JP4596785B2 - 送り制御されたコアドリル装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は送り制御されたコアドリル装置、特にコンクリート用の、スタンドに装着されたダイアモンドコアドリル装置、及びその制御方法に関するものである。

岩石のコア穿孔においては、コアクラウンの超硬刃又はダイヤモンドが地盤に若干貫入して、これを摩擦的に除去する。通常、これに必要な高い回転モーメントと送り力が、地盤に強固に連結された装置スタンドに対して加わる。送りの制御は通常レバーを手動で操作することにより行われるが、地盤に固有な刃の最適な貫入深さを確保することはできず、このため穿孔能力が低下する上、特に刃の早期摩耗を招く。

特許文献１には、スタンドに装着されたダイアモンドコアドリル装置に適用可能な送り制御において、電気モータの電流及び／又は本質的にこれと一対一に対応した回転モーメントに基づいたＰＩＤコントローラを用いて送りを制御することが記載されている。このような出力に基づいた制御の場合には、ギア減速により得られる一定回転数のみが最大回転モーメントを達成する。したがって、地盤が変化すると、特に鉄筋にぶつかると、必然的に回転モーメント／回転数の最適な組合せから外れる。

特許文献２には、モータ特性曲線上で最大出力を発揮する互いに独立な異なる動作点を予め設定可能であり、かつこれらの動作点の間を電気的に切り換えできる回転制御手段を具えた電気モータを有するドリル装置が記載されている。

ドイツ国特許出願公開第１９８０７８９９号公報 米国特許第４６１８８０５号明細書

この発明の目的は、地盤が変化した際にも穿孔作業を中断することなく、いかなる場合にも最適な回転モーメント／回転数の組合せで反応する、送り制御されたコアドリル装置及びその制御方法を提案することにある。

上記の課題は、独立請求項の特徴により基本的に解決される。有利な実施態様は従属請求項に述べる通りである。

この発明によれば、コアドリル装置は、被加工物の方向に軸線を向けた刃を有するコアドリルクラウンを回転駆動するための電気モータ、被加工物に対するコアドリルクラウンの送り動作を発生させる送り手段、及びセンサにより検知される、消費電力及び／又は回転モーメントと一対一に対応した第１制御パラメータに応じた制御を行うためのコントローラを基本的に具えており、さらに第２制御パラメータとしてのコアドリルクラウンの接触圧力を収集するための力センサをコントローラに接続しており、第３制御パラメータとしてのドリルクラウンの半径を入力するための手段をコントローラに接続しており、コントローラが、センサで検知される消費電力及び力センサで収集されるコアドリルクラウンの接触圧力を用いて摩擦係数を算出し、これら第１、第２及び第３制御パラメータから摩擦係数と一対一に対応する制御パラメータを算出し、該制御パラメータを用いて送り手段の制御を行う。

好ましくは送りモータの電流を介して算出される第２制御パラメータとしての接触圧力をさらに収集し、消費電力及び／又は回転モーメントと一対一に対応した第１制御パラメータと組み合わせることにより、刃の微視物理的摩耗を直接的に表し、かつコアドリルクラウンの送りを制御するための制御パラメータとして用いる、地盤に固有の摩擦係数を求めることができる。

地盤に固有の摩擦係数は、一般に測定された消費電力及び／又は発揮された回転モーメント及び垂直力から計算することができることが示されている。

力センサは圧電式力センサであることが好ましく、駆動軸の軸受領域内に配設することがさらに好ましい。これによれば、垂直力を直接的にコアドリル装置内で測定することができる。

あるいは、力センサを、送り手段（例えば送りモータ）の出力センサ（例えば電流センサ又は回転モーメントセンサ）として設けることが好ましい。これによれば、垂直力を間接的に送り手段内で測定することができる。

コントローラがマイクロコントローラであることが好ましい。これによれば、制御パラメータとして用いる摩擦係数を数値的に、したがってドリフトなしに計算することが可能となる。

ドリルクラウンの半径を入力するための手段が、コアドリルクラウン上に設けられた識別手段からドリルクラウンの半径を取り出すトランスポンダであることがさらに好ましい。これによれば、実際のドリルクラウン直径に固有な制御を行うことができる。

コントローラ内において、少なくとも２つの異なる摩擦係数に対してそれぞれ異なる回転モーメント及び／又は回転数を割り当てることが好ましい。これによれば、コアドリルクラウンの送りを、検出された地盤の関数として制御し、したがってそれぞれの地盤に適合可能となる。

送り手段内のコントローラと制御可能に接続された回転制御器に電気モータが接続されており、電気モータの少なくとも２つの異なる動作点、より好ましくはモータ特性曲線上で最大出力を発揮する動作点を電気的に切り換えできることが好ましい。これによれば、コントローラにより、回転制御器を有する電気モータを電気的に変速することが可能となる。特に、電気モータとしては、広範な弱め界磁領域を有する周波数変換駆動された非同期装置が好適である。

コントローラ内において、少なくとも２つの異なる摩擦係数に対してそれぞれ異なる回転モーメント／回転数の組合せを割り当てることが好ましい。これによれば、検出された地盤の関数としてコアドリル装置の動作点が制御され、したがってそれぞれの動作点に適用可能とある。

コントローラ７は、双方向光学インターフェイスを介して駆動軸の回転モーメントを測定するセンサ及び／又は回転制御器に接続されていることが好ましい。

この発明において、コアドリルクラウンを回転駆動するための電気モータを有するコアドリル装置の制御方法は、本質的に第１ステップにおいて、電気モータの、消費電力に従属する第１制御パラメータをセンサで測定し、第２ステップにおいて、これらの制御パラメータをコントローラで分析し、第３ステップにおいて、コントローラによりコアドリルクラウンの送り手段を制御する。これにより、第１ステップにおいて、接触圧力に従属する第２制御パラメータを力センサで付加的に測定し、かつ、ドリルクラウンの半径に従属する第３制御パラメータを入力手段から取り出し、第２ステップにおいて、コントローラにより、センサで検知される消費電力及び力センサで収集されるコアドリルクラウンの接触圧力を用いて摩擦係数を算出し、第１、第２及び第３制御パラメータから摩擦係数と一対一に対応する制御パラメータを算出し、第３ステップにおいて、この制御パラメータを用いて送り手段の制御を行う。

さらに、第３ステップにおいて、制御パラメータを用いて電気モータの回転制御器をさらに制御することが好ましく、モータ特性曲線上で最大出力を発揮する少なくとも２つの異なる動作点に関する制御パラメータを用いることがさらに好ましい。

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の形態を説明する。図１はこの発明に従う代表的なコアドリルクラウンを有するコアドリル装置の側面を示しており、図２はこの発明に従う他のコアドリル装置の側面を示す。

図１に示す実施態様においては、コアドリル装置１は、被加工物４の方向に軸線を向けた超硬刃５を有するコアドリルクラウン３を回転駆動するための電気モータ２、及びコントローラ７を有し、被加工物４に対するコアドリルクラウン３の送り動作を発生させる送り手段６を具える。地盤に固有の摩擦係数μと一対一に対応する制御パラメータに基づいて制御を行う。ここで、摩擦係数μは、電気モータ２の電流回路内にセンサ８により測定される消費電力Ｐ及び力センサ９により測定されるコアドリルクラウン３の接触圧力Ｆ_Ｎとを用いて、コントローラ７に次式のようにして計算される。
μ＝Ｐ／（２πｎｒＦ_Ｎ）＝Ｍ／（ｒＦ_Ｎ）
式中、μは摩擦係数、Ｐは消費電力、Ｍは回転モーメント、Ｆ_Ｎは垂直力、ｒはドリルクラウンの半径をそれぞれ表す。力センサ９は圧電式力センサであり、コアドリル装置１の駆動軸１１の軸受領域１０内に配設されている。マイクロコントローラとして形成されたコントローラ７には、幾つかの異なる摩擦係数μ_ｉに対してそれぞれ異なる回転モーメントＭ_ｉ及び／又は回転数ｎ_ｉを割り当てた表が格納されている。広範な弱め界磁領域を有する周波数変換駆動された非同期装置として形成された電気モータ２は、送り手段６内のコントローラ７と制御可能に接続された回転制御器１２に接続されており、モータ特性曲線上で最大出力Ｐ_ｍａｘを発揮する、電気モータ２の幾つかの異なる動作点Ａ_ｉを電気的に切り換えることができる。コントローラ７には、幾つかの異なる摩擦係数μ_ｉに対してそれぞれ異なる回転モーメント／回転数の組合せ［Ｍ_ｉ／ｎ_ｉ］を割り当てた表が格納されている。

また、図２に示す実施態様においては、力センサ９´は送り手段６の消費電力センサとして形成されており、送りモータ１３の電流回路内に配設されている。コントローラ７は、トランスポンダの形態の入力手段１４に接続されている。このトランスポンダは、コアドリルクラウン３上に設けられた識別手段１５からドリルクラウンの半径ｒを取り出す。コントローラ７は、双方向光学インターフェイス１６を介して駆動軸１１の回転モーメントＭを測定するセンサ８´に接続されているとともに、最適な回転モーメント／回転数の組合せ回転制御器［Ｍ_ｉ／ｎ_ｉ］を伝達するために回転制御器に接続されている。

この発明に従う代表的なコアドリルクラウンを有するコアドリル装置の側面図である。 この発明に従う他のコアドリル装置の側面図である。

符号の説明

１ コアドリル装置
２ 電気モータ
３ コアドリルクラウン
４ 被加工物
５ 超硬刃
６ 送り手段
７ コントローラ
８ センサ
９、９´ 力センサ
１０ 軸受領域
１１ 駆動軸
１２ 回転制御器
１３ 送りモータ
１４ 入力手段
１５ 識別手段
１６ 双方向光学インターフェイス

Claims (11)

1. 被加工物（４）の方向に軸線を向けた刃（５）を有するコアドリルクラウン（３）を回転駆動するための電気モータ（２）、被加工物（４）に対するコアドリルクラウン（３）の送り動作を発生させる送り手段（６）、及びセンサ（８、８´）により検知される、消費電力（Ｐ）及び／又は回転モーメント（Ｍ）と一対一に対応した第１制御パラメータに応じた制御を行うためのコントローラを具えるコアドリル装置において、
   さらに第２制御パラメータとしてのコアドリルクラウン（３）の接触圧力（Ｆ_Ｎ）を収集するための力センサ（９、９´）をコントローラ（７）に接続しており、
   第３制御パラメータとしてのドリルクラウン（３）の半径（ｒ）を入力するための手段（１４）をコントローラ（７）に接続しており、
   コントローラ（７）が、センサ（８、８´）で検知される消費電力（Ｐ）及び力センサ（９）で収集されるコアドリルクラウン（３）の接触圧力（Ｆ _Ｎ ）を用いて摩擦係数（μ）を算出し、
   コントローラ（７）が、これら第１、第２及び第３制御パラメータから摩擦係数（μ）と一対一に対応する制御パラメータを算出し、該制御パラメータを用いて送り手段（６）の制御を行うことを特徴とするコアドリル装置。
2. 力センサ（９）が圧電式センサであり、駆動軸（１１）の軸受領域（１０）内に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のコアドリル装置。
3. 力センサ（９´）を送り手段（６）の出力センサとして設けることを特徴とする、請求項１に記載のコアドリル装置。
4. コントローラ（７）がマイクロコントローラであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコアドリル装置。
5. ドリルクラウン（３）の半径（ｒ）を入力するための手段（１４）が、コアドリルクラウン（３）上に設けられた識別手段（１５）からドリルクラウン（３）の半径（ｒ）を取り出すトランスポンダであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のコアドリル装置。
6. コントローラ（７）内において、少なくとも２つの異なる摩擦係数（μｉ）に対して、それぞれ異なる回転モーメントＭｉ及び／又は回転数ｎｉを割り当てることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のコアドリル装置。
7. 送り手段（６）内のコントローラ（７）と制御可能に接続された回転制御器（１２）に電気モータ（２）が接続されており、電気モータ（２）の少なくとも２つの異なる動作点（Ａｉ）と、モータ特性曲線上で最大出力（Ｐｍａｘ）を発揮する動作点を電気的に切り換えできることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のコアドリル装置。
8. コントローラ（７）内において、少なくとも２つの異なる摩擦係数（μｉ）に対してそれぞれ異なる回転モーメント／回転数の組合せ（［Ｍｉ／ｎｉ］）を割り当てることを特徴とする、請求項７に記載のコアドリル装置。
9. 送り手段（６）内のコントローラ（７）が、双方向光学インターフェイス（１６）を介して回転制御器（１２）に接続されていることを特徴とする、請求項７又は８に記載のコアドリル装置。
10. コアドリルクラウン（３）を回転駆動するための電気モータ（２）を有するコアドリル装置（１）の制御方法において、電気モータ（２）の、消費電力（Ｐ）に従属する第１制御パラメータをセンサ（８、８´）で測定する第１ステップと、該第１制御パラメータをコントローラ（７）で分析する第２ステップと、コントローラ（７）によりコアドリルクラウン（３）の送り手段（６）を制御する第３ステップとを具え、第１ステップにおいて、接触圧力（Ｆ_Ｎ）に従属する第２制御パラメータを力センサ（９、９´）で付加的に測定し、かつ、ドリルクラウン（３）の半径（ｒ）に従属する第３制御パラメータを入力手段（１４）から取り出し、第２ステップにおいて、コントローラ（７）により、センサ（８、８´）で検知される消費電力（Ｐ）及び力センサ（９）で収集されるコアドリルクラウン（３）の接触圧力（Ｆ _Ｎ ）を用いて摩擦係数（μ）を算出し、コントローラ（７）により第１、第２及び第３制御パラメータから摩擦係数（μ）と一対一に対応する制御パラメータを算出し、第３ステップにおいて、該制御パラメータを用いて送り手段（６）の制御を行うことを特徴とする制御方法。
11. 第３ステップにおいて、制御パラメータ（μ）を用いて電気モータ（２）の回転制御器をさらに制御し、モータ特性曲線上で最大出力（Ｐｍａｘ）を発揮する少なくとも２つの異なる動作点（Ａｉ）に関する制御パラメータを用いることを特徴とする、請求項１０に記載の制御方法。

Images