CN111350491A - 地下钻机及其角度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地下钻机及其角度测量系统。所述角度测量系统包括大臂角度测量组件，推进梁角度测量组件，倾角仪组件和与上述三个组件分别电连接的显示组件。大臂角度测量组件用于测量钻机大臂的水平摇摆角度，推进梁角度测量组件用于测量钻机推进梁相对于钻机大臂的水平摇摆角度，倾角仪组件用于测量钻机凿岩钻杆的俯仰角度和翻滚角度。根据本发明的角度测量系统，能够精确测量钻进的探出角并显示钻杆相对于预设基准的位置信息，进而确保精确控制凿岩钻杆的钻进方向，由此提高钻孔的位置精度。

Description

地下钻机及其角度测量系统

技术领域

本发明涉及凿岩台车，具体涉及地下钻机及其角度测量系统。

背景技术

为了控制凿岩台车在岩石中所钻的孔的位置，已经研制了多种角度测量系统来可靠地控制钻杆的方位朝向，以使钻进的角度(探出角(look-out angle of feed)，水平摇摆角度和俯仰角度)与所要钻的孔的设计方向一致。

US 5,383,524A公开了一种用于凿岩设备的角度测量系统，其借助于一个2轴倾角仪(包括2个传感器，分别测量在x和y平面上的倾角)测量推进梁的倾角，通过校正测量值来使推进梁对准所要钻的孔的设计方向。

CN107724958A公开了一种用于凿岩台车的角度测量系统，其在推进梁上包括测量竖直方向倾角的陀螺仪和一个测量在水平面内倾角的角度编码器，由此确保推进梁的钻进方向的精确度。

仍然存在提高在岩石中所钻孔的位置精度的需要。

发明内容

有鉴于此，在第一方面，本发明提出一种用于地下钻机的角度测量系统，其包括大臂角度测量组件，推进梁角度测量组件，倾角仪组件和与上述三个组件分别电连接的显示组件。大臂角度测量组件用于测量钻机的大臂的水平摇摆角度，推进梁角度测量组件用于测量钻机的推进梁相对于钻机大臂的水平摇摆角度，倾角仪组件用于测量钻机推进梁(以及因此安装于推进梁上的凿岩钻杆)的俯仰角度和翻滚角度。

根据实施例，大臂角度测量组件包括第一角度编码器，其安装在钻机的车架上，该第一角度传感器的第一轴与大臂相对于钻机的车架水平摇摆的第一立轴重合，以测量钻机的大臂通过第一立轴而相对于车架水平摇摆的枢转角度。

根据实施例，推进梁角度测量组件包括第二角度传感器，其安装在钻机的大臂上，第二角度传感器的第二轴与推进梁相对于大臂水平摇摆的第二立轴重合，以测量钻机的推进梁通过第二立轴而相对于大臂水平摇摆的枢转角度。

优选的，第一角度传感器或第二角度传感器中至少一个为绝对值编码器。

根据实施例，倾角仪组件包括两轴倾角仪，该两轴倾角仪固定于推进梁本体，以测量推进梁本体的俯仰角度和翻滚角度，所述推进梁本体相对大臂翻滚，倾斜及枢转。

优选的，大臂角度测量组件还包括第一固定部，第一角度传感器通过所述第一固定部安装于钻机的车架上，以使第一角度传感器与第一立轴同心；第一联轴部，一端安装在钻机的大臂上以随大臂运动，另一端安装在第一角度传感器上以随大臂的运动枢转第一角度传感器；以及第一罩盖，其固定于固定部并罩住第一角度传感器。这一布置的优点是，能够防止作业环境中的水及落石影响编码器，减少干扰。

根据实施例，第一固定部包括安装帽和固定帽，安装帽用于固定第一角度传感器并固定于固定帽，固定帽安装于车架。第二联轴部包括联轴块和拨叉，拨叉一端构造成叉形以夹住联轴块，另一端固定于大臂，联轴块设有与第一轴配合的孔。以此布置，第一角度传感器可以测量大臂的水平摇摆角度。

优选的，推进梁角度测量组件还包括第二固定部，第二角度传感器通过所述第二固定部安装于钻机的大臂上，以使第二角度传感器与第二立轴同心；第二联轴部，一端安装在钻机的推进梁上以随推进梁运动，另一端安装在第二角度传感器上以随推进梁的运动枢转第二角度传感器；以及第二罩盖，其固定于第二固定部并罩住第二角度传感器。这一布置的优点是，能够防止作业环境中的水及落石影响第二角度传感器，减少干扰。

根据实施例，第二固定部包括安装帽和固定帽，安装帽用于固定第二角度传感器并固定于固定帽，固定帽安装于大臂。第二联轴部包括联轴块和拨叉，拨叉一端构造成叉形以夹住联轴块，另一端固定于推进梁，联轴块设有与第二轴配合的孔。以此布置，第二角度传感器可以测量推进梁相对于大臂的水平摇摆角度。

优选的，联轴部还包括固定于推进梁的环形夹，其由可拆卸连接在一起的两个半夹部构成。拨叉的另一端固定于其中一个半夹部。以此布置，可以更好地适应推进梁的结构。

优选的，倾角仪组件还包括安装板，两轴倾角仪固定于安装板上，安装板则固定于推进梁本体。进一步优选的，倾角仪组件还包括第三罩盖，其固定于安装板并罩住倾角仪。这一布置的优点是，能够防止作业环境中的水及落石影响倾角仪，减少干扰。

根据实施例，显示组件包括可编程显示器和与之电连接的系统开关。显示器可被编程以根据上述测量数据得出钻进的水平摇摆角度和俯仰角度并显示出来。

根据另一实施例，显示组件包括可编程显示器和与之电连接的系统开关，显示器被编程以根据大臂的水平摇摆角度和推进梁的水平摇摆角度、俯仰角度和翻滚角度得出凿岩钻杆相对于预设基准的位置信息并将其显示出来。预设基准可以是包括第一平面和第二平面的两个正交平面，其中第一平面是凿岩钻杆的俯仰角度的基准面，第二平面是凿岩钻杆的水平摇摆角度的基准面。第一平面可以是水平面，第二平面与水平面垂直。

显示器还可被编程以执行以下程序：密码验证，确认操作人员是否有权限；标定，将处于基准的水平摇摆角度和俯仰角度标定为0；和方向切换，操作人员期望的方向，将水平摇摆角度和/或俯仰角度的增加方向设为正向或反向。

在第二方面，本发明提出一种地下钻机，其包括上述的角度测量系统。

根据实施例，地下钻机还包括可移动的车架，可相对于车架水平摇摆运动的大臂，和附接于大臂的推进梁。推进梁可相对于大臂水平摇摆运动并且可俯仰运动。

根据实施例，地下钻机还包括控制单元，通过控制单元来控制大臂、推进梁和凿岩钻杆的运动。

根据实施例，大臂通过车架上的第一立轴相对于钻机的车架水平枢转，推进梁通过大臂上的第二立轴相对于钻机的大臂水平枢转。

优选的，钻机还包括车架调节组件，在启动钻机的角度测量系统之前，钻机通过车架调节组件将车架调节至基准方向。根据实施例，车架调节组件包括水平仪，安装于车架上，所述基准方向为水平方向，通过车架调节组件将车架调节为水平方向时，推进梁相对于大臂的摇摆运动在水平面内。

采用根据本发明的角度测量系统，能够精确测量并显示钻进的探出角，进而确保精确控制凿岩钻杆的钻进方向，由此提高所钻的孔的位置精度。

附图说明

通过下面参照附图对本发明实施例进行的详细描述，本发明的特征及其优点将是显而易见的。显然，所描述的实施例仅是示例性的，而不意图限制本发明。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下可以获得所有其它实施例，这些实施例都属于本发明的范围。在图中：

图1是具有根据本发明的实施例的角度测量系统的地下钻机的部分示意性侧视图；

图2是图1的地下钻机的部分示意性俯视图；

图3是图1中的角度测量系统的大臂角度测量组件的示意性分解透视图；

图4是图1中的角度测量系统的推进梁角度测量组件的示意性分解透视图；

图5是图1中的角度测量系统的倾角仪组件的示意性分解透视图；

图6是图1中的角度测量系统的显示组件的示意图；和

图6A-6H显示图6中的显示组件的显示器的操作界面。

附图标记列表

1 第一立轴

2 第二立轴

3 推进梁本体

4 车架调节组件

10 地下钻机

11 车架

12 大臂

13 推进梁

14 控制单元

100 角度测量系统

110 大臂角度测量组件

111 绝对值编码器

112 固定帽

113 安装帽

114 罩盖

115 拨叉

116 联轴块

120 推进梁角度测量组件

121 绝对值编码器

122 固定帽

123 安装帽

124 罩盖

125 拨叉

126 联轴块

127 半夹部

128 半夹部

130 倾角仪组件

131 倾角仪

132 安装板

133 罩盖

140 显示组件

141 显示器

142 系统开关

143 选择按钮

144 电源指示灯

145 确认按钮

146 俯仰角度

147 水平摇摆角度

具体实施方式

下面参照附图描述根据本发明的实施例的角度测量系统和地下钻机。

如图1和图2所示，地下钻机10包括可移动的车架11，可相对于车架水平摇摆运动的大臂12，附接于大臂12的推进梁13和控制单元14。推进梁13上可以按照利用进给装置(未示出)移动的凿岩钻杆(未示出)。推进梁13可相对于大臂12水平摇摆运动并且可俯仰运动。推进梁13包括本体3，推进梁本体3可以相对大臂12翻滚，倾斜及枢转。本例中，地下钻机10的大臂12通过车架11上的第一立轴1相对于车架11水平枢转，推进梁13通过大臂12上的第二立轴2相对于大臂12水平枢转。。

图1示出钻机10还包括角度测量系统100，该系统包括安装于车架11的大臂角度测量组件110，安装于大臂12的推进梁角度测量组件120，安装于推进梁13的倾角仪测量组件130，和设置于车架11上的显示组件140。

大臂角度测量组件110包括角度传感器111，其被安装在钻机10的车架11上，角度传感器111具有第一轴，其与大臂12相对于车架11水平摇摆的第一立轴1重合，即，角度传感器111与第一立轴1同心，这样通过角度传感器111可以测量大臂12通过第一立轴1而相对于车架11水平摇摆的枢转角度。在本发明的一个实施例中，角度传感器111可以是绝对值编码器。

推进梁角度测量组件120包括角度传感器121，其被安装在钻机10的大臂12上，角度传感器121具有第二轴，其与推进梁13相对于大臂12水平摇摆的第二立轴2重合，即，角度传感器121与第一立轴2同心，这样通过角度传感器121可以测量推进梁13通过第二立轴2而相对于大臂12水平摇摆的枢转角度。在本发明的一个实施例中，角度传感器121可以是绝对值编码器。

倾角仪组件130包括两轴倾角仪131，固定于推进梁本体3，以测量推进梁本体3的俯仰角度和翻滚角度。

在本发明的一个实施例中，钻机10还包括车架调节组件4，例如，车架调节组件4可以具有水平仪，其被安装于钻机10的车架11上。在钻机启动角度测量系统100之前，可以通过车架调节组件4将车架11调节至基准方向，具体地是，可以通过参考上述水平仪将车架11调节至水平方向，此时，推进梁13相对于大臂12的摇摆运动基本上在水平面内进行。在另一实施例中，车架调节组件4可以在角度测量系统100启动之后再对车架11进行调整以至基准方向。

图3-图6分别显示了角度测量系统100的各组件的布置构造。图3示出大臂角度测量组件110包括绝对值编码器111，安装在钻机10的车架11上的固定帽112，用于固定编码器111并固定于固定帽112的安装帽113，和编码器盖114，其固定于安装帽113并罩住编码器111。此外，大臂角度测量组件110包括L形拨叉115和联轴块116，拨叉115一端为叉形，以夹住联轴块116，另一端固定于大臂12(具体是大臂上部)，联轴块116设有与编码器111的轴配合的孔(未标出)。由此，编码器111的轴可以随着大臂12的水平摇摆运动而转动，以测量大臂12的水平摇摆角度。

图4示出推进梁角度测量组件120包括绝对值编码器121，安装在钻机10的大臂12上的固定帽122，用于固定编码器121并固定于固定帽122的安装帽123，和编码器盖124，其固定于安装帽123并罩住编码器121。此外，推进梁角度测量组件120包括L形拨叉125和联轴块126，拨叉125一端为叉形，以夹住联轴块126，另一端固定于从由两个半夹部127和128借助于螺栓(未标出)连接而构成的环形夹外周突出的安装板上，该环形夹则围绕推进梁13夹紧，联轴块126设有与编码器121的轴配合的孔(未标出)。由此，编码器121的轴可以随着推进梁13的水平摇摆运动而转动，以测量推进梁13的水平摇摆角度。

图5示出倾角仪组件130包括2轴倾角仪131，安装板132，和罩盖133。倾角仪131固定于安装板132上，安装板132固定于推进梁13，罩盖133则固定于安装板132并罩住倾角仪131。由此，倾角仪131可以测量推进梁13以及因此其上安装的凿岩钻杆的俯仰角度和翻滚角度。

图6示出显示组件140包括可编程显示器141和与显示器141电连接的系统开关142，用于在打开时向上述传感器和显示器供电。显示器141设置于车架11上，系统开关142则设置于控制单元14上。显示器141被编程以向操作人员显示用户界面，以向操作人员提供测量和标定信息。在一个实施例中，显示器141被编程以根据大臂12的水平摇摆角度和推进梁13的水平摇摆角度、俯仰角度和翻滚角度得出钻进的水平摇摆角度和俯仰角度并将其显示出来。在另一个实施例中，显示器141被编程以根据大臂12的水平摇摆角度和推进梁13的水平摇摆角度、俯仰角度和翻滚角度得出凿岩钻杆相对于预设基准的位置信息并将其显示出来，在此实施例中，预设基准可以是包括第一平面和第二平面的两个正交平面，例如，第一平面可以是凿岩钻杆的俯仰角度的基准面，而与其正交的第二平面可以是凿岩钻杆的水平摇摆角度的基准面。具体地，上述第一平面可以是水平面，第二平面是与水平面垂直的平面。

下面参照图6A-6H描述角度测量系统100的操作程序。角度测量系统100在默认状态下是关闭的，即使钻机10已接通。在另一实施例中，角度测量系统100可以在钻机10接通时同时开启。

在操作之前，首先确定车架11处于水平。这可以通过安装于车架11的水平仪(未示出)来确认。如果车架11未处于水平，可以通过车架11的前后支腿来调节车架11。

确认车架11水平之后，打开系统开关142，显示器141进入主界面。如图6A中所示，显示器141包括多个选择按钮143(功能根据不同的用户界面变化)，电源指示灯144和确认按钮145。主界面上显示了钻进的水平摇摆角度147和俯仰角度146。这里，水平摇摆角度147是相对于钻机10的车架11的纵向中心线的角度或相对于由操作人员限定的基准的角度，而俯仰角度146只是相对于水平面的角度。

下面进行标定过程。选择水平摇摆角度的基准之后，通过控制单元14移动凿岩钻杆，使钻进的探出角对准俯仰角度和水平摇摆角度的基准。然后，按最右侧的选择按钮143(“标定”按钮)，显示器141进入标定界面，如图6C所示。为了安全起见，在按下“标定”按钮之后，显示器141可以先进入登录界面，通过按相应的选择按钮143输入密码以进行验证，如图6B所示，验证后再进入标定界面。

在如图6C所示的标定界面中，按最左侧的两个选择按钮143(“大臂角度编码器”和“推进梁角度编码器”按钮)，以分别将大臂角度和推进梁角度重置为0度，如图6D所示。

在标定界面中按“下一页”按钮(从右数第二个选择按钮143)，显示器141进入方向切换界面，转入方向切换过程，如图6E-6H所示。按最左侧的两个选择按钮143选择切换水平摇摆角度方向还是俯仰角度方向。按确认按钮145确定进行方向切换。这里，方向指的是钻进的角度的增加方向，其可以被设置或复位到操作人员期望的方向。正向意味着角度在正向上增加，反向意味着角度在负向上增加。

在图6E中，水平摇摆角度方向和俯仰角度方向均被设为反向。在图6F中，俯仰角度方向已从反向切换到正向，并且进一步选择切换水平摇摆角度方向。在图6G中，水平摇摆角度方向已从反向切换到正向。在图6H中，俯仰角度方向又从正向切换到反向。

本发明中，钻进的水平摇摆角度范围为-180/+180度，而钻进的俯仰角度范围为-80/+80度。

在方向切换界面中按“上一页”按钮(从右数第三个选择按钮143)，显示器141返回标定界面。另外，在除主界面之外的界面中按最右侧的选择按钮143(“返回”按钮)，显示器141返回主界面，以查看当前钻进的水平摇摆角度和俯仰角度。

如上所述，通过3个传感器(2个绝对值编码器和1个倾角仪)获得的数据，可以精确地得出钻进的角度(探出角，俯仰角度和水平摇摆角度)并将其显示于显示器上。于是，通过钻机的控制单元可以精确控制凿岩钻杆的朝向，使钻进的角度与所要钻的孔的设计方向一致。

通过所公开的实施例的上述说明，本领域技术人员能够实现或使用本发明。实施例的多种修改对本领域的技术人员来讲也将是显而易见的。本文中所限定的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下在其它实施例中实现。因此，本发明不限于本文所示的实施例，而是涵盖符合与本文所公开的原理一致的最宽的范围。

Claims (20)

1.一种用于地下钻机的角度测量系统，其特征在于，其包括大臂角度测量组件，推进梁角度测量组件，倾角仪组件和与上述三个组件分别电连接的显示组件，其中大臂角度测量组件用于测量钻机的大臂的水平摇摆角度，推进梁角度测量组件用于测量钻机的推进梁相对于钻机的大臂的水平摇摆角度，倾角仪组件用于测量钻机的推进梁的俯仰角度和翻滚角度。

2.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中，大臂角度测量组件包括第一角度传感器，其被安装在钻机的车架上，第一角度传感器的第一轴与大臂相对于钻机的车架水平摇摆的第一立轴重合，以测量钻机的大臂通过第一立轴而相对于车架水平摇摆的枢转角度。

3.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中，推进梁角度测量组件包括第二角度传感器，其被安装在钻机的大臂上，第二角度传感器的第二轴与推进梁相对于大臂水平摇摆的第二立轴重合，以测量钻机的推进梁通过第二立轴而相对于大臂水平摇摆的枢转角度。

4.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中，倾角仪组件包括两轴倾角仪，两轴倾角仪固定于推进梁本体，以测量推进梁本体的俯仰角度和翻滚角度，所述推进梁本体相对大臂翻滚，倾斜及枢转。

5.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中，显示组件包括可编程显示器和与之电连接的系统开关，显示器被编程以根据大臂的水平摇摆角度和推进梁的水平摇摆角度、俯仰角度和翻滚角度得出钻进的水平摇摆角度和俯仰角度并将其显示出来。

6.根据权利要求1所述的角度测量系统，其中，显示组件包括可编程显示器和与之电连接的系统开关，显示器被编程以根据大臂的水平摇摆角度和推进梁的水平摇摆角度、俯仰角度和翻滚角度得出凿岩钻杆相对于预设基准的位置信息并将其显示出来。

7.根据权利要求6所述的角度测量系统，其中，预设基准可以是包括第一平面和第二平面的两个正交平面，其中第一平面是凿岩钻杆的俯仰角度的基准面，第二平面是凿岩钻杆的水平摇摆角度的基准面。

8.根据权利要求7所述的角度测量系统，其中，第一平面是水平面，第二平面与水平面垂直。

9.根据权利要求2或3所述的角度测量系统，其中，第一角度传感器或第二角度传感器中至少一个为绝对值编码器。

10.根据权利要求2所述的角度测量系统，其中，大臂角度测量组件还包括，

第一固定部，第一角度传感器通过所述第一固定部安装于钻机的车架上，以使第一角度传感器与第一立轴同心；

第一联轴部，一端安装在钻机的大臂上以随大臂运动，另一端安装在第一角度传感器上以随大臂的运动枢转第一角度传感器；以及

第一罩盖，其固定于第一固定部并罩住第一角度传感器。

11.根据权利要求10所述的角度测量系统，其中，第一固定部包括第一安装帽和第一固定帽，第一安装帽用于固定第一角度传感器并固定于第一固定帽，第一固定帽安装于车架，并且/或者

第一联轴部包括第一联轴块和第一拨叉，第一拨叉的一端构造成叉形以夹住第一联轴块，另一端固定于大臂，第一联轴块设有与第一轴配合的孔。

12.根据权利要求3所述的角度测量系统，其中，推进梁角度测量组件还包括

第二固定部，第二角度传感器通过所述第二固定部安装于钻机的大臂上，以使第二角度传感器与第二立轴同心；

第二联轴部，一端安装在钻机的推进梁上以随推进梁运动，另一端安装在第二角度传感器上以随推进梁的运动枢转第二角度传感器；以及

第二罩盖，其固定于第二固定部并罩住第二角度传感器。

13.根据权利要求12所述的角度测量系统，其中，第二固定部包括第二安装帽和第二固定帽，第二安装帽用于固定第二角度传感器并固定于第二固定帽，第二固定帽安装于大臂，并且/或者

第二联轴部包括第二联轴块和第二拨叉，第二拨叉的一端构造成叉形以夹住第二联轴块，另一端固定于推进梁，第二联轴块设有与第二轴配合的孔。

14.根据权利要求13所述的角度测量系统，其中，第二联轴部还包括固定于推进梁的环形夹，其由可拆卸连接在一起的两个半夹部构成，第二拨叉的另一端固定于其中一个半夹部。

15.根据权利要求4所述的角度测量系统，其中，倾角仪组件还包括安装板，两轴倾角仪固定于安装板上，安装板则固定于推进梁本体。

16.一种地下钻机，其包括可移动的车架，可相对于车架水平摇摆运动的大臂，和附接于大臂的推进梁，其中推进梁可相对于大臂水平摇摆运动并且可俯仰和翻滚运动，其特征在于，所述钻机还包括权利要求1-15中任一项所述的角度测量系统。

17.根据权利要求16所述的地下钻机，其中，所述钻机还包括控制单元，通过控制单元来控制大臂、推进梁和凿岩钻杆的运动。

18.根据权利要求16所述的地下钻机，其中，大臂通过车架上的第一立轴相对于钻机的车架水平枢转，推进梁通过大臂上的第二立轴相对于钻机的大臂水平枢转。

19.根据权利要求16所述的地下钻机，其中，所述钻机还包括车架调节组件，在启动钻机的角度测量系统之前，钻机通过车架调节组件将车架调节至基准方向。

20.根据权利要求19所述的地下钻机，其中，车架调节组件包括水平仪，安装于车架上，所述基准方向为水平方向，通过车架调节组件将车架调节为水平方向时，推进梁相对于大臂的摇摆运动在水平面内。

Images