DE69930160T2 - Verfahren zur korrektur von positionierungsfehlern beim gesteinsbohren sowie bohrausrüstung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren von Positionierungsfehlern beim Gesteinsbohren, wobei ein Ausleger, der von einem Ende an einem Träger angebracht und in Bezug auf diesen um Gelenke drehbar ist, und ein Gesteinsbohrer, der am anderen Ende des Auslegers drehbar angebracht ist, in der Bohrposition für das Bohren eines Loches auf eine Weise angeordnet sind, daß der Ausleger unter Verwendung von Steuervorrichtungen der Bohranlage bezüglich verschiedenen Bewegungen gesteuert wird, bis der Ausleger sich in seiner eingestellten Position befindet, wobei die Abweichung der tatsächlichen Position des Auslegers von der berechneten theoretischen Position gemessen wird und die Position des Auslegers auf der Basis der gemessenen Abweichung korrigiert wird.
• Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Gesteinsbohrgerät mit einem Träger, einem Ausleger, der um Gelenke bezüglich des Trägers drehbar angebracht ist, einem Gesteinsbohrer, der an dem anderen Ende des Auslegers drehbar angebracht ist, Gelenksensoren, welche die Positionen der verschiedenen Auslegergelenke anzeigen, und Steuervorrichtungen zum Steuern des Auslegers zu der Bohrposition zum Bohren eines Loches.
• Höhere und höhere Präzision ist für die Arbeit einer Gesteinsbohranlage erforderlich, so daß das Ausheben so wirtschaftlich wie möglich gemacht werden kann. Heutzutage werden automatische Positionier- und Steuervorrichtungen für einen Bohrausleger öfter mit dem Zweck benutzt, für die Löcher die Möglichkeit vorzusehen, so präzise wie möglich an ihren geplanten Positionen gebohrt zu werden. Zu praktischen Steuerzwecken sind verschiedene Arten von Gelenksensoren an den Auslegern angebracht, und es ist der Zweck, die geometrischen Maße der Auslegung und ihre Kinematik bestmöglich in Rechnung zu stellen, wenn man die Bohrposition- und -richtung berechnet. Das Problem mit auf diese Weise realisierten automatischen Steuerlösungen besteht jedoch darin, daß unterschiedliche Arten von Biegungen, Aussparungen und anderen Dingen Fehler verursachen, die dazu führen, daß die eigentliche Position des Bohrmeißels sich merklich von der Position unterscheiden kann, wo er nach Plan sein sollte.
• Die US-Patentschrift 4,698,570 bietet eine Lösung, wo es Zweck ist, Fehler eines bekannten Gerätes dadurch zu korrigieren, daß der Arbeitsbereich des Bohrauslegers, d.h. die Reichweite des Auslegers in einer Trägerposition, in Quadrate geteilt wird, wobei ein spezieller Korrekturwert jedem Quadrat in allen Richtungen des Koordinatensystems zugeordnet wird. Dies wird in der Praxis dadurch erreicht, daß man das Gerät so einstellt, daß es den Ausleger und den Vorschubbalken so steuert, daß sich der Bohrmeißel in der Theorie in der Mitte des in Rede stehenden Quadrates befindet, wonach die Fehler in den unterschiedlichen Richtungen gemessen und in den Speicher des Steuergerätes eingegeben wurden. Beim normalen Bohren korrigiert die Anlage die Positionen des Auslegers und Vorschubbalkens entsprechend dem Quadrat, bei welchem die geplante Lochposition angeordnet ist, und zwar auf der Basis der gespeicherten, festen Korrekturwerte des in Rede stehenden Quadrates. Das Problem dieser Lösung besteht darin, daß ein enges Gitter für den zu bohrenden Bereich benutzt werden muß, um eine ausreichende Anzahl von Korrekturdaten für die verschiedenen Auslegerpositionen zu bekommen. Da ferner der Bohrmeißel unter Verwendung einer Anzahl unterschiedlicher Auslegerpositionen an einem speziellen Ort positioniert werden kann, ist ein auf den alleinigen Ort des Bohrmeißels basiertes Korrektursystem nicht in der Lage, unterschiedliche Fehler zu kompensieren, die auf unterschiedlichen Auslegerpositionen basieren, und somit wird die beabsichtigte Präzision nicht erreicht.
• Aufgabe dieser Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Gerätschaft zur Vermeidung der Fehler der bekannten Lösungen und zur zuverlässigen und leichtest- und einfachstmöglichen Korrektur der durch Auslegerbewegungen verursachten Fehler. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Auslegerposition von der theoretischen Position an vorbestimmten Intervallen als eine Funktion der Position mindestens eines Auslegergelenkes gemessen wird, daß die gemessenen Abweichungen in dem Speicher der Bohranlage gespeichert werden und daß, wenn der Ausleger und der Gesteinsbohrer in der Bohrposition angeordnet sind, die Position auf der Basis der gespeicherten Abweichung, welche der Position des Gelenkes entsprechend der Bohrposition entspricht, korrigiert wird.
• Das Bohrgerät gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine Speichervorrichtung aufweist zum Speichern der Abweichungen zwischen der wahren Position des Auslegers und der theoretischen Position, die auf der Grundlage der Gelenksensorwerte als eine Funktion des Drehwinkels mindestens eines Auslegergelenkes gemessen wird, und eine Rechenvorrichtung aufweist für das Korrigieren der Auslegerposition auf der Basis der in der Speichervorrichtung gespeicherten Abweichungen und entsprechend dem Wert, der von dem Gelenksensor an dem Gelenk angezeigt wird.
• Die wesentliche Idee der Erfindung ist die Bestimmung mindestens der Fehler der unterschiedlichen Auslegerbewegungen, welche hauptsächlich einen Fehler verursachen, d.h. die Abweichungen zwischen der wahren Auslegerposition und der theoretischen Position, die auf der Basis des Bewegungssensors berechnet wird, primär des eingestellten Wertes, der von dem Winkelsensor der Drehwinkel angezeigt ist, und zwar entsprechend der in Rede stehenden Bewegung jeweils eine Bewegung oder zwei Bewegungen praktikabel bezüglich der Bewegung an geeigneten Intervallen und durch Korrigieren der Auslegerposition auf der Basis der Fehler, d.h. Abweichungen, die bezüglich der in Rede stehenden Bewegung oder der Bewegungen gemessen wurden, und für jede Bewegung separat. Hierdurch wird z. B. das Bilden bzw. Definieren von Fehlern auf der Basis der Drehwinkel möglich zwischen dem Ausleger und dem Träger und auf der Basis der Rotationswinkel des Rotationsmechanismus des Vorschubbalkens, d.h. des sogenannten Überrollmechanismus. Dennoch ist die wesentliche Idee einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, daß wenn die Fehler an eingestellten Werten, die an geeigneten Intervallen angeordnet sind, bestimmt und in dem Speicher der Steuervorrichtung gespeichert wurden, eine mathematische Näherung bezüglich der Veränderung des Fehlers zwischen zwei gemessenen Punkten gebildet wird, wenn man sich von einem Punkt zum anderen bewegt, wobei, wenn eine Position in einem solchen Bereich angeordnet ist, ausreichend genaue Näherungen für das Korrigieren des Fehlers zur Verfügung stehen.
• Der Vorteil eines Verfahrens gemäß der Erfindung ist der, daß schon durch die Bestimmung der Fehler als Funktion der Hauptgelenke und ihrer Drehwinkel eine relativ genaue Information bezüglich der Fehler der Auslegerposition zur Verfügung steht, und somit ist es leicht, den Fehler bei den verschiedenen Ausleger- und Vorschubbalkenpositionen dadurch zu kompensieren, daß man nur die Fehler ausgleicht, welche durch die wichtigsten Fehlerquellen verursacht werden. Dies bedeutet, daß eine relativ kleine Menge von Korrekturdaten notwendig ist, die in den Speicher der Steuervorrichtung eingegeben werden muß, wodurch die Ausführung des Steuerns leichter gemacht wird. Wenn ferner die Abweichungsänderung zwischen den gemessenen Punkten mathematisch berechnet wird, wird immer eine ausreichend genaue Näherung des Fehlers zwischen den gemessenen Werten erhalten, und der Gesamtfehler und die sich ergebende erforderliche Kompensation können unter Verwendung von Fehlerdefinitionen, die bei relativ großen Intervallen gemacht wurden, berechnet werden. Dies vermindert die Anzahl der Meßpunkte, welche für die Bestimmung der Abweichung erforderlich ist.
• Die Erfindung wird genauer mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben, bei denen gilt:
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Auslegers, der in einer Gesteinsbohranlage verwendet wird,
• 2 zeigt schematisch die Fehlerbestimmung als Funktion eines Gelenkes, d.h. des Drehwinkels des Gelenkes zwischen dem Ausleger und dem Träger der Gesteinsbohranlage.
• 1 zeigt schematisch eine Gesteinsbohranlage mit einem Träger 1 und einem Ausleger 4, der schwenkbar um Gelenke 2 und 3 verbunden ist. Der Ausleger kann relativ zu dem Träger gedreht werden und andere Auslegerbewegungen können unter Verwendung verschiedener Antriebe bzw. Betätigungseinrichtungen bekannter Art erreicht werden, wie z. B. dem Hydraulikzylinder 2a, der in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Diese Betätigungseinrichtungen, die von an sich bekannter Art sind und dem Fachmann aus der Technik selbstverständlich sind, werden in den Zeichnungen im einzelnen nicht erläutert. Der Ausleger kann von beliebiger bekannter Art oder von einem Aufbau sein, der auf normale Weise aufgebaut oder zusammengebaut sein kann. Der Ausleger kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen, die während der Auslegerbewegungen an den Gelenken oder den Achsen zwischen Ihnen gedreht oder z. B. linear bezüglich einander bewegt werden können. In dieser Patentanmeldung und den Patentansprüchen bedeuten Auslegerbewegungen alle diese Dreh-, Rotations- oder lineare Bewegungen zwischen dem Ausleger und dem Träger, den unterschiedlichen Teilen des Auslegers sowie zwischen dem Ausleger und dem Vorschubbalken, der an seinem Ende angebracht ist. Der Ausleger 4 kann z. B. ein Teleskopausleger sein, dessen Länge in der durch den Pfeil 5 angedeuteten Richtung länger oder kürzer eingestellt werden kann. An dem oberen Ende des Auslegers 4 befinden sich die Drehgelenke 6 und 7, um welche der Vorschubbalken 8 bezüglich des Auslegerendes gedreht werden kann. Ferner kann eine Rotationsvorrichtung 9 vorgesehen sein, an welcher der Vorschubbalken 8 parallel zur Achse der Rotationsvorrichtung angebracht ist, so daß der Vorschubbalken 8 und der Gesteinsbohrer 10, der sich entlang diesem bewegt, um die Achse gedreht werden können, während ihre Richtung unverändert bleibt.
• 2 zeigt schematisch, wie der Fehler, welcher an unterschiedlichen Winkelpositionen eines einzigen Gelenkes auftritt, in diesem Falle beispielsweise durch das horizontale Schwenkgelenk zwischen dem Ausleger und dem Träger, gemäß der Erfindung bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck wird der Drehwinkel in neun Sektoren unterteilt, so daß in der Theorie, wenn der Steuervorrichtung ein Befehl gegeben wird, den Ausleger zu einem gewissen Winkel zu drehen, er präzise zu dem bestimmten Winkel positioniert wird.
• Um den Fehler zu bestimmen, wird der Ausleger mit Hilfe der Steuervorrichtung, z. B. um jeweils einen bestimmten Winkelsektor gedreht, was dann auf automatischen Anlagen durch die Steuervorrichtung auf der Basis der Signale ausgeführt wird, welche durch die Bewegungssensoren gegeben sind, in diesem Falle die Winkelsensoren. Entsprechend verwendet der Bedienungsmann bei nicht automatischen Anlagen die Handhabungssteuerungen, um den Ausleger in der gewünschten Richtung zu drehen, bis der geplante Winkel erreicht ist.
• Bei jeder Auslegerposition wird die Abweichung der Auslegerposition von der theoretischen Position gemessen, und die Fehler werden in dem Speicher gespeichert. Dies ergibt das obere Fehlerdiagramm, mit A in der Darstellung der 2 bezeichnet, welches für die Verwendung in dem Speicher des Steuergerätes gespeichert wird, d.h. der Steuervorrichtung, die gewöhnlich eine einzelne Einheit ist. Die Abweichungen der Auslegerposition sind einfach auszudrücken als Abweichung der Position des Gesteinsbohrwerkzeuges, d.h. der Bohrkrone bzw. des Bohrmeißels, und als Abweichung der Gesteinsbohrrichtung, d.h. der Achse des Bohrstahles zwischen dem Gesteinsbohrer und dem Bohrmeißel. Mit dieser Art von Definition ist der Fehler eindeutig, und die Korrektur des Fehlers in dem dem Gestein zugeordneten Koordinatensystem ist leicht zu erreichen. In dem im Diagramm A dargestellten Falle wird eine feste Fehlergröße in einer gewissen Spanne verwendet, wobei man die positive oder negative Fehlergröße, d.h. die Abweichung eines Meßpunktes, der durch einen Punkt veranschaulicht ist, für die Korrektur auf beiden Seiten des Meßpunktes auf halbem Weg zwischen zwei Meßpunkten verwendet. Um eine gewisse Art von wahrscheinlicher Größe zwischen den genauen Meßpunkten zu erhalten, wird eine Fehlerkorrekturkurve gebildet, ähnlich z. B. der im Diagramm B der 2, so daß die Fehlergrößen zwischen benachbarten Drehwinkeln kombiniert werden und die Fehlerabweichung auf der Basis derselben berechnet wird. Ein linearer Wechsel ist am einfachsten zu benutzen, wobei eine mathematisch gerade Linie zwischen den Fehlergrößen berechnet wird, wenn man sich von einer Position zu der anderen bewegt, und auf der Basis des Drehwinkels, die Näherung für den Fehler. Dies wird in dem Diagramm B der 2 durch gerade Linie veranschaulicht, die zwischen den gemessenen Punkten im Diagramm A der 2 gezogen sind. Anstelle gerader Linien können verschiedene Arten nicht-linearer Näherungen natürlich auch verwendet werden, aber in den meisten Fällen ist dies nicht notwendig.
• Wenn die Abweichungen gemäß dem Gelenkdrehwinkel, d.h. den Fehlern, auf eine Gelenkachse bezogen bestimmt wurden, werden sie dann in einer entsprechenden Weise für die Drehwinkel der anderen Gelenkachse desselben Gelenkes bestimmt. Wenn ferner der Vorschubbalken am Ende des Auslegers angebracht ist, werden unter Verwendung eines Rotationsmechanismus die durch die Drehwinkel des Rotationsmechanismus hervorgerufenen Fehler gemessen und im Speicher abgelegt. Auf diese Weise können die wichtigsten Fehlergründe in Betracht gezogen werden, und der letztliche Fehler, welcher die Position des Bohrmeißels beeinträchtigt, kann durch Aufsummieren der Fehlergrößen jeder Komponente bestimmt werden. Hierdurch wird ein wirksames und zuverlässiges Steuerverfahren mit einer relativ kleinen Zahl gemessener Fehlerwerte zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren die Wirkung der verschiedenen Komponenten des Auslegers auf den Fehler der Bohrmeißelposition als Ergebnis der verschiedenen Positionen des Auslegers und seiner Teile in Betracht zieht. In der Praxis ist ein einfacherer Weg, den Fehler zu korrigieren, derjenige, denjenigen Fehler zu korrigieren, der als Funktion jeder Drehbewegung auf der Basis der gemessenen Abweichungswerte entsprechend jeder Bewegung auftritt, wobei die Folge ist, daß der Drehmeißel wegen der Fehlerkorrekturen sich recht genau an seinem bestimmten Ort und die Drehachse in der gewünschten Richtung befinden.
• Während des eigentlichen Bohrbetriebes, wobei die Abweichungen separat gemessen und vorher in den Speicherorganen der Steuervorrichtungen für die Bohranlagen gespeichert wurden, wird die Korrektur der Position bei den Anlagen mit automatischer Steuerung automatisch realisiert, so daß wenn die Steuervorrichtungen die Steuerung des Auslegers mit dem Zweck beginnen, ihn zu dem gewünschten Bohrplatz zu bewegen, eine auf jede Bewegung bezogene Fehlerkorrektur automatisch ausgeführt wird, so daß der berechnete, eingestellte Wert für die Auslegerposition auf der Basis der in dem Speicher gespeicherten Abweichungswerte korrigiert wird. Auf diese Weise kann die ganze Korrektur des Bohr- und Positionierfehlers vollautomatisch für jedes Loch erfolgen, welches gemäß einem Bohrplan gebohrt werden soll, der nach einem beliebigen, allgemein angewendeten Verfahren gemacht ist. Bei Handausführungen berücksichtigen die Steuervorrichtungen der Gesteinsbohranlage, d.h. der Speicher und das Rechengerät automatisch die Abweichung entsprechend dem Drehwinkel und korrigieren z. B. die Meßwerte der Anzeige, auf welcher die Auslegerposition auf einer Weise gezeigt ist, daß sie die wahre Position des Auslegers zeigen, wie z. B. die Bohrmeißelposition und die Bohrrichtung, ohne daß der Bedienungsmann in der Praxis überhaupt merkt, daß die Korrektur eines Fehlers erfolgte.
• Die Erfindung wurde in den obigen Beschreibungen und in den Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt, und sie ist keineswegs auf diese beschränkt. Wesentlich ist, daß die Fehler, d.h. die Abweichungsgrößen, welche die Bohrmeißelposition beeinflussen, als Ergebnisse der verschiedenen Bewegungspositionen der Auslegergelenke, Auslegerteile und Komponenten bestimmt sind und daß der Fehler auf der Basis der gemessenen Abweichungsgrößen, jeweils eine oder mehrere Bewegungen, korrigiert wird. Dies kann dadurch erfolgen, daß man alle die Gelenke oder, mehr bevorzugt, nur die wichtigsten Fehler berücksichtigt, die von Bewegungen von Gelenken oder Komponenten verursacht sind, auf deren Basis der Gesamtfehler, welcher die Bohrmeißelposition beeinflußt, ausreichend genau berechnet werden kann und dann mit genügender Genauigkeit korrigiert werden kann.
• Die Abweichungen jeder Bewegung, d.h. die Fehler als Funktion der Gelenkpositionen können auch als fortlaufende Funktion über den ganzen Bewegungsweg gebildet werden und somit z. B. für Drehwinkel als Winkelabweichungsgrößen über den ganzen Drehwinkelbereich. Wenn eine höchstmögliche Fehlerkorrekturgenauigkeit erwünscht ist, ist es natürlich notwendig, die Abweichung jeder Bewegung von dem eingestellten Wert zu bestimmen und die Korrektur für jede Bewegung vorzunehmen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Korrigieren von Positionierungsfehlern beim Gesteinsbohren, bei dem ein Ausleger, der von einem Ende an einem Träger (1) angebracht und im Verhältnis zu ihm um Gelenke (2, 3, 6, 7) drehbar ist, und ein Gesteinsbohrer (10), der an dem anderen Ende des Auslegers drehbar angebracht ist, in der Bohrposition zum Bohren eines Loches auf eine Weise angeordnet sind, daß der Ausleger unter Verwendung von Steuervorrichtungen der Bohrvorrichtung im Verhältnis zu verschiedenen Bewegungen gesteuert wird, bis sich der Ausleger (4) in seiner eingestellten Position befindet, wobei die Abweichung der tatsächlichen Position des Auslegers von der berechneten theoretischen Position gemessen wird, die Auslegerposition auf der Basis der gemessenen Abweichung korrigiert wird und wobei die gemessenen Abweichungen in einem Speicher der Bohrvorrichtung gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung der Auslegerposition von der theoretischen Position an vorbestimmten Intervallen als eine Funktion der Position mindestens eines Auslegergelenkes gemessen wird und daß, wenn der Ausleger (4) und der Gesteinsbohrer (10) in der Bohrposition angeordnet sind, die Position auf der Basis der gespeicherten Abweichung, welche der Position des Gelenkes entsprechend der Bohrposition entspricht, korrigiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abweichung der Auslegerposition von der berechneten theoretischen Position in der Drehrichtung mindestens eines Gelenkes zwischen dem Ausleger (4) und dem Träger (1) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abweichung der Auslegerposition von der berechneten theoretischen Position als eine Funktion der Positionen zweier Gelenke (2, 3, 6, 7), in Querungsposition zueinander, zwischen dem Ausleger (4) und dem Träger (1) gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Abweichung der Auslegerposition von der berechneten theoretischen Position als eine Funktion zweier Winkel (α) gemessen wird, so daß an den theoretischen Punkten, welche die Auslegerposition in horizontaler und vertikaler Richtung an vorher festgelegten Intervallen in einem zweidimensionalen Koordinatensystem anzeigen, die Abweichung als eine Funktion der Positionen der sich kreuzenden Gelenke (2, 3, 6, 7) festgelegt wird.
5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Abweichungen entsprechend jeder Gelenkposition an vorher festgelegten Intervallen in einem gewissen Gelenkpositionswert gemessen werden und wenn der Ausleger (4) auf die Bohrposition angeordnet wird, die berechnete theoretische Position des Auslegers (4) auf der Basis der Abweichungen entsprechend den auf diese Weise erhaltenen Gelenkpositionen korrigiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abweichung zwischen benachbarten, gespeicherten Gelenkpositionen jeder Drehbewegung durch Berechnen einer Näherung für die Änderung der Abweichung von einem Positionswert zu dem anderen auf der Basis der gemessenen Abweichungen zwischen den Gelenkpositionswerten festgelegt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Näherung für die Abweichung zwischen den in einem Speicher gespeicherten Abweichungswerten berechnet wird.
8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei zusätzlich, durch mindestens eine andere Bewegung hervorgerufen, die Abweichung als eine Funktion des Wertes des Bewegungssensors gemessen wird und die theoretische Position des Auslegers (4) auf der Basis der Abweichung zusätzlich entsprechend dieser Bewegung korrigiert wird, wenn der Ausleger zu der Bohrposition angeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei auf einem Ausleger (4), der mit einem Rotationsmechanismus (9) für das Drehen des Gesteinsbohrers (10) zusammen mit seinem Zuführträger (8) um eine Achse parallel zu der Bohrachse ausgestattet ist, die Abweichung, welche von der Drehbewegung verursacht ist, zwischen der wahren Position des Auslegers (4) und der theoretisch berechneten Position des Auslegers gemessen wird und daß die Position des Auslegers auf der Basis der Abweichungen korrigiert wird entsprechend Positionen des Auslegers sowie der Gelenke zwischen dem Ausleger und dem Träger (1) und der Position des Rotationsmechanismus (9).
10. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Abweichungen als Abweichungen der Bohrspitzenposition des Gesteinsbohrers (10) und Abweichungen der Bohrrichtung gespeichert werden, welche durch die Bohrstahlachse festgelegt ist.