JP2007247841A - 操作応答性能制御装置および作業機械 - Google Patents

Abstract

【課題】オペレータの切換操作を必要とすることなく操作内容に応じて電子制御式コントロール弁への出力電気信号を自動的に制御できる操作応答性能制御装置を提供する。
【解決手段】メインポンプ駆動用エンジンの回転速度を設定するためのエンジン回転速度設定器22をコントローラ15に接続する。コントローラ15は、作業機械の操作器16から入力する入力電気信号に対し流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御する操作応答性能制御装置である。コントローラ15は、操作器16およびエンジン回転速度設定器22からの電気信号により、スピードまたはパワーを要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを識別する操作内容識別手段24と、この操作内容識別手段24で識別した操作内容に応じて電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御する制御手段25とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、操作器から入力される入力電気信号に対し流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御する操作応答性能制御装置およびこの操作応答性能制御装置を搭載した作業機械に関する。

油圧ショベルなどの作業機械の操作では、スピードまたはパワーを要求される重掘削または積込などの通常作業操作と、仕上精度を要求される均平または法面整形などの精密作業操作(微操作)とに大別される。

従来の操作系では、これらの操作の違いに対応させて、機械の動きに変化を持たせていない。すなわち、操作レバーに対する応答性または反応では、制御系に変化を持たせていない。

一般的には、スピードなどが要求される通常作業操作と、仕上精度を要求される精密作業操作とを１つの制御系で両立させるのは困難であり、操作内容により油圧バルブを交換し、例えば、コントロール弁をパイロット操作する操作弁（リモコン弁）の特性を高ゲイン型または低ゲイン型に変更するなど、その都度対応している。

また、クローラクレーンなどにおいては、モード切換スイッチを巻上げ微操作モード接点側に切換え、電磁方向切換弁を絞り内蔵位置に切換え、操作レバーを巻上げ側に倒すと、パイロットポンプからの圧油が、リモコン弁を通り、電磁方向切換弁の通過抵抗で流量を制御され、操作レバーの操作量に対する油圧アクチュエータの流量を減量して吊り荷の微操作を容易になすことができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３９６７１号公報（第２−３頁、図１−２）

このような、モード切換スイッチにより操作モードを切換えるものでは、オペレータの手動切換が必要であるため、操作内容の変更に応じた適切なタイミングでのモード切換スイッチ操作を円滑にできない場合があり、作業効率などに影響する問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、オペレータの切換操作を必要とすることなく操作内容に応じて、流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁への出力電気信号を自動的に制御できる操作応答性能制御装置と、この操作応答性能制御装置を搭載した作業機械を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、作業機械の操作器から入力される入力電気信号に対し流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御する操作応答性能制御装置であって、スピードおよびパワーの少なくとも一方を要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを識別する操作内容識別手段と、この操作内容識別手段で識別された操作内容に応じて電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御する制御手段とを具備した作業機械における操作応答性能制御装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械における操作応答性能制御装置において、制御手段が、ゲインを可変調整するゲイン調整部を具備したものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の作業機械における操作応答性能制御装置において、制御手段が、応答遅れを可変調整する応答遅れ調整部を具備したものである。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の作業機械における操作応答性能制御装置において、操作内容識別手段に接続され、流体圧アクチュエータに作動流体を供給するポンプを駆動するエンジンの回転速度を設定するエンジン回転速度設定器を備え、操作内容識別手段は、エンジン回転速度設定器により設定されたエンジン設定回転速度と、操作器の入力加速度と、操作器の入力加速度の累積値との少なくとも１つによって、通常作業操作と精密作業操作とを識別するものである。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の作業機械における操作応答性能制御装置において、操作内容識別手段が、エンジン設定回転速度と、操作器の入力加速度と、操作器の入力加速度の累積値との全てによって、通常作業操作と精密作業操作とを識別し、操作器の入力加速度が上限設定値より大きい場合は、エンジン設定回転速度および操作器の入力加速度の累積値より優先的に識別するものである。

請求項６記載の発明は、機体と、この機体に搭載された作業装置と、機体および作業装置を操作する操作器と、この操作器からの電気信号に応じて機体および作業装置に設けられた流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁と、操作器から電子制御式コントロール弁への電気信号を制御する請求項１乃至５のいずれか記載の操作応答性能制御装置とを具備した作業機械である。

請求項１記載の発明によれば、操作内容識別手段により、スピードおよびパワーの少なくとも一方を要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを識別し、この操作内容識別手段で識別された操作内容に応じて、流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御手段が制御するので、オペレータの切換操作を必要とすることなく、操作内容に応じて、電子制御式コントロール弁への出力電気信号を自動的に制御して、スピードまたはパワーを要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを、それぞれ適切に行なうことができる。

請求項２記載の発明によれば、ゲイン調整部により可変調整されたゲインにより電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御するので、ゲインを下げることで、操作器の操作量に対する流体圧アクチュエータの作動量を小さくすることができる。

請求項３記載の発明によれば、応答遅れ調整部により可変調整された応答遅れにより電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御するので、応答遅れを大きくすることにより、操作器の操作に対する流体圧アクチュエータの反応速度を遅くすることができる。

請求項４記載の発明によれば、操作内容識別手段は、エンジン回転速度設定器により設定されたエンジン設定回転速度、操作器の入力加速度、操作器の入力加速度の累積値のいずれによっても、通常作業操作と精密作業操作とをそれぞれ識別できる。

請求項５記載の発明によれば、操作内容識別手段は、操作器の入力加速度を、エンジン設定回転速度および操作器の入力加速度の累積値より優先的に識別するので、操作器の入力加速度が大きな場合、すなわち操作器の瞬間的な動作を優先的に識別して、制御手段を制御することで、緊急事態にも迅速に対処できる。

請求項６記載の発明によれば、オペレータの切換操作を必要とすることなく、操作器の操作内容に応じて、機体および作業装置に設けられた流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁への電気信号を自動的に制御して、スピードおよびパワーの少なくとも一方を要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを、それぞれ適切に行なうことができる作業機械を提供できる。

以下、本発明を図１乃至図４に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図４は、作業機械としての油圧ショベル１を示し、下部走行体2aに上部旋回体2bが旋回可能に設けられた機体２の上部旋回体2bに、動力装置４、キャブ５および作業装置６などが搭載されている。

図２に示されるように、上部旋回体2b上には、電気信号に応じたストローク動作をする電子制御式コントロール弁11が搭載されている。この電子制御式コントロール弁11は、入力電流値などの電気信号に応じたパイロット圧力を出力する電磁比例減圧弁12と、この電磁比例減圧弁12からのパイロット圧力により変位方向および変位量制御されるパイロット操作式のスプール13とを備えている。

電磁比例減圧弁12の１次ポートには、パイロットポンプ14が連通され、パイロット１次圧が供給され、また、２次ポートは、スプール13の端面パイロット室に連通され、パイロット２次圧を供給する。

電磁比例減圧弁12のソレノイド12sには、コントローラ15の信号出力部が接続され、コントローラ15の信号入力部には、キャブ５内に設けられた電気ジョイスティックレバーなどの操作器16が接続され、コントローラ15からの電気信号に応じたパイロット圧力をスプール13に出力する。コントローラ15は、中央処理装置および記憶装置などを備え、データを記憶し演算する機能を有する。

電子制御式コントロール弁11のスプール13は、ポンプとしてのメインポンプ17から下部走行体2aの走行モータ、上部旋回体2bの旋回モータ、作業装置６の油圧シリンダなどの流体圧アクチュエータ18に供給されタンク19に戻される作動油などの作動流体を方向制御および流量制御する。

メインポンプ17などを駆動するエンジン21の回転速度すなわちエンジン回転数を設定するためのアクセルダイアルなどのエンジン回転速度設定器22がコントローラ15に接続されている。

このコントローラ15は、作業機械の操作器16から入力される入力電気信号に対し流体圧アクチュエータ18を制御する電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御する操作応答性能制御装置である。

図１に示されるように、コントローラ15は、操作器16からの入力電気信号を制御信号に変換する制御マップ23と、スピードまたはパワーを要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを識別する操作内容識別手段24と、この操作内容識別手段24で識別された操作内容に応じて電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御する制御手段25とを備えている。

操作内容識別手段24には、操作器16と、エンジン回転速度設定器22とが接続され、操作器16からの入力電気信号すなわち操作レバーの入力位置に比例したレバー入力位置信号と、エンジン回転速度設定器22からのエンジン回転速度設定値すなわちアクセルダイアル値信号が入力される。

レバー入力位置信号は、操作内容識別手段24内で微分されてレバー入力速度信号となり、さらに微分されてレバー入力加速度信号となる。

制御手段25は、ゲインを可変調整するゲイン調整部26と、応答遅れを可変調整する応答遅れ調整部27とを備えている。応答遅れ調整部27は、時定数を有する１次遅れ要素などを備えている。

操作内容識別手段24は、エンジン回転速度設定器22により設定されたエンジン設定回転速度と、操作器16のレバー入力加速度と、操作器16のレバー入力加速度の累積値との少なくとも１つによって、通常作業操作と精密作業操作とを識別することができるとともに、エンジン回転速度設定器22により設定されたエンジン設定回転速度と、操作器16のレバー入力加速度と、操作器16のレバー入力加速度の累積値との全てによって、通常作業操作と精密作業操作とを識別することもできる。この全ての識別においては、操作器16のレバー入力加速度を、エンジン設定回転速度および操作器16のレバー入力加速度の累積値より優先的に識別する。これらの内容を以下に説明する。

次に、図３に示されたフローチャートを参照して操作内容識別手段24の制御内容を説明する。

（ステップＳ１）
操作器16のレバー入力加速度が、予め設定された上限設定値より大きいか否かが判断される。

（ステップＳ２）
このレバー入力加速度が上限設定値より大きい場合は、アーム動作または旋回動作などを緊急停止させるなどの緊急事態が予想されるので、優先的に、ゲイン調整部26のゲインを上げるとともに、応答遅れ（時定数）を小さくする。これにより、操作器16からの入力電気信号に対する電子制御式コントロール弁11への出力電気信号のゲインパラメータが大きくなるとともに応答遅れがなくなり、流体圧アクチュエータ18を高速で遅れなく反応させることができる。

（ステップＳ３）
エンジン回転速度設定器22により設定されたエンジン回転速度設定値すなわちアクセルダイアル値が、予め設定された所定値より小さいか否かが判断される。

（ステップＳ４）
アクセルダイアル値が、予め設定された所定値より小さい場合は、エンジン回転速度を低速に抑えた運転であり、メインポンプ17から得られるパワーも比較的小さくて済む精密作業操作であるから、ゲイン調整部26のゲインを下げ、操作器16からの入力電気信号に対する電子制御式コントロール弁11への出力電気信号のゲインパラメータが小さくなり、同一レバー操作量に対して流体圧アクチュエータ18を低速で反応させることができる。

（ステップＳ５）
操作器16のレバー入力加速度が、予め設定された所定値より小さいか否かが判断される。このレバー入力加速度が、予め設定された所定値より小さい場合は、操作器16が緩やかに操作されている精密作業操作であるから、同様に、ゲイン調整部26のゲインを下げる（ステップＳ４）。

（ステップＳ６）
操作器16のレバー入力加速度の累積値が、予め設定された所定値より小さいか否かが判断される。累積値は、記憶装置に記憶された所定時間のレバー入力加速度を積算（積分）して算出する。

（ステップＳ７）
この累積値が所定値より小さい場合は、操作器16のレバー操作頻度およびレバー操作量が少ない精密作業操作であるから、応答遅れ（時定数）を大きくし、操作器16からの入力電気信号に対する電子制御式コントロール弁11への出力電気信号の反応を遅らせ、レバー操作に対する流体圧アクチュエータ18の過敏な反応を防止する。

（ステップＳ８）
エンジン回転速度設定器22のアクセルダイアル値、操作器16のレバー入力加速度およびレバー入力加速度の累積値のいずれも所定値より小さくない場合は、ゲイン調整部26のゲインを上げるとともに応答遅れ（時定数）を小さくする方向に復帰させる。例えば、累積値が高いときは、操作器16を頻繁に動かしている作業操作状況であるから、応答遅れの時定数を小さくする方向に復帰させることで、応答速度を速くし、流体圧アクチュエータ18がきびきびと動くようにする。

次に、図１乃至図４に示された実施の形態の作用効果を説明する。

操作内容識別手段24により、スピードまたはパワーを要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを識別し、この操作内容識別手段24で識別された操作内容に応じて、流体圧アクチュエータ18を制御する電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御手段25が制御するので、オペレータの切換操作を必要とすることなく、操作内容に応じて、電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を自動的に制御して、スピードまたはパワーを要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを、それぞれ適切に行なうことができる。

ゲイン調整部26により可変調整されたゲインパラメータにより電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御するので、ゲインパラメータを下げることで、操作器16のレバー操作量に対する流体圧アクチュエータ18の作動量を小さくすることができる。

応答遅れ調整部27により可変調整された応答遅れにより電子制御式コントロール弁11への出力電気信号を制御するので、応答遅れを大きくすることにより、操作器16の操作に対する流体圧アクチュエータ18の反応速度を遅くすることができる。

操作内容識別手段24は、ステップＳ３−Ｓ７に示されるように、エンジン回転速度設定器22により設定されたエンジン設定回転速度、操作器16の入力加速度、操作器16の入力加速度の累積値のいずれによっても、通常作業操作と精密作業操作とをそれぞれ識別できる。

操作内容識別手段24は、ステップＳ１−Ｓ２に示されるように、操作器16の入力加速度を、エンジン設定回転速度および操作器16の入力加速度の累積値より優先的に識別するので、操作器16の入力加速度が大きな場合、すなわち操作器16の瞬間的な動作を優先的に識別して、制御手段25を制御することで、緊急事態にも迅速に対処できる。

オペレータの切換操作を必要とすることなく、操作器16の操作内容に応じて、機体２および作業装置６に設けられた流体圧アクチュエータ（走行モータ、旋回モータ、油圧シリンダ）を制御する電子制御式コントロール弁11への電気信号を自動的に制御して、スピードおよびパワーの少なくとも一方を要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを、それぞれ適切に行なうことができる油圧ショベル１を提供できる。

以上のように、ゲインを変化させるゲイン要素、または応答性を変化させる応答遅れ要素を、制御アルゴリズム内に追加し、エンジン回転数を設定するエンジン回転速度設定器22により、これらのゲイン要素または応答遅れ要素を自動的に変化させることで、あるいは、ゲイン要素または応答遅れ要素を制御アルゴリズム内に追加し、操作器16のレバー投入加速度により、これらのゲイン要素または応答遅れ要素を自動的に変化させることで、あるいは、ゲイン要素または応答遅れ要素を制御アルゴリズム内に追加し、操作器16のレバー投入加速度の累積により作業操作状況(重掘削／微操作)を判断し、これらのゲイン要素または応答遅れ要素を自動的に変化させることで、スピードなどを要求される重掘削または積込などの通常作業操作と、仕上精度を要求される均平または法面整形などの精密作業操作(微操作)の両立が可能となり、より優れた操作性の油圧ショベル１を提供できる。

なお、本発明は、油圧ショベル１以外の作業機械、例えばクレーン作業車などにも利用可能である。

本発明に係る作業機械における操作応答性能制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。 同上制御装置を有する流体圧アクチュエータ制御回路を示す回路図である。 同上制御装置の制御例を示すフローチャートである。 同上制御装置を備えた作業機械の側面図である。

符号の説明

２ 機体
６ 作業装置
11 電子制御式コントロール弁
16 操作器
17 ポンプとしてのメインポンプ
18 流体圧アクチュエータ
21 エンジン
22 エンジン回転速度設定器
24 操作内容識別手段
25 制御手段
26 ゲイン調整部
27 応答遅れ調整部

Claims (6)

1. 作業機械の操作器から入力される入力電気信号に対し流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御する操作応答性能制御装置であって、
   スピードおよびパワーの少なくとも一方を要求される通常作業操作と仕上精度を要求される精密作業操作とを識別する操作内容識別手段と、
   この操作内容識別手段で識別された操作内容に応じて電子制御式コントロール弁への出力電気信号を制御する制御手段と
   を具備したことを特徴とする作業機械における操作応答性能制御装置。
2. 制御手段は、ゲインを可変調整するゲイン調整部
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の作業機械における操作応答性能制御装置。
3. 制御手段は、応答遅れを可変調整する応答遅れ調整部
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の作業機械における操作応答性能制御装置。
4. 操作内容識別手段に接続され、流体圧アクチュエータに作動流体を供給するポンプを駆動するエンジンの回転速度を設定するエンジン回転速度設定器を備え、
   操作内容識別手段は、
   エンジン回転速度設定器により設定されたエンジン設定回転速度と、操作器の入力加速度と、操作器の入力加速度の累積値との少なくとも１つによって、通常作業操作と精密作業操作とを識別する
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の作業機械における操作応答性能制御装置。
5. 操作内容識別手段は、
   エンジン設定回転速度と、操作器の入力加速度と、操作器の入力加速度の累積値との全てによって、通常作業操作と精密作業操作とを識別し、
   操作器の入力加速度が上限設定値より大きい場合は、エンジン設定回転速度および操作器の入力加速度の累積値より優先的に識別する
   ことを特徴とする請求項４記載の作業機械における操作応答性能制御装置。
6. 機体と、
   この機体に搭載された作業装置と、
   機体および作業装置を操作する操作器と、
   この操作器からの電気信号に応じて機体および作業装置に設けられた流体圧アクチュエータを制御する電子制御式コントロール弁と、
   操作器から電子制御式コントロール弁への電気信号を制御する請求項１乃至５のいずれか記載の操作応答性能制御装置と
   を具備したことを特徴とする作業機械。

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