KR100505349B1 - 건설기계의 작업장치 제어방법 - Google Patents

건설기계의 작업장치 제어방법 Download PDF

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Abstract

전기식 조이스틱(joystick)을 이용하여 굴삭기등의 작업장치 구동을 조작하는 경우 조이스틱의 급격한 조작시 작업장치의 진동 및 충격을 완화시키며, 초기 응답성 확보로 인해 작업성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
바람직한 실시예에 의하면, 전기식 조이스틱과, 조작자에 의해 진동 및 충격완화정도를 선택할 수 있는 스위치 보드와, 상기 조이스틱 및 스위치 보드로부터 출력되는 신호를 소정신호로 변경시키는 제어기와, 상기 제어기로부터의 소정신호에 따라 파일럿압을 형성하는 비례감압밸브와, 상기 비례감압밸브를 통과하는 파일럿 신호압에 의해 액튜에이터 및 작업장치를 구동시키는 제어밸브를 포함하는 건설기계의 작업장치 제어방법에 있어서, 상기 각 액튜에이터에 적용되는 소정의 필터계수에 대하여 상기 조이스틱 조작 시작에서의 최저값과 필터가 완전하게 동작할 경우의 최대값을 결정하는 과정, 상기 조이스틱 조작이 시작된 후 상기 필터계수의 초기값이 적용되는 시간을 최소시간으로 규정하며 최대값이 적용되는 시간을 최대시간으로 규정하는 경우, 상기 최소시간을 0으로 규정시 상기 조이스틱의 동작초기부터 상기 필터계수의 초기값이 적용되며, 상기 최소시간을 일정한 시간으로 규정시 그 시간 이후부터 상기 필터계수에 의한 상기 조이스틱출력의 필터링이 적용되는 과정, 상기 필터계수, 상기 최소시간 및 최대시간을 상기 작업장치의 구동에 따라 임의결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법을 제공한다.
이로 인해, 전기식 조이스틱을 이용하여 굴삭기등의 작업장치 구동을 조작하는 경우 조이스틱의 급격한 조작시 작업장치의 진동 및 충격을 완화시켜 작업중 운전자의 피로도를 최소화시키며, 초기 응답성 확보로 인해 작업성을 향상시킬 수 있도록 한 이점을 갖는다.

Description

건설기계의 작업장치 제어방법
본 발명은 건설기계의 작업장치 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기식 조이스틱(joystick)을 이용하여 굴삭기등의 작업장치 구동을 조작하는 경우 조이스틱의 급격한 조작시 작업장치의 진동 및 충격을 완화시키며, 초기 응답성 확보로 인해 작업성을 향상시킬 수 있도록 한 건설기계의 작업장치 제어방법에 관한 것이다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와같이, 본 발명의 실시예에 의한 건설기계의 작업장치 제어방법이 적용되는 유압시스템은, 동력원인 엔진(1)과, 이 엔진(1)에 의해 구동하는 유압펌프(2)와, 이 유압펌프(2)에 연결되어 작동유 공급으로 구동하여 붐, 아암 및 버킷등의 작업장치를 소정스트로크범위내에서 회동시키는 각각의 유압실린더(3)(4)(5)와, 전술한 유압펌프(2)와 유압실린더(3)(4)(5)사이에 설치되며 소정의 파일럿 신호압 공급으로 구동하여 작동유의 흐름방향을 제어하는 컨트롤밸브(6)와, 전술한 컨트롤밸브(6)에 소정의 파일럿신호압을 공급됨을 제어하는 전기식 조이스틱(7)과, 조작자의 진동 및 충격완화정도를 선택할 수 있는 스위치 보드(8)와, 전술한 컨트롤밸브(6)등을 제어하여 전술한 작업장치를 구동시켜 소정의 작업을 수행하게되는 제어기(9)를 구비한다.
전술한 바와같은 유압식 굴삭기등의 건설중장비는 작업장치의 사이즈가 대형이고 자체무게가 중량이여서 작업장치구동을 급격하게 조작하는 경우 장비전체에 큰 진동 및 충격이 발생되며, 이러한 진동 및 충격을 완화시키기 위한 여러 가지의 기술내용이 실시되고 있는 실정이다.
즉, 일본 특허출원소58-199373호에 개시된 기술내용은 도 2에 도시된 바와같이, 조작레버의 조작량을 전기신호로 변환하는 전기식 조이스틱을 사용하고, 이의 출력을 연산증폭기가 증폭하여 설정기에 설정신호로 입력함에 따라 이의 입력을 설정된 신호에 따라 1차 지연시정수를 결정하고 이의 신호로 메인밸브를 구동하여 메인밸브의 응답성을 임의로 선택하는 것을 특징으로 하고 있다.
국내 특허출원번호 제92-7018호에 개시된 기술내용은, 포텐쇼미터가 내장되어 있는 전기식 조이스틱과, 이 조이스틱 조작에 따른 변위와 속도를 측정할 수 있고 제어된 연산신호를 받는 전자비례제어밸브 또는 서보밸브로 보내는 제어기와, 이 제어기의 연산신호를 받는 전자제어비례밸브 또는 서보기구 및 그에 상응하는 밸브에 의하여 유압원에 연결된 주 제어밸브 스플변위를 이동시키고 유입되는 유량에 의해서 실린더(액튜에이터)를 구동시키는 것을 특징으로 하고 있다. 이때 조이스틱의 작동속도를 센싱하고 이 신호가 설정된 일정속도보다 빠르면 제어기에서 제어연산 신호를 인가하는 것이다.
전술한 바와같은 기술내용의 기계적인 특징은 초기동작이 시작되는 경우 자체의 응답성의 처짐현상으로 인해 큰 진동 및 충격을 받지않게 된다.
그러나, 급작한 조이스틱 레버의 중립위치등의 조작에서는 메인밸브의 유로가 급격히 차단되며 이에따른 유압호스의 파손 또는 장비의 작업장치등의 기계적인 손상등을 초래하게 된다.
또한, 전체적으로 장비제어의 전 구간에서 동일한 시정수등으로 조작레버의 출력을 1차지연 또는 조이스틱의 속도에 따른 선택적 지연을 함으로서 장비의 초기동적 응답성을 충분하게 확보하지 못하게 된다. 그리고, 조이스틱 레버의 조작속도를 사용하는 경우 그 속도성분의 신호취득이 어렵고 정도가 높지않아 알고리즘의 구현이 어렵게되는 문제점을 갖는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전기식 조이스틱(joystick)을 이용하여 굴삭기등의 작업장치 구동을 조작하는 경우 조이스틱의 급격한 조작시 작업장치의 진동 및 충격을 완화시켜 작업중 운전자의 피로도를 최소화시키며, 초기 응답성 확보로 인해 작업성을 향상시킬 수 있도록 한 건설기계의 작업장치 제어방법을 제공하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 전기식 조이스틱과, 조작자에 의해 진동 및 충격완화정도를 선택할 수 있는 스위치 보드와, 상기 조이스틱 및 스위치 보드로부터 출력되는 신호를 소정신호로 변경시키는 제어기와, 상기 제어기로부터의 소정신호에 따라 파일럿압을 형성하는 비례감압밸브와, 상기 비례감압밸브를 통과하는 파일럿 신호압에 의해 액튜에이터 및 작업장치를 구동시키는 제어밸브를 포함하는 건설기계의 작업장치 제어방법에 있어서, 상기 각 액튜에이터에 적용되는 소정의 필터계수에 대하여 상기 조이스틱 조작 시작에서의 최저값과 필터가 완전하게 동작할 경우의 최대값을 결정하는 과정, 상기 조이스틱 조작이 시작된 후 상기 필터계수의 초기값이 적용되는 시간을 최소시간으로 규정하며 최대값이 적용되는 시간을 최대시간으로 규정하는 경우, 상기 최소시간을 0으로 규정시 상기 조이스틱의 동작초기부터 상기 필터계수의 초기값이 적용되며, 상기 최소시간을 일정한 시간으로 규정시 그 시간 이후부터 상기 필터계수에 의한 상기 조이스틱출력의 필터링이 적용되는 과정, 상기 필터계수, 상기 최소시간 및 최대시간을 상기 작업장치의 구동에 따라 임의결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법을 제공함에 의해 달성된다.
바람직한 실시예에 의하면, 필터 사용시 상기 조이스틱이 움직이기 시작하는 경우의 필터값과 설정된 소정시간이 경과한 후의 필터값의 차이에 따라, 필터값의 초기값과 최종값이 시간에 따라 선형적으로 변하게되어 출력특성을 갖게된다.
바람직한 실시예에 의하면, 초기 필터값 적용시간을 상기 조이스틱이 조작된 후의 소정시간으로 적용된다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기 조이스틱의 최대정지시간을 설정하여 상기 조이스틱의 중립위치에 있는 시간이 상기 최대정지시간 이하일 경우 연속적인 필터값을 적용하며, 상기 조이스틱의 중립위치에 있는 시간이 상기 최대정지시간을 초과하는 경우 초기필터값이 다시 설정되어 적용된다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기 작업장치가 실린더를 이용하는 다관절로 형성되는 경우 상기 작업장치 및 실린더의 수축, 신장 스트로크에 따른 각각의 필터값을 적용하여 소정의 응답특성을 갖게된다.
바람직한 실시예에 의하면, 상기 스위치 보드의 선택스위치에 의해 상기 작업장치의 진동 및 충격완화의 단계를 적어도 1단계 이상으로 분할하여 사용된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세하게 설명하며 이로 인해 본 발명의 기술적인 범주가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건설기계의 작업장치 제어방법이 적용되는 유압시스템의 개략도, 도 2는 종래기술에 의한 조작장치 입력과 출력특성 관계를 도시한 그래프, 도 3은 필터계수의 초기값과 최종값의 변화를 도시한 그래프, 도 4는 필터계수의 초기값이 0인 경우의 그래프, 도 5는 필터계수의 초기값과 필터적용 최소시간이 0인 경우의 그래프, 도 6은 필터계수의 초기값이 일정값을 가지는 경우의 응답을 도시한 그래프, 도 7는 조이스틱의 입력이 정지와 동작으로 급격히 변화되는 경우의 응답을 도시한 그래프, 도 8은 조이스틱의 정지시간이 최대정지시간 이상인 경우의 응답을 도시한 그래프 이다.
위와같은 본 발명의 실시예에 의한 건설기계의 작업장치 제어방법을 이용하여 버킷의 일정한 작업자세를 유지하기 위한 일실시예를 설명하면 다음과 같다.
굴삭기와 같이 붐, 아암 및 버킷등의 작업장치가 다관절으로 구성되는 경우, 동일한 조이스틱의 입력이 주어지는 경우에도 실린더의 신장측과 수축측의 특성이 상이하게 된다. 또한 장비의 움직임이 시작되는 경우 장비자체의 응답성 때문에 조이스틱의 급격한 조작에도 장비에 발생되는 큰 충격의 발생됨을 인식하기 어려우나, 조이스틱의 움직임이 급격히 멈추는 경우는 빠르게 제어밸브가 닫혀지게 되며, 일정속도로 움직이는 작업장치등이 순간 정지되어야 하므로 유압회로 및 장비자체에 큰 무리가 발생된다.
따라서, 일정한 비율로 조이스틱의 입력을 가공하면 각각의 조건에 따라 진동의 완화정도가 상이하게 되므로 각각의 작업장치에 대하여, 작업장치의 작업방향에 대하여, 그리고 작업장치 움직임의 시작으로부터의 시간에 대한 소정의 시정수를 설정해야 된다.
전술한 조건을 만족하기 위하여 전기식 조이스틱의 신호변경을 1차 시정수를 가지는 버터워스필터를 사용하며, 이의 식은 아래와 같다.
Vout (k)=c1×Vout (k-1)＋(1-c1)/2×((Vin(k)＋Vin(k-1))
여기에서, Vout(k): 제어기의 출력,
Vout (k-1): Vout(k)의 1 샘플링 시간지연 값,
Vin(k): 전기식 조이스틱의 출력(제어기의 입력),
Vin(k-1): Vin(k)의 1 샘플링 시간지연 값,
c1: 1차지연 필터의 계수를 나타낸다.
이상의 필터를 이용하여 작업장치의 충격 및 진동을 완화하기 위한 방법을 첨부도면 도 3 내지 도 8을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 각각의 실린더(액튜에이터)에 쓰이는 필터계수(c1)에 대하여 조이스틱조작 시작에서의 최저값과 필터가 완전히 동작할 경우의 최대값을 결정한다. 이때 조이스틱 조작초기의 필터계수(c1)는 필터가 완전히 작동될 경우의 그 값보다 적어야 한다.(도 6에 도시됨)
전술한 필터계수(c1)의 값이 0일 경우는 장비 움직임의 초기에는 조이스틱의 신호를 그대로 출력하게 된다.(도 5에 도시됨)
이와같이 결정된 필터계수(c1)에 대하여 조이스틱이 움직이기 시작한 다음 전술한 필터계수(c1)의 초기값이 적용되는 시간을 최소시간, 최대값이 적용되는 시간을 최대시간이라 가정하면, 최소시간을 0으로 하면 조이스틱의 동작초기부터 필터계수(c1)의 초기값이 적용되며, 최소시간을 일정한 시간으로 규정하면 그 시간 이후부터 필터계수(c1)에 의한 조이스틱 출력의 필터링이 적용된다. 최소시간과 최대시간의 사이에서 필터계수(c1)의 값은 최소값과 최대값으로 선형적으로 변화되어 동작이 부드럽게 된다.
이때, 전술한 필터계수(c1), 최소시간 및 최대시간은 장비의 움직임에 따라 임의로 규정하여 사용하게 된다.
이로부터 전술한 필터계수(c1)의 초기값을 0으로 하고, 최소시간을 0으로 하면 도 5에 도시된 바와같은 출력값을 얻게된다. 또한 전술한 필터계수(c1)의 초기값을 0인 아닌 일정한 값으로 하면 도 6에 도시된 바와같은 출력값을 얻게된다.
전술한 바와같은 필터를 사용하는 조이스틱의 동작중 입력이 빠른 주기로 변화될 경우 도 7에 도시된 바와같은 출력값을 얻게된다. 이는 조이스틱이 중립위치에 복귀한 다음 다시 출발하는 경우이므로 중립위치에 있는 정지시간이 일정값이하이면 연속되는 필터계수(c1)을 적용하게 되며, 정지시간이 설정된 일정시간 이상인 경우에는 다시 필터계수(c1)을 초기값으로서 적용한다.
위와같이 정지시간이 설정된 최대정지시간 이상인 경우의 필터의 출력은 도 8에 도시된 바와같다.
이상에서와같이, 바람직한 실시예에 의하면, 전기식 조이스틱을 이용하여 굴삭기등의 작업장치 구동을 조작하는 경우 조이스틱의 급격한 조작시 작업장치의 진동 및 충격을 완화시켜 작업중 운전자의 피로도를 최소화시키며, 초기 응답성 확보로 인해 작업성을 향상시킬 수 있도록 한 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 건설기계의 작업장치 제어방법이 적용되는 유압시스템의 개략도,
도 2는 종래기술에 의한 조작장치 입력과 출력특성 관계를 도시한 그래프,
도 3은 필터계수의 초기값과 최종값의 변화를 도시한 그래프,
도 4는 필터계수의 초기값이 0인 경우의 그래프,
도 5는 필터계수의 초기값과 필터적용 최소시간이 0인 경우의 그래프,
도 6은 필터계수의 초기값이 일정값을 가지는 경우의 응답을 도시한 그래프,
도 7는 조이스틱의 입력이 정지와 동작으로 급격히 변화되는 경우의 응답을 도시한 그래프,
도 8은 조이스틱의 정지시간이 최대정지시간 이상인 경우의 응답을 도시한 그래프 이다.

Claims (7)

  1. 전기식 조이스틱과, 조작자에 의해 진동 및 충격완화정도를 선택할 수 있는 스위치 보드와, 상기 조이스틱 및 스위치 보드로부터 출력되는 신호를 소정신호로 변경시키는 제어기와, 상기 제어기로부터의 소정신호에 따라 파일럿압을 형성하는 비례감압밸브와, 상기 비례감압밸브를 통과하는 파일럿 신호압에 의해 액튜에이터 및 작업장치를 구동시키는 제어밸브를 포함하는 건설기계의 작업장치 제어방법에 있어서:
    상기 각 액튜에이터에 적용되는 소정의 필터계수에 대하여 상기 조이스틱 조작 시작에서의 최저값과 필터가 완전하게 동작할 경우의 최대값을 결정하는 과정;
    상기 조이스틱 조작이 시작된 후 상기 필터계수의 초기값이 적용되는 시간을 최소시간으로 규정하며 최대값이 적용되는 시간을 최대시간으로 규정하는 경우, 상기 최소시간을 0으로 규정시 상기 조이스틱의 동작초기부터 상기 필터계수의 초기값이 적용되며, 상기 최소시간을 일정한 시간으로 규정시 그 시간 이후부터 상기 필터계수에 의한 상기 조이스틱출력의 필터링이 적용되는 과정; 및
    상기 필터계수, 상기 최소시간 및 최대시간을 상기 작업장치의 구동에 따라 임의결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 필터 사용시 상기 조이스틱이 움직이기 시작하는 경우의 필터값과 설정된 소정시간이 경과한 후의 필터값의 차이에 따라, 필터값의 초기값과 최종값이 시간에 따라 선형적으로 변하게되어 출력특성을 갖는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 초기 필터값 적용시간을 상기 조이스틱이 조작된 후의 소정시간으로 적용되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 조이스틱의 최대정지시간을 설정하여 상기 조이스틱의 중립위치에 있는 시간이 상기 최대정지시간 이하일 경우 연속적인 필터값을 적용하며, 상기 조이스틱의 중립위치에 있는 시간이 상기 최대정지시간을 초과하는 경우 초기필터값이 다시 설정되어 적용되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 작업장치가 실린더를 이용하는 다관절로 형성되는 경우 상기 작업장치 및 실린더의 수축, 신장 스트로크에 따른 각각의 필터값을 적용하여 소정의 응답특성을 갖는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치 보드의 선택스위치에 의해 상기 작업장치의 진동 및 충격완화의 단계를 적어도 1단계 이상으로 분할하여 사용되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 필터값은 아래의 식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 작업장치 제어방법.
    Vout (k)=c1×Vout (k-1)＋(1-c1)/2×((Vin(k)＋Vin(k-1))
    (여기에서, Vout(k): 제어기의 출력, Vout (k-1): Vout(k)의 1 샘플링 시간지연 값, Vin(k): 전기식 조이스틱의 출력(제어기의 입력), Vin(k-1): Vin(k)의 1 샘플링 시간지연 값, c1: 1차지연 필터의 계수를 나타냄)
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