CN115315564A - 由控制装置执行的用于控制钻岩单元中的进给距离和进给速率的方法、钻岩单元以及钻岩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由控制装置(100)执行的用于控制钻岩单元(8)中的进给距离和进给速率的方法。钻岩单元(8)包括：进给装置(42)，其用于使至少一个钻杆(7)和钻头(3)沿轴向方向进给；旋转装置(44)，其构造成产生所述至少一个钻杆(7)和钻头(3)的旋转运动；以及距离和速率测量装置(60，62)，其包括构造成由进给装置(42)驱动的至少一个旋转目标轮(60)和连接至控制装置(100)的至少一个传感器装置(62)，该传感器装置(62)构造成感测所述至少一个旋转目标轮(60)的旋转运动；该方法包括：控制(s101)进给装置(42)沿轴向方向移动；根据所述至少一个旋转目标轮(60)的旋转运动确定(s102)进给装置(42)距第一位置的进给距离和进给装置(42)的进给速率；以及根据进给装置(42)的经确定的进给距离和进给速率控制(s103)进给装置(42)。本发明还涉及一种钻岩单元(8)和一种钻岩机(5)。

Description

由控制装置执行的用于控制钻岩单元中的进给距离和进给速 率的方法、钻岩单元以及钻岩机

技术领域

本公开涉及由控制装置执行的用于控制钻岩单元中的进给距离和进给速率的方法、钻岩单元以及钻岩机。本公开还涉及计算机程序和计算机可读介质。

背景技术

当在岩石类型材料中进行钻凿操作时，通常使用特殊类型的钻机。存在不同类型的钻机，其中，“DTH”(down the hole，井下的)钻机和顶锤钻机是用于钻凿操作的两种常用钻机。钻机可以包括钻岩单元。在钻岩单元上可以布置有进给装置。进给装置可以构造成使钻杆与钻头沿轴向方向进给。由于钻岩是在硬质材料中进行的，因此特殊类型的钻头用于这种操作。然而，钻头将需要以替换和/或重新磨削的形式来维护，这又导致需要常常移除这些钻头以及将这些钻头附接至钻机。为此，进给装置可以构造成使钻杆与钻头沿轴向方向向前和向后进给。

钻岩单元可以设置有包括钻杆的库的杆处理系统。钻杆在钻削操作期间可以通过夹持元件从库中带出以用于用钻杆组装钻柱，并且因此可以更深地钻入岩石中。当更换钻头时，钻杆彼此拆卸并且通过夹持元件连续地带回至库。

因此，进给装置可以构造成用于使钻杆和钻头既在钻凿操作期间又在组装钻柱和更换钻头期间沿轴向方向进给。进给装置可以借助于液压致动器或气动致动器相对于钻岩单元并且沿钻凿中心轴线的方向被轴向地驱动。在液压致动器或气动致动器中可以布置有距离传感器，距离传感器用于测量钻杆和钻头沿轴向方向的进给距离。借助于距离传感器，可以确定钻孔的深度。

当进给装置已经到达其轴向端部位置中的一个轴向端部位置时，致动器使进给装置的轴向运动停止。

发明内容

由于上述特性以及岩石类型材料中的钻凿操作和钻头的处理周围的环境，在钻岩单元中所使用的距离测量装置对于与在岩石类型材料中的钻凿操作的性能相关的侵蚀性环境是敏感的。另外，在钻岩单元中所使用的距离测量装置制造昂贵，并且防止该距离测量装置免受与在岩石类型材料中的钻凿操作的性能相关的侵蚀性环境的影响也很复杂。除了进给距离测量之外，在钻孔期间测量进给装置的轴向进给速率也将是很方便的。进给装置的最佳轴向进给速率以及因此钻头的沿轴向方向的最佳轴向进给速率将提高钻孔质量，并且还使钻头免于过大的载荷。另外，根据钻岩机和钻岩单元的构型，将距离和速率测量装置布置在对侵蚀性环境暴露较少的位置将是方便的。

因此，需要一种用于测量钻岩单元中的进给距离和进给速率的改进的方法。还需要开发一种构造成对钻岩单元中的进给距离和进给速率进行测量的改进的控制装置。还需要开发一种包括这种控制装置的钻岩单元、一种包括这种钻岩单元的钻岩机、一种用于执行该方法的计算机程序和一种用于执行该方法的计算机可读介质。还需要开发一种可以自动控制的钻岩单元和钻岩机。

因此，本发明的目的是提供一种用于测量钻岩单元中的进给距离和进给速率的改进的方法。另外的目的分别是开发一种钻岩单元、一种包括这种钻岩单元的钻岩机、一种用于执行该方法的计算机程序和一种用于执行该方法的计算机可读介质。另一目的是开发一种可以自动控制的钻岩单元和钻岩机。

这些目的通过一种由控制装置执行的用于控制钻岩单元中的进给距离和进给速率的方法、一种钻岩单元以及一种钻岩机来实现。这些目的也通过根据所附权利要求的计算机程序和计算机可读介质来实现。

根据本发明的一方面，提供了一种由控制装置执行的用于控制钻岩单元中的进给距离和进给速率的方法，该钻岩单元包括：进给装置，其用于使至少一个钻杆和钻头沿轴向方向进给；旋转装置，其构造成产生至少一个钻杆和钻头的旋转运动；以及距离和速率测量装置，其包括构造成由进给装置驱动的至少一个旋转目标轮和连接至控制装置的至少一个传感器装置，该传感器装置构造成感测所述至少一个旋转目标轮的旋转运动；该方法包括：控制进给装置沿轴向方向移动；根据所述至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率；以及根据进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置。

这具有下述优点：控制装置可以基于进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置的进给距离和进给速率。来自控制装置的指令可以基于从连接至控制装置的至少一个传感器装置接收的信息。控制装置可以构造成启动进给装置的沿轴向方向的运动。进给装置的轴向运动将产生至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置对至少一个旋转目标轮的旋转运动进行感测。传感器装置还对至少一个旋转目标轮是旋转还是静止进行感测。如果旋转目标轮没有进行旋转运动，则进给装置没有进行轴向运动。进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定。进给装置的第一位置可以是预定位置、其中钻头搁置在待钻凿的岩石的表面上的位置和/或取决于特定钻凿操作的位置。该方法还提供了将旋转目标轮布置在钻岩机和/或钻岩单元上的不同位置处的灵活性，这些位置对侵蚀性环境暴露较少。对进给装置的进给距离和进给速率的控制可以在钻孔操作、将钻杆添加至钻柱期间和/或在钻头更换操作时自动启动。对进给装置的进给距离和进给速率的控制也可以在与钻岩机和/或钻岩单元相关的任何其他操作、比如维护操作期间自动启动。

根据本发明的一方面，一种包括指令的计算机程序，所述指令在该程序由计算机执行时使计算机实施该方法。一种包括指令的计算机可读介质，所述指令在由计算机执行时使计算机实施该方法。这具有下述优点：该方法可以包括在可以在适合于利用该方法的钻凿单元中实现的预编程的软件中。

根据本发明的一方面，提供了一种钻岩单元。该钻岩单元包括：控制装置；进给装置，其用于使至少一个钻杆和钻头沿轴向方向进给；旋转装置，其构造成产生至少一个钻杆和钻头的旋转运动；以及距离和速率测量装置，其包括构造成由进给装置驱动的至少一个旋转目标轮和连接至控制装置的至少一个传感器装置，该传感器装置构造成感测至少一个旋转目标轮的旋转运动，其中，控制装置构造成：控制进给装置沿轴向方向移动；根据所述至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距第一位置的进给距离以及进给装置的进给速率；以及根据进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置。

这具有下述优点：钻岩单元的控制装置可以基于进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置的进给距离和进给速率。来自钻岩单元的控制装置的指令可以基于从连接至控制装置的至少一个传感器装置接收的信息。另外，来自控制装置的指令可以基于来自早期钻凿操作的经验数据。控制装置可以构造成启动进给装置的沿轴向方向的运动。进给装置沿轴向方向的运动可以完全借助于来自控制装置的指令进行处理。进给装置的轴向运动将产生至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置对至少一个旋转目标轮的旋转运动进行感测。传感器装置还对至少一个旋转目标轮是旋转还是静止进行感测。如果旋转目标轮没有进行旋转运动，则进给装置没有进行轴向运动。进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定。进给装置的第一位置可以是预定位置、其中钻头搁置在待钻凿的岩石的表面上的位置和/或取决于特定钻凿操作的位置。旋转目标轮可以布置在钻岩机和/或钻岩单元上的不同位置处，这些位置对侵蚀性环境暴露较少。控制装置可以构造成在钻孔操作、将钻杆添加至钻柱期间和/或在钻头更换操作时自动控制进给装置的进给距离和进给速率。控制装置还可以构造成在与钻岩机和/或钻岩单元相关的任何其他操作、比如维护操作期间自动控制进给装置的进给距离和进给速率。

根据本发明的一方面，提供了一种钻岩机，该钻岩机包括本文中公开的钻岩单元。根据典型岩石钻凿的需求，可以使用不同类型的钻机。钻岩机可以构造成用于竖向钻凿或者沿成角度的方向钻凿。钻岩机可以是顶锤钻机或“DTH”(井下的)钻机、或者适于岩石钻凿的任何其他钻机。

本发明的其他目的、优点以及新颖特征将从以下详细说明以及通过将本发明付诸实践而对本领域技术人员而言变得明显。尽管下面描述了本发明的示例，但是应当注意的是，本发明并不限于所描述的具体细节。接触本文中的教示的专业人员将认识到在本发明的范围内的其他领域内的另外的应用、改型和合并。

附图说明

为了更全面地理解本公开及本公开的其他目的和优点，应该结合附图一起来阅读下文所阐述的详细描述，在附图中，各个图中的相同的附图标记表示相似的项目，并且在附图中：

图1图示了根据示例的钻岩机的立体图；

图2示意性地图示了根据示例的钻岩单元的侧视图；

图3a和图3b图示了构造成连接至根据不同示例的钻岩单元的距离和速率测量装置的侧视图；

图4a至图4c图示了构造成连接至根据不同示例的钻岩单元的距离和速率测量装置的侧视图；

图5示出了根据示例的方法的流程图；

图6示出了根据示例的方法的流程图；以及

图7示意性地图示了根据示例的控制装置或计算机。

具体实施方式

参照所描绘的示例的详细描述将被视为包括某些特征的组合的示例，这些特征已经在上面进行了详细描述。因此，应当理解的是，另外的示例可以通过将其他特征组合到本文中未描述的示例中来实现。附图将被视为示例，而不是相互排斥的组合。还应当注意的是，示出和描述的所有附图被示意性地表示，其中，为了简化起见，未描绘机械或类似物的通用部分。

根据本公开的方面，提供了一种由控制装置执行的用于控制钻岩单元中的进给距离和进给速率的方法，该钻岩单元包括：进给装置，其用于使至少一个钻杆和钻头沿轴向方向进给；旋转装置，其构造成产生所述至少一个钻杆和钻头的旋转运动；以及距离和速率测量装置，其包括构造成由进给装置驱动的至少一个旋转目标轮和连接至控制装置的至少一个传感器装置，该传感器装置构造成感测所述至少一个旋转目标轮的旋转运动；该方法包括：控制进给装置沿轴向方向移动；根据所述至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率；以及根据进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置。

控制装置可以布置在钻岩单元上或布置在距钻岩单元一距离处。控制装置连接至传感器装置并且还连接至其他传感器，所述其他传感器布置在钻岩单元上或者布置在连接至钻岩单元的部件上。传感器装置可以构造成感测至少一个旋转目标轮的旋转运动。然而，其他传感器可以检测钻岩单元的活动或特性或者连接至钻岩单元的部件的活动或特性。控制装置可以包括其中可以存储经验数据的存储器。

钻头适用于在硬质材料中进行岩石钻凿。钻头可以设计并设置有适于待执行的钻削操作的形状。钻头可以设置有螺纹，该螺纹适于连接至钻杆上的对应螺纹以形成第一螺纹连接部。

钻岩单元可以包括长形框架或梁，第一进给装置和旋转装置布置在该长形框架或梁上。钻岩单元可以借助于吊杆布置在车辆上并且连接至车辆，使得钻岩单元可以相对于车辆和待钻凿的岩石布置在不同位置。钻岩单元、吊杆和车辆一起形成钻岩机。钻凿单元可以构造成用于竖向钻凿，或者沿与竖向方向偏离的方向钻凿。因此，钻凿单元能够倾斜，并且以相对于竖向线成角度的方向钻凿。

进给装置构造成用于使钻杆和钻头既在钻凿操作期间又在更换钻头期间沿轴向方向进给。进给装置可以借助于液压致动器或气动致动器相对于钻岩单元并且沿钻凿中心轴线的方向被轴向地驱动。

构造成产生钻杆和钻头的旋转运动的旋转装置可以由第一液压或气动机器驱动。钻岩单元还可以设置有用于在至少一个钻杆上提供冲击脉冲的冲击装置，并且钻头可以由第二液压或气动机器驱动。因此，将在钻杆上沿钻凿中心轴线的方向提供冲击脉冲，并且冲击脉冲从钻杆传递至钻头。

距离和速率测量装置包括至少一个旋转目标轮，所述至少一个旋转目标轮构造成由进给装置驱动。距离和速率测量装置还包括连接至控制装置的至少一个传感器装置。传感器装置构造成感测至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置可以布置成与旋转目标轮紧密接近。传感器装置对于旋转目标轮的每一次旋转将生成大量的电子脉冲、磁脉冲或光脉冲。另外，第二旋转目标轮可以构造成由进给装置驱动。传感器装置或第二传感器装置可以构造成感测第二旋转目标轮的旋转运动。布置两个传感器装置和两个旋转目标轮提供了两个优点。首先，两个旋转目标轮旋转所沿的方向将通过哪个传感器装置首先被触发而得知。第二，脉冲将通过每个传感器装置生成，从而使脉冲的数目加倍，这提高了所测量的距离和速率的准确性。

通过控制进给装置沿轴向方向移动的方法步骤，控制装置可以从其中存储操作数据的存储器接收信息。替代性地或组合地，控制装置可以从提供操作数据的装置接收信息。操作数据可以是包括特定钻凿操作、将钻杆添加至钻柱和/或钻头更换操作中的任何一者或组合的数据。控制装置可以开始控制进给装置沿轴向方向自动移动。操作数据还可以是包括下述各者中的任何一者或组合的数据：所花费的钻凿时间、自上次维护以来所花费的钻凿时间、直到需要更换为止所预期的剩余时间、所钻凿的米数、自上次维护以来所钻凿的米数、或其他。

通过根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率的方法步骤，控制装置与传感器装置通信并且接收用于确定进给距离和进给速率的信号。

通过根据进给装置的经确定的进给距离和进给速率控制进给装置的方法步骤，控制装置与进给装置通信并且发送用于控制进给装置的信号。可以根据进给装置在特定钻凿操作时、在将钻杆添加至钻柱时和/或在钻头更换操作时或者在这些操作的组合时所确定的进给距离和进给速率来控制进给装置的进给速率和进给距离。可以考虑其他参数，比如钻柱的长度和/或也可以考虑岩石中钻孔的深度。也可以根据钻头的类型来控制进给装置的进给速率和进给距离。

即使进给装置在第一方法步骤中被控制成沿轴向方向移动，但是进给装置的运动也可能导致在下一方法步骤中与所确定的进给距离和进给速率偏离的进给距离和进给速率。该偏离的反馈可以被传送至控制装置，这导致根据供给装置的经确定的供给距离和供给速率控制供给装置的第三方法步骤。

因此，控制装置可以构造成启动进给装置沿轴向方向的运动。进给装置的轴向运动将产生至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置对至少一个旋转目标轮的旋转运动进行感测。传感器装置还对至少一个旋转目标轮是旋转还是静止进行感测。如果旋转目标轮没有进行旋转运动，则进给装置没有进行轴向运动。进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定。进给装置的第一位置可以是预定位置、其中钻头搁置在待钻凿的岩石的表面上的位置和/或取决于特定钻凿操作的位置。该方法还提供了将旋转目标轮布置在钻岩机和/或钻岩单元上的不同位置处的灵活性，这些位置对侵蚀性环境具有暴露较少。对进给装置的进给距离和进给速率的控制可以在钻孔操作、将钻杆添加到钻柱期间和/或在钻头更换操作时自动启动。对进给装置的进给距离和进给速率的控制也可以在与钻岩机和/或钻岩单元相关的任何其他操作、比如维护操作期间自动启动。

根据一方面，该方法包括下述进一步的步骤：基于至少一个旋转目标轮的旋转方向确定进给装置的轴向进给方向。

在该方法步骤中，距离和速率测量装置的传感器装置与控制装置通信，并为控制装置提供关于旋转目标轮的旋转方向的信息。进给装置的轴向运动将产生至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置感测至少一个旋转目标轮的旋转运动。在进给装置的第一轴向进给方向上，旋转目标轮将沿第一旋转方向旋转。在进给装置的与进给装置的第一轴向进给方向相反的第二轴向进给方向上，旋转目标轮将沿与第一旋转方向相反的第二旋转方向旋转。

根据一方面，根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置的进给距离和进给速率包括从至少一个传感器装置接收至少一个信号。

在该方法步骤中，距离和速率测量装置的传感器装置与控制装置通信，并为控制装置提供至少一个信号。传感器装置构造成感测至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置可以布置成与旋转目标轮紧密接近。传感器装置对于旋转目标轮的每一次旋转将生成大量的电子脉冲、磁脉冲或光脉冲。由传感器装置生成的电子脉冲、磁脉冲和/或光脉冲是传送至控制装置的信号。由传感器装置生成的至少一个信号可以与进给装置的进给距离和进给速率对应。另外，由传感器装置生成的至少一个信号可以与进给装置的轴向进给方向对应。

根据一方面，该方法包括下述进一步的步骤：在进给装置的预定位置处将距第一位置的进给距离重置为零；以及根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距进给装置的预定位置的进给距离。

通过该方法步骤，控制装置可以在进给装置处于预定位置处时从传感器装置接收信息。预定位置可以是钻凿单元上的其中钻头搁置在待钻凿的岩石的表面上的位置以及/或者取决于特定钻凿操作的位置。在进给装置的预定位置处，距第一位置的进给距离被重置为零。可以根据预定位置到距预定位置一距离的位置来确定进给距离。

根据进一步的步骤，该方法可以包括：确定用于进给装置的第一端部位置和第二端部位置；以及控制进给装置停止在第一端部位置和第二端部位置。该方法还可以包括：将多个经确定的进给距离彼此相加以获得总进给距离。

本公开还涉及一种包括指令的计算机程序，该指令在该程序由计算机执行时使计算机实施上面所公开的方法。本发明还涉及一种包括指令的计算机可读介质，该指令在由计算机执行时使计算机实施上面所公开的方法。该方法可以包括在可以在适于利用该方法的钻凿单元中实现的预编程的软件中。预编程的软件可以存储在控制装置中。替代性地或组合地，该软件可以存储在距控制装置一定距离处的存储器或计算机中。

此外，本公开涉及一种钻岩单元，该钻岩单元包括：控制装置；进给装置，其用于使至少一个钻杆和钻头沿轴向方向进给；旋转装置，其构造成产生至少一个钻杆和钻头的旋转运动；以及距离和速率测量装置，其包括构造成由进给装置驱动的至少一个旋转目标轮和连接至控制装置的至少一个传感器装置，该传感器装置构造成感测至少一个旋转目标轮的旋转运动，其中，控制装置构造成：控制进给装置沿轴向方向移动；根据所述至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距第一位置的进给距离以及进给装置的进给速率；以及根据进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置。

钻岩单元的控制装置可以基于进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置的进给距离和进给速率。来自钻岩单元的控制装置的指令可以基于从连接至控制装置的至少一个传感器装置所接收的信息。另外，来自控制装置的指令可以基于来自早期钻凿操作的经验数据。控制装置可以构造成启动进给装置的沿轴向方向的运动。进给装置的沿轴向方向的运动可以完全借助于来自控制装置的指令来处理。进给装置的轴向运动将产生至少一个旋转目标轮的旋转运动。传感器装置对至少一个旋转目标轮的旋转运动进行感测。传感器设备还对至少一个旋转目标轮是旋转还是静止进行感测。如果旋转目标轮没有进行旋转运动，则进给装置没有进行轴向运动。进给装置距第一位置的进给距离和进给装置的进给速率根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定。进给装置的第一位置可以是预定位置、其中钻头搁置在待钻凿的岩石的表面上的位置和/或取决于特定钻凿操作的位置。旋转目标轮可以布置在钻岩机和/或钻岩单元上的不同位置处，这些位置对侵蚀性环境暴露较少。控制装置可以构造成在钻凿操作、将钻杆添加至钻柱期间和/或在钻头更换操作时对进给装置的进给距离和进给速率进行自动控制。控制装置还可以构造成在与钻岩机和/或钻岩单元相关的任何其他操作、比如维护操作期间对进给装置的进给距离和进给速率进行自动控制。

将理解的是，针对本公开的由控制装置执行的方法方面所描述的所有示例也适用于本公开的钻岩单元和控制装置方面。即，钻岩单元的控制装置可以构造成执行根据上述各种示例的方法的步骤中的任何一个步骤。因此，根据以下方面，钻岩单元的控制装置可以构造成执行根据上述相应示例的方法步骤。

根据一方面，控制装置因此可以构造成基于至少一个旋转目标轮的旋转方向确定进给装置的轴向进给方向。根据一方面，根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置的进给距离和进给速率包括从至少一个传感器装置接收信号。根据另一方面，控制装置可以构造成在进给装置的预定位置处将距第一位置的进给距离重置为零；以及根据至少一个旋转目标轮的旋转运动确定进给装置距进给装置的预定位置的进给距离。

根据另一方面，至少一个旋转目标轮连接至软管滚筒，该软管滚筒通过进给装置的运动以可旋转的方式被驱动。进给装置可以借助于液压致动器或气动致动器相对于钻岩单元并且沿钻凿中心轴线的方向被轴向地驱动。此外，构造成产生钻杆和钻头的旋转运动的旋转装置可以由第一液压或气动机器驱动。钻凿单元上的用于在至少一个钻杆和钻头上提供冲击脉冲的可能的冲击装置可以由第二液压或气动机器驱动。致动器和机器可以通过布置在钻凿单元上或者距钻凿单元一距离处的软管连接至液压泵或压缩机。软管可以卷绕在软管滚筒上。在进给装置的进给运动期间，根据进给装置的进给方向，软管可以从软管滚筒解绕或者卷绕在软管滚筒上。在使进给装置沿第一方向——该第一方向可以是远离软管滚筒的方向——进给时，软管可以从软管滚筒解绕并且软管滚筒可以沿第一旋转方向旋转。在使进给装置沿第二方向——该第二方向可以是朝向软管滚筒的方向——进给时，软管可以卷绕在软管滚筒上并且软管滚筒可以沿第二旋转方向旋转。进给装置的进给距离和进给速率可以与软管滚筒的旋转运动成比例。目标轮将跟随软管滚筒的旋转运动和旋转方向。目标轮可以直接布置在软管滚筒的旋转轴线上。替代性地，目标轮可以布置在距软管滚筒一距离处，并且通过诸如轴或带之类的传动装置连接至软管滚筒。传动装置可以具有传动比。根据示例，如果传动装置连接至传动比为G:1的旋转目标轮，这意味着对于软管滚筒的每次旋转将存在G×旋转目标轮的脉冲数目，从而使得可以非常精确地控制进给装置的运动。由于软管滚筒的旋转运动通过进给装置产生，因此包括至少一个旋转目标轮的距离和速率测量装置可以构造成由进给装置驱动。

根据另一方面，至少一个旋转目标轮连接至液压马达的驱动轴，该液压马达构造成驱动进给装置。进给装置可以借助于液压马达相对于钻岩单元并且沿钻凿中心轴线的方向被轴向地驱动。在进给装置的进给运动期间，液压马达的驱动轴将根据进给装置的进给方向沿第一方向或第二方向旋转。在使进给装置沿第一方向进给时，液压马达的驱动轴可以沿第一旋转方向旋转。在使进给装置沿第二方向进给时，液压马达的驱动轴可以沿第二旋转方向旋转。进给装置的进给距离和进给速率可以与软管滚筒的旋转运动成比例。目标轮将跟随液压马达的驱动轴的旋转运动和旋转方向。目标轮可以直接布置在液压马达的驱动轴上。替代性地，目标轮可以布置在距液压马达一距离处，并且通过诸如轴或带之类的传动装置连接至液压马达的驱动轴。传动装置可以具有传动比。根据示例，如果传动装置连接至传动比为G:1的旋转目标轮，这意味着对于液压马达的驱动轴的每次旋转将存在G×旋转目标轮的脉冲数目，从而使得可以非常精确地控制进给装置的运动。由于液压马达的驱动轴的旋转运动产生进给装置的运动，并且进给装置包括液压马达，因此包括至少一个旋转目标轮的距离和速率测量装置可以构造成由进给装置驱动。

根据另一方面，至少一个旋转目标轮连接至钻岩单元的长形框架或梁或者位于进给装置上，所述至少一个旋转目标轮构造成通过进给装置相对于长形框架或梁的运动进行驱动。进给装置可以借助于致动器、比如液压马达相对于钻岩单元的长形框架或梁并且沿钻凿中心轴线的方向被轴向地驱动。在进给装置的进给运动期间，进给装置与钻岩单元的长形框架或梁之间将发生相对运动。至少一个旋转目标轮由进给装置与钻岩单元的长形框架或梁之间的相对运动驱动。进给装置的轴向运动可以通过传动装置、比如摩擦轮传递到至少一个旋转目标轮，该摩擦轮以可旋转的方式布置在进给装置上并且该摩擦轮在钻岩单元的长形框架或梁上搁置在进给装置的周缘处。摩擦轮的旋转运动可以通过诸如轴或齿轮箱之类的传动装置从摩擦轮传递到至少一个旋转目标轮。替代性地，至少一个旋转目标轮可以设置有直接搁置在钻岩单元的长形框架或梁上的周缘摩擦表面。进给装置可以相对于钻岩单元的长形框架或梁沿第一轴向方向或第二轴向方向移动。在使进给装置沿第一轴向方向进给时，至少一个旋转目标轮可以沿第一旋转方向旋转。在使进给装置沿第二轴向方向进给时，至少一个旋转目标轮可以沿第二旋转方向旋转。进给装置的进给距离和进给速率可以与至少一个旋转目标轮的旋转运动成比例。连接到至少一个旋转目标轮的传动装置可以具有传动比。根据示例，如果传动装置连接至传动比为G:1的旋转目标轮，这意味着对于液压马达的驱动轴的每次旋转将存在G×旋转目标轮的脉冲数目，从而使得可以非常精确地控制进给装置的运动。由于至少一个旋转目标轮的旋转运动由进给装置的运动产生，因此包括至少一个旋转目标轮的距离和速率测量装置可以构造成由进给装置驱动。

此外，本公开涉及一种包括如本文中公开的钻岩单元的钻岩机。钻岩机包括如本文中公开的钻岩单元。另外，钻岩机还可以包括钻凿平台、比如车辆。将钻岩单元连接至车辆导致钻岩机可以容易地在钻凿操作期间移动至不同的地方和不同的位置。钻岩单元可以借助于吊杆布置在车辆上并且连接至车辆，使得钻岩单元可以相对于车辆和待钻凿的岩石布置在不同位置。钻岩机可以构造成用于竖向钻凿或者沿相对于竖向线成角度的方向钻凿。

钻机可以包括可互换的多个钻杆，其中，钻头可以布置在端部钻杆的端部部段处。钻头可以借助于螺纹连接部附接至端部部段。钻岩机构造成用于竖向钻凿。然而，钻岩机也可以构造成在偏离竖向钻凿的方向上钻凿。钻机可以是顶锤钻机。这具有下述优点：常用的钻机可以设置成具有用于钻头的至少半自动更换的钻头更换器。常用的顶锤钻机可以设置有用于更换所述钻机的钻头的可靠且安全的系统。因此，提供了一种有效且可靠的钻机，该钻机由于不需要手动更换钻头而借助于布置在钻机上的系统来提供安全且方便的工作环境。

现在将参照附图进一步说明本发明。

图1以立体图示出了根据示例的钻岩机5。钻岩机5包括钻岩单元8，钻岩单元8可以包括长形框架或梁2。钻岩单元8可以借助于吊杆4布置在车辆6上并且连接至车辆6，使得钻岩单元8可以相对于车辆6和待钻凿的岩石布置在不同的位置。钻岩单元8、吊杆4和车辆6一起形成钻岩机5。钻机5构造成用于竖向钻凿，该竖向钻凿将被认为是完全竖向的或在一定程度上偏离竖向。钻机5可以包括可互换的多个钻杆7(图2)，所述多个钻杆7布置成在钻机5的钻岩单元8内形成钻柱。每个钻杆7包括螺纹，所述螺纹在被钻凿的钻孔50(图2)变得更深时提供连接附加钻杆7的选择。钻头3则布置在端部钻杆7的端部部段处，其中，所述钻头3可以借助于第一螺纹连接部40附接至端部部段。

钻岩机5包括距离和速率测量装置，该距离和速率测量装置包括至少一个旋转目标轮，所述至少一个旋转目标轮可以布置在钻岩单元8上的不同位置处。

钻机5还可以包括支承装置9、比如下部支承装置，支承装置9可以布置在钻岩单元8的下部部分处并且布置成用于支承和/或保持/夹持钻头3或钻杆7，支承装置9可以用于维护和/或组装/拆卸这些部件。另外，支承装置9可以导引钻杆7。图1中所示的钻机5还可以包括用于自动或至少半自动更换钻头3的钻头更换器1。钻凿单元8包括钻凿中心轴线15。术语钻凿中心轴线15可以被认为是借助于钻机5所钻凿的钻孔50(图2)的中心线。

图2示意性地图示了根据示例的钻岩单元8的侧视图。钻头3构造成通过第一螺纹连接部40连接至钻杆7。钻岩单元8包括构造成用于使至少一个钻杆7和钻头3沿轴向方向进给的进给装置42。旋转装置44构造成产生至少一个钻杆7和钻头3的旋转运动。冲击装置46可以构造成用于在至少一个钻杆7和钻头3上提供冲击脉冲。这种冲击装置46不是必需的，但是根据钻凿操作的类型可能是有用的。钻头更换器1布置在钻岩单元8上以用于更换钻杆7上的钻头3。旋转装置44和冲击装置44布置在第一进给装置42上。旋转装置44和冲击装置44构造成借助于第一进给装置42移位。第一进给装置42布置在长形框架或梁2上。第一进给装置42构造成用于使钻杆7和钻头3既在钻凿操作期间又在更换钻头3期间沿轴向方向进给。第一进给装置42可以借助于液压致动器或气动致动器10相对于钻岩单元8并且沿钻凿中心轴线15的方向被轴向地驱动。液压致动器或气动致动器10可以是设置有驱动轴17的液压马达10。

距离和速率测量装置60、62的旋转目标轮60布置在进给装置42上并且由进给装置42驱动。在图2中，旋转目标轮60连接至钻岩单元8的长形框架或梁2或者在进给装置42上。旋转目标轮60构造成通过进给装置42相对于长形框架或梁2的运动进行驱动。如图2中所公开的，旋转目标轮60也可以或者替代性地连接至液压马达66的驱动轴65，该液压马达66构造成驱动进给装置42。至少一个传感器装置62连接至控制装置100，该传感器装置62构造成感测至少一个旋转目标轮60的旋转运动。

控制装置100连接至进给装置42、旋转装置44、冲击装置46和钻头更换器1。控制装置100可以连接至传感器11，传感器11布置在钻岩单元8上或布置在连接至钻岩单元8的部件处。控制装置100可以从其中存储操作数据的存储器12接收信息。

控制装置100构造成控制进给装置42沿轴向方向移动；根据至少一个旋转目标轮60的旋转运动确定进给装置42距第一位置的进给距离和进给装置42的进给速率；以及根据进给装置42的经确定的进给距离和进给速率来控制进给装置42。此外，控制装置100构造成基于至少一个旋转目标轮60的旋转方向确定进给装置42的轴向进给方向。根据至少一个旋转目标轮60的旋转运动确定进给装置42的进给距离和进给速率可以包括从至少一个传感器装置62接收至少一个信号。此外，控制装置100还可以构造成接收关于更换钻头3的信息，并且控制钻头更换器以用于更换和替换钻头3。

图3a图示了构造成连接至根据第一示例的钻岩单元8的距离和速率测量装置60、62的侧视图。传感器装置62构造成感测旋转目标轮60的旋转运动。传感器装置62可以布置成与旋转目标轮60紧密接近。传感器装置62对于旋转目标轮60的每一次旋转将生成大量的电子脉冲、磁脉冲或光脉冲。在图3a中所示的示例中，在旋转目标轮60的周缘上布置有多个磁体64。

图3b图示了构造成与根据第二示例的钻岩单元8连接的距离和速率测量装置60、62的侧视图。与齿轮类似的多个突出部66和凹部68布置在旋转目标轮60的周缘上。两个传感器装置62、62’可以布置成与旋转目标轮6紧密接近。这将提高所测量的距离和速率的准确性。另外，可以检测旋转目标轮62的旋转方向。

另外，第二旋转目标轮60’可以构造成由进给装置42驱动。第二旋转目标轮60’可以布置在与第一旋转目标轮60相同的旋转轴70上。传感器装置62和/或第二传感器装置62’可以构造成感测第二旋转目标轮60’的旋转运动。布置两个传感器装置62、62’和两个旋转目标轮60、60’提供了两个优点。首先，两个旋转目标轮60、60’旋转所沿的方向将通过哪个传感器装置62、62’首先被触发而得知。第二，脉冲将通过每个传感器装置62、62’生成，从而使脉冲的数目加倍，这提高了所测量的距离和速率的准确性。

图4a示意性地图示了构造成与根据第一示例的钻岩单元8连接的距离和速率测量装置60、62的侧视图。旋转目标轮60连接至软管滚筒72，该软管滚筒72由进给装置42的运动以可旋转的方式驱动。进给装置42可以借助于液压马达或气动马达10相对于钻岩单元8的长形框架或梁2并且沿钻凿中心轴线15的方向被轴向地驱动。马达10可以通过布置在钻凿单元8上或者布置在距钻凿单元8一距离处的软管76连接至液压泵74或压缩机。软管76可以卷绕在软管滚筒72上。在进给装置的进给运动期间，根据进给装置42的进给方向，软管76可以从软管滚筒72解绕或者卷绕在软管滚筒72上。在使进给装置42沿第一方向——该第一方向可以是远离软管滚筒72的方向——进给时，软管76可以从软管滚筒72解绕并且软管滚筒72可以沿第一旋转方向旋转。在使进给装置沿第二方向——该第二方向可以是朝向软管滚筒72的方向——进给时，软管76可以卷绕在软管滚筒72上并且软管滚筒72可以沿第二旋转方向旋转。目标轮60将跟随软管滚筒72的旋转运动和旋转方向。目标轮60可以直接布置在软管滚筒72的旋转轴线上。替代性地，目标轮60可以布置在距软管滚筒72一距离处，并且通过诸如轴或带之类的传动装置78与软管滚筒72连接。

图4b示意性地图示了构造成与根据第二示例的钻岩单元8连接的距离和速率测量装置60、62的侧视图。旋转目标轮60连接至液压马达10的驱动轴17，该液压马达10构造成驱动进给装置42。进给装置42可以借助于液压马达10相对于钻岩单元8并且沿钻凿中心轴线15的方向被轴向地驱动。进给装置42的进给距离和进给速率可以与驱动轴17的旋转运动成比例。目标轮60将跟随液压马达10的驱动轴17的旋转运动和旋转方向。目标轮60可以直接布置在液压马达10的驱动轴17上。替代性地，目标轮60可以布置在距液压马达10一距离处，并且通过传动装置78与液压马达10的驱动轴17连接。

图4c示意性地图示了构造成与根据第三示例的钻岩单元8连接的距离和速率测量装置60、62的侧视图。旋转目标轮60连接至钻岩单元8的长形框架或梁2或者在进给装置42上，该目标轮60构造成通过进给装置42相对于长形框架或梁2的运动进行驱动。进给装置42可以借助于致动器、比如液压马达10相对于钻岩单元8的长形框架或梁2并且沿钻凿中心轴线15的方向被轴向地驱动。在进给装置42的进给运动期间，进给装置42与钻岩单元8的长形框架或梁2之间将发生相对运动。至少一个旋转目标轮60由进给装置42与钻岩单元8的长形框架或梁2之间的相对运动驱动。进给装置42的轴向运动可以通过摩擦轮80传递到至少一个旋转目标轮60，摩擦轮80以可旋转的方式布置在进给装置42上并且摩擦轮80在钻岩单元8的长形框架或梁2上搁置在进给装置42的周缘处。摩擦轮80的旋转运动可以通过诸如轴或齿轮箱之类的传动装置78从摩擦轮80传递到至少一个旋转目标轮60。替代性地，旋转目标轮60可以设置有直接搁置在钻岩单元8的长形框架或梁2上的周缘摩擦表面。进给装置42可以相对于钻岩单元42的长形框架或梁2沿第一轴向方向或第二轴向方向移动。在使进给装置42沿第一轴向方向进给时，至少一个旋转目标轮60可以沿第一旋转方向旋转。在使进给装置42沿第二轴向方向进给时，至少一个旋转目标轮60可以沿第二旋转方向旋转。进给装置42的进给距离和进给速率可以与至少一个旋转目标轮60的旋转运动成比例。

图5示出了根据示例的方法的流程图。该方法由控制装置100执行，用于控制钻岩单元8中的进给距离和进给速率。因此，该方法涉及对图1至图4中公开的钻岩单元8中的进给距离和进给速率的控制。钻岩单元8包括：进给装置42，其用于使至少一个钻杆7和钻头3沿轴向方向进给；旋转装置44，其构造成产生至少一个钻杆7和钻头3的旋转运动；以及距离和速率测量装置60、62，其包括构造成由进给装置42驱动的至少一个旋转目标轮60和连接至控制装置100的至少一个传感器装置62，该传感器装置62构造成感测至少一个旋转目标轮60的旋转运动。

该方法包括：控制s101进给装置42沿轴向方向移动；根据至少一个旋转目标轮60的旋转运动确定s102进给装置42距第一位置的进给距离和进给装置42的进给速率；以及根据进给装置42的经确定的进给距离和进给速率来控制s103进给装置42。

图6示出了根据示例的方法的流程图。该方法由控制装置100执行，用于控制钻岩单元8中的进给距离和进给速率。因此，该方法涉及对图1至图4中公开的钻岩单元8中的进给距离和进给速率的控制。该方法包括：控制s101进给装置42沿轴向方向移动；根据至少一个旋转目标轮60的旋转运动确定s102进给装置42距第一位置的进给距离和进给装置42的进给速率；以及根据进给装置的经确定的进给距离和进给速率来控制s103进给装置42。

该方法包括下述进一步的步骤：基于至少一个旋转目标轮60的旋转方向确定s104进给装置42的轴向进给方向。

根据至少一个旋转目标轮60的旋转运动确定s102进给装置42的进给距离和进给速率包括从至少一个传感器装置62接收至少一个信号。

该方法包括下述进一步的步骤：在进给装置42的预定位置处将距第一位置的进给距离重置s105为零；以及根据至少一个旋转目标轮60的旋转运动确定s106进给装置42距进给装置42的预定位置的进给距离。

图7是装置500的一个版本的示意图。参照图2和图3描述的控制装置100可以在一个版本中包括装置500。装置500包括非易失性存储器520、数据处理单元510和读/写存储器550。非易失性存储器520具有第一存储元件530，在该第一存储元件530中存储有计算机程序、例如操作系统，以用于对装置500的功能进行控制。装置500还包括总线控制器、串行通信端口、I/O装置、A/D转换器、时间和日期输入和传输单元、事件计数器和中断控制器(未描绘)。非易失性存储器520还具有第二存储元件540。

提供了一种计算机程序P，该计算机程序P包括用于控制钻岩机5的例程。程序P可以以可执行的形式或以压缩的形式存储在存储器560中和/或存储在读/写存储器550中。

在数据处理单元510被描述为执行特定功能的情况下，这意味着数据处理单元510实现存储在存储器560中的程序的特定部分或存储在读/写存储器550中的程序的特定部分。

数据处理装置510可以经由数据总线515与数据端口599通信。非易失性存储器520旨在经由数据总线512与数据处理单元510通信。单独的存储器560旨在经由数据总线511与数据处理单元510通信。读/写存储器550适于经由数据总线514与数据处理单元510通信。

当在数据端口599上接收到数据时，数据被临时存储在第二存储元件540中。当接收到的输入数据已经被临时存储时，数据处理单元510准备实现如上所述的代码执行。

本文中描述的方法的各部分可以通过装置500借助于数据处理单元510来实现，该数据处理单元510运行存储在存储器560或读/写存储器550中的程序。当装置500运行程序时，执行本文中描述的方法。

已经出于说明性和描述性的目的提供了实施方式的前述描述。前述描述并不旨在穷举的或将实施方式限制于所描述的变型。许多改型和变型对于本领域技术人员而言将显然是明显的。已经选择和描述了实施方式以最佳地说明原理和实际应用，并且由此使本领域技术人员能够依据本发明的各种实施方式以及适用于本发明预期使用的各种修改来理解本发明。上述的部件和特征在本公开的框架内可以在所述的不同实施方式之间进行组合。

Claims (14)

1.一种由控制装置(100)执行的用于控制钻岩单元(8)中的进给距离和进给速率的方法，所述钻岩单元(8)包括：

进给装置(42)，所述进给装置(42)用于使至少一个钻杆(7)和钻头(3)沿轴向方向进给；

旋转装置(44)，所述旋转装置(44)构造成产生所述至少一个钻杆(7)和所述钻头(3)的旋转运动；以及

距离和速率测量装置(60，62)，所述距离和速率测量装置(60，62)包括构造成由所述进给装置(42)驱动的至少一个旋转目标轮(60)和连接至所述控制装置(100)的至少一个传感器装置(62)，所述传感器装置(62)构造成感测所述至少一个旋转目标轮(60)的旋转运动；所述方法包括：

控制(s101)所述进给装置(42)沿所述轴向方向移动；

根据所述至少一个旋转目标轮(60)的所述旋转运动确定(s102)所述进给装置(42)距第一位置的进给距离和所述进给装置(42)的进给速率；以及

根据所述进给装置(42)的经确定的进给距离和进给速率来控制(s103)所述进给装置(42)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括下述进一步的步骤：

基于所述至少一个旋转目标轮(60)的旋转方向确定(s104)所述进给装置(42)的轴向进给方向。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，根据所述至少一个旋转目标轮(60)的所述旋转运动确定(s102)所述进给装置(42)的进给距离和进给速率包括从所述至少一个传感器装置(62)接收至少一个信号。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括下述进一步的步骤：

在所述进给装置(42)的预定位置处将距所述第一位置的进给距离重置(s105)为零；以及

根据所述至少一个旋转目标轮(60)的所述旋转运动确定(s106)所述进给装置(42)距所述进给装置(42)的预定位置的进给距离。

5.一种包括指令的计算机程序(P)，所述指令在所述程序由计算机(100；500)执行时使所述计算机(100；500)实施根据前述权利要求中的任一项所述的方法。

6.一种包括指令的计算机可读介质，所述指令在由计算机(100；500)执行时使所述计算机(100；500)实施根据权利要求1至5中的任一项所述的方法。

7.一种钻岩单元(8)，包括：

控制装置(100)；

进给装置(42)，所述进给装置(42)用于使至少一个钻杆(7)和钻头(3)沿轴向方向进给；

旋转装置(44)，所述旋转装置(44)构造成产生所述至少一个钻杆(7)和所述钻头(3)的旋转运动；

距离和速率测量装置(60，62)，所述距离和速率测量装置(60，62)包括构造成由所述进给装置(42)驱动的至少一个旋转目标轮(60)和连接至所述控制装置(100)的至少一个传感器装置(62)，所述传感器装置(62)构造成感测所述至少一个旋转目标轮(60)的旋转运动，其中，所述控制装置(100)构造成：

控制所述进给装置(42)沿所述轴向方向移动；

根据所述至少一个旋转目标轮(60)的旋转运动确定所述进给装置(42)距第一位置的进给距离和所述进给装置(42)的进给速率；以及

根据所述进给装置(42)的经确定的进给距离和进给速率来控制所述进给装置(42)。

8.根据权利要求7所述的钻岩单元(8)，其中，所述控制装置(100)构造成基于所述至少一个旋转目标轮(60)的所述旋转方向确定所述进给装置(42)的轴向进给方向。

9.根据权利要求7和8中的任一项所述的钻岩单元(8)，其中，根据所述至少一个旋转目标轮(60)的所述旋转运动确定所述进给装置(42)的进给距离和进给速率包括从所述至少一个传感器装置(62)接收至少一个信号。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的钻岩单元(8)，其中，所述控制装置(100)构造成在所述进给装置(42)的预定位置处将距所述第一位置的进给距离重置为零；以及根据所述至少一个旋转目标轮(60)的所述旋转运动确定所述进给装置(42)距所述进给装置(42)的预定位置的进给距离。

11.根据权利要求7至10中的任一项所述的钻岩单元(8)，其中，所述至少一个旋转目标轮(60)连接至软管滚筒(72)，所述软管滚筒(72)通过所述进给装置(42)的运动以可旋转的方式被驱动。

12.根据权利要求7至10中的任一项所述的钻岩单元(8)，其中，所述至少一个旋转目标轮(60)连接至液压马达(10)的驱动轴(17)，所述液压马达(10)构造成驱动所述进给装置(42)。

13.根据权利要求7至10中的任一项所述的钻岩单元(8)，其中，所述至少一个旋转目标轮(60)连接至所述钻岩单元(8)的长形框架或梁(2)或者位于所述进给装置(42)上，所述至少一个旋转目标轮(60)构造成通过所述进给装置(42)相对于所述长形框架或梁(2)的运动进行驱动。

14.一种钻岩机(5)，所述钻岩机(5)包括根据权利要求7至13中的任一项所述的钻岩单元(8)。

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