DE3902127A1 - Bohrwagen mit laserausgerichteter steuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrwagen für den Spreng­ vortrieb, insbesondere den Streckenvortrieb im unter­ tägigen Berg- und Tunnelbau, mit ferngesteuerten, nach einem vorgegebenen Sprengbild geführten Bohrlafetten und einem fahrbaren Unterbau.

Bohrwagen sind im Rahmen der zunehmenden Mechanisierung im untertägigen Bergbau eingesetzt worden, um die bisher von Hand geführten Bohrhämmer zu ersetzen. Eine wesentliche Leistungssteigerung ist allerdings damit nicht verbunden gewesen, weil nach wie vor diese Arbeiten in zu hohem Maße von menschlicher Arbeitskraft geprägt sind. Dies liegt zum einen daran, daß die Ausrichtung des Bohrwagens bzw. der Bohrlafetten nach dem vorgegebenen Sprengbild wesentlich von der Geschicklichtkeit des Bohrwagensfahrers abhängig ist und das eine Parallelisierung von Arbeitsvorgängen durch das Binden der Personen an dem Bohrvorgang und die Überschneidung von Teilvorgängen nicht oder nur unbefriedigend möglich ist. Beim Einsatz von Bohrwagen mit Druckluftantrieb sind beispiels­ weise die Umsetzzeiten sowie die Nettobohrzeiten gegenüber handgeführten Bohrhämmern annähernd gleich. Eine Leistungs­ steigerung tritt bei Einsatz eines Hydraulikbohrwagens ein, allerdings nur so unbefriedigend, daß eine wesentliche Leistungssteigerung im Vortrieb nicht erzielt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bohrwagen zu schaffen, über den die Vortriebsgeschwindigkeit deutlich gesteigert und damit ein Rationalisierungserfolg erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Unterbau ein Sensor mit Laserstrahlempfangsfeld zugeordnet ist, das in der Höhe verstellbar ausgebildet und mit einem Mikroprozessor verbunden ist, daß im Mikroprozessor das erforderliche Sprengbild reaktivierbar und die Bohrlafetten steuernd abgespeichert ist und das an allen Drehpunkten oder längsverschiebbaren Punkten der Bohrlafetten Drehwinkel­ codierer und/oder Wegaufnehmer angeordnet sind.

Die Erfindung ermöglicht es also, eine Automatisierung des Bohrwagens durch Mikroprozessor gesteuerte Lafetten zu bewerkstelligen. Die für die Steuerung der Lafetten wichtige Grundbestimmung der Lage des Bohrwagens ist einfach und zielgerichtet dadurch möglich, daß auf dem Unterbau ein Sensor mit Laserstrahlempfangsfeld so angebracht ist, daß der Sensor bzw. das Laserstrahlempfangsfeld in den Laserstrahl hineingefahren wird. Der Bohrwagen selbst braucht somit zum Erfassen des Laserstrahls nicht ausgerichtet zu werden. Hat der Sensor den Laserstrahl erfaßt, wird durch Abfahren des Laserstrahls die absolute Lage des Bohrwagens ermittelt. Mit Hilfe einer Koordinatentransformation errechnet der Mikro­ prozessor dann die Schiefstellung des Bohrwagens aus. Das verschobene Koordinatensystem wird korrigiert. Auf diese Art und Weise kann dann die Bohrlafette in eine definierte Position gebracht und von dieser aus durch den Mikroprozessor gesteuert werden. Um die Lafette genau steuern und auch jeweils kontrollieren zu können sind an allen Drehpunkten und längsverschieblichen Punkten Drehwinkelcodierer und Wegaufnehmer angeordnet, so daß der Mikroprozessor jeweils genau überprüfen und berechnen kann, wie er gemäß Sprengbild die Bohrlafetten verfahren und steuern muß. Vorteilhaft dabei ist, daß auch vorhandene Bohrwagen umgerüstet werden können. Die Drehwinkelcodierer werden dabei zweckmäßig an den freiliegenden Gelenken sowohl auf das Wellenende als auch am Flansch angebracht. Eine genaue und auch feinste Überwachung der Bewegungen der einzelnen Teile ist damit gewährleistet, insbesondere wenn gemäß einer weiteren Ausbildung die Drehwinkelcodierer in mehrere tausend Schritte pro Umdrehung aufzuteilend ausgebildet sind.

Die Wegaufnehmer ihrerseits sind zweckmäßig den Volumen­ strom messend einem Beipaß zugeordnet, so daß auch sie im nachhinein leicht angebracht werden können.

Um den Sensor jeweils schnell und ohne großen Aufwand in den Laserstrahl hineinbringen zu können, ist vorgesehen, daß der Sensor mit dem Laserstrahlempfangsfeld auf einem teleskopierbaren Gestänge abgestützt angeordnet ist, dem ein Hydrozylinder zugeordnet ist. Das Sensorfeld kann so schnell und kontinuierlich von einer in die andere Lage gebracht werden, um so den Laserstrahl schnell und sicher fassen zu können. Zur Verbesserung des Sprengergebnisses ist der Mikro­ prozessor eine imaginäre Ortsbrust festlegend und die Abstände zur echten Ortsbrust berechnend ausgebildet. Diese imaginäre Ortsbrust ist einmal vorteilhaft, um eine definierte Stellung der Lafette zum Bohrlochtiefsten zu erreichen und um darüber hinaus zu gewährleisten, daß alle Bohrlöcher bezogen auf die imaginäre Ortsbrust absolut gleich lang sind. Fährt die Bohrlafette nach einem Optimierungsprogramm alle Bohrlöcher vollautomatisch ab, so werden bei vorstehender oder zurück­ liegender echter Ortsbrust jeweils die Wege gezogen auf die imaginäre Ortsbrust ab- oder zugezählt. Ein sehr gleichmäßiger Sprengausbruch ist die Folge.

Das gesamte Steuersystem besteht somit aus dem Mikro­ prozessor, dem Sensorfeld, sechs Winkelcodierern und zwei Wegaufnehmern, wobei sich die Zahl der Winkelcodierer und Wegaufnehmer bei unterschiedlichen Bauarten der Bohrwagen unterscheiden kann. Der Mikroprozessor gibt die zum Strahlen der Lafette notwendigen Steuersignale auf den Steuerstand weiter, der dem Mikroprozessor erfindungsgemäß zugeordnet ist und einen Steuercomputer mit Rückinformationsverarbeitung aufweist. Hierdurch ist insbesondere eine laufende Über­ prüfung der Lage der Bohrspitze bzw. Bohrkrone möglich. Die für die laufende Korrigierung der Koordinaten erforderlichen Rechenoperationen werden durch den Steuercomputer bzw. Prozessor unterstützt. Ein solcher Steuercomputer ist zweckmäßigerweise ein 16-Bit-Computer in CMOS-Technologie mit einer hohen Anzahl frei programmierbarer Ein- und Ausgabeleitungen. Das hat den Vorteil, daß die Ein- Ausgabe­ leitungen ständig ohne großen Aufwand erweitert werden können, insbesondere wenn der Steuercomputer für das Eingangs- bzw. Ausgangsmodul separate Platinen aufweist. Der Hauptmodul, d.h. der sog. Steuerteil, besteht aus einem 16-Bit-Prozessor- Motorola MC 68, einem entsprechenden Eprom für das Programm und ein MB-RAM für die Daten sowie mehrere Interfacekarten. Zusätzlich werden noch entsprechende Logikgatter verwendet.

Für die Verwendung mehrerer Bohrlafetten ist es von Vorteil, wenn zusätzlich je Bohrlafette ein Co-Prozessor eingesetzt ist. Für bestimmte Veränderungen sind zum Beispiel bei Änderungen des Sprengbildes BCD-Schalter angebracht. Damit können auch, neben der Veränderung des Sprengbildes, Steuersignale geändert werden.

Um mit dem Steuercomputer alle notwendigen Aktionen vornehmen zu können, ist vorgesehen, daß er eigensicher ausgelegt ist. Er kann daher auch in Explosionsgefährdeten Räumen und damit im untertägigen Bergbau sicher arbeiten.

Zur Prüfung der Steuersignale bzw. Eingangssignale werden von außen einsehbare LED′s im Mikroprozessor bzw. dem Steuercomputer zugeordnet.

Der gesamte Steuercomputer bleibt ohne jede Kühlung bis zur einer Temparatur von 65°C funktionstüchtig. Er kann zur Absicherung in einem mit Kühlschlangen versehenen Gehäuse angeordnet werden, doch ist dies wegen der hohen Temparatur­ unabhängigkeit an sich nicht notwendig. Ein vorteilhaft sanftes Steuern wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, daß den Dreh- und Verstellzylindern Proportionalventile vorge­ ordnet sind, über die die Steuerbefehle entsprechend sanft umgesetzt werden.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Bohrwagen geschaffen ist, der den gesamten Bohrvor­ gang automatisiert und so eine absolute Zeitverkürzung ermöglicht. Darüber hinaus ist aufgrund des automatisierten Ablaufes und des vorteilhaft geregelten Ablaufes des Bohrvor­ ganges auch die Möglichkeit gegeben, die Bohrarbeit mit beispielsweise der Ausbohrarbeit überlappend durchzuführen, weil nämlich ein sicheres Ansetzen der Bohrkrone an der Ortsbrust jeweils gewährleistet und selbst Korrekturen noch automatisch möglich sind. Jede einzelne Bewegung und Drehung einzelner Teile der Bohrlafette wird erfaßt und die Veränderung auf dem Steuerstand gegenkontrolliert. Es ist also eine ständige Plausibilitätskontrolle möglich. Dies bedeutet unter anderem, daß bei fehlerhaftem Anbohren eine Selbstkorrektur möglich ist. Da die Bohrlochlafette aufgrund des vorgegebenen Programms auf kürzestem Wege von einem Bohrloch zum anderen gelangt ergibt sich eine Verkürzung der Umsetzzeit von bisher 50 min. bei 80 Bohr­ löchern auf ungefähr 10 min.. Dabei rechnet der Mikroprozessor nicht nur den kürzesten Weg, sondern auch die optimale Abfuhr des Bohrvorganges aus. Bei einem zwei- oder dreiarmigen Bohrwagen wird sichergestellt, daß keine Kollisionen auftreten. Auch hier kann in Folge einer Optimierungsrechnung der kürzeste Weg und die günstigste Abfuhr errechnet werden. Das erfindungsgemäße Gerät ermög­ licht somit nicht nur einen besseren Ausnutzungsgrad im Sprengvortrieb, sondern gleichzeitig auch eine zeitliche Reduzierung der einzelnen Vorgänge beim Abbohren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungs­ beispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 einen in einem Streckenvortrieb im Einsatz befindlichen Bohrwagen in Seitenansicht mit schematisiert dargestelltem Steuer­ schema,

Fig. 2 ein Sprengbild bzw. die Ortsbrust mit den zu bohrenden Löchern und den einzelnen Schwenkwegen und

Fig. 3 eine schematisiert dargestellte Ausbildung eines Bohrwagens mit automatisierter Steuerung.

Fig. 1 verdeutlicht, daß der Bohrwagen (1) mit seinem in Form eines Raupenfahrwerks (3) ausgebildeten Unterbau (2) sowie dem vom Tragrahmen (4) gehaltenen und geführten Bohrlafette (5) in der Strecke (6) nur so stehen muß, daß der mit dem Mikroprozessor (8) bzw. dem Steuerstand (7) verbundene Sensor (9) mit Laserstrahlempfangsfeld (10) jeweils in den Laserstrahl (13) hinein gebracht werden kann. Das zur Lagebestimmung des Bohrwagens (1) erforderliche Sensorfeld bzw. Laserstrahlempfangsfeld (10) wird über ein Gestänge (11) und den Hydrozylinder (12) ein- und ausgefahren. Denkbar ist auch, daß er seitlich verschwenkt wird, wobei die entsprechenden Verschwenkwege vom Mikroprozessor (8) mit zu berücksichtigen sind.

Sobald der Sensor (9) den Laserstrahl (13) erfaßt hat, wird durch Abfahren des Laserstrahls (13) die absolute Lage des Bohrwagens (1) ermittelt. Mit Hilfe der Koordinaten­ transformation errechnet der Mikroprozessor (8) die "Schiefstellung" des Bohrwagens (1) aus. Das verschobene Koordinatensystem wird korrigiert.

Anschließend wird die Bohrlafette (5) in eine definierte Position gebracht. Dies geschieht durch den Mikroprozessor (8) selbsttätig. Danach legt der Mikroprozessor (8) eine sog. imaginäre Ortsbrust (24) fest. Diese ist erforderlich, um eine definierte Stellung der Bohrlafette (5) zum Bohrloch­ tiefsten zu erreichen. Dadurch ist gewährleistet, daß alle Bohrlöcher bezogen auf die imaginäre Ortsbrust (24) absolut gleich lang sind.

Die absolute Lage der Bohrlafette (5) kann über den Mikroprozessor in jeder Stellung kontrolliert werden. Um hier jegliche Daten zu erfassen sind den Drehpunkten (15), vor allem in Form von Gelenken (16) sowie den länggsverschieb­ lichen Punkten (17), vor allem in Form von Verstellzylindern (18) Drehwinkelcodierer (19, 20) bzw. Wegaufnehmer (21) zugeordnet. Somit können sämtliche Daten von den Gelenken (16) zum Mikroprozessor geleitet werden, ebenso wie die über die Volumenstrommessung der überprüften Verstellzylinder (18).

Überwacht wird auch die Bewegung der Bohrstange (25) genau, die vor der wirklichen Ortsbrust (23) steht und in der Regel eine aufsetzbare Bohrkrone (26) hat. Über den Bohrantrieb (27) wird die Bohrstange (25) ins Gebirge vorgetrieben über den Wegaufnehmer (21) kann der zurückgelegte Weg genau überprüft werden. Fig. 1 zeigt hierzu die Anordnung der einzelnen Drehwinkelcodierer (19, 20) und der Wegaufnehmer (21) sowie ihre Verbindung mit dem Mikroprozessor (8). Dem Steuerstand (7) ist dabei vorzugsweise ein eigener Steuer­ computer (29) zugeordnet, über den die einzelnen Steueroperationen vorgenommen bzw. eingeleitet und überwacht werden.

Das für die Gebirgsformation in der Strecke (6) erforderliche Sprengbild (30) ist im Mikroprozessor (8) abgespeichert und kann je nach Bedarf abgerufen werden. Dem­ entsprechend fährt eine oder fahren mehrere Bohrlochlafetten (5) nach einem Optimierungsprogramm alle Bohrlöcher (31,32) vollautomatisch ab. Bei vorstehender oder zurückliegender Ortsbrust (23) wird der Weg bezogen auf die imaginäre Ortsbrust (24) ab- oder zuge­ zählt. Die Bohrlafette (5) wird also bis auf einen einstell­ baren Druckpunkt an das Gebirge bzw. die Ortsbrust (23) herangefahren und der Bohrvorgang kann dann beginnen. Bei Erreichen des Bohrlochtiefsten wird die Bohrlafette (5) zurückgesetzt und das nächste Bohrloch angebohrt. Der Mikroprozessor (8) rechnet nicht nur den kürzesten Schwenkweg (33), sondern auch die optimale Abfolge der einzelnen Bohr­ löcher (31, 32) aus. Fig. 2 verdeutlicht ein solches Spreng­ bild bzw. die Verteilung der einzelnen Bohrlöcher (31, 32) über die gesamte Ortsbrust (23) und die zwischen den einzelnen Bohrlöchern (31, 32) zurückzulegenden Schwenkwege (33, 33′, 33′′). Im dargestellten Beispiel sind zwei oder ggf. auch drei Bohrlafetten (5) im Einsatz, wobei sie entweder bei den Bohrlöchern im Bereich der Sohle (34) an­ setzen oder aber bei denen im Bereich der Firste (37). Denk­ bar ist es aber auch, das gesamte Sprengbild (30) mit nur einer Bohrlafette (5) abzufahren, wobei dann über den Mikroprozessor eine dafür optimale Abfolge bzw. optimal kurze Schwenkwege (33) ermittelt und festgelegt werden.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines solchen Bohrwagens (1) mit Unterbau (2), wobei es bei dieser Figur insbesondere darauf ankommt, die Ausbildung und Anordnung der einzelnen Drehpunkte (15, 15′, 15′′) zu verdeutlichen sowie von längsverschieblichen Punkten (17). Letztendlich kommt es aber auf die jeweilige Ausbildung der Bohrlafette (5) bzw. des gesamten Bohrwagens (1) an, wo und wie diese einzelnen Punkte zweckmäßigerweise festzulegen sind.

Im unteren Teil der Fig. 1 sind die einzelnen Bestand­ teile des Steuersystems symbolhaft wiedergegeben. Mit (7) ist der Steuerstand und mit (8) der Mikroprozessor bezeichnet, wobei der Mikroprozessor im dargestellten Beispiel LED- Anzeigen (35, 36) auch visuell die Steuersignale und Eingangssignale überprüfen zu können. Mit (10) bzw. (9) ist der Sensor und das zugehörige Feld bezeichnet, während (13) der Laserstrahl ist. Der Sensor (9) seinerseits ist mit dem Mikroprozessor (8) verbunden, ebenso wie die über die gesamte Maschine bzw. den Bohrwagen verteilt angeordneten Dreh­ winkelcodierer (19, 20) und Wegaufnehmer (21).

Claims (14)

1. Bohrwagen für den Sprengvortrieb, insbesondere den Streckenvortrieb im untertägigen Berg- und Tunnelbau, mit ferngesteuerten, nach einem vorgegebenen Sprengbild geführten Bohrlafetten und einem fahrbaren Unterbau, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Unterbau (2) ein Sensor (9) mit Laserstrahlempfangs­ feld (10) zugeordnet ist, das in der Höhe verstellbar ausgebildet und mit einem Mikroprozessor (8) verbunden ist,
daß im Mikroprozessor das erforderliche Sprengbild (30) reaktivierbar und die Bohrlafetten (5) steuernd abgespeichert sind und daß an allen Drehpunkten (15) oder längsverschieb­ baren Punkten (17) der Bohrlafetten Drehwinkelcodierer (19, 20) und/oder Wegaufnehmer (21) angeordnet sind.

2. Bohrwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) mit dem Laserstrahlempfangsfeld (10) auf einem teleskopierbaren Gestänge (11) abgestützt angeordnet ist, dem ein Hydrozylinder (12) zugeordnet ist.

3. Bohrwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (8) eine imaginäre Ortsbrust (24) festlegend und die Abstände zur echten Ortsbrust (23) berechnend ausgebildet ist.

4. Bohrwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelcodierer (19, 20) an den freiliegenden Gelenken (16) sowohl auf das Wellenende als auch am Flansch angebracht sind.

5. Bohrwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wegaufnehmer (21) den Volumenstrom messend einem Beipaß zugeordnet sind.

6. Bohrwagen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelcodierer (19, 20) in mehrere tausend Schritte pro Umdrehung aufzuteilend ausgebildet sind.

7. Bohrwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (8) ein Steuerstand (7) zugeordnet ist, der einen Steuercomputer (29) mit Rückinformationsver­ arbeitung aufweist.

8. Bohrwagen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (29) ein 16-Bit-Computer in CMOS- Technologie mit einer hohen Anzahl frei programmierbarer Ein- Ausgabeleitungen ist.

9. Bohrwagen nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (29) für das Eingangs- bzw. Ausgangsmodul separate Platinen aufweist.

10. Bohrwagen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich je Bohrlafette (5) ein Co-Prozessor eingesetzt ist.

11. Bohrwagen nach Anspruch 1 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (29) eigensicher ausgelegt ist.

12. Bohrwagen nach Anspruch 1 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor (8) und/oder dem Steuercomputer (29) von außen einsehbare LED′s (35, 36) zugeordnet sind.

13. Bohrwagen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuercomputer (29) in einem mit Kühlschlangen versehenen Gehäuse angeordnet ist.

14. Bohrwagen nach Anspruch 1 und/oder einem oder mehreren der nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Dreh- und Verstellzylindern (18) Proportionalventile vorgeordnet sind.