JP2913225B2 - ボルト穴の検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は主としてボルトナット
自動締結装置によりセグメント等を締結する際にボルト
穴を検出するためのボルト穴検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来トンネルを掘削するシールド掘進機
はシールド本体内に設置されたシールドジャッキをすで
に組立てられているセグメントにかけ，このセグメント
を反力受けにしてシールド本体を地中へ推進させなが
ら，シールド本体の前部に設けられたカッタヘッドを回
転させて掘進を行うようになっており，シールド本体を
１ピッチ推進させたら，シールドジャッキを順次収縮さ
せながら，シールド本体と既設セグメントの間に形成さ
れた空間にセグメントを組立てて，掘削されたトンネル
の内壁を覆工している。

【０００３】また上記シールド本体にはセグメントを組
立てるためのセグメントエレクタと，このセグメントエ
レクタが組立てたセグメントの間をボルトで締結するボ
ルトナット締結装置が設置されており，セグメントの組
立てとボルトナットの締結を自動的に行うために，セグ
メント自動組立てシステムやボルトナット自動締結装置
がすでに実用化されている。

【０００４】一方上記ボルトナット自動締結装置では，
既設のセグメントに合せてセグメントエレクタが組立て
たセグメントのボルト穴と既設セグメントの穴を検出し
てそのボルト穴にボルトを挿入し，ボルトナットにより
既設セグメントと新たに組立てたセグメント間の締結
や，新たに組立てられたセグメントの間の締結を行う必
要がある。このため従来ではセグメントのボルト穴を検
出するボルト穴検出装置を設けたり，セグメントに設定
した基準線や基準面よりボルト穴の位置を演算して，得
られた位置にボルトナット自動締結装置を位置合せして
ボルトの挿入作業を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし前者のボルト穴
検出装置を設けたものでは，ボルト穴検出装置とボルト
ナット自動締結装置が独立していたり，可動構造部分が
存在するため，ボルト穴を間接的に検出することにな
り，その結果検出したボルト穴にボルトナット自動締結
装置を位置合せするのに複雑な演算処理や制御を必要と
して，制御系が複雑かつ高価となる問題がある。

【０００６】また後者の基準線や基準面よりボルト穴の
位置を演算する方法では，セグメント間のボルト穴の中
心にずれが生じている場合，ボルトの挿入が困難である
にもかかわらず，これを検出することができないため，
ボルトナット自動締結装置が無理にボルトを挿入しよう
としてボルトナット自動締結装置のソケットが損傷した
り，装置自体が故障するなどの不具合があった。この発
明は上記不具合を改善する目的でなされたもので，締結
ソケット部近傍でボルト穴を直接的に検出できるボルト
穴の検出方法を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するために，シールド本体により掘削されたトンネル
の内壁に沿ってセグメントエレクタによりセグメントを
組立て，かつ既設のセグメントと新たに組立てたセグメ
ント同士をボルトナット自動締結装置により締結するよ
うにしたシールド掘進機において，上記ボルトナット自
動締結装置の締結ヘッドにセグメントのボルト穴を検出
する光センサを設けて，上記締結ヘッドをボルト穴の面
内で直交する２軸方向へ移動させることにより，上記光
センサが検出するボルト穴よりボルト穴の中心を演算
し，得られたボルト穴の中心に上記締結ヘッドに設けら
れたソケットの中心が一致するように締結ヘッドを位置
決めして各セグメントの間をボルトナットにより締結す
るようにしたものである。

【０００８】

【作用】締結ヘッドに設けた光センサにより直接ボルト
穴を検出するようにしたことから，締結ヘッドと光セン
サの位置を補正する演算処理が簡素化できると共に，各
セグメント間のボルト穴がずれていても，開口部の中心
を演算してボルトを挿入することができるため，ボルト
の挿入ができなかったり，無理にボルトを挿入してソケ
ットが損傷するなどの不具合も防止することができる。

【０００９】

【実施例】この発明方法の一実施例を図面を参照して詳
述する。図１はトンネルを掘削するシールド掘進機を示
すもので，シールド本体１内に円周方向に複数のシール
ドジャッキ２が配置されており，これらシールドジャッ
キ２の一端はすでに組立てられたセグメント（既設セグ
メントという）３の端部に当接されて，この既設セグメ
ント３を反力受けにしてシールド本体１を推進させるよ
うになっている。上記シールド本体１の前部にはカッタ
ヘッドモータ（図示せず）により回転されるカッタヘッ
ド５が設けられていて，このカッタヘッド５によりシー
ルド本体１前方の切羽を掘削すると共に，カッタヘッド
５により掘削された土砂はチャンバ１ａ内に取込まれた
後スクリュウコンベヤなどの排土装置６によりチャンバ
１ａ内より搬出され，後方へ搬送されるようになってい
る。

【００１０】またシールド本体１内にはシールド本体１
が１ピッチ推進される毎にシールド本体１と既設セグメ
ント３の間に形成される空間にセグメント３を組立てる
セグメントエレクタ７と，このセグメントエレクタ７が
組立てたセグメント３と既設セグメント３の間および新
たに組立てられたセグメント３の間をボルトナット９，
９ａで締結するボルトナット自動締結装置８が設置され
ている。

【００１１】図２ないし図７にボルトナット自動締結装
置８の動作を示す。次にこれを説明すると，ボルトナッ
ト自動締結装置８の本体（以下単に装置本体という）１
０は本体８下部構造の下部ソリ１１上を既設セグメント
軸方向へ移動自在となっていて，セグメントエレクタ７
によるセグメント３の組立て時推進方向へ前進し，装置
本体１０の前後に設けられたストッパ１２を既設セグメ
ント３の両端に図２の（ロ）に示すように当接すること
により装置本体１０の位置決めと固定が行われる。この
状態で装置本体１０内に設けられた旋回リング１３が図
３に示す矢印方向へ旋回されて締結すべきセグメント３
の選択を行った後，旋回リング１３に設けられた昇降シ
リンダ１４によりほぼＵ字形の支持フレーム１５が図４
に示すように下降される。この支持フレーム１５にはピ
ン１６により揺動フレーム１７の中間部が揺動自在に支
承されていて，この揺動フレーム１７の下部に突設され
た一対の倣いアーム１７ａが既設セグメント３の内周面
に図４に示すように当接され，これによって既設セグメ
ント３の内周面を基準面にして揺動フレーム１７が位置
決めされる。

【００１２】上記揺動フレーム１７には図５に示すよう
に微旋回モータ２０により揺動フレーム１７に対して微
旋回が自在な支持台２１が支承されていて，この支持台
２１にボルトナット締結機２２が取付けられている。こ
のボルトナット締結機２２は前後動及び昇降動が自在な
締結ヘッド２２ａを有していて，この締結ヘッド２２ａ
に設けられたソケット２２ｂによりボルトナット９，９
ａを両者またはナット側へ回転して締結を行うと共に，
ボルトナット９，９ａは図６によりカセットマガジン２
３により締結ヘッド２２ａへ供給されるようになってい
る。また上記締結ヘッド２２ａによって図７に示すよう
に新たに組立てられたセグメント３間（ピース間）や，
既設セグメント３と新たに組立てられたセグメント３間
（リング間）の締結が行えるようになっている。以上が
ボルトナット自動締結装置１０の構成及び動作である
が，上記ボルトナット自動締結装置１０によりボルトナ
ット９，９ａを締結するに当ってセグメント３のボルト
ナット穴３ａが次のように検出される。

【００１３】次にこの発明の一実施例になるボルトナッ
ト穴の検出方法を説明する。上記締結ヘッド２２ａのソ
ケット２２ｂには図８に示すように投光器２５ａ及び受
光器２５ｂよりなる光センサ２５が取付けられている。
この光センサ２５はソケット２２ｂの中心に対して距離
Ｌだけオフセットされていて，セグメント３に開口され
たボルト穴３ａを光の透過により次のように検出する。
まず締結ヘッドド２２ａをＺ軸またはＸまたはＹ軸方向
へ移動させて投光器２５ａより発せられた光がセグメン
ト３のボルト穴３ａを通って受光器２５ｂへ達するよう
に締結ヘッド２２ａを粗位置決めする。このとき光セン
サ２５の光軸２５ｃがボルト穴３ａに対して例えば図１
１（イ）に示す位置になったとする。この状態で図９に
示す制御系の制御装置２７より制御弁２８へ制御信号が
出力される。制御弁２８は制御装置２７より送られた信
号をもとに光センサ２５の光軸２５ｃが図１１（イ）に
示すようにまず矢印方向へ移動されるように微動モー
タ２０や伸縮モータ２９を駆動する。その後矢印，矢
印方向へ締結ヘッド２２ａを移動させる。上記動作に
よって光センサ２５より図１１（ロ）に示す検出信号が
増幅器３０を介して制御装置２７へ送られる。なお検出
信号中のｓは光センサ２５オン，オフの際のヒステリシ
スである。

【００１４】また上記のようにしてＸ軸またはＹ軸方向
の走査を終了したら締結ヘッド２２ａをＺ軸方向へ図１
２（イ）に示すように移動して，Ｚ軸方向の検出も行
う。そして制御装置２７は光センサ２５より入力された
データをもとに指令値Ｅｃを次式により演算する。

【００１５】

【数１】

【００１６】なおＥ_１〜Ｅ_４は光センサオン，オフ時の
変位，角度出力で図１０に示す関係にあり，予め制御装
置２７に記憶されていて，このデータをもとに指令値が
演算される。上記のようにして制御装置２７は瞬時に指
令値Ｅｃを算出して制御弁２７へ出力し，制御弁２７は
指令値Ｅｃにもとづいて微旋回モータ２０や伸縮モータ
２９，締結ヘッド昇降シリンダ３１を制御して，ソケッ
ト２２ｂの中心がボルト穴３ａの中心に一致するように
位置決めする。なおソケット２２ｂの中心は上記演算で
求めたボルト穴中心に対し，締結ヘッド昇降方向でオフ
セットＬ分移動させればよい。

【００１７】また締結ヘッド昇降シリンダ３１による移
動量はポテンショメータ３１ａにより，微旋回モータ２
０による微旋回量は回転角センサ２０ａにより，そして
伸縮モータ２９による伸縮量は回転角センサ２９ａによ
り検出されて制御装置２７へ送られ，これらポテンショ
メータ３１ａやセンサ２０ａ，２９ａの信号をもとにフ
ィードバック制御が行われる。以上のようにしてソケッ
ト２２ｂの中心とボルト穴３ａが位置決めされると，一
方のソケット２２ｂに保持されたボルト９がボルト穴３
ａへ挿入された後，他方のソケット２２ｂに保持された
ナット９ａが回転されてボルトナット９，９ａの締結が
行われる。

【００１８】以下上記動作を繰返すことによりボルトナ
ット９，９ａの締結を自動かつ連続的に行うものであ
る。なお上記ボルト穴３ａの検出方法において，締結ヘ
ッド２２ａを粗位置決めした際，ボルト穴３ａより光セ
ンサ２５の光軸２５ｃが図１３に示すように外れている
場合でも，締結ヘッド２２ａを図１３の矢印，，
方向へ移動させることにより検出が可能である。

【００１９】また図１４に示すように互いに締結すべき
セグメント３のボルト穴３ａがずれている場合，光セン
サ２５の光が透過する範囲は斜線で囲まれた範囲とな
る。この場合締結ヘッド２２ａをＸ軸またはＹ軸及びＺ
軸方向へ移動させることにより斜線で囲まれた開口部の
中心が演算できるので，この中心にソケット２２ｂの中
心を合せることによりボルト９の挿入が可能になると共
に，開口部がボルト９を挿入可能な程度開口されていな
いと判定された場合は，ボルト９の挿入を中止すること
により，ソケット２２ｂが損傷されるのを防止すること
もできる。

【００２０】さらに上記実施例では，セグメント３をボ
ルトナット９，９ａを締結する際のボルト穴検出方法に
ついて延べたが，図１５に示すようにセグメントエレク
タ７によりセグメント３を組立てる際，セグメントエレ
クタ７の把持ピン７ａをセグメント３の把持ブラケット
３ｂのピン穴３ｃへ挿入する場合にも適用することがで
きる。すなわちセグメントエレクタ７のセグメント保持
部７ｂ，７ｃに光センサ２５を設けて把持ブラケット３
ｂのピン穴３ｃの中心を検出し，このピン穴３ｃの中心
に把持ピン７ａの中心が一致するようにセグメント把持
部を移動することにより，把持ピン７ａを把持ブラケッ
ト３ｂのピン穴３ｃへ正確に挿入することができるよう
になる。

【００２１】

【発明の効果】この発明はボルトナット自動締結機の締
結ヘッドに設けた光センサによりセグメントのボルト穴
を直接検出し，検出したボルト穴の中心に締結ヘッドの
ソケット中心に締結ヘッドのソケットの中心を位置決め
することによりボルト穴へボルトを挿入するようにした
ことから，従来のボルトナット自動締結装置と別に設け
たボルト穴検出装置によりボルト穴を間接的に検出する
ものに比べて演算処理上の補正が簡素なため，演算処理
が容易になると共に，制御系の構成も単純化できる効果
がある。

【００２２】また締結すべきセグメント間のボルト穴に
ずれがあってもボルトを挿入できる程度に開口していれ
ば，開口部の中心を検出して，この中心に締結ヘッドの
ソケットの中心を位置決めするため，ずれたボルト穴に
もボルトが挿入可能となり，手作業でボルトを挿入しな
けれぼならない個所の大幅な低減が図れると共に，ボル
トが挿入できない程度にずれたボルト穴に無理にボルト
を挿入して，ソケットや装置自体が損傷するなどの不具
合も解消することができる。しかも隣接するボルト穴が
３個以上一定間隔で開口されている場合は，両端のボル
ト穴の中心のみを検出するだけで，その他のボルト穴の
中心が演算できるため，全てのボルト穴の中心を検出し
なくともボルトの挿入が可能となり，ボルトナットの締
結作業の能率を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例になるボルト穴検出方法を
採用したシールド掘進機の断面図である。

【図２】 （イ）ボルトナット自動転結装置の装置本体を示す斜視
図である。 （ロ）同装置本体の固定状態を示す説明図である。

【図３】装置本体に設けられた旋回リングの説明図であ
る。

【図４】旋回リングに設けられた揺動フレームの説明図
である。

【図５】揺動フレームに設けられたボルトナット締結機
の説明図である。

【図６】ボルトナット締結機へボルトナットを供給する
カセットマガジンの説明図である。

【図７】 （イ）ボルトナット締結機によりピース間の締結を行う
際の説明図である。 （ロ）ボルトナット締結機でリング間の締結を行う際の
説明図である。

【図８】この発明のボルト穴検出方法を実施するための
光センサ付近を示す説明図である。

【図９】ボルト穴検出方法を実施するための制御系のブ
ロック図である。

【図１０】光センサオン，オフ時の変位と角度出力の関
係を示す線図である。

【図１１】 （イ）ボルト穴検出方法を示す説明図である。 （ロ）光センサの検出信号を示す説明図である。

【図１２】 （イ）ボルト穴検出方法を示す説明図である。 （ロ）光センサの検出信号を示す説明図である。

【図１３】ボルト穴と光センサの光軸がずれている場合
の検出方法を示す説明図である。

【図１４】締結すべきセグメント間のボルト穴がずれて
いる場合の検出方法を示す説明図である。

【図１５】セグメントエレクタ把持部での適用例の説明
図である。

【符号の説明】

１ シールド本体 ３ セグメント ３ａ ボルト穴 ３ｂ 把持ブラケット ３ｃ ピン穴 ７ セグメントエレクタ ７ａ 把持ピン ７ｂ 把持ブラケット ７ｃ 把持ブラケット ８ ボルトナット自動締結装置 ９ ボルト ９ａ ナット ２２ａ 締結ヘッド ２２ｂ ソケット ２５ 光センサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シールド本体（１）により掘削されたト
   ンネルの内壁に沿ってセグメントエレクタ（７）により
   セグメント（３）を組立て，かつ既設のセグメント
   （３）と新たに組立てたセグメント（３）及び新たに組
   立てたセグメント（３）同士をボルトナット自動締結装
   置により締結するようにしたシールド掘進機において，
   上記ボルトナット自動締結装置（８）の締結ヘッド（２
   ２ａ）にセグメント（３）のボルト穴（３ａ）を検出す
   る光センサ（２５）を設けて，上記締結ヘッド（２２
   ａ）をボルト穴（３ａ）の面内で直交する２軸方向へ移
   動させることにより，上記光センサ（２５）が検出する
   ボルト穴（３ａ）よりボルト穴（３ａ）の中心を演算
   し，得られたボルト穴（３ａ）の中心に上記締結ヘッド
   （２２ａ）に設けられたソケット（２２ｂ）の中心が一
   致するように締結ヘッド（２２ａ）を位置決めして各セ
   グメント（３）の間をボルトナット（９），（９）によ
   り締結することを特徴とするボルト穴の検出方法。
2. 【請求項２】 光センサ（２５）をセグメントエレクタ
   （７）のセグメント把持部（７ｂ），（７ｃ）に設け
   て，セグメント把持部（７ｂ），（７ｃ）をセグメント
   （３）の把持ブラケット（３ｂ）に開口したピン穴（３
   ｃ）の面内で直交する２軸方向へ移動することにより，
   ピン穴（３ｃ）の中心を検出し，このピン穴（３ｃ）の
   中心に把持ピン（７ａ）の中心が一致するようにセグメ
   ント把持部（７ｂ），（７ｃ）を位置決めして，ピン穴
   （３ｃ）に把持ピン（７ａ）を挿入することを特徴とす
   るボルト穴の検出方法。