JPH10513517A

JPH10513517A - 採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システム

Info

Publication number: JPH10513517A
Application number: JP8523849A
Authority: JP
Inventors: エイ．スミス，ハーバート; アール．ヘイズ，ジャック
Original assignee: アドバンスドテクノロジーフォーロックイクスカベイションインコーポレイテッド
Priority date: 1995-02-07
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1998-12-22
Also published as: EP0807203B1; AU4478696A; CA2141984A1; NO973636D0; NO973636L; FI973242A0; KR19980702017A; ATE174658T1; WO1996024753A1; US6062650A; ZA96650B; DE69601156D1; AU691073B2; FI973242A; CA2141984C; EP0807203A1; DE69601156T2; NZ300131A; NO309209B1

Abstract

(57)【要約】両端のうちの一方の端部ところにモーターで駆動される切削用ヘッド（１４）を、他端のところに回転可能なタレット（２０）を備えたブーム（１２）を有している採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システム。制御システムは、ブーム（１２）の角度を、また、タレット（２０）の角度を連続して測定するための角符号器（４０、４４）と、切削用ヘッド（１４）のリニア位置を連続して測定するためのリニア符号器（５５）とを有しており、ブーム（１２）およびタレット（２０）を作動させるべく用いられるさまざまな流体圧シリンダ即ち駆動装置（４１、４３）の圧力を連続して測定するための圧力トランスデューサ（Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄）を更に有している。また、制御システムは、切削用ヘッド（１４）を駆動するモーター（１８）へのパワー入力を連続して測定するためのパワートランスデューサ（５７）も有していて切削用ヘッド（１４）のＲＰＭを制御するようになってもよい。上述したさまざまな測定からの信号は、所定のコンピュータプログラムに従ってコンピュータ（４６）により連続して処理され、また、制御器（４７）が備えられていて、制御器（４７）はコンピュータ（４６）に応答するようになっているとともに、制御器（４７）はさまざまなパラメータを連続して制御して所定の切り込み深さおよび前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システム技術分野この発明は、傾斜可能なブームを有する採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システムに係わり、前記ブームの一端に配備された回転可能に駆動される切削用ヘッドは、切削されるべき面に向かって突出し、また、他端では、ブームは回転可能なタレットに接続されており、該回転可能なタレットも前記ブームが回転するのを可能にしている。かような機械は、ヘッディング機械として、あるいは、ロードヘッダーとして、あるいは、ブーム採掘即ちトンネル堀機械として一般に知られている。発明の背景過去には、採掘即ちトンネル堀機械のためのさまざまな制御システムが提案されている。例えば、１つのかようなシステムは、１９９１年１１月２８日に公告された国際特許出願（ＰＣＴ）第ＷＯ９１／１８１８４号に開示されている。それに開示されている機械は、回転可能な大きい切削用ホイールを備えている特殊な形式のもので、該切削用ホイールは、それが回転する際に横方向に移動するようになっていて、もって、該切削用ホイールの直径に基本的に対応する高さを有している面を切削するようになっている。かような機械の制御システムを、ブーム式の採掘即ちトンネル堀機械に容易には適応させることはできず、そのブーム式の採掘即ちトンネル堀機械では、ブームは傾斜可能であるとともに回転可能であって切削の所望のプロフィールを達成しており、ここで、「プロフィール」とは、ブームが取るよう指向されているいずれかの経路であって、機械的制約あるいは機械によってのみ制約されている経路を意味している。他の既知のシステムは所定のプロフィールの切削を与えているが、面が切削されつつある際に、また、機械が作動している間に適宜の訂正がなされるのを可能にする作動の連続した制御なしに所定のプロフィールの切削を与えている。かような既知の制御システムは、（例えば、個々の流体圧回路あるいは電気モーターの制御を介しての）個々の移動の制御が基本的にオープンループの態様でなされるのが基本であり、言い換えれば、液溜の位置、ブームおよびタレット回転のうちのあるモニタリングは存在するけれども、システムは不連続の態様での情報以外の情報に反応することができない。プロフィール切削の場合、所与の組のプロフィール寸法に対するカムあるいは特定の単純なカムアルゴリズムを使ってブーム枢支あるいはタレット回転の一方あるいは他方の移動のある距離間隔でブームおよびタレットの別個の分離移動を作り出してもよく、これにより、（プロフィール自体の点で最良でも３−５ｃｍ程度の）ブーム及び／またはタレットの１度あるいは２度の移動内まで正確なプロフィールが作り出される。既知の機械では連続した制御がなされていなく、その結果、位置の不正確さ、液溜、ブーム枢支及びタレット回転における位置の変化（移動）だけでなく、結果として、その不正確さ、岩を通る移動速度の変化に対する大きなポテンシャル、及び、かくて、切削用ヘッド及び工具により経験される力の変化に対する同様の大きなポテンシャルとなる。例えば、堅い岩石切削においては、この位置、移動及び力の連続した、そして、正確な制御の欠如により、結果として、最良の場合でも、不正確なプロフィール、並びに、より短縮された工具寿命、及び、最悪の場合、岩を貫通し、且つ、切削するほとんどまったくと言っていいほどの無力となる。きわめて破砕された土地では、かような制御されない切削により、結果として、所望とされない岩のブロックが掘削された開口の周辺から引きちぎられ、あるいは、引き離されてしまい、かくて、地上誘導問題を悪化させてしまう。先のシステムの別の欠点は、プロフィール寸法におけるいかなる変化に対して、まったく新しい組の対応するブーム角値及びタレット角値を外部で作らねばならず、また、機械演算システム内にプログラムしなければならないことである。かくて、ブームが傾斜可能で、且つ、回転可能であり、切削用ヘッドも、その目的で別個のモーターあるいは流体圧駆動装置を用いて回転せしめられる上述したごときブーム式機械に対し、満足の行く連続制御システムは存在していないようである。発明の概要それ故、本発明の目的は、上述した形式の、即ち、傾斜可能で、且つ、回転可能なブームと、別個の電気モーターあるいは流体圧駆動装置により回転せしめられる切削用ヘッドとを有する採掘即ちトンネル堀機械のための新規な連続制御システムを提供することである。本発明の別の目的は、適正な補正を連続的になして所定の切り込み深さ及び前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するように制御システムを最適化することである。本発明の他の目的及び利点は、以下の記載から明かとなろう。かくて、本質において、本発明によれば、切削用ヘッドを備えているブームを有しており、該切削用ヘッドは前記ブームの一端のところに装荷された被切削面に向かって突出しており、且つ、前記切削用ヘッドを一つ以上のＲＰＭ値で回転させるための手段を有している採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システムであって、前記ブームは、それの他端で、回転可能なタレットに傾斜可能に接続されていてそれとともに回転するようになっており、また、前記タレットを回転させるための手段を備えており、前記ブームは、内部でピストンが摺動可能な少なくとも１つの流体圧シリンダにより傾斜されるようになっており、前記少なくとも１つの流体圧シリンダは、一端で、前記タレットに接続され、他端で、前記ブームに接続されていて、前記ピストンが前記流体圧シリンダから前進せしめられ、あるいは、該流体圧シリンダに引っ込められる際、そのブームを傾斜させるようになっており、前記制御システムは、前記ブームの傾斜角を連続して測定するための第１の角符号器と、前記タレットの回転角を連続して測定するための第２の角符号器と、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して測定するためのリニア符号器と、前記符号器からの出力信号に応答して、所定のコンピュータプログラムに従って前記信号を連続して処理するよう構成されているコンピュータと、前記コンピュータに応答する制御器であって、該制御器は比例バルブ手段を制御し、該比例バルブ手段は、次いで、前記少なくとも１つの流体圧シリンダへの作動流体の流れを制御し、また、前記制御器は、更に、前記タレットの回転速度を制御するとともに前記切削用ヘッドのリニア前進も制御し、もって、ブームの角位置、前記タレットの角位置、及び、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して制御していて所定の切り込み深さ及び前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するようになっている前記制御器と、を有している制御システムが得られる。本発明の好適実施例によれば、それの両端のうちの一方のところに電気モーターで駆動される切削用ヘッドを備えたブームを有する採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システムであって、前記切削用ヘッドは被切削面に向かって突出しており、前記ブームは、それの他端で、回転可能なタレットに傾斜可能に接続され、該回転可能なタレットは流体圧駆動装置により回転されるようになっていて、それにより、前記タレットが回転される際に前記ブームも回転させており、前記ブームは、内部でピストンが摺動可能な少なくとも１つの流体圧シリンダにより傾斜可能にされており、前記少なくとも１つの流体圧シリンダは、一端で、前記タレットに接続され、他端で、前記ブームに接続されていて、前記ピストンが前記流体圧シリンダから突出せしめられ、あるいは、該流体圧シリンダに引っ込められる際、該ブームを傾斜させるようになっており、前記制御システムは、前記ブームの傾斜角を連続して測定するための第１の角符号器と、前記タレットの回転角を連続して測定するための第２の角符号器と、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して測定するためのリニア符号器と、前記タレットを回転させる前記流体圧駆動装置の圧力を測定するための手段と、前記ブームを傾かせるのに用いられる前記少なくとも１つの流体圧シリンダの各端部のところの圧力を測定するための手段と、前記電気モーターで駆動される切削用ヘッドのＲＰＭを選定するための手段と、前記符号器及び前記圧力測定手段からの出力信号に応答して、所定のコンピュータプログラムに従って前記信号を連続して処理するよう構成されているコンピュータと、前記コンピュータに応答する制御器であって、該制御器は比例バルブ手段を制御し、該比例バルブ手段は、次いで、前記少なくとも１つの流体圧シリンダへの、及び前記タレットの流体圧駆動装置への作動流体の流れを制御し、また、前記制御器は、更に、前記切削用ヘッドのリニア前進を制御し、もって、ブームの角位置、前記タレットの角位置、及び、前記切削用ヘッドのリニア位置を制御し、所定の切り込み深さ及び前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するよう前記制御はコンピュータプログラムに従って連続して作動するようになっている前記制御器と、を有している制御システムが得られる。切削用ヘッドのＲＰＭは一定の速度で予め設定されていてもよく、あるいは、可変速度駆動装置が備えられていて可変速度で前記ＲＰＭを制御するようになっていてもよい。注意すべきは、コンピュータが可変速度駆動装置を制御するべく用いられる際に、いつでも、その速度は、切削用ヘッドモーター入力パワーあるいはブームバラツキ振幅及び／または周波数即ち振動数のごとき、選定された及び／または測定されたパラメータに作用するコンピュータプログラムにより設定される。本発明の連続制御システムを、回転可能なタレットが水平軸線あるいは垂直軸線の回りで回転される機械に用いてもよい。回転の水平軸線を有するタレットを備えた機械において、非回転可能なハウジングがそれらに続いて配備されており、そこには、タレットを回転させるための流体圧駆動装置あるいはモーターが装荷されている。このハウジングは液溜シリンダにより前方あるいは後方に移動することができ、また、内部の流体圧を測定するための手段が備えられ、かくて、該手段は切削用ヘッドのリニア位置を制御するよう用いることができる。ハウジングの移動は特定の距離（例えば、１ｍ）延びており、一方、機械は、例えば、ステーカ、グリッパ、ステルスあるいは安定化装置のごとき適宜の安定化手段により静止した状態に保持される。或る機械は入れ子式に延長可能なブームを有しており、該ブームも切削用ヘッドのリニア位置を制御するための手段を提供している。かようなリニア位置も、適宜のリニア符号器により連続して制御することができ、そのリニア符号器からの信号は、次いで、コンピュータに送られ、制御されるべき機能のうちの１つとしてコンピュータプログラムに含ませられる。角位置あるいはリニア位置を連続して測定するための角及びリニア符号器は当業界では周知である。通常、これらのものは光電子装置であり、該光電子装置は１秒の数分の１毎に、例えば、１秒当たり１０乃至１２回読みを与えるようになっており、ここでは、それは連続運転と呼ぶ。符号器からの信号はコンピュータに連続して伝送され、また、予め選定されたコンピュータプログラムに従って処理され、それは適宜のテーブルあるいはアルゴリズムを含むことができる。ここで用いられている用語「符号器」は、それ故、連続した角あるいはリニア測定及び結果として得られる信号の、コンピュータへの伝送をなすのに適したいずれかの装置を含む一般的な用語である。さまざまな圧力を連続して測定するための手段は圧力トランスデューサからなっており、該圧力トランスデューサも当業界では良く知られている。切削用ヘッドを駆動するための電気モーターに関して、その電気モーターを可変速度駆動装置により制御することができる。しかし、切削用ヘッドのＲＰＭも、１つあるいはそれ以上のＲＰＭ値で作業者により予め設定することができ、また、その値で本質的に一定に維持することができる。もちろん、コンピュータ及び可変速度駆動装置により、全体のプログラムの一部として、そのＲＰＭも連続して制御することができる。代表的には、その可変速度駆動装置は可変パワーを与えてモーターを運転し、堅い即ち強い岩の場合約３と１０ＲＰＭとの間の速度で切削用ヘッドを駆動し、その速度は柔らかい即ち弱い岩における速度よりもかなり高いものであってもよい。通常、制御器は複数個のＰＩＤ（比例積分偏差）制御器を有しており、該ＰＩＤ制御器はコンピュータプログラムからの指令に従って機械のさまざまな機能を連続して制御する。好ましくは、コンピュータプログラムは数理アルゴリズムに基づいており、該数理アルゴリズムはさまざまな測定されたパラメータを考慮に入れているとともに、必要とされる条件を計算して、工具の摩耗を最小化しつつ、最も優れた前進速度で所望のプロフィールを達成するようになっている。通常、このことは閉ループ作業でなされる。本発明に従って制御される機械は流体圧システムと共に作動してもよく、該流体圧システムは全ての前進速度を網羅しており、あるいは、該流体圧システムは２つあるいはそれ以上のサブシステムで構成されていて、各々が前進速度の異なる範囲をカバーしている。かくて、堅い土地を切削するための代表的な構成は流体圧サブシステムからなっていて２０−１００ｍｍ／分の前進速度を正確に可能にすることができるようになっており、また、その構成は１００−１５００ｍｍ／分の前進速度を正確に可能にする第２のサブシステムからなっている。上述した前進速度は切削用ヘッドのリニア前進を言及している。本発明の制御システムは、かような状況において、ブームシリンダ及びタレット流体圧駆動装置への流体圧流体の流れに対して平行な２つの別個の組のバルブ手段を提供し、１つは前進の低い速度に対してであり、１つは前進の高い速度に対してである。ブーム前進のこの速度は次の式により表すことができる。前進速度＝切り込み深さ／工具／回転ｘ工具／ラインの数ｘヘッドＲＰＭ切削用ヘッドに対するライン当たりの工具の数及び形式、並びに、工具ラインの数は、機械に依存して、また、それの所望の用途に依存して変わり得る。異なる前進速度をカバーするために多数のサブシステムを備えている流体圧システムの利点は、バルブが最も正確に遂行する流れ及び圧力範囲内で作動するよう個々の構成要素、具体的には、バルブを選定し得ることである。かくて、好適実施例においては、新規な制御システムは連続した閉ループのＰＩＤ（比例積分偏差）位置システムであり、それにより、設定値（ブーム角、タレット角、及びリニア液溜位置の「仮定」値）が、代表的な場合、１秒当たり１０乃至２０回のオーダーでコンピュータにより連続して発生される（実際の周波数即ち振動数は選定された部品及び計算回数に依存しているが、それは固定され、且つ、いつでも知れる）。ブーム角、タレット角、及びリニア液溜位置の各々についての実際の位置情報は、通常、設定値発生周波数即ち振動数よりも大きな周波数即ち振動数、例えば、１秒当たり２０回よりも大きな周波数即ち振動数で受領される。実際の値と「仮定」値との間の差は、その差（誤差）をゼロにする一定の目的で、計算能力（computing capability）により、また、特定的に選定された流体圧駆動装置、バルブ及びポンプにより連続して反応される。この方法は、液溜の個々の移動、タレット回転及びブーム枢軸の個々の移動、並びに、これらの運動のいかなる組み合わせに対しても行われる。結果として、きわめて正確な位置制御システム（代表的な誤差はリニア液溜の場合約±１ｍｍ内であり、ブーム角及びタレット角の各々に対しては約±０．０４度内である）となる。また、設定値を生成する速度が一定で、非常に早いので、システムは、各運動に対して、あるいは、運動の組み合わせに対して、即ち、切削用ヘッドが取り付けられているブームの端部に対して非常に正確な速度制御システムとなる。そして、切削用ヘッドの横方向の正確な速度、及び、前記ヘッドの（予め設定された）一定回転速度、あるいは、制御された可変速度の結果、個々の工具により取り去られる切り込み深さ及び所与の岩の形式においてその切り込み深さに対する個々の工具により経験される力は、同様に細かく制御される。そして、非常に破砕された土地において、開口部の周囲に対する妨害は最小化される。新規なシステムの別の利点は、所与のプロフィールが機械コンピューティングシステム内に数学的に表されているので、異なるプロフィール即ち開口部寸法あるいは形（機械の中心線に対して非対称なこれら形を含む）は、コンピューティングシステム内の非常にわずかな数の数値を変えることにより、簡単に且つ速やかに、始めることができる。次いで、機械は新たに選定された経路の指示を自動的に行う。制御システムの別の実施例は、切削用ヘッドモーター入力パワー、及び液溜の各々における流体圧、タレットの回転及びブーム枢動システムの連続モニタリングに係わる。この情報はいくつか方法で用いることができる。即ち、ａ）パワー及び圧力の別個のレベルの設定。選定された時間でこれらのレベルを越えることにより、結果として、自動的に、ブームの端部の位置変化の速度が特定的に減少する（言い換えれば、ヘッド横方向速度が減少する）。この横方向速度の減少により、速度（液溜及び／またはタレット回転及び／またはブームの枢動）を抑制して、上述した通り、同じ同等にされた態様で作用するこれらのシステムが必要とされる。このことは、必要とされる位置値及び実際の位置値を連続したベースで比較し、誤差をゼロにしようと一定して努力するのと同じ態様で達成される。ｂ）上記の延長として、先の横方向速度の自動的な再開、あるいは、パワー及び／または圧力値が特定の時間間隔の間或るレベルよりも下に維持する場合、いくつかの他の速度の採用がある。ｃ）上記の更なる延長として、パワー及び圧力レベルが特定のレベルに、あるいは、特定の範囲内に維持される際に、切削用ヘッド（ブーム端部）位置の変化の速度に対する連続した調節がある。新規な制御システムの、なお、別の実施例は、例えば、ブームに置かれた、あるいは、そのブームに隣接した加速度計あるいは速度ゲージを用いることにより、ブーム振動振幅及び／または周波数即ち振動数、及びブームの横方向速度及び／または切削用ヘッドの速度の自動調節を連続してモニターして前記振動振幅及び／または周波数即ち振動数を、工具及び機械部品の寿命を最適化するための所定の限界内に維持する手段を提供する。この発明の制御システムに対する別の延長により、工具温度及び／または工具力を連続してモニターし、また、ブーム横方向速度及びヘッド速度のいずれか一方、あるいは、両方を自動的に調節して工具の温度及び／または工具力を、工具寿命を最適化するための所定の限界内に維持する手段が提供される。例えば、工具温度は、熱電対を用いてモニターすることができ、また、工具力はひずみゲージを用いてモニターすることができる。コンピュータプログラムは、例えば、次の式に基づいていてもよく、その次の式は、機械の３つの作動モードが同時に発生し、そして、ブームの位置の一定の変化速度（言い換えれば、一定速度）が達成される際の、例えば、設定値発生を記述している。引用された例は、液溜を備えて水平にプロファイリングすることと、液溜を備えて垂直にプロファイリングすることである（プロファイリングすることはタレットの回転とブーム枢軸の移動との両方を含む）。基礎ここで、ＶＰ＝ブームのプロファイリング速度また、ＶＳ＝ブームの液溜速度「Ｖ」、及びＶＰおよびＶＳ間に望まれる比（即ち、「Ｎ」）を選定すれば、設定値生成１）水平運動回転設定値は次の式で与えられる。標高設定値は次の式で与えられる。 θ₁＝ｓｉｎ^-1（ｙ／Ｌｃｏｓφ）液溜設定値は次の式で与えられる。Ａ₁＝Ａ＋ＶＳ／Ｆ２）垂直運動回転設定値は次の式で与えられる。標高設定値は次の式で与えられる。 θ₁＝ｓｉｎ^-1（ｘ／Ｌｓｉｎφ）液溜設定値は次の式で与えられる。Ａ₁＝Ａ＋ＶＳ／Ｆここで、 φは現在のタレット角、 φ₁はタレット角設定値、 θ₁は標高角設定値、Ｌはブーム長さ、Ｆは設定値発生周波数即ち振動数、Ａは現在の液溜位置、Ａ₁は液溜位置設定値、そして水平運動の場合ｒは切削用ヘッドの水平運動により描かれる大きな円の半径、ｙは大きな円の面とブーム枢軸点との間の垂直距離、 β_oは水平面へのブーム投射の大きな円内での現在の角度、 β_cは設定値間の時間間隔当たりの大きな円内での角変化、及び垂直運動の場合ｒは切削用ヘッドの垂直運動により描かれる大きな円の半径、ｘは大きな円の面とブームの枢軸点との間の水平距離、 α_oは垂直面へのブーム投射による大きな円内での現在の角度、 α_cは設定値間の時間間隔当たりの大きな円内での角変化。上記式に基づき、適宜のアルゴリズムを提供して機械の作動を制御するためのコンピュータを配置する。図面の簡単な説明さて、本発明の好適実施例を、添付図面を参照して説明する。図面において、図１は、本発明に従って制御され得る機械の側面図であり、及び図２は、図１の機械のための新規な制御システムの好適実施例の概略図である。発明の詳細な説明図１を参照すると、それには機械１０が示されており、その機械１０は本発明の制御システムを備えていてもよい。この機械はブーム１２を有しており、該ブーム１２の一端には切削用ヘッド１４があり、該切削用ヘッド１４は、切削用ヘッドギヤボックス１６を介してブーム１２に接続されている。切削用ヘッド１４は切削工具１５を有しているとともに、モーター１８によりギヤボックス１６を介して駆動され、該モーター１８は、例えば、ハードな岩切削の場合、３及び１０ＲＰＭの間の所望の速度で切削用ヘッドを回転させるようになっている。他端では、前記ブーム１２は回転可能なタレット２０に接続されているとともに、流体圧シリンダ２４及び２６によりブーム枢軸２２上で傾動することができ、該流体圧シリンダ２４及び２６はそれらの内部で摺動可能なピストン２８及び３０を有している。一端では、これらの流体圧シリンダは点３２及び３４のところでタレット２０に接続されているとともに、他端では、点３６及び３８のところでブーム１２に接続されていて、ピストン２８が引っ込められるか、あるいは、伸張されるかのいずれかである際、また、ピストン３０がそれぞれのシリンダ２４、２６に、それぞれのシリンダ２４、２６から伸張されるか、あるいは、引っ込められるかのいずれかである際、ブーム１２を傾動させるようになっている。かような機械では、ブーム１２の傾動は、代表的な場合、０および４３°の間で変化するが、これは、何等限定的なものではない。ブーム１２の傾動角度は、ブーム枢軸２２のところに通常置かれた角符号器４０により連続して測定される。回転可能なタレット２０には非回転可能なハウジング４２が続いており、そこには、タレットを回転させるための流体圧駆動装置が置かれている。角符号器４４が備えられていて、タレット２０の回転角を連続して測定し、かくて、前記タレット上のブーム１２の回転角を連続して測定している。この角度は所定の線、通常、タレット２０の垂直軸線に関連して測定され、また、０から３６０°に変化することができる。コンピュータ及び制御器システム４６、４７は、通常、機械の背後に置かれているが、オペレータインターフェース４８はオペレータステーション５０に備えられていてもよい。機械はクローラトラック５２上で移動するが、このタイプの機械を、側部ステーカ５４により、壁に、横方向に、固定することもでき、また、ステーカ５６により屋根に固定することもでき、もって、作動中、安定性を提供している。かかる事情において、岩の面５８の切削中、切削用ヘッド１４を前進させるために、ハウジング４２は、液溜シリンダ６２、６４を用いて、所定の距離だけ前進され、言い換えれば、６０で示されているごとく、１メーターだけ前進され、該液溜シリンダ６２、６４は２つの別個の０．５ｍの移動で目的を達成することができる。同じ距離がヘッド前進距離６６の前方に示されている。この行程即ち前進が達成され、前面区域の全体が切削されたら、ステーカ５４、５６は解除され、ハウジング４２はそれのスタート位置に戻され、機械は上述した所定の距離だけトラック５２上で前進し、切削が再び始められる。ハウジング４２の前進、即ち、ヘッド１４の前進もリニア符号器を通して連続してモニターされ、また、コンピュータにより用いられて切削作業中、岩面５８に必要な圧力を提供する。機械も、適宜の集合アームを備えた負荷用エプロン６８を備えていて切削されつつある岩に作用し、次いで、この岩はコンベア７０により機械の背後に移動せしめられて引かれる。同じ特徴事項が図１と同じ参照番号で示されている図２を参照すると、この図２はブーム１２を示しており、ブーム１２の一端には切削用ヘッド１４が備えられており、切削用ヘッド１４はギヤボックス１６を介してブーム１２に接続されている。切削用ヘッド１４はピックあるいはディスクのごとき切削工具１５を備えている。電気モーター１８は、一定でもあり得、あるいは、可変でもあり得る所定の速度で、ヘッド１４を駆動するために用いられている。それの他端のところで、ブーム１２はタレット２０に傾動可能に接続されており、タレット２０は、この場合、矢印２１の方向に回転するとして示されている。必要に応じ、それを反対の方向にも回転することもできる。ブーム１２の傾動は流体圧シリンダ２４、２６によりブーム枢軸２２の回りでなされ、流体圧シリンダ２４、２６はそれらから突出するピストン２８、３０を有している。これらのシリンダは、一端で、点３２、３４のところで回転可能なタレット２０に取り付けられ、また、他端で、ピストン２８、３０を介して、点３６、３８のところでブーム１２に接続されている。回転可能なタレット２０に続いては非回転可能なハウジング４２が備えられており、非回転可能なハウジング４２は、時として、タレットの非回転可能な部分とも呼ばれる。流体圧駆動装置４１、４３はハウジング４２に装荷されており、それらはタレット２０を矢印２１の方向に回転させる。このことはギヤボックス３７、３９及びピニオン３３、３５を介してなされ、ギヤボックス３７、３９及びピニオン３３、３５はこのピニオン３３、３５に隣接した一つの大きなスルーリングに係合し、スルーリングはタレットを回転させるようになっている。代表的な場合、この目的で使用される４つの流体圧駆動装置が存在している。翻って、タレット２０は軸４５を、矢印２１と同じ矢印４９の方向に回転させる。機械が静止状態に維持されつつ、ハウジング４２は矢印５１の方向に（あるいは必要に応じ、逆の方向に）直線的に移動可能である。このことは流体圧シリンダ６２、６４によりなされ、流体圧シリンダ６２、６４は、通常、液溜シリンダと呼ばれている。このように、切削用ヘッド１４も矢印５３により示されているごとく同じ方向に移動することができる。切削用ヘッド１４による開削の制御は次のように行われる。即ち、第１の角符号器４０はブーム枢軸２２のところに備えられていてブーム１２の傾斜角を連続して測定し、第２の角符号器４４は軸４５の端部のところに備えられていてタレット２０の回転角を連続して測定しており、タレット２０は、通常、非常にゆっくりと回転し、例えば、切削用ヘッドのある深さまで全面を、あるいは、開口を掘削するのに完全な２回転よりも少ない回転を必要とするかも知れず、リニア符号器５５が備えられていてハウジング４２のリニア位置を、即ち、切削用ヘッド１４のリニア位置を連続して測定し、圧力トランスデューサＰ₁及びＰ₂が備えられていてブーム１２を傾けるために用いられる少なくとも１つの流体圧シリンダ（例えば、２６）の各端部のところの圧力を連続して測定し、圧力トランスデューサＰ₃及びＰ₄も備えられていてタレット２０を回転させるのに用いられている流体圧駆動装置４１、４３の各端部のところの圧力を連続して測定し、圧力トランスデューサＰ₅及びＰ₆は液溜シリンダ６２、６４の各端部のところの圧力を連続して測定するのに用いられていて、液溜シリンダ６２、６４は、ハウジング４２を矢印５１のリニア方向に移動させるのに、即ち、ヘッド１４を矢印５３により示されているごとく同じ方向に移動させるのに用いられており、及びスリップリング組立体５９に隣接して示されているパワートランスデューサ５７が用いられていて、ヘッド１４を駆動するモーター１８へのパワー入力を測定する。上述した全ての測定装置からの信号は、図２の破線で示されているごとく、コンピュータ４６に伝送される。適宜のプログラム、即ち、アルゴリズムはプログラム装置６３によりコンピュータに入力され、所与の岩硬度、即ち、所与の掘削速度等のための所望のプログラムはオペレータインターフェース４８を介してオペレータにより選択されても良い。コンピュータは、あらかじめ選定されたプログラムに従ってさまざまな信号を、連続した基礎をなして処理し（例えば、１秒当たり１０乃至２０回）、そして、これも連続した基礎をなして、命令を制御器４７に送り、制御器４７は、通常、複数個のＰＩＤ制御器からなっており、このＰＩＤ制御器は機械のさまざまな機能を制御する。かくて、先に引用した双子の流体圧システムでは、制御器は、前進が低速で、あるいは、高速で実施されているかどうかに依存して、バルブ６７あるいは６９に対する流体圧流体の入力及び出力を制御し、これにより、いずれかの所与の時間でのブーム１２の傾き角度θが制御される。同じ制御が、これも前進の速度に依存して、バルブ７１あるいは７３に対する作動流体の入力及び出力を制御することにより、流体圧駆動装置４１、４３に対してなされる。これにより、いずれの所与の時間でのタレット２０の回転角φが制御される。これらの２つの制御でもってした場合、所望のプロフィールを、きわめて高い精度でもって切削することができる。液溜前進（sumping odvance）の速度は、バルブ７２に対する作動流体の入力及び出力を連続して制御されることにより制御されることができ、バルブ７２は、次いで、ハウジング４２の、即ち、切削用ヘッド１４の所望の前進速度を作り出すシリンダ６２及び６４の作動を制御する。最後に、コンピュータは可変速度駆動装置７４を介して切削用ヘッド１４の回転速度を制御しても良い。ここでも注意すべきは、ヘッド１４の回転速度が予め設定されていて所望の一定ＲＰＭで走行してもかまわないので、このことは任意選択の制御特徴である。図２から判るとおり、本発明の制御システムは機械の連続した閉ループ制御を提供し、この閉ループ制御により、機械は、予め定められた切削深さ、及び、前進速度で、予め選定されたプロフィールを切削するのが可能とされる。更に、かような自動及び連続制御を提供するために、Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅ 及びＰ₆のごときさまざまな圧力をプログラムして所定の限界内で作動するようにしてもよく、また、例えば、１つあるいはそれ以上の例でこれらの限界を越える場合、所定の限界を再インストールするために、コンピュータは、或る他の機能を調節し、例えば、前進の速度を低減させる。これにより、機械は、いずれかの所与の岩の形式あるいは他の状況に対する工具の摩耗を最小にしつつ、最良の前進速度で作動するのが可能となる。理解されるべきは、本発明は、図１に示されているごとき機械のための制御システムに限定されないことである。ブームが傾動可能に接続された垂直軸線回転可能なタレットを有している機械は多数存在する。新規な制御システムはかような機械にも簡単に適合させることができる。また、入れ子式ブームを備えていて液溜作用を提供する機械が存在しており、また、新規な制御システムはかような機械と一緒に、再び、容易に用いることができる。更に、一つでなくて、二つあるいはそれ以上のブームを有する機械が存在し、本発明の制御システムは、とるに足りない明らかな調節により、かような機械に等しく適用可能である。更に、切削用ヘッドを駆動する電気モーターは流体圧駆動装置と交換することができる。かような場合、駆動装置の圧力を測定するための手段が備えられていて、結果として得られる出力信号は、タレットを駆動する流体圧駆動装置に関連して既に述べたごとく、コンピュータにより処理される。また、流体圧駆動装置でなくて電気モーターによりタレットが駆動される機械が存在しているかもしれず、かような機械は、本発明の制御システムを用いて、等しく制御することができ、それにより、流体圧駆動装置の圧力を測定する代わりに、電気モーターへのパワー入力を測定し、且つ、その電気モーターのＲＰＭを測定し、結果として得られる信号を、基本的に、切削用ヘッドを駆動するために用いられる電気モーターに関連して既に述べたごとく、コンピュータにより処理する手段が備えられている。最後に、図２を参照して、注意されるべきは、全ての機械及び全ての作動がここに示された全ての測定及び制御を必ずしも必要としていないことである。いくつかの機械は前進の２つの速度を必要としていず、また、あるものは、本ケースで示された２つの代わりに、さまざまなシリンダ及びバルブ手段で、１つだけの圧力測定を必要としているかもしれない。全てのことは、作動の所望とされる精度に依存しており、また、機械が受ける使用態様に依存している。別の場合、例えば、ブームの振動振幅、及び／または、周波数即ち振動数あるいは工具温度、及び／または、工具の力、あるいは、屋根ステーカ及び側部ステーカシリンダ圧のごとき、ある付加的な機能を制御することを望んでも良い。かくて、当業者には自明な多くの変形を、この発明の精神から逸脱することなく、また、以下の請求の範囲を逸脱することなく、なすことができる。また、明らかに、新規な連続制御システムを有しているどのような機械も本発明の範囲内である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヘイズ，ジャックアール. カナダ国ピー０エム１アール０オンタリオ，ダウリング，ピー．オー．ボックス 329 【要約の続き】７）が備えられていて、制御器（４７）はコンピュータ（４６）に応答するようになっているとともに、制御器（４７）はさまざまなパラメータを連続して制御して所定の切り込み深さおよび前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するようになっている。

Claims

【特許請求の範囲】１．切削用ヘッドを備えているブームを有しており、前記切削用ヘッドは前記ブームの一端のところに装荷された被切削面に向かって突出しており、且つ、前記切削用ヘッドを一つ以上のＲＰＭ値で回転させるための手段を有している採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システムであって、前記ブームは、それの他端で、回転可能なタレットに傾斜可能に接続されていてそれとともに回転するようになっており、また、前記タレットを回転させるための手段が備えられ、前記ブームは、内部でピストンが摺動可能な少なくとも１つの流体圧シリンダにより傾斜されるようになっており、前記少なくとも１つの流体圧シリンダは、一端で、前記タレットに接続され、他端で、前記ブームに接続されていて、前記ピストンが前記流体圧シリンダから前進せしめられ、あるいは、該流体圧シリンダに引っ込められる際にそのブームを傾斜させるようになっており、前記制御システムは、前記ブームの傾斜角を連続して測定するための第１の角符号器と、前記タレットの回転角を連続して測定するための第２の角符号器と、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して測定するためのリニア符号器と、前記符号器からの出力信号に応答して、所定のコンピュータプログラムに従って前記信号を連続して処理するよう構成されているコンピュータと、前記コンピュータに応答する制御器であって、該制御器は比例バルブ手段を制御し、該比例バルブ手段は、次いで、前記少なくとも１つの流体圧シリンダへの作動流体の流れを制御し、また、前記制御器は、更に、前記タレットの回転速度を制御するとともに前記切削用ヘッドのリニア前進も制御し、もって、ブームの角位置、前記タレットの角位置、及び、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して制御していて所定の切り込み深さ及び前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するようになっている前記制御器と、を有している制御システム。２．それの両端のうちの一方のところに電気モーターで駆動される切削用ヘッドを備えたブームを有する採掘即ちトンネル堀機械のための連続制御システムであって、前記ヘッドは被切削面に向かって突出しており、前記ブームは、それの他端で、回転可能なタレットに傾斜可能に接続され、該回転可能なタレットは流体圧駆動装置により回転されるようになっていて、それにより、前記タレットが回転される際に前記ブームも回転させており、前記ブームは、内部でピストンが摺動可能な少なくとも１つの流体圧シリンダにより傾斜可能にされており、前記少なくとも１つの流体圧シリンダは、一端で、前記タレットに接続され、他端で、前記ブームに接続されていて、前記ピストンが前記流体圧シリンダから突出せしめられ、あるいは、該流体圧シリンダに引っ込められる際、前記ブームを傾斜させるようになっており、前記制御システムは、前記ブームの傾斜角を連続して測定するための第１の角符号器と、前記タレットの回転角を連続して測定するための第２の角符号器と、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して測定するためのリニア符号器と、前記タレットを回転させる前記流体圧駆動装置の圧力を測定するための手段と、前記ブームを傾かせるのに用いられる前記少なくとも１つの流体圧シリンダの各端部のところの圧力を測定するための手段と、前記電気モーターで駆動される切削用ヘッドのＲＰＭを選定するための手段と、前記符号器及び前記圧力測定手段からの出力信号に応答して、所定のコンピュータプログラムに従って前記信号を連続して処理するよう構成されているコンピュータと、該コンピュータに応答する制御器であって、該制御器は比例バルブ手段を制御し、該比例バルブ手段は、次いで、前記少なくとも１つの流体圧シリンダへの、及び前記タレットの流体圧駆動装置への作動流体の流れを制御し、また、前記制御器は、更に、前記切削用ヘッドのリニア前進を制御し、もって、ブームの角位置、前記タレットの角位置、及び、前記切削用ヘッドのリニア位置を連続して制御していて所定の切り込み深さ及び前進速度で予め選定されたプロフィールを切削するようになっている前記制御器と、を有している制御システム。３．請求の範囲第１項記載の制御システムにおいて、前記切削用ヘッドを回転させるための前記手段は流体圧駆動装置を有しており、また、前記流体圧駆動装置の圧力を測定するための手段が備えられており、前記コンピュータが前記圧力測定手段からの出力信号に応答して、所定のコンピュータプログラムに従って前記信号を連続して処理している制御システム。４．請求の範囲第１項、第２項あるいは第３項記載の制御システムにおいて、前記切削用ヘッドのＲＰＭを制御するための可変速度駆動装置が備えられており、前記コンピュータは所定のコンピュータプログラムに従って前記可変速度駆動装置を連続して制御している制御システム。５．請求の範囲第１項記載の制御システムにおいて、前記タレットを回転させるための前記手段は電気モーターを有しており、また、前記電気モーターへのパワー入力及び前記電気モーターのＲＰＭを測定する手段が備えられており、前記コンピュータは前記パワー及びＲＰＭ測定手段からの出力信号に応答して、所定のコンピュータプログラムに従って前記信号を連続して処理する制御システム。６．請求の範囲第２項記載の制御システムにおいて、前記機械は複数個の範囲の前進速度で作動し、前記ブームシリンダへの、及び、前記タレットの流体圧駆動装置への流体圧流体の流れを制御する前記比例バルブ手段はいくつかの組の、平行なバルブでなっており、各組は前記機械の異なる前進速度範囲に用いられている制御システム。７．請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１つに記載の制御システムであって、工具温度及び／または前記切削用ヘッドに作用する工具力を連続してモニターするための手段を更に有しており、前記コンピュータは前記モニターに応答して前記工具温度及び／または工具力値を連続して調節してそれらを、工具寿命を最適化するための所定の限界内に維持している制御システム。８．請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１つに記載の制御システムであって、ブームの振動振幅及び／または周波数即ち振動数を連続してモニターするための手段を更に有しており、前記コンピュータは前記モニターに応答して前記ブームの振動振幅及び／または周波数値即ち振動数値を、工具および機械部品の寿命を最適化するための所定の限界内に維持している制御システム。９．請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１つに記載の制御システムにおいて、前記制御器は複数個のＰＩＤ制御器でなっている制御システム。１０．請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１つに記載の制御システムにおいて、前記コンピュータは、さまざまな測定されたパラメータからの信号を連続して用いて、且つ、工具の摩耗を最小化しつつ必要とされる条件を連続して計算して最良の前進速度で所望のプロフィールを達成し、そして、適宜のコマンドを前記制御器に連続して伝送して閉ループ作業を提供するよう構成されている制御システム。１１．請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか１つに記載の連続制御システムを有する採掘即ちトンネル堀機械。１２．請求の範囲第１１項記載の採掘即ちトンネル堀機械であって、水平軸線の回りで回転可能なタレットを有しており、非回転可能なハウジングが前記回転可能なタレットに続いて配備されており、前記非回転可能なハウジングのところでは、前記タレットを回転させるための手段が装荷されている採掘即ちトンネル堀機械。１３．請求の範囲第１２項記載の採掘即ちトンネル堀機械において、前記切削用ヘッドのリニア位置は液溜シリンダにより連続して調節されており、該液溜シリンダは前記非回転可能なハウジングをリニア方向に移動させており、前記リニア位置はリニア符号器により測定されており、前記調節は、前記制御器により制御されるバルブ手段を介してなされる採掘即ちトンネル堀機械。１４．請求の範囲第１１項、第１２項あるいは第１３項記載の採掘即ちトンネル堀機械であって、切削作業時機械の安定性を強化するための安定化手段を更に備えている採掘即ちトンネル堀機械。１５．請求の範囲第１１項記載の採掘即ちトンネル堀機械であって、垂直軸線の回りで回転可能なタレットを有している採掘即ちトンネル堀機械。