JPH02518B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、トンネル等の掘さくにおいて切羽面
にさく孔をする際、切羽面のさく孔パターンに応
じてさく孔装置を乗架したブームを切羽面の所定
位置にフイードバツク制御により位置決めして自
動さく孔するさく孔方法に関し、特にカーブトン
ネルを掘さくする場合等において現切羽面に対し
て角度を持つ非平行な仮想のカーブ用切羽面につ
いてのさく孔修正対策に関する。

（従来の技術） 一般に、トンネル等を掘さくする場合、切羽面
の所定位置を所定方向にさく孔し、この多数さく
孔された孔に爆薬を仕掛けて発破することによつ
て掘さくすることが行われている。そのため、上
記さく孔の際、さく孔装置を乗架したブームを切
羽面の所定の位置に位置決めする必要がある。

このようなブームの位置決め方法として、従
来、手動装置により予め位置決め作業（テイーチ
ング作業）を行い、これを記憶した後に再生する
という再生制御方式（プレイバツク方式）が広く
採用されている。しかし、上記テイーチング作業
が人間の技能によるため、作業能率が極めて悪
く、また位置決めの正確性に欠けるものであつ
た。

このため、これに代わるものとして、最近、特
公昭57−38752号公報に示されるように数値入力
制御方式（NC制御方式）が採用されつつある。
この数値入力制御方式は、切羽面に直角座標系で
与えられた切羽系のさく孔パターンを台車の座標
系で得られる台車系のさく孔パターンに変換し、
この台車系のさく孔パターンに基づいてさく孔装
置を乗架したブームを数値指定された切羽面の所
定位置にフイードバツク制御により位置決めして
自動さく孔を行うものである。

（発明が解決しようとする課題） ところで、カーブトンネル等を掘さくする場
合、現切羽面に対して、発破後に新しく得たい切
羽面から垂直に発破掘進長だけ後退した仮想の切
羽面（カーブ用切羽面）が所定の角度を持つて非
平行となり、このカーブ用切羽面の座標系（カー
ブ用切羽系）に対して台車系が相対的にずれるこ
とになり、このため、このカーブ用切羽系と台車
系とのずれを修正する必要がある。しかるに、上
記従来のものでは、現切羽系の基準点とカーブ用
切羽系の基準点とのずれを単に垂直方向の角度に
よつて読み取り、この角度のずれを修正値として
用いて修正していたため、平面的に見た場合には
必ずしも一致せず、正確性に欠ける嫌いがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、そ
の目的とするところは、上記の如き数値入力制御
方式のさく孔方法において、カーブ用切羽面のさ
く孔を行うときには、カーブ用切羽系のさく孔パ
ターンを、基準レーザー光線上の所定の２点につ
いてのカーブ用切羽系と台車系との座標関係から
台車系に座標変換することにより、カーブ用切羽
系と台車系とのずれをなくしてカーブ用切羽面の
さく孔を正確に行うことにある。

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、本発明の解決手段
は、切羽面に直角座標系で与えられた切羽系のさ
く孔パターンを台車の座標系で得られる台車系の
さく孔パターンに変換し、この台車系のさく孔パ
ターンに基づいてさく孔装置を乗架したブームを
切羽面の所定位置にフイードバツク制御により位
置決めして自動さく孔を行うさく孔方法におい
て、現切羽面に対して非平行な仮想のカーブ用切
羽面についてのカーブ用切羽系のさく孔パターン
が与えられた際、 ａ 上記カーブ用切羽面に対して照射される基準
レーザー光線Ｌと上記カーブ用切羽面とが交わ
る点であるところの基準点Ｒと、この基準点Ｒ
から基準レーザー光線Ｌ上で一定間隔離れた定
点Rrとの座標をカーブ用切羽系の座標で表わ
す。

ｂ ブームをマニユアル操作して、ガイドセル先
端のターゲツトを基準レーザー光線Ｌに沿つて
移動させながら上記Ｒ点とRr点に当てること
により、この２点Ｒ，Rrについてのカーブ用
切羽系の座標を台車系で計測して台車系の座標
で表わし、この２点Ｒ，Rrの台車系とカーブ
用切羽系との両座標間の関係から台車系とカー
ブ用切羽系との間の座標変換式を求める。

ｃ 上記カーブ用切羽系のさく孔パターンを２つ
の点座標の形に直したのち、上記座標変換式を
用いて台車系の座標に変換し、この台車系の２
つの点座標を台車系のさく孔パターンの形に戻
す という前処理を行うことを特徴とするものであ
る。

（作用） このことにより、与えられたカーブ用切羽系の
さく孔パターンを座標変換式で台車系に座標変換
することによつて、カーブ用切羽系と台車系との
ずれが完全に修正され、この台車系のさく孔パタ
ーンに基づいてブームをカーブ用切羽面の所定位
置に正確に位置決めすることができる。

（発明の効果） したがつて、本発明によれば、数値入力制御方
式のさく孔方法において、カーブ用切羽面のさく
孔を行うとき、カーブ用切羽系のさく孔パターン
を、基準レーザー光線を利用してそのレーザー光
線上の所定の２点についてのカーブ用切羽系と台
車系との座標間の関係から求めたカーブ用切羽系
と台車系との座標変換式を用いて台車系に座標変
換したので、カーブ用切羽系と台車系とのずれを
完全に修正してカーブ用切羽面のさく孔を正確に
行うことができ、カーブトンネル等の掘さく精度
の向上を図ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の実施例に係る数値入力制御方
式のさく孔方法を実施するためのさく孔システム
を示す。同図において、１は切羽面Ｋに対座する
作業台車、２は該作業台車１を地面に固定する支
脚であり、作業台車１上にはロータリーアクチユ
エータ３が設置されている。４は第１ブーム５と
第２ブーム６とからなるブームであつて、該ブー
ム４の第１ブーム５の後端は上記ロータリーアク
チユエータ３に回転自在に軸支されており、該第
１ブーム５の先端には第２ブーム６の後端が前後
伸縮自在に軸支され、さらに該第２ブーム６の先
端にはセルマウンテイング７を介してガイドセル
スライド用のシリンダ８が固定されている。該シ
リンダ８には、後端に後述のさく孔装置１３を作
動制御するフイードモータよりなるさく孔装置制
御手段（図示せず）を装着したガイドセル１０が
揺動自在に載架されていて、上記ガイドセルスラ
イド用シリンダ８の作動によりガイドセル１０を
前後進させるようにしている。また、該ガイドセ
ル１０上には、ビツト１１を先端に有するロツド
１２を取付けたさく孔装置１３が摺動自在に乗架
されていて、さく孔作業時に上記さく孔装置制御
手段（フイードモータ）によりさく孔装置１３を
前後進させるようにしている。さらに、上記ブー
ム４には、ガイドセルスイング用のシリンダ（図
示せず）と、ブームリフト用のシリンダ１４と、
ブームエクステンシヨン用のシリンダ１５と、ガ
イドセルリフト用のシリンダ１６とが取付けられ
ている。よつて、第２図に示すように、ブーム４
は作業台車１に対し、ロータリーアクチユエータ
３により図のｚ軸周囲方向に、かつブームリフト
用シリンダ１４により図のｘ軸周囲方向に、かつ
ブームエクステンシヨン用シリンダ１５により図
のｚ軸方向にそれぞれ変位可能に設けられてい
る。また、さく孔装置１３を乗架したガイドセル
１０はブーム４に対し、ガイドセルリフト用シリ
ンダ１６によりｘ軸周囲方向に、ガイドセルスイ
ング用シリンダによりｙ軸周囲方向に、かつガイ
ドセルスライド用シリンダ８によりｚ軸方向にそ
れぞれ変位可能に設けられている。この各変位量
は、ブーム４及びガイドセル１０の伸長が零で、
ブーム４及びガイドセル１０がｚ方向に平行であ
るときを原点位置としたとき、つまり作業台車１
の座標系（台車系）では、図示の如くブームリフ
ト角BL°、ローテンシヨン角RO°、ガイドセルス
イング角SS°、ガイドセルリフト角SL°、ブーム
エクステンシヨン長lex、ガイドセルスライド長
lsで表わされる。また、このことから、ロータリ
ーアクチユエータ３とブーム４との軸支点を原点
とした球面座標系において、ブーム４の先端位置
（つまりガイドセル１０の先端位置）は、（θ₁、
θ₂、……θ₄、l₁、l₂）で表わされることになり、
さく孔装置１３を乗架したブーム４を該球面座標
系（θ₁、θ₂、……θ₄、l₁、l₂）で自在に変位させ
るように駆動するブーム駆動手段１７を構成して
いる。

さらに、１８は上記ブーム駆動手段１７を作動
制御する位置決めサーボ制御手段であつて、ブー
ム駆動手段１７の各アクチユエータ（ロータリー
アクチユエータ３および各シリンダ８，１４〜１
６）に接続されている。また、１９は上記ブーム
駆動手段１７の各アクチユエータの作動量を演算
検出するエンコーダである。そして、上記ブーム
駆動手段１７の各アクチユエータ、位置決めサー
ボ制御手段１８、エンコーダ１９およびさく孔装
置制御手段はそれぞれインターフエイス２０を介
してマイクロコンピユータ２１に信号の授受可能
に接続されている。

上記マイクロコンピユータ２１の内部は、第３
図に示すように構成されている。すなわち、第３
図において、２２は第１レジスタであつて、第４
図に示すようにカーブトンネルを掘さくする際現
切羽面K₁に対して発破後に新しく得たい切羽面
K₂′から垂直に発破掘進長s₁だけ後退した仮想の
切羽面つまりカーブ用切羽面K₂を設定した場合
に、カーブ用切羽面K₂における基準点として現
切羽面K₁に照射された基準レーザー光線Ｌのカ
ーブ用切羽面K₂と交わる点Ｒ（現切羽面K₁のレー
ザー交点Ｑからの距離をｌとする）と、その交点
Ｒを基準にして決められたレーザー光線Ｌ上の定
点として該点Ｒよりも一定長s₂だけ後退した点
Rrとについてカーブ用切羽面K₂の直角座標系
（カーブ用切羽系）で表わした座標（r₁、r₂、r₃）、
（r₄、r₅、r₆）と、これをブーム４のマニユアル操
作により上記エンコーダ１９の第１演算器１９ａ
で検出し、演算器２３で直角座標系に変換して台
車１の座標系（台車系）で表わした座標（r₁′、
r₂′、r₃′）、（r₄′、r₅′、r₆′）とが入力される。
２４
は、上記第１レジスタ２２に入力された２つの点
Ｒ，Rrについてのカーブ用切羽系の座標（r₁、
r₂、r₃）、（r₄、r₅、r₆）と台車系の座標（r₁′、r₂′
、
r₃′）、（r₄′、r₅′、r₆′）との間の関係からカーブ
用
切羽系と台車系との間の座標変換式（φ、θ、
ψ、x₀、y₀、z₀）を演算する演算器である。２５
はカーブ用切羽系に設定される多数のさく孔点の
位置（ｐ、ｑ、ｒ）および方向（φp、φq、φr）、
つまりさく孔パターンＰ（ｐ、ｑ、ｒ、φp、φq、
φr）が入力されて記憶されるメモリー、２６は
該メモリー２５のさく孔パターン（ｐ、ｑ、ｒ、
φp、φq、φr）を２つの点座標（ｐ、ｑ、ｒ）、
（ｕ、ｖ、ｗ）の形に換算する演算器である。２
７は、該演算器２６の２つの点座標（ｐ、ｑ、
ｒ）、（ｕ、ｖ、ｗ）を上記演算器２４で求めた座
標変換式（φ、θ、ψ、x₀、y₀、z₀）を用いて台
車系の座標（p′、q′、r′）、（u′、v′、w′）に変
換
する演算器である。２８は該演算器２７で求めら
れた台車系の２つの点座標（p′、q′、r′）、（u′、
v′、w′）を本来の台車系のさく孔パターンＰ（p′、
q′、r′、φp′、φq′、φr′）の形に戻すよう換算
する
演算器である。

さらに、第３図において、２９は、上記演算器
２８により直角座標系で得られた台車系のさく孔
パターンＰ（p′、q′、r′、φp′、φq′、φr′）を
漸近
計算法によりブーム４の球面座標系Pθ（θ₁、θ₂、
……θ₄、l₁、l₂）に演算変換する演算器であつて、
該演算器２９で変換されたブーム座標系での値
（θ₁、θ₂、……θ₄、l₁、l₁）は第２レジスタ３０に
記憶されるとともに上記位置決めサーボ制御手段
１８に出力される。そして、該位置決めサーボ制
御手段１８により上記ブーム座標系の値（θ₁、
θ₂、……θ₄、l₁、l₂）に基づいてブーム駆動手段
１７が作動制御されるとともに、該ブーム駆動手
段１７の作動した値（θ₁′、θ₂′、……θ₄′、l₁′
、l₂′）
がエンコーダ１９の第２演算器１９ｂによつて検
出され、この検出した値（θ₁′、θ₂′、……θ₄′、l
₁′、
l₂′）が位置決めサーボ制御手段１８にフイードバ
ツクされることにより、ブーム４の先端（ガイド
セル１０の先端）が上記ブーム座標系の値（θ₁、
θ₂、……θ₄、l₁、l₂）の位置および方向に位置決
めされるようフイードバツク制御されるととも
に、上記位置決めサーボ制御手段１８からの位置
決め完了信号を受けてさく孔装置制御手段９（フ
イードモータ）が作動制御され、所定のさく孔点
のさく孔が行われる。また、３１は操作入力信号
および該さく孔装置制御手段９からの作業終了信
号を受けて上記メモリー２５および第１レジスタ
２２に作動用の指令信号を出力する中央処理装置
である。

次に、上記の制御システムを用いてカーブトン
ネルを掘さくするためのさく孔方法について第５
図に従つて述べるに、 先ず、カーブ用切羽系のさく孔パターンＰ
（ｐ、ｑ、ｒ、φp、φq、φr）が与えられ、メ
モリー２５に入力されている。

また、現切羽面K₁に照射された基準レーザ
ー光線Ｌのカーブ用切羽面K₂と交わる点Ｒと
それより一定長s₂だけ後退した点Rrとについ
て、カーブ用切羽系で表わした座標Ｒ（r₁、r₂、
r₃）、Rr（r₄、r₅、r₆）を求めておき、これを第
１レジスタ２２に入力しておく。また、上記点
Ｒと現切羽面K₁上のレーザー交点Ｑとの距離
ｌをも求めておく。

一方、現場にて、ブーム１４をマニユアル操
作して、ガイドセル１０先端に取付けたターゲ
ツト１０ａを基準レーザー光線Ｌに沿つて現切
羽面K₁上のレーザー交点Ｑから距離ｌにある
点およびそれより更に一定長s₂だけ後退した点
Rrに当てることにより、この２点Ｒ，Rrにつ
いてのカーブ用切羽系の座標（r₁、r₂、r₃）、
（r₄、r₅、r₆）をエンコーダ１９の第１演算器１
９ａにより台車系でとらえ、それを演算器２３
で直角座標系に変換して台車系の座標（r₁′、
r₂′、r₃′）、（r₄′、r₅′、r₆′）を得、これを同じ
く
第１レジスタ２２に入力する。

次に、演算器２４により、上記第１レジスタ
２２に入力された２点Ｒ，Rrの両座標間の関
係、つまり（r₁、r₂、r₃）→（r₁′、r₂′、r₃′）お
よび（r₄、r₅、r₆）→（r₄′、r₅′、r₆′）の関係か
らカーブ用切羽系と台車系との間の座標変換式
を求める。

この演算は、点Ｒ，Rrの各々についてカー
ブ用切羽系と台車系との両座標間で成立する連
立方程式 r₁′ r₂′ r₃′＝（φ、θ、ψ）r₁ r₂ r₃＋x₀ y₀ z₀ r₄′ r₅′ r₆′＝（φ、θ、ψ）r₄ r₅ r₆＋x₀ y₀ z₀ を漸近計算法で解き、φ、θ、ψ、x₀、y₀、z₀を
求める。ただし、（φ、θ、ψ）は座標回転の角 による座標変換マトリツクス、x₀ y₀ z₀は 平行移動を与えるベクトルである。

つまり、（φ、θ、ψ）、x₀ y₀ z₀ が台車系とカーブ用切羽系との間の座標変換式を
表わす。

次いで、上記で与えられたカーブ用切羽系
のさく孔パターンＰ（ｐ、ｑ、ｒ、φp、φq、
φr）を演算器２６により２つの点座標（ｐ、
ｑ、ｒ）、（ｕ、ｖ、ｗ）の形に直す。

続いて、上記で２つの点座標（ｐ、ｑ、
ｒ）、（ｕ、ｖ、ｗ）の形で表わされたカーブ用
切羽系のさく孔パターンを、演算器２７によ
り、上記で求めた座標変換式を用いて台車系
の座標（p′、q′、r′）、（u′、v′、w′）で表わす
。
つまり、 p′ q′ r′＝（φ、θ、ψ）ｐ ｑ ｒ＋x₀ y₀ z₀ u′ v′ w′＝（φ、θ、ψ）ｕ ｖ ｗ＋x₀ y₀ z₀ の関係式から求められる。

さらに、上記で求められた、台車系で表わ
されたさく孔パターンの２つの点座標（p′、
q′、r′）、（u′、v′、w′）を、演算器２８により
本来の台車系のさく孔パターンＰ（p′、q′、r′、
φp′、φq′、φr′）の形に戻す。

しかる後、上記で台車系で表わされたさく
孔パターンＰ（p′、q′、r′、φp′、φq′、φr′）
を
演算器２９によりブーム座標系Pθ（θ₁、θ₂、…
…θ₄、l₁、l₂）に変換したのち、従前と同様に
このブーム座標系Pθを基にブーム４の先端
（ガイドセル１０の先端）をカーブ用切羽面K₂
の所定位置にフイードバツク制御により位置決
めして自動さく孔を行う。

したがつて、上記の如く、カーブトンネルを掘
さくすべくカーブ用切羽系のさく孔パターンが与
えられたとき、このカーブ用切羽系のさく孔パタ
ーンを、基準レーザー光線Ｌを利用してそのレー
ザー光線Ｌ上の所定の２点Ｒ，Rrについてのカ
ーブ用切羽系と台車系との座標間の関係から求め
た台車系とカーブ用切羽系との間の座標変換式で
台車系に座標変換し、この台車系のさく孔パター
ンを基にブーム４が位置決めされて自動さく孔が
行われるので、カーブ用切羽系と台車系とのずれ
が完全に修正されて、カーブ用切羽面K₂のさく
孔を正確に行うことができ、よつてカーブトンネ
ル等の掘さく精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図はさく孔
制御システムの全体概略構成図、第２図はさく孔
装置を乗架したブームの動きを示す説明図、第３
図はマイクロコンピユータの内部構成を示すブロ
ツク図、第４図はカーブトンネルの掘さく状態を
示す説明図、第５図はさく孔手順を説明するフロ
ーチヤート図である。 １……作業台車、４……ブーム、１０……ガイ
ドセル、１０ａ……ターゲツト、１３……さく孔
装置、１７……ブーム駆動手段、１８……位置決
めサーボ制御手段、２１……マイクロコンピユー
タ、Ｌ……基準レーザー光線、Ｒ……基準レーザ
ー光線のカーブ用切羽面との交点、Rr……点Ｒ
よりも一定長後退点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 切羽面に直角座標系で与えられた切羽系のさ
   く孔パターンを台車の座標系で得られる台車系の
   さく孔パターンに変換し、この台車系のさく孔パ
   ターンに基づいてさく孔装置を乗架したブームを
   切羽面の所定位置にフイードバツク制御により位
   置決めして自動さく孔を行うさく孔方法におい
   て、現切羽面に対して非平行で発破後に新しく得
   たい切羽面から垂直に発破掘進長だけ後退させた
   仮想のカーブ用切羽面についてのカーブ用切羽系
   のさく孔パターンが与えられた際、 ａ 上記カーブ用切羽面に対して照射される基準
   レーザー光線Ｌと上記カーブ用切羽面とが交わ
   る点であるところの基準点Ｒと、この基準点Ｒ
   から基準レーザー光線Ｌ上で一定間隔離れた定
   点Rrとの座標をカーブ用切羽系の座標で表わ
   す。 ｂ ブームをマニユアル操作して、ガイドセル先
   端のターゲツトを基準レーザー光線Ｌに沿つて
   移動させながら上記Ｒ点とRr点に当てること
   により、この２点Ｒ，Rrについてのカーブ用
   切羽系の座標を台車系で計測して台車系の座標
   で表わし、この２点Ｒ，Rrの台車系とカーブ
   用切羽系との両座標間の関係から台車系とカー
   ブ用切羽系との間の座標変換式を求める。 ｃ 上記カーブ用切羽系のさく孔パターンを２つ
   の点座標の形に直したのち、上記座標変換式を
   用いて台車系の座標に変換し、この台車系の２
   つの点座標を台車系のさく孔パターンの形に戻
   す という前処理を行うことを特徴とするさく孔方
   法。