JPH01239231A - 建設機械のバケット対地角度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、バケット、アームおよびブームを備えた建設
四械において、バケツ１−の対地角度を所定の角度に保
持するようにしたバケット対地角度制陣装置に関する。

〔従来の技術］ 一般に油圧パワーショベルはブーム、アームおよびバケ
ットおよびこれらを作動させる油圧シリンダであるブー
ムシリンダ、アームシリンダ、バケットシリンダを具え
ていて、これら各油圧シリンダは運転席に配備された操
作レバにより操作される。このような油圧パワーショベ
ルにより地面を掘削する場合、バケットの対地角は掘削
土質により多少異なるが、最人佃削力を得るべく所定の
角度に保持することが要求される。したがってオペレー
タは掘削作業時においてバケットの刃先が地面に対して
常に所定の角度になるように操作しなければならない。

また、同シャベルにより積込み作業を行なう場合にも、
土砂等積込物がこぼれないように操作レバを操作してバ
ケットの対地角を所定の角度（この場合はバケット間口
面が地面と平行となる角度）に保持しなければならない
。

ところが、このように油圧パワーショベルのバケットの
対地角を制御する場合には、前述したブームシリンダ、
アームシリンダおよびバケットシリンダに対応する３つ
の操作レバを複合的に操作しなければならず、これは非
常に熟練を必要とする。さらに油圧パワーショベルによ
り深い尚等をも削する場合はバケットを直接目視するこ
とができないのでバケットの正確な対地角制御がほとん
ど不可能であった。

そこで本出願人は上記実情に鑑みてバケットの対地角を
所定の角度に自動設定することを目的として、たとえば
特願昭５１−１５３０６３ｅ　ｒ油圧パワーショベルの
バケット刃先角制御装置」を出願している。

しかしてこの弁明の装置ではブーム、アームＪよびバケ
ットの各回転角およびバケット刃先角（対地角）との間
に一定の幾何学的関係が成立することに着目し、かかる
原理を利用してブーム、アームおよびバケットの各回転
角を検出し、これら検出した回転角から上記バケット刃
先角を演ねする。そして、この刃先角が目標刃先角つま
り最大掘削力が得られる角度になるようにアームシリン
ダまたはバケットシリンダを制ａするようにしている。

また、特開昭５２−１３７１０３号公報「液圧作動の土
工機械のショベル位置表示および自動位置調整装置」に
みられるごとくブーム、アームおよびバケットの各回転
角ならびにこれらブーム等の長さとの間に一定の幾何学
的関係が成立することに着目して、この原理に基づきバ
ケットの対地角を検出して、この検出された対地角と目
標対地角との比較からバケツｌ−ｉＪ地角をバケットの
間口面が地面に対して平行となるような目標対地角に一
致さゼるようにしているものがある。

（弁明が解決しようとする課題） このように従来においては、バケットの対地角が所望の
角度に自ｖＪ設定されるという所期の目的は確かに達成
されるものの、いずれにせよ現在のバケット対地角と目
標対地角との比較に基づく制御であることから油圧系の
特性とあいまって自ずとつぎのような問題点がＲ１ずる
。すなわち、（１）　　制御の応答性が悪い。

（２）　　制御の応答性を向上さゼるためにゲインを大
にするとハンチングするなど安定性が損われる。

したがって、掘削ならびに積込作業等をゆっくり行なう
場合には、上記の問題点は露顕しないものの、上記作業
を迅速に行ないたい場合には、上記問題点が露顕し、バ
ケットの対地角が目標対地角に一致しないことによる土
砂こぼれ等の不都合がＪＥ来することとなる。

本発明は、こうした応答性の遅れを改善することを課題
とし、作業を迅速かつスムーズに行なうことのできる装
置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段］ そこで、本弁明では、ブーム、アームおよびバケットの
各回転角をそれぞれ検出する回転角検出手段と、前記ブ
ーム、アームおよびバケッｉ・を操作する各操作レバの
操作量を検出する操作Φ検出手段と、バケット操作レバ
が中立状態にあることを検出する中立状態検出手段と、
バケツ１〜対地角度の目標値を設定する目標値設定手段
と、曲記囲転角検出手段の各出力に基づきバケット対地
角１１を演算する第１の演尊手段と、前記操作０検出手
段によって検出したブーム操作レバおよびアーム操作レ
バの操作色に基づき、該各レバの操作に対応するバケッ
ト対地角度の変化を演算する第２の演亦手段と、前記目
標値設定手段の設定目標値から前記第１および第２の演
算手段の洩０値を減算する第３の演算手段と、前記中立
状態検出手段によって前記バケット操作レバが中立状態
にあることが検出されている際に、前記第３の演ｎ手段
の演笥値に応じてバケット対地角度を駆動制御する駆動
制御手段とを具えるようにする。

〔作　用］ かかる構成によれば、次のような作用を奏する。

すなわち上記中立状態検出手段によってバケットの操作
レバが中立状態にあることが検出されている場合、つま
りバケットの回転角が変化していない場合には、ブーム
およびアームの各操作レバの操作量を操作量検出手段に
よって検出して、この検出値に基づき上記第２の演σ手
段にてバケットの対地角の予測変化０を求める。そして
前記第３の演算手段ではこの求められた予測変化良と、
第１の換算手段によって演算されたバケットの現在の回
転角と上記目標値設定手段によって設定された目標対地
角とからバケットの目標対地角に刻する偏差を求める。

つまり、この偏差は、バケットの目標対地角との偏差で
はなくて、上記対地角の予測変化倹をも加味したＦＡ差
である。こうした偏差に基づき上記制御手段は、バケッ
トの対地角を目標対地角に一致させるようにバケットの
回転角を制御するので、上記した制御のどれも改善され
ることとなる。

（実施例） 以下図面を参照して本ｉｔ明の実施例について説明する
。

第１図は、本発明に係るバケット対地角度制御装置の一
実施例のブロック図を示し、第２図は実施例の全体構成
を示し、第３図は実施例における油圧パワーショベルの
作業はの構成を示している。

第３図に示すごとく油圧パワーショベル１の作蒙糎（フ
ロントアタッチメント）は、ブーム２、アーム３　ｉお
よびバケット４の各機構部を具え、それらの各回動支点
２ａ、３ａおよび４ａには、それらの回転角α、βおよ
びγを検出するポテンショメータ５，６および７がそれ
ぞれ配設されている。

同図において１１は支点２０を通過する垂直軸線、１２
は支点２ａおよび３ａを通過する軸線、そしてｊ３は支
点３ａＪｊよび４ａを通過する軸線である。

このとき上記回転角αは、軸ｆｆＡｆＪ１に対する軸線
１　の回転角、上記回転角βは軸線」２に対する軸Ｉ！
ｊ３の回転角、そして上記回転角γは軸線」３に対する
バケット４の開口面／Ｉａと平行な軸Ｆｊｌｊ４の回転
角を示す。

そして、φは、水平軸ＦＡｆＪ５に対する軸線ｊ４の角
度であり、これはバク′ット４の対地角を示勺。

これら各回転角α、Ｂおｊ、びγそしてバケット４の対
地角φとの間には、第４図から明らかなように、 φ＝□π−（α十β＋Ｔ）　　・・・（１）という一定
の幾何学的関係が成立する。

つまり、上記各回転角α、βおよびγがポテンショメー
タ５，６および７に８３いて検出されると、これらの検
出値を第（１）式に代入することによりバケット４の現
在の対地角φを求めることが可能になる。これらポテン
ショメータ５，６および７において検出された各回転角
α、βおよびγを示す回転角信号は、第２図に示すコン
トローラ２０に加えられる。

上記ブーム２、アーム３およびバケット４は同２図に示
すように、ブームシリンダ２ｂ、アームシリンダ３ｂお
よびバケットシリンダ４ｂによって各々回転作動される
。

油圧パワーショベル１の運転席には、ブーム２、アーム
３およびバケット４を回転作動さゼるための操作レバ８
，９および１０がそれぞれ配設されている。そして、こ
れら操作レバ８，９および１０には、各操作レバの操作
口を検出するためにレバの回転角を検出するポテンショ
メータ１１゜１２および１３がそれぞれ配設されている
。

操作レバ８，９が操作されると、ボテンショメ−夕１１
．１２によってその操作量に応じた回転角信号Ａ、Ｂが
検出される。そしてこれら検出信号Ａ、Ｂは比例制御弁
部３０の第１図に示す各制御弁３１．３２にそれぞれ加
えられ、該制御弁３１．３２によって上記信＠Ａ、Ｂに
応じた速度でブームシリンダ２ｂおよびアームシリンダ
３ｂがそれぞれ伸長または縮退される。つまり、この伸
縮作動の結果、ブーム２、アーム３の回転角α。

βがそれぞれ変化し、この変化に応じてバケットの対地
角φも変化することとなる。これらポテンショメータ１
１．１２の各出力Ａ、Ｂは、コントローラ２ｏに対して
も加えられる。

また、操作レバ１０には、そのレバの中立位置つまりレ
バ１０が非操作状態にある位置を検出するためのリミッ
トスイッチ１４が配設されている。

同スイッチ１４によって操作レバ１０が中立位置にある
ことが検出されると、同スイッチ１４から中立信号Ｎが
コントローラ２０に加えられる。

操作レバ１０が操作されると、ポテンショメータ１３に
よってその操作量に応じた回転角＠ＰｉＣが検出される
６そしてこの検出信号はコントローラ２０を介して、比
例制御弁部３０の第１図に示す制御弁３３に加えられ、
同信号Ｃに応じた速度でバケットシリンダ４ｂが伸長ま
たは縮退される。

つまり、この伸縮作動の結果、バケット４の回転角γが
変化し、この変化に応じてバケット４の対地角φが変化
することになる。

一方、操作レバ１０が非操作状態つまり上記リミットス
イッチ１４によってレバ１０が中立状態にあることが検
出されている場合には、コントローラ２０で後述する演
粋処理が実行され、この濃口に基づく指令信号が上記比
例制御弁３３に加えられることになる。

つぎに第１図を参照してコントローラ２０で行なわれる
処理について説明するとともに、この実施例の制御態様
について説明する。

コントローラ２０のバケット姿勢角設定部２１では、バ
ケット４の目標対地角φ、が入力、設定される。たとえ
ばバケット４の対地角をバケット４の間口面４Ｃが地面
と平行となるような角度、１５つまりバケット４に槓み
込まれた土砂がこぼれ落ちないような角度にしたい場合
には、第３図から明らかなように設定部２１にφ、＝Ｏ
を入力、設定すればよい。

自動制御切換部２２は、リミットスイッチ１４の出力に
基づきバケット４の対地角の制御を手動または自動のい
ずれで行なうかを選択するものである。

いま、リミットスイッチ１４から中立位ＰｉＮが出力さ
れていない揚台、つまり操作レバ１０が操作されている
場合には、切換部２２の切点２２ｃは切点２２ａに接続
する。この結果、ポテンショメータ１３から出力される
回転角信ＪＦ５　ｃ　ＧｃＬ切貞２２ａ、２２Ｇを介し
て比例制御弁３３に加えられる。

このような場合は、上記操作レバ１０とともに操作レバ
８，９が複合的に操作されて、バケット４の対地角がオ
ペレータによって手動制御される場合である。

一方、リミットスイッチ１４から中立信号Ｎが出力され
ている場合、つまり操作レバ１０が非操作状態にある場
合には、切点２２Ｃは切点２２ｂに接続する。この結果
、後述する操作量Ｕｊ算部２３から出力される操作指令
信号が切点２２ｂ。

２２Ｃを介して比例制御弁３３に加えられることになる
。このような場合は、オペレータは操作レバ１ｏを操作
ゼずとも、操作レバ８，９を操作するのみで、バケット
４の対地角が設定部２１において設定された目標値φ、
に自動制御されることになる。以下、この自動制御の態
様について説明する。

バケット対地角波口部２４では、ポテンショメータ５．
６および７からそれぞれ出力されるブーム２、アーム３
およびバケット４の現在の回転角α、βおよびγに基づ
き、前記（１）式からバケット４の現在の対地角φを波
峰する処理が行なわれる。

一方、バケット対地角予測変化口演口部２５では、ポテ
ンショメータ１１．１２各出力Ａ、Ｂに基づき、バケッ
ト４の対地角が現在の対地角からどの位変化するかとい
う予測変化量φ　を次の第ρ （２）式によって演算する処理が行なわれる。

φ　＝に１Ａ＋に２Ｂ　　　　　　　・・・（２）ただ
し、上式においてに、に２は共に比例定数である。

偏差演篩部２６では、バケット対地角設定部２１、バケ
ット対地角演算部２４およびバケット対地各予測変化石
演算部２５の各出力φ　、φおよびφ。に基づきバケッ
ト対地角の目ａ値に対する偏差 φ６＝φ、−φ−φ。　　　　　　・・・（３）を演吟
する処理を行なう。

（２差浪口部２６において演算された上記偏差φ、は、
比例演算部２７、積分演算部２８および微分子ｙ４ｎ部
２９にそれぞれ加えられ、これら各演算部においてそれ
ぞれ 比例演算 Ｐ＝Ｋ　　・φ、　　　　　　　　　　・・・（４）積
分演算 微分演算 Ｄ＝Ｋ　　・　　　　φ、　　　　　・・・（６）’　
　　ｄｔ が行なわれ、各操作ΦＰ、ＩおよびＤが求められる。た
だし、上記各式におけるに、に１およびＫｏは定数であ
る。

操作量演算部２３では、上記各演σ部２７゜２８および
２９で求められた各操作ＯＰ、ＩおよびＤを金環して、
操作量 ＋Ｋ　　−φ、　　　　　・・・（７）　　ｄｔ を演算する。

操作量演算部２３がらは上記操作ｆｆ１Ｅに応じた指令
信号が出力され、同信号は切換部２２を介して比例制御
弁３３に加えられる。この結果、同制抑弁３３は上記操
作ｆ２１Ｅに応じた速度でバケットシリンダ４ｂを伸縮
作動させて、バケット４の姿勢角を設定部２１において
設定された対地角φ。

つまり所望の対地角に一致さゼるように自動制御する。

こうした自動制御が行なわれた結果、バケット４による
積込作業を迅速かつスムーズに行なわゼることができる
。

以上説明したようにこの実施例によれば、バケットの対
地角の制御が、現在のバケット対地角φと目標対地φ　
との偏差に基づき行なわれるのではなくて、さらにポテ
ンショメーター１および１２の各出力からバケット４の
対地角の予測変化量φ　を求め、この変化Ｑφ　を上記
（ｉ２差に加味ｐ した制御が行なわれる。この結果、バケット対地角の内
勤制御の応答性が向上するので、バケット４を所望の目
標対地角に迅速かつスムーズに一致させることが可能と
なる。しかして、作業のサイクルタイムが短縮されると
ともに、土砂こぼれが減少する等作業を正確かつ安定し
て行なうことができる。

なお、実施例では、偏差信号φ、に対して比例演算、積
分演算および微分法ｎを行ない、これら３つの演算によ
って求められた操作量を加算したものを制御弁３３に付
与する操作量としているが、これに限定されることなく
比例演算および積分演算のみ、あるいは比例演算と微分
演募のみを行ない、それら２つの演算によって求められ
た操作ｉを加算したものを制御弁３３に対する操作量と
して与えられるようにしてもよい。

また、実施例では、本発明がブーム、アームＪｊよびバ
ケットでｖ４成される作栗糎に対して適用される例につ
いて説明したが、これに限定されることなく、たとえば
２段のブームを有する作業ｎに対しても適用可能である
ことはいうまでもない。

すなわち、これら２段のブームの各回転角α１゜α２と
アームおよびバケットの回転角β、γ、そしてバケット
の対地角φとの間に第（１）式に示すような一定の幾何
学的関係が成立するのであれば、本発明の適用、実施は
可能である。

なおまた実施例では、本発明が油圧バワーショベルに適
用される例について説明したが、これに限定されること
なく、手動式、空気式および電磁式等の各方式によって
作業機が回転作動される建設糎械に対してもその適用、
実施は当然可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、バケットの現在の
対地角および目標対地角のみならず、バケットの予測変
化−をも加味した偏差に基づき、バケット対地角を制御
しているので、制御の応答性が向上する。この結果、バ
ケットの対地角を所望の目標値に迅速かつスムーズに一
致させることが可能になるので、作業スピードが向上す
るとともに作業を正確かつ安定して行なうことができる
という効果が１９られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係るバケット対地角制ａ装置の一実
隠例を示すブロック図、第２図は、実施例の全体構成を
概念的に示すブロック図、第３図は、実施例における油
圧パワーショベルの作業医の構成を示す側面図、第４図
は、第３図に示す作業機の各ｖｓ＠部における回転角の
関係を示すグラフである。 １・・・油圧パワーショベル、２・・・ブーム、２ａ。 ３ａ、４ａ・・・回動支点、２ｂ・・・ブームシリンダ
、３・・・アーム、３ｂ・・・アームシリンダ、４・・
・バケット、４ｂ・・・バケットシリンダ、５，６．７
．１１゜１２．１３・・・ボテンシミメータ、１４・・
・リミットスイッチ、２０・・・コントローラ、２１・
・・バケット対地角設定部、２２・・・自動制御切換部
、２３・・・操作量演算部、２４・・・バケット対地角
演篩部、２５・・・バケット対地角予測変化吊演ｎ部、
２６・・・偏差演算部、２７・・・比例演ｎ部、２８・
・・積分演算部、２９・・・微分＠算部、３０・・・比
例制御弁部、２１゜３２．３３・・・比例制御弁。 第３図 幻

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ブーム、アームおよびバケットを有する建設機械におい
   て、 前記ブーム、アームおよびバケットの各回転角をそれぞ
   れ検出する回転角検出手段と、 前記ブーム、アームおよびバケットを操作する各操作レ
   バの操作量を検出する操作量検出手段と、バケット操作
   レバが中立状態にあることを検出する中立状態検出手段
   と、 バケット対地角度の目標値を設定する目標値設定手段と
   、 前記回転角検出手段の各出力に基づきバケット対地角度
   を演算する第１の演算手段と、 前記操作量検出手段によって検出したブーム操作レバお
   よびアーム操作レバの操作量に基づき、該各レバの操作
   に対応するバケット対地角度の変化を演算する第２の演
   算手段と、前記目標値設定手段の設定目標値から前記第
   １および第２の演算手段の演算値を減算する第３の演算
   手段と、 前記中立状態検出手段によって前記バケット操作レバが
   中立状態にあることが検出されている際に、前記第３の
   演算手段の演算値に応じてバケット対地角度を駆動制御
   する駆動制御手段と を具えたことを特徴とする建設機械のバケット対地角度
   制御装置。