JP5295619B2 - フロントローダの制御システム - Google Patents

Description

本発明は、農作業、建設作業、土木作業、及びこれに類する作業機としてのフロントローダに関する。

例えば農作業を行う場合、草、堆肥、土砂の積降ろし、運搬等の作業には、トラクタ等の走行車両に起伏可能に装備された揺動アーム（アーム）の先端に、所望の作業機であるバケット、フォーク等のアタッチメントを装着したフロントローダが使用される。

図１１に示すように、本実施形態に係るフロントローダは、作業用車輌本体１０１に着脱自在に取付けられている。作業用車輌本体１０１は、左右一対のブラケット１０２を有しており、このブラケット１０２に、フロントローダのメインフレーム１１１がドッキングピン１０４を介して着脱自在に取付けられている。そして、このメインフレーム１１１に、側面視へ字状としたアーム１０３の基端部が上下回動自在に枢着されている。

アーム１０３の先端部には、スナップヒッチ１０６が上下回動自在に枢着され、このスナップヒッチ１０６に、アタッチメントとしてのバケット１１０が着脱自在に取付けられている。さらに、メインフレーム１１１の下部とアーム１０３の中間体１１２との間に、アーム１０３を昇降させるためのアーム用油圧シリンダ１０５を配設している。これにより、アーム用油圧シリンダ１０５を伸張することでアーム１０３を上昇させることができるとともに、アーム用油圧シリンダ１０５を収縮させることで、アーム１０３を下降させることができる。

フロントローダは、アーム１０３の先端部にクランク１０８の基端部を上下回動自在に取付け、このクランク１０８の先端部と中間体１１２との間に、アタッチメントを回動させてアタッチメントの姿勢を変更するためのアタッチメント用油圧シリンダ１０９を設けている。そして、クランク１０８の先端部とスナップヒッチ１０６の上部との間にコンロッド１０７を配設している。これにより、アタッチメント用油圧シリンダ１０９を伸張することで、アタッチメントの先端部を下方へ向けて回動させることができ、アタッチメント用油圧シリンダ１０９を収縮することで、アタッチメントの先端部を上方へ向けて回動させることができる。

ところで、フロントローダを作業用車輌本体１０１から離脱させる場合、作業者が自ら作業レバーを操作し、フロントローダと作業用車輌本体１０１とを接続しているドッキングピン１０４が外れる位置までフロントローダを動かしていた（特許文献１）。すなわち、作業者は操作レバーを操作して、アタッチメント用油圧シリンダ１０９を伸張（又は収縮）させて、バケット１１０を下方（又は上方）へ回動させて、アーム１０３を回動させることにより、ドッキングピン１０４を上方へ引上げ（又は下方へ引下げ）る。このようにして、ドッキングピン１０４が、ブラケット１０２に設けられた図示省略のフックから外れる離脱位置となるように操作して、ドッキングピン１０４をフックより係合解除させる。そして、作業用車輌本体１０１の油圧源より油圧配管を切離して、作業用車輌本体１０１を後進させてフロントローダより離れた場所まで移動させる。このようにして、作業用車輌本体１０１からフロントローダの離脱作業を行うことができる。

また、アタッチメントの最大動作速度と最大動作荷重とのいずれかを優先させるために油圧回路を切り替える際、一旦作業を停止し、作業者が自らスイッチ又はボリュームを操作して油圧回路を切り替える必要があった。つまり、最大動作速度を優先させたい場合は、アタッチメント用油圧シリンダ１０９を差動回路とする。差動回路とは、油圧ポンプの供給管路がアタッチメント用油圧シリンダ１０９の伸縮両ポートに接続するものであり、動作速度が速いが動作可能な荷重が小さい。一方、最大動作荷重を優先させたい場合は、アタッチメント用油圧シリンダ１０９を複動回路とする。複動回路とは、一方のポートのみに油圧ポンプの供給回路を接続するものである。

さらには、アーム１０３の上昇下降やアタッチメントの移動速度は、作業者が操作する操作レバーの角度に比例する出力、又は角度を変数とする計算式によって得られる出力によって決められており、操作レバーの操作速度には依存しなかった。すなわち、初期状態での操作レバーの角度をθ_０とし、所定時間での操作レバー角度をθ_ｎとすると、Ｘ_ｎ＝（θ_ｎ−θ_０）となるＸ_ｎによって定められる関数により油圧機器を駆動していた。油圧機器へのソレノイドへの電流信号をＸ_ｎの正比例値で与えるとすると、ソレノイドへの電流値は、Ａ×Ｘ_ｎとなる。なお、Ａは定数である。
特開２０００−１７０１９９号公報

作業者が自ら作業レバーを操作し、フロントローダを離脱位置まで動かす場合、離脱位置が取扱説明書や操作ラベル等に記載されており、作業者はそれを把握又は認識して操作を行う。しかしながら、作業者が離脱位置を把握していなかったり、誤って認識したまま操作を行ったりすると、離脱位置を間違えて接続機構を外すことができない。また、作業者が移動手順を間違えると、フロントローダの姿勢が崩れて離脱ができない。さらには、作業者が操作レバーを操作するため、離脱位置から誤差が生じてしまい、正確な離脱位置に移動させることができないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みて、自動でフロントローダを制御することができて、脱着作業性を向上させることができるフロントローダの制御システムを提供する。

本発明のフロントローダの制御システムは、作業用車輌本体に連結される揺動アームと、この揺動アームの先端に着脱自在に取付けられるアタッチメントとを備えたフロントローダの制御システムであって、揺動アームの回動角度を検出するためのアーム回動角度検出手段と、アタッチメントの回動角度を検出するアタッチメント回動角度検出手段と、前記アーム回動角度検出手段とアタッチメント回動角度検出手段とから検出された情報に基づいて、油圧作動手段の動作速度を制御しつつフロントローダを離脱可能位置にまで自動的に移動させる制御手段とを備えたものである。

本発明のフロントローダの制御システムは、アーム回動角度検出手段と、アタッチメント回動角度検出手段とを備えているため、アームの回動角度を検出できるとともに、アタッチメントの回動角度を検出することができる。この検出された情報に基づいて、制御手段にて自動でフロントローダの離脱作業を行うことができる。しかも、制御手段は、油圧作動手段の動作速度を制御しつつフロントローダを離脱可能位置にまで移動させることができる。

前記制御手段は、予め設定された動作を順次行うように制御するものとできる。

前記制御手段は、前記各動作の動作速度を制御可能とすることができる。例えば、各動作の開始においては、速度を低くして動作途中において徐々に動作速度を上げたり、各動作の目標値付近で動作速度を変化させたりすることができる。

本発明のフロントローダの制御システムでは、制御手段にて自動でフロントローダの離脱作業を行うことができるため、離脱のために作業者がレバーを操作する作業を省略することができ、作業者が離脱位置を認識することなくフロントローダの離脱が可能になる。これにより、作業者が離脱位置を間違えることに起因する離脱作業の失敗を防止することができる。

制御手段にて、予め設定された動作を順次自動で行うと、油圧シリンダの伸縮を防ぎ、離脱姿勢の崩れを防止することができるため、離脱姿勢の崩れに起因する離脱作業の失敗を防止することができる。

前記各動作の動作速度を制御可能とすると、各動作を精度良く行うことができるため、精度の良い離脱作業を行うことが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施形態に係るフロントローダ１は、作業用車輌本体２に着脱自在に取付けられている。

作業用車輌本体２は、機体フレーム２０と運転操作部２２とを備え、機体フレーム２０には左右一対の前・後車輪２３、２４が設けられるとともに、機体フレーム２０の前部に原動機部２１が設けられている。そして、この原動機部２１の後方位置に運転操作部２２を設けている。機体フレーム２０には左右一対のブラケット２６が立設されている。

フロントローダ１は、作業用車輌本体２に連結される揺動アーム（アーム）４と、このアーム４の先端に着脱自在に取付けられるアタッチメントとを備えている。すなわち、作業用車輌本体２のブラケット２６には、ドッキングピン３を介してメインフレーム１０が着脱自在に取付けられ、このブラケット１０に側面視へ字状のアーム４の基端部が上下回動自在に枢着されている。アーム４の先端部には、スナップヒッチ５０が上下回動自在に枢着され、このスナップヒッチ５０に、アタッチメントとしてのバケット５が着脱自在に取付けられている。

さらに、フロントローダ１は、メインフレーム１０の下部とアーム４の中間体５１との間には、アーム４を昇降させるための油圧作動手段を構成するアーム用油圧シリンダ６を配設している。これにより、アーム用油圧シリンダ６を伸張することでアーム４を上昇させることができるとともに、アーム用油圧シリンダ６を収縮させることで、アーム４を下降させることができる。

また、アーム４の先端部にクランク１３の基端部を上下回動自在に取付け、このクランク１３の先端部と中間体５１との間には、アタッチメントを回動させて姿勢変更するための油圧作動手段を構成するアタッチメント用油圧シリンダ７を配設している。そして、クランク１３の先端部とスナップヒッチ５０の上部との間にコンロッド４４を配設している。これにより、アタッチメント用油圧シリンダ７を伸張することで、アタッチメントの先端部を下方へ向けて回動させることができる。すなわち、クランク１３は、シリンダロッドの先端部とコンロッド４４の一端に接し、コンロッド４４の他端は、スナップヒッチ５０の１点と接している。そして、アタッチメント用油圧シリンダ７が伸縮することにより、クランク１３が一端を中心に回動して、クランク１３とアタッチメント用油圧シリンダ７との間で角度変化が生じ、コンロッド４４を介してスナップヒッチ５０を回動させる。これにより、アタッチメント用油圧シリンダ７を伸張すれば、バケット５の先端部を下方に向けて振り下げるダンプ動作を行う。一方、アタッチメント用油圧シリンダ７を収縮すれば、バケット５の先端部を上方へ向けて振り上げるチルト動作を行う。

メインフレーム１０には、アーム４の回動角度を検出するためのアーム回動角度検出手段７１が設けられている。アーム回動角度検出手段７１は、図２に示すように、センサ本体部７３とセンサガイド７４とから構成されている。センサガイド７４は、アーム４の回動に追従して回動する。これにより、センサ本体部７３に対してセンサガイド７４が回転することになり、アーム４の回動角を検出することができる。なお、アーム回動角度検出手段７１は、アーム４の可動部又はアーム４の可動に追従する部位であれば任意の位置に配設することができる。

クランク１３には、アタッチメントの回動角度を検出するためのアタッチメント回動角度検出手段７２が設けられている。アタッチメント回動角度検出手段７２は、図３や図４に示すように、センサ本体部７５とセンサガイド７６とから構成されている。センサガイド７６は、アタッチメント用油圧シリンダ７のシリンダロッドの先端部に追従して回動する。これにより、センサ本体部７５に対してセンサガイド７６が回転することになり、アタッチメントの回動角を検出することができる。なお、アタッチメント回動角度検出手段７２は、アタッチメントの可動部又はアタッチメントの可動に追従する部位であれば任意の位置に配設することができる。

図５は、本発明の実施形態の制御機構を示すブロック図であり、同図に示すように、制御手段９０を備えている。制御手段９０は、アーム回動角度検出手段７１とアタッチメント回動角度検出手段７２とから検出された情報に基づいて油圧作動手段６、７の動作速度を制御しつつ、予め設定された動作を順次行うようにフロントローダ１を制御して離脱可能位置にまで移動させるものである。

次に、本発明の実施形態のフロントローダの制御方法を用いてフロントローダ１の離脱を行う方法について説明する。まず、作業者がスイッチ７９を押すと、制御手段９０にて、予め設定された動作を順次行うように制御して、自動でフロントローダ１の離脱作業を行うことができる。すなわち、図６（ａ）に示すように、アーム４の最下端での地面との衝突を回避するため、先端であるバケット５を地面に対して水平にした状態で、図６（ｂ）の矢印に示すように、アーム４を最下端まで下降させる。次に、図６（ｃ）の矢印に示すように、アーム４を上昇させ、油圧作動手段を構成するアーム用油圧シリンダ６のポートをタンク回路７７に接続して、ロッドエンド側に油を満たす。その後、図６（ｄ）の矢印に示すように、アタッチメント用油圧シリンダ７を伸張させて、バケット５の先端部を下方に向けて振り下げてダンプする。これにより、アーム４が回動して、ドッキングピン３を上方へ引上げて、メインフレーム２６に設けられた図示省略のフックから外れる離脱位置とすることができる。このようにして、ドッキングピン３をフックより係合解除させる。

図６の（ａ）〜（ｄ）に示す前記動作中においては、アーム回動角度検出手段７１にてアーム４の回動角度が検出され、アタッチメント回動角度検出手段７２にてアタッチメントの回動角度が検出される。そして、この検出された情報に基づいて、制御手段９０が前記各動作における動作量を決定することになる。

また、アーム４を下降させる動作、油圧作動手段に油を満たす動作、離脱位置にてアーム４を停止させる動作は、制御手段９０にて、目標値付近で動作速度を変化（減速）させている。この動作速度の変化は、動作速度を変化させる前の段階での動作速度によって、速度変化を開始する時間や変化させる割合を変化させている。これにより、各動作の停止精度を向上させることができる。また、これらの動作の開始においては、速度を低くし、動作途中において徐々に動作速度を上げている。これにより、作業用車輌本体１の振動による動作の停止精度の低下を防ぐことができる。

このように、本発明の実施形態のフロントローダの制御システムでは、制御手段９０にて自動でフロントローダ１の離脱作業を行うことができるため、離脱のために作業者がレバー８０を操作する作業を省略することができ、作業者が離脱位置を認識することなくフロントローダ１の離脱が可能になる。これにより、作業者が離脱位置を間違えることに起因する離脱操作の失敗を防止することができる。

制御手段９０にて、予め設定された動作を順次自動で行うと、アクチュエータの伸縮を防ぎ、離脱姿勢の崩れを防止することができるため、離脱姿勢の崩れに起因する離脱作業の失敗を防止することができる。

前記各動作の動作速度を制御可能とすると、各動作を精度良く行うことができるため、精度の良い離脱作業を行うことが可能となる。

次に、参考例のフロントローダの制御システムについて説明する。この場合、アタッチメントの回動角度を検出するアタッチメント回動角度検出手段７２を備えるとともに、図７に示すように、操作レバー８０の操作角度を検出するための操作角度検出手段８１とを備えている。そして、図８に示すように、前記操作角度検出手段８１とアタッチメント回動角度検出手段７２とから検出された情報に基づいて、アタッチメントの最大動作速度と最大動作荷重との優先を切り替える制御手段９１を備えたものである。

操作角度検出手段８１は、図７に示すように、センサ本体部８５とセンサガイド（図示省略）とから構成されている。センサガイドは、操作レバー８０の可動部に追従して回動する。これにより、センサ本体部８５に対してセンサガイドが回転することになり、アタッチメントの回動角を検出することができる。なお、操作角度検出手段８１は、操作レバー８０の可動部又は操作レバー８０の可動に追従する部位であれば任意の位置に配設することができる。

次に、参考例のフロントローダの制御方法を用いてアタッチメントの最大動作速度と最大動作荷重との優先を切り替える方法について説明する。まず、通常時においては、操作レバー８０に対する油圧機器は最大動作速度が優先で動作している。このとき、アタッチメント用油圧シリンダ７は、差動回路となっている。差動回路とは、油圧ポンプの供給管路がアタッチメント用油圧シリンダ７の伸縮両ポートに接続するものである。動作速度が速いが動作可能な荷重が小さく、加圧方向の動作の場合、駆動許容荷重が不足する場合がある。そこで、この許容動作荷重の不足状態を、アタッチメント回動角度検出手段７２及び操作角度検出手段８１にて検出する。

アタッチメント回動角度検出手段７２で検出されたアタッチメントの角度情報に基づいて、制御手段９１により所定間隔毎に角速度を計算し、アタッチメントの動作状態を検出する。また、操作レバー８０の操作角度を操作角度検出手段８１にて検出する。

そして、操作角度検出手段８１の値が一定値以上であり、かつ、アタッチメントの角速度が一定範囲内である場合、制御手段９１は、駆動許容荷重が不足していると判断して、最大動作荷重を優先する。具体的には、制御手段９１にて差動回路を複動回路に切り替える。複動回路とは、一方のポートのみに油圧ポンプの供給回路を接続するものである。一方、操作角度検出手段８１の値が一定値より小、又はアタッチメントの角速度が一定範囲外である場合、制御手段９１は、駆動許容荷重が不足していないと判断して最大動作速度を優先する。

このように、参考例のフロントローダの制御システムでは、制御手段９１にて自動でアタッチメントの最大動作速度と最大動作荷重との優先を切り替えることができるため、作業者がいずれを優先させるかの判断を行う必要がなくなって、作業者が作業ボタンを操作して最大動作速度と最大動作荷重との優先を切り替える作業を省略することができる。これにより、作業者による誤判断、誤操作等が防止できて、最大動作速度と最大動作荷重とを適切に切り替えることができる。しかも、切り替えのために作業を中断する必要がなくなって、連続的に作業を行うことができ、作業効率の向上を図ることができる。

前記制御手段９１が、操作角度検出手段８１の値及びアタッチメントの角速度に基づいて最大動作速度と最大動作荷重との優先を切り替えると、正確に切り替えを行うことができる。また、通常は最大動作速度を優先し、前記条件を満たす場合には最大動作荷重を優先するため、一層作業効率の向上を図ることができる。

次に、他の参考例のフロントローダの制御システムについて説明する。この場合、図９に示すように、油圧制御手段の操作レバー８０の操作角度を検出するための操作角度検出手段８１とを備えるとともに、この操作角度検出手段８１にて油圧制御手段の操作レバーの操作速度を検出するための操作速度検出手段８２としている。そして、前記操作角度検出手段８１と操作速度検出手段８２との情報に基づいて、操作レバー８０の操作速度の変化に応じてフロントローダの動作を制御する制御手段９２を備えたものである。

次に、他の参考例のフロントローダの制御方法を用いて操作速度の変化に応じてフロントローダ１の動作を制御する方法について説明する。まず、初期状態の操作レバー８０の操作角度をθ₀とする。そして、操作角度検出手段８１にて所定間隔毎に操作レバー８０の操作角度θ₁、θ₂、θ₃、・・・・・θ_(n-1)、θ_nを検出する。

そして、制御手段９２により、操作レバー８０の操作角度の変化量（θ_ｎ−θ_{（ｎ−１）}）に重みα_ｎを乗じた値の総和Ｘ_ｎ＝α_ｎ（θ_ｎ−θ_{（ｎ−１）}）＋・・・・・＋α_３（θ_３−θ_２）＋α_２（θ_２−θ_１）＋α_１（θ_１−θ_０）を求める。なお、図１０にθをＸに置き換えたグラフ図を示す。このＸ_ｎによって定められる関数により、油圧機器を駆動する。すなわち、油圧機器へのソレノイドへの電流信号をＸ_ｎの正比例値で与えるとすると、ソレノイドへの電流値は、Ａ×Ｘ_ｎとなる。つまり、Ａ｛α_ｎ（θ_ｎ−θ_{（ｎ−１）}）＋・・・・・＋α_３（θ_３−θ_２）＋α_２（θ_２−θ_１）＋α_１（θ_１−θ_０）｝となる。なお、Ａは定数であり、α_ｎは、時間に対する操作レバー８０の操作角度θ_１、θ_２、θ_３、・・・・・θ_{（ｎ−１）}、θ_ｎの傾きによって決定される値である。時間に対する操作レバー８０の操作角度の傾きは、操作レバー８０を操作する操作速度を表すものである。このため、本システムは操作レバーの操作速度を考慮したシステムとなる。

例えば、作業者が操作レバーをゆっくり操作すると、時間に対するレバーの傾きは小さくなる。この場合、時間ｎにおけるα_ｎを１以下として小さくすることで、レバー角度の変化に対するソレノイドへの電流値変化を小さくすることができる。これによって、ゆっくり操作したときは、電流値の変化をより小さくすることができ、微小な電流値変化を行い易くする。このように、α_ｎを１以下として小さくすることで、限られた操作角度を擬似的に大きくして速度変化の分解能を大きくすることが可能となる。また、α_ｎが１以内である場合、レバーの最大角度とＸ_ｎとが一致せず、最大電流値に達しない場合が発生する。このとき、時間に対するレバー角θ_１、θ_２、θ_３、・・・・・θ_{（ｎ−１）}、θ_ｎの傾きから、最適なＸ_ｎ増加量を求め、時間の経過とともにＸ_ｎを増加させ、最大レバー角度と一致させることで最大電流値に達するようにする。さらに、レバーの変化量（θ_ｎ−θ_{（ｎ−１）}）が小さく、α_ｎも小さい場合、Ｘ_ｎが変化しない場合がある。このときは、レバー角度に対するＸ_ｎを規制することでＸ_ｎを変化させる。

一方、作業者が操作レバーを早く操作すると、時間に対するレバーの傾きは大きくなる。この場合、時間ｎにおけるα_ｎを１以下として小さくすることで、レバー角度の変化に対するソレノイドへの電流値変化を抑えることができる。これによって、早すぎる操作をしたときは、電流値変化を抑えることができ、油圧機器の応答遅れを回避することができる。また、時間ｎにおけるα_ｎを１とすることで、レバー角θ_１、θ_２、θ３、・・・・・θ_{（ｎ−１）}、θ_ｎの変化に対するソレノイドへの電流値変化を従来と同じとすることができる。

このように、他の参考例のフロントローダの制御システムでは、制御手段にて自動で操作速度の変化に応じてフロントローダ１の動作を制御することができるため、微小変化を容易に行うことができる。また、アタッチメントを小刻みに動かすように操作した場合であっても、油圧シリンダが応答できるため、フロントローダ１の応答遅れを防止することができる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、フロントローダ１を離脱させるための動作（アーム４を下降する動作と、油圧作動手段に油を満たす動作と、離脱位置にてアーム４を停止する動作等）は連続でなくてもよく、各動作毎に停止させてもよい。また、各動作を必ずしも同じ速度で行う必要はなく、各動作で速度を相違させてもよい。

本発明の実施形態を示す制御システムを使用したフロントローダの側面図である。 前記図１のフロントローダの要部拡大側面図である。 前記図１のフロントローダの要部拡大平面図である。 前記図１のフロントローダの別の要部拡大側面図である。 前記図１のフロントローダの制御機構を示すブロック図である。 前記図１のフロントローダの離脱過程を示す工程図である。 参考例を示す制御システムを使用したフロントローダの操作部位を示す側面図である。 参考例を示す制御システムを使用したフロントローダの制御機構を示すブロック図である。 他の参考例を示す制御システムを使用したフロントローダの制御機構を示すブロック図である。 他の参考例を示す制御システムを使用したフロントローダの操作レバーの操作角度を示すグラフ図である。 従来のフロントローダを示す側面図である。

符号の説明

１ フロントローダ
２ 作業用車輌本体
４ 揺動アーム
６、７ 油圧作動手段
７１ アーム回動角度検出手段
７２ アタッチメント回動角度検出手段
８１ 操作角度検出手段
８２ 操作速度検出手段
９１、９２、９３ 制御手段

Claims (3)

1. 作業用車輌本体に連結される揺動アームと、この揺動アームの先端に着脱自在に取付けられるアタッチメントとを備えたフロントローダの制御システムであって、
   揺動アームの回動角度を検出するためのアーム回動角度検出手段と、
   アタッチメントの回動角度を検出するアタッチメント回動角度検出手段と、
   前記アーム回動角度検出手段とアタッチメント回動角度検出手段とから検出された情報に基づいて、油圧作動手段の動作速度を制御しつつフロントローダを離脱可能位置にまで自動的に移動させる制御手段とを備えたことを特徴とするフロントローダの制御システム。
2. 前記制御手段は、予め設定された動作を順次行うように制御するものであることを特徴とする請求項１のフロントローダの制御システム。
3. 前記制御手段は、前記各動作の動作速度を制御可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２のフロントローダの制御システム。

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