JP3608900B2 - 建設機械の制御方法および制御装置 - Google Patents

建設機械の制御方法および制御装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地面を掘削する油圧ショベル等の建設機械に関し、特にかかる建設機械の制御方法および制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
油圧ショベル等の建設機械は、図13に示すように、無限軌条部500Aを有する下部走行体500上に、運転操作室(キャビン)600付きの上部旋回体100をそなえており、さらにこの上部旋回体100に、ブーム200,スティック300,バケット400からなる関節式アーム機構を装備した構成となっている。
【0003】
そして、例えばストロークセンサ210,220,230にて得られた、ブーム200,スティック300,バケット400の各伸縮変位情報に基づき、ブーム200,スティック300,バケット400を適宜それぞれ油圧シリンダ120,121,122で駆動して、バケット400の進行方向あるいはバケット400の姿勢を一定に保って掘削できるようになっており、これにより、バケット400のごとき作業部材の位置と姿勢の制御を正確に且つ安定して行ない得るようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような従来の油圧ショベルでは、例えば水平均し動作等のようにバケット400の歯先を直線的に動かす操作(レイキング)をコントローラにより自動的に行なう場合、油圧シリンダ120,121,122に対して作動油の給排を行なう油圧回路中の電磁弁(制御弁機構)を電気的にフィードバック制御することにより、油圧シリンダ120,121,122の伸縮動作を制御して、ブーム200,スティック300,バケット400の姿勢を制御している。
【0005】
このとき、油圧シリンダ120,121,122は、油圧回路に接続され、ポンプからの吐出圧によって動作するようになっており、作業者が操作レバーを操作することにより、上記の油圧回路を通じて油圧シリンダ120〜122に対する作動油の給排が行なわれ、ブーム200,スティック300,バケット400が動作するようになっている。
【0006】
このとき、関節式アーム機構の駆動を開始する直前は、操作レバーは中立位置(非駆動位置)に配置され、前述したポンプはほとんど作動油を吐出してない状態(アイドリング状態)になっている。このような状態から操作レバーを操作すると、操作レバーの操作量に応じてポンプの吐出圧が徐々に立ち上がるようになっている。
【0007】
このため、ポンプのアイドリング状態から操作レバーを操作して自動制御を開始した直後(駆動開始直後)には、ポンプの吐出圧が十分に立ち上がっていないため、ポンプの応答遅れが生じるほか、ポンプ負荷が油圧シリンダ120〜122の負荷よりも小さいことに起因して不感帯が増大することにより、バケット400の姿勢制御精度が悪化してしまう。従って、駆動開始直後において、バケット400による水平均し面等の仕上げ精度を向上させることは困難であった。
【0008】
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、アーム機構の駆動開始直後であっても、ポンプの応答遅れや不感帯の増大を抑制して作業部材による仕上げ精度の向上をはかった、建設機械の制御方法および制御装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の建設機械の制御方法(請求項1)は、操作部材による操作量に応じて吐出圧を可変にしうるポンプを有する流体圧回路に接続されるとともにポンプからの吐出圧で動作するシリンダ式アクチュエータで、建設機械本体に装備された関節式アーム機構を駆動する建設機械において、操作部材がシリンダ式アクチュエータの非駆動位置にある場合でも、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれた時には、ポンプの吐出圧を所定値以上に保持しておくことを特徴としている。
【0010】
上述した建設機械の制御方法(請求項1)では、操作部材がシリンダ式アクチュエータの非駆動位置にある場合でも、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれた時には、ポンプの吐出圧が所定値以上に保持されているので、関節式アーム機構を動作させるべく操作部材を非駆動位置から操作した直後(駆動開始直後)であっても、十分なポンプ吐出圧が得られ、ポンプの応答遅れや不感帯の増大を抑制することができる。また、操作部材が非駆動位置にある場合にポンプの吐出圧を所定値以上に保持するという制御動作を行なうか否かを、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作によって選択することができる。
【0011】
また、本発明の建設機械の制御装置(請求項2)は、建設機械本体と、この建設機械本体に一端部を枢着され他端側に作業部材を有する関節式アーム機構と、伸縮動作を行なうことによりアーム機構を駆動するシリンダ式アクチュエータ機構と、このシリンダ式アクチュエータ機構を介してアーム機構を操作する操作部材と、シリンダ式アクチュエータ機構に対して作動流体の給排を行なってシリンダ式アクチュエータ機構に伸縮動作を行なわせるべく操作部材による操作量に応じて吐出圧を可変にしうるポンプを有する流体圧回路と、操作部材がシリンダ式アクチュエータ機構の非駆動位置にあるかどうかを検出する検出手段と、この検出手段にて操作部材がシリンダ式アクチュエータ機構の非駆動位置にあることが検出され、且つ、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれたことが検出された場合にポンプの吐出圧を所定値以上に保持するポンプ制御手段とをそなえて構成されたことを特徴としている。
【0012】
なお、ポンプ制御手段が、シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、保持すべき吐出圧を変更するように構成されてもよいし(請求項)、この場合、ポンプ制御手段が、シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、変更すべき保持吐出圧を記憶した記憶手段を有して構成されていてもよい(請求項)。
【0013】
上述した建設機械の制御装置(請求項2)では、検出手段にて操作部材がシリンダ式アクチュエータ機構の非駆動位置にあることが検出され、且つ、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれたことが検出されると、ポンプ制御手段により、ポンプの吐出圧が所定値以上に保持されるので、関節式アーム機構を動作させるべく操作部材を非駆動位置から操作した直後(駆動開始直後)であっても、十分なポンプ吐出圧が得られ、ポンプの応答遅れや不感帯の増大を抑制することができる。また、操作部材が非駆動位置にある場合にポンプの吐出圧を所定値以上に保持するというポンプ制御手段の制御動作を行なうか否かを、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作によって選択することができる。
【0015】
なお、ポンプ制御手段により、シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、保持すべき吐出圧を変更することで、ポンプ負荷がシリンダ式アクチュエータ機構の負荷よりも小さいことに起因する不感帯の増大を確実に抑制することができる(請求項)。
この場合、シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、変更すべき保持吐出圧を記憶手段に予め記憶させておくことにより、ポンプ制御手段は、シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じた保持吐出圧を記憶手段から読み出すだけで、最適なポンプの保持吐出圧を得て、ポンプの吐出圧の変更制御を行なうことができる(請求項)。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
本実施形態にかかる建設機械としての油圧ショベルは、図1に示すように、左右に無限軌条部500Aを有する下部走行体500上に、運転操作室600付き上部旋回体(建設機械本体)100が水平面内で回転自在に設けられている。
【0017】
そして、この上部旋回体100に対して、一端が回動可能に接続されるブーム(アーム部材)200が設けられ、さらにブーム200に対して、一端が関節部を介して回動可能に接続されるスティック(アーム部材)300が設けられている。
さらに、スティック300に対して、一端が関節部を介して回動可能に接続され、先端が地面を掘削し内部に土砂を収容可能なバケット(作業部材)400が設けられている。
【0018】
このように、ブーム200,スティック300,バケット400で、上部旋回体100に一端部を枢着され他端側にバケット400を有するとともに、関節部を介して相互に接続された一対のアーム部材としてのブーム200,スティック300を有する関節式アーム機構が構成される。
また、シリンダ式アクチュエータとしてのブーム油圧シリンダ120,スティック油圧シリンダ121,バケット油圧シリンダ122(以下、ブーム油圧シリンダ120をブームシリンダ120または単にシリンダ120ということがあり、スティック油圧シリンダ121をスティックシリンダ121または単にシリンダ121ということがあり、バケット油圧シリンダ122をバケットシリンダ122または単にシリンダ122ということがある)が設けられている。
【0019】
ここで、ブームシリンダ120は、上部旋回体100に対して一端が回動可能に接続されるとともにブーム200に対して他の一端が回動可能に接続され、即ち上部旋回体100とブーム200との間に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、ブーム200を上部旋回体100に対して回動させることができるものである。
【0020】
また、スティックシリンダ121は、ブーム200に対して一端が回動可能に接続されるとともにスティック300に対して他の一端が回動可能に接続され、即ちブーム200とスティック300との間に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、スティック300をブーム200に対して回動させることができるものである。
【0021】
さらに、バケットシリンダ122は、スティック300に対して一端が回動可能に接続されるとともにバケット400に対して他の一端が回動可能に接続され、即ちスティック300とバケット400との間に介装されて、端部間の距離が伸縮することにより、バケット400をスティック300に対して回動させることができるものである。なお、バケット油圧シリンダ122の先端部には、リンク機構130が設けられている。
【0022】
このように上記の各シリンダ120〜122で、伸縮動作を行なうことによりアーム機構を駆動する複数のシリンダ式アクチュエータを有するシリンダ式アクチュエータ機構が構成される。
なお、図示しないが、左右の無限軌条部500Aをそれぞれ駆動する油圧モータや、上部旋回体100を旋回駆動する旋回モータも設けられている。
【0023】
ところで、図2に示すように、シリンダ120〜122や上記の油圧モータや旋回モータのための油圧回路(流体圧回路)が設けられており、この油圧回路には、エンジンEによって駆動される吐出圧可変型のポンプ51,52のほか、ブーム用主制御弁(コントロールバルブ)13,スティック用主制御弁(コントロールバルブ)14,バケット用主制御弁(コントロールバルブ)15等が介装されている。吐出圧可変型のポンプ51,52は、それぞれ、後述するエンジンポンプコントローラ27によって斜板角(傾転角)を調整することにより、油圧回路への作動油の吐出圧を変更できる構成になっている。なお、図2において、各構成要素を接続するラインが実線である場合には、そのラインが電気系統であることを示し、各構成要素を接続するラインが破線である場合には、そのラインが油圧系統であることを示している。
【0024】
また、主制御弁13,14,15をそれぞれ制御するために、パイロット油圧回路が設けられており、このパイロット油圧回路には、エンジンEによって駆動されるパイロットポンプ50のほか、電磁比例弁3A,3B,3C,電磁切替弁4A,4B,4C,セレクタ弁18A,18B,18C等が介装されている。
そして、本実施形態の油圧ショベルには、電磁比例弁3A,3B,3Cを介して、主制御弁13,14,15をそれぞれ制御することにより、制御したいモードに応じて、ブーム200,スティック300,バケット400が所望の伸縮変位となるように制御するコントローラ1が設けられている。なお、このコントローラ1は、マイクロプロセッサ,ROMやRAM等のメモリ,適宜の入出力インタフェースなどで構成される。
【0025】
そして、このコントローラ1へは種々のセンサからの検出信号(設定信号を含む)が入力されるようになっており、コントローラ1は、これらのセンサからの検出信号に基づき、上記の制御を実行するようになっている。なお、このようなコントローラ1による制御を半自動制御というが、この半自動制御による掘削中(半自動掘削モード)であっても、手動にてバケット角や目標法面高さの微調整を行なうことは可能である。
【0026】
このような半自動制御モード(半自動掘削モード)としては、バケット角制御モード(図8参照),法面掘削モード(バケット歯先直線掘削モードまたはレイキングモード;図9参照),法面掘削モードとバケット角制御モードとを組み合わせたスムージングモード(図10参照),バケット角自動復帰モード(オートリターンモード;図11参照)等がある。
【0027】
ここで、バケット角制御モードは、図8に示すように、スティック300およびブーム200を動かしてもバケット400の水平方向(垂直方向)に対する角度(バケット角)が常に一定に保たれるモードで、このモードは、後述するモニタパネル10上のバケット角制御スイッチをONにすると、実行される。なお、バケット400が手動にて動かされた時、このモードは解除され、バケット400が止まった時点でのバケット角が新しいバケット保持角として記憶される。
【0028】
法面掘削モードは、図9に示すように、バケット400の歯先112が直線的に動くモードである。ただし、バケットシリンダ122は動かない。また、バケット400の移動に伴いバケット角φが変化する。
法面掘削モード+バケット角制御モード(スムージングモード)は、図10に示すように、バケット400の歯先112が直線的に動くモードであり、バケット角φも掘削中一定に保たれる。
【0029】
バケット自動復帰モードは、図11に示すように、バケット角が予め設定された角度に自動的に復帰するモードであり、復帰バケット角はモニタパネル10によって設定される。このモードはブーム/バケット操作レバー6上のバケット自動復帰スタートスイッチ7をONにすることで始動する。バケット400が予め設定された角度まで復帰した時点でこのモードは解除される。
【0030】
上記の法面掘削モード,スムージングモードは、モニタパネル10上の半自動制御スイッチをONにし、且つ、スティック操作レバー8上の法面掘削スイッチ9をONにし、スティック操作レバー8とブーム/バケット操作レバー6との両方またはどちらか一方が動かされた時に、これらのモードに入るようになっている。なお、目標法面角はモニタパネル10上のスイッチ操作にて設定される。
【0031】
また、法面掘削モード,スムージングモードでは、スティック操作レバー8の操作量が目標法面角に対して平行方向のバケット歯先移動速度を与え、ブーム/バケット操作レバー6の操作量が垂直方向のバケット歯先移動速度を与えるようになっている。従って、スティック操作レバー8を動かすと、目標法面角に沿って、バケット歯先112が直線移動を開始し、掘削中にブーム/バケット操作レバー6を動かすことによって、手動による目標法面高さの微調整が可能となる。
【0032】
さらに、法面掘削モード,スムージングモードでは、ブーム/バケット操作レバー6を操作することによって掘削中のバケット角を微調整できるほか、目標法面高さも変更することができる。
なお、このシステムでは、手動モードも可能であるが、この手動モードでは、従来の油圧ショベルと同等の操作が可能となるほかに、バケット歯先112の座標表示が可能である。
【0033】
また、半自動システム全体のサービス・メンテナンスを行なうためのサービスモードも用意されており、このサービスモードはコントローラ1に外部ターミナル2を接続することによって行なわれる。そして、このサービスモードによって、制御ゲインの調整や各センサの初期化等が行なわれる。
ところで、コントローラ1に接続される各種センサとして、図2に示すように、圧力スイッチ16,圧力センサ19,28A,28B,レゾルバ(角度センサ,姿勢検出手段)20〜22,車両傾斜角センサ24等が設けられており、さらに、コントローラ1には、エンジンポンプコントローラ27,ON−OFFスイッチ(前述したバケット自動復帰スタートスイッチ)7,ON−OFFスイッチ(前述した法面掘削スイッチ)9,目標法面角設定器付モニタパネル(ディスプレイスイッチパネル)10が接続されている。なお、外部ターミナル2は、制御ゲインの調整や各センサの初期化時等に、コントローラ1に接続される。
【0034】
また、エンジンポンプコントローラ27は、エンジン回転速度センサ23からのエンジン回転数情報を受けて、エンジンEおよび吐出圧可変型のポンプ51,52の斜板角(傾転角)を制御するもので、コントローラ1との間で協調情報を遣り取りできるようになっている。
圧力センサ19は、スティック300の伸縮用,ブーム200の上下用の各操作レバー6,8から主制御弁13,14,15に接続されているパイロット配管に取り付けられて、パイロット配管内のパイロット油圧を検出するものであるが、かかるパイロット配管内のパイロット油圧は、操作レバー6,8の操作量によって変化するため、この油圧を計測することで、計測された油圧に基づいてコントローラ1は操作レバー6,8の操作量を推定できるようになっている。
【0035】
圧力センサ28A,28Bは、それぞれ、ブームシリンダ120,スティックシリンダ121の伸長伸縮状態を検出するもので、これらの圧力センサ28A,28Bによりシリンダ120,121に作用する負荷状態がそれぞれ検出されるようになっている。
なお、前述した半自動制御時において、スティック操作レバー8は、設定された掘削斜面に対して平行方向のバケット歯先移動速度を決定するものとして使用され、ブーム/バケット操作レバー6は、設定斜面に対して垂直方向のバケット歯先移動速度を決定するものとして使用される。従って、スティック操作レバー8とブーム/バケット操作レバー6との同時操作時には、設定斜面に対して平行及び垂直方向の合成ベクトルにてバケット歯先の移動方向とその速度が決定されることになる。
【0036】
圧力スイッチ16は、ブーム200,スティック300,バケット400のための操作レバー6,8用のパイロット配管にセレクタ弁17等を介して取り付けられて、操作レバー6,8が中立か否かを検出するために使用される。即ち、操作レバー6,8が中立状態の時、圧力スイッチ16の出力がOFFとなり、操作レバー6,8が使用されると、圧力スイッチ16の出力がONとなる。なお、中立検出用圧力スイッチ16は、圧力センサ19の異常検出および手動/半自動モードの切替用としても利用される。
【0037】
レゾルバ20は、ブーム200の姿勢をモニタしうるブーム200の建設機械本体100への枢着部(関節部)に設けられてブーム200の姿勢を検出する姿勢検出手段として機能するものであり、レゾルバ21は、スティック300の姿勢をモニタしうるスティック300のブーム200への枢着部(関節部)に設けられてスティック300の姿勢を検出する姿勢検出手段として機能するものである。また、レゾルバ22は、バケット400の姿勢をモニタしうるリンク機構枢着部に設けられてバケット400の姿勢を検出する姿勢検出手段として機能するもので、これらのレゾルバ20〜22により、アーム機構の姿勢を角度情報で検出する角度検出手段が構成されている。
【0038】
信号変換器26は、レゾルバ20で得られた角度情報をブームシリンダ120の伸縮変位情報に変換し、レゾルバ21で得られた角度情報をスティックシリンダ121の伸縮変位情報に変換し、レゾルバ22で得られた角度情報をバケットシリンダ122の伸縮変位情報に変換するもの、即ち、レゾルバ20〜22で得られた角度情報を対応するシリンダ120〜122の伸縮変位情報に変換するものである。
【0039】
このため、この信号変換器26は、各レゾルバ20〜22からの信号を受ける入力インタフェース26Aと、各レゾルバ20〜22で得られた角度情報に対応するシリンダ120〜122の伸縮変位情報を記憶するルクアップテーブル26B−1を含むメモリ26Bと、各レゾルバ20〜22で得られた角度情報に対応するシリンダ120〜122の伸縮変位情報を求めシリンダ伸縮変位情報をコントローラ1に通信しうる主演算装置(CPU)26Cと、このCPU26Cからのシリンダ伸縮変位情報をコントローラ1へ送出する出力インタフェース26Dとを有して構成されている。
【0040】
上述した各レゾルバ20〜22で得られた角度情報θbm,θst,θbkに対応するシリンダ120〜122の伸縮変位情報λbm,λst,λbkは余弦定理を用いて次式(1)〜(3)で求めることができる。
Figure 0003608900
ここで、上式において、Lijは固定長、Axbm は固定角を表し、Lの添字ijは節点i,j間の情報を有する。例えばL101102は節点101と節点102との距離を表す。なお、節点101をxy座標の原点とする(図7参照)。
【0041】
もちろん、各レゾルバ20〜22で角度情報θbm,θst,θbkが得られる毎に、上式を演算手段(例えばCPU26C)で演算してもよい。この場合は、CPU26Cが、各レゾルバ20〜22で得られた角度情報に基づいて、その角度情報に対応するシリンダ120〜122の伸縮変位情報を演算により求める演算手段を構成することになる。
【0042】
なお、信号変換器26で変換された信号は、半自動制御時のフィードバック制御に利用されるほか、バケット400の歯先112の位置計測/表示用座標を計測するためにも利用される。
また、半自動システムにおけるバケット歯先位置は油圧ショベルの上部旋回体100のある1点を原点として演算されるが、上部旋回体100がフロントリンケージ方向に傾斜した時、制御演算上の座標系を車両傾斜分だけ回転することが必要になる。車両傾斜角センサ24は、この座標系の回転分を補正するために使用される。
【0043】
前述のごとく、コントローラ1からの電気信号によって、電磁比例弁3A〜3Cは、パイロットポンプ50から供給される油圧を制御し、制御された油圧を切替弁4A〜4Cまたはセレクタ弁18A〜18Cを通して主制御弁13,14,15に作用させることにより、シリンダ目標速度が得られるように、主制御弁13,14,15のスプール位置を制御することが行なわれるが、切替弁4A〜4Cを手動モード側にすれば、手動にてシリンダ120〜122を制御することができる。
【0044】
なお、スティック合流調整比例弁11は、目標シリンダ速度に応じた油量を得るために2つのポンプ51,52の合流度合を調整するものである。
また、スティック操作レバー8には、前述したON−OFFスイッチ(法面掘削スイッチ)9が取り付けられており、オペレータがこのスイッチ9を操作することによって、半自動モードが選択または非選択される。そして、半自動モードが選択されると、バケット400の歯先112を直線的に動かすことができるようになる。
【0045】
さらに、ブーム/バケット操作レバー6には、前述したON−OFFスイッチ(バケット自動復帰スタートスイッチ)7が取り付けられており、オペレータがこのスイッチ7をONすることによって、バケット400を予め設定された角度に自動復帰させることができるようになっている。
安全弁5は、電磁比例弁3A〜3Cに供給されるパイロット圧を断続するためのもので、この安全弁5がON状態の時のみパイロット圧が電磁比例弁3A〜3Cに供給されるようになっている。従って、半自動制御上、何らかの故障があった場合等は、この安全弁5をOFF状態にすることにより、速やかにリンケージの自動制御を停止することができる。
【0046】
また、エンジンEの回転速度は、オペレータが設定したエンジンスロットルの位置〔スロットルダイヤル(図示省略)を操作することによって設定される〕によって異なり、さらに、エンジンスロットルの位置が一定であっても負荷によってエンジン回転速度は変化する。ポンプ50,51,52はエンジンEに直結されているので、エンジン回転速度が変化すると、ポンプ吐出量(ポンプ吐出圧)も変化するため、主制御弁13,14,15のスプール位置が一定であっても、シリンダ速度はエンジン回転速度の変化に応じて変化してしまう。これを補正するためにエンジン回転速度センサ23が取り付けられており、エンジン回転速度が低い時は、バケット400の歯先112の目標移動速度を遅くするようになっている。
【0047】
目標法面角設定器付モニタパネル10(単にモニタパネルと呼ぶ場合がある)は、目標法面角α(図7,図12参照),バケット復帰角の設定器として使用されるほか、バケット歯先400の座標や計測された法面角あるいは計測された2点座標間距離の表示器としても使用されるようになっている。なお、このモニタパネル10は、操作レバー6,8とともに運転操作室600内に設けられる。
【0048】
すなわち、本実施形態にかかるシステムにおいては、従来のパイロット油圧ラインに圧力センサ19および圧力スイッチ16を組込み、操作レバー6,8の操作量を検出し、レゾルバ20,21,22を用いてフィードバック制御を行ない、制御は各シリンダ120,121,122毎に独立した多自由度フィードバック制御ができるような構成となっている。これにより、圧力補償弁等の油器の追加が不要となる。また、車両傾斜角センサ24を用いて、上部旋回体100の傾斜による影響を補正し、コントローラ1からの電気信号にて、シリンダ120,121,122を駆動するために電磁比例弁3A〜3Cを利用した構成にもなっている。なお、手動/半自動モード切替スイッチ9によりオペレータは任意にモードを選択できるようになっているほか、目標法面角を設定することもできるようになっているのである。
【0049】
次に、コントローラ1にて行なわれる半自動システムの制御アルゴリズムについて述べるが、このコントローラ1にて行なわれる半自動制御モード(バケット自動復帰モードを除く)の制御アルゴリズムは、概略、図4に示すようになっている。
すなわち、最初に、バケット400の歯先112の移動速度および移動方向を、目標法面設定角,スティックシリンダ121およびブームシリンダ120を制御するパイロット油圧,車両傾斜角,エンジン回転速度の情報に基づいて求める。そして、求められた情報(バケット400の歯先112の移動速度および移動方向)に基づいて、各シリンダ120,121,122の目標速度を演算する。この時、エンジン回転速度の情報はシリンダ速度の上限を決定するとき必要となる。
【0050】
また、コントローラ1は、図3および図4に示すように、各シリンダ120,121,122毎に独立した制御部1A,1B,1Cをそなえており、各制御は、図4に示すように、独立した制御フィードバックループとして構成され、互いに干渉し合うことがないようになっている。
ここで、本実施形態の制御装置の要部について説明すると、図4に示す閉ループ制御内の補償構成は、各制御部1A,1B,1Cとも、図5に示すように、変位,速度についてのフィードバックループとフィードフォワードループとの多自由度構成となっており、制御ゲイン(制御パラメータ)可変のフィードバックループ式補償手段72と、制御ゲイン(制御パラメータ)可変のフィードフォワードループ式補償手段73とをそなえて構成されている。
【0051】
すなわち、目標速度が与えられると、フィードバックループ式補償手段72において、目標速度と速度フィードバック情報との偏差に所定のゲインKvp(符号62参照)を掛けるルートと、目標速度を一旦積分して(図5の積分要素61参照)、この目標速度積分情報と変位フィードバック情報との偏差に所定のゲインKpp(符号63参照)を掛けるルートと、上記目標速度積分情報と変位フィードバック情報との偏差に所定のゲインKpi(符号64参照)を掛け更に積分(符号66参照)を施すルートによりフィードバックループ処理がなされる一方、フィードフォワードループ式補償手段73においては、目標速度に所定のゲインKf(符号65参照)を掛けるルートによるフィードフォワードループ処理がなされるようになっている。
【0052】
このうち、フィードバックループ処理についてもう少し詳しく説明すると、本装置には、図5に示すように、シリンダ120〜122の動作情報を検出する動作情報検出手段91が設けられており、コントローラ1では、動作情報検出手段91からの検出情報と、目標値設定手段80で設定された目標動作情報(例えば目標移動速度)とを入力情報として、ブーム200等のアーム部材およびバケット(作業部材)400が目標とする動作状態になるよう制御信号を設定・出力する。また、動作情報検出手段91は、具体的には、各シリンダ120〜122の位置を検出しうるシリンダ位置検出手段83であって、本実施形態では、このシリンダ位置検出手段83は、上述したレゾルバ20〜22と信号変換器26とから構成されている。
【0053】
なお、上記のゲインKvp,Kpp,Kpi,Kfの値は、ゲインスケジューラ70によって可変しうるようになっている。
また、非線形除去テーブル71が、電磁比例弁3A〜3Cや主制御弁13〜15等の非線形性を除去するために設けられているが、この非線形除去テーブル71を用いた処理は、テーブルルックアップ手法を用いることにより、コンピュータにて高速に行なわれるようになっている。
【0054】
ところで、本実施形態の制御装置においては、エンジンポンプコントローラ27とコントローラ1とが連携してポンプ51,52の吐出圧を可変制御する機能(ポンプ制御手段としての機能)を果たしている。その主たる機能としては、下記の機能▲1▼と機能▲2▼とがある。
機能▲1▼:スティック操作レバー(操作部材)8による操作量に応じてポンプ51,52の吐出圧を可変制御する機能。操作レバー6や8が中立位置(非駆動位置)に配置され、各ポンプ51,52がほとんど作動油を吐出してない状態(アイドリング状態)から操作レバー6や8を操作した場合に、操作レバー6や8の操作量に応じてポンプ51,52の吐出圧が徐々に立ち上がるように、各ポンプ51,52の斜板角を制御する機能。
【0055】
機能▲2▼:スティック操作レバー8に付設された押しボタンスイッチ8a(図6参照)による制御開始トリガ操作と、スティック操作レバー8がシリンダ120,121の非駆動位置(中立位置;ポンプ51,52がアイドリング状態)にあるかどうかを検出する中立位置検出用センサ(検出手段)8bからの信号と、圧力センサ28A,28Bからの信号(シリンダ120,121の負荷状態)とに応じて角ポンプ51,52の吐出圧を所定値以上(高圧状態)に保持するように、各ポンプ51,52の斜板角を制御する機能。より具体的には、スティック操作レバー8が中立位置にあり且つ押しボタンスイッチ8aが押下された場合に、シリンダ120,121の負荷状態に応じた吐出圧に保持するように、各ポンプ51,52の斜板角を制御する機能。
【0056】
本発明の特徴的な機能である、後者の機能▲2▼について、図6を参照しながら、より詳細に説明する。
図6に示すように、本実施形態では、スティック操作レバー8がシリンダ120,121の非駆動位置(中立位置)にあるかどうかを検出する中立位置検出用センサ(検出手段)8bと、半自動制御開始時に操作される押しボタンスイッチ(制御開始トリガ操作部材)8aとがスティック操作レバー8に付設されている。
【0057】
コントローラ1は、後述するポンプ斜板角設定テーブル(記憶手段)を有しており、中立位置検出用センサ8bによりスティック操作レバー8が中立位置にあることが検出され、且つ、押しボタンスイッチ8aが押下(制御開始トリガ操作)された場合に、圧力センサ28A,28Bにより検出されたシリンダ120,121の負荷状態(シリンダ負荷圧の最大値)に応じた吐出圧(高圧状態)に保持するように、その吐出圧にするためのポンプ斜板指令値をエンジンポンプコントローラ27へ出力するものである。
【0058】
そして、コントローラ1からのポンプ斜板指令値を受けたエンジンポンプコントローラ27は、各ポンプ51,52の斜板角がポンプ斜板指令値になるように調整を行なうことにより、各ポンプ51,52の吐出圧を所定値以上に保持するよう、各ポンプ51,52の制御を実際に行なうものである。
そのポンプ斜板角設定テーブル60は、圧力センサ28A,28Bにより検出されたシリンダ120,121の負荷状態(シリンダ駆動方向の負荷の最大値)に応じたポンプ斜板角(ポンプ斜板指令値)を出力するためのもので、コントローラ1を構成するメモリ(例えばROM,RAM)に予め記憶されており、テーブルルックアップ手法を用いることにより、シリンダ負荷圧の最大値に応じたポンプ斜板角が読み出されるようになっている。
【0059】
ポンプ斜板角設定テーブル60においては、例えば図6に示すように、圧力センサ28A,28Bにより検出されたシリンダ負荷圧の最大値が大きい程、各ポンプ51,52の吐出圧が大きくなるようにポンプ斜板角が設定されている。
なお、本実施形態では、制御開始トリガ操作部材としての押しボタンスイッチ8aと、中立位置検出用センサ8bとをスティック操作レバー8にそなえているが、ブーム/バケット操作レバー6にそなえてもよい。また、本実施形態では、ポンプ斜板角設定テーブル60とそのテーブル60に基づいてポンプ斜板指令値を出力する機能とをコントローラ1にそなえているが、そのテーブル60およびポンプ斜板指令値の出力機能は、エンジンポンプコントローラ27にそなえてもよい。
【0060】
上述のような構成により、本実施形態では、油圧ショベルを用いて、図12に示すような目標法面角αの法面掘削作業を半自動で行なう際に、本発明によるシステムでは、従来の手動制御のシステムに比し、ブーム200およびスティック300の合成移動量を掘削速度に合わせて自動調整する電子油圧システムにより、上記のような半自動制御機能を実現することができる。
【0061】
即ち、油圧ショベルに搭載されたコントローラ1へ種々のセンサからの検出信号(目標法面角の設定情報を含む)が入力され、このコントローラ1が、これらのセンサからの検出信号(信号変換器26を介したレゾルバ20〜22での検出信号も含む)に基づき、電磁比例弁3A,3B,3Cを介して、主制御弁13,14,15を制御することにより、ブーム200,スティック300,バケット400が所望の伸縮変位となるような制御を施して、上記のような半自動制御を実行するのである。
【0062】
そして、この半自動制御に際しては、まず、バケット400の歯先112の移動速度および移動方向が、目標法面設定角,スティックシリンダ121およびブームシリンダ120を制御するパイロット油圧,車両傾斜角,エンジン回転速度の情報より求められ、求められた情報(バケット400の歯先112の移動速度および移動方向)に基づいて、各シリンダ120,121,122の目標速度が演算されるのである。この時、エンジン回転速度の情報により、シリンダ速度の上限が決定される。また、制御は、各シリンダ120,121,122毎に独立したフィードバックループとしており、互いに干渉し合うことはない。
【0063】
特に、本実施形態の制御装置では、図6にて説明した通り、中立位置検出用センサ8bによりスティック操作レバー8が中立位置にあることが検出され、且つ、押しボタンスイッチ8aの押下操作が行なわれたことが検出されると、コントローラ1により、ポンプ斜板角設定テーブル60から、シリンダ負荷圧の最大値に応じたポンプ斜板角が読み出され、ポンプ斜板指令値としてエンジンポンプコントローラ27へ出力される。
【0064】
これにより、システムの駆動開始直前にある各ポンプ51,52は、エンジンポンプコントローラ27により斜板角を調整され、その吐出圧をシリンダ負荷圧の最大値に応じた所定吐出圧以上(高圧状態)に保持するよう制御されることになる。
なお、この半自動システムにおける目標法面角の設定は、モニタパネル10上のスイッチによる数値入力による方法,2点座標入力法,バケット角度による入力法によりなされ、同じく半自動システムにおけるバケット復帰角の設定は、モニタパネル10上のスイッチによる数値入力による方法,バケット移動による方法によりなされるが、いずれも公知の手法が用いられる。
【0065】
また、上記各半自動制御モードとその制御法は、レゾルバ20〜22で検出された角度情報を信号変換器26でシリンダ伸縮変位情報に変換したものに基づいて、次のようにして行なわれる。
まず、バケット角度制御モードでは、バケット400とx軸となす角(バケット角)φを任意の位置で一定となるように、バケットシリンダ122長さを制御する。このとき、バケットシリンダ長さλbkは、ブームシリンダ長さλbm,スティックシリンダ長さλst及び上記の角度φが決まると求められる。
【0066】
スムージングモードでは、バケット角度φは一定に保たれるから、バケット歯先位置112と節点108は平行に移動する。まず、節点108がx軸に対して平行に移動する場合(水平掘削)を考えると、次のようになる。すなわち、この場合は、掘削を開始するリンケージ姿勢における節点108の座標を(x108 ,y108 )とし、この時のリンケージ姿勢におけるブームシリンダ120とスティックシリンダ121のシリンダ長さを求め、x108 が水平に移動するようにブーム200とスティック300の速度を求める。なお、節点108の移動速度はスティック操作レバー8の操作量によって決定される。
【0067】
また、節点108の平行移動を考えた場合、微小時間Δt後の節点108の座標は(x108 +Δx,y108 )で表わされる。Δxは移動速度によって決まる微小変位である。従って、x108 にΔxを考慮することで、Δt後の目標ブーム及びスティックシリンダの長さが求められる。
法面掘削モードでは、スムージングモードと同様の要領の制御でよいが、移動する点が節点108からバケット歯先位置112へ変更され、更にバケットシリンダ長さが固定されることを考慮した制御となる。
【0068】
また、車両傾斜センサ24による仕上げ傾斜角の補正については、フロントリンケージ位置の演算は図7における節点101を原点としたxy座標系で行なわれる。従って、車両本体がxy平面に対して傾斜した場合、上記xy座標が回転し、地面に対する目標傾斜角が変化してしまう。これを補正するため、車両に傾斜角センサ24を取り付け、この傾斜角センサ24によって、車両本体がxy平面に対してβだけ回転していることが検出された場合、βだけ加算した値と置き直すことによって補正すればよい。
【0069】
エンジン回転速度センサ23による制御精度悪化の防止については、以下のとおりである。即ち、目標バケット歯先速度の補正については、目標バケット歯先速度は操作レバー6,8の位置とエンジン回転速度とにより決定される。また、油圧ポンプ51,52はエンジンEに直結されているため、エンジン回転速度が低い時、ポンプ吐出量も減少し、シリンダ速度が減少してしまう。そのため、エンジン回転速度を検出し、ポンプ吐出量の変化に合うように目標バケット歯先速度を算出しているのである。
【0070】
また、目標シリンダ速度の最大値の補正については、目標シリンダ速度はリンケージの姿勢及び目標法面傾斜角によって変化することと、ポンプ吐出量がエンジン回転速度の低下に伴い減少する場合、最大シリンダ速度も減少させる必要があることとを考慮した補正が行なわれる。なお、目標シリンダ速度が最大シリンダ速度を越えた時は、目標バケット歯先速度を減少して、目標シリンダ速度が最大シリンダ速度を超えないようにする。
【0071】
以上、種々の制御モードとその制御法について説明したが、いずれもシリンダ伸縮変位情報に基づいて行なう手法で、この手法による制御内容については公知である。すなわち、本実施形態にかかるシステムでは、レゾルバ20〜22で角度情報を検出したのちに、角度情報を信号変換器26でシリンダ伸縮変位情報に変換しているので、以降と公知の制御手法を使用できるのである。
【0072】
このようにして、コントローラ1にて、各種の制御がなされるが、本実施形態にかかるシステムでは、押しボタンスイッチ8aが押下操作された後でシステムの駆動開始直前(例えば直線掘削の自動制御が開始される直前)には、各ポンプ51,52の吐出圧が、シリンダ駆動方向の負荷の最大値に合うように斜板角を調整して高圧状態に保持されることになるので、関節式アーム機構を動作させるべくスティック操作レバー8を中立位置から操作した直後であっても、十分なポンプ吐出圧が得られ、ポンプの応答遅れや不感帯の増大を確実に抑制することができる。従って、アーム機構の駆動開始直後であっても、バケット400の姿勢制御精度が悪化することがなくなって、バケット400による水平均し面等の仕上げ精度が大きく向上するのである。
【0073】
このとき、本実施形態では、前述した機能▲2▼による制御動作を行なうか否かを押しボタンスイッチ8aの操作によって選択できるので、作業者等が望む場合にのみ機能▲2▼による制御動作を行なうことができ、各ポンプ51,52の吐出圧を不必要に高圧の状態に保持する必要がなく、効率のよい運転を行なえる利点もある。
【0074】
また、本実施形態では、コントローラ1(エンジンポンプコントローラ27)により、シリンダ120,121に作用する負荷状態(シリンダ負荷圧の最大値)に応じて、保持すべき吐出圧を変更しているので、ポンプ負荷がシリンダ120,121の負荷よりも小さいことに起因する不感帯の増大をより確実に抑制でき、バケット400による水平均し面等の仕上げ精度のさらなる向上に寄与している。
【0075】
この場合、シリンダ負荷圧の最大値に応じて、変更すべき保持吐出圧をテーブル60として予め記憶しておくことにより、コントローラ1は、シリンダ負荷圧の最大値に応じた保持吐出圧をテーブル60から読み出すだけで、最適なポンプ51,52の保持吐出圧を得て、ポンプ51,52の吐出圧の変更制御を行なうえる利点もある。
【0076】
一方、本実施形態にかかるシステムによれば、レゾルバ20〜22で検出された角度情報信号が、信号変換器26で、シリンダ変位情報に変換されて、コントローラ1へ入力されているので、従来のように、ブーム200,スティック300,バケット400用シリンダの各伸縮変位を検出するための高価なストロークセンサを使用しなくても、従来の制御系で使用していたシリンダ伸縮変位を用いた制御を実行することができる。これにより、コストを低く抑えながら、バケット400の位置と姿勢を正確に且つ安定して制御しうるシステムを提供しうるのである。
【0077】
また、フィードバック制御ループが各シリンダ120,121,122毎に独立しており、制御アルゴリズムが変位、速度およびフィードフォワードの多自由度制御としているので、制御系を簡素化できるほか、油圧機器の非線型性をテーブルルックアップ手法により高速に線形化することができるので、制御精度の向上にも寄与している。
【0078】
さらに、傾斜角センサ24により車両傾斜の影響を補正したり、エンジン回転速度を読み込むことにより、エンジンスロットルの位置および負荷変動による制御精度の悪化を補正しているので、より正確な制御の実現に寄与している。
またさらに、外部ターミナル2を用いてゲイン調整等のメンテナンスもできるので、調整等が容易であるという利点も得られるほか、圧力センサ19等を用いてパイロット圧の変化により、操作レバー6,8の操作量を求め、更に従来のオープンセンタバルブ油圧システムをそのまま利用しているので、圧力補償弁等の追加を必要としない利点があるほか、目標法面角設定器付モニタパネル10でバケット歯先座標をリアルタイムに表示することもできる。また、安全弁5を用いた構成により、システムの異常時におけるシステム異常動作も防止できる。
【0079】
なお、上述した実施形態では、本発明を油圧ショベルに適用した場合について説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、シリンダ式アクチュエータで駆動される関節式アーム機構を有するトラクタ,ローダ,ブルドーザ等の建設機械であれば同様に適用され、いずれの建設機械においても上述と同様の作用効果を得ることができる。
【0080】
また、上述した実施形態では、シリンダ式アクチュエータを動作させる流体圧回路が油圧回路である場合について説明しているが、本発明は、これに限定されるものではなく、操作部材による操作量に応じて吐出圧を可変にしうるポンプを有する流体圧回路であれば、作動油以外の液体圧や空気圧などによる流体圧回路を用いてもよく、この場合も上述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0081】
さらに、上述した実施形態では、エンジンEが、例えばディーゼルエンジンである場合について説明したが、本発明は、流体圧回路に吐出圧を作用させるポンプを駆動することのできる原動機(各種内燃機関等)であればよく、ディーゼルエンジン等に限定されるものではない。
そして、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明とその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【0082】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の建設機械の制御方法(請求項1)および制御装置(請求項2〜)によれば、操作部材がシリンダ式アクチュエータの非駆動位置にある場合でも、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれた時には、ポンプの吐出圧が所定値以上に保持されているので、関節式アーム機構を動作させるべく操作部材を非駆動位置から操作した直後(駆動開始直後)であっても、十分なポンプ吐出圧が得られ、ポンプの応答遅れや不感帯の増大を抑制できる。従って、アーム機構の駆動開始直後であっても、作業部材の姿勢制御精度が悪化することがなく、作業部材による仕上げ精度を大きく向上させることができる。
【0083】
このとき、操作部材が非駆動位置にある場合にポンプの吐出圧を所定値以上に保持するというポンプ制御手段の制御動作を行なうか否かを、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作によって選択できるので、作業者等が望む場合にのみポンプ制御手段による制御動作を行なうことができ、ポンプの吐出圧を不必要に高圧の状態に保持する必要がなく、効率のよい運転を行なうことができる(請求項1,2)。
【0084】
また、ポンプ制御手段により、シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、保持すべき吐出圧を変更することで、ポンプ負荷がシリンダ式アクチュエータ機構の負荷よりも小さいことに起因する不感帯の増大をより確実に抑制でき、作業部材による仕上げ精度の向上に大きく寄与する(請求項)。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる制御装置を搭載した油圧ショベルの構成を示す模式図である。
【図2】本発明の一実施形態にかかる制御装置の全体構成(電気信号系統および油圧回路)を概略的に示す図である。
【図3】本発明の一実施形態にかかる制御装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。
【図4】本発明の一実施形態にかかる制御装置全体の機能的な構成を説明するためのブロック図である。
【図5】本発明の一実施形態にかかる制御装置の要部構成を示す制御ブロック図である。
【図6】本発明の一実施形態にかかる制御装置における特徴的な機能とその機能にかかる要部の構成とを説明するためのブロック図である。
【図7】本実施形態による油圧ショベルの動作部分(関節式アーム機構およびバケット)を示す側面図である。
【図8】本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。
【図9】本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。
【図10】本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。
【図11】本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。
【図12】本実施形態による油圧ショベルの動作を説明すべくその油圧ショベルを模式的に示す側面図である。
【図13】従来の油圧ショベルの概略構成を示す側面図である。
【符号の説明】
1 コントローラ(ポンプ制御手段)
1A〜1C 制御部
2 外部ターミナル
3A〜3C 電磁比例弁
4A〜4C 電磁切替弁
5 安全弁
6 ブーム/バケット操作レバー
7 バケット自動復帰スタートスイッチ(ON−OFFスイッチ)
8 スティック操作レバー(操作部材)
8a 押しボタンスイッチ(制御開始トリガ操作部材)
8b 中立位置検出用センサ(検出手段)
9 法面掘削スイッチ(ON−OFFスイッチ)
10 目標法面角設定器付モニタパネル(ディスプレイスイッチパネル)
11 スティック合流比例弁
13 ブーム用主制御弁(コントロールバルブ)
14 スティック用主制御弁(コントロールバルブ)
15 バケット用主制御弁(コントロールバルブ)
16 圧力スイッチ
17 セレクタ弁(操作レバー用)
18 セレクタ弁(手動/半自動モード用)
19 圧力センサ
20〜22 レゾルバ(角度センサ)
23 エンジン回転速度センサ
24 車両傾斜角センサ
26 信号変換器
26A 入力インタフェース
26B メモリ
26B−1 ルクアップテーブル
26C 主演算装置(CPU)
26D 出力インタフェース
27 エンジンポンプコントローラ(ポンプ制御手段)
28A,28B 圧力センサ
50 パイロットポンプ
51,52 ポンプ
60 ポンプ斜板角設定テーブル(記憶手段)
100 上部旋回体(建設機械本体)
112 バケットの歯先
120 ブーム油圧シリンダ(シリンダ式アクチュエータ機構)
121 スティック油圧シリンダ(シリンダ式アクチュエータ機構)
122 バケット油圧シリンダ(シリンダ式アクチュエータ機構)
130 リンク機構
200 ブーム(関節式アーム機構)
300 スティック(関節式アーム機構)
400 バケット(作業部材,関節式アーム機構)
500 下部走行体
500A 無限軌条部
600 運転操作室
E エンジン

Claims (4)

  1. 操作部材による操作量に応じて吐出圧を可変にしうるポンプを有する流体圧回路に接続されるとともに該ポンプからの吐出圧で動作するシリンダ式アクチュエータで、建設機械本体に装備された関節式アーム機構を駆動する建設機械において、
    該操作部材が該シリンダ式アクチュエータの非駆動位置にある場合でも、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれた時には、該ポンプの吐出圧を所定値以上に保持しておくことを特徴とする、建設機械の制御方法。
  2. 建設機械本体と、
    該建設機械本体に一端部を枢着され他端側に作業部材を有する関節式アーム機構と、
    伸縮動作を行なうことにより、該アーム機構を駆動するシリンダ式アクチュエータ機構と、
    該シリンダ式アクチュエータ機構を介して該アーム機構を操作する操作部材と、
    該シリンダ式アクチュエータ機構に対して作動流体の給排を行なって該シリンダ式アクチュエータ機構に伸縮動作を行なわせるべく、該操作部材による操作量に応じて吐出圧を可変にしうるポンプを有する流体圧回路と、
    該操作部材が該シリンダ式アクチュエータ機構の非駆動位置にあるかどうかを検出する検出手段と、
    該検出手段にて該操作部材が該シリンダ式アクチュエータ機構の非駆動位置にあることが検出され、且つ、制御開始トリガ操作部材による制御開始トリガ操作が行なわれたことが検出された場合に、該ポンプの吐出圧を所定値以上に保持するポンプ制御手段とをそなえて構成されたことを特徴とする、建設機械の制御装置。
  3. 該ポンプ制御手段が、該シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、保持すべき吐出圧を変更するように構成されたことを特徴とする、請求項2記載の建設機械の制御装置。
  4. 該ポンプ制御手段が、該シリンダ式アクチュエータ機構に作用する負荷状態に応じて、変更すべき保持吐出圧を記憶した記憶手段を有していることを特徴とする、請求項記載の建設機械の制御装置。
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