Bohrgerät, insbesondere Stollenbohrgerät, und Verfahren zur Steuerung von Bohrgeräten

Abstract

 Eine genaue Positionierung von Bohrlafetten kann dadurch erreicht werden, wenn der Ausleger (1) mittels eines diesem Ausleger funktionell entsprechenden Modelles (2) in welchem jede gewünschte Stellung des Auslegers problemlos durch einfache Manipulation des Operators einstellbar ist, gesteuert wird. An den Verbindungsstellen (5, 6) eines dem Ausleger des Bohrgerätes (1) funktionell entsprechenden Modells (2) sind die Lage der die Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette bestimmenden Stellungs-Sensoren (5a, 6a) angeordnet, welche über eine Vergleichs-Schaltung (12) mit an den zum Modell analogen Verbindungsstellen (3, 4) der Auslegerteile (1) angeordneten Stellungssensoren (3a, 4a) verbunden sind, wobei mittels der Vergleichs-Schaltung (12) bei Änderung der Lage der Teile des Modells die Steuerorgane (9, 10) zur Steuerung der Zylinder (7, 8) jeweils mit dem Druckmedium so lange beaufschlagbar sind, bis an allen an den bei den Verbindungsstellen des Bohrgerätes (1) angeordneten Stellungs-Sensoren (3a, 4a) mit den von den Stellungs-Sensoren (5a, 6a) des Modelles (2) festgestellten Meßgrößen identische Meßgrößen erreicht sind.

Beschreibung

[0001] Für die Einstellung und Steuerung von Bohrgeräten, insbesondere von Stollenbohrgeräten, war es bis jetzt üblich, die Auslegerteile bzw. die Teile der Bohrlafette, also die die Lage bzw. Winkellage der Einzelteile, z.B. Auslegerbalken, Schwenkachsen, des Auslegers bzw. der Bohrlafette zueinander verändernden, üblicherweise mit einem Druckmedium arbeitenden Stellorgane, vorzugsweise Zylinder, Kolben od.dgl., über Ventile zu steuern, welche ihrerseits von üblicherweise durch einen Operator manuell betätigten Hebeln gesteuert werden.

[0002] Soll, was bei den heutigen Anforderungen insbesondere hinsichtlich Exaktheit der Bohrung von komplizierten Verlauf aufweisenden Stollen, Tunnels od.dgl., der Fall ist, die dazu nötige, möglichst exakte Einstellung und Ausrichtung der Gesteinsbohrer erreicht werden, kann dies vom Operator nur relativ aufwendig, insbesondere zeitaufwendig, bewerkstelligt werden. Es ist dazu ein direktes Markieren der jeweiligen Bohrstelle notwendig, auf welche Markierungen hin dann schließlich der Ausleger und die Bohrlafette auszurichten sind.

[0003] Es wurde daher versucht, mittels eines Servo-Systems die bei einer exakten Ausrichtung des Bohrgerätes und des Bohrers im praktischen Betrieb auftretenden Schwierigkeiten und Probleme zu verringern.

[0004] So ist in der AT-PS 286.209 ein Bohrausleger zur winkeligen Einstellung einer eine Gesteinsbohrmaschine tragenden Bohrlafette beschrieben, bei der mit den Schwenkachsen ein Winkelverstellungs-Servosystem gekoppelt ist, bei dem jeder der Schwenkachsen ein-elektrischer Winkelstellungsfühler zugeordnet ist, wobei beispielsweise zwei Winkelstellungsfühler winkelsynchron miteinander gekoppelt sind, wovon einer über einen Verstärker und ein Servoventil an den nebenliegenden Schwenkwinkel-Kraftzylinder des Bohrauslegers elektrohydraulisch winkelsynchron mit der Einstellung des gegenüberliegenden Schwenkwinkel-Kraftzylinders verbunden ist.

[0005] Mit der dort vorgesehenen Vorrichtung kann z.B. die Bohrlafette exakt lageparallel verschoben werden. Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Systems liegt in dessen mangelnder Flexibilität, die eine freie Einstellung des Auslegers und damit auch des Bohrers in eine beliebige gewünschte Lage zumindest erschwert.

[0006] Es wurde nun gefunden, daß die Nachteile eines solchen bekannten Servosystems für Bohrgeräte vermieden werden können, wenn der Ausleger mittels eines diesem Ausleger funktionell entsprechenden Modells, an welchem jede gewünschte Stellung des Auslegers problemlos durch einfache Manipulation des Operators einstellbar ist, gesteuert wird. Dazu sind an den beweglich, insbesondere gelenkig und/oder verschieblich, ausgebildeten Verbindungsstellen des Ausleger- bzw. Lafetten-Modelles, also beispielsweise an dessen Schwenkachsen oder Gelenken, Stellungssensoren (Meßfühler) angeordnet, deren Meßgrößen jeweils mit den Meßgrößen von an den jeweils analogen Verbindungsstellen des Auslegers des einzusetzenden Bohrgerätes angeordneten Stellungssensoren (Meßfühlern) verglichen werden. Solange eine Differenz zwischen den jeweils von Modell und Gerät gelieferten Meßgrößen vorhanden ist, wird mittels Servosteuerung, z.B. mittels Hydraulik, solange eine Veränderung der Lage der Auslegerteile bzw. der Teile der Lafette zueinander vorgenommen, bis die Meßgrößen jeweils einander zugeordneter Stellungssensoren an Gerät und Modell miteinander identisch sind.

[0007] Gegenstand der Erfindung ist demnach ein Bohrgerät, insbesondere ein Stollenbohrgerät, bei welchem die Lage der Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette mittels über Ventile gesteuerten, mit Druck-Medium beaufschlagbaren Zylinder veränderbar und einstellbar ist, wobei an den Verbindungsstellen der Teile elektrische Stellungs-Fühler vorgesehen sind.

[0008] Das Bohrgerät ist dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungsstellen, insbesondere an den Gelenken eines dem Ausleger des Bohrgerätes funktionell entsprechenden Modelles die Lage der die Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette bestimmenden Stellungs-Sensoren, vorzugsweise elektrische Dreh- und/oder Schiebewiderstands-Sensoren, angeordnet sind, welche über mindestens eine Vergleichs- bzw. Kompensations-Schaltung, vorzugsweise eine Brückenschaltung, mit,vorzugsweise gleichartig ausgebildeten, an den zum Modell analogen Verbindungsstellen, insbesondere Gelenken, der Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette angeordneten Stellungs-Sensoren verbunden sind und daß mittels der Vergleichs-Schaltung bei Änderung der Lage der Teile des Modelles die Steuerorgane, insbesondere Ventile zur Steuerung der Zylinder, vorzugsweise in zeitlicher Aufeinanderfolge, jeweils mit dem Druckmedium so lange beaufschlagbar sind, bis an allen an den bei den Verbindungsstellen, vorzugsweise Gelenken, des Bohrgerätes angeordneten Stellungs-Sensoren, vorzugsweise Dreh-und/oder Schiebewiderstands-Sensoren, mit den von den Stellungs-Sensoren des Modelles festgestellten Meßgrößen identische Meßgrößen, vorzugsweise identische Widerstandsgrößen, erreicht sind.

[0009] Unter Verbindungsstellen sind, wie oben angedeutet, Gelenke, Schwenklager, Schwenkachsen od.dgl., weiters aber auch teleskopartig ausziehbare Auslegerteile od.dgl. zu verstehen. In bzw. an diesen Verbindungsstellen sowohl des Modelles als auch des Bohrgerätes sind die jeweilige Lage- bzw. Winkel- oder sonstige Stellung registrierende Sensoren angeordnet. Zweckmäßig sind elektrische oder elektronische Sensoren vorgesehen; elektrische Widerstands-Sensoren, also z.B. Dreh- oder Schiebepotentiometer, sind bevorzugt.

[0010] Die erfindungsgemäß vorgesehene, mit den Sensoren verbundene, Vergleichs- bzw. Kompensations-Schaltung kann grundsätzlich nach jedem bekannten Prinzip aufgebaut sein und dient zur Feststellung der Differenz zwischen den jeweils von einander zugeordneten Sensoren an Modell und Gerät gelieferten Meßgrößen und setzt mittels dieser Differenz- Meßgröße - üblicherweise nach deren entsprechender Verstärkung - beispielsweise die Stell-Ventile der HydraulikZylinder am Ausleger des Bohrgerätes und damit diese Zylinder selbst solange in Gang, bis die Differenz-Meßgröße der einander zugeordneten Sensoren von Modell und Ausleger den Wert Null erreicht. Auf diese Weise läßt sich eine nachführende Einstellung des Auslegers des Bohrgerätes erzielen, die exakt mit der Einstellung des einfach handzuhabenden Modell-Auslegers übereinstimmt.

[0011] Die Vergleichs-Schaltung selbst ist vorteilhaft durch eine elektrische oder elektronische Brücken-Schaltung gebildet. Der zur Steuerung der der Bewegung der Zylinder am Ausleger dienende Verstärker ist vorteilhaft ein elektronischer Verstärker.

[0012] Üblicherweise stimmt die Anzahl der Stellungs-Sensoren sowohl am Modell als auch am Gerät mit der Zahl der Verbindungsstellen, wie Gelenken od. dgl. überein. Die im Falle von mehreren Verbindungsstellen in diesem Fall vorhandene Redundanz gewährleistet, daß selbst bei Ausfall eines der Sensoren im bekannt rauhen Bohrbetrieb die restlichen, noch intakten Sensoren immer noch für eine exakte Übereinstimmung der Stellung der Teile des Auslegers bzw. der Lafette von Modell und Gerät zueinander zu sorgen imstande sind.

[0013] Es können aber auch jeweils an Verbindungsstellen von Modell und Gerät, wo sie nicht unerläßlich sind, Sensoren weggelassen werden.

[0014] Um den Aufwand des erfindungsgemäßen Servo-Systems in Grenzen zu halten und gleichzeitig eine zeitliche Abfolge der Schritte der Einstellung des Auslegers bzw. der Bohrlafette zu gewährleisten, ist vorteilhaft eine zentrale Vergleichs- Schaltung vorgesehen, an welche alle Paare einander zugeordneter Sensoren angeschlossen sind. In zeitlicher Aufeinanderfolge werden jeweils die beiden Meßgrößen von zwei einander entsprechenden Verbindungsstellen an lageeingestelltem Modell und lageeinzustellendem Gerät gegeneinander abgeglichen und bei diesem Vorgang gleichzeitig das jeweils zugehörige Stellorgan, vorzugsweise ein Zylinder, über dessen Steuerorgan(e), z.B. Ventil(e) und damit die Teile des Auslegers bzw. der Lafette des Gerätes so lange in Bewegung gesetzt, bis die Differenz-Meßgröße an der Schaltung den Wert Null annimmt. Nach jeder händischen Neuausrichtung des Modelles werden also sequentiell alle Verbindungsstellen, insbesondere Gelenke od.dgl., des Auslegers des Bohrgerätes genau mit der Stellung der Verbindungsstellen, insbesondere Gelenke od.dgl., am Modell in Übereinstimmung gebracht. Verständlicherweise ist für eine Abfolge der Einstellung zu sorgen, bei der ein "Verqueren" der Auslegerteile bzw. der Teile der Bohrlafette vermieden wird.

[0015] Wie schon angedeutet, haben sich in der Praxis Stellungs- Sensoren auf Basis elektrischer Widerstands-Messung bewährt. Es können aber auch kapazitive oder Induktions-Sensoren Anwendung finden. Für die Verbindung vom jeweiligen Stellungs-Sensor zur Vergleichsschaltung und von dieser zu den Steuerorganen, insbesondere Ventilen, der Zylinder des Bohrgerätes haben sich elektrische Leitungen bewährt.

[0016] Erfindungsgemäß kann auch ein die analogen Meßgrößen der Sensoren von Modell und Bohrgerät in digitale Größen umwandelnder Analog-Digitalwandler und/oder eine digitale Vergleichs-, insbesondere Brücken-Schaltung vorgesehen sein. Damit ist die Ein- bzw. Zwischenschaltung eines die Einstell-Vorgänge und auch deren Abfolge an mehreren Bohrgeräten zentral steuernden und kontrollierenden Computers bzw. Mikroprozessors im Bohrbetrieb möglich.

[0017] Weiters ist Gegenstand der Erfindung auch ein Verfahren zur Steuerung eines Bohrgerätes, insbesondere des wie oben beschriebenen Bohrgerätes, das dadurch gekennzeichnet ist, daß an einem funktionell entsprechenden Modell des Auslegers bzw. der Bohrlafette des Bohrgerätes eine gewünschte Stellung des Auslegers bzw. der Bohrlafette eingestellt wird, daß die von an den Verbindungsstellen der Teile des Ausleger- bzw. Lafetten-Modelles angeordneten Stellungs-Sensoren bestimmten Meßgrößen, insbesondere elektrischen Widerstandsgrößen, gespeichert werden und zur der Einstellung des Modelles entsprechenden, Einstellung der Teile des Auslegers bzw. der Bohrlafette des Bohrgerätes diese gespeicherten Modell-Meßgrößen sequentiell mit den Meßgrößen, insbesondere elektrischen Widerstandsgrößen, von an den analogen Verbindungsstellen der Teile des Auslegers bzw. der Lafette des Bohrgerätes befindlichen Stellungs-Sensoren mittels einer Vergleichs- schaltung, vorzugsweise Brückenschaltung, verglichen werden, daß die dort festgestellten 'Spannungsdifferenzen über einen Verstärker und Wandler zur Beaufschlagung der Zylinder des Bohrgerätes mit dem Druckmedium und damit zur Veränderung der Lage der Teile des Auslegers bzw. der Lafette des Gerätes zueinander solange abgerufen werden, bis die an den Stellungs-Sensoren der Verbindungsstellen des Auslegers bzw. der Bohrlafette auftretenden Meßgrößen, vorzugsweise Widerstandswerte, mit den an den analogen Verbindungsstellen des lageeingestellten Modelles befindlichen Sensoren auftretenden Meßgrößen, vorzugsweise Widerstandswerten, übereinstimmen.

[0018] An Hand der Zeichnung sei der Erfindungsgegenstand erläutert:

Es zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes Übersichtsschema des erfindungsgemäßen Bohrgerätes und Fig. 2 die Steuerung näher im Detail.

[0019] An den Gelenken 3, 4 des in Fig. 1 gezeigten Auslegers des Bohrgerätes 1 befinden sich die Stellungs-Sensoren 3a, 4a, die über die elektrischen Leitungen 3b, 4b an die zentrale Brücken-Schaltung 12 angeschlossen sind. Ebenso befinden sich an den analogen Gelenken 5, 6 des funktionell entsprechenden Modelles 2 des Auslegers, vorzugsweise gleichartig ausgebildete, Stellungs-Sensoren 5a, 6a, die über Leitungen 5b, 6b ebenfalls an die Schaltung 12 angeschlossen sind. Die Schaltung 12 vergleicht sequentiell die von den Sensoren 5a, 6a des händisch in eine gewünschte Position eingestellten Modelles 2 gelieferten Meßgrößen mit den von den am einzustellenden Bohrgerät 1 befindlichen, den Modell-Sensoren 5a, 6a jeweils zugeordneten Geräte-Sensoren 3a, 4a und bestimmt die jeweilige Differenz-Meßgröße, welche über den Verstärker und Wandler 11 an die Steuerorgane, vorzugsweise Ventile 9, 10, der Zylinder 7, 8 des Auslegers des Bohrgerätes 1 weitergegeben wird; auf diese Weise werden die Hübe der Zylinder 7, 8 und damit die Stellung der Auslegerteile zueinander so lange verändert, bis diese mit der händisch in die gewünschte Lage gebrachten Stellung des Auslegers des funktionell entsprechenden Modell-Auslegers 2 übereinstimmt und die Differenzmeßgröße den Wert Null annimmt.

[0020] Fig. 2 zeigt die Steuerung an Hand eines Paares einander zugeordneter Stellungs-Sensoren im Detail. Der den Winkelstellungs-Sensor bildende veränderliche Drehwiderstand 5a im Gelenk 5 des in eine gewünschte Lage eingestellten Ausleger-Modelles 2 sowie ein gleichartiger Sensor 3a im Gelenk 3 des in eine gewünschte Stellung zu bringenden Auslegers des Bohrgerätes 1 bilden zwei in der von der Spannungsquelle 121 versorgten Brückenschaltung 12 gegeneinander geschaltete veränderliche Zweige dieser Schaltung, während die, vorzugsweise gleich großen, Widerstände 122, 123 die beiden anderen Äste dieser Schaltung bilden. Die zwischen den Punkten a und b befindliche Brücke Ist mit einem elektronischen Verstärker 11 verbunden, der seinerseits mit dem Betätigungsmotor eines elektro-hydraulischen Servo-Ventils 9 verbunden ist. Dieses Ventil 9 wird über Hydraulik-Leitungen 9a, 9b mit Druckmedium versorgt und steuert den Zu- bzw. Abfluß des Druckmediums über Leitungen 7a, 7b zum bzw. vom Zylinder 7 am Ausleger des Bohrgerätes 1. Wird die Lage zweier über das mit dem Winkelstellungs-Sensor 5a versehene Gelenk 5 miteinander verbundener Teile des Auslegers des Modelles 1 zueinander verändert, so tritt zwischen den Punkten a und b an der Brücke der Schaltung eine Spannungsdifferenz bzw. eine Änderung der Spannung auf, die - vom Verstärker 11 verstärkt - eine Änderung der Stellung, z.B. Öffnen, Schließen, der Zu- und Abfluß-Ventile im Servo-Ventil 9 bewirkt, wodurch, zugespeist über die Hydraulik-Leitungen 9, 9a Druckmedium solange über die Zylinderleitungen 7a, 7b zu- bzw. abgeführt wird und damit der Zylinder 7 solange betätigt wird, bis Infolge der Lageveränderung der Teile des Auslegers des Bohrgerätes 1 der am Sensor 3a auftretende Widerstand den gleichen Wert hat wie der Widerstand am Sensor 5a am analogen Gelenk 5 des Modelles 2. Ist dieser Zustand erreicht, tritt zwischen den Punkten a und b an der Brücke der Schaltung 12 keine Spannung mehr auf, und es sind dann die für die Zylinder-Steuerung vorgesehenen Ventile des Servoventiles 9 geschlossen. Die Teile des Auslegers des Bohrgerätes werden dann konstant in der gleichen Lage zueinander gehalten, in der die Auslegerteile des Modelles eingestellt sind; damit Ist eine exakte Einstellung des Bohrgerätes 1 auf Grund einer gewünschten Einstellung am Modell 2 erreicht. Bei einer neuerlichen Veränderung der Einstellung des Modelles 2 läuft der eben beschriebene Vorgang erneut ab.

Ansprüche

1. Bohrgerät, insbesondere Stollenbohrgerät, bei welchem die Lage der Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette mittels über Ventile gesteuerten, mit Druck-Medium beaufschlagbaren Zylinder veränderbar und einstellbar ist, wobei an den Verbindungsstellen der Teile elektrische Stellungs-Fühler vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß an den Verbindungsstellen, insbesondere an den Gelenken (5, 6) eines dem Ausleger des Bohrgerätes (1) funktionell entsprechenden Modelles (2) die Lage der die Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette bestimmenden Stellungs-Sensoren (5a, 6a), vorzugsweise elektrische Dreh- und/oder Schiebewiderstands-Sensoren, angeordnet sind, welche über mindestens eine Vergleichs- bzw. Kompensations-Schaltung (12), vorzugsweise eine Brückenschaltung, mit, vorzugsweise gleichartig ausgebildeten, an den zum Modell analogen Verbindungsstellen, insbesondere Gelenken (3, 4), der Auslegerteile bzw. Teile der Bohrlafette (1) angeordneten Stellungs-Sensoren (3a, 4a) verbunden sind und daß mittels der Vergleichs-Schaltung (12) bei Änderung der Lage der Teile des Modelles die Steuerorgane, insbesondere Ventile (9, 10) zur Steuerung der Zylinder (7, 8), vorzugsweise in zeitlicher Aufeinanderfolge, jeweils mit dem Druckmedium so lange beaufschlagbar sind, bis an allen an den bei den Verbindungsstellen, vorzugsweise Gelenken (3, 4), des Bohrgerätes (1) angeordneten Stellungs-Sensoren (3a, 4a), vorzugsweise Dreh- und/oder Schiebewiderstands-Sensoren, mit den von den Stellungs-Sensoren (5a, 6a) des Modelles (2) festgestellten Meßgrößen identische Meßgrößen, vorzugsweise identische Widerstandsgrößen, erreicht sind.

2. Bohrgerät nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs-Schaltung (12) mit den Stellungs-Sensoren (5a, 6a) des Bohrgeräte-Modelles über elektrische Leitungen (5b, 6b) verbunden ist.

3. Bohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungs-Sensoren (5a, 6a, 3a, 4a) am Modell (2) und Bohrgerät (1) kapazitive bzw. induktive Sensoren sind.

4. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen die Meßgrößen der Sensoren (5a, 6a, 3a, 4a) von Modell (2) und Bohrgerät (1) in digitale Größen umwandelnden Analog-Digitalwandler und/oder eine digitale Vergleichs-, vorzugsweise Brücken-Schaltung, aufweist.

5. Verfahren zur Steuerung eines Bohrgerätes, insbesondere Stollenbohrgerätes, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an einem, funktionell entsprechenden Modell des Auslegers bzw. der Bohrlafette des Bohrgerätes eine gewünschte Stellung des Auslegers bzw. der Bohrlafette eingestellt wird, daß die von an den Verbindungsstellen der Teile des Ausleger- bzw. Lafetten-Modelles angeordneten Stellungs-Sensoren bestimmten Meßgrößen, insbesondere elektrischen Widerstandsgrößen, gespeichert werden und zur der Einstellung des Modelles entsprechenden, Einstellung der Teile des Auslegers bzw. der Bohrlafette des Bohrgerätes diese gespeicherten Modell-Meßgrößen sequentiell mit den Meßgrößen, insbesondere elektrischen Widerstandsgrößen, von an den analogen Verbindungsstellen der Teile des Auslegers bzw. der Lafette des Bohrgerätes befindlichen Stellungs- Sensoren mittels einer Vergleichsschaltung, vorzugsweise Brückenschaltung, verglichen werden, daß die dort festgestellten Spannungsdifferenzen über einen Verstärker und Wandler zur Beaufschlagung der Zylinder des Bohrgerätes mit dem Druckmedium und damit zur Veränderung der Lage der Teile des Auslegers bzw. der Lafette des Gerätes zueinander solange abgerufen werden, bis die an den Stellungs-Sensoren der Verbindungsstellen des Auslegers bzw. der Bohrlafette auftretenden Meßgrößen, vorzugsweise Widerstandswerte, mit den an den analogen Verbindungsstellen des lageeingestellten Modelles befindlichen Sensoren auftretenden Meßgrößen, vorzugsweise Widerstandswerten, übereinstimmen.

Zeichnung