JP2001012197A

JP2001012197A - コンクリート吹付機

Info

Publication number: JP2001012197A
Application number: JP11188297A
Authority: JP
Inventors: Kanichiro Yamano; 幹市郎山野
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2001-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】円弧状のトンネル内壁面に対してコンクリー
ト等を垂直かつ一定距離を保って吹き付けるロボットア
ーム機構を自動制御すると共に、粉塵等によりその動作
に誤差が生じないようにする。【解決手段】コンクリート等を噴射する噴射ノズル
（１０）を具備するヘッド部（４）を移動させるロボッ
トアーム機構（２２）と、ロボットアーム機構（２２）
を動作させる油圧アクチュエータ（１６，１８，１５，
２０）に出入する油量を油圧ユニット（２３）内で計量
して各動作のストロークを検出することによりヘッド部
（４）の位置を演算し、その動作方向指示に応じて油圧
アクチュエータ（１６，１８，１５，２０）を適正速度
で動作させる比例制御弁（２５）と、を備えたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、トンネル内壁面
等にコンクリート、モルタル等をライニングするための
コンクリート吹付機に係り、特に噴射ノズルを有するヘ
ッド部の位置を確実に検出し、かつ自動制御することが
できるコンクリート吹付機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、トンネル、坑道、ケーブルダ
クト等の内壁をコンクリートやモルタルでライニングす
る手段としては、図５に示すように、圧縮空気方式によ
るコンクリート吹付機が用いられている。このコンクリ
ート吹付機は、コンクリートポンプ１と空圧源２に連結
された噴射ノズル３を有するものである。この空圧源２
からの大量の圧縮空気に液体急結剤を混入し、生コンク
リートを噴射ノズル３から吹き出してトンネル内壁面Ｔ
等に吹き付けるようになっている。しかし、このコンク
リート吹付機は、大量の圧縮空気を使用するため、空圧
源２の動力が大きくなるばかりでなく、微細なコンクリ
ートや急結剤を含む粉塵が大量の圧縮空気により周囲を
汚染するため作業環境を極めて悪くするものであった。

【０００３】そこで、上記のような圧縮空気を用いずに
コンクリート等をライニングするコンクリート吹付機が
種々提案されている。例えば、「投射施工装置」（実公
平６−４５５１９号）及び「混合物投射施工およびその
装置」（特開平４−８３０９６号、特開平６−２４８８
８７号）等がある。この圧縮空気を用いないコンクリー
ト吹付機は、図６の原理図に示すように、コンクリート
吹付機のヘッド部４は、高速で回転するインペラ５と、
コンクリートと急結剤を攪拌しながらインペラ５に供給
する攪拌スクリュウ６とを備え、遠心力によりコンクリ
ートをインペラ５の接線方向に投射して噴射ノズル１０
から吹き付けるものである。このコンクリート吹付機で
は、圧縮空気を全く用いずに、機械的にコンクリートを
吹き付けることができる。この圧縮空気を用いないコン
クリート吹付機は、粉塵の発生を低減し、良好な作業環
境を得ることができるという特徴がある。更に、このヘ
ッド部４を改良したコンクリート吹付機も種々提案され
ている（特開平９−７７０６５号）。

【０００４】図７は上記従来のコンクリート吹付機によ
るコンクリート吹付工法を示す模式図である。この図に
おいて、コンクリート吹付機は、タイヤ又はキャタピラ
等の走行部７ａを有する主機７と、この主機７の後側に
設けたコンクリートポンプ７ｂとから成るものである。
この主機７の前側には、ロボットアーム機構８が設けら
れている。このロボットアーム機構８は、主ビーム８ａ
と、この主ビーム８ａの伸縮ロッド８ｂに設けた横振り
シリンダ８ｃと、直動シリンダ８ｄと、この直動シリン
ダ８ｄのロッド先端に設けられたベース８ｅとから成
り、コンクリートホース９に連通した噴射ノズル１０を
具備したヘッド部４を任意の位置及び向きに移動できる
ものである。

【０００５】コンクリートをトンネル内壁面Ｔに噴射す
る噴射ノズル１０を具備するヘッド部４は、ロボットア
ーム機構８によりトンネル内壁面Ｔをｘ−ｙ平面とする
直交座標系（ｘ−ｙ−ｚ）の任意の位置に位置決めされ
る。更に、ヘッド部４をベース８ｅに取り付けたアクチ
ュエータ（図示していない）により、横首振りと縦首振
りして噴射ノズル１０を任意の方向に向けるようになっ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、トンネル内壁
面Ｔへコンクリート等を吹き付けるに際し、その付着性
を良好にするために、噴射ノズル１０は壁面に対して垂
直に吹き付ける必要がある。その運転操作を容易にする
ために、壁面形状に応じてロボットアーム機構８を任意
に操作してｘ−ｙ座標系でヘッド部４を移動し、その位
置でヘッド部４の横振り量と縦振り量を操作し、その位
置に近い壁面にコンクリートを吹き付ける操作手順が通
常行われていた。従来の運転操作では、ロボットアーム
機構８の各揺動方向への変位量をそれぞれ独立に手動で
操作する必要があるため、ロボットアーム機構８の運転
操作が複雑であるという問題を有していた。

【０００７】また、トンネル内壁面Ｔの多くは円弧面で
あるため、ｘ−ｙ座標系での移動で壁面に沿って周方向
にヘッド部４を移動することは難しいものであった。ト
ンネル内壁面Ｔに対する噴射ノズル１０の吹付角度が垂
直でないとき、例えば４５度以下となると、コンクリー
トの跳ね返りが増加して、その付着率が低下してコンク
リートの損失が増大するばかりでなく、付着時の圧密力
も低下してコンクリート吹付の品質を低下させる。そこ
で、従来のコンクリート吹付機では、トンネルの円弧状
の壁面に対して、ヘッド部４の横振り及び縦振りを頻繁
に行う首振り操作が多く、その手動操作回数が多くな
り、その操作が煩雑になるという問題を有していた。更
に、トンネル内は粉塵等が多く、かつ高温・多湿である
ため、精密な油圧アクチュエータ（パルスモータやパル
スシリンダ）を用いると故障が多く、信頼性に乏しいと
いう問題点があった。

【０００８】本発明は、かかる問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、円
弧状のトンネル内壁面に対してコンクリート等を垂直か
つ一定距離を保って吹き付けるロボットアーム機構を自
動制御すると共に、過酷な環境下でも安定して作動で
き、かつその動作に誤差が生じないコンクリート吹付機
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、コンク
リート等を噴射する噴射ノズル（１０）を具備するヘッ
ド部（４）を移動させるロボットアーム機構（２２）
と、該ロボットアーム機構（２２）を動作させる油圧ア
クチュエータ（１６，１８，１５，２０）に出入する油
量を油圧ユニット（２３）内で計量して各動作のストロ
ークを検出することにより、前記ヘッド部（４）の位置
を演算し、その動作方向指示に応じて前記油圧アクチュ
エータ（１６，１８，１５，２０）を適正速度で動作さ
せる比例制御弁（２５）と、を備えたことを特徴とする
コンクリート吹付機が提供される。

【００１０】上記発明の構成によれば、ロボットアーム
機構（２２）を動作させる各油圧アクチュエータ（１
６，１８，１５，２０）に出入する油量を油圧ユニット
（２３）内で計量して各動作のストロークを検出し、更
にトンネル断面形状関数（Ａ）と吹付距離ｄとから噴射
ノズル（１０）が位置するノズル位置関数（Ｂ）を演算
することにより、ヘッド部（４）の位置決めをすること
ができる。次に、油圧ユニット（２３）内に設けた比例
制御弁（２５）で、その動作方向指示に応じて各油圧ア
クチュエータ（１６，１８，１５，２０）を適正速度で
自動制御して、ヘッド部（４）をトンネル内壁面Ｔから
吹付距離ｄの位置に垂直に向け、噴射ノズル（１０）か
らコンクリートを吹き付けることができる。

【００１１】また、本発明によれば、機体基準位置
（Ｄ）で上下揺動及び水平旋回可能な主ビーム（１４）
と、該主ビーム（１４）の先端部で上下揺動及び水平旋
回可能な中間部材（１７）と、該中間部材（１７）に取
り付けられトンネルの長さ方向に移動可能な水平ビーム
（２１）とから成るロボットアーム機構（２２）と、前
記水平ビーム（２１）の先端部に取り付けた、コンクリ
ート等を噴射する噴射ノズル（１０）を具備するヘッド
部（４）と、前記ヘッド部（４）の座標位置をとらえ、
前記主ビーム（１４）の上下揺動角（θ₁）と水平旋回
角（δ₁）、前記中間部材（１７）の上下揺動角
（θ₂）と水平旋回角（δ₂）及び水平ビーム（２１）
がトンネル軸方向（ｚ方向）への移動という各動作に必
要な移動方向に対して、各動作のストロークを油量パル
スメータ（２４）で検出し、かつ予め所定の計算式によ
り演算することにより、その動作方向指示に応じて各油
圧アクチュエータ（１６，１８，１５，２０）を適正速
度で動作させる比例制御弁（２５）と、を備えたことを
特徴とするコンクリート吹付機が提供される。

【００１２】この構成により、油圧アクチュエータ（１
６，１８，１５，２０）により主ビーム（１４）、中間
部材（１７）又は水平ビーム（２１）を適正速度で動作
させ、水平ビーム（２１）先端部のヘッド部（４）を自
動制御することができる。なお、油量パルスメータ（２
４）は油圧シリンダ（１６，１８）又は油圧モータ（１
５，２０）に出入する油量を検出するものであるが、こ
のように油量を検出する際に内部リーク（漏れ）が生じ
ることがある。しかし、ロボットアーム機構（２２）の
動作による負荷で、それぞれのストロークが送油量に無
関係に変化することがあるが、このようなストロークの
検出を行う必要はない。コンクリート吹付機の場合、実
際の作業時間は１回につき３０分程度であり、このよう
な動作中のリークによるストローク誤差は無視できる程
度だからである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の
部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。図
１は本発明のコンクリート吹付機を示す全体構成図であ
る。コンクリート吹付機のヘッド部４には、トンネル内
壁面Ｔにコンクリート又はモルタル等を吹き付ける噴射
ノズル１０を具備している。主機１１上に備えたコンク
リート吹付機は、トンネルに沿って移動し、任意位置に
おいてコンクリートを吹き付けるものである。この主機
１１には、旋回装置１２上に設けた支持フレーム１３を
介して主ビーム１４の一端が揺動自在に枢着してある。
この主ビーム１４は、旋回装置１２の油圧モータ１５の
回動により機体基準位置Ｄを中心に水平旋回角δ₁及び
旋回角速度ωｘで水平旋回ができる。更に、この主ビー
ム１４は、俯仰油圧シリンダ１６の伸縮により機体基準
位置Ｄを中心に上下揺動角θ₁及び揺動角速度ωｙで上
下揺動するようになっている。

【００１４】主ビーム１４の先端部には中間部材１７が
取り付けられている。この中間部材１７は、中間揺動部
材１７ａと中間旋回部材１７ｂとから成るものである。
中間揺動部材１７ａは、主ビーム１４の先端部（図で右
端部）に取り付けられたものであり、揺動油圧シリンダ
１８の伸縮により中間部材１７の基準位置Ｓを中心に上
下揺動角θ₂で上下揺動するようになっている。また、
中間旋回部材１７ｂは、中間揺動部材１７ａに取り付け
られたものであり、旋回装置１９の油圧モータ２０の回
動により中間部材１７の基準位置Ｓ（旋回中心）に水平
旋回角δ₂で水平旋回するようになっている。

【００１５】更に、中間部材１７の上部には水平ビーム
２１が取り付けられている。この水平ビーム２１は、そ
の前後方向に平行に伸縮する送り用油圧シリンダ（図示
していない）を介してトンネルの長さ方向（ｚ軸）に移
動するようになっている。ヘッド部４はこの水平ビーム
２１（図で右端）に取り付けられている。このヘッド部
４は、アクチュエータ（図示していない）によりｚ軸を
中心とする横首振り（横振り量：γ）と、ｚ軸に垂直な
水平軸（ｙ軸）を中心とする縦首振り（縦振り量：φ）
ができるようになっている。また、ｋは、ヘッド部４の
基準位置（首振り中心）である。本発明のコンクリート
吹付機は、上述した主ビーム１４、中間部材１７及び水
平ビーム２１全体でロボットアーム機構２２を構成した
ものである。

【００１６】図２は本発明の比例制御弁を組み込んだ油
圧ユニットの油圧回路を示す。本発明のコンクリート吹
付機のロボットアーム機構２２は、主ビーム１４、中間
部材１７及び水平ビーム２１を動作させる油圧シリンダ
１６，１８又は油圧モータ１５，２０を自動制御してヘ
ッド部４（噴射ノズル１０）を操作するものである。そ
こで、図に示すように、油圧シリンダ１６，１８又は油
圧モータ１５，２０に出入する油量を油圧ユニット２３
内のそれぞれの油量パルスメータ２４で計量検出する。
この油量パルスメータ２４は、油圧用のオイル（流体）
の供給量を計測し、その連続パルス信号をコントロール
・モジュールに送出し、このコントロール・モジュール
でパルス信号の数をカウントし、その油量を算出する。
なお、本発明では、油圧シリンダと油圧モータを総称し
て油圧アクチュエータと呼ぶ。

【００１７】次に、噴射ノズル１０の座標位置をとら
え、主ビーム１４の上下揺動角θ₁と水平旋回角δ₁、
中間部材１７の上下揺動角θ₂と水平旋回角δ₂及び水
平ビーム２１がトンネル軸方向（ｚ軸方向）への移動と
いう各動作に必要な移動方向に対して、各動作のストロ
ークを油量パルスメータ２４で検出した数値を予め所定
の計算式により演算し、その動作方向指示に応じた各油
圧シリンダ１６，１８又は油圧モータ１５，２０を適正
速度で動作させる比例制御弁２５を設けてある。この比
例制御弁２５には、例えば速度制御と方向制御の２つの
機能を１つにまとめた比例電磁式方向・流量制御弁を用
いる。従来の比例電磁式流量制御弁では、ロボットアー
ム機構２２の速度制御を行う場合、方向制御弁とを組み
合わせる必要があったが、本発明の比例電磁式方向・流
量制御弁では２つの弁を用いる必要がなく油圧回路の簡
略化が図れるという特徴がある。

【００１８】なお、油圧シリンダ１６，１８又は油圧モ
ータ１５，２０では、一時的に内部リーク（漏れ）が生
じて、ストローク誤差が生じることがあるが、このよう
なストローク誤差の検出は本発明では行なわない。これ
はコンクリート吹付機の場合、実際の作業時間は１回に
つき３０分程度であり、上述したリークによるストロー
ク誤差は実際的に無視できる程度だからである。

【００１９】図３はトンネル断面とロボットアーム機構
との位置関係を示す説明図である。この図において、Ｏ
はトンネル中心、Ａはトンネル断面形状をデータ又は式
で示すトンネル断面形状関数、ｄはトンネル内壁からの
吹付距離、Ｂはトンネル内壁から吹付距離ｄの位置をデ
ータ又は式で示すノズル位置関数、ｘ，ｙはトンネル軸
に直交する平面のヘッド部基準位置Ｋを中心とするｘ−
ｙ座標系、ｎはトンネル内壁に直交する方向、ｔはｎに
直交する周方向、αはｔとｘ軸とのなす角度、βは線分
ＤＫのｙ軸とのなす角度である。

【００２０】図４はトンネル断面とロボットアーム機構
との位置関係を示す別の説明斜視図である。この図にお
いて、線分ＤＫは、図１の機体基準位置Ｄとヘッド部４
の基準位置Ｋを結ぶ線分、θはその上下揺動角、δはそ
の水平揺動角である。線分ＤＫの長さＬ、上下揺動角θ
及び水平揺動角δは、図１に示した主ビーム１４の長
さ、水平旋回角δ₁、旋回角速度ωｘ、及び揺動角速度
ωｙと、中間部材１７の水平旋回角δ₂と上下揺動角θ
₂、及び水平ビーム２１のｚ軸方向の移動量から計算す
ることができる。

【００２１】従って、機体基準位置Ｄとヘッド部４の基
準位置Ｋとを結ぶＤＫの長さＬ、その上下揺動角θ、そ
の水平旋回角δ、ノズル位置関数Ｂ上の周方向ｔと水平
軸Ｘとのなす角αを検出し、ｔ方向操作で指示される向
きの所定速度Ｖに対して、Ｖｃｏｓα＝Ｌｃｏｓθ・ｃ
ｏｓδ・ωｘ … 式１と、Ｖｓｉｎα＝Ｌｃｏｓθ
・ωｙ … 式２とを満たすように、線分
ＤＫの旋回角速度ωｘと揺動角速度ωｙを比例制御弁２
５を用いて自動制御することによりヘッド部４をｔ方向
操作で、例えば手動レバーの傾きにより指示した方向に
所定速度を一定に維持することができる。

【００２２】ロボットアーム機構２２を半自動的に操作
すると、線分ＤＫの長さＬとβを上下揺動角θ、水平揺
動角δ及びｚ方向移動量から演算し、これから噴射ノズ
ル１０の移動方向αとノズルの向きをγ＝αとして設定
する。ロボットアーム機構２２の自動制御では、予め手
入力等でトンネル断面形状関数Ａ、吹付距離ｄ、及び機
体基準位置Ｄを設定し、これらのデータから、コンピュ
ータ等によりトンネル内壁面Ｔから吹付距離ｄのノズル
位置関数Ｂを演算する。また、自動制御により、噴射ノ
ズル１０の噴出位置がノズル位置関数Ｂに位置し、かつ
噴射ノズル１０の噴出方向がトンネル内壁面Ｔに直交す
る向くに常に自動で位置決めされる。更に、この自動制
御と併用してヘッド部４を周方向へ移動させるｔ方向操
作と、ヘッド部４をトンネル内壁に対して前後させるｎ
方向操作と、ヘッド部４をトンネルの長さ方向に前後さ
せるｚ方向操作とが手動で操作できるようになってい
る。

【００２３】このように、演算結果により動作方向指示
に応じた、各油圧シリンダ１６，１８又は油圧モータ１
５，２０を比例制御弁２５で駆動し、ロボットアーム機
構２２を適正速度で動作させることにより、コンクリー
ト吹付機のヘッド部４（噴射ノズル１０）を自動制御す
ることができる。

【００２４】なお、本発明は上記実施の形態のみに限定
されるものではなく、油圧ユニット２３により駆動する
ロボットアーム機構２２を適正速度で動作させるもので
あれば、図示したコンクリート吹付機のような、主ビー
ム１４、中間部材１７及び水平ビーム２１とから成るロ
ボットアーム機構２２の構成に限定されず、他の構成部
材によるロボットアーム機構にも応用することができ
る。更に、ヘッド部４に噴射ノズル１０を備えたコンク
リート吹付機に限定されずに、塗装用のスプレーガン、
液体の噴霧装置又はその他の産業機械器具に採用でき、
そのため本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々
変更を加え得ることは勿論である。

【００２５】

【発明の効果】上述したように、本発明のコンクリート
吹付機は、ロボットアーム機構を動作させる各油圧アク
チュエータ（油圧シリンダ又は油圧モータ）に出入する
油量を、油圧ユニット内の油量パルスメータで計量して
各動作のストロークを検出することにより、ヘッド部の
位置決めをすることができ、油圧ユニット内に設けた比
例制御弁で動作方向指示に応じて各油圧シリンダ又は油
圧モータを適正速度で自動制御してヘッド部の噴射ノズ
ルからコンクリート等を吹き付けることができる。

【００２６】特に、本発明のコンクリート吹付機は、油
圧ユニット内に組み込むだ油量パルスメータで油圧シリ
ンダ又は油圧モータに出入する油量を検出する構成であ
るため、従来のコンクリート吹付機のように各センサを
主ビームや水平ビーム自体に装着したものに比較して、
トンネル内の粉塵、湿気などによる故障又は誤動作する
ことがない。

【００２７】更に、ロボットアーム機構の動作中に油圧
シリンダ又は油圧モータからオイルがリーク（漏れ）す
ることがあり、それぞれのストロークが送油量に無関係
に変化することがあるが、コンクリート吹付機の１回の
作業時間は３０分程度であるため、このようなストロー
ク誤差は無視することができ、自動制御には影響を及ぼ
すことなくコンクリートの吹付作業を行うことができ
る、等の優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンクリート吹付機を示す全体構成図
である。

【図２】比例制御弁を組み込んだ油圧ユニットを示す油
圧回路図である。

【図３】トンネル断面とロボットアーム機構との位置関
係を示す説明図である。

【図４】同じくトンネル断面とヘッド部との位置関係を
示す説明斜視図である。

【図５】従来の圧縮空気方式によるコンクリート吹付機
を示す模式図である。

【図６】従来の圧縮空気を用いないコンクリート吹付機
を示す構成図である。

【図７】従来のコンクリート吹付機を用いたコンクリー
ト吹付工法の模式図である。

【符号の説明】

４ヘッド部１０噴射ノズル１４主ビーム１５油圧モータ１６俯仰油圧シリンダ１７中間部材１８揺動油圧シリンダ２０油圧モータ２１水平ビーム２２ロボットアーム機構２３油圧ユニット２４油量パルスメータ２５比例制御弁Ｄ機体基準位置 θ₁ 主ビームの上下揺動角 δ₁ 主ビームの水平旋回角 θ₂ 中間部材の上下揺動角 δ₂ 中間部材の水平旋回角ｚトンネル軸方向

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コンクリート等を噴射する噴射ノズル
（１０）を具備するヘッド部（４）を移動させるロボッ
トアーム機構（２２）と、該ロボットアーム機構（２２）を動作させる油圧アクチ
ュエータ（１６，１８，１５，２０）に出入する油量を
油圧ユニット（２３）内で計量して各動作のストローク
を検出することにより、前記ヘッド部（４）の位置を演
算し、その動作方向指示に応じて前記油圧アクチュエー
タ（１６，１８，１５，２０）を適正速度で動作させる
比例制御弁（２５）と、を備えたことを特徴とするコン
クリート吹付機。
【請求項２】機体基準位置（Ｄ）で上下揺動及び水平
旋回可能な主ビーム（１４）と、該主ビーム（１４）の
先端部で上下揺動及び水平旋回可能な中間部材（１７）
と、該中間部材（１７）に取り付けられトンネルの長さ
方向に移動可能な水平ビーム（２１）とから成るロボッ
トアーム機構（２２）と、前記水平ビーム（２１）の先端部に取り付けた、コンク
リート等を噴射する噴射ノズル（１０）を具備するヘッ
ド部（４）と、前記ヘッド部（４）の座標位置をとらえ、前記主ビーム
（１４）の上下揺動角（θ₁）と水平旋回角（δ₁）、
前記中間部材（１７）の上下揺動角（θ₂）と水平旋回
角（δ₂）及び水平ビーム（２１）がトンネル軸方向
（ｚ方向）への移動という各動作に必要な移動方向に対
して、各動作のストロークを油量パルスメータ（２４）
で検出し、かつ予め所定の計算式により演算することに
より、その動作方向指示に応じて各油圧アクチュエータ
（１６，１８，１５，２０）を適正速度で動作させる比
例制御弁（２５）と、を備えたことを特徴とするコンク
リート吹付機。