JP2007321554A - ローダーの電子的フロート特性制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】ローダーの電子的フロート特性制御システムの提供。
【解決手段】ステップ８４において、コントローラは力の誤差を算出する。力の誤差は、シリンダに作用する正味の力と基準力との差である。ステップ８６において、コントローラは力の誤差がよりゼロに近づくように適切なポンプ・コマンドを決定する。ステップ８８では、ポンプは、ステップ８６で決定されたポンプ・コマンドにより起動する。ステップ８８の後に、本方式はステップ７８に戻るが、フロート機能がステップ７６で起動される限りは、繰り返し行われる。制御方式７４は、シリンダ４２の各チャンバー４４、４６及び４８の圧力を測定し、シリンダ４２に作用する正味の力をゼロとして、ローダーに自動的にフロート機能を提供できるように、ポンプ６２を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、フロントエンドのホイルローダーや農業トラクタのような建設装置のローダーに係り、特にローダーの制御系に関する。

一般的に、従来のホイルローダーや農業トラクタローダーのような建設機械のフロントエンドローダーは、液圧システムによって折り曲げられる。ローダーは既存のトラクターに取付けることができ、また無限軌道駆動若しくはホイルローダーの主要な装備である。一般的に、ローダーは、石炭、泥及び石のような材料をすくい、かつトレーラー又はダンプトラックに材料を積み込むために大きなバケットを備えている。あるローダーは穴掘りに使用することもできる。

たいていのローダー液圧システムは、液圧ポンプと、ローダー・ブーム及び／又はバケットの屈曲に適合した少なくとも１つの液圧シリンダと、を備えている。オペレータは、ローダー・ブーム及びバケット・アセンブリを屈曲させる液圧システムの制御に、機械の運転台又はその他の場所にある複数のコントロールのいすれかを使用する。ブーム及びバケット・アセンブリの制御系の共通の特色として、バケットへの積み込み又は空にするために、ブームを上下させたり、バケットを前と後に回転させる。制御系の他の共通の特色として、フロート特性がある。フロート特性は地面上にバケットを「フロート」状態にし、例えば、砂利の駐車場を平担にする等のならし（backgrading）や平坦化操作を可能とする。バケットをフロート状態にすると、ブームやバケット・アセンブリの重量だけが地面に加えられる。これにより、水平にする原材料の上にバケットをフロート状態とさせ、大きな凹凸がない、滑らかで、平坦化したエリアをつくり出すことができる。
米国特許公開公報２００４−０２４５７３２

本発明の一態様例としては、フレーム及び液圧ポンプを備えた建設装置のローダーの制御システムがあり、該ローダーはブーム、バケット及び少なくとも３つのチャンバーを有する液圧シリンダを備え、該シリンダは前記ブームと前記フレームとの間に動作可能に連結されている。該制御システムは、オペレータから、バケットの上昇、下降及びフロートのいずれかの指示を受け、かつ、オペレータの指示に対応した信号を出力する構成とした可変入力と、コントロールバルブと、前記ブームが下降するときに、前記液圧シリンダの３つのチャンバーの少なくとも１つから加圧した作動流体を受け取って格納し、前記バケットが上昇するときに、前記液圧シリンダの３つのチャンバーの少なくとも１つに加圧した作動流体を供給するアキュムレータと、前記液圧シリンダの３つのチャンバーのそれぞれにおいて液圧を測定し、対応する複数の信号を出力する複数の圧力センサと、前記可変入力から信号を受け取り、前記可変入力からの信号に基づいてバケットの上昇、下降及びフロートのいずれかとすべく前記コントロールバルブ及び前記液圧ポンプを制御するように構成し、さらに、前記アキュムレータが前記シリンダのチャンバーの１つに加える第１の力を決定し、前記ポンプ及び複数のコントロールバルブを制御して、前記可変入力がフロート指示を受け取ったときに、前記第１の力に打ち勝つように前記シリンダの他のチャンバーに加圧した作動流体を供給する構成としたコントローラと、からなることを特徴とする。

本発明の他の実施態様例は、フレーム、液圧ポンプ、複数のチャンバーを有する液圧シリンダ、複数の圧力センサ、アキュムレータ、コントロールバルブ、入力、バケット、及び前記バケットとフレームとの間に動作可能に連結されたブームを備えた建設装置のローダーを制御する方法であって、前記バケットをフロートとするコマンドに対応したオペレータの入力を受け取る工程と、前記液圧シリンダの各チャンバーで圧力を測定する工程と、前記ブームを上方へ移動させるために前記ブームに作用する前記液圧シリンダの第１の力を算出する工程と、前記ブームの上方への移動を防止するために前記液圧ポンプ及び前記コントロールバルブを制御し、前記液圧シリンダの少なくとも１つのチャンバーに液圧を供給する工程と、からなることを特徴とする。

最初に図１を参照して、ホイルローダー１０の一態様例を説明する。ホイルローダー１０は、モータ３４、運転台１４、フレーム１８及びブーム・アセンブリ２０から構成される。ブーム・アセンブリ２０は、ブーム２６、ブームシリンダ２８、バケット３０及びバケットシリンダ３２で構成される。ブーム２６は、フレーム１８に軸回転可能に連結され、ブームシリンダ２８を伸張又は収縮させることにより、上昇及び下降する。バケット３０は、ブーム２６に対し軸回転可能に連結され、バケットシリンダ３２の伸張又は収縮により、屈曲する。ホイルローダー１０及び特にブーム・アセンブリ２０は、オペレータ及び運転台１４にある複数のコントロールによって制御される。本実施例では、ブーム・アセンブリ２０には、ツール・キャリア型リンケージが含まれるが、Ｚ型リンケージのような他のリンケージも用いても良い。オペレータによる制御例を以下に説明する。

図２にオペレータの入力又はコントロール３６の一態様例を示す。入力３６は、ホイルローダー１０の運転台１４、その他の適切な場所に配置される。本実施例では、入力３６はジョイスティック３８及びセレクタ４０を含む。ジョイスティック３８は４つの方向（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）へ移動可能である。セレクタ４０は、プッシュボタンやその他の適切な入力であって、オペレータがホイルローダー１０の液圧駆動する機能間の切り換え又はその１つを選択するために用いる。以下に詳述するように、オペレータは、ホイルローダー１０の複数の液圧駆動する機能のうちの任意の１つを選択し、その後ジョイスティック３８によって制御する。

図３に本発明の液圧システムの一実施例を示す。図３に示した液圧システム４１は、図１に示したローダーのようなフロントエンド・ホイルローダー又はローダーを備えた適当な建設機械に用いられる。液圧システム４１は、３室のブームシリンダ４２、液圧ポンプ６２、コントロールバルブ６１，６４、圧力センサ５２、５６、６０、アキュムレータ６６、及びコントローラ４５を備えている。ブームシリンダ４２は、図１に示したローダー１０のブームシリンダ２８として使用可能な３室シリンダの１例であるが、他の３室シリンダを用いても良い。

３室のブームシリンダ４２は、ハウジング６３、ピストン４３、フランジ４９、内部スリーブ４７及び第１，第２及び第３のチャンバー４４、４６、４８で構成される。フランジ４９は、ピストン４３から外側に伸び、ハウジング６３の周りでシールを形成して第３のチャンバー４８と第２のチャンバー４６を分離する。フランジ４９は第３のチャンバー４８から第２のチャンバー４６を分離する。第１のチャンバー４４は内部スリーブ４７とピストン４３とで形成される。第１のチャンバー４４はライン５４に連結され、流体は第２のチャンバー４６及び第３のチャンバー４８と遮断されている。液圧ライン５４はアキュムレータ６６と第１のチャンバー４４とを連結する。ブームシリンダ４２が収縮したとき、即ち、ブーム２６が下降するときは、作動流体がライン５８を通して第２のチャンバーから流れ出し、同時に、フランジ４９によって形成された吸引力により作動流体は第３のチャンバーに吸引される。これと同時に、第１のチャンバー４４の作動流体は、ピストン４３により圧縮又は加圧され、ライン５４を通してアキュムレータ６６へ押し出される。アキュムレータ６６に格納された加圧流体は、第１のチャンバー４４内にあるピストン４３の下部に正の又は伸張させる力を提供する。ピストン４３を伸張させるために、ポンプ６２は、第２のチャンバー４６にライン５８を通して加圧作動流体を送り出す。加圧流体はピストン４３のフランジ４９に作用し、ハウジング６３からピストン４３を伸張させる。第１のチャンバー４４及びアキュムレータ６６の中にある加圧作動流体は、さらに、ピストン４３を伸張させるように作用し、これにより、ピストンを伸張させるのに第２のチャンバー４６で必要とされる加圧作動流体の圧力が減少する。

圧力センサ５６は、ライン５４に配置され、シリンダ４２の第１のチャンバー４４内の作動流体の圧力を測定する。第２のチャンバー４６はライン５８を通してコントロールバルブ６１に連結されている。圧力センサ６０はライン５８に配置され、第２のチャンバー４６内の作動流体の圧力を測定する。第３のチャンバー４８は、ライン５１を通してコントロールバルブ６４に連結されている。圧力センサ５２はライン５１に配置され、第３のチャンバー４８内の作動流体の圧力を測定する。圧力センサ５２、５６及び６０はシリンダ４２のそれぞれのチャンバーの圧力に相当する出力信号を液圧システム４１のコントローラ４５に提供する。

コントローラ４５は、液圧ポンプ６２及びコントロールバルブ６１、６４を制御して、シリンダ４２を操作する。本実施例では、コントロールバルブ６１、６４として、ソレノイド駆動のスプリングリターン弁を用いているが、他の適切なコントロールバルブを用いてもよい。液圧ライン５３を介してコントロールバルブ６１とポンプ６２が連結されている。ポンプ６２は、また、液圧ライン５０を介してコントロールバルブ６４に連結されている。ポンプ６２は貯蔵槽６８から作動流体を受けいれる。図２に示した３６のような入力は、液圧システム４１のコントローラ４５に連結されており、３室のブームシリンダ４２を制御する。ブームを上昇させるコマンドを受け取ると、コントロールバルブ６１が開き、ポンプ６２が始動して、第２のチャンバー４６に加圧作動流体を供給する。シリンダ４２からのピストン４５が伸張する結果として、ブーム２６は上昇する。同時に、コントロールバルブ６４が開き、ポンプ６２は真空を形成して、第３のチャンバー４８からの作動流体を引き出す。ピストン４３が伸張すると、加圧作動流体は、第３のチャンバー４８から第２のチャンバー４６に流れ込む。ブームを下降させるコマンドを受け取ると、ピストン４３はシリンダ４２内に収縮する。これが起こると、コントロールバルブ６１及び６４が開き、ポンプ６２は第３のチャンバー４８に加圧作動流体を供給し、第２のチャンバー４６から流体を引き出す。

液圧システム４１はさらにアキュムレータ６６、逆止弁７０及び安全弁７２を備えている。アキュムレータ６６はライン５４を介して、シリンダ４２の第１のチャンバー４４との連通している。シリンダ４２のピストン４３が伸張しているとき、例えば、ブームが上昇するとき、加圧流体はアキュムレータ６６からシリンダ４２の第１のチャンバー４４に流れ込み、付加的なエネルギーを提供する。ピストンが収縮する場合は、例えば、ブームが下降する場合、加圧流体は第１のチャンバー４４からアキュムレータ６６へ流れて、圧力下で格納される。アキュムレータ６６は、ピストン４３が収縮したときに、第１のチャンバー４４で生成した圧力又はエネルギーを保存する。本実施例では、アキュムレータ６６は、第１のチャンバー４４から流入する作動流体と圧縮ガスの間に配置されたフレキシブルなブラダーを有している。ウェイトの増加型、スプリング型又はガスチャージ型アキュムレータのような任意のアキュムレータを用いることができる。

液圧システム４１のようなローダーの液圧システムのフロート機能を制御する方法の一実施例を図４を参照して説明する。上述したように、フロート機能は、ブーム・アセンブリの重量以外に下方への付加的な圧力も受けることなく、地面に沿ってバケットをフロート状態にさせることができる。従来のフロート機能は、図３の液圧システム４１のようなアキュムレータを備えた液圧システムに用いることは困難であった。制御方式７４は、３室のブームシリンダ及びアキュムレータを備えた適当な液圧システムで使用することができる。制御方式７４は、液圧システムを制御するコントローラ４５のようなコントローラで用いるソフトウェアとして実行される。

一例として、図３に示した液圧システム４１を用いて制御方式７４を説明する。ステップ７６において、オペレータはフロート機能を起動する。これは、図２の入力３６のようなセレクタスイッチを押すか、ジョイスティックを移動させる又はその他の適切な方法で遂行する。ステップ７８においては、コントローラは、圧力センサ６０、５６及び５２を使用して、シリンダ４２の第１、第２、及び第３のチャンバー４４、４６及び４８の圧力を測定する。次に、ステップ８０では、コントローラは、ステップ７８で得られた３つの圧力測定値から、シリンダ４２に作用する正味の力を算出する。特に、シリンダ４２のピストン４３に作用する正味の力を決定する。正味の力が正のとき、シリンダ４２のピストン４３は伸びようとする。正味の力が負のときは、ピストン４３はシリンダ４２へ収縮しようとする。ステップ８２において、コントローラは、シリンダ４２に作用する正味の力と基準力とを比較する。フロート機能の場合、基準力はゼロとなる。シリンダに作用する力の量がゼロの場合、ブーム・アセンブリは、その重量と等しい下方向の圧力又は力を有して地面に接触し、シリンダ４２から下方向の圧力は受けない。他の実施例では、シリンダ４２を用いてブームアセンブリに所定量の下方向圧力が加わるように、所定の基準力又はオペレータが選んだ基準力を用いることができる。

ステップ８４において、コントローラは力の誤差を算出する。力の誤差は、シリンダに作用する正味の力と基準力との差である。ステップ８６において、コントローラは力の誤差がよりゼロに近づくように適切なポンプ・コマンドを決定する。ステップ８８では、ポンプは、ステップ８６で決定されたポンプ・コマンドにより起動する。ステップ８８の後に、本方式はステップ７８に戻るが、フロート機能がステップ７６で起動される限りは、繰り返し行われる。制御方式７４は、シリンダ４２の各チャンバー４４、４６及び４８の圧力を測定し、シリンダ４２に作用する正味の力をゼロとして、ローダーに自動的にフロート機能を提供できるように、ポンプ６２を制御する。

本発明について好適な実施例に関して詳述してきたが、特許請求の範囲に記述し、定義した本発明の精神及び範囲内において変化及び修正することは可能である。

フロントエンドのホイルローダーの側面図であって、波線は、屈曲したブーム及びバケットを示す。 オペレータの入力装置の一例を示す斜視図である。 本発明の制御システムの一例を示す模式図である。 本発明の制御方法の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ ホイルローダー、
１４ 運転台、
１８ フレーム、
２０ ブーム・アセンブリ、
２６ ブーム、
２８ ブームシリンダ、
３０ バケット、
３２ バケットシリンダ、
３４ モータ、
３６ 入力、
３８ ジョイスティック、
４０ セレクタ、
４１ 液圧システム、
４２ ３室のブームシリンダ、
４３ ピストン、
４４、４６，４８ シリンダのチャンバー、
４５ コントローラ、
４７ 内部スリーブ、
４９ フランジ、
５０，５１，５３，５４、５８ 液圧ライン、
５２、５６、６０ 圧力センサ、
６１，６４ コントロールバルブ、
６２ 液圧ポンプ、
６３ ハウジング、
６６ アキュムレータ、
６８ 貯蔵槽、
７０ 逆止弁、
７２ 安全弁。

Claims (17)

1. フレーム及び液圧ポンプを備えた建設装置のローダーの制御システムであり、該ローダーをブームと、バケットと、少なくとも３つのチャンバーを有し、前記ブームと前記フレームとの間に動作可能に連結された液圧シリンダと、で構成した、ローダーの制御システムであって、
   オペレータから、バケットの上昇、下降及びフロートのいずれかの指示を受け、かつ、オペレータの指示に対応した信号を出力する構成とした可変入力と、
   コントロールバルブと、
   前記ブームが下降するときに、前記液圧シリンダの３つのチャンバーの少なくとも１つから加圧した作動流体を受け取って格納し、前記バケットが上昇するときに、前記液圧シリンダの３つのチャンバーの少なくとも１つに加圧した作動流体を供給するアキュムレータと、
   前記液圧シリンダの３つのチャンバーのそれぞれにおいて液圧を測定し、対応する複数の信号を出力する複数の圧力センサと、
   前記可変入力から信号を受け取り、前記可変入力からの信号に基づいてバケットの上昇、下降及びフロートのいずれかとすべく前記コントロールバルブ及び前記液圧ポンプを制御するように構成し、さらに、前記アキュムレータが前記シリンダのチャンバーの１つに加える第１の力を決定し、前記ポンプ及び複数のコントロールバルブを制御して、前記可変入力がフロート指示を受け取ったときに、前記第１の力に打ち勝つように前記シリンダの他のチャンバーに加圧した作動流体を供給する構成としたコントローラと、
   からなることを特徴とするローダーの制御システム。
2. 複数のコントロールバルブを有することを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
3. 前記コントローラは前記シリンダに加えられる正味の力を決定し、該正味の力と所定の基準力を比較する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
4. 前記コントローラは、前記シリンダへの正味の力が基準圧力となるようにシリンダを駆動すべく前記ポンプ及びコントロールバルブを制御することを特徴とする請求項３に記載の制御システム。
5. 前記基準圧力は、前記ブーム及びバケットの重量に基づくことを特徴とする請求項４に記載の制御システム。
6. 前記建設装置は、フロントエンドのホイルローダーであることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
7. 前記フロート指示は地表面上に静止するバケットで定義されることを特徴とする請求項１に記載の制御システム。
8. フレーム、液圧ポンプ、複数のチャンバーを有する液圧シリンダ、複数の圧力センサ、アキュムレータ、コントロールバルブ、入力、バケット、及び前記バケットとフレームとの間に動作可能に連結されたブームを備えた建設装置のローダーを制御する方法であって、
   前記バケットをフロートとするコマンドに対応したオペレータの入力を受け取る工程と、
   前記液圧シリンダの各チャンバーで圧力を測定する工程と、
   前記ブームを上方へ移動させるために前記ブームに作用する前記液圧シリンダの第１の力を算出する工程と、
   前記ブームの上方への移動を防止するために前記液圧ポンプ及び前記コントロールバルブを制御し、前記液圧シリンダの少なくとも１つのチャンバーに液圧を供給する工程と、
   からなることを特徴とするローダーの制御方法。
9. 第１の力は、液圧シリンダの各々のチャンバーの圧力に基づいて算出することを特徴とする請求項９に記載のローダーの制御方法。
10. 前記液圧シリンダに作用する第１の力を所定の基準力と比較する工程を含むことことを特徴とする請求項９に記載のローダーの制御方法。
11. 前記第１の力と前記所定の基準力との差に等しい力の誤差を算出する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載のローダーの制御方法。
12. 前記力の誤差に基づいてポンプ・コマンドを決定する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載のローダーの制御方法。
13. 前記ポンプ・コマンドは、前記力の誤差が概略ゼロとなるように、液圧ポンプ及びコントロールバルブを制御する構成としたことを特徴とする請求項１２に記載のローダーの制御方法。
14. 前記所定の基準力は、ブーム及びバケットの重量に基づくことを特徴とする請求項１０に記載のローダーの制御方法。
15. 前記フロート・コマンドにより、地表面上に前記バケットを静止させることを特徴とする請求項８に記載のローダーの制御方法。
16. ブームの上方への移動を防止するために必要な液圧に対応したポンプ・コマンドを決定する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載のローダーの制御方法。
17. 前記ポンプ・コマンドでポンプを起動する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載のローダーの制御方法。

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