JP6604624B2

JP6604624B2 - 作業機械の自動振動装置

Info

Publication number: JP6604624B2
Application number: JP2015096591A
Authority: JP
Inventors: 翔太方尺; 康一村田; 雅史柴田
Original assignee: キャタピラーエスエーアールエル
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2035-05-11
Also published as: WO2016180686A1; DE112016001689T5; CN107636235B; CN107636235A; JP2016211256A; US10508410B2; US20180135274A1

Description

本発明は、作業装置を自動振動させる作業機械の自動振動装置に関する。

油圧ショベルなどの作業機械のアプリケーションの一つとして、スケルトンバケットを用い、受け入れた荷から泥や砂利を篩い落としたり、地面に散布したりするために、スティックイン／アウト、および、バケットイン／アウトを繰り返し行う、篩い作業がある。

このような篩い作業は、従来、オペレータが手動で操作レバー入力を繰り返し行ってきたが、近年、この操作レバーからの入力信号をコントローラで模擬することにより作業装置を自動振動させて篩い作業を自動化する作業機械が知られている(例えば、特許文献１および２参照。)。

特許文献１に記載された構成では、作業装置の正負の振幅を独立に設定可能であるとともに、正の振幅と負の振幅との中心を手動操作により可変にしている。

また、特許文献２に記載された構成では、オペレータの操作レバーの操作をトリガとして、作業装置の振動と振幅数とを変更可能としている。

特開平２−３０４１２４号公報特開平９−２９１５６６号公報

しかしながら、上記各特許文献の構成の場合、振動の振幅の大きさや振幅の中心が開始位置からずれ、バケットから荷がこぼれることなどが発生し、適切に篩い作業が行えない場合がある。

また、設定された振幅を繰り返すのみであるから、バケットに受け入れた荷の状況に応じて適切な振幅や速度で篩い作業を行えない場合がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、作業装置を常に自動振動に適した姿勢として自動振動させることができる作業機械の自動振動装置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、機体と、スティックシリンダにより回動されるスティック、および、スティックの先端に軸連結されてバケットシリンダにより回動されるバケットを備え、機体に軸連結されて作動される作業装置と、作業装置の姿勢を検出する姿勢センサと、少なくともスティックシリンダおよびバケットシリンダを動作させる信号を出力するコントローラとを具備し、コントローラは、作業装置を、姿勢センサにより検出した姿勢が所定の準備姿勢となるように自動動作させるとともに、この準備姿勢から、姿勢センサにより検出した姿勢が所定の姿勢範囲内となるように維持しつつ自動振動させる自動振動モードを備えている作業機械の自動振動装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械の自動振動装置において、バケットに受け入れた荷の重量を検出する重量センサを具備し、コントローラが、自動振動モードにおいて、重量センサにより検出した荷の重量に対応して作業装置の自動振動の振幅を可変設定するものである。

請求項１記載の発明によれば、作業装置の姿勢を検出する姿勢センサを備えることで、予め設定された所定の準備姿勢から、作業装置の位置をフィードバックしつつ作業装置を自動振動させることができるので、作業装置を常に自動振動に適した姿勢として自動振動させることができる。

請求項２記載の発明によれば、バケットに受け入れた荷の重量を検出する重量センサを備えることで、荷の重量をフィードバックして、作業装置の自動振動を荷の重量に合わせて変化させることができる。

本発明に係る作業機械の自動振動装置の一実施の形態を示す概要図である。同上作業機械を示す側面図である。同上作業機械のキャブ内を示す斜視図である。 (a)は第１自動振動モードでの振動を示す側面図、(b)は第２自動振動モードでの振動を示す側面図である。同上自動振動装置の自動振動モードでの制御手順を示すフローチャートである。自動振動モードでのコントローラにより生成される、作業装置の振幅を設定する電気信号を示す説明図である。 (a)(b)はそれぞれ自動振動モードでのコントローラにより生成される、作業装置の振動位置をずらす電気信号を示す説明図である。自動振動モードでのコントローラにより生成される、作業装置の振動速度を設定する電気信号を示す説明図である。

以下、本発明を、図１乃至図８に示された一実施の形態に基いて詳細に説明する。

図２は、油圧ショベル型の作業機械10を示し、下部走行体11aに対し上部旋回体11bが旋回可能に設けられた機体11に対し、流体圧シリンダ(油圧シリンダ)としてのブームシリンダ12bmによって上下動される作業装置13が搭載されている。

作業装置13は、上部旋回体11bにブーム13bmの基端が上下方向回動自在に軸支され、このブーム13bmの先端にスティック13stが回動自在に軸支され、このスティック13stの先端にバケット13bkが回動可能に軸支され、ブーム13bmはブームシリンダ12bmによって回動され、スティック13stは流体圧シリンダ(油圧シリンダ)としてのスティックシリンダ12stにより回動され、バケット13bkは流体圧シリンダ(油圧シリンダ)としてのバケットシリンダ12bkにより回動される。

また、作業装置13には、ブーム13bm、スティック13stおよびバケット13bkの姿勢を検出するブーム姿勢検出手段、スティック姿勢検出手段およびバケット姿勢検出手段としてのセンサ15bm，15st，15bkがそれぞれ取り付けられているとともに、バケット13bkに受け入れた荷の重量(ペイロード)を検出する重量センサ16が取り付けられている。そして、これらセンサ15bm，15st，15bkにより、作業装置13の姿勢を検出する姿勢センサ15が構成されている。すなわち、姿勢センサ15は、作業装置13を構成するブーム13bm、スティック13stおよびバケット13bkのそれぞれの角度(位置)を検出する。

センサ15bm，15st，15bkとしては、例えばポテンショメータなどとも呼ばれる角度センサや、位置を検出する位置センサなどが任意に用いられるが、本実施の形態では、例えばセンサ15bm，15stとして角度センサが用いられ、センサ15bkとして位置センサが用いられる。

センサ15bmは、例えばブーム13bmを機体11(上部旋回体11b)に対して軸支するブームフートピン17bmに取り付けられている。

センサ15stは、例えばスティック13stの基端側をブーム13bmの先端側に対して軸支する(スティック基端側)軸支ピン17stに取り付けられている。

センサ15bkは、例えばバケットシリンダ12bkのロッドに取り付けられたマーカＭの位置を、スティック13stの側部に取り付けられた検出部本体(レーザキャッチャ)Ｃにより検出することでバケットシリンダ12bkの伸縮を検出することにより、スティック13stに対するバケット13bkの位置(回動角度)を検出する。

なお、センサ15bm，15st，15bkにより検出する回動角度としては、本実施の形態では、例えばボディチルトセンサを搭載することで絶対角度を検出することが可能となっているが、例えばブーム13bm、スティック13stおよびバケット13bkの機体11、ブーム13bmおよびスティック13stに対する相対角度をそれぞれ検出するようにしてもよい。

重量センサ16は、任意の構成とすることができるが、例えばセンサ15bm，15stにより検出したブーム13bmおよびスティック13stの姿勢と、ブームシリンダ12bmのヘッド側圧およびロッド側圧を検出する圧力センサ16bmhおよび圧力センサ16bmrとから、モーメントの釣合を計算して、バケット13bk内の荷の重量を演算する。

バケット13bkは、例えば荷を受け入れる容器状のバケット本体13bk1と、このバケット本体13bk1の先端に突設されたツースチップ13bk2とを一体的に備えている。そして、このバケット13bkとしては、例えば後述する自動振動モードにより篩い作業をする場合、バケット本体13bk1に格子状などに開口(図示せず)が形成された、いわゆるスケルトンバケットが用いられる。

また、上部旋回体11bの一側部にはオペレータの作業空間を保護するキャブ20が搭載されている。このキャブ20内には、図３に示されるように、運転席21の左右部に設けられたコンソール22，22の上部に操作部としての操作レバー23，23がそれぞれ設けられ、これらの操作レバー23，23の上部には切替スイッチとしてのプッシュボタン式のスイッチ25および切替スイッチとしての親指操作輪式(サムホイール式)のスイッチ27が設けられている。また、このキャブ20内には、入力手段および表示手段の機能を有するモニタ29が設置されている。

各操作レバー23は、その上部の前面部にプッシュボタン式のスイッチ25および親指操作輪式のスイッチ27が設けられている。これらのスイッチ25，27のいずれかを、作業装置13を自動振動させて篩い作業する際の自動振動モードの切替スイッチとして用いる。この自動振動モードの切替パターンとしては、自動振動を行わずに作業装置13を操作レバー23などで作動させる通常モードから、プッシュボタン式などのスイッチ25，27のいずれかをオンすることで、自動振動モードに切替わると、待機状態となり、待機状態で再度プッシュボタンなどのスイッチ25，27のいずれかをオンすることで、自動振動を開始するとともに、自動振動中にプッシュボタン式などのスイッチ25，27のいずれかをオンすることで、自動振動モードを終了して通常モードに戻す。なお、自動振動モード時には、モニタ29にその旨表示される。

図１は、作業装置13を制御する制御回路の概要を示し、車載エンジン31により駆動されるメインポンプ32からシリンダ12bm，12st，12bkに供給される作動流体である作動油を制御する制御弁としてのスプール33bm，33st，33bkが、ブロック35の内部に、それぞれ移動自在に設けられている。なお、このブロック35の内部には、その他に、走行モータ制御用スプール、旋回モータ制御用スプールなどがそれぞれ移動自在に設けられているが、説明を明確にするために図示を省略する。

ブームシリンダ12bmは、作業装置13を上下方向に作動する片ロッド型の油圧シリンダであり、操作レバー23により、伸び方向に作動されて作業装置13(ブーム13bm)を機体11(上部旋回体11b)に対して上げ方向に動作させる(ブーム上げ)とともに、縮み方向に作動されて作業装置13(ブーム13bm)を機体11(上部旋回体11b)に対して下げ方向に動作させる(ブーム下げ)。

スティックシリンダ12stは、スティック13stをブーム13bmに対して前後方向に作動する片ロッド型の油圧シリンダであり、操作レバー23により、伸び方向に作動されてスティック13stをブーム13bmに対して前方、すなわちオペレータから離反する方向に動作させる(スティックアウト)とともに、縮み方向に作動されてスティック13stをブーム13bmに対して後方、すなわちオペレータに接近する方向に動作させる(スティックイン)。

バケットシリンダ12bkは、バケット13bkをスティック13stに対して前後方向に作動する片ロッド型の油圧シリンダであり、操作レバー23により、伸び方向に作動されてバケット13bkをスティック13stに対して前方に作動させる(バケットアウト)とともに、縮み方向に作動されてバケット13bkをスティック13stに対して後方に動作させる(バケットイン)。

そして、操作レバー23は、コントローラ(電子制御モジュールＥＣＭ)37の入力部に接続されている。このコントローラ37の入力部は、他に姿勢センサ15(センサ15bm，15st，15bk)および重量センサ16(圧力センサ16bmh，16bmr)、モニタ29などと接続され、このコントローラ37の出力部は、電磁比例弁38bm，39bm，38st，39st，38bk，39bkの各ソレノイドと接続されている。

電磁比例弁38bm，39bm，38st，39st，38bk，39bkは、パイロットポンプ40から供給されたパイロット１次圧を、コントローラ37からの制御信号に応じたパイロット２次圧に変換して、各スプール33bm，33st，33bkのパイロット圧作用部に作用させる減圧弁である。

コントローラ37は、姿勢センサ15(センサ15bk，15bm，15st)、重量センサ16、各操作レバー23(スイッチ25，27)、電磁比例弁38bm，39bm，38st，39st，38bk，39bkとそれぞれ電気的に接続され、シリンダ12bm，12st，12bkを動作(伸縮)させる電気信号を出力する。そして、このコントローラ37は、スイッチ25，27のいずれかの切替操作により通常モードと自動振動モードとが切替えられ、自動振動モードにおいて、姿勢センサ15により検出した作業装置13の姿勢が所定の姿勢範囲内となるように維持しつつ自動振動させるように電気信号を生成するとともに、この自動振動の振幅を、重量センサ16により検出した荷の重量に対応して可変設定する機能を備えている。なお、このコントローラ37は、通常モードおよび自動振動モードの他に、任意のモードを備えていてもよい。また、このコントローラ37は、電磁比例弁38bm，39bm，38st，39st，38bk，39bkにより変換されたパイロット２次圧をそれぞれ電気的に検出してもよい。

次に、自動振動モードでの制御手順を説明する。

概略として、作業機械10は、自動振動モードになると、まず、作業装置13が予め設定された所定の準備姿勢(理想姿勢)となる自動振動の待機状態に移行する。この準備姿勢とは、図４(a)および図４(b)の実線に示すように、バケット13bkが接地しない所定位置までブーム13bmが下がり、スティック13stが略垂直(軸支ピン17st，17bkが鉛直上下方向に並ぶ位置)で、かつ、バケット13bkのツースチップ13bk2の位置が軸支ピン17bkに対して略水平な姿勢をいう。そして、この待機状態から自動振動の開始指示が入力されると、バケット13bkに受け入れた荷の重量に対応した振幅で第１自動振動モードまたは第２自動振動モードで選択的に自動振動を、作業装置13が予め設定された所定の姿勢範囲(第１姿勢範囲Ｒ1または第２姿勢範囲Ｒ2)内となるように、換言すれば所定の振動中心を維持するように随時修正しつつ、停止指示(終了指示)が入力されるまで行う。

ここで、図４(a)に示される第１自動振動モードにより行うスティック篩い作業は、準備姿勢からスティックイン／アウトを交互に繰り返すことで例えば荷の一部を広範囲に散布したい場合などに用いられる。また、図４(b)に示される第２自動振動モードにより行うバケット篩い作業は、準備姿勢からバケットイン／アウトを交互に繰り返すことで例えば荷に付着した泥などの付着物を落として荷を篩い分ける場合などに用いられる。オペレータは、例えばスイッチ25，27(図１)の操作などによって、これら第１自動振動モードと第２自動振動モードとを必要に応じて任意に選択できる。

第１自動振動モードに対応する第１姿勢範囲(第１理想範囲)Ｒ1(図４(a))は、上記の準備姿勢に対してスティック13st(軸支ピン17st，17bkを結ぶ仮想線)が前後方向に所定角度ずつとなる範囲内をいう。

第２自動振動モードに対応する第２姿勢範囲(第２理想範囲)Ｒ2(図４(b))は、上記の準備姿勢に対してバケット13bkのツースチップ13bk2の位置が軸支ピン17bkよりも上方に位置する範囲内をいう。

そして、上記の制御手順を、図５に示されたフローチャートも参照しながらより詳細に説明する。なお、図５中の丸数字は、ステップ番号を示す。

(ステップ１)
コントローラ37は、自動振動モードが有効であるか否かを判定し、自動振動モードが有効でなければ(無効であれば)ステップ１を繰り返し、自動振動モードが有効であればステップ２へ進む。

(ステップ２)
コントローラ37は、ブーム13bm、スティック13stおよびバケット13bkの現在の位置、すなわち作業装置13の現在の姿勢を姿勢センサ15により計測し、この姿勢センサ15により計測した数値と、予め記憶された所定の準備姿勢に対応する数値との差を計測する。

(ステップ３)
コントローラ37は、ステップ２で計測した差が所定範囲内であるかどうかに基いて作業装置13が準備姿勢となっているか否かを判定する。そして、作業装置13が準備姿勢となっていないと判定した場合には、ステップ４へ進み、作業装置13が準備姿勢となっていると判定した場合には、ステップ５へ進む。

(ステップ４)
コントローラ37は、姿勢センサ15により計測した数値が予め記憶された所定の準備姿勢に対応する数値との差が小さくなるように、すなわち作業装置13の姿勢を準備姿勢に近づけるように、シリンダ12bm，12st，12bkの少なくともいずれかを必要に応じて予め設定された所定量伸縮させる信号を電磁比例弁38bm，39bm，38st，39st，38bk，39bkに出力して作業装置13を動作させ、ステップ２へ戻る。

(ステップ５)
コントローラ37は、スイッチ25，27のいずれかの切替操作により、自動振動の開始指示が入力されたか否かを判定し、開始指示が入力されていないと判定した場合にはステップ５を繰り返し、開始指示が入力されたと判定した場合には、ステップ６に進む。

(ステップ６)
コントローラ37は、設定されているモードが第１自動振動モードであるか第２自動振動モードであるかを判定する。そして、第１自動振動モードであると判定した場合には、ステップ７に進み、第２自動振動モードであると判定した場合には、ステップ15に進む。

(ステップ７)
コントローラ37は、重量センサ16により計測した荷の重量と、予め記憶された第１閾値とを比較する。そして、荷の重量が第１閾値以上である場合には、ステップ８に進み、荷の重量が第１閾値未満である場合には、ステップ９に進む。

(ステップ８)
コントローラ37は、自動振動の振幅を所定の大きい第１振幅に設定し、ステップ11に進む。

(ステップ９)
コントローラ37は、重量センサ16により計測した荷の重量と、第１閾値よりも小さい、予め記憶された第２閾値とを比較する。そして、荷の重量が第２閾値以上であると判定した場合には、ステップ10に進み、荷の重量が第２閾値未満であると判定した場合には、自動振動モードを終了する。

(ステップ10)
コントローラ37は、自動振動の振幅を、ステップ８で設定する第１振幅よりも小さい、所定の小さい第２振幅に設定し、ステップ11に進む。

(ステップ11)
コントローラ37は、スティックイン／アウトを繰り返し行う際にオペレータが操作レバー23を操作することで生成される電気信号を模擬した電気信号Ｓ(例えば図６)を生成して電磁比例弁38st，39stに出力することで、スティックイン／アウトをステップ８またはステップ10で設定された振幅で実行することにより、第１自動振動モードを実行する。

(ステップ12)
コントローラ37は、ブーム13bm、スティック13stおよびバケット13bkの位置を姿勢センサ15により計測し、この姿勢センサ15により計測した数値が、予め記憶された所定の第１姿勢範囲Ｒ1(図４(a))内に対応する所定の第１数値範囲内にあるか否かを判定する。そして、所定の第１数値範囲内でないと判定した場合には、ステップ13に進み、所定の第１数値範囲内であると判定した場合には、ステップ14に進む。

(ステップ13)
コントローラ37は、電磁比例弁38st，39stに出力する電気信号Ｓを予め設定された所定量オフセット(図７(a)または図７(b))することで、スティック13stの位置(振動中心)を相対的にずらし、ステップ12に戻る。例えば、図７(a)は、スティック13stの位置を上側にずらす電気信号を示し、図７(b)は、スティック13stの位置を下側にずらす電気信号を示す。

(ステップ14)
コントローラ37は、スイッチ25，27のいずれかの切替操作により、自動振動モードの停止指示が入力されたか否かを判定し、停止指示が入力されていないと判定した場合にはステップ11に進み、停止指示が入力されたと判定した場合には、自動振動モードを終了する。

(ステップ15)
コントローラ37は、重量センサ16により計測した荷の重量と、予め記憶された第３閾値とを比較する。この第３閾値は、上記の第１閾値と等しくても異なっていてもよい。そして、荷の重量が第３閾値以上である場合には、ステップ16に進み、荷の重量が第３閾値未満である場合には、ステップ17に進む。

(ステップ16)
コントローラ37は、自動振動の振幅を所定の大きい第３振幅に設定し、ステップ19に進む。

(ステップ17)
コントローラ37は、重量センサ16により計測した荷の重量と、第３閾値よりも小さい、予め記憶された第４閾値とを比較する。この第４閾値は、上記の第２閾値と等しくても異なっていてもよい。そして、荷の重量が第４閾値以上であると判定した場合には、ステップ18に進み、荷の重量が第４閾値未満であると判定した場合には、自動振動モードを終了する。

(ステップ18)
コントローラ37は、自動振動の振幅を、ステップ16で設定する第３振幅よりも小さい、所定の小さい第４振幅に設定し、ステップ19に進む。

(ステップ19)
コントローラ37は、バケットイン／アウトを繰り返し行う際にオペレータが操作レバー23を操作することで生成される電気信号を模擬した電気信号Ｓを生成して電磁比例弁38bk，39bkに出力することで、バケットイン／アウトを設定された振幅で実行することにより、第２自動振動モードを実行する。

(ステップ20)
コントローラ37は、ブーム13bm、スティック13stおよびバケット13bkの位置を姿勢センサ15により計測するとともに、この姿勢センサ15により計測した数値が、予め記憶された所定の第２姿勢範囲Ｒ2(図４(b))内に対応する所定の第２数値範囲内にあるか否かを判定する。そして、所定の第２数値範囲内でないと判定した場合には、ステップ21に進み、所定の第２数値範囲内であると判定した場合には、ステップ22に進む。

(ステップ21)
コントローラ37は、電磁比例弁38bk，39bkに出力する電気信号Ｓを予め設定された所定量オフセットすることで、バケット13bkの位置をずらし、ステップ20に戻る。

(ステップ22)
コントローラ37は、スイッチ25，27のいずれかの切替操作により、自動振動モードの停止指示が入力されたか否かを判定し、停止指示が入力されていないと判定した場合にはステップ19に進み、停止指示が入力されたと判定した場合には、自動振動モードを終了する。

なお、各自動振動モードでの振動位置は、オペレータが例えばスイッチ25のホイール操作、あるいは操作レバー23の操作などによって手動で各姿勢範囲内となるように変化させる構成を備えることもできる。

同様に、各自動振動モードでの振幅は、オペレータが例えばスイッチ25のホイール操作、あるいはモニタ29への入力操作などにより所望の振幅に可変設定する構成を備えることもできる。

さらに、各自動振動モードでの振動速度(振動周期)は、オペレータが例えばスイッチ25のホイール操作、あるいはモニタ29への入力操作などにより所望の振幅に可変設定する構成を備えることもできる。このとき、コントローラ37は、電気信号Ｓの自動振動の振動周期を可変設定して(図８)出力する。この場合には、よりきめ細かい自動振動の調整が可能になる。

次に、上記実施の形態の効果を説明する。

作業装置13の姿勢を検出する姿勢センサ15を備えることで、作業装置13の位置をフィードバックしつつ作業装置13を自動振動させて篩い作業を行うことができる。したがって、自動振動の範囲や自動振動の振幅中心を、荷こぼれせず機体11の安定した状態に随時自動的に修正でき、作業装置13を常に自動振動(篩い作業)に適した姿勢として自動振動(篩い作業)させることができる。そのため、バケット13bkからこぼれた荷がキャブ20に当たったりすることもない。

自動振動モードになると、作業装置13を所定の準備姿勢にした後に自動振動を開始するので、理想的な姿勢での自動振動(篩い作業)が可能になる。

バケット13bkに受け入れた荷の重量を検出する重量センサ16を備えることで、荷の重量をフィードバックして、作業装置13の自動振動(篩い作業)の振幅や速度を荷の重量に合わせて変化させることができる。

なお、上記一実施の形態において、各自動振動モードでの荷の重量に対応する振幅はそれぞれ大小２種類ずつとしたが、より細かく設定してもよい。

そして、自動振動モードで第１自動振動モードと第２自動振動モードとをスイッチ25，27により切替える構成としたが、いずれか一方のみを備える構成としてもよい。

本発明は、油圧ショベル型作業機械に好適であるが、機体から作業装置が突設された作業機械であれば、ホイールタイプの作業機械にも利用できる。

10 作業機械
11 機体
12bk バケットシリンダ
12st スティックシリンダ
13 作業装置
13bk バケット
13st スティック
15 姿勢センサ
16 重量センサ
37 コントローラ

Claims

機体と、
スティックシリンダにより回動されるスティック、および、スティックの先端に軸連結されてバケットシリンダにより回動されるバケットを備え、機体に軸連結されて作動される作業装置と、
作業装置の姿勢を検出する姿勢センサと、
少なくともスティックシリンダおよびバケットシリンダを動作させる信号を出力するコントローラとを具備し、
コントローラは、作業装置を、姿勢センサにより検出した姿勢が所定の準備姿勢となるように自動動作させるとともに、この準備姿勢から、姿勢センサにより検出した姿勢が所定の姿勢範囲内となるように維持しつつ自動振動させる自動振動モードを備えている
ことを特徴とする作業機械の自動振動装置。
バケットに受け入れた荷の重量を検出する重量センサを具備し、
コントローラは、自動振動モードにおいて、重量センサにより検出した荷の重量に対応して作業装置の自動振動の振幅を可変設定する
ことを特徴とする請求項１記載の作業機械の自動振動装置。