JP3794771B2 - 油圧ショベルの作業機制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械に装着する作業機部材の関節部の角度を演算して、作業機の姿勢制御を自動的に行う作業機制御装置に係り、特に２ピースブームや２ピースブーム付きオフセットブーム式作業機を備えた油圧ショベルの作業機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の油圧ショベルの作業機は、車体から順次連結されるブーム、アームおよびバケットの３つの関節形となっている。このバケットの先端を作業対象物に位置決めするときは、ブームを上げ方向または下げ方向、アームの掘削方向またはダンプ方向およびバケットの掘削方向またはダンプ方向を複合操作を行う必要があり、その操作には熟練を要する。
【０００３】
現在の都市土木作業においては、各種のアタッチメントを備えた油圧ショベルが用いられている。この都市土木作業には、道路を作るための掘削作業、掘削した土砂のダンプトラックへの積込み作業、転石やコンクリートを破砕するブレーカ作業、道路に側溝を作るための側溝堀り作業等の多くの作業がある。
最近、これらの多くの作業が１台の油圧ショベルで行えるようにした、オフセットブーム式作業機が用いられている。このオフセットブーム式作業機は前述のブーム、アームおよびバケットの３つの関節形に加えて、ブームを横方向へオフセットする機能が追加となっている。
【０００４】
このようなオフセットブーム式作業機を装着した油圧ショベルは図８に示すように、油圧ショベル１の下部走行体２は図示しない走行モータにより走行自在となっている。この下部走行体２の上部にはスイングサークル４を介して図示しない旋回モータにより旋回可能な上部旋回体３（以下、車体３と言う。）を装着している。次に、オフセットブーム式作業機について説明する。ブーム８０の一端は車体３に取着されている。このブーム８０を駆動するブームシリンダ８１のボトム側は車体３に取着し、ロッド側はブーム８０の上端部に取着している。ブーム８０はブームシリンダ８１の伸縮駆動により上下揺動自在となっている。
オフセットブーム８２の一端はブーム８０と連結し、他端はブラケット８５と連結している。このオフセットブーム８２を駆動するオフセットシリンダ８３のボトム側はブーム８０に取着し、ロッド側はブラケット８５に取着している。
オフセットブーム８２はオフセットシリンダ８３の伸縮駆動により横方向に揺動自在となっている。ロッド８４の一端はブーム８０に取着し、他端はブラケット８５に取着している。このロッド８４はブーム８０に対してブラケット８５が回転、揺動させないために配設しているものである。ブラケット８５はアーム８６と連結している。このアーム８６を駆動するアームシリンダ８７はブラケット８５に支承され、ロッド側はアーム８６に取着している。アーム８６はアームシリンダ８７の伸縮駆動により掘削・ダンプ方向に揺動自在となっている。
このアーム８６はバケット８８と連結している。バケット８８を駆動するバケットシリンダ８９のボトム側はアーム８６に取着し、ロッド側はリンク９０ａ，リンク９０ｂを介してバケット８８と連結している。バケット８８はバケットシリンダ８９の伸縮駆動により掘削・ダンプ方向に揺動自在となっている。
【０００５】
ところで、都市土木作業で用いられるオフセットブーム式作業機や２ピースブームを備えた油圧ショベルは、作業現場が市街地であるため通行人や電柱、建物の壁等の障害物に接触しないようにするために作業機を車幅内に折り畳めるようにしているので、作業機を車幅内に折り畳むときに車体や運転室に干渉しないようにするための、オフセットブーム式作業機や２ピースブームを備えた作業機の軌跡制御、減速制御および干渉防止制御装置に関する先行特許（実公平３−７２７６７号、実開平３−５７５１号、特開平２−３０８０１８号、特開平４−２５４６２５号、特開平７−１０９７４８号）が多数出願されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のオフセットブーム式作業機を備えた油圧ショベルにおいては、ブームの上げ方向または下げ方向、アームの掘削方向またはダンプ方向およびバケットの掘削方向またはダンプ方向の操作に加えてブームを横方向にオフセットする４方向の複合操作が必要となり、また、２ピースブームとオフセットブームを備えた作業機の場合は、さらに操作が難しくなり熟練オペレータでないと運転ができないとの問題がある。
特に、第１ブーム及び第２ブームからなる２ピースブームを備えた作業機や第１ブーム、第２ブームからなる２ピースブーム及びオフセットブームを備えた作業機においては、いずれも作業機が長くなり、又作業機の重量が大きくなるので、作業機を最大リーチ付近まで伸ばして、上方掘削するときに車体が転倒しないようにして、しかも迅速な作業を行うことは作業機の操作が難しい。
このように、２ピースブームを備えた作業機や２ピースブームとオフセットブームを備えた作業機は、上方掘削するときに車体が転倒しないように、オペレータが作業機の操作を手動操作で行うことは難しいとの問題がある。
【０００７】
特に、２ピースブームを備えた作業機や２ピースブームとオフセットブームを備えた作業機を備えた油圧ショベルを未熟練のオペレータが運転して上方掘削するときでも車体が転倒しないようにして、しかも未熟練のオペレータでも簡単に操作できるようにする必要がある。また、前述のようにオフセットブーム式作業機や２ピースブームに関する先行特許が多数出願されているが、本発明に係る作業機制御装置に関する出願内容は開示されていない。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点に着目し、２ピースブームとオフセットブームからなる作業機や２ピースブームを備えた作業機による上方掘削時に車体が転倒しないようにすると共に、未熟練のオペレータでも運転操作が容易となるようにした油圧ショベルの作業機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および作用効果】
上記目的を達成するために、本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置の第１発明は、車体より順次連結される第１ブーム、第２ブームおよびアームからなる作業部材と、この作業部材を揺動させる各シリンダと、油圧ポンプから吐出する圧油を前記各シリンダへ供給する各方向切換弁とを備え、前記作業部材の作業姿勢を制御する油圧ショベルの作業機制御装置であって、
前記車体と第１ブームとがなす第１ブーム角θ１を検知する第１検知手段と、
第１ブームと第２ブームとがなす第２ブーム角θ２を検知する第２検知手段と、
第１ブームと第２ブームとを連結する連結点とアームを揺動する支点とを結ぶ線ＬＡ、および、アームを揺動する支点とアームとバケットを連結する連結点とを結ぶ線ＬＢとがなすアーム角θ４を検知する第３検知手段とを備え、
前記第１検知手段、第２検知手段および第３検知手段からの信号を受けて、予め記憶されている第１ブーム角θ１およびアーム角θ４と第２ブーム角θ２との関数「θ２≦ｆ（θ１，θ４）」により第２ブーム角θ２の限界角ｆ（θ１，θ４）を演算し、その演算結果に基づいて第２ブーム角θ２を限界角ｆ（θ１，θ４）を超えない角度に制御するために第２ブームシリンダを伸長あるいは短縮駆動するように方向切換弁へ指令信号を出力する制御手段と、からなる構成としたものである。
上記構成によれば、第１ブーム角θ１およびアーム角θ４に対応して第２ブーム角θ２の限界角を予め記憶されている関数ｆによって、
θ２≦ｆ（θ１，θ４）
で求める。
これにより、作業機を上方に操作して上方掘削するときの第１ブーム角θ１およびアーム角θ４に対応して、第２ブームは第２ブームシリンダのストロークエンドの手前の所定位置（第２ブーム角θ２＝ｆ（θ１，θ４）に対応した位置）までしか作動しないように制御される。このため、作業部材の先端（バケットの刃先）は最上方位置の手前で、油圧ショベルが転倒しない作業範囲に制限される。したがって、第２ブームは最上方位置の手前までしか作動できないようにしたので、車体が転倒することもなく、安全に作業が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置の一実施例を図１乃至図７を参照して説明する。
先ず、油圧ショベルの第１ブームと第２ブームからなる２ピースブーム及びオフセットブームを備えた作業機について図４，図５により説明する。尚、一実施例として図４，図５の第１ブーム、第２ブーム及びオフセットブームを備えた作業機により説明するが、既知のオフセットブームを用いない第１ブームと第２ブームからなる２ピースブームを備えた作業機にも適用できるものである。
先ず、図４に示す油圧ショベル１の下部走行体２は図示しない走行モータにより走行自在となっている。この下部走行体２の上部にはスイングサークル４を介して図示しない旋回モータにより旋回可能な上部旋回体３（以下、車体３と言う。）を装着している。次に、オフセットブーム式作業機について説明する。第１ブーム５の一端は車体３に取着されている。この第１ブーム５を駆動する第１ブームシリンダ６のボトム側は車体３に取着し、ロッド側は第１ブーム５の上端部に取着している。第１ブーム５は第１ブームシリンダ６の伸縮駆動により上下揺動自在となっている。第１ブーム５は第２ブーム７と連結している。この第２ブーム７を駆動する第２ブームシリンダ８のボトム側は第１ブーム５に取着し、ロッド側は第２ブーム７の端部に取着している。第２ブーム７は第２ブームシリンダ８の伸縮駆動により上下揺動自在となっている。
【００１１】
図４のＡ視図を図５により説明する。オフセットブーム１１の一端は第２ブーム７と連結し、他端はブラケット９と連結している。このオフセットブーム１１を駆動するオフセットシリンダ１０のボトム側は第２ブーム７に取着し、ロッド側はブラケット９に取着している。オフセットブーム１１はオフセットシリンダ１０の伸縮駆動により横方向に揺動自在となっている。ロッド１１ａの一端は第２ブーム７に取着し、他端はブラケット９に取着している。このロッド１１ａは第２ブーム７に対してブラケット９が回転、揺動させないために配設しているものである。図５に示すブラケット９はアーム１２と連結している。このアーム１２を駆動するアームシリンダ１３はブラケット９に支承され、ロッドはアーム１２に取着している。図４に示すアーム１２はアームシリンダ１３の伸縮駆動により掘削・ダンプ方向に揺動自在となっている。前記オフセットブーム１１がオフセットしないとき、あるいは、横方向に揺動してオフセット角（θ３）が０°以上となっても、前記ロッド１１ａによりブラケット９に連結されるアーム１２の作業姿勢は変わらないようにしてある。これにより、オフセットブーム１１がオフセットしたとき、あるいは、オフセットしないときでもアーム１２は掘削・ダンプ方向に揺動自在となっている。このアーム１２はバケット１４と連結している。バケット１４を駆動するバケットシリンダ１５のボトム側はアーム１２に取着し、ロッド側はリンク１５ａ，リンク１５ｂを介してバケット１４と連結している。バケット１４はバケットシリンダ１５の伸縮駆動により掘削・ダンプ方向に揺動自在となっている。
図４に示す１７は第１ブーム角センサ、１８は第２ブーム角センサ、１９はアーム角センサ、図５に示す１６はオフセット角センサである。
【００１２】
次に、本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置の制御回路について、図６，図７により説明する。図６は２ピースブームを備えた作業機の制御回路を示し、図７は、図６にオフセットブームシリンダ、オフセット用方向切換弁およびオフセット角センサが追加したものである。
先ず、図６に示す、エンジン２０により駆動される可変容量型油圧ポンプ２１（以下、油圧ポンプ２１と言う。）を備えている。この油圧ポンプ２１は管路２２から分岐する管路２２ａを介して第１ブーム用方向切換弁２３と接続している。この油圧ポンプ２１は管路２２から分岐する管路２２ｂを介して第２ブーム用方向切換弁２４と接続している。油圧ポンプ２１は管路２２から分岐する管路２２ｄを介してアーム用方向切換弁２６と接続している。
また、油圧ポンプ２１は管路２２を介してバケット用方向切換弁２７と接続している。前記第１ブーム方向切換弁２３は管路２３ｃ，２３ｄを介して第１ブームシリンダ６と接続している。前記第２ブーム用方向切換弁２４は管路２４ｃ，２４ｄを介して第２ブームシリンダ８と接続している。前記アーム用方向切換弁２６は管路２６ｃ，２６ｄを介してアームシリンダ１３と接続している。前記バケット用方向切換弁２７は管路２７ｃ，２７ｄを介してバケットシリンダ１５と接続している。
【００１３】
図６に示す第１ブーム５の揺動角を検出する第１ブーム角センサ１７（以下、第１検出手段１７と言う。），第２ブーム７の揺動角を検出する第２ブーム角センサ１８（以下、第２検出手段１８と言う。），アーム１２の揺動角を検出するアーム角センサ１９（以下、第３検出手段１９と言う。）で検出された信号は制御手段３０に入力している。前記作業部材の操作を自動に切換える自動切換スイッチ３１は制御手段３０と接続している。
次に、図６に示す、自動切換スイッチ３１をＯＦＦの状態で、作業部材の操作を手動により行うときの操作手段について説明する。ポテンショメータ３６は電気式操作手段３５の操作変位に対応する電圧信号ＶＡを発生し、この電圧信号ＶＡは制御手段３０に出力する。この制御手段３０はポテンショメータ３６から入力される信号ＶＡに基づき前記各方向切換弁２３，２４，２６，２７のうちのいずれかを作動するための指令信号ｉ０１〜ｉ０４，ｉ０７〜ｉ１０を演算し、これらの信号ｉ０１〜ｉ０４，ｉ０７〜ｉ１０は制御手段３０内の増幅器によって増幅された後、指令信号ｉ０１〜ｉ０４，ｉ０７〜ｉ１０が各方向切換弁２３，２４，２６，２７の各操作部２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂに入力される。
【００１４】
次に、図７の制御回路について説明する。図７は、図６の構成に加えてオフセットシリンダ１０、オフセットブーム用方向切換弁２５およびオフセット角センサ１６を追加したものである。図６と同一符号を付したものは同一構成であり説明は省略する。油圧ポンプ２１は管路２２から分岐する管路２２ｃを介してオフセットブーム用方向切換弁２５と接続している。オフセットブーム用方向切換弁２５は管路２５ｃ，２５ｄを介してオフセットシリンダ１０と接続している。
オフセット角センサ１６で検出された信号は制御手段３０に入力している。
本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置は、図６に示すように、第１ブーム、第２ブームを有する２ピースブームを備えた作業機、あるいは、図７に示す第１ブーム、第２ブームおよびオフセットブームを有するオフセット式作業機に適用されるものである。
【００１５】
本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置の一実施例を図１乃至図３により説明する。尚、作業機制御の基本回路は図６，図７で説明したものと同じであり、詳細な説明は省略する。
先ず、図１に示す第１ブーム角を検知する第１検知手段１７、第２ブーム角を検知する第２検知手段１８、およびアーム角を検知する第３検知手段１９からの信号は制御手段３０Ｃに入力されている。
次に、図１の作動について説明する。第１ブーム５，第２ブーム７，およびアーム１２を同時に操作したときに、制御手段３０Ｃは第１ブーム揺動角θ１，第２ブーム揺動角θ２およびアーム揺動角θ４の予め定められた関数「θ２≦ｆ（θ１・θ４）」を有し、この関数に基づき第１ブーム５およびアーム１２の揺動角θ１，θ４に対応して上方掘削作業するときの第２ブーム７は第２ブームシリンダ８のストロークエンドの手前の所定位置（第２ブーム揺動角θ２の限界角＝ｆ（θ１・θ４）に対応した位置）までしか作動しないように制御される。
これにより、第２ブームシリンダ８は、図３の座標図に示すように、従来アーム１２が２点鎖線で示すＢ部の位置となるまで作動すると車両が不安定となっていたものを、本発明によれば、アーム１２が実線のＡ部の位置をＢ部の位置方向へ越えようとしたときにＡ部の位置で停止するように第２ブームシリンダ８の作動は制御されるようになっている。したがって、油圧ショベルの上方掘削作業時に、第２ブーム７は最上方位置の手前までしか作動できないようにしたので車体が転倒することもなく、未熟練の運転者でも操作が簡単に行えるので安全性が向上し、２ピースブームを備えた作業機や２ピースブームとオフセットブームを備えた作業機を装着する油圧ショベルとして有用である。
【００１６】
本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置の制御フローチャートを図２に基づいて説明する。
Ｓ３０にて自動切換スイッチ３１のオンかを判定しており、ＮＯのときはＳ３０に戻り、ＹＥＳのときは、Ｓ３１にて第１ブーム角θ１，第２ブーム角θ２，アーム角θ４を検出する。Ｓ３２にてθ２≦ｆ（θ１，θ４）かを判定しており、ＹＥＳのときはＳ３０に戻り、ＮＯのときはＳ３３にてθ１，θ４から計算する限界角θ２ａ（＝ｆ（θ１，θ４））とθ２との偏差、
Δθ２＝θ２−ｆ（θ１，θ４）
を求める。
Ｓ３４にて目標角速度ｄθ２／ｄｔ（＝ｆＡ（Δθ２））を求める。Ｓ３５にて第２ブーム用方向切換弁２４の開口量Ｃ２を、目標角速度ｄθ２／ｄｔ，及び制御手段３０Ｃに記憶されている所定関数ｆＢにより、
Ｃ２＝ｆＢ（ｄθ２／ｄｔ）
で求める。
Ｓ３６にてθ２を小さくするための方向切換弁２４の制御電流値ｉ０３を求める。この場合θ１，θ４の増加に対応してθ２を小さくする予め定められた関数に応じて制御電流値ｉ０３が求められるようになっている。
制御電流値ｉ０３はＳ３７にて図１に示す制御手段３０Ｃから第２ブーム用方向切換弁２４の操作部２４ａへ指令出力する。Ｓ３８にて自動切換スイッチ３１のオンかを判定しており、ＹＥＳのときはＳ３１に戻り、ＮＯのときはエンドとなる。
【００１７】
本願発明は、２ピースブームを備えた作業機、および２ピースブームに加えてオフセットブームを備えた作業機のいずれでも適用可能であり、市街地の狭い所での作業等において、作業機を上方に操作して上方掘削作業しても車体が転倒することなく、未熟練運転者でも操作が可能となり、作業性が向上すると共に、車両の安定性も向上することから油圧ショベルとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る油圧ショベルの作業機制御装置の説明図である。
【図２】同、制御フローチャートの説明図である。
【図３】同、Ｘ，Ｙ軸の座標図である。
【図４】同、２ピースブームとオフセットブームを備えた油圧ショベルの側面図である。
【図５】同、図４のＡ視図である。
【図６】同、２ピースブームを備えた作業機の制御回路である。
【図７】同、２ピースブームとオフセットブームを備えた作業機の制御回路である。
【図８】従来の作業機を装着した油圧ショベルの側面図である。
【符号の説明】
１ 油圧ショベル
３ 上部旋回体（車体）
５ 第１ブーム
６ 第１ブームシリンダ
７ 第２ブーム
８ 第２ブームシリンダ
９ ブラケット
１０ オフセットシリンダ
１１ オフセットブーム
１２ アーム
１３ アームシリンダ
１４ バケット
１７ 第１検出手段（第１ブーム角）
１８ 第２検出手段（第２ブーム角）
１６ 第３検出手段（オフセット角）
１９ 第４検出手段（アーム角）
２３ 第１ブーム用方向切換弁
２４ 第２ブーム用方向切換弁
２５ オフセットブーム用方向切換弁
２６ アーム用方向切換弁
２７ バケット用方向切換弁
３０，３０Ｃ 制御手段
３１ 自動切換スイッチ
３５，操作レバー

Claims (1)

1. 車体より順次連結される第１ブーム、第２ブームおよびアームからなる作業部材と、この作業部材を揺動させる各シリンダと、油圧ポンプから吐出する圧油を前記各シリンダへ供給する各方向切換弁とを備え、前記作業部材の作業姿勢を制御する油圧ショベルの作業機制御装置であって、
   前記車体と第１ブームとがなす第１ブーム角θ１を検知する第１検知手段と、
   第１ブームと第２ブームとがなす第２ブーム角θ２を検知する第２検知手段と、
   第１ブームと第２ブームとを連結する連結点とアームを揺動する支点とを結ぶ線ＬＡ、および、アームを揺動する支点とアームとバケットを連結する連結点とを結ぶ線ＬＢとがなすアーム角θ４を検知する第３検知手段とを備え、
   前記第１検知手段、第２検知手段および第３検知手段からの信号を受けて、予め記憶されている第１ブーム角θ１およびアーム角θ４と第２ブーム角θ２との関数「θ２≦ｆ（θ１，θ４）」により第２ブーム角θ２の限界角ｆ（θ１，θ４）を演算し、その演算結果に基づいて第２ブーム角θ２を限界角ｆ（θ１，θ４）を超えない角度に制御するために第２ブームシリンダを伸長あるいは短縮駆動するように方向切換弁へ指令信号を出力する制御手段と、
   からなることを特徴とする油圧ショベルの作業機制御装置。

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