KR20030010894A - 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 자동 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 굴삭기에 관한 것으로써, 특히 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력을 작업조건에 따라 자동으로 설정되도록 하는 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 자동 제어 시스템에 관한 것이다.
종래의 사용자에 의한 작업모드 선택방법은 몇 개로 설정된 모드중에서 엔진과 펌프의 출력을 선정해야 하므로, 작업의 종류가 시간에 따라서 변화되거나, 설정된 모드와 맞지 않는 작업에서는 적절한 작업모드를 선정하는 것이 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 사용자가 굴삭기의 자동 작업 모드를 선택하면 굴삭기 엔진과 펌프의 출력이 작업조건에 맞게 자동으로 실행 가능하도록 컨트롤러부가 작업자의 작업 속도와 작업 부하를 검출하여 작업조건에 적합한 작업속도연산값, 작업부하연산값을 통하여 작업모드연산을 함으로써, 굴삭기의 엔진 회전수와 펌프의 출력값을 자동으로 설정하여 비 숙련 작업자의 작업 효율을 증진한다.

Description

굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 자동 제어 시스템{Control system of an engine and pump output for Excavator}
본 발명은 굴삭기에 관한 것으로써, 특히 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력을 작업조건에 따라 자동으로 설정되도록 하는 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 자동 제어시스템에 관한 것이다.
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.
상기한 유압 굴삭기는 토질의 상황과 작업 여건에 따라 액튜에이터의 동작점에서 유량과 압력의 변화가 비선형적일 뿐만 아니라, 운전자의 경험적이고 주관적인 사고에 의해서 작업이 수행되는 경우가 비일비재 하다.
따라서, 운전자의 숙련도에 따라 유압 계통의 동력 손실과 작업 시간에 있어서 많은 차이가 있을 수 있으며, 또한 엔진의 정상적인 동작수명에도 많은 영향이 미치게 된다.
유압 굴삭기의 작업이 선회, 주행, 굴삭 작업, 정지 작업, 상차 작업 등의 작업 요소별로 정해져 있는 동질의 일을 하는 것이지만, 작업속도 및 작업량(일량)의 작업모드는 동질의 작업요소이더라도 크게 변환된다.
예를 들어, 주행에 관하여 살펴보면 고속주행과 저속주행이 있고, 굴삭작업에 관하여 살펴보면 많은 일량을 수행하는 중 굴삭작업과 비교적 일의 양이 적은 경굴삭작업과 작업속도가 매우 느린 미조작 작업도 있다.
도 1은 종래의 굴삭기 엔진과 펌프의 출력제어 장치의 구성을 보인 도면으로써, 사용자가 작업모드 설정부(2)에서 원하는 작업 모드를 선택하면, 컨트롤러부(1)에서는 설정된 작업모드에 따른 엔진(6) 및 각각의 제 1,2펌프(7a,7b)의 동작 제어신호를 엔진 제어부(4) 및 펌프 제어부(3)에 출력하게 된다.
이후, 엔진 제어부(4) 및 펌프 제어부(3)에서는 상기 컨트롤러부(1)의 제어 신호를 입력받아 엔진(6)의 회전수 및 펌프(7a,7b)의 토크를 제어하여, 유압을 각각의 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)에 출력하게 된다.
각각의 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)에서는 상기 엔진(6) 및 제 1, 2펌프(7a,7b)에서 제어된 유압을 입력받아 각각의 실린더(10a,10b,10c,10d)에 출력하게 된다.
따라서, 종래에는 작업시 부하에 따라 굴삭모드, 중굴삭모드, 미세굴삭모드의 3가지 동작점에 맞추어 미리 엔진의 회전수와 펌프의 분배를 고정한 뒤에, 사용자가 이들 작업모드 가운데서 가장 적정한 작업모드를 선택하여 유압 굴삭기를 운전하도록 되어 있다.
그러나, 상기와 같은 사용자에 의한 작업모드 선택방법은 몇 개로 설정된 모드중에서 엔진과 펌프의 출력을 선정해야 하므로, 작업의 종류가 시간에 따라서 변화되거나, 설정된 모드와 맞지 않는 작업에서는 적절한 작업모드를 선정하는 것이 어려운 문제점이 있었다.
또한, 사용자가 정확한 작업모드를 선정해야 하는 부담이 있고, 작업 중에 작업 조건이 변화되면 다시 작업 모드를 변경해야 하며, 미리 정해진 세팅 조건만을 선택할 수 있는 제한이 있어서 작업에 최적인 모드를 세팅하는 것이 어려웠다.
따라서, 엔진과 펌프의 출력이 작업조건에 맞지 않는 조건에서 작업이 진행될 가능성이 크며, 결국 작업효율 저하나 불필요한 연료소비의 문제가 발생할 수 있었다.
이에 본 발명에서는 사용자가 굴삭기의 자동 작업 모드를 선택하면 굴삭기 엔진과 펌프의 출력이 작업조건에 맞게 자동으로 실행 가능하도록 컨트롤러부가 작업자의 작업 속도와 작업 부하를 검출하여 작업조건에 적합한 작업속도연산값, 작업부하연산값을 통하여 작업모드연산을 함으로써, 굴삭기의 엔진 회전수와 펌프의 출력값을 자동으로 설정하여 비 숙련 작업자의 작업 효율을 증진한다.
도 1은 종래의 굴삭기 엔진과 펌프의 출력제어 장치의 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명의 굴삭기 엔진과 펌프의 출력제어 장치의 구성을 보인 도면.
도 3는 본 발명 컨트롤러부의 구성을 보인 블록도.
도 4은 본 발명 컨트롤러부의 작업 속도 연산부의 연산과정을 블록으로 보인 도면.
도 5는 본 발명 컨트롤러부의 작업 부하 연산부의 연산과정을 블록으로 보인 도면.
도 6은 본 발명 컨트롤러부의 작업 모드 연산부의 연산과정을 블록으로 보인 도면.
상기와 같은 본 발명의 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 제어 시스템은은 굴삭기의 컨트롤러부가 작업자의 작업속도와 작업부하를 검출하여 작업에 적합한 엔진과 펌프의 출력을 자동으로 설정하도록 함에 그 특징이 있는 것으로써,
첨부된 도면 2내지 6을 참조하여 그 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 굴삭기 엔진과 펌프의 출력제어 장치의 구성을 보인 도면, 도 3은 본 발명 컨트롤러부의 구성을 보인 블록도, 도 4는 본 발명 컨트롤러부의 작업 속도 연산부의 연산과정을 블록으로 보인 도면, 도 5는 본 발명 컨트롤러부의 작업 부하 연산부의 연산과정을 블록으로 보인 도면, 도 6은 본 발명 컨트롤러부의 작업 모드 연산부의 연산과정을 블록으로 보인 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하여,
사용자가 굴삭기를 동작 제어하기 위한 운전 조이스틱(9a,9b)과, 그 조이스틱(9a)(9b)의 동작과 컨트롤러(1)의 동작제어신호에 의해 각각의 붐, 암, 버켓(도면에 표시 않함)등의 실린더(10a,10b,10c,10d)에 유압을 출력하는 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)와,
전체적인 유압 시스템의 파워를 공급하기 위한 회전력을 제공하는 엔진(6)과,
상기 엔진(6)의 회전력을 유압으로 변환하여 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)로 출력하는 제 1, 제 2펌프(7a,7b)와,
사용자에 의해 다양한 작업 모드를 설정하도록 하는 작업 모드 설정부(2)와,
상기 작업 모드 설정부(2)에서 설정된 작업모드에 따라 엔진(6)의 회전수와 제 1, 제 2펌프(7a,7b)의 입력토크를 제어하며, 제 1, 2펌프압력센서(5a,5b)와 제 1, 2네가티브 압력센서(11a,11b)에서 검출한 값을 입력받아 작업 속도 및 작업 부하를 연산하여 그 연산된 작업 속도와 작업 부하에 적합한 엔진(6)의 회전수와 펌프(7a,7b)의 출력값을 산출하는 컨트롤러는 신호를 출력하는 컨트롤러부(1)와,
상기 컨트롤러부(1)의 신호를 입력받아 제 1, 제 2펌프(7a,7b)의 출력토크를 제어하는 펌프 제어부(3)와,
상기 컨트롤러부(1)의 신호를 입력받아 엔진(6)의 회전수를 제어하는 엔진 제어부(4)와,
상기 제 1 및 제 2펌프(7a,7b)에서 출력하는 압력을 검출하는 제 1 및 제 2펌프 압력 센서(5a,5b)와,
상기 제 1 및 제 2펌프(5a,5b)에서 출력, 각각의 메인 컨트롤밸브(8a,8b,8c,8d)의 중립라인을 통해 리턴되는 유량의 압력을 검출하는 제 1, 2네가티브 압력센서(11a,11b)로 구성된다.
상기 미 설명 부호 12a,12b,12c,12d는 각각의 메인 컨트롤러 밸브(8a,8b,8c,8d)의 오일탱크이다.
상기와 같이 구성된 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력제어 장치는 사용자가 작업모드 설정부(2)에서 원하는 작업 모드를 선택하면, 컨트롤러부(1)에서는 설정된 작업모드에 따른 엔진(6) 및 각각의 제 1, 2펌프(7a,7b)의 동작 제어신호를 엔진 제어부(4) 및 펌프 제어부(3)에 출력하게 된다.
이후, 엔진 제어부(4) 및 펌프 제어부(3)에서는 상기 컨트롤러부(1)의 제어 신호를 입력받아 엔진(6)의 회전수 및 펌프(7a,7b)의 토크를 제어하여, 유압을 각각의 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)에 출력하게 된다.
각각의 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c8d)에서는 상기 엔진(6) 및 제 1, 2펌프(7a,7b)에서 제어된 유압을 입력받아 각각의 실린더(10a,10b,10c,10d)에 출력하게 된다.
다시 사용자에 의한 작업 자동모드가 선택되면, 각각의 펌프 압력 센서(5a,5b)에서는 각각의 펌프(7a,7b)에서 출력되는 토출 압력을 검출하여 컨트롤러부(1)로 입력하게 되고, 각각의 네가티브 압력센서(11a,11b)에서는 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)의 중립라인을 통해 리턴되는 유압을 검출하여 컨트롤러부(1)로 입력하게 된다.
상기 컨트롤러부(1)에서는 펌프압력센서(5a,5b)와 네가티브압력센서(11a,11b)에서 검출한 값을 입력받아 작업 속도 및 작업 부하를 연산하여 그 연산된 작업 속도와 작업 부하에 적합한 엔진(6)의 회전수와 펌프(7a,7b)의 출력값을 변경하는 바,
도 3를 참조하여 컨트롤러부(1)의 구성을 살펴보면 다음과 같다.
네가티브 압력센서(11a,11b)에서 검출한 리턴 유압 측정값을 입력받아 작업의 속도를 연산하는 작업 속도 연산부(1a)와, 펌프 압력센서(5a,5b)에서 검출한 압력값을 입력받아 작업의 부하를 연산하는 작업 부하 연산부(1b)와,
상기 작업 속도 연산부(1a)와 작업 부하 연산부(1b)에서 연산된 값을 입력받아 그 작업 속도와 작업 부하에 합당한 엔진(6)의 회전수와 펌프(7a,7b)의 출력 압력을 연산하고, 작업 모드 설정부(2)에서 입력한 작업 모드에 맞게 미리 기억된 엔진(6)의 목표 회전 제어신호와 펌프(7a,7b)의 출력 압력 제어신호를 각각의 엔진 제어부(4) 및 펌프 제어부(3)에 출력하는 작업 모드 연산부(1c)로 구성된다.
그 동작을 살펴보면, 각각의 네가티브 압력센서(11a,11b)에서 검출한 리턴 유압값을 입력받아 작업 속도 연산부(1a)에서는 작업 속도를 연산하는데, 그 연산 과정이 도 4에 도시되어 있다.
제 1네가티브 압력센서(11a)에서 검출한 값과 제 2네가티브 압력센서(11b)에서 검출한 값의 평균값을 수학식 1에 대입하여 평균값을 구한다.
여기서, 평균값가 크면, 메인 컨트롤 밸브(12a,12b,12c,12d)의 중립 라인을 통하여 리턴되는 유량이 크고 실린더(10a,10b,10c,10d)로 유입되는 유량이 작은 것을 나타내며, 이것은 작업자가 운전 조이스틱(9a,9b)을 작게 조작한 상태로서 작업자의 요구속도가 작은 것을 나타내는 것으로써, 즉 작업자의 요구속도는 평균값와 반비례 관계를 형성하는 것을 알 수 있다.
작업자의 요구 속도는 수학식 2와 같다.
여기서,는 반비례 상수이다.
최종 평균작업속도은 수학식 3과 같다.
여기서는 현재 작업속도의 평균작업속도 반영비를 나타내는 계수로써, 평균작업속도는 작업자가 소정 설정 시간동안 수행한 작업의 평균 작업 속도를 나타낸다.
각각의 펌프 압력 센서(5a,5b)에서 검출한 제 1, 2펌프(7a,7b)의 출력 압력을 입력받아 작업 부하 연산부(1b)에서는 작업 부하를 연산하는데, 그 연산 과정이 도 5에 도시되어 있다.
제 1펌프 압력 센서(5a)에서 검출한 값과 제 2펌프 압력 센서(5b)에서 검출한 값의 평균값을 수학식 4에 대입하여 평균값를 구한다.
여기서, 평균값가 크면, 각각의 실린더(10a,10b,10c,10d)에 인가되는 작업 부하가 큰 것을 의미하며, 작으면 각각의 실린더(10a,10b,10c,10d)에 인가되는 작업 부하가 작은 것을 의미하는 것으로써, 평균값는 실린더(10a,10b,10c,10d)에 인가되는 작업부하와 비례관계에 있다는 걸 알 수 있다.
따라서, 작업부하는 수학식 5와 같다.
여기서,는 비례상수이다.
최종 작업부하은 수학식 6과 같다.
여기서,은 현재 작업부하의 평균작업부하 반영비를 나타내는 계수로써,은 작업자가 일정시간동안 수행한 작업의 평균 작업 부하를 나타낸다.
도 6은 작업 모드 연산을 위한 작업 모드 연산부의 연산과정을 보인 도면으로써,
상기 작업속도 연산부(1a)에서 연산된 작업속도과 작업부하 연산부(1b)에서 연산된 작업부하에 의해서 엔진(6)의 회전수와 펌프(7a,7b)의 출력압력을 연산하게 되는 것이다.
작업부하과 작업 속도에 의해서 엔진 회전수 수정값을 수학식 7에 의해서 산출하게 된다.
여기서은 작업 부하와 엔진회전수 수정값의 비례상수를 나타내는 값이며,는 작업속도와 엔진회전수 수정값의 비례상수를 나타낸다.
이후, 작업부하과 작업 속도에 의해서 펌프 출력 수정값을 수학식 8에 의해서 산출하게 된다.
여기서,은 작업부하와 펌프 출력 수정값의 비례상수를 나타내며,는작업속도와 펌프 출력 수정값의 비례상수를 나타낸다.
여기서, 엔진 회전수 수정값은 작업 부하에 대한 엔진 회전수 수정값과 작업 속도에 대한 엔진 회전수 수정값를 더함(Plus)으로써 산출되며, 펌프 출력 수정값는 작업 부하에 대한 펌프 출력 수정값과 작업 속도에 대한 펌프 출력 수정값를 더함(Plus)으로써 산출되게 된다.
이후, 최종 엔진 회전수 제어신호과 펌프 출력압력 제어신호는 수학식 9에 의해서 산출되게 된다.
즉, 엔진 회전수 제어신호은 미리 입력된 최저 회전수와 엔진 회전수 수정값을 더하여 산출되고, 펌프 출력 압력 제어신호는 미리 입력된 최저 펌프 출력값에 펌프 출력 수정값를 더함으로써 산출되게 되는 것이다.
이후, 엔진 제어부(4) 및 펌프 제어부(3)에서는 상기 컨트롤러부(1)의 제어 신호를 입력받아 엔진(6)의 회전수 및 펌프(7a,7b)의 토크를 제어하여, 유압을 각각의 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)에 출력하게 된다.
각각의 메인 컨트롤 밸브(8a,8b,8c,8d)에서는 상기 엔진(6) 및 제 1, 2펌프(7a,7b)에서 제어된 유압을 입력받아 각각의 실린더(10a,10b,10c,10d)에 출력하게 됨으로써, 자동 작업이 가능한 것이다.
상기와 같이 본 발명의 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 자동 제어시스템은 사용자가 굴삭기의 자동 작업 모드를 선택하면 굴삭기 엔진과 펌프의 출력이 작업조건에 맞게 자동으로 실행 가능하도록 컨트롤러부가 작업자의 작업 속도와 작업 부하를 검출하여 작업조건에 적합한 작업속도연산값, 작업부하연산값을 통하여 작업모드연산을 함으로써, 굴삭기의 엔진 회전수와 펌프의 출력값을 자동으로 설정하여 비 숙련 작업자의 작업 효율을 증진한다.

Claims (2)

  1. 사용자가 굴삭기를 동작 제어하기 위한 운전 조이스틱과, 그 조이스틱의 동작과 컨트롤러의 동작제어신호에 의해 각각의 붐, 암, 버??등의 실린더에 유압을 출력하는 메인 컨트롤 밸브와, 전체적인 유압 시스템의 파워를 공급하기 위한 회전력을 제공하는 엔진과, 상기 엔진의 회전력을 유압으로 변환하여 메인 컨트롤 밸브로 출력하는 제 1, 제 2펌프와, 사용자에 의해 다양한 작업 모드를 설정하도록 하는 작업 모드 설정부와, 컨트롤러부의 신호를 입력받아 제 1, 제 2펌프의 출력토크를 제어하는 펌프 제어부와, 컨트롤러부의 신호를 입력받아 엔진의 회전수를 제어하는 엔진 제어부로 구성되는 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 제어 장치에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2펌프에서 출력하는 압력을 검출하는 제 1 및 제 2펌프 압력 센서와, 상기 제 1 및 제 2펌프에서 출력, 각각의 메인 컨트롤 밸브의 중립라인을 통해 리턴되는 유량의 압력을 검출하는 제 1, 2네가티브 압력센서와, 상기 제 1, 2펌프압력센서와 제 1, 2네가티브 압력센서에서 검출한 값을 입력받아 작업 속도 및 작업 부하를 연산하여 그 연산된 작업 속도와 작업 부하에 적합한 엔진의 회전수와 펌프의 출력값을 산출하는 컨트롤러를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 컨트롤러는 네가티브 압력센서에서 검출한 리턴 유압 측정값을 입력받아 작업의 속도를 연산하는 작업 속도 연산부와, 펌프 압력센서에서 검출한 압력값을 입력받아 작업의 부하를 연산하는 작업 부하 연산부와,
    상기 작업 속도 연산부와 작업 부하 연산부에서 연산된 값을 입력받아 그 작업 속도와 작업 부하에 합당한 엔진의 회전수와 펌프의 출력 압력을 연산하고, 작업 모드 설정부에서 입력한 작업 모드에 맞게 미리 기억된 엔진의 목표 회전 제어신호와 펌프의 출력 압력 제어신호를 각각의 엔진 제어부 및 펌프 제어부에 출력하는 작업 모드 연산부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 굴삭기의 엔진과 펌프의 출력 제어 시스템.
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