KR19980702017A - 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템 - Google Patents

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KR19980702017A
KR19980702017A KR1019970705412A KR19970705412A KR19980702017A KR 19980702017 A KR19980702017 A KR 19980702017A KR 1019970705412 A KR1019970705412 A KR 1019970705412A KR 19970705412 A KR19970705412 A KR 19970705412A KR 19980702017 A KR19980702017 A KR 19980702017A
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boom
turret
continuously
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excavator
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Application number
KR1019970705412A
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English (en)
Inventor
허버트 에이. 스미스
잭 알. 헤이즈
Original Assignee
허버트 에이.스미스
어드밴스트 테크놀로지 포 록 엑스커베이션 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 일측단부에 모우터구동형 굴삭헤드(14)을 가지고 타측단부에 회전터릿(20)을 구비하는 붐(12)을 갖는 채광 또는 터널굴착기용 연속 제어시스템에 관한 것으로, 제어시스템이 붐(12)의 각도와 터릿(20)의 각도를 연속측정하기 위한 각도엔코더(40, 44)와, 굴삭헤드(14)의 선형위치를 연속측정하기 위한 선형 엔코더(55)로 구성되고, 붐(12)과 터릿(20)을 작동시키는데 사용되는 여러 수압실린더 또는 드라이브(41, 43)의 압력을 연속측정하기 위한 압력변환기(P1, P2, P3, P4)를 가진다. 또한 굴삭헤드(14)의 PRM을 제어토록 굴삭헤드(14)를 구동시키는 모우터(18)에 대한 입력전력을 연속측정하기 위한 전력변환기(57)를 갖는다. 상기 여러 측정수단으로부터의 신호가 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 컴퓨터(46)에 의해 연속처리되고 사전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭토록 컴퓨터(46)에 응답하고 여러 파라메타를 연속 제어하는 제어기(47)가 제공된다.

Description

채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템
종래 채광 또는 터널굴착기용으로 여러 제어시스템이 제어된 바 있다. 예를 들어 이러한 시스템의 하나가 1991년 11월 28일자로 공개 된 국제특허출원(PCT) WO 91/18184에 기술되어 있다. 이 특허문헌에 기술된 굴착기는 회전시에 측방향으로 이동되는 대형의 회전굴삭휠을 갖는 형태로서 굴삭휠의 직경에 일치하는 높이의 굴삭면을 굴삭할 수 있게 되어 있다. 이러한 굴착기의 제어시스템은 요구될 굴삭단면을 얻기 위하여 붐이 경사가능하고 회전가능한 붐형의 채광 또는 터널굴착기에 쉽게 적용될 수 없다. 여기에서 단면이라 함은 기계적인 속박수단이나 굴착기에 의하여서만 제한되는 붐의 진로를 다른 공지된 시스템이 사전에 결정된 굴삭단면을 제공하나 굴삭면이 굴삭될 때에 그리고 굴착기가 작동될 때에 적당한 교정이 이루어질 수 있도록 하는 연속제어작동은 이루어지지 아니한다. 이러한 공지의 제어시스템은 초보적인 것으로 개별운동의 제어(예를 들어 개별적인 유압회로나 전기 모터의 제어를 통한 제어)가 기본적으로 개방루우프 형식으로 수행된다. 즉, 비록 일부 섬프, 붐 및 터릿회전의 위치가 모니터되나 시스템은 이러한 정보에 대하여 불연속적인 방식이외로는 반을할 수 없다. 단면 굴삭의 경우, 캠 또는 주어진 단면크기에 대한 간단한 캠 알고리즘이 일측 또는 타측의 붐피봇트나 터릿회전의 운동의 일정한 거리간격에서 불연속적인 별도의 붐 및 터릿의 운동을 발생토록 사용될 수 있다. 이는 붐과/또는 터릿의 1∼2도의 운동범위(단면 자체에 의하여 최상으로 3-5cm 정도)내로 정확한 단면이 이루어지도록 한다. 공지된 시스템에서 연속제어의 결핍은 섬프, 붐피봇트 및 터릿회전의 위치 및 위치변화(운동)에서 부정확할 뿐만 아니라 암반을 통한 운동속도의 변화에 대한 큰 잠재성과 굴삭헤드 및 공구에 의하여 가하여지는 힘의 변화에 대한 유사한 잠재성이 부정확하게 된다. 경질암반의 굴삭에 있어서, 예를 들어 위치와 운동 그리고 힘의 연속적이고 정확한 제어의 이러한 결핍은 단면이 부정확하게 되고 최악으로는 공구의 수명을 단축시키고 암반의 침투 및 굴삭이 총체적으로 불가능하게 한다. 연약 지반의 경우에 있어서 이러한 제어되지 아니한 굴삭은 요구되지 않는 암반의 장애물이 굴착된 개방부의 주연으로 부터 균열되거나 인열되어 지반제어 문제를 더욱 심화시킨다. 종래 시스템의 다른 결점은 단면 크기의 어떠한 변화에 대하여 일치하는 붐각도와 터릿각도값의 전체적으로 새로운 셋트가 외부적으로 발생되고 컴퓨터 시스템에 프로그램 되어야 한다는 점이다.
이와 같이, 상기 언급된 바와 같은, 붐 경사각도하고 회전가능하며 또한 굴삭헤드가 이러한 목적을 위한 별도의 모우터나 유압 구동장치를 이용하여 회전되는 붐형 굴착기에 대하여 만족스러운 연속제어시스템이 없다.
[발명의 목적]
따라서, 본 발명의 목적은 상기 언급된 형태, 즉 경사가능하고 회전가능한 붐과 별도의 전기 모우터나 유압드라이브에 의하여 회전되는 굴삭헤드를 갖는 형태의 채광 또는 터널 굴착기용의 새로운 연속제어 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제어시스템을 최적화하므로서 정확한 교정이 사전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭토록 연속적으로 이루어지도록 하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이점들은 이후 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
이와같은 본 발명은 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템을 제공하는 바, 채광 또는 터널 굴착기는 일측 단부에 착설되어 굴삭될 면을 향하여 돌출된 굴삭헤드를 갖는 붐과 하나 이상의 RPM 값에서 상기 굴삭헤드를 회전시키기 위한 수단을 가지고, 상기 붐은 그 타측 단부에서 회전터릿에 이와 함께 회전하도록 경사가능하게 연결되며, 상기 터릿을 회전시키기 위한 수단이 제공되고, 붐은 내부로 활동 가능한 피스턴을 갖는 적어도 하나의 수압실린더에 의하여 경사질 수 있게 되어 있으며, 상기 적어도 하나의 수압실린더는 상기 피스턴이 수압실린더에 대하여 전진 또는 후퇴딜 때에 붐을 경사지게 할 수 있도록 일측단부에서 터릿에 연결되고 타측단부에서 붐에 연결되는 것에 있어서, 상기 제어시스템이 붐의 경사각도를 연속적으로 측정하기 위한 제1각도 엔코더, 터릿의 회전각도를 연속적으로 측정하기 위한 제2각도 엔코더, 굴삭헤드의 선형위치를 연속적으로 측정하기 위한 선형 엔코더, 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 신호를 연속 처리할 수 있도록 구성되어 상기 엔코더로 부터의 출력신호에 응답하는 컴퓨터와, 상기 컴퓨터에 응답하여 상기 적어도 하나의 수압실린더로의 수압유체의 유동을 제어하고 굴삭헤드의 선형전진과 함께 터릿의 회전속도를 제어하므로서 서전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭토록 연속하여 붐각도 위치와 터릿의 각도위치 그리고 굴삭헤드의 선형위치를 제어하는 비례밸브 수단을 제어하는 제어기로 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 우선 실시형태에 따라서, 채광 또는 터널 굴삭기용 연속제어시스템이 제공되는 바, 이 굴착기가 일측 단부에 전기모우터 구동형 굴삭헤드를 갖는 붐을 가지며, 상기 굴삭헤드는 굴삭될 면을 향하여 돌출되고 상기 붐은 타측단부에서 수압 드라이브에 의하여 회전될 수 있게 되어 있는 회전터릿에 경사 가능하게 연결되어 터릿이 회전될 때에 붐이 회전될 수 있게 되어 있고, 상기 붐은 내부로 활동 가능한 피스턴을 갖는 적어도 하나의 수압실린더에 의하여 경사 가능하게 되어 있으며, 상기 수압실린더는 피스턴이 수압실린더에 대하여 전진 또는 후퇴될 때에 붐이 경사지도록 일측 단부가 터릿에 연결되고 타측단부가 붐에 연결되는 것에 있어서, 제어시스템이 붐의 경사 각도를 연속적으로 측정하기 위한 제2각도 엔코더, 굴삭헤드의 선형 위치를 연속 측정하기 위한 선형 엔코더, 터릿을 회전시키는 수압드라이브의 압력을 측정하기 위한 수단, 붐이 경사지도록 사용되는 상기 적어도 하나의 수압실린더의 각 단부의 압력을 측정하기 위한 수단, 전기 모우터 구동형 굴삭헤드의 RPM을 선택하기 위한 수단, 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 신호를 연속 처리하도록 구성되어 상기 엔코더와 상기 압력측정 수단으로 부터의 출력신호에 응답하는 컴퓨터와, 상기 컴퓨터에 응답하여 상기 적어도 하나의 수압실린더와 터릿수압 드라이브로의 수압유체의 유동을 제어하고 굴삭헤드의 선형 위치를 제어하므로서 붐각도 위치와 터릿각도 위치 그리고 굴삭헤드의 선형 위치를 제어하며 상기 제어가 사전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭토록 컴퓨터 프로그램에 따라 작동될 수 있게 연속적으로 적용되는 비례밸브수단들 제어하는 제어기도 구성됨을 특징으로 한다.
굴삭헤드의 RPM은 일정한 속도로 사전에 결정되거나 가변속도 드라이브가 가변속도로 상기 RPM을 제어토록 제공될 수 있다. 컴퓨터가 가변속도 드라이브를 제어토록 사용될 때에 언제든지 속도가 굴삭헤드 모우터 입력전력 또는 붐자동진폭과/또는 주파수와 같은 선택된 또는 측정된 파라메타에 적용되는 컴퓨터 프로그램에 의하여 설정된다.
본 발명의 연속제어시스템은 회전터릿이 수평축선 또는 수직축선을 중심으로 하여 회전되는 굴착기에 사용될 수 있다. 수평회전축선을 갖는 터릿을 구비한 굴착기에 있어서, 이들은 터릿을 회전시키기 위한 수압드라이브나 모우터가 착설된 비회전형 하우징을 갖는다. 이 하우징도 섬핑 실린더에 의하여 전후로 이동될 수 있으며 수압 압력을 측정하기 위한 수단이 제공되고 이러한 압력은 굴삭헤드의 선형 위치를 제어하는데 사용될 수 있다. 하우징의 운동은 특정거리(예를 들어 1m)까지 연장될 수 있는 반면에 굴착기는 예를 들어 스테이커, 그립퍼, 스텔 또는 안정기와 같은 적당한 안정수단에 의하여 고정된다. 일부 굴착기들은 역기 굴삭헤드의 선형위치를 제어하는 수단을 제공하는 신축형 붐을 갖는다. 또한 이러한 선형위치는 적당한 선형 엔코도에 의하여 연속적으로 측정될 수 있으며 엔코더의 신화가 컴퓨터에 보내지고 제어될 기능의 하나로서 컴퓨터 프로그램내에 포함된다.
각도와 선형위치를 연속측정하기 위한 각도와 선형엔코더는 당해 기술분야에 잘 알려진 것이다. 이들은 1초당 수회, 예를 들어 초당 10-20회의 판독값을 제공하는 광-전자장치이며 이러한 기능을 연속작동이라 하였다. 엔코더로 부터의 신호는 연속하여 컴퓨터에 전송되고 적당한 테이블과 알고리즘을 갖는 사전에 선택된 컴퓨터 프로그램에 따라 처리된다. 본문에 사용된 엔코더라는 용어는 연속각도 또는 선형측정과 컴퓨터로의 결과신호의 전송을 수행하기에 적당한 장치를 포함하는 용어이다.
여러 압력을 연속측정하기 위한 수단은 역시 잘 알려진 압력변환기로 구성된다. 굴삭헤드를 구동시키기 위한 전기모우터는 가변속도 드라이브에 의하여 제어될 수 있다. 그러나, 굴삭헤드의 RPM은 작업자에 의하여 하나 이상의 RPM 값으로 사전에 설정되고 이러한 값으로 일정하게 유지된다. 물론 RPM은 컴퓨터와 전체프로그램의 일부로서 가변속도 드라이브에 의하여 연속제어될 수 있다. 전형적으로 가변속도 드라이브는 경질암반에서는 약 3-10RPM 그리고 연질암반에서는 그 이상의 속도에서 굴삭헤드를 구동시키는 모우터를 운전시키는 가변전력을 제공한다.
제어기는 통상적으로 컴퓨터 프로그램에서 부터의 지시에 따라 굴착기의 여러 기능을 연속제어하는 다수의 PID(비례적분함수)제어기로 구성된다. 좋기로는, 컴퓨터 프로그램이 여러 측정된 파라메타를 고려하고 공구의 마모를 최소화하는 반면에 최상의 전진속도에서 요구된 단면을 얻기 위하여 요구된 상태도 계산하는 수학적인 알고리즘에 기초하는 것이 좋다. 이는 통상적으로는 폐쇄루우프작동으로 수행된다.
본 발명에 따라 제어되는 굴착기는 모든 전진속도를 커어버하는 수압시스템 또는 둘 이상의 서브시스템으로 구성된 수압시스템으로 작동될 수 있으며, 이들 각 시스템은 각각의 전진속도 범위를 커어버한다. 이와 같이, 경질지반을 굴삭하기 위한 전형적인 구성은 20-100mm/분의 전진속도를 정확히 허용하는 수압서브시스템과 100-1500mm/분의 전진속도를 정확히 허용하는 제2서브 시스템으로 구성된다. 상기 언급된 전진속도는 굴삭헤드의 선형전진에 관련된 것이다. 이러한 환경에서 본 발명의 제어시스템은 하나는 느린 전송속도용이고 다른 하나는 빠른 전진속도용의 붐 실린더와 터릿 수입드라이브로 수압유체의 유동을 위한 병렬의 두 독립셋트의 밸브수단을 제공한다. 이러한 붐 전진속도는 다음 등식으로 나타낼 수 있다.
전진속도=굴삭깊이/공구/회전×공구/라인의 수×헤드 RPM
굴삭헤드에서 라인당 공구의 수와 형태 그리고 공구라인의 수는 굴착기와 그 요구된 용도에 따라 달라질 수 있다. 상이한 전진속도를 커어버하는 다중 서브시스템을 갖는 수압시스템의 잇점은 각 구성요소, 특히 밸브가 이들이 가장 정확히 수행할 유량 및 압력 범위내에서 작동토록 선택될 수 있다는 점이다.
이와 같이, 우선 실시형태에서, 새로운 제어시스템은 설정점(붐-각도, 터릿-각도 및 선형 섬프위치의 값이어야 한다)가 전형적으로 초당 10-20회 정도(실제 주파수는 선택된 구성요소와 계산시간에 따라 달라질 수 있으나 이는 일정하며 언제나 알려져 있다)가 되게 컴퓨터에 의하여 연속적으로 발생되는 연속 폐쇄루우프의 PID(비례적분함수)위치 시스템이고, 각 붐-각도, 터릿각도와 선형 섬프위치의 실제 위치정보는 통상적으로 설정점 발생 주파수 보다 큰 주파수, 예를 들어 초당 20회 보다 큰 주파수로 수신된다. 실제값과 당연값 사이의 차이는 계산능력과 이러한 차이(에러)를 제로로 유도하는 일정한 목적으로 특별히 선택된 수압드라이브, 밸브와 펌프에 의하여 연속적으로 반응된다. 이러한 방법은 섬프, 터릿회전 및 붐 피봇트의 각 운동을 위하여 그리고 이들 운동의 조합을 위하여 수행된다. 결과는 위치제어시스템이 매우 정확하도록하고(전형적으로 에러범위는 약 ±0.04도 이내이다). 또한 설정점이 발생되는 속도가 일정하고 매우 신속하므로 시스템은 각 운동 또는 운동의 조합에 대하여 그리고 이로써 굴삭헤드가 부착되는 붐의 단부에 대하여 매우 정확한 속도제어 시스템이 되며, 굴삭헤드의 정확한 횡방향 속도와 상기 헤드의 일정한(사전에 설정된) 회전속도 또는 제어된 가변속도에 따라 굴삭깊이와 주어진 암반형태에서의 이러한 굴삭깊이에 대하여 각 공구에 의하여 가하여질 힘은 정밀하게 제어된다. 그리고 연약지반에서는 개방부의 주연에 대한 장애가 최소화 된다. 새로운 시스템의 다른 잇점은 단면이 굴착기 계산시스템내에서 수학적으로 기술되므로 상이한 단면 또는 개방부크기 또는 형태(기계중심선에 대하여 비대칭인 형태들을 포함한다)가 계산시스템내에서 매우 적은 수의 수치를 변경하므로서 간단하고 신속하게 초기화될 수 있다는 점이다. 그리고 굴착기는 새로이 선택된 경로지시를 자동적으로 수행할 수 것이다.
제어시스템의 다른 실시형태는 굴삭헤드모우터 입력전력의 연속모니터링과, 각 섬프, 터릿회전 및 붐 피봇트 시스템의 수압압력을 연속 모니터링하는 것에 관한 것이다. 이 정보는 여러 방법으로 사용될 수 있다.
a) 전력 및 압력의 불연속 레벨의 설정, 선택된 시간 중에 이들 레벨의 초과는 자동적으로 붐 단부의 위치 변화율의 특정한 감소를 가져온다(즉, 헤드 횡방향속도의 감소). 횡방향 속도의 이러한 감소는 이러한 속도제어하는 이들 시스템(섬프와/또는 터릿회전과/또는 붐피봇트)이 상기 언급된 바와 같이 동일방식으로 작용토록 요구한다. 이는 에러가 제로가 되도록 하는 연속적이고 일관된 기초에 따라 요구된 위치값과 실제 위치값을 동일한 방법으로 비교하므로서 달성된다.
b) 만약 전력과/또는 압력값과 특정시간동안 어떠한 레벨이하로 유지하는 경우 개선점은 선행 횡방향속도의 자동회복 또는 일부 다른 속도의 적용이다.
c) 다른 개선점은 전력과 압력레벨이 특정레벨로 유지되거나 특정범위내로 유지될 때에 굴삭헤드(붐-단부) 위치의 변화속도에 대한 연속조절이다.
또한 새로운 제어시스템의 또다른 실시형태는 예를 들어 붐에 배치되거나 이에 인접하게 배치된 가속도계 또는 속도 게이지를 이용한 붐 진동진폭과/또는 주파수의 연속모니터링과, 공구와 기계요소의 수명을 최적화하기 위하여 상기 진동진폭과/또는 주파수를 사전에 결정된 한계내에 유지하도록 붐 횡방향 속도와/또는 굴삭헤드속도의 자동조절을 위한 수단을 제공한다.
본 발명의 제어시스템에 대한 다른 개선점은 공구온도와/또는 공구의 힘을 연속모니터링 하는 것과, 공구의 수명을 최적화하기 위하여 사전에 결정된 한계내에서 공구 온도와/또는 공구의 힘을 유지하도록 붐횡방향속도와 헤드속도의 어느 하나 또는 이들 모두를 자동조절하기 위한 수단을 제공하는 것이다. 예를 들어 공구온도는 서머커플을 이용하여 모니터되고 공구의 힘은 스트레인 게이지를 이용하여 모니터된다.
예를들어 컴퓨터 프로그램은 굴착기의 3가지 작동모우드가 동시에 이루어지고 붐의 일정한 위치변화속도(즉, 정속도)가 이루어질 때에 설정점발생을 설명하는 다음 등식에 기초한다. 인용예는 섬프의 수평양태와 섬프의 수직양태이다(이러한 양태는 터릿의 회전과 붐-피봇트의 운동을 포함한다).
기초
합성붐소도임을 인정
여기에서 VP=붐의 프로파일링 속도
VS=붐의 섬핑속도
V를 선택하면, VP와 VS 사이의 요구된 비율(즉 N)은
그리고 VS=VP/N
설정점 발생
(1) 수평운동
회전설정점은 다음으로 주어진다.
여기에서
상승설정점은 다음으로 주어진다.
θ1=sin-1(y/L cos ψ)
섬프설정점은 다음으로 주어진다.
A1=A+VS/F
(2) 수직운동
회전설정점은 다음으로 주어진다.
여기에서
상승설정점은 다음으로 주어진다.
θ1=sin-1(x/L sin ψ)
그리고 섬프설정점은 다음으로 주어진다.
A1=A+VS/F
여기에서
ψ는 현재의 터릿각도
ψ1터릿각도 설정점
θ1상승각도 설정점
L은 붐 길이
F는 설정점발생주파수
A는 현재 섬프위치
A1는 섬프위치 설정점, 그리고
수평운동에 대하여
r은 굴삭운동의 수평운동이 그리는 대원의 반경
y는 대원의 평면과 붐 피봇트점 사이의 수직거리
βo는 수평평면으로 돌출되는 봄의 대원내의 현재각도
βc는 설정점 사이의 대원내의 각도변화
수직운동에 대하여
r은 굴삭헤드의 수직운동이 그리는 대원의 반경
x는 대원평면과 붐 피봇트점 사이의 수평거리
αo는 수직평면으로 돌출된 붐에 의한 대원내의 현재각도
αc는 설정점사이의 시간당 대원내의 각도변화
상기 등식에 기초하여 기계의 작동을 제어하기 위한 컴퓨터를 구성하는 데 적당한 알고리즘이 제공된다.
본 발명은 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템에 관한 것으로, 특히 경사 가능한 붐을 갖는 형태이고 상기 붐의 일측단부에는 굴삭될 면을 향하여 돌출되어 있는 회전구동형 굴삭헤드가 구비되어 있으며 붐의 타측단부는 이를 회전시킬 수 있는 회전터릿에 연결된 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템에 관한 것이다. 이러한 굴착기는 헤딩머신 또는 로드헤드 또는 붐형채광 또는 터널굴착기로서 알려져 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명에 따라 제어되는 굴착기의 측면도
제2도는 제1도에서 보인 굴착기의 새로운 제어시스템의 우선실시 형태를 보인 다이아그램
제1도에서, 이는 본 발명의 제어시스템이 구비되는 굴착기(10)를 보인 것이다. 이 굴착기는 붐(12)을 가지며 이 붐의 일측단부에는 굴삭헤드변속기(16)를 통하여 붐(12)에 연결되는 굴삭기헤드(14)가 구비되어 있다. 이 굴삭헤드(14)는 굴삭공구(15)를 가지며 예를 들어 경질암반굴삭시 3-10RPM 사이의 요구된 속도로 굴삭헤드를 회전시키는 모우터(18)에 의하여 변속기(16)를 통해 구동된다. 타측 단부에서, 상기 붐(12)은 회전터릿(20)에 연결되고 내부에서 활동가능한 피스턴(28)(30)을 갖는 수압실린더(24)(26)에 의하여 붐 피봇트(22)에서 경사질 수 있게 되어 있다. 일측 단부에서 이들 수압실린더는 점(32)(34)에서 터릿(20)이 연결되고 타측단부에서는 점(36)(38)에서 붐(12)에 연결되어 각 실린더(24)(26)에 대하여 피스턴(28)이 후퇴 또는 전진하고 피스턴(30)이 전자 또는 후퇴할 때에 붐(12)이 경사지게 된다. 전형적으로 이러한 굴착기에서 붐(12)의 경사운동은 0-43˚ 사이이나 이로서 제한되지는 아니한다. 붐(12)의 경사각도는 붐 피봇트(22)에 배치된 각도엔코더(40)에 의하여 연속적으로 측정된다.
회전터릿(20)은 비회전형 하우징(42)에 근접배치되고 여기에 터럿을 회전시키기 위한 수압드라이브가 배치된다. 각도엔코더(44)는 터릿(20)의 회전각도와 상기 터릿의 붐(12)의 회전각도를 연속측정토록 제공된다. 이러한 각도는 사전에 결정된 라인, 통상적으로 터릿(20)의 수직축선을 기준으로 하여 측정되고 0-360˚ 사이이다. 컴퓨터와 제어시스템(46)(47)은 굴착기의 후미에 배치되나 작업자인터페이스(48)는 작업자 스테이션(50)에 제공된다. 이 굴착기는 무한궤도(52)로 움직이나 이러한 형태의 굴착기는 작동중에 안정성을 제공토록 벽에 대하여서는 측부스테이커(54)에 의하여 측방향으로 그리고 천정에 대하여서는 스테이커(56)에 의하여 고정될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 암반면의 굴삭중에 굴삭헤드(14)는 전진시키기 위하여 하우징(42)이 각각 0.5m씩 이동하는 섬핑실린더(62)(64)를 이용하여 부호 60으로 보인 바와 같이 사전에 결정된 거리, 예를 들어 1m의 거리를 전진한다. 동일한 거리가 헤드전진거리(60)을 위하여 앞부분에 도시되어 있다. 이러한 스트로크 즉 전진거리가 이동되고 암반면의 전체 영역이 굴삭되었을 때에 스테이커(54)(56)가 풀리고 하우징(62)이 그 시작위치로 되돌아가며 굴착기가 상기 사전에 설정된 거리만큼 궤도(52)상에서 전진되고, 굴삭과정이 다시 시작된다. 하우징(42), 그리고 헤드(4)의 전진거리가 선형엔코더를 통하여 연속적으로 모니터되고 굴삭 작동중에 암반면(58)의 압력을 알기 위하여 컴퓨터에 의하여 이용된다. 또한 굴착기에는 굴삭된 암반을 싣기 위하여 적당한 수집암을 갖는 로딩에이프런(68)이 구비되어 있으며, 굴삭된 암반이 운반되어 나가도록 콘베이어(70)에 의하여 굴착기의 뒷부분도 운반된다.
제2도에서는 제1도와 동일한 구성부분에 대하여 제1도와 동일한 부호로 표시한 것으로, 이는 붐(12)을 보기고 있으며 그 일측 단부에는 변속기(16)를 통하여 굴삭헤드(14)가 붐(12)에 연결되어 있다. 굴삭헤드(14)는 픽크나 디스크와 같은 굴삭공구(14)가 구비되어 있다.
전기모우터(18)는 일정하거나 가변적으로 사전에 결정된 속도로 헤드(14)를 구동시키는데 이용된다
타측단부에서, 붐(12)은 화살표(21)의 방향으로 회전되도록 도시된 터릿(20)에 경사가능하게 연결된다. 요구되는 경우 이는 반대방향으로 회전될 수도 있다. 붐(12)의 경사운동은 피스턴(28)(30)을 갖는 수압실린더(24)(26)에 의하여 붐-피봇트(22)를 중심으로 하여 이루어진다. 이들 실린더는 일측단부가 점(32)(43)에서 회전터릿(20)에 착설되고 타측단부는 피스턴(28)(30)을 통하여 점(38)에서 붐(12)에 착설된다.
회전터릿(20)의 후측에는 터릿의 비회전부분 이라고도 불리는 비회전형 하우징(42)이 배치되어 있다. 수압드라이브(41)(43)가 하우징(42)에 착석되고 이들은 화살표(21)의 방향으로 터릿(20)을 회전시킨다. 이는 변속기(37)(39)와, 터릿을 회전시키는 피니언(33)(35)을 통하여 이루어지며, 이들 피니언을 이에 인접한 단일의 대형 회전링과 결합되어 있다. 이러한 목적을 위하여 전형적으로 4개의 수압드라이브가 사용된다. 그리고 터릿(20)을 화살표(21)의 방향과 동일한 화살표(49)의 방향으로 축(45)을 회전시킨다.
하우징(42)은 화살표(11)의 방향으로 직선이동(요구된 경우 반대방향으로 직선이동)하는 반면에 굴착기는 고정상태를 유지한다. 이러한 운동을 통상적으로 섬핑실린더라 불리는 수압실린더(62)(64)에 의하여 수행된다. 이와같이 하므로서 굴삭헤드(14)가 화살표(53)로 보인 바와같은 동일한 방향으로 이동된다.
굴삭헤드(14)에 의한 굴착의 제어는 다음과 같이 수행된다.
붐(12)의 경사각도를 연속측정하기 위하여 붐 피봇트(22)에 제1각도 엔코더(40)가 제공된다.
터릿(20)의 회전각도를 연속측정하기 위하여 축(45)의 단부에 제2각도엔코더(44)가 제공되며, 터릿은 예를 들어 굴삭헤드의 1깊이에 대한 전체암반면 또는, 개방부으 굴착에 요구되는 완전한 2회전보다 느리게 회전한다.
하우징(42)과 굴삭헤드(14)의 선형위치를 연속측정하기 위하여 선형엔코더(55)가 제공된다.
붐(12)을 경사지게 하는데 사용된 적어도 하나의 수압시린더(예를 들어 26)의 각 단부에서 압력을 연속측정하기 위하여 압력변환기(P1)(P2)가 제공된다.
또한 터릿(20)을 회전시키는데 사용되는 수압드라이브(41)(43)의 각 단부에서 압력을 연속측정하기 위하여 압력변환기(P3)(P4)가 제공된다.
화살표(51)의 직선방향으로 하우징(42)을 이동시키고 화살표(53)으로 보인 바와 같은 동일한 방향으로 헤드(14)를 이동시키기 위하여 사용된 섬핑 실린더(62)(64)의 각 단부에서 압력을 연속측정하기 위하여 압력변환기(P5)(P6)가 제공된다.
슬립-링 조립체(59)에 인접하여 도시된 전력변환기(57)가 헤드(14)를 구동시키는 모우터(18)에 대한 입력전력을 측정하는데 사용된다.
상기 모든 측정장치로부터의 신호들은 제2도에서 점선으로 보인바와같이 컴퓨터(46)로 전송된다. 적당한 프로그램 또는 알고리즘이 프로그램장치(63)에 의한 컴퓨터에 입력되고 주어진 암반경도 나누어진 굴착속도 등에 대한 요구된 프로그램이 작업자 인터페이스(48)를 통하여 작업자에 의하여 작업자에 의해 선택될 수 있다. 컴퓨터를 사전에 선택된 프로그램에 따라서, 연속적으로(예를 들어, 초당 10-20회)여러 신호를 처리하고 또한 연속적으로 제어기(47)에 지시를 보내며, 이러한 제어기는 굴착기의 여러기능을 제어하는 다수의 PID 제어기로 구성된다.
이와같이, 상기 언급된 트윈형 수압시스템에서, 제어기는 전진이 저속 또는 고속으로 수행되는 것에 따라서 밸브(67)(69)에 대한 수압유체의 입출력을 제어할 것이며 이는 어느 때든지 붐(12)의 경사각도 θ를 제어한다. 동일한 제어가 다시 전진속도에 따라서 밸브(71)(73)에 대한 수압유체의 입출력을 제어하므로서 수압드라이브(41)(43)에서 수행될 것이다. 이는 언제든지 터릿(29)의 회전각도 θ를 제어할 것이다. 이들 두 가지의 제어로 요구된 단면이 매우 정밀하게 굴삭될 수 있다.
섬핑 전진속도는 하우징(42)과 굴삭헤드(14)의 요구된 전진속도를 발생하는 실린더(62)(64)의 작동을 제어하는 밸브(72)에 대한 수압 유체 입출력을 연속적으로 제어하므로서 제어될 수 있다.
끝으로, 컴퓨터는 가변속도드라이브(74)를 통하여 굴삭헤드(14)의 회전속도를 제어할 수 있다. 이러한 제어방식을 헤드(14)의 회전속도가 요구된 일정한 RPM에서 운전토록 사전에 설정될 수 있으므로 선택적인 제어방식이라할 수 있다. 제2도에서 보인 바와같이, 본 발명의 제어시스템을 사전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭할 수 있는 굴착기의 연속폐쇄루우프 제어를 제공한다.
또한, 이러한 자동 및 연속제어가 이루어지도록 하기 위하여 P, P2, P3, P4, P5 및 P6와 같은 연러 압력이 프로그램되어 사전에 결정된 한계내에서 작동되며, 예를 들어 이러한 한계가 초과되는 경우에 사전에 결정된 한계가 회복되도록 컴퓨터가 일부 다른 기능을 조절, 예를들어 전진속도를 감소시킬 것이다. 이로써 굴착기는 최상의 전진속도를 작동될 수 있도록 하는 반면에 주어진 암반형태나 기타 상황에 대하여 공구의 마모를 최소화할 것이다.
본 발명을 제1도에 도시된 바와 같이 굴착기용의 제어시스템으로 제한되지는 아니한다. 붐이 경사가능하게 연결되는 수직축 회전 터릿을 갖는 다수의 굴착기가 있다. 새로운 제어시스템이 이러한 굴착기능에 용이하게 적용될 수 있다. 또한 섬핑작용이 이루어지도록 하는 신축형 붐을 갖는 굴착기가 있으며 새로운 제어시스템이 이러한 굴착기에 사용될 수 있다. 더욱이 하나의 붐을 갖는 대신에 두 개 이상의 붐을 갖는 굴착기가 있으면 본 발명의 제어시스템이 최소의 조절만으로 이러한 굴착기에 적용될 수 있다. 더욱이 굴삭헤드를 구동시키는 전기모우터는 수압드라이브로 대체될 수 있다. 이러한 경우 상기 드라이브의 압력을 측정하기 위한 수단이 제공되며 그 결과의 출력신호가 터릿을 구동시키는 수압드라이브를 참조하여 이미 언급된 바와같이 컴퓨터에 의하여 처리된다. 또한 터릿이 수압드라이브 대신에 전기모우터로 구동되는 굴착기가 있을 수 있다. 이러한 굴착기는 본 발명의 제어시스템을 이용하여 제어될 수 있으며, 이로써 수압드라이브의 압력을 측정하는 대신에 전기모우터에 대한 입력전력을 측정하고 전기모우터의 RPM을 측적하기 위한 수단이 제공될 수 있고 그 결과의 신호가 굴삭헤드를 구동시키는데 사용된 전기모우터를 참조하여 이미 언급된 바와 같이 컴퓨터에 의하여 처리된다.
끝으로, 제2도에서, 모든 굴착기와 모든 작동들을 모든 측정과 제어를 필수적으로 요구하는 것은 아니다. 일부 굴착기는 두 가지의 전진속도를 요구하지 않을 것이며 일부는 이 경우에서 설명되는 두 가지의 측정 대신에 여러 실린더와 밸브수단에서 단 하나의 압력측정만을 필요로 할 것이다. 모두 요구된 작동의 정밀성과 굴착기가 사용되는 용도에 따라서 달라질 수 있다. 다른 경우에 있어서, 예를들어 붐 진동진폭과/또는 주파수 또는 공구온도와/또는 공구의 힘, 또는 친정 스테이커와 측부스테이커 실린더 압력과 같은 일부 부가적인 기능을 제어하기를 원할 수도 있다. 이와같이 본 발명의 기술분야에 전문가라면 본 발명의 기술사상과 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 수정이 있을 수 있다. 새로운 연속제어시스템을 갖는 굴착기라면 본 발명의 범위내에 속한다.

Claims (15)

  1. 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템으로서, 채광 또는 터널굴착기가 일측단부에 착설되어 굴착될 면을 향하여 돌출된 굴삭헤드를 갖는 붐과 하나 이상의 PRM 값에서 상기 굴삭헤드를 회전시키기 위한 수단을 가지고, 상기 붐을 그 타측단부에서 회전터릿에 이와 함께 회전토록 경사가능하게 연결되며, 상기 터릿을 회전시키기 위한 수단이 제공되고 붐은 내부로 활동가능한 피스턴을 갖는 적어도 하나의 수압실린더에 의하여 경사질 수 있게 되어 있으며, 상기 적어도 하나의 수압실린더는 상기 피스턴이 수압실린더에 대하여 전진 또는 후퇴될 때에 붐을 경사지게 할 수 있도록 일측단부에서 터릿에 연결되고 타측단부에서 붐에 연결되는 것에 있어서, 상기 제어시스템의 붐의 경사각도를 연속측정하기 위한 제1각도 엔코더, 터릿의 회전각도를 연속측정하기 위한 제2각도 엔코더, 굴삭헤드의 선형위치를 연속측정하기 위한 선형엔코더, 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 신호를 연속처리할 수 있도록 구성되어 상기 엔코더로부터의 출력신호에 응답하는 컴퓨터와, 상기 컴퓨터에 응답하여 상기 적어도 하나의 수압실린더로의 수압유체의 유동을 제어하고 굴삭헤드의 선형전진과 함께 터릿의 회전속도를 제어하므로서 사전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭도록 연속하여 붐각도위치와 터릿의 각도위치 그리고 굴삭헤드의 선형위치를 제어하는 비례밸브수단을 제어하는 제어기로 구성됨을 특징으로 하는 채광 또는 터널 굴착기용 연속제어시스템.
  2. 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템으로서, 채광 또는 터널굴착기가 일측단부에 전기모우터구동형 굴삭헤드를 갖는 붐을 가지며, 상기 굴삭헤드는 굴삭될 면을 향하여 돌출되고 상기 붐을 타측단부에서 수압드라이브에 의하여 회전될 수 있게 되어 있는 회전터릿에 경사가능하게 연결되어 터릿이 회전될 때에 붐이 회전될 수 있게 되어 있고, 상기 붐을 내부로 활동가능한 피스턴을 갖는 적어도 하나의 수압실린더에 의하여 경사가능하게 되어 있으며, 상기 적어도 하나의 수압실린더는 상기 피스턴이 수압실린더에 대하여 전진 또는 후퇴될 때에 붐이 경사지도록 일측단부와 터릿에 연결되고 타측단부가 붐에 연결되는 것에 있어서, 상기 제어시스템이 붐의 경사각도를 연속측정하기 위한 제1각도엔코더, 터릿의 회전각도를 연속측정하기 위한 선형엔코더, 터릿을 회전시키는 수압드라이브의 압력을 측정하기 위한 수단, 붐이 경사지도록 사용되는 상기 적어도 하나의 수압실린더의 각 단부의 압력을 측정하기 위한 수단, 전기모우터 구동형 굴삭헤드의 RPM을 선택하기 위한 수단, 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 신호를 연속처리하도록 구성되어 상기 엔코더와 상기 압력측정수단으로부터의 출력신호에 응답하는 컴퓨터와, 상기 컴퓨터에 응답하여 상기 적어도 하나의 수압실린더와 터릿 수압 드라이브로의 수압유체의 유동을 제어하고 굴삭헤드의 선형위치를 연속제어하며 사전에 결정된 굴삭깊이와 전진속도에서 사전에 선택된 단면을 굴삭토록 비례밸브수단을 제어하는 제어기로 구성됨을 특징으로 하는 채광 또는 터널굴착기용 연속제어시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 굴삭헤드를 회전시키기 위한 수단이 수압드라이브로 구성되고, 상기 수압드라이브의 압력을 측정하기 위한 수단이 제공되며, 컴퓨터가 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 상기 신호를 연속처리하기 위하여 상기 압력측정 수단으로 부터의 출력 신호에 응답함을 특징으로 하는 제어시스템.
  4. 제1, 2 또는 3항에 있어서, 굴삭헤드의 RPM을 제어하기 위하여 가변속도 드라이브가 제공되고, 컴퓨터가 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 상기 가변속도 드라이브를 연속제어함을 특징으로하는 제어시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 터릿을 회전시키기 위한 수단이 전기모우터로 구성되고, 상기 전기모우터에 대한 입력전력과 PRM을 측정하기 위한 수단이 제공되며, 컴퓨터가 사전에 결정된 컴퓨터 프로그램에 따라 상기 신호를 연속처리하기 위하여 상기 전력 및 RPM 측정수단으로부터의 출력신호에 응답함을 특징으로 하는 제어 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 굴착기가 다수의 전진속도범위로 작동하고 붐실린더와 터릿수압드라이브로의 수압유체의 유동을 제어하는 비례밸수단의 병렬의 여러 밸브 셋트로 구성되며, 각 셋트가 굴착기의 상이한 전진속도범위에 사용됨을 특징으로 하는 제어시스템.
  7. 제1-6항의 어느 한 항에 있어서, 굴삭헤드의 공구온도와/또는 공구의 힘을 연속모니터 하기 위한 수단이 구성되어 있으며, 컴퓨터가 공구온도와/또는 공구의 힘을 값음을 연속조절하여 공구의 수명을 회전화하기 위해 사전에 결정된 한계내에서 유지하도록 상기 모니터링에 응답함을 특징으로 하는 제어시스템.
  8. 제1-7항의 어느 한 항에 있어서, 붐 진동진폭과/또는 주파수를 연속모니터하기 위한 수단이 구성되어 있고, 컴퓨터가 공구와 굴착기 구성요소의 수명을 최적화하기 위하여 붐 진동진폭과/또는 주파수 값을 사전에 결정된 한계내로 유지토록 상기 모니터링에 응답함을 특징으로 하는 제어시스템.
  9. 제1-8항의 어느 한 항에 있어서, 제어기가 다수의 PID 제어기로 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
  10. 제1-9항의 어느 한 항에 있어서, 컴퓨터가 폐쇄 루우프작동을 제공토록 구성되어 여러 측정 파라메타로부터의 신호를 연속적으로 이용하고 최상의 전진속도로 요구된 단면이 이루어지도록 하는 반면에 공구마모를 최소화하도록 요구된 상태를 연속계산하며 적당한 명령을 제어기에 연속적으로 전달토록 구성됨을 특징으로 하는 제어시스템.
  11. 제1-10항의 어느 한 항의 청구된 바와같은 연속제어 시스템을 갖는 채광 또는 터널굴착기.
  12. 제11항에 있어서, 수평선축을 중심으로 하여 회전가능한 터릿을 가지고 그 후측에 상기 터릿을 회전시키기 위한 수단이 착설되는 비회전형 하우징이 배치됨을 특징으로 하는 채광 또는 터널 굴착기.
  13. 제12항에 있어서, 굴삭헤드의 선형위치가 비회전형 하우징을 직선방향으로 이동시키는 섬핑 실린더에 의하여 연속조절되고, 그 위치가 선형엔코더에 의하여 측정되며, 상기 조절에 제어기에 의하여 조절되는 밸브수단을 통하여 수행됨을 특징으로 하는 채광 또는 터널굴착기.
  14. 제11, 12 또는 13항에 있어서, 굴삭작동중 굴착기의 안정성을 향상시키기 위한 안정화 수단이 구비됨을 특징으로 하는 채광 또는 터널 굴착기.
  15. 제11항에 있어서, 수평선축을 중심으로 하여 회전가능한 터릿을 가짐을 특징으로하는 채광 또는 터널굴착기.
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