KR20130140917A - 토공 기계의 블레이드 레벨 제어용 시스템 및 방법 - Google Patents

토공 기계의 블레이드 레벨 제어용 시스템 및 방법 Download PDF

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에드워드 씨 휴즈
크리스토퍼 앨런 윌리암슨
조슈아 디 짐머맨
모니카 마리안느 아이반티사이노바
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Abstract

토공 기계(14) 상의 토공 공구(12)의 위치 및 레벨을 자동 제어하기 위한 시스템(10)이 개시된다. 상기 시스템(10)은 토공 공구(12)를 상승 및 하강시키도록 구성되는 적어도 하나의 유압 액추에이터(16)와, 액추에이터(16)에 가압 유체를 전달하고 액추에이터(16)로부터 가압 유체를 수용하기 위한 전달-수용 장치(18)와, 토공 기계(14)의 절대 배향 및 액추에이터(16)의 위치를 감지하기 위한 전자 센서(30, 32) 및 전자 센서(30, 32)의 출력을 수신하기 위한 컨트롤러(34)를 포함하는 전자 제어 회로를 포함하며, 컨트롤러(34)는, 토공 공구(12)에 대한 소망 위치를 달성하기 위해 액추에이터(16)에 전달되어야 하거나 액추에이터(16)로부터 수용되어야 하는 가압 유체의 양을 연산하고, 그 가압 유체의 양을 전달하거나 수용하도록 전달-수용 장치(18)를 제어하여 토공 공구(12)에 대한 소망 위치를 달성한다.

Description

토공 기계의 블레이드 레벨 제어용 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BLADE LEVEL CONTROL OF EARTHMOVING MACHINES}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2008년 11월 6일자 미국 특허 가출원 제 61/111,745 호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 발명에 참고자료로 포함된다.
본 발명은, 개략적으로 유압 회로를 작동시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 토공 기계 상의 작업(토공) 공구의 위치를 제어하기 위한, 특히 토공 기계(예를 들어, 굴착기)의 블레이드 레벨을 제어하기 위한, 유압 시스템에 관한 것이다.
소형 굴착기는 복수의 표준 기능을 자주 갖는 다-기능 토공 기계의 일례다. 도 1은 스윙 베어링(도시되지 않음) 또는 그외 다른 적절한 장치를 통해 차대(102) 상부에 장착되는 조종실(cab 또는 cabin)(101)을 갖는 소형 굴착기(100)를 도시한다. 차대(102)는 트랙(103) 및 관련 구동 구성요소(예를 들어, 구동 스프라켓, 롤러, 아이들러, 등)를 포함한다. 굴착기(100)에는 붐(106), 스틱(107), 및 버킷으로 나타나는 부착물(108)을 포함하는 관절 기계 아암(105)과 블레이드(104)가 추가로 장착되지만, 다양한 다른 부착물들도 아암(105)에 장착될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 굴착기(100)의 기능은 붐(106), 스틱(107), 및 버킷(108)의 모션과, 버킷(108)을 이용한 굴착 작업 중 아암(105)의 오프셋과, 그레이딩 작업 중 블레이드(104)의 모션과, 조종실(101)을 회전시키는 스윙 모션과, 굴착기(100)의 움직임 중 트랙(103)의 좌측 및 우측 진행 모션을 포함한다. 도 1에 나타나는 타입의 소형 굴착기(100)의 경우에, 블레이드(104), 붐(106), 스틱(107), 버킷(108), 및 오프셋 기능들이 일반적으로 선형 액추에이터(109-114)(도 1에 유압 실린더로 나타남)를 이용하여 동력을 공급받는다.
굴착기(100) 및 유사 토공 기계의 블레이드(104)는, 예를 들어, 구멍을 다시 메우거나, 고르지 못한 지면 위에서 주행할 때 기계 배향의 변화에도 불구하고(자주 나타남), 수평한 토사 표면을 생성하도록 블레이드(140)의 제어를 수반하는 다른 종류의 작업을 행하는 것과 같이, 토사를 운반하도록 구성된다. 도 1에서, 블레이드 위치는, 굴착기(100)의 차대(102)와 블레이드(104)에 연결되는 복동식 단일-로드(single-rod) 유압 실린더일 수 있는, 선형 액추에이터(113, 114)에 의해 결정되는 것으로 나타나지만, 임의의 개수 및 종류의 액추에이터가 사용될 수 있다. 액추에이터(113, 114)로의 가압유의 유량은 수동으로 작동하는 유압 밸브(도시되지 않음)를 이용하여 제어되는 것이 일반적이다. 대안으로서, 액추에이터(113, 114)가 유압 펌프(도시되지 않음)를 이용하여 직접 제어될 수 있다. 고정 용적식 펌프 및 가변 용적식 펌프를 이용하는 여러 가지 펌프-제어 유압 시스템이 알려져 있다. 블레이드 유압 시스템이 폐-유압 회로 내 단일-로드 액추에이터에 연결되는 가변 용적식 펌프를 이용할 경우, 하나 이상의 밸브가 일반적으로 이러한 회로를 충전 펌프에 연결하여, 액추에이터 내 두 챔버 중 하나 내의 로드 존재로부터 나타나는 두 챔버 사이의 볼륨의 차이를 보상한다. 이러한 볼륨 보상은 (미국 특허 공보 제 5,329,767 호에서와 같은) 단일 스풀-타입 밸브, 두개의 파일롯-작동 체크 밸브, 또는 그외 다른 방식으로 달성될 수 있다.
과거에는 토공 장비의 조작자들이, 고르지 못한 표면 상에서 기계를 작동함으로 인한 기계 배향의 변화를 보상하기 위해 블레이드 위치를 수동으로 제어하고자 상당한 기술 및 주의를 필요로 하였다. 이러한 작업의 어려움으로 인해, 레이저 또는 GPS를 통해 절대 위치 기준에 근거하여 블레이드의 실린더 위치를 제어하기 위한 다양한 방법이 알려져 있다.
본 발명은 굴착기와 같은 토공 기계의 블레이드 위치 및 레벨을 자동 제어하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 형태에 따르면, 상기 시스템은, 토공 공구를 상승 및 하강시키도록 구성되는 적어도 하나의 유압 액추에이터와, 유압 액추에이터에 가압 유체를 전달하고 유압 액추에이터로부터 가압 유체를 수용하기 위한 전달-수용 장치와, 토공 기계의 절대 배향 및 유압 액추에이터의 위치를 감지하기 위한 전자 센서 및 상기 센서의 출력을 수신하기 위한 컨트롤러를 구비하는 전자 제어 시스템을 포함한다. 컨트롤러는, 토공 공구에 대한 소망 위치를 달성하기 위해 유압 액추에이터에 전달되어야 하거나 유압 액추에이터로부터 수용되어야 하는 가압 유체의 양을 연산하고, 그 가압 유체의 양을 전달하거나 수용하도록 전달-수용 장치를 제어하여 토공 공구에 대한 소망 위치를 달성한다.
본 발명의 제 2 형태에 따르면, 상기 방법은, 토공 공구를 상승 및 하강시키도록 구성된 적어도 하나의 유압 액추에이터에 가압 유체를 전달하고, 유압 액추에이터로부터 가압 유체를 수용하는 단계와, 토공 기계의 절대 배향 및 유압 액추에이터의 위치를 감지하고, 토공 공구에 대한 소망 위치를 달성하기 위해 유압 액추에이터에 전달되어야 하거나 유압 액추에이터로부터 수용되어야 하는 가압 유체의 양을 연산하고, 그 후, 그 가압 유체의 양을 유압 액추에이터에 전달하거나 유압 액추에이터로부터 수용하여 토공 공구에 대한 소망 위치를 달성하도록, 전자 제어 회로를 작동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 상술한 시스템을 구비한 토공 기계이다.
위에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 주목할 만한 장점은, 토공 기계의 조작자가 (블레이드와 같은) 공구의 위치를 쉽게 제어할 수 있어서, 고르지 못한 지면 위에서 진행하는 기계로부터 나타나는 기계의 절대 배향(피치 및 롤 포함)의 변화를 보상할 수 있다는 점이다. 이러한 시스템은, 기계의 절대 배향에 관계없이, 수평으로, 또는 소정의 요망 각도로, 지면에 대해 요망 배향으로 공구를 유지하는데 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 형태 및 장점들은 다음의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술에서 알려진 타입의 소형 굴착기의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 토공 기계의 블레이드 위치 및 레벨을 자동 제어하기 위한 펌프-제어 액추에이터 회로의 도면.
도 2는 토공 기계(14) 및 토공 기계(14)가 진행하는 지면에 대한 토공 기계(14)의 블레이드(12)의 위치 및 레벨을 자동 제어하기 위한 시스템(10)을 개략적으로 도시한다. 시스템(10)은 기계(14)에 대한 블레이드(12)의 수평화(leveling)(또는, 필요하다면, 블레이드(12)의 경사화) 뿐 아니라 블레이드(12)의 상승 및 하강을 포함한, 블레이드(12)의 움직임을 제어하도록 구성되는 펌프-제어 유압 액추에이터(16)를 지닌 폐-유압 회로를 포함하는 형태로 도 2에 나타난다. 액추에이터(16)는, 도 1의 굴착기(100)의 블레이드(104)를 제어하는데 사용되는 선형 액추에이터(113, 114)와 유사한, 블레이드(12)에 연결되는 복수의 액추에이터(도시되지 않음) 중 하나인 것이 바람직하다. 본 발명은 블레이드 또는 다른 토공 공구를 흔히 갖춘 다른 종류의 토공 기계와 함께 이용하기에도 또한 적합하다.
도 2에 나타나는 바와 같이, 액추에이터(16)는 블레이드(12)에, 그리고, 기계(14)의 적절한 프레임 구조물에, 연결되는 복동식 단일-로드 유압 실린더로 나타난다. 액추에이터(16)로의 가압유 또는 다른 적절한 유압유의 유량은, 내연 기관과 같은 주동력원(20)으로부터 동력을 공급받을 수 있는, 가변 용적식 펌프(18)를 이용하여 제어된다. 하나 이상의 밸브(22)가 이러한 회로를 충전 펌프(24)에 연결하여, 액추에이터(16)의 두개의 챔버 사이의 볼륨 차이를 보상하며, 과량의 유압유는 압력 해제 밸브(26)를 통해, 충전 펌프(24)에 유체를 공급하는 리저버(reservoir)(28)로 복귀한다.
시스템(10)은 기계(14) 아래의 지면(도시되지 않음)에 대한 블레이드(12)의 수평화를 달성하기 위해 전자 제어 회로를 통해 블레이드(12)의 위치를 자동적으로 조정한다. 도 2에서, 본 발명의 바람직한 일 실시예는, 지면에 대한 기계(14)의 레벨, 특히, 기계의 절대 배향(롤 및 피치)을 감지하기 위한 제 1 전자 센서(30)와, 각각의 액추에이터(16)의 피스톤 로드의 선형 위치를 감지하기 위한 제 2 전자 센서(32)를 이용하는 것으로 나타난다. 센서(30, 32)의 신호는 디지털 마이크로 컨트롤러(34)에 전송되어, 각각의 액추에이터(16)에 대한 소망 위치(확장)를 달성하기 위해 요망 액추에이터 유량이 연산된다. 이러한 요망 유량은, 마이크로 컨트롤러(34)에 의해 전계-유압 방식으로 제어되는, 펌프(18)의 특정 펌프 용적에 대응한다. 시스템(10)은 블레이드(12)에 연결된 액추에이터(16)를 제어하는데 사용되어, 고르지 못한 지면 위에서 주행하면서 기계 배향의 변화에도 불구하고 수평한 토사 표면을 생성할 수 있다. 실질적으로 수평한 배향(지면에 대해 수평, 또는, 중력에 대해 수직)으로, 그리고 선택적으로, 수평에 대해 소정의 요망 각도(기울기)로, 블레이드(12)를 유지하도록, 조작자가 마이크로 컨트롤러(34)를 프로그래밍할 수 있게 하는 제어판(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.
도 2의 구조에 대한 대안의 구조가 또한 가능하다. 예를 들어, 액추에이터(16)에 부착된 선형 위치 센서(32) 대신에, 액추에이터(16) 또는 블레이드 조인트에 각도 위치 센서가 부착될 수 있다. 더욱이, 본 발명이, 전기적으로 작동되는 유압 밸브를 갖춘 밸브-제어 유압 회로에서 구현될 수 있다.
앞서 설명한 유압 시스템(10)은 다음의 장점들을 제공한다. 종래 기술에서, 토공 기계(14)의 조작자는 기계 배향의 변화를 보상하기 위해 블레이드 위치를 수동으로 제어하고자 상당한 기술 및 주의를 요한다. 본 발명은 센서(30, 32), 마이크로 컨트롤러(34), 및 펌프(18)를 통해 동일한 결과를 자동적으로 달성하여 기계(14)의 편의성 및 생산성을 향상시킨다. 마이크로 컨트롤러(34)는 조작자로 하여금 시스템(10)을 제어할 수 있게 하여, 수동으로 조작되는 회로에서는 불가능한, 요망 기울기 각도를 정확하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명은 절대 위치 측정(가령, 레이저 및 GPS)에 근거한 종래 기술의 시스템보다 간단한 장점을 갖고, 트렌치 또는 구멍을 메우는 비교적 간단한 토공 작업에 더욱 적절하다. 본 발명의 다른 양태 및 장점은 추가로 도 2를 참조함으로써 인식될 것이다.
본 발명이 특정 실시예의 측면에서 설명되었으나, 다른 형태도 당업자에 의해 채택될 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들어, 시스템(10)의 각각의 구성요소의 기능이 서로 다른 구조의, 그러나, 유사한(반드시 동등한 것은 아닌) 기능을 행할 수 있는, 구성요소들에 의해 실행될 수 있다. 따라서, 본 발명이 도면에 도시된 특정 실시예만으로 제한되는 것은 아니다. 대신에, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.
12: 토공 공구 (블레이드) 14: 토공 기계 (굴착기)
16: 액추에이터 18: 펌프

Claims (12)

  1. 토공 기계(14) 상의 토공 공구(12)의 위치 및 레벨을 자동 제어하기 위한 시스템(10)에 있어서,
    상기 토공 공구(12)를 상승 및 하강시키도록 구성되는 적어도 하나의 유압 액추에이터(16)와,
    가압 유체를 상기 액추에이터(16)에 전달하고 상기 액추에이터(16)로부터 가압 유체를 수용하기 위한 가변 용적식 펌프(18)와,
    상기 토공 기계(14)의 절대 배향 및 상기 액추에이터(16)의 위치를 감지하기 위한 전자 센서(30, 32) 및 상기 전자 센서(30, 32)의 출력을 수신하기 위한 컨트롤러(34)를 구비하는 전자 제어 회로를 포함하며,
    상기 컨트롤러(34)는, 상기 토공 공구(12)에 대한 소망 위치를 달성하기 위해 상기 액추에이터(16)에 전달되어야 하거나 상기 액추에이터(16)로부터 수용되어야 하는 가압 유체의 양을 연산하고, 상기 가압 유체의 양을 전달하거나 수용하도록 상기 가변 용적식 펌프(18)를 제어하여 상기 토공 공구(12)에 대한 상기 소망 위치를 달성하고,
    상기 액추에이터(16)의 위치는 상기 가변 용적식 펌프(18)에 의해 직접적으로 제어되고,
    상기 컨트롤러(34)는, 상기 토공 기계(14)가 고르지 못한 표면 위에서 진행하는 경우에, 지면에 대해 소망 배향으로 상기 토공 공구(12)를 유지하도록 작동하는
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 토공 기계(14)는 굴착기인
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 토공 공구(12)는 블레이드(12)인
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(34)는 지면에 대해 수평 배향으로 상기 블레이드(12)를 유지하도록 작동가능한
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 컨트롤러(34)는 지면에 대해 수평 배향 외의 배향으로 블레이드(12)를 유지하도록 작동가능한
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 시스템(10)은 상기 토공 기계(14) 상에 설치되는
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 따른 시스템을 구비한
    토공 기계(14).
  8. 토공 기계(14) 상의 토공 공구(12)의 위치 및 레벨을 자동 제어하는 방법에 있어서,
    상기 토공 공구(12)를 상승 및 하강시키도록 구성된 적어도 하나의 유압 액추에이터(16)에 가압 유체를 전달하고, 상기 액추에이터(16)로부터 가압 유체를 수용하는 단계와,
    상기 토공 기계(14)의 절대 배향 및 상기 액추에이터(16)의 위치를 감지하고, 상기 토공 공구(12)에 대한 소망 위치를 달성하기 위해 상기 액추에이터(16)에 전달되어야 하거나 상기 액추에이터(16)로부터 수용되어야 하는 가압 유체의 양을 연산하고, 그 후, 상기 가압 유체의 양을 상기 액추에이터(16)에 전달하거나 상기 액추에이터로부터 수용하여 상기 토공 공구(12)에 대한 상기 소망 위치를 달성하도록, 전자 제어 회로를 작동시키는 단계를 포함하고,
    상기 액추에이터(16)의 위치는 가변 용적식 펌프(18)에 의해 직접적으로 제어되고,
    상기 전자 제어 회로는, 상기 토공 기계(14)가 고르지 못한 표면 위에서 진행하는 경우에, 지면에 대해 소망 배향으로 상기 토공 공구(12)를 유지하도록 작동하는
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 토공 기계(14)는 굴착기인
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 토공 공구(12)는 블레이드인
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자 제어 회로는, 지면에 대해 수평 배향으로 상기 블레이드(12)를 유지하도록 작동하는
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자 제어 회로는, 지면에 대해 수평 배향 외의 배향으로 상기 블레이드(12)를 유지하도록 작동하는
    토공 기계 상의 토공 공구의 위치 및 레벨의 자동 제어 방법.
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