JP4421685B2 - 作業機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、高所作業車、クレーン車等の伸縮式ブームを備え且つ該伸縮式ブームを油圧アクチュエータにより起伏及び伸縮自在とした作業機の制御装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
作業機においては、該作業機を操作レバーの操作によって指示された目標速度で動作させるべく、該動作に係わる油圧アクチュエータの制御出力を演算し、この制御出力に基づいて制御バルブを作動させて上記油圧アクチュエータを駆動するようになっている。
【０００４】
ところで、上記制御出力の演算に際しては、上記操作レバーの操作に対応する上記「目標速度」を基礎として基本的な制御出力を算出し、さらに、この基本的な制御出力に、油圧アクチュエータの加速度あるいは減速度に対応した制御出力を加算して最終的な制御出力とするのが従来一般的な演算方法であって、これにより精度の高い駆動制御を実現するようにしていた。尚、このように基本的な制御出力に、加速度あるいは減速度に基づく制御出力を加算するのは、たとえ同じ目標速度であっても、油圧アクチュエータの実際の動作に必要な制御出力は、該油圧アクチュエータの動作が加速される場合と減速される場合とでは異なることを考慮したものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
然し乍ら、作業機を駆動する油圧アクチュエータの制御出力の演算に際して該油圧アクチュエータの加速度あるいは減速度を考慮したとしても、該油圧アクチュエータの負荷は作業機の姿勢によっても変動するため、より高精度の駆動制御を行おうとすれば、油圧アクチュエータの制御出力の演算に際して、作業機の姿勢を考慮する必要がある。即ち、例えば、ブームの起伏動作についてみると、ブームの伸縮長さに応じてブーム自重に基づく転倒側モーメントのアーム長さが変化し、またブームの起伏角度に応じて油圧シリンダの推力に基づく安定側モーメントのアーム長さが変化することから、起伏動作を行わせる上記油圧シリンダにかかる負荷は、ブームの伸縮長さと起伏角度に応じて変化することになる。従って、作業機の制御精度の向上という観点においては、ブームの伸縮長さ、起伏角度という作業機の姿勢に関する情報を油圧アクチュエータの制御出力の演算に際して考慮することが必要であるといえる。
【０００６】
しかるに、従来の作業機の制御装置においては、油圧アクチュエータの制御出力の演算処理に際して作業機の姿勢情報を考慮していなかったため、制御精度の向上という点において一定の限界があった。
【０００７】
そこで本願発明は、かかる従来の問題点に鑑み、油圧アクチュエータの駆動制御に際して作業機の姿勢情報を考慮することで、作業機の制御精度のより一層の向上を図ることを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として、起伏及び伸縮自在なブームと、該ブームを起伏駆動及び伸縮駆動する起伏用油圧アクチュエータと伸縮用油圧アクチュエータと、該各油圧アクチュエータを駆動制御する制御装置と、該制御装置に操作信号としての起伏目標速度及び伸縮目標速度を入力する操作手段とを備え、該各油圧アクチュエータが該操作手段によって入力された操作信号に対応した上記各目標速度になるように該各油圧アクチュエータを駆動制御する作業機の制御装置において、上記ブームの起伏角度を検出する起伏角度検出器と、該ブームの伸縮長さを検出するブーム長さ検出器とをさらに備え、上記制御装置は上記ブームを駆動制御させる時に上記操作信号と、上記ブーム長さ検出器の検出情報に基づく上記ブームの伸縮長さと、上記起伏角度検出器の検出情報に基づく上記ブームの起伏角度とに基づき、ブームの伸縮長さと起伏角度を演算要素として求められるブーム伸縮摩擦力及びブームの自重による軸方向の力に対応して必要とされる上記伸縮用油圧アクチュエータの作動力の変化とブームの伸縮長さと起伏角度を演算要素として求められるブーム転倒側モーメント及びブーム安定側モーメントに対応して必要とされる上記起伏用油圧アクチュエータの作動力の変化とを見込んで上記操作手段によって入力された操作信号に対応した上記各目標速度になるように上記各油圧アクチュエータを駆動制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本願発明にかかる作業機の制御装置によれば、上記ブームの駆動制御時には、操作手段によって入力された操作信号としての起伏目標速度及び伸縮目標速度と、上記ブーム長さ検出器の検出情報に基づく上記ブームの伸縮長さと、上記起伏角度検出器の検出情報に基づく上記ブームの起伏角度とに基づき、ブームの伸縮長さと起伏角度を演算要素として求められるブーム伸縮摩擦力及びブームの自重による軸方向の力に対応して必要とされる上記伸縮用油圧アクチュエータの作動力の変化とブームの伸縮長さと起伏角度を演算要素として求められるブーム転倒側モーメント及びブーム安定側モーメントに対応して必要とされる上記起伏用油圧アクチュエータの作動力の変化とを見込んで上記操作手段によって入力された操作信号に対応した上記各目標速度になるように上記各油圧アクチュエータが駆動制御されるので、例えば従来のように負荷変動要因であるブームの伸縮長さと起伏角度とを考慮することなく駆動制御がなされる場合に比して、作業機の作業状態により一層適した駆動制御が実現され、その制御精度がさらに高められることになる。
【発明の実施の形態】
【００１０】
以下、本発明を添付図面に示す好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００１１】
図１には、本願発明にかかる制御装置を備えた作業機の一例としてクレーン車３０を示している。
【００１２】
クレーン車３０の全体構成
上記クレーン車３０は、車両３１上に旋回自在に搭載された旋回台３２に、多段伸縮式の伸縮ブーム３３を起伏自在に取り付けて構成される。そして、上記伸縮ブーム３３は、上記旋回台３２との間に配置した起伏用油圧シリンダ６（特許請求の範囲中の「起伏用油圧アクチュエータ」に該当する）の伸縮作動により起伏駆動されるとともに、その内部に内装配置した伸縮用油圧シリンダ５（特許請求の範囲中の「伸縮用油圧アクチュエータ」に該当する）の伸縮作動により伸縮駆動される。尚、上記伸縮ブーム３３の旋回駆動は、上記旋回台３２側に配置した油圧モータ（図示省略）により行われる。
【００１３】
また、上記伸縮ブーム３３には、該伸縮ブーム３３の位置情報としてその伸縮長さと起伏角度とをそれぞれ検出するブーム長さ検出器３と起伏角度検出器４とが備えられている。さらに、上記旋回台３２側に備えられた運転室３４には、伸縮操作レバー１と起伏操作レバー２とを備えた操作盤３５が設けられている。この各操作レバー１，２を操作することで、その操作量に対応した駆動速度で上記伸縮用油圧シリンダ５及び起伏用油圧シリンダ６がそれぞれ駆動されるが、これらの駆動制御は制御ユニット「Ｕ１」と油圧ユニット「Ｕ２」とを備えてなる次述の制御装置において行われる。
【００１４】
制御装置
以下、この各油圧アクチュエータ５，６の駆動制御を行う制御装置を、図２に示す制御ブロック図を参照して説明する。
【００１５】
制御装置は、次述する制御ユニット「Ｕ１」と油圧ユニット「Ｕ２」とを備えて構成される。
上記制御ユニット「Ｕ１」は、伸縮駆動時の制御出力を演算する伸縮制御出力演算手段１１と微分器１２と、起伏駆動時の制御出力を得する起伏制御出力演算手段２１と微分器２２とを備えている。また、この制御装置には、上記伸縮操作レバー１の操作に対応して出力される操作信号としての伸縮目標速度「Ｖ１」と、上記起伏操作レバー２の操作に対応して出力される操作信号としての起伏目標速度「Ｖ２」の他に、上記伸縮ブーム３３の位置情報として、上記ブーム長さ検出器３において検出されるブーム長さ「Ｌ」と、上記起伏角度検出器４において検出される起伏角度「θ」が、それぞれ入力される。そして、伸縮動作時における制御出力の演算は上記伸縮制御出力演算手段１１において行われ、また起伏動作時における制御出力の演算は上記起伏制御出力演算手段２１において行われる。以下、この伸縮制御出力演算手段１１による伸縮動作時の演算と、起伏制御出力演算手段２１による起伏動作時の演算とを、該各制御出力演算手段１１，２１の機能とともに、それぞれ説明する。
【００１６】
Ａ：伸縮動作時における制御出力の演算処理
上記伸縮制御出力演算手段１１は、上述のように伸縮動作時の制御出力を演算するものであって、該伸縮制御出力演算手段１１には、上記伸縮操作レバー１からの伸縮目標速度「Ｖ１」の他に、該伸縮目標速度「Ｖ１」を微分器１２において微分演算して得られる伸縮目標加速度「α１」と、上記ブーム長さ「Ｌ」と上記起伏角度「θ」とがそれぞれ入力される。そして、この伸縮制御出力演算手段１１においては、これら各入力情報を受けて上記伸縮用油圧シリンダ５の伸縮制御出力「ＶＥ１」を演算にて算出し、これを伸縮駆動制御手段１３に出力する。
【００１７】
尚、この伸縮制御出力「ＶＥ１」は電圧値であり、また上記伸縮駆動制御手段１３は、上記油圧ユニット「Ｕ２」に設けられて上記伸縮用油圧シリンダ５への作動油の供給を制御する電磁バルブで構成され、該伸縮駆動制御手段１３は上記伸縮制御出力「ＶＥ１」に相当する電圧が印加されることで、該印加電圧に対応した開口面積（即ち、作動油の流量）を実現するようになっている。
【００１８】
ところで、上記伸縮制御出力演算手段１１での演算処理は次のようにして行われる。即ち、従来の制御出力の演算方法によれば、下記（１）式に示すように、上記伸縮操作レバー１の操作に対応した上記伸縮目標速度「Ｖ１」と伸縮用油圧シリンダ５の動作状態に対応した伸縮目標加速度「α１」とに基づき、この伸縮目標速度「Ｖ１」を実現し得るような上記伸縮駆動制御手段１３への印加電圧値、即ち、伸縮制御出力「ＶＥ１」を演算にて算出する。
【００１９】
伸縮制御出力「ＶＥ１」＝ｆ（Ｖ１，α１）・・・・・（１）
しかし、かかる従来の演算方法では、伸縮動作の制御出力に影響を与える負荷変動要因である上記伸縮ブーム３３の位置情報が全く考慮されていないので、その制御精度が十分とは言えないことは既述の通りである。
【００２０】
そこで、この実施形態のものにおいては、上記伸縮用油圧シリンダ５の制御出力の演算に際して、下記（２）式に示すように、上記伸縮ブーム３３の位置情報としてブーム長さ「Ｌ」と起伏角度「θ」とを採用しこれを演算処理に反映させるようにしている。
【００２１】
伸縮制御出力「ＶＥ１」＝ｆ（Ｖ１，α１，Ｌ，θ）・・・・（２）
このブーム長さ「Ｌ」と起伏角度「θ」とに基づく制御出力の演算根拠を、図３を参照して説明する。今、伸縮ブーム３３の起伏角度を「θ」、その自重を「Ｆｗ」とすると、上記自重「Ｆｗ」による伸縮ブーム３３の軸方向の力、即ち、自重「Ｆｗ」を駆動するために上記伸縮用油圧シリンダ５に要求される力は「Ｆｗ・ｓｉｎθ」となる。また、上記自重「Ｆｗ」による伸縮ブーム３３の軸方向に直交する方向の力、即ち、上記伸縮ブーム３３の伸縮時に摩擦力を発生させる力は「Ｆｗ・ｃｏｓθ」となる。ここで、摩擦係数を「μ」とすると、伸縮に伴う摩擦力は、「μ・Ｆｗ・ｃｏｓθ」となる。尚、上記伸縮ブーム３３は、順次テレスコープ状に嵌挿配置された多段伸縮式とされているため、その伸縮長さによって摺接位置が異なる。このため、上記摩擦係数「μ」は、伸縮ブーム３３のブーム長さ「Ｌ」によって変化することになる。
【００２２】
従って、上記伸縮用油圧シリンダ５が上記摩擦力に抗して伸縮ブーム３３の自重を駆動するに必要な作動力「Ｆ」は、下記（３）式のようになる。
【００２３】
作動力Ｆ＝Ｆｗ・（ｓｉｎθ±μ・ｃｏｓθ）・・・・・・・・・（３）
この作動力「Ｆ」が伸縮用油圧シリンダ５側にかかると、たとえ上記伸縮駆動制御手段１３の開口面積が同じでも、該伸縮駆動制御手段１３における作動油の流量が減少する（換言すれば、伸縮用油圧シリンダ５の駆動速度が低下する）ことになるので、この作動力「Ｆ」による上記伸縮駆動制御手段１３の流量低下を見込んでこれを上記伸縮制御出力「ＶＥ１」に反映させるものである。
【００２４】
このように、上記伸縮用油圧シリンダ５の制御出力の演算に際して、上記伸縮操作レバー１の操作に対応した伸縮目標速度「Ｖ１」と伸縮目標加速度「α１」の他に、伸縮ブーム３３のブーム長さ「Ｌ」と起伏角度「θ」を演算要素として求められるブーム伸縮摩擦力及びブームの自重による軸方向の力を考慮することで、従来にも増して高い制御精度で上記伸縮ブーム３３を伸縮駆動させることができるものである。
【００２５】
Ｂ：起伏動作時における制御出力の演算処理
上記起伏制御出力演算手段２１は、上述のように起伏動作時の制御出力を演算するものであって、該起伏制御出力演算手段２１には、上記起伏操作レバー２からの起伏目標速度「Ｖ２」の他に、該起伏目標速度「Ｖ２」を微分器２２において微分演算して得られる起伏目標加速度「α２」と、上記ブーム長さ「Ｌ」と上記起伏角度「θ」とがそれぞれ入力される。そして、この起伏制御出力演算手段２１においては、これら各入力情報を受けて上記起伏用油圧シリンダ６の起伏制御出力「ＶＥ２」を演算算出し、これを起伏駆動制御手段２３に出力する。
【００２６】
尚、この起伏制御出力「ＶＥ２」は電圧値であり、また上記起伏駆動制御手段２３は、上記油圧ユニット「Ｕ２」に設けられて上記起伏用油圧シリンダ６への作動油の供給を制御する電磁バルブで構成され、該起伏駆動制御手段２３は上記起伏制御出力「ＶＥ２」に相当する電圧が印加されることで、該印加電圧に対応した開口面積（即ち、作動油の流量）を実現するようになっている。
【００２７】
上記起伏制御出力演算手段２１での演算処理は次のようにして行われる。即ち、従来の制御出力の演算方法によれば、下記（４）式に示すように、上記起伏操作レバー２の操作に対応した上記起伏目標速度「Ｖ２」と起伏用油圧シリンダ６の動作状態に対応した起伏目標加速度「α２」とに基づき、この起伏目標速度「Ｖ２」を実現し得るような上記起伏駆動制御手段２３への印加電圧値、即ち、起伏制御出力「ＶＥ２」を演算算出する。
【００２８】
起伏制御出力「ＶＥ２」＝ｆ（Ｖ２，α２）・・・・・（４）
しかし、かかる従来の演算方法では、起伏動作の制御出力に影響を与える負荷変動要因である上記伸縮ブーム３３の位置情報が全く考慮されていないので、その制御精度が十分とは言えず、このことは上記伸縮動作における制御出力の演算の場合と同様である。
【００２９】
このため、この実施形態のものにおいては、上記起伏用油圧シリンダ６の制御出力の演算に際して、下記（５）式に示すように、上記伸縮ブーム３３の位置情報としてブーム長さ「Ｌ」と起伏角度「θ」とを採用しこれを演算処理に反映させるようにしている。
【００３０】
起伏制御出力「ＶＥ２」＝ｆ（Ｖ２，α２，Ｌ，θ）・・・・（５）
このブーム長さ「Ｌ」と起伏角度「θ」とに基づく制御出力の演算根拠を、図４を参照して説明する。
【００３１】
今、伸縮ブーム３３の自重を「Ｆｗ」、ブーム長さに応じて変化する上記自重の水平位置、即ち、自重「Ｆｗ」による転倒側モーメントのアーム長さを「Ｒｗ」、起伏用油圧シリンダ６に必要とされる作動力を「Ｆ」、該起伏用油圧シリンダ６の作動力「Ｆ」による安定側モーメントのアーム長さを「Ｒｈ」とすると、モーメントの釣り合いから、下記（６）式が導かれる。
【００３２】
安定側モーメント「Ｆ・Ｒｈ」
＝転倒側モーメント「Ｒｗ・Ｆｗ」・・（６）
また、この（６）式から、起伏用油圧シリンダ６にかかる作動力「Ｆ」は下記（７）式のように、ブーム長さと起伏角度とに依存するアーム長さ「Ｒｗ」と起伏角度に依存するアーム長さ「Ｒｈ」とにより変化することが判る。
【００３３】
Ｆ＝「（１／Ｒｈ）・Ｒｗ・Ｆｗ」・・・（７）
従って、上記作動力「Ｆ」が起伏用油圧シリンダ６側にかかると、たとえ上記起伏駆動制御手段２３の開口面積が同じでも、該起伏駆動制御手段２３における作動油の流量が減少する（換言すれば、起伏用油圧シリンダ６の駆動速度が低下する）ことになるので、この作動力「Ｆ」による上記起伏駆動制御手段２３の流量低下を見込んでこれを上記起伏制御出力「ＶＥ２」に反映させるものである。
【００３４】
このように、上記起伏用油圧シリンダ６の制御出力の演算に際して、上記起伏操作レバー２の操作に対応した起伏目標速度「Ｖ２」と起伏目標加速度「α２」の他に、伸縮ブーム３３のブーム長さ「Ｌ」と起伏角度「θ」を演算要素として求められるブーム転倒側モーメント及びブーム安定側モーメントを考慮することで、従来にも増して高い制御精度で上記伸縮ブーム３３を起伏駆動させることができるものである。
【００３５】
その他
上記実施形態においては、操作信号を出力する「操作手段」として伸縮操作レバーと起伏操作レバーとを備え、これら各操作レバーによって伸縮操作信号と起伏操作信号とを出力するようにしているが、本願発明は「操作手段」としてかかる構成に限定されるものでなく、例えばその操作方向と操作量に対応してブーム先端部を水平直線移動あるいは垂直直線移動させるように構成された水平直線操作レバーあるいは垂直直線操作レバーを「操作手段」として採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明にかかる制御装置が備えられた伸縮ブーム式クレーン車の側面図である。
【図２】 本願発明にかかる制御装置の制御ブロック図である。
【図３】 起伏駆動時における起伏用油圧シリンダの制御出力説明図である。
【図４】 伸縮駆動時における伸縮用油圧シリンダの制御出力説明図である。
【符号の説明】
１は伸縮操作レバー、２は起伏操作レバー、３はブーム長さ検出器、４は起伏角度検出器、５は伸縮用油圧シリンダ、６は起伏用油圧シリンダ、１１は伸縮制御出力演算手段、１２は微分器、１３は伸縮駆動制御手段、２１は起伏制御出力演算手段、２２は微分器、２３は起伏駆動制御手段、３０はクレーン車、３１は車両、３２は旋回台、３３は伸縮ブーム、３４は運転室、３５は操作盤、Ｌはブーム長さ、θは起伏角度、Ｖ１は伸縮目標速度、Ｖ２は起伏目標速度、α１は伸縮目標加速度、α２は起伏目標加速度、ＶＥ１は伸縮制御出力、ＶＥ２は起伏制御出力、Ｕ１は制御ユニット、Ｕ２は油圧ユニットである。

Claims (1)

1. 起伏及び伸縮自在なブームと、該ブームを起伏駆動及び伸縮駆動する起伏用油圧アクチュエータと伸縮用油圧アクチュエータと、該各油圧アクチュエータを駆動制御する制御装置と、該制御装置に操作信号としての起伏目標速度及び伸縮目標速度を入力する操作手段とを備え、該各油圧アクチュエータが該操作手段によって入力された操作信号に対応した上記各目標速度になるように該各油圧アクチュエータを駆動制御する作業機の制御装置であって、
   上記ブームの起伏角度を検出する起伏角度検出器と、該ブームの伸縮長さを検出するブーム長さ検出器とをさらに備え、
   上記制御装置は上記ブームを駆動制御させる時に上記操作信号と、上記ブーム長さ検出器の検出情報に基づく上記ブームの伸縮長さと、上記起伏角度検出器の検出情報に基づく上記ブームの起伏角度とに基づき、ブームの伸縮長さと起伏角度を演算要素として求められるブーム伸縮摩擦力及びブームの自重による軸方向の力に対応して必要とされる上記伸縮用油圧アクチュエータの作動力の変化とブームの伸縮長さと起伏角度を演算要素として求められるブーム転倒側モーメント及びブーム安定側モーメントに対応して必要とされる上記起伏用油圧アクチュエータの作動力の変化とを見込んで上記操作手段によって入力された操作信号に対応した上記各目標速度になるように上記各油圧アクチュエータを駆動制御することを特徴とする作業機の制御装置。

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