JP6252308B2 - 建設機械の旋回制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は電動機によって上部旋回体を旋回駆動する電動旋回式の建設機械の旋回制御装置に関するものである。
ショベル等の建設機械において、旋回駆動源として電動機(旋回電動機)を用いる電動旋回方式が公知である。
また、この電動旋回方式において、旋回停止時にパーキングブレーキを作動させて上部旋回体を停止状態に保持する技術も公知である(特許文献１参照)。
このパーキングブレーキ付きの電動旋回方式をとる従来の旋回制御装置のシステム構成を図５に示す。
上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機１は、制御手段の一部としてのインバータ２を介して蓄電装置３に接続され、この蓄電装置３からの電力によって駆動される。なお、ハイブリッド機械では、エンジン駆動される発電機または発電電動機も電源となる。
旋回電動機１には、その回転力を減速する旋回減速機４と、上部旋回体に機械的なブレーキ力を付与する油圧式のパーキングブレーキ(「メカニカルブレーキ」ともいう)５が設けられている。
このパーキングブレーキ５は、油圧が作用しない状態でバネ力によってブレーキ力を発揮するネガティブブレーキとして構成され、このパーキングブレーキ５のブレーキ解放状態で旋回動作(起動を含めた加速、減速)が行なわれる。
また、パーキングブレーキ５を駆動する手段として、図示しないエンジンによって駆動される油圧源としての油圧ポンプ６と、ブレーキ作動位置イとブレーキ解放位置ロとの間で切換わる電磁切換式のブレーキ弁７が設けられ、このブレーキ弁７のブレーキ作動位置イでパーキングブレーキ５の油圧がタンクＴに抜けて同ブレーキ５がブレーキ作動し、ブレーキ解放位置ロでパーキングブレーキ５に油圧が送られて同ブレーキ５がブレーキ解放状態となる。７ａはブレーキ弁７の駆動部としてのソレノイドである。
８はオペレータによって操作される操作手段としての旋回操作レバーで、この旋回操作レバー８のレバー操作(操作の有無、方向、操作量)に応じた電気信号(旋回操作信号)が、制御手段を構成するコントローラ９に送られる。
コントローラ９は、旋回操作信号に基づいてインバータ２に起動を含む加速、減速、停止の各指令を出力し、この指令に基づきインバータ２から旋回電動機１に運転指令が出される。
すなわち、インバータ２とコントローラ９によって制御手段が構成され、この制御手段によって旋回動作が制御される。
また、コントローラ９は、レバー操作時にはブレーキ解放指令を、レバー中立時(非操作時)にはブレーキ作動指令をそれぞれブレーキ弁７(ソレノイド７ａ)に送る。
こうして、レバー操作時にはパーキングブレーキ５がブレーキ解放した状態で、レバー操作に応じた指令に基づいて旋回電動機１が加速、減速、停止し、レバー中立状態でパーキングブレーキ５がブレーキ作動して旋回電動機１(上部旋回体)が停止状態に保持される。
一方、特許文献１にも記載されているように、オペレータが旋回動作の異常を感じたときに操作される非常停止スイッチ１０が、コントローラ９とブレーキ弁７の間に設けられている。
公知技術においては、この非常停止スイッチ１０が操作されたときに、インバータ２の電源を遮断してインバータ２による電動機制御を停止させるとともに、ブレーキ弁７をブレーキ作動位置イに切換えてパーキングブレーキ５にブレーキ作動させ、旋回動作を強制的に停止させるように構成されている。
以下、非常停止スイッチ１０の操作を「非常停止操作」、その操作時を「非常停止操作時」という。
２０１３−１３３６２２号公報
上記構成をとる建設機械では、非常停止操作時には、その反応として旋回停止させることが原則となる。
ここで、上記公知技術によると、旋回異常は制御手段(とくにインバータ２)の故障が原因で起こるという前提に立ち、非常停止操作時に、常に、ブレーキ作動によって旋回停止させる構成としているため、オペレータの誤った異常判断による誤操作、他のスイッチとの誤認や誤接触による誤操作、またはオペレータやオペレータ以外の作業員が試しにスイッチ操作した場合のように旋回異常状態でもないのに非常停止操作が行われた場合(以下、これらをまとめて「誤操作」という)にもブレーキ停止作用が働く。
すなわち、誤操作による無駄なブレーキ停止によってパーキングブレーキの作動頻度がいたずらに高くなる可能性がある。
しかも、そもそもパーキングブレーキ５は、旋回停止状態で作動する前提で設計されているため、旋回中のブレーキ停止作用によって受けるダメージが大きい。
このため、パーキングブレーキ５が損傷し易くなり、本来の停止保持機能が果たせなくなったりブレーキ寿命が低下したりする問題が生じる。
そこで本発明は、非常停止操作時に旋回停止させるという原則を守りながら、無駄なブレーキ停止を無くしてパーキングブレーキの作動頻度を抑えることができる建設機械を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、旋回動作を指令する旋回操作手段と、上記上部旋回体に機械的なブレーキ力を付与するパーキングブレーキと、このパーキングブレーキのブレーキ作動／ブレーキ解放を制御するブレーキ弁と、オペレータの操作に基づいて上記制御手段に旋回動作の非常停止信号を出力する非常停止スイッチと、上記旋回操作手段からの旋回操作信号及び上記非常停止スイッチからの非常停止信号が入力される制御手段と、上記非常停止スイッチの操作から設定時間経過後に上記パーキングブレーキにブレーキ作動を行わせるタイマ装置を備え、上記制御手段は、
(ｉ) 上記操作信号に基づいて上記旋回電動機に加速、減速、停止の各指令を出力し、
(ｉｉ) 上記ブレーキ弁に対し、上記旋回操作手段の中立状態で上記パーキングブレーキのブレーキ作動指令、操作状態でブレーキ解放の指令をそれぞれ出力し、
(ｉｉｉ) 上記非常停止信号の入力時に上記旋回電動機に停止指令を出力する
ように構成したものである。
この構成によれば、非常停止操作時に、直ちにパーキングブレーキを作動させるのではなく、制御手段から旋回電動機に旋回停止指令を出力して旋回停止を試みるため、誤操作による非常停止操作時にはパーキングブレーキを作動させることなく、上部旋回体を旋回停止させることができる。
そして、上記旋回停止指令によって旋回停止できない場合でも、タイマ装置により、設定時間経過後にパーキングブレーキを作動させて強制停止させることができる。
すなわち、非常停止操作時に旋回停止させるという原則を守りながら、誤操作によるパーキングブレーキの無駄な作動を無くし、その分、ブレーキ停止頻度を減らしてパーキングブレーキの損傷を抑えることができる。
以下、パーキングブレーキによる停止を「ブレーキ停止」、制御手段からの指令による旋回停止を「制御停止」という場合がある。
本発明において、上記制御手段を、上記旋回電動機の作動を制御するインバータと、上記操作信号に基づいて上記ブレーキ弁及び上記インバータに対する作動指令を出力するとともに上記非常停止信号に基づいて上記インバータに旋回電動機の停止指令を送るコントローラによって構成する一方、上記インバータの故障を検出するインバータ故障検出手段を備え、上記コントローラは、上記非常停止信号の入力時であってかつ上記インバータの故障が検出されたときに、上記タイマ装置の設定時間経過前に、上記ブレーキ弁に対し上記パーキングブレーキのブレーキ作動指令を出力するように構成するのが望ましい(請求項２〜４)。
この構成によれば、制御手段のうちインバータが故障したとき、すなわち、制御停止が不能となった状態では、故障が検出された時点でタイマ装置の設定時間を待たずにブレーキ作動させて速やかに旋回停止させることができる。
この場合、上記コントローラと、上記旋回電動機の回転数を検出して上記コントローラに入力する回転数検出手段によって上記インバータ故障検出手段を構成し、上記コントローラは、上記非常停止信号の入力後、上記旋回電動機の回転数が低下しないときにインバータ故障と判断して上記ブレーキ作動指令を出力するように構成してもよい(請求項３)。
あるいは、上記コントローラとインバータの間に通信ラインを設け、上記コントローラは、上記通信ラインの通信異常があったときにインバータ故障と判断して上記ブレーキ作動指令を出力するように構成してもよい(請求項４)。
請求項３の構成によれば、実際の旋回挙動に基づいてインバータの故障の有無を判断するため、故障判断の信頼性が高い。
一方、請求項４の構成によれば、故障検出のための設備として通信ラインを設けるだけでよいため、故障検出のための設備が簡単でコストが安くてすむ。
また、請求項３の回転数検出方式を併用する構成をとれば、二重検出によってより確実、速やかな旋回停止(ブレーキ停止)作用を得ることができる。
本発明によると、非常停止操作時には旋回停止させるという原則を守りながら、無駄なブレーキ停止を無くしてパーキングブレーキの作動頻度を抑えることができる。
本発明の第１実施形態を示すシステム構成図である。 作用を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態を示すシステム構成図である。 本発明の第３実施形態を示すシステム構成図である。 従来技術によるシステム構成図である。
本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。
実施形態において、次の点は図５に示す従来技術と同じである。
(Ｉ) 上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機１１は、制御手段の一部としてのインバータ１２を介して蓄電装置１３に接続され、この蓄電装置１３からの電力(ハイブリッド機械ではこれに加えて発電機または発電電動機からの電力)によって駆動される点。
(ＩＩ) 旋回電動機１１には、その回転力を減速する旋回減速機１４と、上部旋回体に機械的なブレーキ力を付与する油圧式のパーキングブレーキ(「メカニカルブレーキ」ともいう)１５が設けられている点。
(ＩＩＩ) パーキングブレーキ１５は、油圧が作用しない状態でバネ力によってブレーキ力を発揮するネガティブブレーキとして構成され、このパーキングブレーキ１５のブレーキ解放状態で旋回動作(起動を含めた加速、減速)が行なわれる点。
(ＩＶ) パーキングブレーキ１５を駆動する手段として、図示しないエンジンによって駆動される油圧源としての油圧ポンプ１６と、ブレーキ作動位置イとブレーキ解放位置ロとの間で切換わる電磁切換式のブレーキ弁１７(１７ａは駆動部としてのソレノイド)が設けられ、このブレーキ弁１７のブレーキ作動位置イでパーキングブレーキ１５の油圧がタンクＴに抜けて同ブレーキ１５がブレーキ作動し、ブレーキ解放位置ロでパーキングブレーキ１５に油圧が送られて同ブレーキ１５がブレーキ解放状態となる点。
(Ｖ) オペレータによって操作される旋回操作手段としての旋回操作レバー１８が設けられ、この旋回操作レバー１８のレバー操作(操作の有無、方向、操作量)に応じた電気信号(旋回操作信号)が、制御手段を構成するコントローラ１９に送られる点。
(ＶＩ) コントローラ１９は、レバー操作時にはブレーキ解放指令を、レバー中立時(非操作時)には旋回停止状態であることを条件としてブレーキ作動指令をそれぞれブレーキ弁１７(ソレノイド１７ａ)に送る点。
(ＶＩＩ) これにより、レバー操作時にはパーキングブレーキ１５がブレーキ解放した状態で、レバー操作に応じた指令に基づいて旋回電動機１１が加速、減速、停止し、レバー中立状態で旋回停止を条件としてパーキングブレーキ１５がブレーキ作動して旋回電動機１(上部旋回体)が停止状態に保持される点。
(ＶＩＩＩ) オペレータが旋回動作の異常を感じたときに操作される非常停止スイッチ２０が設けられる点。
第１実施形態(図１，２参照)
非常停止スイッチ２０は、操作時に開く二つの接点(常閉接点)２０ａ，２０ｂを有し、一方の接点２０ａにコントローラ１９とインバータ１２が接続されている。
また、他方の接点２０ｂにオフタイマリレー２１のコイル２１ａが接続され、非常停止スイッチ２０の操作から設定時間経過後にリレー接点２１ｂが開く。
このリレー接点２１ｂは、コントローラ１９とブレーキ弁１７のソレノイド１７ａの間に設けられ、リレー接点２１ｂが開くと、コントローラ１９からブレーキ弁ソレノイド１７ａへの通電(ブレーキ解放指令)が遮断されてブレーキ弁１７がブレーキ解放位置ロからブレーキ作動位置イに切換わり、パーキングブレーキ１５が作動する。
すなわち、オペレータが非常停止スイッチ２０を操作すると、非常停止信号がコントローラ１９とインバータ１２にパラレルに入力されるととともに、それから設定時間経過後にパーキングブレーキ１５がブレーキ作動するように構成されている。
コントローラ１９は、前記のように通常制御としてレバー操作に応じた旋回電動機１１及びパーキングブレーキ１５の制御を行う一方、非常停止操作時(非常停止信号の入力時)に旋回電動機１１に対する停止指令をインバータ１２に送る。
また、旋回電動機１１の回転数を検出する回転数センサ２２が設けられ、同センサ２２からの回転数信号がコントローラ１９に入力される。
コントローラ１９は、この回転数信号から、
(Ａ) 通常制御時には、旋回停止状態を確認してブレーキ作動指令を出力し、
(Ｂ) 非常停止操作時には、旋回電動機１１が減速しているか否かを判断し、減速している場合にはインバータ１２が正常に作動している(故障していない)と判断し、減速していない場合はインバータ１２が故障していると判断してブレーキ停止を指令する。
このコントローラ１９による制御の流れを図２のフローチャートによって説明する。
制御開始後、通常制御として、ステップＳ１でレバー操作が有るか否かが判断され、ＮＯ(レバー操作が無い)となるとステップＳ２でインバータ１２に旋回停止指令を出力する。
これにより、旋回電動機１１が減速して停止し、上部旋回体の旋回が停止する。
続くステップＳ３では回転数信号に基づいて旋回停止状態か否かを判断し、ＮＯ(未だ旋回中)であればステップＳ１に戻り、ＹＥＳであればステップＳ４でブレーキ作動指令を出力してステップＳ１に戻る。
これにより、パーキングブレーキ１５が作動して上部旋回体を停止保持する。
一方、ステップＳ１でＹＥＳ(レバー操作有り)と判断されると、ステップＳ５でブレーキ解放指令が出力され、ステップＳ６においてインバータ１２にレバー操作に応じた加速、減速指令が出力される。
そして、ステップＳ７において非常停止操作されたか否かが判断され、ＮＯであればステップＳ１に戻り、ＹＥＳの場合にステップＳ８に移行する。
ステップＳ８ではインバータ１２に旋回停止指令が出力され、ステップＳ９においてその反応としての回転数信号から減速状態を見てインバータ１２が故障か否かを判断する。
ここでＹＥＳの場合、つまり減速していないためインバータ１２が故障していると判断されると、直接ステップＳ１０に移行してブレーキ作動指令が出力され、ブレーキ停止が行われる。
これに対し、ステップＳ９でＮＯの場合、つまり減速しているためインバータ１２が正常であると判断されると、ステップＳ１１において、ステップＳ７で出力された旋回停止指令の結果として旋回停止したか否かが判断され、ＮＯ(減速中)の場合はステップＳ８に戻り、ＹＥＳ(旋回停止)の場合に、ステップＳ１０でブレーキ作動指令が出力された後、ステップＳ７に戻る。
一方、コントローラ１９による制御とは別の作用として、図２中に破線で示すように、インバータ１２の故障の有無、及びコントローラ１９からブレーキ停止指令が出力されているか否かに関係なく、非常停止操作から設定時間経過後にオフタイマリレー２１が作動してブレーキ作動が行われる。
この装置によると、上記のように非常停止操作時に直ちにパーキングブレーキ１５を作動させるのではなく、コントローラ１９からインバータ１２経由で旋回電動機１１に旋回停止指令を出力して制御停止を試みるため、誤操作による非常停止操作時にはパーキングブレーキ１５を作動させることなく制御停止させることができる。
そして、制御停止できない場合でも、タイマ装置により、非常停止操作から設定時間経過後にパーキングブレーキを作動させて強制停止させることができる。
すなわち、非常停止操作時に旋回停止させるという原則を守りながら、誤操作によるパーキングブレーキの無駄な作動を無くし、その分、ブレーキ停止頻度を減らしてパーキングブレーキの損傷を抑えることができる。
また、制御手段のうちインバータ１２が故障したとき、すなわち、制御停止が不能となった状態では、故障が検出された時点でオフタイマリレー２１の設定時間を待たずにブレーキ作動させて速やかに旋回停止させることができる。
この場合、実際の旋回挙動(旋回電動機１１の回転数)に基づいてインバータ１２の故障の有無を判断するため、故障判断の信頼性が高い。
他の実施形態(図２〜図４参照)
第１実施形態との相違点のみを説明する。
図３に示す第２実施形態においては、インバータ１２の故障を検出する手段として、コントローラ１９とインバータ１２の間に、両者間で信号をやりとりする通信ライン２３が設けられ、信号が停止する等の通信異常があったときにコントローラ１９がインバータ故障と判断してブレーキ停止させるように構成されている。
この構成によると、故障検出のための設備として通信ライン２３を設けるだけでよいため、設備コストが安くてすむ。
また、図４に示す第３実施形態においては、回転数センサ２２と通信ライン２３の双方を設け、いずれかの信号に基づいてインバータ１２の故障を判断するように構成されている。
こうすれば、二重検出によって、より確実かつ速やかな旋回停止作用を得ることができる。
１１ 旋回電動機
１２ 制御手段を構成するインバータ
１３ 蓄電装置
１５ パーキングブレーキ
１６ 油圧ポンプ
１７ ブレーキ弁
１８ 旋回操作レバー(旋回操作手段)
１９ 制御手段を構成するコントローラ
２０ 非常停止スイッチ
２１ タイマ装置としてのオフタイマリレー
２２ インバータ故障検出手段を構成する回転数センサ
２３ 同、通信ライン

Claims (4)

  1. 下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、旋回動作を指令する旋回操作手段と、上記上部旋回体に機械的なブレーキ力を付与するパーキングブレーキと、このパーキングブレーキのブレーキ作動／ブレーキ解放を制御するブレーキ弁と、オペレータの操作に基づいて上記制御手段に旋回動作の非常停止信号を出力する非常停止スイッチと、上記旋回操作手段からの旋回操作信号及び上記非常停止スイッチからの非常停止信号が入力される制御手段と、上記非常停止スイッチの操作から設定時間経過後に上記パーキングブレーキにブレーキ作動を行わせるタイマ装置を備え、上記制御手段は、
    (ｉ) 上記操作信号に基づいて上記旋回電動機に加速、減速、停止の各指令を出力し、
    (ｉｉ) 上記ブレーキ弁に対し、上記旋回操作手段の中立状態で上記パーキングブレーキのブレーキ作動指令、操作状態でブレーキ解放の指令をそれぞれ出力し、
    (ｉｉｉ) 上記非常停止信号の入力時に上記旋回電動機に上記上部旋回体を減速して停止させる停止指令を出力する
    ように構成したことを特徴とする建設機械の旋回制御装置。
  2. 下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体の旋回駆動源としての旋回電動機と、旋回動作を指令する旋回操作手段と、上記上部旋回体に機械的なブレーキ力を付与するパーキングブレーキと、このパーキングブレーキのブレーキ作動／ブレーキ解放を制御するブレーキ弁と、オペレータの操作に基づいて上記制御手段に旋回動作の非常停止信号を出力する非常停止スイッチと、上記旋回操作手段からの旋回操作信号及び上記非常停止スイッチからの非常停止信号が入力される制御手段と、上記非常停止スイッチの操作から設定時間経過後に上記パーキングブレーキにブレーキ作動を行わせるタイマ装置を備え、上記制御手段は、
    (ｉ) 上記操作信号に基づいて上記旋回電動機に加速、減速、停止の各指令を出力し、
    (ｉｉ) 上記ブレーキ弁に対し、上記旋回操作手段の中立状態で上記パーキングブレーキのブレーキ作動指令、操作状態でブレーキ解放の指令をそれぞれ出力し、
    (ｉｉｉ) 上記非常停止信号の入力時に上記旋回電動機に停止指令を出力する
    ように構成し、
    上記制御手段を、上記旋回電動機の作動を制御するインバータと、上記操作信号に基づいて上記ブレーキ弁及び上記インバータに対する作動指令を出力するとともに上記非常停止信号に基づいて上記インバータに旋回電動機の停止指令を送るコントローラによって構成する一方、上記インバータの故障を検出するインバータ故障検出手段を備え、上記コントローラは、上記非常停止信号の入力時であってかつ上記インバータの故障が検出されたときに、上記タイマ装置の設定時間経過前に、上記ブレーキ弁に対し上記パーキングブレーキのブレーキ作動指令を出力するように構成したことを特徴とする建設機械の旋回制御装置。
  3. 上記コントローラと、上記旋回電動機の回転数を検出して上記コントローラに入力する回転数検出手段によって上記インバータ故障検出手段を構成し、上記コントローラは、上記非常停止信号の入力後、上記旋回電動機の回転数が低下しないときにインバータ故障と判断して上記ブレーキ作動指令を出力するように構成したことを特徴とする請求項２記載の建設機械の旋回制御装置。
  4. 上記コントローラとインバータの間に通信ラインを設け、上記コントローラは、上記通信ラインの通信異常があったときにインバータ故障と判断して上記ブレーキ作動指令を出力するように構成したことを特徴とする請求項２または３記載の建設機械の旋回制御装置。
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