JP7266210B2 - トンネル掘削機及び計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル掘削機及び計測方法に関する。

トンネル掘削機においては、カッタヘッドに装着されたディスクカッタの摩耗量を定期的に計測する。イメージセンサを使用して、トンネル掘削機の先端部の状況を画像表示装置に映し出す技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、非接触で対象物の形状を計測する技術として、三次元形状計測装置が知られている。

特開平０４－１１０６４２号公報

三次元形状計測装置を使用してディスクカッタの摩耗量を計測する場合、例えば、取付直後又は稼動前のような基準状態におけるディスクカッタの三次元データと、稼動状態におけるディスクカッタの三次元データとを、ディスクカッタの形状の特徴部分を基準に重ね合わせて摩耗量を計測する。ところが、ディスクカッタが摩耗して形状が変化すると、三次元データの重ね合わせ時の誤差が大きくなるおそれがある。

本発明は、ディスクカッタの摩耗量を高精度に計測することを目的とする。

本発明の態様に従えば、ディスクカッタと、三次元形状計測装置による前記ディスクカッタのカッタリングの摩耗量の計測に使用される部材と、を備え、前記部材は、前記カッタリングとの相対位置が一定の部位に設置されるトンネル掘削機が提供される。

本発明によれば、ディスクカッタの摩耗量を高精度に計測することができる。

図１は、本実施形態に係るトンネル掘削機の構成を示す側面図である。 図２は、本実施形態に係るトンネル掘削機のカッタヘッドの概略を示す斜視図である。 図３は、ディスクカッタがケースに装着された状態を示す側面図である。 図４は、ディスクカッタがケースに装着された状態を示す正面図である。 図５は、ディスクカッタの取り外しを説明する模式図である。 図６は、計測装置の構成を示す模式図である。 図７は、計測装置がディスクカッタを計測する状態を説明する模式図である。 図８は、コントローラの構成を示すブロック図である。 図９は、本実施形態に係るコンピュータシステムを示すブロック図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、部材が溶接されたキーブロックに設置した部材の正面図である。 図１１は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、部材が設置されたキーブロックを用いてディスクカッタがケースに装着された状態を示す側面図である。 図１２は、部材の一例を示す正面図である。 図１３は、図１２に示す部材の側面図である。 図１４は、図１２に示す部材の平面図である。 図１５は、基準状態におけるディスクカッタのカッタリングの計測方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１６は、稼働状態におけるディスクカッタのカッタリングの計測方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１７は、計測時における位置合わせを説明する模式図である。 図１８は、部材の他の例を示す正面図である。 図１９は、図１８に示す部材の側面図である。 図２０は、図１８に示す部材の平面図である。 図２１は、部材の他の例を示す正面図である。 図２２は、図２１に示す部材の側面図である。 図２３は、図２１に示す部材の平面図である。 図２４は、従来手法との計測精度の違いを説明する図である。 図２５は、計測角度による計測精度への影響を説明する図である。 図２６は、計測角度による計測精度への影響を説明する図である。 図２７は、従来方法における位置合わせを説明する模式図である。

以下、添付図面を参照してこの発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［トンネル掘削機］
図１は、本実施形態に係るトンネル掘削機１の構成を示す側面図である。図２は、本実施形態に係るトンネル掘削機１のカッタヘッド３０の概略を示す斜視図である。トンネル掘削機１は、例えば、トンネルや水道などの地下構造物の建設において、岩盤を掘削する。トンネル掘削機１は、本体１０と、本体１０の前側に設置され、岩盤を掘削するカッタヘッド３０とを備える。図１、図２に示すように、カッタヘッド３０はドーム状の形状であり、その内部に、掘削によって発生する掘削ズリが取り込まれる空間であるカッタチャンバ３０Ｃが形成される。

本体１０は、前後方向に延びるメインビーム１４と、メインビーム１４の前端に設けられたカッタヘッドサポート２２とを有する。カッタヘッド３０はベアリング２３を介してカッタヘッドサポート２２に回転可能に結合される。本体１０のカッタヘッドサポート２２には、その上部にルーフサポート１１が、その側部にサイドサポート１２が、その下部にバーチカルサポート１３が、それぞれ設置される。ルーフサポート１１と、サイドサポート１２と、バーチカルサポート１３とは、図２に示すように、その外周が掘削断面形状に沿うように円筒形状に設置される。

本体１０の内部には、トンネルの坑壁に押し付けられるグリッパ１５と、メインビーム１４に沿って伸縮可能なスラストジャッキ１６とが設置される。スラストジャッキ１６は、軸方向の前側の端部がメインビーム１４の前側に取り付けられ、後側の端部がグリッパ１５に取り付けられる。スラストジャッキ１６は、前後方向に伸縮可能に設置される。トンネル掘削機１は、スラストジャッキ１６が伸縮することによって、推進力を発生させる。トンネル掘削機１は、グリッパ１５をトンネルの坑壁に押し付けることによって、推進反力を得る。

本体１０の内部には、前後方向に延びるベルトコンベヤ２０と、ベルトコンベヤ２０の前側の上部に設置されたホッパシュート２１と、メインビーム１４の前側の端部に設置されたカッタヘッドサポート２２と、駆動モータ２９とを有する。ベルトコンベヤ２０は、掘削によって生じた掘削ズリを後方へ運搬する。ベルトコンベヤ２０は、筒形状に形成されたメインビーム１４の内側に設置され、先端側はカッタヘッドサポート２２を貫通してカッタチャンバ３０Ｃ内まで伸びる。ホッパシュート２１は、カッタチャンバ３０Ｃ内に開口し、カッタヘッド３０のバケット３９がすくい込んだ掘削ズリをベルトコンベヤ２０へ案内する。カッタヘッドサポート２２は、カッタヘッド３０をその回転軸ＡＸ１を中心に回転可能に支持する。カッタヘッドサポート２２には、カッタヘッド３０を回転させるための駆動モータ２９が設置される。駆動モータ２９は、油圧モータ又は電動モータである。

カッタヘッド３０がベアリング２３を介して接続されるカッタヘッドサポート２２には駆動モータ２９が設置される。カッタヘッド３０は、駆動モータ２９によって、回転軸ＡＸ１を中心に回転する。カッタヘッド３０は、スラストジャッキ１６が伸縮することによって、グリッパ１５に対して前後方向に移動する。カッタヘッド３０には、複数のディスクカッタ４０が装着される。カッタヘッド３０は、本体１０の前方に設置される。カッタヘッド３０には、ディスクカッタ４０を収容して保持する円筒状のケース３２が複数設置される。すなわち、ケース３２は、カッタヘッド３０に設置するディスクカッタ４０の位置に合わせてカッタヘッド３０に設置される。

［ディスクカッタ］
図３、図４を用いて、ディスクカッタ４０について説明する。図３は、ディスクカッタ４０の側面図である。図４は、ディスクカッタ４０の正面図である。ディスクカッタ４０は、カッタヘッド３０に対して回転可能に支持される。ディスクカッタ４０は、その回転軸（後述する固定軸ＡＸ２）がカッタヘッド３０の回転軸ＡＸ１と交わる向きとなるように、前記カッタヘッド３０に設置される。ディスクカッタ４０がトンネルの掘削面に押し付けられながら回転することによって、岩盤を破砕する。より詳しくは、カッタヘッド３０が回転した状態で、本体１０及びカッタヘッド３０に対して前方への推進力をかけることによって、ディスクカッタ４０が岩盤に圧着しながら回転する。ディスクカッタ４０が岩盤に圧着した状態で回転することによって、ディスクカッタ４０の刃先部４４と岩盤との接触部では、岩盤が粉砕されるとともに、岩盤に亀裂が生じる。岩盤に生じた亀裂が隣接する他の亀裂とつながって隣接破砕が生じて岩盤が掘削される。岩盤の掘削時に生じた掘削ズリは、カッタヘッド３０に設置されたバケット３９によってカッタチャンバ３０Ｃ内に開口するホッパシュート２１にすくい込まれて、ベルトコンベヤ１７によって後方へ運搬される。

ディスクカッタ４０は、カッタリング４１と、カッタリング４１を回転不能に支持するハブ４２と、ハブ４２を軸受（図示せず）を介して回転可能に支持するシャフト（図示せず）と、ハブ４２を軸方向の両側から挟む位置に設けられて前記シャフトを保持する一対のリテーナ４３とを有する。一対のリテーナ４３によって保持されるシャフトの中心線は、図３では固定軸ＡＸ２として示される。すなわち、固定軸ＡＸ２には、図示しない軸受を介して、カッタリング４１及びハブ４２が回転可能に支持される。カッタリング４１及びハブ４２は、一体に回転可能である。一対のリテーナ４３は、カッタリングを軸方向に挟んで回転可能に保持する保持部である。カッタリング４１は、トンネルの掘削面に押し付けられながら回転することによって、掘削面を掘削する。

カッタリング４１は、刃先部４４を有する。刃先部４４は、ケース３２より前方及び後方に突出している（図３、図１１参照）。刃先部４４は、ケース３２の前面及び背面に露出している。刃先部４４は、カッタヘッド３０の前面部３１より前方に突出している。

図３、図４に示すように、ディスクカッタ４０は、カッタヘッド３０に設置されたケース３２に着脱可能に収容される。ケース３２の内側には、カッタリング４１の掘削面への押し付け反力を受ける座面が形成され、この座面にディスクカッタ４０の一対のリテーナ４３が固定される。キーブロック３３は、ケース３２に対するディスクカッタ４０の位置決め、換言すれば、カッタヘッド３０に対するディスクカッタ４０の位置決めのために用いられる。キーブロック３３は、ケース３２に対しカッタチャンバ側から着脱可能に設置される。図３に示すように、ディスクカッタ４０のリテーナ４３をケース３２に座面に当接させた状態で、カッタチャンバ側からキーブロック３３を設置し、ボルト３４を用いてキーブロック３３とリテーナ４３とでケース３２を挟み込むように締めこむことにより、ディスクカッタ４０はカッタヘッド３０に固定される。前述したとおり、ケース３２の座面はディスクカッタ４０の掘削面への押し付け反力を支持するという機能を有し、キーブロック３３はボルト３４と協働してカッタヘッド３０に対してディスクカッタ４０を位置決めしてその動きを拘束する位置決め部としての機能を有する。

［ディスクカッタの交換方法］
図５を用いて、ディスクカッタ４０の交換方法について詳しく説明する。図５は、ディスクカッタ４０の取り外しを説明する模式図である。ディスクカッタ４０は、キーブロック３３によって、ケース３２からの取り外し、及び、ケース３２の周方向に沿った動きが拘束されている。図５（ａ）に示すように、ケース３２にキーブロック３３を固定するボルト３４を取り外す。図５（ｂ）に示すように、ケース３２から、キーブロック３３を取り外す。キーブロック３３が取り外されると、ディスクカッタ４０の拘束が解除される。図５（ｃ）に示すように、ケース３２に収容されたディスクカッタ４０を、ケース３２の周方向に９０°回転させる。図５（ｄ）に示すように、ケース３２からディスクカッタ４０を取り外す。

新しいディスクカッタ４０をケース３２に収容する場合、図５（ｄ）とは逆に、ケース３２へディスクカッタ４０を挿入する。図５（ｃ）とは逆に、ケース３２に挿入されたディスクカッタ４０を、ケース３２の周方向に取外し時とは反対に９０°回転させる。図５（ｂ）とは逆に、ケース３２に、キーブロック３３を取り付ける。図５（ａ）とは逆に、ボルト３４でケース３２にキーブロック３３を固定する。このようにして、ディスクカッタ４０は、キーブロック３３によって、ケース３２からの取り外し、及び、ケース３２の周方向に沿った動きが拘束された状態で固定される。

［トンネル掘削機による掘削方法］
このように構成されたトンネル掘削機１による掘削方法について説明する。トンネル掘削機１は、駆動モータ２９によって、カッタヘッド３０が本体１０に対して回転する。カッタヘッド３０に取り付けられたディスクカッタ４０がトンネルの掘削面に押し付けられながら回転することによって、岩盤が破砕される。岩盤の掘削時に生じた掘削ズリは、バケット３９によって本体１０の内部にすくい込まれて、ベルトコンベヤ１７によって後方へ運搬される。掘削によってディスクカッタ４０が摩耗するので、例えば、毎日の作業の開始前、又は、所定期間ごとなどに、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を計測する。

［計測装置］
図６、図７を用いて、トンネル掘削機１が備える、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を計測するための計測装置６０について説明する。図６は、計測装置６０の構成を示す模式図である。図７は、計測装置６０がディスクカッタ４０を計測する状態を説明する模式図である。計測装置６０は、トンネル掘削機１のカッタチャンバ３０Ｃ（図１参照）側に設置される。計測装置６０は、前後に伸縮可能な前後スライダ６１と、前後スライダ６１に沿ってスキャナ６５をスライドさせる前後アクチュエータ６２と、上下に伸縮可能な上下スライダ６３と、上下スライダ６３に沿ってスキャナ６５をスライドさせる上下アクチュエータ６４と、スキャナ６５と、これらを収容するケース６９とを有する。前後アクチュエータ６２は、前後スライダ６１を伸縮させて、スキャナ６５を前後にスライドさせる。上下アクチュエータ６４は、上下スライダ６３を伸縮させて、スキャナ６５を上下にスライドさせる。

スキャナ６５は、３Ｄスキャナであり、対象を検出して対象の三次元形状を示す三次元データを計測コントローラ１１０のデータ取得部１１５へ出力する。より詳しくは、スキャナ６５は、ディスクカッタ４０のカッタリング４１と、後述する部材５０（図１０参照）との三次元形状を検出可能である。スキャナ６５は、例えば、新品のカッタリング４１が装着されたディスクカッタ４０取付直後又は稼動前のような基準状態（すなわち、カッタリング４１がいまだ摩耗していない状態）におけるカッタリング４１及び部材５０の三次元形状を示す基準三次元データと、稼動状態（すなわち、カッタリング４１の摩耗がある程度進行したと想定される状態）におけるカッタリング４１及び部材５０との三次元形状を示す計測三次元データとを検出する。スキャナ６５は、検出した基準三次元データ及び計測三次元データを、計測コントローラ１１０のデータ取得部１１５へ出力する。

スキャナ６５は、前後スライダ６１及び前後アクチュエータ６２によって前後に移動可能であり、上下スライダ６３及び上下アクチュエータ６４によって上下方向に移動可能である。

スキャナ６５は、チルト角を調節可能に上下スライダ６３に設置される。スキャナ６５は、ディスクカッタ４０のカッタリング４１に対する計測角度を調節可能である。計測角度は、カッタリング４１の刃先部４４の中心線Ｃ１と、スキャナ６５の光軸の中心線Ｃ２とのなす角度である。

ケース６９は、例えば、カッタヘッドサポート２２に設置される。計測装置６０が計測を行っていないとき、前後スライダ６１、前後アクチュエータ６２、上下スライダ６３、上下アクチュエータ６４、及び、スキャナ６５が、ケース６９に収容される。計測装置６０が計測を行うとき、前後スライダ６１、前後アクチュエータ６２、上下スライダ６３、上下アクチュエータ６４、及び、スキャナ６５が、ケース６９から展開される。

［トンネル掘削機の制御系］
図８を用いて、コントローラ１００について説明する。図８は、コントローラ１００の構成を示すブロック図である。トンネル掘削機１は、例えば、コントローラ１００によって制御される。コントローラ１００は、例えば、図示しない操作盤などを介して入力された操作情報、又は、図示しない掘削管理システムを介して入力された運転情報に基づいて、トンネル掘削機１を作動させる。コントローラ１００は、駆動モータ制御部１０１によって、駆動モータ２９の回転と停止とを制御する。

［計測装置の制御系］
図８に示すように、計測装置６０の前後アクチュエータ６２と上下アクチュエータ６４とスキャナ６５とは、例えば、計測コントローラ１１０によって制御される。計測コントローラ１１０は、計測対象設定部１１１によって、計測対象のディスクカッタ４０がスキャナ６５で計測可能になるように駆動モータ２９を制御してカッタヘッド３０を回転させる。計測コントローラ１１０は、前後移動制御部１１２によって前後アクチュエータ６２を制御して、計測対象のディスクカッタ４０に合わせて、スキャナ６５の前後方向の位置を調節する。計測コントローラ１１０は、上下移動制御部１１３によって上下アクチュエータ６４を制御して、計測対象のディスクカッタ４０に合わせて、スキャナ６５の上下方向の位置を調節する。計測コントローラ１１０は、スキャナ制御部１１４によってスキャナ６５を制御して三次元計測を行う。計測コントローラ１１０は、データ取得部１１５によって、スキャナ６５から三次元データを取得する。計測コントローラ１１０は、摩耗量算出部１１６によって、取得した三次元データに基づいて、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を算出する。

［コンピュータシステム］
図９を用いて、コンピュータシステム１０００について説明する。図９は、本実施形態に係るコンピュータシステム１０００を示すブロック図である。上述のコントローラ１００は、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述のコントローラ１００及び計測コントローラ１１０の機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶される。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

［付加する部材の第１の実施形態］
図１０、図１１を用いて、部材５０について説明する。図１０は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、部材５０が溶接されたキーブロックに設置した部材の正面図である。図１１は、本発明の第１の実施形態を示す図であり、部材５０が設置されたキーブロック３３を用いてディスクカッタ４０がケース３２に装着された状態を示す側面図である。部材５０は、三次元形状計測装置（以下、「計測装置」という。）６０によるディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量の計測に使用される。より詳しくは、部材５０は、計測装置６０による計測時における位置合わせに使用される。部材５０は、計測装置６０の検出領域にカッタリング４１とともに検出可能な位置に設置される。これにより、計測装置６０による計測時、カッタリング４１とともに部材５０が検出される。

部材５０は、トンネル掘削機１による掘削に伴う摩耗が生じにくい位置であって、掘削及びディスクカッタ４０の交換を妨げない位置に設置される。部材５０は、ディスクカッタ４０のカッタリング４１との相対位置が一定の部位に設置される。相対位置が一定であるとは、ディスクカッタ４０の取付直後又は稼動前から稼動中において、カッタリング４１と部材５０との位置関係が変化しないことをいう。部材５０は、カッタリング４１の近傍に設置される。本実施形態においては、部材５０は、ディスクカッタ４０のケース３２の周方向に沿った動きを拘束するキーブロック３３に設置される。

部材５０は、トンネル掘削機１のカッタチャンバ３０Ｃ側に設置される。

図１２ないし図１４を用いて、部材５０の形状の一例について説明する。図１２は、部材５０の一例を示す正面図である。図１３は、図１２に示す部材５０の側面図である。図１４は、図１２に示す部材５０の平面図である。部材５０は、平面状の壁部５１、壁部５２、壁部５３、壁部５４及び壁部５５を組み合わせて形成される。壁部５１は、矩形状に形成される。壁部５１は、キーブロック３３の表面３３ａと平行に設置される。壁部５２と壁部５３とは、台形状に形成される。壁部５２と壁部５３とは、壁部５１の中間部に斜めに立設される。壁部５２と壁部５３とは、キーブロック３３の表面３３ａと交差する平面内に設置される。壁部５２の周縁部５２ａと壁部５３の周縁部５３ａとが、壁部５１の中間部にそれぞれ接合されて曲げ部を形成する。壁部５２の周縁部５２ｂと壁部５３の周縁部５３ｂとが接合されて曲げ部を形成する。壁部５４と壁部５５とは、三角形状に形成される。壁部５４は、壁部５１の上部と壁部５２の上部と壁部５３の上部とで囲まれた開口を覆って設置される。壁部５５は、壁部５１の下部と壁部５２の下部と壁部５３の下部とで囲まれた開口を覆って設置される。壁部５２、壁部５３、壁部５４及び壁部５５は、キーブロック３３の表面３３ｂからケース３２の径方向の内側に突出する凸形状を形成する。壁部５２、壁部５３、壁部５４及び壁部５５は、三角柱形状を形成する。

壁部５１、壁部５２、壁部５３、壁部５４及び壁部５５の各法線は、それぞれ異なる方向に延びていて交差する。

壁部５１の長さｄ１１は、キーブロック３３の幅ｄｋ１と同程度である。壁部５１の長さｄ１２は、キーブロック３３からカッタリング４１までの距離ｄｋ２より短い。壁部５１から壁部５２と壁部５３との接合部までの距離ｄ１３は、キーブロック３３の厚さｄｋ３（図１１参照）と同程度である。壁部５１は、壁部５２及び壁部５３より外側に突出している。

このように構成された部材５０は、ディスクカッタ４０の周囲に複数設置されることが好ましい。本実施形態では、部材５０は、ディスクカッタ４０の周囲に２つ設置される。

部材５０は、本実施形態のように、カッタリング４１の軸方向（固定軸ＡＸ２の方向）の一方側と他方側とに設置されることが好ましい。

本実施形態では、部材５０は、キーブロック３３に溶接により取り付けられる。

部材５０は、異なる方向を向く複数の面を有する。部材５０は、非連続に変化する複数の面を有する。

部材５０は、設置されたときにカッタチャンバ３０Ｃ側に突出する凸形状を含む。本実施形態では、部材５０は、キーブロック３３の表面３３ｂから突出する凸形状を含む。

［ディスクカッタのカッタリングの摩耗量の計測方法］
次に、ディスクカッタ４０を有するトンネル掘削機１において、計測装置６０によるディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量の計測方法・計測処理について説明する。図１５は、基準状態におけるディスクカッタ４０のカッタリング４１の計測方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。図１６は、稼働状態におけるディスクカッタ４０のカッタリング４１の計測方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。トンネル掘削機１の、稼働状態におけるディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を計測する前に、図１５に示す処理が少なくとも１回実行されて、ディスクカッタ４０の基準三次元データが取得される。基準三次元データは、新しいディスクカッタ４０、あるいは新しいカッタリングを装着されたディスクカッタ４０を装着した際に取得することが好ましい。

計測コントローラ１１０は、計測対象設定部１１１によって計測対象のディスクカッタ４０を設定する（ステップＳ１１）。例えば、カッタヘッド３０に装着された、すべてのディスクカッタ４０を計測する順番が図示しない記憶部に記憶されているものとする。計測対象設定部１１１は、記憶された順番に従って、ディスクカッタ４０を計測対象として設定する。計測コントローラ１１０は、計測対象設定部１１１によって計測対象のディスクカッタ４０がスキャナ６５で計測可能になるように駆動モータ２９を制御してカッタヘッド３０を回転させる。計測コントローラ１１０は、ステップＳ１２へ進む。

計測コントローラ１１０は、計測対象のディスクカッタ４０に合わせてスキャナ６５を移動させる（ステップＳ１２）。より詳しくは、計測コントローラ１１０は、前後移動制御部１１２によって前後アクチュエータ６２を制御して、計測対象のディスクカッタ４０に合わせて、スキャナ６５の前後方向の位置を調節する。計測コントローラ１１０は、上下移動制御部１１３によって上下アクチュエータ６４を制御して、計測対象のディスクカッタ４０に合わせて、スキャナ６５の上下方向の位置を調節する。計測コントローラ１１０は、ステップＳ１３へ進む。

計測コントローラ１１０は、スキャナ制御部１１４によって、スキャナ６５を制御して計測対象のディスクカッタ４０の三次元計測を行う（ステップＳ１３）。スキャナ制御部１１４は、計測対象のディスクカッタ４０の三次元形状をスキャナ６５によってスキャンする。スキャナ制御部１１４は、基準状態におけるカッタリング４１の三次元形状を部材５０の三次元形状とともに計測する。計測コントローラ１１０は、ステップＳ１４へ進む。

計測コントローラ１１０は、データ取得部１１５によって、計測装置６０のスキャナ６５が計測したデータ取得する（ステップＳ１４）。計測コントローラ１１０は、ステップＳ１５へ進む。

計測コントローラ１１０は、データ取得部１１５によって、取得したデータをディスクカッタ４０の基準三次元データとして記憶部１２０に記憶する（ステップＳ１５）。ディスクカッタ４０の基準三次元データは、基準状態におけるカッタリング４１の三次元形状データと部材５０の三次元形状データとを含む。データ取得部１１５は、取得した基準三次元データを計測対象のディスクカッタ４０を識別する情報と関連付けて記憶する。計測コントローラ１１０は、ステップＳ１６へ進む。

計測コントローラ１１０は、次の計測対象のディスクカッタ４０があるか否かを判定する（ステップＳ１６）。計測コントローラ１１０は、計測していないディスクカッタ４０がある場合、次の計測対象のディスクカッタ４０があると判定して（ステップＳ１６でＹｅｓ）、ステップＳ１１の処理を再度実行する。計測コントローラ１１０は、すべてのディスクカッタ４０が計測済みである場合、次の計測対象のディスクカッタ４０がないと判定して（ステップＳ１６でＮｏ）、処理を終了する。

このようにして、計測コントローラ１１０は、基準状態におけるすべてのディスクカッタ４０について、カッタリング４１、及び、カッタリング４１との相対位置が一定の部位に設置される部材５０の基準三次元データを、計測装置６０を用いて取得し、記憶する。

基準三次元データを取得した後であって、例えば、毎日の作業の開始前、又は、所定期間ごとなどに、図１６に示す処理が実行されて、トンネル掘削機１のディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量が計測される。ステップＳ２１、ステップＳ２２、ステップＳ２８の処理は、前述のステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１６と同様の処理であるため、説明を省略する。

ステップＳ２３において、計測コントローラ１１０は、スキャナ制御部１１４によって、スキャナ６５を制御して計測対象のディスクカッタ４０の三次元計測を行う。スキャナ制御部１１４は、稼動状態におけるカッタリング４１の三次元形状を部材５０の三次元形状とともに計測する。計測コントローラ１１０は、ステップＳ２４へ進む。

計測コントローラ１１０は、データ取得部１１５によって、計測装置６０のスキャナ６５が計測したデータを取得する（ステップＳ２４）。計測コントローラ１１０は、ステップＳ２５へ進む。

計測コントローラ１１０は、データ取得部１１５によって、取得したデータをディスクカッタ４０の計測三次元データとして記憶部１２０に記憶する（ステップＳ２５）。ディスクカッタ４０の計測三次元データは、稼働状態におけるカッタリング４１の三次元形状データと部材５０の三次元形状データとを含む。計測コントローラ１１０は、ステップＳ２６へ進む。

計測コントローラ１１０は、摩耗量算出部１１６によって、ディスクカッタ４０を識別する情報を参照して当該ディスクカッタ４０の基準三次元データを読み出し、当該基準三次元データと計測三次元データとに基づいて、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を算出する（ステップＳ２６）。計測コントローラ１１０は、基準三次元データと計測三次元データとを照合して、カッタリング４１の摩耗量を算出する。図１７は、計測時における位置合わせを説明する模式図である。図１７（ａ）に示すように、摩耗量算出部１１６は、破線で示す基準三次元データと、実線で示す計測三次元データとを、部材５０を基準として、言い換えると、部材５０が重なるように位置を合わせる。図１７（ｂ）に示すように、位置を合せた基準三次元データの刃先部４４と計測三次元データの刃先部４４との差異が、カッタリング４１の摩耗量Ｗである。計測コントローラ１１０は、ステップＳ２７へ進む。

計測コントローラ１１０は、摩耗量算出部１１６によって、算出したディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を、当該ディスクカッタ４０を識別する情報と関連付けて記憶部１２０に記憶する（ステップＳ２７）。計測コントローラ１１０は、ステップＳ２８へ進む。

計測コントローラ１１０は、計測していないディスクカッタ４０がある場合、次の計測対象のディスクカッタ４０があると判定して（ステップＳ２８でＹｅｓ）、ステップＳ２１の処理を再度実行する。計測コントローラ１１０は、すべてのディスクカッタ４０が計測済みである場合、次の計測対象のディスクカッタ４０がないと判定して（ステップＳ２８でＮｏ）、処理を終了する。

このような処理によって、稼動状態におけるトンネル掘削機１のすべてのディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量が算出される。

［効果］
本実施形態では、ディスクカッタ４０のカッタリング４１との相対位置が一定の部位に設置された部材５０を使用して、計測装置６０が計測した基準三次元データと計測三次元データとの位置合わせを行う。部材５０は摩耗しない位置に設置されるので、基準三次元データと計測三次元データとにおける形状の変化が抑えられる。本実施形態によれば、基準三次元データと計測三次元データとの位置合わせを高精度に行うことができる。このようにして、本実施形態は、カッタリング４１の摩耗量を高精度に計測することができる。

本実施形態によれば、部材５０を使用して位置合わせを行うことによって、部材５０の形状によらず、目標計測精度を達成することができる。本実施形態によれば、部材５０を使用して位置合わせを行うことによって、カッタリング４１の摩耗量によらず、目標計測精度を達成することができる。本実施形態によれば、部材５０を使用して位置合わせを行うことによって、計測角度によらず、目標計測精度を達成することができる。

本実施形態では、部材５０を使用して、基準三次元データと計測三次元データとの位置合わせを行うので、計測装置６０のスキャナ６５の座標位置及び姿勢を高精度に取得しなくてもよい。本実施形態によれば、カッタリング４１の摩耗量を容易に計測することができる。

本実施形態では、部材５０は、異なる方向を向く複数の面を有する。本実施形態によれば、計測装置６０と、部材５０及びディスクカッタ４０のカッタリング４１との相対位置によらず、部材５０の幾何学的な特徴部分を検出することができ、より精度の良い検出が可能となる。本実施形態によれば、計測装置６０と、部材５０及びディスクカッタ４０のカッタリング４１との相対位置によらず、カッタリング４１の摩耗量を高精度に計測することができる。

本実施形態では、部材５０は、トンネル掘削機１のカッタチャンバ３０Ｃ側に設置される。本実施形態によれば、トンネル掘削機１による掘削時に、掘削が妨げられることを抑制し、かつ、部材５０が摩耗することを抑制することができる。

本実施形態では、部材５０は、計測装置６０の検出領域にカッタリング４１とともに検出可能な位置に設置される。本実施形態によれば、カッタリング４１及び部材５０の三次元形状を示す、基準三次元データと計測三次元データとを容易に取得することができる。

本実施形態では、部材５０は、キーブロック３３に設置される。本実施形態によれば、ディスクカッタ４０の交換を妨げない位置に設置することができる。

本実施形態では、部材５０は、キーブロック３３に溶接により取り付けられ、仮に破損や変形等が生じたとしても、キーブロック３３とともに容易に交換することができる。

本実施形態では、部材５０は、ディスクカッタ４０の周囲に複数設置される。本実施形態によれば、計測装置６０の計測時、位置合わせの精度を向上することができる。

本実施形態では、部材５０は、カッタリング４１の軸方向の一方側と他方側とに設置される。本実施形態によれば、計測装置６０と、部材５０及びディスクカッタ４０のカッタリング４１との相対位置によらず、部材５０を検出することができる。これにより、本実施形態は、基準三次元データと計測三次元データとの位置合わせを高精度に行うことができる。本実施形態によれば、計測装置６０と、部材５０及びディスクカッタ４０のカッタリング４１との相対位置によらず、より精度の良い検出が可能となる。

本実施形態では、部材５０は、設置されたときにカッタチャンバ３０Ｃ側に突出する凸形状を含む。本実施形態によれば、掘削時、掘削ズリなどによる部材５０の目詰まりの影響で検出精度が低下することが抑制される。

本実施形態では、部材５０は、キーブロック３３に交換可能に設置される。本実施形態によれば、例えば、部材５０が損傷したような場合、部材５０のみを容易に交換することができる。また、本実施形態によれば、部材５０を、従来のカッタヘッド３０に容易に装着することができる。

［付加する部材の設置位置の変形例］
部材５０は、キーブロック３３ではなく、ケース３２や、リテーナ４３（保持部）、あるいはハブ４２に溶接などによって固定されてもよい。この場合は、部材５０を交換するときには、切断して取外すことが必要となる。

［付加する部材の形状の変形例１］
図１８ないし図２０を用いて、部材５０Ａの形状の他の例について説明する。図１８は、部材５０Ａの他の例を示す正面図である。図１９は、図１８に示す部材５０Ａの側面図である。図２０は、図１８に示す部材５０Ａの平面図である。部材５０Ａは、壁部５１Ａの形状が部材５０の壁部５１と異なり、部材５０より小型である。壁部５１Ａの長さｄ２１は、部材５０の壁部５１の長さｄ１１より短い。壁部５１Ａの長さｄ２２は、部材５０の壁部５１の長さｄ１２と同じである。壁部５１Ａから壁部５２Ａと壁部５３Ａとの接合部までの距離ｄ２３は、部材５０の距離ｄ１３と同じである。壁部５２の周縁部５２ａと壁部５３の周縁部５３ａとは、壁部５１Ａの端部に接合される。壁部５１Ａは、壁部５２及び壁部５３より外側に突出していない。このような形状の部材５０Ａは、部材５０に比べて小型化することができる。

［付加する部材の形状の変形例２］
図２１ないし図２３を用いて、部材５０Ｂの形状の他の例について説明する。図２１は、部材５０Ｂの他の例を示す正面図である。図２２は、図２１に示す部材５０Ｂの側面図である。図２３は、図２１に示す部材５０Ｂの平面図である。部材５０Ｂは、部材５０Ａより小型である。壁部５１Ｂの長さｄ３１は、部材５０Ａの壁部５１Ａの長さｄ２１と同じである。壁部５１Ｂの長さｄ３２は、部材５０Ａの壁部５１Ａの長さｄ２２より短い。壁部５１Ｂから壁部５２Ｂと壁部５３Ｂとの接合部までの距離ｄ３３は、部材５０Ａの距離ｄ２３と同じである。このような形状の部材５０Ｂは、部材５０及び部材５０Ａに比べて小型化することができる。

［従来手法との比較］
ここで、計測装置６０を使用した計測と、従来手法による計測との計測精度を評価する。図２４は、従来手法との計測精度の違いを説明する図である。図２５は、計測角度による計測精度への影響を説明する図である。図２６は、計測角度による計測精度への影響を説明する図である。以下の３つの条件を組み合わせて、各条件において１０回ずつ計測を行った。

（条件１）位置合わせにする部材５０の形状を変えて計測する。より詳しくは、位置合わせに、上述の、部材５０、部材５０Ａ、部材５０Ｂを使用した計測装置６０による計測と、従来手法の計測とを行う。「形状１」は、部材５０を使用した計測を示し、「形状２」は部材５０Ａを使用した計測を示し、「形状３」は部材５０Ｂを使用した計測を示し、「従来手法」は従来手法による計測を示す。

ここで、図２７を用いて、従来手法による計測について説明する。図２７は、従来方法における位置合わせを説明する模式図である。従来手法とは、位置合わせの部材を使用せず、例えば、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の肩部４１ａの形状を基準にして位置合わせをして摩耗量を計測する手法である。破線は基準状態で取得した三次元データであり、実線は稼動状態で取得した三次元データであり、一点鎖線はさらに摩耗が進んだ稼動状態で取得した三次元データを示す。図２７からも、カッタリング４１の肩部４１ａの形状を基準にして位置合わせをするので、摩耗が進んで肩部４１ａが摩耗した場合には、正しく位置合わせすることが困難になることがわかる。

（条件２）ディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量を、８ｍｍ、１０ｍｍ、１２ｍｍと変えて計測する。

（条件３）計測角度を、０°、３０°の２つの角度で計測する。

評価は、以下の数式１によって算出される、ｎ個の計測点の各点における計測装置６０を使用した計測値ｆ_ｋと、ゲージを使用したゲージ計測値ｙ_ｋとの平方平均二乗誤差（ＲＭＳＥ：Root Mean Square Error）を比較して行う。ここでは、ディスクカッタ４０の円周上におけるスキャナ６５の正面の計測点を０°として、－４０°から４０°までが計測されるものとする。このうち、２°ずつ約４０点で摩耗量の計測を行う。なお、目標とするＲＭＳＥは、１ｍｍとする。

図２４から、形状１、形状２及び形状３ともに、従来手法に比べてＲＭＳＥが小さいことがわかる。形状１、形状２及び形状３ともに、摩耗量の違いによるＲＭＳＥの差が小さいことがわかる。形状１、形状２及び形状３ともに、ディスクカッタ４０のカッタリング４１の摩耗量によらず、ＲＭＳＥは目標以下であり、目標計測精度が達成される。

図２５、図２６から、計測角度によらず、形状１、形状２及び形状３ともに、従来手法に比べてＲＭＳＥが小さいことがわかる。従来手法は、計測角度３０°の場合は、計測角度０°の場合に比べてＲＭＳＥが増加することがわかる。形状１、形状２及び形状３ともに、計測角度３０°の場合は、計測角度０°の場合に比べてＲＭＳＥがわずかに増加するが、ＲＭＳＥは目標以下である。形状１、形状２及び形状３ともに、計測角度によらず、ＲＭＳＥは目標以下であり、目標計測精度が達成される。

上記では、部材５０、部材５０Ａ及び部材５０Ｂは、平面状の壁部５１、壁部５２、壁部５３、壁部５４及び壁部５５を組み合わせて形成されるのものとしたがこれに限定されない。部材５０、部材５０Ａ及び部材５０Ｂは、複数の曲面を組み合わせて形成されてもよく、平面と曲面とを組み合わせて形成されてもよい。

上記では、コントローラ１００と計測コントローラ１１０とは別々のものとして記載されているが、本発明はこれに限定されない。コントローラ１００、計測コントローラ１１０が一体であってもよい。

上記では、スキャナ６５が、前後スライダ６１及び前後アクチュエータ６２によって前後に移動可能であり、上下スライダ６３及び上下アクチュエータ６４によって上下方向に移動可能であるものとして説明したが、移動させる手段はこれに限定されない。例えば、スキャナ６５は、ドローンのような無人飛行体に搭載されてもよい。

１…トンネル掘削機、１０…本体、２０…ベルトコンベヤ、２９…駆動モータ、３０…カッタヘッド、３２…ケース、３３…キーブロック、４０…ディスクカッタ、４１…カッタリング、４２…ハブ、４３…リテーナ（保持部）、４４…刃先部、５０…部材、６０…三次元形状計測装置（計測装置）、６１…前後スライダ、６２…前後アクチュエータ、６３…上下スライダ、６４…上下アクチュエータ、６５…スキャナ、６９…ケース、１００…コントローラ、１１０…計測コントローラ、１１１…計測対象設定部、１１２…前後移動制御部、１１３…上下移動制御部、１１４…スキャナ制御部、１１５…データ取得部、１１６…摩耗量算出部。

Claims (12)

1. カッタリングを有するディスクカッタと、
   三次元形状計測装置による前記カッタリングの摩耗量の計測に使用され、前記カッタリングとの相対位置が一定の部位に設置される部材と、
   前記三次元形状計測装置によって取得される基準状態における前記カッタリング及び前記部材の三次元形状データである基準三次元データと、前記三次元形状計測装置によって取得される稼動状態における前記カッタリング及び前記部材の三次元形状データである計測三次元データとに基づき、前記カッタリングの摩耗量を算出するコントローラと、
   を備えたトンネル掘削機。
2. 前記部材は、異なる方向を向く複数の面を有する、
   請求項１に記載のトンネル掘削機。
3. 前記部材は、前記トンネル掘削機のカッタチャンバ側に設置される、
   請求項１又は２に記載のトンネル掘削機。
4. 前記部材は、前記三次元形状計測装置の検出領域に前記カッタリングとともに設置される、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
5. 前記ディスクカッタが装着されるケースをさらに備え、
   前記部材は、前記ディスクカッタをケースに装着する際に、前記ディスクカッタの動きを拘束する位置決め部に設置される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
6. 前記ディスクカッタが装着されるケースをさらに備え、
   前記部材は前記ケースに設置される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
7. 前記部材は、前記カッタリングを軸方向に挟んで保持する保持部に設置される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
8. 前記部材は、前記ディスクカッタの周囲に複数設置される、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
9. 前記部材は、前記カッタリングの軸方向の一方側と他方側とに設置される、
   請求項１から８のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
10. 前記部材は、設置されたときにカッタチャンバ側に突出する凸形状を含む、
    請求項１から９のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
11. 前記部材は、交換可能に設置される、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載のトンネル掘削機。
12. ディスクカッタを有するトンネル掘削機において、三次元形状計測装置による前記ディスクカッタのカッタリングの摩耗量の計測方法であって、
    基準状態における前記カッタリング、及び、前記カッタリングとの相対位置が一定の部位に設置される部材の三次元形状データである基準三次元データを、前記三次元形状計測装置から取得するステップと、
    稼動状態における前記カッタリング及び前記部材の三次元形状データである計測三次元データを、前記三次元形状計測装置から取得するステップと、
    前記基準三次元データと前記計測三次元データとを照合して、前記カッタリングの摩耗量を算出するステップと、
    を含む計測方法。

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