JP3319840B2 - 作業機のブーム下げ操作制御方法およびブーム制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パワーショベル等の作
業機のブームの操作方法の改良に係り、特にブームを下
げる操作をしたときに、ブームを予め設定した所定の位
置（角度）に自動停止させるのに好適な作業機のブーム
下げ操作制御方法およびブーム制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、作業機の一例であるパワーショ
ベルの概略側面図である。パワーショベルは、下部走行
体１０の上部に、旋回装置１２を介して上部旋回体１４
が設けてあり、この旋回体１４に操作室１６が設置して
ある。また、旋回体１４には、作業機１８の本体を構成
しているブーム２０の基端部が枢着してある。このブー
ム２０は、「く」の字状に屈曲しており、ブーム２０の
屈曲部と上部旋回体１４との間に、ブーム２０を上下方
向に回動させるブームシリンダ２２が配設してある。

【０００３】一方、ブーム２０の先端部には、アーム２
４の基端部が枢着してある。また、アーム２４の先端部
には、作業具としてのバケット２６が枢着してある。そ
して、ブーム２０の先端側上部とアーム２４の上部とに
は、アームシリンダとバケットシリンダとが配設してあ
って（いずれも図示せず）、アームシリンダを作動する
ことにより、アーム２４をブーム２０に対して上下方向
に回動できるとともに、バケットシリンダによってバケ
ット２６をアーム２４に対して回動できるようにしてあ
る。

【０００４】パワーショベルによる掘削は、バケット２
６によって掘削した土砂を、ダンプトラックに積載した
り掘削個所３０周辺の地上の所定位置に積み上げる等を
するために、ブーム２０を頻繁に上下動させる必要があ
る。そして、例えば、図８に示した掘削個所３０にバケ
ット２６を下ろす場合、ブーム２０を下げすぎると、バ
ケット２６が地面に衝突し、大きな衝撃を受けて破損し
たりする。このため、近年は、バケット２６による掘削
深さを設定すると、それに対応して、基準線となるｘ軸
に対するブーム２０の角度（ブーム角度）θが設定さ
れ、ブーム２０を下げる操作をしたときに、ブーム２０
が設定角度θを下回らないようにして、バケット２６が
地面に衝突するのを防止している。

【０００５】このブーム２０を所定の設定角度（目標停
止角度）θに自動的に停止させる従来の方法は、下方に
向けて回動させたブーム２０が設定角度θより予め定め
た角度（例えば、θ₃ 度）だけ手前（上方）の位置にき
たときに、図示しないコントローラがブームシリンダ２
２の制御部に対して作動停止信号を出力してブームシリ
ンダ２２の作動を停止し、作業機１８の慣性のためにブ
ーム２０がさらに下方へ回動したとしても、設定角度θ
を下回らないようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ブーム２０
を下げて目標停止角度に停止させる従来の制御方法は、
ブーム２０の回動速度（下げ速度）と無関係に、下方に
回動しているブーム２０が目標停止角度θより所定の角
度手前に達したときに、ブームシリンダ２２の作動停止
信号を出力するようになっている。そして、従来の制御
方法においては、ブーム２０が下がり過ぎてバケット２
６が地面に衝突したりする危険を避けるため、ブーム２
０を全速で下げた場合であっても、ブーム２０が目標停
止角度（設定角度θ）を下回らないような位置（角度）
で作動停止命令を出すようになっていた。

【０００７】ところが、パワーショベルは、ブーム２０
の先端に重量のあるアーム２４やバケット２６が取り付
けてあり、ブーム２０の回動速度によって慣性モーメン
トが大幅に変化する。このため、従来の制御方法では、
常に目標停止角度θより３度手前で作動停止信号を出力
したとしても、ブーム２０の回動速度が異なると、ブー
ム２０の実際の停止位置（停止角度）が異なってくる。
すなわち、ブーム２０の下げ速度（回動速度）が小さく
なるのに従って、ブーム２０の実際の停止角度が目標停
止角度より上方側にずれ、バケット２６の停止位置が上
方にずれてくる。

【０００８】本発明は、前記従来技術の欠点を解消する
ためになされたもので、下げ操作しているブームを目標
停止角度に精度よく停止させることができる作業機のブ
ーム下げ操作制御方法およびブーム制御装置を提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る作業機のブーム下げ操作制御方法
は、先端に作業具を取り付けたブームを下方に向けて回
動し、前記ブームが目標停止角度に達する前に回動操作
を停止して、前記ブームを目標停止角度に止める作業機
のブーム下げ操作制御方法において、作業現場に合わせ
てオペレータが前記ブームの目標停止角度を任意に設定
し、前記回動操作を停止する前記ブームの角度と前記目
標停止角度との差を、前記ブームの回動速度に応じて変
えることを特徴としている。

【００１０】回動操作を停止するブームの角度と目標停
止角度との差は、ブームの回動速度が大きいほど大きく
する。そして、ブームの回動速度は、全速回動速度に対
する比として求めてよい。

【００１１】また、上記制御方法を実施するための作業
機のブーム操作制御装置は、支持体に枢着したブームの
基準線に対する角度を検出する角度検出手段と、この角
度検出手段の出力信号に基づいて、前記ブームの角速度
を求める角速度演算手段と、下方に向けて回動させた前
記ブームの目標停止角度を任意に設定可能な目標停止角
度設定手段と、この目標停止角度設定手段の出力信号お
よび前記角度検出手段の出力信号に基づいて、前記ブー
ムの目標停止角度と回動している前記ブームの実際の角
度との差を求める角度偏差演算手段と、この偏差演算手
段と前記角速度演算手段との出力信号に基づいて、前記
目標停止角度と前記実際の角度との差が、前記ブームの
回動角速度に応じて予め定めた値になったときに、前記
ブームを回動を停止する信号を出力する停止指令出力手
段と、を有する構成となっている。

【００１２】

【作用】上記の如く構成した本発明は、作業現場に合わ
せてオペレータが任意に設定す るブームの目標停止角度
に対して、ブームを下げる速度によって、ブームの回動
を停止するタイミングを変えるため、オペレータが所望
する目標停止角度に対する実際のブームの停止位置のバ
ラツキを、ブームの下げ速度の相違によるブームの慣性
の相違に関わらず非常に小さくすることができる。

【００１３】

【実施例】本発明に係る作業機のブーム下げ操作制御方
法およびブーム制御装置の好ましい実施例を、添付図面
に従って詳説する。図１は、実施例に係る作業機のブー
ム制御装置のブロック図である。

【００１４】図１において、ブーム制御装置４０は、ブ
ーム角速度演算器４２と角度偏差演算器４４と停止指令
出力部４６とを有している。ブーム角速度演算器４２に
は、作業機のブームの枢着部であるフートピンの部分に
設けた、例えばポテンショメータからなる角度センサ３
２の検出信号が入力するようになっており、この角度セ
ンサ３２の検出信号に基づいて、ブームの角速度、すな
わちブームの回動速度を求め、角度センサ３２の検出信
号とともに、停止指令出力部４６に入力するようになっ
ている。また、角度偏差演算器４４には、角度センサ３
２の検出信号とともに、図示しないオペレータが操作す
るレバーなどにより、ブームを停止させたい任意の角度
が設定される目標停止角度出力部３４からブームの目標
停止角度が入力する様になっており、角度センサ３２が
検出した実際のブームの角度と、目標停止角度出力部３
４が出力した目標停止角度との偏差を求めて停止指令出
力部４６に入力する。

【００１５】停止指令出力部４６は、フルスピード時角
速度メモリ４８と、速度比演算器５０と、停止指令出力
位置演算器５２と、停止指令出力回路５４とから構成し
てある。そして、フルスピード時角速度メモリ４８に
は、ブームをフルスピードで回動させたときのブームの
角速度が記憶させてある。すなわち、フルスピード時角
速度メモリ４８には、ブームシリンダを全速で作動させ
たときの、ブームの角度に対応させたブームの角速度が
格納してある。図２は、フルスピード時角速度メモリ４
８に記憶させた、ブームフルスピード時の角速度の一例
を示したものである。

【００１６】速度比演算器５０は、ブーム角速度演算器
４２からその演算結果と角度センサ３２の検出値とを受
け取るとともに、フルスピード時角速度メモリ４８内の
データを読み出し、回動しているブームのフルスピード
に対する速度割合、すなわちフルスピードで回動したと
きの角速度に対する実際の角速度の割合を求め、その結
果を停止指令出力位置演算器５２に送出する。一方、停
止指令出力位置演算器５２は、フルスピードに対する速
度割合に対応した停止指令出力位置を記憶しており、速
度比演算器５０の出力に基づいてブームの回動操作を停
止させる指令を出力する位置を求め、停止指令出力回路
５４に送る。

【００１７】図３は、ブームの実際の速度のフルスピー
ドに対する割合と停止指令出力位置α₀ との関係を示し
たものである。この停止指令出力位置α₀ は、目標停止
角度に対するブームの手前（上方）の位置を角度で示し
てある。すなわち、停止指令出力位置が＋θ₁ 度という
のは、下方に向けて回動しているブームが目標停止角度
の１度手前にきたときに、ブームの回動操作を停止する
信号を出力することを意味している。そして、本実施例
の場合、ブームの速度のフルスピードに対する割合が０
〜５０％の間の停止指令出力位置α₀ は、速度の増大と
ともに直線的に大きくなるように、すなわち目標停止角
度に対してより手前で回動操作の停止指令を出力するよ
うになっていて、５０％のときに１度手前で出力するよ
うにしてある。また、フルスピードの５０〜１００％の
間も、ブームの回動速度が増加するするのに従って、停
止指令出力位置が直線的に大きくしてあるが、その傾斜
は、０〜５０％の２倍に設定してある。勿論、０〜１０
０％まで同一の勾配によって変化させるようにしてもよ
いし、必要があれば曲線的に変化させてもよい。

【００１８】一方、停止指令出力回路５４は、角度偏差
演算器４４の求めた角度偏差が停止指令出力位置演算器
５２の求めた停止指令出力位置α₀ と一致すると、ブー
ムシリンダ制御部３６に回動動作を停止させる信号を出
力する。なお、図３は、ブームを地表面の付近に停止さ
せる場合の停止指令出力位置を示している。

【００１９】上記の如く構成した実施例の作用は、次の
とおりである。例えば、排土したバケットを図７に示し
たような掘削位置３０に下ろす場合、掘削位置の深さが
設定されると、目標停止角度出力部３４にブームの目標
停止角度θが設定され、ブーム制御装置４０の角度偏差
演算器４４に入力される。そして、オペレータがブーム
操作レバーによってブームの下げ操作を開始すると、角
度センサ３２がブームの時々刻々の角度（位置）を検出
し、検出信号をブーム制御装置４０のブーム角速度演算
器４２と角度偏差演算器４４とに入力する。

【００２０】ブーム制御装置４０のブーム角速度演算器
４２は、所定時間ごとに角度センサ３２の出力信号を取
り込み、ブームの実際の角速度ω_r を求めて停止指令出
力部４６の速度比演算器５０に入力する。また、角度偏
差演算器４４は、角度センサ３２が検出したブームの角
度を目標停止角度出力部３４に設定された目標停止角度
θと比較し、両者の偏差を算出して停止指令出力部４６
の停止指令出力回路５４に送る。

【００２１】停止指令出力部４６の速度比演算器５０
は、ブーム角速度演算器４２から角度センサ３２が検出
したブームの角度と、その角度におけるブームの実際の
角速度ω_r とを受け取り、フルスピード時角速度メモリ
４８に記憶させてあるデータと比較し、フルスピードに
対する実際のブームの回動速度の割合を求める。すなわ
ち、速度比演算器５０は、角度センサ３２が検出したブ
ームの実際の角度から、その角度におけるフルスピード
で振り下ろしたときのブームの角速度ω_s を、フルスピ
ード時角速度メモリ４８に格納してある図２から読み取
るとともに、ブーム角速度演算器４２が求めたブームの
実際の角速度ω_r とω_s とから、

【数１】 Ｖ＝（ω_r ／ω_s ）×１００（％） を演算し、停止指令出力位置演算器５２に出力する。

【００２２】ただし、上の〔数１〕式において、

【数２】 ω_r ／ω_s ＞１ である場合、

【数３】 ω_r ／ω_s ＝１ とする。

【００２３】停止指令出力位置演算器５２は、速度比演
算器５０が求めたフルスピードに対する速度の割合に基
づいて、図３からブームの回動操作を停止させる信号を
出力する位置α₀ を演算し、停止指令出力回路５４に送
出する。例えば、速度比演算器５０が求めた値がフルス
ピードの５０％の場合、停止指令出力位置は＋θ₁ 度で
あって、ブームが目標停止角度θの＋θ₁ 度手前にきた
ときに、ブームの回動操作を停止する信号、すなわちブ
ームシリンダの作動を停止する信号を出力する。同様
に、速度比演算器５０の求めた値が１００％である場
合、停止指令出力位置は＋θ₃ 度である。ただし、停止
指令出力位置の最大値は、実施例の場合、＋θ₃ 度とな
っている。これは、従来からフルスピードでブームを下
げたときの停止指令出力位置が目標停止角度の３度手前
であり、この位置で停止指令を出力すれば、ブームは目
標停止角度を下回らないことによる。

【００２４】例えば、ブームをフルスピードの８０％で
下げる操作をした場合、停止していたブームは、図４の
曲線ｃに示したように、次第に速度を増しながらフルス
ピードの８０％の角速度に達し、目標停止角度（図４の
０で示した位置）に向けて回動していく。停止指令出力
位置演算器５２は、ブームがフルスピードの８０％の角
速度で振り下ろされているので、内部メモリに記憶して
いる停止指令出力位置線図Ｓを用いて、フルスピードの
８０％に対応した停止指令出力位置となるブーム角度ａ
を求め、停止指令出力回路５４に送出する。

【００２５】一方、角度偏差演算器４４は、角度センサ
３２が検出したブームの角度と設定された目標停止角度
θとの差を演算し、停止指令出力回路５４に入力する。
そして、停止指令出力回路５４は、角度偏差演算器４４
が求めた値が２．２度になると、ブームシリンダ制御部
３６にブームの作動停止信号を出力する。これにより、
ブームシリンダの作動が停止し、ブームの回動操作が停
止され、ブームは慣性によって、図４の破線に示したよ
うに下がっていき、目標停止角度よりやや上方のｂで停
止する。なお、実施例においては、ブームが最終的に停
止した位置ｂと、停止指令を出力した位置ａとの間φは
不感領域となっていて、ブームの下げ操作を再度行う場
合、ブームをａ以上に上げないとブームの下げ操作が行
えないようにしてある。

【００２６】従って、図４のｂで停止したブームを元の
位置に戻し、図５のようにブームをフルスピードに対し
て５０％の角速度で下げると、最初の下げ操作と同様
に、目標停止角度の１度手前のｄで停止指令が出力さ
れ、最終的に慣性により位置ｅに停止する。そして、ブ
ームを再度下げる場合には、最終的にブームが停止した
位置ｅと停止指令を出力した位置ｄとの間は不感領域φ
であるため、ブームをｄ以上、すなわち目標停止角度よ
りθ₁ 度以上上方に上げなければ、ブームの下げ操作を
行うことができない。また、例えばブームを目標停止角
度の少しぐらい上の位置、θ₁ とθ₂ 中間から再び下げ
操作をした場合、たとえ全速で下げる操作をしたとして
も、図６に示したように、ブームの回動速度が停止指令
出力位置線図Ｓと交わって点で停止指令が出力され、ブ
ームの回動操作が停止される。

【００２７】このように、実施例においては、ブームを
下げて目標停止角度に停止させる場合、ブームの下げる
速度によって、ブームの回動操作を停止させる指令の出
力位置を変えるため、ブームが目標停止角度を下回った
り、目標停止角度より遙か上方で停止したりすることが
なく、危険の防止が図れるとともに、作業機の操作性、
作業効率を向上することができる。

【００２８】なお、上記の実施例の停止指令出力位置線
図Ｓは、ブームの最大角速度が一番小の位置での場合に
ついて説明したが、ブームの目標停止角度が下がれば、
図２に示したようにブームの角速度が大きくなるため、
実際には、目標停止角度をオーバーランし、その量も増
大する。そこで、停止指令を出力する位置を、ブームの
角速度の大きさに応じて補正する必要がある。

【００２９】すなわち、ブームのフルスピード時の角速
度ω_s をブームの最大角速度が一番小さい位置での角速
度ω_Sminで割り、この値を停止指令出力位置演算器５２
が求めた停止指令出力位置α₀ に乗じて、補正後の停止
指令出力位置αを

【数４】 α＝（ω_s ／ω_Smin）・α₀ として求める。ω_Sminは、図２に示したフルスピード時
の角速度曲線の、ほぼ極小値となる角速度である。

【００３０】なお、前記実施例においては、パワーショ
ベルのブームを操作する場合について説明したが、ロボ
ットやマニピュレータ等にも適用することができる。ま
た、停止指令出力位置の補正方法は、例えば停止指令出
力位置演算器５２が求めた停止指令出力位置に、ブーム
の角速度に応じた数値を加える等でもよく、実施例に限
定されないことは勿論である。

【００３１】

【発明の効果】以上に説明したように、ブームを下げる
速度によって、ブームの回動を停止するタイミングを変
えるため、ブームの回動速度の相違によってブームの慣
性が相違したとしても、ブームの停止角度の目標停止角
度に対するバラツキを極めて小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る作業機のブーム制御装置
のブロック図である。

【図２】ブームシリンダを全速で作動させたときのブー
ムの角度に対するブーム角速度の変化の一例を示す図で
ある。

【図３】実施例に係るフルスピード時の角速度に対する
実際のブーム角速度の割合とブームの回動を停止する停
止指令出力位置との関係を示す図である。

【図４】実施例における停止しているブームをフルスピ
ードの８０％で下げたときの停止指令出力位置を説明す
る図である。

【図５】実施例における停止しているブームをフルスピ
ードの５０％で下げたときの停止指令出力位置を説明す
る図である。

【図６】実施例における不感領域のやや上方からブーム
を下げた場合の停止指令出力位置の説明図である。

【図７】パワーショベルの概略側面図である。

【符号の説明】

３２ 角度検出手段（角度センサ） ３４ 目標停止角度出力部 ４０ ブーム制御装置 ４２ ブーム角速度演算器 ４４ 角度偏差演算器 ４６ 停止指令出力部 ４８ フルスピード時角速度メモリ ５０ 速度比演算器 ５２ 停止指令出力位置演算器 ５４ 停止指令出力回路

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に作業具を取り付けたブームを下方
   に向けて回動し、前記ブームが目標停止角度に達する前
   に回動操作を停止して、前記ブームを目標停止角度に止
   める作業機のブーム下げ操作制御方法において、作業現場に合わせてオペレータが前記ブームの目標停止
   角度を任意に設定し、 前記回動操作を停止する前記ブー
   ムの角度と前記目標停止角度との差を、前記ブームの回
   動速度に応じて変えることを特徴とする作業機のブーム
   下げ操作制御方法。
2. 【請求項２】 支持体に枢着したブームの基準線に対す
   る角度を検出する角度検出手段と、 この角度検出手段の出力信号に基づいて、前記ブームの
   角速度を求める角速度演算手段と、下方に向けて回動させた前記ブームの目標停止角度を任
   意に設定可能な目標停止角度設定手段と、 この目標停止角度設定手段の出力信号および 前記角度検
   出手段の出力信号に基づいて、前記ブームの目標停止角
   度と回動している前記ブームの実際の角度との差を求め
   る角度偏差演算手段と、 この偏差演算手段と前記角速度演算手段との出力信号に
   基づいて、前記目標停止角度と前記実際の角度との差
   が、前記ブームの回動角速度に応じて予め定めた値にな
   ったときに、前記ブームを回動を停止する信号を出力す
   る停止指令出力手段と、 を有することを特徴とする作業機のブーム制御装置。