JP2007197133A

JP2007197133A - 建設機械の荷重計測装置

Info

Publication number: JP2007197133A
Application number: JP2006016491A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Sugawara; 一宏菅原; Yutaka Watanabe; 豊渡辺
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】ブームシリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる静止摩擦力の偏りを低減し、荷重を精度よく計測することができる建設機械の荷重計測装置の提供。
【解決手段】ブームシリンダ５を駆動する圧油の流れを制御する方向制御弁２２と、この方向制御弁を操作するパイロット圧の油圧源であるパイロットポンプとの間に介在する比例電磁弁３４，３５が設けられている。そして、コントローラ４０は、計測指令スイッチ４１の手動操作により荷６０の重量の計測を指令されると、保持力を算出するための演算を行う前に、ブームシリンダ５のボトム側油室５ｃ及びロッド側油室５ｄに交互にブームシリンダ５が伸縮しない程度の圧油が供給されてブームシリンダ５が微小振動するように、比例電磁弁３４，３５の制御を行うように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブームを含む作業装置を備える油圧ショベル等の建設機械に設けられ、ブームシリンダに作用する保持力と作業装置の姿勢とを検出・演算し、作業装置の先端部に作用する荷の重量を算出する建設機械の荷重計測装置に関する。

従来の建設機械の荷重計測装置としては特許文献１に示されるものがある。この従来技術は、バックホウショベルに設けられていて、ブームシリンダに作用する保持力と作業装置の姿勢とを検出・演算し、算出された保持力と姿勢とに基づいて、作業装置の先端部に保持、または吊り下げられた荷の重量を算出するようになっている。

ブームシリンダに作用している力は、ブームシリンダのボトム側油室内の圧力と、この圧力を受けるピストンロッドの受圧面積とに基づいて算出される。
特開平５−３２１３０５号公報

ところで、作業装置が停止した状態のブームシリンダでは、シリンダチューブとピストンロッドとの間に静止摩擦力が発生している。この静止摩擦力は、作業装置が同じ重量の荷を保持して同じ姿勢をとったとしても、動いていた際のブームシリンダの速度によって異なるものとなる。つまり、ゆっくり動いていたブームシリンダがゆっくり停止すると静止摩擦力は小さいが、速く動いていたブームシリンダが急に停止すると静止摩擦力が大きくなる、というように偏りを生じる。このように静止摩擦力が偏ると、ブームシリンダ内の圧力は、作業装置が同じ重量の荷を保持して同じ姿勢をとったとしても、異なる値となり、その結果、荷の重量を計測するときの作業装置の姿勢を同じにしても、計測精度が安定しなくなるという問題があった。

本発明は、前述の従来技術の実状を考慮してなされたものであり、その目的は、ブームシリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる静止摩擦力の偏りを低減し、荷重を精度よく計測することができる建設機械の荷重計測装置を提供することにある。

〔１〕本発明は、前述の目的を達成するために、ブームを含む作業装置を備える建設機械に設けられ、ブームシリンダに作用する保持力と作業装置の姿勢とを検出・演算し、算出された力と姿勢とに基づいて前記作業装置の先端部に作用する荷の重量を算出する建設機械の荷重計測装置において、手動操作に応じて、前記荷の重量の計測を行うことを指令する計測指令信号を出力する計測指令手段と、前記計測指令手段からの前記計測指令信号に連動し、前記ブームに作用する保持力を算出するための演算が行われる前に、前記ブームシリンダのボトム側油室及びロッド側油室に対して交互に、前記ブームシリンダを伸縮させない程度の油圧を供給し、前記ブームシリンダを微小振動させるブームシリンダ微小振動手段とを備えることを特徴とする。

このように構成される本発明では、計測指令手段が手動操作に応じて、荷の重量の計測を行うことを指令する計測指令信号を出力すると、ブームシリンダに作用する保持力を算出するための演算が行われる前に、ブームシリンダ微小振動手段が、ブームシリンダのボトム側油室及びロッド側油室に対して交互に、ブームシリンダを伸縮させない油圧を供給し、ブームシリンダを微小振動させる。これにより、ブームシリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる静止摩擦力の偏りを低減し、荷重を精度よく計測することができる。

〔２〕本発明は、「〔１〕」記載の発明において、前記ブームシリンダを伸縮させない程度に供給させる油圧が、前記作業装置の姿勢の変化に連動して変化するように設定されることを特徴とする。

〔３〕本発明は、「〔１〕または〔２〕」に記載の発明において、前記ブームシリンダ微小振動手段が、メインポンプからブームシリンダに供給される圧油の流れを制御する方向制御弁とこの方向制御弁を操作するパイロット圧の油圧源であるパイロットポンプとの間に介在する電磁弁と、前記計測指令手段による指令に応じて、前記電磁弁を制御する電磁弁制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明では、前述したように、ブームシリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる静止摩擦力の偏りを低減し、荷の重量を精度よく計測することができる。

本発明の建設機械の荷重計測装置の最良の実施形態について図を用いて説明する。

図１は本発明の建設機械の荷重計測装置の最良の実施形態の概略図、図２は図１に示すコントローラの機能を示すブロック図、図３は図１に示す実施形態が適用されるバックホウショベルの作業装置の側面図である。

本実施形態は、ブームを含む作業装置を備える建設機械、例えば図３に示す作業装置１を備えるバックホウショベルに適用されている。作業装置１は、一端を旋回体５０に回動可能に結合されるブーム２と、このブーム２の他端に一端を回動可能に結合されるアーム３と、このアーム３の他端に回動可能に結合されるバケット４とを備えている。

ブーム２を駆動するブームシリンダ５において、シリンダチューブ５ａは旋回体５０に回動可能に結合されていて、ピストンロッド５ｂはブーム２に回動可能に結合されている。

バケット４とバケットシリンダ６は、リンク部材７を介して結合されている。このリンク部材７とバケット４とを結合するピン結合部１３は、荷６０を吊下げるためのフック装置８を作業装置１に回動可能に結合するピン結合部も兼ねている。

また図１に示すように、ブームシリンダ５を制御する油圧回路２０は、メインポンプ２１からブームシリンダ５に供給される圧油の流れを制御する方向制御弁２２と、この方向制御弁２２を操作するパイロット圧をパイロットポンプ２３を油圧源として生成するパイロット弁２４とを備えている。

本実施形態は、同図１に示すように、ブームシリンダ５のボトム側油室５ｃの圧力（以下「ボトム圧」という）を検出して、その検出された圧力に相応するボトム圧信号ＰｂＳ（電気信号）を出力するボトム圧センサ３０と、ブームシリンダ５のロッド側油室５ｄの圧力（以下「ロッド圧」という）を検出して、検出された圧力に相応するロッド圧信号ＰｌＳ（電気信号）を出力するロッド圧センサ３１とを備えている。

本実施形態は、旋回体５０とブーム２とを回動可能に結合するピン結合部１０に設けられ、旋回体５０に対するブーム２の回動角度α（以下「ブーム角度α」という）、すなわちブーム２の回動中心Ｓ１とアーム３の回動中心Ｓ２とに直交する直線Ｓ１Ｓ２と、回動中心Ｓ１に直交する水平線ＨＬとがなす角度を検出し、検出された角度に相応するブーム角度信号ＡｂＳ（電気信号）を出力するブーム角度センサ３２を備えている。また、ブーム２とアーム３とを回動可能に結合するピン結合部１１に設けられ、ブーム２に対するアーム３の回動角度β（以下「アーム角度β」という）、すなわちアーム３の回動中心Ｓ２とバケット４の回動中心Ｓ３とに直交する直線Ｓ２Ｓ３、直線Ｓ１Ｓ２とがなす角度を検出し、検出された角度に相応するアーム角度信号ＡａＳ（電気信号）を出力するアーム角度センサ３３を備えている。

本実施形態は、コントローラ４０を備えている。このコントローラ４０は、押ボタン４１ａの手動操作に応じて、荷重の計測を行うことを指令する計測指令信号ＭＩＳを出力する計測指令手段、すなわち計測指令スイッチ４１と、計測値を表示する表示パネル４７ａを含む表示装置４７とを備えている。このコントローラ４０は、図示しないがバックホウショベルのキャブ内に設けられている。

図２に示すように、コントローラ４０は、計測指令スイッチ４１からの計測指令信号ＭＩＳに応じて荷重Ｗの演算を行うコンピュータ４２（図２に示す）を備えている。このコンピュータ４２は、ブームシリンダ５に作用する保持力Ｆを算出する保持力演算手段４２ｂ、作業装置１の姿勢を算出する姿勢演算手段４２ａ、算出された力と姿勢に基づいて作業装置１の先端部にかかっている荷重Ｗを算出する荷重演算手段４２ｃ、及び、表示装置４７を制御する荷重表示制御手段４２ｄとして機能するようにプログラムされている。

なお、本実施形態は、作業装置１の先端部に設けられたフック装置８に吊り下げられる荷６０の重量Ｗを計測する装置であるが、ここでは説明を簡単にするために、荷６０がアーム３とバケット４とを回動可能に結合するピン結合部１２に直接吊り下げられているものとして説明してある。また、バックホウショベルは水平な状態で停止しているものとする。

姿勢演算手段４２ａは、ブーム２の回動中心Ｓ１とアーム３の回動中心Ｓ２との距離Ｌ１、アーム３の回動中心Ｓ２とバケット４の回動中心Ｓ３との距離Ｌ２、回動中心Ｓ１とブーム２の重心Ｇ１との距離Ｌ３、回動中心Ｓ１に直交し重心Ｇ１を通過する直線Ｓ１Ｇ１と直線Ｓ１Ｓ２とがなす角度γ、回動中心Ｓ２とアーム３の重心Ｇ２との距離Ｌ４、回動中心Ｓ２に直交し重心Ｇ２を通過する直線Ｓ２Ｇ２と直線Ｓ２Ｓ３とがなす角度θ、回動中心Ｓ１とブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａの回動中心Ｓ４との距離Ｌ５、及び、回動中心Ｓ１とブームシリンダ５のピストンロッド５ｂの回動中心Ｓ５との距離Ｌ６を予め記憶している。そして、これら距離Ｌ１〜Ｌ６及び角度γ，θと、ブーム角度信号ＡｂＳから得られるブーム角度α及びアーム角度信号ＡａＳから得られるアーム角度βとに基づいて、作業装置１の姿勢を算出するようになっている。

作業装置１の姿勢を示す情報には、距離ｌ、水平距離ｘ１，ｘ２，ｘ３が含まれている。距離ｌは回動中心Ｓ４，Ｓ５に直交する直線Ｓ４Ｓ５と回動中心Ｓ１との距離であり、距離Ｌ５，Ｌ６及びブーム角度αに基づいて算出される。また、水平距離ｘ１は重心Ｇ１と回動中心Ｓ１との水平距離であり、ブーム角度α、角度γ及び距離Ｌ３に基づいて算出される。また、水平距離ｘ２は重心Ｇ２と回動中心Ｓ１との水平距離であり、ブーム角度α、アーム角度β、距離Ｌ１、距離Ｌ４及び角度θに基づいて算出される。また、水平距離ｘ３は回動中心Ｓ３と回動中心Ｓ１との水平距離であり、距離Ｌ１，Ｌ２、ブーム角度α及びアーム角度βに基づいて算出される。

保持力演算手段４２ｂは、ボトム圧に対するピストンロッド５ｂの受圧面積ＡＰｂ、及び、ロッド圧に対するピストンロッド５ｂの受圧面積ＡＰｌを予め記憶している。そして、これらの受圧面積ＡＰｂ，ＡＰｌと、ボトム圧信号ＰｂＳから得られるボトム圧Ｐｂ、及びロッド圧信号ＰｌＳから得られるロッド圧Ｐｌとに基づいて保持力Ｆを算出するようになっている。保持力Ｆは「Ｆ＝Ｐｂ×Ａｂ−Ｐｌ×Ａｌ」を演算することにより求められる。

荷重演算手段４２ｃは、ブーム２の重量Ｗ１及びアーム３の重量Ｗ２を予め記憶している。そして、これら重量Ｗ１，Ｗ２と、保持力演算手段４２ｂにより算出された保持力Ｆと、姿勢演算手段４２ａにより算出された作業装置１の姿勢、すなわち距離ｌと水平距離ｘ１，ｘ２，ｘ３とに基づいて、アーム３とバケット４とのピン結合部１２にかかっている荷６０の重量Ｗを算出するようになっている。つまり、「Ｗ＝１／ｘ３×｛Ｆ×ｌ−（Ｗ２×ｘ２）−（Ｗ１×ｘ１）｝」を演算して荷６０の重量Ｗが求められる。

荷重表示制御手段４２ｄは、荷重演算手段４２ｃにより算出された荷６０の重量Ｗに対応する制御値を算出し、この制御値に対応する表示制御信号を表示装置４７に出力するようになっている。表示装置４７は、表示制御信号に対応する数値を表示パネル４７ａに表示するようになっている。

図１に戻り、本実施形態は、方向制御弁２２とパイロットポンプ２３との間に介在し、初期位置が閉位置の比例電磁弁３４，３５を備えている。さらに、図２に示すように、コンピュータ４２は、比例電磁弁３４，３５を制御する電磁弁制御手段４２ｅとして機能するようにプログラムされている。

電磁弁制御手段４２ｅは、作業装置１の姿勢に対応する比例電磁弁３４，３５のそれぞれの制御値を定めたマップ（図示しない）を予め記憶している。そして、姿勢演算手段４２ａにより算出された姿勢と前記マップとに基づいて比例電磁弁３４，３５のそれぞれの制御値を決定し、決定された制御値のそれぞれに対応する弁制御信号ＢＳ１，ＢＳ２のそれぞれを、予め設定された時間だけ、予め設定された時間差をつけて、比例電磁弁３４，３５のそれぞれに対して出力するようになっている。弁制御信号ＢＳ１，ＢＳ２を出力する順番は、例えば弁制御信号ＢＳ１，ＢＳ２の順となっている。

なお、前記マップにおける比例電磁弁３４，３５のそれぞれの制御値は、比例電磁弁３４，３５のそれぞれの作動により方向制御弁２２を介してメインポンプ２１からブームシリンダ５に供給される油圧が、ブームシリンダ５を伸縮させない供給量および供給時間となるように、経験的、実験的に定められたものである。

また、コンピュータ４２は、計測指令スイッチ４１からの計測指令信号ＭＩＳを入力した後、はじめに姿勢演算手段４２ａとして機能し、次に電磁弁制御手段４２ｅとして機能し、次に保持力演算手段４２ｂとして機能し、次に荷重演算手段４２ｃとして機能するようにプログラムされている。

つまり、本実施形態は、計測指令スイッチ４１からの計測指令信号ＭＩＳに連動し、保持力Ｆを算出するための演算が行われる前に、ブームシリンダ５のボトム側油室５ｃ及びロッド側油室５ｄに対して交互に、ブームシリンダ５を伸縮させない程度の油圧を供給し、ブームシリンダ５を微小振動させるブームシリンダ微小振動手段として、方向制御弁２２と、比例電磁弁３４，３５と、電磁弁制御手段４２ｅとを備えている。

このように構成された本実施形態は次のように動作する。

作業装置１の先端部に保持、または吊り下げられた荷６０の重量を計測する際、バックホウショベルのオペレータは、作業装置１を停止させた後、コントローラ４０の押ボタン４１ａを押圧操作し、計測指令スイッチ４１から計測指令信号ＭＩＳを出力させる。この計測指令信号ＭＩＳはコンピュータ４２に入力される。

計測指令信号ＭＩＳを入力したコンピュータ４２は、姿勢演算手段４２ａとして機能する。つまり、ブーム角度センサ３２から出力されたブーム角度信号ＡｂＳと、アーム角度センサ３３から出力されたアーム角度信号ＡａＳとを入力した後、ブーム角度信号ＡｂＳから得られたブーム角度α、及びアーム角度信号ＡａＳから得られたアーム角度βと、予め記憶された距離Ｌ１〜Ｌ６及び角度γ，θとに基づいて、作業装置１の姿勢、すなわち距離ｌ、水平距離ｘ１，ｘ２，ｘ３等を算出する。

作業装置１の姿勢を算出し終えたコンピュータ４２は、電磁弁制御手段４２ｅとして機能する。つまり、姿勢演算手段４２ａより算出された作業装置１の姿勢と、予め記憶されたマップとに基づいて、比例電磁弁３４，３５のそれぞれの制御値を決定し、決定された制御値のそれぞれに相応する弁制御信号ＢＳ１，ＢＳ２のそれぞれを、この順番で、予め設定された時間差をつけて、比例電磁弁３４，３５のそれぞれに対して、予め設定された時間出力する。

比例電磁弁３４が弁制御信号ＢＳ１を与えられて作動し、これに伴って方向制御弁２２が切換わると、メインポンプ２１とブームシリンダ５のボトム側油室５ｃが方向制御弁２２を介して連通し、ロッド側油室５ｄが方向制御弁２２を介して作動油タンク２５に連通する。これにより、ブームシリンダ５を伸長させない圧油がボトム側油室５ｃに供給される。比例電磁弁３５が弁制御信号ＢＳ２を与えられて作動し、これに伴って方向制御弁２２が切換わると、メインポンプ２１とブームシリンダ５のロッド側油室５ｄが方向制御弁２２を介して連通し、ボトム側油室５ｃが方向制御弁２２を介して作動油タンク２５と連通する。これにより、ブームシリンダ５を収縮させない圧油がロッド側油室５ｄに供給される。

このようにしてブームシリンダ５のボトム側油室５ｃ及びロッド側油室５ｄのそれぞれに交互に油圧が供給されるとブームシリンダ５が微小振動し、ブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａとピストンロッド５ｂとの間に生じる静止摩擦力の偏りが低減される。

弁制御信号ＢＳ１，ＢＳ２を出力し終えたコンピュータ４２は、保持力演算手段４２ｂとして機能する。つまり、ボトム圧センサ３０が出力したボトム圧信号ＰｂＳと、ロッド圧センサ３１が出力したロッド圧信号ＰｌＳとを入力した後、ボトム圧信号ＰｂＳから得られたボトム圧Ｐｂ、及びロッド圧信号ＰｌＳから得られたロッド圧Ｐｌと、予め記憶された受圧面積ＡＰｂ，ＡＰｌとに基づいて、保持力Ｆ（＝Ｐｂ×Ａｂ−Ｐｌ×Ａｌ）を算出する。

保持力Ｆを算出し終えたコンピュータ４２は、荷重演算手段４２ｃとして機能する。つまり、予め記憶されたブーム２の重量Ｗ１及びアーム３の重量Ｗ２と、保持力演算手段４２ｂにより算出された保持力Ｆと、姿勢演算手段４２ａにより算出された距離ｌ及び水平距離ｘ１，ｘ２，ｘ３とに基づいて、アーム３とバケット４とのピン結合部１２にかかっている荷６０の重量Ｗ（＝１／ｘ３×｛Ｆ×ｌ−（Ｗ２×ｘ２）−（Ｗ１×ｘ１）｝）を算出する。

荷６０の重量Ｗを算出し終えたコンピュータ４２は、荷重表示制御手段４２ｄとして機能する。つまり、荷重演算手段４２ｃにより算出された荷６０の重量Ｗに対応する表示装置４７の制御値を算出し、この制御値に対応する表示制御信号を表示装置４７に出力する。これにより、表示装置４７が、荷重演算手段４２ｃにより算出された荷６０の重量Ｗを示す数値を、計測値として表示パネル４７ａに表示する。

本実施形態によれば次の効果を得られる。

本実施形態では、押ボタン４１ａの手動操作に応じて計測指令スイッチ４１が計測指令信号ＭＩＳを出力すると、保持力Ｆを算出するための演算が保持力演算手段４２ｂによって行われる前に、ブームシリンダ微小振動手段、すなわち方向制御弁２２、比例電磁弁３４，３５及び電磁弁制御手段４２ｅによって、ブームシリンダ５のボトム側油室５ｃ及びロッド側油室５ｄに対して交互に、ブームシリンダ５を伸縮させない程度の油圧が供給されてブームシリンダ５が微小振動する。これにより、ブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａとピストンロッド５ｂとの間に生じる静止摩擦力の偏りを低減し、荷重を精度よく計測することができる。

なお、本実施形態では、前述したように、作業装置１の姿勢に対応する比例電磁弁３４，３５のそれぞれの制御値を定めたマップと、姿勢演算手段４２ａにより算出された姿勢とに基づいて、比例電磁弁３４，３５のそれぞれの制御値を決定する。つまり、比例電磁弁３４，３５のそれぞれの作動により方向制御弁２２を介してメインポンプ２１からブームシリンダ５に与えられる油圧が、作業装置１の姿勢の変化に連動して変化するように設定されている。本発明はこれに限るものではなく、比例電磁弁３４，３５のそれぞれの作動により方向制御弁２２を介してメインポンプ２１からブームシリンダ５に与えられる油圧が、作業装置１の姿勢に関係なく一定に設定されているものでもよい。

本発明の建設機械の荷重計測装置の最良の実施形態の概略図である。図１に示すコントローラの機能を示すブロック図である。図１に示す実施形態が適用されるバックホウショベルの作業装置の側面図である。

符号の説明

１作業装置
２ブーム
３アーム
４バケット
５ブームシリンダ
５ａシリンダチューブ
５ｂピストンロッド
５ｃボトム側油室
５ｄロッド側油室
６バケットシリンダ
７リンク部材
８フック装置
１０ピン結合部
１１ピン結合部
１２ピン結合部
１３ピン結合部
２０油圧回路
２１メインポンプ
２２方向制御弁
２３パイロットポンプ
２４パイロット弁
２５作動油タンク
３０ボトム圧センサ
３１ロッド圧センサ
３２ブーム角センサ
３３アーム角度センサ
３４比例電磁弁
３５比例電磁弁
４０コントローラ
４１計測指令スイッチ
４１ａ押ボタン
４２コンピュータ
４２ａ姿勢演算手段
４２ｂ保持力演算手段
４２ｃ荷重演算手段
４２ｄ荷重表示制御手段
４２ｅ電磁弁制御手段
４７表示装置
４７ａ表示パネル
５０旋回体
６０荷

Claims

ブームを含む作業装置を備える建設機械に設けられ、ブームシリンダに作用する保持力と作業装置の姿勢とを検出・演算し、算出された力と姿勢とに基づいて前記作業装置の先端部に作用する荷の重量を算出する建設機械の荷重計測装置において、
手動操作に応じて、前記荷の重量の計測を行うことを指令する計測指令信号を出力する計測指令手段と、
前記計測指令手段からの前記計測指令信号に連動し、前記ブームに作用する保持力を算出するための演算が行われる前に、前記ブームシリンダのボトム側油室及びロッド側油室に対して交互に、前記ブームシリンダを伸縮させない程度の油圧を供給し、前記ブームシリンダを微小振動させるブームシリンダ微小振動手段とを備えることを特徴とする建設機械の荷重計測装置。
請求項１記載の発明において、
前記ブームシリンダを伸縮させない程度に供給させる油圧が、前記作業装置の姿勢の変化に連動して変化するように設定されることを特徴とする建設機械の荷重計測装置。
請求項１または２記載の発明において、
前記ブームシリンダ微小振動手段が、
メインポンプからブームシリンダに供給される圧油の流れを制御する方向制御弁とこの方向制御弁を操作するパイロット圧の油圧源であるパイロットポンプとの間に介在する電磁弁と、
前記計測指令手段による指令に応じて、前記電磁弁を制御する電磁弁制御手段とを備えることを特徴とする建設機械の荷重計測装置。