JP4304130B2

JP4304130B2 - 作業機械

Info

Publication number: JP4304130B2
Application number: JP2004210037A
Authority: JP
Inventors: 厚志小田嶋; まどか田坂; 浩隆飯田
Original assignee: Caterpillar Japan Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: WO2006008851A1; JP2006028908A

Description

本発明は、作業装置が所定の干渉領域に移動した際に、作業装置の動作を制御して機械本体と作業装置との干渉を防止する作業機械に関する。

従来、自走可能な下部走行体と、この下部走行体の上側に旋回可能に設けられた上部旋回体とを備えた機械本体に、ブーム、アームおよびバケットなどからなる作動可能な作業装置を設けた油圧ショベルが知られている。

そして、この油圧ショベルには、ブームをオフセット移動可能として掘削作業効率を向上した、いわゆるパワーオフセットブーム（ＰＯＢ）仕様がある。

このＰＯＢ仕様は、小型の油圧ショベルに多く用いられる。そして、この種の小型の油圧ショベルは、特に生産性を向上するためにバケットの代わりに、例えば油圧ブレーカ、あるいは、はつり機などの作業部すなわちアタッチメントを装着可能とすることが多い。例えば水道工事などでは、道路のアスファルトを油圧ブレーカ、あるいは、はつり機で剥がし、バケットで掘削作業をする。

ところで、ＰＯＢ仕様の油圧ショベルは、その機構上、オフセット移動時にバケットが車体、特にキャブに干渉するおそれがあるため、干渉防止装置が搭載されている。

一般に、この干渉防止装置は、ブームピン、アームピン、オフセットブームピンの近傍などに設けられた角度センサのそれぞれの出力値を演算処理し、所定の制御領域にバケットが位置していることを検知すると、作業装置を自動停止、あるいは自動回避させるもので、場合によっては警報、あるいは作業装置の移動速度を減速させる機構なども備えている。

しかしながら、この干渉防止装置は、予め設定されたブーム、アーム、バケット、あるいはそれらを駆動させる油圧シリンダなどの寸法に基づいてバケットの位置を演算しているため、バケットよりも寸法が大きい油圧ブレーカなどをバケットに代えて作業装置に装着した場合には、バケットを装着した場合と同じ制御領域で作業装置を停止させると、干渉防止領域よりも機械本体側へと油圧ブレーカなどが入り込むおそれがある。

特に、急速連結装置すなわちクイックカプラを用いて油圧ブレーカを接続した場合には、全長すなわちリーチが最も長くなるので、機械本体への干渉に対して注意が必要になる。

一方で、干渉防止領域を必要以上に大きく取りすぎると、作業効率が悪化するため、作業部の寸法に適合した領域設定が必要となる。

そこで、油圧ブレーカなどのアタッチメントを装着した場合でも、干渉防止装置が効果的に機能するように、アタッチメント毎に作業装置の停止位置を外部入力によって設定可能とした構成が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
特開平９−１１１７９８号公報（第３−６頁、図１）特開２０００−１６０６０２号公報（第３−４頁、図１）

しかしながら、上述の作業機械では、例えば干渉防止装置が故障して内部の回路が断線、あるいはショートした場合に、アタッチメントに応じた作業装置の停止位置の切り換えがなされず、アタッチメントが機械本体に干渉するおそれがあるという問題点を有している。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、作業装置と機械本体との干渉を防止できる作業機械を提供することを目的とするものである。

請求項１記載の発明は、機械本体と、機械本体に作動可能に設けられ、複数の作業部が選択的に装着される作業装置と、作業部に対応してそれぞれ設定された所定の制御領域に作業装置が移動した際に、作業装置の動作を制限して機械本体と作業装置との干渉を防止する干渉防止装置と、所定の制御領域を外部操作により選択的に切り換え可能であるとともに、自身の故障の際には所定の制御領域を最小でないものに設定する切換装置とを具備した作業機械であり、干渉防止装置が作業装置を制御して機械本体との干渉を防止する所定の制御領域を、切換装置を外部操作することで選択的に切り換え可能とするとともに、切換装置の故障時には所定の制御領域を最小でないものに設定することで、故障状態においても作業装置と機械本体との干渉を防止することが可能になる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械において、干渉防止装置が、各所定の制御領域を外部入力により補正可能であるものであり、所定の制御領域を外部入力により補正可能とすることで、作業装置に装着される様々な作業部に対応可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の作業機械において、干渉防止装置が、作業部に応じて設定された所定の非干渉領域に作業装置が移動した際に作動しないものであり、予め設定された所定の非干渉領域に作業装置が移動した際には、干渉防止装置が作動せず、作業装置の干渉防止の制御が必要以上に複雑化することを防止するとともに、作業装置の自由な動作が可能となり、作業性が向上する。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３いずれか一記載の作業機械において、切換装置が、少なくとも３極を有する機械的なスイッチであり、最大の所定の制御領域への設定に開放状態が対応し、２番目に大きい所定の制御領域への設定に短絡状態が対応し、他の所定の制御領域への設定に他の状態が対応しているものであり、故障として一般的に最も多い断線などによる開放状態が最大の所定の制御領域への設定に対応し、故障として２番目に多い短絡状態が２番目に大きい所定の制御領域への設定に対応していることで、故障状態において最小でない所定の制御領域に確実に設定することが可能となる。

請求項１記載の発明によれば、干渉防止装置が作業装置を制御して機械本体との干渉を防止する所定の制御領域を、切換装置を外部操作することで選択的に切り換え可能とするとともに、切換装置の故障時には所定の制御領域を最小でないものに設定することで、故障状態においても作業装置と機械本体との干渉を防止できる。

請求項２記載の発明によれば、所定の制御領域を外部入力により補正可能とすることで、作業装置に装着される様々な作業部に対応できる。

請求項３記載の発明によれば、予め設定された所定の非干渉領域に作業装置が移動した際には、干渉防止装置が作動せず、作業装置の干渉防止の制御が必要以上に複雑化することを防止できるとともに、作業装置の自由な動作が可能となり、作業性を向上できる。

請求項４記載の発明によれば、故障として一般的に最も多い断線などによる開放状態が最大の所定の制御領域への設定に対応し、故障として２番目に多い短絡状態が２番目に大きい所定の制御領域への設定に対応していることで、故障状態において最小でない所定の制御領域に確実に設定できる。

以下、本発明を図１乃至図４に示された実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図２は、作業機械としての油圧ショベルを示し、この油圧ショベルは、機械本体１に作業装置２が作動可能に設けられている。

機械本体１は、下部走行体３上に旋回部４を介して上部旋回体５が旋回可能に設けられ、この上部旋回体５には、運転席を覆うキャブ６が一側部である左側に設置され、図示されない燃料タンクあるいは作動油タンクを収納したタンク収納部７が他側部である右側に設置され、また、図示されないエンジンおよびこのエンジンにより駆動されるポンプなどの動力装置を収納した動力装置収納部８が後部に設置されている。

作業装置２は、機械本体１の上部旋回体５にブームピン11を介して上下方向に回動可能に軸支されたオフセットブーム12と、このオフセットブーム12の先端部にアームピン13を介して上下方向に回動可能に軸支されたアーム14と、このアーム14の先端部に回動可能にバケットピン15を介して軸支された作業部としてのバケット16とを備えている。

オフセットブーム12は、上部旋回体５との間に設けられた流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダであるブームシリンダ17により上下方向に回動され、アーム14は、オフセットブーム12との間に設けられた流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダであるアームシリンダ18により上下方向に回動され、バケット16は、アーム14との間にリンケージ19を介して設けられた流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダであるバケットシリンダ21により回動される。

ここで、バケット16は、アーム14の先端に対して着脱可能であり、アーム14の先端には、図４（ａ）に示されるように、例えば作業部としてのアタッチメントである油圧ブレーカ22が、リンケージ19に直接装着されたり、図４（ｂ）に示されるように、接続部材としての急速連結装置すなわちクイックカプラ23を介してリンケージ19に装着されたりする。すなわち、アーム14の先端には、バケット16、油圧ブレーカ22、あるいはクイックカプラ23および油圧ブレーカ22などが、それぞれ選択的に装着される。

そして、オフセットブーム12は、機械本体１の上部旋回体５に回動可能に軸支された基端部に対して先端部が平行に折曲可能となる構造のブームであり、図２および図３に示されるように、上部旋回体５に第１ブーム部材25の基端がブームピン11により上下方向に回動自在となるように軸支され、この第１ブーム部材25の先端に対して第２ブーム部材26の一端が横方向に回動自在となるように第１オフセットブームピン27を介して軸支され、第２ブーム部材26の他端に対して第３ブーム部材28が横方向に回動自在となるように第２オフセットブームピン29を介して軸支されている。

さらに、第１ブーム部材25および第３ブーム部材28の各側面から突設されたブラケット31，32間がオフセットバー33により軸連結され、第２ブーム部材26、ブラケット31，32およびオフセットバー33により平行四辺形が形成されるように構成されている。

このため、第１ブーム部材25および第２ブーム部材26の各側面から突設されたブラケット35，36間に設けられた流体圧アクチュエータとしての油圧シリンダであるオフセットシリンダ37により、第１ブーム部材25に対して第２ブーム部材26を回動させると、第１ブーム部材25に対して第３ブーム部材28を平行に移動させることができ、バケット16、油圧ブレーカ22、あるいはクイックカプラ23および油圧ブレーカ22などをアーム14とともに車幅方向に平行移動、すなわちオフセット移動できる。

このようなパワーオフセットブーム（ＰＯＢ）仕様機では、バケット16、あるいは油圧ブレーカ22などが機械本体１の一部であるキャブ６の前方へと移動するので、作業装置２の姿勢次第では、バケット16、油圧ブレーカ22などがキャブ６、あるいはタンク収納部７のタンクカバーと干渉するおそれが生じる。

このため、その干渉するおそれがある干渉防止領域38がキャブ６側からタンク収納部７側に亘って設定され、オフセットブーム12の第１ブーム部材25および第２ブーム部材26、および、アーム14のそれぞれの回動角を検出するポテンショメータなどの角度センサ41，42，43により、バケットピン15の位置を自動追跡することで、バケット位置、あるいは油圧ブレーカ位置を自動追跡する。これら角度センサ41，42，43は、例えば、それぞれブームピン11、アームピン13、および、第１オフセットブームピン27に設けられている。

ここで、作業装置２の先端に装着された状態で、バケット16、油圧ブレーカ22、あるいはクイックカプラ23および油圧ブレーカ22などは、幅寸法、突出量などがそれぞれ異なっている。

このため、これらバケット16、あるいは油圧ブレーカ22などの先端が干渉防止領域38内に入り込まないように、これらバケット16、油圧ブレーカ22、クイックカプラ23および油圧ブレーカ22などに応じて、バケットピン15を停止させる位置である所定の制御領域としての停止位置45が設定されている。

なお、停止位置45は、本実施の形態では、バケット16に対応した停止位置45aと、油圧ブレーカ22に対応した停止位置45bと、クイックカプラ23および油圧ブレーカ22に対応した停止位置45cとがそれぞれ設定され、停止位置45cが領域として最大であり、停止位置45aが領域として最小である。

そして、図１には、上記作業機械の制御装置が示されている。この図１において、51は動作制御装置および干渉防止装置を機能として有する制御部で、この制御部51は、各角度センサ41，42，43からの出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器52と、このＡ／Ｄ変換器52で変換された出力が入力される制御回路53と、この制御回路53からの出力をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器54とを備えている。

さらに、制御回路53には、作業装置２の停止位置を設定および切り換えをする設定切換装置55と、制御回路53に電力を供給する電源56とがそれぞれ電気的に接続されている。そして、Ｄ／Ａ変換器54は、図示されないコントロールレバーにより操作されるパイロット弁の２次側、すなわちパイロット弁と図示されないコントロール弁との間に設置された複数の電磁弁57に接続されている。

制御回路53は、オペレータによるコントロールレバーの操作に応じて各電磁弁57の弁開度を制御して各シリンダ17，18，21，37に供給されるパイロット２次圧信号を制御することで、作業装置２の動作を制御する動作制御装置の機能と、角度センサ41，42，43から出力される回動角に応じてバケットピン15の位置を常時監視することにより作業装置２の各種作業部の位置を監視して、作業装置２が停止位置45に近付くにしたがって作業装置２を徐々に減速させ、停止位置45に移動した際に停止、あるいは自動回避させる干渉防止装置の機能とを有している。

また、制御回路53は、外部信号によって書き換え可能な記憶部としての図示されないＥＥＰＲＯＭなどを備えている。

設定切換装置55は、設定装置を機能として有するモニタ61と、運転席に後付け可能な切換装置としての切換スイッチ62とをそれぞれを有している。

モニタ61は、表示部63と、設定部としての操作パネル64とを一体に有し、キャブ６内の運転席に予め配設されている。

表示部63は、バケット16と機械本体１との距離、干渉防止装置の機能が作動中であるかどうか、あるいは、エラーなどを表示する。

また、操作パネル64は、バケット16、油圧ブレーカ22、あるいはクイックカプラ23および油圧ブレーカ22などの各種作業部の刃先半径、あるいは、幅などの寸法を、各作業部に対応した制御回路53のＥＥＰＲＯＭの所定のアドレスに外部入力することで、この入力された補正値に応じて制御回路53がＥＥＰＲＯＭに予め設定された所定値を所定の演算式によって補正すなわちチューニングし、各種作業部の寸法に応じた図３に示される停止位置45および図２に示される非干渉領域65をそれぞれ設定する。

なお、この非干渉領域65は、例えば地表面Ｇに対して所定量低い位置よりも下方の、作業装置２が機械本体１に干渉するおそれがない領域とし、本実施の形態では、バケット16に対応した非干渉領域65aと、油圧ブレーカ22、クイックカプラ23および油圧ブレーカ22の両方に対応した非干渉領域65bとがそれぞれ設定されている。

さらに、操作パネル64は、干渉防止装置の機能のオンオフを制御回路53に設定する機能を有している。

一方、切換スイッチ62は、各種作業部の取り付け状態にそれぞれ対応した３極を有するロータリスイッチなどであり、例えば運転席のコンソール上などに配置されている。そして、この切換スイッチ62は、停止位置45を、オペレータなどの外部操作により選択的に切り換えるもので、この切換スイッチ62が接続されている各位置の抵抗値を読むことで、切換スイッチ62の状態を制御回路53がそれぞれ判断する。

ここで、切換スイッチ62のａ位置は所定の抵抗値の抵抗Ｒを介してアースに接続され、切換スイッチ62のｂ位置はアースに短絡すなわちショートされ、切換スイッチ62のｃ位置は開放されている。

そして、例えば本実施の形態では、切換スイッチ62のａ位置は、バケット16に対応した停止位置45aに対応し、切換スイッチ62のｂ位置は、寸法が予め分かっている油圧ブレーカ22などに対応した停止位置45bに対応し、切換スイッチ62のｃ位置は、各種クイックカプラ23の寸法の平均値と各種油圧ブレーカ22の寸法の平均値との総和、あるいは作業装置２に装着可能な最大の作業部の寸法などに対応した停止位置45cに対応している。

すなわち、停止位置45が機械本体１に最も近くなるバケット16に切り換えられる切換スイッチ62の位置を抵抗Ｒが接続される位置とし、バケット16よりも停止位置45が遠くなる作業部に切り換えられる切換スイッチ62の位置を、それぞれアースに短絡する位置、あるいはアースに対して開放された位置とする。

したがって、切換スイッチ62が故障してショートした場合には、切換スイッチ62がｂ位置に切り換わった状態と同等となり、切換スイッチ62に接続される配線が例えば図１に示されるＡ位置、Ｂ位置、あるいは、Ｃ位置などで断線した場合には、切換スイッチ62がｃ位置に切り換わった状態と同等となる。

次に、上記図１乃至図４に示された実施の形態の作用を説明する。

まず、アーム14の先端部に装着した作業部に応じて切換スイッチ62を切り換え、この装着した作業部の刃先半径、幅寸法などを操作パネル64から入力し、ＥＥＰＲＯＭに予め設定された設定値をチューニングする。

この状態で、作業装置２を作動させると、制御回路53は、角度センサ41，42，43により作業部の位置を監視し、切換スイッチ62の切り換え位置に応じて、ブーム角度およびオフセット角度などを考慮しつつ、チューニングされた設定値に基づき所定の演算式にてアーム14の制限角度を演算する。

そして、この演算された制限角度に作業装置２のアーム14の回動角が近付いたときは、制御回路53が作動を停止すべきシリンダの作動方向に対応する電磁弁57を決定し、その弁開度に相当する電気信号量を演算して、この電磁弁57の弁開度を絞り制御する。

例えば、アーム14をキャブ６側に引き寄せる操作によりバケットピン15が停止位置45に近付いたときには、その操作に対応するパイロット弁などからコントロール弁に入力されるパイロット２次圧信号を、対応する電磁弁57により徐々に減少させ最後は遮断するように規制することで、各種作業部とキャブ６などとの干渉を防止する。

さらに、キャブ６の前方、側方、あるいは上方から各種作業部が干渉防止領域38に侵入しようとした場合には、上記制御により作業装置２を停止させた際に、制御回路53が図示されないブザーを鳴らす。

なお、作業装置２のバケットピン15の位置が非干渉領域65にある場合には、作業効率を考慮し、干渉防止装置の機能を作動させず、アーム14を角度制限しない。

次に、上記図１乃至図４に示された実施の形態の効果を列記する。

作業装置２と機械本体１との干渉を防止する停止位置45を、切換スイッチ62を外部操作することで選択的に切り換え可能とするとともに、切換スイッチ62の故障時にも、断線した場合には、停止位置45bに切り換わり、ショートした場合には、停止位置45cに切り換わるなど、最小の領域である停止位置45aでないものに停止位置45が切り換わるため、故障状態においても作業装置２と機械本体１との干渉を確実に防止できる。

しかも、切換スイッチ62を切り換えるだけで停止位置45を容易に切り換えできるので、多種多様な形状および寸法を有する作業部にシステムを対応させて細かく設定する必要がなく、システムが複雑化してコストアップすることをも防止できる。

さらに、切換スイッチ62は、後付け可能なものであるから、既存のモニタ61を有効に利用することで特別な装置を用いることなく複数の作業部の干渉防止に対応できるので、製造性を向上できる。

そして、停止位置45を操作パネル64からの外部入力により補正可能とすることで、クイックカプラ仕様など、作業装置２に装着される様々な作業部に対応でき、使い勝手が向上する。

また、作業装置２が非干渉領域65に位置した場合には、干渉防止装置を作動させないことで、作業装置２の干渉防止の制御が必要以上に複雑化することを防止できるとともに、作業装置２の自由な動作が可能となり、作業性を向上できる。

さらに、切換スイッチ62は、最大の制御領域となる停止位置45cへの切り換えに開放状態が対応し、２番目に大きい制御領域となる停止位置45bへの切り換えにショート状態が対応し、他の制御領域である停止位置45aへの切り換えに他の状態が対応しているため、故障として一般的に最も多い断線などによる開放状態では、作業装置２の停止位置が停止位置45cに設定され、故障として２番目に多いショート状態では、作業装置２の停止位置が停止位置45bに設定されるので、故障状態において最小でない制御領域に確実に設定できる。

そして、ＰＯＢ仕様の油圧ショベルにおいては、他の仕様の油圧ショベルと比較して、作業装置２のアーム14を機械本体１の近傍まで引き寄せることができるので、作業装置２と機械本体１との干渉について考慮する必要があったものの、上記のように作業装置２と機械本体１との干渉を確実に防止できることで、オペレータが干渉に対して必要以上に考慮することなく作業に集中でき、信頼性および使い勝手を向上できる。

なお、上記一実施の形態において、制御回路53が作業装置２を停止位置45で停止させる制御に代えて、停止位置45でキャブ６などを回避させる構成とすることも可能である。

また、作業部としては、例えばはつり機など、他の様々なものが使用可能である。この場合には、それぞれの作業部の形状に応じて操作パネル64により停止位置45を補正することで、各作業部に対応可能となる。

さらに、干渉防止装置は、４種類以上の作業部に対応できる構成とすることも可能である。この場合には、切換スイッチ62の極数を、作業部の種類に対応させた数とする。

そして、干渉防止装置は、ＰＯＢ仕様機以外の機種の油圧ショベルに適用することも可能である。

本発明に係る作業機械の一実施の形態を示すブロック図である。同上作業機械を示す側面図である。同上作業機械を示す平面図である。（ａ）は同上作業機械の作動部の一例を示す側面図、（ｂ）は同上作業機械の作動部の他の例を示す側面図である。

符号の説明

１機械本体
２作業装置
16 作業部としてのバケット
22 作業部としての油圧ブレーカ
45 制御領域としての停止位置
51 干渉防止装置を機能として有する制御部
62 切換装置としての切換スイッチ
65 非干渉領域

Claims

機械本体と、
機械本体に作動可能に設けられ、複数の作業部が選択的に装着される作業装置と、
作業部に対応してそれぞれ設定された所定の制御領域に作業装置が移動した際に、作業装置の動作を制限して機械本体と作業装置との干渉を防止する干渉防止装置と、
所定の制御領域を外部操作により選択的に切り換え可能であるとともに、自身の故障の際には所定の制御領域を最小でないものに設定する切換装置と
を具備したことを特徴とする作業機械。
干渉防止装置は、各所定の制御領域を外部入力により補正可能である
ことを特徴とする請求項１記載の作業機械。
干渉防止装置は、作業部に応じて設定された所定の非干渉領域に作業装置が移動した際に作動しない
ことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械。
切換装置は、少なくとも３極を有する機械的なスイッチであり、最大の所定の制御領域への設定に開放状態が対応し、２番目に大きい所定の制御領域への設定に短絡状態が対応し、他の所定の制御領域への設定に他の状態が対応している
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の作業機械。