JPH09105142A

JPH09105142A - バックホーの作業腕制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH09105142A
Application number: JP26381295A
Authority: JP
Inventors: Yoshizo Sakamoto; 佳三坂本; Shigeki Tada; 茂樹多田; Tetsuya Nakanishi; 鉄也中西
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1995-10-12
Filing date: 1995-10-12
Publication date: 1997-04-22

Abstract

(57)【要約】【課題】電気制御にて作業腕駆動用の油圧シリンダー
を駆動し、バケットの直線動作を行うバックホーにおい
て、反応性の遅い油圧シリンダーが含まれることによる
速度指令値の誤差や、バケットがストロークエンドに達
してしまうことよるバケット刃先の目標軌跡からのずれ
や、レバーの操作開始時も作業腕のストロークエンド時
における操作フィーリングの悪さを解消することを課題
とする。【解決手段】反応性の悪い油圧シリンダーをまず一定
の速度パターンで動作させた後、他の油圧シリンダーを
動作開始させ、また、バケット３がストロークエンドに
達すれば、バケットシリンダーＣＹ３の油圧操作を停止
し、ブーム１・アーム２のみでバケットを動作するよう
にし、レバーの一定傾倒角度までは、経過時間に応じて
徐々に速度を上げる構成とし、ブームシリンダーＣＹ１
・アームシリンダーＣＹ２のストロークエンド直前の減
速開始時期は変動可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作業腕を形成する
ブーム、アーム、及びバケットの各作業部を電気制御式
の油圧アクチュエーターにて駆動する構成のバックホー
において、対地角度を一定に保持したままバケットを直
線動作させる操作をする場合における、作業腕の制御方
法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、バックホーは、作業腕を形成
するブーム、アーム、及びバケットの各作業部を、油圧
アクチュエーター（油圧シリンダー）にて回動操作し
て、バケット位置を移動させ、作業する構成となってい
る。このような構成において、斜面の仕上げ作業や、溝
底を水平に掘削する作業においては、バケットを一定の
直線に沿って動作させる必要があり、単に作業腕の各作
業部の油圧アクチュエーターをレバー操作する構成で
は、各作業部のレバーを同時に操作しなければならな
い。このような作業を行えるのは、非常に熟練した運転
者に限られ、そのような運転者がいなければ、手作業に
頼ることとなっていた。この点を解消して、電気制御に
て各作業部の油圧アクチュエーターを操作し、バケット
の直線動作を容易に操作可能とした構成が、従来、特公
昭５４−３７４０６号公報、特開昭６１−２６６７４０
号公報にて開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような電気制御式
油圧アクチュエーターを用いたバックホーにおいては、
バケット刃先を一定の対地角度に保持すべく、自動運転
設定して（設定しなければ、レバー操作で直接油圧アク
チュエーターを駆動して、各作業部を回動操作する手動
操作となる。）レバー操作をすれば、バケット刃先の対
地角度を保持すべく演算回路にて各作業部の速度目標値
が算出されて、バケット刃先が一定の直線に沿って動作
するようになる。しかし、実際には、電動式マニピュレ
ーターと違って、油圧アクチュエーター駆動式のものだ
と摩擦やヒステリシス等が大きく、各作業部の応答性能
が相違することが多い。従って、演算回路で各作業部の
速度目標値を設定しても、各作業部の動作と誤差が生じ
て、バケット刃先の軌跡が目標より外れてしまうという
不具合があった。

【０００４】また、このようなバケット刃先の直線動作
時において、動作速度は、従来、レバーの傾倒角度に比
例させているが、動作開始時に急に大きくレバーを傾倒
させたりした場合には、バケット刃先が急激に動いて、
目標の到達位置を超えてしまったり、また、操作フィー
リングが悪い等の不具合がある。

【０００５】また、このバケット刃先の直線動作制御の
開始時におけるバケット位置によっては、動作の途中で
バケット駆動用の油圧アクチュエーターがストロークエ
ンドとなってしまうことがある。この場合には、従来、
次のような不具合があった。まず、バケット駆動用油圧
アクチュエーターに対して油圧がかけられ続け、リリー
フ圧力まで油圧がかかり、機関負荷を不必要に増大させ
ることとなっていた。そして、演算回路では、ブーム、
アーム及びバケットの三作業部の動作を想定して各作業
部の駆動用油圧アクチュエーターを作動させるため、想
定外のバケット駆動用油圧アクチュエーターがストロー
クエンドとなった状態では、ブーム及びアームの動きだ
けでは、バケット刃先の軌跡は目標の直線軌跡から外れ
てしまうこととなっていた。

【０００６】そして、各作業部の駆動用油圧アクチュエ
ーターは、ストロークエンドに至るまで、前記の如くレ
バーの傾倒角度に比例するので、大きな傾倒角度であれ
ば、ストロークエンドで作業部が急停止することとな
り、操作フィーリングが悪い。これを回避すべく、スト
ロークエンド直前にて油圧アクチュエーターの作動速度
を減速する構成が考えられるが、この減速開始位置をど
のように設定するかが問題となる。ストロークエンドに
非常に近い位置にすれば、作業部の動作速度が速い場合
に、急激な減速感を与える。逆に、ストロークエンドか
ら遠ければ、動作速度が遅い場合に、ストロークエンド
手前で、一層に動作速度が遅くなる期間が長くなり、苛
立ちを覚えてしまう。

【０００７】本発明は、以上のように、電気制御にて油
圧アクチュエーターを駆動して各作業部を動作させるこ
とでバケットの直線動作を可能としたバックホーにおい
て、該バケットの直線動作時にて発生する、バケット刃
先の軌跡の誤差や、操作フィーリングの悪さを解消する
ことを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上のような
課題を解決するために、次のような手段を用いる。即
ち、請求項１の如く、作業腕を形成するブーム、アー
ム、及びバケットの各作業部を、電気制御式の油圧アク
チュエーターにて駆動する構成のバックホーにおいて、
バケットの刃先を直線動作させる場合に、一番応答性の
低い作業部には、予め設定した速度指令信号を発して動
作させ、他の二作業部は各々、前記の速度指令信号の発
信開始時からその作業部の姿勢と油圧ポンプ吐出量より
定めた時間だけ遅らせて速度指令信号を発信開始する制
御方法とした。

【０００９】また、請求項２の如く、作業腕を形成する
ブーム、アーム、及びバケットの各作業部を電気制御式
の油圧アクチュエーターにて駆動する構成のバックホー
において、バケットの刃先を直線動作させる場合に、一
番応答性の低い作業部には、予め設定した速度指令信号
を発して動作させ、他の二作業部は各々、前記の速度指
令信号の発信開始時からその作業部の姿勢と油圧ポンプ
吐出量より定めた時間だけ遅らせて速度指令信号を発信
開始する構成とした。

【００１０】また、請求項３の如く、作業腕を形成する
ブーム、アーム、及びバケットの各作業部を、レバー操
作による電気制御式の油圧アクチュエーターにて駆動す
る構成のバックホーにおいて、バケットの刃先を直線動
作させる場合に、経過時間に基づく割合をレバーの傾倒
角度に乗じた値に基づいて、各作業部の動作速度を制御
する構成とした。

【００１１】また、請求項４の如く、作業腕を形成する
ブーム、アーム、及びバケットの各作業部を電気制御式
の油圧アクチュエーターにて駆動する構成のバックホー
において、バケットの刃先を直線動作させる場合に、バ
ケット駆動用油圧アクチュエーターがストロークエンド
となった時に同アクチュエーターへの動作指令の発信を
終了し、ブームとアームのみで、バケット刃先を、同一
の直線上に沿わせて動作させるよう構成した。

【００１２】また、請求項５の如く、作業腕を形成する
ブーム、アーム、及びバケットの各作業部を電気制御式
の油圧アクチュエーターにて駆動する構成のバックホー
であって、ブーム及びアーム駆動用の油圧アクチュエー
ターがストロークエンド直前より減速する構成のものに
おいて、バケットの刃先を直線動作させる場合に、ブー
ム及びアームのストロークエンド直前の減速開始位置
を、その動作速度に応じて変動可能とした。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を、添付の図面に
基づいて説明する。図１はバックホーの全体側面図、図
２はレバー操作による各作業部駆動用油圧アクチュエー
ターの電気制御回路図、図３は最も反応性の遅い作業部
駆動用油圧シリンダーへの速度指令パターンを示す経時
グラフ、図４は作業腕の各作業部駆動用油圧シリンダー
の速度指令パターンを示す経時グラフ、図５は操作レバ
ーを操作開始時より一定の傾倒角度にして油圧シリンダ
ーを駆動する場合の作業部の目標速度の経時グラフ、図
６は操作レバーを一定の角度ずつ徐々に傾倒させて油圧
シリンダーを駆動する場合の作業部の目標速度の経時グ
ラフ、図７はバケットシリンダーがストロークエンドに
ある場合のバケット刃先の補正制御を示す図、図８はブ
ームシリンダー又はアームシリンダーのストロークエン
ド直前の減速開始位置の移動制御を示す経時グラフ、図
９は図３及び図４図示の最も反応性の遅い作業部駆動用
油圧シリンダーへの速度指令を早期化する場合の各作業
部駆動用シリンダーへの速度指令発信制御フローチャー
ト、図１０は図５及び図６図示のレバー系統の経過時間
に対応して作業部駆動用油圧シリンダーの作動速度を変
化させる場合の作業腕制御フローチャート、図１１は図
７図示のバケットシリンダーがストロークエンドにある
時におけるブームシリンダー及びアームシリンダーによ
る補正制御フローチャート、図１２は図８図示のブーム
シリンダー及びアームシリンダーの動作速度に応じての
ストロークエンド直前の減速制御フローチャートであ
る。

【００１４】本発明に係るバックホーの、特に作業腕の
概略構成を図１より説明する。本体部５の前端に左右回
動可能なブームブラケット４が枢支されていて、該ブー
ムブラケット４の上端にブーム１の基端が枢支され、該
ブーム１の先端にはアーム２の基端が枢支され、該アー
ム２の先端には、バケット３及びバケットアーム３ａが
枢支されていて、このように、ブーム１、アーム２、及
びバケット３の各作業部を連結して、作業腕を形成して
いる。なお、ブーム１、アーム２、バケット３の各基端
の枢支点（基端関節）を、それぞれＡ、Ｃ、Ｅとし、バ
ケット３の刃先位置をＦとしている。

【００１５】次に作業腕の駆動用油圧アクチュエータ
ー、即ち油圧シリンダーについて説明する。ブームブラ
ケット４の前端にブームシリンダーＣＹ１の基端を枢支
し、そのシリンダーロッド先端をブーム１の中途部の曲
折部位の腹面に枢支している。ブーム１の曲折部位の背
面には、枢支点Ｂを設けていて、アームシリンダーＣＹ
２の基端を枢支しており、該アームシリンダーＣＹ２の
シリンダーロッド先端はアーム２の基端上部に枢支し
て、該枢支点をＤとしている。そして、アーム２の途中
部の背面にはバケットシリンダーＣＹ３の基端を枢支し
ており、そのシリンダーロッド先端をバケットアーム３
ａに枢支している。

【００１６】このような作業腕構成において、図２より
作業腕の各作業部の駆動用アクチュエーターの制御系に
ついて説明する。該駆動用アクチュエーターは、油圧シ
リンダーであるので、各油圧シリンダー制御用に、ブー
ムシリンダー用油圧バルブＯＶ１、アームシリンダー用
油圧バルブＯＶ２、バケットシリンダー用油圧バルブＯ
Ｖ３が具備されている。なお、作業腕全体と運転席を含
む上部車体ＡＡ全体が下部車体ＢＢ上で、油圧モーター
にて回動可能となっていて、この油圧制御用に旋回用油
圧バルブＯＶ４が設けられている。

【００１７】これらの油圧バルブ制御は、本体部５の運
転部に設けた図２図示の左右二本の操作レバーＬＶ１・
ＬＶ２による。操作レバーＬＶ１は、前後回動によりア
ームシリンダー用油圧バルブＯＶ２を制御して、アーム
２を前後回動操作し、左右回動により旋回用油圧バルブ
ＯＶ４を制御して、上部車体ＡＡを回動操作して作業腕
全体の旋回操作をする。また、操作レバーＬＶ２は、前
後回動によりブームシリンダー用油圧バルブＯＶ１を制
御して、ブーム１を前後回動操作し、左右回動によりバ
ケットシリンダー用油圧バルブＯＶ３を制御して、バケ
ット３を前後回動操作する。

【００１８】そして、該操作レバーＬＶ１には直線動作
用スイッチＳＷが具備され、該直線動作用スイッチＳＷ
をＯＮすると、作業腕の自動制御設定となる。即ち、該
操作レバーＬＶ１の操作はバケット３の刃先位置Ｆの操
作用レバーとなるものであり、該操作レバーＬＶ１を前
後に回動すれば前後に、左右に回動すれば左右にバケッ
ト３の刃先を一定の対地角度を保持したまま直線的に動
作させるものとなる。

【００１９】このように一本の操作レバーＬＶ１の傾倒
操作にて、バケット３はもとより、アーム２、ブーム１
の回動、及び上部車体ＡＡの旋回も同時に駆動操作され
る。これは前記の各油圧バルブＯＶ１〜ＯＶ４を、各油
圧バルブに対応する電磁バルブＳＶ１〜ＳＶ４にてパイ
ロット制御するものであり、操作バーＬＶ１を傾倒操作
すると、コントローラ６にて各作業部の目標速度値が算
出されて、各電磁バルブＳＶ１〜ＳＶ４の切換制御がな
され、各油圧バルブＯＶ１〜ＯＶ４が制御されて、該バ
ケット３が一定の姿勢を保持（一定の対地角度を保持）
して、直線動作するのである。

【００２０】このようなアクチュエーターの駆動構成お
いて、バケット３を直線動作させる場合の各作業部の制
御構造を以下に説明する。まず、コントローラ６におけ
る各作業部の目標速度値の算出方法について説明する。
作業腕の関節Ａ、Ｃ、Ｅの各回動角度をθ₁、θ₂、θ
₃とし、Ａ・Ｃ間、Ｃ・Ｅ間、及びＥ・Ｆ間の各距離を
それぞれＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃とする。図７の如くバケット
３の刃先点Ｆ（以後、バケット刃先Ｆ）を直線状の目標
軌道ＳＬに沿わせて動作させるのに、その目標軌道ＳＬ
の水平方向座標をｘ座標、垂直方向座標をｚ座標とすれ
ば、該バケット刃先Ｆの位置は、数１のように表され
る。

【００２１】

【数１】

【００２２】そして、該バケット刃先Ｆのｘ，ｚ各方向
の速度をｘ’，ｚ’とし、更に、各関節Ａ，Ｃ，Ｅの回
動角速度をθ₁'，θ₂'，θ₃'とすると、該バケット刃先
Ｆの移動速度（ｘ’，ｚ’）と各関節Ａ，Ｃ，Ｅの回動
角速度（θ₁'，θ₂'，θ₃'）との関係は、数２のように
表される。

【００２３】

【数２】

【００２４】バケット刃先Ｆの座標（ｘ，ｚ）は、目標
軌道ＳＬに沿うものであって、該目標軌道ＳＬの対地角
度をφとすれば、この直線の一次方程式は、ｚ＝ｘ・ｔ
ａｎφ＋ｂとなる。そこで、バケット刃先Ｆの速度ベク
トルが、ｚ’＝ｘ’・ｔａｎφを保持するように各関節
の角速度を求めればよい。関節Ａ・Ｃ、即ちブームとア
ームの両回動角速度を求める上で、まず、各角速度（θ
₁'_,θ₂'）とバケット刃先Ｆの移動速度（ｘ’，ｚ’）
との関係を、数２を基に、数３のように設定する。

【００２５】

【数３】

【００２６】なお、ここで、数３より、ブーム回動角速
度をアーム回動角速度より求めることができる。即ち、
数４の如くである。

【００２７】

【数４】

【００２８】バケット刃先Ｆの速度（目標軌道ＳＬに沿
った刃先速度）Ｖｄは、操作レバーＬＶ１の傾倒角度に
て設定されるものであり、こうして、該刃先速度Ｖｄが
設定されると、刃先の各座標軸毎の移動速度（ｘ’，
ｚ’）に関して、数５が成立する。

【００２９】

【数５】

【００３０】そして、数３及び数５より、数６が求めら
れ、ブーム回動角速度とアーム回動角速度の各速度指令
値が、それぞれ操作レバーＬＶ１の傾倒量にて設定した
刃先速度Ｖｄを基に決定するのである。

【００３１】

【数６】

【００３２】このように、ブーム、アーム、或いはバケ
ットの回動角速度は、直線動作用スイッチＳＷのＯＮ時
である自動制御設定時において、操作レバーＬＶ１の傾
倒方向及び傾倒角度にて自動的に演算回路より算出され
る。

【００３３】しかし、このように作業腕自動制御機構を
構成した場合であっても、作業腕の各作業部が、油圧シ
リンダーにて駆動されるものであることから、油圧シリ
ンダーの摩擦やヒステリシス等にて、応答性が劣る場合
がある。三作業部の油圧シリンダーの中で、いずれかの
油圧シリンダーが他のものよりも応答性が遅ければ、ど
の油圧シリンダーも均一な応答性と想定して設定した各
作業部の油圧シリンダーへの速度指令値に比して、実際
の油圧シリンダーの作動速度が遅くなってしまい、バケ
ット刃先は、目標の軌跡からずれてしまうこととなる。

【００３４】そこで、ブーム１、アーム２、及びバケッ
ト３の各作業部のうち、最も応答性の遅いものをＷ１と
し、他の作業部をＷ２・Ｗ３とすると、作業部Ｗ１を、
他の作業部Ｗ２・Ｗ３に比して、いち早く動作させるよ
うに構成する。まず、この場合の作業部Ｗ１の駆動用油
圧アクチュエーター（シリンダー）への速度指令パター
ンを、図３より説明する。座標軸として、横軸には時間
ｔを、縦軸には作業部Ｗ１の油圧シリンダー速度指令値
Ｓ_W1を取っている。該作業部Ｗ１の油圧シリンダーに
は、操作レバーＬＶ１の傾倒量に応じた速度指令値を発
する前に、まず一定パターンの速度指令値を発する。即
ち、操作レバーＬＶ１を操作した時刻ｔ₀₁に、直ちに該
油圧シリンダーに、その油圧シリンダーがどのような条
件でも作動しない範囲での最大値の速度指令値Ｓ₁を発
する。そして、該作業部の基端関節の角速度を検出し
て、該油圧シリンダーが作動開始する時刻ｔ₀₂まで速度
指令値を比例的に増大させる。該時刻ｔ₀₂での速度指令
値がＳ₂である場合、その後、該油圧シリンダーが、速
度指令値Ｓ₂に該当する速度で実際に作動するまで速度
指令値をＳ₂に保持する。該速度指令値Ｓ₂は、油圧シ
リンダーが中負荷で、必ず作動する速度指令値である。
こうして、速度指令値Ｓ₂の該当速度に該油圧シリンダ
ーの作動速度が達したら（時刻ｔ₀₃）、その後、該作業
部Ｗ１の油圧シリンダーに、操作レバーＬＶ１の傾倒角
度に応じた速度指令値を発する。

【００３５】このように、応答性の最も遅い作業部Ｗ１
の油圧シリンダーには、操作レバーＬＶ１の操作開始と
同時に、一定パターンで速度指令値を発した後、操作レ
バーＬＶ１の操作に基づく速度で油圧制御するものであ
って、一方、他の作業部Ｗ２・Ｗ３の各油圧シリンダー
に対しては、操作レバーＬＶ１の傾倒角度に基づく速度
指令値を発するものの、その速度指令値の発信開始を一
定時間遅らせる。即ち作業部Ｗ２の油圧シリンダーへの
速度指令値Ｓ_W2及び作業部Ｗ３の油圧シリンダーへの速
度指令値Ｓ_W3の発信開始時刻を、図４の如く、作業部Ｗ
１の油圧シリンダーへの速度指令値発信開始時刻、即ち
操作レバーＬＶ１の操作時刻ｔ_o1よりもそれぞれＴ₁、
Ｔ₂だけ時間を遅らせる。

【００３６】この遅れ時間Ｔ₁、Ｔ₂に関しては、各作
業部Ｗ２、Ｗ３の各基端関節の角速度をθ_W2、θ_W3、ま
た、油圧ポンプから各油圧シリンダーの油圧切換バルブ
（前記のＯＶ１〜ＯＶ３のいずれか）への作動油流量を
Ｑ_W2、Ｑ_W3として、これらを基に、数７の如き関数式を
設定して求められる。

【００３７】

【数７】

【００３８】また、各作業部Ｗ２・Ｗ３の油圧シリンダ
ーへの速度指令値Ｓ_W2・Ｓ_W3は、作業部Ｗ１の油圧シリ
ンダーへの速度指令値Ｓ_W1が発せられている状態で、な
おかつバケット刃先を目標の直線軌跡に沿わせる上で、
操作レバーＬＶ１の傾倒角度に応じた値となっている。

【００３９】図９のフローチャートは、最も反応性の遅
い作業部Ｗ１を予めアーム２として、アーム２に他の作
業部にさきがけて速度指令値Ｓ_W1を発信するように設定
しておき、最初の油圧ポンプからの各シリンダーＣＹ１
〜３への吐出量を測定した上で、作業部Ｗ１として設定
したアーム２を、ブーム１の反応性が最も遅いと判定さ
れた場合にはブーム１に、バケット３の反応性が最も遅
いと判定された場合にはバケット３に置換した上で、前
記の各作業部Ｗ１〜Ｗ３への速度指令値の発信制御を示
している。

【００４０】このように、応答の遅い油圧シリンダーを
いち早く作動させる方法及び装置とした場合において、
問題なのは、この応答の遅い油圧シリンダーにて駆動す
る作業部Ｗ１を、殆ど動作させる必要がない場合であ
る。このような場合に、図３及び図４に図示するような
パターンの速度指令を発するのは、却って不具合が生じ
る。例えば応答性の遅い油圧シリンダーを有する作業部
Ｗ１がアーム２である場合で、該アーム２を殆ど動作さ
せる必要がない場合、それでも操作レバーＬＶ１の操作
開始時にアーム２に強制的に速度指令値を付与すれば、
不必要にアーム２を動作させることとなり、これを是正
すべく、ブーム１等への速度指令値が増大するという結
果を生じるおそれもある。ブーム１は全長が長いことか
ら慣性力が大きく、これを急激に動作させるのは、有害
な振動を生じるとともに、乗り心地の悪いものになるこ
とがある。

【００４１】そこで、図３及び図４の如く、油圧シリン
ダーの応答性の違いを考慮して各油圧シリンダーに速度
指令値を発する場合と、前記の如く、各作業部の油圧シ
リンダーの応答性を均一と想定して、操作レバーＬＶ１
の傾倒角度から求められるバケット３の刃先速度Ｖｄに
基づいて、各油圧シリンダーに速度指令値を発する場合
との中から、特に慣性力の大きいブーム１の回動量を小
さく抑えることのできる方を選択できるようにする。こ
うすれば、ブーム１の急激な動作を抑えて、ショックを
防止できるとともに、ブームシリンダーＣＹ１の適正速
度を超える速度指令値が発せられて、ブーム１が目標軌
跡を外れるという事態も回避できる。

【００４２】以上で述べてきたように、操作レバーＬＶ
１の傾倒角度に応じて油圧シリンダーに速度指令値が発
せられる構成において、動作開始時や、或いは前記の応
答性の悪い作業部Ｗ１における油圧シリンダーへの速度
指令値の、最初の一定パターンの速度指令から、操作レ
バーＬＶ１の傾倒に応じた速度指令に移行する時（図３
中の時刻ｔ₀₃）、一気に操作レバーＬＶ１にて設定した
速度指令値に油圧シリンダーの作動速度が立ち上がるの
は、操作フィーリング上有害なショックが発生するの
で、ある程度徐々に作動速度が増大する構成としてい
る。

【００４３】まず、操作レバーＬＶ１によるバケット刃
先速度の目標速度をＶ_Lをとし、実際の制御系への速度
指令値に基づくバケット刃先の目標速度をＶ_Cとし、こ
の経時グラフである図５及び図６において、Ｖ_Lを破線
で、Ｖ_Cを実線で示す。図５は、操作レバーＬＶ１によ
る目標速度Ｖ_Lを、最初から最終的な目標速度ｖ_tに設
定すべく、一定の傾倒角度に保持している場合における
時間ｔの経過に対する速度Ｖの変位量を表している。こ
の場合に、実際のバケット刃先が目標速度ｖ_tに達する
時刻をｔ₁₁と設定し、該時刻ｔ₁₁に達するまでの刃先速
度ｖが、図５の如く、直線的に、即ち、時間経過に正比
例して増大するようにする。即ち、０≦ｔ≦ｔ₁₁におい
て、Ｖ_L＝ｖ_t（一定値）であり、Ｖ_Cは、数８の如
く、初期値を０とする時間ｔの一次関数となっている。

【００４４】

【数８】

【００４５】図６は、操作レバーＬＶ１の傾倒角度を、
時間毎に比例的に増大させていくように操作した場合で
あって、操作レバーＬ１による目標速度Ｖ_Lは、操作開
始時においてｖ₀としており、操作レバーＬＶ１の傾倒
角度による目標速度Ｖ_Lと油圧シリンダーの制御系の目
標速度Ｖ_Cとが一致する時刻をｔ₁₁とし、時刻ｔ₁₁以後
の、操作レバーＬＶ１の傾倒とともに直線的に、即ち時
間経過に正比例して増大するバケット刃先速度をｖ_tと
している。この場合、Ｖ_L＝ｖ_t・ｔ＋ｖ₀、即ち、時
間ｔの一次関数であり、０≦ｔ≦ｔ₁₁における制御系の
目標速度Ｖ_Cは数９の如く、初期値を０とする時間ｔの
二次関数となる。

【００４６】

【数９】

【００４７】図１０図示のフローチャートは、図５の場
合、図６の場合を含めて、バケット刃先を直線動作させ
る時に、操作レバーＬＶ１の傾倒経過時間に対応して速
度指令値を徐々に増大させていくような制御を示してい
るが、このような制御は、特に操作レバーＬＶ１の傾倒
角度が大きい時、即ち、バケット３の移動量の大きい時
とし、傾倒角度が小さく、バケット３の移動量が小さい
時には、このような経過時間に対応した増速制御は必要
ないので、傾倒角度に比例した速度指令値を発するよう
にしているのである。

【００４８】次に、バケット刃先を直線動作させる上
で、途中でバケットシリンダーＣＹ３がストロークエン
ドに達する場合についての対処機構について説明する。
まず、バケット３の回動角度θ₃を検出すべく、バケッ
ト３の基端関節Ｅ（図１図示）に角度センサーを設け、
この検出値をもとに、バケットシリンダーＣＹ３のスト
ロークエンドを検出する（ストロークエンドとなる回動
角度θ₃は、予め算出されている）。該バケットシリン
ダーＣＹ３がストロークエンドに達したことが検出され
た時、操作レバーＬＶ１の操作方向が、バケット３の可
動範囲内に向いていれば、バケットシリンダーＣＹ３へ
の速度指令値はそのまま発信し続ける。そしてもしも該
操作レバーＬＶ１の操作方向が、バケット３を、ストロ
ークエンドから非可動範囲側へ動作させる向きに向いて
いれば、該バケットシリンダーＣＹ３への速度指令値の
発信を停止する。これによって、不必要な圧油供給を抑
制でき、エンジン負荷を不必要に増大させるのを回避で
きる。

【００４９】該バケット３を、ストロークエンドから非
可動範囲側に動作させる場合においては、バケット３が
動作するものと想定した上でそのままブーム１及びアー
ム２だけを動作させていれば、バケット刃先Ｆは、次第
に目標軌道ＳＬから離れてしまう。そこで、ブーム１及
びアーム２の動作に、バケット３の動作を補う動作を加
味する。これについて、図７より説明する。図７におい
て、バケット刃先Ｆの目標軌道をＳＬ、該目標軌道ＳＬ
の水平座標軸をｘ軸、垂直座標軸をｚ軸とし、該目標軌
道ＳＬの対地角度（ｘ軸に対する角度）をφとしてい
る。バケット３において、その基端関節Ｅより刃先Ｆま
での距離をＬとし（図１ではＬ₃）、ストロークエンド
に達してなお動作したことにより実際に目標軌道ＳＬよ
りずれたバケット３を実線で、ストロークエンドに達し
ない場合における目標とするバケット３の状態をバケッ
ト３’として破線で描いている。なお、以上の制御を示
すフローチャートを図１１にて開示している。

【００５０】まず、バケット刃先Ｆの目標軌道ＳＬから
のずれ（偏差）ΔＦを算出しなければならない。刃先Ｆ
が目標軌道ＳＬからΔＦずれた場合におけるバケット３
の実際の対地角度をα、その時のバケット３の対地角度
目標値、即ち、図７におけるバケット３’の対地角度を
α_rとすると、ΔＦは、数１０の如くである。

【００５１】

【数１０】

【００５２】この偏差Δｂをｘ軸、ｚ軸に各々分解し
て、ｘ軸向方向の偏差Δｘとｚ軸方向の偏差Δｚを数１
１の如く得る。

【００５３】

【数１１】

【００５４】こうして求めた偏差Δｘ、Δｚより、ブー
ム１及びアーム２の動作に、バケット刃先の偏差を是正
する動作を加味するのである。

【００５５】最後に、バケット刃先を直線動作させる場
合におけるブームシリンダーＣＹ１及びアームシリンダ
ーＣＹ２のストロークエンド直前の減速構造について、
図８をもとに説明する。各油圧シリンダーは、各作業部
動作中の作動速度をそのまま保持したままストロークエ
ンドに達すると、作業部が急停止することなり、ショッ
クが大きく、操作フィーリングが悪い。そこで、ストロ
ークエンド直前となった油圧シリンダーへの速度指令値
を低減して、減速させるようにしている。

【００５６】一方、このような減速機構を設けた場合に
おいて、ストロークエンド時にバケット刃先の動作速度
が０になるように、バケット刃先が漸次減速する仕様に
すれば、ストロークエンド付近でシリンダー駆動用の油
圧に余裕がないので、一旦停止しては再度動き出すとい
うヒステリシスの状態を生じ、やはり操作フィーリング
は悪くなる。従って、操作フィーリングの悪さを感じさ
せない程度の微小速度を保ったままストロークエンドに
達するようにするのが望ましい。

【００５７】更に、減速開始時期を一定にしていては、
シリンダーの作動速度、即ちバケット刃先の動作速度に
よっては、それが速すぎると感じたり、遅すぎると感じ
たりする。例えば、動作速度が速い場合に適当と感じら
れる減速開始時期も、該動作速度が遅い状態では、スト
ロークエンドよりかなり手前から減速が開始し、なお一
層遅い状態で、ストロークエンドまでのバケット刃先の
動作が続くので、操作するものに苛立ちを覚える。一
方、動作速度が遅い場合に適当と感じられる減速開始時
期は、該動作速度が速い場合には、ストロークエンドに
近すぎて、減速開始時期とストロークエンドとの間隔が
短く、作業部が急停止したような間隔を与え、操作フィ
ーリングの向上とはならない。そこで、減速開始時期
を、シリンダーの作動速度によって変動できるようにす
ることが望まれる。

【００５８】以上のことから、バケット刃先を直線動作
させる場合において、バケット３の刃先速度Ｖｄが、ブ
ームシリンダーＣＹ１又はアームシリンダーＣＹ２のス
トロークエンド手前で、図８のように減速する構成とし
ている。なお、横軸は時間ｔの経過を示している。ま
ず、ストロークエンド付近におけるヒステリシスを解消
するため、ストロークエンド時ｔ₂₃において、各シリン
ダーが、最小速度ｖ_minを保持するようにしている。そ
して、バケット刃先が最大速度ｖ_maxの時に、減速開始
時刻をｔ₂₁と設定し、また、最小速度ｖ_minの時には、
そのままの速度をストロークエンド時ｔ₂₃まで保持する
ようにしている。そして、バケット刃先の動作速度が、
最小速度から最大速度までの間で、例えばｖである時
に、減速開始時刻を、ｔ₂₁〜ｔ₂₃の間のｔ₂₂とするとい
う具合に、最小速度から最大速度までの間での動作速度
に応じて、減速開始時刻を変動させる構成としている。
こうして、ストロークエンド手前にて、バケット刃先の
速度に応じて、適当と感じられるような減速が得られ、
また、ストロークエンド直前においても、最小速度を保
持して、不快なヒステリシスを生じずに動作が停止する
ようになる。

【００５９】図１２図示のフローチャートは、ブームシ
リンダーＣＹ１及びアームシリンダーＣＹ２の動作速度
が、高速域か、或いは中速域の場合に、ストロークエン
ド直前の減速時期を早期化するものとし、低速域では逆
に減速制御を解除、即ちストロークエンドまで動作速度
を保持するものとした制御フローチャートを示してい
る。

【００６０】

【発明の効果】本発明は以上のように構成したので、次
のような効果を奏する。即ち、請求項１及び２の如く、
応答性の低い作業部に、他の二作業部に先駆けて一定の
速度指令信号を発するものであり、他の二作業部にも、
作業部の姿勢及び油圧ポンプ吐出量から割り出す適正な
時間だけ遅らせて速度指令信号を発する制御方法及び装
置としたので、バケット、アーム、ブームの各作業部の
応答が常に均一で、バケット刃先を直線動作させる上
で、バケット刃先が目標軌道から外れにくくなる。

【００６１】また、請求項３の如く、バケット刃先を直
線動作させる上で、通常、動作速度をレバーの傾倒角度
に比例させるが、経過時間に基づく割合をレバーの傾倒
角度に乗じた値に基づいて動作速度を制御すると、徐々
に動作速度が増速するようになるので、前者の場合に生
じる動作開始時における急な速度変化によるショックが
解消させ、操作フィーリングを向上できる。

【００６２】また、請求項４の如く、バケットの刃先を
直線動作させる場合に、バケット駆動用油圧アクチュエ
ーターがストロークエンドとなった時に同アクチュエー
ターへの動作指令の発信を終了する構成とすることで、
ストロークエンドに達しているにもかかわらずバケット
駆動用油圧アクチュエーターへの圧油供給を続けて不必
要にリリーフ圧油を吐出し、エンジン負荷を無駄に高め
るという不具合がなくなり、コスト低減にも貢献でき
る。また、バケット刃先を、バケット駆動用油圧アクチ
ュエーターのストロークエンドから非可動側に動作させ
る場合に、ブームとアームのみで、バケット刃先を、同
一の直線上に沿わせて動作させるよう構成したので、バ
ケット駆動用油圧アクチュエーターが作動していなくて
もバケット刃先を目標の直線軌道に沿って動作させるこ
とができる。

【００６３】また、請求項５の如く、ブーム及びアーム
駆動用の油圧アクチュエーターのストロークエンド直前
の減速開始位置を、その動作速度に応じて変動可能とし
たことで、バケット刃先の動作について、ストロークエ
ンド手前にて、その速度に応じて、適当と感じられるよ
うな減速が得られ、ストロークエンド手前における作業
の急停止による不快なショックや、必要以上の減速で苛
立ちを覚えるといった事態が解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】バックホーの全体側面図である。

【図２】レバー操作による作業腕駆動用油圧アクチュエ
ーターの電気制御回路図である

【図３】最も反応性の遅い作業腕駆動用油圧シリンダー
への速度指令パターンを示す経時グラフである。

【図４】作業腕の各作業部駆動用油圧シリンダーの速度
指令パターンを示す経時グラフである。

【図５】操作レバーを操作開始時より一定の傾倒角度に
して油圧シリンダーを駆動する場合の作業部の目標速度
の経時グラフである。

【図６】操作レバーを一定の角度ずつ徐々に傾倒させて
油圧シリンダーを駆動する場合の作業部の目標速度の経
時グラフである。

【図７】バケットシリンダーがストロークエンドにある
場合のバケット刃先の補正制御を示す図である。

【図８】ブームシリンダー又はアームシリンダーのスト
ロークエンド直前の減速開始位置の移動制御を示す経時
グラフである。

【図９】図３及び図４図示の最も反応性の遅い作業部駆
動用油圧シリンダーへの速度指令を早期化する場合の各
作業部駆動用油圧シリンダーへの速度指令信号発信制御
フローチャートである。

【図１０】図５及び図６図示のレバー系統の経過時間に
対応して作業部駆動用油圧シリンダーの作動速度を変化
させる場合の作業腕制御フローチャートである。

【図１１】図７図示のバケットシリンダーがストローク
エンドにある時におけるブームシリンダー及びアームシ
リンダーによる補正制御フローチャートである。

【図１２】図８図示のブームシリンダー及びアームシリ
ンダーの動作速度に応じてのストロークエンド直前の減
速制御フローチャートである。

【符号の説明】

１ブーム２アーム３バケット３ａバケットアームＣＹ１ブームシリンダーＣＹ２アームシリンダーＣＹ３バケットシリンダーＬＶ１操作レバーＬＶ２操作レバーＳＷ直線動作用スイッチＡブーム基端関節Ｂアームシリンダー基端枢支部Ｃアーム基端関節Ｅバケット基端関節Ｆバケット刃先ＡＡ上部車体ＢＢ下部車体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作業腕を形成するブーム、アーム、及び
バケットの各作業部を電気制御式の油圧アクチュエータ
ーにて駆動する構成のバックホーにおいて、バケットの
刃先を直線動作させる場合に、一番応答性の低い作業部
には、予め設定した速度指令信号を発して動作させ、他
の二作業部は各々、前記の速度指令信号の発信開始時か
らその作業部の姿勢と油圧ポンプ吐出量より定めた時間
だけ遅らせて速度指令信号を発信開始することを特徴と
するバックホーの作業腕制御方法。
【請求項２】作業腕を形成するブーム、アーム、及び
バケットの各作業部を電気制御式の油圧アクチュエータ
ーにて駆動する構成のバックホーにおいて、バケットの
刃先を直線動作させる場合に、一番応答性の低い作業部
には、予め設定した速度指令信号を発して動作させ、他
の二作業部は各々、前記の速度指令信号の発信開始時か
らその作業部の姿勢と油圧ポンプ吐出量より定めた時間
だけ遅らせて速度指令信号を発信開始する構成としたこ
とを特徴とするバックホーの作業腕制御装置。
【請求項３】作業腕を形成するブーム、アーム、及び
バケットの各作業部をレバー操作による電気制御式の油
圧アクチュエーターにて駆動する構成のバックホーにお
いて、バケットの刃先を直線動作させる場合に、経過時
間に基づく割合をレバーの傾倒角度に乗じた値に基づい
て、各作業部の動作速度を制御する構成としたことを特
徴とするバックホーの作業腕制御装置。
【請求項４】作業腕を形成するブーム、アーム、及び
バケットの各作業部を電気制御式の油圧アクチュエータ
ーにて駆動する構成のバックホーにおいて、バケットの
刃先を直線動作させる場合に、バケット駆動用油圧アク
チュエーターがストロークエンドとなった時に同アクチ
ュエーターへの動作指令の発信を終了し、ブームとアー
ムのみで、バケット刃先を、同一の直線上に沿わせて動
作させるよう構成したことを特徴とするバックホーの作
業腕制御装置。
【請求項５】作業腕を形成するブーム、アーム、及び
バケットの各作業部を電気制御式の油圧アクチュエータ
ーにて駆動する構成のバックホーであって、ブーム及び
アーム駆動用の油圧アクチュエーターがストロークエン
ド直前より減速する構成のものにおいて、バケットの刃
先を直線動作させる場合に、ブーム及びアームのストロ
ークエンド直前の減速開始位置を、その動作速度に応じ
て変動可能としたことを特徴とするバックホーの作業腕
制御装置。