JP7213165B2

JP7213165B2 - 作業機械

Info

Publication number: JP7213165B2
Application number: JP2019174501A
Authority: JP
Inventors: 直樹成尾
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: JP2021050540A

Description

本発明は、旋回体を備える作業機械に関する。

近年、管制サーバからの指示に従って動作する作業機械（以下、「情報化施工機」とも表記する。）の開発が進んでいる。情報化施工機では、作業機械の現在の状態（例えば、旋回角）を特定するために、各種センサを搭載する必要がある。

例えば、特許文献１には、旋回角検出機構を備えた作業車両が開示されている。特許文献１に記載の旋回角検出機構は、角度の変化に対応する距離や厚みの角度対応カムを外筒に固定し、内筒に固定されたレーザ変位センサで角度対応カムを検出することによって、旋回位置を把握する。

特開平６－７４７５１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、厚みや距離が異なる複数の角度対応カムを外筒に取り付ける必要がある。そのため、部品点数が多くなると共に、既存の作業機械への取り付けが難しいという課題がある。

本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数の増加を抑えつつ、既存の機械への適用が容易な旋回角センサを備えた作業機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、支持体と、旋回ベアリングを介して前記支持体に旋回可能に支持された旋回体と、前記支持体に対して前記旋回体を旋回させる旋回機構とを備える作業機械において、前記旋回機構は、前記旋回体に支持された旋回モータと、前記旋回モータの駆動力が伝達されて回転するピニオンギヤと、前記ピニオンギヤに噛合したリングギヤと、周方向に離間した位置で前記リングギヤを前記支持体に固定する複数のボルトと、前記複数のボルトに対面し得る位置で前記旋回体に支持された近接センサとを備え、前記近接センサは、前記リングギヤの端面から突出した前記ボルトの頭部を検知して、検知結果を示す検知信号を出力し、前記複数のボルトは、複数の標準ボルトと、前記頭部の突出量が前記標準ボルトと異なる基準ボルトを含み、前記近接センサは、前記標準ボルトを検知したときと、前記基準ボルトを検知したときとで、異なる前記検知信号を出力することを特徴とする。

本発明によれば、旋回体を備える作業機械において、部品点数の増加を抑えつつ、既存の機械への適用が容易な旋回角センサを実現することができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態に係る作業車両の代表例である油圧ショベルの側面図である。下部走行体の斜視図である。旋回機構の斜視図である。旋回機構の要部断面図である。油圧ショベルのハードウェア構成図である。

本発明に係る作業車両の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る作業車両の代表例である油圧ショベル１の側面図である。図２は、下部走行体２の斜視図である。

なお、本明細書中の前後左右は、特に断らない限り、油圧ショベル１に搭乗して操作するオペレータの視点を基準としている。また、作業車両の具体例は油圧ショベル１に限定されず、旋回機構を備える他の装置（例えば、クレーン）などにも本発明を適用することができる。

油圧ショベル１は、下部走行体（支持体）２と、下部走行体２に支持された上部旋回体３とを備える。下部走行体２は、左右一対の前輪８ｆと、左右一対の後輪８ｒとを備える。前輪８ｆ及び後輪８ｒは、走行モータ（図示省略）の駆動力が伝達されて回転する。これにより、下部走行体２が走行する。

但し、下部走行体２は、装輪式に限定されず、クローラ式であってもよい。また、支持体の具体例は下部走行体２に限定されず、特定の場所に固定された台座などであってもよい。すなわち、本発明の作業機械は、自走可能でなくてもよい。

上部旋回体３は、旋回ベアリング９（図４参照）を介して下部走行体２に旋回可能に支持されている。上部旋回体３は、ベースとなる旋回フレーム５と、旋回フレーム５の前端中央に上下方向に回動可能に取り付けられたフロント作業機４と、旋回フレーム５の後部に配置されたカウンタウェイト６と、旋回フレーム５の前方左側に配置されたキャブ（運転席）７と、下部走行体２に対して上部旋回体３を旋回させる旋回機構１０（図３参照）とを主に備える。

フロント作業機４は、上部旋回体３に起伏可能に支持されたブーム４ａと、ブーム４ａの先端に揺動可能に支持されたアーム４ｂと、アーム４ｂの先端に揺動可能に支持されたバケット４ｃと、ブーム４ａ、アーム４ｂ、及びバケット４ｃを駆動させる油圧シリンダ４ｄ、４ｅ、４ｆとを含む。カウンタウェイト６は、フロント作業機４との重量バランスを取るためのもので、上部旋回体３の後端に取り付けられた重量物である。

キャブ７には、油圧ショベル１を操作するオペレータが搭乗する内部空間が形成されている。キャブ７の内部には、オペレータが着席するシート（図示省略）と、シートに着席したオペレータが操作する操作装置（ステアリング、ペダル、レバー、スイッチなど）が配置されている。そして、キャブ７に搭乗したオペレータが操作装置を操作することによって、下部走行体２が走行し、上部旋回体３が旋回し、フロント作業機４が動作する。

操作装置は、上部旋回体３を旋回させる旋回レバー７ａ（図５参照）を含む。旋回レバー７ａは、上部旋回体３の旋回方向及び旋回速度を指示するオペレータの操作を受け付ける。そして、旋回レバー７ａは、オペレータの操作（すなわち、上部旋回体３の旋回方向及び旋回速度）に応じた操作信号を、コントローラ２０（図５参照）に出力する。

より詳細には、旋回レバー７ａを第１方向に倒伏すると、上部旋回体３が時計回りに旋回する。一方、旋回レバー７ａを第１方向と反対の第２方向に倒伏すると、上部旋回体３が反時計回りに旋回する。さらに、旋回レバー７ａの倒伏量が大きいほど、上部旋回体３の旋回速度が速くなる。

図３は、旋回機構１０の斜視図である。図４は、旋回機構１０の要部断面図である。旋回機構１０は、オペレータによる旋回レバー７ａの操作に従って、下部走行体２に対して上部旋回体３を旋回させる。旋回機構１０は、旋回モータ１１と、ピニオンギヤ１２と、リングギヤ１３と、複数のボルト１４ａ、１４ｂ（以下、これらを総称して、「ボルト１４」と表記する。）と、近接センサ１５とを主に備える。

旋回モータ１１は、上部旋回体３に支持されている。旋回モータ１１は、エンジン（図示省略）によって駆動される油圧ポンプ（図示省略）から作動油の供給を受けて正逆回転する。ピニオンギヤ１２は、旋回モータ１１の駆動軸に連結されている。すなわち、ピニオンギヤ１２は、旋回モータ１１の駆動力が伝達されて回転する。

リングギヤ１３は、複数のボルト１４によって下部走行体２に固定されている。図４に示すように、リングギヤ１３は、円環形状のリング部１３ａと、リング部１３ａの内周面に等間隔に設けられた複数の歯１３ｂとを主に備える。そして、リングギヤ１３の複数の歯１３ｂは、ピニオンギヤ１２と噛合している。

図４に示すように、旋回ベアリング９は、リングギヤ１３と旋回フレーム５との間に配置されている。より詳細には、旋回ベアリング９は、リングギヤ１３の外周面に固定された内輪９ａと、旋回フレーム５に固定された外輪９ｂと、内輪９ａ及び外輪９ｂの間に配置された複数の球９ｃとを備える転がり軸受である。

複数のボルト１４は、リングギヤ１３を下部走行体２に固定する。図３及び図４に示すように、ボルト１４は、リングギヤ１３の周方向に離間した位置において、リングギヤ１３のリング部１３ａを上下方向に貫通する。そして、ボルト１４の頭部は、リング部１３ａの上側の端面（すなわち、旋回フレーム５に対面する面）から上方に突出している。

図３に示すように、ボルト１４は、リングギヤ１３の周方向に等間隔に配置されている。すなわち、リングギヤ１３が３６本のボルト１４で下部走行体２に固定されている場合、ボルト１４は１０°間隔で配置されていることになる。但し、ボルト１４の具体的な配置は、前述の例に限定されない。

図３及び図４に示すように、ボルト１４は、複数の標準ボルト１４ａと、１つの基準ボルト１４ｂとを含む。基準ボルト１４ｂは、例えば、上部旋回体３が前方を向いた（旋回角＝０°）ときに、近接センサ１５に対面する位置に配置される。但し、基準ボルト１４ｂの位置及び数は、前述の例に限定されない。他の例として、旋回角＝０°、９０°、１８０°、２７０°の４箇所に、基準ボルト１４ｂが配置されていてもよい。

複数の標準ボルト１４ａの頭部は、リング部１３ａの端面からの突出量が同一である。一方、基準ボルト１４ｂの頭部は、複数の標準ボルト１４ａと突出量が異なる。より詳細には、図４に示すように、基準ボルト１４ｂの突出量は、標準ボルト１４ａより大きい。換言すれば、基準ボルト１４ｂの頭部は、標準ボルト１４ａより旋回フレーム５（より詳細には、近接センサ１５）に近接している。

例えば、リングギヤ１３の端面と近接センサ１５との距離は３０ｍｍ程度であり、標準ボルト１４ａと近接センサ１５との距離は２０ｍｍ程度であり、基準ボルト１４ｂと近接センサ１５との距離は１０ｍｍ程度である。但し、ボルト１４の突出量の関係は前述の例に限定されず、標準ボルト１４ａの頭部が基準ボルト１４ｂより旋回フレーム５に近接していてもよい。

なお、本実施形態では、頭部の突出量が異なる２種類のボルト１４ａ、１４ｂでリングギヤ１３を固定する例を説明したが、突出量の異なるボルト１４の種類は前述の例に限定されない。他の例として、旋回角＝０°、９０°、１８０°、２７０°の４箇所に基準ボルト１４ｂを配置する場合、４つの基準ボルト１４ｂの頭部は互いに突出量が異なっていてもよい。

図４に示すように、近接センサ１５は、上部旋回体３（より詳細には、旋回フレーム５）に取り付けられて、上部旋回体３と共に回転する。近接センサ１５は、リングギヤ１３のリング部１３ａに対面する位置に配置されている。換言すれば、近接センサ１５は、複数のボルト１４に対面し得る位置に配置されている。油圧ショベル１を平面視したとき、上部旋回体３と共に旋回する近接センサ１５の移動軌跡は、複数のボルト１４の頭部を結んだ仮想円と重なる。

より詳細には、旋回フレーム５の底壁５ａには、給脂口５ｂが設けられている。給脂口５ｂは、リングギヤ１３にグリースを供給するための開口である。給脂口５ｂは、リングギヤ１３に対面する位置に設けられている。また、給脂口５ｂは、着脱可能なカバー１６によって閉塞されている。そして、近接センサ１５は、ダブルナット（図示省略）等によって、カバー１６を貫通する貫通孔１６ａに取り付けられている。

近接センサ１５は、ボルト１４の頭部を検知して、検知結果を示す検知信号を出力する。検知信号の出力先は、油圧ショベル１が備えるコントローラ２０でもよいし、通信アンテナ３１を通じて管制サーバであってもよい。近接センサ１５は、例えば、近接する金属（典型的には、ボルト１４の頭部）との距離に応じて静電容量が変化する静電容量型のセンサである。但し、近接センサ１５は、誘電型であってもよいし、磁気型であってもよい。

本実施形態に係る近接センサ１５は、隣接するボルト１４の間に位置しているとき、検知信号を出力しない。また、近接センサ１５は、標準ボルト１４ａと対面しているとき、第１検知信号を出力する。さらに、近接センサ１５は、基準ボルト１４ｂと対面している時、第１検知信号と異なる（例えば、電流値が大きい）第２検知信号を出力する。

すなわち、上部旋回体３を旋回させたとき、近接センサ１５は、所定の時間間隔毎に第１検知信号を繰り返し出力する。また、近接センサ１５は、上部旋回体３が３６０°回転する間に、第１検知信号を１回（すなわち、上部旋回体３の旋回角度が０°のとき）だけ出力する。

図５は、油圧ショベル１のハードウェア構成図である。油圧ショベル１は、コントローラ２０を備える。コントローラ２０は、旋回レバー７ａから出力される操作信号、近接センサ１５から出力される検知信号、及び通信アンテナ３１通じて管制サーバから受信した管制データに基づいて、旋回モータ１１及びディスプレイ３２を制御する。

通信アンテナ３１は、管制サーバとの間で無線通信を行うインタフェースである。コントローラ２０は、例えば、通信アンテナ３１を通じて管制サーバから管制データを受信し、通信アンテナ３１を通じて管制サーバに自車のステータスを送信する。管制データは、油圧ショベル１の動作を管制するためのデータであって、例えば、後述する旋回可能範囲、目標旋回角度などを含む。ディスプレイ３２は、キャブ７内に配置されている。ディスプレイ３２は、キャブ７に搭乗するオペレータに情報を報知する報知手段の一例である。

コントローラ２０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）２１、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）２２、及びＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）２３を備える。コントローラ２０は、ＲＯＭ２２に格納されたプログラムコードをＣＰＵ２１が読み出して実行することによって、後述する処理を実現する。ＲＡＭ２３は、ＣＰＵ２１がプログラムを実行する際のワークエリアとして用いられる。

但し、コントローラ２０の具体的な構成はこれに限定されず、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）などのハードウェアによって実現されてもよい。

コントローラ２０は、近接センサ１５から出力される検知信号と、旋回レバー７ａから出力される操作信号とに基づいて、上部旋回体３の旋回角度を特定する。本実施形態に係るコントローラ２０は、近接センサ１５から出力される検知信号に基づいて上部旋回体３の旋回量を特定し、旋回レバー７ａから出力される操作信号に基づいて上部旋回体３の旋回方向を特定する。

ＲＡＭ２３は、近接センサ１５から出力される第１検知信号の積算値を保持する変数ｘを記憶している。なお、リングギヤ１３は、１０°間隔で配置された３６本のボルト１４で下部走行体２に固定されているものとする。

コントローラ２０は、旋回レバー７ａが第１方向に倒伏されている（すなわち、上部旋回体３が時計回りに旋回している）間、近接センサ１５から出力される第１検知信号の数を、変数ｘに加算する。一方、コントローラ２０は、旋回レバー７ａが第２方向に倒伏されている（すなわち、上部旋回体３が反時計回りに旋回している）間、近接センサ１５から出力される第１検知信号の数を、変数ｘから減算する。

また、コントローラ２０は、近接センサ１５から第２検知信号が出力されたタイミング（すなわち、旋回角度が０°）で、変数ｘの値をリセット（０をセット）する。そして、コントローラ２０は、変数ｘの値にボルト１４の設置間隔（すなわち、１０°）を乗じることによって、上部旋回体３の現在の旋回角度を特定する。さらに、コントローラ２０は、特定した旋回角度に基づいて、下記の処理を実行してもよい。

一例として、コントローラ２０は、特定した旋回角度をディスプレイ３２に表示させてもよい。他の例として、コントローラ２０は、通信アンテナ３１を通じて管制サーバから旋回可能範囲を受信してもよい。そして、コントローラ２０は、特定した旋回角度が旋回可能範囲を逸脱しないように、旋回モータ１１を停止させてもよい。さらに他の例として、コントローラ２０は、通信アンテナ３１を通じて管制サーバから受信した目標旋回角度に、特定した旋回角度が一致するように、旋回モータ１１を駆動させてもよい。

本実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。

本実施形態によれば、下部走行体２に対してリングギヤ１３を固定するためのボルト１４を近接センサ１５で検知し、近接センサ１５の検知結果に基づいて上部旋回体３の旋回角度を特定する。これにより、部品点数の増加を最小限に抑えつつ、上部旋回体３の旋回角度を特定することができる。また、ボルト１４に対面し得る位置に近接センサ１５を配置するだけなので、既存の作業機械への適用も容易になる。

また、本実施形態によれば、標準ボルト１４ａ及び基準ボルト１４ｂの頭部の突出量を異ならせることによって、上部旋回体３が特定の旋回角度（例えば、０°）に達したことを正確に認識することができる。

また、本実施形態によれば、給脂口５ｂを閉塞するカバー１６に近接センサ１５を取り付けるので、部品点数の増加を抑制すると共に、既存の作業機械への適用がさらに容易になる。

さらに、本実施形態によれば、検知信号に基づいて旋回量を特定し、操作信号に基づいて旋回方向を特定するので、上部旋回体３の旋回角度を正確に特定することができる。但し、上部旋回体３の旋回角度を特定する方法は、前述の例に限定されない。

他の例として、油圧ショベル１は、第１近接センサ及び第２近接センサを含んでもよい。第１近接センサ及び第２近接センサの構成は、近接センサ１５と同一である。また、第１近接センサ及び第２近接センサは、各々がボルト１４に対面し得る位置において、周方向に離間して配置される。さらに、第１近接センサ及び第２近接センサの間隔は、ボルト１４のピッチ（例えば、１０°間隔）より狭く設定される。

そして、コントローラ２０は、第１近接センサから出力される検知信号の数に基づいて上部旋回体３の旋回量を特定し、第１近接センサ及び第２近接センサからの検知信号の出力順序に基づいて上部旋回体３の旋回方向を特定する。

より詳細には、コントローラ２０は、第１近接センサが第２近接センサより先に検知信号を出力している間、第１近接センサから出力される第１検知信号の数を、変数ｘに加算する。一方、コントローラ２０は、第２近接センサが第１近接センサより先に検知信号を出力している間、第１近接センサから出力される第１検知信号の数を、変数ｘから減算する。変数ｘの値から上部旋回体３の旋回角度を特定する方法は、前述の例と共通する。

上述した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

１油圧ショベル
２下部走行体
３下部走行体
４フロント作業機
４ａブーム
４ｂアーム
４ｃバケット
４ｄ，４ｅ，４ｆ油圧シリンダ
５旋回フレーム
５ａ底壁
５ｂ給脂口
６カウンタウェイト
７キャブ
８ｆ前輪
８ｒ後輪
９旋回ベアリング
９ａ内輪
９ｂ外輪
９ｃ球
１０旋回機構
１１旋回モータ
１２ピニオンギヤ
１３リングギヤ
１３ａリング部
１３ｂ歯
１４，１４ａ，１４ｂボルト
１５近接センサ
１６カバー
１６ａ貫通孔
２０コントローラ
２１ＣＰＵ
２２ＲＯＭ
２３ＲＡＭ
３１通信アンテナ
３２ディスプレイ

Claims

支持体と、
旋回ベアリングを介して前記支持体に旋回可能に支持された旋回体と、
前記支持体に対して前記旋回体を旋回させる旋回機構とを備える作業機械において、
前記旋回機構は、
前記旋回体に支持された旋回モータと、
前記旋回モータの駆動力が伝達されて回転するピニオンギヤと、
前記ピニオンギヤに噛合したリングギヤと、
周方向に離間した位置で前記リングギヤを前記支持体に固定する複数のボルトと、
前記複数のボルトに対面し得る位置で前記旋回体に支持された近接センサとを備え、
前記近接センサは、前記リングギヤの端面から突出した前記ボルトの頭部を検知して、検知結果を示す検知信号を出力し、
前記複数のボルトは、
複数の標準ボルトと、
前記頭部の突出量が前記標準ボルトと異なる基準ボルトを含み、
前記近接センサは、前記標準ボルトを検知したときと、前記基準ボルトを検知したときとで、異なる前記検知信号を出力することを特徴とする作業機械。
支持体と、
旋回ベアリングを介して前記支持体に旋回可能に支持された旋回体と、
前記支持体に対して前記旋回体を旋回させる旋回機構とを備える作業機械において、
前記旋回機構は、
前記旋回体に支持された旋回モータと、
前記旋回モータの駆動力が伝達されて回転するピニオンギヤと、
前記ピニオンギヤに噛合したリングギヤと、
周方向に離間した位置で前記リングギヤを前記支持体に固定する複数のボルトと、
前記複数のボルトに対面し得る位置で前記旋回体に支持された近接センサとを備え、
前記近接センサは、前記リングギヤの端面から突出した前記ボルトの頭部を検知して、検知結果を示す検知信号を出力し、
前記支持体は、
前記リングギヤに対してグリースを供給するために、底壁の前記リングギヤに対面する位置に設けられた給脂口と、
前記給脂口を閉塞するカバーとを備え、
前記近接センサは、前記カバーを貫通する貫通孔に取付けられることを特徴とする作業機械。
請求項１に記載の作業機械において、
前記旋回体を旋回させる操作を受け付けて、旋回方向に応じた操作信号を出力する操作装置と、
前記検知信号に基づいて前記旋回体の旋回量を特定し、前記操作信号に基づいて前記旋回体の旋回方向を特定するコントローラとを備えることを特徴とする作業機械。
支持体と、
旋回ベアリングを介して前記支持体に旋回可能に支持された旋回体と、
前記支持体に対して前記旋回体を旋回させる旋回機構とを備える作業機械において、
前記旋回機構は、
前記旋回体に支持された旋回モータと、
前記旋回モータの駆動力が伝達されて回転するピニオンギヤと、
前記ピニオンギヤに噛合したリングギヤと、
周方向に離間した位置で前記リングギヤを前記支持体に固定する複数のボルトと、
前記複数のボルトに対面し得る位置で前記旋回体に支持された近接センサとを備え、
前記近接センサは、前記リングギヤの端面から突出した前記ボルトの頭部を検知して、検知結果を示す検知信号を出力し、
前記近接センサは、前記複数のボルトのピッチより狭い間隔で、周方向に離間して配置された第１近接センサ及び第２近接センサを含み、
前記第１近接センサから出力される前記検知信号の数に基づいて前記旋回体の旋回量を特定し、前記第１近接センサ及び前記第２近接センサからの前記検知信号の出力順序に基づいて前記旋回体の旋回方向を特定するコントローラを備えることを特徴とする作業機械。