JP3677296B2 - 建設機械の制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、油圧式掘削機や油圧ショベル等に用いて好適の、建設機械の制御装置に関する。
背景技術
従来より、油圧ショベル等の建設機械の流体圧駆動システムでは、弁開度を油圧または電磁油圧式パイロットバルブを用いてメインコントロールバルブをリモートコントロールして、各アクチュエータ(例えば、油圧ショベルにおいてはブームシリンダやスティックシリンダ等)への作動油流量調整を行なっていた。
しかし、連動操作のように負荷が異なる複数のアクチュエータをオペレータの意のままに同時駆動するためには、操縦レバーの操作と液圧エネルギー供給源であるエンジン駆動式可変容量型液圧ポンプの吐出圧力・吐出流量調整との両方を行なう必要があり、非常に高度の熟練技術を要した。
そこで、最近では、連動操作を比較的容易に行なえるようにした、ロードセンシング型1ポンプシステム、すなわち、パラレルに接続されたクローズドセンタ方式のメインコントロールバルブ(バルブの前後差圧が一定で流量は開度に比例)を採用した液圧駆動システムが考案されている。
ここで、FIG.7を用いて、このようなロードセンシング型1ポンプシステムの代表例について説明すると、FIG.7は、国際公開WO93−16285号(特願平5−510414号)に開示された油圧駆動装置を示す模式的な構成図である。
操作量検出器450A,450Bでは、操作レバー405A,405Bの操作量に応じた電気信号を設定するとともに、この信号を弁流量制御装置411A,411Bに出力する。
一方、可変容量型油圧ポンプ401から流量調整弁440A,440Bを経て複数の油圧アクチュエータ403A,403Bへ供給される作動油流量が流量検出器410A,410Bにより検出されて、この検出情報が、弁流量制御装置411A,411Bにフィードバックされる。
そして、この弁流量制御装置411A,411Bからポンプ傾転制御装置412に出力した制御信号により、可変容量型油圧ポンプ401の容積可変機構401aを作動させるポンプレギュレータ420を制御するとともに、制御装置411A,411Bにより流量調整弁440A,440Bの方向制御及び流量制御を行なうのである。
すなわち、この先行例は、流量サーボ方式のシステムであって、最大負荷圧力の流量制御弁の開度を最大として流量制御弁の圧力損失を最小とする省エネルギ型の油圧源システム(要求流量よりも少ないポンプ流量を吐出する)として構成されている。
また、FIG.8は、国際公開WO93−18308号(特願平5−514375号)に開示された油圧駆動装置を示す模式的な構成図であって、流量制御弁503a,503bを用いて、可変容量型油圧ポンプ501から複数のアクチュエータ502a,502bに対して供給される作動油の方向制御及び流量制御を行なうものである。
なお、流量制御弁503a,503bは、コントローラ510からソレノイド配線511,512,513,514を経て伝達される電流値に応じて変位するスプールをそなえている。
また、油圧ポンプ501にはアンロード弁507が接続されており、前記可変容量型油圧ポンプ501の吐出圧力と、シャトル弁506を介して取り出された最大負荷圧力との差圧が所定値を越えたときに、このアンロード弁507が開弁して、油圧ポンプ501から吐出される作動油がタンクに戻される。なお、アンロード弁507の負荷圧力作用側には差圧設定バネ507aが設けられている。
アンロード弁507の下流には、アンロード弁507から流出した作動油流量に応じた制御圧力を発生させる固定絞り508が接続されており、この固定絞り508で発生した制御圧力は、圧力センサ515により検出される。
また、油圧ポンプ501の制御装置は、ポンプレギュレータ509,コントローラ510,圧力センサ515及び変位センサ516等により構成されており、上記固定絞り508で発生した制御圧力が高くなると油圧ポンプ501の吐出流量を減少させ、低くなると吐出流量を増加させるように構成されている。
さらに、アンロード弁507と並列に、しかも固定絞り508より上流の位置に切換弁(ブリードオフ弁)530が接続されている。そして、操作レバー装置505からの操作信号に応じてコントローラ510から出力される信号により電磁比例減圧弁531が制御され、パイロット油圧源521から切換弁530へのパイロット油圧が制御される。
これにより、操作レバー504の操作量が小さいときには切換弁530の開口面積が大きく、操作レバー504の操作量が大きくなるにしたがって開口面積が小さくなるように前記切換弁530が制御される。
したがって、操作レバー装置505の操作量に応じてアンロード弁507によるロードセンシング制御と切換弁530によるブリードオフ制御が選択的に実行され、両制御の特性を生かした流量制御により複数のアクチュエータ502a,502bが駆動されることになるのである。
さらに、特開平3−255202号公報には、メータイン・メータアウト分離弁と、これらの弁の前後差圧を設定にするための圧力補償弁とを有するロードセンシングシステムを備えた油圧駆動制御装置が示されている。
しかしながら、上述してきたような従来の液圧駆動システムにおけるシステムコンセプトはいずれも省エネルギ化に絞られており、構成要素は従来の油圧機器本体と油圧機器調整システムを個々に集めてシステムを構成している。すなわち、アクチュエータの制御では伝達効率の良いポンプ制御に重点を置き、コントロールバルブ(例えば上述の流量調整弁440A,440Bや流量制御弁503a,503b)では、比較的圧力損失が小さいので、方向切り換え機能に重点を置いている。
したがって、液圧源とバルブ流量調整システムとの間の相互干渉(連動時に他のアクチュエータの負荷変動により圧力が変動するために流量が変化すること)は改善されておらず、操作性(特に微操作性)が不十分である。
また、流量調整システム用メインコントロールバルブは流量調整のみに用いられ、コントロールバルブのみを用いてフィードバックによる圧力制御を行なうことは考えられていない。
しかし、このような液圧駆動システムでは大きな慣性負荷が作用する場合が多く、このような場合、配管特性とこの慣性負荷(負荷や機械の姿勢で変化する)による共振周波数が存在し、系が非常に振動しやすいという問題がある。
また、作業装置(バケット等)が岩石等の硬い物体に激突した場合のような急激な負荷変動や、非常事態発生時の急激な操作に対して、機体に低次から高次の振動が発生がする場合があり、乗り心地が良くなく、作業性の向上が望めない。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、建設機械における操作性の向上、乗り心地の改善及び作業性の向上を図ることを目的とするものである。
発明の開示
このため、本発明の建設機械の制御装置は、建設機械において、オペレータにより操作される操作手段と、原動機で駆動される流体圧ポンプを含む作動流体供給手段と、該作動流体供給手段からの作動流体で駆動される複数のアクチュエータを含む駆動手段と、上記の駆動手段と作動流体供給手段との間に装備されて、該駆動手段を制御するための複数の制御弁を含む弁手段と、該作動流体供給手段からの作動流体供給流量を検出する作動流体供給流量検出手段を含む検出手段と、該操作手段からの操作指令及び該検出手段からの検出結果を受けて、該操作手段で設定された上記の各アクチュエータへの要求流量情報と該作動流体供給手段からの作動流体供給流量情報とを比較し、この比較結果に応じて各アクチュエータへの最適な供給流量を決定するディストリビュータ機能により、該弁手段を制御する弁制御手段を含む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。
このような構成により、ディストリビュータ機能を有する弁制御手段からの操作信号が、供給流量設定指令として複数の制御弁に出力され、流体圧ポンプからの流体圧により各アクチュエータが作動する。弁制御手段は、ディストリビュータ機能により操作手段で設定された各アクチュエータへの要求流量情報と作動流体供給手段からの作動流体供給流量情報とを比較し、この比較結果に応じて各アクチュエータへの最適な供給流量を決定するので、アクチュエータへの要求流量の配分を正確に実現することができる。
また、該要求流量の総和が該作動流体供給流量よりも少ない場合は、該操作手段による上記の各アクチュエータへの要求流量信号をアクチュエータ流量設定信号とする一方、該要求流量の総和が該作動流体供給流量より多い場合は、1より小さい係数を上記の各アクチュエータへの要求流量信号に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号とするディストリビュータを、該弁制御手段に設けるように構成してもよい。
そして、このディストリビュータにより、操作システムからメインコントロールバルブに出力される操作信号が、ポンプの吐出流量に対し、オペレータの要求したアクチュエータ流量配分をアクチュエータの負荷にかかわらず正確に実現でき、操作性の向上、特に連動操作性及び微操作性の向上を図れるとともに、作業性の向上を図れ、オペレータの技量を十分に発揮することができる。
また、該1より小さい係数が、該作動流体供給流量を該要求流量の総和で正規化した情報を有するように構成してもよい。
また、ディストリビュータで設定されるアクチュエータ流量設定信号が、該建設機械のワークモード毎に設定されるように構成してもよい。
この場合は作業の態様に応じて、各アクチュエータへの最適な供給流量が決定され、アクチュエータへの要求流量の配分を正確に実現することができる。これにより、高度の熟練技術を必要とすることなく、複数のアクチュエータをオペレータの意のままに同時駆動することができるようになり、作業の効率が向上する。
また、該検出手段が、該弁手段の動作状態を検出するマニピュレーション検出手段をそなえて構成されるとともに、該弁制御手段が、該マニピュレーション検出手段からの検出結果を受けて、該ディストリビュータ機能を補正する補正手段をそなえるように構成してもよい。
さらに、該マニピュレーション検出手段が、該制御弁のスプール位置を計測してフィードバッグするスプール位置センサと、負荷圧力を計測してフィードバックするロードセンシング用負荷圧力センサと、該アクチュエータに供給される流量を計測してフィードバックする流量センサとをそなえるように構成してもよく、このような構成により、制御弁のスプール位置を精度よく制御することができる。
また、該ロードセンシング用負荷圧力センサの出力部に、バンドパスフィルタをそなえるように構成することで、スプール位置制御におけるオーバシュートを防止することができる。
また、作動流体供給手段の流体圧ポンプの吐出側において該作動流体を蓄えるアキュムレータを設けて構成してもよい。また、該アキュムレータの容量が所定量を超えると該流体圧ポンプの吐出流量を無負荷でバイパスするアンロードバルブを、該作動流体供給手段に設けて構成してもよい。
このような構成により、操作及び負荷の大幅な流量変動や急峻な流量変動に対しても供給圧変動を小さく抑え、各アクチュエータ間の圧力変動に伴う相互干渉をなくし、建設機械構造物の低次の振動または動揺を小さく抑えることができ、操作性の向上やキャブ内オペレータの乗り心地の改善を図ることができる。また、アンロードバルブにより、不必要なポンプ流量がバイパスされ、省燃費を図ることができる。さらに、アキュムレータに蓄圧された流体圧により、ポンプ吐出流量以上の流量を一時的に供給することが可能であり、生産性の向上につながる。
また、該流体圧ポンプの吐出側の作動流体供給路に該アンロードバルブが並列に設けられるとともに、該作動流体供給路の該アンロードバルブの接続部よりも下流側の作動流体供給路部分に該アキュムレータが並列に設けられ、且つ、該作動流体供給路における該アンロードバルブの接続部と該アキュムレータの接続部との間の作動流体供給路部分に、該アキュムレータからの逆流を阻止するチェック弁を介装してもよい。
また、該操作手段に該流体圧ポンプのポンプ吐出圧力を一定に保つための供給圧力設定器を設けてもよい。これにより、種々作業内容に応じてあらかじめプログラムされたポンプ吐出圧力指令信号を与えるいわゆる供給圧力一定運転が可能となり、作業性を向上でき、オペレータの技量を尊重できる作業が可能となる。
また、該流体圧ポンプの吐出側において該作動流体を蓄えるアキュムレータが、該作動流体供給手段に設けられるとともに、該要求流量の総和が該作動流体供給流量よりも少ない場合は、該操作手段による上記の各アクチュエータへの要求流量信号をアクチュエータ流量設定信号とする一方、該要求流量の総和が該作動流体供給流量より多い場合は、1より小さい第1係数を上記の各アクチュエータへの要求流量信号に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号とするとともに、該アキュムレータの蓄圧供給流量と該作動流体供給流量との合計を許容供給流量とし、これを該要求流量の総和で正規化した情報を有する第2係数を上記の各アクチュエータへの要求流量信号に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号とするディストリビュータが、該弁制御手段に設けるように構成することで、上述と同様に、操作性の向上、特に連動操作性及び微操作性の向上を図れるとともに、作業性の向上を図ることができる。
また、該第1係数が、該作動流体供給流量を該要求流量の総和で正規化した情報を有するように構成するとともに、該第1係数および該第2係数のうちの少なくとも一方が、該建設機械のワークモード毎に設定するように構成してもよい。
また、該検出手段が、該作動流体供給手段の動作状態を検出するパワー供給側検出手段をそなえて構成されるとともに、該制御手段が、該パワー供給側検出手段からの検出結果を受けて、該作動流体供給手段を制御するパワー供給側制御手段をそなえるように構成してもよい。
さらに、該パワー供給側検出手段が、該原動機の回転状態を検出する回転状態センサと、該原動機の出力状態を検出する出力センサと、該作動流体供給手段からの該作動流体圧を検出する作動流体圧センサとをそなえるように構成してもよい。
また、本発明の建設機械の制御装置は、建設機械において、オペレータにより操作される操作手段と、エンジンにより駆動される少なくとも一つの可変容量型液圧ポンプと、該可変容量型液圧ポンプから吐出される圧液によって駆動される複数の液圧アクチュエータと、上記の液圧アクチュエータと可変容量型液圧ポンプとの間に装備されて、該液圧アクチュエータへの流量及び方向を制御する複数のメインコントロールバルブと、上記の可変容量型液圧ポンプとメインコントロールバルブとの間の液路に設けられ圧液を蓄えるアキュムレータと、上記の可変容量型液圧ポンプとメインコントロールバルブとの間の液路に設けられ、該アキュムレータの容量が最大近くになったとき該液圧ポンプの吐出流量を無負荷でバイパスするアンロードバルブと、該操作手段による上記の各アクチュエータへの要求流量の総和が、該可変容量型液圧ポンプの吐出流量よりも少ない場合は、該操作手段による上記の各アクチュエータへの要求流量信号をそのままアクチュエータ流量設定信号とする一方、該要求流量の総和が該ポンプ吐出流量より多い場合は、該ポンプ吐出流量を該要求流量の総和で割った値を上記の各アクチュエータへの要求流量信号に掛けてアクチュエータ流量設定信号として出力する第1演算手段、及び、該アキュムレータの蓄圧供給流量と該ポンプ吐出流量との合計を許容供給流量とし、これを該要求流量の総和で割った値を上記の各アクチュエータへの要求流量信号に掛けてアクチュエータ流量設定信号として出力する第2演算手段をそなえたディストリビュータと、該操作手段に設けられて、ポンプ吐出圧力を一定に保つための供給圧力設定器と、該ディストリビュータからのアクチュエータ流量設定信号を受けて該メインコントロールバルブに操作信号を供給するバルブコントローラと、該ハルブコントローラに対しそれぞれ設け、該メインコントロールバルブのスプール位置を計測してフィードバックするスプール位置センサ、負荷圧力を計測してフィードバックするバンドパスフィルタ付きのロードセンシング用負荷圧力センサ、及び該アクチュエータに供給される流量を計測してフィードバックする流量センサからなるマニュピュレーション側センサ群と、エンジン回転数を計測するエンジン回転数センサ、エンジン燃料ポンプのラック開度を計測するラック開度センサ、ポンプ傾転角を計測する傾転角センサ、ポンプ吐出圧力を計測する吐出圧力センサ、システム供給圧力を計測する供給圧力センサ、及び該アキュムレータの容量を計測するアキュムレータ容量センサからなるパワー供給側センサ群と、該供給圧力設定器で設定した圧力と該供給圧力センサからのフィードバック信号との偏差及び該偏差の積分値の和で該可変容量型液圧ポンプの傾転角指令信号を発信する第1指令手段と、該供給圧力設定器の他に該ロードセンシング用負荷圧力センサのうちの最大信号を選択し、この値がある一定時間以上継続した場合、この値に一定の値を加算した値を指令信号とし、該供給圧力センサからのフィードバック信号との偏差及び該偏差の積分値の和により該可変容量型液圧ポンプの傾転角指令信号を発信する第2指令手段と、供給圧力が設定値を基準にある値以上に上昇し、且つ該アキュムレータ容量が最大近傍のとき該アンロードバルブを開いて、該可変容量型ポンプの吐出流量を無負荷でバイパスし、また供給圧力が設定値を基準にある値以下に下降したり、該アキュムレータの容量が最小近傍となったとき該アンロードバルブを閉じる信号を発信する第3指令手段と、該エンシンの出力とポンプ吐出圧力及びエンジン・ポンプの効率特性の関数として該エンジンの出力の範囲内で該可変容量型液圧ポンプの許容傾転角指令信号を発信する第4指令手段と、オペレータの流量要求に比例したポンプ流量を確保するために該可変容量型液圧ポンプの傾転角指令信号を発信する第5指令手段と、発信された指令信号のうち、最も小さな指令信号を選択して該可変容量型液圧ポンプの傾転角指令信号とし、その選択された傾転角指令信号と該傾転角センサからのフィードバック信号との偏差によってポンプ傾転角を位置決めするポンプコントローラとをそなえて構成されたことを特徴としている。
そして、このような構成により、システムの応答性,安全性,流量制御精度の向上を図ることができる。このような、メインコントロールバルブの高速化・圧力制御機能の追加によりフロント作業機や機械本体の高次の振動を抑制することができ、連動操作性、微操作性およびキャブ内オペレータの乗り心地を改善できる。
さらには、従来の液圧駆動システムをシステム的見地から総合的に見直して、液圧機器と電子制御機器との機能分担を明確化した液圧電子制御システム化により、操作性の向上、乗り心地の改善及び作業性の向上を図ることができる。
また、本発明の建設機械の制御装置は、建設機械において、オペレータにより操作される操作手段と、原動機で駆動される流体圧ポンプと、該流体圧ポンプからの作動流体で駆動される複数のアクチュエータと、該アクチュエータを制御するための複数の制御弁と、該操作手段で設定された上記の各アクチュエータへの要求流量情報と、該流体圧ポンプからの作動流体供給流量情報とを比較し、この比較結果に応じて、各アクチュエータへの最適な供給流量を決定して、該弁手段を制御する弁制御手段とをそなえて構成されていることを特徴としている。
このような構成により、高度の熟練技術を必要とすることなく、複数のアクチュエータをオペレータの意のままに同時駆動することができるようになり、作業の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
FIG.1は、本発明の第1実施形態としての建設機械の制御装置の要部を示す模式的な油圧回路である。
FIG.2は、本発明の第1実施形態としての建設機械の制御装置の全体構成を示す模式的なブロック図である。
FIG.3は、本発明の第1実施形態としての建設機械の制御装置におけるマニピュレーションシステムの制御システムを示すブロック図である。
FIG.4は、本発明の第1実施形態としての建設機械の制御装置の変形例について示す図であり、ワークモード毎に設定される係数のデータテーブルを示す図である。
FIG.5は、本発明の第1実施形態としての建設機械の制御装置に適用可能な油圧回路の他の例を示す図である。
FIG.6は、本発明の第2実施形態としての建設機械の制御装置の模式的な油圧回路図である。
FIG.7は、従来の建設機械における液圧駆動回路の一例を示す油圧回路図である。
FIG.8は、従来の建設機械における液圧駆動回路の他の例を示す油圧回路図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明をFIG.1〜FIG.6を用いて本発明の実施形態について説明する。
(1)第1実施形態の説明
FIG.1に示すように、本装置には、原動機としてのディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)1と、エンジン1により駆動される流体圧ポンプとしての可変容量型油圧ポンプ(以下、単に油圧ポンプという)2と、この油圧ポンプ2から吐出される高圧作動油によって駆動される複数の油圧アクチュエータ7A,7Bとが設けられている。
また、上記油圧ポンプ2と油圧アクチュエータ7A,7Bとの間には、複数のメインコントロールバルブ(クローズドセンターバルブ)6A,6Bが設けられており、オペレータにより操作される操作システムからの操作指令信号により油圧アクチュエータ7A,7Bへ供給される作動油の方向及び流量が制御されるようになっている。
すなわち、アクチュエータ7A,7Bは、操作手段としての操作レバー30A,30Bの操作状態に応じて作動するようになっている。
また、このメインコントロールバルブ6A,6Bの上流側には、チェックバルブ付き流量センサ106A,106Bが設けられている。
油圧ポンプ2とメインコントロールバルブ6A,6Bとの間の油路には、油圧ポンプ2から吐出された作動油を無負荷で油圧タンク9にバイパスするアンロードバルブ3と、油圧ポンプ2から吐出された作動油を蓄圧するアキュムレータ5とが並列的に接続されている。
ここで、FIG.1に示すように、油圧ポンプ2の吐出側の作動流体供給路(油路)はその下流側で2方向に分岐しており、一方の油路には上記アンロードバルブ3が設けられ、他方の油路には、チェックバルブ4を介してアキュムレータ5が設けられている。なお、このチェックバルブ4は、アキュムレータ5からの作動油を逆流を阻止するためのものである。
また、本装置には、アクチュエータ7A,7Bや油圧ポンプ2やメインコントロールバルブ6A,6B等の作動を制御する制御手段が設けられている。このうち、メインコントロールバルブ6A,6Bの作動は、制御手段に設けられた弁制御手段31により制御されるようになっている。
この弁制御手段31には、操作レバー30A,30Bからの操作指令及び後述する各センサからの検出結果を受けて、操作レバー30A,30Bで設定された各アクチュエータ7A,7Bへの要求流量情報と油圧ポンプ2の作動流体供給流量情報とを比較し、この比較結果に応じて各アクチュエータ7A,7Bへの最適な供給流量を決定するディストリビュータ31aをそなえている。
そして、このディストリビュータ31aでは、各操作レバー30A,30Bの操作状態により、各アクチュエータ7A,7Bへの作動油の要求流量の総和が油圧ポンプ2の吐出流量よりも少ない場合は、操作レバー30A,30Bによるアクチュエータ7A,7Bへの要求流量信号がそのままアクチュエータ流量設定信号として出力され、また、要求流量の総和がポンプ吐出流量より多い場合は、ポンプ吐出流量を要求流量の総和で割った値α(α<1:第1係数)を各アクチュエータ7A,7Bの要求流量に掛け、この結果得られた値を新たに作動油要求量として設定し、この要求流量信号をアクチュエータ流量設定信号として出力するようになっている。
また、このディストリビュータ31aでは、アキュムレータ5の蓄圧供給流量と油圧ポンプ2からの吐出流量との合計を許容供給流量とし、これを要求流量の総和で割った値βを各アクチュエータ7A,7Bへの要求流量に掛け、この結果得られた値を新たに作動油要求量として設定し、この要求流量信号をアクチュエータ流量設定信号として出力するようになっている。
また、本装置には、油圧ポンプ2の吐出圧力を一定に保つための供給圧力設定器20が設けられている。
さらに、メインコントロールバルブ6A,6Bには、スプール位置(即ちバルブ開度)を検出するスプール位置センサ107A,107Bが設けられており、また、メインコントロールバルブ6A,6Bに操作信号を出力するバルブコントローラ(補正手段)32A,32Bに対しては、スプール位置のフィードバック系、バンドパスフィルタ付の負荷圧力フィードバック系、及び流量フィードバック系が設けられている。
すなわち、各アクチュエータ7A,7Bに供給される流量を計測してフィードバックするチェックバルブ付き流量センサ106A,106B(またはアクチュエータ速度センサ、位置センサでもよい)、メインコントロールバルブ6A,6Bのスプール位置(バルブ開度)を計測してフィードバックするスプール位置センサ107A,107B、メインコントロールバルブ出口側の負荷圧力を計測してフィードバックするバンドパスフィルタ200(FIG.3参照)をそなえたロードセンシング用のAポート負荷圧力センサ108A,108B及びBポート負荷圧力センサ109A,109Bからなるマニピュレーション検出手段(又はマニピュレーション側センサ群)が設けられている。
また、エンジン1の燃料ポンプのラック開度を計測するラック開度センサ(出力センサ)100、エンジン1の回転数を計測するエンジン回転数センサ(回転状態センサ)101、油圧ポンプ2の吐出圧力を計測するポンプ吐出圧力センサ(作動流体圧センサ)102、油圧ポンプ2の傾転角を計測するポンプ傾転角センサ103、チェックバルブ4からの供給圧力を計測する供給圧力センサ104、アキュムレータ容量を計測するアキュムレータ容量センサ105からなるパワー供給側検出手段(又はパワー供給側センサ群)が設けられている。
また、本装置の制御手段には、パワー供給側制御手段(ポンプコントローラ)26が設けられており、このポンプコントローラ26には、第1指令手段a、第2指令手段b、第3指令手段c、第4指令手段dおよび第5指令手段eが設けられている。
そして、このポンプコントローラ26では、上述の各指令手段a,b,d,eから発信された信号のうち最も小さな信号を選択して油圧ポンプ2の傾転角指令信号とし、その選択された傾転角指令信号と油圧ポンプ2の傾転角センサ103からのフィードバック信号との偏差によってポンプ傾転角を位置決めする機能を有している。
ここで、上述の各指令手段a〜eについて説明すると、第1指令手段aは、供給圧力設定器20で設定した圧力と供給圧力センサ104からのフィードバック信号との偏差及び偏差の積分値の和により可変容量型油圧ポンプ2の傾転角指令信号Φpを発信する手段であり、PIコントローラとしての機能を有するものである。
第2指令手段bは、供給圧力設定器20の他にメインコントロールバルブ6A,6Bのロードセンシング用のAポート負荷圧力センサ108A,108B及びBポート負荷圧力センサ109A,109Bで検出される負荷情報のうちの最大負荷情報を有する信号P1maxを選択し、この値がある一定時間以上継続した場合に、この値に一定の値P10を加算した値を指令信号とし、供給圧力センサ104からのフィードバック信号との偏差及び偏差の積分値の和により可変容量型油圧ポンプ2の傾転角指令信号Φplsを発信する手段であり、したがって、この第2指令手段bもPIコントローラとしての機能を有している。
第3指令手段cは、供給圧力が設定値よりも大きいある値以上に上昇し、かつアキュムレータ容量が最大近傍のとき、アンロードバルブ3を開いて、油圧ポンプ2の吐出流量を無負荷でバイパスし、また、供給圧力が設定値よりも小さいある値以下に下降したり、アキュムレータ容量が最小近傍となったときはアンロードバルブ3を閉じる信号を発信する手段である。
第4指令手段dは、エンジン1の出力、油圧ポンプ2の吐出圧力及びエンジン・ポンプの効率特性の3つのパラメータの関数としてエンジン1の出力の範囲内で油圧ポンプ2の許容傾転角指令信号Φ11を発信する手段である。
第5指令手段eは、オペレータの流量要求に比例したポンプ流量を確保するために油圧ポンプ2の傾転角指令信号Φfを発信する手段である。
ところで、FIG.2に示すように、本装置はその機能に着目すると、建設機械のオペレータにより操作される操作システムと、油圧を供給するためのパワー供給システムと、油圧を制御するためのマニピュレーションシステムとに大別することができ、以下に、FIG.1,FIG.2を用いてその各々について説明する。
(a)パワー供給システム
パワー供給システムの動力源であるディーゼルエンジン1は、エンジンスロットル10により負荷8A,8Bに相当するエンジン回転数が設定される。すなわち、エンジン回転数コントローラ11では、エンジンスロットル10の開度に応じた指令信号を出力し、エンジン回転数センサ101からのフィードバック信号と、燃料ポンプのラック開度センサ100からのフィードバック信号とにより燃料ポンプのラック開度を位置決めし、エンジン回転数を自動的に設定するようになっている。
また、パワー供給側制御手段(ポンプコントローラ)26は、供給圧力コントローラ21,エンジンロードリミッタ22,ポンプフローコントローラ23,最小信号選択器24及びポンプ傾転角レギュレータ25により構成されている。
そして、このポンプコントローラ26により、油圧ポンプ2はエンジン1と同様に負荷8A,8Bに見合った供給圧力を供給するように制御されるが、供給圧力信号は供給圧力設定器20で設定され、ポンプ2用及びアンロードバルブ5用の供給圧力コントローラ21へ出力される。
すなわち、供給圧力コントローラ21では、供給圧力設定器20で設定された圧力と供給圧力センサ104からのフィードバック信号との偏差及び偏差の積分値の和を用いて(PI制御)油圧ポンプ2の傾転角指令信号Φpを設定する(第1指令手段a)。
また、供給圧力コントローラ21では、ロードセンシング用の負荷圧力センサ108A,108B,109A,109Bのうちの最大信号P1maxを選択し、この値がある一定時間以上継続した場合、この値に一定の値P10を加算した値を設定し、供給圧力設定器20で設定された圧力と供給圧力センサ104からのフィードバック信号との偏差及び偏差の積分値の和を用いて(PI制御)油圧ポンプ2の傾転角指令信号Φplsを設定する(第2指令手段b)。
さらに、供給圧力コントローラ21では、上記油圧ポンプ2の傾転角操作アルゴリズムの他に、供給圧力が設定値よりも大きなある値以上に上昇し、かつアキュムレータ容量が最大値の近傍のとき、アンロードバルブ3を開いて可変容量型ポンプ流量を無負荷でバイパスし、また、供給圧力が設定値よりある値以下に下降したり、アキュムレータ容量が最小値の近傍となった場合、アンロードバルブ3を閉じるアンロードバルブ操作アルゴリズムを持つ(第3指令手段c)。
なお、チェックバルブ4は油圧ポンプ2をアンロードの状態にしたときに、アキュムレータ5から高圧作動油が逆流するのを防止するものである。
エンジンロードリミッタ22は、従来のパワーモードセレクタに替わるもので、ポンプ容量とエンジン回転数センサ101の出力Neとポンプ吐出圧力センサ102の出力Ppとエンジン・ポンプの効率特性との関数として、エンジン出力の範囲内で可変容量型油圧ポンプ2の許容傾転角指令信号Φ11を設定する(第4指令手段d)。
ポンプフローコントローラ23は、従来のポジティブ流量制御と同様のもので、オペレータの流量要求に比例したポンプ流量を確保すべく、油圧ポンプ2の傾転角指令信号Φfを出力するものであり、このポンプコントローラ26では、先行信号(フィードフォワード)の一つとみなすことができる(第5指令手段e)。
そして、最小信号選択器24では、上述の各手段から発信されたポンプ傾転角指令信号Φp,Φpls,Φ11,Φfのうち、ポンプ傾転角を最も小さく設定する信号が選択される。
ポンプ傾転角レギュレータ25は、最小信号選択器24からの出力信号を入力信号とし、ポンプ傾転角センサ103からのフィードバック信号によって油圧ポンプ2の傾転角を位置決めする。
以上のように、本パワー供給システムは、後述するマニピュレーションシステムへの供給圧力を確保するエネルギーストレージの大きな、いわゆるローパスシステム特性を有するパワー供給システムとして構成されるのである。
(b)マニピュレーションシステム
弁制御手段として機能するディストリビュータ31aは、操作レバー(操作手段)30A,30B(ここでは2個のみ図示した)からのアクチュエータ流量要求信号Qra,Qrb,……が入力されると、パワー供給システムの状況に応じて、バルブコントローラ32A,32B,……へアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……を出力するものである。
なお、アクチュエータ流量要求信号Qra,Qrb,……はそれぞれ独立して設定される信号であり、この信号の持つ要求流量の大きさによって、各アクチュエータ7A,7Bへ供給される作動油の優先度が設定されている。
そして、このようなアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……の設定としては、次の2つのケースに対して各手段がある。
▲1▼操作レバー30A,30B……による油圧アクチュエータ7A,7B……への要求流量の総和が、油圧ポンプ2の吐出流量よりも少ない場合は、操作レバー30A,30B……によるアクチュエータ7A,7Bへの要求流量信号がそのままアクチュエータ流量設定信号となる。すなわち、Qsa=Qra,Qsb=Qrb,……となる。
また、要求流量の総和が、ポンプ吐出流量より多い場合は、[ポンプ吐出流量]/[要求流量の総和]=α(α<1:第1係数)を操作レバー30A,30Bにより設定された要求流量に乗算して、この結果算出された値をアクチュエータ流量設定信号としてバルブコントローラ32A,32B,……へ出力する。すなわち、Qsa=αQra,Qsb=αQrb,……となる。
▲2▼アキュムレータ5の容量検出センサ105の出力信号Xaと、ポンプ吐出流量信号Qp=関数F(Ne,Φ,Pp)と、供給圧力センサ104の出力信号Psと、によりパワー供給システムの許容供給流量Qs=関数F(Xa,Qp,Ps)>Qpを求め、これを要求流量の総和で割った値β(β<1:第2係数)を各アクチュエータ7A,7B,……への要求信号に掛けてアクチュエータ流量設定信号とする。すなわち、Qsa=βQra,Qsb=βQrb,……とする。
これにより、オペレータが要求したアクチュエータ流量配分(含むプライオリティ)を正確に実現でき、操作性が著しく向上するとともに、作業性の向上が図られる。
本マニピュレーションシステムの特徴は、従来の建設機械用の油圧駆動システムとは異なり、メインコントロールバルブ6A,6Bを高応答・多機能化することによって、操作・負荷変動に伴う流量・圧力変動の全てを1台のメインコントロールバルブを電子制御することで負荷駆動用油圧アクチュエータ7A,7Bの作動をコントロールするものであり、単機能の油圧制御弁は極力廃止し、単体/システム機能の明確化と精度・信頼性の向上を指向するものである。
また、上述のようなディストリビュータ31aをそなえることで、従来オペレータが自分の経験を頼りに操作・調整してきた、連動操作時の複雑な操作レバー30A,30Bの操作による流量配分や油圧ポンプ2の制御を作業内容によりオペレータの好みに設定することができる。すなわち、作業内容に応じて各アクチュエータ7A,7Bの動作にプライオリティをつけることができるのである。
これにより、前述のパワー供給システムとの協調をとり、オペレータは作業機の負荷状況把握に重点を置きながら、操作レバー30A,30Bを操作するだけで負荷8A,8Bに関係なく、正確な流量制御を自動的に行なうことができるのである。
(c)バルブコントロールシステム
次に、FIG.3を参照しながら、バルブコントロールシステムの作用について、アクチュエータ(油圧シリンダ)7Aに着目して説明する。
まず、ディストリビュータ31aから出力されたアクチュエータ流量設定信号Qsaをバルブコントローラ32Aに入力する。また、チェックバルブ付き流量センサ106Aにより、アクチュエータ7Aへの流量信号Qsaaをフィードバックする。そして、信号Qsaと信号Qsaaとの偏差信号に定数Kpを乗算した信号(P制御信号)と、信号Qsaと信号Qsaaとの偏差信号の積分値に各々定数1/Tを乗算して得られる信号(I制御信号)と、信号Qsaのフィードフォワード信号である信号F(Qsa)とを加算する。
なお、チェックバルブ付き流量センサ106Aの代わりにメインコントロールバルブ6Aの前後差圧(Ps−P11a又はPs−P12a)、メインコントロールバルブ6Aのスプール位置センサ107Aの出力Xca等からメインコントロールバルブ6Aの流量を求めることもできる。
また、前述のごとく、バルブコントロールシステムは大きく変動する質量負荷8A,8Bを駆動するため、多くの共振・反共振点があり、特に周波数の低い揺動現象は乗り心地を悪化させるため、メインコントロールバルブ6AのAポートの負荷圧力センサ108Aからの信号P11a、メインコントロールバルブ6AのBポートの負荷圧力センサ109Aからの信号P12aをバンドパスフィルタ200を通してバルブコントローラ32Aへフィードバックする。すなわち、本方式はダイナミックプレッシャフィードバック方式である。
最後に、メインコントロールバルブ(3段増幅型メインコントロールバルブ)6Aは、メインコントロールバルブ用サーボ弁への入力電流値Xciと比例するスプール位置(スプール開度)の信号Xcaがスプール位置センサ107Aから得られるので、この信号Xcaをバルブコントローラ32Aへフィードバックし、メインコントロールバルブ6Aのスプールを位置決めし、アクチュエータ流量設定信号Qsaに等しい信号Qsaaを自動的に得ることができる。
本システムは、従来の手動による各アクチュエータ7A,7Bへの流量調整に代わる、自動流量制御型のサーボ機構であり、応答性,安全性及び流量精度を向上させることができるのである。
次に、FIG.4を用いて、本発明の第1実施形態の変形例について説明する。この変形例は、上述の第1実施形態と略同様に構成されており、以下、第1実施形態と異なる部分について主に説明すると、この変形例では、ディストリビュータ31aで設定されるアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsbが、建設機械のワークモード(例えば、掘削作業モード,家屋取壊し作業モード等)毎に設定されるように構成されている。
すなわち、上述の第1実施形態の場合、操作レバー30A,30B,……による油圧アクチュエータ7A,7B,……への要求流量の総和が、ポンプ吐出流量より多い場合は、▲1▼第1係数αを[ポンプ吐出流量]/[要求流量の総和]により算出して、この第1係数αを操作レバー30A,30B,……により設定された要求流量に乗算してアクチュエータ流量設定信号をQsa=αQra,Qsb=αQrb,……として設定するか、又は、▲2▼第2係数βを[許容供給流量]/[要求流量の総和]により算出して、第2係数βを操作レバー30A,30B,……により設定された要求流量に乗算して、アクチュエータ流量設定信号をQsa=βQra,Qsb=βQrb,……として設定している。
この場合、各アクチュエータ7A,7Bへの要求流量Qra,Qrb,……に対して乗算を施す係数(第1係数α,第2係数β)は、どのアクチュエータ7A,7Bに対しても同一の値である。即ち、上述▲1▼の場合は、Qra,Qrbのいずれに対しても第1係数αを一様に乗算するものであり、また、▲2▼の場合は、Qra,Qrbのいずれに対しても一様に第2係数βを乗算している。
ところで、これらの要求流量Qra,Qrb,……は、いずれも、レバー30A,30Bの操作状態に応じて設定されるので、設定された要求流量Qra,Qrb,……の大きさによって、すでにアクチュエータ7A,7B,……に動作にプライオリティが付加されているものの、上述の第1係数α,第2係数βをアクチュエータ毎に個々に設定すれば、より各アクチュエータのプライオリティを明確にすることができ、作業性が向上する。つまり、作業の態様(即ち、ワークモード)によっては、レバー30A,30Bの操作状態に応じて設定される要求流量Qra,Qrb,……に対して同一の値の係数α(又はβ)を用いて補正するのではなく、作業の態様に応じて、要求流量Qra,Qrb,……に重み付けを施した係数を用いてアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……を設定すれば、さらに操作性や作業性の向上を図ることができる。
そこで、この変形例では、要求流量Qra,Qrbに対して乗算される係数α(又はβ)に対し、各アクチュエータ毎や作業の態様(すなわち、ワークモード)に応じて、各アクチュエータ毎に個々設定される補正係数kijを乗算するようになっているのである。
ここで、この補正係数kijについて説明すると、補正係数kijは、アクチュエータ(i)と作業モード(j)とにより設定されるものであり、kij=F(i,j)として表すことができる。
すなわち、ディストリビュータ31aには、FIG.4に示すようなデータテーブルが設定されており、このデータテーブルには、アクチュエータ番号iとワークモード番号jとにより設定される補正係数kijがテーブル化されてメモリされている。
ここで、ワークモードは、オペレータにより任意に設定される作業モードであって、例えばj=1は掘削モード,j=2は家屋取壊しモード等のモードが設定されている。そして、オペレータは、運転室内の操作部材を操作することでワークモードの設定や設定の変更を容易に行なうことができるようになっており、各ワークモードに適したプライオリティが各アクチュエータ(i=1,2,……)毎に設定されるようになっている。
一方、iはアクチュエータを示す番号であり、例えば建設機械が油圧ショベルの場合、i=1はブームシリンダ、i=2はスティックシリンダ、i=3はバケットシリンダ、i=4は旋回モータを示すものである。
そして、このような構成により、オペレータがワークモード(j)を設定すると、この設定されたワークモード(j)に対応した係数kijが各アクチュエータ毎に個々に設定されることになる。
例えば、オペレータがワークモードとして掘削モード(j=1)を選択すると、ブームシリンダ(i=1),スティックシリンダ(i=2),……に対して、それぞれ補正係数k11,k21,……が設定される。
したがって、操作レバー30A,30B,……による油圧アクチュエータ7A,7B,……への要求流量の総和が、ポンプ吐出流量より多い場合は、▲1▼[ポンプ吐出流量]/[要求流量の総和]により第1係数αを算出して、この第1係数αと、操作レバー30A,30B,……により設定された要求流量Qra,Qrb,……と、各アクチュエータ毎に設定された補正係数k11,k21,……を乗算することで、アクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……が設定されるのである。すなわち、Qsa=α・k11・Qra,Qsb=α・k12・Qrb,……として設定される。
また、▲2▼[許容供給流量]/[要求流量の総和]により第2係数βを算出する場合も、上述と同様にしてアクチュエータ流量設定信号がQsa=β・k11・Qra,Qsb=β・k12・Qrb,……として設定されるのである。
そして、上述のように、ディストリビュータ31aで設定されるアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsbを、建設機械のワークモード及びアクチュエータ毎に個々に設定される補正係数kijを用いて設定することにより、建設機械の作業モードに適したアクチュエータの流量配分を実現することができ、特に、複数のアクチュエータの連動時にオペレータの意思を反映した動作を実現することができる。
これにより、熟練した技術を必要とすることなく、オペレータの思い通りの動作が可能となり、作業性が大きく向上するのである。
なお、上述の例では、第1係数α及び第2係数βに乗算する補正係数kijは、ともに同じ値に設定されているが、この補正係数kijを第1係数αと第2係数βとで別個に設定にしてもよい。
ところで、上述の第1実施形態及びその変形例では、メインコントロールバルブとして、ともに1つのアクチュエータに対して1つの3方向電磁弁が用いられ、この3方向電磁弁の作動制御により油圧アクチュエータへ供給される作動油の方向及び流量を制御するように構成されているが、本発明はこのような構成のもにに限定されるものではなく、例えばFIG.5に示すように、複数の2方向電磁弁201〜204を用いて、アクチュエータ207への作動油供給とこのアクチュエータ207からの作動油排出とを独立して制御するようにした分離制御型弁手段を設けてもよい。
ここで、FIG.5に示すような分離制御型弁手段は、アクチュエータ207の作動応答性に着目したものであり、独立して設けられた電磁弁201〜204をそれぞれ制御することで、作動油の供給や排出を速やかに且つ精度良く行なうことができるものである。
また、205は速度センサ、207は油圧アクチュエータ、208,209は油圧センサ、210,211はバルブ位置センサ、212,213はチェック弁(逆止弁)である。
そして、この油圧回路では、各センサ205,208〜211からの検出情報に基づいて、図示しない制御手段により各電磁弁201〜204への制御信号が設定され、各電磁弁201〜204の切り換え状態が制御されるようになっている。
なお、2方向電磁弁201〜204は、応答,安定性に優れたスプールタイプの電磁弁が用いられている。電磁弁201〜204としては、液密性の高いポペット弁タイプのものも考えられるが、アクチュエータ207の作動応答性を考慮すると、安定した応答性を有するスプールタイプの電磁弁がより適しているといえる。
(2)第2実施形態の説明
次に、本発明の第2実施形態について説明すると、この第2実施形態は、FIG.6に示すように、主にアキュムレータ5が省略されて構成された以外は、上述の第1実施形態と同様に構成されている。
また、アキュムレータ5に付随して設けられたアンロードバルブ3やチェックバルブ4や供給圧力センサ104やアキュムレータ容量センサ105等も省略されている。ここで、FIG.6において、FIG.1と同じ符号を付したものは、第1実施形態で説明したものと同一、あるいは略同一のものであり、これらについての詳しい説明は省略する。
そして、ディストリビュータ31aでは、各操作レバー30A,30Bの操作状態により、各アクチュエータ7A,7Bへの作動油の要求流量の総和が油圧ポンプ2の吐出流量よりも少ない場合は、操作レバー30A,30Bによるアクチュエータ7A,7Bへの要求流量信号がそのままアクチュエータ流量設定信号として出力され、また、要求流量の総和がポンプ吐出流量より多い場合は、ポンプ吐出流量を要求流量の総和で割った値α(α<1:係数)を各アクチュエータ7A,7Bの要求流量に掛け、この結果得られた値を新たに作動油要求量として設定し、この要求流量信号をアクチュエータ流量設定信号として出力するようになっている。
すなわち、弁制御手段として機能するディストリビュータ31aは、操作レバー(操作手段)30A,30Bからのアクチュエータ流量要求信号Qra,Qrb,……が入力されると、パワー供給システムの状況に応じて、バルブコントローラ32A,32B,……へアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……を出力する。
なお、アクチュエータ流量要求信号Qra,Qrb,……はそれぞれ独立して設定される信号であり、この信号の持つ要求流量の大きさによって各アクチュエータ7A,7Bへ供給される作動油の優先度が設定されている。
そして、操作レバー30A,30B……による油圧アクチュエータ7A,7B……への要求流量の総和が、油圧ポンプ2の吐出流量よりも少ない場合は、操作レバー30A,30B……によるアクチュエータ7A,7Bへの要求流量信号がそのままアクチュエータ流量設定信号となる。すなわち、Qsa=Qra,Qsb=Qrb,……となる。
また、要求流量の総和が、ポンプ吐出流量より多い場合は、[ポンプ吐出流量]/[要求流量の総和]=αを操作レバー30A,30Bにより設定された要求流量に乗算して、この結果算出された値をアクチュエータ流量設定信号としてバルブコントローラ32A,32B,……へ出力する。すなわち、Qsa=αQra,Qsb=αQrb,……となる。
そして、上述のようなディストリビュータ31aをそなえることで、従来オペレータが自分の経験を頼りに操作・調整してきた、連動操作時の複雑な操作レバー30A,30Bの操作による流量配分や油圧ポンプ2の制御を作業内容によりオペレータの好みに設定することができる。すなわち、作業内容に応じて各アクチュエータ7A,7Bの動作にプライオリティをつけることができるのである。
これにより、前述のパワー供給システムとの協調をとり、オペレータは作業機の負荷状況把握に重点を置きながら、操作レバー30A,30Bを操作するだけで負荷8A,8Bに関係なく、正確な流量制御を自動的に行なうことができるのである。
次に、バルブコントロールシステムについて説明すると、これも上述の第1実施形態で説明したものと同様となる。
すなわち、アクチュエータ(油圧シリンダ)7Aに着目して説明すると、まず、ディストリビュータ31aから出力されたアクチュエータ流量設定信号Qsaをバルブコントローラ32Aに入力する。また、流量センサ106Aにより、アクチュエータ7Aへの流量信号Qsaaをフィードバックする。そして、信号Qsaと信号Qsaaとの偏差信号に定数Kpを乗算した信号(P制御信号)と、信号Qsaと信号Qsaaとの偏差信号の積分値に各々定数1/Tを乗算して得られる信号(I制御信号)と、信号Qsaのフィードフォワード信号である信号F(Qsa)とを加算する。
なお、流量センサ106Aの代わりにメインコントロールバルブ6Aの前後差圧(Ps−P11a又はPs−P12a)やメインコントロールバルブ6Aのスプール位置センサ107Aの出力Xca等からメインコントロールバルブ6Aの流量を求めてもよい。
また、この第2実施形態で示すものにおいても、前述の第1実施形態で示したものと同様に、バルブコントロールシステムは大きく変動する質量負荷8A,8Bを駆動するため、多くの共振・反共振点があり、特に周波数の低い揺動現象は乗り心地を悪化させるため、メインコントロールバルブ6AのAポートの負荷圧力センサ108Aからの信号P11a、メインコントロールバルブ6AのBポートの負荷圧力センサ109Aからの信号P12aをバンドパスフィルタ200を通してバルブコントローラ32Aへフィードバックする。すなわち、本方式もダイナミックプレッシャフィードバック方式であるということができる。
最後に、メインコントロールバルブ(3段増幅型メインコントロールバルブ)6Aも、メインコントロールバルブ用サーボ弁への入力電流値Xciと比例するスプール位置(スプール開度)の信号Xcaがスプール位置センサ107Aから得られるようになっているので、この信号Xcaをバルブコントローラ32Aへフィードバックし、メインコントロールバルブ6Aのスプールを位置決めし、アクチュエータ流量設定信号Qsaに等しい信号Qsaaを自動的に得ることができる。
そして、このような構成により、従来オペレータが自分の経験を頼りに操作・調整してきた、連動操作時の複雑な操作レバー30A,30Bの操作による流量配分や油圧ポンプ2の制御を作業内容によりオペレータの好みに設定することができる。すなわち、作業内容に応じて各アクチュエータ7A,7Bの動作にプライオリティをつけることができるのである。
これにより、オペレータは作業機の負荷状況把握に重点を置きながら、操作レバー30A,30Bを操作するだけで負荷8A,8Bに関係なく、正確な流量制御を自動的に行なうことができるのである。
次に、本発明の第2実施形態の変形例について説明する。この変形例は、上述の第2実施形態に対して、ディストリビュータ31aで設定されるアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsbが、建設機械のワークモード(例えば、掘削作業モード,家屋取壊し作業モード)毎に設定されるように構成されており、第1実施形態の変形例と同様に構成されたものである。
すなわち、上述の第2実施形態の場合、操作レバー30A,30B,……による油圧アクチュエータ7A,7B,……への要求流量の総和が、ポンプ吐出流量より多い場合は、係数αを[ポンプ吐出流量]/[要求流量の総和]により算出して、この係数αを操作レバー30A,30B,……により設定された要求流量に乗算してアクチュエータ流量設定信号をQsa=αQra,Qsb=αQrb,……として設定している。
この場合、各アクチュエータ7A,7Bへの要求流量Qra,Qrb,……に対して乗算する係数αは、どのアクチュエータ7A,7Bに対しても同一の値である。即ち、Qra,Qrbのいずれに対しても係数αを一様に乗算するものである。
ところで、これらの要求流量Qra,Qrb,……は、いずれも、レバー30A,30Bの操作状態に応じて設定されるので、設定された要求流量Qra,Qrb,……の大きさによって、すでにアクチュエータ7A,7B,……に動作にプライオリティが付加されているものの、上述の係数αを各アクチュエータ毎に個々に設定すれば、よりアクチュエータのプライオリティを明確にすることができ、作業性が向上する。つまり、作業の態様(即ち、ワークモード)によっては、レバー30A,30Bの操作状態に応じて設定される要求流量Qra,Qrb,……に対して同一の値の係数αを用いて補正するのではなく、作業の態様に応じて、要求流量Qra,Qrb,……に重み付けを施した係数を用いてアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……を設定すれば、さらに操作性や作業性の向上を図ることができる。
そこで、この第2実施形態の変形例においても、各アクチュエータ毎や作業の態様(すなわち、ワークモード)に応じて、要求流量Qra,Qrbに対して乗算される係数αに、さらにアクチュエータ毎に個々設定される補正係数kijを乗算するようになっているのである。
すなわち、ディストリビュータ31aには、やはりFIG.4に示すようなデータテーブルが設定されており、このデータテーブルには、アクチュエータ番号iとワークモード番号jとにより設定される補正係数kijがテーブル化されてメモリされている。
また、ワークモードは、オペレータにより任意に設定される作業モードであって、例えばj=1は掘削モード,j=2は家屋取壊しモード等のモードが設定されている。そして、オペレータは、運転室内の操作部材を操作することでワークモードの設定や設定の変更を容易に行なうことができるようになっており、各ワークモードに適したプライオリティが各アクチュエータ(i=1,2,……)に設定されるようになっている。
一方、iはアクチュエータを示す番号であり、例えば建設機械が油圧ショベルの場合、i=1はブームシリンダ、i=2はスティックシリンダ、i=3はバケットシリンダ、i=4は旋回モータを示すものである。
そして、このような構成により、オペレータがワークモード(j)を設定すると、この設定されたワークモード(j)に対応した係数kijが各アクチュエータ毎に個々に設定されることになる。
例えば、オペレータがワークモードとして掘削モード(j=1)を選択すると、ブームシリンダ(i=1),スティックシリンダ(i=2),……に対して、それぞれ補正係数k11,k21,……が設定される。
したがって、操作レバー30A,30B,……による油圧アクチュエータ7A,7B,……への要求流量の総和が、ポンプ吐出流量より多い場合は、[ポンプ吐出流量]/[要求流量の総和]により係数αを算出して、この係数αと、操作レバー30A,30B,……により設定された要求流量Qra,Qrb,……と、各アクチュエータ毎に設定された補正係数k11,k21,……を乗算することで、アクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsb,……が設定されるのである。すなわち、Qsa=α・k11・Qra,Qsb=α・k12・Qrb,……として設定される。
そして、上述のように、ディストリビュータ31aで設定されるアクチュエータ流量設定信号Qsa,Qsbを、建設機械のワークモード及びアクチュエータ毎に個々に設定される補正係数kijを用いて設定することにより、建設機械の作業モードに適したアクチュエータの流量配分を実現することができ、特に、複数のアクチュエータの連動時にオペレータの意思を反映した動作を実現することができる。
これにより、熟練した技術を必要とすることなく、オペレータの思い通りの動作が可能となり、作業性が大きく向上するのである。
なお、この第2実施形態及びその変形例についても、コントロールバルブ6A,6Bの代わりに、例えばFIG.5に示すように、複数の2方向電磁弁201〜204による分離制御型弁手段を用いて構成してもよい。そして、このようように構成することにより、アクチュエータ207への作動油供給とこのアクチュエータ207からの作動油排出とを独立して制御することができる。
(3)その他
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明はその要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。
産業上の利用可能性
本発明を、油圧式掘削機や油圧ショベル等の建設機械に用いることで、各アクチュエータ間の圧力変動に伴う相互干渉をなくし、建設機械構造物の低次の振動を抑制することができ、操作性の向上やオペレータの乗り心地の改善を図ることができる。また、ディストリビュータの働きにより、オペレータの要求したアクチュエータ流量配分をアクチュエータの負荷にかかわらず正確に実現でき、操作性の向上、特に連動操作性及び微操作性の向上を図ることができる。したがって、複数のアクチュエータをオペレータの意のままに同時駆動することができるようになり、作業の効率が向上する。したがって、かかる建設機械の操作性や作業性の向上に寄与しうるものであり、その有用性は極めて高いものと考えられる。
Claims (16)
- 建設機械において、
オペレータにより操作される操作手段(30A,30B)と、
原動機(1)で駆動される流体圧ポンプ(2)を含む作動流体供給手段と、
該作動流体供給手段からの作動流体で駆動される複数のアクチュエータ(7A,7B)を含む駆動手段と、
上記の駆動手段と作動流体供給手段との間に装備されて、該駆動手段を制御するための複数の制御弁(6A,6B)を含む弁手段と、
該作動流体供給手段からの作動流体供給流量を検出する作動流体供給流量検出手段(102)を含む検出手段と、
該操作手段(30A,30B)からの操作指令及び該検出手段(102)からの検出結果を受けて、該操作手段(30A,30B)で設定された上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量情報(Qra,Qrb)と該作動流体供給手段からの作動流体供給流量情報とを比較し、この比較結果に応じて各アクチュエータ(7A,7B)への最適な供給流量を決定するディストリビュータ機能により、該弁手段を制御する弁制御手段(31)を含む制御手段とをそなえるとともに、
該弁制御手段(31)が、
該要求流量情報(Qra,Qrb)が該作動流体供給流量情報よりも少ない場合は、該操作手段(30A,30B)による上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量信号(Qra,Qrb)をアクチュエータ流量設定信号(Qp)とする一方、該要求流量(Qra,Qrb)の総和が該作動流体供給流量(Qp)より多い場合は、1より小さい係数(α)を上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量(Qra,Qrb)に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号(Qsa,Qsb)とするディストリビュータ(31a)をそなえ
該ディストリビュータ(31a)で設定されるアクチュータ流量設定信号(Qsa,Qsb)が、該建設機械のワークモード毎に設定された補正係数(kij)により補正される
ことを特徴とする、建設機械の制御装置。 - 該1より小さい係数(α)が、該作動流体供給流量(Qp)を該要求流量(Qra,Qrb)の総和で正規化した情報を有していることを特徴とする、請求の範囲第1項記載の建設機械の制御装置。
- 該検出手段が、該弁手段の動作状態を検出するマニピュレーション検出手段(106A,106B,107A,107B,108A,108B,109A,109B)をそなえて構成されるとともに、
該弁制御手段(31)が、該マニピュレーション検出手段(106A〜109B)からの検出結果を受けて、該ディストリビュータ機能を補正する補正手段(32A,32B)をそなえていることを特徴とする、請求の範囲第1項記載の建設機械の制御装置。 - 該マニピュレーション検出手段(106A〜109B)が、該制御弁(6A,6B)のスプール位置を計測してフィードバックするスプール位置センサ(107A,107B)と、負荷圧力を計測してフィードバックするロードセンシング用負荷圧力センサ(108A,108B,109A,109B)と、該アクチュエータ(7A,7B)に供給される流量を計測してフィードバックする流量センサ(106A,106B)とをそなえていることを特徴とする、請求の範囲第3項記載の建設機械の制御装置。
- 該ロードセンシング用負荷圧力センサ(108A,108B,109A,109B)が、その出力部に、バンドパスフィルタ(200)をそなえていることを特徴とする、請求の範囲第4項記載の建設機械の制御装置。
- 該流体圧ポンプ(2)の吐出側において該作動流体を蓄えるアキュムレータ(5)が、該作動流体供給手段に設けられていることを特徴とする、請求の範囲第1項記載の建設機械の制御装置。
- 該アキュムレータ(5)の容量が所定量を超えると該流体圧ポンプ(2)の吐出流量を無負荷でバイパスするアンロードバルブ(3)が、該作動流体供給手段に設けられていることを特徴とする、請求の範囲第6項記載の建設機械の制御装置。
- 該流体圧ポンプ(2)の吐出側の作動流体供給路に該アンロードバルブ(3)が並列に設けられるとともに、該作動流体供給路の該アンロードバルブ(3)の接続部よりも下流側の作動流体供給路部分に該アキュムレータ(5)が並列に設けられ、且つ、該作動流体供給路における該アンロードバルブ(3)の接続部と該アキュムレータ(5)の接続部との間の作動流体供給路部分に、該アキュムレータ(5)からの逆流を阻止するチェック弁(4)が介装されていることを特徴とする、請求の範囲第7項記載の建設機械の制御装置。
- 該操作手段(30A,30B)に該流体圧ポンプ(2)のポンプ吐出圧力を一定に保つための供給圧力設定器(20)が設けられていることを特徴とする、請求の範囲第1項記載の建設機械の制御装置。
- 該流体圧ポンプ(2)の吐出側において該作動流体を蓄えるアキュムレータ(5)が、該作動流体供給手段に設けられるとともに、
該ディストリビュータ(31a)が、
該要求流量(Qra,Qrb)の総和が該作動流体供給流量(Qp)よりも少ない場合は、該操作手段(30A,30B)による上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量信号(Qra,Qrb)をアクチュエータ流量設定信号(Qsa,Qsb)とする一方、該要求流量(Qra,Qrb)の総和が該作動流体供給流量(Qp)より多い場合は、1より小さい第1係数(α)を上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量(Qra,Qrb)に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号(Qsa,Qsb)とする、
若しくは、該アキュムレータ(5)の蓄圧供給流量と該作動流体供給流量(Qp)との合計を許容供給流量(Qs)とし、これを該要求流量(Qra,Qrb)の総和で正規化した情報を有する第2係数(β)を上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量(Qra,Qrb)に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号(Qsa,Qsb)とする
ことを特徴とする、請求の範囲第1項記載の建設機械の制御装置。 - 該第1係数(α)が、該作動流体供給流量(Qp)を該要求流量(Qra,Qrb)の総和で正規化した情報を有していることを特徴とする、請求の範囲第10項記載の建設機械の制御装置。
- 該ディストリビュータ(31a)で設定されるアクチュエータ流量設定信号(Qsa,Qsb)が、該建設機械のワークモード毎に設定されていることを特徴とする、請求の範囲第10項記載の建設機械の制御装置。
- 該検出手段が、該作動流体供給手段の動作状態を検出するパワー供給側検出手段(100〜102)をそなえて構成されるとともに、該制御手段が、該パワー供給側検出手段(100〜102)からの検出結果を受けて、該作動流体供給手段を制御するパワー供給側制御手段(26)をそなえていることを特徴とする、請求の範囲第1項記載の建設機械の制御装置。
- 該パワー供給側検出手段(100〜102)が、該原動機(1)の回転状態を検出する回転状態センサ(101)と、該原動機(1)の出力状態を検出する出力センサ(100)と、該作動流体供給手段からの該作動流体圧を検出する作動流体圧センサ(102)とをそなえていることを特徴とする、請求の範囲第11項記載の建設機械の制御装置。
- 建設機械において、オペレータにより操作される操作手段(30A,30B)と、エンジン(1)により駆動される少なくとも一つの可変容量型液圧ポンプ(2)と、該可変容量型液圧ポンプ(2)から吐出される圧液によって駆動される複数の液圧アクチュエータ(7A,7B)と、上記の液圧アクチュエータ(7A,7B)と該可変容量型液圧ポンプ(2)との間に装備されて、該液圧アクチュエータ(7A,7B)への流量及び方向を制御する複数のメインコントロールバルブ(6A,6B)と、
上記の可変容量型液圧ポンプ(2)とメインコントロールバルブ(6A,6B)との間の波路に設けられ圧液を蓄えるアキュムレータ(5)と、
上記の可変容量型液圧ポンプ(2)とメインコントロールバルブ(6A,6B)との間の液路に設けられ、該アキュムレータ(5)の容量が最大近くになったとき該液圧ポンプ(2)の吐出流量を無負荷でバイパスするアンロードバルブ(3)と、
該操作手段(30A,30B)による上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量の総和が、該可変容量型液圧ポンプ(2)の吐出流量よりも少ない場合は、該操作手段(30A,30B)による上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量信号をそのままアクチュエータ流量設定信号とする一方、該要求流量の総和が該ポンプ吐出流量より多い場合は、該ポンプ吐出流量を該要求流量の総和で割った値(α)を上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量に掛けてアクチュエータ流量設定信号として出力する第1演算手段、及び、該アキュムレータ(5)の蓄圧供給流量と該ポンプ吐出流量との合計を許容供給流量とし、これを該要求流量の総和で割った値(β)を上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量に掛けてアクチュエータ流量設定信号として出力する第2演算手段をそなえ、該第1演算手段から出力されたアクチュエータ流量設定信号と該第2演算手段から出力されたアクチュエータ流量設定信号とのいずれかを出力するディストリビュータ(31a)と、
該操作手段(30A,30B)に設けられて、ポンプ吐出圧力を一定に保つための供給圧力設定器(20)と、該ディストリビュータ(31a)からのアクチュエータ流量設定信号を受けて該メインコントロールバルブ(6A,6B)に操作信号を供給するバルブコントローラ(32A)と、
該バルブコントローラ(32A)に対しそれぞれ設けられ、該メインコントロールバルブ(6A,6B)のスプール位置を計測してフィードバックするスプール位置センサ(107A,107B)、負荷圧力を計測してフィードバックするバンドパスフィルタ(200)付きのロードセンシング用負荷圧力センサ(108A,108B,109A,109B)、及び該アクチュエータ(7A,7B)に供給される流量を計測してフィードバックする流量センサ(106A,106B)からなるマニュピュレーション側センサ群と、エンジン回転数を計測するエンジン回転数センサ(101)、エンジン燃料ポンプのラック開度を計測するラック開度センサ(100)、ポンプ傾転角を計測する傾転角センサ(103)、ポンプ吐出圧力を計測する吐出圧力センサ(102)、システム供給圧力を計測する供給圧力センサ(104)、及び該アキュムレータ(5)の容量を計測するアキュムレータ容量センサ(105)からなるパワー供給側センサ群と、
該供給圧力設定器(20)で設定した圧力と該供給圧力センサ(104)からのフィードバック信号との偏差及び該偏差の積分値の和で該可変容量型液圧ポンプ(2)の傾転角指令信号を発信する第1指令手段と、
該供給圧力設定器(20)の他に該ロードセンシング用負荷圧力センサ(108A,108B,109A,109B)のうちの最大信号を選択し、この値がある一定時間以上継続した場合、この値に一定の値を加算した値を指令信号とし、該供給圧力センサ(104)からのフィードバック信号との偏差及び該偏差の積分値の和により該可変容量型液圧ポンプ(2)の傾転角指令信号を発信する第2指令手段と、
供給圧力が設定値を基準にある値以上に上昇し、且つ該アキュムレータ(5)容量が最大近傍のとき該アンロードバルブ(3)を開いて、該可変容量型ポンプ(2)の吐出流量を無負荷でバイパスし、また供給圧力が設定値を基準にある値以下に下降したり、該アキュムレータ(5)の容量が最小近傍となったとき該アンロードバルブ(3)を閉じる信号を発信する第3指令手段と、
該エンジン(1)の出力とポンプ吐出圧力とエンジン・ポンプの効率特性との関数として該エンジン(1)の出力の範囲内で該可変容量型液圧ポンプ(2)の許容傾転角指令信号を発信する第4指令手段と、
オペレータの流量要求に比例したポンプ流量を確保するために該可変容量型液圧ポンプ(2)の傾転角指令信号を発信する第5指令手段と
発信された指令信号のうち、最も小さな指令信号を選択して該可変容量型液圧ポンプ(2)の傾転角指令信号とし、その選択された傾転角指令信号と該傾転角センサからのフィードバック信号との偏差によってポンプ傾転角を位置決めするポンプコントローラ(26)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。 - 建設機械において、
オペレータにより操作される操作手段(30A,30B)と、
原動機(1)で駆動される流体圧ポンプ(2)と、
該流体圧ポンプ(2)からの作動流体で駆動される複数のアクチュエータ(7A,7B)と、
該アクチュエータ(7A,7B)を制御するための複数の制御弁(6A,6B)と、
該操作手段(30A,30B)で設定された上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量情報と、該流体圧ポンプ(2)からの作動流体供給流量情報とを比較し、この比較結果に応じて、各アクチュエータ(7A,7B)への最適な供給流量を決定して、該弁手段を制御する弁制御手段(31)とをそなえるとともに、
該弁制御手段(31)が、
該要求流量情報(Qra,Qrb)が該作動流体供給流量情報よりも少ない場合は、該操作手段(30A,30B)による上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量信号(Qra,Qrb)をアクチュエータ流量設定信号(Qp)とする一方、該要求流量(Qra,Qrb)の総和が該作動流体供給流量(Qp)より多い場合は、1より小さい係数(α)を上記の各アクチュエータ(7A,7B)への要求流量(Qra,Qrb)に掛けたものをアクチュエータ流量設定信号(Qsa,Qsb)とするディストリビュータ(31a)をそなえ
該ディストリビュータ(31a)で設定されるアクチュータ流量設定信号(Qsa,Qsb)が、該建設機械のワークモード毎に設定された補正係数(kij)により補正される
ことを特徴とする、建設機械の制御装置。
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