JP5466386B2

JP5466386B2 - マグネット作業機の負荷検出装置及びマグネット作業機の負荷検出方法

Info

Publication number: JP5466386B2
Application number: JP2008248391A
Authority: JP
Inventors: 敬米田; 義之日比; 勝介粟野; 信明的場
Original assignee: キャタピラーエスエーアールエル
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2010076911A

Description

本発明は、フロント作業機の先端にマグネットアタッチメントを装着したマグネット作業機の負荷検出装置及びマグネット作業機の負荷検出方法に関する。

従来、フロント作業機で掘削作業を行う通常の油圧ショベルに対して、クレーン機能を付加したクレーン仕様車が開発されている。クレーン仕様車には、玉掛け用の外れ止めフックやフロント作業機の姿勢を把握するための角度センサが標準装備されている。また、吊り荷の安定性を確保するために、フロント作業機の動作速度の上限値が通常の油圧ショベルよりも制限されている。このようなクレーン仕様車において、吊り荷の負荷を正確に検出するための技術が多数提案されている。

例えば、特許文献１には、ブームシリンダの保持力のモーメントとフロント作業機のモーメントとの釣り合いに基づき、吊り荷重を算出する技術が開示されている。この技術では、角度センサの検出角度に基づいて機体の回動中心から吊り荷までの水平距離を算出し、ブーム支点回りのモーメントをその水平距離で除算して吊り荷重を算出している。
また、特許文献２には、吊り荷重の検出誤差を補正する技術が開示されている。この技術では、ブーム，アーム及びバケットの重心位置を随時補正することによりブーム支点回りのモーメントを正確に算出し、これを以て正しい吊り荷重を算出することができるとされている。
特開平７−２５９１４１号公報特開２００３−７３０７８号公報

ところで、クレーン仕様車と同様の姿勢で揚重作業を行う作業機械として、マグネット作業機がある。このマグネット作業機とは、油圧ショベルのフロント作業機の先端にマグネットアタッチメントを装着したものであり、鉄くずや金属スクラップの選別，移動に用いられている。一般的なマグネット作業機は、通常の油圧ショベルのバケットをマグネットアタッチメントに交換した構成となっているため、フロント作業機の動作速度が制限されておらず、負荷が動的に変化しやすい。そのため、特許文献１や特許文献２に記載の技術を利用して吊り荷の負荷を検出しようとしても、フロント作業機の移動によって生じる動的な負荷変動の影響が大きく、正確な負荷検出が難しいという課題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、フロント作業機の動作に関わらず正確に吊り荷の負荷を検出することができるようにした、マグネット作業機の負荷検出装置及びマグネット作業機の負荷検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明のマグネット作業機の負荷検出装置は、機体に揺動自在に軸支されたブームと、該ブームに揺動自在に軸支されたアームと、該アームに揺動自在に軸支されたマグネットアタッチメントとを有するフロント作業機を備えたマグネット作業機において、該ブーム，該アーム及び該マグネットアタッチメントのそれぞれの配向角度を検出する角度検出手段と、該ブームと該機体との間に介装されたブームシリンダに作用する作動油圧を検出する作動油圧検出手段と、該マグネットアタッチメントの状態が励磁及び非励磁の何れの状態であるかを検出するマグネット状態検出手段と、該角度検出手段で検出された該それぞれの配向角度に基づき、該フロント作業機の自重によって該ブームの基端部に生じる第一モーメントを算出する第一モーメント算出手段と、該作動油圧検出手段で検出された該作動油圧に基づき、該ブームシリンダの伸縮によって該ブームの基端部に生じる第二モーメントを算出する第二モーメント算出手段と、該第一モーメント，該第二モーメント及び吊り荷によって該ブームの基端部に生じるモーメントの釣り合い条件から、該吊り荷の荷重を吊り上げ荷重として算出する吊り上げ荷重算出手段と、該吊り上げ荷重算出手段で算出された該吊り上げ荷重に対しバンドパスフィルタ処理を施して、経時的な変動成分を除去したフィルタ吊り上げ荷重を出力するフィルタリング手段とを備える。

また、該マグネット状態検出手段で検出された該状態が非励磁状態であるときに、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて非励磁時吊り上げ荷重を算出する第一吊り上げ荷重算出手段と、該マグネット状態検出手段で検出された該状態が励磁状態であるときに、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて励磁時吊り上げ荷重を算出する第二吊り上げ荷重算出手段と、該第一吊り上げ荷重算出手段で算出された該非励磁時吊り上げ荷重と、該第二吊り上げ荷重算出手段で算出された該励磁時吊り上げ荷重との差を実吊り上げ荷重として算出する実吊り上げ荷重算出手段と、を備える。
さらに、該第二吊り上げ荷重算出手段は、該励磁時吊り上げ荷重を一旦算出すると、該マグネット状態検出手段で検出された該状態が非励磁状態となるまでの間は該励磁時吊り上げ荷重の値を保持する。

また、請求項２記載の本発明のマグネット作業機の負荷検出装置は、請求項１記載の構成に加え、該フィルタリング手段が、該マグネット状態検出手段で検出された該状態に関わらず該フィルタ吊り上げ荷重を継続的に出力し、該第一吊り上げ荷重算出手段が、該非励磁状態下において、所定時間内における該フィルタ吊り上げ荷重の平均値を該非励磁時吊り上げ荷重として算出し、該第二吊り上げ荷重算出手段が、該励磁状態下において、所定時間内における該フィルタ吊り上げ荷重の平均値を該励磁時吊り上げ荷重として算出することを特徴としている。

請求項３記載の本発明のマグネット作業機の負荷検出方法は、機体に揺動自在に軸支されたブームと、該ブームに揺動自在に軸支されたアームと、該アームに揺動自在に軸支されたマグネットアタッチメントとを有するフロント作業機を備えたマグネット作業機において、該フロント作業機の自重によって該ブームの基端部に生じる第一モーメント及び該ブームと該機体との間に介装されたブームシリンダの伸縮によって該ブームの基端部に生じる第二モーメントをそれぞれ算出し、該第一モーメント，該第二モーメント及び吊り荷によって該ブームの基端部に生じるモーメントの釣り合い条件から、該吊り荷の荷重を吊り上げ荷重として算出し、該吊り上げ荷重に対しバンドパスフィルタ処理を施して経時的な変動成分を除去したフィルタ吊り上げ荷重を算出したうえで、該マグネットアタッチメントの励磁前後における二つの該フィルタ吊り上げ荷重の差を実吊り上げ荷重として算出する負荷検出方法であって、該マグネットアタッチメントが非励磁状態であるときに、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて非励磁時吊り上げ荷重を算出し、該マグネットアタッチメントが励磁状態であるときには、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて励磁時吊り上げ荷重を算出し、該非励磁時吊り上げ荷重と該励磁時吊り上げ荷重との差を該実吊り上げ荷重として算出するとともに、該励磁時吊り上げ荷重が一旦算出されてから該マグネットアタッチメントが非励磁状態となるまでの間は、該励磁時吊り上げ荷重の値を保持することを特徴としている。

換言すれば、本発明のマグネット作業機の負荷検出方法は、機体に揺動自在に軸支されたブームと、該ブームに揺動自在に軸支されたアームと、該アームに揺動自在に軸支されたマグネットアタッチメントとを有するフロント作業機を備えたマグネット作業機において、該フロント作業機の自重によって該ブームの基端部に生じる第一モーメントを算出する第一モーメント算出ステップ（ステップＡ３０）と、該ブームシリンダの伸縮によって該ブームの基端部に生じる第二モーメントを算出する第二モーメント算出ステップ（ステップＡ４０）と、該第一モーメント，該第二モーメント及び吊り荷によって該ブームの基端部に生じるモーメントの釣り合い条件から、該吊り荷の荷重を吊り上げ荷重として算出する吊り上げ荷重算出ステップ（ステップＡ６０）と、該吊り上げ荷重に対しバンドパスフィルタ処理を施して、経時的な変動成分を除去したフィルタ吊り上げ荷重を出力するフィルタリングステップ（ステップＡ７０）と、該マグネットアタッチメントの非励磁時における該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて非励磁時吊り上げ荷重を算出する第一吊り上げ荷重算出ステップ（ステップＡ９０）と、該マグネットアタッチメントの励磁時における該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて励磁時吊り上げ荷重を算出する第二吊り上げ荷重算出ステップ（ステップＡ１３０）と、該非励磁時吊り上げ荷重と該励磁時吊り上げ荷重との差を実吊り上げ荷重として算出する実吊り上げ荷重算出ステップ（ステップＡ１４０）と、を備える。また、該マグネットアタッチメントが非励磁状態となるまでの間は該励磁時吊り上げ荷重の値を保持するステップ（ステップＡ１１０，Ａ１２０，Ａ１５０）を備える。

本発明のマグネット作業機の負荷検出装置及びマグネット作業機の負荷検出方法（請求項１，３）によれば、吊り上げ荷重の経時的な変動成分をバンドパスフィルタで除去することができ、吊り荷の荷重を正確に把握することができる。
また、非励磁時吊り上げ荷重及び励磁時吊り上げ荷重の両方の値を安定化させることができ、判定精度を高めることができる。さらに、磁性体の吸着中における吊り荷の荷重の誤算出を防止することができる。

また、本発明のマグネット作業機の負荷検出装置（請求項２）によれば、マグネット吸着前後における吊り上げ荷重のそれぞれの平均値の差を実吊り上げ荷重とすることにより、正確に実吊り上げ荷重を算出することができ、過負荷判定の精度を高めることができる。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図８は、本発明の一実施形態に係るマグネット作業機の負荷検出装置及びマグネット作業機の負荷検出方法を説明するためのものであり、図１は本負荷検出装置を搭載したマグネット作業機の全体構成を示す側面図、図２は本装置のコントローラの制御ブロック図、図３は本装置における実吊り上げ荷重の演算に係る変数の定義を模式的に示す説明図、図４は本装置におけるブームシリンダに係る変数の定義を模式的に示す説明図である。

また、図５は本装置のバンドパスフィルタ処理に係る制御ブロック図、図６は本装置に設定された定格荷重のテーブル、図７は本装置での演算内容であって本負荷検出方法を説明するためのフローチャート、図８は本装置においてブームシリンダ駆動時に演算された実吊り上げ荷重の経時変化を示すグラフである。

［１．全体構成］
本発明に係る負荷検出装置は、図１に示すマグネット作業機２０に適用されている。このマグネット作業機２０は、クローラ式の走行装置を装備した下部走行体２１と、下部走行体２１の上に旋回自在に搭載された上部旋回体２２とを備えて構成される。上部旋回体２２における前方側には、フロント作業機９及びオペレータが搭乗するキャブ２３が設けられている。

フロント作業機９は、ブーム６，アーム７及びアタッチメントとしてのマグネット８（リフティングマグネット，マグネットアタッチメント）の三つの部位から構成される。これらの各部位間には油圧シリンダが設けられており、各油圧シリンダを作動させることで各部位を独立して駆動する。
ブーム６を駆動するブームシリンダ６ａは、上部旋回体２２のフレームとブーム６との間に介装されている。同様に、アーム７を駆動するアームシリンダ７ａはブーム６とアーム７との間に介装され、マグネット８の角度を変更させるバケットシリンダ８ａはマグネット８とアーム７との間に介装されている。

キャブ２３の後方に配置されたエンジンルーム２４内には、本マグネット作業機２０の駆動源となるエンジンやマグネット８の励磁のための電源となる発電電動機，マグネット８の動作を制御するためのマグネット制御盤４等が配置されている。マグネット制御盤４は、発電電動機からマグネット８への電力供給を断接制御する機能を有している。
また、キャブ２３の内部には、各シリンダ６ａ，７ａ，８ａを駆動するための操作レバーや、マグネット８の励磁／非励磁を選択するためのマグネットスイッチ３（マグネット状態検出手段）が設けられている。マグネットスイッチ３をオン操作すると、マグネット８に内蔵された電磁石が励磁されて、磁性体を磁着することができるようになっている。また、マグネットスイッチ３のオン／オフ状態は、後述するコントローラ１０へ入力されている。

ブーム６の基端部，ブーム６の先端部及びアーム７の先端部のそれぞれには、ブーム角度センサ１ａ，アーム角度センサ１ｂ及びマグネット角度センサ１ｃが設けられている。これらの角度センサ１ａ，１ｂ，１ｃはブーム６，アーム７及びマグネット８の配向角度を検出する角度検出手段として機能している。
以下、本マグネット作業機２０の側面視におけるブーム６の基端部の枢着中心を点ｏとし、ブーム６及びアーム７の枢着中心を点ａとし、アーム７及びマグネット８の枢着中心を点ｇとする。また、ブーム６，アーム７，マグネット８の各重心点をそれぞれ点ｂ，点ｃ，点ｈとする。さらに、ブームシリンダ６ａとブーム６との枢着中心を点ｄとし、ブームシリンダ６ａと上部旋回体２２との枢着中心を点ｅとする。

図３に示すように、本実施形態では、ブーム角度センサ１ａが点ｏから点ａまでの仰角αを検出する。また、アーム角度センサ１ｂは、点ｏ及び点ａを結ぶ直線と点ａ及び点ｇを結ぶ直線とのなす角βを検出する。マグネット角度センサ１ｃは、点ａ及び点ｇを結ぶ直線と、点ｇを通りマグネット８の吸着面に対して平行な直線ｍとのなす角γを検出する。これらの角度センサ１ａ，１ｂ，１ｃで検出された角度α，β，γはコントローラ１０へ入力されている。

ブームシリンダ６ａには、ロッド室内の作動油圧P_Rを検出するロッド室圧力センサ２ａ及びヘッド室内の作動油圧P_Hを検出するヘッド室圧力センサ２ｂが設けられている。ここで検出された各作動油圧P_R，P_Hも、コントローラ１０へ入力されている。これらの圧力センサ２ａ，２ｂは、ブームシリンダ６ａに作用する作動油圧を検出する作動油圧検出手段として機能している。

［２．コントローラ］
本マグネット作業機２０には吊り荷（マグネット８への吸着物）の荷重を算出するためのコントローラ１０が設けられている。コントローラ１０の入力側にはブーム角度センサ１ａ，アーム角度センサ１ｂ，マグネット角度センサ１ｃ，ロッド室圧力センサ２ａ及びヘッド室圧力センサ２ｂが接続されており、出力側には表示器５ａ及びブザー５ｂが接続されている。表示器５ａは、マグネット作業機２０の吊り荷の荷重を表示するためのモニタであり、ブザー５ｂは定格荷重W_maxと比較して吊り荷の荷重が過大であるときに警報を発するものである。なお、表示器５ａ及びブザー５ｂは、キャブ２３内に設けられている。

コントローラ１０は、マイクロコンピュータで構成された電子制御装置であり、周知のマイクロプロセッサやＲＯＭ，ＲＡＭ等を集積したＬＳＩデバイスとして提供されている。図２に示すように、コントローラ１０は、第一モーメント算出手段１１，第二モーメント算出手段１２，吊り上げ荷重算出手段１３，フィルタリング手段１４，第一吊り上げ荷重算出手段１５，第二吊り上げ荷重算出手段１６，実吊り上げ荷重算出手段１７，判定手段１８及び記憶手段１９を備えて構成されている。なお、これらの構成を電子回路として、あるいはソフトウェアとして設けてもよい。

記憶手段１９は、フロント作業機９に作用する負荷を算出するのに必要な情報を予め記憶するものである。ここには、ブーム６，アーム７，マグネット８のそれぞれの重量（荷重）W_bm，W_st，W_mgと、各部材の重心及び形状に関する情報と、ブームシリンダ６ａ内のピストン面積の情報等が記録されている。ブーム６，アーム７，マグネット８のそれぞれの重心点を点ｂ，点ｃ，点ｈとして図３中に示す。記憶手段１９は、点ｏから点ｂまでの距離L_ob，点ｏから点ａまでの距離L_oa，点ａから点ｃまでの距離L_ac，点ａから点ｇまでの距離L_ag，点ｇから点ｈまでの距離L_ghをそれぞれ記憶している。また、点ｏ及び点ａを結ぶ直線と点ｏ及び点ｂを結ぶ直線とのなす角α_abや、点ａ及び点ｇを結ぶ直線と点ａ及び点ｃを結ぶ直線とのなす角β_cg，点ｇ及び点ｈを結ぶ直線と直線ｍとのなす角γ_hについても併せて記憶している。

さらに、ブームシリンダ６ａの配設位置に関して、点ｏから点ｄまでの距離L_od，点ｏから点ｅまでの距離L_oe，点ｏ及び点ｂを結ぶ直線と点ｏ及び点ｄを結ぶ直線のなす角α_bd，点ｏから点ｅへの俯角α_xeを記憶している。つまり記憶手段１９には、フロント作業機９の姿勢が変化したとしても変動しないパラメータが記憶されている。
第一モーメント算出手段１１は、記憶手段１９に記録されている情報及び角度センサ１ａ，１ｂ，１ｃで検出されたそれぞれの配向角度α，β，γに基づき、フロント作業機９の自重によって点ｏに生じるモーメントM_bms（第一モーメント）を算出するものである。例えば図３に示すように、ブーム６の自重によって点ｏに生じるモーメントの大きさは、ブーム６の重心点ｂに作用する荷重W_bm[kgf]と重心点ｂから点ｏまでの水平距離x_bmwとの積である。また、アーム７及びマグネット８についても同様であることから、モーメントM_bmsは以下の式１で表すことができる。したがって、角度α，β，γが定まれば、モーメントM_bmsは算出される。

第二モーメント算出手段１２は、記憶手段１９に記録されている情報，角度センサ１ａで検出された配向角度α及び圧力センサ２ａ，２ｂで検出された作動油圧に基づいて、ブームシリンダ６ａの推力F_bmによって点ｏに生じるモーメントM_bmc（第二モーメント）を算出するものである。例えば、ブームシリンダ６ａのロッド室側のピストン面積をS_R，ヘッド室側のピストン面積をS_Hとすると、ブームシリンダ６ａの推力F_bmは、以下の式２で表すことができる。

また、図４に示すように、推力F_bmによって点ｏに生じるモーメントM_bmcの大きさは、以下の式３で表すことができる。ここで点ｆは、点ｄ及び点ｅを結ぶ直線と点ｏからの垂線との交点（垂線の足）を示し、角φは点ｏ及び点ｄを結ぶ直線と点ｄ及び点ｅを結ぶ直線（点ｄ及び点ｆを結ぶ直線）のなす角とする。

一方、図４中においてブームシリンダ６ａの伸縮長さに対応する線分ｄｅの長さL_de及び角度φは、角度αに基づいて以下の式４，式５から算出することができる。したがって、角度α及びシリンダ圧力P_R，P_Hが定まればモーメントM_bmcの大きさは算出される。

吊り上げ荷重算出手段１３は、第一モーメント算出手段１１で算出されたモーメントM_bmsと第二モーメント算出手段１２で算出されたモーメントM_bmcと吊り荷によって点ｏに生じるモーメントとの釣り合い条件から、吊り荷の荷重を吊り上げ荷重として算出するものである。図３に示すように、吊り上げ荷重がW_gであると仮定すると、吊り荷によるモーメントM_gの大きさは、以下の式６で与えられる。

一方、この吊り荷によるモーメントM_g及びフロント作業機９の自重によるモーメントM_bmsは、ブームシリンダ６ａによって支えられているため、点ｏについてのモーメントの釣り合い条件から、以下の式７が成立する。これに式１のモーメントM_bmsと式３のモーメントM_bmcと式６のモーメントM_gとを代入すると、式８に示すように吊り上げ荷重W_gを算出することができる。

式８は吊り上げ荷重W_gがゼロ又は負である場合にも成立するため、吊り荷の有無に関わらず、式８を用いた演算を行うことができる。本実施形態では、マグネット８の作動状態に関わらず、常時吊り上げ荷重W_gを算出している。ここで算出された吊り上げ荷重W_gは、フィルタリング手段１４へと入力されている。
なお、式８における右辺の分母は、点ｏから吊り荷までの水平距離x_stpである。本実施形態では、吊り上げ荷重算出手段１３での吊り上げ荷重W_gの算出過程で得られる吊り荷までの水平距離x_stpが、判定手段１８へと入力されるようになっている。

フィルタリング手段１４は、吊り上げ荷重算出手段１３で算出された吊り上げ荷重W_gを経時的に収集して一連の時系列データを構成するとともに、時系列データに対してバンドパスフィルタ処理を施して、経時的な変動成分を除去したフィルタ吊り上げ荷重W_g0を出力するものである。図５に示すように、フィルタリング手段１４には、バンドパスフィルタ１４ａ及び減算器１４ｂが設けられている。バンドパスフィルタ１４ａは、ローパスフィルタ及びハイパスフィルタを組み合わせて構成されたフィルタ回路であり、変動する吊り上げ荷重W_gのうちの高周波及び低周波ノイズ成分を抽出する機能を有している。これにより、バンドパスフィルタ１４ａの下流側には必要な範囲以外の周波数帯の信号が取り出される。

一方、減算器１４ｂはバンドパスフィルタ１４ａで抽出されたノイズ成分を時系列の吊り上げ荷重W_gのデータから減算して、フィルタ吊り上げ荷重W_g0を出力する。したがってフィルタ吊り上げ荷重W_g0の時系列データでは、元の吊り上げ荷重W_gの時系列データと比較して、変動成分が除去される。
なお、フィルタ吊り上げ荷重W_g0の時系列データは、第一吊り上げ荷重算出手段１５，第二吊り上げ荷重算出手段１６及び表示器５ａへと入力されている。

第一吊り上げ荷重算出手段１５は、マグネット８が非励磁状態であるとき、すなわち、マグネット８が作動していない（何も吸着していない）ときに、フィルタ吊り上げ荷重W_g0に基づいて非励磁時吊り上げ荷重W_g1を算出するものである。ここでは、フィルタリング手段１４から受け取った時系列のフィルタ吊り上げ荷重W_g0のデータから、直近の所定時間（例えば、数百ミリ秒〜数秒間）における平均値を算出し、これを非励磁時吊り上げ荷重W_g1としている。なお、マグネット８が非励磁状態であれば、非励磁時吊り上げ荷重W_g1は随時算出され、その値が更新されている。ここで算出された非励磁時吊り上げ荷重W_g1は、実吊り上げ荷重算出手段１７へ入力されている。

一方、第二吊り上げ荷重算出手段１６は、マグネット８が励磁状態であるとき、すなわち、マグネット８が作動しているときに、フィルタ吊り上げ荷重W_g0に基づいて励磁時吊り上げ荷重W_g2を算出するものである。ここでは、フィルタリング手段１４から受け取った時系列のフィルタ吊り上げ荷重W_g0のデータから、直近の所定時間（例えば、数百ミリ秒〜数秒間）における平均値を算出し、これを励磁時吊り上げ荷重W_g2としている。

なお、この励磁時吊り上げ荷重W_g2は、一旦算出されると、マグネット８が励磁状態から非励磁状態へ移行するまでの間、その値が保持されるようになっている。つまり、マグネット８に磁性体を吸着させる毎に励磁時吊り上げ荷重W_g2が算出されている。ここで算出された励磁時吊り上げ荷重W_g2は、実吊り上げ荷重算出手段１７へ入力されている。
実吊り上げ荷重算出手段１７は、第一吊り上げ荷重算出手段１５で算出された非励磁時吊り上げ荷重W_g1から第二吊り上げ荷重算出手段１６で算出された励磁時吊り上げ荷重W_g2を減算し、実吊り上げ荷重W_g3を算出するものである。つまりここでは、マグネット８の作動前後における吊り上げ荷重W_gの差が実吊り上げ荷重W_g3として算出している。実吊り上げ荷重W_g3は判定手段１８へと入力されている。

判定手段１８は、実吊り上げ荷重W_g3及び吊り荷までの水平距離x_stpに基づき、吊り荷が過負荷となっているか否かを判定するものである。ここでは、図６に示すような定格荷重テーブルを用いて過負荷の判定を行っている。例えば、実吊り上げ荷重W_g3が吊り荷までの水平距離x_stpに対応する定格荷重W_maxよりも大きい不安定領域に位置する場合には、ブザー５ｂを鳴らして警報を発するようになっている。

［３．フローチャート］
本負荷検出装置で実施される制御フローを図７に示す。まず、ステップＡ１０では、フロント作業機９に作用する負荷を算出するのに必要な情報が記憶手段１９から読み出される。本フローでの演算で用いられる情報は、図３中に示されたブーム６，アーム７，マグネット８のそれぞれの重量（荷重）W_bm，W_st，W_mgと、各部材の寸法に係る距離情報L_oa，L_ob，L_od，L_oe，L_ac，L_ag，L_ghと、角度情報α_ab，α_bd，α_xe，β_cg，γ_hと、ブームシリンダ６ａのロッド室側のピストン面積S_R及びヘッド室側のピストン面積S_Hである。これらの情報は、フロント作業機９の姿勢や作業内容に関わらず不変である。

続くステップＡ２０では、角度センサ１ａ，１ｂ，１ｃで検出された角度α，β，γと、圧力センサ２ａ，２ｂで検出された作動油圧P_H，P_Rと、マグネットスイッチ３の操作状態を示す信号（オン／オフ）が読み込まれる。これらの情報は、ステップＡ１０で読み込まれる情報とは対照的に、フロント作業機９の姿勢や作業内容に応じて変化する。
さらにステップＡ３０では、ステップＡ１０及びＡ２０で読み込まれた情報に基づき、上述の式１を用いて第一モーメント算出手段１１で第一モーメントM_bmsが算出される。また、ステップＡ４０では、上述の式３を用いて第二モーメント算出手段１２で第二モーメントM_bmcが算出される。

続くステップＡ５０では、吊り上げ荷重算出手段１３において、吊り上げ荷重がW_gである吊り荷の存在を仮定した場合におけるブーム６の基端部から吊り荷までの水平距離x_stpが算出され、さらにステップＡ６０では、第一モーメントM_bms及び第二モーメントM_bmcと吊り荷によるモーメントM_gとの釣り合い条件から吊り上げ荷重W_gが算出される。
ここで算出される吊り上げ荷重W_gには、フロント作業機９の微少な動作や機体の振動ノイズ，ブームシリンダ６ａ内の作動油圧の弾性的な変動誤差等によって生じたノイズ成分が含まれている。例えば、図８中に破線で示すようにブームシリンダ６ａを徐々に伸長動作させると、吊り上げ荷重は実線で示すように不規則な振動を伴って変動する。このように、実際の吊り荷の重量には変化がなかったとしても、吊り上げ荷重算出手段１３で算出される吊り上げ荷重W_gはノイズ成分によって大きく変化する。

そこで続くステップＡ７０では、このようなノイズ成分を除去するためのフィルタ処理が実施される。すなわち、吊り上げ荷重算出手段１３から入力された個々の吊り上げ荷重W_gのデータがフィルタリング手段１４に経時的に収集され、所定の時間内に収集された吊り上げ荷重W_gの時系列データに対して図６に示すバンドパスフィルタ１４ａでフィルタリングがなされる。バンドパスフィルタ１４ａによって、吊り上げ荷重W_gの時系列データに含まれる高周波成分（周期の小さい振動成分）と低周波成分（周期の大きい振動成分）とが取り除かれ、フィルタリング手段１４からはフィルタ吊り上げ荷重W_g0の時系列データが出力される。

なお、このステップで算出されたフィルタ吊り上げ荷重W_g0は表示器５ａへ出力される。これにより、オペレータはノイズ成分が取り除かれた吊り荷の負荷の大きさを随時確認することができる。フィルタ吊り上げ荷重W_g0をグラフ化すると、図８中に一点鎖線で示すようになだらかとなる。
ステップＡ８０では、マグネットスイッチ３から入力される信号に基づき、マグネット８が作動しているか否かが判定される。ここで、マグネットスイッチ３がオフ操作されている（マグネット８が非励磁状態である）場合にはステップＡ９０へ進み、マグネットスイッチ３がオン操作されている（マグネット８が励磁状態である）場合にはステップＡ１２０へ進む。

ステップＡ９０では、第一吊り上げ荷重算出手段１５において非励磁時吊り上げ荷重W_g1が算出される。ここでは、直近の所定時間におけるフィルタ吊り上げ荷重W_g0の平均値が算出され、これが非励磁時吊り上げ荷重W_g1とされる。なお、非励磁時吊り上げ荷重W_g1はマグネット８への吸着前の荷重であるから、理論上はこの値はゼロである。一方本発明では、マグネット８が非励磁状態であるときのフィルタ吊り上げ荷重W_g0の平均値が非励磁時吊り上げ荷重W_g1として設定されるため、ゼロ点補正がなされることになる。

また、ステップＡ１００では判定手段１８での過負荷判定に係る実吊り上げ荷重W_g3がゼロに設定され、ステップＡ１１０において実吊り上げ荷重設定フラグＦがＦ＝０に設定される。その後、ステップＡ１６０以降の過荷重判定に係るステップが実施される。なお、ステップＡ９０〜Ａ１１０の制御がなされるのは吊り荷がない場合のみであるから、そのままステップＡ２０へ戻るようなフローとすることもできる。

マグネットスイッチ３がオン操作されている場合、ステップＡ１２０では実吊り上げ荷重設定フラグＦがＦ＝０であるか否かが判定される。ここでＦ＝１である場合にはステップＡ１３０〜Ａ１５０の制御がスキップされてステップＡ１６０以降の過荷重判定に係るステップが実施される。一方、Ｆ＝０である場合には、ステップＡ１３０へ進み、第二吊り上げ荷重算出手段１６において励磁時吊り上げ荷重W_g2が算出される。ここでは、直近の所定時間におけるフィルタ吊り上げ荷重W_g0の平均値が算出され、これが励磁時吊り上げ荷重W_g2とされる。

続くステップＡ１４０では、実吊り上げ荷重算出手段１７において励磁時吊り上げ荷重W_g2から非励磁時吊り上げ荷重W_g1が減算され、実吊り上げ荷重W_g3（W_g3= W_g2- W_g1）が算出される。つまりここでは、マグネット８が作動する前後で算出されたフィルタ吊り上げ荷重W_g0の平均値の差が演算される。
また、続くステップＡ１５０では、実吊り上げ荷重設定フラグＦがＦ＝１に設定される。つまり、一旦マグネット８が励磁されて実吊り上げ荷重W_g3が算出されると、その後マグネットスイッチ３がオフ操作されるまでの間は実吊り上げ荷重W_g3の再計算が行われない。

ステップＡ１６０では、記憶手段１９に記憶された図６に示すような定格荷重マップに基づき、ステップＡ５０で算出された吊り荷までの水平距離x_stpに対応する定格荷重W_maxが読み込まれる。その後、ステップＡ１７０では、実吊り上げ荷重W_g3と定格荷重W_maxとを比較し、実吊り上げ荷重W_g3が定格荷重W_maxを超えているか否かが判定される。ここでW_g3＞W_maxである場合にはステップＡ１８０へ進み、コントローラ１０から過負荷信号が出力されてブザー５ｂから警報音が発せらされる。一方、W_g3≦W_maxである場合には吊り荷の荷重が安定領域にあるため、そのままフローを終了し、ステップＡ２０へと戻る。

［４．作用，効果］
このように本負荷検出装置によれば、吊り上げ荷重W_gを単発的に算出してその都度過負荷を判定するのではなく、吊り上げ荷重W_gの時系列データを作成してバンドパスフィルタ処理を施すことにより、経時的に変動するノイズ成分を除去することができ、吊り荷の荷重を正確に把握することができる。また、このようなバンドパスフィルタ処理により、マグネット８の非作動時における吊り上げ荷重（非励磁時吊り上げ荷重W_g1）とマグネット８の作動時における吊り上げ荷重（励磁時吊り上げ荷重W_g2）との両方の値を安定化させることができ、過負荷判定の精度を高めることができる。

さらに、マグネット吸着前後における吊り上げ荷重のそれぞれの平均値の差を実吊り上げ荷重とすることにより、正確に実吊り上げ荷重W_g3を算出することができ、過負荷判定の精度を高めることができる。例えば、マグネット８の作動中にアームシリンダ７ａを伸縮させたとしても、負荷の動的な変化を抑制することができ、過剰に過負荷警報が発せられるような事態を回避することができる。

また、本実施形態では、マグネット８の非励磁時に第一吊り上げ荷重算出手段１５で算出される非励磁時吊り上げ荷重W_g1が随時算出されて更新されるため、判定精度をより向上させることができる。一方、マグネット８の励磁時に第二吊り上げ荷重算出手段１６で算出される励磁時吊り上げ荷重W_g2は、一旦算出されるとマグネット８が非励磁状態へ移行するまでの間は保持されるため、磁性体の吸着中における吊り荷の荷重の誤算出を防止することができる。なお、マグネット８の励磁時であっても吊り荷までの水平距離x_stpに応じた定格荷重W_maxが設定されるため、適切に過負荷を判定することができる。

［５．その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態では、フィルタリング手段１４から出力されるフィルタ吊り上げ荷重W_g0に基づいて、非励磁時吊り上げ荷重W_g1及び励磁時吊り上げ荷重W_g2の両方を算出し、それらの差に基づく過負荷判定を実施しているが、少なくともフィルタ吊り上げ荷重W_g0に基づく過負荷判定を実施するものであればよい。例えば、フィルタ吊り上げ荷重W_g0と定格荷重W_maxとの比較により過負荷であるか否かを判定する構成としてもよい。

本発明の一実施形態に係るマグネット作業機の負荷検出装置を搭載したマグネット作業機の全体構成を示す側面図である。本装置のコントローラの制御ブロック図である。本装置における実吊り上げ荷重の演算に係る変数の定義を模式的に示す説明図である。本装置におけるブームシリンダに係る変数の定義を模式的に示す説明図である。本装置のバンドパスフィルタ処理に係る制御ブロック図である。本装置に設定された定格荷重のテーブルである。本装置での演算内容であって、本発明の一実施形態に係るマグネット作業機の負荷検出方法を説明するためのフローチャートである。本装置においてブームシリンダ駆動時に演算された実吊り上げ荷重の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１ａ，２ａ，３ａ角度センサ（角度検出手段）
２ａ，２ｂ圧力センサ（作動油圧検出手段）
３マグネットスイッチ（マグネット状態検出手段）
６ブーム
６ａブームシリンダ
７アーム
７ａアームシリンダ
８マグネット（マグネットアタッチメント）
８ａバケットシリンダ
９フロント作業機
１０コントローラ
１１第一モーメント算出手段
１２第二モーメント算出手段
１３吊り上げ荷重算出手段
１４フィルタリング手段
１５第一吊り上げ荷重算出手段
１６第二吊り上げ荷重算出手段
１７実吊り上げ荷重算出手段
１８判定手段
１９記憶手段
２０マグネット作業機
２１下部走行体
２２上部旋回体
２３キャブ
２４エンジンルーム

Claims

機体に揺動自在に軸支されたブームと、該ブームに揺動自在に軸支されたアームと、該アームに揺動自在に軸支されたマグネットアタッチメントとを有するフロント作業機を備えたマグネット作業機において、
該ブーム，該アーム及び該マグネットアタッチメントのそれぞれの配向角度を検出する角度検出手段と、
該ブームと該機体との間に介装されたブームシリンダに作用する作動油圧を検出する作動油圧検出手段と、
該マグネットアタッチメントの状態が励磁及び非励磁の何れの状態であるかを検出するマグネット状態検出手段と、
該角度検出手段で検出された該それぞれの配向角度に基づき、該フロント作業機の自重によって該ブームの基端部に生じる第一モーメントを算出する第一モーメント算出手段と、
該作動油圧検出手段で検出された該作動油圧に基づき、該ブームシリンダの伸縮によって該ブームの基端部に生じる第二モーメントを算出する第二モーメント算出手段と、
該第一モーメント，該第二モーメント及び吊り荷によって該ブームの基端部に生じるモーメントの釣り合い条件から、該吊り荷の荷重を吊り上げ荷重として算出する吊り上げ荷重算出手段と、
該吊り上げ荷重算出手段で算出された該吊り上げ荷重に対しバンドパスフィルタ処理を施して、経時的な変動成分を除去したフィルタ吊り上げ荷重を出力するフィルタリング手段と、
該マグネット状態検出手段で検出された該状態が非励磁状態であるときに、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて非励磁時吊り上げ荷重を算出する第一吊り上げ荷重算出手段と、
該マグネット状態検出手段で検出された該状態が励磁状態であるときに、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて励磁時吊り上げ荷重を算出する第二吊り上げ荷重算出手段と、
該第一吊り上げ荷重算出手段で算出された該非励磁時吊り上げ荷重と、該第二吊り上げ荷重算出手段で算出された該励磁時吊り上げ荷重との差を実吊り上げ荷重として算出する実吊り上げ荷重算出手段と、を備え、
該第二吊り上げ荷重算出手段は、該励磁時吊り上げ荷重を一旦算出すると、該マグネット状態検出手段で検出された該状態が非励磁状態となるまでの間は該励磁時吊り上げ荷重の値を保持する
ことを特徴とする、マグネット作業機の負荷検出装置。
該フィルタリング手段が、該マグネット状態検出手段で検出された該状態に関わらず該フィルタ吊り上げ荷重を継続的に出力し、
該第一吊り上げ荷重算出手段が、該非励磁状態下において、所定時間内における該フィルタ吊り上げ荷重の平均値を該非励磁時吊り上げ荷重として算出し、
該第二吊り上げ荷重算出手段が、該励磁状態下において、所定時間内における該フィルタ吊り上げ荷重の平均値を該励磁時吊り上げ荷重として算出する
ことを特徴とする、請求項１記載のマグネット作業機の負荷検出装置。
機体に揺動自在に軸支されたブームと、該ブームに揺動自在に軸支されたアームと、該アームに揺動自在に軸支されたマグネットアタッチメントとを有するフロント作業機を備えたマグネット作業機において、
該フロント作業機の自重によって該ブームの基端部に生じる第一モーメント及び該ブームと該機体との間に介装されたブームシリンダの伸縮によって該ブームの基端部に生じる第二モーメントをそれぞれ算出し、
該第一モーメント，該第二モーメント及び吊り荷によって該ブームの基端部に生じるモーメントの釣り合い条件から、該吊り荷の荷重を吊り上げ荷重として算出し、
該吊り上げ荷重に対しバンドパスフィルタ処理を施して経時的な変動成分を除去したフィルタ吊り上げ荷重を算出したうえで、該マグネットアタッチメントの励磁前後における二つの該フィルタ吊り上げ荷重の差を実吊り上げ荷重として算出する負荷検出方法であって、
該マグネットアタッチメントが非励磁状態であるときに、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて非励磁時吊り上げ荷重を算出し、
該マグネットアタッチメントが励磁状態であるときには、該フィルタ吊り上げ荷重に基づいて励磁時吊り上げ荷重を算出し、
該非励磁時吊り上げ荷重と該励磁時吊り上げ荷重との差を該実吊り上げ荷重として算出するとともに、
該励磁時吊り上げ荷重が一旦算出されてから該マグネットアタッチメントが非励磁状態となるまでの間は、該励磁時吊り上げ荷重の値を保持する
ことを特徴とする、マグネット作業機の負荷検出方法。