JP3884178B2 - 旋回制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、クレーン等の建設機械における旋回制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、旋回の制御システムには、操作レバーを中立に戻したときにモータを旋回体の慣性により回転させる方式(中立フリー方式と呼ぶ)と、操作レバーを中立に戻したときにモータの回転を停止させる方式(中立ブレーキ方式と呼ぶ)とがある。これらの方式は作業内容に応じて使い分けられるのが望ましく、例えば特許第2549420号公報には、1台の機械で各方式を任意に選択可能とした装置が開示されている。この公報記載の装置では、油圧モータの出入口ポートに接続する管路にそれぞれリリーフ弁を設け、操作レバーの操作量とリリーフ弁のリリーフ圧との関係を、中立フリー/中立ブレーキの各方式ごとにパターン化して予め定めておく。このリリーフ圧の特性(パターン)に沿ってリリーフ弁を制御することで、旋回体の駆動を中立フリー/中立ブレーキの各方式に対応して制御することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報記載の装置のリリーフ圧の上記特性は、操作レバーの操作量の増加に伴いリリーフ圧の変化量が大きくなるように設定されており、この特性に沿ってリリーフ弁を制御するので、操作レバーを同一量だけ減速操作した場合であっても、操作レバーをどこの位置から操作したかによってリリーフ圧の変化量は異なる。すなわち、特性の傾きが大きい位置ではリリーフ圧は大きく変化するが、特性の傾きが小さい位置ではリリーフ圧はほとんど変化しない。その結果、操作レバーを同一量だけ減速操作した場合であっても、操作レバーの操作位置によってモータの減速度に大きな差が生じ、オペレータにとって扱いにくいものとなる。
【0004】
また、上記公報記載の装置では、操作レバーの操作方向とモータの回転方向、および中立フリー/中立ブレーキの各方式によってそれぞれのリリーフ弁に複数の異なったリリーフ特性が設定され、それ故、制御アルゴリズムが複雑となる。上記公報には制御アルゴリズムをより簡素化するためリリーフ弁を1つとした装置も開示されているが、この場合、操作レバーの減速操作の操作領域によっては、中立フリー方式であっても大きなブレーキ圧が生じることとなり、問題である。
【0005】
本発明の目的は、簡易な構成によって中立フリー方式および中立ブレーキ方式を最適に実現することができる旋回制御装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図1,2,5,6を参照して説明する。
(1) 請求項1の発明は、油圧ポンプ3と、その油圧ポンプ3から吐出される圧油により駆動する旋回用油圧モータ2と、油圧ポンプ3から旋回用油圧モータ2に供給される圧油の流れを制御し、中立時に油圧モータ2の出入口ポートへ連通される一対のポートを遮断する制御弁1とを備えた油圧制御装置に適用される。そして、旋回用油圧モータ2の出入口ポートにそれぞれ接続する2本の管路6A,6B間を連通および遮断する弁装置9と、2本の管路6A,6Bの圧力をそれぞれ検出して圧力信号P1,P2を出力する圧力検出手段10A,10Bと、旋回用油圧モータ2の回転数に基づく物理量を検出して回転数信号S1を出力する回転数検出手段11と、中立ブレーキモードと中立フリーモードとを選択するモード選択手段13と、中立ブレーキモードが選択されると2本の管路6A,6Bを遮断する一方、中立フリーモードが選択されると圧力信号P1,P2と回転数信号S1に基づいて2本の管路6A,6B間を連通あるいは遮断するように弁装置9の駆動を制御する制御手段12とを備え、制御手段12が、圧力信号P1 , P2に基づいて油圧モータ2に作用する圧油の方向を演算するとともに、回転数信号S1に基づいて油圧モータ2の回転方向を演算し、中立フリーモードが選択され、かつ演算された油圧モータ2に作用する圧油の方向と油圧モータ2の回転方向とが異なったときに、2本の管路6A , 6B間を連通するように弁装置9の駆動を制御するたことにより上述した目的は達成される。
(2) 請求項2の発明は、制御手段12が、回転数信号S1に基づいて目標流量QAB,QAB'を算出し、一方の管路6A(6B)から他方の管路6B(6A)へと目標流量QAB,QAB'が流れるように弁装置9の駆動を制御するものである。
(3) 請求項3の発明は、旋回用油圧モータ2の減速比を設定する減速比設定手段29を備え、制御手段12が、減速比設定手段29からの設定値Kに基づいて目標流量QAB'を算出するものである。
【0007】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
−第1の実施の形態−
図1は本発明の実施の形態に係る油圧制御装置の構成を示す回路図、図2は第1の実施の形態に係わる油圧制御装置の制御部(後述するコントローラ12)の詳細な構成を示す図、図3は本実施の形態に係る油圧制御装置が用いられるクレーンの構成を示す側面図である。図3に示すように、移動式クレーンは、走行体61と、走行体61上に搭載された旋回可能な旋回体62と、旋回体62に起伏可能に支持されたブーム63とからなり、ブーム63の先端に設けられたシーブ64を介してワイヤロープに接続されたフック65により吊り荷66を吊り上げる。
【0009】
この移動式クレーンの旋回体62の旋回用の油圧回路は、図1に示すように、原動機101によって駆動される油圧ポンプ3と、油圧ポンプ3から吐出される圧油によって駆動する旋回用油圧モータ2と、油圧ポンプ3から旋回用油圧モータ2に供給される圧油の流れを制御し、中立時に油圧モータ2の出入口ポートへ連通される一対のポートを遮断する旋回用方向制御弁1と、オペレータが旋回指令を入力する操作レバー5と、操作レバー5により操作されるパイロット弁4A,4Bと、旋回用油圧モータ2の出入口ポートに接続された2本の管路6A,6Bと、パイロット弁4A,4Bに圧油を供給するパイロット油圧源7と、旋回用方向制御弁1のセンターポートと管路6A,6Bの間に接続されたチェック弁8A,8Bと、2本の管路6A,6Bを絞りを介して連通または遮断する電磁比例流量制御弁9(以下、電磁比例弁と呼ぶ)と、管路6A,6B内の油圧を測定して圧力信号P1,P2を出力する圧力センサ10A,10Bと、旋回速度に比例する旋回体62の回転数を検出して正転時はプラス、逆転時はマイナスの信号S1を出力する回転数センサ11と、中立フリー/中立ブレーキの各方式を選択するモード選択スイッチ13と、電磁比例弁9の弁開度(絞り面積)を制御するコントローラ12とからなる。
【0010】
ここで、中立フリー/中立ブレーキの各モードについて説明する。中立フリーモードとは、操作レバー5の操作方向に駆動トルクを発生させ油圧モータ2を駆動するモードであり、このモードにおいては操作レバー5を中立位置に戻しても油圧モータ2には旋回抵抗以外のブレーキ力が作用せず、旋回体62は慣性力で回転する。このようなモードは、例えば吊り荷の揺れを少なくする場合に適している。また、中立ブレーキモードとは、操作レバー5の操作量に応じて油圧モータ2を駆動するモードであり、このモードにおいては操作レバー5を中立位置に戻すと油圧モータ2に油圧ブレーキ力が作用し、旋回体62の回転が停止する。このようなモードは、例えば旋回体の微小な位置決めを行う場合に適している。なお、中立フリー/中立ブレーキの作動状態を図示すると例えば図4に示すようになる。図4(a)は中立位置からの操作レバー5の入力状態を、図4(b)はその入力状態に対応する各モードの旋回速度をそれぞれ示す。本実施の形態では、中立ブレーキモード時に電磁比例弁9を閉じて管路6A,6B間の連通を阻止することで油圧モータ2にブレーキ力を作用させ、中立フリーモード時に電磁比例弁9を開けて管路6A,6B間の連通を許容することで油圧モータ2を慣性力で回転させる。以下、この点について詳述する。
【0011】
図2に示すように、コントローラ12は、回転数センサ11からの回転数信号S1を取り込み、それに所定の減速比α(本実施の形態ではα=1とする)と油圧モータ2の1回転あたりの押しのけ量qを乗じ、電磁比例弁9を通過させる流量QAB(=S1×α×q:以下、これを目標流量と呼ぶ)を算出する流量算出器21と、圧力信号P1,P2を取り込み、圧力信号P2からP1を減算してその差分信号ΔP(=P2−P1)を算出する差分器22と、差分信号ΔPの符号を判定する符号判別器23と、予め与えられた目標流量QABと制御信号A'との対応テーブルを用い、目標流量QABを制御信号A'に変換する変換テーブル24A,24Bと、モード切換スイッチ13からの信号を判定し、中立フリーモードが選択されているときは電磁比例弁9のソレノイドに制御信号A'をそのまま出力し、中立ブレーキモードが選択されているときは制御信号A'=0を出力するモード判別器25とを有している。電磁比例弁9の弁特性は、コントローラ12からの制御信号A'の増加に伴い弁開度が大きくなるように設定され、制御信号A'=0では弁は閉じられる。また、変換テーブル24Aの目標流量QAB≦0の領域、および変換テーブル24Bの目標流量QAB≧0の領域では、制御信号A'=0となるようなリミッタ処理が施される。
【0012】
次に、第1の実施の形態の動作について説明する。なお、以下の説明では管路6Aからの圧油によって油圧モータ2が回転する方向を正転方向、管路6Bからの圧油によって油圧モータ2が回転する方向を逆転方向と定義する。
【0013】
(1)中立ブレーキモード
モード切換スイッチ13により中立ブレーキモードが選択されると、前述したモード判別器25によって電磁比例弁9のソレノイドに制御信号A'=0が出力され、電磁比例弁9は閉じられて管路6A,6B間の連通は阻止される。ここで旋回体62を正転させようとして操作レバー5を正転側へ起動操作すると、その操作量に応じてパイロット弁4Aが駆動され、パイロット油圧源7からの圧油(パイロット圧)はパイロット弁4Aを介して方向制御弁1のパイロットポートに供給される。すると、方向制御弁1は位置(イ)側に切り換えられ、油圧ポンプ3からの圧油は方向制御弁1および管路6Aを介して油圧モータ3へ供給される。これによって、油圧モータ2は正転方向へ回転され、旋回体62は操作レバー5の操作量に応じた速度で駆動される。
【0014】
正転方向に駆動している旋回体62を減速させようとして操作レバー5を中立側へ操作すると、その操作量に応じてパイロット圧が減少し、方向制御弁1は中立側へ駆動される。これによって、方向制御弁1による絞り(メータアウト絞り)が閉じられ、管路6B内の圧力は増加してブレーキ圧が生じ、旋回体62の回転は減速される。操作レバー5を完全に中立位置に戻すと、管路6A,6Bは油圧ポンプ3およびタンクからブロックされ、図4(b)の点線に示すように旋回体62の回転は速やかに停止される。なお、この状態では旋回体62に何らかの外力が作用しても旋回体62は回転されない。以上の動作は、旋回体を逆転方向へ駆動した場合も同様である。
【0015】
(2)中立フリーモード
モード切換スイッチ13により中立フリーモードが選択され、旋回体を正転させようとして操作レバー5を正転側へ起動操作すると、前述したのと同様、方向制御弁1は位置(イ)側に切り換えられ油圧モータ2が正転方向へ回転される。このとき、回転数センサ11から出力される信号S1はプラス(>0)であるため目標流量QAB>0となり、また、圧力センサ10A,10Bから出力される信号P1,P2はP1>P2であるため差圧信号ΔP<0となる。その結果、変換テーブル24Bにおいて制御信号A'=0にリミッタ処理され、その制御信号A'=0が電磁比例弁9にそのまま出力される。一方、起動時に操作レバー5を逆転側へ操作すると、回転数センサ11から出力される信号S1はマイナス(<0)であるため目標流量QAB<0となり、また、圧力センサ10A,10Bから出力される信号P1,P2はP1<P2であるため差圧信号ΔP>0となる。その結果、変換テーブル24Aにおいて制御信号A'=0にリミッタ処理され、その制御信号A'=0が電磁比例弁9に出力される。このように起動時においては電磁比例弁9に制御信号A'=0が出力され、前述した中立ブレーキモードと同様、管路6A,6B間の連通が阻止されて、旋回体62は操作レバー5の操作量に応じた速度で駆動される。なお、操作レバーを正転側または逆転側の所定位置に保持した時、および操作レバーを加速操作した時も同様に、電磁比例弁9に制御信号A'=0が出力される。
【0016】
中立フリーモードが中立ブレーキモードと異なるのは、以下のように操作レバー5を減速,停止操作した時である。正転中の旋回体62の駆動を停止しようとして操作レバー5を中立位置に操作すると、方向制御弁1へのパイロット圧が減少して方向制御弁1が中立位置に駆動され、管路6B内の圧力が増加する。このとき、回転数センサ11から出力される信号はプラスであるため目標流量QAB>0となるが、圧力センサ10A,10Bから出力される信号P1,P2はP1<P2であるため差分信号ΔP>0となって、変換テーブル24Aで制御信号A'>0が演算され、その制御信号A'が電磁比例弁9に出力される。その結果、電磁比例弁9が所定量開放されて、目標流量QABに相当する流量が電磁比例弁9を介して管路6Bから管路6Aへと流れる。これによって、管路6B内の油圧力が減少し、油圧モータ2にはブレーキ力が作用することなく旋回体62は慣性力で回転し続ける。なお、このように回転する旋回体62にも現実には旋回抵抗が作用するため、図4(b)の実線に示したように旋回体62の駆動はやがて停止する。旋回体62の駆動を強制的に停止させる場合には、操作レバー5を逆側に操作して(いわゆる逆レバー)管路6B内の油圧力を増加させればよい。
【0017】
このように第1の実施の形態によると、油圧モータ2の出入口ポートを連通および遮断する電磁比例弁9を設け、旋回体62の回転数と油圧モータ2の前後差圧、および中立ブレーキ/中立フリーの各モードに基づいて電磁比例弁9の弁開度を制御するようにしたので、操作レバー5の操作位置に拘わらず常に最適な中立フリー/中立ブレーキの各状態を実現することができる。また、コントローラ12では目標流量QABを演算し、その目標流量QABに応じた制御信号A'を出力するようにしたので、制御アルゴリズムが容易となる。さらに、中立フリーモードにおいて、電磁比例弁9を通過する流量、すなわち油圧モータ2に供給される流量を直接制御するようにしたので、リリーフ弁の圧力制御によって油圧モータへ供給される流量を間接的に制御するものに比べ、旋回体の速度制御の精度が向上する。
【0018】
−第2の実施の形態−
図5は、本発明の第2の実施の形態に係わる油圧制御装置の構成を示す回路図である。なお、図1、2と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。図5に示すように、第2の実施の形態が第1の実施の形態と異なるのは、制御信号A'の算出方法である。すなわち、第1の実施の形態が変換テーブル24A,24Bを用いて目標流量QABから制御信号A'を求めたのに対し、第2の実施の形態では後述するような演算式(I)を用いて圧力信号ΔPと目標流量QABから制御信号A'を算出する。
【0019】
図5において、開口量算出器26では、流量算出器21で算出された目標流量QABと差分器22で算出された差圧信号ΔPに基づいて次式(I)で示す演算がなされ、目標流量QABを流すために必要な電磁比例弁9の弁開度A(以下、これを目標開口量と呼ぶ)が算出される。
【数1】
A=C1・QAB/√|ΔP| ただし、C1:定数 (I)
上式(I)は、一般的なオリフィスの式である次式(II)を変形した式であり、オリフィス通過流量Qが目標流量QABに、オリフィス差圧Δpが差分信号ΔPにそれぞれ対応する。
【数2】
このようにして算出された目標開口量Aは、リミッタ処理器27Aまたは27Bで目標開口量Aに相当する制御信号A'に変換される。その際、リミッタ処理器27Aの目標開口量A≦0の領域、およびリミッタ処理器27Bの目標開口量A≧0の領域では制御信号A'=0のリミッタ処理が施される。
【0020】
このように構成された第2の実施の形態の動作は、基本的には第1の実施の形態と同様である。ただし、第2の実施の形態では目標流量QABだけでなく差圧信号ΔPをも考慮して目標開口量Aを算出したので、電磁比例弁9に精度良く目標流量QABを流すことができる。
【0021】
−第3の実施の形態−
図6は、本発明の第3の実施の形態に係わる油圧制御装置の構成を示す回路図である。なお、図5と同一の箇所には同一の符号を付し、以下ではその相違点を主に説明する。図6に示すように、第3の実施の形態が第2の実施の形態と異なるのは、オペレータが任意にゲインGを調整するゲイン設定器29と、ゲイン設定器29からの信号を取り込み、目標流量QABにゲインKを乗じてゲイン流量QAB'(=K×QAB)を算出する乗算器28を設けた点であり、第3の実施の形態では、目標流量QABではなくゲイン流量QAB'に基づいて制御信号A'が演算される。なお、この場合、ゲインKは0≦K≦1の範囲で設定され、したがって、ゲイン流量QAB'は0≦QAB'≦QABの条件を満たす。
【0022】
このように構成された第3の実施の形態では、ゲインKを調整することで、例えば図7に示すように中立フリーモード時における旋回速度の減速度が変更される。図7において、ゲインK=0に設定するとゲイン流量QAB'=0となり、この状態では中立ブレーキモード時と同様、電磁比例弁9は閉じられ、操作レバー5の入力状態に応じて旋回体62は速やかに減速される。また、ゲインK=1に設定するとゲイン流量QAB'=目標流量QABとなり、この状態で電磁比例弁9の弁開度は第2の実施の形態の目標開口量Aと等しくなって、操作レバー5を減速操作しても旋回体62は慣性力で回転する。
【0023】
このように第3の実施の形態によると、目標流量QABに任意のゲインKを乗じてゲイン流量QAB'を算出し、このゲイン流量QAB'に基づいて制御信号A'を演算するようにしたので、中立フリーモード時の減速度を自由に変更することができ、これによって、減速の感じ方を変更したいというオペレータの要求にも容易に応えることができ、使い勝手が向上する。
【0024】
なお、上記実施の形態における旋回制御装置はクレーンに適用するようにしたが、油圧ショベルにも同様に適用することができる。また、上記実施の形態では電磁比例弁9を用いて中立フリーモード時に管路6A(6B)から管路6B(6A)へと目標流量QABまたはゲイン流量QAB'に相当する圧油を流すようにしたが、目標流量QABまたはゲイン流量QAB'を算出することなく単に管路6A(6B)から管路6B(6A)への流れを許容するだけでも中立フリーモードを実現することができる。
【0025】
さらに、上記実施の形態では電磁比例弁9を用いて管路6A,6B内の圧力を制御するようにしたが、管路6A,6B内の圧力を増減できるものであれば種々の構成を採用できる。さらにまた、上記実施の形態では目標流量QABを算出するために回転数センサ11を用いたが、速度センサを用いてもよい。また、上記実施の形態では、コントローラ12の制御アルゴリズムをブロック図によりハード的に説明したが、これは説明をわかりやすくするためのものであり、実際はソフト的に実施される。
【0026】
以上の実施の形態と請求項との対応において、電磁比例弁9が弁装置を、圧力センサ10A,10Bが圧力検出手段を、回転数センサ11が回転数検出手段を、モード切換スイッチ13がモード選択手段を、コントローラ12が制御手段を、ゲイン設定器29が減速比設定手段をそれぞれ構成し、目標流量QABまたはゲイン流量QAB'が目標流量に対応する。
【0027】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、旋回用油圧モータの出入口ポートにそれぞれ接続する2本の管路間を連通および遮断する弁装置を設け、中立ブレーキモードにおいては2本の管路間を遮断し、中立フリーモードにおいては2本の管路の圧力と旋回用油圧モータの回転数に基づいて2本の管路間を連通するようにしたので、操作レバーの操作位置に拘わらず最適な中立フリー/中立ブレーキの各状態を実現することができる。また、所定のパターンに従って中立フリー/中立ブレーキの各状態を実現するものに比べ、制御アルゴリズムが簡素化される。とくに請求項2の発明によれば、旋回用油圧モータの回転数に基づいて算出された目標流量を一方の管路から他方の管路へと流すようにしたので、精度よく旋回体を速度制御することができる。さらに請求項3の発明によれば、旋回用油圧モータの減速比を設定可能としたので、中立フリーモードにおける旋回体の減速度を任意に変更することができ、使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る旋回制御装置の油圧回路図。
【図2】第1の実施の形態に係わる旋回制御装置の制御部の詳細な構成を示す図。
【図3】本発明が適用されるクレーンの全体構成図。
【図4】中立フリー/中立ブレーキ各モードの操作レバーの入力に対応する旋回速度の一例を示す図。
【図5】第2の実施の形態に係わる旋回制御装置の制御部の詳細な構成を示す図。
【図6】第3の実施の形態に係わる旋回制御装置の制御部の詳細な構成を示す図。
【図7】第3の実施の形態に係わる旋回制御装置の操作レバーの入力に対する旋回速度の一例を示す図。
【符号の説明】
1 旋回用方向制御弁
2 旋回用油圧モータ
3 油圧ポンプ
6A,6B 管路
9 電磁比例流量制御弁
10A,10B 圧力センサ
11 回転数センサ
12 コントローラ
13 モード切換スイッチ
29 ゲイン設定器
Claims (3)
- 油圧ポンプと、
該油圧ポンプから吐出される圧油により駆動する旋回用油圧モータと、
前記油圧ポンプから前記旋回用油圧モータに供給される圧油の流れを制御し、中立時に前記油圧モータの出入口ポートへ連通される一対のポートを遮断する制御弁とを備えた油圧制御装置において、
前記旋回用油圧モータの出入口ポートにそれぞれ接続する2本の管路間を連通および遮断する弁装置と、
前記2本の管路の圧力をそれぞれ検出して圧力信号を出力する圧力検出手段と、
前記旋回用油圧モータの回転数に基づく物理量を検出して回転数信号を出力する回転数検出手段と、
中立ブレーキモードと中立フリーモードとを選択するモード選択手段と、
前記中立ブレーキモードが選択されると前記2本の管路間を遮断する一方、前記中立フリーモードが選択されると前記圧力信号と前記回転数信号に基づいて前記2本の管路間を連通あるいは遮断するように前記弁装置の駆動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記圧力信号に基づいて前記油圧モータに作用する圧油の方向を演算するとともに、前記回転数信号に基づいて前記油圧モータの回転方向を演算し、前記中立フリーモードが選択され、かつ演算された前記油圧モータに作用する圧油の方向と前記油圧モータの回転方向とが異なったときに、前記2本の管路間を連通するように前記弁装置の駆動を制御することを特徴とする旋回制御装置。 - 前記制御手段は、前記回転数信号に基づいて目標流量を算出し、一方の前記管路から他方の前記管路へと前記目標流量が流れるように前記弁装置の駆動を制御することを特徴とする請求項1に記載の旋回制御装置。
- 前記旋回用油圧モータの減速比を設定する減速比設定手段を備え、前記制御手段は、さらに前記減速比設定手段からの設定値に基づいて前記目標流量を算出することを特徴とする請求項2に記載の旋回制御装置。
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