(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掘削機本体の前部に水平方向へ回動可能な旋回部を設け、この旋回部に伸縮式の掘削ブームを俯仰可能に装着し、該掘削ブームの先端部に切削ドラムを取り付けた自由断面掘削機に於いて、
前記切削ドラムの先端部に鉛直姿勢を保持する保持具を装着し、該保持具の上部に測距用ターゲットを設けるとともに、トータルステーションの回転部を前記旋回部上部の掘削ブームの旋回中心点に一致させて設置して前記測距用ターゲットを視準可能にし、
前記掘削ブームを任意の角度に俯仰して前記測距用ターゲットを視準し、
該測距用ターゲットの座標を読み取って掘削ブームの俯仰角を検出し、一方、前記旋回部を任意の角度に旋回して前記測距用ターゲットを視準し、
該測距用ターゲットの座標を読み取って掘削ブームの旋回角を検出し、
前記トータルステーションを用いて検出した掘削ブームの実際の俯仰角及び旋回角をＮＣ制御装置の角度検出器の検出値と比較して、ＮＣ制御装置の初期設定を行うことを特徴とする自由断面掘削機における掘削ブームの俯仰角及び旋回角検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自由断面掘削機に於ける掘削ブームの俯仰角及び旋回角検出方法に関するものであり、特に、光学式自動追尾計測装置及びＮＣ制御装置により、掘削機本体の位置と姿勢並びに切削ドラムの位置を検出して切削範囲を制御する自由断面掘削機に於ける掘削ブームの俯仰角及び旋回角検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の此種自由断面掘削機は、掘削機本体の前部に水平方向へ回動可能な旋回部を設け、この旋回部に伸縮式の掘削ブームを俯仰可能に装着し、該掘削ブームの先端部に切削ドラムを取り付けてある。
【０００３】
そして、トンネル内に複数の光学式自動追尾計測装置を設置するとともに、掘削機本体に同数の追尾用ターゲットを搭載し、前記自動追尾計測装置により追尾用ターゲットの位置を検出して掘削機本体の位置や姿勢を計測し、その計測値に基づいて掘削ブームの旋回中心点を演算する。
【０００４】
更に、旋回部の旋回角並びに掘削ブームの俯仰角と伸縮量を夫々検出器で検出し、各検出値及び前記旋回中心点の位置情報に基づき、ＮＣ制御装置にて切削ドラムの位置を演算する。そして、予め設定した計画断面に対する切削ドラムの位置を、自動的且つリアルタイムに画面表示する。また、前記切削ドラムが計画断面を超えたときは、掘削ブームを自動停止して過掘りを防止するように制御している。
【０００５】
ここで、前記自由断面掘削機は一般的にリースによる使用が多く、掘削現場付近にて機体を組み立てた後に、掘削ブームや切削ドラム等を装着している。従って、機体の組立後に、自動追尾計測装置やＮＣ制御装置の初期設定を行う必要がある。例えば掘削ブームについていえば、該掘削ブームを動かして実際の俯仰角及び旋回角を検出し、ＮＣ制御装置の検出角度との誤差を修正しなければならない。
【０００６】
従来は、切削ドラムの先端部に測距用ターゲットを固着し、機体の前方からトータルステーションで該測距用ターゲットを視準し、切削ドラムの座標を読み取って俯仰角及び旋回角を演算している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来は機体の外方から切削ドラムの先端部の座標を読み取っていたので、座標変換の演算処理が複雑となり、掘削ブームの俯仰角及び旋回角の算出に時間が掛かっていた。このため、機体組立時の初期設定が大変であった。
【０００８】
そこで、自由断面掘削機を組み立てたとき、掘削ブームの俯仰角及び旋回角を簡易に検出して、ＮＣ制御装置の初期設定を簡便且つ迅速に行うために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、掘削機本体の前部に水平方向へ回動可能な旋回部を設け、この旋回部に伸縮式の掘削ブームを俯仰可能に装着し、該掘削ブームの先端部に切削ドラムを取り付けた自由断面掘削機に於いて、
前記切削ドラムの先端部に鉛直姿勢を保持する保持具を装着し、該保持具の上部に測距用ターゲットを設けるとともに、トータルステーションの回転部を前記旋回部上部の掘削ブームの旋回中心点に一致させて設置して前記測距用ターゲットを視準可能にし、
前記掘削ブームを任意の角度に俯仰して前記測距用ターゲットを視準し、
該測距用ターゲットの座標を読み取って掘削ブームの俯仰角を検出し、一方、前記旋回部を任意の角度に旋回して前記測距用ターゲットを視準し、
該測距用ターゲットの座標を読み取って掘削ブームの旋回角を検出し、
前記トータルステーションを用いて検出した掘削ブームの実際の俯仰角及び旋回角をＮＣ制御装置の角度検出器の検出値と比較して、ＮＣ制御装置の初期設定を行う自由断面掘削機における掘削ブームの俯仰角及び旋回角検出方法を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に従って詳述する。図１及び図２は自由断面掘削機１０を示し、掘削機本体１１の下部に左右のクローラ１２ａ，１２ｂが装着され、該クローラ１２ａ，１２ｂを駆動することにより自由断面掘削機１０が自走できる。前記掘削機本体１１の前部に水平方向へ回動可能な旋回部１３を設け、この旋回部１３の前方部に伸縮式の掘削ブーム１４を装着してあり、該掘削ブーム１４の先端部に切削ドラム１５が取り付けられている。
【００１１】
該掘削ブーム１４はブームシリンダ１６にて上下へ俯仰可能であり、且つ、伸縮シリンダ１７にて前後へ伸縮可能であるため、前記旋回部１３を左右へ回動することにより、掘削機本体１１前方の所定範囲内に於いて前記切削ドラム１５を任意の座標へ移動することができる。
【００１２】
一方、前記掘削機本体１１の前下部に集土装置２０を上下動可能に設け、切削ドラム１５で掘削したずりを該集土装置２０によって掻き寄せる。掻き寄せられたずりは、フィーダ２１により掘削機本体１１の後方へ送られ、ベルトコンベヤ２２にてダンプトラックや他の搬送手段へ積載される。また、前記掘削機本体１１の後部に左右のアウトリガー２３ａ，２３ｂを装着し、夫々のアウトリガー２３ａ，２３ｂを左右独立して上下動できるように形成する。
【００１３】
更に、前記掘削機本体１１の架台２８に左右一対の追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂを後方（図１にて左方向）に向けて搭載してあり、夫々の追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂには反射プリズムと発光素子が設けられている。
【００１４】
ここで、光学式自動追尾計測装置について説明すれば、予め、トンネル内の後方位置に２台の追尾計測装置（図示せず）を設置しておき、該追尾計測装置には追尾装置と光波距離計が備えてある。追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂの発光素子から発射される光を追尾計測装置の追尾装置で受光し、受光像と光軸のずれを検知してサーボモータを駆動し、追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂを自動追尾する。また、光波距離計から発射される光が追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂの反射プリズムで反射され、該反射光を光波距離計で受光することにより、追尾計測装置と追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂとの距離を測定する。
【００１５】
このように、２台の追尾計測装置によって追尾用ターゲット３０ａ，３０ｂの３次元位置を検出して連続的に自動追尾し、掘削機本体１１のヨーイング角を検出するとともに、掘削機本体１１に搭載した２軸の傾斜計（図示せず）によりピッチング角とローリング角を検出すれば、掘削機本体１１の位置及び姿勢を連続的に検出できる。また、切削ドラム１５の位置は、旋回部１３の旋回角並びに掘削ブーム１４の俯仰角と伸縮量を夫々ポテンショメータや回転センサ等の検出器で検出し、前述の掘削機本体１１の位置及び姿勢に基づいてＮＣ制御装置により演算される。
【００１６】
ここで、前記自由断面掘削機１０は、掘削現場付近にて掘削機本体１１に旋回部１３が取り付けられ、掘削ブーム１４や切削ドラム１５等が装着される。前記自動追尾計測装置及びＮＣ制御装置により切削ドラムの位置を正確に演算するために、機体を組み立てた後に、各装置の初期設定を行う必要がある。例えば掘削ブーム１４についていえば、該掘削ブーム１４を動かして実際の俯仰角及び旋回角を検出する。
【００１７】
図３乃至図６に従って、自由断面掘削機１０に於ける掘削ブーム１４の俯仰角及び旋回角の検出方法について説明する。図３乃至図５に示すように、前記切削ドラム１５の先端中央部であって、且つ、切削ドラム１５の中心部Ｃを通る掘削ブーム１４の中心軸線Ｇ上にブラケットピン３３を突設し、このブラケットピン３３の先端にブラケット３４を枢着し、該ブラケット３４がブラケットピン３３の軸回りに左右方向へ回動できるようにする。そして、該ブラケット３４の左右側面板３４ａ，３４ｂの間に保持具３５を遊挿し、この保持具３５にシャフト３６を左右方向に遊嵌するとともに、該シャフト３６の両端部をブラケットの左右側面板３４ａ，３４ｂへ取り付けて、前記保持具３５が該シャフト３６の軸回りに前後方向へ揺動できるようにしてある。
【００１８】
また、前記保持具３５の下端部にウエイト３７が装着されており、前記保持具３５及びブラケット３４がブラケットピン３３を回転軸として左右に傾斜したときは、該ウエイト３７により前記保持具３５が鉛直方向に戻される。一方、前記保持具３５がシャフト３６を回転軸として前後に傾斜したときも、該ウエイト３７により前記保持具３５が鉛直方向に戻される。即ち、前記保持具３５が前後左右何れの方向へ傾斜したとしても、前記保持具３５は直ちに鉛直方向に戻されて鉛直姿勢を保持する。
【００１９】
更に、前記保持具３５の上部には、測距用ターゲット３８と補助用ターゲット３９が固設され、該測距用ターゲット３８はプリズムミラーにて形成されている。また、補助用ターゲット３９は平板状のプレートであり、このプレート表面に保持具３５の軸方向と平行にけがき線３９ａが記されている。前記保持具３５は鉛直方向を保持するので、該測距用ターゲット３８はブラケットピン３３の鉛直面上方に位置し、補助用ターゲット３９のけがき線３９ａは鉛直方向を示すことになる。
【００２０】
予め、切削ドラム１５の中心部Ｃから保持具３５の揺動支点であるシャフト３６までの距離Ｌ1 と、該シャフト３６から測距用ターゲット３８の基準点３８ａまでの高さＨ1 とを測定しておく。前記保持具３５は掘削ブーム１４の傾きに拘わらず鉛直姿勢を保持するため、切削ドラム１５の中心部Ｃを通る鉛直線と保持具３５が常に平行になり、切削ドラム１５の中心部Ｃからシャフト３６までを一辺（Ｌ1 ）とし、且つ、該シャフト３６から測距用ターゲット３８の基準点３８ａまでを他の一辺（Ｈ1 ）とする平行四辺形が形成される。従って、前記測距用ターゲット３８の基準点３８ａの座標が分かれば、切削ドラム１５の中心部Ｃの座標を演算することができる。
【００２１】
而して、図６に示すように、前記旋回部１３の上部にトータルステーション４０を設置し、該トータルステーション４０の回転部を掘削ブーム１４の旋回中心線Ｏに一致させて、該トータルステーション４０にて前記測距用ターゲット３８を視準可能にする。掘削ブーム１４の俯仰角及び旋回角に拘わらず、前記保持具３５が鉛直姿勢を保持するので、測距用ターゲット３８は常に掘削ブーム１４の中心軸線Ｇの鉛直面上方に位置する。
【００２２】
掘削ブーム１４の俯仰角を検出する場合は、ブームシリンダ１６を伸縮して掘削ブーム１４を任意の角度に俯仰させ、トータルステーション４０にて前記測距用ターゲット３８を視準する。トータルステーション４０から測距用ターゲット３８までの距離及び角度によって、該測距用ターゲット３８の座標（即ち測距用ターゲット３８のプリズムミラーの位置から距離補正して求めた前記基準点３８ａの座標）を読み取る。前述したように、前記基準点３８ａの座標が分かれば切削ドラム１５の中心部Ｃの座標を演算でき、更に、掘削ブーム１４の俯仰中心点（図示せず）と切削ドラム１５の中心部Ｃとの相対角度から、掘削ブーム１４の実際の俯仰角を検出できる。
【００２３】
一方、掘削ブーム１４の旋回角を検出する場合は、前記旋回部１３を任意の角度に旋回させ、トータルステーション４０にて前記測距用ターゲット３８を視準する。前述の俯仰角の検出と同様にして、前記測距用ターゲットの基準点３８ａの座標を読み取り、切削ドラム１５の中心部Ｃの座標を演算して、掘削ブーム１４の旋回中心線Ｏと前記切削ドラム１５の中心部Ｃとの相対角度から、掘削ブーム１４の実際の旋回角を検出できる。前記トータルステーション４０は掘削ブーム１４の旋回中心線Ｏ上に設置されるため、該トータルステーション４０で機体座標系を組むことにより、掘削ブーム１４の旋回角を直接測定できる。また、前記俯仰角についても演算が容易である。
【００２４】
このように、掘削ブーム１４の実際の俯仰角及び旋回角を検出した後、実際の検出角度とＮＣ制御装置の角度検出器の検出値とを比較する。仮に、角度検出器の検出値に誤差があったときは、トータルステーションの視準に基づく実際の俯仰角または旋回角の値を、そのまま角度検出器の補正値として使用することができる。
【００２５】
尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は切削ドラムの先端部に保持具を介して測距用ターゲットを取り付け、掘削ブームを俯仰しながら、或いは、旋回部を旋回しながら、トータルステーションにて該測距用ターゲットの座標を読み取って、掘削ブームの俯仰角及び旋回角を検出する。旋回部の上部にトータルステーションを設置するので、掘削ブームの旋回角を直接測定でき、俯仰角についても演算が容易であり、簡易且つ正確に掘削ブームの角度を検出できる。
【００２７】
また、トータルステーションの視準に基づく実際の俯仰角または旋回角の値を、そのまま角度検出器の補正値として使用することができ、ＮＣ制御装置の初期設定を簡便且つ迅速に行って、ＮＣ制御の精度向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の一実施の形態を示すものである。
【図１】自由断面掘削機の側面図。
【図２】自由断面掘削機の正面図。
【図３】切削ドラムの先端部に装着された保持具及び測距用ターゲットの側面図。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視図。
【図５】（ａ）はブラケットピン及びブラケット部分の側面図、
（ｂ）はブラケットピン及びブラケット部分の正面図。
【図６】トータルステーションにて測距用ターゲットを視準する様子を示す解説図。
【符号の説明】
１０        自由断面掘削機
１１        掘削機本体
１３        旋回部
１４        掘削ブーム
１５        切削ドラム
３５        保持具
３８        測距用ターゲット
４０        トータルステーション
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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