JP2020051567A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない較正動作で油圧アクチュエータの高速度領域における動作特性を精度良く導出することができる建設機械を提供する。【解決手段】コントローラ１０は、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘｓと油圧アクチュエータ４ａの動作速度Ｖａと前記メータイン弁の前後差圧ΔＰとの関係を表す動作特性α（ｘｓ）を導出する較正モードを有し、前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置ｘｓが前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記前後差圧を低下させる指令信号として、ブリードオフ弁８ｂ１の開口面積を増加させる指令信号をブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２に出力する。【選択図】 図４

Description

本発明は、油圧ショベル等の建設機械に関する。

近年、情報化施工への対応に伴い、油圧ショベル等の建設機械には、ブーム、アーム、バケットなどの作業機構の位置や姿勢を目標施工面に沿って動くように制御するマシンコントロール機能を有するものがある。その代表的なものとして、バケット先端が目標施工面に近づくと、それ以上進まないように作業機構の動作に制限をかけるものが知られている。

土木工事施工管理基準において、目標施工面に対する高さ方向の許容精度の規格値が定められている。施工面の出来形の精度が許容値を超える場合は、施工のやり直しが発生することで作業効率が低下する。したがって、マシンコントロール機能は、出来形の許容精度を満たすために必要な制御精度を有することが求められている。

作業機構の位置や姿勢を精度良く制御するためには、油圧アクチュエータの動作特性を正確に把握する必要がある。アクチュエータの動作特性は圧力センサの設置位置や、スプール位置に対する開口面積の関係（開口特性）の算出誤差の影響を受ける。したがって、より正確な動作特性を導出するためには、実際に油圧ショベルを動作させた際の計測データから動作特性を導出することが望ましい。

油圧アクチュエータの動作特性を導出する技術として、特許文献１に油圧シリンダの動作特性を導出する建設機械の制御システム、建設機械、および建設機械の制御方法が開示されている。特許文献１に示される油圧ショベルの制御システムは、アクチュエータの動作特性を導出する導出部を有しており、実際に油圧ショベルを動作させて計測データを取得し、計測データに基づいてアクチュエータの動作特性を導出している。

ＷＯ２０１５／１３７５２５号公報

特許文献１の「導出部」は、動作特性としてメータイン弁のスプール位置とアクチュエータ速度の間の関係を直接マッピングしている。このため、アクチュエータ速度が高速になる領域の計測データを取得する際に、実際にアクチュエータを高速度で動かす必要がある。マッピングは定常状態の速度を真値として行われるが、アクチュエータを高速度で動かす場合には大きな加速度が発生しやすくなり、リンクモーションによる慣性や圧油の粘性抵抗の影響が支配的になるため、メータイン弁のスプール位置に対する定常状態の速度を正確にマッピングすることが困難となる。また、実際の油圧ショベルには可動範囲が存在するため、一度の較正動作で高速領域のデータを取得することは困難であり、較正を中断して油圧ショベルの姿勢を修正する必要がある。

上記の課題に対する解決策の１つとして、較正動作の際にスプールの加速度を小さくすることで、ゆっくりとアクチュエータを加速させるという対応が考えられる。しかし、加速時間が長くなるとアクチュエータの可動範囲を超えてしまうため、加速度の最小値には限界が存在し、高速度領域におけるアクチュエータの慣性と圧油の粘性抵抗の影響を除去することは困難である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない較正動作で油圧アクチュエータの高速度領域における動作特性を精度良く導出することができる建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、原動機と、作動油を貯留するタンクと、前記原動機によって駆動され、前記タンクから吸い込んだ作動油を圧油として吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を調整するメータイン弁と、前記メータイン弁のスプール位置を調整するメータインスプール位置調整装置と、前記メータインスプール位置調整装置に指令信号を出力するコントローラとを備えた建設機械において、前記油圧アクチュエータの動作速度を検出するための速度検出装置と、前記メータイン弁のスプール位置を検出するメータインスプール位置検出装置と、前記メータイン弁の前後差圧を検出する圧力検出装置と、前記メータイン弁の前後差圧を調整する圧力調整装置とを備え、前記コントローラは、前記メータイン弁のスプール位置と前記油圧アクチュエータの動作速度と前記メータイン弁の前後差圧との関係を表す動作特性を導出する較正モードを有し、前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置が前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記メータイン弁に流入する圧油流量の増加を抑えるように、前記メータイン弁の前後差圧を低下させる指令信号を前記圧力調整装置に出力するものとする。

以上のように構成した本発明によれば、メータイン弁のスプール位置とアクチュエータ速度の間の関係を、メータイン弁の前後差圧を用いて間接的にマッピングすることで、実際にアクチュエータを高速度で動かすことなく動作特性のマッピングを行うことが可能となる。加えて、油圧アクチュエータの動作特性を導出する較正動作時に、メータイン弁の前後差圧を調整して、アクチュエータの可動範囲を超えない程度に油圧アクチュエータの実速度を抑えることで、動作特性のマッピングの誤差要因となりうる油圧アクチュエータの慣性や圧油の粘性抵抗の影響が緩和される。これにより、少ない較正動作で油圧アクチュエータの高速度領域における動作特性の精度を向上することが可能となる。

本発明によれば、油圧ショベル等の建設機械において、少ない較正動作で油圧アクチュエータの高速度領域における動作特性の精度を向上することが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。 図１に示す油圧ショベルに搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。 図１に示す油圧ショベルに搭載される油圧システムを概略的に示す図である。 図２に示す油圧システム制御部の詳細を表す機能ブロック図である。 図４に示す動作特性演算部が導出する動作特性マップの一例を示す図である。 図４に示す較正指令演算部が演算するメータインスプール位置指令の指令波形の一例を示す図である。 図４に示す較正指令演算部が演算するブリードオフスプール位置指令の指令値算出用マップの一例を示す図である。 較正モードにおける油圧システム制御部の較正指令演算フローを示す図である。 較正モードにおけるメータインスプール位置指令、メータイン弁の前後差圧、およびアクチュエータ速度の変化を示す図である。 本発明の第１の実施例における動作特性導出結果の一例を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る油圧ショベルに搭載される油圧システムの概略図である。 本発明の第３の実施例に係る油圧ショベルに搭載される油圧システムの概略図である。 本発明の第４の実施例に係る油圧ショベルに搭載される油圧システムの概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係る建設機械として油圧ショベルを例に挙げ、図面を参照して説明する。なお、各図中、同等の部材には同一の符号を付し、重複した説明は適宜省略する。

図１は、本実施の第１の実施例に係る油圧ショベルの外観を模式的に示す図である。

図１において、油圧ショベル１００は、垂直方向にそれぞれ回動する複数の被駆動部材（ブーム４、アーム５、バケット（作業具）６）を連結して構成された多関節型のフロント装置（フロント作業機）１と、車体を構成する上部旋回体２および下部走行体３とを備え、上部旋回体２は下部走行体３に対して旋回可能に設けられている。また、フロント装置１のブーム４の基端は上部旋回体２の前部に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の一端はブーム４の基端とは異なる端部（先端）に垂直方向に回動可能に支持されており、アーム５の他端にはバケット６が垂直方向に回動可能に支持されている。ブーム４、アーム５、バケット６、上部旋回体２および下部走行体３は、油圧アクチュエータであるブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａ、および左右の走行モータ３ａ（一方の走行モータのみ図示）によりそれぞれ駆動される。ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａは後述するシリンダ位置センサを内蔵しており、シリンダ位置を計測することができる。計測したシリンダ位置を数値微分することでシリンダ速度を算出する。すなわち、シリンダ位置センサは、油圧アクチュエータの動作速度を検出するための速度検出装置を構成している。

ブーム４、アーム５およびバケット６は、単一の平面（以下、動作平面）上で動作する。動作平面は、ブーム４、アーム５およびバケット６の回動軸に直交する平面であり、ブーム４、アーム５およびバケット６の幅方向の中心を通るように設定することができる。

オペレータが搭乗する運転室９には、油圧アクチュエータ２ａ，４ａ，５ａ，６ａを操作するための操作信号を出力する操作レバー装置（操作装置）９ａが設けられている。操作レバー装置９ａは、前後左右に傾倒可能な操作レバーと、この操作レバーの傾倒量（レバー操作量）に相当する操作信号を電気的に検出する検出装置とを含み、この検出装置が検出したレバー操作量を制御装置であるコントローラ１０（図２に示す）に電気配線を介して出力する。また、運転室９にはマンマシンインターフェース９ｂが設置され、後述する動作状態表示制御部１０ｂ（図２に示す）から送られた操作指示や目標面の表示、および後述する油圧システム制御部１０ｃ（図２に示す）への動作モードの指示が行われる。

ブームシリンダ４ａ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ６ａ、旋回モータ２ａおよび左右の走行モータ３ａの動作制御は、エンジン４０によって駆動される油圧ポンプ７から各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａに供給される作動油の方向および流量をコントロールバルブ８で制御することにより行う。コントロールバルブ８の制御は、後述するパイロットポンプ７０から電磁比例弁を介して出力される駆動信号（パイロット圧）により行われる。操作レバー装置９ａからの操作信号に基づいてコントローラ１０で電磁比例弁を制御することにより、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａの動作が制御される。

なお、操作レバー装置９ａは上記と異なる油圧パイロット方式であっても良く、それぞれオペレータにより操作される操作レバーの操作方向および操作量に応じたパイロット圧をコントロールバルブ８に駆動信号として供給し、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａを駆動するように構成しても良い。

図２は、油圧ショベル１００に搭載されるコントローラの処理機能の一部を模式的に示す図である。

図２において、コントローラ１０は、油圧ショベル１００の動作を制御するための種々の機能を有するものであり、目標動作演算部１０ａ、動作状態表示制御部１０ｂ、および油圧システム制御部１０ｃを有している。

目標動作演算部１０ａは、図示しない記憶装置などに施工管理者によって予め記憶されている３次元施工図面などの設計データ１１と、設計データ１１より算出される目標施工面およびオペレータが操作する操作レバー装置９ａの入力に基づいて車体の目標動作を演算し、後述する油圧システム制御部１０ｃに車体の目標動作に応じた油圧アクチュエータの目標位置を指令する。

動作状態表示制御部１０ｂは、運転室９に設けられたマンマシンインターフェース９ｂの表示等を制御するものであり、目標施工面や、後述する油圧システム制御部１０ｃで演算されたフロント装置１の姿勢情報やバケット目標速度に基づいて、オペレータに対する操作支援の指示内容を演算し、運転室９のマンマシンインターフェース９ｂに表示、もしくは、音声による通知を行う。

すなわち、動作状態表示制御部１０ｂは、例えば、ブーム４、アーム５、バケット６などの被駆動部材を有するフロント装置１の姿勢や、バケット６の先端位置、角度、速度などをマンマシンインターフェース９ｂに表示してオペレータの操作を支援するマシンガイダンスシステムとしての機能の一部を担っている。

油圧システム制御部１０ｃは、油圧ポンプ７やコントロールバルブ８、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａ等からなる油圧ショベル１００の油圧システムを制御するものであり、目標動作演算部１０ａで演算された各アクチュエータの目標動作と、後述する油圧ショベル１００の油圧システムに取り付けられた各センサの計測値に基づいて、目標動作を実現する制御指令を演算し、油圧ショベル１００の油圧システムを制御する。すなわち、油圧システム制御部１０ｃは、例えば、バケット６の背面以外が目標面に接触しないようにフロント装置１の動作を制限する制御を行うマシンコントロールシステムとしての機能の一部を担っている。

図３は、油圧ショベル１００に搭載される油圧システムを概略的に示す図である。なお、図３においては、ブーム４の動作に関わる部分のみを示している。その他の油圧アクチュエータの動作に関わる部分は、ブーム４と同様であるため説明を省略する。

図３において、油圧システム２００は、各油圧アクチュエータ２ａ〜６ａを駆動するコントロールバルブ８、コントロールバルブ８へ圧油を供給する油圧ポンプ７、油圧機器へパイロット圧力を供給するパイロットポンプ７０および油圧ポンプ７を駆動するためのエンジン４０から構成され、コントローラ１０からの制御指令に応じて動作する。

コントロールバルブ８のブリードオフセクション８ｂは、後述するブームセクション８ａと独立して構成される。ブリードオフセクション８ｂには、供給油路３１が接続されており、油圧ポンプ７から圧油が供給される。供給油路３１は供給油路３２と供給油路３３とに分岐しており、供給油路３３はブリードオフ弁８ｂ１を介して排出油路３４に接続し、排出油路３４はタンク１２に接続する。ブリードオフ弁８ｂ１は、コントローラ１０から指令された制御入力に基づいてブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２が動作することによって駆動され、供給油路３１と排出油路３４とを連通し、油圧ポンプ７からの圧油をブリードオフさせる。一方で、供給油路３２はブームセクション８ａに接続されており、油圧ポンプ７からの圧油をブームセクション８ａに供給する。

ブームセクション８ａ内において、供給油路３２は方向制御弁８ａ１を介してブームシリンダ４ａに接続されている。方向制御弁８ａ１は、ブームシリンダ４ａのボトム側油室４ａ１またはロッド側油室４ａ２の一方が、油圧ポンプ７繋がる油路と連通する弁（メータイン弁）となり、もう一方がタンク12へと繋がる油路に連通する弁（メータアウト弁）となる。メータイン弁８ａ１は、コントローラ１０から指令された制御入力に基づいて方向制御弁用電磁比例減圧弁８ａ２が動作することによって駆動され、油圧ポンプ７からの圧油流量を制御する。電磁比例減圧弁８ａ２ａを駆動すると、ボトム側油室４ａ１からロッド側油室４ａ２へ圧油が流れる。一方で、電磁比例減圧弁８ａ２ｂを駆動すると、ロッド側油室４ａ２からボトム側油室４ａ１へ圧油が流れる。メータイン弁８ａ１のスプール位置が正方向に移動するほど、メータイン弁８ａ１の開口面積が増加し、流れる圧油流量が増加する。ブームシリンダ４ａにはシリンダ位置センサ４ａ４が取り付けられており、センサ信号がコントローラ１０へと送信される。

ブームセクション８ａ内において、メータイン弁８ａ１の前に圧力センサ８ａ３（以下、メータイン弁前圧力センサ）、メータイン弁８ａ１の後に圧力センサ８ａ４（以下、メータイン弁後圧力センサ）、およびメータイン弁８ａ１にメータインスプール位置センサ８ａ５が設置されている。圧力センサ８ａ４は、ボトム側油室４ａ１が油圧ポンプ7と連通する場合には８ａ４ａが、ロッド側油室４ａ２が油圧ポンプ７と連通する場合には８ａ４ｂがメータイン弁後圧力センサとなる。各センサはコントローラ１０に接続され、センサ信号がコントローラ１０へと送信される。

コントローラ１０には、ブーム操作に対応する操作レバー装置９ａからのレバー操作信号と、後述するマンマシンインターフェース９ｂからの較正モード開始信号および較正アクチュエータ選択信号と、ブームシリンダ４ａに内蔵されたシリンダ位置センサと、ブームセクション８ａに設置された、メータイン弁前圧力センサ８ａ３、メータイン弁後圧力センサ８ａ４、およびメータインスプール位置センサ８ａ５のセンサ信号とが入力されている。これらの信号に基づいて、方向制御弁用電磁比例減圧弁８ａ２およびブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２を駆動する。

ここで、コントローラ１０には、ブームシリンダ４ａなどのアクチュエータを駆動するための通常モードと、ブームシリンダ４ａなどのアクチュエータの動作特性を導出するための較正モードとが備えられている。マンマシンインターフェース９ｂは、通常モードから較正モードへの切替の指示と、較正するアクチュエータの切替を指示するための電気的な信号を出力するスイッチ（例えば手動で操作するプッシュ式のスイッチ）を備えている。

図４は、油圧システム制御部１０ｃの詳細を表す機能ブロック図である。なお、図４においては、較正動作に関わる機能のみを示している。その他の機能については、本発明に直接関わらないため説明を省略する。

図４において、油圧システム制御部１０ｃは、動作特性演算部１０ｃ１、動作特性記憶部１０ｃ２、較正指令演算部１０ｃ３、および制御指令出力部１０ｃ４を有している。

動作特性演算部１０ｃ１は、シリンダ位置センサ４ａ４から取得したアクチュエータ位置ｘ_ａを数値微分することで算出したアクチュエータ速度Ｖ_ａ、メータインスプール位置センサ８ａ５から取得したメータインスプール位置ｘ_ｓ、メータイン弁前圧力センサ８ａ３から取得したメータイン弁前圧力Ｐ_ｉｎ、およびメータイン弁後圧力センサ８ａ４から取得したメータイン弁後圧力Ｐ_ｏｕｔに基づいて、メータインスプール位置ｘ_ｓとアクチュエータ速度Ｖ_ａの間の関係性を演算する。ここで、アクチュエータ速度Ｖ_ａは、慣性計測装置（ＩＭＵ： Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ）などを利用して、アクチュエータ位置ｘ_ａを数値微分することなく直接計測しても良い。

メータインスプール位置ｘ_ｓとアクチュエータ速度Ｖ_ａとの関係は、メータイン弁前圧力Ｐ_ｉｎおよびメータイン弁後圧力Ｐ_ｏｕｔを用いて式（１）のように表せる。

ここで、α（ｘ_ｓ）はｘ_ｓの単調増加関数であり、メータインスプール位置ｘ_ｓとメータイン弁８ａ１の開口面積の関係性（開口特性）と、圧力センサ８ａ３，８ａ４の設置位置のずれによる圧力損失の影響を含んだ関数である。本稿では、ｘ_ｓに対するα（ｘ_ｓ）のマップをアクチュエータの動作特性と定義する。演算した動作特性α（ｘ_ｓ）は、後述する動作特性記憶部１０ｃ２に送られる。

図５は、動作特性演算部１０ｃ１が導出する動作特性マップの一例である。

α（ｘ_ｓ）は動作特性演算部１０ｃ１が導出する動作特性であり、式（１）を変形した式（２）によって算出される。

動作特性演算部１０ｃ１は、メータインスプール位置ｘ_ｓに対する動作特性α（ｘ_ｓ）をマッピングすることで、図５に示す動作特性マップを導出する。

図４に戻り、動作特性記憶部１０ｃ２は、動作特性演算部１０ｃ１から送られた動作特性α（ｘ_ｓ）を記憶する機能を有する。一回の較正動作が終了し、動作特性演算部１０ｃ１から導出した動作特性α（ｘ_ｓ）が動作特性演算部１０ｃ１に送られる度に、動作特性演算部１０ｃ１が記憶していた動作特性α（ｘ_ｓ）が更新される。

較正指令演算部１０ｃ３は、マンマシンインターフェース９ｂから入力される、較正するアクチュエータの識別信号に基づいて動作特性α（ｘ_ｓ）を導出するアクチュエータを選択し、動作較正のためのメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}、およびメータイン弁８ａ１の前後差圧を調整するためのブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}を演算する。メータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}は、センサの計測結果によらず事前に定められた波形を使用する。ブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}は、メータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}と、メータイン弁前圧力センサ８ａ３から送られるメータイン弁前圧力Ｐ_ｉｎと、メータイン弁後圧力センサ８ａ４から送られるメータイン弁後圧力Ｐ_ｏｕｔとによって決定される。これらの位置指令の導出の詳細は後述する。これらの位置指令が、後述する制御指令出力部１０ｃ４へと送られる。また、較正指令演算部１０ｃ３にて演算している場合は、較正動作が継続していることを示す信号（較正動作継続フラグ信号）が動作状態表示制御部１０ｂに送られる。

図６は、較正指令演算部１０ｃ３が演算するメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}の指令波形の一例を示す図である。

メータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}の指令波形は、最小ストローク（０）からフルストロークｘ_{ｓ，ｍａｘ}までの時系列変化として、事前に決定される。ここでは、指令波形の一例として以下のような正弦波形を入力する場合で説明する。

ここで、ｔ_ｆは指令する正弦波形の周期である。指令波形は三角波形としても良い。指令する正弦波形は位相を変えて繰り返し指令することが可能であり、繰り返す回数はオペレータが任意に選択できるものとする。図５に示した動作特性マップを式（２）から最小二乗法を用いて導出する場合、指令波形の繰り返し回数が多くなるほど計測センサのばらつきの影響が弱まり、動作特性α（ｘ_ｓ）の導出精度が向上する。

図７は、較正指令演算部１０ｃ３が演算するブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}の指令値算出用マップの一例を示す図である。

ブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}は、メータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}と、メータイン弁前圧力センサ８ａ３から送られるメータイン弁前圧力Ｐ_ｉｎと、メータイン弁後圧力センサ８ａ４から送られるメータイン弁後圧力Ｐ_ｏｕｔとに基づいて決定される。まず、図７に示すマップとメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}によって、メータイン弁８ａ１の目標前後差圧ΔＰ_{ｔａｒｇｅｔ}が決定される。図７に示すマップでは、メータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}が増加するにつれて、メータイン弁８ａ１の目標前後差圧ΔＰ_{ｔａｒｇｅｔ}が減少するようにマッピングされる。このとき、目標差圧ΔＰ_{ｔａｒｇｅｔ}の最大値ΔＰ_ｍａｘは、アクチュエータの静止摩擦や自重を超える程度の大きさに設定する。ΔＰ_ｍａｘの値はアクチュエータの動作方向により異なるが、好ましくは５〜１０ＭＰａである。また、目標差圧ΔＰ_{ｔａｒｇｅｔ}の最小値ΔＰ_ｍｉｎは、設置した圧力センサ８ａ３および８ａ４の計測ばらつきを超える程度の大きさに設定する。ΔＰ_ｍｉｎの値は好ましくは１ＭＰａ程度である。このマッピングの結果を基にして、メータイン弁前後の目標差圧ΔＰ_{ｔａｒｇｅｔ}と、メータイン弁前圧力センサ８ａ３およびメータイン弁後圧力センサ８ａ４が計測したメータイン弁８ａ１の実前後差圧ΔＰ＝Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｏｕｔとの差が小さくなるように、以下の式からブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}が決定される。

ここで、Ｋ_ｐはフィードバックゲインであり、任意の正の定数とする。ｘ_{ｂ，ｐｒｅ}は１演算周期前のブリードオフスプール位置指令である。

図４に戻り、制御指令出力部１０ｃ４は、較正指令演算部１０ｃ３から送られたメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}およびブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}に基づいて、方向制御弁用電磁比例減圧弁８ａ２とブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２に電流指令を出力する。制御指令出力部１０ｃ４は、各スプール位置指令から電流指令へと変換するマップを有しており、このマップに基づいて電流指令値が決定される。

図８は、較正モードにおける油圧システム制御部１０ｃの較正指令演算フローを示す図である。

まず、ステップＦＣ１にて、マンマシンインターフェース９ｂから送られた較正するアクチュエータの識別信号が較正指令演算部１０ｃ３に送られ、較正を行うアクチュエータを選択する。

ステップＦＣ２にて、較正指令演算部１０ｃ３が、メータイン弁前圧力センサ８ａ３およびメータイン弁後圧力センサ８ａ４が計測した圧力値を取得する。

ステップＦＣ３にて、較正動作が終了しているかどうかの判定を行い、較正動作が終了していなければ、ステップＦＣ４に移行し、図６に示した目標とするメータインスプール位置指令波形に基づいて、現時刻におけるメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}を決定する。

ステップＦＣ５にて、図７に示したブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}の指令値算出用マップとメータイン弁前圧力センサ８ａ３およびメータイン弁後圧力センサ８ａ４が計測したメータイン弁８ａ１の実前後差圧ΔＰに基づいて、式（４）からブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}を決定する。

ステップＦＣ６にて、ステップＦＣ４およびステップＦＣ５で決定された指令が、制御指令出力部１０ｃ４に送られ、方向制御弁用電磁比例減圧弁８ａ２およびブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２に電流指令が出力される。

このように本実施例では、エンジン４０（原動機）と、作動油を貯留するタンク１２と、エンジン４０によって駆動され、タンク１２から吸い込んだ作動油を圧油として吐出する油圧ポンプ７と、油圧ポンプ７から吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータ４ａと、油圧ポンプ７から油圧アクチュエータ４ａに供給される圧油の流量を調整するメータイン弁８ａ１と、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘ_ｓを調整する方向制御弁用電磁比例減圧弁８ａ２（メータインスプール位置調整装置）と、操作レバー装置９ａ（操作装置）からの操作信号に応じて方向制御弁用電磁比例減圧弁８ａ２に指令信号を出力するコントローラ１０とを備えた油圧ショベル１００（建設機械）において、油圧アクチュエータ４ａの動作速度Ｖ_ａを検出するためのシリンダ位置センサ４ａ４（速度検出装置）と、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘ_ｓを検出するメータインスプール位置センサ８ａ５（メータインスプール位置検出装置）と、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを検出する圧力センサ８ａ３，８ａ４（圧力検出装置）と、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを調整するブリードオフ弁８ｂ１（圧力調整装置）およびブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２（圧力調整装置）とを備え、コントローラ１０は、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘ_ｓと油圧アクチュエータ４ａの動作速度Ｖ_ａとメータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰとの関係を表す動作特性α（ｘ_ｓ）を導出する較正モードを有し、較正モードにおいて、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘ_ｓがメータイン弁８ａ１の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを小さくする指令信号として、ブリードオフ弁８ｂ１の開口面積を増加させる指令信号をブリードオフ用電磁比例減圧弁８ｂ２に出力する。これにより、油圧ポンプ７からタンク１２に排出される圧油の流量が増加し、メータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎが低下することで前後差圧ΔＰが小さくなる。

以上のように構成した本実施例に係る油圧ショベル１００によれば、以下の効果が得られる。

図９は、較正モードにおけるメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰ、およびアクチュエータ速度Ｖ_ａの変化を示す図である。

較正動作として与えられた一往復のメータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}対して、ブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}の指令値算出用マップとメータイン弁８ａ１の実前後差圧ΔＰに基づいて、式（４）からブリードオフスプール位置指令ｘ_{ｂ，ｒｅｆ}を決定する。これにより、図９に示すようなメータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰが得られ、アクチュエータ速度Ｖ_ａの増加が抑えられる。すなわち、較正動作中にメータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを調整しない従来技術に比べて、本発明ではアクチュエータ速度Ｖ_ａを抑えた状態でメータインスプールを動作させることができる。このときのアクチュエータ速度Ｖ_ａは、メータインスプール位置指令の周期ｔ_ｆがアクチュエータの可動範囲Ｌ_ａを超えない速度として、式（５）に示される目標速度Ｖ_{ａ，ｔａｒｇｅｔ}を目安として調整される。

その結果、アクチュエータ４ａの可動範囲内でメータイン弁８ａ１のスプールを１往復させることができ、１度の較正動作で全較正領域の計測データを取得することが可能となるため、動作較正の時間効率が向上する。従来技術では、較正のために必要なアクチュエータの最大速度Ｖ_{ａ，ｍａｘ}に達する前に、時刻ｔ_ｅｎｄにアクチュエータの最大可動範囲に達するため、一度の動作で較正を終えることができず、メータインスプール位置指令ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}のパターンを変えて較正動作を複数回行う必要がある。

図１０は、本実施例における動作特性導出結果の一例を示す図である。

図１０のグラフは、本実施例におけるメータインスプール位置ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}に対するアクチュエータ速度Ｖ_ａのマッピング結果を、想定される真値、および較正動作時にメータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを調整しない従来技術によるマッピング結果と比較して示している。本発明のマッピング結果は、図５に示す動作特性α（ｘ_ｓ）を用いて算出したメータインスプール位置ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}に対する動作特性α（ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}）、メータインスプール位置ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}に対するメータイン弁前圧力Ｐ_ｉｎおよびメータイン弁後圧力Ｐ_ｏｕｔを式（１）に代入し、メータインスプール位置ｘ_{ｓ，ｒｅｆ}に対するアクチュエータ速度Ｖ_ａを算出することにより求められる。

本発明では、式（１）の関係からわかるように較正動作時にメータイン弁８ａ１の実前後差圧ΔＰを調整することによって、アクチュエータ速度Ｖ_ａを抑えた状態で動作特性導出のためのデータが計測される。これにより、アクチュエータ速度Ｖ_ａに比例して大きくなる慣性や圧油の粘性抵抗の影響が抑えられ、メータイン弁８ａ１の開口面積が大きい領域、すなわちアクチュエータ速度Ｖ_ａが高速度になる領域において、従来技術に比べて較正結果が真値に近づき、較正の精度が向上する。すなわち、少ない較正動作で油圧アクチュエータの高速度領域における動作特性α（ｘ_ｓ）を精度良く導出することが可能となる。

以下の実施例では、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを調整する圧力調整装置として、ブリードオフ回路以外の手段を用いた場合を説明する。

本発明の第２の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

図１１は、本実施例に係る油圧ショベル１００に搭載される油圧システムの概略図である。

図１１において、本実施例における油圧システム２００Ａは、可変容量型の油圧ポンプ７ａを有しており、コントローラ１０が油圧ポンプ７ａからメータイン弁８ａ１に供給される圧油流量を制御することによって、メータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎを調整する。

このように本実施例では、油圧ポンプ７ａは可変容量型であり、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを調整する圧力調整装置は、油圧ポンプ７の吐出流量を調整するレギュレータ７ｂであり、コントローラ１０は、較正モードにおいて、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘ_ｓがメータイン弁８ａ１の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを小さくする指令信号として、油圧ポンプ７の吐出流量を減少させる指令信号をレギュレータ７ｂに出力する。これにより、油圧ポンプ７からメータイン弁８ａ１に供給される圧油の流量が減少し、メータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎが低下することで前後差圧ΔＰが小さくなる。

以上のように構成された本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、可変容量型の油圧ポンプ７ａの供給流量制御によってメータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎを調整することにより、較正動作時に無駄に排出される圧油流量が減少するため、エネルギー効率が向上する。また、エンジン４０の回転数を変化させることなくメータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎを制御することができるため、油圧ショベル１００全体の動作への影響を抑えることが可能になる。

本発明の第３の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

図１２は、本実施例に係る油圧ショベル１００に搭載される油圧システムの概略図である。

図１２において、本実施例における油圧システム２００Ｂは、エンジン４０の回転数を制御する機能をコントローラ１０に持たせており、エンジン４０の回転数を制御することにより、油圧ポンプ７からメータイン弁８ａ１に供給される圧油流量を制御する。

このように本実施例では、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを調整する圧力調整装置はエンジン４０（原動機）であり、コントローラ１０は、較正モードにおいて、メータイン弁８ａ１のスプール位置ｘ_ｓがメータイン弁８ａ１の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、メータイン弁８ａ１の前後差圧ΔＰを小さくする指令信号として、エンジン４０の回転数を低下させる指令信号をエンジン４０に出力する。これにより、油圧ポンプ７からメータイン弁８ａ１に供給される圧油の流量が減少し、メータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎが低下することで前後差圧ΔＰが小さくなる。

以上のように構成された本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、供給圧油流量を制御することにより、メータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎを調整することができる。エンジン４０の回転数制御によってメータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎを調整することにより、較正動作時に無駄に排出される圧油流量が減少するため、エネルギー効率が向上する。また、固定容量型の油圧ポンプ７を使用した場合にもメータイン弁８ａ１の前圧力Ｐ_ｉｎを制御することが可能となる。

本発明の第４の実施例について、第１の実施例との相違点を中心に説明する。

図１３は、本実施例に係る油圧ショベル１００に搭載される油圧システムの概略図である。

図１３において、本実施例における油圧システム２００Ｃは、ブームセクション８ａ内に、方向制御弁８ａ１と独立した方向制御弁８ａ６を有する。方向制御弁８ａ６は、方向制御弁８ａ１と同様に、ブームシリンダ4aのボトム側油室4a1またはロッド側油室4a2の一方が、油圧ポンプ7と繋がる油路と連通する弁（メータイン弁）となり、もう一方がタンク12へと繋がる油路に連通する弁（メータアウト弁）となる。方向制御弁８a１がメータイン弁となっている場合には、方向制御弁８a６がメータアウト弁となり、方向制御弁８a６がメータイン弁となっている場合には、方向制御弁８a１がメータアウト弁となる。また、方向制御弁８a１がメータイン弁となっている場合には、スプール位置センサ８a５aがメータインスプール位置を計測するメータインスプール位置センサ８a５となり、方向制御弁８a６がメータイン弁となっている場合には、スプール位置センサ８a５bがメータインスプール位置を計測するメータインスプール位置センサ８a５となる。方向制御弁８ａ６は、コントローラ１０から指令された制御入力に基づいて方向制御弁用比例電磁減圧弁８ａ７が動作することによって駆動される。メータアウト弁８ａ６もしくは８ａ１が動作することで、ブームシリンダ４ａからタンク１２へ排出される圧油流量を制御することにより、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６の後圧力Ｐ_ｏｕｔが調整される。

このように本実施例では、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６の前後差圧ΔＰを調整する圧力調整装置は、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６とは独立に設けられ、油圧アクチュエータ４ａからタンク１２に排出される圧油の流量を調整するメータアウト弁８ａ６もしくは８ａ１と、メータアウト弁８ａ６もしくは８ａ１の開口面積を制御する方向制御弁用比例電磁減圧弁８ａ７もしくは８ａ２とを有し、コントローラ１０は、較正モードにおいて、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６のスプール位置ｘ_ｓがメータイン弁８ａ１もしくは８ａ６の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６の前後差圧ΔＰを小さくする指令信号として、メータアウト弁８ａ６もしくは８ａ１の開口面積を減少させる指令信号を方向制御弁用比例電磁減圧弁８ａ７もしくは８ａ２に出力する。これにより、油圧アクチュエータ４ａからタンク１２に排出される圧油の流量が減少し、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６の後圧力Ｐ_ｏｕｔが上昇することで前後差圧ΔＰが小さくなる。

以上のように構成された本実施例に係る油圧ショベル１００においても、第１の実施例と同様の効果が得られる。

また、メータアウト弁８ａ６もしくは８ａ１の制御によって、メータイン弁８ａ１もしくは８ａ６の後圧力Ｐ_ｏｕｔを精度良く調整することができるとともに、重力や慣性による油圧アクチュエータ４ａの飛び出しを効果的に防止することで、アクチュエータ速度Ｖ_ａの計測精度を高めることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成の一部を加えることも可能であり、ある実施例の構成の一部を削除し、あるいは、他の実施例の一部と置き換えることも可能である。

１…フロント装置、２…上部旋回体、２ａ…旋回モータ（油圧アクチュエータ）、３…下部走行体、４…ブーム、４ａ…ブームシリンダ（油圧アクチュエータ）、４ａ１…ボトム側油室、４ａ２…ロッド側油室、４ａ４…シリンダ位置センサ（速度検出装置）、５…アーム、５ａ…アームシリンダ（油圧アクチュエータ）、６…バケット、６ａ…バケットシリンダ（油圧アクチュエータ）、７，７ａ…油圧ポンプ、７ｂ…レギュレータ、８…コントロールバルブ、８ａ…ブームセクション、８ａ１…メータイン弁、８ａ２…方向制御弁用電磁比例減圧弁（メータインスプール位置調整装置）、８ａ３…メータイン弁前圧力センサ（圧力検出装置）、８ａ４…メータイン弁後圧力センサ（圧力検出装置）、８ａ５…メータインスプール位置センサ（メータインスプール位置検出装置）、８ａ６…メータアウト弁（圧力調整装置）、８ａ７…方向制御弁用比例電磁減圧弁８ａ７（圧力調整装置）、８ｂ…ブリードオフセクション、８ｂ１…ブリードオフ弁（圧力調整装置）、８ｂ２…ブリードオフ用電磁比例減圧弁（圧力調整装置）、９…運転室、９ａ…操作レバー装置（操作装置）、１０…コントローラ、１１…設計データ、１２…タンク、３１〜３３…供給油路、３４，３５…排出油路、４０…エンジン（圧力調整装置）、５０…リリーフ弁、１００…油圧ショベル（建設機械）。

Claims (5)

1. 原動機と、
   作動油を貯留するタンクと、
   前記原動機によって駆動され、前記タンクから吸い込んだ作動油を圧油として吐出する油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプから吐出される圧油によって駆動される油圧アクチュエータと、
   前記油圧ポンプから前記油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を調整するメータイン弁と、
   前記メータイン弁のスプール位置を調整するメータインスプール位置調整装置と、
   前記メータインスプール位置調整装置に指令信号を出力するコントローラとを備えた建設機械において、
   前記油圧アクチュエータの動作速度を検出するための速度検出装置と、
   前記メータイン弁のスプール位置を検出するメータインスプール位置検出装置と、
   前記メータイン弁の前後差圧を検出する圧力検出装置と、
   前記メータイン弁の前後差圧を調整する圧力調整装置とを備え、
   前記コントローラは、
   前記メータイン弁のスプール位置と前記油圧アクチュエータの動作速度と前記メータイン弁の前後差圧との関係を表す動作特性を導出する較正モードを有し、
   前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置が前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記メータイン弁に流入する圧油流量の増加を抑えるように、前記メータイン弁の前後差圧を低下させる指令信号を前記圧力調整装置に出力する
   ことを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記圧力調整装置は、前記油圧ポンプから前記タンクに排出される圧油の流量を調整するブリードオフ弁と、前記ブリードオフ弁の開口面積を制御するブリードオフ電磁弁とを有し、
   前記コントローラは、前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置が前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記メータイン弁の前後差圧を低下させる指令信号として、前記ブリードオフ弁の開口面積を増加させる指令信号を前記ブリードオフ電磁弁に出力する
   ことを特徴とする建設機械。
3. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記油圧ポンプは可変容量型であり、
   前記圧力調整装置は、前記油圧ポンプの吐出流量を調整するレギュレータであり、
   前記コントローラは、前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置が前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記メータイン弁の前後差圧を低下させる指令信号として、前記油圧ポンプの吐出流量を減少させる指令信号を前記レギュレータに出力する
   ことを特徴とする建設機械。
4. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記圧力調整装置は前記原動機であり、
   前記コントローラは、前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置が前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記メータイン弁の前後差圧を低下させる指令信号として、前記原動機の回転数を低下させる指令信号を前記原動機に出力する
   ことを特徴とする建設機械。
5. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記圧力調整装置は、前記メータイン弁とは独立に設けられ、前記油圧アクチュエータから前記タンクに排出される圧油の流量を調整するメータアウト弁と、前記メータアウト弁の開口面積を制御するメータアウト電磁弁とを有し、
   前記コントローラは、前記較正モードにおいて、前記メータイン弁のスプール位置が前記メータイン弁の開口面積を増加させる方向に変化した場合に、前記メータイン弁の前後差圧を低下させる指令信号として、前記メータアウト弁の開口面積を減少させる指令信号を前記メータアウト電磁弁に出力する
   ことを特徴とする建設機械。

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