KR101966267B1 - 작업 기계 및 작업 기계의 제어 방법 - Google Patents

작업 기계 및 작업 기계의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

유압 셔블(10)은, 붐(3a)과, 암(3b)과, 버킷(3c)과, 붐(3a)을 구동하는 붐 실린더(4a)를 가지고 있다. 붐 실린더(4a)의 부하에 기초하여 버킷(3c) 내의 하중값 W가 연산되고, 연산에 의해 얻어진 하중값이, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도에 기초하여 보정된다.

Description

작업 기계 및 작업 기계의 제어 방법{WORK MACHINE AND METHOD FOR CONTROLLING WORK MACHINE}
본 발명은, 작업 기계 및 작업 기계의 제어 방법에 관한 것이다.
버킷(bucket) 내의 하중은, 작업 기계의 작업량을 아는 데 중요하다. 버킷 내의 하중값을 연산하는 기술은, 예를 들면, 일본 공개특허 제2010-89633호 공보(특허 문헌 1)에 개시되어 있다.
이 공보에 있어서는, 하물의 현재 하중값이, 작업 기계의 자세와, 붐(boom) 실린더에 작용하는 압력으로부터 연산에 의해 취득된다. 이 현재 하중값을 적산함으로써 적산 하중값이 연산된다. 이 적산 하중값이 목표 하중값에 달할 때, 그 상태가 오퍼레이터에게 통지된다.
일본 공개특허 제2010-89633호 공보
그러나, 상기 공보에 기재된 하중값의 연산 방법에 의하면, 버킷 내의 하중값을 정확하게 취득할 수 없는 경우가 있었다. 그러므로, 버킷 하중의 계측 시에서의 계측 정밀도의 향상이 요구되고 있었다.
본 발명의 목적은, 하중 계측 시의 계측 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 작업 기계 및 작업 기계의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 작업 기계는, 붐과, 암(arm)과, 버킷과, 붐 실린더와, 검지부와, 컨트롤러를 구비하고 있다. 암은, 붐의 선단에 장착되어 있다. 버킷은, 암의 선단에 장착되어 있다. 붐 실린더는, 붐을 구동한다. 검지부는, 붐 실린더의 신축(伸縮)의 가속도를 검지한다. 컨트롤러는, 붐 실린더의 부하에 기초하여 버킷 내의 하중값을 연산하고, 연산에 의해 얻어진 하중값을, 검지부에 의해 검지된 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초하여 보정한다.
본 발명의 작업 기계에 의하면, 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초하여 버킷 내의 하중값이 보정된다. 이로써, 붐, 암, 버킷 등의 동작에 기초한 작업기의 관성에 의한 오차를 하중값으로부터 제거할 수 있다. 그러므로, 하중 계측 시의 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기한 작업 기계에 있어서, 컨트롤러는, 상기 가속도에 기초한 보정에 더하여, 연산에 의해 얻어진 하중값을, 버킷의 하중값에 대한 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터에 기초하여 보정한다.
이로써, 상기 모멘트의 균형의 모델이 실제의 작업기의 구성 및 상태와 상이한 경우에, 그 모델과 실제의 작업기와의 상위에 기초한 오차를 보정하는 것이 가능해진다.
상기한 작업 기계에 있어서, 관계 데이터는, 버킷의 하중값이 클수록, 버킷의 하중값의 오차가 작아지는 관계를 가지고 있다.
이로써, 관계 데이터에서의 하중값과 오차와의 관계를, 버킷의 하중값이 커질수록, 그 하중값에 대한 하중값의 오차가 상대적으로 작아진다는 실정에 적합한 관계로 할 수 있다. 이로써, 계산 모델과의 상위에 기초한 오차를 적절히 보정할 수 있다.
상기한 작업 기계에 있어서, 상기 관계 데이터에 있어서, 버킷의 하중값에 대한 버킷의 하중값의 오차의 크기의 관계는 2차 함수에 의해 표현된다.
이로써, 관계 데이터에서의 하중값과 오차와의 관계를, 간단하고 용이하게 실정에 적합한 관계로 할 수 있다.
본 발명의 작업 기계의 제어 방법은, 붐과, 암과, 버킷과 상기 붐을 구동하는 붐 실린더를 구비한 작업 기계의 제어 방법이다. 본 발명의 작업 기계의 제어 방법에 있어서, 붐 실린더의 부하에 기초하여 버킷 내의 하중값이 연산된다. 연산에 의해 얻어진 하중값은, 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초하여 보정된다.
본 발명의 작업 기계의 제어 방법에 의하면, 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초하여 버킷 내의 하중값이 보정된다. 이로써, 붐, 암, 버킷 등의 동작에 기초한 작업기의 관성에 의한 오차를 하중값으로부터 제거할 수 있다. 그러므로, 하중 계측 시의 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기한 작업 기계의 제어 방법에 있어서, 상기 가속도에 기초한 보정에 더하여, 연산에 의해 얻어진 하중값이, 버킷의 하중값에 대한 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터에 기초하여 보정된다.
이로써, 상기 모멘트의 균형의 모델이 실제의 작업기의 구성 및 상태와 상이한 경우에, 그 모델과 실제의 작업기와의 상위에 기초한 오차를 보정하는 것이 가능해진다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 하중 계측 시의 계측 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 작업 기계 및 작업 기계의 제어 방법을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 작업 기계의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 작업기에 사용되는 스트로크 센서가 부착된 실린더의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 실린더에 사용되는 스트로크 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 도면(A), 및 스트로크 센서의 센서 출력인 전기 신호가 주기적으로 변화하는 상태를 나타낸 도면(B)이다.
도 4는 모멘트의 균형을 설명하기 위한 작업기의 모식도이다.
도 5는 계산 하중값 W의 시간 변화를 나타낸 도면(A), 붐 실린더의 신축의 가속도의 시간 변화를 나타낸 도면(B), 붐 실린더에서의 PPC압의 시간 변화를 나타낸 도면(C), 및 계산 하중의 진폭과 가속도의 진폭으로부터 보정 후의 하중값을 산출하는 식을 개념적으로 나타낸 도면(D)이다.
도 6은 버킷 내의 계산 하중값의 시간 변화를 나타낸 도면(A), 및 붐 실린더의 신축의 가속도의 시간 변화를 나타낸 도면(B)이다.
도 7은 버킷 내의 하중값과 버킷 내에서의 하중값의 오차와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초한 보정만을 행한 경우의 계산 하중의 결과를 나타낸 도면(A), 및 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초한 보정과 관계 데이터에 기초한 보정(테이블 보정)을 행한 경우의 계산 하중의 결과를 나타낸 도면(B)이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 작업 기계의 구성에 대하여 설명한다. 이하, 본 발명의 사상을 적용 가능한 작업 기계의 일례로서 유압 셔블에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다. 그리고, 본 발명은, 유압 셔블 이외에, 붐, 암 및 버킷을 가지는 작업 기계에도 적용할 수 있다.
이하의 설명에 있어서, 「위」, 「아래」, 「전」, 「후」, 「좌」, 「우」란, 운전실(2a) 내의 운전석(2b)에 착석한 오퍼레이터를 기준으로 한 방향이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태에 있어서의 작업 기계의 일례로서의 유압 셔블의 구성을 개략적으로 나타낸 측면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 유압 셔블(10)은, 주행체(1)와, 선회체(旋回體)(2)와, 작업기(3)를 주로 가지고 있다. 주행체(1)와 선회체(2)에 의해 작업 기계 본체가 구성되어 있다.
주행체(1)는 좌우 한 쌍의 크롤러(crawlers) 장치(1a)를 가지고 있다. 이 좌우 한 쌍의 크롤러 장치(1a)의 각각은 크롤러를 가지고 있다. 좌우 한 쌍의 크롤러가 회전 구동됨으로써 유압 셔블(10)이 자주(自走)한다.
선회체(2)는 주행체(1)에 대하여 선회(旋回) 가능하게 설치되어 있다. 이 선회체(2)는, 운전실(2a)과, 운전석(2b)과, 엔진룸(2c)과, 카운터웨이트(counterweight)(2d)를 주로 가지고 있다. 운전실(2a)은, 선회체(2)의 예를 들면, 전방 좌측(차량 전방측)에 배치되어 있다. 운전실(2a)의 내부 공간에는, 오퍼레이터가 착석하기 위한 운전석(2b)이 배치되어 있다.
엔진룸(2c) 및 카운터웨이트(2d)의 각각은, 선회체(2)의 후방측(차량 후방측)에 배치되어 있다. 엔진룸(2c)은, 엔진 유닛(엔진, 배기 처리 구조체 등)을 수납하고 있다. 엔진룸(2c)의 위쪽은 엔진 후드(engine hood)에 의해 덮혀져 있다. 카운터웨이트(2d)는, 엔진룸(2c)의 후방에 배치되어 있다.
작업기(3)는, 선회체(2)의 전방측으로서 운전실(2a)의 예를 들면, 우측에 의해 축지지되어 있다. 작업기(3)는, 예를 들면, 붐(3a), 암(3b), 버킷(3c), 유압(油壓) 실린더(4a, 4b, 4c) 등을 가지고 있다. 붐(3a)의 기단부(基端部)는, 붐 풋 핀(boom foot pin)(5a)에 의해 선회체(2)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 또한 암(3b)의 기단부는, 붐 선단 핀(5b)에 의해 붐(3a)의 선단부에 회전 가능하게 연결되어 있다. 버킷(3c)은, 핀(5c)에 의해 암(3b)의 선단부에 회전 가능하게 연결되어 있다.
붐(3a)은, 붐 실린더(4a)에 의해 구동 가능하다. 이 구동에 의해, 붐(3a)은, 붐 풋 핀(5a)을 중심으로 선회체(2)에 대하여 상하 방향으로 회동(回動) 가능하다. 암(3b)은, 암 실린더(4b)에 의해 구동 가능하다. 이 구동에 의해, 암(3b)은, 붐 선단 핀(5b)을 중심으로 붐(3a)에 대하여 상하 방향으로 회동 가능하다. 버킷(3c)은, 버킷 실린더(4c)에 의해 구동 가능하다. 이 구동에 의해 버킷(3c)은, 핀(5c)을 중심으로 암(3b)에 대하여 상하 방향으로 회동 가능하다. 이와 같이, 작업기(3)는 구동 가능하다.
붐 실린더(4a)의 헤드측에는, 압력 센서(6a)가 장착되어 있다. 압력 센서(6a)는, 붐 실린더(4a)의 실린더 헤드측 오일실(40A)(도 2) 내의 작동유의 압력(헤드압)을 검출할 수 있다. 붐 실린더(4a)의 보텀 측에는, 압력 센서(6b)가 장착되어 있다. 압력 센서(6b)는, 붐 실린더(4a)의 실린더 보텀측 오일실(40B)(도 2) 내의 작동유의 압력(보텀압)을 검출할 수 있다.
붐 실린더(4a), 암 실린더(4b) 및 버킷 실린더(4c)의 각각에는, 스트로크 센서(검지부)(7a, 7b, 7c)가 장착되어 있다.
다음에, 상기 스트로크 센서가 부착된의 실린더에 대하여 도 2 및 도 3을 사용하여, 붐 실린더(4a)를 예로 들어 설명한다.
도 2는, 작업기에 사용되는 스트로크 센서가 부착된 실린더의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3의 (A)는, 도 2의 실린더에 사용되는 스트로크 센서의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3의 (B)는, 스트로크 센서의 센서 출력인 전기 신호가 주기적으로 변화하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더(4a)는, 실린더 튜브(4aa)와, 실린더 로드(4ab)와, 피스톤(4ac)을 주로 가지고 있다. 피스톤(4ac)는, 실린더 로드(4ab)의 한쪽 끝부에 장착되어 있다. 피스톤(4ac)는, 실린더 튜브(4aa) 내에 삽입되어 있다. 실린더 로드(4ab)는 실린더 튜브(4aa)에 대하여 상대적으로 이동할 수 있다. 이로써, 피스톤(4ac)은, 실린더 튜브(4aa)의 내벽에 대하여 슬라이딩 가능하다.
실린더 헤드(4ad)와 피스톤(4ac)와 실린더 튜브(4aa)의 내벽에 의해 구획된 룸이, 실린더 헤드측 오일실(40A)을 구성하고 있다. 피스톤(4ac)에 대하여 실린더 헤드측 오일실(40A)와는 반대측의 오일실이 실린더 보텀측 오일실(40B)을 구성하고 있다.
실린더 헤드측 오일실(40A)에 작동유가 공급되고, 실린더 보텀측 오일실(40B)로부터 작동유가 배출되는 것에 의해, 실린더 로드(4ab)가 축퇴(縮退)한다. 또한, 실린더 헤드측 오일실(40A)부터 작동유가 배출되고, 실린더 보텀측 오일실(40B)에 작동유가 공급되는 것에 의해, 실린더 로드(4ab)가 신장(伸張)된다. 이로써, 실린더 로드(4ab)는 도면 중 좌우 방향으로 직동(直動)한다.
스트로크 센서(7a)는, 예를 들면, 실린더 튜브(4aa)의 외부로서, 실린더 헤드(4ad)에 인접한 위치에 배치되어 있다. 스트로크 센서(7a)는, 케이스(14)의 내부에 배치되어 있다.
스트로크 센서(7a)는, 회전 롤러(11)와, 회전 중심축(12)과, 회전 센서부(13)를 가지고 있다. 회전 롤러(11)는, 회전 롤러(11)의 외주면(外周面)이 실린더 로드(4ab)의 표면에 접촉하도록 배치되어 있다. 회전 롤러(11)는, 실린더 로드(4ab)의 직동에 따라, 회전 중심축(12)을 중심으로 하여 회전 가능하다. 회전 센서부(13)는, 회전 롤러(11)의 회전량(회전 각도)을 검출 가능하게 구성되어 있다.
도 3의 (A)에 나타낸 바와 같이, 회전 센서부(13)는, 자석(13a)과, 홀 IC(Integrated Circuit)(13b)를 가지고 있다. 자석(13a)은, 회전 롤러(11)와 일체로 회전하도록 회전 롤러(11)에 장착되어 있다.
자석(13a)은, 회전 롤러(11)의 회전 각도에 따라, N극, S극이 교호적(交互的)으로 바뀌도록 구성되어 있다. 자석(13a)은, 회전 롤러(11)의 일회전을 1주기(周期)로 하여, 홀 IC(13b)에 의해 검출되는 자력(磁力)[자속(磁束) 밀도]이 주기적으로 변동되도록 구성되어 있다.
홀 IC(13b)는, 자석(13a)에 의해 생성되는 자력(자속 밀도)을 전기 신호로서 검출하는 자력 센서이다. 홀 IC(13b)는, 회전 중심축(12)의 축 방향을 따라, 자석(13a)으로부터 이격된 위치에 설치되어 있다.
도 3의 (B)에 나타낸 바와 같이, 회전 롤러(11)가 회전하고, 그에 따라 자석(13a)이 회전하면, 회전 각도에 따라, 홀 IC(13b)를 투과하는 자력(자속 밀도)이 주기적으로 변화되고, 센서 출력인 전기 신호(전압)가 주기적으로 변화한다. 이 홀 IC(13b)로부터 출력되는 전압의 크기로부터 회전 롤러(11)의 회전 각도를 계측할 수 있다.
또한, 홀 IC(13b)로부터 출력되는 전기 신호(전압)의 1주기가 반복되는 수를 카운트함으로써, 회전 롤러(11)의 회전수를 계측할 수 있다. 그리고, 회전 롤러(11)의 회전 각도와 회전 롤러(11)의 회전수에 기초하여, 붐 실린더(4a)의 실린더 로드(4ab)의 변위량(스트로크 길이)이 계측된다.
암 실린더(4b) 및 버킷 실린더(4c)의 각각은, 붐 실린더(4a)와 마찬가지의 스트로크 센서가 부착된 실린더의 구성을 가지고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더(4a)에서의 상기 실린더 로드(4ab)의 변위량으로부터 붐 각 A1을 산출할 수 있다. 또한 암 실린더(4b)에서의 실린더 로드의 변위량으로부터 암 각 A2을 산출할 수 있다. 또한 버킷 실린더(4c)에서의 실린더 로드의 변위량으로부터 버킷 각 A3을 산출할 수 있다. 또한 붐 실린더(4a)에서의 변위량을 시간에 2회 미분(微分)함으로써 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도 α를 산출할 수 있다.
스트로크 센서(7a, 7b, 7c)와, 압력 센서(6a, 6b)와의 각각은, 컨트롤러(8)의 연산 장치(8a)에 전기적으로 접속되어 있다. 이로써, 상기한 붐 실린더(4a)의 헤드압 및 보텀압과 붐 각 A1과, 암 각 A2와, 버킷 각 A3과, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도 α가, 컨트롤러(8) 내의 연산 장치(8a)로 송신 가능하다.
그리고, 붐 각 A1과, 암 각 A2와, 버킷 각 A3과, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도 α는, 스트로크 센서(7a, 7b, 7c)로부터 연산 장치(8a)에 보내진 전기 신호[홀 IC(13b)에 의해 검출된 전기 신호]에 의해 연산 장치(8a)에 의해 산출되어도 된다.
컨트롤러(8)는, 연산 장치(8a)뿐 아니라, 기억부(8b)를 가지고 있어도 된다. 기억부(8b)에는, 후술하는 버킷의 진정한 하중값에 대한 상기 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터(하중 보정 테이블), 붐(3a), 암(3b), 버킷(3c)의 중량, 형상 등을 기억하고 있어도 된다. 또한 이 관계 데이터 등은, 기억부(8b)에 당초부터 기억되어 있어도 되고, 또한 오퍼레이터의 조작에 의해 작업 기계(10)의 외부로부터 기억부(8b)에 입력되어도 된다.
이 컨트롤러(8)[연산 장치(8a)]는, 붐 실린더(4a)의 부하에 기초하여 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능을 가지고 있다. 구체적으로는, 컨트롤러(8)[연산 장치(8a)]는, 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)의 모멘트의 균형으로부터 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능을 가지고 있다. 또한 컨트롤러(8)[연산 장치(8a)]는, 연산에 의해 얻어진 상기 현재의 하중값을, 스트로크 센서(7a)에 의해 검지된 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도에 기초하여 보정하는 기능을 가지고 있다.
그리고, 붐 실린더(4a)의 부하란, 붐 실린더(4a)의 헤드압 및 보텀압으로부터 얻어지는, 이른바 축력(軸力)이다. 또한 현재의 하중값의 보정에 사용되는 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도는, 작업기(3)의 요동(搖動)에 의한 관성에 의해 생기는 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도이다. 이 요동은, 붐(3a)을 작동시켰을 때의 통상의 동작에 기초한 붐 실린더(4a)의 신축 그 자체가 아니고, 작업기(3)의 작동에 따라 부차적으로 생기는 작업기(3)의 요동이다.
또한 컨트롤러(8)[연산 장치(8a)]는, 상기 관계 데이터에 기초하여, 연산에 의해 얻어진 하중값을 보정하는 기능을 가지고 있다. 구체적으로는, 컨트롤러(8)[연산 장치(8a)]는, 연산에 의해 얻어진 하중값을, 버킷의 진정한 하중값(참 하중값) WR에 대한 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터에 기초하여 보정하는 기능을 가지고 있다.
다음에, 본 실시형태에 있어서의 작업 기계에 있어서, 버킷(3c) 내의 현재의 하중값 W를 연산하는 방법에 대하여 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는, 모멘트의 균형을 설명하기 위한 작업기의 모식도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 있어서는, 붐 풋 핀(5a) 주위의 각 모멘트의 균형으로부터 버킷(3c) 내의 현재의 하중값 W가 검출된다. 여기서, 붐 풋 핀(5a) 주위의 각 모멘트의 균형은 이하의 식(1)에 의해 표현된다.
Mboomcyl= Mboom＋Marm＋Mbucket＋W×L … 식(1)
식(1)에 있어서, Mboomcyl은, 붐 실린더(4a)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트이다. Mboom은, 붐(3a)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트이다. Marm은, 암(3b)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트이다. Mbucket는, 버킷(3c)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트이다. W는, 버킷(3c) 내의 현재의 하중값이다. L은, 붐 풋 핀(5a)으로부터 핀(5c)[버킷(3c)이 암(3b)에 지지되는 부분]까지의 수평 방향의 거리이다.
MboomcyL은, 붐 실린더(4a)의 부하(헤드압 및 보텀압)로부터 산출된다.
Mboom은, 붐(3a)의 중심(重心)(C1) 및 붐 풋 핀(5a)의 사이의 거리 r1과, 붐(3a)의 중량 M1과의 곱(r1×M1)에 의해 산출된다. 붐(3a)의 중심 C1의 위치는, 붐 각 A1 등으로부터 산출된다. 붐(3a)의 중량 M1 등은, 기억부(8b)에 기억되어 있다.
Marm은, 암(3b)의 중심 C2 및 붐 풋 핀(5a)의 사이의 거리 r2와, 암(3b)의 중량 M2와의 곱(r2×M2)에 의해 산출된다. 암(3b)의 중심 C2의 위치는, 암 각 A2 등으로부터 산출된다. 암(3b)의 중량 M2 등은, 기억부(8b)에 기억되어 있다.
Mbucket는, 버킷(3c)의 중심 C3 및 붐 풋 핀(5a)의 사이의 거리 r3와 버킷(3c)의 중량 M3과의 곱(r3×M3)에 의해 산출된다. 버킷의 중심 C3의 위치는, 버킷 각 A3 등으로부터 산출된다. 버킷(3c)의 중량 M3 등은, 기억부(8b)에 기억되어 있다.
도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 버킷(3c) 내의 현재의 하중값 W의 산출에 있어서, 스트로크 센서(7a, 7b, 7c)의 각각에 의해 각 실린더(4a, 4b, 4c)의 변위량이 검출된다. 각 실린더(4a, 4b, 4c)의 변위량에 기초하여 컨트롤러(8) 등에 의해 붐 각 A1, 암 각 A2 및 버킷 각 A3이 산출된다. 이들 붐 각 A1, 암 각 A2 및 버킷 각 A3에 기초하여 컨트롤러(8) 등에 의해 중심 C1, C2, C3의 각 위치가 산출된다.
중심 C1과 붐(3a)의 중량 M1과의 곱으로부터, 붐(3a)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트 Mboom이 산출된다. 또한 중심 C2의 위치와 암(3b)의 중량 M2와의 곱으로부터, 암(3b)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트 Marm이 산출된다. 또한 중심 C3의 위치와 버킷(3c)의 중량 M3과의 곱으로부터, 버킷(3c)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트 Mbucket가 산출된다.
한편, 압력 센서(6a)에 의해 붐 실린더(4a)의 헤드압이 검출된다. 압력 센서(6b)에 의해 붐 실린더(4a)의 보텀압이 검출된다. 이 붐 실린더(4a)의 헤드압과 보텀압에 기초하여 붐 실린더(4a)의 붐 풋 핀(5a) 주위의 모멘트 Mboomcyl가 컨트롤러(8) 등에 의해 산출된다.
또한 상기에 있어서 산출된 붐 각 A1, 암 각 A2, 붐(3a)의 길이, 및 암(3b)의 길이로 기초하여, 붐 풋 핀(5a)으로부터 핀(5c)까지의 수평 방향의 거리 L이 컨트롤러(8) 등에 의해 산출된다.
상기에 의해 산출된 각 모멘트 Mboomcyl, Mboom, Marm, Mbucket 및 거리 L을 상기 식(1)에 대입함으로써, 버킷(3c) 내의 현재의 하중값 W가 컨트롤러(8) 등에 의해 산출된다.
상기한 바와 같이 하중값 W은 각 실린더(4a, 4b, 4c)의 변위량, 헤드압, 보텀압 등을 사용하여 산출된다. 그러므로, 작업기(3)의 동작 시에는 작업기(3)의 관성력에 의해 하중값 W의 측정값에 오차가 생긴다. 구체적으로는, 상기에 의해 측정된 하중값 W은, 진정한 하중값 WR뿐아니라, 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1도 포함하고 있다.
상기에 감안하여 본 발명자가 예의(銳意) 검토한 결과, 본 발명자는, 상기한 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1을 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도 α의 변동에 의해 검출할 수 있는 것을 발견하였다. 그래서 다음에, 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1을 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도 α의 변동에 의해 검출할 수 있는 것에 대하여 도 5의 (A)∼도 5의 (C)를 참조하여 설명한다.
본 발명자는, 붐 동작 시에서의 버킷(3c) 내의 하중값(계산 하중값)을, 상기 모멘트의 균형으로부터 구하였다. 도 5의 (A)는, 그 결과를 나타내고, 버킷(3c) 내의 하중값의 시간 변화를 나타내고 있다. 또한 본 발명자는, 그 붐 동작 시에서의 붐 실린더의 신축의 가속도도 조사하였다. 도 5의 (B)는, 그 결과를 나타내고, 그 가속도의 시간 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 5의 (C)는, 상기한 붐 동작 시의 붐 실린더의 PPC(Pressure Proportional Control)압의 시간 변화를 나타내고 있다.
도 5의 (C)에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더(4a)의 동작 개시 시에는, 붐 실린더의 PPC압이 상승한다. 이 붐 실린더(4a)의 동작 개시 시에, 도 5의 (A)에 나타낸 바와 같이, 계산 하중에는 진폭이 생긴다. 이 진폭은, 붐 실린더(4a)의 PPC압을 유지하고 있는 동안에는, 시간의 경과와 함께 감쇠(減衰)한다.
이 후, 도 5의 (C)에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더(4a)의 동작 정지(停止) 시에는, 붐 실린더의 PPC압이 하강한다. 이 붐 실린더(4a)의 동작 정지 시에도, 도 5의 (A)에 나타낸 바와 같이, 계산 하중값의 곡선에는 진폭이 생긴다. 이 진폭은, 붐 실린더(4a)의 PPC압이 일정하게 유지되고 있는 동안은, 시간의 경과와 함께 감쇠한다.
버킷(3c) 내의 진정한 하중값 WR은, 시간의 경과에 의해 변화하지 않는다. 그러므로, 도 5의 (A)의 하중값의 곡선에 나타나는 진폭에 의한 변동은 오차이다. 이 오차인 진폭은, 붐(3a)의 동작의 개시 시 및 정지 시에 생기고 있다. 그러므로, 계산 하중값에 생기는 오차(진폭)는, 붐(3a) 등의 작업기(3)의 동작 시의 관성에 기초한 오차인 것으로 생각된다.
한편, 도 5의 (B)에 나타낸 바와 같이, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도에도, 도 5의 (A)에 나타내는 계산 하중값과 마찬가지의 타이밍에서 진폭이 생기고 있다. 이 결과로부터, 본 발명자는, 붐 실린더(4a)의 가속도의 곡선에 생긴 진폭을 검출함으로써, 작업기(3)의 관성에 의한 오차를 검출할 수 있는 것을 발견하였다.
다음에, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도의 곡선에 생긴 진폭에 기초하여 계산 하중값을 보정함으로써, 작업기(3)의 관성에 의한 오차를 계산 하중값으로부터 제거하는 방법에 대하여, 도 5의 (D) 및 도 6의 (A), (B)를 참조하여 설명한다.
도 5의 (D)는, 계산 하중의 진폭과 가속도의 진폭으로부터 보정 후의 하중값을 산출하는 식을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 6의 (A)는, 버킷 내의 계산 하중값의 시간 변화를 나타낸 도면이다. 도 6의 (B)는, 붐 실린더의 신축의 가속도의 시간 변화를 나타낸 도면이다.
작업기(3)의 관성에 의한 오차를 계산 하중값으로부터 제거하기 위해, 회귀(回歸) 분석(최소 제곱법)이 사용된다. 이 회귀 분석에 있어서는, 먼저 회귀식이 설정된다. 이 회귀식은, 예를 들면, 도 5의 (D)에 나타낸 식이다.
도 5의 (D)에 나타낸 바와 같이, 이 회귀식은, 계산 하중[예를 들면, 도 5의 (A)의 진폭의 부분 RA)]이, 가속도의 진폭[예를 들면, 도 5의 (B)의 진폭의 부분 RB)]과 계수 c와의 곱으로 보정 후의 하중값을 만족시키는 값과 대략 같아지도록 설정된다. 구체적으로는, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도에서의 진폭은, 소정의 계수 c를 인가할 수 있으므로, 계산 하중의 진폭에 근사된다. 이 계산 하중의 진폭에 근사된 가속도의 진폭이, 계산 하중으로부터 감소하는 것에 의해, 작업기(3)의 관성에 의한 오차가 캔슬된 보정 후의 하중값이 산출된다.
상기 회귀식의 계수 c는, 계산 하중의 측정값과, 붐 실린더의 신축의 가속도의 측정값에 기초하여 구해진다.
구체적으로는, 도 6의 (A) 및 도 6의 (B)에 나타낸 바와 같이, 어떤 시각 t(n)의 직전 1.0초간에 측정된 5점의 가속도[예를 들면α(n-4), α(n-3), α(n-2), α(n-1), α(n)]로부터 가속도의 파형(波形)을 얻을 수 있다. 또한 어떤 시각 t(n)의 직전 1.0초간에 측정된 5점의 하중[w(n-4), w(n-3), w(n-2), w(n-1), w(n)]으로부터 하중의 파형을 얻을 수 있다.
이와 같이 하여 얻어진 가속도의 파형과 하중의 파형이 서로 비교되는 것에 의해, 계수 c가 구해진다. 이 때, 상기 가속도의 파형으로 얼마만큼의 계수 c를 인가하면 상기 하중의 파형으로 가장 근사할 수 있는지가 연산되고, 그 연산의 결과로부터 상기 계수로서의 c가 얻어진다.
상기 계수 c가 얻어지면, 그 계수 c와 어떤 시각 t(n)에서의 붐 실린더의 신축의 가속도와 계산 하중이 도 5의 (D)에 나타내는 식으로 대입된다. 이로써, 어떤 시각 t(n)에서의 보정 후의 하중값이 구해진다.
상기한 회귀 분석이 예를 들면, 10m초마다 실시된다. 이로써 10m초마다 보정 후의 하중값을 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 얻어진 보정 후의 하중값이, 그 시간마다 플롯(plot)된다. 이로써, 예를 들면, 도 5의 (A)에 일점 쇄선으로 나타낸 바와 같은 보정 후의 하중값의 곡선을 얻을 수 있다. 이 보정 후의 하중값에 있어서는, 작업기(3)의 관성에 의한 오차(진폭)가 캔슬되어 있다.
상기에 의해, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도의 곡선에 생긴 진폭에 기초하여 계산 하중값을 보정함으로써, 작업기(3)의 관성에 의한 오차가 계산 하중값으로부터 제거된 보정 후의 하중값을 얻을 수 있다.
그런데, 도 5의 (A)에 일점 쇄선으로 나타낸 바와 같은 보정 후의 하중값의 곡선에 있어서는, 하중값이 여전히 일정값(직선)으로 되어 있지 않고, 시간의 경과에 따라 변동되어 있다. 이것은, 계산 하중 W를 산출하기 위한 도 4에 나타낸 계산 모델이, 도 1에 나타낸 실제의 작업기(3)와 다른 상정(想定)을 가지는 것에 기초하고 있는 것으로 생각된다.
구체적으로는, 도 4에 나타낸 계산 모델은, 하중 W가 암(3b)의 선단[즉 핀(5c)]의 위치에 있는 것으로 상정하고 있다. 한편, 도 1에 나타낸 실제의 작업 기계(10)에 있어서는, 버킷(3c)의 내부에 하중 W가 있다. 그러므로, 하중 W의 위치에 있어서, 도 4의 계산 모델의 상정과 도 1의 실제의 작업기(3)와는 서로 상이하다.
또한, 도 4에 나타낸 계산 모델은, 버킷(3c)이 암(3b)에 대하여 최대 말려들기 위치에서 고정된 상태를 상정하고 있다. 한편, 도 1에 나타낸 실제의 작업 기계(10)에 있어서는, 붐(3a) 및 암(3b)의 동작에 따라 버킷(3c)도 암(3b)에 대하여 회전한다. 그러므로, 암(3b)에 대한 버킷(3c)의 회전 위치에 있어서도, 도 4의 계산 모델의 상정과 도 1의 실제의 작업기(3)와 서로 상이하다.
또한, 도 4에 나타낸 계산 모델에 있어서는 붐 실린더(4a)의 슬라이딩 저항(실린더 동작 시의 마찰)이 상정되어 있지 않다. 한편, 도 1에 나타낸 실제의 작업 기계(10)에 있어서는 붐 실린더(4a)의 슬라이딩 저항이 발생한다. 그러므로, 붐 실린더(4a)의 슬라이딩 저항의 유무에 있어서도, 도 4의 계산 모델의 상정과도 1의 실제의 작업기(3)와 서로 상이하다.
상기한 바와 같이 도 4의 계산 모델이 도 1에 나타낸 실제의 작업기(3)와 다른 상정인 것에 기초한 오차 E2가, 보정 후의 하중값에 포함되어 있는 것으로 생각된다. 그래서 다음에, 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2를 보정 후의 하중값으로부터 제거하는 보정에 대하여 도 7을 참조하여 설명한다.
도 7은, 버킷(3c) 내의 하중값과 버킷(3c)내의 하중값의 오차와의 관계를 나타낸 도면이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 버킷(3c) 내의 하중값과 하중값의 오차와의 관계를 나타낸 관계 데이터 1(하중 보정 테이블)은, 예를 들면, 상기 오차 E2를 보정 후의 하중값으로부터 제외하고 보정에 사용된다.
관계 데이터 1은, 하중값이 커질수록, 하중값의 오차가 작아지게 되는 관계를 가지고 있다. 이 관계 데이터 1에서는, 하중값이 커질수록, 계산 하중값(예를 들면, 보정 후의 하중값)에 대한 보정량(절대값)이 커지게 된다. 여기서 관계 데이터에서의 하중값이란, 상기 작업기(3)의 관성에 의한 오차가 보정된 후에 있어서는, 보정 후의 하중값을 의미한다.
또한, 관계 데이터 1에 있어서, 버킷(3c) 내의 하중값에 대한 버킷(3c) 내의 하중값의 오차의 크기의 관계는, 예를 들면, 2차 함수에 의해 표현된다. 이 경우, 하중값의 오차의 크기는, 버킷(3c) 내의 하중값의 증가에 의해 2차 함수적으로 감소한다.
이 관계 데이터 1을 사용한 보정에 있어서는, 상기에 있어서 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1의 보정이 행해진 보정 후의 하중값으로부터, 관계 데이터 1의 관계에 기초하여 하중 오차가 제거되는 것에 의해 진정한 하중값이 산출된다.
본 발명자는, 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2를 계산 하중값(예를 들면, 보정 후의 하중값)으로부터 제거하기 위해 예의 검토한 결과, 상기 관계 데이터 1을 사용하여 보정을 행하면, 상기 오차 E2를 적절히 제거할 수 있는 것을 발견하였다.
예를 들면, 도 7에 나타낸 관계 데이터 2와 같이, 진정한 하중값의 값에 관계없이 하중 오차가 일정한 관계 데이터를 사용하여 보정을 행한 경우, 정확하게 보정을 행할 수 없었다. 이에 대하여 관계 데이터 1을 사용한 경우에는, 도 8의 (B)에 있어서 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같은 보정 후의 하중값의 곡선을 얻을 수 있다.
이 도 8의 (B)에 나타낸 보정 후의 하중값의 곡선은, 도 8의 (A)에 나타낸 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1만의 보정이 행해진 보정 후의 하중값의 곡선(1점 쇄선으로 나타낸 곡선)보다도 일정값에 가까워지고 있다. 이 결과로부터, 도 7에 나타낸 관계 데이터 1을 사용하여 보정을 행함으로써, 상기 오차 E2를 적절히 제거할 수 있는 것을 알 수 있었다.
그리고, 본 실시형태에 있어서는, 상기한 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정은, 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1의 보정 후의 하중값에 대하여 행해지는 경우에 대하여 설명하였다. 그러나, 상기한 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정은, 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1의 보정 전에 행해져도 된다. 또한 상기한 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정은, 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1의 보정과 동시에 행해져도 된다.
또한, 상기한 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정을 행하지 않고, 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1의 보정만이 행해져도 된다. 또한 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1의 보정을 행하지 않고, 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정만이 행해져도 된다. 특히 붐 실린더(4a)가 동작하지 않는 정지 시에는, 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정만이 행해진다.
그리고, 상기 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1가 보정되기 전에 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2가 보정되는 경우 또는 계산 모델과의 상위에 기초한 오차 E2의 보정만이 행해지는 경우에는, 도 7에서의 관계 데이터 1에서의 하중값이란, 모멘트의 균형으로부터 얻어지는 계산 하중값을 의미한다.
다음에, 본 실시형태의 작용 효과에 대하여 설명한다.
본 실시형태에 있어서는, 붐 실린더(4a)의 신축의 가속도에 기초하여 버킷(3c) 내의 하중값 W가 보정된다. 이로써, 붐(3a), 암(3b), 버킷(3c) 등의 동작에 기초한 작업기(3)의 관성에 의한 오차 E1을 하중값 W로부터 제거할 수 있다. 그러므로, 하중 계측 시의 계측 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한 컨트롤러(8)는, 상기 가속도에 기초한 보정에 더하여, 연산에 의해 얻어진 하중값을, 버킷(3c)의 하중값에 대한 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터에 기초하여 보정한다. 이로써, 도 4에 나타낸 모멘트의 균형의 모델이, 도 1에 나타낸 실제의 작업기(3)의 구성 및 상태와 상이한 상정을 가지는 경우라도, 그 모델과 실제의 작업기와의 상위에 기초한 오차 E2를 보정하는 것이 가능해진다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 관계 데이터 1은, 버킷(3c)의 하중값이 클수록, 버킷(3c)의 하중값 W의 오차가 작아지게 되는 관계를 가지고 있다. 이로써, 관계 데이터 1에서의 하중값과 오차와의 관계를, 버킷(3c)의 하중값이 커질수록 하중값에 대한 하중값의 오차가 상대적으로 작아진다는 실정에 적합한 관계로 할 수 있다. 이로써, 계산 모델과의 상위에 기초한 오차를 적절히 보정할 수 있다.
또한, 도 7의 관계 데이터 1에 있어서, 버킷(3c)의 하중값에 대한 버킷(3c)의 하중값의 오차의 크기의 관계는 2차 함수에 의해 표현된다. 이로써, 상기 관계 데이터 1에서의 하중값과 오차와의 관계를, 간단하고 용이하게 실정에 적합한 관계로 할 수 있다.
그리고, 컨트롤러(8)는, 붐 실린더(4a)의 부하에 기초하여 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능을 가지고 있으면 된다. 이 기능의 일례는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)의 정역학적(靜力學的)인 모멘트의 균형으로부터 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능이다.
이 기능의 다른 예로서, 붐(3a), 암(3b) 및 버킷(3c)의 동역학적(動力學的)인 모멘트의 균형으로부터 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능이 사용되어도 된다. 또 다른 예로서, 붐(3a), 암(3b), 버킷(3c), 실린더(4a, 4b, 4c) 등의 정역학적 또는 동역학적인 모멘트의 균형으로부터 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능이 이용되어도 된다. 또 다른 예로서, 작업기(3)의 구성 부재의 힘의 균형에 의해 버킷(3c) 내의 현재의 하중값(계산 하중값) W를 연산하는 기능이 이용되어도 된다.
이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각된다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에서가 아니라 청구의 범위에 의해 표시되고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도 된다.
1: 주행체, 1a: 크롤러 장치, 2: 선회체, 2a: 운전실, 2b: 운전석, 2c: 엔진룸, 2d: 카운터웨이트, 3: 작업기, 3a: 붐, 3b: 암, 3c: 버킷, 4a: 붐 실린더, 4aa: 실린더 튜브, 4ab: 실린더 로드, 4ac: 피스톤, 4ad: 실린더 헤드, 4b: 암 실린더, 4c: 버킷 실린더, 5a: 붐 풋 핀, 5b: 붐 선단 핀, 5c: 핀, 6a, 6b: 압력 센서, 7a, 7b, 7c: 스트로크 센서, 8: 컨트롤러, 8a: 연산 장치, 8b: 기억부, 10: 작업 기계, 11: 회전 롤러, 12: 회전 중심축, 13: 회전 센서부, 13a: 자석, 13b: 홀 IC, 14: 케이스, 40A: 실린더 헤드측 오일실, 40B: 실린더 보텀측 오일실.

Claims (6)

  1. 붐(boom);
    상기 붐의 선단에 장착된 암(arm);
    상기 암의 선단에 장착된 버킷(bucket);
    상기 붐을 구동하는 붐 실린더;
    상기 붐 실린더의 신축(伸縮)의 가속도를 검지하는 검지부; 및
    상기 붐 실린더의 부하에 기초하여 상기 버킷 내의 하중값을 연산하고, 연산에 의해 얻어진 상기 하중값을, 상기 검지부에 의해 검지된 상기 붐 실린더의 신축의 상기 가속도에 기초하여 보정하는 컨트롤러;
    를 포함하고,
    상기 컨트롤러는, 상기 가속도에 기초한 보정에 더하여, 연산에 의해 얻어진 상기 하중값을, 상기 버킷의 하중값에 대한 상기 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터에 기초하여 보정하는, 작업 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관계 데이터는, 상기 버킷의 하중값이 클수록, 상기 버킷의 하중값의 오차가 작아지게 되는 관계를 가지고 있는, 작업 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 관계 데이터에 있어서, 상기 버킷의 하중값에 대한 상기 버킷의 하중값의 오차의 크기의 관계는 2차 함수에 의해 표현되는, 작업 기계.
  4. 붐과, 암과, 버킷과, 상기 붐을 구동하는 붐 실린더를 포함하는 작업 기계의 제어 방법으로서,
    상기 붐 실린더의 부하에 기초하여 상기 버킷 내의 하중값을 연산하고, 연산에 의해 얻어진 상기 하중값을, 상기 붐 실린더의 신축의 가속도에 기초하여 보정하고,
    상기 가속도에 기초한 보정에 더하여, 연산에 의해 얻어진 상기 하중값을, 상기 버킷의 하중값에 대한 상기 버킷의 하중값의 오차의 크기를 나타내는 관계 데이터에 기초하여 보정하는, 작업 기계의 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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