50所述的钻探设备(200)，其中，所述弹簧构件(416)是围绕所述轴(406)安装的弹簧。
52.根据权利要求49至51中任一项所述的钻探设备(200)，其中，当所述快速释放联轴器从所述伸出位置撤回所述轴(406)时，所述进给单元(208)适于从所述进给架(206)移除。
53.根据权利要求49至52中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述手柄(410)沿着与所述轴(406)的第一端(412)轴向相反的方向耦接至所述轴(406)第二端(414)。
54.根据权利要求49至53中任一项所述的钻探设备(200)，其中，所述手柄(410)适于沿着轴向方向被拉动以从所述伸出位置撤回所述轴(406)。
55.一种钻探设备(200)，包括：
钻探机(204)，具有钻头；
钻探电机，用于旋转所述钻头；
钻台(202)；
进给架(206)，其悬挂所述钻探机(204)并能够沿着所述钻台(202)移动；以及
进给单元(208)，包括用于使所述进给架(206)沿着所述钻台(202)进给的电动进给电机(402)，
其特征在于，
安装轮圈(304)在所述进给单元(208)与所述进给架(206)之间的耦接点处安装在所述进给架(206)上，所述装轮圈(304)在所述进给架(206)上设置有进给单元的多个可能的角度安装位置，
其中，所述进给单元(208)还包括通过行星齿轮(404)连接至所述电动进给电动机(402)的齿轮(408)，并且所述齿轮(408)是锥齿轮，并且所述齿轮(408)设置成能手动操作，从而所述齿轮不是不可逆转的。
56.根据权利要求55所述的钻探设备(200)，其中，所述安装轮圈(304)是沿着其外围边缘设置有凹槽(502)的圆盘。
57.根据权利要求56所述的钻探设备(200)，其中，所述进给单元(208)适于通过与至少一个所述凹槽(502)相互作用的至少一个锁定构件锁定至所述进给架(206)的安装轮圈(304)。
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