JPS5898530A - 油圧シヨベルの直線掘削制御装置 - 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】 本発明は油圧ショベルの直線掘削制御装置、さらに詳し
くは油圧ショベルのパケット刃先の動作軌跡を制御する
装置に関するものである。

油圧ショベルは一般に旋回体に設けたブームと、このブ
ームを俯仰させるブームシリンダと、ブームの先端に取
付けたアームと、このアームを揺動させるアームシリン
ダと、アームの先端に取付けたパケットと、このパケッ
トを傾動させるパケットシリンダとを備えており、各シ
リンダは運転席に配置したレバーにより操作される。

この油圧ショベルのパケットによって単純な掘削作業を
行なう場合には、各レバーの操作により各油圧シリンダ
ｔｌｌｉ１次操作すれば良いが、斜面の仕上げ作業や溝
底を水平に掘削する作業のようにパケットを一定の直線
に沿って動かす場合には、複数個のシリンダに対応する
レバーを同時に操作しなければならない。この掘削作業
は熟練度が必要てめるため、作業能率が良好でない。

この問題点を解決するために、油圧ショベルにおけるパ
ケット刃先を直線移動操作所謂直線掘削を自動化させる
方策が種々ｍ案されている。その一方策として特公昭５
４−３７４０６号公報に記載されたものがおる。この自
動掘削装置は油圧ショベルにおけるブーム、アームおよ
びパケットの相対角度をフィードバック信号としてサー
ボ増幅器に送り、このサーボ増幅器において入力信号と
フィードバック信号との偏差を求めてそれを増幅し、増
幅された電圧によってアームシリンダ、プームシリンダ
およびパケットシリンダを操作するための油圧制御弁を
操作し、前述したブーム、アームおよびパケットの相対
角度が常に入力信号に追従するように制御するものであ
る。そして、この掘削装置では油圧ショベルの各シリン
ダの速度を制御する手段として、圧力制御弁を用い、そ
の制御系としてフィードバック制御を用いている。その
ため、油圧ショベルのように制御対象の慣性が大きく、
油の圧縮性の影響を無視することができない系では、そ
の安定性と連応性及び制御精度のすべての性能を満足さ
せることが難しい。すなわち、連応性と制御精度とを向
上させようとして、制御系のゲインを大きくすると、ハ
ンチング現象が発生し、逆にハンチングを抑制しようと
すると、速度偏差が生じて、実際に要求される作業速度
で掘削作業を行うことができない、さらに、油圧制御弁
の特性上、掘削負荷が急変し九場合にはその影響を受け
て制御精度が悪化することがある。

本発明は前述の事柄にもとづいて、安定性と連応性及び
制御精度の全ての性能を満足し、かつ、掘削負荷の急変
等の外乱に対しても影ｔ＃を受けにくい油圧ショベルの
直線掘削制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するために、油圧ショベル
の・駆動システムをポンプ制御方式として負荷変動の影
＊ｆｔ受けにくくすると共に、油圧ショベルの掘削軌跡
とその速度入力指令値と油圧ショベルのブーム、アーム
、パケットの各変位とから各シリンダの動作速度を演算
して上記油圧ポンプの斜板傾転１ｆｔ−制御し、かつ、
目標の掘削軌跡を実現する九めの油圧ショベル各部材間
の角変位を演算し、それと実際の角変位との偏差を減少
させる方向に上記油圧ポンプの斜板傾転量を補正制御す
るようにしたものである。

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の制御装置の一例を備えた油圧ショベル
のフロント機構を示すもので、図において、１は油圧シ
ョベル本体系を構成する旋回体、２は旋回体１に設けた
ブーム、３はブーム２の先端に取付けたアーム、４はア
ーム３の先端に取付けたパケットである。これらのブー
ム２、アーム３およびパケット４はそれぞれブームシリ
ンダＣａｂ　アームシリンダＣＩおよびパケットシリン
ダＣｓによって操作される。これらのブーム２、アーム
３およびパケット４の相対移動角腿は各枢着点に設けた
検出器５〜７によって検出される。

検出器５〜７からの検出値は検出回路８によってフィー
ドバック信号として入力側にフィードバックされる。油
圧ショベルの運転席（図示せず）には操作盤９が設置さ
れている。この操作盤９は掘削面Ｗの勾配やパケット４
の姿勢角を設定するためのダイアル類及び掘削速度の大
きさを与える操作レバーなどを備えている。掘削速度は
操作盤９によシ掘削面の勾配に応じて水平方向成分Ｘと
垂直方向成分Ｙとに分解され、各速度成分に比例した大
きさの電圧信号を演算制御装置１０に送る。

演算制御装置ｔ１０は各速度成分を積分してパケット４
の位＠Ｃｘ、ｙ）に相当する電圧信号を発生し、そのよ
うな位置及びパケット姿勢の位置決めに必要な各シリン
ダｃ、　、　ｃｔ　、　Ｃ，の動作速度（ポンプ斜板傾
転位置入力）を演算する。これらの入力信号はポンプ制
御装置１ｌｌｌｌに送られる。

ポンプ制御装［１１はそれぞれの油圧ポンプ１２゜１３
．１４の斜板傾転位ｔｘｔを検出する検出器１５゜１６
．１７から得られる斜板傾転位置信号とポンプ斜板傾転
位置入力信号とを比較し、両者の間に誤差があると、そ
の誤差が小さくなる方向に各ポンプ１２〜１４の斜板傾
転位ｗＬを制御する。油圧ポンプ１２〜１４の吐出する
圧油はそれぞれ直接各シリンダＣ８〜Ｃ１に導かれる。

これによシ、油圧ショベルのパケット◆の先端は所望の
直線軌跡に沿って移動する。

なお第１図の油圧回路では簡単化するために油圧ポンプ
と片ロッドの油圧シリンダとを直結して表示しているが
、実際の油圧回路では油圧シリンダの伸縮に伴なって生
ずるポンプ吐出流量と吸込み流量との過不足を補なうた
めに、チャーシボ／プ、７ラツシング弁等の油圧機器を
備えている。

第１図に示され次操作盤９台、演算制御装置１０につい
てさらに詳しく説明する。

操作盤９は演算制御装置１０で用いる掘削速度の水平方
向成分子ｘ１垂直方向成分Ｙアや、掘削面の勾配角φ、
パケット４の姿勢角ψなどに対応する電圧信号を発生す
る部分である。

第２図に操作盤９の中の電気回路を示す。ポテンショメ
ータＰ１は掘削速度を与えるための操作レバー１６に連
動するようになっており、演算増幅器ＯＰ、ではレバー
１６の操作菫に比例し交電圧ｅｓｋ発生する。この電圧
は演算増幅６０Ｐ。

で符号を反転して−ｅ、となり、Ｃ！と−ｅｌはポテン
ショメータＰ、の両端に加えられる。ポテンショメータ
Ｐ！は三角関数発生用のもので、端子に加えられる電圧
を±ｅ８、入力軸の回転角をθとすれば、二つの端子に
ｅ、ωＳａ壷暗※４−一およびｅ　ｌ５ｉｎθに相当す
る電圧が現われるようになっている。したがって、入力
軸の回転角が掘削面の勾配角φと等しくなるようにダイ
アル１７でセットすれば、ポテンショメータＰ、のニつ
の刷子にはｅ、ｃｏｓφお＾ひｅ　＄５１１１φに相当
する電圧が発生し、これは掘削速度σに相当する電圧の
水平方向成分Ｊｆ１垂直方向成分ｔｆアになる。

ポテンショメータｐｅＦｉポテンショメータＰ！と連動
して、掘削面の勾配角φを設定するダイアル１７で動か
されるようになっており、その刷子部には角度φに相当
する電圧が発生する。同様に、ポテンショメータＰ４は
パケット４の姿勢角ψを設定するダイ・アル１８で動か
されるようになっており、その刷子部には角度ψにａ当
する電圧が発生する。

このようにして発生された四種類の電圧信号は演算制御
袋ｆ１１１０に送られ、制御系の入力信号を計算するの
に用いられる。

油圧ショベルにおける各部の角度および長さを第３図に
もとづいて下記のように定める。

／Ａ　ＯＣ＝δ＋　　　　ｌ　Ｂ　ＯＸ　＝δ。

１０ＣＤ＝δ、　　　ＺＥＣＨ：８：＋ａ４これらの四
つの角は各部の寸法のみによって決まる一定角度である
。

／ＤＣＥ＝ａ　　　　　、＜ＡＯＢ＝β／ＥＦＧ＝ｒ これらの三つの角はアームシリンダＣ１、ブームシリン
ダ０．％パケットシリンダＣ８の変位に対応する角変位
である。

す角度を第１図に示した方向を正にとり、それぞれω１
．ω１．φまｆｃＦＧがＰＱとなる角度全ψとする。

まず、アーム先端の位ｔＩｔＦを座標（Ｘ、りなる目標
位置に位置決めするに要するａ、βの入力信号を求める
演算回路について述べる。上に定めた記号を用いるとｘ
、ｙ、α、βなどの間に次式％式％ （１） （２） ） （４） 以上の式からα、βの値ｔｘｅｙの関数値として求める
ために最急降下法を用いて計算する。式（１１、（２）
を ｓ　、＝４　ＣＯ３ω、　＋ｔ、　ｃｏｓω、＋ムｓｉ
ｎωｔ　−Ｘ　　……”’（５）ｇ　、＝ｌ、　５ｉｎ
Ｑ＋１　＋／４　ｓｉｎω、　−４ｃｏｓωｔ　　’／
　　山川＋＋ｔｅｌのように変形し Ｐ　＝’　ｘ”　＋　ｉｙ”　　　　　　　　　　　・
・・・・・・・・・・・・・・・・・（力のような関数
を考えると、Ｐの値が極小となるようにα、βの値を選
んでゆくと、ｍ！、ａアはゼロすなわち式（１）、　＋
２）を満足するような解が得られる。そこでα、β、Ｐ
を時間の関数として、その微分値をとると、 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（
８）となる。Ｐが極小値となるためには ｐ −く０　　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・田）ｄｔ の条件が常に成り立つ必要がある。そのためにはの条件
が満足されればよい。ここに δεア −＝−４ＣＯ３ω２−１３　ｓｉｎω２　　　＝９°１
……………ｕ３θα である。し九がって式（ＩＧ、（ｌυはつぎのようＫな
る。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・αυｄβ ｄｔ”””（’言εア＋）’）＋ｌアＣ’ｘ＋司・・・
・・・・・・０９式（１１〜（４）、餞、０７）を組合
せると目標位置（Ｘ、）’）に対応するα、βの値が求
められる。

上記目標位置ＣＸ、Ｙ）を一定の勾配（角度φ〕で移動
させるには、操作盤９番から得られる掘削速度の水平方
向成分ｔｒい垂直方向成分びアの電圧を積分して求める
。

以上を一つの演算回路にまとめると第４図のようになる
。積分器Ｌ　、Ｉｔは掘削速度の各成分からアーム元端
Ｆの目標値＠（ｘ、ｙ）を求める部分であり、ま友、積
分器Ｉ、、Ｉ、は式ａ６）、σηの右辺の値を積分して
α、βを求める部分である。

積分器Ｉ、　、　１．の初期値には、実際の油圧７ヨベ
ルに取付けた検出器から得られる信号α、βを用いまた
積分器Ｌ　、Ｉｔの初期値には上記α。

βの初期値を式（１）〜（４）に入れて計算されるｘ、
　ｙの値を用いる。第４図の演算制御回路により、アー
ム先端Ｆを操作盤９から与えられた速度で直線的に移動
させる場合のα、βの入力信号の値を得ることができる
。同図中％Ａ１〜Ａ　、６は加算器、Ｉ、〜Ｉ、１１積
分器、ＳＣ３〜５ｃｌｌハ符号変換器。

Ｍ１〜Ｍ４は掛算儲、ＦＧ、〜ＦＧ、は三角関数演算器
を示す。

以上の回路構成によりアーム先端下の目標位置（Ｘ、）
’）’ｅ得るためのブーム角度の目標値！及びアーム角
度の目標値αを求めることができるが、同時に槓分器工
、の入力はブーム角速度β（二ｄβ／ｄｉ）でおり、積
分器■、の入力はアーム角速度ａ（＝ｄα／ｄｔ）であ
る。第４図に示すＦＧ５はブーム角度βから、ブームシ
リンダ速度１ｍとブーム角速度βとの比の値を求めるた
めの関数発生器である。

ブーム２とブームシリンダＣ１との幾何学的関係を第３
図にもとづいて示ケ。いま、 ＯＡ　＝　Ａｍ　ｌ’＋　ＯＢ＝ｔｍ　＊とすると、１
ｍとβとの関係は余弦定理により１ｍ＝　　Ａｍ　Ｆ　
＋１ｍ　：　　２ｔｍ　ＩＡｍ　２　ＣＯ５β　−・・
−ａｇとなる。０ｇ１式を時間で微分すると、となる。

従って となる。関数発生器ＦＧ５は、β信号から■式に基づい
てｊ−ｍ／Ｉの値を得るためのものである。

また、第４図に示すＦＧ６も関数発生器である。

この関数発生器ＦＧ６はアーム位置信号αから、アーム
３に関する（イ）式と同様の関係式に基づいて、アーム
シリンダＣ１の速度ｉムとアーム角速ｅａとの比、（ｉ
ム／シ）の値を得るためのものである。

Ｍ５及びＭ６は掛算器である。この掛算器Ｍ５゜Ｍ６は
関数発器ＦＧ５及びＦＧ６の出力に、それぞれノ及びａ
を掛けてブームシリンダ速＃ノとアームシリンダ速度ｄ
とを得る。

Ｐ目及びＰ８．は係数器である。係数器ｐＨはブームシ
リンダ速度ｔｓを得るためにポンプ１２がシリンダＣｔ
に供給すべき流ｔｃｔｍｌに相当する信号を出力する。

また係数器ｐｔｔはアームシリンダ速度ｉＡを得るため
にポンプ１３がシリンダＣ１に供給すべき流ｔｑム、に
相当する信号を出力する。

ＡＩｌ、　Ａ、、、　Ａ、、、　Ａ１４は加′Ｊ！器、
８Ｃ７゜ＳＣ８は符号変換器、Ｐｌｍｔ　ＰＩ３は係数
器である。

加算器に１１はブーム角度βの入力と検出値との差信号
ｌβを演算する。係数器ｐＨは差信号Δβを補正するた
めにポンプ１２がシリンダＣ１に供給すべき流量ｑｌｔ
に相当する信号を出力する。加算器Ａ１．ｆ′ｉ、アー
ム角度αの入力と検出値との差信号Δαを演算する。係
数器Ｐ１４は差信号Δαを補正する之めにポンプ１３が
シリンダＣ１に供給すべき流量ｑム、に相当する信号を
出力する。加算器ＡＨはｑｍｌとｑｌ、との和を演算し
、ポンプ１２への入力信号ｑ１．をポンプ制御装置１１
に出力する。

加算器ＡＩ４はｑＡＩとｑＡ！との和を演算し、ポンプ
１３への入力信号ｑＡＩをポンプ制御装置１１に出力す
る。

ポンプ制御装置１１はＱＡＩ、　ｑｌ−なる入力信号に
対して油圧ポンプ１２及び１３の吐出流量ＱＡＯ及び（
１１０が追従するように油圧ポンプ１２及び１３の斜板
傾転菫を制御する。上述したポンプ１２．１３の制御の
ためのフィードＩ（ツク信号は斜板傾転量検出器１５及
び１６からポンプ制御装置１１に帰還される。

以上のように制御装ｆｉｌを構成すると、アーム先端Ｆ
が目標とする軌跡Ｐ’Ｑ’（第３図参照）に沿って直線
運動するためのシリンダＣｔ及びＣ１の速度Ａｍ及びｌ
ｈｆ、演算して、それらの速度を得るようにポンプ吐出
流量を制御するため、掘削軌跡の制御偏差とシリンダ速
度とを比例させる。

従来のフィードバック制御と比較して、連応性が大幅に
改善される。さらにアーム先端Ｆが目標軌跡Ｐ／Ｑ／に
沿って直線運動するためのブーム角βとアーム角αの制
御偏差Δβ、Δαをも常時監視し、その偏差を減するよ
うに補正流”ｔｉｔｋ　（ｈ２及びｑＡｙ　ｋ油圧シリ
ンダに供給するため、制＃精度が一層向上する。

パケット角Ｔについても上述と同体な考え方に基づいて
制御すれば良い。すなわちパケット刃先角ψを一定値に
制御するためには、 φ十ψ十ｒ＝ω、十−・・・・・・・・・山・・・川（
ハ）となるようにパケット角ｒを制御すればよい。この
式を式（３）及び（４）と組合わせると一γ＝β−α−
φ−ψ＋δ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
＠ただし となる。四式を時間で微分すると、 となるから、第４図の回路で求めたβとｄから・くケラ
ト刃先角を一定に保つべき、パケット角速度ンが得られ
るから、この角速度：ｒを得るべきシリンダＣ８の速度
Ａｍ、がＦＧ５と同様の関数発生器で得られ、それに基
づいて油圧ポンプ１４が出すべき流量ＱｍＨが得られる
。一方、掘削面の傾斜角４と刃先角φは操作盤９におい
てダイヤルで設定されるから、パケット角γの入力は式
四から得られ、この値と検出器１１からフィードバック
されるパケット角信号との差Δｒによって、パケット角
を補正するための流量ｑＩ＋ｗｔ　　が同様に得られる
。

上記のｑｌ＋Ｂと９１゜との和ｑｓ＊ｒ’にポンプ１４
の入力信号としてポンプ１４の吐出流ｆを制御すればよ
い。上記の制御を実行するためのブロック図を第５図に
示す。第５図において、Ａ４　Ｈ、Ａｌ１　。

Ａ１丁、　Ａ１　Ｂ　、　Ａｌ１は加算器、Ｆ、Ｃ７は
関数発生器、Ｍ７は掛算器、ＰＩｌ＊　Ｐｔｓは係数器
、５ＣＱｔ：［：符号変換器である。

説明をわかり易くするために、以上の説明においては制
御装置ｉ［をアナログ回路で示したが、マイクロコンピ
ュータのようなディジタル制御装置を用いて構成した方
が、制御装置が簡素化され、より効果的である。

以上詳述したように、本発明によれば、油圧ショベルの
直線自動掘削の安定性と連応性及び制御ｎ＆のすべての
性能を満足すると共に、ポンプ制御方式でるるために掘
削負荷の急変等の外乱に対しても影ＩＩｌを受けにくい
などの効朱がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の制御装置の一例を備えに油圧ショベル
のフロント機構を示す図、第２図は本発明の！ｆｉｔを
構成する操作盤の゛電気回路図、第３図は油圧ショベル
の幾何学的関係を示す説明図、纂４図は第１図に示され
るアーム先端位置を節」御するための演算制御装置の回
路図、第５図は第１図におけるパケット姿勢を制御する
ための演算制御装置の回路図である。 １・・・ショベル本体、２・・・ブーム、３・・・アー
ム、４・・・バケツ）、５，６．７・・・検出器、９・
・・操作盤、１０・・・屓Ｘ制御装ｄ１１１・・・ボ／
プ制御装置、１２．１３．１４・・・油圧ポンプ、１５
，１６゜１７・・・ポンプ斜板傾転角検出器、１６・・
・レバー、１７．１８・・・ダイヤル。 代理人　弁理士　薄田利幸 万１図 第　Ｚ　　図 Ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、油圧ショベルのフロント機構でるるブーム、アーム
   、パケットをそれぞれのシリンダによって操作し、パケ
   ットの刃先を直線移動させるものにおいて、前記ブーム
   、アーム、パケットの各操作シリンダに、可変吐出量形
   の油圧ポンプを連結し、掘削面の勾配や掘削速度などの
   条件を与える操作手段と、この操作手段からの条件値に
   より直線掘削を行なうのに必要な各シリンダの速度およ
   び位ｙ！ｔを演算し、この演算したシリンダ速度に相当
   するポンプ吐出流量値と、演算したシリンダ位置と実際
   のシリンダ位置とに関係するポンプ吐出流量値との和を
   目標値として前記油圧ポンプに出力する演算制御手段を
   備えたことを特徴とする油圧ショベルの直線掘削制御装
   置。 ２、演算制御手段は、演算したシリンダ速度に相当する
   ポンプ吐出流量値との和を構成するもう１つのａｔ値と
   して、演算したシリンダ位置と実際のシリンダ位置との
   差に比例する流量値を演算することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の油圧ショベルの直線掘削制御装置
   。 ３、演算制御手段は、演算したシリンダ速度に相当する
   ポンプ吐出流量値との和を構成するもう１つの流量値と
   して、演算したシリンダ位置と実際のシリンダ位置との
   差の関数関係を有する流量値を演算することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の油圧ショベルの直線掘削
   制御装置。