JP3989648B2 - 旋回制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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、例えば実開昭６１−１１２０６８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、操作レバーの操作量に応じて切り換えられる中立ブロックの旋回制御弁と油圧モータの間の一対の管路に切換弁を設けるとともに、操作レバーを中立付近に戻した際にオンする圧力スイッチを設ける。中立フリーが選択された状態で圧力スイッチがオンすると、切換弁は油圧モータの出入口ポートを連通するように切り換えられ、これによって、中立フリーの状態が得られる。また、中立ブレーキが選択された状態では、切換弁は常に油圧モータの出入口ポートの連通を阻止するように切り換えられ、これによって、中立ブレーキの状態が得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の装置では、中立フリーが選択された状態で操作レバーを中立付近に戻した場合、旋回制御弁の切換動作に対し切換弁の切換動作に遅れ（応答遅れ）が生じると、とくに操作レバーを急速に中立ブロック位置に戻した際には、切換弁の応答遅れの分だけ油圧モータの出口側管路の圧力が上昇し、旋回体の減速動作にショックが発生して荷振れなどが引き起こされる。
【０００４】
本発明の目的は、切換弁などの応答遅れに起因したショックを低減し、良好な中立フリーの状態を得ることのできる旋回制御装置を提供することにある。
【０００５】
【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、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、旋回用油圧モータ２の旋回指令を入力する操作レバー５,５'と、旋回指令に基づいて駆動され、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する制御弁１とを備えた旋回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を連通および遮断する弁装置９と、操作レバー５、５'による減速の旋回指令が入力された際に変化する物理量Ｓ１,Ｐ１,Ｐ２に基づいて２本の管路６Ａ,６Ｂを連通するように弁装置９の駆動を制御する制御手段１２と、操作レバー５による減速の旋回指令を遅れ側に補正して出力し、制御弁１の駆動を遅延させる遅延手段１４Ａ,１４Ｂ,２６,２７Ａ,２７Ｂとを備え、遅延手段が、操作レバー５，５’により減速の旋回指令がなされると同時に操作レバー５，５’の減速操作時における弁装置９の駆動の応答遅れより制御弁１の駆動の応答遅れの方が大きくなるように制御弁１を徐々に中立位置側に切り換える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、制御弁１が、パイロット圧により切り換わる油圧パイロット式制御弁であり、遅延手段を、制御弁１にパイロット圧を供給するパイロット回路に設けられ、操作レバー５，５’の減速指令に対しパイロット圧を遅延して出力するパイロット圧遅延用弁装置１４Ａ，１４Ｂ，２７Ａ，２７Ｂとしたものである。
（３） 請求項３の発明は、遅延手段１４Ａ,１４Ｂ,２６,２７Ａ,２７Ｂが、操作レバー５,５'により減速以外の旋回指令が入力されると、その旋回指令をそのまま出力するものである。
【０００６】
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。
【０００７】
【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は本発明の第１の実施の形態に係る旋回制御装置の構成を示す回路図、図２は旋回制御装置の制御部（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旋回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。
【０００８】
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され旋回用油圧モータ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、油圧モータ２の出入口ポートと接続されている一対のポートを中立時に遮断する中立ブロック型の旋回用方向制御弁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、方向制御弁１へパイロット弁４Ａ,４Ｂからのパイロット圧油を速やかに供給するとともに、方向制御弁１からのパイロット圧油の戻りを遅延させるスローリターン弁１４Ａ,１４Ｂとを有している。
【０００９】
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。
【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を中立位置に戻しても油圧モータ２に油圧ブレーキ力を作用させないようなモードをいい、このモードにおいては減速操作に拘わらず旋回体６２は慣性力で回転する。中立フリーモードは、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を中立位置に戻すと油圧モータ２に油圧ブレーキ力を作用させるモードをいい、このモードにおいては減速操作に伴い旋回体６２の回転が停止する。中立ブレーキモードは、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。
【００１１】
次に、中立フリーモードにおける動作の一例である図４を用いて第１の実施の形態に係わる旋回制御装置の動作について説明する。図４（ａ）は中立位置からの操作レバー５の入力状態を示し、図４（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）はその入力状態に対応して作用する方向制御弁１のパイロットポートへのパイロット圧,油圧モータ２の前後差圧,旋回体の旋回速度をそれぞれ示す。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。また、電磁比例弁９の切換動作には、一定の遅れが生じることを前提とする。ただし、この遅れによる悪影響は後述するように排除される。
【００１２】
（１）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を選択し、時間ｔ0において操作レバー５を中立位置から正転側（図１のＡ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で減圧されて、管路１５Ａおよびスローリターン弁１４Ａ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、これによって、油圧モータ２は正転方向へ回転される。
【００１３】
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。
【００１４】
また、操作レバー５を中立位置から逆転側へ操作すると、その操作量に応じてパイロット弁４Ｂ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４Ｂで減圧されてスローリターン弁１４Ｂを介して方向制御弁１のパイロットポートに供給され、これによって、方向切換弁１は位置（ロ）側に切り換えられて油圧モータ２は逆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。
【００１５】
このように起動時においては電磁比例弁９のソレノイドに制御信号Ａ'＝０が出力され、これによって、電磁比例弁９は閉じられて管路６Ａ,６Ｂ間の連通が阻止され、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。なお、操作レバー５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５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】
一方、時間ｔ1において正転側へ操作された操作レバー５を中立位置に戻し操作すると、パイロット弁４Ａは中立位置に戻され、方向切換弁１のパイロットポートに作用するパイロット圧はスローリターン弁１４Ａ、管路１５Ａおよびパイロット弁４Ａを介してタンクに回収される。これによって、方向切換弁１に作用するパイロット圧は徐々に減少し、油圧モータ２の前後差圧（Ｐ２−Ｐ１）は増加（絶対値では減少）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である。やがて、時間ｔ2でＰ２＞Ｐ１となり差分信号ΔＰ＞となると、コントローラ１２の変換テーブル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。これによって、電磁比例弁９は所定量開放され、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、管路６Ｂ内の油圧力が減少する。
【００１７】
ここで、図４（ｂ）の点線ｂ''に示すように、方向切換弁１が操作レバー５の戻し操作に追従して切り換えられるとしたら、電磁比例弁９の開放動作の応答遅れにより油圧モータ２の前後差圧ΔＰは図４（ｃ）のｃ''のように急激に立ち上がり、旋回体６２の減速動作に図４（ｄ）のｄ''のように急減速によるショックが生じる。しかしながら、本実施の形態では、図４（ｂ）の実線ｂ'に示すように、方向切換弁１は操作レバー５の戻し操作から遅れて徐々に切り換えられるため、油圧モータ２の前後差圧ΔＰが図４（ｃ）のｃ'のようになり、旋回体６２は図４（ｄ）のｄ'のようにショックのない良好な旋回フリーの状態を得ることができる。この場合、方向切換弁１の切換速度の遅れは、スローリターン弁１４Ａ,１４Ｂの絞り開度などによって左右される。本実施の形態では、方向切換弁１の遅れが電磁比例弁９の応答遅れよりも大きくなるように、すなわち、操作レバー５を中立に戻したとき、電磁比例弁９に制御信号が入力されてから切り換えはじめるまでの遅れ時間内に方向切換弁１が中立位置とならないように、スローリターン弁１４Ａ,１４Ｂの絞り開度を決定する。
【００１８】
（２）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を選択すると、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）側に切り換えられて油圧モータ３が正転方向へ回転され。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。
【００１９】
操作レバー５を中立側へ操作すると、前述したのと同様、方向切換弁１に作用する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、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６２を逆転方向へ駆動した場合も同様である。
【００２０】
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を設けるとともに、パイロット弁４Ａ,４Ｂと方向切換弁１のパイロットポートの間にスローリターン弁１４Ａ,１４Ｂを設け、操作レバー５が急速に中立位置へ操作された場合、方向切換弁１の切り換え速度を遅らせるようにしたので、方向切換弁１の切換に対して電磁比例弁９の応答性の遅れが低減され、減速時のショックが緩和される。また、この場合、電磁比例弁９が十分に開いてから方向切換弁１が中立位置へ復帰するようにしたので、減速時のショックが十分に緩和され、良好な中立フリーの状態を得ることができる。
【００２１】
また、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。さらに、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。さらにまた、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、例えば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。
【００２２】
−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旋回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の実施の形態においては、パイロット油圧源７と方向切換弁１のパイロットポートの間に電磁比例減圧弁２７Ａ,２７Ｂが設けられている。操作レバー５'は電気レバーであり、コントローラ２６では操作レバー５'からの信号に基づいて制御信号を演算し、その制御信号を電磁比例減圧弁２７Ａ,２７Ｂのソレノイドに出力する。これによって、電磁比例減圧弁２７Ａ,２７Ｂの減圧度は操作レバー５'の操作量に応じた値に制御され、パイロット油圧源７からの１次圧はその減圧度に応じた２次圧（パイロット圧）に制御される。
【００２３】
操作レバー５'の操作量と電磁比例減圧弁２７Ａ,２７Ｂ通過後の２次圧との関係は、図６に示すとおりである。図６（ａ）,（ｂ）は中立フリーモードの関係を、図６（ｃ）,（ｄ）は中立ブレーキモードの関係をそれぞれ示す。例えば正転方向への起動時ｔ0には、電磁比例減圧弁２７Ａの減圧度は操作レバー５'の操作量に追従して制御され、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、２次圧は操作レバー５'の操作量に対応して変化する。中立フリーモードにおける減速時ｔ1には、電磁比例減圧弁２７Ａの減圧度は操作レバー５'の操作から所定の遅れを持って制御され、図６（ｂ）に示すように、２次圧は徐々に減少する。この場合、電磁比例減圧弁２７Ａの遅れは電磁比例弁９の応答遅れを考慮して決定され、方向切換弁１が中立位置へ切り換わる前に電磁比例弁９を開かせる。その結果、第１の実施の形態と同様、電磁比例減圧弁９の応答性の遅れによる悪影響を解消することができる。一方、中立ブレーキモードにおける減速時ｔ1には、電磁比例減圧弁２７Ａの減圧度は操作レバー５'の操作量に追従して制御され、図６（ｄ）に示すように、２次圧は操作レバー５'の操作量に対応して変化する。その結果、方向切換弁１は即座に中立位置に切り換えられ、旋回体６２の動作を素早く停止させることができる。
【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、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に相当する圧油を流すようにしたが、電磁比例弁９を単に電磁切換弁として構成し、目標流量ＱＡＢを算出することなく単に管路６Ａ（６Ｂ）から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。この場合、例えば管路１５Ａ,１５Ｂ内のパイロット圧の検出による操作レバー５の減速操作の検出後に電磁切換弁に切換信号を出力すればよい。
【００２５】
さらに、上記実施の形態では、減速時に電磁比例減圧弁９の切換により中立フリーモードと中立ブレーキモードをそれぞれ実現可能としたが、中立フリーモードの専用機、つまり減速時に電磁比例弁を常に開位置に切り換えらるものであってもよい。さらにまた、方向切換弁１をセンターバイパス型の切換弁として用いる場合にはそのままでも中立フリーモードが実現できるが、その際、減速時のショックを緩和するために電磁比例弁９を設け、その弁開度を制御するようにしてもよい。
【００２６】
以上の実施の形態と請求項との対応において、方向切換弁１が制御弁を、電磁比例弁９が弁装置を、コントローラ１２が制御手段を、スローリターン弁１４Ａ,１４Ｂあるいはコントローラ２６と電磁比例減圧弁２７Ａ,２７Ｂが遅延手段を、それぞれ構成する。
【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、操作レバーによる減速の旋回指令が入力された際に変化する物理量に基づいて弁装置を駆動し、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本の管路を連通するとともに、操作レバーによる減速の旋回指令を遅れ側に補正して制御弁の駆動を遅延させるようにしたので、制御弁の駆動に対する弁装置の応答遅れが低減され、ショックの少ない良好な中立フリーの状態を得ることができる。
【００２８】
また、減速時以外には操作レバーからの旋回指令をそのまま出力するようにしたので、起動時には速やかに駆動トルクを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る旋回制御装置の油圧回路図。
【図２】本発明の第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】本発明の第１の実施の形態に係わる旋回制御装置において、中立フリーモード時の操作レバーの入力と方向制御弁指令圧、モータ前後差圧、旋回速度との対応関係の一例を示す図。
【図５】第２の実施の形態に係わる旋回制御装置の油圧回路図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係わる旋回制御装置において、中立フリー／中立ブレーキ各モードにおける操作レバーの入力と方向制御弁指令圧との対応関係の一例を示す図。
【符号の説明】
１ 方向切換弁 ２ 旋回用油圧モータ
３ 油圧ポンプ ５,５' 操作レバー
６Ａ,６Ｂ 管路 ９ 電磁比例減圧弁
１２ コントローラ １３ モード選択スイッチ
１４Ａ,１４Ｂ スローリターン弁
２６ コントローラ ２７Ａ,２７Ｂ 電磁比例減圧弁

Claims (3)

1. 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、
   前記旋回用油圧モータの旋回指令を入力する操作レバーと、
   前記旋回指令に基づいて駆動され、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する制御弁とを備えた旋回制御装置において、
   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本の管路を連通および遮断する弁装置と、
   前記操作レバーによる減速の旋回指令が入力された際に変化する物理量に基づいて前記２本の管路を連通するように前記弁装置の駆動を制御する制御手段と、
   前記操作レバーによる減速の旋回指令を遅れ側に補正して出力し、前記制御弁の駆動を遅延させる遅延手段とを備え、
   前記遅延手段は、前記操作レバーにより減速の旋回指令がなされると同時に前記操作レバーの減速操作時における前記弁装置の駆動の応答遅れより前記制御弁の駆動の応答遅れの方が大きくなるように前記制御弁を徐々に中立位置側に切り換えることを特徴とする旋回制御装置。
2. 前記制御弁は、パイロット圧により切り換わる油圧パイロット式制御弁であり、
   前記遅延手段は、前記制御弁にパイロット圧を供給するパイロット回路に設けられ、前記操作レバーの減速指令に対しパイロット圧を遅延して出力するパイロット圧遅延用弁装置であることを特徴とする請求項１に記載の旋回制御装置。
3. 前記遅延手段は、前記操作レバーにより減速以外の旋回指令が入力されると、その旋回指令をそのまま出力することを特徴とする請求項１または２に記載の旋回制御装置。

Images