专利名称：钻岩设备、钻岩方法以及钻岩设备的控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种钻岩设备，该钻岩设备包括设有一个或更多个钻臂的可移动载架。钻臂设有钻孔单元，钻孔单元包括钻岩机以用于在岩石中钻孔。钻岩设备可用于按照期望的图案钻出钻孔。此外，本发明涉及用于钻岩的方法和控制系统，其中钻岩设备用于按照期望的图案钻出钻孔。从独立权利要求的前序部分本发明的领域会更详细地显现出来。可以以炮眼组的方式进行钻岩。于是，首先在岩石中钻出钻孔，然后钻孔被装填炸药并爆破。可通过在岩石中进行挖掘而形成各种隧道、地下储藏室、货柜、停车空间或其它 相应的岩洞。但是，在岩石中挖掘这种岩洞的岩石并非天然地总是足够坚固、均匀且稳定。而且，爆破炮眼可能破碎或以其他方式弱化限定出岩洞的岩石，从而在挖掘之后，岩石的牢固性不足。因此，通常必须加强岩洞的岩顶和岩壁，有时候甚至是地面。通过在岩石上钻多个加强钻孔来完成加强，岩石锚杆、缆绳等加强构件或加强材料配合在多个加强钻孔中。加强孔通常被钻成扇形图案，使得其相对于隧道线交叉定向。在扇形钻孔中，钻孔单元与隧道线交叉地定位。不仅对于加强孔，而且当在利用所谓的生产钻孔设备在生产巷道的坑壁和坑顶中钻出挖掘孔时，都以扇形方式进行钻孔。在钻出钻孔扇形中，已经观察到的一个问题是钻孔单元的定位移动通常致使需要同时改变其它定位方向。因此，已经观察到，对于操作者来说，移动钻臂和定位钻孔单元是困难的。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖且改善的钻岩设备，以及钻岩方法和控制系统，其中按照钻孔图案钻出钻孔。根据本发明的钻岩设备的特征在于控制单元包括至少一个钻孔模式，其中控制构件的每个单独的运动方向被布置成提供钻孔单元相对于在钻孔图案中所确定的仅一个坐标或方向角的物理定位移动，而其余坐标和方向保持不变；以及在钻孔模式中，控制件的影响方向被选择成与钻孔单元的直观的运动方向相对应，由此在一个运动方向上移动控制件提供钻孔单元的在与控制件的移动相对应的的方向上的真实移动。根据本发明的方法的特征在于将手动控制件的每个单独的运动方向相关连，以影响钻孔单元相对于仅一个坐标或方向角的位置；在移动目标位置和控制件时使用直观的关连，由此钻孔单元和控制件的真实运动方向彼此相对应。根据本发明的控制系统的特征在于控制系统包括至少一个钻孔模式，其中，控制件的每个单独的运动方向受约束以相对于一个坐标或方向角控制钻孔单元；以及在钻孔模式中，控制件的运动方向被选择成与钻孔单元的直观的运动方向对应。一个构思是钻岩设备的控制系统包括一个或更多个钻孔模式以用于由操作者手动地控制将钻孔单元定位在所要钻出的钻孔的起始点处。钻孔单元响应于控制件的移动而移动。移动手动控制件被布置成通过控制系统影响钻孔单元的位置和方向，由此控制件不直接控制任何单独的致动器或接头。控制系统确定钻臂的接头的目标位置并相应地控制影响钻孔单元的定位的致动器。当连接钻孔模式时，在一个方向上移动手动控制件致使钻孔单元相对于一个坐标或方向角的定位移动。其余的坐标和方向保持不变。另外，在每个钻孔模式中，控制件的运动方向被选择成与钻孔单元的直观的运动方向对应。一个优点是当使用钻孔模式来手动定位时，可比先前更有效地使用钻岩设备。操作者通过控制件将新的目标位置指示给钻孔单元，而控制系统致力于所要求的动作，利用这些动作在实践中实现由操作者表现的目标。操作者不需要考虑接头或钻臂的运动学来实现钻孔单元所需的移动，而是他/她可以仅专注于将钻孔单元的目标位置给予控制系统，控制系统根据该钻孔单元的目标位置自动地进行所需要的移动。操作者可定位钻孔单元，例如一次一个坐标方向和方向角。当钻孔单元的目标移动时，此时不被控制件影响的坐标和方向保持不变。例如，在扇形钻孔模式中，操作者可将钻孔单元定位在钻孔扇形平面上而不会错误地将钻孔单元定位在扇形平面之外。这降低了操作者的精神负荷并加速控制。由于在每个钻孔模式中，控制件的运动方向被选择成与钻孔单元的直观的运动方向对应，因此进一步本质上便利于控制并加速控制。因此，如果操作者在选定的运动方向上移动控制件，他/她始终容易理解钻孔单元正在哪个方向上移动。由于直观控制，操作者可需要较少的钻岩设备的控制系统经验。 实施例的构思在于，将相同的钻岩设备用于在隧道面中钻出挖掘钻孔和用于钻出加强扇形。实施例的构思在于，在控制模式中，移动钻孔单元被布置成在由模式确定的钻孔方向上是真实(natural)的。例如，在扇形钻孔模式中，移动钻孔单元被布置成向上和向旁边引导钻孔是逼真的。在模式中，手动控制件的影响方向被选择成与钻孔单元的逻辑运动方向相对应，由此在一个运动方向上移动控制件提供了钻孔单元在控制件的运动方向上的真实移动。由此，对于控制单元实现了直观行为，这显著地有利于操作者的工作。实施例的构思在于，手动控制件是操纵杆，该操纵杆具有向前、向后以及向两侧，即向右和向左的控制移动。另外，在上述控制移动过程中，当用辅助开关选择替代功能时，控制命令的数目可翻倍或倍增。通常有两种这样的操纵杆以用于控制钻臂及在该钻臂上的钻孔单元。例如，在每种具体情形中，操作者可通过操纵杆来在显示装置中选择要控制的钻臂和钻孔单元。实施例的构思在于，旨在钻出面和加强孔的钻岩设备包括两个或更多个钻臂，每个钻臂设有钻孔单元。钻岩设备可用于在岩洞的洞面中通过一个或更多个钻孔单元来钻出挖掘钻孔，而同时，用于通过一个或更多个钻孔单元来钻出扇形加强孔。由此，可在钻岩设备的一个位置中同时进行两个工作阶段，这节省了时间，因为不需要分开地定位和导航钻岩设备以钻出加强孔。实施例的构思在于，钻岩设备是生产钻孔设备，可通过该生产钻岩设备来在隧道等岩洞的坑顶和坑壁上将挖掘孔钻成扇形图案。可在钻孔图案中确定所要钻出的孔的数目、位置、尺寸、深度和方向以及钻孔所需的其它信息。实施例的构思在于，钻岩设备是扇形钻孔设备，其中，可在钻孔扇形平面上转动钻孔单元，使得可在转动角的方向上引导在钻孔扇形中所要钻出的孔。可相对于所谓的枢转点进行钻孔单元的转动，可通过操作者在钻孔扇形平面上确定枢转点的位置。
实施例的构思在于，在扇形钻孔设备中，枢转点被确定在钻头的前端处，由此，接下来所要钻出的孔的转动角可相对于枢转点变化。实施例的构思在于，在扇形钻孔中，钻孔扇形的所有或若干钻孔可被引导成使得它们的中心轴线的假想延长线穿过一个枢转点。这里，用钻岩设备钻出钻孔，其中，围绕钻孔扇形平面上的枢转点转动钻孔单元。可通过控制件来移动在扇形平面上的枢转点的位置。操作者给予枢转点新的目标位置，之后，控制单元确定钻臂接头的新的目标位置并控制影响钻臂的致动器，使得枢转点移动到由操作者指示的目标位置。在一个坐标方向上移动控制件被约束成相对于仅一个坐标在扇形平面上移动枢转点。当控制件在方向X上移动时，枢转点相应地在方向X上移动，且当控制件在方向Z上移动时，枢转点也在方向Z上移动。控制件的运动方向可布置成使得该控制件具有相对于枢转点的真实运动方向的直观的操作。
实施例的构思在于，钻岩设备的控制单元的用户界面包括至少一个显示装置，其中可示出显示图像以便于手动定位。显示图像是对准工具，其中，向操作者示出钻孔单元的位置和在钻孔图案中确定的钻孔的位置。手动控制件的运动方向被限制于显示图像中示出的方向。由此，手动控制件的一个运动方向被布置成控制钻孔单元的在显示图像中所示出的一个方向上的目标位置。实施例的构思在于，显示装置呈现显示图像，显示图像包括具有彼此不同的投影的至少两个局部视图；换言之，局部视图中的观察的方向是不同的。各局部视图可呈现已确定的位置和钻孔单元相对于XZ方向的扇形平面的方向，所要钻出的孔的起始点定位在XZ方向的扇形平面上。在显示图像中，局部视图同时起作用。由此，显示装置在单个显示图像中同时呈现关于钻孔单元的定位的所有基本信息。第一局部视图可以是扇形平面在隧道线的方向上的XZ投影；换言之，从方向I观察扇形平面。第二局部视图可以是在相同扇形平面的xy平面方向上的投影，其中，从上方、即从Z轴线方向观察扇形平面。由此，第一局部视图呈现钻孔单元在扇形平面的方向上的位置，而第二局部视图呈现钻孔单元在深度方向上的位置。操作者可因此在单个显示图像中同时看到影响钻孔单元的定位的所有坐标方向。另外，第一局部视图和第二局部视图可在显示图像中同时被呈现且在显示装置的垂直方向上一个处在另一个上。另外，在垂直方向上一个在另一个上被定位的局部视图中，沿侧向看时，可在相同位置中呈现表示钻孔单元的符号。显示图像特别具有说明性并给予操作者清楚的状态图像。本申请不仅可用于扇形钻孔还可用于例如表面钻孔，诸如梯段钻孔(benchdrilling)。实施例的构思在于，首先，在扇形钻孔中，确定钻孔扇形平面的位置且将钻孔单元定位在钻孔扇形平面上。接着，将钻孔单元保持在扇形平面上，接下来进行定位或对准的阶段，而不改变钻孔单元在y坐标方向上的位置。这里，通过控制件在钻孔扇形平面的方向上移动目标位置而不影响钻孔扇形平面。将钻孔单元定位在扇形平面上可认为是定位的第一阶段，即，粗定位，而在扇形平面上移动钻孔单元可认为是第二定位阶段，即，精细定位。一个实施例的构思在于，首先，在扇形钻孔中，确定钻孔扇形平面的位置且将钻孔单元定位在钻孔扇形平面上。随后，控制单元被给予控制命令以锁定钻孔单元的移动，从而钻孔单元在接下来要进行的定位移动中保持其在扇形平面上的位置。由此，避免了操作者错误地在y坐标方向上远离扇形平面移动钻孔单元的情形。
实施例的构思在于，在控制单元中考虑扇形钻孔设备的载架相对于钻孔扇形平面的定位误差。由此，不需要垂直于钻孔扇形平面定位钻岩设备，而是钻岩设备可保持在相对于扇形平面的倾斜位置。可通过导航来确定载架的位置误差，由此控制单元考虑位置误差并在钻孔图案中已确定的方向上引导钻孔单元。实施例的构思在于，钻岩设备是表面钻孔设备。例如当进行梯段钻孔时，用表面钻孔设备钻出所需的钻孔图案。钻孔图案包括多个钻孔，该多个钻孔通常被向下引导或以期望的角度被倾斜向下引导。对于定义了例如钻孔的数目、起始点的位置、钻孔深度以及方向的这样的钻孔图案，提前画出钻孔图案。钻孔图案可被输入到钻岩设备的控制单元且可以以本申请中描述的方式显示给操作者。操作者本身也可确定钻孔图案或各孔的位置和方向以及孔的其它信息并在钻孔中使用控制单元的显示装置作为导向和定位的辅助装置，如本申请上面所描述的。另外，表面钻孔设备设有本申请中描述的钻孔模式类型，其中，钻孔单元可通过操作者手动控制而被定位在所要钻出的钻孔的起始点处。钻孔单元响应于控制件的移动而移动。移动手动控制件被布置成通过控制系统影响钻孔单元的位置和方向，由此控制件不直接控制单独的致动器或接头。控制系统确定钻臂接头的目标位置并相应地控制影响钻孔单元的定位的致动器。当打开钻孔模式时，在一个方向上移动手动控制件致使钻孔单元相对于一个坐标或方向角的定位移动。其余的坐标和方向保持不变。这就是所谓的 坐标控制。此外，在表面钻孔模式中，控制件的运动方向被选择成与钻孔单元的直观的运动方向相对应。一个实施例的构思在于，钻岩设备是表面钻孔设备，该表面钻孔设备的控制系统包括两个控制件，诸如操纵杆。第一操纵杆用于在x_y平面上控制钻头在直角坐标系中的位置。该位置可例如一次一个坐标地变化。通过例如按钮可改变钻头的高度位置，即Z坐标。第二操纵杆用于控制基本上垂直引导的进给梁的前后倾斜，以及在钻岩设备的侧向上的倾斜。当进给梁倾斜时，钻头的位置保持不变。由于表面钻孔模式，在一个方向上移动第一控制件致使钻头相对于一个坐标的定位移动，而其余的坐标保持不变。在一个运动方向上移动第二控制件致使在表面钻孔模式中进给梁的一个方向角的变化而不影响钻头的位置或另一方向角。另外，由控制件引起的真实控制移动的变化率可设置成与控制件的偏移程度成正比。实施例的构思在于，钻岩设备是表面钻孔设备，该表面钻孔设备的控制系统在控制中利用单独的钻岩设备的设备特有坐标系，而不是矿井的坐标系或投影坐标系。通过一个或更多个传感器或测量装置来确定钻岩设备的载架的倾斜。同样，通过传感器或测量装置来确定钻臂的所有接头角度。因此，控制系统可连续地计算钻头前端的精确位置和进给梁的倾斜。控制单元考虑操作者的手动控制命令并控制所需要的致动器，从而自动地实现操作者表现的钻头的目标位置和方向。由此，操作者在定位中不控制单独的致动器，而是控制单元自动地执行坐标控制。
在附图中将更详细地解释本发明的一些实施例，其中图I示意性示出钻岩设备的侧视图，该钻岩设备的钻岩单元能够在隧道线方向上钻出钻孔以及在相对于隧道线的交叉方向上钻出钻孔；
图2示意性示出定位在隧道面的钻孔图案和定位在隧道的已挖掘部分中的锚杆图案的透视图；图3示意性示出说明控制系统的功能的流程图；图4示意性地示出在钻出挖掘钻孔中使用的直角xyz坐标系以及方向角u和V ;图5示意性地示出在钻出扇形的过程中使用的控制件以及直角xyz坐标系和方向角Q:和Q2;图6以更简化方式示意性示出直观的控制工作原理；图7示意性示出加强模式中钻孔单元的定位；图8示意性示出用于扇形钻孔的钻岩设备的用户界面及其关连；
图9示意性示出显示装置中所呈现的显示图像并具有一个在另一个上定位的两个局部视图，其中，以两个不同投影示出观察中的钻孔扇形的平面和钻孔单元；图10示出生产钻孔设备的扇形钻孔单元；图11示意性示出从隧道线方向观察的第二生产钻孔设备的扇形钻孔单元；图12示意性示出定位在相对于扇形平面的倾斜位置中的钻岩设备的俯视图；图13示意性示出表面钻孔设备的正视图和在表面钻孔模式中其进给梁在侧向上的倾斜；图14示意性示出表面钻岩设备的侧视图和在表面钻孔模式中其进给梁在前后方向上的倾斜；图15a示意性示出钻孔模式中通过首先在x_y平面上并随后在垂直方向上，即方向z上坐标控制来定位钻头的侧视图。图15b示意性示出在钻孔模式中通过坐标控制来引导进给梁的侧视图，由此在引导过程中钻头的位置保持不变。图16示意性示出梯段钻孔的原理，其是表面钻孔的应用的目标之一。为了清晰，附图示出本发明的一些简化的实施例。附图中，相同的部分用相同的附图标记标示。
具体实施例方式图I示出在隧道2等岩洞的坑面3中被导航的钻岩设备I。钻岩设备I包括可移动载架4,可移动载架4设有一个或多个钻臂5,每个钻臂在其最外端处具有钻岩单兀6。钻岩单元6包括钻岩机7，钻岩机7可通过由进给梁9引导的进给装置8而移动。钻孔机7可包括撞击装置以用于将撞击脉冲施加给附连到钻孔机的工具10。另外，钻孔机7可包括转动装置以用于使工具10转动。通过移动钻臂5可将钻孔单元6定位在提前计划的钻孔的起始位置Ila处。可预设计钻孔的钻孔图案，该图案可通过钻孔图案的坐标系来限定所要钻出的钻孔的起始位置、端点、方向、长度和尺寸。单独的钻孔图案可设计用于钻出炮眼12和岩石锚杆扇形13。当钻岩设备I被驱动到钻孔位置时，首先进行导航，其中，钻岩设备的坐标系被关连到工作场地的坐标系。另外，可使得钻孔图案的坐标系与钻岩设备的坐标系和工作场地的坐标系重合，即，称为投影坐标系。在钻孔单元6首先已经定位在起始位置中后且由钻孔图案确定方向后，可自动地进行每个钻孔的实际钻孔循环。可手动地定位钻孔单元6。因此，操作者14通过控制件15给予钻孔单元6新的目标位置，基于此，控制系统确定接头的目标位置和钻臂5所需的移动，以通过致动器将接头带到新的目标。控制系统可包括一个或更多个控制单元16，该一个或更多个控制单元16可以是能够基于钻臂的物理结构和当前位置确定所需的移动的计算机或处理器。钻臂5可以包括通过接头17a彼此连接的两个或更多个钻臂部分5a、5b。另夕卜，钻臂5通过接头17b连接到载架并通过接头17c连接到钻孔单元6。虽然为了清晰，图I仅示出十分简化的钻臂，但钻臂5是能够以万向方式移动的结构。对于接头17，可具有传感器18等测量装置，且基于从这些测量装置获得的位置信息，控制单元16可确定钻臂的位置。可通过致动器19移动钻臂5及其部件，控制单元16可基于由操作者14指示的目标位置和钻臂5的位置信息来控制致动器19。为了清晰，图I仅示出一个传感器和一个致动器。在定位过程中，可基于在工具10的最外端处的钻头20的位置来观察钻孔单元5的位置，因为其旨在将钻头20带到所要钻出的钻孔的起始位置11a。该方向可被视为工具10的纵轴的方向。图I中，钻孔单元5在岩洞的面3中被定位在待钻进的挖掘钻孔21的点处。通过基本上在隧道线L的方向上在隧道2的坑面3中钻出若干挖掘钻孔21来挖掘隧道2，该若干挖掘钻孔21在钻进之后被装填炸药。在爆破中，岩石材料由于炮眼12而从岩石分离。例如由于所谓的探出角，挖掘钻孔21当然可稍微倾斜地被引导。面钻孔图案中的挖掘钻孔21例如包括轮廓孔、保护孔(field holes)和掏槽孔。挖掘孔21的唯一目的是确保所需炮眼长度的形成和岩石以计划的方式并作为具有合适尺寸的碎块分离。使炮眼爆破可能损坏限定出隧道的岩石，或就本质而言，岩石的牢固性可能不足以确保安全隧道。由此，可能需要加强隧道2的坑顶22和坑壁23。可通过根据预定图案钻出若干相邻的加强钻孔24来加强岩石，岩石锚杆等加强件可装配到该加强钻孔24中。可在加强件图案中确定加强钻孔24的数量、深度、直径、起始位置和方向，其代表一种形式的钻孔图案。可以以扇形形式钻出加强钻孔24，由此在隧道的两个坑壁23和坑顶22上都有钻孔。替代地，可以以扇形方式仅在坑顶22上钻出加强钻孔24，从而提供在坑顶上的加强梁。加强图案确定xz方向平面，该xz方向平面通常与隧道线L垂直交叉且加强钻孔24的起始位置Ilb位于该xz方向平面上。由此，加强孔24的方向与隧道线L相交叉。但是，以如下方式构造钻臂5:使得向上指向、向旁边指向或有时甚至向下指向的钻孔单元6可定位在加强孔24的起始位置Ilb中。当钻出挖掘钻孔21时，操作者14将控制单元16关连到面钻孔模式，当使用相同的钻孔单元6来钻出加强钻孔24时，操作者14选择加强模式。通过模式，能够对控制单元 16如何响应于操作者14的手动控制移动从而执行钻孔单元5的真实定位移动产生影响。控制件15可以是操纵杆，在加强模式中，在给定方向上转动该操纵杆，钻孔单元6可实现与在面钻孔模式中不同的移动。控制系统还可包括显示装置25，该显示装置25可示出钻孔图案和钻孔单元6相对于所要钻出的孔的位置。操作者14可基于从显示装置25获得的信息来进行手动控制移动，如下面参考图8和9所解释的那样。图2的目的是进一步说明在隧道2中要进行的钻孔。可基本上在隧道线L的方向上在隧道面3中钻出挖掘钻孔21以挖掘炮眼12。图中还示出由加强钻孔24形成的、与隧道线L交叉定位的钻孔扇形26。多个这样的扇形26可钻出，使得从隧道线L的方向观察，它们彼此以预定距离定位。可在分开的阶段进行钻出坑面3和钻孔扇形26，其中，对于每个阶段，分开地定位和导航钻岩设备I。替代地，可用钻岩设备以使用相同的定位和导航的方式进行坑面3的钻出和钻孔扇形26的钻出。有时，岩石的牢固性非常差，以至于需要在钻出新炮眼之前加强岩石。图3示出说明在定位钻孔单元时，控制系统的工作原理的流程图。操作者在显示装置中检测钻孔单元的位置和所要钻出的钻孔的起始位置，并随后通过偏移例如操纵杆的控制件来进行控制移动。控制单元接收来自控制件的控制信号并将其转换成钻孔单元位置的变化率。此后，控制单元在操作者所要求的方向上移动钻孔单元的目标位置并计算钻臂的接头角度以实现目标位置。此外，控制单元设定致动器的目标值以相对应于新的目标角度，由此钻孔单元的位置和角度以根据控制件的值的速率改变。图4示出在面钻孔中使用的坐标系以及方向角U和V。而且，在图中指示孔方向27。图5又示出在扇形钻孔模式中使用的坐标系。如可看到的，面钻孔和扇形钻孔可使用直角坐标系，可以以相同的方式定义该直角坐标系的轴。但是，方向角的定义彼此不同。图5中，工具的方向用附图标记28指示。
图5还示出可向前、向后和向两侧移动的操纵杆29。当控制被关连到加强模式且向前推动、即远离操作者14推动操纵杆29时，钻孔单元和在其中的工具转动，使得所要钻出的加强孔以角度92朝向隧道坑面倾斜地被引导。当操纵杆29被朝向操作者14拉动时，以如下方式引导工具，即使得所要钻出的加强孔远离隧道面倾斜指向。当向前推操纵杆29时，圆锥角02达到正值，而当向后拉操纵杆29时，圆锥角θ2达到负值。通过将操纵杆29向右移动，钻孔单元可在Xz平面上顺时针转动，由此转动角Θ 1达到正值，且所要钻出的孔被引导向右侧。当操纵杆29向左转动时，钻孔单元逆时针转动并且转动角Q1达到负值，由此，所要钻出的孔被引导向左侧。图6示出加强模式中的直观控制的原理。当希望将钻孔单元所要移动的新的目标位置提供给控制单元时，操作者14可想象操纵杆是他/她正在移动的钻孔工具10。当例如他/她希望在转动角Θ i的方向上转动钻孔单元和其中的工具时，操作者将控制件转向左或向右。此外，当希望所要钻出的孔被向前倾斜引导时，操作者向前推操纵杆，而相应地，当希望钻孔被向后倾斜引导时，他/她向后拉操纵杆。对于操作者14来说，立即理解控制件的移动的效果是容易的。可在生产钻孔设备的控制系统中布置相对应的直观操作的原理以便于将挖掘孔钻成扇状图案。图7示出通过两个操纵杆15a和15b手动定位钻孔单元6。该图示出箭头以指示操纵杆的运动方向，并通过箭头指示在钻孔单元6的位置和方向上的移动效果。在移动过程中，当选择开关30时，以括弧指示运动方向的效果。可通过开关30选择另一可选功能。如可从图中看到的，操纵杆15a、15b的运动方向关于钻孔单元6的真实运动方向逻辑关连。当选择挖掘模式时，在移动控制中存在差异。当选择开关30时，向前或向后移动左操纵杆15a致使在挖掘模式中，钻孔单元6在由工具指示的方向上移动。另外，在侧向上移动右操纵杆15b影响角度U，且向前和向后移动操纵杆15b影响角度V。图8进一步示出钻岩设备的控制单元16的用户界面31以及其关连。用户界面31包括一个或更多个显示装置25，诸如显示面板，以及一个或更多个控制件15，诸如操纵杆。通过用户界面31，操作者14以使得钻孔单元以所需的方式进行工作的方式使用控制单元16及其程序和工作原理。
显示装置25可用于显示所要钻孔的扇形的钻孔图案。当钻出加强孔时，加强图案被加载到控制单元16，而当钻出扇形生产孔时，将挖掘图案加载到控制单元16。显示装置25的显示图像32可包括两个或更多个局部视图32a、32b，在局部视图32a、32b中呈现从不同方向观看到的钻孔扇形平面33和钻孔单元的符号34。由此，操作者14在显示图像32中看到定位状态并可通过控制件15给予控制单元16控制命令，控制单元16又控制一个或更多个致动器19，从而物理地实现根据控制命令的在钻孔单元的位置或方向上的移动。操作者14不控制单个致动器19，但给予控制单元目标位置或方向，即由控制单元实现的目标位置。控制件15的一个运动方向受约束以相对于显示装置25中所呈现的一个方向控制钻孔单元。通过一个或更多个传感器18等测量装置来确定钻孔单元的位置和方向，测量装置的测量信息被传递到控制单元6。图8进一步示出在显示图像32中移动控制件15的效果。可以通过如下方式直观地确定控制件15的运动方向当控制件15在箭头35a的方向上移动到左侧时，显示图像32中的符号34以由箭头35b所指示的方式相应地移动到左侧。由此，控制件15的移动仅改变X坐标值，而其它坐标，即I和z，以及方向角保持不变。 图9示意性示出显示图像32，该显示图像32具有一个定位在另一个之上的两个局部视图32a和32b。第一局部视图32a示出从方向y看到的钻孔扇形26，而第二局部视图示出从方向z看的相同的钻孔扇形26。在局部视图中，钻孔扇形26的Xz平面由此形成扇形平面。第一局部视图32a示出Xz平面上钻孔24的位置和方向以及钻孔单元6的位置。计划的钻孔24a可以显示成从钻孔图案的轮廓延伸出来的线。可在已实现的位置中显示已钻出的孔24b并通过使用在其起始点处的诸如正方形的标记来显示已钻出的孔24b。接下来要钻出的计划的钻孔24c可以以粗体显示。第二局部视图32b可用作深度视觉(depthvision),换言之，在局部视图32b中可看到钻孔单元6相对于扇形平面的位置，即相对于钻孔扇形的Xz平面的位置。可通过合适的符号在显示图像32中显示钻孔单元6。图9中，钻孔单元6的符号34是圆形，连续线36从该圆形延伸出来，该线指示假想的钻孔和钻孔单元6的方向，其中如果在当前位置开始钻孔，则将形成该假想的钻孔。此外，显示图像32可以虚线37示出进给梁，操作者可基于该虚线37评估钻孔所需的空间。除了上面的符号34和相关孔线36和进给梁线37以外，还可使用其它合适的标记和表示方式。第二局部视图32b中，圆锥角的值可被呈现为数值。此外，第二局部视图32b可以将与第一局部视图32a对应的扇形平面示出为水平线38a。如果钻孔图案是加强图案，则该图案可能包含的其它加强扇形的扇形平面也可显示为水平线38b和38c。根据图9的显示图像32是清晰的且是说明性的，这便于操作者的工作，在显示图像32中，局部视图32a和32b在垂向上被一个在另一个之上地定位。图形显示图像32，如图9中的图像，是便于操作者工作的对准工具且其可应用于钻出加强扇形和生产扇形。如果，例如，钻孔单元的符号34 (根据显示图像32)在所要钻出的孔的起始点下方，符号34通过控制件34直线地向上移动，由此，控制单元在方向z上移动钻孔单元而无任何其它坐标或方向角变化。相应地，如果从显示图像变得很明显的是对准不正确，但钻孔单元符号34应向左直线移动，则操作者通过控制件在方向X上移动符号，即给予钻孔单元新的目标位置。控制件引导钻孔单元的物理移动，其中，仅钻孔单元的X坐标改变，而其余坐标和方向角保持不变。当在局部视图32a和32b中，符号34的孔线37和指示在钻孔图案中确定的钻孔的线24c —个在另一个上，则钻孔单元被正确地定位和引导。在显示图像32下方，图9进一步示出，从上方看时的用户界面31所包括的控制件15a和15b。控制件可以是附连到例如控制面板41a、41b的操纵杆,该控制面板41a、41b与操作者座椅连接。图中用箭头SI和S2显示操纵杆15a的移动并指示钻孔单元如何在显示图像中移动。当选择开关30时，可影响钻孔单元的I坐标，如图中局部视图32b中箭头S3所示。通过右手侧上的操纵杆15b，可影响方向角，如箭头S4和S5所示。图9还示出已实现的孔24b的起始点，即，所谓的岩石识别点42也可在显示图像32中呈现。关于岩石识别点42的信息还可在控制单元中被存储并处理。此外，显示图像32可示出延伸穿过岩石识别点42的图形43。这说明在观察中，岩石表面实际位于扇形的点的位置。关于真实岩石表面的信息可被存储且可在钻岩设备中或钻岩设备外被处理并利用。
图10示出在生产钻孔设备中使用的钻臂5，钻孔单元6通过旋转接头38被布置在钻臂上，从而钻孔单元6可在相对于隧道线的横向上转动。在旋转接头38点处，有所谓的枢转点PP，钻孔24的假想延长线39穿过该枢转点PP延伸。钻臂5可包括可缩回和可伸展的垂直臂40，垂直臂40的下端可通过接头41连接到钻臂的水平梁42，水平梁42则抵靠分支状钻臂部分43被支承，分支状钻臂部分43可被支承在地面上。枢转点PP可在方向z上移动，即向上或向下移动，以及在侧向上移动。通过垂直臂40的转动移动和长度的变化的组合效果可实现枢转点PP在方向X上的水平移动。还可在垂直臂40与水平梁42之间布置线性引导件，该线形引导件使得能够侧向移动。通过经由控制件15将控制命令给予控制单元，可改变枢转点PP在扇形平面33上的位置。控制件15的一个运动方向布置成相对于一个坐标移动枢转点PP。这在图中示出。当控制件15移动到图中的右边,枢转点的目标位置也在X坐标方向上移动到右边，如箭头所示。控制单元确定用于接头控制器的目标值并控制致动器，该致动器以如下方式影响枢转点的位置，即实现由操作者给予的目标位置。当枢转点PP’已经呈正确位置时，可开始扇形的钻孔，其中通过在钻孔图案中确定的钻孔的方向上转动钻孔单元而围绕枢转点定位钻孔单元。图11示出可应用于生产钻孔的第二布置，该第二布置在由一个或更多个钻臂部件形成的钻臂5的最外端处具有旋转接头38，钻孔单元6可围绕该旋转接头38在扇形平面上转动。由此，扇形平面上的枢转点PP可位于所述接头的点处。能够以上述的方式移动枢转点PP的位置。另外，还可在除了定位在钻孔单元的中心部分中的接头处之外的其它位置处确定图10和图11的方案中的枢转点的位置。枢转点PP’的新的位置可因此确定为例如钻头的前端。另外，枢转点PP"在扇形平面上的位置可独立于钻臂和钻孔单元的构造，该情形中，枢转点PP"可定位在扇形平面上的任何位置中。控制单元考虑枢转点的位置并确定所需要的定位移动。可通过控制件以上述方式移动枢转点PP的位置并可使用显示装置中示出的显示图像作为帮助。钻孔中，相对于所确定的新的枢转点PP’或PP"来进行钻孔单元6在扇形平面上的转动。图12示出非常简化的状态，其中，利用钻岩设备I进行扇形钻孔，钻岩设备I的载架4已经被驱动到相对于钻孔扇形平面33的倾斜位置。在开始钻孔之前，已经导航钻岩设备1，由此，已知在隧道2中钻岩设备I的位置和钻孔图案的位置。导航允许找出钻岩设备相对于由钻孔图案确定的扇形平面33的位置。控制单元在定位和控制钻孔单元时，考虑钻岩设备I的位置误差。图13和14不出用于表面钻孔的钻岩设备1，钻岩设备I可包括本申请中先前描述的钻岩设备的基本结构、控制原理和特征。表面钻岩设备I可用于在岩石中向下或倾斜向下钻出挖掘孔21。图16示出梯段钻孔55的原理，其是表面钻孔的应用之一。表面钻孔中，可从载架4的一个定位位置在岩石中钻出多个钻孔。可提前设计钻孔图案56。在定位钻孔单元6中，可利用本申请中提出的钻孔模式，其中，操作者将钻孔的目标位置和方向发送给控制单元，此后，控制单元16通过控制致动器来进行所需的钻臂运动。可根据图3所示的流程来控制。此外，控制系统具有直观的关连，这有助于操作者理解控制件所执行的在钻孔单元6的位置和方向上的移动效果。图13至图15b示出在钻头20的位置和进给梁9的方向上控制件15a、15b的移动效果。控制单元16考虑载架4的位置，例如利用倾斜计50来确定载架4的位置。此外，存在与接头17连接或在适于这一目的的另一位置中的传感器18或测量装置，且控制单元16通过从测量装置获得的数据确定钻头20的位置以及方向，该钻头20的方向与进给梁9的方向相同。表面钻孔的控制系统通常利用钻岩设备本身的坐标系。可有与控制件15a连接的开关51等，钻头20通过该开关51在方向z上移动。当钻 头20在一个坐标方向上移动时,例如在方向z上移动,其余坐标X和y保持不变,方向角u和V也保持不变。这是根据坐标控制的原理。某些情形中，可使用在本申请中所提出的特征而不考虑其它特征。另一方面，如果需要，可组合本申请中所提出的特征以形成各种组合。附图和相关说明仅旨在说明本发明的构思。本发明的细节可在权利要求书内变化。
权利要求
1.一种钻岩设备，所述钻岩设备包括 可移动载架(4)； 至少一个钻臂(5)； 钻孔单元(6)，所述钻孔单元(6)被布置在所述钻臂(5)上，并且所述钻孔单元(6)包括进给梁(9)和钻岩机(7); 多个接头(17)以及多个致动器(19)，所述多个接头(17)在所述钻孔单元(6)与所述载架(4)之间，所述多个致动器(19)用于影响所述钻孔单元(6)的位置； 传感器(18)，所述传感器(18)与所述接头(17)连接以用于确定所述钻孔单元(6)的位置； 控制系统，所述控制系统用于定位所述钻孔单元(6); 并且所述控制系统包括至少一个控制件(15)，以用于通过手动地移动所述控制件(15)而给予所述钻孔单元(6)的位置以及方向的目标，而不直接控制影响所述钻孔单元的位置的所述致动器； 并且其中所述控制单元(16)被布置成确定所述接头(17)的值，以实现给予的目标位置； 并且其中所述控制单元(16 )还布置成通过运行所述致动器(19 )而将所述接头(17 )设定在所述确定的值下，由此所述钻孔单元(6)被布置成朝向所述给予的目标位置移动；其特征在于 所述控制单元(16)包括至少一个钻孔模式，在所述钻孔模式中，所述控制件(15)的每个单独的运动方向被布置成提供所述钻孔单元(6 )相对于仅一个坐标或方向角的物理定位移动，而其余坐标和方向保持不变；以及 在所述钻孔模式中，所述控制件(15)的影响方向被选择成与所述钻孔单元(6)的直观的运动方向对应，由此在一个运动方向上移动所述控制件(15)提供所述钻孔单元(6)在与所述控制件(15)的移动相对应的方向上的真实移动。
2.根据权利要求I所述的钻岩设备，其特征在于 所述控制单元(16)的用户界面(31)包括至少一个显示装置(25)，所述至少一个显示装置(25)具有至少一个显示图像(32)； 所述控制单元(16)被布置成在所述显示图像(32)中通过图形符号(34)显示所述钻孔单元(6)的位置，以及进一步地，显示钻孔的位置和方向；且 在所述钻孔模式中，所述控制件(15)的运动方向与所述显示图像(32)中所呈现的方向关连，由此在所述显示图像(32)中所呈现的一个方向上移动所述控制件(15)被布置成导致所述钻孔单元(6 )在相对应的方向上的物理定位移动。
3.根据权利要求2所述的钻岩设备，其特征在于 所述控制单元(16)被布置成在所述显示图像(32)中呈现钻孔图案以及在所述钻孔图案中确定的钻孔的位置和方向。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的钻岩设备，其特征在于 所述钻臂(5)和连接到所述钻臂(5)的所述钻孔单元(6)设有用于在相对于隧道线(L)的交叉方向上钻出扇形加强孔(24)的装置，以及进一步地，所述钻臂(5)和连接到所述钻臂(5)的所述钻孔单元(6)设有用于在所述隧道线(L)的方向上在岩洞面(3)中钻出挖掘孔(21)的装置；以及 所述控制单元(16)包括面钻孔模式和扇形钻孔模式，在所述面钻孔模式和所述扇形钻孔模式中，所述控制单元(16)对所述控制件(15)的运动方向的响应是不同的。
5.根据前述权利要求I至3中的任一项所述的钻岩设备，其特征在于 所述钻臂(5)和连接到所述钻臂(5)的所述钻孔单元(6)设有用于仅钻出扇形钻孔图案的装置； 所述钻孔单元(6 )通过水平弓I导的旋转接头(38 )被连接到所述钻臂(5 )并且所述钻孔单元(6)能够在所要钻出的扇形的平面上转动，以按照在所述钻孔图案中所确定的方式引导所述钻孔单元(6);以及 所述控制单元(16)被布置成控制所述钻孔单元(6)在所述扇形平面上相对于枢转点(PP)的转动，能够通过移动所述控制件(15)而自由确定所述枢转点(PP)在所述扇形平面上的位置。
6.—种钻岩方法,所述方法包括 用至少一个钻孔单元(6)在岩石中按照所期望的图案钻出多个钻孔(21)； 通过钻臂(5)将所述钻孔单元(6)定位在所要钻出的钻孔的点处； 确定所述钻孔单元(6)的真实位置，所述钻孔单元(6)的真实位置包括位置和方向信息； 通过至少一个控制单元(16)控制所述钻孔单元(6)的定位； 通过至少一个手动控制件(15)给予所述钻孔单元(16)相对于所述真实位置的位置和方向的目标； 将由所述控制件(15 )给予的目标传递到所述控制单元(16 )并在所述控制单元(16 )中处理所述目标，而不直接控制致动器，所述致动器影响所述钻孔单元(6)的位置； 通过考虑目标位置和所述真实位置，在所述控制单元(16)中确定对于所述致动器(19)所需的控制移动； 通过所述控制单元(16)控制所述致动器(19)，并且朝向给予的所述目标位置移动所述钻孔单元(6)； 其特征在于 将所述手动控制件(15)的每个单独的运动方向相关连，以影响所述钻孔单元(6)相对于仅一个坐标或方向角的目标位置；以及 在移动所述目标位置和所述控制件(15)的过程中使用直观的关连，由此所述钻孔单元(6)和所述控制件(15)的真实运动方向彼此对应。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于 使用所述钻孔单元(6)来钻出包括多个钻孔(21)的扇形图案； 确定钻孔扇形平面的位置； 将所述钻孔单元(6)定位在所述钻孔扇形平面上；以及 通过所述控制件(15)在所述钻孔扇形平面的方向上移动所述目标位置，而同时不影响所述钻孔扇形平面。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于 在钻岩设备中的显示装置(25)的显示图像(32)中以图形方式呈现钻孔扇形上的钻孔信息； 通过图形符号(34)在所述显示图像(32)中呈现所述钻孔单元(6)相对于至少一个钻孔的真实位置； 通过在所述显示图像(32)中所呈现的一个方向上移动所述控制件(15)来将所述钻孔单元(6)对准到所要钻出的孔的点，以给予所述控制单元新的目标位置；以及 在与所述控制件(15)的移动相对应的方向上移动所述钻孔单元(6),所述控制单元(16)控制所述控制件(15)。
9.根据前述权利要求6至8中的任一项所述的方法，其特征在于 将设计用于钻孔的钻孔图案输入到所述控制单元(16)的所述显示装置(25)； 在所述显示装置(25)的所述显示图像(32)中以图形方式呈现关于所述钻孔的钻孔图案； 通过图形符号(34)在所述显示图像(32)中呈现所述钻孔单元(6)相对于所述钻孔图案的真实位置； 在所述显示图像(32)中所呈现的一个方向上移动所述控制件(15)以给予所述控制单元新目标位置；以及 在与所述控制件(15)的移动相对应的方向上移动所述钻孔单元(6),所述控制单元(16)控制所述控制件(15)。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的方法，其特征在于 除了扇形钻孔之外，使用相同的钻岩设备(I)在隧道面(3)中的隧道线(L)的方向上钻出挖掘孔(21);以及 在扇形钻孔中，通过使用扇形钻孔模式来控制所述钻孔单元(6)，且相应地，在面钻孔中通过使用面钻孔模式来控制所述钻孔单元(6)，在所述控制模式中，移动所述控制单元(6 )被布置成在关于所述控制模式的钻孔方向上是真实的。
11.根据前述权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于 将所述钻岩设备用于扇形钻孔； 钻出由孔组成的扇形以用于安装加强件；以及 根据加强图案来进行钻孔。
12.根据前述权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于 将所述钻岩设备用于扇形钻孔； 钻出由孔组成的扇形以用于挖掘；以及 根据挖掘图案来进行钻孔。
13.根据前述权利要求6至12中的任一项所述的方法，其特征在于 在开始钻孔之前导航所述钻岩设备(I)，由此确定所述钻岩设备(I)的位置并执行坐标系上所需的变化； 在控制所述钻孔单元(6)的过程中考虑所述钻孔扇形平面和所述钻岩设备(I)的相对位置，并进行对于控制所需的矫正；以及 不考虑所述钻岩设备(I)相对于所述钻孔图案的位置，在由所述钻孔图案确定的方向上控制所述钻孔单元(6 )。
14.根据前述权利要求5至8中的任一项所述的方法，其特征在于将所述钻岩设备用于扇形钻孔； 确定所述钻孔扇形平面在所述隧道线上的位置； 将所述钻孔单元定位在所述钻孔扇形平面上； 在所述钻孔扇形平面上转动所述钻孔单元，以引导在所述钻孔扇形中所要钻出的孔；以及 进行所述钻孔单元(6)相对于枢转点(PP)的转动，由操作者确定所述枢转点(PP)在所述钻孔扇形平面上的位置。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于 通过所述控制件(15)给予所述枢转点(PP)在所述扇形平面上的新的目标位置，由此所述控制件(15)在所述扇形平面上的每个单独的运动方向影响仅相对于一个坐标的所述钻孔单元(6)的目标位置。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于 在所述钻岩设备的所述显示装置(25)的所述显示图像(32)中将所述枢转点(PP)的位置呈现为图形信号；以及 通过所述控制件(15)在所述显示图像(32)中所呈现的方向上移动所述枢转点(PP)的位置。
17.根据前述权利要求14至16中的任一项所述的方法，其特征在于 引导所述钻孔扇形的所述多个钻孔，使得所述多个钻孔的中心轴线的假想延长线穿过所述枢转点(PP)。
18.根据前述权利要求14至16中的任一项所述的方法，其特征在于 在钻头(20)的前端处确定所述枢转点(PP)的位置。
19.一种钻岩设备的控制系统,所述钻岩设备(I)包括至少一个钻臂(5 )和布置在所述钻臂(5)上以用于钻出期望的钻孔图案的钻孔单元(6); 并且所述控制系统包括 至少一个控制单元(16)； 至少一个控制件(15)，所述至少一个控制件(15)用于通过移动所述控制件来给予所述钻孔单元的位置和方向的目标； 用于确定所述钻孔单元(6)的真实位置和方向的装置； 并且其中，所述控制单元(16 )被布置成基于所述钻孔单元(6 )的真实位置和由所述控制件(15)给予的目标来确定移动要求以及控制致动器(19)，所述致动器(19)影响所述钻孔单元(6)的位置； 其特征在于 所述控制系统包括至少一个钻孔模式，在所述钻孔模式中，所述控制件(15)的每个单独的运动方向受约束以相对于一个坐标或方向角控制所述钻孔单元；以及 在所述钻孔模式中，所述控制件(15)的运动方向被选择成与所述钻孔单元(6)的直观的运动方向相对应。
20.根据权利要求19所述的控制系统，其特征在于除了所述至少一个控制件(15)之外，所述控制系统的用户界面(31)还包括至少一个显示装置(25);以及所述显示装置(25)包括至少一个显示图像(32)以用于通过图形符号(34)呈现所述钻孔单元(6)的位置，以及进一步用于呈现钻孔的位置和方向，由此所述显示装置(25)是用于进行手动定位的对准工具。
21.根据权利要求19或20所述的控制系统，其特征在于 所述控制系统包括扇形钻孔模式，所述扇形钻孔模式旨在用于在以扇形方式在相对于隧道线的交叉方向上钻出钻孔时控制所述钻孔单元(6 ); 所述控制系统包括面钻孔模式，所述面钻孔模式旨在用于当在所述隧道线的方向上钻出挖掘孔时控制所述钻孔单元(6);以及 所述控制系统被布置成利用所述扇形钻孔模式和所述面钻孔模式中的不同的响应来响应所述控制件(15)的移动。
全文摘要
本发明涉及钻岩设备，钻岩方法以及钻岩设备的控制系统。所述钻岩设备(1)包括钻孔单元(6)以用于按照钻孔图案钻出钻孔(21)。所述钻孔单元的位置被确定且控制单元(16)被布置成基于给定的目标位置，通过控制件(19)控制影响所述钻孔单元的位置的致动器(19)。所述控制件的每个单独的运动方向被布置成相对于仅一个坐标或方向角来影响目标位置。另外，所述控制件的运动方向被布置成相对于所述钻孔单元的运动方向是直观的。
文档编号G06F3/14GK102782241SQ201180011064
公开日2012年11月14日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月25日
发明者尤西·普拉 申请人:山特维克矿山工程机械有限公司