JP3258891B2 - 建設機械の作業機制御方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、油圧ショベル、バ
ックホーなどの建設機械の作業機制御方法およびその装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４に従来の油圧ショベルのシステム構
成図を示す。この油圧ショベルは、下部走行体11に上部
旋回体12が設けられ、この上部旋回体12にフロント作業
機13が設けられている。

【０００３】フロント作業機13は、上部旋回体12にブー
ムシリンダ14bmにより回動されるブーム15bmの基端が軸
支され、このブーム15bmの先端にスティックシリンダ14
stにより回動されるスティック15stの基端近傍が軸支さ
れ、このスティック15stの先端にバケットシリンダ14bk
により回動されるバケット15bkが軸支されている。

【０００４】フロントリンケージを構成する前記ブーム
15bm、スティック15stおよびバケット15bkのそれぞれの
回動角は、レゾルバなどの角度センサ16bm，16st，16bk
により検出され、その角度検出信号は上部旋回体12に搭
載された信号変換器17に接続されたフィードバックルー
プ18bm，18st，18bkを経て、マイクロコンピュータを含
むコントローラ21に入力される。

【０００５】このコントローラ21には、入出力装置とし
ての表示器スイッチパネル22が接続され、操作レバーに
設けられた自動制御開始用またはエンジン回転速度制御
用などのコントロールスイッチ23、エンジン回転速度セ
ンサ24a により検出されたエンジン回転速度に基づきエ
ンジンおよびポンプを制御するエンジンポンプコントロ
ーラ24、操作レバーの位置を検出するための圧力センサ
25、車両の傾斜角を検出する傾斜角センサ26などがコン
トローラ21の入力端子にそれぞれ接続されている。ま
た、コントローラ21の出力端子に電磁弁27が接続されて
いる。

【０００６】前記コントローラ21は、ブームシリンダ14
bm、スティックシリンダ14stおよびバケットシリンダ14
bkを制御するための閉ループ制御補償器を備え、角度セ
ンサ16bm，16st，16bkからフィードバックされたブーム
15bm、スティック15stおよびバケット15bkの各回動角検
出信号より、各シリンダの作動ストロークを常に把握
し、ブーム15bm、スティック15stおよびバケット15bkの
実際位置および速度を操作レバーからの指令信号との関
係でフィードバック制御する位置追従用フィードバック
制御系を構成している。

【０００７】そして、このコントローラ21は、水平均し
作業や法面整形作業を行うためにマイクロコンピュータ
により演算された各シリンダ作動用の目標信号と前記フ
ィードバック信号との誤差をなくすように閉ループ制御
補償器により演算された信号で電磁比例弁（図示せず）
を電気的に制御し、この電磁比例弁から生じたパイロッ
ト圧によりコントロールバルブ（図示せず）をパイロッ
ト制御することにより、ブームシリンダ14bm、スティッ
クシリンダ14stおよびバケットシリンダ14bkをそれぞれ
伸縮制御し、水平均し作業や図示された法面整形作業に
おけるバケット歯先の軌跡制御およびバケット角の一定
制御を自動的に行うことができる。

【０００８】このように、従来の油圧ショベルは、水平
均し作業や法面整形作業において、バケット歯先の軌跡
制御およびバケット角の一定制御をマイクロコンピュー
タを用いて自動的に行うために、フロントリンケージを
構成するブーム15bm、スティック15stおよびバケット15
bkの各シリンダ14bm，14st，14bkの変位を目標変位に追
従するように、フロントリンケージの各回動部の角度セ
ンサ16bm，16st，16bkから得られた検出信号をコントロ
ーラ21にフィードバックして閉ループ制御を行ってい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この場合、バケット15
bkの負荷は外乱とみなされ、掘削面の転圧力などは積極
的に制御されていない。したがって、仕上がった面の硬
さが均一化される保証がないだけでなく、掘削力の変動
による仕上げ精度の悪化および過負荷時のシリンダ速度
低下による作業効率の悪化を招いている。

【００１０】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、作業機の位置追従制御とともに、掘削力、転圧力
などの作業機負荷も自動制御することにより、仕上げ精
度の向上とともに、仕上げ面の硬さの均一化をも図るこ
とができる建設機械の作業機制御方法およびその装置を
提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明は、作業機作動シリンダの位置追従用フィードバック
制御系を備えた建設機械の作業機制御方法において、作
業機作動シリンダにかかるシリンダ負荷圧を検出するこ
とにより作業機負荷を検出し、この作業機負荷に係るフ
ィードバック信号に基づき位置追従用フィードバック制
御系の目標値を決定するようにした建設機械の作業機制
御方法である。

【００１２】そして、シリンダ負荷圧を検出することに
より転圧力などの作業機負荷を検出し、所定の転圧力な
どが得られるように作業機作動シリンダを位置制御す
る。例えば、バケット位置を上げることにより転圧力を
下げ、バケット位置を下げることにより転圧力を上げ
る。

【００１３】請求項２に記載された発明は、請求項１記
載の建設機械の作業機制御方法において、作業機負荷制
御の目標値に、位置追従制御との関係で優先度を設定す
るようにしたものである。

【００１４】そして、作業機負荷制御を重視する場合
は、その優先度を大きく設定して、目標とする一定の転
圧力などが得られるようにする。

【００１５】請求項３に記載された発明は、請求項１ま
たは２記載の建設機械の作業機制御方法において、作業
機負荷として転圧力を検出し、作業機位置を上下方向に
制御することにより転圧力を制御するものである。

【００１６】そして、位置追従用フィードバック制御系
により作業機位置を上下方向に制御することにより、作
業機負荷としての転圧力もフィードバック制御する。

【００１７】請求項４に記載された発明は、作業機作動
シリンダの位置追従用フィードバック制御系を備えた掘
削用作業機の制御装置において、作業機作動シリンダに
かかるシリンダ負荷圧を検出することにより作業機負荷
を検出する負荷圧検出手段と、この負荷圧検出手段によ
り検出した作業機負荷に係るフィードバック信号との関
係によって位置追従用フィードバック制御系の目標値を
決定する作業機負荷設定器とを具備した建設機械の作業
機制御装置である。

【００１８】そして、負荷圧検出手段により検出した作
業機負荷が、作業機負荷設定器により予め設定した値と
なるように作業機高さを自動調整し、例えば作業機を上
げることにより転圧力を下げ、作業機を下げることによ
り転圧力を上げる。

【００１９】請求項５に記載された発明は、請求項４記
載の建設機械の作業機制御装置において、作業機負荷に
関する目標値入力部に、位置追従制御との間で作業機負
荷制御の優先度を設定する優先度設定器を設けたもので
ある。

【００２０】そして、優先度設定器により作業機負荷制
御を優先する場合は、目標とする一定の作業機負荷が得
られ、また、優先度設定器により作業機負荷制御の優先
度を下げることにより、相対的に位置追従制御を優先さ
せて、位置追従精度を向上させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を図
１乃至図３を参照しながら説明する。

【００２２】図１に示されるように、ブーム15bm、ステ
ィック15stおよびバケット15bkからなるフロントリンケ
ージに、ブームシリンダ14bm、スティックシリンダ14st
およびバケットシリンダ14bk（以下、これらのシリンダ
を一括して単に作業機作動シリンダ14という場合もあ
る）を取付けることによって、フロント作業機を構成す
る。

【００２３】このフロント作業機を制御する際の中心と
なるコントローラ21の入力側に対し、バケット歯先の掘
削方向目標速度を指令するスティック用操作レバー33
と、法面Ａの整形作業における目標仕上法面角θを設定
するための法面角設定器41と、バケット15bkによる目標
転圧力（シリンダの目標負荷圧）を設定するための作業
機負荷設定器としての転圧力設定器42と、法面角設定器
41で設定されたバケット歯先の軌跡制御と転圧力設定器
42で設定された転圧力の制御とにおける優先度（重み）
を設定するための優先度設定器43とを設ける。

【００２４】さらに、コントローラ21の出力側に、入力
電気信号に比例するパイロット圧力を出力する電磁比例
弁35と、この電磁比例弁35からのパイロット圧力により
変位制御されるスプールにて油圧源（図示せず）から各
作業機作動シリンダ14へ供給される油圧および油量を制
御するコントロールバルブ36とを設ける。

【００２５】さらに、ブーム15bm、スティック15stおよ
びバケット15bkの各回動角をそれぞれ検出するレゾルバ
などの角度センサ16bm，16st，16bk（以下、これらの角
度センサを一括して単に各角度センサ16という場合もあ
る）から、コントローラ21に対して位置追従用フィード
バックループ18bm，18st，18bk（以下、これらのループ
を一括して単にフィードバックループ18という）を設け
ることにより、閉ループ制御系を構成する。

【００２６】ブームシリンダ14bmおよびスティックシリ
ンダ14stへの作動油給排ライン31bm，31stに対しそれぞ
れ負荷圧検出手段としての圧力センサ32bm，32stを設
け、これらの圧力センサ32bm，32stによりブームシリン
ダ14bmおよびスティックシリンダ14stのシリンダ負荷圧
を検出する。特に、バケット15bkを上下動したときに得
られる転圧力を検出する場合は、ブームシリンダ14bmの
シリンダ負荷圧を主として検出するとよい。

【００２７】そして、ブームシリンダ14bmのシリンダ負
荷圧にシリンダ内の実質的な受圧面積を乗ずることによ
り転圧力を演算し、スティックシリンダ14stのシリンダ
負荷圧にシリンダ内の実質的な受圧面積を乗ずることに
より掘削力を演算することができる。

【００２８】また、圧力センサ32bm，32stからコントロ
ーラ21にわたって、圧力センサ32bm，32stで検出したシ
リンダ負荷圧の作業機負荷フィードバックループ44を設
ける。

【００２９】コントローラ21は、各作業機作動シリンダ
14をそれぞれ制御するための閉ループ制御補償器52bm，
52st，52bkを有し、各角度センサ16により検出されフィ
ードバックされたブーム15bm、スティック15stおよびバ
ケット15bkのそれぞれの回動角検出信号およびその角速
度信号により、これらのフロントリンケージの実際位置
および速度、さらに間接的には各作業機作動シリンダ14
の作動位置および速度を常に把握して、ブーム15bm、ス
ティック15stおよびバケット15bkが法面角設定器41およ
び操作レバー33からの位置および速度指令信号に追従す
るように電磁比例弁35を介してコントロールバルブ36を
フィードバック制御する。

【００３０】すなわち、このコントローラ21のフィード
バック制御は、水平均し作業や法面整形作業を行うため
にマイクロコンピュータにより演算された各シリンダ作
動用の目標信号と前記フィードバック信号との誤差をな
くすように閉ループ制御補償器52bm，52st，52bkにより
演算された信号でブーム用、スティック用およびバケッ
ト用の各電磁比例弁35を電気的に制御する。

【００３１】これらの電磁比例弁35は、出力したパイロ
ット圧によりブーム用、スティック用およびバケット用
の各コントロールバルブ36のスプールをパイロット制御
することにより、各コントロールバルブ36から出力され
た作動油圧により各作業機作動シリンダ14をそれぞれ伸
縮制御し、水平均し作業や図示された法面整形作業にお
けるバケット歯先の軌跡制御およびバケット角の一定制
御を自動的に行う。

【００３２】前記ブームシリンダ14bmおよびスティック
シリンダ14stに対し負荷圧検出手段として設けた前記圧
力センサ32bm，32stは、図２に示されるように、それぞ
れが各シリンダの伸び側（ヘッド側）に対して設けられ
た圧力センサ32h と、縮み側（ロッド側）に対して設け
られた圧力センサ32r とからなり、圧力センサ32h によ
り検出した伸び側負荷圧と圧力センサ32r により検出し
た縮み側負荷圧との差圧、すなわちシリンダ負荷圧を検
出する。

【００３３】このシリンダ負荷圧のフィードバックルー
プ44と前記転圧力設定器42とを比較器45に接続し、この
比較器45をバケット歯先の垂直方向の目標速度を演算す
るための演算器46に接続し、この演算器46の出力ライン
に前記優先度設定器43からの信号を掛けるための乗算器
47を介してリミッタ48を設け、このリミッタ48により転
圧力と関係するバケット歯先垂直方向目標速度の上限と
下限とを設定する。

【００３４】前記スティック用操作レバー33、前記法面
角設定器41およびリミッタ48は、各作業機作動シリンダ
14の目標位置および速度をマイクロコンピュータにより
演算するための演算器51に接続する。

【００３５】この演算器51からの目標値ラインは、閉ル
ープ制御補償器52に接続する。この閉ループ制御補償器
52は、水平均し作業、法面整形作業および転圧作業を行
うために演算器51から出力された各シリンダ作動用の目
標信号（ブーム、スティック、バケットの目標位置およ
び速度）に、フィードバックループ18を経てフィードバ
ックされた検出信号（ブーム、スティック、バケットの
実際位置および速度）が精度良く追従するように必要な
制御特性（安定性、速応性および定常偏差）を改良する
補償回路を有し、出力した電気信号によりブーム用、ス
ティック用およびバケット用の各電磁比例弁35を制御す
る。

【００３６】次に、図２および図３を参照しながら、具
体的な制御方法を説明する。

【００３７】先ず、前記法面角設定器41により法面Ａの
整形作業における仕上法面角θを設定しておくことによ
り、スティック用操作レバー33を動かしてバケット歯先
の掘削方向目標速度を指令したときに、前記演算器51は
各作業機作動シリンダ14の目標位置および速度を演算し
て出力する。

【００３８】一方、掘削面の転圧力が予め設定した値と
なるようにするため、各作業機作動シリンダ14の伸び側
および縮み側に設けた圧力センサ32h ，32r の差圧が、
転圧力設定器42により設定した値と比較器45にて比較さ
れ、差圧が設定値となるようにバケット高さ位置を自動
調整する。

【００３９】すなわち、バケット15bkの位置を上げるこ
とにより掘削面の転圧力を下げ、またバケット位置を下
げることにより転圧力を上げるように調整する。

【００４０】このとき、バケット歯先位置は予め設定さ
れていた目標軌跡から離れるが、シリンダの差圧を追従
させるシリンダ負荷圧制御（作業機負荷制御）と、従来
のバケット歯先軌跡制御（シリンダ位置追従制御）との
間での優先度（重み）を優先度設定器43により設定する
ことにより、目標軌跡からの誤差を調整することができ
る。

【００４１】例えば、図３（Ａ）の地面に沿った点線に
示されるようにバケット歯先軌跡制御を優先させると
（軌跡制御の重みを上げると）、バケット歯先軌跡（仕
上げ面の精度）を向上させることができる。このとき、
図３（Ｂ）に実線で示すように掘削力は変動しやすい。

【００４２】一方、図３（Ｂ）の目標掘削力に沿った太
い点線で示されるように転圧力制御の重みを大きくする
と（転圧力の優先順位を上げると）、掘削力をほぼ一定
に保ちながら転圧力を精度良く制御することができる。
このとき、図３（Ａ）の最上位置の点線に示されるよう
にバケット歯先軌跡は変動しやすい。

【００４３】以上のように、法面角設定器41により目標
となるバケット歯先軌跡を設定し、また、転圧力設定器
42により目標転圧力（シリンダ目標負荷圧）を設定し、
そして、優先度設定器43により転圧力制御と、バケット
歯先軌跡制御との間で優先度（重み）を設定すると、そ
の優先度の大小によって、仕上げ面の硬さと仕上げ精度
とを調整または選択できる。

【００４４】そして、上記優先度に応じて、（半）自動
的に直線掘削制御中のバケット15bkが上下動して、転圧
力を制御することができる。すなわち、バケット15bk
は、仕上げ面に沿って移動しながら、その仕上げ面に対
し垂直方向にも動作して仕上げ面を所定の硬さに転圧す
る。

【００４５】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、位置追従
用フィードバック制御系において作業機作動シリンダに
かかるシリンダ負荷圧を検出して、掘削力、転圧力など
の作業機負荷を設定された値にフィードバック制御する
から、本来の位置追従用フィードバック制御系により仕
上げ精度の向上を図ることができるとともに、作業機負
荷フィードバック制御系により転圧力などの作業機負荷
を制御することにより仕上げ面の硬さの均一化を図るこ
とができる。

【００４６】請求項２記載の発明によれば、位置追従制
御との関係で作業機負荷制御の優先度を設定することに
より、例えば、作業機負荷制御の優先度が高い程仕上げ
面の硬さの均一化を図ることができる。また、過負荷時
は位置追従制御よりも作業機負荷制御を優先させてシリ
ンダ速度の低下を防ぐことで、作業効率の低下を防止す
ることができる。

【００４７】請求項３記載の発明によれば、位置追従用
フィードバック制御系により作業機位置を上下方向に制
御することにより、作業機負荷としての転圧力もフィー
ドバック制御できる。

【００４８】請求項４記載の発明によれば、作業機負荷
を検出する負荷圧検出手段と、設定する作業機負荷設定
器とにより、位置追従用フィードバック制御系を用いて
作業機負荷を設定された値にフィードバック制御するか
ら、位置追従用フィードバック制御系本来の位置追従制
御により所定の仕上げ精度を確保できるとともに、作業
機負荷フィードバック制御系により転圧力などの作業機
負荷を制御することにより仕上げ面の硬さの均一化を図
ることができる。

【００４９】請求項５記載の発明によれば、優先度設定
器により作業機負荷制御を優先する制御と、そうでない
制御すなわち位置追従制御を優先する制御とを、作業状
況に応じて選択でき、掘削力または転圧力の均一性など
を重視する作業と、法面掘削での法面角の精度などの位
置追従精度を重視する作業とに、それぞれ対応すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る建設機械の作業機制御装置の概要
を示すシステム構成図である。

【図２】同上制御装置の一実施形態を示すブロック図で
ある。

【図３】（Ａ）はバケット歯先軌跡制御および転圧力制
御の優先度によって異なるバケット歯先の軌跡例を示す
説明図、（Ｂ）はその優先度によって異なる掘削力の変
化を示すグラフである。

【図４】従来の油圧ショベルのシステム構成を示す説明
図である。

【符号の説明】

14bm，14st，14bk 作業機作動シリンダ 32bm，32st 負荷圧検出手段としての圧力センサ 42 作業機負荷設定器としての転圧力設定器 43 優先度設定器

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E02F 9/22 E02F 3/43 E02F 3/30

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作業機作動シリンダの位置追従用フィー
   ドバック制御系を備えた建設機械の作業機制御方法にお
   いて、 作業機作動シリンダにかかるシリンダ負荷圧を検出する
   ことにより作業機負荷を検出し、 この作業機負荷に係るフィードバック信号に基づき位置
   追従用フィードバック制御系の目標値を決定することを
   特徴とする建設機械の作業機制御方法。
2. 【請求項２】 作業機負荷制御の目標値に、位置追従制
   御との関係で優先度を設定することを特徴とする請求項
   １記載の建設機械の作業機制御方法。
3. 【請求項３】 作業機負荷として転圧力を検出し、作業
   機位置を上下方向に制御することにより転圧力を制御す
   ることを特徴とする請求項１または２記載の建設機械の
   作業機制御方法。
4. 【請求項４】 作業機作動シリンダの位置追従用フィー
   ドバック制御系を備えた建設機械の作業機制御装置にお
   いて、 作業機作動シリンダにかかるシリンダ負荷圧を検出する
   ことにより作業機負荷を検出する負荷圧検出手段と、 この負荷圧検出手段により検出した作業機負荷に係るフ
   ィードバック信号との関係によって位置追従用フィード
   バック制御系の目標値を決定する作業機負荷設定器とを
   具備したことを特徴とする建設機械の作業機制御装置。
5. 【請求項５】 作業機負荷に関する目標値入力部に、位
   置追従制御との間で作業機負荷制御の優先度を設定する
   優先度設定器を設けたことを特徴とする請求項４記載の
   建設機械の作業機制御装置。