JPS59656B2

JPS59656B2 - パワ−シヨベルノジドウクツサクソウチ

Info

Publication number: JPS59656B2
Application number: JP14266475A
Authority: JP
Inventors: 道昭五十嵐
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1984-01-07
Also published as: JPS5265903A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、パワーショベルの自動掘削基準面に沿って自
動掘削できるようにした自動掘削装置に関する。

パワーショベルによる掘削作業には、ブーム、アーム及
びパケットの最低３個の操作要素があり、これらを同時
に、夫々異なる作業方向及び作業量で操作する必要があ
る。

例えば、法面掘削作業や溝底部の水平面掘削作業等の直
線掘削作業においては、ブームとアームを同時操作し、
アームの先端を直接掘削基準面に沿って移動させ、同時
に、パケットを操作して、パケットの掘削基準面に対す
る角度を一定に保持するようにしなければならない。

従来、これらの操作はオペレータが目視により手動で夫
々の作業腕を動作させる油圧シリンダに給油して行って
いた。

しかし、少くとも３個の操作要１を同時に操作するには
非常な熟練を必要とするばかりか、高度の熟練者によっ
ても満足すべき精度での作業を期待することはできなか
った。

また、パワーショベルの自動制御による自動掘削装置が
ならい制御方式や演算制御方式により種々開発されてい
るが、制御パラメータとして、掘削面の傾斜角を含み、
いずれも機構及び制御方式が複雑になり、また信頼性及
びコスト面からも満足すべき結果が得られないので実用
化されていないのが現状である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、掘削基準
面に誘導ケーブルを配設し、この誘導ケーブルによる誘
導起電力をパワーショベルの作業腕の適宜箇所に配設さ
れたピックアップコイルにより検出し、この検出電圧に
基づき夫々の作業腕を制御するという簡単かつ確実な制
御方式のもとにパワーショベルの自動掘削制御装置を提
供しようとするものである。

以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

まず、第１図に従い本発明の自動掘削制御装置が適用さ
れるパワーショベルについて説明する。

パワーショベルは車体１に回動軸Ａにより連結されたブ
ーム２と、ブーム２の先端の回動軸Ｂにより連結された
アーム３と、アーム３の先端の回動軸Ｃにより連結され
たパケット４の３個の作業腕を有し、各作業腕ブーム２
、アーム３、パケット４は夫々油圧シリンダ２０，２１
，２２の伸縮により夫々回動軸Ａ、、Ｂ、Ｃを
中心にして回動するようになっている。

このパワーショベルにより傾斜角φの掘削基準面Ｐ’
Ｐ’に沿って直線掘削をする場合を考えるとアーム３の
先端の回動軸Ｃを直線ｃ’ ｃ’に沿って移動させる移
動軌跡制御と、パケット４の掘削面に対する角度を一定
に保持するパケット姿勢制御の二つの制御が同時に行わ
なければならない。

回動軸Ｃの移動軌跡制御は、ブームシリンダ２０とアー
ムシリンダ２１の同時制御により行なわれる。

パケット４が所定の姿勢で掘削開始点に達し、アーム３
の先端の回動軸Ｃが直線ｃ’ ｃ’上に位置すると、ブ
ームシリンダ２０を伸すように制御してブーム２を上昇
（矢印Ｘの方向に回動）させ、同時にアームシリンダ２
１を伸すように制御してアーム３を矢印Ｗの方向に回動
させアーム３の先端の回動軸Ｃを直線Ｃ’ Ｃ’に沿う
ように移動させる。

ブーム２が上昇して、掘削基準面Ｐ’ Ｐ’から回動軸
Ｂまでの垂直距離ｈ１と掘削基準面Ｐ’Ｐ’から回動軸
Ｃまでの垂直距離ｈ２との差（ｈｌｈ２）が回動軸
Ｂと回動軸Ｃとの直線距離すに達すると、今度はブーム
２を下降（矢印Ｙの方向に回動）させ、アーム３は上記
と同様に矢印Ｗの方向に回動させて、回動軸Ｃを前記直
線Ｃ′Ｃ′に沿うように移動させる。

このアーム２、ブーム３の同時制御は一般には掘削基準
面Ｐ’ Ｐ’の傾斜角φに依存するものであるが回動軸
Ｂと回動軸Ｃの掘削基準面Ｐ’ Ｐ’からの夫々の垂直
距離）１１＋ｈ２が検出できればこれに基づきブー
ムシリンダ２０、アームシリンダ２１を制御することに
より制御要素として傾斜角φを含まずにアームの先端の
回動軸Ｃを直線Ｃ’Ｃ’に沿って移動させるように移動
軌跡制御を行うことができる。

また、この制御方式によれば、掘削基準面Ｐ’ Ｐ’が
どのような傾斜角φでも適用できることになる。

また、パケット姿勢制御は、前記回動軸Ｃが直線ｃ’
ｃ’に沿って移動したとき、パケット４の先端の軌跡が
掘削基準面Ｐ’ Ｐ’に一致し、パケットの掘削基準面
Ｐ’ Ｐ’に対する角度が掘削作業に最良の角度となる
ように一定所定角に保持するものであり、前記ブームの
回動角に応じてパケットの回動角を設定するようにすれ
ばよい。

前記掘削基準面Ｐ’ Ｐ’からの回動軸Ｂ及び回動軸Ｃ
の垂直距離ｈ１．ｈ２の検出は、掘削基準面に沿って所
定周波数の電流を流した誘導ケーブルを敷設し、他方パ
ワーショベルのブーム２の先端の回動軸Ｂとアームの先
端の回動軸ＣにはピックアップコイルＤ１．Ｄ２を夫々
配設し、前記誘導ケーブルによりピックアップコイルＤ
１．Ｄ２に夫々中する誘導起電力を検出し、これにより
算出することができる。

第２図は、このための誘導ケーブルの配設の一例を示し
たものである。

誘導ケーブル５は既に掘削された場所等を利用して掘削
基準面Ｐ’ Ｐ’に沿って配設される。

また誘導ケーブルは細い一本のケーブルであるから、配
設のために新たに配設用溝を掘削しても多くの労力は必
要としない。

誘導ケーブル５には発振器６が接続され、所定周波数の
電流が流される。

今、パワーショベルのパケット４が誘導ケーブル５の配
設位置から水平距離ｌだけ離れた掘削中心７にパケット
中心を一致させた状態で掘削を開始したとする。

所定周波数の電流が流された誘導ケーブル５による誘導
起電力は前記ピックアップコイルＤ１．Ｄ２により検出
されるのであるが、検出電圧から夫々のピックアップ配
設位置の掘削基準面Ｐ’Ｐ’からの垂直距離ｈ１゜ｈ２
は次に示す原理により算出される。

一般に、第３図ａに示すように周波数ωの電流■が流れ
ている誘導ケーブルのＭ点からＸ方向にｌ離れ、Ｘ方向
にｈ離れている点に置かれたピックアップコイルＤの位
置の磁界Ｈｂは、ピックアップコイルＤのＸ軸の負の方
向に対する傾きを９３１ｈｔａｎ −一θ０とすると、である。

ピックアップコイルＤの巻数をＮ（回）、コア断面積を
Ｓ（ｍ”）、コアの比透磁率をμ３とすると、式（１）
の磁界ＨＤによりピックアップコイルＤに誘起する起電
力ｅは次式のようになる。

ここでルーμ。

μ８である。式（２）に式（１）を代入すると、となる。

従ってピックアップコイルＤに誘起する電圧の振１］は
次式によって示される。

１例として、式（４）にωμＳＮＩ／２π−１ψ−〇０
ｌ−３（回を代入して求めた誘起電圧１ｅ１と距離りの
関係を第３図の１ｂに示す。

このように回動軸Ｂ及び回動軸Ｃに設けたピックアップ
コイルＤ１．Ｄ２に生ずる誘起電圧を検出すれば、掘削
基準面Ｐ ’Ｐ ’から回動軸Ｂ及び回動軸Ｃの垂直距
離ｈ１．ｈ２を知ることができる。

第４図は、アーｌ、の先端の回動軸Ｃを直線Ｃ’Ｃ’に
沿って移動させるに必要なブームの先端の回動軸Ｂの位
置と前記回動軸Ｃの位置の関係を示したものである。

ブーム２はブームシリンダ２０の伸縮により回動軸Ａを
中心よして回動半径ａ（ブームの長さ）で回動し、先端
の回動軸Ｂは円弧Ｂ’Ｂ’上を移動する。

アーム３はアームシリンダ２１の伸縮により、円弧Ｂ’
Ｂ’上を移動する回動軸Ｂを中心として回動半径ｂ（
アームの長さ）で回動する。

従って、アーム３の先端の回動軸Ｃを直線Ｃ’ Ｃ’に
沿って移動させるためには回動軸Ｂと回動軸Ｃの位置を
次のようにすればよい。

即ち、掘削開始点のときの回動軸Ｂの位置を図に示すＢ
１゜回動軸Ｃの位置を０１とし、この状態を（Ｂｌ−Ｃ
ｔ）と表示すれば、ブーム２を上昇して、（Ｂ２Ｃ２）
（Ｂ３Ｃ３）（Ｂ４Ｃ４）（Ｂ５Ｃ３）（
ＢａＣ６）（Ｂ７Ｃ７ＸＢ′１−Ｃｓ
）の状態にし続イテブーム２を下降しテ（Ｂａ−０９）
（ＢａＣｔｏ）（Ｂ、；、Ｃ１ｔ）（ＢＳＣｌ２）
（Ｂ’２Ｃ１３）（Ｂ：Ｃ１４）の状態で掘
削を終了するようにすればよい。

ここで回動軸ＢがＢ１〜Ｂ７９Ｂ、７〜Ｂ（の位置に
あるときのブーム２の回動角αを夫々α１（ｉ−１〜１
４）とし、回動軸ＢがＢ１〜Ｂ７．ＢＩＩ〜Ｂ１の位置
にあるときの夫々のＰ’ Ｐ’面からの垂直距離をｈｌ
ｌ（ｉ＝１〜１４）回動軸ＣがＣ１〜Ｃ１４の位置に
あるときの夫々のＰ’ Ｐ’面からの垂直距離をｈ２１
（ｉ−１〜１４）さし、αｉとｈ４ｉ−ｈ２ｉ−旧（ｉ
−１〜１４）との関係ｈｉ＝ｆ（αｉ）を図示したのが
第４図すである。

従って関数ｈｉ＝ｆ（αｉ）を予じめ設定しておき、
ブームシリンダ２０を制御することによりブーム２を前
記関数に従って動作させ同時にアームシリンダ２１を制
御してｈ２１が所定一定値になるように制御すればアー
ム３の先端のパケット回動軸を直線Ｃ’ Ｃ’に従い移
動させることができる。

なお理解を容易にするためにｉ＝１〜１４の段階的関数
で示したが一般的にはｈ＝ｆ（α）の連続でなめらかな
関数で与えてもよい。

次に第５図に本発明のパワーショベルの自動直線掘削装
置の一実施例を１１７７図で示す。

ピックアップコイルＤ１及びＢ２は夫々ブーム先端の回
動軸Ｂ及びアーム先端の回動軸Ｃに設けられる。

発振器６により所定周波数の電流が流され、基準掘削面
Ｐ’ Ｐ’に配設された誘導ケーブル５からの誘導起電
力は前記ピックアップコイルＤ１．Ｄ２により検出され
、基準掘削面Ｐ’ Ｐ’からピックアップコイルＤ１及
びＢ２の垂直距離ｈ１．ｈ２を検出する。

他方位置関数発生器８には前記第４図に示すような、ブ
ーム２の回動角αに応じて所定の電圧ｅを発生する位置
関数ｅ＝ｆ（α）が予じめ設定されておりブームシリン
ダの作動の目標値となるようになっている。

前記ピックアップコイルＤ１により検出したｈｌの信号
は交流増幅器９ａにより交流増幅し、振幅検波器１０ａ
により振幅検波して減算器１１に加わる。

減算器１１では前記ｈ１の信号から前記直線Ｃ’Ｃ’の
基準掘削面Ｐ’ Ｐ’からの垂直距離に相当する基準電
圧Ｅ（一定値）を減算しくｈ’ｔ ’ ｈ２）に相当
する信号を（ｈｔｈ２）のフィードバック信号とし
てサーボ増幅器１２ａに加える。

サーボ増幅器１２ａでは、前記位置関数発生器８からの
出力電圧を目標値として（ｈ、−ｈ２）のフィードバッ
ク信号との偏差が０になるように油圧制御弁１３ａを切
り換え電磁弁１４ａを介してブームシリンダ２０を制御
する。

このようにブーム２の動作を進めて行けば、ブーム２の
先端のアーム回動軸Ｂは位置関数発生器８により設定さ
れた位置関数ｅ＝ｆ（α）に従い軌跡制御される。

前記ブーム２の回動にともないアーム３もアームシリン
ダ２１により、アームの先端の回動軸Ｃの軌跡が前記直
線ｃ’ ｃ’になるように制御されるのであるが、これ
は次のように行なわれる。

アームの先端の回動軸Ｃの掘削基準面Ｐ’ Ｐ’からの
垂直距離ｈ２は、ピックアップコイルＤ２により検出さ
れ、このｈ２に相当する信号は交流増幅器９で交流増幅
され、振幅検波器１０ｂで振幅検波されてｈｌのフィー
ドバック信号としてサーボ増幅器１２ｂに加えられる。

す・−ボ増幅器１２ｂは、目標値として直線ｃ’ ｃ’
の基準掘削距離からの垂直距離に相当する基準電圧Ｅ（
一定値）が加わっておりｈ２のフィードバック信号との
偏差が０になるように油圧制御弁１３ｂを切り換え電磁
弁１４Ｎ）ヲ介してアームシリンダ２１をフィードバッ
ク制御する。

このようにして、アーム３の先端の回動軸Ｃは常に基準
掘削面Ｐ’Ｐ’から一定の距離になるように保持され、
直線Ｃ′Ｃ′上を移動することになる。

パケットの姿勢制御は、パケット姿勢角設定器器１５に
より設定された設定角を目標値として、パケット４の回
動軸Ｃに設けた検出器（回動角センサ）１６がらのフィ
ードバック信号によりフィードバック制御するものであ
る。

パケット姿勢角設定器１５は、パケット４の基準掘削面
Ｐ’ Ｐ’に対する姿勢角を常に一定に保持するように
パケット回動角γを設定するものであり、位置関数発生
器８の出力により設定角を適宜変化させるようになって
いる。

従って、検出器１６によりパケット４の回動角が検出さ
れるとこの信号をサーボ増幅器１２Ｃに加え、前記パケ
ット姿勢角設定器１５の設定角との偏差を求め、この偏
差がＯになるように油圧制御弁１３Ｃを切り換え電磁弁
１４Ｃを介してパケットシリンダ２２を制御する。

これによりブーム２及びアーム３が回動したとき、パケ
ット４は常に基準掘削面Ｐ’Ｐ’と所定の角度になるよ
うに制御される。

上記はパワーショベルによる自動直線掘削について説明
したが、パワーショベルは作業状態等により通常の手動
操作による掘削作業もできる必要がある。

手動自動切換回路１７はこのために設けられたものであ
り、手動及び自動の指令に応じて、電磁弁１４ａ、１
４ｂ、１４ｃを切り換える。

電磁弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、自動が指令されたと
きは油圧制御弁１３ａ、１３ｂ、１３ｃから夫々のシリ
ンダ２０，２１．２２へ流入する油路を形成し、手動が
指令されたときは、ハンｌｓｚしＨｌ。

Ｈ２，Ｈ３により操作する手動切換弁１８ａ、１８ｂ。

１８ｃから夫々のシリンダ２０，２１．２２への油路を
形成する。

パワーショベルによる作業は、作業の性質−Ｆ、通常は
手動操作を行い適宜自動操作に切り換えて自動掘削する
ようにした方が好ましい場合が多いので電磁弁１４ａ
、１４ｂ、１４ｃを常時バネで手動切換弁１８ａ、
１８ｂ、１８ｃ側に切り換えられているようにし、手動
、自動切換回路１７に自動の指令がされたときのみ電流
が流れて、電磁弁１４ａ、１４ｂ、１４ｃを油圧制御弁
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ側に切り換るようにすればよい
。

また、自動掘削から手動に切り換えられたとぎはこの信
号を位置関数発生器８に加え、位置関数発生器８をリセ
ットする（始めの状態にもどす）。

第６図は、本発明の他の実施例を示すブロック図で、油
圧制御弁１３ａ、１３ｂ、１３ｃの後段にパイロットシ
リンダ１９ａ、１９ｂ、１９ｃを設けて、このパイロッ
トシリンダ１９ａ、１９ｂ。

１９ｃと手動切換弁１８ａ、１８ｂ、１８ｃを介して夫
々のシリンダ２０，２１．２２を制御するようにしたも
のである。

この実施例においては、自動掘削装置室、バンドルＨ１
，Ｈ２，Ｈ３を操作して夫々のシリンダ２０．２１．２
２を制御できる。

なお、上記実施例においては、自動直線掘削制御につい
て説明したが、これに限定されず、誘導ケーブルを曲面
に沿って配設すれば同様の動作により自動曲面掘削も実
現できる。

本発明は上記構成であるから、パワーショベルによる掘
削基準面に沿った自動掘削が実現でき、制御構成が簡単
で、確実であるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる自動掘削装置が適用されるパワ
ーショベルの概略を示す側面図、第２図は本発明の自動
掘削装置の誘導ケーブルの配設の一例を示す斜視図、第
３図ａ、ｂは誘導ケーブルによりブーム及びアームの先
端の位置を検出する原理を示すグラフ、第４図ａはブー
ム及びアームの先端の回動軸Ｂ、Ｃの軌跡を示すグラフ
、第４図すは回動軸Ｂ、Ｃが第４図Ｃの角度αと回動軸
Ｂ、Ｃの掘削基準面Ｐ’ Ｐ’からの垂直距離の差（ｈ
＝ｈ２）との関係を示すグラフ、第５図は本発明のパワ
ーショベルの自動掘削装置の一実施例を示すブロック図
、第６図は本発明の他の実施例を示すブ吊ツク図である
。５・・・・・・誘導ケーブル、２０・・・・・・ブーム
シリンダ、２１・・・・・・アームシリフタ、２２・・
・・・・パケットシリンダ、Ｄｌ、Ｄ２・・・・・・ピ
ックアップコイル、８・・・・・・位置関数発生器、１
５・・・・・・パケット姿勢角設定器。

Claims

【特許請求の範囲】

１本体に第１の回動軸を介して連結されたブームと、
該ブームに第２の回動軸を介して連結されたアームと、
該アームに第３の回動軸を介して連結されたパケットを
有するパワーショベルの自動掘削装置において、所定の
周波数の電流が流された誘導ケーブルを掘削基準面に沿
って敷設するとともに、前記第２の回動軸に配設され前
記誘導ケーブルからの誘起起電力にもとづき前記掘削基
準面から前記第２の回動軸までの距離を検出する第１の
ピックアップコイルト、前記第３の回動軸に配設され前
記誘導ケーブルからの誘起起電力にもとづき前記掘削基
準面から前記第３の回動軸までの距離を検出する第２の
ピックアップコイルと、前記第３の回動軸の位置を所望
の軌跡に沿って移動させるために前記掘削基準面から前
記第２の回動軸までの距離に対応する値を時間の関数と
して発生する位置関数発生器と、前記位置関数発生器の
出力を目標値とし前記第１のピックアップコイルの出力
を現在値として前記ブームの回動を制御する第１のサー
ボ制御系と、前記パケットの長さに対応する所定の値を
目標値とし前記第２のピックアップコイルの出力を現在
値として前記アームの回動を制御する第２のサーボ制御
系とを具えたパワーショベルの自動掘削装置。