JP2766554B2 - シールド掘進機の余掘制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、回転するカッタヘッドに油圧ジャッキによ
り伸縮操作されるコピーカッタを装備したシールド掘進
機において、コピーカッタによる余掘範囲および余掘量
を設定パターンに合わせて制御する余掘制御装置に関す
る。

〔従来の技術〕

余掘範囲および余掘量を任意に設定できるように構成
された従来のシールド掘進機における余掘制御装置の代
表的な例としては、特開昭58−41195号に記載のよう
に、コピーカッタの回転位置（角度）を検出する第１検
出手段と、コピーカッタの伸縮開始位置（角度）を任意
に設定する第１設定手段と、前記第１検出手段により検
出されたコピーカッタの回転位置が前記第１設定手段に
より設定された伸縮開始位置に達したとき、コピーカッ
タを伸縮させる油圧ジャッキに伸長信号または縮小信号
を出力する第１出力手段と、コピーカッタの伸縮量を検
出する第２検出手段と、コピーカッタの伸縮量を任意に
設定する第２設定手段と、前記第２検出手段により検出
されたコピーカッタの伸縮量が前記第２設定手段により
設定された伸縮量に達したとき、前記油圧ジャッキに停
止信号を出力して油圧ジャッキの伸長状態または縮小状
態を保持する第２出力手段とを備えたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、コピーカッタの伸長開始および縮小
開始をコピーカッタの実際の回転位置の検出により行
い、一方コピーカッタの伸縮停止をコピーカッタの実際
の伸縮量の検出により行うことで、設定された余掘範囲
と余掘量に合せて余掘制御することを意図したものであ
るが、本装置には次のような問題点がある。

（１） コピーカッタの設定された伸縮開始角度と実際
の余掘開始、終了角度との間にずれが生じ、しかもその
ずれ量が一定でない。

これの主な原因として次の３点が揚げられる。

ａ） リレー回路等の電気系統の応答の遅れ（100msec
程度） ｂ） 電磁弁等の油圧系統の応答の遅れ（200msec程
度） ｃ） 地山の抵抗、油圧配管の圧損などによりリリーフ
弁から作動油が逃げ、油圧ジャッキの伸縮速度が遅くな
る。

（２） ジャッキストロークが設定ストロークより伸
び、余掘量が大きくなる。

これの主な原因として次の３点が挙げられる。

ａ） リレー回路等の電気系統の応答の遅れ（100msec
程度） ｂ） 電磁弁等の油圧系統の応答の遅れ（200msec程
度） ｃ） 作動油中に気泡が混入している場合、電磁弁が停
止位置に切り換った後も、気泡の膨張により油圧ジャッ
キが伸長する。

第２図はこの余掘角度およびストロークのずれを模式
的に示したもので、設定されたジャッキ伸び開始点Ｓの
角度をθ_ｓとすると、実際のジャッキ伸び開始点は前記
（１）項のａ）＋ｂ）に相当する角度Δθ_s1だけ遅れ、
さらに前記（１）項のｃ）により角度Δθ_s2だけ遅れて
ジャッキストロークが目標ストロークL_sに達し、設定さ
れたジャッキ伸び開始点Ｓとジャッキストロークが目標
ストロークL_sに達する実際の余掘開始点Ｓ′とのずれ量
はΔθ_ｓ＝Δθ_s1＋Δθ_s2となる。そして、ジャッキス
トロークが目標ストロークに達した後も前記（２）項の
ａ）＋ｂ）＋ｃ）に相当する遅れ分だけジャッキが伸長
し、目標ストロークとのずれ量はΔL_sとなる。また、設
定されたジャッキ縮み開始点Ｅの角度をθ_ｅとすると、
実際のジャッキ縮み開始点は前記（１）項のａ）＋ｂ）
に相当する角度θ_e1だけ遅れ、さらに前記（１）項の
ｃ）により角度θ_e2だけ遅れてジャッキストロークが０
となり、設定されたジャッキ縮み開始点Ｅとジャッキス
トロークが０となる実際のジャッキ縮み終了点Ｅ′との
ずれ量はΔθ_ｅ＝Δθ_e1＋Δθ_e2となる。

前記（１），（２）項のａ）,b）による余掘角度およ
びストロークのずれ量を具体的に示すと、次のようであ
る。

シールド掘進機仕様シールド径;2,870mm、カッタ回転
数;1,8rpm、コピーカッタジャッキ推力;10.5t、同ジャ
ッキストローク;100mm（最大）、常用油圧;210kg/cm²、
ジャッキ用ポンプ吐出量;15/min （１）項のａ）＋ｂ）による角度ずれ量 約３゜ （２）項のａ）＋ｂ）によるストロークずれ量約15mm 実際には、このような比較的定量的にとらえることが
できるずれ量に地山の抵抗、油圧配管の圧損あるいは作
動油中の気泡の影響などにより再現性がなく生じるずれ
量が加わり、余掘位置によって余掘角度およびストロー
クのずれ量と複雑に変化する。そのため、特にジャッキ
ストロークが目標ストロークに達する余掘開始角度、ジ
ャッキストロークが０となる余掘終了角度および余掘ス
トローク（余掘中の最大ストローク）について施行上厳
しい精度が要求される場合、上記従来技術では対応でき
なかった。

本発明は、余掘開始、終了角度および余掘ストローク
のずれ量に影響を及ぼす地山の抵抗、油圧配管の圧損、
作動油中の混入気泡などの外部環境が急激な変化を示さ
ない点に注目し、コピーカッタの１回転ごとに余掘開
始、終了角度および余掘ストロークの各目標値と実作動
値のずれ量を把握し、その各ずれ量に応じて次回転時、
油圧ジャッキを伸縮または停止させる電磁切換弁の切換
タイミングを変更することにより、余掘開始、終了角度
および余掘ストロークの実作動値を目標値に近付け、精
度の良い余掘制御が行えるようにすることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、第
１図に示すように、コピーカッタの回転角度を検出する
カッタ回転角度検出手段と、油圧ジャッキ５のストロー
クを検出するジャッキストローク検出手段と、入力され
た余掘開始信号、余掘終了角度および余掘ストロークの
各目標値からこれら諸量の制御指令値を決め初期設定す
る制御指令値初期設定手段と、前記カッタ回転角度検出
手段により検出されたコピーカッタの回転角度が余掘開
始角度および余掘終了角度の各制御指令値に達したとき
にそれぞれジャッキ伸び動作信号およびジャッキ縮み動
作信号を出力する出力手段と、前記ジャッキストローク
検出手段により検出された油圧ジャッキ５のストローク
が余掘ストロークの制御指令値に達したときにジャッキ
伸び停止信号を出力する出力手段と、余掘動作中の前記
カッタ回転角度検出手段からの回転角度計測値および前
記ジャッキストローク検出手段からのストローク計測値
を対応させて記憶する計測値記憶手段と、余掘開始角
度、余掘終了角度および余掘ストロークの各目標値と実
作動でこれら諸量の計測値とのずれ量をコピーカッタの
１回転ごとに算出し、その各ずれ量に応じて前記各目標
値を補正したものを次回転での制御指令値として設定す
る第１の制御指令値補正手段と、前記各出力手段からの
出力信号により油圧回路を切り換え、油圧ジャッキ５を
伸縮または停止させる電磁切換弁15とを備えたことを特
徴とする。

請求項２記載の発明は、前記第１の制御指令値補正手
段に代えて、カッタ回転角度とジャッキストロークをパ
ラメータとする余掘軌跡上のジャッキ伸び動作信号出力
点をＡ、ジャッキ伸び開始計測点Ｂ、ジャッキ伸び停止
信号出力点をＣ、電磁切換弁が閉となる点をD,D点と同
一角度上でＤ点以降に計測された最大ストローク値と同
一のストローク値をもつ仮想のジャッキ伸び終了点を
Ｄ′とし、A,B,C,D′各点を結ぶベクトルを▲▼，
▲▼，▲▼′とするとき、 ▲▼＝▲▼ ▲▼＝CD′ ▲▼＝β_１×▲▼ で表わされる固定ベクトル▲▼，▲▼と補正ベ
クトル▼を用いて、Ｄ′点を余掘開始制御目標点に
合せたときのａ点およびｃ点の座標値をベクトル演算に
より求め、また、余掘軌跡上のジャッキ縮み動作信号出
力点をＧ、ジャッキ縮み開始計測点をＨ、ジャッキ縮み
終了計測点をＩとし,G,H,I各点を結ぶベクトルを▲
▼，▲▼とするとき、 ▲▼＝▲▼ ▲▼＝β_２×▲▼ で表わされる固定ベクトル▲▼と補正ベクトル▲
▼を用いて、Ｉ点を余掘終了制御目標点に合わせたと
きのｇ点の座標値をベクトル演算により求め、上記a,c,
g各点の座標値より次回転での余掘開始、終了角度およ
び余掘ストロークの各制御指令値を決定する第２の制御
指令値補正手段を備えたことを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、前記ベクトル▲
▼，▲▼，▲▼，▲▼の少々なくとも一つ
をしきい値と比較し、ベクトルの大きさがしきい値より
逸脱した場合、異常と判断する異常検出手段を備えたこ
とを特徴とする。

〔作用〕

以下の説明に用いる記号を次のように定義する。

θ_s;余掘開始角度目標値 θ_e;余掘終了角度目標 L_s;余掘ストローク目標値 γ_ｓ（ｉ）；余掘開始角度計測値 γ_ｅ（ｉ）；余掘終了角度計測値 L_r（ｉ）；余掘ストローク計測値 Δθ_ｓ（ｉ）；余掘開始角度ずれ量 Δθ_ｅ（ｉ）；余掘終了角度ずれ量 ΔL_s（ｉ）；余掘ストロークずれ量 α_ｓ（ｉ）；余掘開始角度制御指令値 α_ｅ（ｉ）；余掘終了角度制御指令値 J_s（ｉ）；余掘ストローク制御指令値 limΔθ；余掘開始、終了角度の補正限界値 limΔL_s;余掘ストロークの補正限界値 まず、請求項１記載の発明について作用を説明する。

余掘開始角度、余掘終了角度および余掘ストロークの
各目標値θ_s,θ_e,L_sが入力されると、制御指令値初期設
定手段ｃにより、これら目標値θ_s,θ_e,L_sが制御指令値
α_ｓ（ｉ），α_ｅ（ｉ）,J_s（ｉ）として初期設定され
る。

第１回転目の制御では、カッタ回転角度検出手段ａに
より検出された回転角度が上記制御指令値α_ｓ（ｉ）に
達したとき、ジャッキ伸び動作信号が出力手段ｄから出
力され、ジャッキストローク検出手段ｂにより検出され
たストロークが上記制御指令値J_s（ｉ）に達したとき、
ジャッキ伸び停止信号が出力手段ｆから出力される。そ
して、カッタ回転角度検出手段ａにより検出された回転
角度が上昇制御指令値α_ｅ（ｉ）に達したとき、ジャッ
キ縮み動作信号が出力手段から出力される。

これにより、第１回転目の余掘状態は第２図のように
なる（ただし、θ_ｓは余掘開始角度目標値、θ_ｅは余掘
終了角度目標値と読み替える）。

第１回転目の余掘終了後、制御指令値補正手段ｈは次
の補正演算を行う。

（１） 計測値記録手段ｇに蓄えられた余掘作動中のカ
ッタ回転角度およびジャッキストロークの計測値に基づ
き、余掘開始角度、余掘終了角度および余掘ストローク
の各目標値と実作動でのこれらの諸量の計測値とのずれ
量を算出する。

Δθ_ｓ（ｉ）＝θ_ｓ−γ_ｓ（ｉ） Δθ_ｓ（ｉ）＝θ_ｅ−γ_ｅ（ｉ） ΔL_s（ｉ）＝L_s−L_r（ｉ） （２） 算出したずれ量を次回転での補正値とする。

第２回転目以降の制御では、補正値として毎回のずれ
量の総和をとる。

（３） 目標値と補正値の和を求め、この補正された目
標値の次回転での制御指令値とする。

この補正された目標値を制御指令値として行われる第
２回転目以降の余掘状態を第３図に示す。

すなわち、ずれ量Δθ_ｓ（ｉ），Δθ_ｅ（ｉ），ΔL_s
（ｉ）の中で、再現性がなく生じるずれ量の要因として
考えられる地山の抵抗、油圧配管の圧損、作動油中の気
泡の影響などは急激に変化するものでないため、上記の
ような毎回のずれ量により目標値を補正したものを次回
転での制御指令値とすることで、余掘制御の精度を上げ
ることができる。

なお、以上は本装置の基本動作について述べたもので
あって、上記の補正演算では、（１）制御系の機械的誤
差などを考慮し、ずれ量が要求精度を満たす所定範囲内
にある場合は補正値を変更しない、 （２）地山の抵抗によりジャッキが伸びなかった場合な
どの異常事態に対処するために補正限界値limΔθ,lim
ΔL_sを定め、限界値を超える補正は行わない等の特例を
設けることができる（詳細後述）。

次に、請求項２記載の発明について作用を説明する。

第14図にカッタ回転角度とジャッキストロークをパラ
メータとする余掘軌跡の実測例を示す。本図に示すよう
に、カッタ回転角度が余掘開始角度の制御指令値に達す
ると、ジャッキ伸び動作信号がコントローラから出力さ
れる。しかし、信号伝送の遅れや油圧回路の電磁切換弁
の動作遅れにより、ある遅れ時間後にジャッキ伸び開始
が計測される。次に、ジャッキストロークが余掘ストロ
ークの制御指令値に達すると、ジャッキ伸び停止信号が
コントローラから出力される。しかし、ここでも信号伝
送の遅れや電磁切換弁の動作遅れがあるため、電磁切換
弁が閉になるまでに遅れが生じる。また、電磁切換弁が
閉になった後も、油圧配管内の残留圧力等によりジャッ
キストロークが徐々に伸びる場合が多い。カッタ回転角
度が余掘終了角度の制御指令値に達したときも、ジャッ
キ縮み動作信号が出力された後、ある時間遅れてジャッ
キ縮み開始が計測される。

請求項２の記載の発明は、このような実情にかんが
み、余掘軌跡を角度成分とストローク成分をもつ複数の
ベクトルで表わし、これを地山の変化等に応じて補正す
るベクトルと補正しないベクトルに分けて、余掘開始、
終了角度と余掘ストロークをそれぞれの目標値と合せる
ように、次回転での制御指令値をベクトル演算により求
めようとするものである。

第15図は第14図の余掘軌跡をベクトルで表わしたもの
で、ジャッキ伸び動作では、伸び動作信号出力点をＡ、
伸び開始計測点をＢ、伸び停止信号出力点をＣ、電磁切
換弁が閉になる点をD,D点以降で最大ストローク値が計
測された点をＦとし、A,B,C,D各点を結ぶベクトルを▲
▼，▲▼，▲▼とする。また、ジャッキ縮
み動作では、縮み動作信号出力点をＧ、縮み開始計測点
をＨ、縮み終了計測点（ストローク＝０）はＩとし、G,
H,I各点を結ぶベクトルを▲▼，▲▼とする。

ジャッキ伸び開始および伸び停止時に、信号伝送の遅
れや電磁切換弁の動作遅れにより生じる遅れ角αはほぼ
一定と考えられるる。したがって、Ｄ点の角度値は▲
▼で計測された角度成分から決定することができる。
標準的な余掘軌跡では、Ｄ点で最大ストローク値を計測
できるが、実際には、前述のようにＤ点よりかなり後
（Ｆ点）で最大ストローク値が計測される場合が多くあ
る。この場合、Ｆ点は最大ストローク値を求める点であ
るが、Ｆ点をジャッキ伸び終了点とすると、制御上問題
が生じる。すなわち、Ｄ点とＦ点のストローク差がたか
だか数mmである場合、Ｆ点を余掘開始の制御目標点Ｓに
合わせるように次回転での制御指令値（余掘開始角度お
よび余掘ストローク）が補正すると、余掘範囲が大きく
なりすぎてしまう。このため、請求項２記載の発明で
は、Ｄ点と同一角度上にストローク値をＦ点の最大スト
ローク計測値と同一にとった仮想のジャッキ伸び終了点
Ｄ′をつくり、このＤ′点を制御目標点Ｓに合せるよう
に次回転での制御指令値を補正することにした。

C,D′２点間を結ぶベクトルを▲▼′とし、カッ
タ回転速度および地山の急激な変化がないものとすれ
ば、次回転でも▲▼，▲▼′は不変と考えるこ
とができるので、第16図に示すように、 ▲▼＝▲▼ ▲▼＝▲▼′ ▲▼＝β_１×▲▼ で表わされる固定ベクトル▲▼，▲▼と補正ベ
クトル▲▼を用い、Ｄ′点を制御目標値Ｓに合せた
ときの伸び動作信号出力点ａ座標および伸び停止信号出
力点ｃ座標を次に託すベクトル演算により求める。

伸び動作信号出力点ａ座標＝制御目標点Ｓ座標 ＋▲▼＋▲▼＋▲▼ 伸び停止信号出力点ｃ座標＝制御目標点Ｓ座標 ＋▲▼ 同様の考え方をジャッキ縮み動作にも適用し、第15図
において、 ▲▼＝▲▼ ▲▼＝β_２×▲▼ で表わされる固定ベクトル▲▼と補正ベクトル▲
▼を用い、Ｉ点を余掘終了の制御目標点Ｅに合わせた
ときの縮み動作信号出力点ｇ座標を次に記すベトクル演
算により求める。

縮み動作信号出力点ｇ座標＝制御目標点Ｅ座標 ＋▲▼＋▲▼ 以上により求めたａ点座標、ｇ点座標の角度成分およ
びｃ点座標のストローク成分をそれぞれ次回転での余掘
開始、終了角度および余掘ストロークの制御指令値とし
て設定する。

このように制御指令値補正演算において補正ベクトル
▲▼，▲▼を用いることにより、余掘軌跡上の
最大ストローク値と目標ストローク値との差に対応した
余掘ストローク指令値と余掘開始角度指令値の両方の補
正ができる。つまり、次回転時のジャッキストロークを
長くする場合には、それに応じて伸び動作信号出力点
ａ、縮み動作信号出力点ｇの角度を進め、ジャッキスト
ロークを短くする場合も、それに応じて伸び動作信号出
力点ａ縮み動作信号出力点ｇの角度を遅らせるといった
適応制御も可能となる。

請求項３記載の発明は、余掘軌跡を表わす前記ベクト
ル▲▼，▲▼，▲▼，▲▼の変化を監
視することで、制御の異常を検出する自己診断機能を付
加したものである。診断例としては、ベクトル▲
▼，▲▼の異常な変化からジャッキ油圧系の異常
（バルブ動作不良、作動油中のごみの影響等）を検出し
たり、ベクトル▲▼，▲▼の異常な変化から地
山の状態の急激な変化、コピーカッタの推力不足等を検
出したりすることができる。後述のように、カッタ回転
速度の変動等の他の条件と組み合せれば、さらに細かい
異常原因の分析ができる。

〔実施例〕

まず、請求項１に対応する本発明の第１実施例を第４
図〜第13図を用いて説明する。

第４図は本発明の余掘制御装置を備えたシールド掘進
機の要部断面図である。本図に示すように、カッタヘッ
ド１はシールド本体２の前部に設置され、シールド本体
２に旋回ベアリング３を介して回転自在に支持されてい
る。４はカッタヘッド１に装備されたコピーカッタで、
カッタヘッド１内に設置された油圧ジャッキ５により伸
縮操作されるようになっている。油圧ジャッキ５は回転
継手６を介してシールド本体２内に設置された図示しな
い油圧源に接続されている。カッタヘッド１はシールド
本体２側に設置した駆動装置７とカッタヘッド１側に設
けた減速ギヤ８によりシールド本体２に対して回転させ
られ、これに伴いコピーカッタ４はカッタヘッド１と一
体になって回転する。このコピーカッタ４の回転角度を
検出するために前記減速ギヤ８から回転を伝達される回
転角度検出計９がシールド本体２側に設置されており、
その出力値はカッタヘッド１と同一角速度で回転するよ
うになっている。この回転角度検出計９の出力軸には、
コピーカッタ４の回転位置（角度）を電気信号に変換す
るシンクロ発進機10が連結されている。この回転角度検
出計９とシンクロ発進機10は前記カッタ回転角度検出手
段を構成する。

第５図は本発明による余掘制御装置のシステム構成の
一例を示す。本図に示すように、前記油圧ジャッキ５の
油圧回路は油タンク12、油圧ポンプ13、リリーフ弁14、
電磁弁切換弁15、油圧配管16,17からなっている。電磁
切換弁15は油圧ジャッキ５の伸縮、停止を制御する３位
置切換弁であって、ソレノイドSOL₁が励磁されたときは
ａ位置に切り換わり、リリーフ弁14で圧力調整された圧
力油を配管16により油圧ジャッキ５のヘッド側に供給し
て油圧ジャッキ５を伸び動作させ、ソレノイドSOL₂が励
磁されたときはｂ位置に切り換わり、圧力油を配管17に
より油圧ジャッキ５のロッド側に供給して油圧ジャッキ
５を縮み動作させる。電磁切換弁15の図示の位置では、
油圧ジャッキ５は停止し、伸長状態または縮小状態に保
持される。コピーカッタ４は油圧ジャッキ５の伸長状態
ではカッタヘッド１から突き出され、縮小状態ではカッ
タヘッド１内に引き込まれるようになっている。

油圧ジャッキ５はジャッキストロークの絶対値を検出
するストロークセンサ11を内臓したアブソリュート型の
油圧ジャッキであって、ストロークセンサ11は前記ジャ
ッキストローク検出手段を構成する。ストロークセンサ
11からのアナログ信号は前記回転継手６に内蔵したスリ
ップリングを通りA/D変換器18によりディジタル信号に
変換して制御用計算機20に入力され、一方、前記シンク
ロ発進機10からのアナログ信号はA/D変換器19によりデ
ィジタル信号に変換して制御用計算器20に入力される。

制御用計算機20としては、例えばキーボード、ハード
ディスク、画像表示器（CRT）などを装備し、内臓した1
6ビットマイクロプロセッサにより制御演算を実行する
パーソナルコンピュータが使用される。ここでは、制御
用計算機20はシールド機内の運転室に設置されており、
地上の中央コントロール室に設置された図示しない外部
制御装置（シールド方向制御装置）から余掘開始、終了
角度および余掘ストロークの目標値をオンラインで入力
されるものとする。これらの外部制御装置からの入力信
号はRS−232C等の直列伝送方式により入出力ボード21を
介して制御用計算機20に受信し、また実作動での余掘開
始、終了角度および余掘ストロークなどの計算値は同じ
く入出力ボード21を介して制御用計算機20から外部制御
装置へ送信する。また、A/D変換器18,19からの計測信号
およびシーケンサ22への制御信号は制御用計算機20内の
入出力ユニットを介して入、出力される。シーケンサ22
は、制御用計算機20から出力されるジャッキ伸び動作信
号、ジャッキ伸び停止信号、ジャッキ縮み動作信号など
の制御信号に応じて電磁切換弁15のソレノイドSOL₁,SOL
₂の通電を制御する。

本例は外部制御装置から制御用計算機20に余掘制御の
目標値をオンラインで入力し、自動運転に対応できるよ
うにしたものであるが、目標値の入力はキーボードで行
ってもよい。また、本例ではストローク検出をジャッキ
内蔵センサ11で行っているが、それほど精度を必要とし
ない場合には、油圧配管の途中に設けた流量計によりス
トローク検出を行ってもよい。

第６図は予備として従来の手動操作による余掘カッタ
操作盤23を併設し、手動自動切換スイッチ24により坑内
での手動操作と中央コントロール室からのオンライン入
力による自動運転の選択が可能なようにした他の例を示
す。前記余掘カッタ操作盤23は本明細書に従来技術とし
て記載したもので、シンクロ発信機10からの回転角度信
号と油圧配管16に設置した流量計25からのストローク信
号を入力し、カッタ回転位置が設定された伸縮開始位置
に達したときジャッキ伸長信号または縮小信号を出力
し、ジャッキ伸縮量が設定された伸縮量に達したときに
ジャッキ停止信号を出力するように構成されている。

制御用計算機20で実行されるプログラムをフローチャ
ートで示すと第７図および第８図に示すようになる。以
下、このフローチャートに従って本実施例の作用を説明
する。

第７図において、プログラムがスタートすると、制御
用計算機20はまず目標値θ_s,θ_e,L_s,を入力し、ステッ
プ101でθ_s,θ_e,L_s,をそれぞれ第１回転目の制御指令値
α_ｓ（ｉ），α_ｅ（ｉ）,J_s（ｉ）として初期設定す
る。なお、目標θ_s,θ_e,L_sに対し事前に補正量を予測
し、その補正値を目標値に加味した値を制御指令値とし
初期設定しても良い。次にカッタ回転角度およびジャッ
キストロークの計測値を入力し、ステップ102でカッタ
回転角度が制御指令値α_ｓ（ｉ）に達したかどうかを判
断し、YESならばステップ103でジャッキ伸び動作信号シ
ーケンサ22へ出力し、油圧ジャッキ５の伸び動作を開始
させる。続いて、ステップ104でジャッキストロークが
制御指令値J_s（ｉ）に達したかどうかを判断し、YESな
らばステップ105でジャッキ伸び停止信号をシーケンサ2
2へ出力し、油圧ジャッキ５の伸びを停止させる。続い
て、ステップ106でカッタ回転角度が制御指令値α
_ｅ（ｉ）に達したかどうかを判断し、YESならばステッ
プ107でジャッキ縮み動作信号をシーケンス22へ出力
し、油圧ジャッキ５の縮み動作を開始させる。さらに、
ステップ108でジャッキストロークが０になったかどう
かを判断し、YESならばステップ109でジャッキ縮み停止
信号をシーケンサ22へ出力し、油圧ジャッキ５を縮小状
態に保持する。

第１回転目の制御では、目標値θ_s,θ_e,L_sを制御指令
値α_ｓ（ｉ），α_ｓ（ｉ）,J_s（ｉ）としてステップ102
〜109の判断処理が行われる。この間、実作動でのカッ
タでの回転角度およびジャッキストロークの計測値は制
御用計算機20内のハードディスク等に対応させて収録し
ておく。

次に、第１回転目の余掘終了後の制御指令値補正ルー
チンを第８図により説明する。

第１回転目の余掘終了後、ステップ110で目標値θ_s,
θ_e,L_sと計測値γ_ｓ（ｉ），γ_ｅ（ｉ）,L_r（ｉ）のず
れ量Δθ_ｓ（ｉ），Δθ_ｅ（ｉ），ΔL_s（ｉ）を算出す
る。ステップ111,113,115では算出されたずれ量Δθ_ｓ
（ｉ），Δθ_ｅ（ｉ），ΔL_s（ｉ）が要求精度を満たす
所定範囲内の値かどうかをチェックし、YESの場合はそ
れぞれのずれ量を０とし（ステップ112,44,116）、NOの
場合は算出されたずれ量をそのままとする。また、ステ
ップ117では余掘ストローク計測値L_r（ｉ）が余掘スト
ローク指令値J_s（ｉ）に達しなかったかどうかをチェッ
クし、YESの場合はΔL_s（ｉ）＝０とし（ステップ11
8）、NOの場合は算出されたずれ量ΔL_s（ｉ）をそのま
まとする。

このようなステップ110で算出され、ステップ111〜11
8でチェックの結果により修正されたずれ量Δθ
_ｓ（ｉ），Δθ_ｅ（ｉ），ΔL_s（ｉ）を用いて、ステッ
プ119で を求める。

続いて、ステップ120,122,124で上記各補正値が補正
限界値limΔθ_s,limΔθ_e,limΔL_sを超えているかどう
かをチェックし、YESの場合は各補正値を限界値として
（ステップ121,123,125）、NOの場合は各補正値をその
ままとしてステップ126へ進み、目標値θ_s,θ_e,L_sと から次回転での制御指令値α_ｓ（ｉ），α_ｅ（ｉ）,J_s
（ｉ）を算出する。

上記の補正ルーチンを経て再び第７図に戻り、ステッ
プ127で目標値変更の有無を判断し、ステップ128で余掘
作業終了か否かを判断する。目標値変更がなく、余掘続
行であればステップ102に戻り、それ以降のサイクルを
繰り返すことにより、前記補正された目標値を次回転で
の制御指令値として第２回転以降の制御が行われる。

目標値が変更された場合はステップ127からステップ1
01に戻り、新たに初期設定された制御指令値により再び
第１回転目から制御が行われる。また、余掘作業終了の
入力があった場合はステップ128で制御終了となる。

第７図，第８図において、ステップ101は前記制御指
令値初期設定手段に、ステップ102,103は前記ジャッキ
伸び動作信号出力手段に、ステップ104,105は前記ジャ
ッキ伸び停止信号出力手段にステップ106,107は前記ジ
ャッキ縮み動作信号出力手段に、またステップ110〜126
は前記第１の制御指令値補正手段にそれぞれ対応する。

第９図のこのフローチャートに従って油圧ジャッキ５
を動作させた場合の標準的な制御パターンにおけるジャ
ッキ動作軌跡と電磁切換弁15のソレノイド励磁状態を対
応させて示したもので、図中、Ｓは目標設定された余掘
開始点、Ｓ′は、実際の余掘開始点、Ｅは目標設定され
た余掘終了点、Ｅ′は実際の余掘終了点である。

本図に示すように１回転ごとに生じたずれ量Δθ
_ｓ（ｉ），Δθ_ｅ（ｉ），ΔL_s（ｉ）により目標値θ_s,
θ_e,L_sを補正したものを次回転での制御指令値α
_ｓ（ｉ），α_ｅ（ｉ）,J_s（ｉ）とすることで、第２回
転目以降のずれ量を小さくするように制御が働くため、
この間に地山の抵抗の変化などが多少あっても、補正を
しない場合に比べ余掘パターンは設定パターンに近付
き、余掘精度が向上する。

本図の第３回転目はジャッキストロークが目標ストロ
ークに達しなかった場合であるが、この場合は余掘動作
中の計測データよりジャッキ伸び速度を演算し、その速
度で目標ストロークに達した場合の余掘開始角度のずれ
量（図中のΔθ_ｓ（３））を求め、補正値に加える。

また、本図の第４回転目のように余掘開始角度、余掘
終了角度、余掘ストロークのずれ量が小さく、要求精度
を満たす所定範囲内の値と判断された場合は、前に述べ
たように補正値の変更は行わない。具体例を示せば、 −5mm＜ΔL_s（ｉ）＜＋5mm→ΔL_s（ｉ）＝０ −５゜＜Δθ_ｓ（ｉ）＜＋５゜→Δθ_ｓ（ｉ）＝０ −５゜＜Δθ_ｅ（ｉ）＜＋５゜→Δθ_ｅ（ｉ）＝０ とする。これは、制御誤差に制御系の機械的誤差が含ま
れていることを考慮し、制御の安定化を図ったものであ
る。

第10図に上記以外の特殊な制御パターンを示し、それ
ぞれ対応する処置について述べる。

本図の第ｍ回転目のように余掘開始角度のずれ量Δθ
_ｓ（ｍ）が異常に大きくなり、その結果、次回転での開
始角度補正値が補正限界値limΔθ_ｓを超える場合は、
前に述べたようにその限界値を補正値とする。具体例を
示せば、 とする。余掘終了角度についても同様である。これは、
地山の抵抗によりジャッキ伸び（または縮み）動作に異
常に時間を要した場合を想定し、制御対象外としたもの
である。

余掘ストロークについては、図示例のように目標スト
ロークに達しなくてもジャッキ伸び動作停止の制御指令
値に達した場合には、目標値とのずれ量（図中のΔL
_s（ｍ）を補正値に加えるが、制御指示値までストロー
クが伸びない場合はΔL_s（ｍ）＝０とし、新たな補正は
行わない。これは、地山が異常に硬く、ジャッキが伸び
なかったものと認識し、制御対象外としたものである。

また、第ｎ回転目のように余掘ストロークが目標スト
ロークに対して異常に大きくなり、その結果、次回転で
のストローク補正値が補正限界値limΔL_sを超える場合
も、前述のようにその限界値を補正値とする。具体例を
示せば、 とする。

なお、これらの補正条件については必要に応じて改変
することができる。

上記実施例ではカッタ１回転で１パターンの余掘の行
う場合について説明したが、第11図に示すようにカッタ
１回転で左右二つのパターンの余掘を行う場合にも、そ
れぞれのパターンごとに目標値を設定し、処理すること
で対応できる。

また、上記実施例は、ジャッキストロークが目標スト
ロークに達する点を余掘開始点、ジャッキストロークが
０になる点を余掘終了点とした場合であるが、必ずしも
これに限定するものではなく、施工上の要求により、ジ
ャッキ伸び開始点を余掘開始点、ジャッキ縮み開始点を
余掘終了点とする場合、あるいはジャッキストロークが
目標ストロークに達する点を余掘開始点、ジャッキ縮み
開始点を余掘終了点とする場合などでも、本発明の効果
には変わりがない。

さらに本発明の余掘制御装置では、制御用計算機20の
画像表示機能を利用して余掘管理上必要なデータを種々
な形態で表示することができる。

第12図は余掘軌跡26と目標値、計測値、ずれ量の数値
データ27および状態表示メッセージ28を画像表示した
例、第13図は設定パターン29と動作パターン30を画像表
示した例である。

次に、請求項２に対応する本発明の第２実施例につい
て説明する。

本実施例のハード構成については、第４図〜第６図お
よび前述した各図の説明を引用し、第１実施例とは異な
る余掘制御のソフトウェアについて、第17図および第18
図により説明する。

第17図は、第４図およひ第５図の制御用計算機（コン
トローラ）20で実行される余掘制御プログラムの基本フ
ローチャートである。第17図において、プログラムがス
タートすると、ステップ201で外部制御装置から入力さ
れた余掘開始、終了角度および余掘ストロークの目標値
を読み込む。ステップ202では、入力された目標値から
制御の要否を判断する。ここで、目標値が０であれば、
マニュアル操作と判断してステップ209〜211を実行し、
目標値が０でなければ、制御要と判断してステップ203
〜208を実行する。ステップ203では入力された目標値を
前回の目標値と比較し、新しい目標値てあれば、ステッ
プ204であらかじめ設定された補正値により初期補正を
行い、新しい目標値でなければ、ステップ205で前回の
余掘軌跡より算出された制御ポイント（第15図のＡ〜
Ｉ）の座標値と入力された目標値から、前記〔作用〕の
項に示した演算式により伸び動作信号出力点ａ、伸び停
止信号出力点ｃ、縮み動作信号出力点ｇの各座標値を求
める制御指令値補正演算を行う。ステップ206では、ス
テップ204または205で算出した値を次回転時（本図では
今回の制御に相当する）の制御指令値として設定する。
ステップ207でカッタ回転位置がａ〜ｉ間でないことが
確認されると、ステップ208で今回設定された制御指令
値を基にして余掘制御が行われる（第18図参照）。ステ
ップ202でマニュアル操作と判断された場合は、ステッ
プ209でマニュアル操作による余掘軌跡の計測を行い、
ステップ210で１回転の計測終了を確認した後、ステッ
プ211で計測結果を外部制御装置へ出力する。

第18図はステップ208において実行される余掘制御の
詳細フローを示す。第18図において、プログラムがスタ
ートすると、ステップ212で今回設定された制御指令値
（第16図のa,b,c,g各座標値）を読み込む。ステップ21
3,214では、カッタ回転角度計測値をａ点の回転角度
（余掘開始角度指令値）と比較し、カッタ回転位置がａ
点を過ぎた時点でジャッキ伸び動作信号を出力する（ス
テップ215）。カッタ回転位置がａ点で過ぎると、ステ
ップ216,217でストローク計測値をｃ点のストローク値
（余掘ストローク指令値）と比較し、ストローク計測値
がｃ点のストローク値に到達した時点でジャッキ伸び停
止信号を出力する（ステップ218）。ストローク計測値
がｃ点のストローク値以上になると、ステップ219,220
でカッタ回転角度計測値をｇ点の回転角度（余掘終了角
度指令値）と比較し、カッタ回転位置がｇ点を過ぎた時
点でジャッキ縮み動作信号を出力する（ステップ22
1）。そして、カッタ回転位置がｇ点を過ぎると、ステ
ップ222,223でストローク計測値をｉ点のストローク値
（＝０）と比較し、ストローク計測値が０になった時点
でジャッキ縮み停止信号を出力する（ステップ224）。
その後、ステップ225で今回の余掘軌跡計測データから
制御ポイント（第15図のＡ〜Ｉ）の座標値を算出する。
ステップ226でジャッキ縮み停止信号が出力されたこと
から制御終了を判断する。

ステップ225で算出されたＡ〜Ｉ点の座標値は、次回
転時の制御指令値補正演算および後述する余掘制御自己
診断に用いられる。

第17図、第18図において、ステップ204,206は前記制
御指令値初期設定手段に、ステップ205,225は前記第２
の制御指令値補正手段に、ステップ213〜215は前記ジャ
キ伸び動作信号出力手段に、ステップ216〜218は前記ジ
ャッキ伸び停止信号出力手段に、ステップ219〜221は前
記ジャッキ縮み動作信号出力手段にそれぞれ対応してい
る。

請求項３に対応する本発明の第３実施例として、余掘
制御自己診断フローの一例を第19図に示す。

プログラムがスタートすると、ステップ301で余掘開
始、終了角度および余掘ストロークの各計測値が所要の
制御精度を満たしているか否かを判断し、満たしていな
い場合は、ステップ302,306,310で余掘軌跡上のベクト
ル▲▼，▲▼，▲▼をしきい値と比較し、
これらベクトルの異常変化の有無を判断する。例えば、
▲▼の角度成分のバラツキが４゜以上あったとき
は、カッタ回転速度の変動が±10％以上か否かにより、
「カッタ負荷過大」または「バルブ動作が不安定」のワ
ーニング表示を指令する（ステップ303〜305）。同様
に、▲▼の角度成分のバラツキが４゜以上あったと
きも、カッタ回転速度の変動が±10％以上か否かによ
り、「カッタ負荷過大」または「バルブ動作が不安定」
のワーニングが表示を指令する（ステップ307〜309）。
または、▲▼のストローク成分のバラツキが±20％
以上あったときは、カッタ回転速度の変動が±10％以上
か否かにより、「地山が硬く、変化が激しい」または
「コピーカッタの推力不足」のワーニング表示を指令す
る（ステップ311〜313）。そして、ステップ314で指令
されたワーニング表示を行う。

第19図において、ステップ302,306,310は前記異常検
出手段に対応している。

〔発明の効果〕

請求項１記載の発明によれば、前回転時の余掘開始角
度、余掘終了角度および余掘ストロークの目標値と実作
動値のずれ量により目標値を補正したものを次回転時の
制御指令値として油圧ジャッキを伸縮または停止させる
電磁切換弁の切換タイミングを変更するように構成され
ているため、比較的定量的に把握できるずれ量および再
現性がなく生じるずれ量のいずれにも対応でき、従来技
術では期待できなかった精度の良い余掘を行うことがで
きる。これにより、過剰な余掘から生じる地盤沈下を防
止できるとともに、カーブ施工の精度向上が図れる。

また、本発明によれば、油圧サーボ機構などを使わ
ず、従来の油圧装置を大きく変えることなく、簡単で安
価な装置により余掘精度を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、余掘軌跡上の電磁切換
弁が閉となる点と同一角度上でその点以降に計測された
最大ストローク値と同一のストローク値をもつ点を仮想
のジャッキ伸び終了点とし、このジャッキ伸び終了点を
制御目標点に合せるように次回転での余掘開始角度およ
び余掘ストロークの制御指令値の補正が行われるため、
電磁切換弁が閉になった後、配管内残留圧力の影響等に
よりジャッキストロークが伸び、かなり遅れて最大スト
ローク値が計測される場合でも、次回転時の余掘範囲が
大きくなりすぎることを防止でき、また、制御指令値補
正演算において補正ベクトル▲▼，▲▼を用い
ることにより、余掘軌跡上の最大ストローク値と目標ス
トローク値との差に対応した余掘ストローク指令値と余
掘開始、終了角度指令値の両方の補正ができるので、制
御指令値の正確な補正ができるようになり、その結果、
より応答性が良く、精度の高い余掘制御を行うことが可
能になる。

また、請求項３記載の発明によれば、余掘軌跡を表わ
すベクトル▲▼，▲▼，▲▼，▲▼の
異常変化からジャッキ油圧系の動作不良や地山の急激な
状態変化等の異常を検出できるので、異常発生時に適切
な対応処置を講じることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のクレーム対応図、第２図および第３図
の余掘制御の説明図、第４図は本発明の余掘制御装置を
備えたシールド掘進機の要部断面図、第５図および第６
図は本発明による余掘制御装置のシステム構成図、第７
図および第８図は本発明の第１実施例における余掘制御
プログラムのフローチャート、第９図および第10図は第
１実施例におけるジャッキ動作軌跡と電磁切換弁のソレ
ノイド励磁状態を対応させて示した制御パターン図、第
11図はカッタ１回転で二つのパターンの余掘を行う場合
の余掘軌跡図、第12図および第13図は余掘状態表示画面
のレイアウト図、第14図は余掘軌跡の実施例を示す図、
第15図および第16図はベクトル演算による制御指令補正
の説明図、第17図および第18図は本発明の第２実施例に
おける余掘制御プログラムのフローチャート、第19図は
本発明の第３実施例における余掘制御自己診断プログラ
ムのフローチャートである。 １……カッタヘッド、４……コピーカッタ、５……油圧
ジャッキ、９……回転角度検出計、10……シンクロ発信
機、11……ストロークセンサ、15……電磁切換弁、20…
…制御用計算機、101……制御指令値初期設定手段に対
応するステップ、102,103……ジャッキ伸び動作信号出
力手段に対応するステップ、104,105……ジャッキ伸び
停止信号出力手段に対応するステップ、106,107……ジ
ャッキ縮み動作信号出力手段に対応するステップ、106
〜126……第１の制御指令値補正手段に対応するステッ
プ、204,206……制御指令値初期設定手段に対応するス
テップ、205,225……第２の制御指令値補正手段に対応
するステップ、213〜215……ジャッキ伸び動作信号出力
手段に対応するステップ、216〜218……ジャッキ伸び停
止信号出力手段に対応するステップ、219〜221……ジャ
ッキ縮み動作信号出力手段に対応するステップ、302,30
6,310……異常検出手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡 利博 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設 株式会社内 (72)発明者 西 明良 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設 株式会社内 (72)発明者 西内 克至 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設 株式会社内 (72)発明者 高橋 均 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 高野 文哉 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (72)発明者 茂呂 隆 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機 株式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭58−41195（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−158897（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−111994（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−135398（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21D 9/08

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転するカッタヘッドに油圧ジャッキによ
   り伸縮操作されるコピーカッタを装備し、このコピーカ
   ッタにより余掘を行うようにしたシールド掘進機におい
   て、コピーカッタの回転角度を検出するカッタ回転角度
   検出手段と、前記油圧ジャッキのストロークを検出する
   ジャッキストローク検出手段と、入力された余掘開始角
   度、余掘終了角度および余掘ストロークの各目標値から
   これら諸量の制御指令値を決め初期設定する制御指令値
   初期設定手段と、前記カッタ回転角度検出手段により検
   出されたコピーカッタの回転角度が余掘開始角度および
   余掘終了角度の各制御指令値に達したときにそれぞれジ
   ャッキ伸び動作信号およびジャッキ縮み動作信号を出力
   する出力手段と、前記ジャッキストローク検出手段によ
   り検出された油圧ジャッキのストロークが余掘ストロー
   クの制御指令値に達したときにジャッキ伸び停止信号を
   出力する出力手段と、余掘動作中の前記カッタ回転角度
   検出手段からの回転角度計測値および前記ジャッキスト
   ローク検出手段からのストローク計測値を対応させて記
   憶する計測値記憶手段と、余掘開始角度、余掘終了角度
   および余掘ストロークの各目標値と実作動でのこれら諸
   量の計測値とのずれ量をコピーカッタの１回転ごとに算
   出し、その各ずれ量に応じて前記各目標値を補正したも
   のを次回転での制御指令値として設定する第１の制御指
   令値補正手段と、前記各出力手段からの出力信号により
   油圧回路を切り換え、前記油圧ジャッキを伸縮または停
   止させる電磁切換弁とを備えたことを特徴とするシール
   ド掘進機の余掘制御装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のシールド掘進機の余掘制御
   装置において、前記第１の制御指令値補正手段に代え
   て、カッタ回転角度とジャッキストロークをパラメータ
   とする余掘軌跡上のジャッキ伸び動作信号出力点をＡ、
   ジャッキ伸び開始計測点をＢ、ジャッキ伸び停止信号出
   力点をＣ、電磁切換弁が閉になる点をD,D点と同一角度
   上でＤ点以降に計測された最大ストローク値と同一のス
   トローク値をもつ仮想のジャッキ伸び終了点をＤ′と
   し、A,B,C,D′各点を結ぶベクトルを▲▼，▲
   ▼，▲▼′とするとき、 ▲▼＝▲▼ ▲▼＝▲▼′ ▲▼＝β_１×▲▼ で表わされる固定ベクトル▲▼，▲▼と補正ベ
   クトル▲▼を用いて、Ｄ′点を余掘開始制御目標点
   に合わせたときのａ点およびｃ点の座標値をベクトル演
   算により求め、また余掘軌跡上のジャッキ縮み動作信号
   出力点をG,ジャッキ縮み開始計測点をＨ、ジャッキ縮み
   終了計測点をＩとし、G,H,I各点を結ぶベクトルを▲
   ▼▲▼とするとき、 ▲▼＝▲▼ ▲▼＝β_２×▲▼ で表わされる固定ベクトル▲▼と補正ベクトル▲
   ▼を用いて、Ｉ点を余掘終了制御目標点に合せたとき
   のｇ点の座標値をベクトル演算により求め、上記a,c,g
   各点の座標値より次回転での余掘開始、終了角度および
   余掘ストロークの各制御指令値を決定する第２の制御指
   令値補正手段を備えたことを特徴とするシールド掘進機
   の余掘制御装置。
3. 【請求項３】前記ベクトル▲▼，▲▼，▲
   ▼，▲▼の少なくとも一つをしきい値と比較し、ベ
   クトルの大きさがしきい値より逸脱した場合、異常と判
   断する異常検出手段を備えたことを特徴とする請求項２
   記載のシールド掘進機の余掘制御装置。