KR20030008572A - 굴삭기의 자동 작업을 수행하기 위한 유압 제어 장치 및방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압식 건설기계 특히 굴삭기를 사용한 직선 굴삭작업 및 법면 굴삭작업, 일정한 굴삭작업, 그리고 고르기 작업등을 자동으로 수행하기 위해 컨트롤러에서 각 작업기의 최적의 이동궤적을 연산하고 각 작업기 제어밸브에 제어신호를 출력하여 자동 굴삭 작업을 하도록 제어하는 굴삭기의 자동 작업을 제어하기 위한 유압 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래에는 사용자에 의한 수동조작에 의해 굴삭기의 작업이 이루어져, 장시간 작업을 실시할 경우 사용자의 피로가 가중되어 작업의 능률이 떨어지고, 또한 미 숙련 사용자의 경우 조절 레버등을 다루는데 미숙함으로 작업 속도가 늦어지며 오동작을 일으키는 등 작업의 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다.

이에 본 발명에서는 시간에 따라 연속적으로 변화하는 굴삭기의 동작을 파악하기 위해 소정 설정 시간 동안의 동작 변화량에서 현재의 상태를 바로 이전의 상태로 가정하여 설정하는 시간지연제어법칙을 적용하여 굴삭기의 위치상태 정보를 최대한 이용함으로써 굴삭기가 외부지면으로부터 받는 외력으로 인해 발생하는 굴삭 오차를 최소로 하면서 작업이 가능토록 하고, 또한 기존의 장비에 장착이 가능하도록 유압 제어부를 구성하여 기존 장비의 운전과 쉽게 공용화 하여 굴삭 작업의 효율을 높일뿐만 아니라, 비용절감의 효과를 얻는다.

Description

굴삭기의 자동 작업을 수행하기 위한 유압 제어 장치 및 방법{Hydraulic control appratus and method for Excavator which can operate automatically work}

본 발명은 굴삭기의 자동 작업을 수행하기 위한 유압 제어 장치이다.

일반적으로 굴삭기는 각 작업부위(붐, 암, 버켓)와 그 작업부위를 구동하기 위한 붐 실린더, 암 실린더, 버켓 실린더, 그리고 굴삭기 몸체의 선회동작을 위한 선회 모터등의 작업기와 상기 각 작업기 구동 실린더에 동력원인 압유를 공급하기 위한 원동기와 유압 펌프로 구성되어 굴삭, 배토, 땅고르기 작업등 여러 가지 작업을 수행하는 유압식 건설기계이다.

이 굴삭기를 이용하여 정지작업 또는 일정각 굴삭 작업을 수행하기 위해서는 붐(Boom), 암(Arm), 버켓(Bucket)이 동시에 제어되어 버켓 또는 암 선단을 일정한 궤적으로 이동하도록 제어하여야 한다.

상기와 같은 작업을 수행하기 위해서는 각 작업기 조작레버를 숙련된 동작으로 동시 조작해야 하는 고도의 숙련 조작이 요구되는데, 미숙련 사용자의 경우 상기와 같은 복합적인 조작이 쉽지 않고 작업 속도가 늦어지며 오조작할 가능성이 농후하여 문제가 되고 있다.

이에 굴삭기등과 같은 중장비의 자동화가 요구되는 바, 대한민국 특허공고 제 96-13596호 에서는 가변 구조 제어 이론이 적용된 자동화 제어장치가 제안되고 있다.

즉, 작업자가 초기에 직선굴삭, 법면굴삭, 고르기 작업, 일정각 굴삭등과 같은 작업 모드를 선택하고, 해당 작업에서의 굴삭 각도를 선정한 다음 자동 작업을 선택할 경우, 작업 자동화 컨트롤러에서 자동으로 초기의 굴삭 각도를 유지하면서 굴삭 작업이 수행되도록 최적의 작업 경로를 연산하고 상기 컨트롤러에서 연산된 최적의 경로를 따라 각 작업기가 이동하도록 각각의 작업기 제어밸브들에 제어신호를 출력하여 각 작업기 실린더에 공급되는 유량을 제어함으로써 각 작업기가 목표한 굴삭각도를 유지하면서 작업이 이루어지도록 되어 있다.

더불어, 상기 연산된 작업 경로에서 자동 굴삭 작업의 수행중 운전자가 작업 속도를 증가하고자 할 경우에 운전자가 자동작업 속도 제어레버를 조작하면 이 조작량에 비례하여 작업속도가 증가하도록 되어 있다.

상기의 가변 구조 제어 이론이 적용된 굴삭기의 제어장치에 있어서 유압밸브 및 서보밸브가 갖는 비선형 특성을 제어하기 위해 PID(비례-적분-미분)제어를 이용한다.

그러나, 상기 PID제어를 이용하더라도 유압회로에 충격이 가해지면 각 작업기의 높이와 이동속도를 일정하게 유지할 수 없게 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 가변 구조 제어 이론이 적용된 굴삭기의 제어장치는 외부 환경이나 부하변동에 따라 채터링(chattering)현상과 도달시간 지연등 비선형 제어에 있어 신뢰성을 갖지 못하게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 시간에 따라 연속적으로 변화하는 굴삭기의 동작을 파악하기 위해 소정 설정 시간 동안의 동작 변화량에서 현재의 상태를 바로 이전의 상태로 가정하여 설정하는 시간지연제어법칙을 적용하여 굴삭기의 위치상태 정보를 최대한 이용함으로써 굴삭기가 외부지면으로부터 받는 외력으로 인해 발생하는 굴삭 오차를 최소로 하면서 작업이 가능토록 하고, 또한 기존의 장비에 장착이 가능하도록 유압 제어부를 구성하여 기존 장비의 운전과 쉽게 공용화 하여 굴삭 작업의 효율을 높일뿐만 아니라, 비용절감의 효과를 얻는다.

도 1은 본 발명 굴삭기 시스템의 전체 구성을 보인 도면.

도 2는 본 발명의 유압 제어부의 구성을 보인 도면.

본 발명은 시간에 따라 연속적으로 변화하는 굴삭기의 동작을 파악하기 위해 소정 설정 시간 동안의 동작 변화량에서 현재의 상태를 바로 이전의 상태로 가정하여 설정하는 시간지연제어법칙을 적용하여 굴삭기의 위치상태 정보를 최대한 이용함으로써 굴삭기가 외부지면으로부터 받는 외력으로 인해 발생하는 굴삭 오차를 최소로 하면서 작업이 가능토록 하고, 또한 기존의 장비에 장착이 가능하도록 유압 제어부를 구성하여 기존 장비의 운전과 쉽게 공용화 함에 그 특징이 있는 것으로,첨부된 도면 1내지 도면 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 굴삭기 시스템의 전체 구성을 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 유압 제어 장치의 구성을 보인 도면이다.

먼저, 도 1에서,

굴삭기(100)의 전체적인 궤적 구동신호를 발생하는 궤적 신호 발생부(10)와, 그 궤적 신호 발생부(10)에서 출력하는 궤적신호를 받아서 작업 구동신호를 발생하며 포텐셔 메타(60)에서 감지된 센서 감지량과 궤적 신호 발생부(10)에서 출력하는 궤적 신호의 목료량과의 비교분석을 하는 컨트롤러(20)와, 상기 컨트롤러(20)에서 발생하는 구동신호를 입력받아 유압밸브를 구동할 수 있도록 전기신호로 출력하는 D/A 컨버터(30)와, 굴삭기(100) 각각의 붐, 암, 버켓(도면에 표시않함)의 구동을 위한 유압회로부(40)와,

굴삭기(100)가 작업을 하게 되면 작업시 움직이는 각도를 감지하는 포텐셔 메타(60)와, 상기 포텐셔 메타(60)에서 감지된 각도값을 전기신호로 변환하여 컨트롤러(20)로 전달하는 A/D 컨버터(50)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 굴삭기 시스템은 궤적 신호 발생부(10)에서 전체 시스템의 작업을 지령하는 궤적신호를 발생하면, 컨트롤러(20)에서는 상기 궤적신호를 입력받아 자동작업 구동신호를 발생하게 된다.

상기 컨트롤러(20)에서 발생하는 구동신호를 D/A 컨트롤러(30)에서는 전기비례감압밸브(43)를 구동하는 전기신호로 변환하여 출력하고, 유압회로부(40)는 그 변환된 전기신호를 입력받아 동작을 하게 되어 굴삭기(100)는 작업을 수행하게 되는 것이다.

상기 구동신호에 의해 굴삭기가 작업을 하게 되면, 작업시 움직이는 속도 및 앵글(Angle)등을 포텐셔 메타(60)에서 감지하고, 그 감지된 값을 A/D 컨버터(50)에서 컨트롤러(20)로 입력하기 위한 전기신호로 변환하여 컨트롤러(20)로 입력하게 된다.

상기 컨트롤러(20)에서는 포텐셔 메타(60)에서 감지된 값과 궤적 신호 발생부(10)에서 출력하는 궤적 신호의 목표값과 비교를 하게 된다.

이때, 발생하는 포텐셔 메타(60)의 감지값과 궤적 신호 발생부(10)에서 출력하는 궤적 신호의 목료값과의 오차는 시간지연제어알고리즘을 통해 연산되어 오차 제거 발생신호가 발생하는 것이다.

상기 시간지연제어알고리즘은 시간에 따라 연속적으로 변화하는 제어 대상을 파악하기 위해 소정 설정 시간동안의 전후 변화량에서 현재의 상태를 바로 이전의 상태로 가정하는 방법으로서, 짧은 시간동안의 상태 변화는 전전상태량과 전상태량과의 차이로 대치하는 것이다.

본 발명에 적용되는 시간지연제어알고리즘를 상세 설명하면 다음과 같다.

시간지연제어알고리즘을 설계하기 위하여 선형화 기법을 사용하여 굴삭기(100)의 작업기 각각의 각도(θ''')를 수학식 1과 같이 변환한다.

여기서와는 굴삭기의 기계적 시스템과 유압회로 시스템의 비선형성을 표현하는 비선형 함수이다.

상기 수학식 1을 본 발명의 굴삭기 장치에 적용하기 위하여 수학식 2와 같이 변환한다.

여기서,이고,는 최초 컨트롤러(20) 설계시 설계자가 입력하는 상수값이다.

상기 수학식 2에 대한 시간지연제어법칙은 수학식 3과 같다.

여기서는 각축의 목표각도, L은 지연시간,로서 추종오차(Tracking error),은 동력학를 시간지연을 이용하여 보상하는 항이다.

지연시간 L이 충분히 작고 지연시간동안에가 크게 변하지 않는다면은와 거의 유사한 값을 갖게되어를 보상할 수 있다.

이때 오차동력학은 수학식 4와 같다.

시간지연제어알고리즘을 적용하기 위해서는 각가속도의 추출이 필요한데 이를 얻기 위해서는 각도나 각속도를 미분하여야 한다.

그러나, 미분시 발생하는 노이즈(Noise)로 인하여 실제 각 가속도와 상이한 값이 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 제어 설계차수를 2차로 나누어 수학식 5와 같은 시간지연제어알고리즘을 설계한다.

도 2는 본 발명의 유압 제어부의 구성을 보인 도면으로써,

사용자가 굴삭기(100)를 동작 제어하기 위한 운전 조이스틱(70)과, 사용자가 조이스틱(70)을 동작함에 따라 유압을 출력하는 RC(Remote control)밸브(41)와,

콘트롤러(20)의 자동 동작 제어신호에 유압의 양을 조절하여 출력하는 전자비례감압밸브(EPPR)(43)와,

콘트롤러(20)의 굴삭기 자동모드 동작신호가 입력되면, 선택 스위칭 동작하여 RC밸브(41)의 유압을 차단하고 전자비례감압밸브(EPPR)(43)에서 출력하는 유압을 입력받아 출력하는 솔레노이드 밸브(44)와,

상기 솔레노이드 밸브(44)에서 출력하는 유압을 입력받아 굴삭기(100)의 각 붐, 암, 버켓으로 출력하는 메인 콘트롤 밸브(MCV)(45)로 구성된다.

상기 미 설명부호 42는 비상사태 발생시 콘트롤러(20)에서 출력하는 비상신호를 입력받아 시스템을 정지하기 위한 비상 솔레노이드 밸브이고, 46, 47는 각각의 RC밸브(41)와 전자비례감압밸브(EPPR)(43)에 유량을 공급하기 위한 오일을 저장하는 오일탱크이다.

그 동작을 살펴보면,

사용자의 조이스틱(70) 조작 신호가 입력되면, RC밸브(41)는 그 조작 신호에 따라 유압을 솔레노이드 밸브(44)에 출력하게 되고, 솔레노이드 밸브(44)는 상기 RC밸브(41)에서 출력하는 유압을 그대로 메인 콘트롤 밸브(MCV)(45)에 출력하게 된다.

상기 메인 콘트롤 밸브(MCV)(45)는 사용자가 조이스틱(70)을 조작함에 따른 유압을 굴삭기(100)의 각각 붐, 암, 버켓에 출력하게 됨으로써 굴삭작업을 수행하게 되는 것이다.

사용자에 의한 자동 모드 신호가 콘트롤러(20)에 입력되면, 콘트롤러(20)는 전자비례감압밸브(EPPR)(43)에 굴삭기 동작 신호를 출력함과 동시에, 솔레노이드 밸브(44)에 선택 스위칭 동작 신호를 출력하여 RC밸브(41)의 유압을 차단하고 전자비례감압밸브(EPPR)(43)에서 출력하는 유압을 입력받아 메인 콘트롤 밸브(45)로 출력하게 하는 것이다.

상기 메인 콘트롤 밸브(45)는 콘트롤러(20)에서 출력하는 굴삭기 동작 신호에 따른 유압을 굴삭기(100) 각각 붐, 암, 버켓에 출력함으로써 굴삭기(100)의 자동 동작이 수행되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에서는 시간에 따라 연속적으로 변화하는 굴삭기의 동작을 파악하기 위해 소정 설정 시간 동안의 동작 변화량에서 현재의 상태를 바로 이전의 상태로 가정하여 설정하는 시간지연제어법칙을 적용하여 굴삭기의 위치상태정보를 최대한 이용함으로써 굴삭기가 외부지면으로부터 받는 외력으로 인해 발생하는 굴삭 오차를 최소로 하면서 작업이 가능토록 하고, 또한 기존의 장비에 장착이 가능하도록 유압 제어부를 구성하여 기존 장비의 운전과 쉽게 공용화 하여 굴삭 작업의 효율을 높일뿐만 아니라, 비용절감의 효과를 얻는다.

Claims (3)

1. 굴삭기의 전체적인 궤적 구동신호를 발생하는 궤적 신호 발생부와, 그 궤적 신호 발생부에서 출력하는 궤적신호를 받아서 작업 구동신호를 발생하며 포텐셔 메타에서 감지된 센서 감지량과 궤적 신호 발생부에서 출력하는 궤적 신호의 목료량과의 비교분석을 하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러에서 발생하는 구동신호를 입력받아 유압밸브를 구동할 수 있도록 전기신호로 출력하는 D/A 컨버터와, 굴삭기 각각의 붐, 암, 버켓의 구동을 위한 유압회로부와, 굴삭기가 작업을 하게 되면 작업시 움직이는 각도를 감지하는 포텐셔 메타와, 상기 포텐셔 메타에서 감지된 각도값을 전기신호로 변환하여 컨트롤러로 전달하는 A/D 컨버터로 구성됨을 특징으로 하는 굴삭기의 자동 작업을 수행하기 위한 유압 제어 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유압 회로부는 사용자가 조이스틱을 동작함에 따라 유압을 출력하는 원격 제어 밸브와, 콘트롤러의 자동 동작 제어신호에 유압의 양을 조절하여 출력하는 전자비례감압밸브와, 콘트롤러의 굴삭기 자동모드 동작신호가 입력되면, 선택 스위칭 동작하여 RCV회로의 유압을 차단하고 전자비례감압밸브에서 출력하는 유압을 입력받아 출력하는 제 2솔레노이드 밸브와, 상기 제 2솔레노이드 밸브에서 출력하는 유압을 입력받아 굴삭기의 각 붐, 암, 버켓으로 출력하는 메인 콘트롤 밸브와, 비상사태 발생시 콘트롤러에서 출력하는 비상신호를 입력받아 시스템을 정지하기 위한 비상 솔레노이드 밸브로 구성됨을 특징으로 하는 굴삭기의 자동 작업을 수행하기 위한 유압 제어 장치.
3. 콘트롤러에서 발생하는 굴삭기 자동모드 동작신호는 시간에 따라 연속적으로 변화하는 굴삭기의 동작을 파악하기 위해 소정 설정 시간 동안의 동작 변화량에서 현재의 상태를 바로 이전의 상태로 가정하여 설정하는 시간지연제어법칙을 적용하여 굴삭기의 위치상태 정보를 최대한 이용, 생성하는 것을 특징으로 하는 굴삭기의 자동 작업을 수행하기 위한 유압 제어 방법.