DE2557048B2

DE2557048B2 - Verfahren zum automatischen positionieren einer gesteinsbohreinrichtung in vorbestimmte stellungen und/oder vorbestimmte richtungen im raum

Info

Publication number: DE2557048B2
Application number: DE19752557048
Authority: DE
Inventors: Lars Alfred Saltsjö-Boo Lindblad (Schweden)
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1974-12-19
Filing date: 1975-12-18
Publication date: 1978-01-19
Also published as: FI67605B; SE7415975L; ZA757665B; CA1049491A; DE2557048C3; FI753592A; SE395743B; DE2557048A1; FR2295214A1

Description

arms definiert wird, wobei die Bohrlafeite gleichzeitig verschwenkt und verfahren sowie der Bohrarm verschwenkt wird. Dabei kann der Bohrarm auch gleichzeitig gedreht und verschwenkl werden.

Weitere Merkmale zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Gesteinsbohreinrichtung der eingangs genannten Ar· in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Seitenansicht eines an einer Konsole verschwenkbaren Bohrarms mit Bohrlafette und auf dieser hin- und herverschieblichem Gesteinsbohrhammer, worauf die Erfindung angewendet wird,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Bohrarm nach F i g. 1,

F i g. 3,4 und 5 in Blockschaltbildern die Steuermittel für die verschiedenen Hydraulikzylinder, welche die Stellung des Bohrarms und der Bohrlafette nach F i g. 1 und 2 bestimmen.

Gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 ist ein Bohrarm 10 schwenkbar an einer Querwelle 11 angelenkt, die in einer Bohrarmkonsole 12 befestigt ist. Der Schwenkwinkel λ, des Bohrarms 10 um die Welle

11 wird mittels hydraulischer Hubzylinder 13, 14 eingestellt, die gelenkig zwischen der Bohrarmkonsole

12 und dem Bohrarm 10 verankert sind. Der Bohrarm 10 kann mittels eines hydraulischen Schwenkzylinders 15 horizontal um eine Welle 16 verschwenkt werden, die lotrecht zur Querwelle 11 gerichtet ist. Der Schwenkwinkel um die Welle 16 ist mit«, bezeichnet.

Der Bohrarm 10 trägt an seinem äußeren Ende einen Bohrarmkopf 17, in welchem eine Querwelle 18 gelagert ist. Die Querwelle 18 trägt einen Lafettenträger 19, auf welchem mittels daran angebrachter Führungen eine Bohrlafette 20 in Längsrichtung verschieblich getragen ist. Die Bohrlafette 20 trägt in herkömmlicher Weise einen Gesteinsbohrhammer 21, der auf der Bohrlafette mechanisch vor und zurückgeschoben wird. Der Gesteinsbohrhammer 21 dreht einen Bohrstahl 22 und übt auf diesen Schläge aus. Der Bohrstahl wird mit Hilfe eines Bohrstahlzentrierers 23 auf der Bohrlafette geführt und trägt eine Bohrkrone 24. Ein hydraulischer Vorschubzylinder 48 ist mit einem Ende an dem Lafettenträger W und mit dem anderen Ende an der Bohrlafette 20 befestigt. Die Bohrlafette 20 wird in Längsrichtung mit Bezug auf den Bohrarm durch Ausoder Einfahren des Hydraulikzylinders 48 verstellt.

Ein hydraulischer Schwenkzylinder 25 ist gelenkig zwischen dem Bohrarmkopf 17 und dem Lafettenträger 19 angelenkt. Mit Hilfe eines Hydraulikzylinders 28 kann der Lafettenträger 19 um eine Welle 27 verschwenkt werden, die lotrecht zur Querwelle 18 gerichtet ist. Der Schwenkwinkel gegenüber dem Bohrarm 10 um die Welle 27 ist mit «t bezeichns*.

Um die Stellung und Richtung der Bohrkrone in einem willkürlichen Punkt im Raum zu bestimmen, ist es notwendig, die Koordinaten und Winkel der Bohrkrone 24 in einem räumlichen Koordinatensystem zu kennen. In den Fig. 1 und 2 ist ein Koordinatensystem angegeben, dessen Ursprung 0 am Schnittpunkt der geometrischen Achse der Welle 16 mit einer Ebene liegt, die lotrecht zu dieser geometrischen Achse orientiert ist und die geometrische Achse der Querwelle 11 schneidet. Die K-Achse fällt mit der geometrischen Achse der Welle 16 zusammen, die X-Achse verläuft parallel zur Querwelle 11, und die Z-Achse steht lotrecht auf der X- und der V-Achse und erstreckt sich in Längsrichtung des Bohrarms 10. Die Abstände längs der X-Achse bzw. der V-Achse von einem Bezugspunkt au der Welle 16 auf der Höhe der Querwelle 11 zu eine imaginären Linie, die in der gewünschten Tunnelrich lung verläuft und eine die vorbestimmten Stellungei enthaltende imaginäre Ebene 187 schneidet, sind mit X Yu bezeichnet. Zu bedeutet den Abstand zwischen den vorerwähnten Bezugspunkt und der imaginären Ebeni 187. Der Abstand zwischen den geometrischen Achsei der Querwelle 11 und der Querwelle ?8 ist mit Lt bezeichnet. LS ist der Abstand zwischen der geome trischen Achse der Querweile 18 und der Mittellinie de: Bohrstahls 22. Der Abstand zwischen der geome trischen Achse der Querwelle 18 und der Bohrkrone 2' ist mit LlO bezeichnet. In Fig.2 ist der Abstanc zwischen den geometrischen Achsen der Welle 16 unc der Querwelle 11 mit L 4 angegeben. In der gleichet Figur ist mit L 7 der Abstand zwischen der Mittellinit des Bohrarms 10, die den Ursprungspunkt 0 schneidet und der Mittellinie des Bohrstahls 22 bezeichnet.

Auf Grund der vorerwähnten Definitionen sind dit Koordinaten der Bohrkrone 24 die folgenden;

X-X₀ = L4sin(ax + O₀) + L5cos«_ysin(a_x
+ L7cos(«_x + O₀) + -L8sin(iXj, + a_s)sin(a
- L10[cosa_kcos(iXy + a_s)sin(a_x + O₀) — sin

Y-Y₀ = LSsiniXj, + L8cos(a_y + «,) +

sin (oty + (x_s).

Z-Z₀ = L4cos(a_x + O₀) + LScOSXyCOs(Oi_x + X₀)

- Ul sin(x_x + O₀) - L8sin(<Xj, + x_s)cos{a_x + O₀)

+ LlO[cosx_k cos(oty + ot^cos(ot_x + O₀) 4- sin«_k

In den vorgenannten Gleichungen ist äo ein Winkel ir der XZ-Ebene für den Bohrarm 10 gegenüber einen gegebenen Bezugswinkel.

Die Richtung des Bohrstahls 22 und somit auch die Richtung de^r Bohrkrone 24 sind wie folgt definiert:

K — OLo + «ι + OCk S = OLy + OLs

Der Winkel 5 stellt die Richtung des Pohrstahls 22 ir einer Ebene dar, welche die Mittellinie des Bohrstahls 2Ά schneidet und sich lotrecht zur V die 18 ausbreitet. A bedeutet die Richtung des Bohrstahls 22 in einer Ebene welche ebenso die Mittellinie des Bohrstahls 2i durchsetzt und lotrecht auf der erstgenannten Ebene steht.

Die Winkel «,, «,, «* und α., gegenüber dei zugehörigen Welle werden durch Winkelmc3einrich Hingen, vorzugsweise Drehmelder gemessen. Dei Abstand L10 ist in zwei Komponenten unterteilt nämlich eine fixe Komponente L 9, die dem Abstanc entspricht, wenn der hydraulische Vorschubzylinder 4J vollständig eingezogen ist, und eine bewegliche Komponente, bestehend aus dem Produkt eine! Konstanten mit χ_Λ die die Ausfahrbewegung de: Vorschubzylinders 48 darstellt. Zur Messung dei Komponente »Konstante · ola ist auf der Vorschub lafette 20 eine Zahnstange montiert, in die ein auf den

Lafettenträger 19 gelagertes Zahnrad eingreift. Die Drehung dieses Zahnrads wird auf einen Drehmelder übertragen, wodurch auch die Entfernung L 10 als Winkelgröße wiedergegeben wird.

In den Fig. 3, 4 und 5 veranschaulichen Blockschallbilder, wie das Positionieren des in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Bohrarms vonstalten geht. Drehmelder 29,30,31,32 und 33 sind in bekannter Weise mit zwei lotrecht zueinander stehenden unbeweglichen Wicklungen und einer drehbaren Wicklung versehen. Das Drehen der drehbaren Wicklung entspricht dem Drehen der daran angekoppelten Welle. Die unbeweglichen Wicklungen werden mit zwei um 90° gegeneinander phasenverschobenen Sinuswellenspannungen gespeist, die in Oszillatoren 34, 35 erzeugt und über Leitungen 38, 39, 40 und Leistungsverstärker 36, 37 übertragen werden. Wenn die Welle eines Drehmelders gedreht wird, wird in der drehbaren Wicklung eine Sinuswellenspannung mit konstanter Amplitude induziert. Diese Sinuswellenspannung ist gegenüber den von den Oszillatoren 34, 35 erzeugten Spannungen derart phasenverschoben, daß die Phasenverschiebung proportional dem Drehwinkel ist. Die Oszillatoren 34, 35 werden in bezug auf Frequenz und Phasenwinkel von einem Generator 42 über einen Frequenzteiler 41 gesteuert.

Die Ausgangssignale der Drehmelder werden Signalkonvertern 43,44,45,46 und 47 zugeführt, in denen die Signale in Impulsdauersignale umgewandelt werden, welche dieselbe Frequenz wie das Sinuswellensignal besitzen, deren Impulsdauer jedoch proportional dem jeweiligen Schwenkwinkel ist. Den Impulsdauersignalen wird eine Hochfrequenz dergestalt überlagert, daß eine Hochfrequenz-Impuiskette mit einer Anzahl von Impulsen erhalten wird, die proportional dem jeweiligen Schwenkwinkel ist. Diese Impulsketten treten mit einer Frequenz auf, die der Sinuswellenspannung entspricht, mit denen die Drehmelder ursprünglich gespeist sind. In einer bevorzugten Ausführung werden alle Drehmelder mit 400 Hz gespeist. Die zu den Konvertern übertragene Hochfrequenz hat eine Frequenz von etwa 400 ■ 2π ■ 2", d.h. etwa 5,1 MHz, die in den Konvertern verdoppelt wird. Dies bedeutet, daß 2jr-2¹² Impulse einer Umdrehung entsprechen, d. h. 2¹² = 4096 Impulse pro Bogeneinheit. Was den Drehmelder 29 und den Konverter 43 anbetrifft, so ist der Hochfrequenz ein solcher Wert gegeben, daß oc, dieselbe Maßstabkonstante erhält wie die anderen Längen L4, L5, LT, LS und L 9. Dieser Frequenzwert wird mittels eines Binärzahlmultiplikators erhalten, der eine Frequenz vom Generator 42 in eine Frequenz umwandelt, welche für den Maßstabsfaktor brauchbar ist.

L 10 wird in Binärform am Ausgang eines Zählwerks 180 als die Summe von L 9 und der dem Winkel α, entsprechenden Vorschubstrecke erhalten. Signale dieser Art, d. h. Signale, bei denen die Anzahl von Impulsen in einem gegebenen Zeitintervall eine Information über eine bestimmte Messung übermittelt, werden hier als Taktsignale bezeichnet. Die Impulse können innerhalb des Zeitintervalls oder eines Teils desselben gleiche oder ungleiche Abstände haben. Das Zeilintervall muß so lang sein, daß die Impulse innerhalb zweier aufeinanderfolgender Intervalle in der gleichen Ordnung und Anzahl wiederkehren, wenn sich die Information nicht ändert. Wenn die Impulse innerhalb des ganzen Zeitintervall gleiche Abstände besitzen, können sie als eine Impulsfrequenz bezeichnet werden.

Von den Konvertern 43, 44, 45, 46, 47 getrennt ausgehenden Leitungen werden Signale aufgegeben, di( anzeigen, ob die Winkel positiv oder negativ gegenübci der Bezugsrichtung sind.

Einheiten 86 und 87 schaffen die in den Positionier gleichungen geforderten Winkelsummen, d. h. <x, + a, und λ, + ix,.

(Xu, das den Winkel der Bohrarmkonsolc zur Z-Achsc in der XZ-Ebene darstellt, wird gemessen, wenn die Bohrausrüstung ihre Position eingenommen hat, unc

ίο wird dann mit einem Einstellknopf festgelegt. Die Winkelsummeneinheit 87 enthält einen besonderer Konverter zum Umwandeln des vom Einstellknopf 181 bestimmten Winkels von Winkelgraden in Bogeneinheiten. Die Winkelsumme von den beiden Einheiten 86 und 87 wird als Impuls-Takt-Signal mit 4096 Impulser pro Bogeneinheit in analoger Weise erhalten wie da? Signal von den Konvertern 43,44,45,46,47.

In den obigen Koordinatengleichungen sind Sinus und Kosinuswerte verschiedener Winkel enthalten. Un diese Werte zu erhalten, werden die die entsprechender Winkel wiedergebenden Signale in Sinus-Kosinus-Kon verter 82,83,84,85 eingegeben. Diese Konverter lieferr an ihren beiden Ausgängen Sinus- bzw. Kosinuswertt der Winkel und die Winkelsummen in Binärform unc mit einer Genauigkeit von 12 bit. Der Sinus von 90° wire somit durch 2¹² wiedergegeben.

Um die Signale zu bekommen, welche die Längen L 4 L 5, Z. 7, L 8, L 10 wiedergeben, sowie die Signale welche die Sinus- und Kosinuswerte der Winkel «o, «, α,, ock und oc_s wiedergeben und die addiert unc multipliziert werden können, sind Binärzahlmultiplikatoren 55 bis 81 in der Steuerschaltung enthalten.

Die Binärzahlmultiplikatoren sind dergestalt ausgebildet, daß, wenn ein Taktsignal im einen Eingang unc eine Binärzahl dem anderen Eingang zugeführt werden ein anderes Taktsignal am Ausgang erscheint, welches das Produkt der beiden Eingangsmessungen darstellt.
Es besteht folgende Beziehung:

^eii.

4096

worin r,„„das Ausgangstaktsignal, r_c.,„ das Eingangstaktsignal, ßwn die Eingangsbinärzahl und 4096 = 2¹² die maximal zulässige Eingangsbinärzahl sind. Folglich ist r„_m stets weniger als /γ,,,.

Die Werte von L 4, L 5, L 7, L 8 und L 9, welche den Abmessungen der Bohrausrüstung dienen, sind als Binärzahlen wiedergegeben und mit 49,50,51,52 und 53

so dargestellt.

Einheiten 88,89,90,91 und 92 zur Signalverarbeitung haben Eingänge für Taktsignale mit einer Markierung, die von den Binärzahlmultiplikatoren übertragen sind (die Signalleitungen sind nicht gezeigt), Eingänge für Signale 123,126, 135, 132, 139, welche die Einsiellwertc der Messungen X, Y. Z, K und 5 darstellen, und Eingänge zur Steuerung der Funktionen der Einheit. Die Taktsignale stellen die Augenblickswerte der Koordinaten A", Y, Z und der Winkel K und 5 dar. Die einer dieser Einheilen zugeführten Taktsignale werden mit ihren Vorzeichen versehen und mit einem von einem Datenverarbeitungsrechner 93 gelieferten Signal verglichen, das in ein Taktsignal umgewandelt ist und den Soll-Wert darstellt. Die Differenz wird in ein Impuls-

μ daucrsignal mit einem Bczeichnungssignal für X, Y, Z, S bzw. K umgeformt, das den Leitungen 112 bis 121 zugeführt wird.

In den Impuls-Analog-Konverlern 160, 161, 162, 163,

164 werden diese Impulsdauersignale in eine analoge Spannung umgewandelt. Der Proportionalitätsfaktor kann mittels eines Binärsignals von den Leitungen 124, 127, 136, 133, 130 eingestellt werden. Eingebaute Stabilisierungsschaltungen optimieren die dynamischen Charakteristika der verschiedenen Kanäle.

Die in vorstehender Weise behandelten Signale werden dann Steuermagnetverstärkern 165, 166, 167, 168, 169 zugeführt, worin sie verstärkt und Steuermagneten 170,171,172,173 und 174 angepaßt werden.

Die Steuermagnete betätigen mechanisch Steuerventile 175,176,177,178,179, die einen ölstrom liefern, der proportional im Eingangssignal zu den Steuermagnetverstärkern ist. Die Geschwindigkeit der hydraulischen Kraftzylinder 15, 28, 48, 25 und 14 wird dadurch proportional dem Eingangssignal zu den .Steuermagnetverstärkern 165,166,167,168,169.

Im folgenden wird das Positionieren.einer Bohrkrone in eine vorbestimmte Stellung beschrieben. In dem Rechner 93 sind die Koordinaten der Stellungen, in welche die Bohrkrone bewegt werden soll, und die gewünschte Bohrrichtung in diesen Stellungen gespeichert. Die programmierten Stellungen befinden sich in einer imaginären Ebene, die vor der Gesteinsoberfläche liegt.

Der Einstellwert der X-Koordinate der ersten Stellung wird dem Zählwerk 88 vom Ausgang 122 des Rechners 93 über eine Leitung 123 aufgegeben. Das Produkt aus den Werten LA und sin fa» + ao), die von den Multiplikatoren 56 bzw. 57 geliefert werden, wird dem Zählwerk 88 über die Leitung 94 zugeführt. Werte von entsprechend L 5, cos tx_y und sin («, + ao) werden von den Multiplikatoren 58, 59 bzw. 60 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 88 über die Leitung 95 zugeführt. Die Werte für L 7 und cos (<x_x + OL₀) werden von den Multplikatoren 61 und 62 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 88 über die Leitung 96 zugeführt. Die Werte von L 8, sin (a_t + cns) und sin fix, + <%o) werden von den Multiplikatoren 63,64 und 65 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 88 über die Leitung 97 zugeführt. Die Werte von L 10, cos α*, cos (<x_s + x_s) und sin ((X_x + ao) werden von den Multiplikatoren 66,67,68 und 69 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 88 über die Leitung 98 zugeführt. Die Werte von L 10, sin α*· und cos (ol_x + oco) werden von den Multiplikatoren 70, 71 und 72 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird der Einheit 88 über die Leitung 99 zugeführt. Die in das Zählwerk 88 über die Leitungen 94—99 eingegebenen Werte werden summiert, und die Summe bildet dann den augenblicklichen Ist-Wert der X-Koordinate der Bohrkrone.

Dieser Ist-Wert wird mit dem Soll-Wert von der Leitung 123 verglichen. Jegliche Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert führt zur Lieferung von Korrektursignalcn zu dem Impuls-Analog-Konverter 160 über Leitungen 112, 113. Die Leitung 112 zeigt die Dauer des Korrektursignals an, während die Leitung 113 das Vorzeichen des Korrektursignals anzeigt, d. h. besagt, in welcher Richtung der betroffene Hydraulikzylinder, in diesem Fall der Schwenkzylinder 15, betätigt werden muß. Das Signal von dem Impuls-Analog-Konverter 160 wird im Verstärker 165 verstärkt, woraufhin das Signal den Steuermagnet 170 erregt. Der Steuermagnet betätigt das Ventil 175. )c nachdem, in welcher Richtung das Ventil 175 betätigt wird, wird Druckflüssigkeit einer der beiden Arbeitskammern des Hydraulikzylinders 15 zugeführt. Dadurch wird der Bohrarm 10 verschwenkt.

Der Ist-Wert der V-Koordinate der ersten Stellung wird dem Zählwerk 92 vom Ausgang 128 des Rechners 93 über die Leitung 129 zugeführt. Das Produkt der Werte L 5 und sin ot_v, die von den Multiplikatoren 58 bzw. 78 geliefert werden, wird dem Zählwerk 92 über die Leitung 109 zugeführt. Die Werte von L 8 und cos (oc_x + oi_s) werden von den Multiplikatoren 63 und 79 erhalten. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 92 über die Leitung 110 zugeführt. Die Werte von L 10, cos oca und sin (Oc, + a._sjwerden von den Multiplikatoren 66,67 bzw. 80 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 92 über die Leitung 111 zugeführt. Die in die Einheit 92 über die Leitungen 109—111 eingespeisten Werte werden summiert, und die Summe bildet den augenblicklichen Ist-Wert der V-Koordinate der Bohrkrone. Dieser Ist-Wert wird mit dem über die Leitung 129 zugeführten Soll-Wert vergleichen. Jegliche Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert führt zu einem Korrektursignal, das den Impuls-Analog-Konverter 164 über Leitungen 120 und 121 für die Dauer und das Vorzeichen des Signals zugeführt wird. Das Signal wird in dem Verstärker 169 verstärkt und dem Steuermagnet 174 zugeführt. Der Steuermagnet verstellt das Ventil 179, welches den Hubzylinder 14 steuert Der Bohrarm 10 wird demgemäß gehoben oder gesenkt.

Der Soll-Wert der Z-Koordinate der ersten Stellung

wird dem Zählwerk 90 vom Ausgang 134 des Rechners 93 über die Leitung 135 zugeführt. Das Produkt der Werte von L 4 und cos (ot_x + ao) von den Multiplikatoren 56 bzw. 81 wird dem Zählwerk 90 über die Leitung 102 zugeführt. Die Werte von L 5, cos <χ_γ und cos ((X_x + ao) werden von den Multiplikatoren 58,59 und 73 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 90 über die Leitung 103 aufgegeben. Die Werte von L7 und sin (<x_x + ao) werden von den Multiplikatoren 61 und 74 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 90 über die Leitung 104 zugeführt. Die Werte von L 8, sin (<x_y + oc_s) und cos (<x_x + <xq) werden von der Multiplikatoren 63, 64 und 75 geliefert. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 90 über die Leitung 105 zugeführt. Die Werte von L 10, cos α*, cos (oc_y + α_Λ> und cos (OL_x + Mo) werden von den Multiplikatoren 66 67, 68 und 76 abgegriffen. Das Produkt dieser Werte wird dem Zählwerk 90 über die Leitung 106 zugeführt Die Werte von L 10, sin α* und sin (ot_x + ao) werden vor den Multiplikatoren 70,71 und 77 geliefert. Das Produkl dieser Werte wird dem Zählwerk 90 über die Leitung 107 zugeführt. Die in das Zählwerk 90 über die

so Leitungen 102-107 eingespeisten Werte werder summiert, und die Summe ist dann gleich derr augenblicklichen Ist-Wert der Z-Koordinate der Rohrkrone. Dieser Ist-Wert wird mit dem über die Leitung 135 zugeführten Soll-Wert verglichen. Jegliche Diffe renz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert führt zi einem Korrektursignal, das dem Impuls-Analog-Konverter 162 über Leitungen 116 und 117 für die Dauei bzw. das Vorzeichen des Sighals zugeführt wird. Da; Signal wird im Verstärker 167 verstärkt und dann den:

μ Steuermagneten 172 aufgegeben. Der Steuermagnet 172 betätigt das Ventil 177, welches den Vorschubzylinder 48 steuert. Die Vorschublafette 20 wird hierdurch verschoben.
Der Soll-Wert des Winkels K der ersten Bohrstcllung

t,5 wird dem Zählwerk 89 vom Ausgang 125 des Rechners 93 über die Leitung 126 zugeführt. Die Summe von «, und «ο wird dem Zählwerk 93 über die Leitung IOC aufgegeben, oct wird in das Zählwerk 93 über die Leitung!

101 eingespeist, λ, und «ο und at werden in dem Zählwerk 89 summiert, und die Summe ist gleich dem augenblicklichen Ist-Wert des Winkels K. Dieser Ist-Wert wird mit dem über die Leitung 126 zugeführten Soll-Wert verglichen. Jegliche Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert führt zu einem Korrektursignal, das dem Impuls-A^ialog-Konverter 161 über Leitungen 114 und 115 für die Dauer bzw. das Vorzeichen des Signals zugeführt wird. Das Signal wird in dem Verstärker 166 verstärkt, woraufhin es dem Steuermagnet 171 aufgegeben wird. Der Magnet verstellt das Ventil 176, welches den Schwenkzylinder 28 steuert. Dadurch wird die Bohrlafette 20 verschwenkt.

Der Soll-Wert des Winkels Sder ersten Bohrstellung wird dem Zählwerk 91 vom Ausgang 131 des Rechners 93 über die Leitung 132 zugeführt. (oc_v + oej wird in das Zählwerk 91 über die Leitung 108 eingegeben. Dieser Wert ist der augenblickliche Ist-Wert des Winkels 5. Dieser Ist-Wert wird mit dem über die Leitung 132 übertragenen Soll-Wert verglichen. Jegliche Differenz zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert führt zu einem Korrektursignal, das dem Impuls-Analog-Konverter 163 über Leitungen 118 und 119 für die Dauer bzw. das Vorzeichen des Signals zugeführt wird. Das Signal wird in dem Verstärker 168 verstärkt und dann dem Steuermagnet 173 zugeführt. Der Steuermagnet verstellt das Ventil 178, welches den Hubzylinder 25 steuert. Dadurch wird die Neigung der Bohrlafette 20 eingestellt.

Zwischen jeder der Leitungen 112 bis 121 ist an eine entsprechende Leitung 137 bis 146 eine Summiereinheit 147 angeschlossen. Zwischen der Summiereinheit 147 und dem Rechner 93 besteht eine Verbindungsleitung 148. Die Funktion der Summiereinheit besteht darin, dem Rechner 93 Anweisung zu geben, wenn Werte des nächsten programmierten Punktes auszugeben sind. Bevor diese Anweisung gegeben wird, müssen die Werte von X, Y, Z, K und Sder vorhergehenden Punkte für eine vorbestimmte Zeit erreicht sein. Die Bedingung zum Erhalten eines Signals von der Summiereinheit 147 über die Leitung 148 ist, daß alle Leitungen 137 bis 146 für eine vorbcslimmte Zeitdauer ohne Signal waren. Wenn die Summiereinheit 147 festgestellt hat, daß die Positionierung beendet ist, gibt der Rechner 93 Anweisung, das Positionieren zu verriegeln, die Spülfluidversorgung zu öffnen, die Bohrkrone unter Verwendung eines Führungskragens gegen die Gesteinsoberfläche anzustellen und den Vorschubmotoi und den Gesteinsbohrhammer einzuschalten. Die Bohrtiefe wird durch Zählung der Impulszahl von einerr Zahnrad auf der Vorschubspindel gemessen. Eir getrenntes Logiksystem (im Blockschaltbild nichi dargestellt) vergleicht die tatsächliche Bohrtiefe mil einer im Rechner 93 programmierten Bohrtiefe übei eine Leitung 187. Wenn Ähnlichkeit zwischen dei gemessenen und der programmierten Bohrtiefe erreich!

ίο ist, wird der Bohrvorgang durch Umkehr des Vorschub motors abgestoppt.

In Hinblick auf Unregelmäßigkeiten der Gesteins oberfläche werden die Z-Koordinaten der vorbestimm ten Stellungen dergestalt definiert, daß die auf einei imaginären Ebene liegen, die mit Abstand zui Gesteinsoberfläche angeordnet ist, wodurch sicherge stellt wird, daß die Bohrkrone während ihrer Bewegung von einer Stellung zur anderen nicht bewegungsunfähig wird. Wenn die Summiereinheit 147 festgestellt hat, daf das Positionieren in der imaginären Ebene beendet ist gibt der Rechner 173 Anweisung, den Bohrarm und dit Bohrlafette gegen Drehung um ihre Achsen zi verriegeln, nach einer vorbestimmten Zeitverzögerung die Bohrlafette gegen die Gesteinsoberfläche anzustel len, die Spülfluidversorgung zu öffnen, die Bohrkrone unter Verwendung eines Führungskragens anzusetzer und den Vorschubmotor sowie den Gesteinsbohr hammer einzuschalten. Die Anstellung der Bohrlafetu ebenso wie das Ansetzen des Führungskragens kanr

jo natürlich alternativ auch von Hand ausgeführt werden.

Die gewünschten Werte der Koordinaten X. Vund /

und der Winkel K, Sund α werden ausgehend von einen gegebenen Koordinatensystem programmiert. Au Grund der Oberfläche des Gebirges ist es nicht immei

J5 möglich, die Bohrausrüstung in diesem System korrek zu placieren. Gegebenenfalls muß das gegeben» Koordinatensystem in eines umgewandelt werden, da; mit der in Frage stehenden Stellung der Bohrausrüstunj übereinstimmt. Für diese Umwandlung sind Korrektur einheiten 181 — 186 vorgesehen. Die Korrekturfaktoret für X, Y, Z, K und α werden mit Hilfe dei entsprechenden Einheit 181 -186 eingestellt. Dit Korrekturfaktoren An, V₀, Z_n, Ka, S« und oto werdet durch unmittelbare Messung der Stellung und Neigunj der Schwenkwelle 16 und der Bohrarmkonsole 12 ii bezug auf die geodätisch bestimmte Linie de Tunnelerstreckung bestimmt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum automatischen Positionieren einer langgestreckten Gesteinsbohreinrichtung, bestehend aus einem zu einer Bohrarmkonsole verschwenkbaren Bohrarm, einer zu dem Bohrarm verschwenkbaren uhd gegenüber diesem sowie der Bohrarmkonsole versetzten Bohrlafette und einem auf der Bohrlafette längsverschieblichen Gesteins- to bohrhammer, in vorbestimmte Stellungen im Raum, die durch ein Bohrschema programmiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Stellungen auf einer mit Abstand vor der zu bearbeitenden Gesteinsoberfläche angeordneten imaginären Ebene liegend programmiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrlafette gegen die Gesleinsoberfläche nach einer bestimmten Zeitverzögerung im Anschluß an das Positionieren des Gesteinsbohrhammers in die vorbestimmie Stellung auf der imaginären Ebene ungestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Stellungen durch Soll-Werte in einem Koordinatensystem definiert werden, die Ist-Werte der Koordinaten einer Bohrkrone in diesem System abgetastet werden und die Bohrkrone derart bewegt wird, daß die abgetasteten Ist-Werte gleichzeitig in Richtung

zu den Soll-Werten verstellt werden. ju

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckte Gesteinsbohreinrichtung und die Bohrkrone in der vorbestimmten Stellung in vorbestimmter Richtung positioniert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Richtung durch Schwenkwinkel der Bohrlafette und des Bohrarms definiert wird, wobei die Bohrlafette gleichzeitig verschwenkt und verfahren sowie der Bohrarm verschwenkt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrarm gleichzeitig gedreht und verschwenkt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer jeden der vorbestimmten Richtungen und Stellungen entsprechende Soll-Werte vorgegeben, die einer jeden der augenblicklichen Richtung bzw. Stellung der Bohrkrone entsprechenden Ist-Werte ermittelt, die Differenzen zwischen den Ist-Werten und den Soll-Werten errechnet und diese Differenzen in Steuersignale umgewandelt werden, welche zu den Einrichtungen zum Positionieren der Bohrkrone übertragen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkgeschwindigkeiten der Bohrlafette bzw. des Bohrarms relativ zueinander und relativ zur Vorschubbewegung der Bohrlafette in solcher Weise geregelt werden, daß das Verschwenken des Bohrarms eine Bewegung der Bohrkrone hervorruft, die schneller als die vom Verschwenken und Vorschieben der Bohrlafette hervorgerufene resultierende Bewegung ist.

65 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Positionieren einer langgestreckten Gesteinsbohreinrichtung, bestehend aus einem zu einor Bohrarmkcnsole verschwenkbaren Bohrarm, einer zu dem Bohrarm verschwenkbaren und gegenüber diesem sowie der Bohrarmkonsole versetzten Bohrlafette und einem auf der Bohrlafette längsverschieblichen Gesteinsbohrhammer, in vorbesliinmte Stellungen im Raum, die durch ein Bohrschema programmiert sind.

Zur Steuerung der Hub-, Schwenk- und Vorschubzylinder derartiger Gesteinsbohreinrichtungen in bestimmter Weise ist es grundsätzlich bekannt, die Stellungen des Bohrarms und der Bohrlafette durch Drehmelder elektrisch abzugreifen, die dabei erhaltenen Signale in Datenverarbeitungsrechnern auszuwerten und mit dem Auswertergebnis über Impuls-Analog-Umsetzer elektromagnetisch steuerbarer Ventile für die vorgenannten Zylinder zu steuern (DT-AS 15 83 847 und 21 60 682). Insbesondere werden derartige Steuerungen zur exakten Parallelbewegung der Bohrlafette von der einen Bohrstellung in die nächste verwendet.

Das vollautomatische Positionieren mit diesen bekannten Hilfsmitteln gemäß einem vorprogrammierten Bohrscheni3 bereitet jedoch bisher Schwierigkeiten, da wegen der Unregelmäßigkeiten der zu bearbeitenden Gesteinsoberfläche die Gefahr besteht, daß die Gesteinsbohrmaschine beim Wechsel der Arbeitsstellung gegen Vorsprünge der Gesteinsoberfläche anschlägt und dadurch bewegungsunfähig wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine solche Gefahr ausgeschlossen und dadurch ein vollautomatisches Positionieren nach einem vorprogrammierten Bohrschema ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die vorbestimmten Stellungen auf einer mit Abstand vor der zu bearbeitenden Gesteinsoberfläche angeordneten imaginären Ebene liegend programmiert werden.

Die Erfindung löst die obige Aufgabe demzufolge mit einem Kunstkniff, mit dem sie eine in jedem Falle vor der Gesteinsoberfläche liegende künstliche Ebene schafft, auf die sie sämtliche Ausgangsstellungen des Gesteinsbohrhammers bezieht und damit sicherstellt, daß beim Wechsel der Stellung des Gesteinsbohrhammers keinerlei Vorsprünge der Gesteinsoberfläche im Wege sind. Zweckmäßig wird dabei der Gesteinsbohrhammer gegen die Gesteinsoberfläche erst nach einer bestimmten Zeitverzögerung im Anschluß an das Positionieren des Gesteinsbohrhammers in die vorbestimmte Stellung auf der imaginären Ebene angestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise dadurch verwirklicht, daß die vorbestimmten Stellungen durch Soll-Werte in einem Koordinatensystem definiert werden, die Ist-Werte der Koordinaten einer Bohrkrone in diesem System abgetastet werden und die Bohrkrone dann derart bewegt wird, daß die abgetasteten Ist-Werte gleichzeitig in Richtung zu den Soll-Wertin verstellt werden. Durch diese gleichzeitige Verstellung werden die Totzeiten beim Positionswechsel trotz des jedesmal erfolgenden Zurückfahrens der Bohrkrone bis in die imaginäre Ebene klein gehalten.

Nach einem anderen Merkmal zur vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die langgestreckte Gesteinsbohreinrichtung und die Bohrkrone in der vorbestimmten Stellung auch in vorbestimmte Richtung positioniert, was zweckmäßig dadurch geschieht, daß die vorbestimmte Richtung durch Schwenkwinkel der Bohrlafette und des Bohr-