JP2014185858A - 建設機械の応力測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的にかつ確実に建設機械の掘削アタッチメントの応力を測定することができる建設機械の応力測定装置を提供する。
【解決手段】本発明による建設機械の応力測定装置は、建設機械の掘削アタッチメントＥ１の応力を測定する応力測定手段２−１と、応力測定手段２−１の測定結果を無線にて送信する送信手段３−１と、測定結果を受信する受信手段とを含み、応力測定手段２−１と送信手段３−１は掘削アタッチメントＥ１に設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明は、建設機械において、掘削アタッチメントの応力を測定する建設機械の応力測定装置、に関する。

ショベル等の建設機械として例えば特許文献１に記載のものがある。この技術においては、ショベルの掘削アタッチメントが含むブームやアームに歪みゲージを設けて、コントローラによりブームやアームの応力を測定し、この応力が過負荷を示す基準値よりも大きくなる場合には、掘削動作を制限することが提案されている。

特開２０１２−７２６３６号公報

ところが、上述した特許文献１に記載の従来技術においては、コントローラに歪みゲージを接続するための配線をブームやアームに沿って配設する必要が生じる。このため測定にあたっての作業効率が悪く、断線等の不都合も招きやすい。

本発明においては、より効率的にかつ確実に建設機械の掘削アタッチメントの応力を測定することができる建設機械の応力測定装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明による建設機械の応力測定装置は、建設機械の掘削アタッチメントの応力を測定する応力測定手段と、当該応力測定手段の測定結果を無線にて送信する送信手段と、当該測定結果を受信する受信手段とを含み、前記応力測定手段と前記送信手段は前記掘削アタッチメントに設けられることを特徴とする。

ここで、前記送信手段は筐体に収納され、当該筐体は前記掘削アタッチメントに固定されることとしてもよく、前記筐体は前記掘削アタッチメントを動作させるアクチュエータの基部に締結にて固定されることとしてもよい。また、前記受信手段は前記建設機械の上部旋回体又はキャブに設置され、前記掘削アタッチメントを制御するコントローラに接続されることとしてもよい。さらに、前記応力測定手段と前記送信手段に電力を供給する発電手段を含み、当該発電手段は前記掘削アタッチメントの振動に基づいて発電することとしてもよく、前記発電手段は前記筐体の内部に収納されることとしてもよい。

本発明は、掘削アタッチメントの応力の測定結果を無線にて送信することができるので、測定用配線を掘削アタッチメントに沿って這わせる配線作業を省き作業効率を高め、かつ、断線等の不具合をなくすことができる。このため、本発明はより効率的かつ確実に掘削アタッチメントの応力を測定することができる。

本発明に係る実施例１の建設機械の応力測定装置１が適用されるショベル６０の概略構成を示す模式図である。 実施例１の建設機械の応力測定装置１の送信モジュール３の概略回路構成を示す模式ブロック図である。 実施例１の建設機械の応力測定装置１が適用されるショベル６０の掘削アタッチメントＥの具体的形態を示す模式図である。 実施例１の建設機械の応力測定装置１の歪みゲージ２と送信モジュール３の掘削アタッチメントＥのブームＥ１への設置態様を示す模式図である。 実施例１の建設機械の応力測定装置１の歪みゲージ２と送信モジュール３の掘削アタッチメントＥのアームＥ２への設置態様を示す模式図である。 実施例１の建設機械の応力測定装置１の送信モジュール３の掘削アタッチメントＥへの固定態様を示す模式図である。 実施例２の建設機械の応力測定装置１の送信モジュール３の概略回路構成を示す模式ブロック図である。 実施例２の建設機械の応力測定装置１の振動発電器３５の概略回路構成を示す模式ブロック図である。 実施例２の建設機械の応力測定装置１の振動発電器３５が含む振動発電素子３６の具体的態様を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本実施例１の建設機械の応力測定装置１は、図１に示すように、ショベル６０（建設機械）に適用される。ショベル６０は、クローラ式の下部走行体６１の上に、旋回機構６２を介して、上部旋回体６３を旋回軸ＰＶの周りで旋回自在に搭載している。また、上部旋回体６３は、その前方左側部にキャブ（運転室）６４を備え、その前方中央部に掘削アタッチメントＥ（ブームＥ１、アームＥ２、バケットＥ３）を備えている。

本実施例１の建設機械の応力測定装置１は、図２に示すように、歪みゲージ２（応力測定手段）と、送信モジュール３（送信手段）と、受信モジュール４（受信手段）とを含んで構成される。受信モジュール４はＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信規格によりショベル６０の走行、旋回、掘削全般の制御を実行するコントローラ５に接続される。コントローラ５はセンタと通信可能な通信アンテナ６に接続されている。

送信モジュール３はＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）とこれらを相互に接続するデータバスと入出力インターフェースを備えたマイクロコンピュータである。

送信モジュール３は、歪みゲージ２の測定結果である出力信号を処理する信号処理部３１と、測定結果である出力信号を無線にて受信モジュール４に送信する送信部３２と、信号処理部３１と送信部３２に電源を供給するバッテリ３３を含む。送信モジュール３は後述するように掘削アタッチメントＥのブームＥ１とアームＥ２に設置される。対応する歪みゲージ２もブームＥ１とアームＥ２のそれぞれの測定対象となる箇所に設置される。

信号処理部３１は、例えば、Ａ／Ｄ変換回路３１ａと、中央処理部３１ｂと、ＲＯＭにより構成される記憶部３１ｃと、Ｄ／Ａ変換回路３１ｄを含む。また、送信部３２は、例えば、変調回路３２ａと、発振回路３２ｂと、高周波増幅回路３２ｃと、無線アンテナ３２ｄを含む。

Ａ／Ｄ変換回路３１ａは、歪みゲージ２の出力信号をＡ／Ｄ変換し、中央処理部３１ｂは記憶部３１ｃに格納されたプログラムに基づいて出力信号を適宜のタイミングでＤ／Ａ変換回路３１ｄに受け渡す処理を行う。Ｄ／Ａ変換回路３１ｄは受け渡された出力信号をＤ／Ａ変換する。

変調回路３２ａは発振回路３２ｂの発振する搬送波に基づいて出力信号を変調して変調波を生成する。変調の方式は位相変位変調、位相変調、周波数変位変調、周波数変調、振幅変位変調のいずれでもよくその他の方式でもよい。高周波増幅回路３２ｃはこの変調波を無線アンテナ３２ｄに適合する周波数帯の高周波電流に変換して無線アンテナ３２ｄを駆動して無線通信用の電磁波を発生する。

受信モジュール４は、無線アンテナ４ａと、復調回路４ｂと、発振回路４ｃと、受信回路４ｄを含み、図１に示した建設機械６０のキャブ６４内又は上部旋回体６３のいずれかの箇所に設置される。無線アンテナ３２により発生された電磁波を無線アンテナ４ａが受信すると、復調回路４ｂは発振回路４ｃの発振する搬送波に基づいて受信信号を復調して出力信号を取り出す復調を行い、受信回路４ｄは復調された受信信号をコントローラ５に適宜のタイミングにて送信する処理を行う。

コントローラ５は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＮＶＲＡＭ（Non-Volatile Random Access Memory）及びこれらを相互に接続するデータバスと入出力インターフェース等を備えたコンピュータである。

本実施例１のコントローラ５は、適宜のタイミングにてブームＥ１及びアームＥ２にそれぞれ設置された歪みゲージ２により測定された測定結果である出力信号を、対応する送信モジュール３と、受信モジュール４を介して取得して、ＲＡＭやＮＶＲＡＭに記憶する。またコントローラ５は、これも適宜のタイミングにて通信アンテナ６を介してセンタに出力信号とショベル６０の識別番号を紐付けて送信し、センタはショベル６０の識別番号毎に出力信号のデータを蓄積し記憶する。

次に本実施例１の建設機械の応力測定装置１の設置態様について図３〜図６を用いて説明する。図３は図１に示したショベル６０の掘削アタッチメントＥの詳細な構造を示している。なお、掘削アタッチメントＥ自体は周知の構成であるため、本発明に関連する部分を主として説明する。

掘削アタッチメントＥは上部旋回体６３側から、ブームＥ１、アームＥ２、バケットＥ３が連結されて構成される。切削アタッチメントＥはこれらの構成要素を動作させる油圧アクチュエータとして、上部旋回体６３とブームＥ１との間にアクチュエータＡ０を、ブームＥ１とアームＥ２との間にアクチュエータＡ１を、アームＥ２とバケットＥ３の間にアクチュエータＡ２を含んでいる。

図３に示すように、アクチュエータＡ１の上部旋回体６３側の端部がブームＥ１に連結される部分が基部Ｂ１であり、アクチュエータＡ２の上部旋回体６３側の端部がアームＥ２に連結される部分が基部Ｂ２である。

図４（ａ）は図３中の白抜き矢印Ｄ１方向視である。図４（ａ）に示すように、基部Ｂ１はブームＥ１のアームＥ２に向かう方向に対して垂直な左右方向において、左右一対の基板Ｂ１Ｌと基板Ｂ１Ｒを含んでいる。図４（ｂ）は図４（ａ）の白抜き矢印Ｒ１方向視であり図４（ｂ）図４（ａ）に併せて示すように、左側の基板Ｂ１ＬにブームＥ１に対応する送信モジュール３−１が後述するボルト締めによる締結により固定される。ブームＥ１の応力を測定する歪みゲージ２−１は、送信モジュール３−１よりもアームＥ２よりの位置に接着剤等の適宜の接合手法により貼り付けられる。また、歪みゲージ２−１と送信モジュール３−１は測定配線Ｌ１により接続される。

図５（ａ）は図３中の白抜き矢印Ｄ２方向視である。図５（ａ）に示すように、基部Ｂ２はアームＥ２のバケットＥ３に向かう方向に対して垂直な左右方向において、左右一対の基板Ｂ２Ｌと基板Ｂ２Ｒを含んでいる。図５（ｂ）は図５（ａ）の白抜き矢印Ｒ２方向視であり図５（ｂ）図５（ａ）に併せて示すように、左側の基板Ｂ２ＬにブームＥ２に対応する送信モジュール３−２が後述するボルト締めによる締結により固定される。アームＥ２の応力を測定する歪みゲージ２−２は、送信モジュール３−２よりもバケットＥ３よりの位置に接着剤等の適宜の接合手法により貼り付けられる。また、歪みゲージ２−２と送信モジュール３−２は測定配線Ｌ２により接続される。

ここで送信モジュール３−１の左側の基板Ｂ１Ｌに対する固定方法について図６を用いて説明する。送信モジュール３−１は図２に示した処理部３１、送信部３２を構成する図示しないプリント基板と、バッテリ３３を適宜の内輪郭形状にて支持し収納するほぼ直方体状のケース３Ｃ（筐体）を有している。ケース３Ｃは内部への塵埃や雨水の浸入を防ぐ防塵防水機能を有するとともに、締結ボルト３４の雄ネジ部の先端が螺合される雌ネジ部３ＣＡを有している。また、基板Ｂ１Ｌは締結ボルト３４の雄ネジ部の中間部が挿通される挿通穴Ｂ１ＬＨを有している。

図６では挿通穴Ｂ１ＬＨと雌ネジ部３ＣＡと締結ボルト３４は図示の便宜上一組示している。この組数ひいては締結点数と締結位置は、ケース３Ｃを含めた送信モジュール３−１の重量とブームＥ１に発生する振動の大きさ等を考慮して、想定される使用回数、使用期間において締結ボルト３４に緩みが生じないよう適宜設定される。

ケース３Ｃを基板Ｂ１Ｌの右側に突き当てて、雌ネジ部３ＣＡと挿通穴Ｂ１ＬＨを合わせた状態で締結ボルト３４を挿通穴Ｂ１ＬＨから挿通して雌ネジ部３ＣＡに締結ボルト３４の先端を螺合することによりケース３Ｃは基板Ｂ１Ｌに固定される。図６中カッコ内に示すように、送信モジュール３−２の対応する左側の基板Ｂ２Ｌに対する締結による固定態様も送信モジュール３−１について述べたものと同様である。

以上述べた本実施例１の建設機械の応力測定装置１は、建設機械であるショベル６０の特にアタッチメントＥのブームＥ１とアームＥ２の応力を歪みゲージ２により測定して、測定結果を無線にて送信モジュール３により受信モジュール４に送信することができる。このため本実施例１は、ブームＥ１から上部旋回体６３に至る配線や、アームＥ２からブームＥ１を経由して上部旋回体６３に至る配線を不要にできる。つまり本実施例１は、測定のための配線作業や配線後の断線等の不具合をなくすことができる。

また本実施例１はショベル６０の通常使用時においてもブームＥ１やアームＥ２の応力の測定結果を逐次データベースとしてコントローラ５やセンタに蓄積することができる。このため本実施例１はショベル６０の機歴の作成とユーザへの適宜の提供に寄与することができる。

なお上述した実施例１では建設機械の応力測定装置１をコントローラ５に接続して、ブームＥ１やアームＥ２の応力の測定結果をコントローラ５に送信するものとしたが、工場のコンピュータやワークステーション、ダイアグツール等の測定専用機に送信する構成としてもよい。この場合には応力の測定結果は、機歴の充実よりはむしろベンチテストにおける応力の測定と確認に供される。

上述した実施例１においては送信モジュール３の電源としてバッテリ３３を用いたが、掘削アタッチメントＥの掘削作業により発生する振動に基づいて発電する電源を利用することもできる。以下それについての実施例２について述べる。

実施例２の建設機械の応力測定装置１１は図７に示すように、実施例１の建設機械の応力測定装置１に対して送信モジュール３が振動発電器３５（発電手段）を具備し、それに対応してバッテリ３３を充電式のものとしている。実施例２のその他の構成要素については実施例と同一であり、同一の構成要素については同一の符号を付し、相違点を主に以下に説明する。

振動発電器３５は例えば図８に示す回路構成を有しており、振動発電素子３６と整流回路３７と平滑コンデンサ３８を有して、充電式の二次電池であるバッテリ３３に並列に接続される。

振動発電素子３６は図９に示すように、例えば実施例１にて既述したプリント基板３６Ａ上に発電電極３６Ｂと帯電体３６Ｃを積層して形成し、帯電体３６Ｃに平行かつ所定距離離隔した位置に可動体３６Ｄを配置して構成される。可動体３６Ｄはプリント基板３６Ａに垂直に突出する支柱３６Ｅと支柱３６Ｅに垂直に突出するバネ３６Ｆにより支持されている。振動発電素子３６を構成する上述した構成要素は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）プロセス等の微細加工技術により形成される。

この振動発電素子３６は図９中のＮ方向に振動が加わると、可動体３６Ｄ及び発電電極３６Ｂと帯電体３６Ｃとの距離が変化することに基づいて、発電電極３６Ｂに交流電力が発生する。この交流電力は整流回路３７により脈流電力に変換され、この脈流電力は平滑コンデンサ３８で平滑されて直流電力に変換される。この直流電力によりバッテリ３３は充電され、バッテリ３３から又は振動発電器３５から信号処理部３１と送信部３２に電源が供給される。つまり振動発電器３５から送信モジュール３に電力が直接的又は間接的に供給される。

なお、送信モジュール３のケース３Ｃ内におけるプリント基板３６Ａの設置形態は、ショベル６０の掘削アタッチメントＥのブームＥ１及びアームＥ２のそれぞれにおいて最も大きい変位の振動が発生する方向に図９中のＮ方向が一致するように適宜設定される。

本実施例２の建設機械の応力測定装置１１によれば、掘削アタッチメントＥがショベル６０の稼働中に発生する振動を利用して、バッテリ３３を適宜充電するので、バッテリ３３を交換する必要性をなくすことができる。従って、建設機械の応力測定装置１１を一旦設置した後は、半永久的に測定を継続することができ、作業性を向上するとともに、測定機械を増やすこともできる。

また本実施例２ではＭＥＭＳ技術によりプリント基板３６Ａ上に形成された振動発電素子３６を利用するので、電源をケース３Ｃに内蔵することができ、ケース３Ｃの外部に電源を設置する必要もなくして、配線艤装をより容易なものとすることができる。もちろん振動発電素子３６をプリント基板３６Ａとは別個のプリント基板に形成して、この別懇プリント基板もケース３Ｃに収納することも可能である。

なお、振動発電器３５は振動により発電が可能なものであれば振動発電素子３６を用いるものに限られない。例えば圧電素子（圧電セラミックス）を用いる形態や、錘と永久磁石とコイルを用いる誘導発電式のものを適用することも可能である。なお、掘削アタッチメントＥに振動が発生している場合のみに応力測定を行うこととすれば、バッテリ３３については省略し、振動発電器３５から直接、送信モジュール３に電源を供給することも可能である。

以上本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は上述した実施例に制限されることなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形および置換を加えることができる。

本発明の建設機械の応力測定装置は、掘削アタッチメントを構成するブームとアームの双方又は一方の応力を測定して、測定結果を無線通信にて受信側に送信することができるため、ブームやアームに配線を沿わせることなく応力の測定を可能とする。

本発明は、測定のための配線作業や配線の断線等をなくして作業性を向上させるとともに、センタを用いた機歴の監視等のシステムにも適用できる。このため、種々の建設機械に適用して好適なものである。

１ 建設機械の応力測定装置
２ 歪みゲージ（応力測定手段）
３ 送信モジュール（送信手段）
３１ 信号処理部
３２ 送信部
３３ バッテリ
３Ｃ ケース（筐体）
３ＣＡ 雌ネジ部
３４ 締結ボルト
４ 受信モジュール（受信手段）
１１ 建設機械の応力測定装置
３３ バッテリ（充電式）
３５ 振動発電器（発電手段）
３６ 振動発電素子
３６Ａ プリント基板
３６Ｂ 発電電極
３６Ｃ 帯電体
３６Ｄ 可動体
３６Ｅ 支柱
３６Ｆ バネ
３７ 整流回路
３８ 平滑コンデンサ

Claims (6)

1. 建設機械の掘削アタッチメントの応力を測定する応力測定手段と、当該応力測定手段の測定結果を無線にて送信する送信手段と、当該測定結果を受信する受信手段とを含み、前記応力測定手段と前記送信手段は前記掘削アタッチメントに設けられることを特徴とする建設機械の応力測定装置。
2. 前記送信手段は筐体に収納され、当該筐体は前記掘削アタッチメントに固定されることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の応力測定装置。
3. 前記筐体は前記掘削アタッチメントを動作させるアクチュエータの基部に締結にて固定されることを特徴とする請求項２に記載の建設機械の応力測定装置。
4. 前記受信手段は前記建設機械の上部旋回体又はキャブに設置され、前記掘削アタッチメントを制御するコントローラに接続されることを特徴とする請求項３に記載の建設機械の応力測定装置。
5. 前記応力測定手段と前記送信手段に電力を供給する発電手段を含み、当該発電手段は前記掘削アタッチメントの振動に基づいて発電することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の建設機械の応力測定装置。
6. 前記発電手段は前記筐体の内部に収納されることを特徴とする請求項５に記載の建設機械の応力測定装置。

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