JPS61233200A - トンネル掘削機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は鉱石、石炭の採集や車両の通行を可能にする
トンネル掘削機の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

通常、トンネル掘削機としての下部車体やシールドマシ
ンに取り付けられるブーム型掘削機は油圧シリンダなど
のシリンダ装置によってそのカッタ部本体をＸ、Ｙ、Ｚ
座標各方向に動かすようになっており１．一般たはレバ
ーの操作により手動弁を切換えたり、押釦操作により電
磁弁を切換えたりすることによって、上記シリンダ装置
の動作を制御している。

この場合に、掘削機は立体的動きが要求されるところか
ら、カッタ部本体をＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向に独立に動か
すように、各方向ごとに各−のシリンダ装置が設けられ
、大型の掘削機では例えはＹ座標方向への伸長を可能と
する他のシリンダ装置が追加付設される場合がある。

そしてかかる少くともＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向ごとに設け
られたシリンダ装置によって、必要とする断面形状の例
えば円形状の掘削作業が行われる。また、この掘削機で
はその掘削作業を目視による手動操作あるいは掘削形状
に合ったガイド枠をシールドマシン本体に取り付け、掘
削機のカッタ部をこのガイド枠に沿わせながら自動的に
、それぞれ行うものであった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、かかる従来のトンネル掘削機では、これ
を下部車体に取り付けて使用する場合に、ガイド枠の取
付けが構造上およびスペースの関係から困難であるばか
りかり目視による操作が中心となるので、要求される掘
削軌跡に沿った正確な掘削ができないという問題点があ
った。

一方、掘削機をシールドマシンに取り付け、上記のガイ
ド枠を設げた場合には、シールドマシンの動きを修正し
たり、掘削進行方向にカーブがあったりすると１．掘削
形状を途中で変更する必要がある。例えば右カーブの場
合には右側を掘削直径以上にし、左側はその掘削直径以
下に掘削する必要があり、この場合にガイド枠の交換が
必要となる。さらに、カーブの種類が多くなれば、これ
Ｋつれ作業変更回数も多くなるという問題点があった。

また、ガイド枠の使用はシールドマシンの大小を問わず
有効空間を狭くし、作業性を悪くするほか、この交換作
業が極めて面倒になるなどの問題点があった。

さらに、ガイド枠は掘削機の上下および左右の各方向を
規制できるが、前後方向つまり掘削機の進入方向の動き
を規制できず、この進入方向への掘削は目視のみにより
行うため、特に大きな断面を掘削する場合には、先掘の
傾向が大きくなり、掘削面崩落の可能性が大きくなると
いう問題点があった。加えて、手動操作のため、掘削機
を稼動させている間、その操作のためにオペレータが付
ききりでいなければならないという問題点があった。

この発明は、かかる従来の諸問題点を解決するためにな
されたものであり、予め必要な掘削データをコンピュー
タに入力した後は、その掘削データにもとづく掘削制御
によって、掘削機による最適の掘削軌跡での掘削を自動
的に行わしめるようにした掘削機の制御装置を得ること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明にかかる掘削機の制御装置は、掘削機によるＸ
、Ｙ、Ｚ座標各方向の掘削軌跡の指令データを・データ
入力盤において入力できるようになし、このデータ入力
盤からの指令データと上記掘削機の作動中における掘削
軌跡の検出データとを入力として演算装置がその掘削軌
跡差を演算するとともに、これらの缶蓋を縮めるような
制御信号を出力し、この制御信号にもとづき電磁切換弁
によって、掘削機の掘削方向を制御するとともに比例電
磁流量弁によって掘削機による掘削量を制御し、これら
の６弁の動作によってＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向ごとに設け
た油圧シリンダにより各方向に掘削機を作動させ、この
掘削機の作動中の掘削軌跡を掘削位置センサによって検
出し、この検出出力を上記検出データとして上記演算装
置に入力する構成としたものである。

〔作用〕

本発明の制御装置では演算装置がこれに入力した掘削デ
ータと掘削機の掘削作業中に検出した掘削データとを遂
次比較演算し、この演算結果にもとづいて、掘削機をＸ
、Ｘ、Ｚ座標各方向にそれぞれ作動させる少くとも各１
の油圧シリンダごとの、掘削方向を決める電磁切換弁お
よび掘削量を決める比例電磁流量制御弁を作動制御し、
これらの各油圧シリンダ動作による掘削を、上記入力し
た掘削データ通りに自動的に正確に実行させるように作
用するものである。

〔発明の実施例〕

オ１図はこの発明Ｋかかる制御装置のブロック接続図で
あり、１はデータ入力盤としてのテンキーであり、ここ
ではキーボードまたはキースイッチ操作によって予め計
算によって求めた−ｘ　、　ｙ　、　ｚ座標各方向の掘
削軌跡の指令データを入力する。２はマイクロプロセッ
サを使用した演算装置で、上記指令データと掘削機の作
動中の掘削軌跡の検出データとを入力として、その掘削
軌跡差を演算し、しかもこれらの６差を縮めるような制
御信号を出方する。３はこの制御信号をアナログ信号に
変換するＤ／Ａ変換器、４はそのアナログ信号電流を増
巾する電流増巾器、５は同じく電圧増巾する電圧増巾器
、６は電流増巾器４の出力により比例制御される比例電
磁流量制御弁で、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標各方向の油圧シリンダ
ごとに設けられている。７は電圧増巾器５の出力によっ
て流路が切り換えられて掘削機の動く方向を設定する電
磁切換弁である。

８は掘削機をＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向に作動するための各
１の油圧シリンダで、油圧源９から圧送される油圧が、
電磁切換弁７、比例電磁流量制御弁６を介して制御量だ
け供給される。工０は掘削機、１工はこの掘削機１ｏの
作動中の掘削軌跡を刻々検出する掘削位置センサであり
、この掘削位置センサ１１の出力はＡ／Ｄ変換器１２を
通して演算装置２に入力される。１２はテンキー１への
入力データや上記演算装置２の演算結果などを表示する
ＣＲＴである。

かかる構成の制御装置では、データ入力盤１のキーイン
によって入力されたＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向の掘削軌跡の
データやその他操作モードデータなどが演算装置２に入
力され、これらの入力データはＣＲＴ１２上に表示され
る。また、掘削機ｌＯの作動中に掘削軌跡が掘削位置セ
ンサ１１により検出され、このセンサ出力がＡ／Ｄ変換
されて演算装置２に入力される。演算装置２ではこれら
の掘削軌跡どうしを比較演算し、その比較誤差を縮める
方向の信号を出力する。

なお、この信号出力は掘削座標（Ｘ、Ｙ、Ｘ）データ、
つまり各油圧シリンダ８のそれぞれに対する流量のデー
タである。また、かかる演算終了後は、後述の操作モー
ド選択、掘削種別選択を行うことにより、これらに必要
な制御指令が演算装置２から出力される。

次に、演算装置２からの上記流量の信号はＤ／Ａ変換器
７にてアナログ信号に変換され、それぞれ電流増巾器４
および電圧増巾器５を介して比例電磁流量制御弁６およ
び電磁切換弁７に入力される。電磁切換弁７はＸ、Ｙ、
Ｚ座標各方向ごとに各油圧シリンダ８に対する油圧の切
換供給を行って、掘削機の動く方向を決定し、比例電磁
流量制御弁６は掘削機の動く量を決定する。かくして、
掘削機１０はＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向に各油圧シリンダに
よって動かされ、指令データ通りの掘削軌跡の仕事をす
ることになる。

次に、上記制御装置による詳しい制御動作および操作順
序を矛２図の流れ図に従って説明する。

先ず、掘削断面の形状すなわち掘削軌跡を決めるデータ
をテンキー１において入力する（ステップ■）。この入
力データとしては掘削直径、上、下、左、右の各方向の
余掘量、掘削パターンなどである。このうち余掘量は進
行方向にカーブがある場合やシールドマシンの位置修正
を行う場合に、掘削直径より部分的に太き（、あるいは
小さく掘削する量で、上。

下、左、右の各方向に分けて大きく掘削するときにはプ
ラス（＋）余堀、小さく掘削する場合にはマイナス（−
）余堀として、これらを符号化して入力する。これによ
り牙３図に示す掘削形状の余堀を可能とする。なお、掘
削パターンについでは、外周掘削と面掘削との組合せお
よび面掘削を上から下へまたは下から上へ実施するなど
の掘削順序を事前に用意されているものから自由に選定
して入力できる。

次に、入力されたデータによって、外周掘削面掘削の掘
削軌跡座標（Ｘｔ　、　Ｙｄ、　Ｚｔ　）および各座標
に対応する流量（Ｑｚ、Ｑｙ、Ｑｚ）が演算される（ス
テップ■）。

この演算が終ると掘削操作モードの選択を行う（ステッ
プ■）。このステップ■では手動操作（ステップ■）、
自動操作（ステップ■）、半自動操作（ステップ■）の
いずれかの操作が選ばれるｅ手動操作では手動レバーの
操作のみで掘削を行い、自動操作では演算装置の出力に
より自動掘削を行い、半自動操作では、手動レバーの操
作によるものの、設定位置に達すると掘削を自動停止し
、結果として設定した形状の掘削を行うようになってい
る。なお、かカル半自動操作を選択できるようにしたの
は、変化の多い岩質に十分に対応できるようにするため
である。

ステップ■で自動操作を選択した場合には、次に掘削種
別選択を行う（ステップ■）。この掘削種別選択では外
周掘削（ステップ■）、面掘削（ステップ■）、外周・
面連続掘削（ステップ＠沖うち１つが選択される。外周
掘削では設定された外周をＸ、Ｙ座標各方向を同時に掘
削し、面掘削では設定された面を垂直平面にするように
Ｘ、Ｙ方向の動きを同時制御する。

そして、これらの各掘削工程では、掘削の開始点移動（
ステップ＠　＠　＠　）において、掘削機１０が位置す
る任意点から設定された外周または面のスタート点まで
自動的にその掘削機１゜を移動する。次に、掘削深さ設
定（ステップ■■）では岩質によって任意にレバー操作
により設定する。また、ステップＯに続く掘削深さ自動
設定（ステップ■）では、事前に設定された掘削深さま
で自動的に動く。次に、各掘削が開始されると（ステッ
プ■Ｏ■■）、上記の面掘削では、設定された例えば円
の外周に掘削機のカッタの歯先が接するように、Ｘ、Ｙ
座標方向の制御を同時に行い、スタート点まで一周する
ことで終了する。また、面掘削では外周の内側を掘削断
面の大きさに応じ上下方向を数段に分け、水平方向に右
から左へ、さらに次の段に移動しながら左から右へと順
次連続して、垂直平面を形成するよう、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標
各方向に同時に掘削制御する。

このようにして、掘削が開始されると、演算装置による
掘削軌跡および掘削量の自動制御が実行される。掘削中
の掘削機の現在位置（Ｘα。

Ｙａ　−Ｚａ　）は掘削位置センサ１１により常時検出
されており、この検出値が事前に設定した上記入力デー
タとしての座標（Ｘｄ　、　Ｙｄ　、　Ｚｄ　）の値と
比較され（ステップＯ）、設定されている流量Ｑ、ｒ　
、　Ｑｙ　、　Ｑｚの流量を修正して設定された軌跡を
正確に描くように制御される（ステップ［相］）。この
流量の修正は例えば理論値に軌跡の積分値を加えるよう
に動作する。次に、自動運転・一時停止モードで、その
いずれかを指示しくステップＯ）、自動運転モードにあ
る場合において、一時停止・再スタートのモードのいず
れであるかが次に判定され（ステップ■）、再スタート
のモードでは自動運転を継続し、一時停止のモードでは
、続いて掘削機１０のカッタを回転させているモータが
過負荷か否かを判定する（ステップ■）。　ここで過負
荷と判定した場合には、モータ電流値および過負荷時間
をファクターとして掘削機の移動スピードを自動的に減
速させ、設定スピードまで減速させる（ステップ■）。

　また、過負荷でない場合には、比例電磁流量制御弁６
および電磁切換弁７を作動して、ＸｊＹ、Ｚ座標各方向
ごとの油圧シリンダ８に適当な割合で設定流量の油を供
給し、既述の掘削制御を自動的に行わせる（ステップＯ
）。

また、シールドマシン側の各種装置は安全のために互い
にインターロック関係となっており、このインターロッ
クによる保全動作が演算装置２のコントロール信号によ
って行われる（ステップ［株］）。例えば積込機が稼動
している場合【掘削機１０が自動運転で接近していくと
、安全な位置で自動的に一時停止状態となる（ステップ
Ｏ）。このインターロックによる保全動作がない場合に
は、演算装置は掘削完了する（ステップ■〕。このステ
ップ■を完了していない場合には再びステップ■以下の
作業を繰り返すことになる。また、掘削完了後において
、外周・面連続掘削および面掘削が完了か否かが判定さ
れ（ステップ［株］）、完了となった場合には、掘削モ
ード選択のステップ■以下の上記作業を繰り返す。また
、完了とならない場合には、つまり外周・面掘削が選択
されている場合には、面掘削開始のステップ［有］以下
の上記作業を繰り返すことになり、この面掘削が終了し
てから上記ステップ■に戻ることになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、入力した掘削データと掘削作業中の掘
削データとを比較演算し、この演算結果にもとづいて掘
削機をＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向にそれぞれ作動させる少く
とも各１の油圧シリンダごとの、掘削方向を決める電磁
切換弁および掘削量を決める比例電磁流量制御弁を作動
制御することにより、これらの各油圧シリンダにより掘
削機による掘削を、上記入力した掘削データ通りに自動
的に行わせることが可能となる。また、かかる自動制御
は、掘削データの入力と動作開始指令のみで、人手によ
ることなく自動的にしかも高精度にて実行される。また
、掘削データの選定によって、円形、楕円形、馬蹄形々
ど任意の形状の掘削を任意の方向に自由に実施させうる
ほか、シールドマシンの方向修正あるいはカーブ掘削に
必要な余堀や掘削直径、を、必要とされる数値をデータ
として入力するだけ自由に変更でき、掘削現場に対する
適応性を高めることができる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるトンネル掘削機の制御装置を示
すブロック接続図、第２図は制御装置の制御動作および
操作順序を示す流れ図、第３図は上、下、左、右の各方
向の金柑状態を説明する説明図である。 １・・・データ入力、２・・・演算装置、６・・・比例
電磁流量制御弁、７・・・電磁切換弁、８・・・油圧シ
リンダ、１０・・・掘削機、１工・・・掘削位置センサ
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 掘削機によるＸ、Ｙ、Ｚ座標各方向の掘削軌跡の指令デ
   ータを入力するデータ入力盤と、このデータ入力盤から
   の上記指令データと、上記掘削機の作動中の掘削軌跡の
   検出データとをそれぞれ入力として、これらの掘削軌跡
   差を演算し、この掘削軌跡差を縮めるような制御信号を
   出力する演算装置と、この制御信号にもとづいて、上記
   掘削機の掘削方向を制御する電磁切換弁と、上記制御信
   号にもとづいて上記掘削機の掘削運動量を制御する比例
   電磁流量制御弁と、上記電磁切換弁および比例電磁流量
   制御弁によつて作動制御され、掘削機のＸ、Ｙ、Ｚ座標
   各方向の作動をそれぞれ可能にする少くとも各１の油圧
   シリンダと、この掘削機の作動中の掘削軌跡を検出する
   掘削位置センサとを備えてなることを特徴とするトンネ
   ル掘削機の制御装置。