JPH11181840A - 旋回作業機の旋回制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小旋回油圧ショベルのフロントの旋回径に応
じて旋回時の加減速を自動的に調整する。 【解決手段】 油圧ポンプ14から旋回モータ15に供給す
る作動油は、その間に介在するコントロールバルブ13に
より制御し、このコントロールバルブ13は、リモコンバ
ルブ10a ，10b から供給するパイロット圧信号により操
作する。フロントの姿勢をブーム角センサ７およびアー
ム角センサ８により検出してコントローラ９に入力する
と、コントローラ９は、フロント姿勢から旋回径を演算
して、コントロールバルブ操作信号の増減速度を制限す
る信号を出力する。このコントローラ９の出力信号によ
り電磁比例減圧弁12a ，12b を制御することにより、リ
モコンバルブ10a ，10b からコントロールバルブ13に供
給するパイロット圧信号を制御して、コントロールバル
ブ13の作動速度を制限する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、作業姿勢によって
旋回中心回りの慣性モーメントが大きく変化する例えば
小旋回油圧ショベルなどの旋回作業機の旋回制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、周囲に建物などが密集した市
街地などで使用するに最適な小旋回油圧ショベルが開発
されている。

【０００３】図５は、その小旋回油圧ショベルの側面図
を示し、履帯などを備えた下部走行体１に上部旋回体２
が旋回自在に結合され、これらの下部走行体１と上部旋
回体２で作業機本体が構成されている。

【０００４】上部旋回体２にブーム３が回転可能に連結
され、このブーム３の先端にアーム４が回転可能に連結
され、このアーム４の先端にバケット５が回転可能に連
結され、これらのブーム３、アーム４およびバケット５
で油圧ショベルの作業腕体（以下、フロントという）６
が構成されている。

【０００５】ブーム３はブームシリンダ3aにより駆動さ
れ、アーム４はアームシリンダ4aにより駆動され、バケ
ット５はバケットシリンダ5aにより駆動される。

【０００６】図６は従来の小旋回油圧ショベルに用いら
れている上部旋回体２の油圧回路を示し、オペレータが
レバー操作するリモートコントロール用パイロットバル
ブ（以下、このパイロットバルブを「リモコンバルブ」
という）10a ，10b が、旋回用のコントロールバルブ13
のパイロット圧作用部に接続され、リモコンバルブ10a
，10b の二次圧力によって旋回用のコントロールバル
ブ13が切換えられる。

【０００７】このコントロールバルブ13の給油ポートに
は、上部旋回体２などを駆動するための圧油を供給する
油圧ポンプ14が接続され、コントロールバルブ13の出力
ポートには、上部旋回体２を旋回駆動するための油圧モ
ータすなわち旋回モータ15が接続され、コントロールバ
ルブ13と旋回モータ15との間の二つの管路間には、過度
の油圧上昇を防止して管路を保護するためのリリーフバ
ルブ16a ，16b が設けられている。

【０００８】また、リモコンバルブ10a ，10b の給油ポ
ートには一次圧力を供給するためのパイロットポンプな
どのパイロット油圧源17が接続され、さらに、リモコン
バルブ10a ，10b および前記コントロールバルブ13の排
油ポートは共通のタンク18にそれぞれ接続されている。

【０００９】そして、図６において、リモコンバルブ10
a ，10b を操作すると、コントロールバルブ13が切換わ
り、油圧ポンプ14から旋回モータ15に作動圧油が供給さ
れて上部旋回体２が駆動され、上部旋回体２とともにフ
ロント６が旋回される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】この従来の小旋回油圧
ショベルは、図５に示されるバケット５が機体中心近く
にある最小旋回径姿勢と、図７に示される機体中心から
バケット５が最も離れたフロント最大リーチ姿勢との間
で、上部旋回体２の旋回中心回りの慣性モーメントが大
きく変化する。

【００１１】ところが、従来の上部旋回体２を駆動する
油圧回路では、バケット５の位置に関係なく上部旋回体
２を加減速するので、バケット５が機体中心の近傍にあ
る場合は、慣性モーメントが小さくなるため、加速時お
よび減速時の角加速度が大きくなり、バケット５内の土
砂がこぼれる等の不具合や、加速時にハンチング（振
動）が生じる不具合が生じやすい。

【００１２】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、作業腕体の旋回径に応じて旋回時の加減速を自動
的に調整できる旋回作業機の旋回制御装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明は、操作信号により操作されるコントロールバルブ
と、このコントロールバルブにて制御された作動流体に
より駆動される旋回モータと、この旋回モータにより旋
回される旋回径可変の作業腕体とを具備した旋回作業機
の旋回制御装置において、作業腕体の姿勢を検出する姿
勢検出手段と、この姿勢検出手段の出力に基づき作業腕
体の旋回径を演算して操作信号の増減速度を制限する信
号を出力するコントローラと、このコントローラの出力
信号に応じてコントロールバルブに供給される操作信号
を制御することにより作業腕体の旋回径が小さくなるに
したがいコントロールバルブの作動速度を遅くするよう
に制限する操作信号規制手段とを具備した旋回作業機の
旋回制御装置である。

【００１４】そして、例えば小旋回油圧ショベルなどの
作業腕体の姿勢により旋回中心回りの慣性モーメントが
変化するので、姿勢検出手段により作業腕体の姿勢を検
出し、この姿勢検出手段の出力に基づきコントローラに
より作業腕体の旋回径を演算して操作信号の増減速度を
制限する信号を操作信号規制手段に出力し、操作信号規
制手段によりコントロールバルブ操作信号を制御し、コ
ントロールバルブに供給される操作信号の立上り速度な
どを制限することにより、コントロールバルブの作動速
度を制限し、作業腕体の旋回径に対応した旋回加減速を
実現する。

【００１５】請求項２に記載された発明は、請求項１記
載の旋回作業機の旋回制御装置におけるコントローラ
が、操作信号の有無により操作信号規制手段制御用の設
定された目標値を切換えるフィードバック制御系を具備
したものである。

【００１６】そして、コントロールバルブの操作信号が
無から有に切換わると、その操作信号をどのように入力
しても、設定された一定の目標値がステップ状に入力さ
れ、その目標値に向ってフィードバック制御系が作動
し、このフィードバック制御系より操作信号規制手段に
制御信号が出力される。目標値は予め操作信号規制手段
が必要とする値に設定する。

【００１７】請求項３に記載された発明は、請求項２記
載の旋回作業機の旋回制御装置において、フィードバッ
ク制御系を一次おくれ要素により形成し、この一次おく
れ要素の時定数を旋回径に対応して調整するものであ
る。

【００１８】そして、旋回径に応じて一次おくれ要素の
時定数を調整し、一次おくれ要素を経た制御信号が、操
作信号規制手段にてコントロールバルブに供給される操
作信号の立上り速度などを制限することにより、コント
ロールバルブの作動速度を制限する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図１乃至図４に
示される実施の一形態を参照しながら説明する。なお、
図５乃至図７に示された従来例と同様の部分には同一符
号を付して、その説明を省略する場合もある。

【００２０】図３に示されるように、作業腕体としての
フロント６は、ブーム３、アーム４およびバケット５に
より構成するが、ブームシリンダ3aにより回動されるブ
ーム３の回動中心Ａには、ブーム３の回動角を検出する
ためのブーム角センサ７が、またアームシリンダ4aによ
り回動されるアーム４の回動中心Ｂには、アーム４の回
動角を検出するためのアーム角センサ８がそれぞれ設け
られている。

【００２１】図１に示されるように、そのブーム３の回
動角を検出するためのブーム角センサ７と、アーム４の
回動角を検出するためのアーム角センサ８とが、コント
ローラ９に接続されている。

【００２２】これらのブーム角センサ７およびアーム角
センサ８は、フロント６の姿勢を検出する姿勢検出手段
であり、検出されたブーム角およびアーム角と、既知の
ブーム長およびアーム長とにより、旋回中心に対するバ
ケット５の取付位置、すなわちバケット格納状態におけ
るフロント６の旋回径を検出できる。

【００２３】オペレータがレバー操作するリモートコン
トロール用パイロットバルブ（以下、このパイロットバ
ルブを「リモコンバルブ」という）10a ，10b の出力ポ
ートには、リモコンバルブ10a ，10b の二次圧力すなわ
ち操作信号が出力されたことを検出する圧力スイッチ11
a ，11b がそれぞれ設けられ、これらの圧力スイッチ11
a ，11b の信号出力部は電気信号線によりコントローラ
９にそれぞれ接続されている。

【００２４】また、リモコンバルブ10a ，10b の出力ポ
ートには、コントローラ９からの指令出力で駆動される
操作信号規制手段としての電磁比例減圧弁12a ，12b の
一次側がそれぞれ接続されている。電磁比例減圧弁12a
，12b の二次側は、作動圧油を切換えるコントロール
バルブ13のスプール両端に位置するパイロット圧作用部
に接続されている。

【００２５】このコントロールバルブ13の給油ポートに
は、上部旋回体２などを駆動するための圧油を供給する
油圧ポンプ14が接続され、コントロールバルブ13の出力
ポートには、下部走行体１に対し上部旋回体２を旋回駆
動するための油圧モータすなわち旋回モータ15が接続さ
れ、コントロールバルブ13と旋回モータ15との間の二つ
の管路間には、過度の油圧上昇を防止して管路を保護す
るためのリリーフバルブ16a ，16b が設けられている。

【００２６】リモコンバルブ10a ，10b の一次側にはパ
イロットポンプなどのパイロット油圧源17が接続されて
いる。また、リモコンバルブ10a ，10b 、電磁比例減圧
弁12a ，12b およびコントロールバルブ13の排油ポート
は、それぞれタンク18に接続されている。

【００２７】図２はコントローラ９の制御演算ブロック
図を示す。この図２において、コントローラ９の構成は
以下の通りである。

【００２８】ブーム角センサ７およびアーム角センサ８
は、これらのセンサ７，８の信号に基づいてバケット位
置を求めるバケット位置演算器20に接続されている。

【００２９】このバケット位置演算器20に、バケット位
置演算出力に基づいて操作信号増減量を設定する操作信
号増減量設定器21が接続されている。この操作信号増減
量設定器21は、バケット位置すなわちフロント６の旋回
径Ｘc に応じて操作信号の増減量ΔＤを決定する関数を
内蔵している。

【００３０】一方、コントローラ９内には、レバー操作
時（リモコンバルブ作動時）の目標値である最大信号を
設定するための最大信号設定器22a ，22b と、レバー中
立時（リモコンバルブ停止時）の目標値である０信号を
設定するための中立信号設定器23a ，23b とが設けられ
ている。

【００３１】これらの最大信号設定器22a ，22b および
中立信号設定器23a ，23b は信号選択器24a ，24b にそ
れぞれ接続されている。信号選択器24a ，24b は、圧力
スイッチ11a ，11b からの信号がないときは中立信号設
定器23a ，23b を選択し、圧力スイッチ11a ，11b から
の信号により中立信号設定器23a ，23b から最大信号設
定器22a ，22b に切換わり、最大信号設定器22a ，22b
を選択する。

【００３２】これらの信号選択器24a ，24b に減算器
（比較器）25a ，25b が接続され、これらの減算器25a
，25b に増減量制限器26a ，26b が接続されている。
これらの増減量制限器26a ，26b は、操作信号の増減量
ΔＤにより制限された一定範囲内（−ΔＤ〜＋ΔＤ）で
入力信号に応じた出力信号を出力する関数を内蔵してい
る。

【００３３】これらの増減量制限器26a ，26b に積分器
27a ，27b がそれぞれ接続され、これらの積分器27a ，
27b の出力側と前記減算器25a ，25b とがフィードバッ
ク回路28a ，28b によりそれぞれ接続されている。

【００３４】これらの減算器（比較器）25a ，25b 、増
減量制限器26a ，26b 、積分器27a，27b およびフィー
ドバック回路28a ，28b により、一次おくれ要素のフィ
ードバック制御系29a ，29b がそれぞれ構成され、これ
らのフィードバック制御系29a ，29b が、前記電磁比例
減圧弁12a ，12b にそれぞれ接続されている。

【００３５】次に、この実施形態の作用を説明する。

【００３６】図２において、バケット位置演算器20はブ
ーム角センサ７およびアーム角センサ８の信号を読み込
み、以下の演算により旋回径Ｘc を求める。

【００３７】すなわち、図３に示すように、ブーム３の
回動中心Ａからアーム４の回動中心Ｂまでのブーム長を
Ｌb 、アーム４の回動中心Ｂからバケット５の回動中心
Ｃまでのアーム長をＬa 、垂直線に対しブーム３のなす
ブーム角をα、ブーム３に対しアーム４のなすアーム角
をβとすると、旋回中心Ｏからバケット５の回動中心Ｃ
までの水平距離すなわち旋回径Ｘc は、次式で演算され
て求まる。

【００３８】Ｘc ＝Ｌb ・ sinα＋Ｌa ・ sin（α＋
β） さらに、バケット位置演算器20の出力（Ｘc ）に基づい
て、操作信号増減量設定器21で操作信号の増減量ΔＤを
出力し、増減量制限器26a ，26b の増減量の制限値（−
ΔＤおよび＋ΔＤ）を設定する。

【００３９】次に、図１のリモコンバルブ10a を操作す
ると圧力スイッチ11a が作動し、その信号に基づいて図
２の信号選択器24a は、中立信号設定器23a から最大信
号設定器22a に切換わり、最大信号設定器22a の信号を
選択して出力する。

【００４０】減算器25a では、最大信号設定器22a の信
号と積分器27a の出力との偏差が演算され、その偏差は
増減量制限器26a で−ΔＤから＋ΔＤの範囲の値に制限
される。

【００４１】増減量制限器26a の出力は積分器27a で積
算され、積分器27a の出力で図１に示す電磁比例減圧弁
12a が駆動される。その結果、図４に示されるように、
リモコンバルブ10a ，10b の二次圧力（パイロット圧）
が急激に立ち上がった場合でも、電磁比例減圧弁12a の
出力圧が緩やかに立ち上がる。リモコンバルブ10b を操
作した時も同様の作用になる。

【００４２】従って、上記の作用によりバケット５の旋
回中心Ｏからの位置に応じてコントロールバルブ13の切
換速度を調整することができるので、旋回中心回りの慣
性モーメントが変化しても滑らかな旋回加速および減速
ができる。

【００４３】このように、小旋回油圧ショベルなどのフ
ロント６の姿勢により旋回中心回りの慣性モーメントが
変化すると、ブーム角センサ７およびアーム角センサ８
によりブーム３およびアーム４の姿勢を検出し、これら
のセンサ７，８の出力に基づきコントローラ９によりフ
ロント６の旋回径Ｘc を演算してコントロールバルブ操
作用のパイロット圧信号の増減速度を制限する制御信号
を電磁比例減圧弁12a，12b に出力し、これらの電磁比
例減圧弁12a ，12b によりコントロールバルブ操作用の
パイロット圧信号を制御する。

【００４４】これにより、コントロールバルブ13に供給
される操作信号すなわちパイロット圧信号の立上り速度
などを制限することにより、コントロールバルブ13の切
換作動速度を制限し、フロント６の旋回径Ｘc に対応し
た旋回加減速を実現する。すなわち、旋回径Ｘc が小さ
い場合ほど電磁比例減圧弁12a ，12b でのコントロール
バルブ操作用パイロット圧信号の立上り速度を遅くす
る。

【００４５】この点をさらに詳しく説明すると、コント
ローラ９は、リモコンバルブ10a ，10b から出力される
パイロット圧信号すなわち操作信号が無から有に切換わ
ると、その操作信号をどのように入力しても、最大信号
設定器22a ，22b で設定された一定の目標値（例えば１
００）がステップ状に入力され、その目標値に向ってフ
ィードバック制御系29a ，29b が作動し、このフィード
バック制御系29a ，29b より電磁比例減圧弁12a ，12b
に制御信号が出力される。目標値は、予め電磁比例減圧
弁12a ，12b が必要とする値に設定する。

【００４６】フィードバック制御系29a ，29b は、一次
おくれ要素の時定数を旋回径に対応して調整する。すな
わち、フロント６の旋回径Ｘc が小さいほど、操作信号
増減量設定器21で設定された増減量ΔＤが小さくなり、
一次おくれ要素の時定数（１／ΔＤ）が大きくなるた
め、この一次おくれ要素を経た制御信号は緩やかに増加
し、図４に破線で示されるようにリモコンバルブ10a ，
10b の二次圧が急速に立上る場合でも、図４に実線で示
されるように電磁比例減圧弁12a ，12b にてリモコンバ
ルブ10a ，10b の二次圧の立上り速度を制限することに
より、コントロールバルブ13の切換作動速度が制限さ
れ、旋回モータ15での旋回加速が抑制される。

【００４７】以上の自動制御は、フロント６の旋回動作
を開始するときだけでなく、フロント６の旋回動作を停
止するときも同様になされる。すなわち、コントロール
バルブ13に対するパイロット圧信号が有から無に切換わ
ったときも同様の作用がなされる。このときは、中立信
号設定器23a ，23b で設定された中立信号（０）が目標
値となる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、旋回作業
機の作業腕体の姿勢により旋回中心回りの慣性モーメン
トが変化しても、姿勢検出手段により作業腕体の姿勢を
検出し、この姿勢検出手段の出力に基づきコントローラ
により作業腕体の旋回径を演算して操作信号の増減速度
を制限する信号を操作信号規制手段に出力し、操作信号
規制手段によりコントロールバルブ操作信号を制御し、
コントロールバルブに供給される操作信号の立上り速度
などを制限することにより、コントロールバルブの作動
速度を制限し、作業腕体の旋回径に対応した旋回加減速
を実現する。

【００４９】請求項２記載の発明によれば、コントロー
ルバルブをどのように操作しても、設定された一定の目
標値が得られるようにフィードバック制御系より制御信
号を出力して操作信号規制手段を制御するから、コント
ロールバルブの操作の仕方に左右されない適切な目標値
によりコントロールバルブを適切に制御できる。

【００５０】請求項３記載の発明によれば、一次おくれ
要素の時定数により、制御信号の過渡応答特性を旋回径
に応じて簡単に可変調整でき、一次おくれ要素からの制
御信号により操作信号規制手段を制御して、コントロー
ルバルブに入力される操作信号の立上り速度などを制限
することで、作業腕体の加減速を旋回径に応じて容易に
制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る旋回作業機の旋回制御装置のシス
テム構成の一例を示す回路図である。

【図２】同上旋回制御装置の制御演算ブロックを示すブ
ロック図である。

【図３】同上旋回制御装置のバケット位置演算を説明す
るための小旋回油圧ショベルの側面図である。

【図４】同上旋回制御装置の制御結果を説明するための
特性図である。

【図５】小旋回油圧ショベルを示す側面図である。

【図６】従来の上部旋回体を旋回するための油圧回路を
示す回路図である。

【図７】小旋回油圧ショベルのフロント最大リーチ姿勢
図を示す説明図である。

【符号の説明】

６ 作業腕体としてのフロント ７ 姿勢検出手段としてのブーム角センサ ８ 姿勢検出手段としてのアーム角センサ ９ コントローラ 12a ，12b 操作信号規制手段としての電磁比例減圧
弁 13 コントロールバルブ 15 旋回モータ 29a ，29b フィードバック制御系

フロントページの続き (72)発明者 的場 信明 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 操作信号により操作されるコントロール
   バルブと、このコントロールバルブにて制御された作動
   流体により駆動される旋回モータと、この旋回モータに
   より旋回される旋回径可変の作業腕体とを具備した旋回
   作業機の旋回制御装置において、 作業腕体の姿勢を検出する姿勢検出手段と、 この姿勢検出手段の出力に基づき作業腕体の旋回径を演
   算して操作信号の増減速度を制限する信号を出力するコ
   ントローラと、 このコントローラの出力信号に応じてコントロールバル
   ブに供給される操作信号を制御することにより作業腕体
   の旋回径が小さくなるにしたがいコントロールバルブの
   作動速度を遅くするように制限する操作信号規制手段と
   を具備したことを特徴とする旋回作業機の旋回制御装
   置。
2. 【請求項２】 コントローラは、 操作信号の有無により操作信号規制手段制御用の設定さ
   れた目標値を切換えるフィードバック制御系を具備した
   ことを特徴とする請求項１記載の旋回作業機の旋回制御
   装置。
3. 【請求項３】 フィードバック制御系を一次おくれ要素
   により形成し、この一次おくれ要素の時定数を旋回径に
   対応して調整することを特徴とする請求項２記載の旋回
   作業機の旋回制御装置。