JP2011058268A - 油圧ショベルの作業腕制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、水平面、法面などの均し作業を行うことができ、かつオペレータにとって操作が容易な、油圧ショベルの作業腕制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置２６を備え、制御装置２６は、作業腕１２のアーム１６およびアーム１６を連結したブーム１４のアームシリンダ２０およびブームシリンダ１８の同時操作によって作業具が連結されるアーム１６の先端が一定の時間略直線の軌跡Ｋに沿って移動しているときには、アーム１６の作業具連結中心１７とブーム１４のアーム連結中心１５を結ぶ連結線Ｌがこの直線軌跡Ｋに対して直角に近づくにつれ、ブームシリンダ１８の作動速度をブーム操作器２４の操作に応じた速度よりも遅くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、作業腕にバケットのような作業具を取付けた油圧ショベルによる水平面、法面などの均し作業を、簡単な構成で容易に行うことができる作業腕制御装置に関する。

図５を参照して均し作業の一例を説明する。油圧ショベルを用いて地面Ｆの均し作業を行うには、（Ａ）に示すようにブーム１４に連結したアーム１６の先端のバケットＢＫを機体本体４から遠方に位置付け、ブームシリンダ１８およびアームシリンダ２０を同時に作動操作し、アーム１６の先端が直線軌跡Ｋを描くように機体本体４に引寄せる。この場合アーム１６と直線軌跡Ｋの間の鋭角度θ１が、位置（Ｂ）で直角のθ２になるまでは、ブームシリンダ１８を伸張させてのブーム１４の上げ（白抜き矢印で示す）とアームシリンダ２０を伸張させてのアーム１６の引き（白抜き矢印で示す）の同時操作になり、位置（Ｂ）からさらに引寄せた鈍角のθ３の状態、位置（Ｃ）ではブームシリンダ１８を収縮させてのブーム１４下げとアームシリンダ２０を伸張させてのアーム１６引きの同時操作となる。

したがって、ブーム１４およびアーム１６の双方を、バケットＢＫのバケットシリンダ２２による姿勢制御操作とともに、均衡の取れた速度でブームシリンダ１８およびアームシリンダ２０を作動操作しなければならない。特にブームシリンダ１８については、位置（Ｂ）までは速度を調整しながら伸張させ、位置（Ｂ）からは逆に、速度を調整しながら収縮させるので、高度な操作技術が必要となる。

そこで均し作業をコンピュータ制御によって精密に行わせようとする手段が開発されている（例えば、特許文献１参照）、しかしながらこの場合、作業開始前に操作盤を用いた情報入力作業が必要なこと、また自動制御中は操作に関係なく作業腕が作動するため、オペレータの意図と異なる作動をした場合はその都度自動制御を中止しなければならないことなどから、オペレータに疎ましさや煩わしさを感じせしめ実用性に乏しかった。

この不具合を解決する手段としてレバー操作量と作業機先端位置から均し作業を判断し自動制御を開始、その後のレバー操作に応じて自動制御の軌跡を補正、中止することにより通常のレバー操作だけで一般制御（手動操作）から自動制御に滑らかに移行するという技術が開発されている（例えば、特許文献２参照）。

特公平３−２８５４４号公報 特開平１０−１９６８号公報

上述したとおりの作業腕の制御装置には解決すべき課題がある。

すなわち、（１）実施に必要な部品点数が多い。（２）法面の均し作業をする場合は均し作業判定条件（均し作業開始位置領域）を再設定する必要がある。（３）オペレータの操作によっては自動制御と一般制御が頻繁に切り替わる、すなわちレバー操作に対するシリンダ速度の特性がばらつくため操作にストレスを感じる場合がある。

本発明は上記事実に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、簡単な構成で、水平面、法面などの均し作業を行うことができ、かつオペレータにとって操作が容易な、油圧ショベルの作業腕制御装置を提供することである。

本発明によれば上記技術的課題を解決する油圧ショベルの作業腕制御装置として、油圧ショベルの作業腕のアームおよびアームを連結したブームのアームシリンダおよびブームシリンダの同時操作によって作業具が連結されるアームの先端が一定の時間略直線の軌跡に沿って移動しているときには、アームの作業具連結中心とブームのアーム連結中心を結ぶ連結線がこの直線軌跡に対して直角に近づくにつれ、ブームシリンダの作動速度をブーム操作器の操作に応じた速度よりも遅くする制御装置を備えている、ことを特徴とする油圧ショベルの作業腕制御装置が提供される。

好適には、制御装置は、ブームおよびアームそれぞれの揺動角度を検出するブーム角センサおよびアーム角センサと、ブームシリンダに圧油を給排するブーム制御弁をパイロット圧油によって操作するブーム操作器の一対のパイロット油路それぞれに設けられた一対の電磁比例減圧弁と、コントローラと、を備え、コントローラは、（１）ブーム角センサおよびアーム角センサの出力に基づいてアームの先端が該直線軌跡に沿って一定の時間移動したと判定したときには、（２）この直線軌跡に対して該連結線が直角に近づくにつれ、パイロット圧油を直角の状態を最大減圧とする信号を電磁比例減圧弁に出力する。

本発明に従って構成された油圧ショベルの作業腕制御装置は、作業腕の作業具が連結されるアームの先端がアームシリンダおよびブームシリンダの同時操作によって略直線の軌跡に沿って移動しているときには、アームの作業具連結中心とブームのアーム連結中心を結ぶ連結線がこの直線軌跡に対して直角に近づくにつれ、ブームシリンダの作動速度を、ブーム操作器の操作に応じた速度よりも遅くする制御装置を備えている。

したがって、簡単な構成で、オペレータのレバー操作量を最大限に反映しつつ、容易な操作で、水平面、法面などの均し作業時のブーム・アームの連動操作性を向上させる、油圧ショベルの作業腕制御装置を提供することができる。

本発明に従って構成された油圧ショベルの作業腕制御装置の構成説明図。 アーム先端の移動と直線軌跡の関係の説明線図。 作業腕の角度θと電磁比例減圧弁への出力信号の関係の特性線図。 制御装置のコントローラの制御手順を示すフローチャート。 油圧ショベルによる均し作業の説明図。

以下、本発明に従って構成された油圧ショベルの作業腕制御装置について、好適実施形態を図示している添付図面を参照して、さらに詳細に説明する。

図１を参照して説明する。全体を番号２で示す油圧ショベルは、機体本体４である、下部走行体６、および下部走行体６上に旋回自在に取付けられた上部旋回体８を備え、上部旋回体８には、運転室１０および上下方向に揺動自在に取付けられ先端に作業具であるバケットＢＫが取付けられた作業腕１２を備えている。

作業腕１２は、上部旋回体８に上下方向に揺動自在に取付けられたブーム１４、ブーム１４の先端に上下方向に揺動自在に取付けられたアーム１６、上部旋回体８とブーム１４の間に取付けられブーム１４を揺動作動させるブームシリンダ１８、ブーム１４とアーム１６の間に取付けられアーム１６を揺動作動させるアームシリンダ２０、およびアーム１６とアーム１６の先端に連結されたバケットＢＫの間に取付けられバケットＢＫを揺動作動させるバケットシリンダ２２を備えている。

油圧ショベル２は、作業腕１２の制御装置２６を備えている。制御装置２６は、作業腕１２のバケットＢＫが連結されるアーム１６の先端が、アームシリンダ２０およびブームシリンダ１８の同時操作によって一定の時間略直線の軌跡Ｋに沿って移動しているときには、アーム１６の作業具連結中心１７とブーム１４のアーム連結中心１５を結ぶ連結線Ｌが直線軌跡Ｋに対して、すなわち直線軌跡Ｋと連結線Ｌの角度θが直角に近づくにつれ、ブームシリンダ１８の作動速度をブーム操作器２４の操作に応じた速度よりも遅くする。

制御装置２６は、ブーム１４およびアーム１６それぞれの揺動角度を検出するブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０と、ブームシリンダ１８に圧油を給排するブーム制御弁３２をパイロット圧油によって操作するブーム操作器２４の一対のパイロット油路２５ａ、２５ｂそれぞれに設けられた一対の電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂと、コントローラ３６を備えている。

ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０は、ブーム１４およびアーム１６の基部の揺動中心に取付けられた、ポテンショメータによって構成された周知のものである。

ブーム操作器２４は、オペレータの操作に応じた圧力のパイロット油を一対のパイロット油路２５ａ、２５ｂに操作方向に応じて出力する周知の操作器である。ブーム制御弁３２は、常時中立３位置の周知のパイロット操作式制御弁で、ブーム操作器２４からのパイロット油の圧力の大きさ、方向によって、開度およびブームシリンダ１８への流れの方向が制御される。例えば一方の油路２５ａにパイロット油が供給されるとブームシリンダ１８のロッド側の油室に開度に応じた作動油が供給されブームシリンダ１８が収縮され、他方の油路２５ｂにパイロット油が供給されるとブームシリンダ１８のヘッド側の油室に開度に応じた作動油が供給されブームシリンダ１８が伸長される。

電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂは、電流信号の大きさに応じて圧油を減圧する周知のものであり、それぞれのパイロット油路２５ａ、２５ｂのパイロット圧油をコントローラ３６からの信号によって減圧する。

コントローラ３６は、（１）ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０の出力に基づいてアーム１６の先端が一定の時間直線軌跡Ｋに沿って移動したと判定したときには、（２）直線軌跡Ｋに対し連結線Ｌが直角（角度θが直角）に近づくにつれパイロット圧油を直角の状態を最大減圧とする信号を電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂに出力する。

すなわちコントローラ３６は、図１とともに図２を参照して説明すると、ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０の出力、ならびに予め入力した作業腕１２の各部材の諸元に基づいて、アーム１６の作業具連結中心１７およびブーム１４のアーム連結中心１５の座標を算出し、作業具連結中心１７の座標の変化を一定時間Ｔ記憶し、直線軌跡Ｋに沿って移動しているかを判定する。

例えば、図示の連結中心軌跡例と直線軌跡Ｋ−１との予め設定した偏差の大きさに基づいて直線軌跡Ｋに沿っているかを判定する。また、一定時間Ｔは、作業腕１２の大きさである諸元の違い、形状の違い、作動速度の違いなどに応じて設定する。そして、例として水平均しの場合の直線軌跡ＫをＫ−１で、傾斜面である法面均しの場合の直線軌跡ＫをＫ−２、Ｋ−３で示す。

作業具連結中心１７の座標が直線軌跡Ｋに沿って移動していると判定したときには、移動に応じた直線軌跡Ｋと連結線Ｌの角度θを算出する。

図１とともに図３を参照して説明すると、コントローラ３６は、予め設定した図３に示す角度θと電磁比例減圧弁への出力信号である減圧信号Ｉとの関係特性線図に基づいて、ブーム操作器２４からのパイロット圧油を、さらに減圧する減圧信号Ｉを算出する。減圧信号Ｉは、角度θが９０°までは減圧信号０から放物線状に立上げ頂点を徐々に最大減圧信号とし、角度θが９０°を越えてから対称の最大減圧信号から減圧信号０に延びる放物線で設定されている。この特性線の形状は、角度θ９０°を挟んで必ずしも対称とすることなく、油圧ショベル２の作業腕１２の諸元の違いに応じた、要求される減圧の程度に応じて設定すればよい。

そして、角度θに応じた減圧信号Ｉに基づいた電流が、電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂに出力される。

図１〜図４主として図４を参照して、コントローラ３６の制御手順について説明する。

ステップＳ１において、ブームシリンダ１８およびアームシリンダ２０が同時操作されているかを判定する。同時操作の検出は、周知の手段、例えばオペレータが操作するブームシリンダ１８およびアームシリンダ２０の操作レバーの操作の有無を検出する手段でよい。したがって、詳細な説明は省略する。同時操作が判定されたときにはステップＳ２に進み、同時操作でないときにはステップＳ１に戻る。

ステップＳ２において、ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０の出力、並びに作業腕１２の各部材の諸元に基づいて、アーム１６の先端位置の座標を算出し、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、算出したアーム１６先端の座標が一定時間Ｔ略直線軌跡Ｋに沿って移動したかを判定する。直線軌跡Ｋに沿って移動したと判定されたときはステップＳ４に進み、判定されないときには均し作業でないのでステップＳ１に戻る。

ステップＳ４において、ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０の出力に基づいてアーム１６の作業具連結中心１７とブーム１４のアーム連結中心１７を結ぶ連結線Ｌと直線軌跡Ｋとの角度θを算出し、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、角度θに応じた減圧信号Ｉを算出し、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６においては、角度θに応じた減圧信号Ｉを電磁比例減圧弁３４ａまたは電磁比例減圧弁３４ｂに出力する。すなわち、角度θが９０°までの範囲では電磁比例減圧弁３４ａに、９０°を超えた範囲では電磁比例減圧弁３４ｂに出力し、ステップＳ１に戻る。

上述したとおりの油圧ショベルの作業腕制御装置２６の作用効果について、主として図１を参照して、説明する。

本発明に従って構成された油圧ショベルの作業腕制御装置２６は、作業腕１２の作業具が連結されるアーム１６の先端が、アームシリンダ２０およびブームシリンダ１８の同時操作によって略直線の軌跡Ｋに沿って、機体本体４に近づく方向にあるいは機体本体４から遠ざかる方向に、移動しているときには、アーム１６の作業具連結中心１７とブーム１４のアーム連結中心１５を結ぶ連結線Ｌがこの直線軌跡Ｋに対して直角（図５の位置（Ｂ））に近づくにつれ、ブームシリンダ１８の作動速度を、ブーム操作器２４の操作に応じた速度よりも遅くする。

したがって、簡単な構成で、オペレータのレバー操作量を最大限に反映しつつ、容易な操作で、水平面、法面などの均し作業時のブーム・アームの連動操作性を向上させることができる。

制御装置２６は、ブーム１４およびアーム１６それぞれの揺動角度を検出するブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０と、ブームシリンダ１８に圧油を給排するブーム制御弁３２をパイロット圧油によって操作するブーム操作器２４の一対のパイロット油路２５ａ、２５ｂそれぞれに設けられた一対の電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂと、コントローラ３６と、を備え、コントローラ３６は、（１）ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０の出力に基づいてアーム１６の先端が直線軌跡Ｋに沿って一定の時間Ｔ移動したと判定したときには、（２）この直線軌跡Ｋに対して連結線Ｌが直角に近づくにつれ、パイロット圧油を直角の状態を最大にして減圧する信号を電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂに出力する。

すなわち、ブーム角センサ２８およびアーム角センサ３０からの情報により、ブームシリンダ１８の伸長操作と収縮操作の切り替わる位置（図５（Ｂ））付近でのみ、電磁比例減圧弁３４ａ、３４ｂの働きにより、ブームシリンダ１８に作動油を給排するブーム制御弁３２の開度ストロークを、パイロット圧を減圧し小さくするので、シリンダ速度はブーム操作器２４の操作に対応した速度よりも遅くなる。

したがって、ブームシリンダ１８の伸長操作と収縮操作の切り替わる位置付近においては、シリンダ速度は小さいが、速度精度は高くなり、レバー操作量に対するシリンダ速度が遅くなる方向に特性が変わり、レバー操作量の範囲が拡大し、操作技量の低いオペレータでも均し作業が容易になる。

２：油圧ショベル
１２：作業腕
１４：ブーム
１５：アーム連結中心
１６：アーム
１７：作業具連結中心
１８：ブームシリンダ
２０：アームシリンダ
２４：ブーム操作器
２６：制御装置
２８：ブーム角センサ
３０：アーム角センサ
３２：ブーム制御弁
３４ａ、３４ｂ：電磁比例減圧弁
３６：コントローラ
Ｋ：直線軌跡
Ｌ：連結線

Claims (2)

1. 油圧ショベルの作業腕のアームおよびアームを連結したブームのアームシリンダおよびブームシリンダの同時操作によって作業具が連結されるアームの先端が一定の時間略直線の軌跡に沿って移動しているときには、
   アームの作業具連結中心とブームのアーム連結中心を結ぶ連結線がこの直線軌跡に対して直角に近づくにつれ、
   ブームシリンダの作動速度をブーム操作器の操作に応じた速度よりも遅くする制御装置を備えている、
   ことを特徴とする油圧ショベルの作業腕制御装置。
2. 制御装置が、
   ブームおよびアームそれぞれの揺動角度を検出するブーム角センサおよびアーム角センサと、
   ブームシリンダに圧油を給排するブーム制御弁をパイロット圧油によって操作するブーム操作器の一対のパイロット油路それぞれに設けられた一対の電磁比例減圧弁と、
   コントローラと、を備え、
   コントローラは、
   （１）ブーム角センサおよびアーム角センサの出力に基づいてアームの先端が該直線軌跡に沿って一定の時間移動したと判定したときには、
   （２）この直線軌跡に対して該連結線が直角に近づくにつれ、パイロット圧油を直角の状態を最大減圧とする信号を電磁比例減圧弁に出力する、
   ことを特徴とする請求項１記載の油圧ショベルの作業腕制御装置。

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