JPS5952254B2 - 油圧シヨベルの直線掘削自動運転装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は油圧ショベルの直線掘削自動運転装置に関する
ものである。

油圧ショベルは一般に第１図に示すように、旋回体１に
支持されているブーム２を俯仰させる油圧式のブームシ
リンダＣ１、ブーム２の先端部に取付けられているアー
ム３を揺動させる油圧式のアームシリンダＣ２、アーム
３の先端部に取付けられているパケット４を傾動させる
油圧式のパケットシリンダｑをそなえており、各シリン
ダは運転席５に配置されたレバーにより操作される。

単純な掘削作業は、これらの油圧シリンダを順次操作す
ることによって行なえるが、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４を一定の直線に
沿って動かす場合には、各油圧シリンダを同時に操作し
なければならない。

従来、このような作業を行なえるのは非常に熟練した運
転者に限られ、はとんどの場合は手作業に頼っているた
め作業能率が劣る。

本発明の目的は、油圧ショベルにおける上述のような直
線掘削ツ旧動的に行なえる運転装置を提供するにあ 以下本発明の一実施態様を図面について説明する。

第１図に示す油圧ショベルにおいて、 （以下パケット
位置Ｆと呼ぶ）ＰＱのよ、うな直線にはパ沿った掘削を
行なうためには、パケット４の位置を示す代表点である
アーム３の先端部Ｆ（以下パケット位置Ｆという）をＰ
’Ｑ’のような直線に沿って動かす移動軌跡の制御を行
なえばよい。

アーム先端の移動軌跡の制御はブームシリンダＣ１、ア
ームシリンダＣ２の同時操作により、また、パケット４
の姿勢の制御はパケットシリンダｑの操作により行なわ
れる。

しかし、通常の直線掘削では掘削範囲をなるべく広く取
るためにパケット操作を行わないことも多い。

いま、ブーム２の回転中心０を原点に選び、水平方向を
Ｘ軸、垂直方向をＹ軸と定めれば、パケット位置Ｆを表
わす座標（、Ｘ、 Ｙ）の値は、アーム３とブーム２
との相対角変位乙ＤＣＥ ＝α （アームシリンダｑの
変位に対応する角変位）ブームと車体との間の角変位乙
ＡＯＢ＝β （ブームシリンダＣ１の変位に対応する角
変位）を変数とする関数で表わされ、逆に（Ｘ、 Ｖ
）の値を与えればそれに対応するα、βの値を求めるこ
とができる。

すなわち、パケット位置Ｆを任意の位置（Ｘ、 ｙ）
に位置決めするときに必要なα、βの値（したがって、
ブームシリンダＣ１およびアームシリンダＣ２の変位）
を求めることが可能である。

そこで、パケット位置Ｆが通過するべき軌跡Ｐ’Ｑ’に
沿って座標（Ｘ、ｙ）を与えれば、パケット位置ＦがＰ
’Ｑ’に沿って移動する場合に必要なα、βの時々刻々
の値が得られる。

これらの値を入力信号とし、α、βの値が常に入力信号
と一致するようにブームシリンダＣ０およびアームシリ
ンダＣ２の変位制御を行なえば、パケット位置Ｆが実際
に通過する移動軌跡はＰ’Ｑ’に一致する。

点Ｆはパケット位置を示す代表点であり、予め一定角と
して設定されるパケット角変位乙ＥＦＧ＝γ （パケッ
トシリンダｑの変位に対する角変位）の大きさに応じて
点Ｆをパケット４上の任意の所定点に置換して考えても
本発明の構成及び効果は全く変らないことは明らかであ
る。

つぎに、以上外下テな制御を行なうための運転装置を第
２図について説明する。

操作盤６は掘削面の勾配を設定するためのダイアル類お
よび掘削速度の大きさを与える操作レバーなどをそなえ
ている。

掘削速度は掘削面の勾配に応じて水平方向成分と垂直方
向成分とに分解され、各速度成分に比例した大きさの電
圧信号が演算装置７に送られる。

演算装置７では各速度成分を積分してパケット位置Ｆ
（Ｘ、 ｙ）に相当する電圧信号を発生し、そのよう
なパケット位置に位置決めするに必要な各油圧シリンダ
の操作量（入力信号）を演算する。

これらの入力信号はサーボ増幅器８に送られ、それぞれ
の油圧シリンダ変位に対応する角変位を検出器９，１０
から検出回路１２を介して得られるフィードバック信号
ＦＢと比較される。

入力信号ＩＰとフィードバック信号ＦＢとの間に誤差が
あると、サーボ増幅器８で増幅され、その出力によって
ブームシリンダＣ１、アームシリンダＣ２、を操作する
油圧制御弁１３．１４を誤差がなくなる方向に駆動する
。

このようにして、各油圧シリンダの変位は、演算装置７
から発生される入力信号ＩＰ通りに制御され、自動掘削
が行なわれる。

第２図に示された操作盤６、演算装置７についてさらに
詳しく説明する。

操作盤６は演算装置７で用いる掘削速度の水平方向成分
υＸ、垂直方向成分υｙや、掘削面の勾配角φ （第１
図参照）などに対応する電圧信号を発生する部分である
。

第４図に操作盤６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
１ではレバー１６の操作量に比例した電圧ｅ１を発生す
る。

この電圧は演算増幅器ＯＰ２で符号を反転して−ｅ１と
なり、ｅｌと−６１はポテンショメータＰ２の両端に加
えられる。

ポテンショメータＰ２は三角関数発生用のもので、端子
に加えられる電圧を±ｅ１、入力軸の回転角をθとすれ
ば、二つの刷子にｅ１ＣＯ８θおよびｅ１ｓｉｎθ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Ｐ２の二つの刷子にはｅｌＣＯ８φおよびｅ１ｓ
ｉｎφに相当する電圧が発生し、これは掘削速度υに相
当する電圧の水平方向成分υＸ、垂直方向成分υｙにな
る。

ポテンショメータＰ３はポテンショメータＰ２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。

このようにして発生された三種類の電圧信号は演算装置
７に送られ、制御系の入力信号を計算するのに用いられ
る。

第１図において各部の角度および長さを下記のように定
める。

１ＡＯＣ＝δ１ １ＢＯＸ＝δ２ ．４０ＣＤ−δ３ 乙ＥＣＨ−δ４ 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。

乙ＤＣＥ＝α １ＡＯＢ＝β 乙ＥＦＧ−γ これらの三つの角はアームシリンダｑ、ブームシリンダ
Ｃ１、パケットシリンダＣ３の変位に対応する角変位で
ある。

０Ｃ＝１１ ＣＨ＝１２ ＨＦ＝１３ さらに、ＱＣ，ＣＨ，ＰＱ、が水平線ＯＸとなす角度を
第１図に示した方向を正にとり、それぞれω１、ω２．
φ、またＦＧがＰＱとなる角度をφとする。

まず、パケット位置Ｆを座標（Ｘ、 Ｙ）なる目標位
置に位置決めするに要するα、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
式が成り立つ。

Ｘ＝１１ＣＯ８ω１＋１２ＣＯ８ω２±ｌ ３Ｓ１ｎω
２ （１）ｙ＝１１Ｓｉｎω１＋１２Ｓｉｎω２＋１
３ＣＯ８ω２（２）ω１−β−δ１−δ２（３） ω２＝（ω１＋π）−α−δ３−δ４（４）以上の式か
らα、βの値をｘ、 ｙ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％式％（２） （５） （６） のように変形し Ｐ＝εＸ′十εｙ” ’ （７
）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、Ｃ８，Ｃ９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、 となる。

Ｐ値が極小値となるためには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。

ここにである。

したがって式（１０）、 Ｑｌ）はつぎのようになる式
（１）〜（４）、 （１６）、ロクを組合せると目標位
置（ｘ。

ｙ）に対応するα、βの値が求められる。

上記目標位置（Ｘ、 Ｙ）を一定の勾配（角度φ）で
移動させるには、操作盤６がら得られる掘削速度の水平
方向成分υ１、垂直方向成分υ９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３図のようになる
。

積分器１１．Ｉ２は掘削速度の各成分からパケット位置
Ｆの目標位置（Ｘ、 Ｖ）を求める部分であり、また
、積分器Ｉ３．Ｉ４は式α６）、 （１７）の右辺の値
を積分してα、βを求める部分である。

積分器Ｉ３．Ｉ４の初期値には、実際の油圧ショベルに
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１１．Ｉ２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３′図の演算回路により、パケット位置Ｆを操作盤６
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〜Ａ１ｏは加算器、■１〜Ｉ４は積分器、
ＳＣ１〜ＳＣ６は符号変換器、Ｍ４〜Ｍ４は掛算器、Ｆ
Ｇ１〜ＦＧ４は三角関数演算器を示す。

第３図ないし第５図によって操作盤および演算装置の内
容が明らかになったので、再び本発明による自動運転装
置の動作を詳しく説明する。

運転者は通常の手動操作によって各油圧シリンダを操作
し、自動運転開始点として（作業に応じて）任意の位置
にパケット４を設定する。

このとき検出器から得られるα、βの電圧信号は第３図
の積分器Ｉ３．Ｉ４の初期条件として設定される。

つぎに、掘削すべき平面の勾配φをダイアル１７でセッ
トし、運転レバーを操作すると各角度に対応した電圧信
号およびレバーの操作量に比例した掘削速度の水平、垂
直方向成分が演算回路に送られる。

演算回路では、積分器に設定された初期条件からそのと
きのパケット位置を求め、その位置を掘削開始点として
設定された勾配φの面に沿って与えられた速度で掘削す
るために必要なα、βの入力信号を演算してサーボ増幅
器８へ送る。

一方、油圧ショベルの各部に取付けられた検出器９，１
０は常時α、βの現在値を検出し、その値はフィードバ
ック信号としてサーボ増幅器８へ送られる。

サーボ増幅器８では入力信号ＩＰとフィードバック信号
ＦＢ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、ブームシリンダを操作するため
の油圧制御弁１４．１３を操作し、α、βが常に入力信
号に追従するように制御する。

したがって、運転者は必要な値を操作盤６のダイアルで
設定したあと、自動運転レバーで掘削速度さえ与えてや
れば各油圧シリンダは自動的に操作され、与えられた速
度で直線掘削が行なわれる。

以上は自動運転の場合の動作であるが、このような油圧
ショベルでは通常の手動操作による掘削作業も行なえる
ようになっている必要がある。

そこで上記の運転装置を用いる自動運転と通常の手動運
転との切替え操作を行なう装置について説明する。

第６図は手動運転と自動運転との切替え機構を含んだ自
動運転装置を示すもので、同図中さきに説明した図と同
じ符号をつけたものは同じものを示す。

各油圧シリンダＣ１，Ｃ２，Ｃ３に流入する圧油は電磁
弁２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃで油路を切替えられ、手動運
転の場合には手動切替弁２２Ａ。

２２Ｂ、２２Ｃで、自動運転の場合には油圧制御弁１３
，１４．１５で制御される。

電磁弁２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃは常時ばねでそれぞれ手
動切替弁２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ側に切替えられており
、電流を通じた時だけそれぞれ油圧制御弁１３．１４．
１５側に切替えられる。

電磁弁の切替えは操作盤６のスイッチで行なう。

すなわち、操作盤６には第５図に示す回路のほかにもう
１個スイッチを設け、自動運転開始時にそのスイッチを
操作すると、電磁弁は油圧制御弁の回路がつながる方向
に切替わり、それ以外の場合には手動切替弁がつながっ
ている。

したがって、通常は手動切替弁が動作可能の状態になっ
ており、一般の油圧ショベルと全く同様に手動操作で運
転することができる。

また、操作盤６のスイッチを押している間だけ自動運転
装置が動作する。

さらに、上記のような油圧回路の切替えと同期して演算
回路の演算モード制御が行なわれる。

すなわち、第３図の演算回路のうち４個の積分器１１〜
■４は、実際に積分動作を行なうコンビニート状態と初
期条件の設定などを行なうリセット状態とに演算モード
を変換する必要があり、この変換は、操作盤６のスイッ
チをオン、つまり自動運転開始と同期してコンビニート
状態になり、通常の手動操作状態ではリセットになって
いる。

なお、第３図において、Ａ１〜Ａ１ｏは加算器、ＳＣ１
〜ＳＣ６は符号変換器、Ｍ１〜Ｍ４は掛算器、ＦＧ１〜
ＦＧ４は三角関数演算器である。

上記のようにして、従来の油圧ショベルの手動操作機能
を全くそこなうことなく、自動運転と手動運転との操作
切替えはスイッチ１個で容易に行なえる。

前述の自動運転装置を用いて直線掘削を行なう場合、掘
削が進んでゆくと、アームシリンダＣ２あるいはブーム
シリンダＣ１が行程端に達してそれ以上は直線掘削がで
きなくなる。

どちらのシリンダが先に行程端に達するかは、掘削面の
形状によって異なり、あらかじめどちらと定めるこはで
きない。

いずれにせよ、一方の油圧シリンダが行程端に達すると
、それ以上直線掘削ができなくなるので、そのような状
態に達したとき、上記自動□運転装置が自動的に動作を
停止することが望ましい。

この自動停止を行なう装置についてつぎに説明する。

油圧シリンダが行程端に達したことの判定は、演算回路
の出力、すなわち、α、βに対する入力信号により行な
う。

α、βはそれぞれアームシリンダＣ２、ブームシリンダ
Ｃ１の変位に対応して動き得る角変位の範囲が定まって
いるから、演算回路からの発生するα、βの入力信号が
それらの上限値あるいは下限値に達したときをもってシ
リンダの行程端と判定することができる。

したがって、α、βの入力信号をそれぞれの上限値、下
限値と比較する回路を設け、いずれか１個所が限界を越
えたとき、その部分が最初に行程端に達したと考えれば
よい。

ただし、比較回路に設定する値をちょうど限界値と等し
く選んでおくと、ある油圧シリンダの一方の行程端から
逆の行程端に向って自動掘削を行なう場合に、掘削開始
点ですでに比較回路が動作してしまう恐れがあるので、
各比較回路に設定する限界値はそれぞれの上限値よりわ
ずかに（δだけ）大きな値および下限値よりわずかに（
δだけ）小さい値を用いる。

これによって比較回路は、α、βの入力信号が上限また
は下限値をさらに越えた際、すなわち、アームシリンダ
ブームシリンダのそれぞれに対する入力信号が行程端を
越えた際に動作する。

以上のようにして直線掘削範囲の限界に達したことが判
定されると、それによって自動掘削を停止させる必要が
ある。

これは、第６図において各電磁弁２１Ａ、２１Ｂ、２１
Ｃに通じている電流。

を切って手動切替弁２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが動作する
側に切替え、さらに演算回路の演算モードをコンビニー
トからリセットにして手動操作状態に戻すことによって
行なわれる。

第６図の切替え回路は以上の比較回路をも含んでおり、
その内容は第７図のとおりである。

４個の比較器２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ，２３Ｄは演算回
路から得られるα、βの入力信号がそれぞれの上限値あ
るいは下限値を越えたか否かの判定を行なう。

これらの比較回路の出力は操作盤６のスイッチＰＳから
得られる自動運転開始信号と組合わされ、論理回路によ
って自動運転状態と手動運転状態との判定を行なう。

自動運転状態には論理回路の出力は増幅器２４で増幅さ
れ、演算装置７の演算モードを、制御すると同時に、電
磁弁ソレノイド２５を励磁するためのリレー２６を動作
させる。

２６Ｒはリレー接点を示す。α、βともに上限、下限の
範囲内にあり、操作盤６のスイッチＰＳがオンのときに
自動運転状態それ以外はすべて手動運転状態になるよう
に論理演算を行なう。

ただし、油圧シリンダが行程端に達して自動運転状態か
ら手動運転状態に変った場合には、操作盤６のスイッチ
ＰＳをオンの状態に保持し続けても自動運転に戻らない
ようになっている。

以上説明した本発明によれば、斜面の成形作業、溝底部
の水平面掘削作業のような直線掘削作業を油圧ショベル
によって自動的に行なうこができ、したがって運転の繁
雑さが解消され、さらに運転時間が短縮されて作業能率
が向上する。

しかも、手動操作機能は全くそこなわれず、自動運転と
手動運転との切替えをスイッチ１個で容易に行なうこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は油圧ショベルの側面図、第２図は本発明による
自動運転装置の概略を示す説明図、第３図は第２図にお
けるアーム先端の位置を制御するために必要な入力信号
を得るための演算回路図、第４図は第３図の演算を行う
ために必要な電圧信号を発生する操作盤内の電気回路図
、第５図は本発明による自動運転装置を手動運転に切替
えて使用する切替え装置を示す説明図、第６図は本発明
による自動運転装置を自動運転と手動運転との相互に切
替える回路を示す説明図である。 ２・・・・・・ブーム、３・・・・・・アーム、４・・
・・・・パケット、６・・・−・・操作盤、７・・・・
・・演算装置、８・・・・・・サーボ増巾器、９二１０
・・・・・・検出器、１２・・・・・・検出回路、１３
〜１５・・・・・・油圧制御弁、１６・・・・・・操作
レバー、１７・・・・・・ダイアル、１９・・・・・・
定電圧発生器、２０・・・・・・加算器、２１Ａ、２１
Ｂ、２１Ｃ・・・・・・電磁弁、２２Ａ、２２Ｂ、２２
Ｃ・・・・・・手動切替弁、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ，
２３Ｄ・・・・・・比較器、２４・・・・・・増巾器、
２５・・・・・・電磁ソレノイド、２６・・・・・・リ
レー、２６Ｒ・・・・・・リレー接点、Ｃ１・・・・・
・ブームシリンダ、Ｃ２・・・・・・アームシリンダ、
Ｃ３・・・・・・パケットシリンダ、ＦＢ・・・・・・
フィードバック；信号、ＩＰ・・・・・・入力信号、Ｐ
１〜Ｐ３・・・・・・ポテンショメータ、ＯＰｌ、ＯＦ
２・・・・・・演算増巾器、１１〜■４・・・・・・積
分器、ＰＳ・・・・・・押ボタンスイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 旋回体に、順次回動連結された可動部材からなる作
   業アタッチメントを枢支し、各可動部材作動用油圧シリ
   ンダを操作することによって掘削作業を行う油圧ショベ
   ルにおいて、予め掘削面の勾配φを設定する手段と、掘
   削速度の大きさを指示する手段と、各可動部材の作動位
   置を検出する手段と、上記各手段の設定値、指示値およ
   び検出値に基いて直線掘削を行うべきパケット位置に位
   置決めする各油圧シリンダの操作量を逐次演算する演算
   装置と、この演算装置から得られる演算結果を入力信号
   として各油圧シリンダの運動を制御する手段とをそなえ
   たことを特徴とする油圧ショベルの直線掘削自動運転装
   置。