JP2022184017A - 作業機械、及び作業機械を制御するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業機械において、作業の負荷に応じて、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能とする。【解決手段】第１センサは、第１パラメータを検出する。第１パラメータは、ブレードの刃先の下方への貫入力に関係する。コントローラは、第１パラメータに基づいて貫入力が不足しているかを判定する。コントローラは、貫入力が不足していると判定したときに、ブレードを前傾方向にピッチ動作させる。【選択図】図５

Description

本発明は、作業機械、及び作業機械を制御するための方法に関する。

作業機械には、オペレータの操作に応じてブレードのピッチ角を調整可能なものがある。例えば、特許文献１の作業機械では、ブレードのピッチ角を調整するための操作レバーが設けられている。操作レバーにはスイッチが設けられている。スイッチがオンのときに操作レバーが右に倒されると、ブレードがピッチダンプ（前傾）するように、油圧シリンダが制御される。スイッチがオンのときに操作レバーが左に倒されると、ブレードがピッチバック（後傾）するように、油圧シリンダが制御される。

特開平７－２５２８５９号公報

ブレードのピッチ角は、掘削、或いは整地などの作業性に影響を与える。しかし、ブレードのピッチ角は、作業内容に応じて、適切な角度が異なる。例えば、ピッチ角が小さい、すなわちブレードが後傾しているときには、掘削抵抗が小さく、掘削性が良好である一方、ブレードの下方向への貫入力が小さい。そのため、負荷の小さい作業中にピッチ角が適正値よりも小さいときには、作業機械の履帯の前部が浮き上がってしまう場合がある。その場合、作業性が低下する。

従って、作業の負荷に応じて、ブレードのピッチ角を適切に調整することが望ましい。しかし、熟練したオペレータであっても、作業の負荷に応じて、手動で適切なピッチ角を正確に選定することは容易ではない。本開示の目的は、作業機械において、作業の負荷に応じて、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能とすることにある。

本開示の第１態様に係る作業機械は、車体と、ブレードと、ピッチアクチュエータと、第１センサと、コントローラとを備える。ブレードは、車体に対してピッチ軸回りに回動可能に支持される。ピッチアクチュエータは、ブレードに接続され、ブレードをピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させる。第１センサは、第１パラメータを検出する。第１パラメータは、ブレードの刃先の下方への貫入力に関係する。コントローラは、第１パラメータに基づいて貫入力が不足しているかを判定する。コントローラは、貫入力が不足していると判定したときに、ピッチアクチュエータを制御してブレードを前傾方向にピッチ動作させる。

本開示の第２態様に係る方法は、作業機械を制御するための方法である。作業機械は、車体と、ブレードと、ピッチアクチュエータとを備える。ブレードは、車体に対してピッチ軸回りに回動可能に支持される。ピッチアクチュエータは、ブレードに接続され、ブレードをピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させる。当該方法は、ブレードの刃先の下方への貫入力に関係する第１パラメータを検出することと、第１パラメータに基づいて貫入力が不足しているかを判定することと、貫入力が不足していると判定したときにピッチアクチュエータを制御してブレードを前傾方向にピッチ動作させること、を備える。

本開示によれば、作業機械において、作業の負荷に応じて、ブレードのピッチ角を容易、且つ、適切に調整可能とすることができる。

実施形態に係る作業機械を示す側面図である。 作業機械の駆動系と制御システムとの構成を示すブロック図である。 ブレードのリフト動作を示す模式図である。 ブレードのピッチ角を示す図である。 ブレードにかかる負荷を示す模式図である。 リフトアクチュエータのボトム圧と貫入ストロークとの関係を示す図である。 自動制御でのピッチ動作を示す図である。 ピッチ角データの一例を示す図である。

以下、実施形態に係る作業機械について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施形態に係る作業機械１を示す側面図である。本実施形態に係る作業機械１は、ブルドーザである。作業機械１は、車体１１と作業機１２とを備えている。

車体１１は、運転室１３と、エンジン室１４と、走行装置１５とを含む。運転室１３には、図示しない運転席が配置されている。エンジン室１４は、運転室１３の前方に配置されている。走行装置１５は、車体１１の下部に設けられている。走行装置１５は、フロントホイール４１と、リアホイール４２と、履帯１６とを含む。なお、図１では、左側の履帯１６のみが図示されている。フロントホイール４１は、リアホイール４２の前方に配置されている。履帯１６は、フロントホイール４１とリアホイール４２とに巻回されている。履帯１６が回転することによって、作業機械１が走行する。

作業機１２は、車体１１に取り付けられている。作業機１２は、リフトフレーム１７と、ブレード１８と、リフトアクチュエータ１９と、ピッチアクチュエータ２０とを有する。リフトフレーム１７は、車体１１に対してリフト軸Ｘ１回りに回動可能に支持される。リフト軸Ｘ１は、車体１１の横方向に延びている。リフトフレーム１７は、リフト軸Ｘ１回りに回動することで、上下にリフト動作する。

ブレード１８は、車体１１の前方に配置されている。ブレード１８は、リフトフレーム１７に対してピッチ軸Ｘ２回りに回動可能に支持される。ピッチ軸Ｘ２は、車体１１の横方向に延びている。ブレード１８は、ピッチ軸Ｘ２回りに回動することで、前傾方向と後傾方向とにピッチ動作する。ブレード１８は、リフトフレーム１７の上下動に伴って上下に移動する。

リフトアクチュエータ１９は、車体１１とリフトフレーム１７とに連結されている。リフトアクチュエータ１９は、油圧シリンダである。リフトアクチュエータ１９が伸縮することによって、リフトフレーム１７は、上下にリフト動作する。リフトアクチュエータ１９が縮むことによって、ブレード１８が上昇する。リフトアクチュエータ１９が延びることによって、ブレード１８が下降する。

ピッチアクチュエータ２０は、リフトフレーム１７とブレード１８とに連結されている。ピッチアクチュエータ２０は、油圧シリンダである。ピッチアクチュエータ２０が伸縮することによって、ブレード１８は、前後にピッチ動作する。ブレード１８の一部、例えば上端が、前後に動作することで、ブレード１８がピッチ軸Ｘ２回りにピッチ動作する。ピッチアクチュエータ２０が伸びることによって、ブレード１８は前傾する。ピッチアクチュエータ２０が縮むことによって、ブレード１８は後傾する。

図２は、作業機械１の駆動系２と制御システム３との構成を示すブロック図である。図２に示すように、駆動系２は、エンジン２２と、油圧ポンプ２３と、動力伝達装置２４と、を備えている。油圧ポンプ２３は、エンジン２２によって駆動され、作動油を吐出する。油圧ポンプ２３から吐出された作動油は、リフトアクチュエータ１９とピッチアクチュエータ２０とに供給される。なお、図２では、１つの油圧ポンプが図示されているが、複数の油圧ポンプが設けられてもよい。

動力伝達装置２４は、エンジン２２の駆動力を走行装置１５に伝達する。動力伝達装置２４は、例えば、HST（Hydro Static Transmission）であってもよい。或いは、動力伝達装置２４は、例えば、トルクコンバータ、或いは複数の変速ギアを有するトランスミッションであってもよい。

制御システム３は、コントローラ２６と制御弁２７とを備える。コントローラ２６は、取得したデータに基づいて作業機械１を制御するようにプログラムされている。コントローラ２６は、記憶装置２８とプロセッサ２９とを含む。プロセッサ２９は、例えばCPUを含む。記憶装置２８は、例えばメモリと補助記憶装置とを含む。記憶装置２８は、例えば、RAM、或いはROMなどであってもよい。記憶装置２８は、半導体メモリ、或いはハードディスクなどであってもよい。記憶装置２８は、非一時的な（non-transitory）コンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例である。記憶装置２８は、プロセッサ２９によって実行可能であり作業機械１を制御するためのコンピュータ指令を記録している。

制御弁２７は、比例制御弁であり、コントローラ２６からの指令信号によって制御される。制御弁２７は、リフトアクチュエータ１９及びピッチアクチュエータ２０などの油圧アクチュエータと、油圧ポンプ２３との間に配置される。制御弁２７は、油圧ポンプ２３からリフトアクチュエータ１９に供給される作動油の流量を制御する。制御弁２７は、油圧ポンプ２３からピッチアクチュエータ２０に供給される作動油の流量を制御する。なお、制御弁２７は、圧力比例制御弁であってもよい。或いは、制御弁２７は、電磁比例制御弁であってもよい。

制御システム３は、操作装置３１と入力装置３２とを備えている。操作装置３１は、例えばレバーを含む。或いは、操作装置３１は、ペダル、或いはスイッチを含んでもよい。オペレータは、操作装置３１を用いて、作業機械１の走行と、作業機１２の動作とを手動で操作することができる。操作装置３１は、操作装置３１の操作を示す操作信号を出力する。コントローラ２６は、操作装置３１から操作信号を受信する。

操作装置３１は、ブレード１８のリフト動作を操作可能である。詳細には、操作装置３１は、ブレード１８の上げ操作と下げ操作との操作が可能である。オペレータが操作装置３１に対して上げ操作を行うと、コントローラ２６は、ブレード１８が上昇するように、リフトアクチュエータ１９を制御する。オペレータが操作装置３１に対して下げ操作を行うと、コントローラ２６は、ブレード１８が下降するように、リフトアクチュエータ１９を制御する。

図３は、作業機械１のリフト動作を示す模式図である。図３において、Ｐ１は、ブレード１８の刃先Ｐ０の最高位置を示している。Ｐ２は、ブレード１８の刃先Ｐ０の最低位置を示している。作業機械１は、最高位置Ｐ１と最低位置Ｐ２との間で、ブレード１８をリフト動作させることができる。

操作装置３１は、ブレード１８のピッチ動作を操作可能である。詳細には、操作装置３１は、ブレード１８の前傾操作と後傾操作との操作が可能である。オペレータが操作装置３１に対して前傾操作を行うと、コントローラ２６は、ブレード１８が前傾するように、ピッチアクチュエータ２０を制御する。オペレータが操作装置３１に対して後傾操作を行うと、コントローラ２６は、ブレード１８が後傾するように、ピッチアクチュエータ２０を制御する。

図４Ａ～図４Ｃは、ブレード１８のピッチ角を示す図である。図４Ａ～図４Ｃに示すように、ブレード１８のピッチ角θ１－θ３は、ブレード１８の刃先Ｐ０と履帯１６の接地面Ｇ１との間のなす角である。図４Ｂは、標準状態のブレード１８のピッチ角θ２を示している。図４Ａは、標準状態よりも前傾したブレード１８のピッチ角θ１を示している。図４Ｃは、標準状態よりも後傾したブレード１８のピッチ角θ３を示している。ブレード１８が前傾するほどピッチ角は大きくなる。ブレード１８が後傾するほどピッチ角は小さくなる。すなわち、θ１＞θ２＞θ３である。

なお、操作装置３１は、油圧パイロット式の装置であってもよい。例えば、操作装置３１は、操作装置３１の操作に応じたパイロット油圧を出力してもよい。操作装置３１からのパイロット油圧によって制御弁２７が制御されることで、リフトアクチュエータ１９、或いはピッチアクチュエータ２０が制御されてもよい。コントローラ２６は、パイロット油圧を示す信号を、操作信号として受信してもよい。

入力装置３２は、例えばタッチパネルを含む。ただし、入力装置３２は、スイッチなどの他の装置を含んでもよい。オペレータは、操作装置３１を用いて、コントローラ２６によるブレード１８のピッチ角の制御モードの設定を行うことができる。ブレード１８のピッチ角の制御モードについては、後に詳細に説明する。

図２に示すように、制御システム３は、車体センサ３４と、フレームセンサ３５と、ブレードセンサ３６とを含む。車体センサ３４は、車体１１に取り付けられている。車体センサ３４は、車体１１の姿勢を検出する。フレームセンサ３５は、リフトフレーム１７に取り付けられている。フレームセンサ３５は、リフトフレーム１７の姿勢を検出する。ブレードセンサ３６は、ブレード１８に取り付けられている。ブレードセンサ３６は、ブレード１８の姿勢を検出する。

車体センサ３４と、フレームセンサ３５と、ブレードセンサ３６とは、それぞれIMU（慣性計測装置、Inertial Measurement Unit）である。ただし、フレームセンサ３５とブレードセンサ３６とは、IMUに限らず、角度センサ、或いはシリンダのストロークセンサなどの他のセンサであってもよい。

車体センサ３４は、水平に対する車体１１の前後方向の角度（車体ピッチ角）を検出する。フレームセンサ３５は、リフトフレーム１７の回転角度を検出する。ブレードセンサ３６は、ブレード１８のピッチ角を検出する。車体センサ３４と、フレームセンサ３５と、ブレードセンサ３６とは、それぞれ検出した角度を示す検出信号を出力する。

制御システム３は、第１圧力センサ３７と第２圧力センサ３８とを備えている。第１圧力センサ３７は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧を検出する。リフトアクチュエータ１９のボトム圧は、リフトアクチュエータ１９が縮むときに圧縮される作動油の油圧である。第２圧力センサ３８は、ピッチアクチュエータ２０のヘッド圧を検出する。ピッチアクチュエータ２０のヘッド圧は、ピッチアクチュエータ２０が延びるときに圧縮される作動油の油圧である。

コントローラ２６は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧を示す第１検出信号を第１圧力センサ３７から受信する。コントローラ２６は、ピッチアクチュエータ２０のヘッド圧を示す第２検出信号を第２圧力センサ３８から受信する。

次に、ブレード１８のピッチ角の制御モードについて説明する。ブレード１８のピッチ角の制御モードは、自動モードと手動モードとを含む。コントローラ２６は、入力装置３２の操作に応じて、自動モードと手動モードとを切り替える。オペレータは、入力装置３２を操作することで、自動モードと手動モードとを選択することができる。

自動モードでは、コントローラ２６は、第１検出信号と第２検出信号とに基づいて、ブレード１８のピッチ角を制御する。コントローラ２６は、所定の実行条件が満たされたときに、ピッチ角の自動制御を実行する。所定の実行条件は、第１条件と第２条件とを含む。第１条件は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧が第１閾値以上であることである。第２条件は、ピッチアクチュエータ２０のヘッド圧が第２閾値以下であることである。

図５は、ブレード１８にかかる負荷を示す模式図である。図５に示すように、ブレード１８の刃先Ｐ０は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧によって、真下への貫入力Ｆ１で、接地面Ｇ１に押し付けられ、地面に貫入する。図６に示すように、リフトアクチュエータ１９のボトム圧は、この貫入ストロークに応じて変動する。すなわち、リフトアクチュエータ１９のボトム圧は、ブレード１８の刃先Ｐ０の貫入ストロークに関係する。リフトアクチュエータ１９のボトム圧は、貫入ストロークの減少に応じて、増大する。第１閾値は、フロントホイール４１が浮き上がるときのボトム圧Ｂ０の値に基づいて決定される。図６において、Ｂ１は第１閾値を示している。Ｓ１は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧が第１閾値Ｂ１であるときの貫入ストロークを示している。図６に示すように、第１閾値Ｂ１は、フロントホイール４１が浮き上がるときのボトム圧Ｂ０よりも小さい。

第２条件は、作業機械１が掘削作業中ではないことを示す。図５に示すように、ブレード１８の刃先Ｐ０は、水平方向の負荷Ｆ２を受ける。作業機械１が掘削作業中には、この水平方向の負荷Ｆ２が大きくなる。第２閾値は、作業機械１が掘削作業中ではないと見なせる程度に小さい値に決定される。

コントローラ２６は、第１条件と第２条件とが共に満たされたときに、ピッチ角の自動制御を実行する。コントローラ２６は、第１条件と第２条件とが共に満たされたときには、ピッチ角を増大させる。すなわち、コントローラ２６は、第１条件と第２条件とが共に満たされたときには、図７に示すように、ブレード１８を前傾させるようにピッチ角を変更する。それにより、下方への貫入力Ｆ１が増大することで、フロントホイール４１の浮き上がりが防止される。

コントローラ２６は、ピッチ角データを記憶している。ピッチ角データは、リフトアクチュエータ１９のボトム圧と目標ピッチ角との関係を規定している。コントローラ２６は、自動制御において、ピッチ角データを参照して、リフトアクチュエータ１９のボトム圧から、目標ピッチ角を決定する。コントローラ２６は、ブレード１８のピッチ角が目標ピッチ角になるように、ピッチアクチュエータ２０を制御する。図８は、ピッチ角データの一例を示す図である。

図８において、閾値Ｂ１は、上述した第１閾値である。コントローラ２６は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧が第１閾値Ｂ１以上で、目標ピッチ角を増大させる。それにより、ブレード１８が前傾する。コントローラ２６は、リフトアクチュエータ１９のボトム圧が第１閾値Ｂ１から第３閾値Ｂ２までの範囲で、リフトアクチュエータ１９のボトム圧の増大に応じて、目標ピッチ角を増大させる。リフトアクチュエータ１９のボトム圧が第３閾値Ｂ２以上では、目標ピッチ角は最大ピッチ角θｍａｘで一定となる。

手動モードでは、コントローラ２６は、操作装置３１の操作に応じてブレード１８のピッチ角を変更するように、ピッチアクチュエータ２０を制御する。また、操作装置３１の操作が無いときには、コントローラ２６は、ブレード１８のピッチ角を維持するように、ピッチアクチュエータ２０を制御する。例えば、操作装置３１の操作が無いときに、制御弁２７において作動油の一部が漏れていても、コントローラ２６は、ブレード１８のピッチ角を維持するように、ピッチアクチュエータ２０を制御する。

以上説明した本実施形態に係る作業機械１では、リフトアクチュエータ１９のボトム圧に基づいて貫入力Ｆ１が不足しているかを判定する。リフトアクチュエータ１９のボトム圧は、ブレード１８の刃先Ｐ０の下方への貫入力Ｆ１に関係している。コントローラ２６は、貫入力Ｆ１が不足していると判定したときに、ブレード１８を前傾方向にピッチ動作させる。それにより、貫入力Ｆ１が増大することで、フロントホイール４１の浮き上がりが防止される。以上のように、本実施形態に係る作業機械１では、作業の負荷に応じて、ブレード１８のピッチ角を容易、且つ、適切に調整することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

作業機械１は、ブルドーザに限らず、ホイールローダ、モータグレーダ等の他の車両であってもよい。コントローラ２６は、互いに別体の複数のコントローラを有してもよい。コントローラ２６による処理は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。上述した自動モード或いは手動モードでの処理の一部が省略されてもよい。或いは、上述した処理の一部が変更されてもよい。

リフトアクチュエータ１９と、ピッチアクチュエータ２０とは、油圧シリンダに限らない。リフトアクチュエータ１９と、ピッチアクチュエータ２０とは、例えば電動モータなどの他のアクチュエータであってもよい。

第１パラメータは、リフトアクチュエータ１９のボトム圧に限らない。第１パラメータは、リフトフレームのピッチ角などの他のパラメータ、或いはそれらの組み合わせであってもよい。第２パラメータは、ピッチアクチュエータ２０のヘッド圧に限らない。第２パラメータは、ブレード１８のピッチ角などの他のパラメータ、或いはそれらの組み合わせであってもよい。

本開示によれば、作業機械において、作業の負荷に応じて、ブレードのピッチ角を、容易、且つ、適切に調整することができる。

１１ 車体
１６ 履帯
１７ リフトフレーム
１８ ブレード
１９ リフトアクチュエータ
２０ ピッチアクチュエータ
２６ コントローラ
３７ 第１圧力センサ
３８ 第２圧力センサ
４１ フロントホイール
４２ リアホイール

Claims (14)

1. 車体と、
   前記車体に対してピッチ軸回りに回動可能に支持されるブレードと、
   前記ブレードに接続され、前記ブレードを前記ピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させるピッチアクチュエータと、
   前記ブレードの刃先の下方への貫入力に関係する第１パラメータを検出する第１センサと、
   前記第１パラメータに基づいて前記貫入力が不足しているかを判定し、前記貫入力が不足していると判定したときに、前記ピッチアクチュエータを制御して前記ブレードを前記前傾方向にピッチ動作させるコントローラと、
   を備える作業機械。
2. 前記車体に対してリフト軸回りに回動可能に支持されるリフトフレームと、
   前記リフトフレームと前記車体とに接続され、前記リフトフレームを前記リフト軸回りに上下にリフト動作させるリフトアクチュエータと、
   をさらに備え、
   前記リフトアクチュエータは、油圧シリンダであり、
   前記第１パラメータは、前記リフトアクチュエータのボトム圧である、
   請求項１に記載の作業機械。
3. 前記コントローラは、前記第１パラメータが第１閾値以上であるときに、前記第１パラメータの増大に応じて、前記ブレードのピッチ角を前記前傾方向に増大させる、
   請求項２に記載の作業機械。
4. 前記車体は、
   フロントホイールと、
   リアホイールと、
   前記フロントホイールと前記リアホイールとに巻回される履帯と、
   を含み、
   前記第１閾値は、前記フロントホイールが浮き上がるときの前記貫入力に基づいて決定される、
   請求項１から３のいずれかに記載の作業機械。
5. 前記コントローラは、
   前記作業機械の掘削状態を判定し、
   前記掘削状態に応じて、前記ブレードを前記前傾方向にピッチ動作させる、
   請求項１から４のいずれかに記載の作業機械。
6. 前記ブレードの刃先が受ける水平方向の負荷に関係する第２パラメータを検出する第２センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記第２パラメータに基づいて、前記掘削状態を判定する、
   請求項５に記載の作業機械。
7. 前記ピッチアクチュエータは、油圧シリンダであり、
   前記第２パラメータは、前記ピッチアクチュエータのヘッド圧である、
   請求項６に記載の作業機械。
8. 車体と、前記車体に対してピッチ軸回りに回動可能に支持されるブレードと、前記ブレードに接続され、前記ブレードを前記ピッチ軸回りに前傾方向と後傾方向とにピッチ動作させるピッチアクチュエータとを備える作業機械を制御するための方法であって、
   前記ブレードの刃先の下方への貫入力に関係する第１パラメータを検出することと、
   前記第１パラメータに基づいて前記貫入力が不足しているかを判定することと、
   前記貫入力が不足していると判定したときに、前記ピッチアクチュエータを制御して前記ブレードを前記前傾方向にピッチ動作させること、
   を備える方法。
9. 前記作業機械は、
   前記車体に対してリフト軸回りに回動可能に支持されるリフトフレームと、
   前記リフトフレームと前記車体とに接続され、前記リフトフレームを前記リフト軸回りに上下にリフト動作させるリフトアクチュエータと、
   をさらに備え、
   前記リフトアクチュエータは、油圧シリンダであり、
   前記第１パラメータは、前記リフトアクチュエータのボトム圧である、
   請求項８に記載の方法。
10. 前記第１パラメータが第１閾値以上であるときに、前記第１パラメータの増大に応じて、前記ブレードのピッチ角を前記前傾方向に増大させる、
    請求項９に記載の方法。
11. 前記車体は、
    フロントホイールと、
    リアホイールと、
    前記フロントホイールと前記リアホイールとに巻回される履帯と、
    を含み、
    前記第１閾値は、前記フロントホイールが浮き上がるときの前記貫入力に基づいて決定される、
    請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記作業機械の掘削状態を判定することと、
    前記掘削状態に応じて、前記ブレードを前記前傾方向にピッチ動作させること、
    をさらに備える請求項８から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記ブレードの刃先が受ける水平方向の負荷に関係する第２パラメータを検出することと、
    前記第２パラメータに基づいて、前記掘削状態を判定すること、
    をさらに備える請求項１２に記載の方法。
14. 前記ピッチアクチュエータは、油圧シリンダであり、
    前記第２パラメータは、前記ピッチアクチュエータのヘッド圧である、
    請求項１３に記載の方法。

Images