JP2011202478A

JP2011202478A - 作業機

Info

Publication number: JP2011202478A
Application number: JP2010073218A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Atono; 剛志後野
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP5757690B2

Abstract

【課題】操作部材がハンチングした場合であっても、簡単に油圧アクチュエータの動作を安定させることができるようにする。
【解決手段】パイロット圧に応じて油圧アクチュエータＡに作動油を供給する制御弁２７と、この制御弁３１へのパイロット圧を作動信号に応じて調整する電磁弁２８と、この電磁弁２８の作動信号を制御する制御部３１とを備えた作業機において、制御部３１は、油圧アクチュエータＡを操作するための操作部材２５の操作量に対応した大きさの作動信号Ｓ１を出力する第１信号制御手段４０と、操作部材２５の操作量の変化量が急峻であるときは第１信号制御手段４０による作動信号よりも小さな作動信号を当該第１信号制御手段４０に代えて電磁弁２８に出力する第２信号制御手段４１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バックホー等の作業機に関する。

従来より、油圧アクチュエータを作動させることでアームやブーム等のアタッチメントを作動させる作業機の油圧システムが開示されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の作業機の油圧システムでは、運転席に設けられた操作部材を操作すると、操作部材の操作量が制御部に入力され、当該制御部は、操作量に応じた電圧を比例電磁弁に出力して、当該比例電磁弁の電流を変化させることで比例電磁弁を作動させている。比例電磁弁の作動により制御弁のスプールにパイロット油を供給して当該スプールを動かして、制御弁を介して油圧アクチュエータに所定の作動油を供給することで、アタッチメントは動作するようになっている。

さて、作業者が操作部材を操作している状態から手を離すと、操作部材はスプリング等により勢いよく引き戻されて、中立位置を中心として揺動してしまうことがある。このような場合、比例電磁弁に出力する電流値が安定しないため、油圧アクチュエータが微動作してしまうことがある。操作部材が振動的に揺動した場合でも、油圧アクチュエータの動作を安定させる技術として特許文献２に示すものがある。

特開２００７−９２２８５号公報特許第３７３０８０１号

特許文献２では、操作部材が振動的に揺動している（ハンチングしている）か否かを判断するにために、所定時間、操作信号を入力して、その操作信号に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）の処理を行っている。そして、特許文献２では、操作部材が振動的に揺動していると判断すると操作信号に対して一次遅れの処理を行うことにより、油圧アクチュエータの動作を安定させている。

特許文献２では、操作部材が振動的に揺動しているか否かを判断するためにＦＦＴ処理をかけているが、ＦＦＴ処理を行うためには多くのサンプリングデータを取得する必要があり、判断するまでにある程度時間が必要である。そのため、操作部材が振動的に揺動している初期段階では、どうしても油圧アクチュエータが微動作することがある。また、ＦＦＴ処理を行うためには、処理が大変であると共に、コストもかかる虞がある。

本発明は上記問題点に鑑み、操作部材がハンチングした場合であっても、簡単に油圧アクチュエータの動作を安定させることができる作業機を提供することを目的とする。

この技術的課題を解決するための本発明の技術的手段は、パイロット圧に応じて油圧アクチュエータに作動油を供給する制御弁と、この制御弁へのパイロット圧を作動信号に応じて調整する電磁弁と、この電磁弁の作動信号を制御する制御部とを備えた作業機において、前記制御部は、前記油圧アクチュエータを操作するための操作部材の操作量に対応した大きさの作動信号を出力する第１信号制御手段と、操作部材の操作量の変化量が閾値を超えたときは前記第１信号制御手段による作動信号よりも小さな作動信号を当該第１信号制御手段に代えて電磁弁に出力する第２信号制御手段とを備えている点にある。

前記作動信号は電流とされており、前記第２信号制御手段は、操作部材の操作量の変化量が前記閾値を超えたときから当該第２信号制御手段における前記作動信号である電流値を徐々に減少させるように構成されていることが好ましい。
前記制御部は、操作部材の操作量の変化量が前記閾値を超えたときから所定時間繰り返して前記第２信号制御手段による制御を行うように構成されていることが好ましい。

前記制御部は、前記操作部材の操作量の変化量が前記閾値を超えたか否かを判定する判定部を備え、第２信号制御手段は、前記判定部により変化量が閾値を超えたと判断された際に前記第１信号制御手段にて設定された作動信号の大きさに基づいて当該第２信号制御手段における作動信号の大きさを求めるように構成されていることが好ましい。
前記制御部は、前記前記操作部材の操作量の変化量が閾値より小さくなったとき、前記第１信号制御手段による作動信号を出力することが好ましい。

本発明によれば、操作部材がハンチングした場合であっても、簡単に油圧アクチュエータの動作を安定させることができる。

油圧システムの制御部の構成を示した図である。油圧システムの油圧経路の構成を示した図である。操作部材の操作量と比例電磁弁への出力電流との関係を示した図である。操作部材を離してハンチングが発生した状態と、操作部材を持って操作したときの状態とを示した図である。操作部材の制御の流れを示しフローチャートである。第２信号制御手段の制御による電流値を示した図である。作業機の全体側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図７は、バックホー等の作業機を示している。
図７に示すように、作業機（バックホー）１は、下部の走行装置２と、上部の旋回体３とから構成されている。
走行装置２は、ゴム製覆帯を有する左右一対の走行体４を備え、両走行体４を走行モータＭで駆動するようにしたクローラ式走行装置が採用されている。また、該走行装置２の前部にはドーザ５が設けられている。

旋回体３は、走行装置２上に旋回ベアリング１１を介して上下方向の旋回軸回りに左右旋回自在に支持された旋回台１２と、該旋回台１２の前部に備えられた作業装置１３（掘削装置）とを有している。旋回台１２上には、エンジン７，ラジエータ８，運転席９，燃料タンク，作動油タンク等が設けられている。また、旋回台１２上には運転席９を囲むキャビン１４が設けられ、前記エンジン７は左右方向右側に配置されて開閉ボンネット等で覆われている。

作業装置１３は、旋回台１２の前部に左右方向の中央部よりやや右寄りにオフセットして設けられた支持ブラケット１６に上下方向の軸心回りに左右揺動自在に支持されたスイングブラケット１７と、該スイングブラケット１７に基部側を左右方向の軸心廻りに回動自在に枢着されて上下揺動自在に支持されたブーム１８と、該ブーム１８の先端側に左右方向の軸心廻りに回動自在に枢着されて前後揺動自在に支持されたアーム１９と、該アーム１９の先端側にスクイ・ダンプ動作可能に設けられたバケット２０とを備えている。

スイングブラケット１７は、旋回台１２内に備えられたスイングシリンダの伸縮によって揺動され、ブーム１８は、該ブーム１８とスイングブラケット１７との間に介装されたブームシリンダ２２の伸縮によって揺動され、アーム１９は、該アーム１９とブーム１８との間に介装されたアームシリンダ２３の伸縮によって揺動され、バケット２０は、該バケット２０とアーム１９との間に介装されたバケットシリンダ２１の伸縮によってスクイ・ダンプ動作される。

アーム１９の先端部には、バケット２０の代わりにグラップル，サム，ブレーカ，ブラッシュカッタ，チルトバケット，ロータリーグラーブル等のＳＰ用アタッチメントが装着できるようになっている。
また、アーム１９の先端部には、ＳＰ用アタッチメントを作動させるためのＳＰ用アクチューエータに対し、作動油を供給する作動油供給部（図示省略）が設けられている。運転席９の近傍又はキャビン１４内には、ブームシリンダ２２、アームシリンダ２３、バケットシリンダ２１等の油圧アクチュエータ及びＳＰ用油圧アクチュエータの各種アクチューエータ（各種アタッチメント）を操作する操作部材２５が左右方向又は前後方向に揺動自在に支持されている。

図１〜図２は、各種油圧アクチュエータを作動させる油圧システムの構成図を示している。
上述したように、作業機１は複数の油圧アクチュエータを有するものとなっているが、説明の便宜上、油圧システムの説明においては、複数の油圧アクチュエータをまとめたものを油圧アクチュエータＡとして説明する。

図１及び図２に示すように、油圧システム２６は、パイロット圧に応じて油圧アクチュエータＡに作動油を供給する制御弁２７と、この制御弁２７のパイロット圧を制御する一対の比例電磁弁２８，２８と、比例電磁弁２８，２８にパイロット油を供給する第１ポンプ２９と、制御弁２７に作動油を供給する第２ポンプ３０と、制御部（コントローラ）３１とを備えている。

制御部３１には、操作部材２５の操作量（例えば、操作角度θ）に対応した電圧等が入力され、この電圧に基づいて求められた電流（作動信号Ｓ１）が比例電磁弁２８，２８に入力されるものとなっている。操作部材（操作レバー）２５は、油圧アクチュエータＡ（アタッチメント）を操作するものであって、前後又は左右に揺動自在に支持されると共に、操作軸２５ａに嵌め込まれた弾性部材（例えば、スプリング）２５ｂによって中立位置に戻るように付勢されている。操作部材２５の操作量は、センサ２５ｂ（例えば、ポジションメータ）で検出されるようになっている。なお、操作部材２５は、弾性部材２５ｂによって中立位置に戻るように支持されていればよく、当該操作部材２５の支持機構は、ジョイスティック型など、どのようなものであってもよい。

一方の比例電磁弁２８Ｌは、１つの制御弁２７に対してそのスプールの一方に所定のパイロット圧のパイロット油を供給し、他方の比例電磁弁２８Ｒは、制御弁２７のスプールの他方に所定のパイロット圧のパイロット油を供給するものとなっている。
詳しくは、操作部材２５を中立位置より一方（例えば、左側）に揺動させると、制御部３１は操作部材２５の操作量に応じた電流を左側用の比例電磁弁２８Ｌのソレノイド３２Ｌに出力し、ソレノイド３２Ｌの電流を制御するものとなっている。ソレノイド３２Ｌの電流に応じてブランジャが移動し、制御弁２７へ供給されるパイロット油のパイロット圧が変化する。

一方で、操作部材２５を中立位置側より他方（例えば、右側）に揺動させると、制御部３１は操作部材２５の操作量に応じた電流を右側用の比例電磁弁２８Ｒのソレノイド３２Ｒに出力し、ソレノイド３２Ｒの電流を制御するものとなっている。ソレノイド３２Ｒの電流に応じてブランジャが移動し、制御弁２７へ供給されるパイロット油のパイロット圧が変化する。

このように、操作部材２５の操作量に応じて比例電磁弁２８Ｌ，２８Ｒを操作することで、制御弁２７のスプールに対して２方向からパイロット油を供給し、２方向に油圧アクチュエータＡが動作してアタッチメントが作動する。なお、上記では、操作部材２５を左右に揺動させた場合について説明したが、操作部材２５を前後に揺動させた場合も左右に揺動させた場合と同じであるため説明を省略する。

制御部３１は、操作部材２５の操作に応じて電流（作動信号Ｓ１）を出力して各比例電磁弁２８，２８を制御するものであって、第１信号制御手段４０と、第２信号制御手段４１と、判定部４２とを備えている。
第１信号制御手段４０は、操作部材２５の操作量に対応した大きさの電流（作動信号Ｓ１）を比例電磁弁（電磁弁）２８、２８に出力するものである。第２信号制御手段４１は、操作部材２５の操作量の変化量が急峻であるとき、即ち、操作部材の操作量の変化量が予め定められた閾値を超えたとき、第１信号制御手段４０による電流よりも小さな電流を第１信号制御手段４０に代えて比例電磁弁２８、２８に出力するものである。判定部４２は、操作部材２５の操作量の変化量が急峻であるか否か、即ち、操作部材２５の操作量の変化量が閾値を超えたか否かを判定するものである。

次に、第１信号制御手段、第２信号制御手段及び判定部について詳しく説明する。
図３は、第１信号制御手段の制御による操作部材の操作量と、比例電磁弁への出力電流との関係を示したものである。なお、説明の便利上、中立位置（原点Ｏ）における電流値を零として、操作部材を一方側に操作したときの電流値をプラス側と他方側に操作したときをマイナス側として説明する。

図３に示すように、第１信号制御手段４０は、操作部材２５を一方側又は他方側に操作して当該操作部材２５の操作量を徐々に大きくすると、その操作量に対応して比例電磁弁２８の電流値（絶対値）を徐々に大きくし、操作部材２５の操作量が徐々に小さくすると比例電磁弁２８への電流値（絶対値）を徐々に小さくなるように制御する。言い換えれば、第１信号制御手段４０は、操作部材２５の操作量に比例して比例電磁弁２８の電流を次第に増減させる変換線（変換関数）Ｌ１又は制御マップ（操作量を電流に置き換えるマップ）を有しており、変換線（変換関数）Ｌ１又は制御マップにより比例電磁弁２８の電流を調整する。

作業者（オペレータ）が操作部材２５を手でもって左右に動かすと、その操作量が制御部３１に入力され、入力された操作部材２５の操作量に応じて第１信号制御手段４０により比例電磁弁２８の電流値が決定され、油圧アクチュエータＡを操作することができる。
第２信号制御手段４１は、操作部材２５の変化量が急峻にあるときに、第１信号制御手段４０に代えて比例電磁弁２８の電流を制御するものである。

例えば、作業者が操作部材２５を持って一方側又は他方側に揺動させた状態から操作部材２５を手から離すと、操作部材２５は弾性部材２５ｂの付勢力によって中立位置へと引き戻されることになる。図４に示すように、このときの操作部材２５の引き戻しの速さは、通常、作業者が操作部材２５を手でもって操作する速さよりも速く（作業者が急に操作したときよりも早く）、操作部材２５の変化量は急峻となる。そして、図４の点線に示すように、操作部材２５は中立位置を中心として両方向に移動するハンチングが発生する。

このように、操作部材２５の変化量が急峻（作業者が手で持って操作部材２５を急激に操作したときの変化量よりも弾性部材２５ｂの付勢力によって引き戻される変化量の方が大きい状態）になると、制御部３１の制御は、第１信号制御手段４０から第２信号制御手段４１へと切り替わり、第２信号制御手段４１によって比例電磁弁２８を制御する。言い換えれば、操作部材２５の変化量が、図４の実線で示すような変化量よりも大きくなって閾値を超えたときに、制御部３１の制御は、第１信号制御手段４０から第２信号制御手段４１へと切り替わり、第２信号制御手段４１によって比例電磁弁２８を制御する。

例えば、まず、判定部４２によって、制御部３１に入力されている操作部材２５の操作量に基づいて所定時間当たり（例えば、０．０１秒秒）の操作量の変化量を算出する。そして、判定部４２にて算出された変化量が急峻に相当する値以上、即ち、図４の実線に示すような作業者が手で持って急激に操作したときの値（閾値）よりも大きいときに、操作部材２５の操作量の変化量が急峻であると判定して、第１信号制御手段４０の制御から第２信号制御手段４１へと切り替える。なお、制御部３１には、作業者が手で持って急激に操作したときの値（閾値）が記憶されている。

第２信号制御手段４１は、第１信号制御手段４０とは別に、比例電磁弁２８の電流を制御するための変換線（関数）又は制御マップを有している。例えば、第２信号制御手段４１は、式（１）に示す関数を備えており、比例電磁弁２８に出力される出力電流（制御電流）は、式（１）から求められるものとなる。
Ｉ_n+1＝Ｉ_n−ΔＩ×α_n （ｎ＝１、２、３・・・）・・・（１）
ここで、
Ｉ_n+1：比例電磁弁へ出力する出力電流（ｍＡ）
Ｉ_n：所定時間前の比例電磁弁の制御電流（ｍＡ）
ΔＩ：電流の変化量（ｍＡ）
α_n ：係数（倍率）
式（１）は、操作部材２５の変化量が急峻と判断されたとき（変化量が閾値を超えたとき）に適用されるもので、急峻と判断されてから式（１）による制御が開始される。具体的には、Ｉ₁（ｎ＝１）は、急峻直前の第１信号制御手段４０で求められる（設定される）電流値となり、Ｉ₂（ｎ＝２）が急峻時の比例電磁弁２８の出力電流となる。急峻と判定されてから続いて急峻状態が続くと、所定時間毎にｎがカウントアップされ、第２信号制御手段４１による制御が繰り返し行われるようになっている。式（１）に示すように、比例電磁弁２８に出力する出力電流は、第１信号制御手段４０に設定される電流値から電流の変化量を減算しているためため、当該比例電磁弁２８に出力する電流は、操作部材２５が同じ位置であっても、第１信号制御手段４０よりも小さな値となる。また、第２信号制御手段４１により、操作部材２５の操作量の変化量が急峻となったときから出力電流値は徐々に減少するものとなる。

つまり、第２信号制御手段４１は、操作部材４１の操作量の変化量が急峻であるとき（変化量が閾値を超えたとき）は第１信号制御手段４０にて求められる電流よりも小さな電流を第１信号制御手段４０に代わって徐々に減少して出力できるように構成されている。
また、上述したように、第２信号制御手段４１は、第１信号制御手段４０にて設定された作動信号の大きさ（電流値）に基づいて当該第２信号制御手段４１における作動信号の大きさ（電流値）を求めるように構成されている。

このように、通常動作のときの電流値（第１信号制御手段４０による電流値）を基準として、急激に操作したときの電流値（第２信号制御手段４１による電流値）を設定しているので、操作部材２５がハンチングを起こした場合であっても、比例電磁弁２８に多大な電流が出力されることを確実に防止することができ、油圧アクチュエータの動作が不安定となるショックを緩和することができる。

図５は、本発明の作業機における操作部材の制御の流れを示したものである。
まず、判定部４２は、ポジションメータ２５ｂにより検出された所定時間毎の操作量から操作部材２５の変化量を算出し、当該変化量が閾値以上であるか否かを判定する（Ｓ１）。判定部４２において、変化量が閾値以上であり、操作部材２５の位置が通常とは異なり急激（急峻）に変化したと判断すると（Ｓ１、ｙｅｓ）、Ｓ２へ進む。

次に、第２信号制御手段４１により、例えば、上述した式（１）を用いて比例電磁弁２８の出力電流を算出し（Ｓ２、Ｉ_n+1）、算出した出力電流を比例電磁弁２８に出力して比例電磁弁２８の制御を行う（Ｓ３）。そして、ポジションメータ２５ｂから操作部材２５の操作量を検出して、当該操作量と第１信号制御手段４０の変換線Ｌ１又は制御マップを用いて、第１信号制御手段４０による暫定電流値を求める（Ｓ４）。

制御部３１にて、Ｓ４の処理にて求めた暫定電流値と、Ｓ２の処理にて求めた出力電流値（Ｉ_n+1）とを比較し、暫定電流値が出力電流値（Ｉ_n+1）よりも小であると（Ｓ５、Ｎｏ）、操作部材２５の操作量の変化量が急峻である可能性があることからＳ１へ戻る処理となる。
一方、Ｓ４の処理にて求めた暫定電流値と、Ｓ２の処理にて求めた出力電流値（Ｉ_n+1）とを比較し、暫定電流値が出力電流値（Ｉ_n+1）よりも大であると（Ｓ５、ｙｅｓ）、Ｓ６に進み、暫定電流値を比例電磁弁２８に出力する。即ち、Ｓ４からＳ６へ至る処理では、第１信号制御手段４０によって、操作部材２５の操作量に対応した電流値（暫定電流値）を出力して比例電磁弁２８を制御していることになる。

加えて、Ｓ４からＳ５の処理によって操作部材２５急峻に移動している状態から通常通りに戻っているか否かを判断することができる。例えば、作業者が所定位置から操作部材２５を離して、一瞬、操作部材２５が急峻な動きをした後に、作業者が操作部材２５を持って操作し直したことを、Ｓ４からＳ５の処理によって検知することができる。
つまり、制御部３１は、操作部材２５の操作量の変化量が閾値より小さくなったとき、第１信号制御手段４０による作動信号を出力している。これにより、作業者が、操作部材２５から一旦手を離したが、その後直ぐに操作部材２５を手で持って操作したときに、直ちに通常の動作に戻ることができて、操作しやすい。

また、Ｓ５からＳ１の処理によって操作部材２５の操作量の変化量が閾値を超えたときから所定時間繰り返して第２信号制御手段４１による制御を行うことができる。
作業者が操作部材２５を揺動させた状態から操作部材２５から手を離すと、当該操作部材２５は弾性部材２５ｂによって勢い良く中立位置への引き戻され、図４に示すように、操作部材２５が中立位置を中心として揺動するハンチングが発生する。従来のように、操作部材２５がハンチングしている間も、その操作量に応じて比例電磁弁への出力電流を制御すると、比例電磁弁２８が正逆動作し、その結果、油圧アクチュエータの動作が不安定となってショックが発生する。中立位置を中心とし、手を離したときの位置から反対側へ操作部材２５が移動してしまうと、場合によっては、油圧アクチュエータが意図としない方向（操作部材２５を手を離す直前と異なる逆の方向）に動作してしまう虞もある。

一方、本発明によれば、第１信号制御手段４０に加えて、操作部材２５の操作量の変化量が急峻であるとき（変化量が閾値を超えたとき）は第１信号制御手段４０による電流値よりも小さな電流値を当該第１信号制御手段４０に代えて電磁弁に出力する第２信号制御手段４１を備えているため、操作部材２５を離したときの電流値を図６のように滑らかにすることができる。

そのため、作業者が操作部材２５を揺動させた状態から操作部材２５から手を離し、操作部材２５がハンチングしたとしても、図６に示すように、比例制御弁２８の出力電流は、時間がたつにしたがって徐々に減少するものとなるため、上述したような問題は生じず、油圧アクチュエータの動作が不安定となるショックを緩和することができると共に、油圧アクチュエータＡが意図しない方向に動作することを防止することができる。

なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
上記の実施形態では、比例電磁弁２８に出力する出力電流を、例えば、式（１）により求めるものとしているが、これに代え、図６に示すように、出力電流を時間が経過するにつれて徐々に減少させる別の関数や制御マップを予め用意していて第２信号制御手段４１による制御を行っても良い。

１作業機
２５操作部材
２７制御弁
２８電磁弁（比例電磁弁）
３１制御部（コントローラ）
４０第１信号制御手段
４１第２信号制御手段
Ａ油圧アクチュエータ
Ｓ１操作信号

Claims

パイロット圧に応じて油圧アクチュエータに作動油を供給する制御弁と、この制御弁へのパイロット圧を作動信号に応じて調整する電磁弁と、この電磁弁の作動信号を制御する制御部とを備えた作業機において、
前記制御部は、前記油圧アクチュエータを操作するための操作部材の操作量に対応した大きさの作動信号を出力する第１信号制御手段と、操作部材の操作量の変化量が閾値を超えたときは前記第１信号制御手段による作動信号よりも小さな作動信号を当該第１信号制御手段に代えて電磁弁に出力する第２信号制御手段とを備えていることを特徴とする作業機。
前記作動信号は電流とされており、前記第２信号制御手段は、操作部材の操作量の変化量が前記閾値を超えたときから当該第２信号制御手段における前記作動信号である電流値を徐々に減少させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の作業機。
前記制御部は、操作部材の操作量の変化量が前記閾値を超えたときから所定時間繰り返して前記第２信号制御手段による制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の作業機。
前記制御部は、前記操作部材の操作量の変化量が前記閾値を超えたか否かを判定する判定部を備え、第２信号制御手段は、前記判定部により変化量が閾値を超えたと判断された際に前記第１信号制御手段にて設定された作動信号の大きさに基づいて当該第２信号制御手段における作動信号の大きさを求めるように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の作業機。
前記制御部は、前記前記操作部材の操作量の変化量が閾値より小さくなったとき、前記第１信号制御手段による作動信号を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の作業機。