JP2013124461A - 油圧ショベルの荷重計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量を正確に把握することができる油圧ショベルの荷重計測装置の提供。
【解決手段】シリンダ速度検出手段で検出される駆動速度に基づいてブームシリンダ５を一定の速度で伸縮駆動させるシリンダ駆動手段２２と、ブームシリンダ５のボトム側及びロッド側の圧力を検出する圧力センサ１１，１２と、検出された各圧力に基づいて、ブームシリンダ５のブームに対する支持力を演算するシリンダ支持力演算手段３１と、フロント作業機１の姿勢を検出する姿勢検出手段と、検出された姿勢及び演算された支持力に基づいて、スクラップの重量を演算する荷重演算手段３２とを備え、シリンダ支持力演算手段３１は、ブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において姿勢検出手段で検出される姿勢が同一のときの支持力を平均する支持力平均手段を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フロント作業機が運搬する荷の重量を計測する油圧ショベルの荷重計測装置に関する。

一般的に、油圧ショベルはフロント作業機を備え、このフロント作業機は、油圧によって動作する油圧シリンダと、この油圧シリンダによって駆動する作業具と、この作業具に取付けられるアタッチメントとを含んでいる。そして、フロント作業機を操作する操作者が、フロント作業機のアタッチメントを動かして荷をある箇所から別の箇所へ移送する作業を行っている。

例えば、アタッチメントとしてバケットを使用した場合には、建設現場において掘削して堆積された土砂をバケットに入れて運搬したり、あるいはアタッチメントとしてマグネットを使用した場合には、スクラップ処理場において発生した金属スクラップをマグネットで吸着して運搬するようにしている。そして、これらの土砂や金属スクラップ等の荷はトラックの荷台に積み込まれ、目的地へ輸送される。

ここで、公共の道路を走行するトラックには最大積載量が設定されているので、トラックが作業場所から公共の道路に出る前に備え付けの台貫場に移動してトラックの荷台の積載量を正確に計量することにより、荷台の積載量をトラックの最大積載量以下に抑える必要がある。

しかし、フロント作業機を操作する操作者は、積み込み作業時においてトラックに積み込まれた積載量を把握するために、トラックの荷台の積載物の外観から操作者自身の経験を基に判断しているので、荷台の積載量が最大積載量になるまで余裕があることも多く、トラックの輸送効率が低くなる虞があった。また、操作者がフロント作業機を操作して積み込み作業を行いながら、トラックの荷台に積み込んだ積載量を正確に把握できれば、作業場所からトラックを台貫場へ移動させなくても荷台に積み込む量を調整できるので、計量の手間を省くことができ、作業効率を向上させることができる。

そこで、フロント作業機を操作しながら荷の重量を把握できる従来技術の１つとして、手動操作に応じて、荷の重量の計測を行うことを指令する計測指令信号を出力する計測指令手段と、この計測指令手段からの計測指令信号に連動し、ブームに作用する保持力、すなわちブームに対する支持力を算出するための演算が行われる前にブームシリンダのボトム側油室及びロッド側油室に対して交互に、ブームシリンダを伸縮させない程度の油圧を供給し、ブームシリンダを微小振動させるブームシリンダ微小振動手段とを備えた建設機械の荷重計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この従来技術の建設機械の荷重計測装置は、ブームシリンダ微小振動手段によってブームシリンダを微小振動させることにより、ブームシリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる静止摩擦力の偏りを低減し、フロント作業機の先端部に作用する荷の重量の計測値が不安定になることを防いでいる。従って、操作者は荷をフロント作業機のアタッチメントでトラックの荷台に積み込む際に、従来技術の荷重計測装置を使用して荷の重量を計測し、その重量を合計することによって荷台に積み込まれた積載量を知ることができる。

特開２００７−１９７１３３号公報

しかし、特許文献１に開示された従来技術の建設機械の荷重計測装置は、上述したようにフロント作業機の先端部に作用する荷の重量の計測において、ブームシリンダ微小振動手段でブームシリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる静止摩擦力を低減するようにしているが、この静止摩擦力自体を完全に排除することができず、また静止摩擦力の大きさを計測することもできないので、静止摩擦力によって荷の重量の計測に誤差が生じることが問題になっている。

特に、トラックの荷台に積み込まれた積載量を計量する場合には、フロント作業機のアタッチメントで荷をトラックの荷台に積み込む度に従来技術の荷重計測装置で荷の重量を計測し、その重量を合計しているので、各計測において生じた誤差が積算されることになる。従って、荷の重量の計測を重ねる毎にトラックの荷台の積載量の計量に対して静止摩擦力による誤差も大きくなるので、操作者がアタッチメントで荷台に積み込んだ荷の重量と実際に荷台に積み込まれた積載量が合致しないことが懸念されている。このように、従来技術の建設機械の荷重計測装置は、フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量の計測精度が低く、トラックの荷台の積み込み作業において不都合が生じるので、荷の重量を正確に把握することができる装置が要望されている。

本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量を正確に把握することができる油圧ショベルの荷重計測装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の油圧ショベルの荷重計測装置は、フロント作業機を備えた油圧ショベルに設けられ、前記フロント作業機は、油圧によって動作する油圧シリンダと、この油圧シリンダによって駆動する作業具と、この作業具に取付けられるアタッチメントとを含み、前記アタッチメントを動作させて運搬する荷の重量を計測する油圧ショベルの荷重計測装置において、前記油圧シリンダの駆動速度を検出するシリンダ速度検出手段と、前記荷の重量の計測の開始を指令する計測指令手段と、この計測指令手段による指令を受けたとき、前記シリンダ速度検出手段によって検出される駆動速度に基づいて前記油圧シリンダを一定の速度で伸縮駆動させるシリンダ駆動手段と、前記油圧シリンダのボトム側及びロッド側に作用する圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段によって検出された各圧力に基づいて、前記油圧シリンダの前記作業具に対する支持力を演算するシリンダ支持力演算手段と、前記フロント作業機の前記作業具を含む姿勢を検出する姿勢検出手段と、この姿勢検出手段によって検出された姿勢及び前記シリンダ支持力演算手段によって演算された支持力に基づいて、前記荷の重量を演算する荷重演算手段と、前記シリンダ支持力演算手段は、前記油圧シリンダが伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において前記姿勢検出手段によって検出される姿勢が同一のときの支持力を平均する支持力平均手段を有することを特徴としている。

このように構成した本発明は、計測指令手段の指令によって荷の重量の計測が開始され、シリンダ駆動手段が油圧シリンダを一定の速度で伸縮駆動させ、圧力検出手段によって油圧シリンダのボトム側及びロッド側に作用する圧力が検出される。そして、シリンダ支持力演算手段は、検出されたこれらの圧力に基づいて、油圧シリンダの作業具に対する支持力を演算するので、この支持力には油圧シリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる摩擦力が含まれることになる。

ここで、油圧シリンダが伸長駆動するときの油圧シリンダの作業具に対する支持力に含まれる摩擦力の向きは、油圧シリンダが短縮駆動するときの油圧シリンダの作業具に対する支持力に含まれる摩擦力に対して逆方向になる。そのため、シリンダ支持力演算手段の支持力平均手段は、油圧シリンダが伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において姿勢検出手段によって検出される姿勢が同一のときの支持力を平均することにより、これらの各支持力に含まれる摩擦力を互いに打ち消すことができるので、演算された支持力において油圧シリンダのシリンダチューブとピストンロッドとの間に生じる摩擦力の影響を軽減することができる。

従って、荷重演算手段は、姿勢検出手段によって検出された姿勢及びシリンダ支持力演算手段によって演算された支持力に基づいて、フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量を演算することにより、荷の重量の計測において油圧シリンダの内部で作用する摩擦力による計測誤差を抑えることができ、フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量を正確に把握することができる。

特に、フロント作業機を操作する操作者がアタッチメントで荷をトラックの荷台に運搬して積み込んだ後、荷台の積載量を計測する場合には、荷を荷台に積み込む度に荷重演算手段で荷の重量を計測し、その重量を合計することになるが、各計測の精度が向上しているので、操作者は荷台の積載量を的確に調整し易くなる。これにより、荷台の積載量が最大積載量になるまで荷を荷台に十分に積み込むことができるので、トラックの輸送効率を向上させることができる。

また、本発明に係る油圧ショベルの荷重計測装置は、前記発明において、前記シリンダ駆動手段は、前記姿勢検出手段によって検出される姿勢に基づいて、前記フロント作業機が前記計測指令手段によって前記荷の重量の計測の開始が指令された瞬間の姿勢に戻るように、前記油圧シリンダを所定の長さ伸縮駆動させることを特徴としている。

このように構成した本発明は、計測指令手段によって荷の重量の計測が開始され、油圧シリンダが伸縮駆動してフロント作業機の姿勢が変化しても、シリンダ駆動手段による油圧シリンダの伸縮動作によってフロント作業機が荷の重量の計測が開始される前の姿勢に戻るので、操作者が荷の重量の計測前に行っていた作業に取り掛かり易くなり、操作者の作業への影響を軽減することができる。

また、本発明に係る油圧ショベルの荷重計測装置は、前記発明において、前記シリンダ駆動手段は、前記シリンダ速度検出手段によって検出される駆動速度に基づいて、前記油圧シリンダを伸長駆動可能な速度のうち最小の速度で動き出させることを特徴としている。このように構成すると、荷の重量の計測が開始される際に、油圧シリンダが急に伸縮することがないので、慣性力や粘性摩擦、圧力検出手段と油圧シリンダ間の圧力損失等の油圧シリンダの内部で作用する動摩擦力以外の要因が荷の重量の計測に与える影響を抑制することができる。

また、本発明に係る油圧ショベルの荷重計測装置は、前記発明において、前記荷重演算手段は、前記シリンダ駆動手段が前記油圧シリンダを一定の速度で伸縮駆動させるときに前記姿勢検出手段によって検出される複数の姿勢に基づいて、前記荷の重量を複数回演算し、演算された各重量を平均することを特徴としている。

このように構成した本発明は、荷の重量の計測が開始され、油圧シリンダが伸縮駆動するときには、フロント作業機の姿勢が変化することに伴って圧力検出手段で検出される圧力も変化するので、フロント作業機がとる各姿勢に対してシリンダ支持力演算手段で演算される油圧シリンダの作業具に対する支持力が決定される。従って、荷重演算手段は、油圧シリンダが一定の速度で伸縮駆動するときの姿勢検出手段によって検出される複数の姿勢に基づいて、荷の重量を複数回演算し、演算された各重量を平均することにより、各演算結果のばらつきを抑えることができるので、荷の重量を精度良く計測することができる。これにより、各検出手段の検出値の誤差やシリンダ速度の微妙な変化に対し、荷の重量を安定的に計測することができる。

本発明の油圧ショベルの荷重計測装置によれば、シリンダ支持力演算手段の支持力平均手段は、油圧シリンダが伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において姿勢検出手段で検出される姿勢が同一のときの支持力を平均することにより、これらの各支持力に含まれる摩擦力を互いに打ち消すことができる。従って、荷重演算手段は、姿勢検出手段で検出された姿勢及びシリンダ支持力演算手段で演算された支持力に基づいて、フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量を演算することにより、荷の重量の計測において油圧シリンダの内部で作用する摩擦力による計測誤差を抑えることができる。これにより、フロント作業機のアタッチメントが運搬する荷の重量を正確に把握することができ、従来よりも荷の重量の計測に対して高い信頼性を確保することができる。

本発明に係る荷重計測装置の第１実施形態が備えられる油圧ショベルを示す側面図である。 本発明の第１実施形態の構成を説明するブロック図である。 本発明の第１実施形態に備えられた荷重演算手段による演算を説明する図である。 本発明の第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。

以下、本発明に係る油圧ショベルの荷重計測装置を実施するための形態を図に基づいて説明する。

［第１実施形態］
本発明に係る油圧ショベルの荷重計測装置の第１実施形態は、図１に示すように走行体２０と、この走行体２０の上側に配置され、旋回フレーム３０ａを有する旋回体３０と、この旋回体３０の前方に取り付けられて上下方向に回動するフロント作業機１とを備えている。

旋回体３０は、前方に配置され、フロント作業機１を操作する操作者が乗車するキャブ１４と、後方に配置され、車体が傾倒しないように車体のバランスを保つカウンタウェイト１９と、これらのキャブ１４及びカウンタウェイト１９との間には、図示しないエンジンを格納したエンジンルーム２１と、このエンジンルーム２１の上部に設けられた車体カバー１８とを備えている。

さらに、旋回体３０は、上述したように図示されないが、エンジンルーム２１内のエンジンの近傍に配置され、エンジンにより駆動される油圧ポンプと、この油圧ポンプと配管を介して接続される作動油タンクと、この作動油タンクの近傍に配置され、燃料を貯蔵する燃料タンクとを有している。また、キャブ１４は、フロント作業機１を操作する操作レバー１５，１６と、図示されないが、エンジンの動作やフロント作業機１の動作を制御するコントローラと、油圧ショベル１の動作に関する各種の情報を表示する表示装置、例えばモニタ１７とを有している。

上述したフロント作業機１は、油圧によって動作する油圧シリンダと、この油圧シリンダによって駆動する作業具と、この作業具に取付けられるアタッチメントとを含んでいる。具体的には、フロント作業機１の作業具は、例えば基端が旋回体３０に連結ピン２ａを介して回動可能に取り付けられ、上下方向に回動するブーム２と、このブーム２の先端に連結ピン３ａを介して回動可能に取り付けられたアーム３とから構成されている。また、アタッチメントは、例えばアーム３の先端に連結ピン４ａを介して回動可能に取り付けられ、荷としてスクラップを把持して運搬するマグネット４から成っている。

そして、油圧シリンダは、例えば旋回体３０とブーム２とを接続し、伸縮することによってブーム２を回動させるブームシリンダ５と、ブーム２の上側に配置されると共にブーム２とアーム３とを接続し、伸縮することによってアーム３を回動させるアームシリンダ６と、アーム３とマグネット４とを接続し、伸縮することによってマグネット４を回動させるバケットシリンダ７とから成っている。これらの各ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７は、シリンダチューブ５ａ，６ａ，７ａと、一端がシリンダチューブ５ａ，６ａ，７ａに内包され、シリンダチューブ５ａ，６ａ，７ａに摺接するピストンロッド５ｂ，６ｂ，７ｂとをそれぞれ含んでいる。

これらのブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７は油圧ポンプに接続されており、油圧ポンプが作動油タンクから圧油を汲み上げてブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７へ吐出することにより、ピストンロッド５ｂ，６ｂ，７ｂがシリンダチューブ５ａ，６ａ，７ａの外側へ押し出され、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７が伸長するようになっている。一方、油圧ポンプがブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７へ吐出された圧油を作動油タンクへ戻すことにより、ピストンロッド５ｂ，６ｂ，７ｂがシリンダチューブ５ａ，６ａ，７ａの内側へ押し入れられ、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７が短縮するようになっている。

本発明の第１実施形態は、アタッチメントとしてマグネット４が把持して運搬するスクラップの重量を計測する装置である。具体的には、本発明の第１実施形態は、図２に示すように油圧シリンダの駆動速度を検出するシリンダ速度検出手段と、後述するスクラップの重量の計測の開始を指令する計測指令手段と、この計測指令手段による指令を受けたとき、シリンダ速度検出手段によって検出される駆動速度に基づいて油圧シリンダを一定の速度で伸縮駆動させるシリンダ駆動手段２２とを備えている。

上述したシリンダ速度検出手段は、例えばブーム２の両端のうち旋回体３０側の一端の結合ピン２ａ、すなわちブーム２の回動中心に設けられ、ブーム２が上下方向に回動する角速度を検出するブーム角速度センサ１３を含んでいる。また、キャブ１４は、操作レバー１５，１６に設けられ、押下することによってマグネット４が把持したスクラップを釈放する釈放スイッチ２３を有しており、上述した計測指令手段は、例えば釈放スイッチ２３が押下されたときにスクラップの重量の計測の指令が出力されるようになっている。

さらに、シリンダ駆動手段２２は、例えば電気的な信号によって開閉する電磁弁２４と、コントローラに格納され、操作レバー１５，１６の操作に応じて電磁弁２４を制御する電磁弁制御部２５とから構成されている。また、旋回体３０は、電磁弁２４に接続された信号制御弁２６と、この信号制御弁２６から信号を受信し、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、及びバケットシリンダ７へ供給する圧油を切替えるコントロールバルブ２７とを有している。

すなわち、電磁弁２４は、油圧ポンプと操作レバー１５，１６から信号制御弁２６へ伸びる油圧ラインとの間に配置され、電磁弁制御部２５からの指令を受けて開閉動作を繰り返すようになっている。この電磁弁制御部２５は、例えばブーム角速度センサ１３によって検出されるブームシリンダ５の駆動速度を監視し、ブームシリンダ５の駆動速度がブームシリンダ５を駆動するのに必要な最低限の速度で一定になるように電磁弁２４の開閉動作を制御するようにしている。

本発明の第１実施形態は、油圧シリンダのボトム側及びロッド側に作用する圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と、この圧力検出手段によって検出された各圧力に基づいて、油圧シリンダの作業具に対する支持力を演算するシリンダ支持力演算手段３１と、フロント作業機１のブーム２及びアーム３を含む姿勢を検出する姿勢検出手段と、この姿勢検出手段によって検出された姿勢及びシリンダ支持力演算手段３１によって演算された支持力に基づいて、スクラップの重量を演算する荷重演算手段３２とを備えている。本発明の第１実施形態では、これらのシリンダ支持力演算手段３１及び荷重演算手段３２は例えばコントローラに格納されている。

姿勢検出手段は、例えばブーム２の両端のうち旋回体３０側の一端の結合ピン２ａ、すなわちブーム２の回動中心に設けられ、ブーム２が上下方向に回動した角度を検出するブーム角度センサ８と、アーム３の両端のうちブーム２側の一端の結合ピン３ａ、すなわちアーム３の回動中心に設けられ、アーム３が回動した角度を検出するアーム角度センサ９と、マグネット４の結合ピン４ａ、すなわちマグネット４の回動中心に設けられ、マグネット４が回動した角度を検出するアタッチメント角度センサ１０とを含んでいる。従って、姿勢検出手段は、これらのブーム角度センサ８、アーム角度センサ９、及びアタッチメント角度センサ１０によって検出された各角度、及び予め定められているブーム２、アーム３、及びマグネット４の寸法データに基づいて、フロント作業機１がとっている姿勢を決定するようにしている。

上述した圧力検出手段は、例えばブームシリンダ５におけるボトム側のシリンダ室内圧力を検出するボトム圧力センサ１１と、ブームシリンダ５におけるロッド側のシリンダ室内圧力を検出するロッド圧力センサ１２とから構成されている。従って、シリンダ支持力演算手段３１は、これらのボトム圧力センサ１１及びロッド圧力センサ１２によって検出されたボトム側及びロッド側のシリンダ室内圧力に基づいて、ブームリンダ５のブーム２に対する支持力を演算するようにしている。

シリンダ支持力演算手段３１は、例えばブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において姿勢検出手段によって検出される姿勢が同一のときの支持力を平均する図示しない支持力平均手段を有している。また、本発明の第１実施形態では、シリンダ駆動手段２２は、例えばブーム角度センサ８によって検出された角度に基づいて、フロント作業機１が釈放スイッチ２３によってスクラップの重量の計測の開始が指令された瞬間の姿勢に戻るように、ブームシリンダ５を所定の長さ伸縮駆動させるようにしている。さらに、本発明の第１実施形態では、シリンダ駆動手段２２は、例えばブーム角速度センサ１３によって検出されるブームシリンダ５の駆動速度に基づいて、ブームシリンダ５を伸長駆動可能な速度のうち最小の速度で動き出させるようにしている。

ここで、シリンダ支持力演算手段３１によるブームリンダ５のブーム２に対する支持力の演算について詳細に説明する。

ブームシリンダ５が伸長駆動する場合において、ボトム圧力センサ１１によって検出されるブームシリンダ５のボトム側の室内圧力をＰ_１ｂ、ロッド圧力センサ１２によって検出されるロッド側の室内圧力をＰ_１ｒ、ボトム側の受圧面積をＡ_ｂ、ロッド側の受圧面積をＡ_ｒ、ブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａとピストンロッド５ｂとの間に働く動摩擦力Ｒ_１すると、ブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_１は、ブームシリンダ５の駆動速度が十分に低ければ式（１）で表される。なお、以下の式においてブームシリンダ５が伸長駆動するときの方向を正の向きに設定する。

同様に、ブームシリンダ５が短縮駆動する場合において、ボトム圧力センサ１１によって検出されるブームシリンダ５のボトム側の室内圧力をＰ_２ｂ、ロッド圧力センサ１２によって検出されるロッド側の室内圧力をＰ_２ｒ、ブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａとピストンロッド５ｂとの間に働く動摩擦力Ｒ_２すると、ブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_２は、ブームシリンダ５の駆動速度が十分に低ければ式（２）で表される。

また、マグネット４がスクラップを吸着保持した状態でブームシリンダ５を伸縮駆動させるときのフロント作業機１の姿勢のうち１つを任意に定めると、ブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合においてフロント作業機１が定められた当該姿勢をとったときのブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_１，Ｆ_２は、ブームシリンダ５の駆動速度が十分に低ければ互いに等しくなり、式（３）で表される。

このとき、ブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合においてブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａとピストンロッド５ｂとの間に働く動摩擦力Ｒ_１，Ｒ_２は互いに等しくなり、式（４）で表される。

従って、フロント支持力演算手段３１の支持力平均手段は、式（１）、（２）の両辺を足し合わせ、式（４）を代入することにより、任意のフロント作業機１の姿勢におけるブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆは式（５）で表される。

次に、荷重演算手段３２によるスクラップの重量の演算を詳細に説明する。

図３に示すように、マグネット４に作用する力、すなわちマグネット４が把持したスクラップの重量をＷ、フロント作業機１のうちブームシリンダ５を除いた部分の自重をＷ_１、ブーム２の回動中心とスクラップの重心との間の長さのうち水平方向成分の長さをｌ、ブーム２の回動中心からブームシリンダ５に対して引いた垂線の長さをｈ、ブーム２の回動中心と、フロント作業機１のうちブームシリンダ５を除いた部分の重心との間の長さのうち水平方向成分の長さをｌ_１とすると、ブーム２の回動中心における力のモーメントは釣り合っているので、式（６）が成立する。

式（６）を整理すると、式（７）が成立する。

ここで、フロント作業機１のうちブームシリンダ５を除いた部分の自重Ｗ_１は既知であり、ブーム２の回動中心とスクラップの重心との間の長さのうち水平方向成分の長さｌ、ブーム２の回動中心からブームシリンダ５に対して引いた垂線の長さｈ、ブーム２の回動中心とフロント作業機１のうちブームシリンダ５を除いた部分の重心との間の長さのうち水平方向成分の長さｌ_１は、姿勢検出手段によって検出される検出結果、すなわちブーム角度センサ８、アーム角度センサ９、及びアタッチメント角度センサ１０によって検出された各角度、及び予め定められているブーム２、アーム３、及びマグネット４の寸法データに基づいて演算される。

従って、荷重演算手段３２は、演算されたブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ、フロント作業機１のうちブームシリンダ５を除いた部分の自重Ｗ_１、ブーム２の回動中心とスクラップの重心との間の長さのうち水平方向成分の長さｌ、ブーム２の回動中心からブームシリンダ５に対して引いた垂線の長さｈ、ブーム２の回動中心とフロント作業機１のうちブームシリンダ５を除いた部分の重心との間の長さのうち水平方向成分の長さｌ_１を式（７）に代入することにより、マグネット４が把持したスクラップの重量Ｗを演算するようにしている。

なお、荷重演算手段３２によって演算されたスクラップの重量は、キャブ１４内のモニタ１７に表示されるようになっている。また、本発明の第１実施形態では、フロント作業機１を操作する操作者がマグネット４でスクラップをトラックの荷台に運搬して積み込んだ後、荷台の積載量を計測する場合には、スクラップを荷台に積み込む度に荷重演算手段３２でスクラップの重量を計測し、その重量が自動的に合計されるようになっている。そして、この合計値、すなわち荷台の積載量がモニタ１７に表示されるようになっている。

次に、本発明の第１実施形態の動作を図４のフローチャートに基づいて説明する。

図４は本発明の第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。

本発明の第１実施形態では、キャブ１４内の操作者が操作レバー１５，１６を操作してマグネット４でスクラップを把持した後、操作レバー１５，１６の釈放スイッチ２３を押下すると、スクラップの重量の計測の指令がコントローラへ出力され、スクラップの重量の計測が開始される（ステップ（以下、Ｓと記す）１）。

次に、シリンダ駆動手段２２は、スクラップの重量の計測の指令を受けると、ブーム角速度センサ１３によって検出されるブームシリンダ５の駆動速度に基づいてブームシリンダ５を設定された速度で所定の長さ伸長駆動させる（Ｓ２）。このとき、シリンダ支持力演算手段３１は、ブームシリンダ５が伸長駆動する場合のブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_１を式（１）によって演算する（Ｓ３）。

次に、手順Ｓ２においてブームシリンダ５が所定の長さ伸長駆動した後、シリンダ駆動手段２２は、ブーム角速度センサ１３によって検出されるブームシリンダ５の駆動速度に基づいてブームシリンダ５を設定された速度で短縮駆動させる（Ｓ４）。このとき、シリンダ支持力演算手段３１は、ブームシリンダ５が短縮駆動する場合のブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_２を式（２）によって演算する（Ｓ５）。また、手順Ｓ４においてブームシリンダ５が短縮駆動する際に、シリンダ駆動手段２２は、ブーム角度センサ８によって検出された角度に基づいて、ブームシリンダ５を伸長駆動したときと同じ長さだけ短縮駆動させる（Ｓ６）。

一方、手順Ｓ３及び手順Ｓ５においてシリンダ支持力演算手段３１によってブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合のブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_１，Ｆ_２が演算されると、シリンダ支持力演算手段３１の支持力平均手段は、ボトム圧力センサ１１及びロッド圧力センサ１２によって検出されたボトム側及びロッド側のシリンダ室内圧力Ｐ_1ｂ，Ｐ_１ｒ，Ｐ_２ｂ，Ｐ_２ｒを用い、任意のフロント作業機１の姿勢におけるブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆを式（５）によって演算する（Ｓ７）。

次に、荷重演算手段３２は、ブーム角度センサ８、アーム角度センサ９、及びアタッチメント角度センサ１０によって検出された各角度、予め定められているブーム２、アーム３、及びマグネット４の寸法データを参照した上で、手順Ｓ７においてシリンダ支持力演算手段３１によって演算された支持力Ｆを用いて、スクラップの重量を式（７）によって演算する（Ｓ８）。そして、荷重演算手段３２によって演算されたスクラップの重量はモニタ１７に表示され（Ｓ９）、本発明の第１実施形態の動作を終了する。

このように構成した本発明の第１実施形態によれば、手順Ｓ７においてシリンダ支持力演算手段３１の支持力平均手段は、ブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において姿勢検出手段によって検出される姿勢が同一のときの支持力を平均することにより、すなわちブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合においてフロント作業機１が任意に定められた１つの姿勢をとったときのブームシリンダ５のブーム２に対する支持力Ｆ_１，Ｆ_２を平均することにより、これらの各支持力Ｆ_１，Ｆ_２に含まれる動摩擦力Ｒ_１，Ｒ_２を式（５）において相殺することができるので、演算された支持力Ｆにおいてブームシリンダ５のシリンダチューブ５ａとピストンロッド５ｂとの間に生じる摩擦力の影響を軽減することができる。

従って、手順Ｓ８において荷重演算手段３２は、ブーム角度センサ８、アーム角度センサ９、及びアタッチメント角度センサ１０によって検出された各角度、予め定められているブーム２、アーム３、及びマグネット４の寸法データを参照した上で、シリンダ支持力演算手段３１によって演算された支持力Ｆを用いて、スクラップの重量を式（７）によって演算することにより、スクラップの重量の計測においてブームシリンダ５の内部で作用する摩擦力による計測誤差を抑えることができる。これにより、フロント作業機１のマグネット４が運搬するスクラップの重量を正確に把握することができ、スクラップの重量の計測に対して高い信頼性を確保することができる。

特に、フロント作業機１を操作する操作者がマグネット４でスクラップをトラックの荷台に積み込んだ後、荷台の積載量を計測する場合に、スクラップを荷台に積み込む度に荷重演算手段３２でスクラップの重量を計測し、その重量を合計することになるが、各計測の精度が向上しているので、操作者はモニタ１７に表示されたスクラップの重量の合計値を見てトラックの荷台の積載量を的確に調整することができる。これにより、荷台の積載量が最大積載量になるまでスクラップを荷台に十分に積み込むことができるので、トラックの輸送効率を向上させることができる。

また、本発明の第１実施形態は、手順Ｓ４においてブームシリンダ５が所定の長さ短縮駆動する際に、シリンダ駆動手段２２は、ブーム角度センサ８によって検出された角度に基づいて、ブームシリンダ５を伸長駆動したときと同じ長さだけ短縮駆動させることにより、手順Ｓ１においてフロント作業機１がスクラップの重量の計測の開始が指令された瞬間の姿勢に戻るので、操作者がスクラップの重量の計測前に行っていた作業に取り掛かり易くなり、操作者の作業への影響を軽減することができる。

また、本発明の第１実施形態は、手順Ｓ２においてブームシリンダ５を伸長駆動させるとき、シリンダ駆動手段２２は、ブーム角速度センサ１３によって検出されるブームシリンダ５の駆動速度に基づいて、ブームシリンダ５を伸長駆動可能な速度のうち最小の速度で動き出させることにより、ブームシリンダ５が急に伸縮することがないので、慣性力や粘性摩擦、各圧力センサ１１，１２とブームシリンダ５間の圧力損失等のブームシリンダ５の内部で作用する動摩擦力以外の要因がスクラップの重量の計測に与える影響を抑制することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態が前述した第１実施形態と異なるのは、第１実施形態は、荷重演算手段３２は、ブームシリンダ５が伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合においてフロント作業機１が任意に定められた１つの姿勢をとったときのブームシリンダ５のブーム２に対する支持力を平均してスクラップの重量を演算したのに対して、第２実施形態は、荷重演算手段３２は、シリンダ駆動手段２２がブームシリンダ５を一定の速度で伸縮駆動させるときに姿勢検出手段によって検出される複数の姿勢に基づいて、スクラップの重量を複数回演算し、演算された各重量を平均してスクラップの重量を演算することである。

この場合、例えばマグネット４がスクラップを吸着保持した状態でブームシリンダ５を伸縮駆動させるときのフロント作業機１の姿勢のうち複数の姿勢を任意に定めると、シリンダ支持力演算手段３１は、フロント作業機１が定められた各姿勢をとったときのブームシリンダ５のブーム２に対する支持力を式（５）からそれぞれ演算する。荷重演算手段３２は、定められたこれらの各姿勢におけるブーム角度センサ８、アーム角度センサ９、及びアタッチメント角度センサ１０によって検出された各角度、予め定められているブーム２、アーム３、及びマグネット４の各寸法データを参照した上で、シリンダ支持力演算手段３１によって演算された各支持力Ｆを用いて、スクラップの重量を式（７）からそれぞれ演算する。そして、荷重演算手段３２は、演算された各重量を平均し、この結果を最終的なスクラップの重量としている。

このように構成した本発明の第２実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる他、手順Ｓ２及び手順Ｓ４においてブームシリンダ５が伸縮駆動するときには、フロント作業機１の姿勢が変化することに伴ってボトム圧力センサ１１及びロッド圧力センサ１２で検出される圧力も変化するので、フロント作業機１がとる任意に定められた複数の姿勢に対してシリンダ支持力演算手段３１で演算されるブームシリンダ５のブーム２に対する支持力がそれぞれ決定される。そのため、荷重演算手段３２は、上述したように任意に定められた各姿勢におけるブームシリンダ５のブーム２に対する支持力に応じて、スクラップの重量を複数回演算し、演算された各重量を平均することにより、各演算結果のばらつきを抑えることができるので、スクラップの重量を精度良く計測することができる。これにより、圧力センサ１１，１２等の各検出手段の検出値の誤差やブームシリンダ５の速度の微妙な変化に対し、スクラップの重量を安定的に計測することができる。

なお、上述した本発明の第１、第２実施形態では、姿勢検出手段は、ブーム２が上下方向に回動した角度を検出するブーム角度センサ８と、アーム３が回動した角度を検出するアーム角度センサ９と、マグネット４が回動した角度を検出するアタッチメント角度センサ１０とを含んでいる場合について説明したが、この場合に限らず、姿勢検出手段は、角度センサ８，９，１０の代わりに例えば各シリンダに設けられ、各シリンダが伸縮する長さを検出するストロークセンサを含み、このストロークセンサによって検出された各シリンダの長さ、及び予め定められているブーム２、アーム３、及びマグネット４の寸法データに基づいて、フロント作業機１がとっている姿勢を決定するようにしても良い。

また、本発明の第１、第２実施形態では、圧力検出手段は、ブームシリンダ５におけるボトム側のシリンダ室内圧力を検出するボトム圧力センサ１１と、ブームシリンダ５におけるロッド側のシリンダ室内圧力を検出するロッド圧力センサ１２とから構成された場合について説明したが、この場合に限らず、圧力検出手段は、例えばアームシリンダ６におけるボトム側のシリンダ室内圧力を検出するボトム圧力センサと、アームシリンダ６におけるロッド側のシリンダ室内圧力を検出するロッド圧力センサとから構成され、ブーム２を伸縮駆動させる代わりにアーム３を伸縮駆動させてスクラップの重量を計測しても良い。あるいは、圧力検出手段は、例えばバケットシリンダ７におけるボトム側のシリンダ室内圧力を検出するボトム圧力センサと、バケットシリンダ７におけるロッド側のシリンダ室内圧力を検出するロッド圧力センサとから構成され、ブーム２を伸縮駆動させる代わりにマグネット４を伸縮駆動させてスクラップの重量を計測しても良い。

また、本発明の第１、第２実施形態では、シリンダ速度検出手段は、ブーム２が上下方向に回動する角速度を検出するブーム角速度センサ１３を含む場合について説明したが、この場合に限らず、シリンダ速度検出手段は、このブーム角速度センサ１３の代わりに例えばブーム角度センサ８によって検出された角度の時間変化からブームシリンダ５の駆動速度を演算するようにしても良い。この場合、演算されるブームシリンダ５の駆動速度は、ブーム角速度センサ１３によって演算されるときよりも精度が低下するが、必要なセンサ数を減らすことができるので、システムを簡易化することができる。

また、シリンダ速度検出手段は、ブーム角速度センサ１３の代わりに例えばブームシリンダ５に設けられ、ブームシリンダ５が伸縮する長さを検出するストロークセンサを含み、このストロークセンサによって検出された長さの時間変化からブームシリンダ５の駆動速度を演算するようにしても良い。この場合、演算されるブームシリンダ５の駆動速度は、ブーム角速度センサ１３によって演算されるときよりも精度が低下するが、ストロークセンサは姿勢検出手段としてブーム角度センサ８の代わりに用いることができ、必要なセンサ数を減らすことができるので、システムを簡易化することができる。さらに、シリンダ速度検出手段は、ブーム角速度センサ１３の代わりに例えばブーム２に設けられ、ブーム２の加速度を検出する加速度センサを含み、この加速度センサによって検出された加速度からブームシリンダ５の駆動速度を演算するようにしても良い。

また、本発明の第１、第２実施形態では、計測指令手段は、釈放スイッチ２３が押下されたときにスクラップの重量の計測の指令が出力されるようにした場合について説明したが、この場合に限らず、計測指令手段は、釈放スイッチ２３と別個に設けられ、押下することによってスクラップの重量の計測の指令が出力されるスイッチから成っても良い。これにより、スクラップの重量の計測とスクラップの釈放を分けて行うことができる。

また、本発明の第１、第２実施形態では、図４に示すようにシリンダ駆動手段２２は、手順Ｓ２においてブームシリンダ５を伸長駆動させた後、手順Ｓ４においてブームシリンダ５を短縮駆動させた場合について説明したが、この場合に限らず、シリンダ駆動手段２２は、ブームシリンダ５を短縮駆動させた後、ブームシリンダ５を伸長駆動させても良い。従って、スクラップの重量を計測する際にフロント作業機１が置かれる環境に応じて、シリンダ駆動手段２２は、フロント作業機１が周辺の障害物に接触しないようにブームシリンダ５を伸縮させる順序を入れ替えることができる。

また、本発明の第１、第２実施形態では、アタッチメントはスクラップを把持して運搬するマグネット４から成る場合について説明したが、この場合に限らず、アタッチメントは例えば土砂等を運搬するバケットやフォークグラップル等から成っても良い。

１ フロント作業機
２ ブーム（作業具）
２ａ，３ａ，４ａ 連結ピン
３ アーム（作業具）
４ マグネット（アタッチメント）
５ ブームシリンダ
５ａ，６ａ，７ａ シリンダチューブ
５ｂ，６ｂ，７ｂ ピストンロッド
６ アームシリンダ
７ バケットシリンダ
８ ブーム角度センサ
９ アーム角度センサ
１０ アタッチメント角度センサ
１１ ボトム圧力センサ
１２ ロッド圧力センサ
１３ ブーム角速度センサ（シリンダ速度検出手段）
１５，１６ 操作レバー
１７ モニタ（表示装置）
２２ シリンダ駆動手段
２３ 釈放スイッチ（計測指令手段）
２４ 電磁弁
２５ 電磁弁制御部
２６ 信号制御弁
２７ コントロールバルブ
３０ 旋回体
３１ シリンダ支持力演算手段
３２ 荷重演算手段

Claims (4)

1. フロント作業機を備えた油圧ショベルに設けられ、前記フロント作業機は、油圧によって動作する油圧シリンダと、この油圧シリンダによって駆動する作業具と、この作業具に取付けられるアタッチメントとを含み、前記アタッチメントを動作させて運搬する荷の重量を計測する油圧ショベルの荷重計測装置において、
   前記油圧シリンダの駆動速度を検出するシリンダ速度検出手段と、
   前記荷の重量の計測の開始を指令する計測指令手段と、
   この計測指令手段による指令を受けたとき、前記シリンダ速度検出手段によって検出される駆動速度に基づいて前記油圧シリンダを一定の速度で伸縮駆動させるシリンダ駆動手段と、
   前記油圧シリンダのボトム側及びロッド側に作用する圧力をそれぞれ検出する圧力検出手段と、
   この圧力検出手段によって検出された各圧力に基づいて、前記油圧シリンダの前記作業具に対する支持力を演算するシリンダ支持力演算手段と、
   前記フロント作業機の前記作業具を含む姿勢を検出する姿勢検出手段と、
   この姿勢検出手段によって検出された姿勢及び前記シリンダ支持力演算手段によって演算された支持力に基づいて、前記荷の重量を演算する荷重演算手段と、
   前記シリンダ支持力演算手段は、前記油圧シリンダが伸長駆動及び短縮駆動する双方の場合において前記姿勢検出手段によって検出される姿勢が同一のときの支持力を平均する支持力平均手段を有することを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
2. 請求項１に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、
   前記シリンダ駆動手段は、前記姿勢検出手段によって検出される姿勢に基づいて、前記フロント作業機が前記計測指令手段によって前記荷の重量の計測の開始が指令された瞬間の姿勢に戻るように、前記油圧シリンダを所定の長さ伸縮駆動させることを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、
   前記シリンダ駆動手段は、前記シリンダ速度検出手段によって検出される駆動速度に基づいて、前記油圧シリンダを伸長駆動可能な速度のうち最小の速度で動き出させることを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の油圧ショベルの荷重計測装置において、
   前記荷重演算手段は、前記シリンダ駆動手段が前記油圧シリンダを一定の速度で伸縮駆動させるときに前記姿勢検出手段によって検出される複数の姿勢に基づいて、前記荷の重量を複数回演算し、演算された各重量を平均することを特徴とする油圧ショベルの荷重計測装置。

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