CN111032962A - 工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业的工程机械。信息处理装置基于多个操作装置的各操作信号运算作业装置的位于规定位置的作业点的目标速度，并基于多个被驱动部件的姿态信息和所述目标面的位置信息运算所述作业点与所述目标面间的距离，以使得所述作业点不侵入所述目标面的方式，根据所述距离对所述目标速度的与所述目标面垂直的速度成分进行修正，在运算所述目标速度之前，基于多个所述被驱动部件的姿态信息和所述目标面的位置信息，针对多个所述操作装置的各操作信号进行与针对所述作业点的平行于所述目标面的速度成分的贡献对应的加权。

Description

工程机械
技术领域
本发明涉及液压挖掘机等工程机械。
背景技术
已知在使用液压挖掘机等工程机械进行施工时使用地形的三维设计数据对操作者操作进行修正并使之动作而半自动进行挖掘成形作业的控制系统。
例如专利文献1中公开了一种建设机械的控制系统，其在操作者进行包含斗杆在内的操作时判断为欲进行成形作业，以抵消通过斗杆动作产生的铲斗前端速度的设计数据中的与目标面垂直的速度成分(以下记为垂直速度)的方式自动使动臂动作。
根据该控制系统，在对位于车身前方的水平的目标面进行挖掘的作业(水平牵引作业)中，操作者能够仅通过对斗杆的操作来挖掘成形目标面。另外，操作者通过调整由斗杆动作产生的铲斗前端速度的与目标面平行的速度成分(以下记为挖掘速度)，从而能够以在与精度相比重视作业量的粗挖掘时为高速、在需要高精度的平整时为低速的方式以希望的速度进行半自动挖掘成形作业。这是由于，由斗杆动作产生的挖掘速度大于垂直速度，由动臂动作产生的挖掘速度小于垂直速度，因而挖掘速度主要对应于斗杆动作速度变化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5548306号
发明内容
发明要解决的课题
但是，在使用专利文献1记载的控制系统的工程机械中，根据车身与目标面间的位置关系，存在很难以操作者希望的速度进行半自动挖掘成形作业并损害挖掘成形精度的可能性。
例如，在对位于车身前方的铅直的目标面进行挖掘的情况下，在与水平牵引作业同样地将斗杆向牵引方向操作时，铲斗无法脱离目标面进行挖掘。反之，在将斗杆向按压方向操作时，铲斗前端速度的方向变为向上，与挖掘的方向相反。另外，由斗杆动作产生的垂直速度大于水平牵引作业。因此，即使斗杆的操作量的变化很小，垂直速度也会产生很大变化。另一方面，由动臂下降动作产生的铲斗前端速度向下，与挖掘的方向一致，挖掘速度对应于动臂动作速度而变化。另外，由动臂下降动作产生的垂直速度小于水平牵引作业。因此，为了抵消由于斗杆的操作量的变化而产生的很大的垂直速度的变化，动臂的速度也变化很大。与之相伴挖掘速度的变化也很大，因而难以以操作者希望的速度进行半自动挖掘成形作业且挖掘成形精度受损。
本发明是鉴于上述课题提出的，其目的在于提供操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业的工程机械。
用于解决课题的方案
为了达成上述目的，本发明包括：车身；作业装置，其以能够转动的方式安装于所述车身，具有以能够转动的方式相互连结的多个被驱动部件；多个执行机构，其对多个所述被驱动部件进行驱动；多个操作装置，其用于对多个所述被驱动部件进行操作；姿态检测装置，其对所述车身及多个所述被驱动部件的姿态进行检测；设计数据输入装置，其用于输入设计面信息；以及信息处理装置，其对应于多个所述操作装置的各操作信号对多个所述执行机构的驱动进行控制，所述信息处理装置从所述设计面信息提取作为作业对象的目标面的位置信息，基于多个所述操作装置的各操作信号运算所述作业装置的位于规定位置的作业点的目标速度，基于多个所述被驱动部件的姿态信息和所述目标面的位置信息运算所述作业点与所述目标面间的距离，对应于所述距离对所述目标速度的与所述目标面垂直的速度成分进行修正，以使得所述作业点不侵入所述目标面，在所述工程机械中，所述信息处理装置在运算所述目标速度之前，基于多个所述被驱动部件的姿态信息和所述目标面的位置信息，针对多个所述操作装置的各操作信号进行与针对所述作业点的平行于所述目标面的速度成分的贡献对应的加权。
根据按照以上方式构成的本发明，在运算作业装置的位于规定位置的作业点的目标速度之前，以针对挖掘速度(与目标面平行的速度成分)的贡献大的执行机构的操作信号的权重增大且针对挖掘速度的贡献小的执行机构的操作信号的权重减小的方式，针对多个操作装置的各操作信号实施加权。由此，与目标面和作业点间的距离对应的修正主要针对对挖掘速度的贡献小的执行机构的操作信号进行，而针对对挖掘速度的贡献大的执行机构的操作信号的修正被抑制，因此操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业。
发明效果
根据本发明的工程机械，操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业。
附图说明
图1是作为本发明第1实施例的工程机械的一例的液压挖掘机的立体图。
图2是搭载于图1所示的液压挖掘机的控制系统的构成图。
图3是图2所示的信息处理装置的功能框图。
图4是图3所示的目标速度运算部的功能框图。
图5是示出图4所示的操作信号修正部使用的修正系数确定表的一例的图。
图6是本发明第2实施例中的目标速度运算部的功能框图。
图7是本发明第3实施例中的目标速度运算部的功能框图。
图8是用于说明表示目标面的目标面角度和目标面高度的图。
图9是示出图1所示的液压挖掘机对位于车身前方的水平的目标面进行挖掘的情形的图。
图10是示出图1所示的液压挖掘机对位于车身前方的铅直的目标面进行挖掘的情形的图。
图11是表示图1所示的液压挖掘机进行图9所示的挖掘动作时的各种信号的时间序列变化的概略图。
图12是表示图1所示的液压挖掘机进行图10所示的挖掘动作时的各种信号的时间序列变化的概略图。
具体实施方式
以下参照附图，作为本发明实施方式的工程机械以液压挖掘机为例进行说明。需要说明的是，在各图中，对等同的部件标注相同的附图标记并适当省略重复的说明。
实施例1
图1是本发明第1实施例的液压挖掘机的立体图。如图1所示，液压挖掘机600具备作业装置15和作为车身的下部行驶体9及上部旋转体10。下部行驶体9具有左右的履带式行驶装置，由左右的行驶液压马达3b(仅图示左侧)驱动。上部旋转体10以能够旋转的方式搭载在下部行驶体9上，由旋转液压马达4旋转驱动。上部旋转体10具备作为原动机的发动机14、由发动机14驱动的液压泵装置2和后述的控制阀20。
作业装置15以能够在上下方向上转动的方式安装于上部旋转体10的前部。上部旋转体10具备驾驶室，在驾驶室内配置有行驶用右操作杆装置1a、行驶用左操作杆装置1b、以及作为用于指示作业装置15的动作及上部旋转体10的旋转动作的操作装置的右操作杆装置1c、左操作杆装置1d等操作装置。
右操作杆装置1c对应于例如前后方向的杆操作输出指示动臂11的动作的信号(动臂操作信号)，对应于例如左右方向的杆操作输出指示铲斗8的动作的信号(铲斗操作信号)。即，本实施例中的右操作杆装置1c构成用于操作动臂11的动臂操作装置和用于操作铲斗8的铲斗操作装置。
左操作杆装置1d对应于例如前后方向的杆操作输出指示上部旋转体10的动作的信号(旋转操作信号)，对应于例如左右方向的杆操作输出指示斗杆12的动作的信号(斗杆操作信号)。即，本实施例中的左操作杆装置1d构成用于操作上部旋转体10的旋转操作装置和用于操作斗杆12的斗杆操作装置。
作业装置15是具有作为以能够转动的方式相互连结的被驱动部件的动臂11、斗杆12、铲斗8的多关节构造。动臂11以能够在上下方向上转动的方式连结于上部旋转体10的前侧，斗杆12以在上下或前后方向上转动的方式连结于动臂11的前端部，铲斗8以能够在上下或前后方向上转动的方式连结于斗杆的前端部。动臂11通过动臂缸5的伸缩而相对于上部旋转体10在上下方向上转动，斗杆12通过斗杆缸6的伸缩而相对于动臂11在上下或前后方向上转动，铲斗8通过铲斗缸7的伸缩而相对于斗杆12在上下或前后方向上转动。
为了计算作业装置15的任意点的位置，液压挖掘机600具备：第1姿态传感器13a，其设置在上部旋转体10与动臂11连结的连结部附近，对动臂11相对于水平面的角度(动臂角度)进行检测；第2姿态传感器13b，其设置在动臂11与斗杆12连结的连结部附近，对斗杆12相对于水平面的角度(斗杆角度)进行检测；第3姿态传感器13c，其设置在连结斗杆12与铲斗8的铲斗连杆8a，对铲斗连杆8a相对于水平面的角度(铲斗角度)进行检测；以及车身姿态传感器13d，其对上部旋转体10相对于水平面的倾斜角度(侧倾角、俯仰角)进行检测。需要说明的是，第1姿态传感器13a至第3姿态传感器13c也可以是对相对角度进行检测的传感器。
这些姿态传感器13a～13d检测到的角度作为姿态信号被输入后述的信息处理装置100。姿态传感器13a～13d构成对液压挖掘机600的车身及作业装置15的姿态进行检测的姿态检测装置。
控制阀20对从液压泵装置2分别向上述旋转液压马达4、动臂缸5、斗杆缸6、铲斗缸7及左右的行驶液压马达3b等执行机构供给的液压油的流动(流量和方向)进行控制。
图2是搭载于液压挖掘机600的控制系统的构成图。如图2所示，控制系统500包含：信息处理装置100，其生成使作业装置15的位于规定位置的作业点(例如铲斗前端)沿着目标面移动时的修正速度信号；以及控制阀驱动装置200，其对应于前述修正速度信号生成控制阀20的驱动信号。信息处理装置100使用包含例如未图示的CPU(Central ProcessingUnit：中央处理器单元)、保存由CPU执行的用于进行处理的各种程序的ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)、HDD(Hard Disc Drive：硬盘驱动器)等存储装置及作为CPU执行程序时的作业区域的RAM(Random Access Memory)的硬件而构成。
信息处理装置100接收来自右操作杆装置1c的动臂操作信号及铲斗操作信号和来自左操作杆装置1d的旋转操作信号及斗杆操作信号，从第1姿态传感器13a、第2姿态传感器13b、第3姿态传感器13c及车身姿态传感器13d分别接收第1姿态信息、第2姿态信息、第3姿态信息及车身姿态信息，从设计数据输入装置18接收设计面信息，运算修正速度信号并向控制阀驱动装置200发送。控制阀驱动装置200对应于前述修正速度信号生成控制阀驱动信号以对控制阀20进行驱动。
图3是图2所示的信息处理装置100的功能框图。如图3所示，信息处理装置100包含目标面设定部110、目标速度运算部120及目标速度修正部130。以下针对使用公知技术的目标面设定部110和目标速度修正部130说明概要，针对目标速度运算部120说明详细内容。
目标面设定部110对应于来自姿态传感器13a～13d的姿态信息，从自设计数据输入装置18输入的设计面信息提取作为作业对象的目标面的位置信息，向目标速度运算部120及目标速度修正部130输出。需要说明的是，在提取作为作业对象的目标面的位置信息时，可以将位于作业装置15前端的铅直下方的设计面设为目标面，在铅直下方不存在设计面的情况下，也可以将相对于作业装置15前端位于前方或后方的设计面设为目标面。
在此，目标面由角度和高度表示。在图8中示出目标面与车身的位置关系。目标面角度为目标面与车身的向前方向所成的角度，目标面高度为从动臂11的转动中心到目标面的垂直距离。
图4是本实施例中的目标速度运算部120的功能框图。如图4所示，目标速度运算部120包含操作信号修正部121和作业点速度运算部122，对应于操作信号、姿态信息及目标面的位置信息(角度和高度)运算目标速度信号并输出。操作信号修正部121基于规定的数据表(以下记为修正系数确定表)确定与目标面的角度及高度对应的修正系数k(0≤k≤1)，将修正系数k与斗杆12的操作信号相乘、将(1-k)与动臂11的操作信号相乘，作为修正操作信号输出。
图5是示出修正系数确定表的一例的图。如图5所示，随着目标面角度的绝对值及目标面高度的绝对值减小，修正系数k接近1，斗杆操作信号针对目标速度的贡献增大且动臂操作信号针对目标速度的贡献变小。另一方面，随着目标面角度的绝对值及目标面高度的绝对值增大，修正系数k接近0，动臂操作信号针对目标速度的贡献增大且斗杆操作信号针对目标速度的贡献变小。需要说明的是，图5中的斜线部由于是作业装置15无法抵达而无法成为作业对象的范围，因此不作为修正的对象。
返回图4，作业点速度运算部122对应于修正操作信号和姿态信息运算在作业装置15的作业点(例如铲斗前端)产生的速度，作为目标速度信号输出。
返回图3，若前述目标速度为接近目标面的方向，则目标速度修正部130对应于与使用姿态信息和目标面的位置信息运算的目标面间的距离进行修正，以使得从目标速度运算部120获得的目标速度信号中的与目标面垂直的成分的大小减小。若前述距离大，则所容许的所述垂直的成分的大小大，若前述距离小则小。由此能够防止作业装置15的作业点侵入目标面。
使用图9～图12说明本实施例的液压挖掘机600的动作。
图9是示出液压挖掘机600对位于车身前方的水平的目标面进行挖掘的情形的图，图10是示出液压挖掘机600对位于车身前方的铅直的目标面进行挖掘的情形的图。
图11及图12是表示液压挖掘机600进行图9及图10所示的挖掘动作时的各种信号的时间序列变化的概略图。图11及图12各自的(a)是表示斗杆12的操作信号及修正后的操作信号的图(修正前为虚线，修正后为实线)，(b)是表示动臂11的操作信号及修正后的操作信号的图(修正前为虚线，修正后为实线)，(c)是表示从目标速度修正部输出的修正速度信号中的与目标面平行的速度成分的图，(d)是表示从目标速度修正部输出的修正速度信号中的与目标面垂直的速度成分的图，(e)是表示作业点与目标面的距离的图。横轴均表示时刻。
说明图11。图11的A区间表示斗杆12的操作信号增加并直到恒定的情形。在A区间中，与(a)斗杆操作信号的增加相伴而(c)平行速度增加，且在操作信号达到恒定时，平行速度也大致恒定。另外，(b)动臂操作信号即使操作者进行的输入(虚线)为零，也为了抵消通过斗杆动作产生的垂直速度而产生修正操作信号(实线)。
图11的B区间表示作业点与目标面的距离由于某种原因而增大的情况下的情形。在B区间中，与(e)距离的增大相伴而(b)动臂11的修正操作信号减小。另外，存在根据目标速度修正部130的参数设定而(a)斗杆12的修正操作信号多少产生变化的可能。按照这种方式，在图9所示的挖掘动作中，以与斗杆12的操作信号对应的平行速度进行挖掘动作，与目标面和作业点间的距离对应的修正主要针对动臂11的操作信号进行。
说明图12。图12的A区间表示动臂11的操作信号减小并直到恒定的情形。在A区间中，与(a)动臂操作信号的减小相伴而(c)平行速度减小，并在操作信号达到恒定时，平行速度也大致恒定。另外，(b)斗杆操作即使操作者进行的输入(虚线)为零，也为了抵消通过动臂动作产生的垂直速度而产生修正操作信号(实线)。
图12的B区间表示作业点与目标面的距离因某种原因而增大的情况的情形。在B区间中，与(e)距离的增大相伴而(b)斗杆12的修正操作信号减小。另外，存在根据目标速度修正部130的参数设定而(a)斗杆12的修正操作信号多少产生变化的可能性。按照这种方式，在图1O所示的挖掘动作中，以与动臂11的操作信号对应的平行速度进行挖掘动作，与目标面和作业点间的距离对应的修正主要针对斗杆12的操作信号进行。
根据按照上述方式构成的本实施例的液压挖掘机600，在运算作业装置15的位于规定位置的作业点(例如铲斗前端)的目标速度之前，以针对挖掘速度(与目标面平行的速度成分)的贡献大的执行机构的操作信号的权重增大且针对挖掘速度的贡献小的执行机构的操作信号的权重减小的方式，针对操作装置1c、1d的各操作信号实施加权。由此，与目标面与作业点间的距离对应的修正主要针对对挖掘速度的贡献小的执行机构的操作信号进行，而针对对挖掘速度的贡献大的执行机构的操作信号的修正被抑制，因此操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业。
实施例2
关于本发明第2实施例围绕与第1实施例的区别进行说明。
图6是本实施例中的目标速度运算部120的功能框图。在图6中，目标速度运算部120在第1实施例(图4所示的)的构成的基础上包含速度系数运算部123。
速度系数运算部123基于作业装置15的姿态信息和目标面的位置信息(角度和高度)，运算速度系数的与目标面平行的成分(以下记为平行速度系数)并向操作信号修正部121输出，其中，该运算速度系数为单独操作各执行机构的情况下的作业点的速度与操作信号的值的比。
操作信号修正部121对应于平行速度系数对操作装置1c、1d的各操作信号进行修正，并向作业点速度运算部122输出。在此，将斗杆12的平行速度系数设为ax，将动臂11的平行速度系数设为bx，将斗杆12的操作信号设为as，将动臂11的操作信号设为bs，对修正后的操作信号附加′(上撇号)，则操作信号修正部121的运算内容以下式表示。
[式1]
as′＝as×ax/(ax+bx)
[式2]
bs′＝bs×bx/(ax+bx)
通过按照上述方式对操作信号进行修正，从而对于针对作业点的沿着目标面的速度(平行速度)的贡献大的执行机构运算实施了大的加权的修正操作信号。需要说明的是，操作信号修正部121中的运算内容并不限于前述式(1)及式(2)。
根据按照上述方式构成的本实施例的液压挖掘机600，在运算作业装置15的位于规定位置的作业点(例如铲斗前端)的目标速度之前，针对操作装置1c、1d的各操作信号实施与平行速度系数对应的加权。由此，与目标面和作业点间的距离对应的修正主要针对对挖掘速度的贡献小的执行机构的操作信号进行，而针对对挖掘速度的贡献大的执行机构的操作信号的修正被抑制，因此操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业。
实施例3
关于本发明第3实施例围绕与第2实施例的区别进行说明。
图7是本实施例中的目标速度运算部120的功能框图。在图7中，目标速度运算部120取代第2实施例中的操作信号修正部121(图6所示的)而包含操作信号选择部124。
操作信号选择部124将各执行机构的平行速度系数进行对比，以平行速度系数最大的执行机构的操作信号的权重为1、其他执行机构的操作信号的权重为0的方式针对各操作信号进行加权。其结果，在图9所示的挖掘动作中，仅基于斗杆操作信号运算作业点的目标速度，在图10所示的挖掘动作中，仅基于动臂操作信号运算作业点的目标速度。
根据按照上述方式构成的本实施例的液压挖掘机600，在运算作业装置15的位于规定位置的作业点(例如铲斗前端)的目标速度之前，以平行速度系数大的执行机构的操作信号的权重为1而其他执行机构的操作信号的权重为0的方式针对操作装置1c、1d的各操作信号实施加权。由此，与目标面和作业点间的距离对应的修正主要针对对挖掘速度的贡献小的执行机构的操作信号进行，而针对对挖掘速度的贡献大的执行机构的操作信号的修正被抑制，因此操作者能够容易地以希望的挖掘速度进行半自动挖掘成形作业。
以上对本发明的实施例对进行了详细说明，但本发明不限定于上述实施例，包含多种变形例。例如，上述实施例是为了清楚易懂地说明本发明而进行了详细说明，并非限定于所说明的全部构成。另外，也可以在某实施例的构成中加入其他实施例的构成的一部分，或者将某实施例的构成的一部分删除或与其他实施例的一部分置换。
附图标记说明
1a...行驶用右操作杆装置、1b...行驶用左操作杆装置、1c...右操作杆装置(操作装置)、1d...左操作杆装置(操作装置)、2...液压泵装置、3b...行驶液压马达、4...旋转液压马达、5...动臂缸(执行机构)、6...斗杆缸(执行机构)、7...铲斗缸(执行机构)、8...铲斗(被驱动部件)、9...下部行驶体(车身)、10...上部旋转体(车身)、11...动臂(被驱动部件)、12...斗杆(被驱动部件)、13a...第1姿态传感器(姿态检测装置)、13b...第2姿态传感器(姿态检测装置)、13c...第3姿态传感器(姿态检测装置)、13d...车身姿态传感器(姿态检测装置)、14...发动机、15...作业装置、20...控制阀、100...信息处理装置、110...目标面设定部、120...目标速度运算部、121...操作信号修正部、122...作业点速度运算部、123...速度系数运算部、124...操作信号选择部、130...目标速度修正部、200...控制阀驱动装置、500...控制系统、600...液压挖掘机(工程机械)。

Claims (4)

1.一种工程机械，其包括：
车身；
作业装置，其以能够转动的方式安装于所述车身，具有以能够转动的方式相互连结的多个被驱动部件；
多个执行机构，其对多个所述被驱动部件进行驱动；
多个操作装置，其用于对多个所述被驱动部件进行操作；
姿态检测装置，其对所述车身及多个所述被驱动部件的姿态进行检测；
设计数据输入装置，其用于输入设计面信息；以及
信息处理装置，其根据多个所述操作装置的各操作信号对多个所述执行机构的驱动进行控制，
所述信息处理装置，
从所述设计面信息提取作为作业对象的目标面的位置信息，
基于多个所述操作装置的各操作信号运算所述作业装置的位于规定位置的作业点的目标速度，
基于多个所述被驱动部件的姿态信息和所述目标面的位置信息运算所述作业点与所述目标面间的距离，根据所述距离对所述目标速度的与所述目标面垂直的速度成分进行修正，以使得所述作业点不侵入所述目标面，
所述工程机械的特征在于，
所述信息处理装置在运算所述目标速度之前，基于多个所述被驱动部件的姿态信息和所述目标面的位置信息，针对多个所述操作装置的各操作信号进行与针对所述作业点的平行于所述目标面的速度成分的贡献对应的加权。
2.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
所述信息处理装置，
基于所述作业装置的姿态信息和所述目标面的位置信息运算速度系数的平行于所述目标面的成分即平行速度系数，其中，该速度系数为单独操作多个所述执行机构的情况下的所述作业点的速度与操作信号的值的比，
在运算所述目标速度之前，针对多个所述操作装置的各操作信号进行与平行速度系数对应的加权。
3.根据权利要求2所述的工程机械，其特征在于，
所述信息处理装置以多个所述操作装置的各操作信号中平行速度系数最大的执行机构的操作信号的权重为1而其他执行机构的操作信号的权重为0的方式，针对多个所述操作装置的各操作信号进行加权。
4.根据权利要求1所述的工程机械，其特征在于，
多个所述被驱动部件包含：动臂，其以能够在上下方向上转动的方式安装于所述车身的前侧；斗杆，其以能够在上下或前后方向上转动的方式连结于所述动臂的前端部；以及铲斗，其以能够在上下或前后方向上转动的方式连结于所述斗杆的前端部，
多个所述执行机构包含：动臂缸，其对所述动臂进行驱动；斗杆缸，其对所述斗杆进行驱动；以及铲斗缸，其对所述铲斗进行驱动，
多个所述操作装置包含：动臂操作装置，其用于操作所述动臂；斗杆操作装置，其用于操作所述斗杆；以及铲斗操作装置，其用于操作所述铲斗，
所述作业点位于所述铲斗的前端，
所述目标面的位置信息包含目标面高度和目标面角度，其中，该目标面高度为从所述动臂的转动中心到所述目标面的垂直距离，该目标面角度为所述目标面与所述车身的向前方向所成的角度，
所述信息处理装置以随着所述目标面角度的绝对值及所述目标面高度增大而所述动臂操作装置的操作信号的权重增大且所述斗杆操作装置的操作信号的权重减小的方式，针对多个所述操作装置的各操作信号进行加权。
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