專利名稱：用于控制挖掘裝置的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及采礦和建筑工業，更具體而言涉及鉆孔裝置。
技術背景目前的釆礦方法涉及使用用來在巖石上鉆孔的裝置組合，將炸藥 放在孔中，然后起爆炸藥來炸碎巖石。用于該目的的典型鉆孔裝置由向該裝置的鉆頭部件施加旋轉扭 矩的馬達和向鉆頭部件施加前向力的機構控制。用于施加扭矩和力的 裝置可以是液壓馬達或汽缸，風動馬達或汽缸，或電動馬達中的一個 或組合。各種各樣的機構用來將扭矩源或力源施加給鉆頭部件，包括使用鏈條，繩索或齒輪或啟閉裝置(leaver)。在所有鉆孔操作中，希望在保持孔精確度的同時能夠最大化所鉆 巖石的穿透速率。然而這是一個困難的目標，并且迄今為止還沒有成 功地實現。因此盡管對于給定類型的巖石或所鉆材料而言，對于給定 的旋轉扭矩已經有最佳的進給力，但是還沒有開發出能夠成功地控制 鉆孔以便在整個孔的長度上確保持續的最大巖石穿透速率的裝置。本發明提供一種用于控制鉆孔裝置以提高鉆孔操作期間穿透速 率的方法和系統。應當理解，鉆孔裝置意圖覆蓋在采礦或諸如沖擊和旋轉鉆孔的其 他應用中，用于挖掘諸如巖石等材料的所有類型的切削裝置。發明內容根據本發明的第一方面，提供一種用于控制鉆孔裝置的方法，它 包括以下步驟向鉆孔裝置的鉆頭部件施加旋轉扭矩，以包括預定調 制頻率信號和預定進給力的進給力向鉆頭部件施加進給力，其中從與
旋轉扭矩或進給力中至少 一個相關聯的感測數據，周期地確定最佳的預定進給力，以便優化鉆孔裝置的穿透速率。最好是僅從旋轉扭矩或僅從進給力確定最佳的預定進給力。 最佳的預定進給力最好是包括落在進給力最佳范圍之內的進給力。預定調制頻率信號最好是具有恒定的幅度。該方法可以包括組合預定調制頻率與最佳預定頻率的步驟。 該方法最好是包括提供用以計算最佳預定頻率的控制器。 在進給力由或液壓或氣動裝置施加的情況下，該方法可以包括提供用以控制向鉆頭部件施加的進給力的壓力控制閥的步驟。在這種情況下，進給力由進給壓力控制，并稱作進給壓力。在旋轉扭矩由液壓或氣動裝置施加的情況下，該方法最好是包括提供用以控制向鉆頭部件施加的旋轉壓力的流量控制閥。在這種情況下，旋轉扭矩由旋轉壓力控制，并稱作旋轉壓力。所感測的數據可以包括從所感測旋轉壓力解調的調制頻率。 壓力閥最好是控制至少一個進給錘泵，鏈條或繩索。 流量閥最好是控制至少一個馬達。 最好是鉆頭部件包括一個或更多錘泵或馬達。 該裝置最好是分別地包括諸如錘泵和馬達的進給機構。 該裝置可以包括控制鏈或電動馬達。該方法可以包括用于分別測量和控制進給錘泵和馬達的數個壓力閥和流量閥和換能器。根據一個實施例，該方法包括改變調制頻率信號的幅度的步驟。 該方法可以包括根據所感測的旋轉壓力向進給壓力施加遞增變化的步驟。最好是對遞增變化加以選擇，以降低所感測旋轉壓力和最佳旋轉 壓力之間的差值。可以選擇遞增變化以降低進給壓力與最佳進給壓力的差值。 該方法最好是包括在控制器中存儲與對正切削的預定材料而言
最佳的進給壓力和旋轉壓力相關的數據的步驟。該方法最好是包括在控制器中存儲與對給定類型的鉆孔裝置或 鉆孔裝置的部分而言最佳的進給壓力和旋轉壓力相關的數據。該方法可以包括存儲對于以下不同內容的比較數據的步驟，該比 較數據例如與旋轉壓力對進給壓力，和穿透速率對進給壓力和/或旋轉壓力相關的圖解數據a. 不同的材料(巖石，礦物等)；或b. 不同的鉆孔部件/類型可以在范圍上限和下限之間以遞增值周期地改變進給壓力。 范圍上限和下限最好是進給壓力的+或-15 % 。 該方法最好是包括以大于調制頻率的采樣速率對旋轉壓力進行 采樣的步驟。釆樣速率最好是調制速率的至少20倍以克服噪聲水平。 根據本發明的另一方面，提供一種用于控制鉆孔裝置的系統，它 包括用以感測鉆孔裝置上旋轉壓力的旋轉壓力傳感器；用以感測鉆 孔裝置上進給壓力的進給壓力傳感器；控制向鉆孔裝置施加的旋轉壓 力或進給壓力中至少一個的控制器；及調制裝置，該調制裝置向旋轉 壓力或進給壓力中的至少一個施加預定調制頻率信號，由此控制器根 據旋轉壓力或進給壓力傳感器中至少一個所感測的數據，周期地改變 進給壓力以便優化驅動裝置的穿透速率。控制器最好是包括從旋轉壓力傳感器抽取旋轉壓力的解調算法。 控制器可以從所感測的旋轉壓力確定最佳的進給壓力。 旋轉壓力傳感器最好是具有至少為調制頻率20倍的釆樣速率。 調制頻率最好是根據鉆孔控制系統的恒量來確定。 可以設定采樣速率以最小化噪聲干擾。該系統最好是包括控制鉆孔裝置的旋轉壓力的旋轉壓力控制器。 該旋轉壓力控制器可以包括流量控制閥。 該旋轉壓力控制器最好是控制諸如鉆孔機選擇馬達的馬達。 該系統可以包括控制鉆孔裝置的進給壓力的進給壓力控制器。9
該進給壓力控制器可以控制壓力控制閥。該系統可以包括組合器，其在將進給壓力或旋轉壓力施加給壓 力控制閥或流量控制閥之前，組合調制頻率信號與進給壓力或旋轉壓 力的預定最佳值中的至少一個。控制器可以設定流去控制閥的預定旋轉壓力。舉例來說根據正鉆孔的材料和鉆孔設備的類型，對鉆孔操作而言 預定旋轉壓力可以是固定的。該系統可以包括用于控制旋轉進給壓力的數個閥。壓力控制閥最好是控制諸如液壓或氣動錘泵的錘泵。根據另 一實施例，該系統包括用于施加進給壓力和旋轉壓力的控 制鏈條或電動馬達。控制器可以包括過濾從旋轉壓力傳感器接收的數據的低通濾波器。控制器最好是包括增加和減少向鉆孔裝置施加的進給壓力。控制器可以通過增加和減少先前施加的進給壓力來周期地設定 預定進給壓力，從而更接近預定的最佳進給壓力。增加和減少最好是包括落在預定最佳值以上或以下的值域之內 的遞增值。該遞增值最好是恒量。可選地每當控制器接收到與進給壓力相關的數據時，該遞增值改變。可選地每當控制器接收到來自旋轉壓力傳感器和/或進給壓力傳 感器的信號時，該遞增值改變。控制器可以周期地確定鉆孔裝置的旋轉壓力和進給壓力。控制器最好是周期地從旋轉壓力和進給壓力傳感器，確定鉆孔裝 置的旋轉壓力和進給壓力。控制器可以包括處理裝置，它核對來自傳感器的旋轉壓力和進 給壓力，并將它們與用于對鉆孔裝置最佳的穿透速率的旋轉壓力和進 給壓力的預定最佳值進行比較。
該預定最佳值最好是包括操作該鉆孔裝置的上限和下限。 預定最佳值可以確定為上限和下限之間的中間點。處理裝置最好是包含包括輸出新的預定進給壓力和/或旋轉壓力 的硬件和/或軟件的模塊。新的預定進給壓力和/或旋轉壓力可以與調制頻率信號組合。 調制信號的幅度最好是恒定的，并且小于實際進給壓力或旋轉壓力的15。/。。可選地它為上限和下限之間差值的一半。 調制頻率信號可以是正弦或余弦函數。 任意時刻t的旋轉壓力可以由以下公式確定旋轉壓力 =RP + Rpsin (cot + e ) 其中RP-均值旋轉壓力水平 Rp-調制旋轉壓力幅度且 sin (cot + 0 )是頻率(0的調制正弦波，0為任意相位的 延遲。頻率o可以是0.5Hz。旋轉壓力信號的解調最好是由控制器執行，并且包含使用感測到 的旋轉壓力信號以構建與旋轉壓力信號同相的統一幅度波。根據一個實施例，通過把統一幅度正弦波乘以旋轉壓力脈沖并取 均值，來構建與旋轉壓力同相的統一幅度正弦波。根據本發明的另一方面，提供一種用于鉆孔裝置的控制器，它包 括最佳穿透速率模塊，配置為存儲與基于鉆孔裝置施加的進給壓力 和/或旋轉壓力的對鉆孔裝置而言最佳的穿透速率相關的數據；輸入 端，配置為接收具有與通過耦合至該鉆孔裝置的傳感器感測的旋轉壓 力和進給壓力中至少一個相關的數據的感測信號；處理器，它核對所 感測的數據并解調所感測信號中的調制信號，以確定旋轉壓力和/或進 給壓力并遞增旋轉壓力和/或進給壓力，從而輸出更接近于優化穿透速 率所要求的最佳旋轉壓力和/或進給壓力的旋轉壓力和/或進給壓力的 遞增值；以及輸出端，它輸出旋轉壓力和/或進給壓力的遞增值以控制 該鉆孔裝置。該模塊最好是包括硬件和/或軟件。 輸入端可以配置為接收包含預定幅度的調制頻率的所感測旋轉 壓力信號。調制頻率最好是與施加給鉆孔裝置的進給壓力致動器的調制頻 率相同。最佳穿透速率模塊可以存儲與穿透速率對進給壓力和進給壓力 對旋轉壓力之間的圖形關系相關的數據。該模塊最好是對于不同的鉆孔裝置、正鉆孔的材料和影響最佳穿 透速率的任何其他因素確定最佳進給壓力。處理器可以利用最優選算法通過所感測數據來確定最佳進給壓 力和/或旋轉壓力。處理器可以利用具有先前或在下文中描述的任一特征的解調算法。根據本發明的一個實施例，控制器包括配置為與鉆孔裝置的壓力 控制閥相連的輸出端。根據本發明的另 一實施例，控制器包括與組合器相連的輸出端， 該組合器組合調制頻率信號與從該控制器輸出的進給壓力信號。根據一個實施例該控制器包括組合器。所鉆的不同材料類型最好是包括礦物，巖石和任意其他物質。 對進給力和旋轉力和旋轉扭矩的參考最好是包含進給壓力或旋 轉壓力或包含分力的任意其他變量。
現在將參照附圖，來描述僅僅作為舉例的本發明的優選實施例，在附圖中圖1示出了根據本發明優選實施例的鉆孔裝置的控制系統的示意圖；圖2示出了作為進給壓力函數的旋轉壓力和穿透速率的圖形顯示；圖3示出了軟巖石，中等硬度巖石和硬巖石的旋轉壓力對進給壓
力的圖形顯示；及圖4示出了為了選擇鉆頭部件，作為進給壓力的函數的旋轉壓力 的圖形表示。
具體實施方式
如圖1所示，示出了帶有旋轉泵ll，流量控制閥12和旋轉馬達 14的鉆孔裝置。另外該鉆孔裝置還具有進給泵15，壓力控制閥16， 流量控制閥17和進給錘泵18。用于控制鉆孔裝置操作的系統由去往流量控制閥的輸入端19， 去往壓力控制閥的輸入端20組成，該輸入端20是具有來自振蕩器22 和控制器23的輸入端的，來自組合器21的輸出端。輸入端24提供給流量控制器17。可選地可以使用通/斷閥。液壓壓力換能器25感測旋轉壓力，并通過低通濾波器26與控制 器23相連。圖1所示的控制系統控制鉆孔裝置的鉆孔進給壓力，以產生盡可 能接近最佳的鉆孔操作。在優選實施例中，最佳鉆孔取決于哪些參數 要進行優化。這些參數中的一些包括最大穿透速率，鉆取與所建議通 道和鉆孔偏離最小的鉆孔，以便獲取設備的最大經濟價值。影響鉆孔 操作的參數包括所鉆材料，設備狀況，鉆孔巖屑的清除以及設備性能。在優選實施例中，圖1所示的簡圖涉及在硬巖采礦中使用"頂部 孔眼，，型鉆孔的沖擊鉆孔裝置的控制。在硬巖釆礦中的沖擊鉆孔中，通過重復地向巖石鉆頭應用很大的 沖力來實現穿透。在通過用帶有或不帶有添加劑的空氣或水沖洗在鉆孔區域清除 每個沖擊或巖石顆粒之后，對著合適的點旋轉鉆頭。用于沖擊鉆孔的鉆頭通常由帶有鈕扣形突起的圓柱形表面構成， 這些鈕扣形突起與巖石直接接觸。這些突起由耐磨材料制成。當裝填鉆頭時，這些突起壓碎并開裂 它們所接觸的巖石斷面。 為了操作沖擊型鉆孔，有許多要求。這些要求包括提供沖擊力和沖擊頻率的沖擊壓力；保持鉆頭與巖石接觸的進給力；轉動鉆頭的旋轉扭矩；攜帶從鉆頭前部掉下的巖屑的沖洗介質；這些服務由鉆孔機提供。鉆孔機可以是"頂部孔眼"型的，其中鉆孔機位于孔眼外部并通過 鉆桿柱來接觸鉆頭，或者是"孔眼內"型的，其中鉆孔機位于孔眼中并 緊密地附于鉆頭上。圖1所示的控制系統基于鉆孔操作期間所觀測的，旋轉壓力/進 給壓力和穿透速率/進給之間的關系。進給泵15操作進給錘泵18，而錘泵所施加的進給壓力/力由壓力 控制閥16和流量控制閥17控制。因此當閥16， 17兩者完全開啟時， 液壓錘泵18提供將巖石鉆孔機推進到巖石中的最大進給力。旋轉泵11驅動提供旋轉扭矩以旋轉巖石鉆孔機鉆頭的液壓馬達 14。流量控制閥12控制旋轉泵11向馬達14施加的速度/扭矩。當流 量控制閥12完全開始時，馬達14以最大旋轉扭矩來運行。進給力與進給力泵錘中的液壓壓力完全成比例，而旋轉扭矩與旋 轉馬達的液壓壓力完全成比例。壓力換能器25獲取施加給馬達14的 旋轉壓力讀數，而進給壓力換能器(未示出)能夠提供關于進給泵錘 14施加的進給壓力的數據。圖2示出了沖擊硬巖鉆孔操作期間，作為進給壓力函數的旋轉壓 力和穿透速率的曲線。圖2所示的圖形曲線表示旋轉壓力/進給壓力曲 線的拐點出現在穿透速率處于最大值的進給壓力水平處。與曲線拐點 相對應的進給壓力水平是當穿透速率為優選參數時實現最佳鉆孔所 要求的值。為了實現實時控制，可能要求在鉆孔期間生成這些曲線，以允許 對鉆孔參數進行實時調整以適應巖石狀況和鉆孔機設置。由于所需的 時間和持續改變的進給壓力水平的實際情況，使得生成這些曲線是不
可行的。依照優選實施例，振蕩器22提供低頻的，低幅度循環變化的壓 力信號來控制壓力控制閥16。以從振蕩器22到組合器21的調制信號 的形式來施加該壓力信號。控制器所施加的起始進給壓力也輸入給組 合器21并與該調制信號進行組合，以便提供用于壓力控制閥16的進 給壓力的設定點或起始值。調制信號具有0.5Hz的設定頻率，因此施加給壓力泵錘18的進 給壓力能夠具有在源自于控制器23的基礎進給壓力信號頂部出現的 恒定壓力波動。因為旋轉壓力受圖2所示關系示出的進給壓力的影響， 因此對于施加給馬達14的旋轉壓力信號，也可以觀測在進給壓力信 號上出現的壓力波動。圖2所示的旋轉壓力/進給壓力表示拐點上方的曲線斜率是大于 拐點下方斜率的幅度級。換句話說，拐點上方曲線的梯度遠遠大于拐 點下方的梯度。也就是說，在拐點以下當增大進給壓力時旋轉壓力保 持相對恒定。在拐點以上旋轉壓力隨著進給壓力而增大。由此得出結 論，當進給壓力從低水平增加到最佳操作水平并超出時，所得到的旋 轉壓力脈沖將會顯著地增大幅度。旋轉壓力/進給壓力曲線的拐點可以視為通過穿透速率對進給壓 力而繪制曲線的最大值點。然而，通過圖2所示的兩個曲線很顯然， 存在由進給壓力上限30和進給壓力下限31確定的最佳范圍。因此， 圖l所示的控制器周期地重設壓力控制值的設定點壓力，以保持上限 30和下限31之間的進給壓力。振蕩器22設置于這樣的頻率，它能夠 獲得最小化噪聲干擾的釆樣速率，并允許控制器改變壓力控制閥施加 的進給壓力，以獲得分別控制進給壓力和旋轉壓力的電子和機械部件 的響應，歐。因此，圖1所示的控制系統提供了通過向進給壓力施加調制信 號，并感測關于由壓力換能器25所感測的旋轉壓力的調制信號，來 控制鉆孔裝置的一種方式的例子。最初鉆孔機選擇馬達14受閥12控制，閥12是電動/液壓流量控 制閥。根據有關鉆孔裝置的初始化數據，所鉆材料和預定的最佳旋轉壓力，將閥12的旋轉壓力設置在固定的設定點。進給泵錘18受閥16和17控制。閥17是電動/液壓流量控制閥， 它具有根據用以優選進給泵錘18的進給壓力閥的初始化數據的固定 設定點。另外閥16是電動/液壓壓力控制閥，并控制進給泵錘18的壓力水平。閥16的初始設定點20是來自振蕩器20的0.5Hz正弦波與控制 器23所計算的值的總和。這導致5巴(bar)的循環進給壓力變化施 加給從控制器23輸出的壓力水平。控制器23接收關于來自壓力換能器25的旋轉壓力水平的數據， 以及非強制地接收進給壓力換能器(未示出)所測量的進給壓力。在 輸入給控制器23之前，用2.3Hz截止頻率的低通濾波器26對所感測 的信號進行濾波。控制器執行解調算法以抽取旋轉壓力脈沖，該脈沖具有由于圖2 所示圖形顯示中所示的旋轉壓力和進給壓力之間的依賴關系，而在它 上面感應的調制頻率信號。通過解調算法而計算的旋轉壓力的值，表示是否需要增大或減小 進給壓力，以優選旋轉壓力的值，從而優選穿透速率。應當注意，分 析要施加給調制信號的數據的可選方式是施加調制信號給旋轉壓力， 并將旋轉壓力保持在上限和下限內，從而監視出現在進給壓力信號上 的壓力脈沖或調制信號。由于調制頻率確定所要求的釆樣速率，將釆樣速率設置為調制頻 率的至少20倍以確保它可以超出噪聲水平而檢測到。調制頻率通過 鉆孔控制系統的時間常數來確定。根據一個例子，在其上執行測試的 鉆孔機具有0.2秒的呆滯時間，以及0.75秒的時間常數。因此將調制 頻率設置為0.5Hz。更快的控制系統將^^用更高的調制頻率。振蕩器 22所施加的調制頻率信號可以表示為Epsine ( cot + 0 )其中Ep-調制頻率信號的幅度； co-調制信號的頻率；及e-調制頻率信號的相位。由于控制器提供非常逼近最佳值的進給壓力值，該值FP與調制 頻率信號進行組合，以便給出壓力控制閥16的設定點并得出表達式 FP + Epsine ( w + 0 )。由于調制信號也出現在旋轉壓力水平上，壓力換能器25檢測用 RP + RPsine (ot + 0)表示的旋轉壓力信號，其中RP =均值旋轉壓力水平；Rp-調制旋轉壓力幅度；及sine ((ot + 0 )是0.5Hz的調制余弦波。為了抽取旋轉壓力脈沖幅度，使用以下技術來解調旋轉壓力信號。1. 通過減去以下方程中所示的均值，從旋轉壓力信號中除去RP:RP + Rp sin ( ot + 0 ) - i P + i^ sin(紐+ ^) = RP sin ( ot + 6 )2. 構建與下述旋轉壓力脈沖波同相的統一幅度正弦波將統一幅度正弦波乘以旋轉壓力脈沖并取均值。凡sin(&(/) x i p sin(0/+ 。 = f cos(S)將統 一 幅度余弦波乘以旋轉壓力脈沖并取均值:凡cos(—x & sin(紐+ 。 = ^"Sin(e)使用上述結果來計算e:-凡 、arctansin 62=夕與壓力脈沖同相的統一幅度正弦波為sin (ot + 0)3.可以通過解調與統一幅度正弦波同相的循環壓力信號來計算 旋轉壓力脈沖高度2 x sin( W + 6>) x & sin(fttf + 6>) = 2 x f cos(O) = &一旦通過控制器23確定了 Rp的值，就可以使用遞增算法，或可
選地使用控制電路來產生新的FP值。接下來旋轉壓力脈沖Rp的幅度 可以與固定用來確定所得到的旋轉壓力的旋轉脈沖水平進行組合。由 于對于鉆孔裝置和所鉆材料的固定參數來說，旋轉壓力與進給壓力之 間的關系是已知的，來自旋轉壓力/進給壓力曲線的梯度值用來往回計 算所需的進給壓力脈沖高度，以獲得所檢測的旋轉壓力脈沖水平。接 下來控制器根據如下陳述的方法步驟來遞增進給壓力水平1. 將液壓進給壓力水平設置為30巴。2. 每隔2秒解調一次旋轉壓力脈沖高度。3. 如果旋轉壓力脈沖<30巴，將進給壓力增大5巴。4. 如果旋轉壓力脈沖>30巴，將進給壓力減小5巴。5. 將新的進給壓力水平輸出給合成器21。6. 連續重復程序，以便將進給壓力保持在最佳鉆孔范圍。 這些方法步驟可以由控制電路形式的硬件執行，或者也可以是能夠輸出進給壓力電平的軟件形式的控制算法。應當注意，可以通過梯度和噪聲級來選擇調制頻率的幅度。在所 執行的實驗中，當在旋轉壓力/進給壓力曲線的拐點上方鉆孔時，對于 0.5Hz的調制頻率，要求所得到的旋轉壓力脈沖具有大于20巴的幅度。根據本發明的一個實施例，控制器存儲與前述旋轉壓力、進給壓 力，以及圖3中所示不同巖石類型的穿透速率相關的圖形數據。該圖 示出了在作為推力(進給壓力)函數的扭矩(旋轉壓力)的曲線圖中， 梯度如何對于不同的巖石類型發生變化。因此如同所示，巖石類型越 硬則梯度越低。除了用于對相同類型的巖石進行鉆孔的不同尺寸的鉆頭以外，圖 4示出了對于不同尺寸的鉆頭而言相對恒定的梯度。更多實驗也顯示了對于相同類型巖石中所用鉆孔裝置中使用的 不同數目的鉆桿柱，如何在旋轉壓力對進給壓力曲線的拐點以上具有 相對恒定的梯度。在控制器中，圖形數據可以存儲為等效的數學表達形式，它能夠 使用上述系統實現對進給壓力更簡單的反饋控制。根據在硬巖上使用
鉆孔裝置的 一個實施例，唯一需要預先設置的參數就是進給和旋轉壓 力的最大值和最小值限制。因此控制器根據先前系統持續地遞增進給 壓力的值，以確保進給壓力水平在上限與下限之間優選。在前述情況下，在使用中為鉆孔裝置找到的優選進給壓力或旋轉 壓力提供對巖石鉆孔特性的測量。當鉆孔機從一種巖石類型移動到另 一種巖石類型上時，控制器能夠確定新的優選鉆孔壓力，從而這些壓 力提供對巖石類型的測量，該測量對于釆礦的設計和管理而言是很有 用的信息。對于該例，該信息可以用來指示鉆孔機何時穿越了礦石和 廢料的邊界。在旋轉壓力/進給壓力曲線的梯度根據鉆孔機設置和巖石狀況而 發生顯著變化的情形下，控制器可以設置為監視與鉆孔裝置和巖石狀 況相關的參數，并將這些關聯回所存儲的圖形/數學模型，從而控制器 可以對各種參數值的集合，確定最好的上限和下限。應當理解，如果此處參考了任何現有技術的出版物，這些參考并 不構成這樣的承認，即在澳大利亞或任何其他國家，這些出版物構成 本領域公知常識的一部分。在隨后的權利要求中，并且在本發明的前述描述中，除了在上下文由于表述語言或必要的隱含另有要求的情況下，單詞"comprise(包 括)，，或諸如"comprises，，或"comprising"的變體在內含的意義上^f吏用， 即指定了所陳述特征的存在，但并不排除本發明各個實施例中其他特 征的存在或添加。
權利要求
1.一種用于控制鉆孔裝置的方法，包括以下步驟向鉆孔裝置的鉆頭部件施加旋轉力，以包括預定調制頻率信號和預定進給力的進給力向鉆頭部件施加進給力，其中從與旋轉力和進給力中至少一個相關聯的感測數據，周期地確定最佳的預定進給力，以便優選鉆孔裝置的穿透速率。
2. 如權利要求l所述的方法，其中從旋轉力和進給力之一確定 該最佳的預定進給力。
3. 如權利要求l所述的方法，其中預定調制頻率信號具有恒定 的幅度。
4. 如權利要求l所述的方法，包括組合預定調制頻率與最佳預 定頻率的步驟。
5. 如權利要求l所述的方法，包括提供用以計算最佳預定頻率 的控制器。
6. 如權利要求l所述的方法，包括提供用以控制向鉆頭部件施 加的進給力的壓力控制閥的步驟。
7. 如權利要求1或6所述的方法，包括提供用以控制向鉆頭部 件施加的旋轉力的流量控制閥。
8. 如權利要求l所述的方法，其中所感測的數據包括從所感測 旋轉力解調的調制頻率。
9. 如權利要求l所述的方法，包括改變調制頻率信號的幅度的步驟。
10. 如權利要求1或10所述的方法，包括根據所感測的旋轉力 向進給力施加遞增變化的步驟。
11. 如權利要求10所述的方法，其中選擇遞增變化，以降低所 感測旋轉力和最佳旋轉力之間的差值。
12. 如權利要求11所述的方法，其中選擇遞增變化以降低與最 佳進給力的差值。
13. 如權利要求1或12所述的方法，包括在控制器中存儲與對 正在切削的預定材料而言最佳的進給力和旋轉力相關的數據的步驟。
14. 如權利要求l所述的方法，包括在控制器中存儲與對給定類 型的鉆孔裝置或鉆孔裝置的部分而言最佳的進給力和旋轉力相關的 數據。
15. 如權利要求l所述的方法，包括存儲與對于不同的正在鉆的 材料和不同的打鉆類型之一而言的旋轉力對進給力、和穿透速率對進 給力和/或旋轉力相關的比較數據的步驟。
16. 如權利要求l所述的方法，其中在范圍上限和下限之間以遞 增值周期地改變進給力。
17. 如權利要求16所述的方法，其中范圍上限和下限是進給力 的正或負15%。
18. 如權利要求l所述的方法，包括以大于調制頻率的采樣速率 對旋轉力進行采樣的步驟。
19. 如權利要求18所述的方法，其中采樣速率是調制速率的至 少二十倍。
20. —種用于控制鉆孔裝置的系統，包括用以感測鉆孔裝置上 旋轉壓力的旋轉壓力傳感器；用以感測鉆孔裝置上進給壓力的進給壓 力傳感器；控制向鉆孔裝置施加的旋轉壓力或進給壓力中至少一個的 控制器；和調制裝置，該調制裝置向旋轉壓力或進給壓力中的至少一 個施加預定調制頻率信號，由此控制器根據旋轉壓力或進給壓力傳感 器中至少一個所感測的數據，周期地改變進給壓力以便優化驅動裝置 的穿透速率。
21. 如權利要求20所述的系統，其中控制器包括從旋轉壓力傳 感器抽取旋轉壓力的解調算法。
22. 如權利要求20所述的系統，其中控制器從所感測的旋轉壓 力確定最佳的進給壓力。
23. 如權利要求20所述的系統，其中旋轉壓力傳感器具有至少 為調制頻率二十倍的釆樣速率。
24. 如權利要求20所述的系統，包括控制鉆孔裝置的旋轉壓力 的旋轉壓力控制器。
25. 如權利要求24所述的系統，其中該旋轉壓力控制器包括流 量控制閥。
26. 如權利要求25所述的系統，其中該旋轉壓力控制器控制鉆 孔裝置的旋轉馬達。
27. 如權利要求20所述的系統，包括控制鉆孔裝置的進給壓力 的進給壓力控制器。
28. 如權利要求27所述的系統，其中該進給壓力控制器控制壓 力控制閥。
29. 如權利要求20所述的系統包括組合器，其在將進給壓力 或旋轉壓力施加給壓力控制閥或流量控制閥之前，組合調制頻率信號 與進給壓力或旋轉壓力的預定最佳值中的至少 一個。
30. 如權利要求20所述的系統，其中控制器設定流量控制閥的 預定旋轉壓力。
31. 如權利要求30所述的系統，其中壓力控制閥控制鉆孔裝 置的錘泵或力致動器。
32. 如權利要求20所述的系統，其中控制器包括過濾從旋轉壓 力傳感器接收的數據的低通濾波器。
33. 如權利要求20所述的系統，其中控制器通過增加或減少先 前施加的壓力來周期地設定預定進給壓力，從而更接近預定的最佳進 給壓力。
34. 如權利要求33所述的系統，其中遞增值是恒量。
35. 如權利要求33所述的系統，其中每當控制器接收到與進給 壓力相關的數據時，該遞增值改變。
36. 如權利要求33所述的系統，其中每當控制器接收到來自旋 轉壓力傳感器和進給壓力傳感器至少之一的信號時，該遞增值改變。
37. 如權利要求20所述的系統，其中控制器周期地從旋轉壓力 和進給壓力傳感器，確定鉆孔裝置的旋轉壓力和進給壓力。
38. 如權利要求20所述的系統，其中控制器包括處理裝置， 該處理裝置計算來自傳感器的旋轉壓力和進給壓力，并將它們與用于 鉆孔裝置的最佳穿透速率的旋轉壓力和進給壓力的預定最佳值進行 比較。
39. 如權利要求38所述的系統，其中預定最佳值包括操作該鉆 孔裝置的上限和下限。
40. 如權利要求39所述的系統，其中預定最佳值可以確定為上 限和下限之間的中間點。
41. 如權利要求20所述的系統，其中處理裝置包括輸出預定進 給壓力和旋轉壓力中至少一個的某個模塊。
42. 如權利要求41所述的系統，其中新的預定進給壓力和/或旋 轉壓力中的至少一個與調制頻率信號組合。
43. 如權利要求42所述的系統，其中調制信號的幅度是恒定的， 并且小于實際進給壓力或旋轉壓力的15%。
44. 如權利要求20所述的系統，其中調制頻率信號包括正弦或 余弦函數之一。
45. 如權利要求20所述的系統，其中任意時刻t的旋轉壓力可 以由以下公式確定旋轉壓力-RP + Rpsin (ot + e) 其中RP-均值旋轉壓力水平 Rp-調制旋轉壓力幅度且 sin ( ot + e )是頻率co的調制正弦波，0為任意相位的延遲， 頻率co可以是0.5Hz。
46. 如權利要求20所述的系統，其中旋轉壓力信號的解調由控 制器執行，并且包含使用感測到的旋轉壓力信號以構建與旋轉壓力信 號同相的統一幅度波。
47. 如權利要求46所述的系統，其中該統一幅度波包括與旋轉 壓力同相的正弦波，并且通過把統一幅度正弦波乘以旋轉壓力脈沖并 取均值來構建。
48. —種用于鉆孔裝置的控制器，它包括最佳穿透速率模塊， 配置為存儲與基于鉆孔裝置施加的進給壓力和/或旋轉壓力的對鉆孔 裝置而言最佳的穿透速率相關的數據；輸入端，配置為接收具有與耦 合至該鉆孔裝置的傳感器感測的旋轉壓力和進給壓力中至少一個相 關的數據的感測信號；處理器，它核對所感測的數據并解調所感測信 號中的調制信號，以確定旋轉壓力和/或進給壓力并遞增旋轉壓力和/ 或進給壓力，從而輸出更接近優化穿透速率所要求的最佳旋轉壓力和 /或進給壓力的旋轉壓力和/或進給壓力的遞增值；以及輸出端，它輸 出旋轉壓力和/或進給壓力的遞增值以控制該鉆孔裝置。
49. 如權利要求48所述的控制器，其中輸入端配置為接收包含 預定幅度的調制頻率的所感測旋轉壓力信號。
50. 如權利要求48所述的控制器，其中調制頻率是施加給鉆孔 裝置的進給壓力致動器的同一調制頻率。
51. 如權利要求49所述的控制器，其中最佳穿透速率模塊存儲 與穿透速率對進給壓力和進給壓力對旋轉壓力之間的圖形關系相關 的數據。
52. 如權利要求51所述的控制器，其中最佳穿透速率模塊根據 不同鉆孔裝置和正鉆孔的材料中的至少一個，來確定最佳進給壓力。
53. 如權利要求49所述的控制器，其中處理器利用最優選算法 從所感測數據確定最佳進給壓力和/或旋轉壓力。
54. 如權利要求49所述的控制器，包括輸出端，其配置為與 鉆孔裝置的壓力控制閥相連，并且配置為與組合器相連，該組合器組 合調制頻率信號與從該控制器輸出的進給壓力信號。
55. 如權利要求49所述的控制器，包括組合器。
56. 如權利要求16所述的方法，其中監視進給壓力和旋轉壓力 中至少一個的變化，并且參考與正鉆孔的不同材料類型相關的預定數 據，以便確定正鉆孔的材料的至少一個特性。
57. 如權利要求56所述的方法，其中控制器根據所感測旋轉或 進給壓力的變化，輸出關于至少一個材料特性的數據。
全文摘要
一種用于控制鉆孔裝置的方法，包括以下步驟向鉆孔裝置的鉆頭部件施加旋轉力，以包括預定調制頻率信號和預定進給力的進給力向鉆頭部件施加進給力，其中從與旋轉力和進給力中至少一個相關聯的感測數據，周期地確定最佳的預定進給力，以便優化鉆孔裝置的穿透速率。
文檔編號E21B44/00GK101160449SQ200680012625
公開日2008年4月9日 申請日期2006年2月24日 優先權日2005年2月25日
發明者加里·L.·卡萬歐 申請人:聯邦科學和工業研究組織