JPH10245874A - 油圧ショベルの積荷重量演算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ないセンサで、簡単に積荷重量を演算処理
することのできる油圧ショベルの積荷重量演算装置を提
供する。 【解決手段】 基端３ａが上下方向回動自在に支持され
たアーム３と、アームの先端３ｂに配置したバケット支
持軸４に基端５ａが上下方向回動自在に支持されたバケ
ット５と、バケットを駆動するバケットシリンダ６とを
備えた油圧ショベルにおいて、アームの傾斜角を検出す
る傾斜角センサ２１と、バケットを所定の積荷保持姿勢
に維持したときのバケットシリンダの負荷圧を検出する
圧力センサ２２と、傾斜センサ２１及び圧力センサ２２
の検出値を用いたバケット支持軸回りの力の釣合い条件
からバケット５内の積荷重量を算出するコントローラ５
０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、土砂等の掘削・積
込みを行う油圧ショベルにおいて、例えば、ダンプトラ
ックに積込む際のバケット内の積荷の重量を自動的に演
算する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベルにおいては、掘削した土砂
（積荷）を、待機しているダンプトラックに積込む作業
がある。この場合、積込み重量がダンプトラックの定格
値に比して過大であれば危険であり、過少であれば効率
が悪い。よって、定格値にほぼ等しい重量の積込みを行
うことが要求される。

【０００３】このような油圧ショベルの積込み作業にお
いて、自動的に積み込もうとする土砂の重量を計測でき
れば大変便利である。そこで、従来、その種の装置とし
て、実開昭６１‐４０４５５号公報や特公平４‐３５６
５７９号公報に記載のものが提供されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に記
載されている従来の装置は、複数の角度センサや傾斜セ
ンサ並びに圧力センサを配し、それら多数のセンサから
の値をコンピュータで処理することにより、土砂等の積
荷重量を演算するものであるため、コスト高であり、ま
た、演算処理が繁雑化するという問題を有していた。

【０００５】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
なされたものであって、少ないセンサで、簡単に積荷重
量を演算処理することのできる油圧ショベルの積荷重量
演算装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、基端が上下方
向回動自在に支持されたアームと、該アームの先端に配
置したバケット支持軸に基端が上下方向回動自在に支持
されたバケットと、該バケットを駆動するバケットシリ
ンダとを備えた油圧ショベルにおいて、前記アームの傾
斜角を検出する傾斜角センサと、前記バケットを所定の
積荷保持姿勢に維持したときの前記バケットシリンダの
負荷圧を検出する圧力センサと、前記傾斜センサ及び圧
力センサの検出値を用いた前記バケット支持軸回りの力
の釣合い条件からバケット内の積荷重量を算出する演算
手段とを備えたことにより、上記課題を解決したもので
ある。

【０００７】油圧ショベルのバケットを所定の積荷保持
姿勢（例えば、バケット先端がバケット支持軸と同じ高
さになるような所定の水平姿勢）に維持した場合、バケ
ット支持軸の回りには、バケット側の重量によるモーメ
ントＭと、バケットを積荷保持姿勢に維持するバケット
シリンダ反力によるモーメントとが働く。釣合い条件に
よれば、両モーメントは向きが反対で大きさが等しい。

【０００８】バケット側の重量によるモーメントＭは、
バケット自重ＷＥによるモーメントＭＥと、バケット内
容物（以下「積荷」という）重量ＷＬによるモーメント
ＭＬに分けて考えることができる。ここで、バケットの
自重ＷＥ及びバケット自身の重心位置は既知であり、ま
た、バケット積荷の重心位置もほぼ実験的に求めること
ができる。よって、バケットが所定の積荷保持姿勢に維
持されている場合、バケット支持軸に対する各重心位置
が特定されることになり、未知数は積荷重量ＷＬのみと
なる。

【０００９】一方、バケットシリンダの発生する反力は
圧力センサにより負荷圧として検出され、また、バケッ
トシリンダの力をバケットに作用させるためのリンク機
構の各節点の位置関係は、傾斜角センサで検出されるア
ームの傾斜角に応じて自動的に決まる。従って、バケッ
トシリンダ反力によるモーメントは、傾斜角センサと圧
力センサの値を用いて簡単に割り出され、その結果、前
記両モーメントの釣合い条件の中の未知数が積荷重量Ｗ
Ｌのみとなって、演算手段の処理により、未知数である
積荷重量ＷＬが求められる。

【００１０】この場合、請求項２の発明のように、演算
手段の演算結果を表示する表示手段を設けることで、１
回分のバケットの積荷重量をオペレータに知らせること
ができる。

【００１１】また、請求項３の発明のように、演算手段
の複数回の演算結果を積算する積算手段と、該積算手段
の積算結果を表示する表示手段とを設けることで、現時
点での（何回分かの）積算重量をオペレータに知らせる
ことができる。

【００１２】また、請求項４の発明のように、積算結果
が予め設定した値に達したことを報知する報知手段を設
けることで、規定積込み量になったことをオペレータに
知らせることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しながら説明する。

【００１４】図１は油圧ショベルの積荷重量演算装置の
構成を示すブロック図である。

【００１５】油圧ショベルは、作業機械部分として、ブ
ーム１と、アーム３と、バケット５とを有している。ア
ーム３は、ブーム１の先端１ａに配置した回動軸２によ
り基端３ａが上下方向回動自在に支持されている。バケ
ット５は、アーム３の先端３ｂに配置したバケット支持
軸４により基端５ａが上下方向回動自在に支持されてい
る。バケット５は、先端５ｂを手前側（ブーム１側）に
引き上げることで、掘り起こした積荷（土砂等）を保持
し得る形状となっている。このバケット５は、ダンプト
ラックへの積込みに際して移動する間、バケット支持軸
４とバケット先端５ｂとが同じ高さになるように操作さ
れることで、積荷を落とさないように安定保持すること
ができる。この姿勢をここでは「所定の積荷保持姿勢」
という。

【００１６】アーム３の上辺部にはバケットシリンダ６
が配されている。バケットシリンダ６は、本体６ａの後
端をアーム３の後端に設けた支持ピン７に連結すること
で支持されている。バケットシリンダ６のロッド６ｂの
先端は、アーム３の先端３ｂ側において、２つのリンク
９、１０の一端同士を結合する結合点８に連結されてい
る。

【００１７】各リンク９、１０の他端はそれぞれ、バケ
ット５の基端５ａ付近に設けたピン１１と、アーム３の
先端３ｂ付近に設けたピン１２に回動可能に連結されて
いる。バケット５側のピン１１及びアーム３側のピン１
２はバケット支持軸４より離れた位置にあり、バケット
シリンダ６のロッド６ｂを伸縮動作させることにより、
ロッド６ｂの力がリンク９、１０によってバケット５に
伝えられ、それにより、バケット５が上下方向に回動さ
れる。

【００１８】バケットシリンダ６の本体６ａ内には、ロ
ッド６ｂの基端に連結されたピストン６ｃが摺動自在に
収容されている。ピストン６ｃの前後には、ピストン６
ｃを動かすための作動室６ｄ、６ｅが設けられている。
両作動室６ｄ、６ｅは、方向切換弁３０を介してポンプ
３１及びタンク３２に接続されている。ボトム側の作動
室６ｅと方向切換弁３０とを接続する油路３３には、同
油路３３の圧力を検出する圧力センサ２２が設けられて
いる。即ち、ボトム側の作動室６ｅには、バケット５を
図示の積荷保持姿勢に保持する際に負荷圧が発生するの
で、圧力センサ２２はこの負荷圧を検出する。なお、圧
力センサ２２は、ボトム側作動室６ｅの圧力を検出すれ
ばよいので、油路３３上のどの位置に設けてもよく、例
えば方向切換弁３０に近い位置に設けることができる。

【００１９】また、前記アーム３には、アーム３の傾斜
角度、つまり水平線に対する傾き角θを検出する傾斜角
センサ２１が取り付けられている。

【００２０】また、実施形態の積荷重量演算装置は、コ
ンピュータよりなるコントローラ（演算手段）５０を有
しており、前記圧力センサ２２の信号及び傾斜角センサ
２１の信号は、このコントローラ５０に入力される。ま
た、このコントローラ５０には、更新スイッチ５１、ク
リアスイッチ５２、表示器（表示手段）５３、ブザー
（報知手段）５４が接続されている。

【００２１】このコントローラ５０は、前記傾斜角セン
サ２１及び圧力センサ２２の検出値を用いてバケット支
持軸４回りの力の釣合い条件から、バケット５内の積荷
重量を演算する機能（演算手段）を有している。また、
演算した１回分の値を表示器５３に表示したり、演算し
た値を積算した上で表示器５３に表示したり、積算値が
予め規定値になったときブザー５４を鳴らしたりする機
能（積算手段、表示手段、報知手段）を有している。以
下、バケット５内の積荷重量を演算する原理について説
明する。

【００２２】図２はバケット５に作用する力の関係を併
せて図示する要部拡大図である。

【００２３】油圧ショベルのバケット５を、アーム３の
傾斜角によらず、所定の積荷保持姿勢、つまりバケット
先端５ｂがバケット支持軸４と同じ高さになるような所
定の水平姿勢に維持した場合、バケット支持軸４の回り
には、バケット５側の重量によるモーメントＭと、バケ
ット５を積荷保持姿勢に維持するバケットシリンダ反力
Ｆによるモーメントとが働く。バケット５はこの状態で
釣合っているから、釣合い条件により、両モーメントは
向きが反対で大きさが等しくなる。

【００２４】図３はより模式化して示す図である。

【００２５】図において、Ｏはバケット回動軸４の中
心、Ｔはバケット５の先端５ｂ、Ａはバケット側のピン
１１の中心、Ｂはアーム側のピン１２の中心、Ｃはバケ
ットとバケットシリンダをつなぐ２つのリンク９、１０
の結合点８の中心、Ｄはバケットシリンダの基端部支持
ピン７の中心、Ｅはブームとアームを連結する回動軸２
の中心を示す。また、Ｌ１はバケット重心５Ｇと点Ｏ間
の水平距離、Ｌ２はバケット積荷重心ＷＧと点Ｏ間の水
平距離、Ｌ３は線分ＣＤと点Ｂ間の距離、Ｌ４は線分Ａ
Ｃと点Ｂ間の距離、Ｌ５は線分ＡＣと点Ｏ間の距離を示
す。

【００２６】バケット５側の重量によるモーメントＭに
ついて見てみると、このモーメントＭは、バケット自重
ＷＥによるモーメントＭＥと、バケット積荷重量ＷＬに
よるモーメントＭＬに分けられるから、 Ｍ＝ＭＥ＋ＭＬ …（１） となる。

【００２７】このモーメントＭに抗しているのは、バケ
ットシリンダのロッド反力Ｆである。

【００２８】今、ロッド反力Ｆがリンク１０のＢ点回り
に与えるモーメントをｍB とすると、 ｍB ＝Ｆ・Ｌ３ …（２−１） となる。一方、リンク１０とリンク９は点Ｃで回転自在
に連結されており、リンク９のＣ→Ａの向きに働く反力
をｆCAとすると、Ｂ点回りのモーメントの釣り合いから ｆCA・Ｌ４＝ｍB …（２−２） となる。更に、Ｏ点回りでは、Ａ点に働く反力ｆCAとバ
ケットのモーメントＭが釣り合うので ｆCA・Ｌ５＝Ｍ …（２−３） と表現できる。（２−１）式を（２−２）式に代入し
て、反力ｆCAについてまとめると ｆCA＝Ｆ・Ｌ３／Ｌ４ …（２−４） となり、（２−４）式を（２−３）式に代入すると、釣
合い条件は、 Ｆ・Ｌ３・Ｌ５／Ｌ４＝Ｍ …（２） となる。

【００２９】バケット５を所定の積荷保持姿勢に保った
場合、線分ＯＴを水平に固定して考えることができるか
ら、「角ＥＯＴ＝傾斜角センサの検出値θ」となって、
ＡＢＣＤの各点の点Ｏからの位置関係は、計算により一
意的に求めることができるようになる。点Ｏと点Ａ、
Ｂ、Ｃ、Ｄの位置関係が分かれば、計算により自動的に
Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５は求まる。

【００３０】また、Ｐを圧力センサの検出するバケット
シリンダの負荷圧、Ｓをバケットシリンダのピストンの
受圧面積とすると、 Ｆ＝Ｐ×Ｓ …（３） なので、上記（２）式からモーメントＭが求まる。

【００３１】一方、バケット自重によるモーメントＭＥ
は、 ＭＥ＝ＷＥ×Ｌ１ …（４） なので、（１）、（４）式よりＭＬが求まる。

【００３２】また、 ＷＬ＝ＭＬ／Ｌ２ …（５） なので、積荷重量ＷＬが求まる。但し、Ｌ２は実験的に
予め求めて、コントローラ５０に記憶させておく。

【００３３】このように、傾斜角センサ２１の検出する
アームの傾斜角θと、圧力センサ２１の検出する負荷圧
Ｐが分かれば、後は計算により自動的に積荷の重量を割
り出すことができる。

【００３４】次に、図４のフローチャートを用いて、コ
ントローラ５０の一連の処理内容を簡単に述べる。

【００３５】処理がスタートすると、コントローラ５０
はステップＳ１０１でクリアスイッチ（ＳＷ）５２、ス
テップＳ１０２で更新スイッチ（ＳＷ）５１の状態を読
み込む。バケット５を所定の積荷保持姿勢に維持した状
態で、更新スイッチ５１が押されると、コントローラ５
０はステップＳ１０３に進んで、前述の原理により積荷
重量ＷＬを演算する。そして、表示モードが「１回表
示」であれば、ステップＳ１０４からステップＳ１０６
に進んで「ＷＬ」を「Ｎ」と置き、ステップＳ１０８に
進んで「Ｎ」を表示器５３に表示させる。

【００３６】また、表示モードが「積算表示モード」で
あれば、ステップＳ１０４からステップＳ１０５に進ん
で「Ｎ＋ＷＬ」を「Ｎ」と置き、ステップＳ１０８に進
んで「Ｎ」を表示器５３に表示させる。

【００３７】また、クリアスイッチ５２が押されると、
ステップＳ１０１からステップＳ１０７に進み「Ｎ＝
０」とすることで、表示がクリアされる。

【００３８】従って、積荷重量の表示の更新は、オペレ
ータが更新スイッチ５１を押したときに行うことがで
き、表示の仕方として、バケットの１回分の重量表示
と、数回分の積算重量表示の２つのモードを選択するこ
とができる。また、積算状態をクリアしたい場合は、ク
リアスイッチ５２を押せばよく、簡単に操作することが
できる。

【００３９】また、例えばステップＳ１０８の下側に、
図５に示すような処理を追加することができる。この場
合、ステップＳ１０９で、前記Ｎの値と最大値Ｎｍａｘ
とを比較する。Ｎｍａｘとしては、ダンプトラックの定
格値（最大積載量）を入力しておくことができる。そう
することにより、その重量を超えたらステップＳ１１０
に進んでブザー５４を鳴らして、過積載を防止すること
ができる。

【００４０】ブザー５４による過積載の警報は、最後の
積荷をダンプトラックに積載する前の段階（バケットに
積荷を積んで先端を水平にした段階）で分かるため、そ
の時点でブザー５４が鳴ったら、少し積荷を下ろし、鳴
らなくなった時点でその積荷を最後の積荷としてダンプ
トラックに積み込めば、「定格値以下でほぼ定格値に近
い積荷」を実現することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
バケットシリンダの負荷圧を検出する圧力センサと、ア
ームの傾斜角度を検出する傾斜角センサの２つのセンサ
を備えるだけの簡単な構成で、ダンプトラックに積み込
む際に油圧ショベル側で、バケット内の積荷の重量を測
定することができる。従って、設備を安価に構成するこ
とができる上、演算処理の簡略化を図ることができる。
また、バケットの近傍に何らセンサを配する必要がない
ので、土砂によるセンサ類の故障を回避することがで
き、信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図

【図２】本発明の実施形態における力の関係を示す要部
拡大図

【図３】前記力の関係をより模式化して示す図

【図４】本発明の実施形態の処理内容を示すフローチャ
ート

【図５】図４の内容に追加するフローチャート

【符号の説明】

３…アーム ３ａ…基端 ３ｂ…先端 ４…バケット支持軸 ５…バケット ５ａ…基端 ６…バケットシリンダ ２１…圧力センサ ２２…傾斜角センサ ５０…コントローラ（演算手段、積算手段） ５３…表示器（表示手段） ５４…ブザー（報知手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基端が上下方向回動自在に支持されたアー
   ムと、該アームの先端に配置したバケット支持軸に基端
   が上下方向回動自在に支持されたバケットと、該バケッ
   トを駆動するバケットシリンダとを備えた油圧ショベル
   において、 前記アームの傾斜角を検出する傾斜角センサと、 前記バケットを所定の積荷保持姿勢に維持したときの前
   記バケットシリンダの負荷圧を検出する圧力センサと、 前記傾斜センサ及び圧力センサの検出値を用いた前記バ
   ケット支持軸回りの力の釣合い条件からバケット内の積
   荷重量を算出する演算手段と、 を備えたことを特徴とする油圧ショベルの積荷重量演算
   装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記演算手段の演算結果を表示する表示手段を備えたこ
   とを特徴とする油圧ショベルの積荷重量演算装置。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記演算手段の複数回の演算結果を積算する積算手段
   と、 該積算手段の積算結果を表示する表示手段とを備えたこ
   とを特徴とする油圧ショベルの積荷重量演算装置。
4. 【請求項４】請求項３において、 前記積算結果が予め設定した値に達したことを報知する
   報知手段を設けたことを特徴とする油圧ショベルの積荷
   重量演算装置。