JP3664781B2 - 建設機械の作業範囲制限制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の作業範囲制限制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルでは、上部旋回体のフロント部にブームを取り付け、そのブーム先端部に順次アーム、バケットを連結して作業用のフロント装置を構成している。そして上記作フロント装置の屈折作業運動を操作することにより、掘削積込作業などを行っている。
【０００３】
このような油圧ショベルで作業を行うとき、作業現場によっては上方や下方に障害物があるう場合がある。例えば屋外の作業では電線、屋内の作業では天井などが上方の障害物となる。また、ガス管や水道管等が地中にある場合の掘削作業では、これらが下方の障害物となる。オペレータは作業中これらの障害物にバケット爪先などの部分を接触させたり、引っかけたりしないように細心の注意を払う必要がある。
【０００４】
このような問題に対して、特開平３−２０８９２３号公報や特公平６−１９１６５号公報に記載されているような発明がなされている。特開平３−２０８９２３号公報に記載されている発明は、上方に予めフロント装置の侵入禁止領域を設定し、侵入禁止領域の下方にアクチュエータの減速領域を設定し、フロント装置の各先端位置のうち最大高さにある部分がこの減速領域に侵入すると油圧ポンプの吐出量を減らしてアクチュエータの作動速度を落とし、更に侵入禁止領域まで達するとパイロット操作装置の元圧を断ち、アクチュエータの動作を止めてしまうことにより、作業機の一部が上方の障害物に接触することを防ぐようにしたものである。
【０００５】
また、特公平６−１９１６５号公報に記載されている発明は、パイロット操作装置とこのパイロット操作装置から出力された操作パイロット圧により操作される流量制御弁との間に当該操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を設け、ブームが設定高さまで上昇すると電気式減圧弁を減圧操作する電気信号を出力して操作パイロット圧を減圧し、ブームの上昇を停止させるようにしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特公平６−１９１６５号公報では、上記のように電気式減圧弁を用いて操作パイロット圧を減圧し、ブームが設定高さまで上昇するとブームの上昇を停止させるようにしている。また、この特公平６−１９１６５号公報に記載の電気式減圧弁を特開平３−２０８９２３号公報の発明に用いれば、ブームと設定高さ（侵入禁止領域）との距離に応じて当該電気式減圧弁に与えられる電気信号を調整することにより、ブームが設定高さに近づくと電気式減圧弁による減圧の程度を増してアクチュエータの作動速度を落とし、ブームの動作速度を減速することもできる。しかし、このように電気式減圧弁を用いて減速制御をするときには次のような問題がある。
【０００７】
パイロット操作装置と流量制御弁との間に電気式減圧弁を配置する場合は、パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧を不用意に減圧して、オペレータの意志にそぐわないアクチュエータの速度低下を起こさないようにしなければならない。このため、電気式減圧弁は、必要がない限りパイロット操作装置の油圧源であるパイロットポンプの油圧（パイロットポンプ元圧）程度の油圧を常に流量制御弁に供給できるようするために、通常は電気信号の電流値として最大電流が流れ、弁を全開にしている。そして、例えばブームが設定した高さ又は深さに近づくと漸次電気信号の電流値を落とし、減圧弁を閉じてゆき、徐々にアクチュエータの速度を落として最後は滑らかに停止させる。
【０００８】
ところが、上記のように減速制御する過程において、侵入禁止領域の直前ではブームの動作速度が相当遅くなるので、アクチュエータが当該減速制御での停止処理で完全に停止する電流値まで落ちる前にオペレータは操作レバーを中立位置に戻してパイロット操作装置から出力される操作パイロット圧をゼロにし、アクチュエータを停止させることがある。このような停止状態では、減速制御の電気信号の電流値がアクチュエータを完全に停止させる電流値まで落ちていないので、電気式減圧弁はわずかに開いた、例えば数Ｋｇ／ｃｍ2程度の油圧を出力できる状態にある。この状態での電気式減圧弁が出力できる油圧をＰｓとする。この状態で再びオペレータがブームを更に侵入禁止領域に近づける方向に動かすため操作レバーの操作で操作パイロット圧を立たせると、油圧の応答遅れにより電気式減圧弁は瞬時には操作パイロット圧をＰｓに減圧できず、電気式減圧弁の開き状態に応じてわずかの時間だけサージ圧が立ってしまい、流量制御弁がこのサージ圧に応じて瞬間的に動いてしまい、アクチュエータがわずかに動いてしまう。このため、オペレータにとってはブームが停止したはずなのに、その後のレバー操作によってアクチュエータが不用意に動いて、サージ圧の大きさによってはフロント装置が飛び出し侵入禁止領域に侵入してしまうので、操作に細心の注意を払わねばならない。また、サージ圧によってブームが動く際、多少のショックが伴うので、オペレータに不快感を与えることになる。
【０００９】
本発明の目的は、予め設定した進入禁止領域の直前でフロント装置を停止させたときに、その後のレバー操作によってアクチュエータが不用意に動いてフロント装置が進入禁止領域に進入したり、ショックを発生したりすることのない建設機械の作業範囲制限制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を採用する。すなわち、上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する操作装置から出力される操作パイロット圧により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記操作装置とこれに対応する少なくとも１つの流量制御弁との間に設けられ、前記操作装置から出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁とを備え、前記フロント装置に関して予め設定したモニターポイントと予め設定した侵入禁止領域との距離に応じて指令電流値を計算し前記電気式減圧弁に出力して、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくと前記フロント装置を減速させ、前記侵入禁止領域に到達すると前記フロント装置を停止させる制御を行う建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記モニターポイントが侵入禁止領域に近づいた際に前記フロント装置を停止させる所定の範囲を前記侵入禁止領域近傍に設け、前記モニターポイントが前記所定の範囲に入ったときに前記電気式減圧弁に前記フロント装置を完全に停止させる低電流値を出力する信号低減処理手段を備えた構成とする。
【００１１】
以上のように構成した本発明では、モニターポイントが侵入禁止領域に近づき、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなると、当該距離が小さくなるに従って小さくなる指令電流値を計算し電気式減圧弁に出力するが、モニターポイントが侵入禁止領域直前の所定の範囲に入ると、信号低減処理手段はフロント装置を完全に停止させる低電流値を電気式減圧弁に出力する。これにより、モニターポイントが侵入禁止領域直前の所定の範囲まで近づくと、電気式減圧弁に出力される指令電流値はフロント装置を完全に停止させる低電流値になり、電気式減圧弁は閉じられ、フロント装置は停止する。また、電気式減圧弁は閉じられるので、その後、操作レバーを動かしてもパイロットサージ圧の発生を押さえることができ、油圧アクチュエータの不用意な動作を防止することができ、このため、フロント装置が飛び出して進入禁止領域に進入したり、ショックを発生することがなくなる。
【００１２】
好ましくは、前記信号低減処理手段は、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくときより前記侵入禁止領域から遠ざかるときの方が前記所定の範囲の距離を長くするヒステリシス演算を行う。
【００１３】
このように信号低減処理手段でヒステリシス演算を行わせることにより、上記のように指令電流値を低電流値に落として進入禁止領域直前に停止させたとき、この位置でフロント装置１Ａが揺れてもフロント装置１Ａを確実に停止したままにしておくことができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記信号低減処理手段は、前記モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなるに従って指令電流値を小さくするように計算する減速演算手段で計算された指令電流値をスッテプ状に前記低電流値に落とす。これにより、フロント装置を確実に停止させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を図１〜図 により説明する。なお、本実施形態は上方の範囲制限制御を行う場合についてのものである。
【００１６】
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バッケトシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ間に接続され、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号によって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００１７】
また、油圧ショベルは、図２に示すように、垂直方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅはそれぞれブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ、３ｆによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。
【００１８】
操作レバー装置４ａ〜４ｆは操作信号としてパイロット圧を出力し、対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動する油圧パイロット方式の操作装置（パイロット操作装置）であり、それぞれ、図３に示すように、オペレータにより操作される操作レバー４０と、操作レバー４０の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する一対の減圧弁４１，４２とにより構成され、減圧弁４１，４２の一次ポート側はパイロットポンプ４３に接続され、二次ポート側はパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂに接続されている。
【００１９】
例えばブーム用のパイロット操作装置４ａは、操作レバー４０が図３のＡ方向に操作されると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４１により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ａに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の右方に動かされる。これにより、主ポンプである油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのボトム側に供給され、ブームシリンダ３ａは伸長するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは上方に動かされる。操作レバー４０を図３のＢ方向に操作すると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４２により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ｂに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ｂに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の左方に動かされ、油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのロッド側に供給され、ブームシリンダ３ａは収縮するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは下方に動かされる。操作レバー４０を中央位置に戻すと、減圧弁４１，４２はパイロットライン４４ａ，４４ｂをタンクにつなげ、流量制御弁５ａへのパイロット圧の付与は解除され、流量制御弁５ａは復元スプリングにより中立位置に戻され、ブーム１ａの動きは停止する。アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ｂ，４ｃについても同様である。このようなブーム用、アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ａ〜４ｃの操作を単独又は適当に組み合わせて行うことにより、フロント装置１Ａを所望の態様で屈折動作させ、掘削積込作業などを行うことができる。なお、本願明細書中では、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力されたパイロット圧のことを特に「操作パイロット圧」と呼ぶ。
【００２０】
以上のような油圧ショベルに本実施例による作業範囲制限制御装置が設けられている。この作業範囲制限制御装置は、予め作業に応じてフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）を指示するための設定器７と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと、設定器７の設定信号、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃの検出信号を入力し、フロント部材が侵入してはならない侵入禁止領域を設定すると共に、その侵入禁止領域に応じて作業範囲を制限制御するための電気信号を出力する制御ユニット９と、パイロットライン４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂにそれぞれ設置され、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧をパイロット一次圧としてこれを前記制御ユニット９から出力されたそれぞれの電気信号に応じて減圧して出力する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂとで構成されている。
【００２１】
比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは電気式減圧弁であり、図４に示すような構造を有している。図中、１５０は入力ポート、１５１は出力ポート、１５２はタンクポート、１５３はスプール、１５４は内部通路、１５５は圧力室、１５６はソレノイドであり、入力ポート１５０にパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧がパイロット一次圧として導かれ、出力ポート１５２からのパイロット二次圧（出力圧）が流量制御弁５ａ，５ｂの油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂに与えられ、ソレノイド１５６に制御ユニット９からの電気信号が与えられる。
【００２２】
ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロの時は、ソレノイド１５６には電磁力は発生せず、内部通路１５４を介して圧力室１５５に伝えられるパイロット一次圧による付勢力Ｆｐによりスプール１５４は図示右方に移動し、出力ポート１５１をタンクポート１５２に連通し、パイロット二次圧をタンク圧にする（フルクローズ）。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロでないときは、その電流値に応じた軸方向の力Ｆｓが発生し、スプール１５３を図示左方に動かし、圧力室１５５により与えられる付勢力Ｆｐとつりあった位置でスプール１５３は止まる。このとき、出力ポート１５１とタンクポート１５２の連通は遮断され、出力ポート１５１は入力ポート１５０と絞りを介して連通し、出力ポート１５１にはその絞りに応じて減圧された圧力が発生し、これがパイロット二次圧として出力される。また、圧力室１５５にはその出力ポート１５１の減圧された圧力（パイロット二次圧）が内部通路１５４を介して導かれ、付勢力Ｆｐはパイロット二次圧に応じた値となっている。そして、ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が増加し、軸方向の力Ｆｓが大きくなると、それに応じてスプール１５３は図示左方に動かされ、スプール１５３の絞りは弱くなって減圧の程度は小さくなり、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は増加する。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が最大になると、スプール１５３は絞りが全く働かない位置まで動かされ（フルオープン）、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は入力ポート１５０の圧力（パイロット一次圧）と同じになる。
【００２３】
設定器７は、操作パネルあるいはグッリプ上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット９に出力し侵入禁止領域の設定を指示するもので、操作パネル上には表示装置等、他の補助手段があってもよい。また、ＩＣカードによる方法、バーコードによる方法、レーザによる方法、無線通信による方法等、他の方法を用いてもよい。
【００２４】
制御ユニット９は図５に示すような制御機能を有している。すなわち、制御ユニット９は、侵入禁止領域演算部９ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、制限値記憶メモリ９ｃ、モニターポイント選択演算部９ｄ、減速制御演算部９ｅ、最大シリンダ速度演算部９ｆ、最大パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令電流値演算部９ｈ、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉ、電流出力部９ｊの各機能を有している。
【００２５】
侵入禁止領域演算部９ａでは、設定器７からの指示でフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）の設定演算を行う。その一例を図６を用いて説明する。
【００２６】
図６において、オペレータの操作でアーム１ｂの後端を制限したい高さ上の点Ｐｃまでもってゆき、設定器７からの指示でそのときのアーム１ｂの後端の位置を計算し、その位置を侵入禁止領域の境界の設定値とする。ここで、点Ｐｃの位置はフロント姿勢演算部９ｂにて計算される。
【００２７】
フロント姿勢演算部９ｂでは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム、アーム、バケットの回動角と、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶した図６に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５等のデータとを用いてフロント装置１Ａの位置と姿勢を計算する。このとき、位置と姿勢は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＺ座標系の座標値として求める。ＸＺ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直交座標系である。
【００２８】
ここで、侵入禁止領域演算部９ａでの設定演算を行うとき、フロント姿勢演算部９ｂは、点Ｐｃの位置をＸＺ座標系のＺ座標値として計算し、その値を侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）とする。侵入禁止領域演算部９ａで計算されたこの侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）は制限値記憶メモリ９ｃに記憶しておく。
【００２９】
また、フロント装置１Ａには予め所定箇所に複数のモニターポイントＭ１，Ｍ２が設定されており、フロント姿勢演算部９ｂでは、制限制御による作業中に各モニターポイントＭ１，Ｍ２の位置を計算している。本実施形態では、モニターポイントＭ１はアーム１ｂの後端であり、モニターポイントＭ２はバケット１ｃの回動中心（バケットピン）を中心にした半径Ｌ３（バケットピンからバケット先端までの距離）の円の最高点である。このときも、各モニターポイントの位置はＸＺ座標系の値として求め、各モニターポイントの高さはＸＺ座標系のＺ座標値として計算される。
【００３０】
ここで、フロント姿勢演算部９ｂで計算されるアーム１ｂの後端の位置すなわちモニターポイントＭ１の位置（Ｍ1x，Ｍ1z）や、モニターポイントＭ２の位置（Ｍ2x，Ｍ2z）は、回動角α，β，γから記憶装置に記憶した図６に示される各部寸法を用いて下記の式により求まる。
【００３１】
Ｍ1x＝Ｌ1ｃｏｓα−Ｌ4ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ5ｓｉｎ（α＋β）
Ｍ1z＝−Ｌ1ｓｉｎα＋Ｌ2ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ5ｃｏｓ（α＋β）
Ｍ2x＝Ｌ1ｃｏｓα＋Ｌ2ｃｏｓ（α＋β）
Ｍ2z＝−Ｌ1ｓｉｎα−Ｌ2ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ3
モニターポイント選択部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＭ１，Ｍ２のＺ座標値Ｍ1z，Ｍ2zと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとから、モニターポイントＭ1，Ｍ2と侵入禁止領域の境界との間の距離Ｌ1M，Ｌ2Mを計算し、距離Ｌ1M，Ｌ2Mを比較し、侵入禁止領域に近い方のモニターポイント、すなわちＬ1M＜Ｌ2MであればＭ1を、Ｌ1M＞Ｌ2MであればＭ2を選択し、選択モニターポイントＭsとする。なお、Ｌ1M＝Ｌ2Mの場合はどちらを選択モニターポイントとしてもよいが、ここではＭ1を選択モニターポイントとする。
【００３２】
減速制御演算部９ｅでは、モニターポイント選択部９ｄで選択されたモニターポイントＭsのＺ座標値Ｍszと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚと、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておいた減速領域の範囲を示す距離（以下、減速距離という）ＬU及び減速関数（後述）とから、ブームシリンダ３ａの伸び方向と縮み方向、アームシリンダ３ｂの伸び方向と縮み方向に対する減速指令信号ＫBU，ＫBD，ＫAU，ＫADを演算する。この演算内容を以下に説明する。
【００３３】
まず、選択モニターポイントＭｓと侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算する。図６ではモニターポイントＭ1が最も高い位置にあるとして距離ＬMが計算されている。次いで、この距離ＬMと減速距離ＬUとを比較し、ＬM＞ＬUであれば選択モニターポイントＭsがまだ減速領域に入っていないので、減速指令信号ＫBU，ＫBD，ＫAU，ＫADは全て１にする。ＬM≦ＬUであれば選択モニターポイントＭsが減速領域に入っていると判断し、下記の減速関数から減速指令信号ＫBU，ＫBD，ＫAU，ＫADを演算する。
【００３４】
ＫBU＝ＬM／ＬU
ＫBD＝１
ＫAU＝ＬM／ＬU
ＫAD＝ＬM／ＬU
上記の減速関数を図７に示す。この図から分かるように、ブームシリンダ３ａの伸び方向に対する減速指令信号ＫBUの減速関数、アームシリンダ３ｂの伸び方向及び縮み方向に対する減速指令信号ＫAU，ＫADの減速関数は、減速距離ＬU以下で距離ＬMが小さくなるにしたがって減速指令信号が１から０まで直線的に小さくなるように設定されている。
【００３５】
最大シリンダ速度演算部９ｆでは、予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいたブームシリンダ３ａの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶBUmax，ＶBDmaxとアームシリンダ３ｂの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶAUmax，ＶADmaxと、上記で計算した減速指令信号ＫBU，ＫBD及びＫAU，ＫADよりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxcとアームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶAUmaxc，ＶADmaxcを演算する。この演算式を以下に示す。
【００３６】
ＶBUmaxc＝ＫBU×ＶBUmax
ＶBDmaxc＝ＫBD×ＶBDmax
ＶAUmaxc＝ＫAU×ＶAUmax
ＶADmaxc＝ＫAD×ＶADmax
最大パイロット圧演算部９ｇでは最大シリンダ速度演算部９ｆで演算した減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxc，ＶAUmaxc，ＶADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図８の（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すようなパイロット圧とシリンダ速度のテーブルよりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxcと、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大パイッロト圧ＰAUmaxc，ＰADmaxcを演算する。
【００３７】
バルブ指令電流値演算部９ｈでは最大パイロット圧演算部９ｇで演算したＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図９に示すようなパイロット圧と電流値のテーブルより、ブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の速度を規定する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADを演算する。
【００３８】
バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでは、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADに対して図１０に示すようなテーブルを用いてヒステリシス演算を伴う信号低減処理を行う。ここで、ヒステリシスを伴う信号低減処理について説明する。
【００３９】
図１０において、横軸は指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADであり、縦軸は指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADを信号低減処理した後の指令電流値ｉBUC，ｉBDC，ｉAUC，ｉADCである。また、ｉ0は選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域に達した際の減速指令信号ＫBU＝０，ＫBD＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０のときの指令電流値である。以下の説明はブームシリンダ伸び方向（ｉBU）の信号低減処理について説明する。
【００４０】
まず、各モニターポイントのうちの最も侵入禁止領域に近いもの、すなわち選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域から遠く離れているときは、信号低減処理を行う際の電流値の履歴を表すフラグｆｌｇをｆｌｇ＝０とし、指令電流値ｉBUCをバルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUと同じ値にする（ｉBUC＝ｉBU）。次に、選択モニターポイントＭsが漸次侵入禁止領域に接近してきて、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUが選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域に達した際の指令電流値ｉ0より大きいｉ1以下になったならば、ｆｌｇ＝１として指令電流値ｉBUCをｉ0より小さい低電流値ｉ0′にする（ｉBUC＝ｉ0′）。逆に、各モニターポイントのうち最も侵入禁止領域に近いある選択モニターポイントＭsが漸次侵入禁止領域から遠ざかり、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUが徐々に大きくなり、ｉBUが上記電流値ｉ1より大きいｉ2になったらｆｌｇ＝０とし、ｉBUC＝ｉ2とし、それまでは、ｆｌｇ＝１でｉBUC＝ｉ0′とする。
【００４１】
すなわち、ｉBUがｉ1より小さければｆｌｇ＝１でｉBUC＝ｉ0′とし、ｉBUがｉ2より大きければｆｌｇ＝０でｉBUC＝ｉBUとなる。ｉBUがｉ1とｉ2の間であるならば、ｆｌｇに応じてｉ0′かｉBUのいずれかを選択することになる（ｆｌｇ＝０であればｉBUC＝ｉBU、ｆｌｇ＝１であればｉBUC＝ｉ0′）。
【００４２】
このようにして選択モニターポイントＭsが、指令電流値ｉBUがｉ1以下となる侵入禁止領域直前の所定の範囲にあるときは、指令電流値ｉBUCをｉ0より小さい低電流値ｉ0'にする信号低減処理が行われる。また、指令電流値ｉBUがｉ1になるときよりｉ2になるときの方が選択モニターポイントＭsは侵入禁止領域から遠くに位置しており、選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域に近づくときより侵入禁止領域から遠ざかるときの方が指令電流値ｉBUCを低電流値ｉ0'にする所定の範囲の距離が長いヒステリシス演算が行われる。
【００４３】
アームシリンダ伸び方向（ｉAU）及び縮み方向（ｉAD）のヒステリシス低電流変換演算についても同様である。ブームシリンダの縮み方向については、ｉBDCをバルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUと常に同じ値にする（ｉBDC＝ｉBD）。
【００４４】
電流出力部９ｊでは、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉで計算されたｉBUC，ｉBDC，ｉAUC，ｉADCを図示せぬ増幅器で増幅し、電気信号として比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに出力する。
【００４５】
ここで、減速制御演算部９ｅで計算される減速指令信号がＫBU＝１，ＫBD＝１，ＫAU＝１，ＫAD＝１のときに最大パイロット圧演算部９ｇで演算される減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcは操作パイロット圧の最大圧力（パイロットポンプ元圧）に設定されており、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcをパイロット圧の最大圧力にするときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンにする電流値である。また、ＫBU＝０，ＫBD＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０のときは減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcを０にすることであり、このときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルクローズにする電流値（シリンダ３ａ，３ｂが動作しない電流値）である。また低電流値ｉ0′はＫBU＝０，ＫBD＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０のときのｉOより小さいのであるから、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂを確実にフルクローズにし（シリンダ３ａ，３ｂの動作を止め）、シリンダを確実に停止させフロント装置１Ａを完全に停止させる電流値である。一例として、低電流値ｉ0′は０ミリアンペアである。
【００４６】
以上の制御の流れを図１１にフローチャートとして示す。
【００４７】
図１１において、手順４００，４１０はフロント姿勢演算部９ｂに相当し、手順２００，５００，５１０はモニターポイント選択演算部９ｄに相当し、手順６００〜６３０は減速制御演算部９ｅに相当し、手順７００は最大シリンダ速度演算部９ｆに相当し、手順８００〜８２０は最大パイロット圧演算部９ｇに相当し、手順９００はバルブ指令電流値演算部９ｈに相当し、手順１０００はバルブ指令信号低減処理演算部９ｉに相当し、手順１１００は電流出力部９ｊに相当する。なお、手順３００は安全のための初期設定である。
【００４８】
また、以上において、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ又は１１ａ，１１ｂはパイロット操作装置４ａ，４ｂとこれに対応する流量制御弁５ａ又は５ｂとの間に設けられ、パイロット操作装置４ａ又は４ｂから出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を構成し、制御ユニット９のフロント姿勢演算部９ｂ、制限値記憶メモリ９ｃ、モニターポイント選択演算部９ｄ、減速制御演算部９ｅ、最大シリンダ速度演算部９ｆ、最大パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令電流値演算部９ｈは、モニターポイントＭsと侵入禁止領域との距離が小さくなるに従って小さくするように指令電流値を計算する減速演算手段を構成し、制御ユニット９のバルブ指令信号低減処理演算部９ｉと電流出力部９ｊは、モニターポイントＭ s が侵入禁止領域に近づいた際にフロント装置を停止させる所定の範囲を前記侵入禁止領域近傍に設け、モニターポイントＭ s が前記所定の範囲に入ったときに電気式減圧弁にフロント装置を完全に停止させる低電流値を出力する信号低減処理手段を構成する。
【００４９】
また信号低減処理手段を構成するバルブ指令信号低減処理演算部９ｉは、モニターポイントＭsが侵入禁止領域に近づくときより侵入禁止領域から遠ざかるときの方が前記所定の範囲の距離を長くするヒステリシス演算を行うものである。
【００５０】
次に、以上のように構成した本実施例の動作を説明する。フロント装置１Ａを上方に動かそうとしてオペレータがブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂの操作レバーをそれぞれブーム上げ方向及びアームダンプ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂに操作パイロット圧が生成され、油圧制御弁５ａ，５ｂが駆動され、フロント部材であるブーム１ａ及びアーム１ｂが動かされる。ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの各関節角は位置検出手段である角度検出器８ａ〜８ｃにより検出され、その検出信号が制御ユニット９のフロント姿勢演算部９ｂに入力される。フロント姿勢演算部９ｂではこの入力信号によりモニターポイントＭ１，Ｍ２の位置を演算し、モニターポイント選択部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＭ１，Ｍ２のＺ座標値Ｍ1z，Ｍ2zと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとから、モニターポイントＭ1，Ｍ2と侵入禁止領域の境界との間の距離Ｌ1M，Ｌ2Mを計算し、侵入禁止領域に近い方のモニターポイントを選択モニターポイントＭsとする。
【００５１】
減速制御演算部９ｅでは、モニターポイント選択部９ｄで選択されたモニターポイントＭsのＺ座標値Ｍszと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとから、選択モニターポイントＭsと侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算し、この距離ＬMと減速距離ＬUとを比較して選択モニターポイントＭｓが減速領域に入っているかどうかを判断する。
【００５２】
このとき、フロント装置１Ａがまだ高く上がっておらず、選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域から遠いときは、ＬM＞ＬUであるので、減速制御演算部９ｅでは選択モニターポイントＭsが減速領域に入っていないと判断し、ＫBU＝１，ＫBD＝１，ＫAU＝１，ＫAD＝１の減速指令信号を生成する。
【００５３】
バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでは、電流値の履歴を表すフラグｆｌｇをｆｌｇ＝０とし、ｉBUC＝ｉBU，ｉBDC＝ｉBD，ｉAUC＝ｉAU，ｉADC＝ｉADの演算を行い、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンする。これによりブーム用の油圧制御弁５ａ及びアーム用の油圧制御弁５ｂにはパイロット操作装置４ａ，４ｂで生成された操作パイロット圧がそのまま伝達され、フロント装置１Ａをオペレータの操作通りに動かすことができる。
【００５４】
フロント装置１Ａが侵入禁止領域に近づき選択モニターポイントＭsが減速領域に到達すると、減速制御演算部９ｅではＬM≦ＬUとなるので選択モニターポイントＭsが減速領域に入ったと判断され、距離ＬMに従って図７に示す減速関数から１より小さい減速指令信号ＫBU，ＫAU，ＫADが生成され、この減速指令信号に応じて比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂが絞られ、ブーム及びアームの動作速度が減じられる。
【００５５】
フロント装置１Ａが更に侵入禁止領域に近づき、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉAU，ｉADがｉ1になったならば、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉではｆｌｇ＝１とし、指令電流値ｉBUC，ｉAUC，ｉADCをｉBUC＝ｉ0′，ｉAUC＝ｉ0′，ｉADC＝ｉ0′とし、比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂをフルクローズし、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの動きを止めてフロント装置１Ａを停止させる。
【００５６】
このようにしてフロント装置１Ａを停止させた状態で、オペレータがブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂの操作レバーを更にブーム上げ方向及びアームダンプ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂに操作パイロット圧が再び生成される。しかし、このとき比例電磁弁１０ａ，１１ｂは上記のように演算部９ｉでの信号低減処理によりフルクローズしているので、比例電磁弁１０ａ，１１ｂの出力側にサージ圧が立つことがなく、流量制御弁５ａ，５ｂがこのサージ圧に応じて瞬間的に動きブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂが動いてしまうことがなくなる。
【００５７】
今、このことを図１２及び図１３を用いてさらに説明する。
【００５８】
図１２はフロント装置１Ａが進入禁止領域に近づき、停止するまでのバルブ指令電流値演算部９ｈで演算される指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉAD（ｉで代表）とパイロット操作装置を任意量操作したときの対応するシリンダ速度との関係を示すものである。
【００５９】
フロント装置１Ａが侵入禁止領域に近づき、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉADがｉ1になると、本発明のバルブ指令信号低減処理演算部９ｉによる信号低減処理をしない場合は、指令電流値ｉBU，ｉADに相当する電流がそのまま比例電磁弁１０ａ，１１ｂに与えられ、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂはｖ１の速度で動き、フロント装置１Ａは減速されつつ動いている。
【００６０】
このように減速制御をしているとき、侵入禁止領域の直前ではブームやアームの動作速度が相当遅くなるので、フロント装置１Ａが完全に停止する前にオペレータは操作レバーを中立位置に戻してパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力される操作パイロット圧をゼロにし、フロント装置１Ａを停止させることがある。このような停止状態では、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉADはフロント装置１Ａを完全に停止させる電流値ｉ0まで落ちておらず、比例電磁弁１０ａ，１１ｂはわずかに開いた、例えば数Ｋｇ／ｃｍ2程度の油圧を出力できる状態にある。この状態での指令電流値ｉBU，ｉADをｉsとし、比例電磁弁１０ａ，１１ｂが出力できる油圧をＰｓとする。
【００６１】
この状態で再びオペレータがブームを更に侵入禁止領域に近づける方向に動かすべく操作レバーを操作して操作パイロット圧を立たせると、油圧の応答遅れにより比例電磁弁１０ａ，１１ｂは瞬時には操作パイロット圧をＰｓに減圧できず、比例電磁弁１０ａ，１１ｂの開き状態に応じてわずかの時間だけサージ圧が立ってしまう。この様子を図１３に示す。このようにサージ圧が立つと、流量制御弁５ａ，５ｂがこのサージ圧に応じて瞬間的に動いてしまい、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂがわずかに動いてしまう。このため、オペレータにとってはブームやアームが停止したはずなのに、その後のレバー操作によってブームやアームが再び動き、サージ圧の大きさによっては設定した侵入禁止領域よりフロント装置が侵入してしまうので、操作に細心の注意を払わねばならない。また、サージ圧によってブームが動く際、多少のショックが伴うので、オペレータに不快感を与えることになる。
【００６２】
本実施形態では、上記のようにバルブ指令電流値演算部９ｈで演算される指令電流値ｉBU，ｉAU，ｉADがｉ1になる距離までフロント装置１Ａが進入禁止領域に近づくと、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでｉBUC＝ｉ0′，ｉAUC＝ｉ0′，ｉADC＝ｉ0′として比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂを強制的にフルクローズし、ブームシリンダ３ａとアームシリンダ３ｂの動きを止めてフロント装置１Ａを停止させるので、その後、オペレータが操作レバーを更に操作しパイロットライン４４ａ，４５ｂに操作パイロット圧を立たせても、図１３に示すようなサージ圧が立つことがなく、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂが不用意に動いてフロント装置１Ａが進入禁止領域へ進入しまうことがなくなる。また、サージ圧によるショックの発生でオペレータに不快感を与えることもない。
【００６３】
また、上記のようにバルブ指令信号低減処理演算部９ｉでｉBUC＝ｉ0′，ｉAUC＝ｉ0′，ｉADC＝ｉ0′としてフロント装置１Ａを停止させたとき、その停止したところで車体の振動によりフロント装置１Ａが揺れることがある。この場合、その揺れが角度検出器８ａ〜８ｃにより検出され、制御ユニット９のバルブ指令電流値演算部９ｈで、ｉ1以上の指令電流値ｉBU，ｉADが演算されると、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでヒステリシス演算がない場合は、指令電流値ｉBU，ｉADがそのままｉBUC，ｉADCに変換され、比例電磁弁１０ａ，１１ｂは再び開き、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂは再び動き出してしまう。本実施形態では、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでヒステリシス演算を行い、指令電流値ｉBU，ｉADがｉ1より大きいｉ2以上になるまで指令電流値ｉBUC，ｉADCはｉ0′に保たれるので、フロント装置１Ａが揺れてその揺れが角度検出器８ａ〜８ｃにより検出されても、比例電磁弁１０ａ，１１ｂが開きブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂが再び動き出すことはなく、フロント装置１Ａを確実に停止させたままにすることができる。
【００６４】
以上のように本実施形態によれば、フロント装置１Ａが進入禁止領域に近づくと徐々にシリンダの動作速度が減じられ、進入禁止領域直前でシリンダの動作速度がゼロになるので、フロント装置１Ａが進入禁止領域に進入することがない。また、進入禁止領域直前の所定の範囲でバルブ指令電流値ｉBUC，ｉADCをシリンダが動作しない電流値ｉ0より小さな低電流値ｉ0'に落とすので、進入禁止領域直前の所定の範囲でフロント装置１Ａを停止させた後、操作レバーを大きく動かしてもパイロットサージ圧の発生を押さえることができ、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの不用意な動作を防止することができる。このため、フロント装置が飛び出して進入禁止領域に進入したり、ショックを発生してオペレータに不快感を与えることが防止できる。
【００６５】
また、進入禁止領域直前の信号低減処理でヒステリシス演算を行うので、指令電流値ｉBUC，ｉADCを低電流値ｉ0´に落としてフロント装置１Ａを進入禁止領域直前に停止させた状態でフロント装置１Ａが揺れても、フロント装置１Ａを確実に停止したままにしておくことができる。
【００６６】
なお、本発明の作業範囲制限制御装置は上述の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。また、侵入禁止領域を上方に設定した場合について説明したが、下方、前方に設定した場合についても同様である。
【００６７】
また、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでは、ヒステリシスの伴う信号低減処理をしたが、指令電流値ｉBUがｉ1になる位置から侵入禁止領域までの所定の範囲の距離を長く設定する場合等、状況によってヒステリシス演算は省略できる。更に、指令電流値ｉBUがｉ1以下になると指令電流値ｉBUCを低電流値ｉ0'にスッテプ状に低減したが、スッテプ状でなくある程度の傾きをもって低減しても良い。また、比例電磁弁を確実に振るクローズさせるため、指令電流値ｉBUCをｉ0以下のｉ0'まで低減させたが、ｉ0に低減しても良い。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、予め設定した進入禁止領域の直前でフロント装置を停止させたときに、その後のレバー操作によってアクチュエータが不用意に動いてフロント装置が進入禁止領域に進入したり、ショックを発生してオペレータに不快感を与えることを防止できる。
【００６９】
また、本発明によれば、進入禁止領域直前の停止位置でフロント装置が揺れても、フロント装置を確実に停止したままにしておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による建設機械の作業範囲制限制御装置を油圧駆動装置と共に示す図である。
【図２】本発明が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】油圧パイロット方式の操作レバー装置の構成を示す図である。
【図４】比例電磁弁の構造を示す図である。
【図５】本実施形態の制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施形態の作業範囲制限制御で用いる座標系と進入禁止領域の設定方法及び減速領域を示す図である。
【図７】減速制御演算におけるモニターポイントと侵入禁止領域との距離に対する減速指令信号の関係を示す図である。
【図８】最大パイロット圧演算部におけるパイロット圧とシリンダ速度の関係を示す図である。
【図９】バルブ指令電流値演算部におけるパイロット圧と比例電磁弁に出力する電流値との関係を示す図である。
【図１０】バルブ指令信号低減処理演算部におけるヒステリシス演算の伴う信号低減処理の入出力の電流値の関係を示す図である。
【図１１】制御ユニットの処理内容を示すフローチャートである。
【図１２】進入禁止領域直前での指令電流値とシリンダ速度との関係を示す図である。
【図１３】比例電磁弁の応答遅れによって生じるサージ圧を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
２ 油圧ポンプ
３ａ ブームシリンダ
３ｂ アームシリンダ
４ａ〜４ｆ 操作レバー装置
５ａ〜５ｆ 流量制御弁
７ 設定器
８ａ〜８ｃ 角度検出器
９ 制御ユニット
９ａ 侵入禁止領域演算部
９ｂ フロント姿勢演算部
９ｃ 制限値記憶メモリ
９ｄ モニターポイント選択演算部
９ｅ 減速制御演算部
９ｆ 最大シリンダ速度演算部
９ｇ 最大パイロット圧演算部
９ｈ バルブ指令演算部
９ｉ バルブ指令信号低減処理演算部
９ｊ 電流出力部
１０ａ〜１１ｂ 比例電磁弁（電気式減圧弁）
５０ａ〜５５ｂ 油圧駆動部
【産業上の利用分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の作業範囲制限制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルでは、上部旋回体のフロント部にブームを取り付け、そのブーム先端部に順次アーム、バケットを連結して作業用のフロント装置を構成している。そして上記作フロント装置の屈折作業運動を操作することにより、掘削積込作業などを行っている。
【０００３】
このような油圧ショベルで作業を行うとき、作業現場によっては上方や下方に障害物があるう場合がある。例えば屋外の作業では電線、屋内の作業では天井などが上方の障害物となる。また、ガス管や水道管等が地中にある場合の掘削作業では、これらが下方の障害物となる。オペレータは作業中これらの障害物にバケット爪先などの部分を接触させたり、引っかけたりしないように細心の注意を払う必要がある。
【０００４】
このような問題に対して、特開平３−２０８９２３号公報や特公平６−１９１６５号公報に記載されているような発明がなされている。特開平３−２０８９２３号公報に記載されている発明は、上方に予めフロント装置の侵入禁止領域を設定し、侵入禁止領域の下方にアクチュエータの減速領域を設定し、フロント装置の各先端位置のうち最大高さにある部分がこの減速領域に侵入すると油圧ポンプの吐出量を減らしてアクチュエータの作動速度を落とし、更に侵入禁止領域まで達するとパイロット操作装置の元圧を断ち、アクチュエータの動作を止めてしまうことにより、作業機の一部が上方の障害物に接触することを防ぐようにしたものである。
【０００５】
また、特公平６−１９１６５号公報に記載されている発明は、パイロット操作装置とこのパイロット操作装置から出力された操作パイロット圧により操作される流量制御弁との間に当該操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を設け、ブームが設定高さまで上昇すると電気式減圧弁を減圧操作する電気信号を出力して操作パイロット圧を減圧し、ブームの上昇を停止させるようにしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特公平６−１９１６５号公報では、上記のように電気式減圧弁を用いて操作パイロット圧を減圧し、ブームが設定高さまで上昇するとブームの上昇を停止させるようにしている。また、この特公平６−１９１６５号公報に記載の電気式減圧弁を特開平３−２０８９２３号公報の発明に用いれば、ブームと設定高さ（侵入禁止領域）との距離に応じて当該電気式減圧弁に与えられる電気信号を調整することにより、ブームが設定高さに近づくと電気式減圧弁による減圧の程度を増してアクチュエータの作動速度を落とし、ブームの動作速度を減速することもできる。しかし、このように電気式減圧弁を用いて減速制御をするときには次のような問題がある。
【０００７】
パイロット操作装置と流量制御弁との間に電気式減圧弁を配置する場合は、パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧を不用意に減圧して、オペレータの意志にそぐわないアクチュエータの速度低下を起こさないようにしなければならない。このため、電気式減圧弁は、必要がない限りパイロット操作装置の油圧源であるパイロットポンプの油圧（パイロットポンプ元圧）程度の油圧を常に流量制御弁に供給できるようするために、通常は電気信号の電流値として最大電流が流れ、弁を全開にしている。そして、例えばブームが設定した高さ又は深さに近づくと漸次電気信号の電流値を落とし、減圧弁を閉じてゆき、徐々にアクチュエータの速度を落として最後は滑らかに停止させる。
【０００８】
ところが、上記のように減速制御する過程において、侵入禁止領域の直前ではブームの動作速度が相当遅くなるので、アクチュエータが当該減速制御での停止処理で完全に停止する電流値まで落ちる前にオペレータは操作レバーを中立位置に戻してパイロット操作装置から出力される操作パイロット圧をゼロにし、アクチュエータを停止させることがある。このような停止状態では、減速制御の電気信号の電流値がアクチュエータを完全に停止させる電流値まで落ちていないので、電気式減圧弁はわずかに開いた、例えば数Ｋｇ／ｃｍ2程度の油圧を出力できる状態にある。この状態での電気式減圧弁が出力できる油圧をＰｓとする。この状態で再びオペレータがブームを更に侵入禁止領域に近づける方向に動かすため操作レバーの操作で操作パイロット圧を立たせると、油圧の応答遅れにより電気式減圧弁は瞬時には操作パイロット圧をＰｓに減圧できず、電気式減圧弁の開き状態に応じてわずかの時間だけサージ圧が立ってしまい、流量制御弁がこのサージ圧に応じて瞬間的に動いてしまい、アクチュエータがわずかに動いてしまう。このため、オペレータにとってはブームが停止したはずなのに、その後のレバー操作によってアクチュエータが不用意に動いて、サージ圧の大きさによってはフロント装置が飛び出し侵入禁止領域に侵入してしまうので、操作に細心の注意を払わねばならない。また、サージ圧によってブームが動く際、多少のショックが伴うので、オペレータに不快感を与えることになる。
【０００９】
本発明の目的は、予め設定した進入禁止領域の直前でフロント装置を停止させたときに、その後のレバー操作によってアクチュエータが不用意に動いてフロント装置が進入禁止領域に進入したり、ショックを発生したりすることのない建設機械の作業範囲制限制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を採用する。すなわち、上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する操作装置から出力される操作パイロット圧により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記操作装置とこれに対応する少なくとも１つの流量制御弁との間に設けられ、前記操作装置から出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁とを備え、前記フロント装置に関して予め設定したモニターポイントと予め設定した侵入禁止領域との距離に応じて指令電流値を計算し前記電気式減圧弁に出力して、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくと前記フロント装置を減速させ、前記侵入禁止領域に到達すると前記フロント装置を停止させる制御を行う建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記モニターポイントが侵入禁止領域に近づいた際に前記フロント装置を停止させる所定の範囲を前記侵入禁止領域近傍に設け、前記モニターポイントが前記所定の範囲に入ったときに前記電気式減圧弁に前記フロント装置を完全に停止させる低電流値を出力する信号低減処理手段を備えた構成とする。
【００１１】
以上のように構成した本発明では、モニターポイントが侵入禁止領域に近づき、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなると、当該距離が小さくなるに従って小さくなる指令電流値を計算し電気式減圧弁に出力するが、モニターポイントが侵入禁止領域直前の所定の範囲に入ると、信号低減処理手段はフロント装置を完全に停止させる低電流値を電気式減圧弁に出力する。これにより、モニターポイントが侵入禁止領域直前の所定の範囲まで近づくと、電気式減圧弁に出力される指令電流値はフロント装置を完全に停止させる低電流値になり、電気式減圧弁は閉じられ、フロント装置は停止する。また、電気式減圧弁は閉じられるので、その後、操作レバーを動かしてもパイロットサージ圧の発生を押さえることができ、油圧アクチュエータの不用意な動作を防止することができ、このため、フロント装置が飛び出して進入禁止領域に進入したり、ショックを発生することがなくなる。
【００１２】
好ましくは、前記信号低減処理手段は、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくときより前記侵入禁止領域から遠ざかるときの方が前記所定の範囲の距離を長くするヒステリシス演算を行う。
【００１３】
このように信号低減処理手段でヒステリシス演算を行わせることにより、上記のように指令電流値を低電流値に落として進入禁止領域直前に停止させたとき、この位置でフロント装置１Ａが揺れてもフロント装置１Ａを確実に停止したままにしておくことができる。
【００１４】
また、好ましくは、前記信号低減処理手段は、前記モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなるに従って指令電流値を小さくするように計算する減速演算手段で計算された指令電流値をスッテプ状に前記低電流値に落とす。これにより、フロント装置を確実に停止させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を図１〜図 により説明する。なお、本実施形態は上方の範囲制限制御を行う場合についてのものである。
【００１６】
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バッケトシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ間に接続され、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号によって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００１７】
また、油圧ショベルは、図２に示すように、垂直方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅはそれぞれブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ、３ｆによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。
【００１８】
操作レバー装置４ａ〜４ｆは操作信号としてパイロット圧を出力し、対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動する油圧パイロット方式の操作装置（パイロット操作装置）であり、それぞれ、図３に示すように、オペレータにより操作される操作レバー４０と、操作レバー４０の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する一対の減圧弁４１，４２とにより構成され、減圧弁４１，４２の一次ポート側はパイロットポンプ４３に接続され、二次ポート側はパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂに接続されている。
【００１９】
例えばブーム用のパイロット操作装置４ａは、操作レバー４０が図３のＡ方向に操作されると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４１により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ａに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の右方に動かされる。これにより、主ポンプである油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのボトム側に供給され、ブームシリンダ３ａは伸長するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは上方に動かされる。操作レバー４０を図３のＢ方向に操作すると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４２により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ｂに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ｂに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の左方に動かされ、油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのロッド側に供給され、ブームシリンダ３ａは収縮するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは下方に動かされる。操作レバー４０を中央位置に戻すと、減圧弁４１，４２はパイロットライン４４ａ，４４ｂをタンクにつなげ、流量制御弁５ａへのパイロット圧の付与は解除され、流量制御弁５ａは復元スプリングにより中立位置に戻され、ブーム１ａの動きは停止する。アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ｂ，４ｃについても同様である。このようなブーム用、アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ａ〜４ｃの操作を単独又は適当に組み合わせて行うことにより、フロント装置１Ａを所望の態様で屈折動作させ、掘削積込作業などを行うことができる。なお、本願明細書中では、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力されたパイロット圧のことを特に「操作パイロット圧」と呼ぶ。
【００２０】
以上のような油圧ショベルに本実施例による作業範囲制限制御装置が設けられている。この作業範囲制限制御装置は、予め作業に応じてフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）を指示するための設定器７と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと、設定器７の設定信号、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃの検出信号を入力し、フロント部材が侵入してはならない侵入禁止領域を設定すると共に、その侵入禁止領域に応じて作業範囲を制限制御するための電気信号を出力する制御ユニット９と、パイロットライン４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂにそれぞれ設置され、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧をパイロット一次圧としてこれを前記制御ユニット９から出力されたそれぞれの電気信号に応じて減圧して出力する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂとで構成されている。
【００２１】
比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは電気式減圧弁であり、図４に示すような構造を有している。図中、１５０は入力ポート、１５１は出力ポート、１５２はタンクポート、１５３はスプール、１５４は内部通路、１５５は圧力室、１５６はソレノイドであり、入力ポート１５０にパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧がパイロット一次圧として導かれ、出力ポート１５２からのパイロット二次圧（出力圧）が流量制御弁５ａ，５ｂの油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂに与えられ、ソレノイド１５６に制御ユニット９からの電気信号が与えられる。
【００２２】
ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロの時は、ソレノイド１５６には電磁力は発生せず、内部通路１５４を介して圧力室１５５に伝えられるパイロット一次圧による付勢力Ｆｐによりスプール１５４は図示右方に移動し、出力ポート１５１をタンクポート１５２に連通し、パイロット二次圧をタンク圧にする（フルクローズ）。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロでないときは、その電流値に応じた軸方向の力Ｆｓが発生し、スプール１５３を図示左方に動かし、圧力室１５５により与えられる付勢力Ｆｐとつりあった位置でスプール１５３は止まる。このとき、出力ポート１５１とタンクポート１５２の連通は遮断され、出力ポート１５１は入力ポート１５０と絞りを介して連通し、出力ポート１５１にはその絞りに応じて減圧された圧力が発生し、これがパイロット二次圧として出力される。また、圧力室１５５にはその出力ポート１５１の減圧された圧力（パイロット二次圧）が内部通路１５４を介して導かれ、付勢力Ｆｐはパイロット二次圧に応じた値となっている。そして、ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が増加し、軸方向の力Ｆｓが大きくなると、それに応じてスプール１５３は図示左方に動かされ、スプール１５３の絞りは弱くなって減圧の程度は小さくなり、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は増加する。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が最大になると、スプール１５３は絞りが全く働かない位置まで動かされ（フルオープン）、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は入力ポート１５０の圧力（パイロット一次圧）と同じになる。
【００２３】
設定器７は、操作パネルあるいはグッリプ上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット９に出力し侵入禁止領域の設定を指示するもので、操作パネル上には表示装置等、他の補助手段があってもよい。また、ＩＣカードによる方法、バーコードによる方法、レーザによる方法、無線通信による方法等、他の方法を用いてもよい。
【００２４】
制御ユニット９は図５に示すような制御機能を有している。すなわち、制御ユニット９は、侵入禁止領域演算部９ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、制限値記憶メモリ９ｃ、モニターポイント選択演算部９ｄ、減速制御演算部９ｅ、最大シリンダ速度演算部９ｆ、最大パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令電流値演算部９ｈ、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉ、電流出力部９ｊの各機能を有している。
【００２５】
侵入禁止領域演算部９ａでは、設定器７からの指示でフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）の設定演算を行う。その一例を図６を用いて説明する。
【００２６】
図６において、オペレータの操作でアーム１ｂの後端を制限したい高さ上の点Ｐｃまでもってゆき、設定器７からの指示でそのときのアーム１ｂの後端の位置を計算し、その位置を侵入禁止領域の境界の設定値とする。ここで、点Ｐｃの位置はフロント姿勢演算部９ｂにて計算される。
【００２７】
フロント姿勢演算部９ｂでは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム、アーム、バケットの回動角と、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶した図６に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５等のデータとを用いてフロント装置１Ａの位置と姿勢を計算する。このとき、位置と姿勢は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＺ座標系の座標値として求める。ＸＺ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直交座標系である。
【００２８】
ここで、侵入禁止領域演算部９ａでの設定演算を行うとき、フロント姿勢演算部９ｂは、点Ｐｃの位置をＸＺ座標系のＺ座標値として計算し、その値を侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）とする。侵入禁止領域演算部９ａで計算されたこの侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）は制限値記憶メモリ９ｃに記憶しておく。
【００２９】
また、フロント装置１Ａには予め所定箇所に複数のモニターポイントＭ１，Ｍ２が設定されており、フロント姿勢演算部９ｂでは、制限制御による作業中に各モニターポイントＭ１，Ｍ２の位置を計算している。本実施形態では、モニターポイントＭ１はアーム１ｂの後端であり、モニターポイントＭ２はバケット１ｃの回動中心（バケットピン）を中心にした半径Ｌ３（バケットピンからバケット先端までの距離）の円の最高点である。このときも、各モニターポイントの位置はＸＺ座標系の値として求め、各モニターポイントの高さはＸＺ座標系のＺ座標値として計算される。
【００３０】
ここで、フロント姿勢演算部９ｂで計算されるアーム１ｂの後端の位置すなわちモニターポイントＭ１の位置（Ｍ1x，Ｍ1z）や、モニターポイントＭ２の位置（Ｍ2x，Ｍ2z）は、回動角α，β，γから記憶装置に記憶した図６に示される各部寸法を用いて下記の式により求まる。
【００３１】
Ｍ1x＝Ｌ1ｃｏｓα−Ｌ4ｃｏｓ（α＋β）＋Ｌ5ｓｉｎ（α＋β）
Ｍ1z＝−Ｌ1ｓｉｎα＋Ｌ2ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ5ｃｏｓ（α＋β）
Ｍ2x＝Ｌ1ｃｏｓα＋Ｌ2ｃｏｓ（α＋β）
Ｍ2z＝−Ｌ1ｓｉｎα−Ｌ2ｓｉｎ（α＋β）＋Ｌ3
モニターポイント選択部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＭ１，Ｍ２のＺ座標値Ｍ1z，Ｍ2zと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとから、モニターポイントＭ1，Ｍ2と侵入禁止領域の境界との間の距離Ｌ1M，Ｌ2Mを計算し、距離Ｌ1M，Ｌ2Mを比較し、侵入禁止領域に近い方のモニターポイント、すなわちＬ1M＜Ｌ2MであればＭ1を、Ｌ1M＞Ｌ2MであればＭ2を選択し、選択モニターポイントＭsとする。なお、Ｌ1M＝Ｌ2Mの場合はどちらを選択モニターポイントとしてもよいが、ここではＭ1を選択モニターポイントとする。
【００３２】
減速制御演算部９ｅでは、モニターポイント選択部９ｄで選択されたモニターポイントＭsのＺ座標値Ｍszと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚと、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておいた減速領域の範囲を示す距離（以下、減速距離という）ＬU及び減速関数（後述）とから、ブームシリンダ３ａの伸び方向と縮み方向、アームシリンダ３ｂの伸び方向と縮み方向に対する減速指令信号ＫBU，ＫBD，ＫAU，ＫADを演算する。この演算内容を以下に説明する。
【００３３】
まず、選択モニターポイントＭｓと侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算する。図６ではモニターポイントＭ1が最も高い位置にあるとして距離ＬMが計算されている。次いで、この距離ＬMと減速距離ＬUとを比較し、ＬM＞ＬUであれば選択モニターポイントＭsがまだ減速領域に入っていないので、減速指令信号ＫBU，ＫBD，ＫAU，ＫADは全て１にする。ＬM≦ＬUであれば選択モニターポイントＭsが減速領域に入っていると判断し、下記の減速関数から減速指令信号ＫBU，ＫBD，ＫAU，ＫADを演算する。
【００３４】
ＫBU＝ＬM／ＬU
ＫBD＝１
ＫAU＝ＬM／ＬU
ＫAD＝ＬM／ＬU
上記の減速関数を図７に示す。この図から分かるように、ブームシリンダ３ａの伸び方向に対する減速指令信号ＫBUの減速関数、アームシリンダ３ｂの伸び方向及び縮み方向に対する減速指令信号ＫAU，ＫADの減速関数は、減速距離ＬU以下で距離ＬMが小さくなるにしたがって減速指令信号が１から０まで直線的に小さくなるように設定されている。
【００３５】
最大シリンダ速度演算部９ｆでは、予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいたブームシリンダ３ａの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶBUmax，ＶBDmaxとアームシリンダ３ｂの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶAUmax，ＶADmaxと、上記で計算した減速指令信号ＫBU，ＫBD及びＫAU，ＫADよりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxcとアームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶAUmaxc，ＶADmaxcを演算する。この演算式を以下に示す。
【００３６】
ＶBUmaxc＝ＫBU×ＶBUmax
ＶBDmaxc＝ＫBD×ＶBDmax
ＶAUmaxc＝ＫAU×ＶAUmax
ＶADmaxc＝ＫAD×ＶADmax
最大パイロット圧演算部９ｇでは最大シリンダ速度演算部９ｆで演算した減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxc，ＶAUmaxc，ＶADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図８の（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すようなパイロット圧とシリンダ速度のテーブルよりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxcと、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大パイッロト圧ＰAUmaxc，ＰADmaxcを演算する。
【００３７】
バルブ指令電流値演算部９ｈでは最大パイロット圧演算部９ｇで演算したＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図９に示すようなパイロット圧と電流値のテーブルより、ブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の速度を規定する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADを演算する。
【００３８】
バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでは、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADに対して図１０に示すようなテーブルを用いてヒステリシス演算を伴う信号低減処理を行う。ここで、ヒステリシスを伴う信号低減処理について説明する。
【００３９】
図１０において、横軸は指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADであり、縦軸は指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADを信号低減処理した後の指令電流値ｉBUC，ｉBDC，ｉAUC，ｉADCである。また、ｉ0は選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域に達した際の減速指令信号ＫBU＝０，ＫBD＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０のときの指令電流値である。以下の説明はブームシリンダ伸び方向（ｉBU）の信号低減処理について説明する。
【００４０】
まず、各モニターポイントのうちの最も侵入禁止領域に近いもの、すなわち選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域から遠く離れているときは、信号低減処理を行う際の電流値の履歴を表すフラグｆｌｇをｆｌｇ＝０とし、指令電流値ｉBUCをバルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUと同じ値にする（ｉBUC＝ｉBU）。次に、選択モニターポイントＭsが漸次侵入禁止領域に接近してきて、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUが選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域に達した際の指令電流値ｉ0より大きいｉ1以下になったならば、ｆｌｇ＝１として指令電流値ｉBUCをｉ0より小さい低電流値ｉ0′にする（ｉBUC＝ｉ0′）。逆に、各モニターポイントのうち最も侵入禁止領域に近いある選択モニターポイントＭsが漸次侵入禁止領域から遠ざかり、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUが徐々に大きくなり、ｉBUが上記電流値ｉ1より大きいｉ2になったらｆｌｇ＝０とし、ｉBUC＝ｉ2とし、それまでは、ｆｌｇ＝１でｉBUC＝ｉ0′とする。
【００４１】
すなわち、ｉBUがｉ1より小さければｆｌｇ＝１でｉBUC＝ｉ0′とし、ｉBUがｉ2より大きければｆｌｇ＝０でｉBUC＝ｉBUとなる。ｉBUがｉ1とｉ2の間であるならば、ｆｌｇに応じてｉ0′かｉBUのいずれかを選択することになる（ｆｌｇ＝０であればｉBUC＝ｉBU、ｆｌｇ＝１であればｉBUC＝ｉ0′）。
【００４２】
このようにして選択モニターポイントＭsが、指令電流値ｉBUがｉ1以下となる侵入禁止領域直前の所定の範囲にあるときは、指令電流値ｉBUCをｉ0より小さい低電流値ｉ0'にする信号低減処理が行われる。また、指令電流値ｉBUがｉ1になるときよりｉ2になるときの方が選択モニターポイントＭsは侵入禁止領域から遠くに位置しており、選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域に近づくときより侵入禁止領域から遠ざかるときの方が指令電流値ｉBUCを低電流値ｉ0'にする所定の範囲の距離が長いヒステリシス演算が行われる。
【００４３】
アームシリンダ伸び方向（ｉAU）及び縮み方向（ｉAD）のヒステリシス低電流変換演算についても同様である。ブームシリンダの縮み方向については、ｉBDCをバルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBUと常に同じ値にする（ｉBDC＝ｉBD）。
【００４４】
電流出力部９ｊでは、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉで計算されたｉBUC，ｉBDC，ｉAUC，ｉADCを図示せぬ増幅器で増幅し、電気信号として比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに出力する。
【００４５】
ここで、減速制御演算部９ｅで計算される減速指令信号がＫBU＝１，ＫBD＝１，ＫAU＝１，ＫAD＝１のときに最大パイロット圧演算部９ｇで演算される減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcは操作パイロット圧の最大圧力（パイロットポンプ元圧）に設定されており、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcをパイロット圧の最大圧力にするときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンにする電流値である。また、ＫBU＝０，ＫBD＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０のときは減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcを０にすることであり、このときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルクローズにする電流値（シリンダ３ａ，３ｂが動作しない電流値）である。また低電流値ｉ0′はＫBU＝０，ＫBD＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０のときのｉOより小さいのであるから、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂを確実にフルクローズにし（シリンダ３ａ，３ｂの動作を止め）、シリンダを確実に停止させフロント装置１Ａを完全に停止させる電流値である。一例として、低電流値ｉ0′は０ミリアンペアである。
【００４６】
以上の制御の流れを図１１にフローチャートとして示す。
【００４７】
図１１において、手順４００，４１０はフロント姿勢演算部９ｂに相当し、手順２００，５００，５１０はモニターポイント選択演算部９ｄに相当し、手順６００〜６３０は減速制御演算部９ｅに相当し、手順７００は最大シリンダ速度演算部９ｆに相当し、手順８００〜８２０は最大パイロット圧演算部９ｇに相当し、手順９００はバルブ指令電流値演算部９ｈに相当し、手順１０００はバルブ指令信号低減処理演算部９ｉに相当し、手順１１００は電流出力部９ｊに相当する。なお、手順３００は安全のための初期設定である。
【００４８】
また、以上において、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ又は１１ａ，１１ｂはパイロット操作装置４ａ，４ｂとこれに対応する流量制御弁５ａ又は５ｂとの間に設けられ、パイロット操作装置４ａ又は４ｂから出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を構成し、制御ユニット９のフロント姿勢演算部９ｂ、制限値記憶メモリ９ｃ、モニターポイント選択演算部９ｄ、減速制御演算部９ｅ、最大シリンダ速度演算部９ｆ、最大パイロット圧演算部９ｇ、バルブ指令電流値演算部９ｈは、モニターポイントＭsと侵入禁止領域との距離が小さくなるに従って小さくするように指令電流値を計算する減速演算手段を構成し、制御ユニット９のバルブ指令信号低減処理演算部９ｉと電流出力部９ｊは、モニターポイントＭ s が侵入禁止領域に近づいた際にフロント装置を停止させる所定の範囲を前記侵入禁止領域近傍に設け、モニターポイントＭ s が前記所定の範囲に入ったときに電気式減圧弁にフロント装置を完全に停止させる低電流値を出力する信号低減処理手段を構成する。
【００４９】
また信号低減処理手段を構成するバルブ指令信号低減処理演算部９ｉは、モニターポイントＭsが侵入禁止領域に近づくときより侵入禁止領域から遠ざかるときの方が前記所定の範囲の距離を長くするヒステリシス演算を行うものである。
【００５０】
次に、以上のように構成した本実施例の動作を説明する。フロント装置１Ａを上方に動かそうとしてオペレータがブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂの操作レバーをそれぞれブーム上げ方向及びアームダンプ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂに操作パイロット圧が生成され、油圧制御弁５ａ，５ｂが駆動され、フロント部材であるブーム１ａ及びアーム１ｂが動かされる。ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの各関節角は位置検出手段である角度検出器８ａ〜８ｃにより検出され、その検出信号が制御ユニット９のフロント姿勢演算部９ｂに入力される。フロント姿勢演算部９ｂではこの入力信号によりモニターポイントＭ１，Ｍ２の位置を演算し、モニターポイント選択部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＭ１，Ｍ２のＺ座標値Ｍ1z，Ｍ2zと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとから、モニターポイントＭ1，Ｍ2と侵入禁止領域の境界との間の距離Ｌ1M，Ｌ2Mを計算し、侵入禁止領域に近い方のモニターポイントを選択モニターポイントＭsとする。
【００５１】
減速制御演算部９ｅでは、モニターポイント選択部９ｄで選択されたモニターポイントＭsのＺ座標値Ｍszと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとから、選択モニターポイントＭsと侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算し、この距離ＬMと減速距離ＬUとを比較して選択モニターポイントＭｓが減速領域に入っているかどうかを判断する。
【００５２】
このとき、フロント装置１Ａがまだ高く上がっておらず、選択モニターポイントＭsが侵入禁止領域から遠いときは、ＬM＞ＬUであるので、減速制御演算部９ｅでは選択モニターポイントＭsが減速領域に入っていないと判断し、ＫBU＝１，ＫBD＝１，ＫAU＝１，ＫAD＝１の減速指令信号を生成する。
【００５３】
バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでは、電流値の履歴を表すフラグｆｌｇをｆｌｇ＝０とし、ｉBUC＝ｉBU，ｉBDC＝ｉBD，ｉAUC＝ｉAU，ｉADC＝ｉADの演算を行い、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンする。これによりブーム用の油圧制御弁５ａ及びアーム用の油圧制御弁５ｂにはパイロット操作装置４ａ，４ｂで生成された操作パイロット圧がそのまま伝達され、フロント装置１Ａをオペレータの操作通りに動かすことができる。
【００５４】
フロント装置１Ａが侵入禁止領域に近づき選択モニターポイントＭsが減速領域に到達すると、減速制御演算部９ｅではＬM≦ＬUとなるので選択モニターポイントＭsが減速領域に入ったと判断され、距離ＬMに従って図７に示す減速関数から１より小さい減速指令信号ＫBU，ＫAU，ＫADが生成され、この減速指令信号に応じて比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂが絞られ、ブーム及びアームの動作速度が減じられる。
【００５５】
フロント装置１Ａが更に侵入禁止領域に近づき、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉAU，ｉADがｉ1になったならば、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉではｆｌｇ＝１とし、指令電流値ｉBUC，ｉAUC，ｉADCをｉBUC＝ｉ0′，ｉAUC＝ｉ0′，ｉADC＝ｉ0′とし、比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂをフルクローズし、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの動きを止めてフロント装置１Ａを停止させる。
【００５６】
このようにしてフロント装置１Ａを停止させた状態で、オペレータがブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂの操作レバーを更にブーム上げ方向及びアームダンプ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂに操作パイロット圧が再び生成される。しかし、このとき比例電磁弁１０ａ，１１ｂは上記のように演算部９ｉでの信号低減処理によりフルクローズしているので、比例電磁弁１０ａ，１１ｂの出力側にサージ圧が立つことがなく、流量制御弁５ａ，５ｂがこのサージ圧に応じて瞬間的に動きブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂが動いてしまうことがなくなる。
【００５７】
今、このことを図１２及び図１３を用いてさらに説明する。
【００５８】
図１２はフロント装置１Ａが進入禁止領域に近づき、停止するまでのバルブ指令電流値演算部９ｈで演算される指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉAD（ｉで代表）とパイロット操作装置を任意量操作したときの対応するシリンダ速度との関係を示すものである。
【００５９】
フロント装置１Ａが侵入禁止領域に近づき、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉADがｉ1になると、本発明のバルブ指令信号低減処理演算部９ｉによる信号低減処理をしない場合は、指令電流値ｉBU，ｉADに相当する電流がそのまま比例電磁弁１０ａ，１１ｂに与えられ、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂはｖ１の速度で動き、フロント装置１Ａは減速されつつ動いている。
【００６０】
このように減速制御をしているとき、侵入禁止領域の直前ではブームやアームの動作速度が相当遅くなるので、フロント装置１Ａが完全に停止する前にオペレータは操作レバーを中立位置に戻してパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力される操作パイロット圧をゼロにし、フロント装置１Ａを停止させることがある。このような停止状態では、バルブ指令電流値演算部９ｈで演算された指令電流値ｉBU，ｉADはフロント装置１Ａを完全に停止させる電流値ｉ0まで落ちておらず、比例電磁弁１０ａ，１１ｂはわずかに開いた、例えば数Ｋｇ／ｃｍ2程度の油圧を出力できる状態にある。この状態での指令電流値ｉBU，ｉADをｉsとし、比例電磁弁１０ａ，１１ｂが出力できる油圧をＰｓとする。
【００６１】
この状態で再びオペレータがブームを更に侵入禁止領域に近づける方向に動かすべく操作レバーを操作して操作パイロット圧を立たせると、油圧の応答遅れにより比例電磁弁１０ａ，１１ｂは瞬時には操作パイロット圧をＰｓに減圧できず、比例電磁弁１０ａ，１１ｂの開き状態に応じてわずかの時間だけサージ圧が立ってしまう。この様子を図１３に示す。このようにサージ圧が立つと、流量制御弁５ａ，５ｂがこのサージ圧に応じて瞬間的に動いてしまい、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂがわずかに動いてしまう。このため、オペレータにとってはブームやアームが停止したはずなのに、その後のレバー操作によってブームやアームが再び動き、サージ圧の大きさによっては設定した侵入禁止領域よりフロント装置が侵入してしまうので、操作に細心の注意を払わねばならない。また、サージ圧によってブームが動く際、多少のショックが伴うので、オペレータに不快感を与えることになる。
【００６２】
本実施形態では、上記のようにバルブ指令電流値演算部９ｈで演算される指令電流値ｉBU，ｉAU，ｉADがｉ1になる距離までフロント装置１Ａが進入禁止領域に近づくと、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでｉBUC＝ｉ0′，ｉAUC＝ｉ0′，ｉADC＝ｉ0′として比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂを強制的にフルクローズし、ブームシリンダ３ａとアームシリンダ３ｂの動きを止めてフロント装置１Ａを停止させるので、その後、オペレータが操作レバーを更に操作しパイロットライン４４ａ，４５ｂに操作パイロット圧を立たせても、図１３に示すようなサージ圧が立つことがなく、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂが不用意に動いてフロント装置１Ａが進入禁止領域へ進入しまうことがなくなる。また、サージ圧によるショックの発生でオペレータに不快感を与えることもない。
【００６３】
また、上記のようにバルブ指令信号低減処理演算部９ｉでｉBUC＝ｉ0′，ｉAUC＝ｉ0′，ｉADC＝ｉ0′としてフロント装置１Ａを停止させたとき、その停止したところで車体の振動によりフロント装置１Ａが揺れることがある。この場合、その揺れが角度検出器８ａ〜８ｃにより検出され、制御ユニット９のバルブ指令電流値演算部９ｈで、ｉ1以上の指令電流値ｉBU，ｉADが演算されると、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでヒステリシス演算がない場合は、指令電流値ｉBU，ｉADがそのままｉBUC，ｉADCに変換され、比例電磁弁１０ａ，１１ｂは再び開き、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂは再び動き出してしまう。本実施形態では、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでヒステリシス演算を行い、指令電流値ｉBU，ｉADがｉ1より大きいｉ2以上になるまで指令電流値ｉBUC，ｉADCはｉ0′に保たれるので、フロント装置１Ａが揺れてその揺れが角度検出器８ａ〜８ｃにより検出されても、比例電磁弁１０ａ，１１ｂが開きブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂが再び動き出すことはなく、フロント装置１Ａを確実に停止させたままにすることができる。
【００６４】
以上のように本実施形態によれば、フロント装置１Ａが進入禁止領域に近づくと徐々にシリンダの動作速度が減じられ、進入禁止領域直前でシリンダの動作速度がゼロになるので、フロント装置１Ａが進入禁止領域に進入することがない。また、進入禁止領域直前の所定の範囲でバルブ指令電流値ｉBUC，ｉADCをシリンダが動作しない電流値ｉ0より小さな低電流値ｉ0'に落とすので、進入禁止領域直前の所定の範囲でフロント装置１Ａを停止させた後、操作レバーを大きく動かしてもパイロットサージ圧の発生を押さえることができ、ブームシリンダ３ａ及びアームシリンダ３ｂの不用意な動作を防止することができる。このため、フロント装置が飛び出して進入禁止領域に進入したり、ショックを発生してオペレータに不快感を与えることが防止できる。
【００６５】
また、進入禁止領域直前の信号低減処理でヒステリシス演算を行うので、指令電流値ｉBUC，ｉADCを低電流値ｉ0´に落としてフロント装置１Ａを進入禁止領域直前に停止させた状態でフロント装置１Ａが揺れても、フロント装置１Ａを確実に停止したままにしておくことができる。
【００６６】
なお、本発明の作業範囲制限制御装置は上述の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例として、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。また、侵入禁止領域を上方に設定した場合について説明したが、下方、前方に設定した場合についても同様である。
【００６７】
また、バルブ指令信号低減処理演算部９ｉでは、ヒステリシスの伴う信号低減処理をしたが、指令電流値ｉBUがｉ1になる位置から侵入禁止領域までの所定の範囲の距離を長く設定する場合等、状況によってヒステリシス演算は省略できる。更に、指令電流値ｉBUがｉ1以下になると指令電流値ｉBUCを低電流値ｉ0'にスッテプ状に低減したが、スッテプ状でなくある程度の傾きをもって低減しても良い。また、比例電磁弁を確実に振るクローズさせるため、指令電流値ｉBUCをｉ0以下のｉ0'まで低減させたが、ｉ0に低減しても良い。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、予め設定した進入禁止領域の直前でフロント装置を停止させたときに、その後のレバー操作によってアクチュエータが不用意に動いてフロント装置が進入禁止領域に進入したり、ショックを発生してオペレータに不快感を与えることを防止できる。
【００６９】
また、本発明によれば、進入禁止領域直前の停止位置でフロント装置が揺れても、フロント装置を確実に停止したままにしておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による建設機械の作業範囲制限制御装置を油圧駆動装置と共に示す図である。
【図２】本発明が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】油圧パイロット方式の操作レバー装置の構成を示す図である。
【図４】比例電磁弁の構造を示す図である。
【図５】本実施形態の制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施形態の作業範囲制限制御で用いる座標系と進入禁止領域の設定方法及び減速領域を示す図である。
【図７】減速制御演算におけるモニターポイントと侵入禁止領域との距離に対する減速指令信号の関係を示す図である。
【図８】最大パイロット圧演算部におけるパイロット圧とシリンダ速度の関係を示す図である。
【図９】バルブ指令電流値演算部におけるパイロット圧と比例電磁弁に出力する電流値との関係を示す図である。
【図１０】バルブ指令信号低減処理演算部におけるヒステリシス演算の伴う信号低減処理の入出力の電流値の関係を示す図である。
【図１１】制御ユニットの処理内容を示すフローチャートである。
【図１２】進入禁止領域直前での指令電流値とシリンダ速度との関係を示す図である。
【図１３】比例電磁弁の応答遅れによって生じるサージ圧を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
２ 油圧ポンプ
３ａ ブームシリンダ
３ｂ アームシリンダ
４ａ〜４ｆ 操作レバー装置
５ａ〜５ｆ 流量制御弁
７ 設定器
８ａ〜８ｃ 角度検出器
９ 制御ユニット
９ａ 侵入禁止領域演算部
９ｂ フロント姿勢演算部
９ｃ 制限値記憶メモリ
９ｄ モニターポイント選択演算部
９ｅ 減速制御演算部
９ｆ 最大シリンダ速度演算部
９ｇ 最大パイロット圧演算部
９ｈ バルブ指令演算部
９ｉ バルブ指令信号低減処理演算部
９ｊ 電流出力部
１０ａ〜１１ｂ 比例電磁弁（電気式減圧弁）
５０ａ〜５５ｂ 油圧駆動部
Claims (3)
- 上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する操作装置から出力される操作パイロット圧により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記操作装置とこれに対応する少なくとも１つの流量制御弁との間に設けられ、前記操作装置から出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁とを備え、前記フロント装置に関して予め設定したモニターポイントと予め設定した侵入禁止領域との距離に応じて指令電流値を計算し前記電気式減圧弁に出力して、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくと前記フロント装置を減速させ、前記侵入禁止領域に到達すると前記フロント装置を停止させる制御を行う建設機械の作業範囲制限制御装置において、
前記モニターポイントが侵入禁止領域に近づいた際に前記フロント装置を停止させる所定の範囲を前記侵入禁止領域近傍に設け、前記モニターポイントが前記所定の範囲に入ったときに前記電気式減圧弁に前記フロント装置を完全に停止させる低電流値を出力する信号低減処理手段を備えたことを特徴とする建設機械の作業範囲制限制御装置。 - 請求項１記載の建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記信号低減処理手段は、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくときより前記侵入禁止領域から遠ざかるときの方が前記所定の範囲の距離を長くするヒステリシス演算を行うことを特徴とする建設機械の作業範囲制限制御装置。
- 請求項１記載の建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記信号低減処理手段は、前記モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなるに従って指令電流値を小さくするように計算する減速演算手段で計算された指令電流値をスッテプ状に前記低電流値に落とすことを特徴とする建設機械の作業範囲制限制御装置。
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