JP4243366B2 - 作業機械の用具を制御するための方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的に作業機械の作業具の動作を制御するための装置と方法に関する。より詳細には、本発明は、可変容量形ポンプを制御することに応答して、作業具の動作を制御する装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホイール式ローダのような作業機械が、作業サイクル中に複数の位置を通って動くことのできる作業具を含む。このような作業具は、一般的にバケット、フォークおよびこれとは別の土壌処理装置を含む。バケットに組み合わされる一般的な作業サイクルは、バケットを土壌で満たすために、バケットと、これに組み合わされるリフトアームを掘削位置に位置決めし、搬送位置、持ち上げ位置、および土壌をバケットから取り出すための投機位置に順次位置決めすることを含む。制御レバーがオペレンータステーションに取り付けられて、電気油圧回路に接続されており、バケットまたはリフトアームを動かすようになっている。オペレータは、油圧レバーの開閉を行なうために手で制御レバーを動かして、加圧流体を油圧シリンダに送り、作業具を動かすようになっている。例えば、リフトアームと持ち上げるときは、オペレータは、リフトアーム油圧回路に組み合わされた制御レバーを、加圧流体が油圧バルブによってリフトシリンダのヘッド端部に流れる位置に動かしてリフトアームを持ち上げることになる。制御レバーがニュートラル位置に戻ると、油圧バルブが閉じて、加圧流体はリフトシリンダに流れない。
【０００３】
通常の操作において、作業具が、急に始動されたり、所望の作業サイクルの機能を実行した後に急に停止されることが多く、このためにバケットまたはリフトアーム、機械およびオペレータの速度と加速が急速に変化することになる。例えば、このことは、作業具が、該作業具の所望の可動範囲の極限に動かされるときに起きる。ティルトまたはリフトシリンダの線形動作と、これに関連したバケットまたはリフトアームの回転動作との間の幾何的関係が、速度と加速における急速な変化の結果としてオペレータに心地悪さを与えることになる。リンケージ組立体とこれに組み合われた油圧回路とにより吸収された力のために、メンテナンスが増え、これに関連する部品の故障が加速的に増大することになる。幾何的関係による別の可能性のある結果としては、いくつかの線形シリンダ位置に近接するリフトアームすなわちバケットの過度な角度回転であり、劣化した性能を与えることになる。
【０００４】
機械が積載物を降ろし、オペレータが短時間でこれに対応する油圧バルブを閉じるときに応力も発生する。対応する油圧バルブが短時間で閉じてリフトアームの動作が急に停止されると、負荷と作業具の慣性力が、リフトアーム組立体と油圧システムに力をかける。このような停止によって、機械の摩耗が増え、オペレータの心地良さを低下させることになる。ある状況では、機械の後部が地面から離れて持ち上がることもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
土工用機械の自律制御では、閉ループ位置あるいは対応するサブシステムの速度制御を必要とすることが多く、高レベルのコントローラの制御を受けて妨害要因を排除し、高レベルの精度を与えるようになっている。作業具はこのようなサブシステムの１例である。
本発明は、上述に記載の１つか２つ以上の問題を解決するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１態様において、作業具を制御して動かすための装置を開示する。作業具が作業機械に接続されており、油圧シリンダの操作に応じて可動である。装置が、作業具の動作の所望の速度を表すオペレータコマンド信号を作り出すオペレータ制御式ジョイスティックを含む。シリンダ位置センサーが、リフトおよびティルトシリンダの位置に応じてシリンダ位置信号を作り出す。バルブ組立体が電気バルブ信号を受信し、油圧流体流れを各油圧シリンダに制御して与えて、オペレータコマンド信号に応じてシリンダを動かすようになっている。コントローラは、オペレータコマンドおよびシリンダ位置信号を受信し、これに応じて、ポンプコマンド信号を発信し、可変容量形ポンプの吐出量を変更し、油圧シリンダの動作を調整するようになっている。
【０００７】
【実施例】
図１において、作業具制御システムが、要素符合１００で概略的に表されている。図１は、バケット１０８の形態でペーロードキャリヤーを有するホイール式ローダ機械１０４の前方部分を示す。本発明は、ホイール式ローダ機械に関連して記載するが、本発明は、履帯式ローダ、油圧掘削機および同様の積載作業具を有する、これらとは別の機械のように多くの土工用機械にも同じように適用できる。バケット１０８は、リフトアーム組立体すなわちブーム１１０に接続されており、機械フレームに取り付けられたブームピボットピン１１２のまわりを２つの油圧リフトアクチュエータすなわちシリンダ１０６（一つだけを図示する）によりピボット運動可能に作動する。ブーム荷重支持ピボットピン１１８がブーム１１０とリフトシリンダ１０６に取り付けられている。バケット１０８は、バケットティルトアクチュエータすなわちシリンダ１１４によりティルトピボットピン１１６のまわりで傾斜する。
【０００８】
図２を参照すると、ホイール式ローダに適用されるような作業具制御システム１００が図式的に示されている。作業具制御システムは、複数の入力を検出し、これに応じて制御システムにおいて様々なアクチュエータに送信される出力信号を発する。好ましくは、作業具制御システムは、マイクロプロセッサベースのコントローラ２０８を含む。
第１、第２および第３のジョイスティック２０６Ａ、２０６Ｂおよび２０６Ｃが作業具１０２に対しオペレータ制御を行うようになっている。ジョイスティックは、単一の軸線に沿った動作を行なう制御レバー２１９を含む。しかし、第１の軸線（水平）に沿った動作に加え、制御レバー２１９は水平軸線に垂直な第２の軸線に沿って動いてもよい。第１のジョイスティック２０６Ａは、ブーム１１０の持ち上げ操作を制御する。第２のジョイスティック２０６Ｂは、バケット１０８のティルト操作を制御する。第３のジョイスティッック２０６Ｃは、特定の作業工具の操作のような補助的な機能を制御する。
【０００９】
ジョイスティック位置センサー２２０は、ジョイスティック制御レバー２１９の位置を検出し、これに応じて電気オペレータコマンド信号を発する。オペレータコマンド信号は各油圧シリンダの所望の速度を表す。電気信号はコントローラ２０８の入力に送信される。ジョイスティック位置センサー２２０は、制御レバーのピボット運動位置に応じてパルス幅変調信号を発する回転ポテンシオメータを含むのが好ましいが、制御レバーのピボット運動位置に応答して電気信号を発信できるセンサーであれば本発明にも適応できる。
シリンダ位置センサー２１６、２１８は、リフトおよびティルトシリンダ１０６、１１４の位置を検出し、これに応答してシリンダ位置信号を発する。１実施例において、位置センサー２１６、２１８は、回転ポテンシオメータを含む。回転ポテンシオメータは、機械に対するブーム１１０と、該ブーム１１０に対するバケット１０８の角度位置に応答してパルス幅変調信号を発する。ブーム１１０の角度位置は、リフトシリンダの伸び１０６Ａ、Ｂの関数であるが、バケット１０８の角度位置は、ティルトおよびリフトシリンダの伸び１１４、１０６Ａ、Ｂ双方の関数である。位置センサー２１６、２１８の関数は、直接的に、もしくは間接的に油圧シリンダの相対的な伸びを測定できる他のセンサーであっても簡単に達成できる。例えば、ポテンシオメータを、油圧シリンダ内に配置されたラジオ周波数（ＲＦ）センサーと置き換えることができる。
【００１０】
バルブ組立体２０２は、コントローラ２０８により発せられた電気信号に応答し、油圧流体の流れを油圧シリンダ１０６Ａ、Ｂ、１１４に与える。好ましい実施例において、バルブ組立体２０２は、４つの主バルブ（リフトシリンダに対し２つの主バルブ、およびティルトシリンダに対し２つの主バルブ）と、８個の油圧バルブ（各主バルブごとに２つの油圧バルブ）を含む。主バルブは、加圧流体をシリンダ１０６Ａ、Ｂ、１１４に送り、油圧バルブは、パイロット流体流れを主バルブに送る。各油圧バルブは、電気的にコントローラ２０８に接続されている。例示的な油圧バルブば米国特許第５、３６６、２０２号に開示されており、本発明はこの特許明細書の記載を本発明の一部にする。２つの主ポンプ２１２、２１４は油圧流体を主スプールに供給するのに用いられ、パイロットポンプ２２２は、油圧流体を油圧バルブに供給するのに用いられる。オン／オフ・ソレノイドバルブと圧力リリーフバルブ２２４が含まれており、油圧バルブへのパイロット流体流れを制御するようになっている。
【００１１】
本発明は、作業具の動作を正確に制御するためにポンプコマンド信号の大きさを求めることに関する。コントローラ２０８は、ＲＡＭおよびＲＯＭモジュールを含むのが好ましく、本発明の特定の特徴を実行するのにソフトウェアプログラムを記憶する。さらに、ＲＡＭとＲＯＭモジュールは、少なくとの１つのルックアップ表すなわち、ポンプコマンド信号の大きさを求めるのに使用されるマップにおけるフフトウェアを記憶する。マップは、作業具を制御するのに用いられる作業機能に対応する。作業機能は、リフト油圧シリンダ１０６Ａ、Ｂを伸ばしたり引き込ませて、バケットの高さを制御する持ち上げおよび下降操作と、ティルトシリンダ１１４を伸ばしたり引き込ませてバケットの状態を制御する投棄およびラック操作を含んでいればよい。マップに記録された数値の数は、システムの所望の精密さに依存する。測定および計算された値がメモリに記録された別個の値の間にある場合に、補間が用いられて実際の値を求めるようになっていればよい。マップの数値は経験的データのシミュレーションおよび解析に基づく。
【００１２】
操作において、コントローラ２０８は、オペレータコマンド信号を受信し、これに応じて電気バルブ信号とポンプコマンド信号を発信し、所望の速度で各油圧シリンダを制御するようになっている。バルブ組立体２０２は、電気バルブ信号を受信し、ポンプ２１２、２１４のいずれか、あるいは双方ともがポンプコマンンド信号を受信して、電気バルブとポンプコマンド信号の大きさに応答して各油圧シリンダに油圧流体を制御して流すようになっている。
図３を参照すると、コントローラ２０８の制御構造の好ましい実施例を表している。図示のように、制御構造は、位置フィードバックに基づく制御システム３００から構成される。好ましい実施例において、制御システム３００は、リフトシリンダ１０６に対応する持ち上げ機能を調整する。しかし、制御システム３００は、リフトシリンダ１０６に対応する下降機能と、ティルトシリンダ１１４に対応するラックおよび投棄機能を制御する同一の実施例により表されていてもよい。制御システム３００の操作については以下のように記載する。
【００１３】
第１に、バルブ変換ブロック３１０が、オペレータコマンド信号を対応する油圧式バルブ３１５の所望のステムの変位を表す電気バルブ信号に変換する。次いで、電気バルブ信号がバルブ３１５に送信され、バケット１０８を所望速度で持ち上げるためにリフトシリンダ１０６Ａ、１０６Ｂへの流体の流れを制御するようになっている。
流れ制限マップ３２０は、さらにオペレータコマンド信号と、バケットの高さを表すリフトシリンダ位置信号を受信し、これに応じて、ポンプコマンド信号を発信する。ポンプコマンド信号は、持ち上げ操作の最高速度を調整するのに使用される所望のポンプの吐出量を表す。ポンプとバルブスプールの吐出量を制御することによって、リフトシリンダ１０６に給送される流体流れが制御され、持ち上げ操作の速度を調整することになる。流れ制限マップ３２０については、図４によりわかりやすく図示する。
【００１４】
図４に図示されているように、流れ制限マップ３２０は、複数のオペレータコマンドおよびリフトシリンダ位置信号の大きさに対応する複数のポンプコマンド信号の大きさを記憶する。従って、オペレータコマンドおよびリフトシリンダ位置とに基づき、コントローラ２０８は、所望のポンプコマンド信号の大きさを求め、リフトシリンダ１０６Ａ、Ｂが工程の終了に向かって動いているときに、バケットの持ち上げを遅くしたり制限する。コントローラ２０８は、バケット１０８が最高リフト位置に近接するときに、持ち上げ操作に関連する速度を低下させるのに用いられる大きさを有するポンプコマンド信号を発するので有効である。図４に示したような、別のマップを下降操作を制御するのに用いることができることに留意する。さらに別の同様なマップを投棄およびラック操作を制御するのに用いることができる。さらに、マップが図示され記載されているが、本分野の当業者であれば明白なように、マップを経験的な式により表してもよい。オペレータコマンドおよびリフトシリンダ位置とに応答して、マップからポンプコマンド信号の大きさを選択するのではなく、コントローラ２０８は、オペレータコマンドおよびリフトシリダ位置とに応じて経験的式に基づき、ポンプコマンド信号の大きさを計算できる。
【００１５】
本発明を、上述の好ましい実施例を参照して、詳細に図示し記載してきたが、本分野の当業者であれば、様々な付加的な実施例を本発明の精神と範囲から逸脱することなく実行できることがわかるであろう。
ホイール式ローダのような、各作業機械が、作業サイクルウ中に複数の位置を介し動くことのできる作業具を含む。バケットに組み合わされる一般的な作業サイクルでは、ブームおよびバケットを土壌で満たすための掘削位置に、搬送位置に、持ち上げ位置に、および土壌をバケットから降ろすための投棄位置に位置決めすることを含む。
本発明は、シリンダが工程の終わりに達するときに作業具の速度を低減させる制御システムを利用する方法と装置を提供する。より詳細には、本発明は、リフトシリンダが、オペレータコマンドおよびリフトシリンダの位置に応じて工程の終わりに達するときに、持ち上げ操作の速度を低減させる。
【００１６】
好ましい実施例の機能では、ブームと、これに対応する油圧回路に関し記載されているが、本発明は、他の種類の土工用機械の作業具の位置を制御するのにも簡単に適応する。例えば、本発明は、油圧掘削機、バケットホーおよび油圧作動式作業具を有する同様の機械の作業具を制御するのに用いることができる。
本発明の別の態様、目的および利点を、図、発明の開示および請求の範囲を研究することから得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ローダ機械またはホイール式ローダの前方部の側面図である。
【図２】ローダ機械の電気油圧制御システムのブロック線図である。
【図３】電気油圧制御の制御システムの１実施例のブロック線図である。
【図４】流れ制限マップの３次元のグラフ図である。
【符号】
１００ 作業具制御システム
１０２ 作業具
１０６、１１４ 油圧シリンダ
１０８ バケット
１１０ ブーム
１１２ ブームピボットピン
１１６ ピボットピン
２０６ ジョイスティック
２１９ 制御レバー
２１６、２１８ シリンダ位置センサー

Claims (5)

1. ブームとバケットが取り付けられており、該ブームが油圧リフトシリンダにより作動される場合の持ち上げおよび下降操作と、前記バケットが油圧ティルトシリンダにより作動される場合のラックおよび投棄操作とを含む複数の作業機能を含む、内燃機関を有する土工用機械の作業具を制御して動かすための装置であって、
   オペレータ制御式ジョイスティックと、
   該ジョイスティックの位置を検出し、これに応じてオペレータコマンド信号を発するためのジョイスティック位置センサーと、
   前記リフトシリンダおよびティルトシリンダの位置を検出し、これに応答して各シリンダ位置信号を発するためのシリンダ位置センサーと、
   前記リフトシリンダおよび前記ティルトシリンダの少なくとも一方について、該シリンダの位置と、該シリンダの作動を制御するための前記オペレータコマンド信号とに対応するポンプコマンド信号を定めるポンプコマンド設定手段と、
   前記オペレータコマンド信号を受信し、これに応じて該一方のシリンダの作動を制御する電気バルブ信号を発するための手段と、
   前記電気バルブ信号を受信し、油圧流体流れを前記一方のシリンダに制御して与え、該一方のシリンダを前記オペレータコマンド信号に従って動かすようになっているバルブ組立体と、
   加圧流体を該バルブ組立体に与える可変容量形ポンプと、
   前記一方のシリンダについてのオペレータコマンド信号および前記一方のシリンダについてのシリンダ位置信号を受信し、これに応答して前記ポンプコマンド設定手段からポンプコマンド信号を読み出し、読み出された前記ポンプコマンド信号を前記可変容量形ポンプに送信し、前記可変容量形ポンプの吐出量を変更して前記各油圧シリンダの動作を調整するようになっている手段と、
   が設けられ、
   前記ポンプコマンド設定手段は、前記一方のシリンダが作動行程の終端に接近している場合には該一方のシリンダの作動速度を抑制するように前記ポンプコマンド信号を定めるように構成されたことを特徴とする装置。
2. 前記ポンプコマンド設定手段は、複数の異なる大きさのオペレータコマンド信号および複数の異なる大きさのシリンダ位置信号のそれぞれに対応する複数の異なる大きさのポンプコマンド信号を記憶するマップと、前記オペレータコマンド信号およびシリンダ位置信号の大きさに応答して、前記マップから前記複数の異なる大きさのポンプコマンド信号の１つを選択する手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記一方のシリンダはリフトシリンダであり、前記ポンプコマンド信号の大きさは、前記リフトシリンダが持ち上げ操作中に工程の終わりに達するときに前記リフトシリンダの速度を遅くするために前記ポンプの吐出量を減少させるよう選択されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. リフトシリンダとティルトシリンダを含む複数の油圧シリンダと、加圧流体を該油圧シリンダに与える可変容量形ポンプとを含む、内燃機関を有する土工用機械の作業具を制御して動かす方法であって、
   オペレータコマンド信号を発し、
   リフトシリンダ位置およびティルトシリンダ位置を検出し、これに応答して各シリンダ位置信号を発し、
   前記オペレータコマンド信号を受信し、これに応答して電気バルブ信号を発信し、
   該電気バルブ信号を受信し、油圧流体流れを前記各油圧シリンダに制御して与え、該油圧シリンダを前記オペレータコマンド信号に従って動かす、
   段階からなり、
   前記リフトシリンダおよびティルトシリンダの少なくとも一方について、前記オペレータコマンド信号およびシリンダ位置信号から該一方のシリンダの作動が作動行程の終端に接近しているかどうかを判断し、該一方のシリンダの作動が作動行程の終端に接近してい る場合には、前記一方のシリンダの作動速度を抑制するように可変容量形ポンプの吐出量を変更して該一方のシリンダの作動速度を抑制するポンプコマンド信号を発信する、
   ことを特徴とする方法。
5. 複数の異なる大きさのオペレータコマンド信号および複数の異なる大きさのシリンダ位置信号のそれぞれに対応する、複数の異なる大きさのポンプコマンド信号を予め記憶しておき、前記オペレータコマンド信号および前記シリンダ位置信号の大きさに対応して前記記憶された複数のコマンド信号の１つを選択する段階を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。

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