JP2008050791A

JP2008050791A - 作業機械における吊り上げ荷重演算装置および吊り上げ荷重演算方法

Info

Publication number: JP2008050791A
Application number: JP2006226274A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoneda; 敬米田; Nobuaki Matoba; 信明的場
Original assignee: Caterpillar Mitsubishi Ltd; Shin Caterpillar Mitsubishi Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd; Caterpillar Mitsubishi Ltd
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2008-03-06

Abstract

【課題】作業に応じてバケットを交換したり補強したりして仕様変更して仕様変更の前後でバケットの重量や重心位置が変わった場合でも、前記登録されている重量や重心位置を仕様変更に対応して補正する必要の無い作業機械における吊り上げ荷重測定装置および吊り上げ荷重測定方法を提供する。
【解決手段】吊り上げ荷重Ｗｌａｍを、第一モーメント演算部１７で演算したブーム４、アーム５の自重によるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｗと、第二モーメント演算部１８で演算した吊り荷Ｈを吊った状態のブームシリンダ１０の推力Ｆｂｍによるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｃとから演算しており、予めバケット６の重量等のデータを登録しないでおき、そしてバケット６の重量を含んだ吊り上げ荷重Ｗｌａｍとして演算し、必要において警報をすることとした。
【選択図】図３

Description

本発明は、油圧ショベル等の作業機械に関し、吊り荷の吊り上げ作業をする場合に吊り上げ荷重を演算するための吊り上げ荷重演算装置および吊り上げ荷重演算方法の技術分野に属するものである。

一般に、吊り荷の吊り上げ作業をする作業機械として油圧ショベルが例示されるが、該油圧ショベルにおいては、基端部が機体本体に揺動自在に軸支されたブーム、該ブームの先端部に基端部が揺動自在に軸支されたアーム（スティック）、該アームの先端部に揺動自在に軸支された作業具としてのバケットから構成されたフロントアタッチメントが設けられるが、このようなフロントアタッチメントの作業の一つとして、重量のある吊り荷を吊り上げて別の場所に移動させる所謂吊り上げ作業をすることがある。このような吊り上げ作業において、ブームとアームが直線に近い姿勢で、かつバケットが地面に近い姿勢になると、機体本体には大きなモーメントが働き、機体が不安定になる惧れがある。

そこで従来、ブーム、アーム、バケットの重量や重心位置のデータを予め登録しておき、該登録データを基にして吊り荷の吊り上げ荷重を演算し、過負荷状態または過負荷に近い状態であることを認識すると警報を出力したり、ブーム、アーム等のフロントアタッチメントの作業範囲を規制することで安全作業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２００３−７３０７８号公報

しかしながらこのものは、ブーム、アームだけでなく、作業具であるバケットの重量や重心等のデータについても予め登録して、この登録データに基づいて吊り荷の吊り上げ荷重を演算するものであるため、作業に応じてバケットを交換したり補強したりして仕様変更した場合、仕様変更の前後でバケットの重量や重心位置が変わることがあり、この場合、前記登録されている重量や重心位置を仕様変更に対応して補正する必要があるが、この補正のための作業が面倒で準備に時間が掛かるといった問題があり、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、機体に揺動自在に軸支されるブーム、該ブームに揺動自在に軸支されるアーム、アームに揺動自在に軸支される作業具を備えたフロントアタッチメントの先端部に吊り荷を吊持したときの吊り上げ荷重を演算する吊り上げ荷重演算手段を備えた作業機械において、吊り上げ荷重演算手段は、フロントアタッチメントの重量、重心位置のデータを予め登録し、該登録データに基づいて吊り荷の吊り上げ荷重を演算するにあたり、作業具荷重を、登録データには含ませることなく吊り荷の吊り上げ荷重の一部として含ませて演算するようにしたことを特徴とする作業機械における吊り上げ荷重演算装置である。
請求項２の発明は、請求項１において、吊り上げ荷重演算手段には、前記吊り上げ荷重と、アーム先端での吊り上げ荷重の限界値である定格荷重とを比較し、前記吊り上げ荷重が定格荷重以下ではあるがその差が予め設定される設定差値以下であると判断した場合、または前記吊り上げ荷重が定格荷重以上であると判断した場合に警報を発する警報手段が設けられていることを特徴とする作業機械における吊り上げ荷重演算装置である。
請求項３の発明は、機体に揺動自在に軸支されるブーム、該ブームに揺動自在に軸支されるアーム、アームに揺動自在に軸支される作業具を備えたフロントアタッチメントの先端部に吊り荷を吊持したときの吊り上げ荷重を演算する吊り上げ荷重演算手段を備えた作業機械において、フロントアタッチメントの重量、重心位置のデータを予め登録し、該登録データに基づいて吊り荷の吊り上げ荷重を演算するにあたり、
作業具荷重を、登録データには含ませることなく吊り荷の吊り上げ荷重の一部として含ませて演算するようにしたことを特徴とする作業機械における吊り上げ荷重演算方法である。

請求項１または３の発明とすることにより、バケットを交換、あるいは補強する等して仕様変更をした場合に、その変更前後でバケットの重量や重心位置が変わったとしても、前記登録データを仕様変更に合わせて変更するような作業前の準備をしなくてもよくなる。
請求項２の発明とすることにより、警報を、吊り上げ荷重が定格荷重以上の場合に加えて、吊り上げ荷重が定格荷重に近づいたときにも発することができるため、操縦者に的確に警報することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。図１において、１は油圧ショベルであって、該油圧ショベル１は、自走可能なクローラ式の下部走行体２と、該下部走行体２に旋回自在に支持される上部旋回体３と、該上部旋回体３の前部に設けたフロントアタッチメントからなるが、該フロントアタッチメントは、上部旋回体３に基端部が支軸４ａを介して前後揺動自在に軸支されるブーム４と、該ブーム４の先端部に基端部が支軸５ａを介して揺動自在に軸支されるアーム５と、該アーム５の先端部に支軸６ａを介して揺動自在に軸支されるバケット（作業具）６とを用いて構成されている。尚、図１においてＣは操縦室となるキャブである。

そしてバケット６は、後述するバケットシリンダ７のロッド先端がリンク８の作動支軸８ａを介して連結され、バケットシリンダ７の伸縮作動に基づき支軸６ａを揺動支点として揺動することになるが、本実施の形態では、前記作動支軸８ａに吊り荷Ｈを係脱自在に係止するための吊り具（吊りフック）９が設けられている。

ところで、上部旋回体３とブーム４とのあいだには、ブーム４を上下揺動させるべく伸縮するブームシリンダ１０を備え、ブーム４とアーム５とのあいだには、アーム５を揺動させるべく伸縮するアームシリンダ１１を備え、さらにアーム５とバケット６とのあいだには、バケット６を揺動させるべく伸縮するバケットシリンダ７を備えている。因みに、作業モードを吊り作業モードにした場合、バケットシリンダ７は、バケット６がアーム５に最も近接した姿勢（図１の姿勢）にロック保持されて伸縮しない設定になっている。

また、後述するように吊り荷Ｈの荷重を演算するために、ブームシリンダ１０にはロッド側油室の油圧検知をするロッド圧センサ１０ａ、ボトム側油室の油圧検知をするボトム圧センサ１０ｂが取り付けられ、さらにブーム支軸４ａには上部旋回体３に対するブーム４の回動角度（ブーム角度：正確な演算をするには水平方向Ｘであることか好ましい）αを検知するためのブーム角度センサ１２が取り付けられ、アーム支軸５ａにはブーム４に対するアーム５の回動角度（アーム角度）βを検知するためのアーム角度センサ１３が取り付けられている。

１４はＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ（図示せず）等の各種電子電気機器を用いて構成されるマイクロコンピュータ等のコントローラであって、該コントローラ１４は、前記ブーム角度センサ１２、アーム角度センサ１３、ロッド圧センサ１０ａ、ボトム圧センサ１０ｂから出力された検知角度、圧力の信号を入力し、該検知信号を入力したコントローラ１４は、前記入力した検知信号に基づいてキャブＣに備えたモニタ１５、ブザー１６に後述するような表示を実行するよう制御している。尚、メモリには、標準（工場出荷時に装備される標準のフロントアタッチメント）のブーム４、アーム５の部材座標（ブーム４、アーム５の長尺方向の長さ等のデータ）、重量、重心位置のデータが書き換え可能な状態で記憶（登録）されている。因みに、説明の便宜上、単にブーム４、アーム５の重量と表現したが、ブーム４、アーム５の重量には、ブームシリンダ１０、アームシリンダ１１、リンク機構８等の付属部材の重量が含まれており、以下においても同様として説明する。

そして、コントローラ１４は、前記ブーム角度センサ１２、アーム角度センサ１３等の検知信号に基づいて吊り上げ荷重を演算すると共に、該演算に基づき油圧ショベルが過負荷であると判断された場合、操縦者等に警報するように設定されているが、これら吊り上げ荷重の演算制御について、図３に示す制御ブロック図に基づいて次に説明する。

ところで、コントローラ１４は、ブーム角度センサ１２、アーム角度センサ１３の検知した信号を読み込んでブーム４、アーム５のブーム機体側軸回りでのモーメントを演算する第一モーメント演算部１７と、ロッド圧センサ１０ａ、ボトム圧センサ１０ｂの検知した信号を読み込んでブームシリンダ１０の推力によるブーム機体側軸回りでのモーメントを演算するための第二モーメント演算部１８と、該第二モーメント演算部１８で演算されたブームシリンダ１０の推力によるブーム機体側軸回りでのモーメントからブーム４、アーム５等のブーム機体側軸回りでのモーメントを引いた差値からアーム５の先端に掛かる吊り上げ荷重を演算するための吊り上げ荷重演算部１９とを有している。

また、コントローラ１４は、ブーム角度センサ１２、ブーム角度センサ１３の検知した信号を読み込んでブーム機体側軸からアーム先端（前記吊り上げ荷重の作用点）の水平距離を演算するアーム先端水平距離演算部２０と、該アーム先端水平距離演算部２０で演算した前記水平距離を入力してアーム先端部での吊り上げ荷重の限界値である定格荷重を演算するための定格荷重演算部２１とを有している。因みに、定格荷重演算部２１には、予めブーム４およびアーム５の重量に適した定格荷重曲線がメモリに記憶されている。

そして、コントローラ１４は、吊り上げ荷重演算部１９で演算した吊り上げ荷重と、定格荷重演算部２１で演算した定格荷重とを比較して油圧ショベル１に過負荷がかかっているか否か判断する比較演算部２２とを有しており、該比較演算部２２で過負荷と判断すると、モニタ１５に警報情報を表示したり、ブザー１６を鳴らして警報する。

ここで、吊り上げ荷重の演算手順を、図４に示す図に基づいて説明する。
点Ｏはブーム支軸４ａの軸芯であり、点Ａはアーム支軸５ａの軸芯である。また、点Ｂはブーム４の重心（ブーム４に設けられるアームシリンダ１１等の各種部材の重量に基づいて求められる重心）位置を示すブーム部重心であり、点Ｃはアーム５とバケット６との重量を加算した重量に基づいて求められるアーム５の重心（アーム５とバケット６に設けられるバケットシリンダ７やリンク８等の各種部材の重量に基づいて求められる重心）位置を示すアーム部重心である。さらに点Ｄ、点Ｅはそれぞれブームシリンダ１０のブーム４側支軸の軸芯、上部旋回体３側の支軸となる機体側シリンダ軸の軸芯であり、また点Ｆはブームシリンダ１０の重心位置を示すシリンダ重心である。さらにまた、点Ｇは吊り具９に吊り荷Ｈを吊持した場合のバケット６および吊り荷Ｈのアームに対する作用点を示す吊り上げ荷重の作用点である。因みに、前記部材の重心位置、作用点は、例えば、部材を油圧ショベル１に取り付ける前に計測することで値を知ることができる。

また、図示しないが、演算式において頭文字に「Ｌ」のついた３文字からなる記号は、「Ｌ」に続く文字に該当する２点間の長さを示すものであり、例えば、ＬＯＡはブーム軸Ｏからアーム軸Ａまでの長さである。
Ｘｓｔは、Ｘ軸方向のブーム軸Ｏから吊り上げ荷重の作用点ＧまでのＸ軸方向の長さ（距離）である。

さらに、前記ブーム角度αはブーム軸Ｏにおける水平方向（Ｘ軸方向）と直線ＯＡとのブーム４の回転角度（ブーム角度）であり、アーム角度βはアーム軸Ａにおける直線ＡＯと直線ＡＧとのなすアーム５の回転角度（アーム角度）であり、これら角度α、βは、ブーム角度センサ１２、アーム角度センサ１３から求められる。また、αＡＢはブーム軸Ｏにおける直線ＯＢと直線ＯＡとのなす角度であり、αＸＥはブーム軸ＯにおけるＸ軸と直線ＯＥのなす角度であり、αＢＤはブーム軸Ｏにおける直線ＯＤと直線ＯＢとのなす角度であり、βＣＧはアーム軸Ａにおける直線ＡＣと直線ＡＧとのなす角度であるが、これらの角度αＡＢ、αＸＥ、αＢＤ、βＣＧは、ブーム等の揺動により変動しない固定値であり、計測すること等により求まる。

さらにまた、Ｗｂｍはブーム４の重量であり、Ｗａｍはアーム５の重量であり、Ｗｂｍ、Ｗａｍの重量は、機体取り付け前に計測することにより求められ、前述のように、これらの値の標準のものは予めメモリに記憶されている。
またさらに、Ｆｂｍは、ブームシリンダ１０の推力であり、ロッド圧センサ１０ａ、ボトム圧センサ１０ｂで検知したロッド圧、ボトム圧に基づいて求めることができる。

まず、第一モーメント演算部１７において、油圧ショベル１にバケットを着装しない状態（吊り荷Ｈも吊り下げていない状態）でのブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｗ、つまりバケット６を含まないブーム４、アーム５の自重によるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｗを求める。
モーメントＭｂｍｗについては、
Ｍｂｍｗ＝Ｗｂｍ・ＬＯＢ・ｃｏｓ（α＋αＡＢ）＋Ｗａｍ・｛ＬＯＡ・ｃｏｓα＋ＬＡＣ・ｃｏｓ（π−α−β−βＣＧ）｝ −−−式（１）
が成り立ち、該式からモーメントＭｂｍｗの値を求めることができる。、

次いで、第二モーメント演算部１８において、油圧ショベル１に吊り荷Ｈを吊った状態のブームシリンダ１０の推力Ｆｂｍによるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｃ、つまりブーム４、アーム５、バケット６、吊り荷Ｈによるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｃを求める。
モーメントＭｂｍｃは、
Ｍｂｍｃ＝Ｆｂｍ・ＬＯＦ −−−式（２）
と表すことができる。因みに、ＬＯＦは未知数であるが、計測可能なＬＯＤ、ＬＤＥ、ＬＯＥを基に以下の式（３）、式（４）、式（５）から演算することが可能であり、演算したＬＯＦの値を式（２）に代入してモーメントＭｂｍｃの値を求めることができる。

ＬＯＦ＝ＬＯＤ・ｃｏｓΦ −−−式（３）
ＬＤＥ＝｛ＬＯＤ^２＋ＬＯＥ^２−２・ＬＯＤ・ＬＯＥ・ｃｏｓ（α＋αＡＢ＋αＢＤ＋αＸＥ）｝^１／２ −−−式（４）
Φ＝ｃｏｓ^−１｛ＬＯＤ^２＋ＬＤＥ^２−ＬＯＥ^２／２・ＬＯＤ^２・ＬＤＥ^２} −−−式（５）

そして、吊り上げ荷重演算部１９において、式（１）で求めたモーメントＭｂｍｗと、式（２）で求めたモーメントＭｂｍｃとの関係からアーム先端に掛かる吊り上げ荷重Ｗｌａｍを求める。
吊り上げ荷重Ｗｌａｍは、
Ｗｌａｍ＝（Ｍｂｍｃ−Ｍｂｍｗ）／Ｘｓｔ −−−式（６）
と表すことができ、モーメントＭｂｍｗ、モーメントＭｂｍｗの値を代入して吊り上げ荷重Ｗｌａｍを演算する。

一方、定格荷重の演算手段について説明する。
まず、アーム先端水平距離演算部２０において、ブーム角度センサ１２、アーム角度センサ１３で検知した信号の入力に基づいてアーム水平距離Ｘｓｔを求める。
アーム水平距離Ｘｓｔは、
Ｘｓｔ＝{Ｌｏａ・ｃｏｓα＋Ｌａｇ・ｃｏｓ（π−α−β）} −−−式（７）
と表すことができ、角度α、角度βおよび所与の値を代入することにより求めることができる。

そして、定格荷重演算部２１において、定格荷重を演算するが、該定格荷重は、アーム先端水平距離演算部２０で求めたアーム水平距離Ｘｓｔを前記定格荷重曲線に入力することにより求めることができる。
最後に、比較演算部２２において、吊り上げ荷重演算部１９で演算した吊り上げ荷重と、定格荷重演算部２１で演算した定格荷重とを比較して警告処理を実行するが、本実施の形態の警報処理は、前記比較の結果、吊り上げ荷重が定格荷重に対して１００パーセント（同じ重量）に近づいた場合、前記吊り上げ荷重が定格荷重以下ではあるがその差が予め設定される設定差値以下であると判断した場合、例えば吊り上げ荷重が吊り上げ荷重の定格荷重の８０パーセント以上になったと判断される場合にモニタ１５に警報を表示する、また、吊り上げ荷重が定格荷重に対して１００パーセント以上になったと判断された場合、ブザー１６を鳴らして警報する。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、吊り上げ荷重Ｗｌａｍを、第一モーメント演算部１７で演算したブーム４、アーム５の自重によるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｗと、第二モーメント演算部１８で演算した吊り荷Ｈを吊った状態のブームシリンダ１０の推力Ｆｂｍによるブーム軸Ｏ回りのモーメントＭｂｍｃとから演算しており、予めバケット６の重量等のデータを登録しないでおき、そしてバケット６の重量を含んだ吊り上げ荷重Ｗｌａｍとして演算し、必要において警報をすることになるため、バケット６を交換、あるいは補強する等して仕様変更をした場合に、その変更前後でバケットの重量や重心位置が変わったとしても、前記登録データを仕様変更に合わせて変更するような作業前の準備をしなくてもよくなる。

吊り荷を吊った状態の油圧ショベルの側面の概略図である。コントローラへの入出力を示すブロック図である。コントローラの制御ブロック図である。油圧ショベルのモーメント等を説明するための説明図である。

符号の説明

１油圧ショベル
４ａ支軸
４ブーム
５ａ支軸
５アーム
６ａ支軸
６バケット
９吊り具
１４コントローラ
１５モニタ
１６ブザー
１７第一モーメント演算部
１８第二モーメント演算部
１９吊り上げ荷重演算部
２０アーム先端水平距離演算部
２１定格荷重演算部
２２比較演算部
Ｗｌａｍ吊り上げ荷重
Ｏブーム軸
Ｍｂｍｗモーメント
Ｈ吊り荷
Ｆｂｍ推力
Ｍｂｍｃモーメント

Claims

機体に揺動自在に軸支されるブーム、該ブームに揺動自在に軸支されるアーム、アームに揺動自在に軸支される作業具を備えたフロントアタッチメントの先端部に吊り荷を吊持したときの吊り上げ荷重を演算する吊り上げ荷重演算手段を備えた作業機械において、
吊り上げ荷重演算手段は、フロントアタッチメントの重量、重心位置のデータを予め登録し、該登録データに基づいて吊り荷の吊り上げ荷重を演算するにあたり、
作業具荷重を、登録データには含ませることなく吊り荷の吊り上げ荷重の一部として含ませて演算するようにしたことを特徴とする作業機械における吊り上げ荷重演算装置。
請求項１において、吊り上げ荷重演算手段には、前記吊り上げ荷重と、アーム先端での吊り上げ荷重の限界値である定格荷重とを比較し、前記吊り上げ荷重が定格荷重以下ではあるがその差が予め設定される設定差値以下であると判断した場合、または前記吊り上げ荷重が定格荷重以上であると判断した場合に警報を発する警報手段が設けられていることを特徴とする作業機械における吊り上げ荷重演算装置。
機体に揺動自在に軸支されるブーム、該ブームに揺動自在に軸支されるアーム、アームに揺動自在に軸支される作業具を備えたフロントアタッチメントの先端部に吊り荷を吊持したときの吊り上げ荷重を演算する吊り上げ荷重演算手段を備えた作業機械において、
フロントアタッチメントの重量、重心位置のデータを予め登録し、該登録データに基づいて吊り荷の吊り上げ荷重を演算するにあたり、
作業具荷重を、登録データには含ませることなく吊り荷の吊り上げ荷重の一部として含ませて演算するようにしたことを特徴とする作業機械における吊り上げ荷重演算方法。