JP2012172382A

JP2012172382A - 掘削機

Info

Publication number: JP2012172382A
Application number: JP2011035003A
Authority: JP
Inventors: Haruo Go; 春男呉
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-21
Also published as: JP5615732B2

Abstract

【課題】操作者が操作レバーを操作して作業要素を急激に停止させようとした場合でも、作業要素が滑らかに停止するように制御して振動の発生を抑制し、操作者に対する違和感や不快感を無くすことを課題とする。
【解決手段】掘削機の制御装置３０は、検出器からの検出信号に基づいてアクチュエータに作用する慣性負荷を演算する慣性負荷演算部４２と、操作レバーの操作量に基づいて許容エネルギを演算する許容エネルギ演算部４６と、慣性負荷に基づいて停止パターンを作成し、停止パターンと操作レバーの操作から得られるレバー操作量とを比較するとともに、比較結果に応じて停止パターンに沿って作業要素の慣性エネルギが小さくなるように制御を行なう制御部４８とを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、アクチュエータにより駆動される作業要素を有する掘削機に関する。

掘削機の一例として、バケットで土砂を掘削するショベルが知られている。一般的なショベルにおいて、バケットは回動可能なアームの先端に取り付けられ、アームは回動可能なブームの先端に取り付けられる。バケットを所望の位置に移動するためには、ブームが取り付けられている上部旋回体を旋回させ、且つブーム及びアームを回動させる。

ブームを回動させてバケットの位置を移動する場合、ブームとアームとバケットの重量による慣性力がブームに働く。例えば、ブームを最大高さまで持ち上げる場合、ブームの回動範囲内でブームの回動運動を加速した後、回動範囲の端部（例えば、ブームの最大高さ）に近づいたらブームを減速して停止させる。このようなブームの回動運動は操作者が運転席の操作レバーを操作することで行なわれる。

例えば、ショベルの操作者は、ブームの可動範囲の端部（例えば、ブームの最大高さ）に近づくにつれて操作レバーの操作を次第に緩めてブームを徐々に減速させ、ブームが最大高さ位置となった時点で滑らかに停止させることがきる。ところが、操作者によっては（例えば操作に不慣れな操作者）、操作レバーによるブームの減速動作開始が遅すぎて、ブームが可動範囲の端部（例えば、ブームの最大高さ）に到達した際にもまだ大きな慣性モーメントが残っていることがある。この場合、ブームの可動範囲の端部（例えば、ブームの最大高さ）にブームが到達すると自動的にブームの回動が停止されるため、大きな慣性モーメントが残っている状態でブームが急激に停止されることとなる。このような状態では、ブームの慣性モーメントによりブーム自体が停止位置付近で振動するばかりでなく、ブームの振動に伴いショベル全体に振動が発生するため、操作者に違和感あるいは不快感を与えることとなる。

また、ブームの可動範囲の端部（例えば、ブームの最大高さ）ではなく、可動範囲内でブームを停止させる場合でも、操作者によるレバー操作（ブームを停止させるためのレバー操作）が急激であった場合には、ブームの停止位置でブームが振動し、これによりショベル全体も振動して操作者に違和感や不快感を与えることとなる。

上述の状況は、ショベルの旋回機構においても同様に生じる。すなわち、ショベルの旋回機構は上部旋回体を旋回させるものであり、上部旋回体を旋回させて旋回停止位置に近づいた際に、操作レバーを急激に戻した場合にも、大きな慣性モーメントを有する上部旋回体を急激に停止させることとなり、上部旋回体の停止位置付近で上部旋回体が振動し、これに伴いショベル全体も振動して操作者に違和感や不快感を与えることとなる。

そこで、旋回体の旋回中に慣性モーメントを検出して、慣性モーメントがある値を超えないように旋回用油圧モータに供給する作動油の流量を制限し、これにより操作者への違和感あるいは不快感を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−３７１０８号公報

上述の特許文献１に記載の技術では、旋回体の慣性モーメントを制限することで操作レバーの操作量に実際の動作がうまく追従するようにして操作者の違和感を抑制しているものであり、操作者が急激に操作レバーを停止位置に戻した場合には、上述のような旋回体やショベル全体の振動を抑制することはできない。また、ブームのように可動範囲が定められている場合において、可動範囲の端部において自動的に急激に停止される場合についても考慮されていない。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、操作者が操作レバーを操作して作業要素を急激に停止させようとした場合でも、作業要素が滑らかに停止するように制御して振動の発生を抑制し、操作者に対する違和感や不快感を無くすことを目的とする。

本発明の一実施態様によれば、作業要素の動作を制御するために操作者が操作する操作レバーと、該作業要素を駆動するアクチュエータと、該アクチュエータの動作を検出して検出信号を出力する検出器と、前記アクチュエータの駆動を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、該検出器からの検出信号に基づいて前記アクチュエータに作用する慣性負荷を演算する慣性負荷演算部と、前記慣性負荷に基づいて停止パターンを作成し、該停止パターンと前記操作レバーの操作から得られるレバー操作量とを比較するとともに、比較結果に応じて前記停止パターンに沿って前記作業要素の慣性エネルギが小さくなるように制御を行なう制御部とを有することを特徴とする掘削機が提供される。

上述の掘削機において、前記作業要素は、バケットと、バケットが取り付けられたアームと、アームが取り付けられたブームとを含み、前記検出器は、ブーム角度検出器、及びアーム角度検出器、を含み、前記慣性負荷演算部は、前記ブーム角度検出器から出力されるブーム角度検出信号と、前記アーム角度検出器から出力されるアーム角度検出信号とに基づいて、前記慣性負荷を演算し、前記制御部は、前記停止パターンに沿って、前記作業要素の慣性エネルギが小さくなるように前記ブームの駆動を制御することが好ましい。また、前記操作レバーの操作量に基づいて許容エネルギを演算する許容エネルギ演算部と、前記慣性負荷と前記許容エネルギとを比較し、前記慣性負荷が前記許容エネルギよりも大きいか否かを判定する判定部とを更に有し、前記制御部は、前記慣性負荷が前記許容エネルギよりも小さい場合には、前記操作レバーの操作量に基づいて前記ブームを制御することとしてもより。あるいは、前記操作レバーの操作に基づいてレバー操作量の変化率を算出するレバー操作量変化率算出部を更に有し、前記制御部は、前記レバー操作量変化率が閾値より大きい場合には、前記操作レバーの操作量に基づいて前記ブームを制御することとしてもよい。

また、上述の掘削機において、前記作業要素は、旋回機構により駆動され前記ブームが取り付けられた旋回体を含み、前記検出器は、旋回角度検出器を含み、前記慣性負荷演算部は、前記旋回角度検出器から出力される旋回角度検出信号に基づいて前記慣性負荷を演算し、前記制御部は、前記操作レバーの操作から得られる前記レバー操作量が前記停止パターンより小さい場合には、前記作業要素の慣性エネルギが小さくなるように前記旋回体の旋回駆動を制御することとしてもよい。また、前記操作レバーの操作に基づいてレバー操作量の変化率を算出するレバー操作量変化率算出部を更に有し、前記制御部は、前記レバー操作量変化率が閾値より大きい場合には、前記操作レバーの操作量に基づいて前記旋回体の旋回駆動を制御することとしてもよい。

本発明によれば、作業要素が急停止するようなレバー操作が操作者により行なわれても、操作者のレバー操作にかかわらず、作業要素が滑らかに停止するように制御して振動の発生を抑制し、操作者に対する違和感や不快感を無くすことができる。

掘削機の一例である油圧ショベルの側面図である。土砂を掘削中の油圧ショベルの概略側面図である。許容慣性エネルギを説明するための図である。ブームを上限位置又は下限位置で停止する際にレバー操作量を補正するためのシステムのブロック図である。図４のシステムを詳細に説明するための機能ブロック図である。ブームの上限又は下限位置における振動を防止するためのレバー操作量を説明するための図であり、（ａ）はブームシリンダの変位を示し、（ｂ）は慣性エネルギの変化を示し、（ｃ）はレバー操作量を示す。ブームを可動範囲の途中で停止する際のレバー操作量を補正するためのシステムのブロック図である。慣性エネルギと目標停止時間ｔｓとの関係を示す図である。図７のシステムを詳細に説明するための機能ブロック図である。実停止時間と予測停止時間の関係を説明するための図である。可動範囲の途中でブームを停止する際のブームの振動を防止する駆動制御のフローチャートである。可動範囲の途中でブームを停止する際の、ブームシリンダ位置、慣性エネルギ、及びレバー操作量の変化を示す図である。補正操作信号によりパイロット圧を生成してブーム上げ又はブーム下げの駆動制御を行なう構成の一例のブロック図である。補正操作信号によりパイロット圧を生成してブーム上げ又はブーム下げの駆動制御を行なう構成の他の例のブロック図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明が適用可能な掘削機の一例として油圧ショベルについて説明する。図１は掘削機の一例である油圧ショベルの側面図である。図２は土砂を掘削中の油圧ショベルの概略側面図である。油圧ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３からブーム４が延在し、ブーム４の先端にアーム５が接続される。さらに、アーム５の先端にバケット６が接続される。ブーム４、アーム５及びバケット６は、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によりそれぞれ油圧駆動される。また、上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０及び動力源としてのエンジン（図示せず）が搭載される。また、上部旋回体３には、油圧ショベルの作業要素の動作を制御するための制御装置であるコントローラ３０（図２参照）が設けられる。コントローラ３０は、オペレータ（操作者）からの指示、操作レバーからの操作信号、及び油圧ショベルの各部に設けられたセンサからの検出情報に基づいて、各作業要素の動作を制御する。コントローラ３０は電子制御装置であり、演算を行なうＣＰＵ及び記憶装置（メモリ）としてのＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えている。

ブーム４は上部旋回体３に対して上下に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にブーム角度センサＳ１（図２参照）が取り付けられている。ブーム角度センサＳ１により、水平方向からのブーム４の傾き角度であるブーム角θ１を検出することができる。

アーム５はブーム４の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にアーム角度センサＳ２（図２照）が取り付けられている。アーム角度センサＳ２によりブーム４に対するアーム５の角度を検出し、検出したアーム５の角度とブーム角θ１から、水平方向からのアーム５の傾き角度であるアーム角θ２を求めることができる。

バケット６はアーム５の先端に旋回可能に支持されており、旋回支持部（関節）にバケット角度センサ（図２参照）が取り付けられている。バケット角度センサＳ３によりアーム５に対するバケット６の角度を検出し、検出したバケットの角度、ブーム角θ１及びアーム角θ２から、水平方向からのバケット６の傾き角度であるバケット角θ３を検出することができる。

上部旋回体３を旋回させる旋回機構２には、旋回角度センサＳ４が設けられている。旋回角度センサＳ４により、上部旋回体３が正面を向いた位置からの角度である旋回角を検出することができる。

また、上部旋回体３に設けられたキャビン１０には、オペレータが操作する操作レバー２０ａが設けられた操作レバー装置２０が設けられている。オペレータは、操作レバー２０ａを操作することで、例えばブーム４の上げ下げを行なったり、上部旋回体３を旋回させることができる。

以上のような構成の油圧ショベルにおいて、作業要素に大きな慣性力が作用する作業工程として、例えばブーム上げ動作、ブーム下げ動作、及び旋回動作がある。ブーム上げ動作、ブーム下げ動作では、ブーム４、アーム５、バケット６、及びバケット６内の土砂等が慣性負荷となり、ブーム４を急速に停止する際に大きな慣性力がブーム４に作用する。ブーム４の上下可動範囲はブーム４を駆動するブームシリンダ７のストロークで決まっている。

ブーム４の上げ動作時にブーム上げ速度が大きいままブーム可動範囲の上限となると、ブームシリンダ７はそれ以上延びることができないためブーム４の上方への回動は急激に減速される。このとき、ブーム４を支持している部分に大きな慣性モーメントが作用するため、バケット６は上限位置に停止できずオーバーランしてから戻ることとなり、バケット６、アーム５、ブーム４を含む部分に振動が発生する。この振動に伴い、油圧ショベル自体も振動し、その振動は運転席にいるオペレータに違和感や不快感を与える。

ブーム４の下げ動作時も同様であり、ブーム４の下げ動作時にブーム下げ速度が大きいままブーム可動範囲の下限となると、ブームシリンダ７はそれ以上縮むことができないためブーム４の下方への回動は急激に減速される。このとき、ブーム４を支持している部分に大きな慣性モーメントが作用するため、バケット６は下限位置に停止できずオーバーランして、バケット６、アーム５、ブーム４を含む部分に振動が発生する。この振動に伴い、油圧ショベル自体も振動し、その振動は運転席にいるオペレータに違和感や不快感を与える。

以上のようなオペレータに違和感を与えるような振動は、ブーム４を可動範囲の上限及び下限の間の中間位置において急激に停止する際にも発生する。

また、旋回動作においても、上部旋回体３の旋回を急激に停止しようとすると上部旋回体３が旋回停止位置の前後に振動しながら停止するため、オペレータに違和感を与えることとなる。

ブーム４を可動範囲の上限及び下限で停止する場合には、ブーム４の停止位置がわかっているため、ブーム４が停止位置に近くなっても大きな速度で移動している場合に停止位置の手前から予め設定された減速パターンで強制的に減速させることで、ブーム４の急激な減速を抑制することができる。

一方、ブーム４の可動範囲の途中で停止する場合や、旋回動作を停止する場合には、どこで停止するかが分らないため、オペレータのレバー操作から停止しようとしていることを予測し、停止を予測した時点から予め設定された減速パターンで強制的に減速させることで、ブーム４の回動動作や上部旋回体３の旋回動作における急激な減速を抑制することができる。

まず、ブーム４を可動範囲の上限及び下限で停止する場合におけるブーム４の減速制御について説明する。

図３はブームシリンダ７の変位に対するブーム４の許容慣性エネルギＥａを示すグラフである。図３において、ブームシリンダ７のロッドが最も延びた位置又は最も引き込まれた位置がエンド位置として示されている。エンド位置は、ブームシリンダ７がそれ以上延びることはできない（それ以上変位することはできない）位置又はそれ以上引き込むことができない（それ以上変位することはできない）位置であり、ブーム４の先端が最大高さ又は最小高さになった状態の位置である。

図３において実線で示された許容慣性エネルギは、ブーム４を最大速度で回動している状態から減速して上限位置、下限位置（ブームシリンダのエンド位置に相当）で停止させるときに、停止位置でブーム４に振動が発生しないか、振動が発生してもオペレータに違和感や不快感を与えないような大きさの慣性エネルギである。ブームシリンダ７のエンド位置は予め分っており、ブームシリンダ７の変位速度（すなわち、ブーム４の回動速度）がわかれば、どのくらい手前から減速を始めてどのように減速すればよいかについて予め設定しておくことができる。

図３の実線で示す許容慣性エネルギは、シリンダ変位が小さいうちは、ブーム４が最大速度で駆動されているときにブーム４が有する慣性エネルギＥａ０に等しい。シリンダ変位が大きくなるに連れ、エンド位置に近づくため、それ以上最大速度で駆動されているとエンド位置で滑らかに停止できなくなる。

図３において点線で示す慣性エネルギは、実際にオペレータにより操作された操作レバーからの操作信号によりブームシリンダ７が駆動された場合のブーム４の慣性エネルギの一例である。この実際の慣性エネルギが許容慣性エネルギを超えなければ、ブーム４を滑らかに上限位置又は下限位置（エンド位置）で停止することができる。

そこで、操作レバーから実際に出力される操作信号に従って駆動した際の慣性エネルギが、許容慣性エネルギを超えたか否かを判定し、超えた場合は急減速とならないように超えた位置（すなわち、ｔｓ１）から、許容慣性エネルギに沿うように減速を始める。

ここで、上述の制御を行なうためのシステム構成について説明する。図４はレバー操作量を表す操作信号を修正するシステムの概略ブロック図である。

図４において、まず、油圧ショベルの各作業要素４０の動作検出値が、コントローラ３０の慣性負荷演算部４２に入力される。慣性負荷演算部４２は、入力された作業要素４０の動作検出値に基づいて作業要素４０の慣性エネルギを演算により求め、求めた慣性エネルギをコントローラ３０の判定部４４に供給する。一方、コントローラ３０の許容エネルギ演算部４６は、オペレータのレバー操作量を表す操作信号に基づいてブーム４の許容慣性エネルギを演算により求め、求めた許容エネルギを判定部４４に供給する。

判定部４４は、慣性負荷演算部４２から供給された慣性エネルギと許容エネルギ演算部４６から供給された許容慣性エネルギとを比較し、どちらが大きいかを判定する。判定部４４は、慣性負荷演算部４２から供給された慣性エネルギのほうが許容慣性エネルギより大きい場合は、慣性エネルギが大きすぎるためブーム４の上限又は下限位置で停止した際に振動が発生するおそれがあると判断し、判定結果をコントローラ３０の制御部４８に供給する。

制御部４８は判定部４４からの判定結果に基づいて、ブーム４が滑らかに減速して上限又は下限位置（ブームシリンダ７のエンド位置に相当）において停止するような操作信号の変化パターン（以下、停止パターンと称する）を作成し、停止パターンを操作信号としてコントローラ３０の切替部５０に供給する。

切替部５０には実際にオペレータが操作レバーを操作して生成された操作信号も供給される。切替部５０は、通常は、実際のレバー操作により生成された操作信号をそのまま作業要素４０に出力するが、制御部４８から操作信号が供給されたときは、実際のレバー操作による操作信号の代わりに制御部４８からの操作信号を作業要素４０に出力する。

上述の構成を図５を参照しながらより詳しく説明する。油圧ショベルの場合、作業要素４０として、ブーム４、アーム５、バケット６、及び上部旋回体３の旋回機構２がある。ブーム４の動作検出値はブーム角度センサＳ１が検出するブーム角度であり、アーム５の動作検出値はアーム角度センサＳ２が検出するアーム角度であり、バケット６の動作検出値はバケット角度センサＳ３が検出するバケット角度である。また、上部旋回体３の旋回機構２の動作検出値は旋回角度センサＳ４が検出する旋回角度である。

慣性負荷演算部４２は、ブーム角度の変化からブームシリンダ７の動作速度を演算により求め、アーム角度の変化からアームシリンダ８の動作速度を演算により求め、バケット角度の変化からバケットシリンダ９の動作速度を演算により求める。また、慣性負荷演算部４２は、旋回角度の変化から上部旋回体３の旋回速度を演算により求める。そして、慣性負荷演算部４２は、例えばブーム上げ動作を行なっているときには、バケット６とアーム５とブーム４の重量と、ブームシリンダ７の動作速度とから、ブーム４に作用している慣性力（すなわち、慣性エネルギ）を演算により求める。ブーム５及びバケット６に関しても、同様にして慣性力を演算により求める。あるいは、旋回動作を行なっているときには、上部旋回体３の重量と、上部旋回体３の旋回速度とから、上部旋回体３に作用している慣性力（すなわち、慣性エネルギ）を演算により求める。以上のようにして慣性負荷演算部４２が求めた慣性エネルギは、判定部４４に供給される。ここで、慣性エネルギの算出には、必ずしもバケットシリンダの動作速度を用いる必要はない。また、旋回動作の慣性エネルギは、旋回速度のみを用いて演算により算出してもよい。

一方、許容エネルギ演算部４６は、操作レバーの操作量から許容慣性エネルギを演算により求める。許容慣性エネルギは、例えばブーム４の回動動作の場合、上限又は下限位置までブーム４の先端が回動する過程で図３の実線で示すように変化するように設定される慣性エネルギである。ブーム４が停止するまでの慣性エネルギが、許容慣性エネルギを超えないように回動速度を調整することにより、ブーム４を滑らかに減速しながら上限又は下限位置に停止させることができる。すなわち、ブーム４の慣性エネルギが許容エネルギを超えないように回動速度を調整することで、ブーム４は上限又は下限位置において滑らかに停止する。これにより、停止時の衝撃が抑制され、また停止時の振動が抑制されて、オペレータに対する違和感や不快感を低減することができる。言い換えれば、許容エネルギは、オペレータに違和感や不快感を与えない程度に緩やかに減速するための慣性エネルギの上限値である。

判定部４４において、慣性負荷演算部４２で求めた慣性エネルギが許容慣性エネルギを超えているか否かが判定される。慣性エネルギが許容慣性エネルギを超えていなければ、ブーム４は滑らかに停止できる回動速度で操作されていると判定し、レバー操作量を調整せずに実際のオペレータの操作に任せる。一方、慣性エネルギが許容慣性エネルギを超えたと判定された場合は、判定部４４はレバー操作量を補正するように制御部４８に指示する。

レバー操作量を補正するように指示された制御部４８は、実際のブーム４の慣性エネルギが許容慣性エネルギ沿って変化するようにブーム４を制御することのできるレバー操作量のパターンを生成する（図６（ｃ）参照）。そして、制御部４８は、レバー操作量と生成されたパターンとを比較し、レバー操作量が停止パターンより大きいと、作成したパターンに応じた補正操作信号を切替部５０に供給する。切替部は５０は、制御部４８から補正操作信号が供給されると、実際のレバー操作により生成れて供給されている操作信号の代わりに、制御部４８からの補正操作信号を作業要素４０（この場合、ブーム４）を駆動するための制御機構に供給する。一方、レバー操作量が停止パターン以下であれば、レバー操作量を調整せずに実際のオペレータの操作に任せる。

図６はブーム４の上限又は下限位置における振動を防止するためのレバー操作量を説明するための図であり、（ａ）はブームシリンダの変位を示し、（ｂ）は慣性エネルギの変化を示し、（ｃ）はレバー操作量を示す。

図６（ｂ）に示すように、慣性負荷演算部４２で求めた実際の慣性エネルギが、時刻ｔｓ１において許容慣性エネルギを超えると、あらかじめ設定された慣性エネルギと目標停止時間ｔｓとの関係（図８参照）に基づき、制御部４８は図６（ｃ）の実線に示すようなレバー操作量の補正パターンを生成し、補正パターンに応じた操作信号を生成する。レバー操作量と生成されたパターンとを比較し、レバー操作量が停止パターンより大きいと、この補正操作信号によりブーム４は制御され、ブーム４の慣性エネルギは、図６（ｂ）の実線で示すように許容慣性エネルギ（一点鎖線で示す）に沿って変化する。したがって、ブームシリンダ変位は図６（ａ）の実線で示すようにほとんど振動することなく、シリンダエンド位置で停止する。

なお、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）における点線は、実際の操作レバーの操作のとおりにブーム４を駆動した場合を示す線であり、ブームシリンダエンドよりオーバーシュートして振動しながらブームシリンダエンドに収束することが示されており、これに対応して慣性エネルギも振動しながらゼロになることがわかる。

一方、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）における実線は、レバー操作量の補正パターンにより生成した操作信号によりブーム４を駆動した場合を示す線であり、ほとんど振動することなくブームシリンダエンドに停止することがわかる。

次に、ブーム４の可動範囲の途中でブーム４を停止する場合におけるブーム４の減速制御について図７を参照しながら説明する。

ブーム４の可動範囲の途中でブーム４を停止する場合は、ブームの停止位置は予めわかっておらず、オペレータが任意の位置で停止するように操作レバーで操作する。したがって、この場合、オペレータがブーム４を停止しようとしていること、及び停止しようとしている位置を予測する必要がある。

したがって、ブーム４の可動範囲の途中でブーム４を停止する場合におけるブーム４の減速制御システムでは、上述の許容エネルギ演算部４６の代わりにレバー操作量変化率算出部５２が設けられ、算出されたレバー操作量変化率ｋｒ１が判定部４４へ送信される。

判定部４４は、レバー操作量変化率ｋｒ１と閾値ｋｒ０とを比較してどちらが長いかを判定する。レバー操作量変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０以上である場合（ここで、ｋｒ１とｋｒ０はともにマイナスの値）は、停止動作ではないと判断し、レバー操作量を補正せず、オペレータの操作に任せる。一方、レバー操作量変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０より小さい場合は、停止動作と判断し、停止パターンと操作量とを比較する指示を制御部４８に送る。

停止パターンと操作量とを比較する指示を受けた制御部４８は、あらかじめ設定された慣性エネルギと目標停止時間ｔｓとの関係（図８参照）に基づき、そのときの目標停止時間ｔｓを算出する。ここで、目標停止時間ｔｓとは、ブーム４の現在の速度から減速が開始されて停止する場合に、ブーム４を滑らかに停止するために必要な停止時間である。そして、制御部４８は、算出された目標停止時間ｔｓでブーム４を停止するような停止パターンを算出し、レバー操作量と生成された停止パターンとを比較する。レバー操作量が停止パターンより小さいと、制御部４８は、停止パターンに応じた補正操作信号を切替部５０に供給する。切替部５０は、制御部４８から補正操作信号が供給されると、実際のレバー操作により生成されて供給されている操作信号の代わりに、制御部４８からの補正操作信号を、作業要素４０（この場合、ブーム４）を駆動するための制御機構に供給する。

上述の構成を図９を参照しながらより詳しく説明する。慣性負荷演算部４２は、図３に示す慣性負荷演算部４２と同様の機能を有する。したがって、例えばブーム上げ動作を行なっているときには、慣性負荷演算部４２は、バケット６とアーム５とブーム４の重量と、ブームシリンダ７の動作速度とから、ブーム４に作用している慣性力（すなわち、慣性エネルギ）を演算により求める。

一方、制御部４４は、慣性負荷演算部４２から供給されるブーム４の慣性エネルギから、現時点から滑らかに減速してブーム４を停止するために必要な時間として目標停止期間ｔｓを求める。目標停止時間ｔｓはブーム４が有する慣性エネルギに比例しており、慣性エネルギと目標停止時間ｔｓとの間の関係式を用いて算出することができる。あるいは、慣性エネルギと目標停止時間ｔｓとの関係を示すマップを準備しておき、慣性エネルギの値から目標停止時間ｔｓを求めてもよい。

オペレータが操作レバーを操作すると、図１０（ａ）に示すようにレバー操作量の変化率ｋｒが変化する。レバー操作量の変化率ｋｒは、図１０（ａ）に示すレバー操作量の変化を微分することで求められる。すなわち、レバー操作量の変化率ｋｒはレバーを操作する速さに相当する。レバー操作量の変化率ｋｒが正の値（プラス）のときは加速中であり、負の値（マイナス）のときは減速中であると判断できる。レバー操作量の変化率ｋｒは、図１０（ａ）のグラフにおけるレバー操作量ｐｐを示す線の傾きに相当する。

そこで、判定部４４は、変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０より小さくなると、停止動作と判断する。

図１１は可動範囲の途中でブームを停止する際のブームの振動を防止する駆動制御のフローチャートである。

図１１を参照すると、まず、ステップＳ１において、停止時間演算部５２は、操作レバーが操作されているかについて判定する。この判定は、レバー操作量ｐｐが閾値ｐｐｓより大きい（ｐｐ＞ｐｐｓ）か否かを判定することで行なう。レバー操作量ｐｐが閾値ｐｐｓ以下（ｐｐ≦ｐｐｓ）である場合は、ステップＳ１の判定を繰り返して行なう。ステップＳ１においてレバー操作量ｐｐが閾値ｐｐｓより大きい（ｐｐ＞ｐｐｓ）と判定されると、処理はステップＳ２へ進む。

続いて、ステップＳ２において、レバー操作量変化率算出部５２は、オペレータが操作レバーを操作して減速を開始したか否かを判定する。この判定は、図１０（ｂ）に示すようにレバー操作量の変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０より小さな値（マイナスの値）となったか否かを判定することにより行なう。オペレータが減速操作を開始すると、レバー操作量の変化率ｋｒ１は閾値ｋｒ０より小さな値（マイナスの値）となる。

ステップＳ２において、レバー操作量の変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０より小さな値（マイナスの値）でな無いと判定されると、処理はステップＳ１に戻る。一方、レバー操作量の変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０より小さな値（マイナスの値）であると判定されると、レバー操作量変化率算出部５２は、ステップＳ３において慣性エネルギに基づいて目標停止時間ｔｓを算出し、停止するための操作量である停止パターンを求める。

続いて、ステップＳ４において、制御部４８は、操作量と停止パターンとを比較し、操作量が停止パターンよりも小さいか否かを判定する。操作量が停止パターン以上である場合は、ブーム４を滑らかに停止するように減速操作がなされていると判断し、処理はステップＳ１に戻る。一方、操作量が停止パターンよりも小さい場合は、オペレータのレバー操作が急激でブーム４が急停止すると判断し、処理はステップＳ５に進む。

制御部４８は、ステップＳ５において、ステップＳ３で設定した停止パターンに応じた補正操作信号を生成する。そして、制御部４８は生成した補正操作信号を切替部５０に供給し、処理を終了する。

以上の処理により、切替部５０からは、補正操作信号が作業要素４０（ブーム４）の駆動機構に供給されて作業要素４０（ブーム４）は補正操作信号により駆動される。したがって、オペレータによる作業要素４０（ブーム４）の操作が急停止であると判定されたときには、作業要素４０の駆動機構に対して補正操作信号が供給され、オペレータの操作にかかわりなく作業要素４０が滑らかに停止するよう制御される。

図１２は図１１に示す処理により可動範囲の途中でブームを停止する際の、ブームシリンダ位置、慣性エネルギ、及びレバー操作量の変化を示す図である。

図１２（ａ）にはブームシリンダ７の変位が示されている。図１２（ａ）の実線は、ブーム４が補正操作信号により制御されて停止するときのブームシリンダ７の変位を示している。図１２（ａ）の点線は、補正操作信号を生成しないでオペレータのレバー操作による操作信号のまま駆動制御を行なった場合のブームシリンダ７の変位を示しており、オペレータの操作が急激な操作であるため、ブームシリンダ７の変位に振動が生じていることがわかる。一方、図１２（ａ）の実線で示すブームシリンダ７の変位は、補正操作信号により制御されて目標停止時間ｔｓにおいて停止するように制御されるため、滑らかに停止位置に到達していることがわかる。

図１２（ｂ）には慣性エネルギの変化と目標停止時間ｔｓの変化が示されている。目標停止時間ｔｓは、一点鎖線で示すように慣性エネルギＥが大きくなるにつれて大きくなる。ブーム４の慣性エネルギは、補正をしないで急停止した場合は点線で示すように振動しながら減衰するが、補正操作信号により制御することで実線で示すように滑らかに変化する。

図１２（ｃ）には、レバー操作量の変化とレバー操作量の変化率ｋｒの変化が示されている。オペレータの操作のままのレバー操作量は、点線で示すように時間ｔｒで急激にゼロになる。しかし、時間ｔ１にて変化率ｋｒ１が閾値ｋｒ０より小さいと判断されるとともに、操作量が停止パターンよりも小さいと判断されると、実線で示すように目標停止時間ｔｓで滑らかにゼロになるパターンに応じて制御する。このため、ブーム４が停止したときには、図１２（ａ）の実線で示すように振動は発生せずに滑らかに停止する。

以上の説明はブーム４を可動範囲の途中で停止する場合についてであるが、上部旋回体３の旋回運動を停止する場合についても同様な制御とすることができる。上述の説明において、ブーム４及びブームシリンダ７をそれぞれ上部旋回体３及び旋回用モータに置き換えて解釈すればよい。

次に、補正操作信号によるブーム４の駆動制御について説明する。

図１３は補正操作信号によりパイロット圧を生成してブーム上げ又はブーム下げの駆動制御を行なう構成のブロック図である。オペレータが操作する操作レバー装置２０の操作信号生成部２０ｂで生成された操作信号（電気信号）は、切替部５０を介して、ブーム上げ用電磁比例弁６０又はブーム下げ用電磁比例弁６２に供給される。

ブーム上げ用電磁比例弁６０及びブーム下げ用電磁比例弁６２には、パイロット圧ポンプ６４からパイロット圧が供給されている。ブーム上げ用電磁比例弁６０及びブーム下げ用電磁比例弁６２は、切替部５０から供給される操作信号又は補正操作信号によりパイロット油圧を調整してコントロールバルブ６６に供給する。コントロールバルブ６６はパイロット圧作動型のバルブであり、供給されるパイロット圧に基づいて、メインポンプから供給される油圧をブームシリンダ７や他の油圧負荷へ供給するよう制御する。

一方、上述のように制御部４８において生成された補正操作信号も、切替部５０に供給される。切替部５０は、補正操作信号が供給されていないときは、操作レバー装置２０からの操作信号をブーム上げ用電磁比例弁６０又はブーム下げ用電磁比例弁６２に供給するが、補正操作信号が供給されたときには、操作レバー装置２０からの操作信号の代わりに補正操作信号をブーム上げ用電磁比例弁６０又はブーム下げ用電磁比例弁６２に供給する。これにより、補正操作信号に応じたパイロット圧がブーム上げ用電磁比例弁６０又はブーム下げ用電磁比例弁６２により生成され、このパイロット圧によりコントロールバルブ６６が制御されての油圧がブームシリンダ７に供給され、ブーム４が駆動制御される。

なお、図１４に示すように、コントロールバルブ６６を電磁作動型のバルブとしておくことで、切替部５０からの操作信号又は補正操作信号をそのままコントロールバルブ６６に供給して油圧供給を制御することもできる。

１下部走行体
２旋回機構
３上部旋回体
４ブーム
５アーム
６バケット
７ブームシリンダ
８アームシリンダ
９バケットシリンダ
１０キャビン
２０操作レバー装置
２０ａ操作レバー
３０コントローラ
４０作業要素
４２慣性負荷演算部
４４判定部
４６許容エネルギ演算部
４８制御部
５０切替部
５２停止位置演算部
６０ブーム上げ用電磁比例弁
６２ブーム下げ用電磁比例弁
６４パイロット圧ポンプ
６６コントロールバルブ
Ｓ１ブーム角度センサ
Ｓ２アーム角度センサ
Ｓ３バケット角度センサ
Ｓ４旋回角度センサ

Claims

作業要素の動作を制御するために操作者が操作する操作レバーと、
該作業要素を駆動するアクチュエータと、
該アクチュエータの動作を検出して検出信号を出力する検出器と、
前記アクチュエータの駆動を制御する制御装置と
を有し、
前記制御装置は、
該検出器からの検出信号に基づいて前記アクチュエータに作用する慣性負荷を演算する慣性負荷演算部と、
前記慣性負荷に基づいて停止パターンを作成し、該停止パターンと前記操作レバーの操作から得られるレバー操作量とを比較するとともに、比較結果に応じて前記停止パターンに沿って前記作業要素の慣性エネルギが小さくなるように制御を行なう制御部と
を有することを特徴とする掘削機。
請求項１記載の掘削機であって、
前記作業要素は、バケットと、バケットが取り付けられたアームと、アームが取り付けられたブームとを含み、
前記検出器は、ブーム角度検出器、及びアーム角度検出器、を含み、
前記慣性負荷演算部は、前記ブーム角度検出器から出力されるブーム角度検出信号と、前記アーム角度検出器から出力されるアーム角度検出信号とに基づいて、前記慣性負荷を演算し、
前記制御部は、前記停止パターンに沿って、前記作業要素の慣性エネルギが小さくなるように前記ブームの駆動を制御する
ことを特徴とする掘削機。
請求項２記載の掘削機であって、
前記操作レバーの操作量に基づいて許容エネルギを演算する許容エネルギ演算部と、
前記慣性負荷と前記許容エネルギとを比較し、前記慣性負荷が前記許容エネルギよりも大きいか否かを判定する判定部と
を更に有し、
前記制御部は、前記慣性負荷が前記許容エネルギよりも小さい場合には、前記操作レバーの操作量に基づいて前記ブームを制御することを特徴とする掘削機。
請求項２又は３記載の掘削機であって、
前記操作レバーの操作に基づいてレバー操作量の変化率を算出するレバー操作量変化率算出部を更に有し、
前記制御部は、前記レバー操作量変化率が閾値より大きい場合には、前記操作レバーの操作量に基づいて前記ブームを制御する
ことを特徴とする掘削機。
請求項１又は２記載の掘削機であって、
前記作業要素は、旋回機構により駆動され前記ブームが取り付けられた旋回体を含み、
前記検出器は、旋回角度検出器を含み、
前記慣性負荷演算部は、前記旋回角度検出器から出力される旋回角度検出信号に基づいて前記慣性負荷を演算し、
前記制御部は、前記操作レバーの操作から得られる前記レバー操作量が前記停止パターンより小さい場合には、前記作業要素の慣性エネルギが小さくなるように前記旋回体の旋回駆動を制御する
ことを特徴とする掘削機。
請求項５記載の掘削機であって、
前記操作レバーの操作に基づいてレバー操作量の変化率を算出するレバー操作量変化率算出部を更に有し、
前記制御部は、前記レバー操作量変化率が閾値より大きい場合には、前記操作レバーの操作量に基づいて前記旋回体の旋回駆動を制御する
ことを特徴とする掘削機。