JPH0441289B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は油圧シヨベルのフロント機構の積荷の
重量を演算してこれを表示する油圧シヨベルの積
荷重量表示装置に関する。

油圧シヨベルは、その構成を利用していろいろ
な種類の作業を実施することができる。これらの
作業のうち、しばしば実施される作業として重量
物をある個所から他の個所へ移動させる作業があ
る。この作業の典型例を第１図に示す油圧シヨベ
ルの構成を参照しながら説明する。

第１図は油圧シヨベルの概略構成の側面図であ
る。図で、Ｒは下部走行体、Ｓは下部走行体Ｒ上
の上部旋回体、Ｔは上部旋回体Ｓのブーム回動支
点Ａに可回動に取付けられたフロント機構であ
る。フロント機構Ｔはブーム１、アーム２、バケ
ツト３で構成されている。Ｂはブーム１上のアー
ム回動支点、Ｃはアーム２上のバケツト回動支
点、Ｄはバケツト先端を示す。４はブーム１を俯
抑させるブームシリンダ、５はアーム２を揺動さ
せるアームシリンダ、６はバケツト３を回動させ
るバケツトシリンダである。なお、Ｆはブームシ
リンダ４のボトム支点、Ｅはブームシリンダ４の
ロツド支点を示す。

このような油圧シヨベルにおいて、地面を掘削
し、掘削した土砂を待機しているダンプトラツク
に積込む作業を考えると、油圧シヨベルブーム
１、アーム２、バケツト３を適宜駆動してバケツ
ト３内に掘削した土砂を積み、上部旋回体Ｓを旋
回させてバケツト３をダンプトラツクまで移動さ
せ、土砂をダンプトラツクに積込む。

従来、このような作業を行なう場合、ダンプト
ラツクに積込んで土砂の重量の認知は専ら作業員
の目測に頼つていた。一方、ダンプトラツクは定
格積載重量が定められているので、上記のような
目測による積込作業では、定格積載重量より過大
に積込んだり過少に積込んだりする状態が発生す
るのが通常であつた。したがつて、もし土砂を過
大に積込んだ場合はダンプトラツクの故障、事
故、寿命低下等の事態を生じ、又、過少に積込ん
だ場合は作業能率が低下するという問題を生じて
いた。

さらに、油圧シヨベルによる重量物移動の別の
作業例を挙げると、例えば化学プラントにおいて
多量の石灰岩を反応炉に投入する作業がある。こ
のような場合、反応に必要な石灰岩の重量は所定
量に定められているので、石灰岩の重量を一度計
量した後油圧シヨベルにより投入するという手順
が採られ、計量のために多くの手間と時間を要し
ていた。

本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、油
圧シヨベルの積荷の重量を知ることができる油圧
シヨベルの積荷重量表示装置を提供するにある。

この目的を達成するため、本発明は、走行体
と、この走行体に支持される旋回体と、ブーム、
アームおよびアーム先端に取付けられた作業部よ
り成り前記旋回体に可回動に支持されたフロント
機構とを備えた油圧シヨベルにおいて、前記フロ
ント機構の少なくともブームおよびアームの変位
を検出する変位検出装置と、前記フロント機構を
作動する油圧シリンダのうち少なくとも１つの押
圧力を検出する押圧力検出装置と、前記変位検出
装置および前記押圧力検出装置の各検出値に基づ
いて前記フロント機構のモーメントを演算する第
１の演算手段と、前記フロント機構が通る任意の
基準線を設定するための位置設定装置と、前記フ
ロント機構を無負荷としたときの前記基準線上に
おける第１の演算手段の演算値、および前記基準
線上において前記変位検出装置と前記フロント機
構の構成要素とから得られる無負荷モーメントに
基づいて無負荷モーメントの補正を演算する第２
の演算手段と、この第２の演算手段で得られた補
正値で補正された無負荷モーメントおよび前記第
１の演算手段の演算値に基づいて前記フロント機
構の積荷重量を演算する第３の演算手段と、この
第３の演算手段に前記フロント機構が前記基準線
を通るとき積荷重量演算を指令する積荷重量演算
指令手段と、前記第３の演算手段により演算され
た積荷重量に関連した値を表示する表示部とを設
けたことを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第２図、第３図および第４図は、本発明の実施
例の演算部における演算を説明するための説明図
である。

第２図で、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは第１図に
示すブーム回動支点、アーム回動支点、バケツト
回動支点、バケツト爪先端、ブームシリンドロツ
ド支点、ブームシリンダボトム支点を示す。α₁は
支点Ａにおける水平面とブーム１上の直線と
のなすブーム角、α₂は直線と直線とのな
す角、α₃はブームシリンドロツドと直線との
なす角、β₁は直線とアーム２上の直線との
なす角から90°を減じたアーム角、γ₁は直線と
バケツト３上の直線とのなすバケツト角であ
る。l₁は直線の距離、l₂は支点Ｅと支点Ｅから
直線に垂直におろした線が直線と交わる
点との間の距離、l₃は支点Ａと支点Ｆとの垂直距
離、l₄は支点Ａと支点Ｆとの水平距離である。P_b
はブームシリンダ４のボトム側圧力、P〓はブーム
シリンド４のロツド側圧力、S_bはブームシリンド
４のボトム側受圧面積、S〓はブームシリンダ４の
ロツド側受圧面積である。K₁はブームシリンダ
４の押出力、K₂はその分力を示す。なお、ブー
ムシリンダ４は通常２本使用されるので、本実施
例においても２本備えられているものとして考
え、又、モーメントはすべて支点Ａを中心として
考える。

このような油圧シヨベルのフロント機構Ｔの状
態において、フロント機構Ｔによる回転モーメン
トはブームシリンダの押出力K₁の分力K₂によつ
て支えられているので、支点Ａに作用するモーメ
ントM₁は次のようになる。

M₁＝K₂×l₁＝K₁sinα₃×l₁ ……(1) ここで、角α₃ α₃＝90°−（α₁＋α₂）−tan^-1〔l₁cos（
α₁＋α₂）−l₄／l₁sin（α₁＋α₂）＋l₃〕 したがつて上記(1)式は M1＝K₁×l₁×sin〔90°−（α₁＋α₂）−tan^-1｛l₁co
s（α₁＋α₂）−l₄／l₁sin（α₁＋α₂）−l₃｝〕 ＝K₁×l₁cos〔（α₁＋α₂）−tan^-1｛l₁cos（α₁＋
α₂）−l₄／l₁sin（α₁＋α₂）＋l₃｝〕＝K₁×l₁×cos
θ……(2) ただし、 θ＝（α₁＋α₂）＋tan^-1
｛l₁cos（α₁＋α₂）−l₄／l₁sin（α₁＋α₂）＋l₃｝ ブームシリンドの押圧力K₁は、ブームシリン
ダが左右に１本ずつ、計２本あることから、 K₁＝２×（Pb・Sb−P〓・S〓） 故に(2)式は次のようになる。

M₁＝２（Pb・Sb−P〓・S〓）×l₁×cosθ……(3) このモーメントM₁は、バケツト３内に積荷が
あるときの油圧シヨベル本体に作用しているモー
メントである。

以上のようにして、バケツト３内に積荷がある
ときのモーメントM₁が求められるが、バケツト
３内の積荷の重量を求めるためには、積荷自身の
重量による支点Ａにおけるモーメントを支点Ａと
積荷の重心位置との間の距離で除算する必要があ
る。

そこで、まず、支点Ａと積荷の重心位置との間
の距離の演算を第３図に基づいて説明する。図
で、第２図と同一支点、同一位置、同一長さには
同一符号が付してある。Ｊはバケツトにかかる積
荷の重心位置、γ₃は直線と直線のなす角、
l₅は直線の長さ、l₆は直線の長さ、l₈は支
点Ａと重心位置Ｊとの間の水平距離、l₇は支点Ｃ
と重心Ｊとの間の距離である。

以上のように定めると、距離l₈は、 l₈＝l₅cosα₁＋l₆sin（α₁＋β₁）−l₇sin（α₁＋β₁＋
γ₁＋γ₃）……(4) となる。

次に、前述の積荷自身の重量による支点Ａにお
けるモーメントを求めることにする。このモーメ
ントは、(3)式で求めたモーメントM₁からバケツ
ト３内に積荷のない場合のフロント機構のモーメ
ント（無負荷モーメント、このモーメントをM_pc
とする。）を減算すれば得られる。以下、モーメ
ントM_pcの演算を第４図に基づいて説明する。図
で、第３図と同一支点、同一角度、同一長さには
同一符号が付してある。Ｇはブーム重心位置であ
り、ブームの重量をW_Gとする。Ｈはアーム重心
位置であり、ブームの重量をW_Hとする。Ｉはバ
ケツト重心位置であり、バケツトの重量をW_Iと
する。α₄は直線と直線のなす角、β₂は直
線と直線のなす角、γ₂は直線と直線
のなす角である。l₅は直線の長さ、l₆は直線
BCの長さ、l₉は支点Ａと重心位置Ｇとの間の距
離、l₁₀は支点Ｂと重心位置Ｈとの間の距離、l₁₁
は支点Ｃと重心位置Ｉとの間の距離である。

以上のように定めると、空荷のときのモーメン
トとM_pcは、 M_pc＝W_G・l₉cos（α₁＋α₄）＋W_H・｛l₅cosα₁＋l₁₀sin
（α₁＋β₁＋β₂）｝ ＋W₁｛l₅cosα₁＋l₆sin（α₁＋β₁）−l₁₁sin（α₁＋
β₁＋γ₁＋γ₂）｝……(5) このようにして、演算による無負荷モーメント
M_pcが求められる。

ところで、前記(3)式におけるモーメントM₁は、
バケツト３内に積荷が積載されていない場合を考
えると、無負荷モーメント（このモーメントを
M_pとする。）そのものにほかならない。したがつ
て、上記(5)式で求められる無負荷モーメントM_pc
と前記(3)式で求められる無負荷モーメントM_pと
は理論的に等しくなる筈である。しかしながら、
両者は、種々の誤差、バケツトへの土砂の固着等
により実際は異なつた値となる。そこで、本実施
例は、上記演算による無負荷モーメントM_pcの値
をそのまま用いずに、実際の無負荷モーメント
M₀により、演算による無負荷モーメントM_pcを
演算する際に使用する所与の定数を補正してM_pc
を正確に算出するものである。そして、その補正
手段として、フロントモーメントに対する影響の
大きいバケツトの重量W_Iの補正を行なう場合を
示す。今、両無負荷モーメントM_p、M_pcの下がす
べてバケツト重量の差によるものと考えると、バ
ケツト重量の差ΔW_Iは次式により求められる。

ΔW_I＝（M_p−M_pc）／l₁₂ ……(6) ただし、l₁₂は支点Ａとバケツト重心位置Ｉと
の間の水平距離であり、次のように算出される。

l₁₂＝l₅cosα₁＋l₆sin（α₁＋β₁）−l₁₁sin（α
₁＋β₁＋γ₁＋γ₂） この値ΔW_Iによつて(5)式におけるバケツト重
量W_Iを補正し、補正されたバケツト重量（W_I＋
ΔW_I）をバケツト重量W_Iの代りに用いることに
よつて演算を行なうものである。以下、差ΔW_I
によつて修正された無負荷モーメントをM_pc1と
して表わす。

さて、このようにして、正確な無負荷モーメン
トM_pc1が求められる。そして、前述のように、
バケツト３内の積荷の重量（この重量をＷとす
る。）は、積荷自身の重量による支点Ａに作用す
るモーメントを支点Ａと積荷の重心位置との間の
距離l₈で除算して得られるものであり、又、積荷
自身の重量によるモーメントはモーメントM₁か
ら無負荷モーメントM_pc1を減算して得られるも
のであるから、結局、バケツト３内の積荷の重量
Ｗは、 Ｗ＝M₁−M_pc1／l₈ ……(7) として求めることができる。

以上の演算を行なう際は積荷演算指令手段を設
けて、作業員が適宜押釦等により上記手段を作動
させて、積荷重量の演算あるいは積算を指令すれ
ばよい。そして、このようにして充分その機能を
果して得るがさらに好適な実施例を示すと次のよ
うになる。即ち、本実施例においては、油圧シヨ
ベルの積込作業中にフロント機構のバケツト回動
支点Ｃが通過する垂直方向のある位置における水
平方向の線（基準線）を考え、まず、バケツト３
を空にした状態で上記垂直方向のある任意の位置
（基準線）を設定し、そのときのモーメント
M_pc・M_p、距離l₁₂を演算して前記(6)式により差
ΔW_Iを求めてこれを記憶しておく。以後、油圧
シヨベルの荷の積込において、バケツト回動支点
Ｃが上記設定位置を（設定基準線）を通過する毎
に上記(7)式の演算を行ない、積荷の重量Ｗを得
る。なお、バケツト回動支点Ｃの垂直方向の（基
準線の高さ）Ｈは次式により求めることができ
る。

Ｈ＝l₅sinα₁−l₆cos（α₁＋β₁） ……(8) 以下、このような演算に基づく本発明の実施例
について述べる。

第５図は本発明の一実施例に係る油圧シヨベル
の積荷重量表示装置のブロツク図である。本実施
例においては、回動支点Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ角
度検出器が設けられ、これらの角度検出器により
ブーム角α₁、アーム角β₁、バケツト角γ₁が検出さ
れ、この角度に応じた信号Eα₁、Eβ₁、Eγ₁が出力
される。又、ブームシリンダ４のボトム側および
ロツド側の圧力Pb、Prを検出する圧力検出器が
設けられ、この圧力に応じた信号E_pb、E_prが各圧
力検出器から出力される。図で、７は本実施例の
装置の演算部、８は前記無負荷モーメントM_pc1
を得るため前記設定位置（設定基準線）を決める
設定位置信号発生器、９は演算部７から出力され
る信号により作動して積荷重量を表示する表示
部、９ａはその数値表示面、９ｂは数値表示面９
ａにおける表示を報らせるブザーである。上記設
定位置信号発生器８についてさらに説明する。油
圧シヨベルのオペレータは、積込作業開始にあた
つて、バケツト３が空荷の状態で、以後に行なわ
れる積込作業の動作と同じ動作を行なう。そし
て、フロント機構の適宜の位置で、押釦等により
設定位置信号発生器８を作動させる。このとき、
設定位置信号発生器８からは信号E_sが出力され、
この信号によつてそのときの前記の差ΔW_Iおよ
びフロント機構が通る基準線の高さが記憶される
ことになる。なお、本実施例においては、フロン
ト機構の設定位置はそのときのバケツト回動支点
Ｃの高さH_pによつて規定される。

演算部７は図示のように構成される。即ち、１
０は角度α₁、β₁、γ₁に応じた信号Eα₁、Eβ₁、Eγ₁
を入力して水平距離l₈を演算する荷重点距離演算
部、１１は信号Eα₁および圧力Pb、Prに応じた
信号E_pb、E_prを入力してモーメントM₁を演算す
るフロントモーメント演算部である。１２は信号
Eα₁、Eβ₁を入力するとともに設定位置信号発生
器８からの信号E_sが入力されたとき、その時点で
入力した信号Eα₁、Eβ₁から演算される前記高さ
H_pに応じた設定位置信号E_Hpを記憶し、かつ、記
憶した信号フロント機構の移動により変化しなが
ら入力される信号Eα₁、Eβ₁から演算される位置
信号E_Hとを比較し、信号E_Hが前記記憶した信号
E_Hpと等しくなつたとき演算指令信号E_cを発生す
る積荷重量演算指令部である。６５は信号Eα₁、
Eβ₁、Eγ₁および前記の差ΔW_Iに応じた補正信号
EΔW_Iを入力し、距離l₁₂および無負荷モーメント
信号E_Mpc、E_Mpc1を出力する無負荷モーメント演
算部である。６６はフロントモーメント演算部１
１の信号E_M1と無負荷モーメント信号演算部６５
の信号E_Mpcを入力し、E_M1−E_Mpcを演算する加算
器である。６７は設定位置信号発生器８からの信
号E_sが入力されたとき加算器６６の信号E_M1-Mpc
を信号E_l12で除算して歩数信号EΔ_WIを出力する除
算器である。１４はフロントモーメント演算部１
１の信号E_M1から演算部６５の信号E_Mpc1を減算し
て信号E_M1-Mpcを出力する加算器、１５は加算器
１４の信号E_M1-Mpc1を荷重点距離演算部１０の信
号E_l8で除算して積荷重量Ｗに応じた信号E_Wを出
力する除算器である。１６，１７は積算記憶器で
あり、積算記憶器１６は例えば１台のダンプトラ
ツクへの積荷の積算重量を記憶する記憶器として
使用され、積算記憶器１７は例えば所定期間（１
日、１週、１ケ月等）の積荷の積算重量を記憶す
る記憶器として使用される。１８，１９はそれぞ
れ積算記憶器１６，１７に記憶された値を消去す
る記憶消去スイツチである。２０は除算器１５、
積算記憶器１６，１７に接続された端子を有する
表示切換スイツチであり、その切換えにより表示
部９に所要の表示をなす。

以下、本実施例の動作を説明する。

まず、第５図に示す荷重点距離演算部１０の動
作を、第６図に示す荷重点距離演算部の具体例を
示すブロツク図に基づいて説明する。ブーム角信
号E〓₁は三角関数発生器２１に入力されて角α₁の
余弦に応じた信号E_cpc〓₁がとり出され、係数器２
２で距離l₅に応じた信号が乗ぜられて信号E_l5cpc〓₁
となる。一方、アーム角信号E〓₁は加算器２３に
おいてブーム角信号と加算され、加算された信号
E〓₁₊〓₁は三角関数発生器２４に入力されて角（α₁
＋β₁）の正弦に応じた信号E_sio（α₁＋β₁）がとり出
され、この信号は係数器２５で距離l₆に応じた信
号が乗算されて信号E_l6sio（α₁＋β₁）となる。この
信号は前記係数器２２の出力信号と加算器２６に
おいて加算され、信号E_l5cpc〓_1+l6sio（α₁＋β₁）が
得
られる。又、バケツト角信号E〓₁は加算器２７で
前記加算器２３の出力信号E〓₁＋β₁と加算されて
E〓₁₊〓₁₊〓₁となり、さらに加算器２８において記憶
部２９に記憶された角γ₃に応じた信号E〓₃が加算
されて信号E〓₁₊〓₁₊〓₁₊〓₃となる。この信号は三角関
数発生器３０に入力されて角（α₁＋β₁＋γ₁＋γ₃）
の正弦に応じた信号がとり出され、この信号は係
数器３１で距離l₇に応じた信号が乗じられて信号
E_l7sio（α₁＋β₁＋γ₁＋γ₃）となる。この信号は加算
器３２で加算器２６の出力信号から減算されて信
号E_l8を出力する。この信号E_l8は(4)式に示す支点
Ａと重心位置Ｊとの間の水平距離に応じた信号で
ある。

次に、第５図に示すフロントモーメント演算部
１１の動作を、第７図に示すフロントモーメント
演算部の具体例を示すブロツク図に基づいて説明
する。ブーム角信号E〓₁は加算器３４で記憶器３
３に記憶された角度α₂に応じた信号E〓₂と加算さ
れて信号E〓₁＋α₂となり、三角関数発生器３５に
入力して角度（α₁＋α₂）の正弦に応じた信号E_sio
（α₁＋α₂）がとり出され、係数器３６により距離
l₁に応じた信号が乗算されて信号E_l1sio(〓₁₊〓₂₎とな
る。この信号は加算器３８において、記憶器３７
に記憶された値l₃に応じた信号と加算され、信号
E_l1sio(〓₁₊〓_2)+l3を発生する。一方、前記加算器３４
の出力信号は三角関数発生器３９に入力され、角
度（α₁＋α₂）の余弦に応じた信号E_cps(〓₁₊〓₂₎がと
り
出され、係数器４０により距離l₁に応じた信号が
乗算されて信号E_l1sio(〓₁₊〓₂₎となる。この信号は加
算器４１において、記憶器４２に記憶された値l₄
に応じた信号E_l4が減算され、信号E_l1cps(〓₁₊〓_2)-l4
が
出力される。加算器４１の出力信号は除算器４３
において、加算器３８の出力信号により除算さ
れ、その商に応じた信号は逆三角関数発生器４４
に入力され、この信号の角度の逆正接に応じた信
号 E_tao ^-1｛l_1cps（α₁＋α₂）−l₄／l_1sio（α₁
＋α₂）＋l₃｝ がとり出される。このとり出された信号は、加算
器４５で加算器３４の出力信号E〓₁₊〓₂と加算され
信号E〓となる。この信号は三角関数発生器４６に
入力されて角θの余弦に応じた信号E_cpsθがとり
出され、係数器４７で値2_l1に応じた信号が乗算
され、信号E_2l1cps〓が得られる。一方、ブームシリ
ンダ４のボトム側圧力信号E_pbは係数器４８に導
かれて値S_bに応じた信号が乗算されて信号E_pb

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 走行体と、この走行体に支持された旋回体
   と、ブーム、アームおよびアーム先端に取付けら
   れた作業部より成り前記旋回体に可回動に支持さ
   れたフロント機構とを備えた油圧シヤベルにおい
   て、前記フロント機構の少なくともブームおよび
   アームの変位を検出する変位検出装置と、前記フ
   ロント機構を作動する油圧シリンダのうち少なく
   とも１つの押圧力を検出する押圧力検出装置と、
   前記変位検出装置および前記押圧力検出装置の各
   検出値に基づいて前記フロント機構のモーメント
   を演算する第１の演算手段と、前記フロント機構
   が通る任意の基準線を設定するための位置設定装
   置と、前記フロント機構を無負荷としたときの前
   記基準線上における前記第１の演算手段の演算
   値、および前記基準線上において前記変位検出装
   置と前記フロント機構の構成要素とから得られる
   無負荷モーメントに基づいて無負荷モーメントの
   補正を演算する第２の演算手段と、この第２の演
   算手段で得られた補正値で補正された無負荷モー
   メントおよび前記第１の演算手段の演算値に基づ
   いて前記フロント機構の積荷重量を演算する第３
   の演算手段と、この第３の演算手段に前記フロン
   ト機構が前記基準線を通るとき積荷重量演算を指
   令する積荷重量演算指令手段と、前記第３の演算
   手段により演算された積荷重量に関連した値を表
   示する表示部とを設けたことを特徴とする油圧シ
   ヨベルの積荷重量表示装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記積荷重
   量演算指令手段は、前記変位検出装置で検出され
   た値に基づいて前記基準線の所定位置からの距離
   を演算する演算部と、前記位置設定装置による設
   定がなされたときの前記演算部の演算値を記憶す
   る記憶部と、前記演算部の演算値が前記記憶部に
   記憶された値に達したとき前記第３の演算手段に
   対する演算指令を出力する比較部とで構成されて
   いることを特徴とする油圧シヨベルの積荷重量表
   示装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記演算部
   は所定位置から水平方向の基準線までの距離およ
   び垂直方向の基準線までの距離のうちの少なくと
   も一方を演算する手段を備えていることを特徴と
   する油圧シヨベルの積荷重量表示装置。