WO2014097688A1 - ショベル及びショベル制御方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an excavator including a drilling attachment that is moved by a hydraulic cylinder, and a control method thereof.
- This overload prevention device detects a reaction force from the ground as a holding hydraulic pressure in the head side oil chamber of the boom cylinder during excavation work of the power shovel, and opens the relief valve when the holding hydraulic pressure reaches a predetermined pressure. This prevents the front wheels from floating.
- the boom main arm control valve, the arm main operation valve, and the bucket main operation valve are operated to automatically operate the boom, arm, and bucket, thereby preventing the front wheels from floating. .
- the overload prevention device of Patent Document 1 opens the relief valve or activates the boom main operation valve as long as the holding hydraulic pressure in the boom-side oil chamber of the boom cylinder reaches a predetermined pressure.
- Patent Document 1 cannot realize excavation that makes full use of the excavator's own weight, reducing the maximum excavation force of the excavator and deteriorating the efficiency of excavation work. There is a fear.
- An excavator is an excavator that performs excavation according to a composite excavation operation including an arm closing operation or a bucket closing operation and a boom raising operation, and detects that the composite excavation operation has been performed. Based on the excavation operation detection unit, the excavator posture detection unit, and the excavator posture, the pressure of the contraction side oil chamber of the boom cylinder corresponding to the excavation reaction force when the excavator is lifted by the excavation reaction force A permissible maximum pressure calculating unit that calculates the permissible maximum pressure, and a boom cylinder pressure control unit that controls the pressure of the contraction side oil chamber of the boom cylinder so as not to exceed the permissible maximum pressure when the combined excavation operation is performed. And comprising.
- An excavator control method is an excavator control method for performing excavation in accordance with a composite excavation operation including an arm closing operation or a bucket closing operation and a boom raising operation.
- An excavation operation detection step for detecting that the excavator has been performed; an attitude detection step for detecting the attitude of the excavator; and a boom cylinder corresponding to the excavation reaction force when the excavator is lifted by the excavation reaction force based on the excavator attitude.
- An allowable maximum pressure calculating step for calculating the pressure of the contraction-side oil chamber as an allowable maximum pressure, and the pressure of the contraction-side oil chamber of the boom cylinder so as not to exceed the allowable maximum pressure when the combined excavation operation is performed.
- a boom cylinder pressure control step for controlling.
- the above-described means provides an excavator and a shovel control method that can realize excavation that makes full use of the excavator's own weight and maintain good excavation efficiency.
- FIG. 1 is a side view showing an excavator according to an embodiment of the present invention.
- the upper swing body 3 is mounted on the lower traveling body 1 of the excavator via the swing mechanism 2.
- a boom 4 is attached to the upper swing body 3.
- An arm 5 is attached to the tip of the boom 4, and a bucket 6 is attached to the tip of the arm 5.
- the boom 4, the arm 5, and the bucket 6 constitute a digging attachment and are hydraulically driven by a boom cylinder 7, an arm cylinder 8, and a bucket cylinder 9 that are hydraulic cylinders.
- the upper swing body 3 is provided with a cabin 10 and is mounted with a power source such as an engine.
- FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of the drive system of the excavator in FIG.
- the mechanical power system is indicated by a double line
- the high-pressure hydraulic line is indicated by a thick solid line
- the pilot hydraulic line is indicated by a broken line
- the electric drive / control system is indicated by a one-dot chain line.
- a main pump 14 and a pilot pump 15 as hydraulic pumps are connected to an output shaft of the engine 11 as a mechanical drive unit.
- a control valve 17 is connected to the main pump 14 via a high pressure hydraulic line 16.
- An operation device 26 is connected to the pilot pump 15 via a pilot hydraulic line 25.
- the main pump 14 is a variable displacement hydraulic pump whose discharge flow rate per pump rotation is controlled by the regulator 13.
- the control valve 17 is a device that controls the hydraulic system in the excavator.
- the hydraulic actuators 1A (for right) and 1B (for left), the boom cylinder 7, the arm cylinder 8, the bucket cylinder 9, the swing hydraulic motor 21 and the like for the lower traveling body 1 are connected to the control valve 17 via a high pressure hydraulic line. It is connected to the.
- the operating device 26 is a device for operating the hydraulic actuator, and includes a lever and a pedal.
- the operating device 26 is connected to the control valve 17 and the pressure sensor 29 via pilot hydraulic lines 27 and 28, respectively.
- the pressure sensor 29 is connected to a controller 30 that performs drive control of the electric system.
- the controller 30 is a main control unit that performs drive control of the excavator.
- the controller 30 is a computer having a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and the like.
- the controller 30 reads programs corresponding to various controls from the ROM, loads them into the RAM, and causes the CPU to execute processes corresponding to the various controls.
- the pressure sensor 31 is a sensor that detects the pressure of the hydraulic oil in the oil chamber of the hydraulic cylinder, and outputs the detected value to the controller 30.
- the attitude sensor 32 is a sensor that detects the attitude of the excavator, and outputs the detected value to the controller 30.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of the excavation support system 100 mounted on the excavator of FIG.
- the high-pressure hydraulic line is indicated by a thick solid line
- the pilot hydraulic line is indicated by a broken line
- the electric drive / control system is indicated by a one-dot chain line.
- FIG. 3 shows a state in which a complex excavation operation including a boom raising operation and an arm closing operation is being performed.
- the excavation support system 100 is a system that supports an operation for excavation work using an excavator by an operator.
- the excavation support system 100 mainly includes pressure sensors 29A and 29B, a controller 30, pressure sensors 31A to 31C, attitude sensors 32A to 32E, a display device 33, a sound output device 34, and an electromagnetic proportional valve 41, 42.
- the pressure sensor 29 ⁇ / b> A is an example of the pressure sensor 29, detects the operation state of the arm operation lever 26 ⁇ / b> A that is an example of the operation device 26, and outputs the detection result to the controller 30.
- the pressure sensor 29B is an example of the pressure sensor 29, detects an operation state of a boom operation lever 26B which is an example of the operation device 26, and outputs a detection result to the controller 30.
- the pressure sensor 31 ⁇ / b> A is an example of the pressure sensor 31, detects the pressure of the hydraulic oil in the rod side oil chamber 8 ⁇ / b> R of the arm cylinder 8, and outputs the detection result to the controller 30.
- the rod side oil chamber 8R corresponds to a contraction side oil chamber when the arm 5 is closed.
- the pressure sensor 31 ⁇ / b> B is an example of the pressure sensor 31, detects the hydraulic oil pressure in the rod side oil chamber 7 ⁇ / b> R of the boom cylinder 7, and outputs the detection result to the controller 30.
- the rod-side oil chamber 7R corresponds to a contraction-side oil chamber when the boom 4 is raised.
- the bottom side oil chamber 7B of the boom cylinder 7 corresponds to an extension side oil chamber when the boom 4 is raised.
- the pressure sensor 31 ⁇ / b> C is an example of the pressure sensor 31, detects the hydraulic oil pressure in the bottom side oil chamber 8 ⁇ / b> B of the arm cylinder 8, and outputs the detection result to the controller 30.
- the bottom side oil chamber 8B corresponds to the extension side oil chamber when the arm 5 is closed.
- the arm angle sensor 32 ⁇ / b> A is an example of the attitude sensor 32, and is, for example, a potentiometer.
- the arm angle sensor 32 ⁇ / b> A detects an opening / closing angle of the arm 5 with respect to the boom 4 (hereinafter referred to as “arm angle”). Output.
- the boom angle sensor 32B is an example of the attitude sensor 32, and is, for example, a potentiometer.
- the boom angle sensor 32B detects the elevation angle of the boom 4 with respect to the upper swing body 3 (hereinafter referred to as “boom angle”), and the detection result is a controller. 30 is output.
- the bucket angle sensor 32 ⁇ / b> C is an example of the attitude sensor 32, and is, for example, a potentiometer.
- the bucket angle sensor 32 ⁇ / b> C detects the opening / closing angle of the bucket 6 with respect to the arm 5 (hereinafter, referred to as “bucket angle”). Output.
- the turning angle sensor 32D is an example of the attitude sensor 32, detects the turning angle of the upper turning body 3 with respect to the lower traveling body 1, and outputs the detection result to the controller 30.
- the inclination angle sensor 32E is an example of the attitude sensor 32, detects the inclination angle of the ground contact surface of the shovel with respect to the horizontal plane, and outputs the detection result to the controller 30.
- the display device 33 is a device for displaying various kinds of information, and is, for example, a liquid crystal display installed in a driver's cab.
- the display device 33 displays various information related to the excavation support system 100 in accordance with a control signal from the controller 30.
- the audio output device 34 is a device for outputting various information as audio, for example, a speaker installed in the excavator's cab.
- the sound output device 34 outputs various information related to the excavation support system 100 as a sound in response to a control signal from the controller 30.
- the electromagnetic proportional valve 41 is a valve disposed on a pilot hydraulic line between the arm switching valve 17A which is an example of the control valve 17 and the arm operation lever 26A.
- the electromagnetic proportional valve 41 controls the pilot pressure applied to the arm closing operation pilot port in the arm switching valve 17 ⁇ / b> A according to the control current from the controller 30.
- the primary side pressure the pilot pressure for arm closing operation output from the arm operation lever 26A
- the secondary side pressure the arm closing operation pilot port
- the pilot pressure is configured to be the same.
- the electromagnetic proportional valve 41 is configured such that the secondary side pressure becomes smaller than the primary side pressure as the control current from the controller 30 increases.
- the electromagnetic proportional valve 42 is a valve disposed on a pilot hydraulic line between the boom switching valve 17B, which is an example of the control valve 17, and the boom operation lever 26B.
- the electromagnetic proportional valve 42 controls the pilot pressure applied to the boom raising operation pilot port in the boom switching valve 17B in accordance with the control current from the controller 30.
- the electromagnetic proportional valve 42 is applied to the primary side pressure (the pilot pressure for boom raising operation output from the boom operation lever 26B) and the secondary side pressure (the boom raising operation pilot port) when receiving no control current.
- the pilot pressure is configured to be the same.
- the electromagnetic proportional valve 42 is configured such that the secondary side pressure becomes larger than the primary side pressure as the control current from the controller 30 increases.
- the controller 30 obtains the outputs of the various sensors 29A, 29B, 31A to 31C, and 32A to 32E, and performs calculations using various functional elements. Then, the controller 30 outputs the calculation result to the display device 33, the sound output device 34, and the electromagnetic proportional valves 41 and 42.
- the various functional elements include an excavation operation detection unit 300, a posture detection unit 301, an allowable maximum pressure calculation unit 302, a boom cylinder pressure control unit 303, and an arm cylinder pressure control unit 304.
- the excavation operation detection unit 300 is a functional element that detects that an excavation operation has been performed.
- the excavation operation detection unit 300 detects whether or not a complex excavation operation including an arm closing operation and a boom raising operation has been performed.
- the excavation operation detection unit 300 detects the boom raising operation, the pressure of the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 is equal to or higher than a predetermined value ⁇ , and the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 When the pressure difference obtained by subtracting the pressure in the rod-side oil chamber 8R from the pressure is equal to or greater than the predetermined value ⁇ , it is detected that the combined excavation operation has been performed.
- the excavation operation detection unit 300 may detect that the composite excavation operation has been performed on the additional condition that the arm closing operation is detected. It should be noted that the excavation operation detection unit 300 determines whether a complex excavation operation has been performed using the output of another sensor such as the posture sensor 32 in addition to or instead of the output of the pressure sensors 29A, 29B, 31A to 31C. It may be detected.
- the excavation operation detection unit 300 may detect whether or not an arm excavation operation including an arm closing operation has been performed. Specifically, the excavation operation detection unit 300 detects an arm closing operation, the pressure in the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 is equal to or higher than a predetermined value ⁇ , and the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 When the pressure difference obtained by subtracting the pressure in the rod side oil chamber 8R from the pressure is equal to or larger than the predetermined value ⁇ , it is detected that the arm excavation operation is performed.
- the arm excavation operation includes a single operation of only the arm closing operation, a composite operation that is a combination of the arm closing operation and the boom raising operation or the boom lowering operation, and a composite operation that is a combination of the arm closing operation and the bucket closing operation. .
- the posture detection unit 301 is a functional element that detects the posture of the excavator.
- the posture detection unit 301 detects the boom angle, arm angle, bucket angle, tilt angle, and turning angle as the shovel posture.
- posture detection unit 301 detects the boom angle, arm angle, and bucket angle based on the outputs of posture sensors 32A to 32C.
- the posture detection unit 301 detects a turning angle based on the output of the turning angle sensor 32D.
- the posture detection unit 301 detects the tilt angle based on the output of the tilt angle sensor 32E. Details of the detection of the shovel attitude by the attitude detection unit 301 will be described later.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 is a functional element that calculates the allowable maximum pressure of hydraulic oil in various hydraulic cylinders that needs to be grasped in order to prevent unintentional movement of the excavator body during excavation work.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the allowable maximum pressure of the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 that needs to be grasped to prevent the excavator body from lifting during excavation work. To do. In this case, the fact that the pressure in the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 exceeds the allowable maximum pressure means that the excavator body may be lifted.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 needs to grasp in order to prevent the excavator body from being dragged toward the excavation point during excavation work. Calculate the maximum pressure. In this case, the pressure in the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 exceeding the allowable maximum pressure means that the excavator body may be dragged toward the excavation point. Details of the calculation of the allowable maximum pressure by the allowable maximum pressure calculation unit 302 will be described later.
- the boom cylinder pressure control unit 303 is a functional element that controls the pressure of hydraulic oil in the boom cylinder 7 in order to prevent unintended movement of the excavator body during excavation work.
- the boom cylinder pressure control unit 303 controls the hydraulic oil pressure in the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 to be equal to or lower than the allowable maximum pressure in order to prevent the excavator body from being lifted.
- the boom cylinder pressure control unit 303 increases the pressure in the rod-side oil chamber 7R and reaches a predetermined pressure that is equal to or lower than the maximum allowable pressure. Control current is output.
- the boom cylinder pressure control unit 303 sets the secondary side pressure (pilot pressure applied to the boom raising operation pilot port) to the secondary side pressure (primary pressure for boom raising operation output from the boom operation lever 26B). Increase As a result, the flow rate of the hydraulic oil flowing out from the rod side oil chamber 7R to the tank increases, and the pressure in the rod side oil chamber 7R decreases. Moreover, the raising speed of the boom 4 increases. In this way, the boom cylinder pressure control unit 303 makes the pressure in the rod-side oil chamber 7R less than a predetermined pressure, prevents the pressure in the rod-side oil chamber 7R from exceeding the allowable maximum pressure, and lifts the excavator body. To prevent.
- the boom cylinder pressure control unit 303 outputs a control signal to at least one of the display device 33 and the audio output device 34 when a control current is output to the electromagnetic proportional valve 42. Then, the boom cylinder pressure control unit 303 causes the display device 33 to display a text message indicating that the pilot pressure applied to the boom raising operation pilot port has been automatically adjusted. In addition, the boom cylinder pressure control unit 303 causes the voice output device 34 to output a voice message or an alarm sound indicating that fact. This is to inform the operator that adjustment has been made to the boom raising operation using the boom operation lever 26B by the operator.
- the arm cylinder pressure control unit 304 is a functional element that controls the pressure of hydraulic oil in the arm cylinder 8 in order to prevent unintended movement of the machine body during excavation work.
- the arm cylinder pressure control unit 304 controls the hydraulic oil pressure in the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 to be equal to or lower than the allowable maximum pressure in order to prevent the excavator body from being lifted.
- the arm cylinder pressure control unit 304 increases the pressure in the bottom side oil chamber 8B and reaches a predetermined pressure that is equal to or lower than the maximum allowable pressure. Control current is output.
- the arm cylinder pressure control unit 304 has a secondary side pressure (a pilot pressure applied to the arm closing operation pilot port) rather than a primary side pressure of the electromagnetic proportional valve 41 (a pilot pressure for the arm closing operation output from the arm operation lever 26A). Make it smaller. As a result, the flow rate of the hydraulic oil flowing from the main pump 14L into the bottom side oil chamber 8B is reduced, and the pressure in the bottom side oil chamber 8B is reduced. Further, the closing speed of the arm 5 is reduced. In this manner, the arm cylinder pressure control unit 304 makes the pressure in the bottom side oil chamber 8B less than a predetermined pressure, prevents the pressure in the bottom side oil chamber 8B from exceeding the allowable maximum pressure, and lifts the excavator body. To prevent.
- the arm cylinder pressure control unit 304 may reduce the secondary side pressure of the electromagnetic proportional valve 41 until the flow rate of the hydraulic oil flowing from the main pump 14L into the bottom side oil chamber 8B disappears as necessary. That is, even when the operator performs an arm closing operation, the closing operation of the arm 5 may be stopped. This is to surely prevent the excavator body from floating.
- the arm cylinder pressure control unit 304 controls the hydraulic oil pressure in the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 to be equal to or lower than the maximum allowable pressure in order to prevent the excavator body from being dragged toward the excavation point. .
- the electromagnetic proportional valve 41 is provided. Control current is output. As a result, the flow rate of the hydraulic oil flowing from the main pump 14L into the bottom side oil chamber 8B is reduced, and the pressure in the bottom side oil chamber 8B is reduced. Further, the closing speed of the arm 5 is reduced.
- the arm cylinder pressure control unit 304 makes the pressure in the bottom side oil chamber 8B less than a predetermined pressure, prevents the pressure in the bottom side oil chamber 8B from exceeding the allowable maximum pressure, and the excavator body is excavated. Prevent dragging towards the point. Further, the arm cylinder pressure control unit 304 may reduce the secondary side pressure of the electromagnetic proportional valve 41 until the flow rate of the hydraulic oil flowing from the main pump 14L into the bottom side oil chamber 8B disappears as necessary. That is, even when the operator performs an arm closing operation, the closing operation of the arm 5 may be stopped. This is to surely prevent the excavator body from being dragged toward the excavation point.
- the arm cylinder pressure control unit 304 outputs a control signal to at least one of the display device 33 and the audio output device 34 when a control current is output to the electromagnetic proportional valve 41. Output. This is to inform the operator that adjustment has been made to the arm closing operation using the arm operation lever 26A by the operator.
- FIG. 4 is a schematic diagram showing a relationship between forces acting on the excavator when excavation is performed by the composite excavation operation.
- a point P1 indicates a connection point between the upper swing body 3 and the boom 4
- a point P2 indicates a connection point between the upper swing body 3 and the boom cylinder 7.
- a point P3 indicates a connection point between the rod 7C of the boom cylinder 7 and the boom 4
- a point P4 indicates a connection point between the boom 4 and the cylinder of the arm cylinder 8.
- a point P5 indicates a connection point between the rod 8C of the arm cylinder 8 and the arm 5
- a point P6 indicates a connection point between the boom 4 and the arm 5.
- a point P7 indicates a connection point between the arm 5 and the bucket 6, and a point P8 indicates a tip of the bucket 6.
- the illustration of the bucket cylinder 9 is omitted for clarity of explanation.
- FIG. 4 shows the angle between the straight line connecting the points P1 and P3 and the horizontal line as the boom angle ⁇ 1, and the angle between the straight line connecting the points P3 and P6 and the straight line connecting the points P6 and P7.
- the angle between the straight line connecting the points P6 and P7 and the straight line connecting the points P7 and P8 is indicated as the bucket angle ⁇ 3 with the arm angle ⁇ 2.
- the distance D1 is a horizontal distance between the rotation center RC and the excavator's center of gravity GC when the aircraft is lifted, that is, the gravity M ⁇ which is the product of the mass M of the shovel and the gravitational acceleration g.
- the distance between the action line of g and the rotation center RC is shown.
- the product of the distance D1 and the magnitude of the gravity M ⁇ g represents the magnitude of the moment of the first force around the rotation center RC.
- the symbol “ ⁇ ” represents “ ⁇ ” (multiplication symbol).
- the distance D2 is the horizontal distance between the rotational center RC and the point P8, that is, the distance between the line of action of the vertical component F R1 drilling reaction force F R and the rotation center RC.
- the product of the distance D2 and the magnitude of the vertical component FR1 represents the magnitude of the second force moment around the rotation center RC.
- excavation reaction force F R is the drilling angle ⁇ formed relative to a vertical axis
- the excavation angle ⁇ is calculated based on the boom angle ⁇ 1, the arm angle ⁇ 2, and the bucket angle ⁇ 3.
- the distance D3 is the distance between the straight line and the rotation center RC connecting the points P2 and the point P3, that is, the line of action of the force F B to be Daso pull rod 7C of the boom cylinder 7 rotates The distance from the center RC is shown. Then, the product of the magnitude of distance D3 and the force F B represents the magnitude of the moment of the third force around the rotation center RC.
- the distance D4 represents the distance between the action line and the point P6 of the excavation reaction force F R. Then, the product of the distance D4 between the size of the excavation reaction force F R represents the magnitude of the moment of the first force around the point P6.
- a distance D5 indicates a distance between a straight line connecting the points P4 and P5 and the point P6, that is, a distance between the line of action of the arm thrust F A that closes the arm 5 and the point P6.
- the product of the distance D5 and the magnitude of the arm thrust F A represents the magnitude of the second force moment around the point P6.
- the magnitude of the moment of force tending float the excavator vertical component F R1 is the rotation center RC about the excavation reaction force F R, the force F B to be Daso pull rod 7C of the boom cylinder 7 rotates Assume that it is possible to replace the magnitude of the moment of force that attempts to lift the shovel around the center RC.
- the relationship between the magnitude of the second force moment around the rotation center RC and the third force moment magnitude around the rotation center RC is expressed by the following equation (1).
- the distance D1 is a constant, and the distances D2 to D5 are values determined in accordance with the attitude of the excavation attachment, that is, the boom angle ⁇ 1, the arm angle ⁇ 2, and the bucket angle ⁇ 3, similarly to the excavation angle ⁇ . Specifically, the distance D2 is determined according to the boom angle ⁇ 1, the arm angle ⁇ 2, and the bucket angle ⁇ 3, the distance D3 is determined according to the boom angle ⁇ 1, the distance D4 is determined according to the bucket angle ⁇ 3, The distance D5 is determined according to the arm angle ⁇ 2.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 can calculate the first allowable maximum pressure P BMAX using the boom angle ⁇ 1 detected by the posture detection unit 301 and the equation (6).
- the boom cylinder pressure control unit 303 can prevent the excavator body from being lifted by maintaining the pressure P B in the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 at a predetermined pressure equal to or lower than the first allowable maximum pressure P BMAX. it can. Specifically, when the pressure P B reaches a predetermined pressure, the boom cylinder pressure control unit 303 increases the flow rate of the hydraulic oil flowing out from the rod side oil chamber 7R to the tank, and decreases the pressure P B. Drop in pressure P B is 'as shown by formula, result in decreased arm thrust F A, furthermore, (2)' (4) As shown expression, lowering of drilling reaction force F R, and thus the vertical This is because the component FR1 is reduced.
- the position of the rotation center RC is determined based on the output of the turning angle sensor 32D. For example, when the turning angle between the lower traveling body 1 and the upper revolving body 3 is 0 degree, the rear end of the portion where the lower traveling body 1 is in contact with the ground contact surface becomes the rotation center RC, and the lower traveling body When the turning angle between 1 and the upper turning body 3 is 180 degrees, the front end of the portion where the lower traveling body 1 is in contact with the ground contact surface becomes the rotation center RC. Further, when the turning angle between the lower traveling body 1 and the upper revolving body 3 is 90 degrees or 270 degrees, the side end of the portion where the lower traveling body 1 is in contact with the ground contact surface becomes the rotation center RC. .
- the static friction coefficient mu represents a static friction coefficient of the ground surface of the shovel
- the normal force N represents a normal force against the gravity M ⁇ g of the shovel
- the force F R2 is Hikizu shovel towards the drilling site It represents a horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R to wax.
- the frictional force mu ⁇ N represents the maximum static frictional force to try to stationary excavator
- the horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R is greater than the maximum static frictional force mu ⁇ N, shovel, drilling site Dragged towards.
- the static friction coefficient ⁇ may be a value stored in advance in a ROM or the like, or may be dynamically calculated based on various information.
- the static friction coefficient ⁇ is a value stored in advance that is selected by an operator via an input device (not shown). The operator selects a desired friction state (static friction coefficient) from a plurality of levels of friction states (static friction coefficient) according to the state of the ground contact surface.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the second allowable maximum pressure P AMAX using the boom angle ⁇ 1, the arm angle ⁇ 2, the bucket angle ⁇ 3 detected by the posture detection unit 301, and the equation (9). Can be calculated.
- the arm cylinder pressure control section 304 excavator body by maintaining the pressure P A in the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 to the second maximum allowable pressure P AMAX following predetermined pressure dragged towards the drilling site Can be prevented.
- the arm cylinder pressure control section 304 when the pressure P A has reached a predetermined pressure, reducing the flow rate of the working oil flowing from the main pump 14L to the bottom side oil chamber 8B, lowering the pressure P A Let Drop in pressure P A results in a decrease in the arm thrust F A, furthermore, in order to result in a reduction of the horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R.
- FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the first combined excavation work support process, and the controller 30 of the excavation support system 100 repeatedly executes the first combined excavation work support process at a predetermined cycle.
- the excavation operation detection unit 300 of the controller 30 determines whether or not a complex excavation operation including a boom raising operation and an arm closing operation is being performed (step S1). Specifically, excavation operation detection unit 300 detects whether or not a boom raising operation is being performed based on the output of pressure sensor 29B. When detecting that the boom raising operation is being performed, the excavation operation detection unit 300 acquires the pressure in the rod-side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 based on the output of the pressure sensor 31B. The excavation operation detection unit 300 calculates a pressure difference obtained by subtracting the pressure in the rod-side oil chamber 8R from the pressure in the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 based on the outputs of the pressure sensors 31A and 31C. The excavation operation detection unit 300 determines that the composite excavation operation is being performed when the pressure in the rod-side oil chamber 7R is equal to or greater than the predetermined value ⁇ and the calculated pressure difference is equal to or greater than the predetermined value ⁇ .
- the controller 30 ends the first complex excavation work support process this time.
- the posture detection unit 301 detects the posture of the shovel (step S2). Specifically, posture detection unit 301 detects boom angle ⁇ 1, arm angle ⁇ 2, and bucket angle ⁇ 3 based on the outputs of arm angle sensor 32A, boom angle sensor 32B, and bucket angle sensor 32C. This is because the allowable maximum pressure calculation unit 302 of the controller 30 can derive the distance between the line of action of the force acting on the excavation attachment and the predetermined rotation center.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates a first allowable maximum pressure based on the detection value of the posture detection unit 301 (step S3). Specifically, the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the first allowable maximum pressure P BMAX using the above-described equation (6).
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 sets a predetermined pressure equal to or lower than the calculated first allowable maximum pressure P BMAX as the target boom cylinder pressure P BT (step S4). Specifically, allowable maximum pressure calculation unit 302 sets a value after subtracting a predetermined value from first allowable maximum pressure P BMAX as target boom cylinder pressure P BT .
- the boom cylinder pressure control unit 303 of the controller 30 monitors the pressure P B of the hydraulic oil in the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7. Then, when the pressure P B increases and reaches the target boom cylinder pressure P BT as the combined excavation work proceeds (YES in step S5), the boom cylinder pressure control unit 303 controls the boom switching valve 17B to control the boom cylinder. reducing the pressure P B of 7 in the rod side oil chamber 7R (step S6). Specifically, the boom cylinder pressure control unit 303 supplies a control current to the electromagnetic proportional valve 42 to increase the pilot pressure applied to the boom raising operation pilot port.
- the boom cylinder pressure control unit 303 decreases the pressure P B of the rod side oil chamber 7R by increasing the amount of hydraulic oil flowing out from the rod side oil chamber 7R to the tank.
- reduced vertical component F R1 drilling reaction force F R by increasing speed of the boom 4 is increased, the lifting shovel of the aircraft is prevented.
- the arm cylinder pressure control unit 304 of the controller 30 continues to monitor the hydraulic oil pressure P B in the rod-side oil chamber 7 ⁇ / b > R of the boom cylinder 7. If the pressure P B further increases to reach the first allowable maximum pressure P BMAX (YES in step S7) despite the increase in the boom 4 speed, the arm cylinder pressure control unit 304 controls switching valve 17A to reduce the pressure P a of the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 (step S8). Specifically, the arm cylinder pressure control unit 304 supplies a control current to the electromagnetic proportional valve 41 to reduce the pilot pressure applied to the arm closing operation pilot port.
- the arm cylinder pressure control section 304 by reducing the amount of hydraulic oil flowing from the main pump 14L to the bottom side oil chamber 8B, reduces the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B.
- reduced vertical component F R1 drilling reaction force F R by closing speed of the arm 5 is lowered, the lifting shovel of the aircraft is prevented.
- the arm cylinder pressure control unit 304 flows into the bottom side oil chamber 8B from the main pump 14L. The amount of hydraulic oil that is used may be eliminated. In this case, the movement of the arm 5 vertical component F R1 drilling reaction force F R is lost by stopping, the floating shovel of the aircraft is prevented.
- the boom cylinder pressure control unit 303 reduces the pressure P B of the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7. The first combined excavation work support process is terminated without causing the first complex excavation work support process to be completed. This is because there is no risk of lifting the excavator body.
- step S7 when the pressure P B remains below the first allowable maximum pressure P BMAX (NO in step S7), and the arm cylinder pressure control section 304, the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 This first combined excavation work support process is terminated without reducing the above. This is because there is no risk of lifting the excavator body.
- the excavation support system 100 can prevent the excavator body from floating during the complex excavation work. Therefore, it is possible to realize a composite excavation work that efficiently utilizes the weight of the body just before the excavator body rises. In addition, it is possible to improve work efficiency, such as eliminating the need to return the lifted shovel to its original position. As a result, it is possible to reduce fuel consumption, prevent airframe failure, and reduce the operational burden on the operator. .
- the excavation support system 100 prevents the excavator body from floating during the complex excavation work by adjusting the boom raising operation using the boom operation lever 26B by the operator. Therefore, the operator does not feel uncomfortable that the boom 4 rises even though the boom operation lever 26B is not operated.
- the excavation support system 100 prevents the airframe from being lifted by adjusting the arm closing operation by the operator when it is determined that lifting of the airframe cannot be avoided even if the boom raising operation is adjusted. As described above, the excavation support system 100 can reliably prevent the airframe from being lifted while realizing the composite excavation work using the airframe weight to the maximum by using the two-stage lift prevention measures.
- FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the arm excavation work support process, and the controller 30 of the excavation support system 100 repeatedly executes this arm excavation work support process at a predetermined cycle.
- the excavation operation detection unit 300 of the controller 30 determines whether or not an arm excavation operation including an arm closing operation is being performed (step S11). Specifically, the excavation operation detection unit 300 detects whether the arm closing operation is being performed based on the output of the pressure sensor 29A. When it is detected that the arm closing operation is being performed, the excavation operation detecting unit 300 detects the rod side oil chamber 8R from the pressure of the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 based on the outputs of the pressure sensors 31A and 31C. Calculate the pressure difference minus the pressure. The excavation operation detection unit 300 determines that the arm excavation operation is being performed when the calculated pressure difference is equal to or greater than the predetermined value ⁇ .
- the controller 30 ends the current arm excavation work support process.
- the attitude detection unit 301 detects the attitude of the shovel (step S12). Specifically, posture detection unit 301 detects boom angle ⁇ 1, arm angle ⁇ 2, and bucket angle ⁇ 3 based on the outputs of arm angle sensor 32A, boom angle sensor 32B, and bucket angle sensor 32C. This is because the allowable maximum pressure calculation unit 302 of the controller 30 can derive the excavation angle ⁇ , the distance D4, the distance D5, and the like.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the second allowable maximum pressure based on the detection value of the posture detection unit 301 (step S13). Specifically, the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the second allowable maximum pressure P AMAX using the above-described equation (9).
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 sets a predetermined pressure equal to or lower than the calculated second allowable maximum pressure P AMAX as the target arm cylinder pressure P AT (step S14). In the present embodiment, the allowable maximum pressure calculation unit 302 sets the second allowable maximum pressure P AMAX as the target boom cylinder pressure P AT .
- the arm cylinder pressure control part 304 of the controller 30 monitors the pressure P A of the hydraulic oil in the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8.
- the arm cylinder pressure control portion 304 the arm cylinder by controlling the arm switching valve 17A reducing the pressure P a of the bottom-side oil chamber 8B of 8 (step S16).
- the arm cylinder pressure control unit 304 supplies a control current to the electromagnetic proportional valve 41 to reduce the pilot pressure applied to the arm closing operation pilot port.
- the arm cylinder pressure control section 304 by reducing the amount of hydraulic oil flowing from the main pump 14L to the bottom side oil chamber 8B, reduces the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B.
- the arms closing speed of 5 is reduced horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R by reduction, thereby preventing the excavator body is dragged towards the drilling site.
- the pressure P A is, if not less than the second permissible maximum pressure P AMAX, arm cylinder pressure control portion 304, a bottom side oil chamber 8B from the main pump 14L
- the amount of hydraulic oil flowing into the tank may be lost.
- disappeared horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R by movement of the arm 5 is stopped, excavator body is prevented from being dragged towards the drilling site.
- step S15 if the pressure P A remains below the target arm cylinder pressure P AT (NO in step S15), and the arm cylinder pressure control section 304 reduces the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 Without this, the current arm excavation work support processing is terminated. This is because the excavator body is not dragged.
- the excavation support system 100 can prevent the excavator body from being dragged toward the excavation point during the arm excavation work. Therefore, it is possible to realize an arm excavation work that efficiently uses the weight of the body just before the excavator body is dragged.
- work efficiency can be improved, such as eliminating the need to return the dragged shovel to its original position. As a result, fuel efficiency is reduced, airframe failure is prevented, and operator operation burden is reduced. it can.
- FIG. 7 is a flowchart showing the flow of the second combined excavation work support process, and the controller 30 of the excavation support system 100 repeatedly executes the second combined excavation work support process at a predetermined cycle.
- the excavation operation detection unit 300 of the controller 30 determines whether or not a complex excavation operation including a boom raising operation and an arm closing operation is being performed (step S21). Specifically, excavation operation detection unit 300 detects whether or not a boom raising operation is being performed based on the output of pressure sensor 29B. When detecting that the boom raising operation is being performed, the excavation operation detection unit 300 acquires the pressure in the rod-side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 based on the output of the pressure sensor 31B. The excavation operation detection unit 300 calculates a pressure difference obtained by subtracting the pressure in the rod-side oil chamber 8R from the pressure in the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 based on the outputs of the pressure sensors 31A and 31C. The excavation operation detection unit 300 determines that the composite excavation operation is being performed when the pressure in the rod-side oil chamber 7R is equal to or greater than the predetermined value ⁇ and the calculated pressure difference is equal to or greater than the predetermined value ⁇ .
- the controller 30 ends the second complex excavation work support process this time.
- the posture detection unit 301 detects the posture of the shovel (step S22). Specifically, posture detection unit 301 detects boom angle ⁇ 1, arm angle ⁇ 2, and bucket angle ⁇ 3 based on the outputs of arm angle sensor 32A, boom angle sensor 32B, and bucket angle sensor 32C. This is because the allowable maximum pressure calculation unit 302 of the controller 30 can derive the excavation angle ⁇ , the distance D3, the distance D4, the distance D5, and the like.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the first allowable maximum pressure and the second allowable maximum pressure based on the detection value of the posture detection unit 301 (step S23). Specifically, the allowable maximum pressure calculation unit 302 calculates the first allowable maximum pressure P BMAX using the above-described equation (6), and the second allowable maximum pressure P using the above-described equation (9). AMAX is calculated.
- the allowable maximum pressure calculation unit 302 sets a predetermined pressure equal to or lower than the calculated first allowable maximum pressure P BMAX as the target boom cylinder pressure P BT (step S24). Specifically, allowable maximum pressure calculation unit 302 sets a value after subtracting a predetermined value from first allowable maximum pressure P BMAX as target boom cylinder pressure P BT .
- the boom cylinder pressure control unit 303 of the controller 30 monitors the pressure P B of the hydraulic oil in the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7. If the pressure P B increases and reaches the target boom cylinder pressure P BT as the combined excavation work proceeds (YES in step S25), the boom cylinder pressure control unit 303 controls the boom switching valve 17B to control the boom cylinder. reducing the pressure P B of 7 in the rod side oil chamber 7R (step S26). Specifically, the boom cylinder pressure control unit 303 supplies a control current to the electromagnetic proportional valve 42 to increase the pilot pressure applied to the boom raising operation pilot port.
- the boom cylinder pressure control unit 303 decreases the pressure P B of the rod side oil chamber 7R by increasing the amount of hydraulic oil flowing out from the rod side oil chamber 7R to the tank.
- reduced vertical component F R1 drilling reaction force F R by increasing speed of the boom 4 is increased, the lifting shovel of the aircraft is prevented.
- the arm cylinder pressure control unit 304 of the controller 30 continues to monitor the hydraulic oil pressure P B in the rod-side oil chamber 7 ⁇ / b > R of the boom cylinder 7. If the pressure P B further increases and reaches the first allowable maximum pressure P BMAX (YES in step S27) despite the increase in the boom 4 speed, the arm cylinder pressure control unit 304 controls switching valve 17A to reduce the pressure P a of the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 (step S28). Specifically, the arm cylinder pressure control unit 304 supplies a control current to the electromagnetic proportional valve 41 to reduce the pilot pressure applied to the arm closing operation pilot port.
- the arm cylinder pressure control section 304 by reducing the amount of hydraulic oil flowing from the main pump 14L to the bottom side oil chamber 8B, reduces the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B.
- reduced vertical component F R1 drilling reaction force F R by closing speed of the arm 5 is lowered, the lifting shovel of the aircraft is prevented.
- the arm cylinder pressure control unit 304 flows into the bottom side oil chamber 8B from the main pump 14L. The amount of hydraulic oil that is used may be eliminated. In this case, the movement of the arm 5 vertical component F R1 drilling reaction force F R is lost by stopping, the floating shovel of the aircraft is prevented.
- step S25 When the pressure P B remains below the target boom cylinder pressure P BT in step S25 (NO in step S25), the controller 30 does not reduce the pressure P B of the rod side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 without reducing the pressure P B. The process proceeds to step S29. This is because there is no risk of lifting the excavator body.
- step S27 when the pressure P B remains below the first allowable maximum pressure P BMAX (NO in step S27), the controller 30 is to reduce the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8 If not, the process proceeds to step S29. This is because there is no risk of lifting the excavator body.
- step S29 the allowable maximum pressure calculation unit 302 sets a predetermined pressure equal to or lower than the calculated second allowable maximum pressure P AMAX as the target arm cylinder pressure P AT . Specifically, the allowable maximum pressure calculation unit 302 sets the second allowable maximum pressure P AMAX as the target boom cylinder pressure P AT .
- the arm cylinder pressure control part 304 of the controller 30 monitors the pressure P A of the hydraulic oil in the bottom side oil chamber 8B of the arm cylinder 8.
- the arm cylinder pressure control portion 304 controls the arm switching valve 17A reducing the pressure P a of the bottom-side oil chamber 8B of 8 (step S30).
- the arm cylinder pressure control unit 304 supplies a control current to the electromagnetic proportional valve 41 to reduce the pilot pressure applied to the arm closing operation pilot port.
- the arm cylinder pressure control section 304 by reducing the amount of hydraulic oil flowing from the main pump 14L to the bottom side oil chamber 8B, reduces the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B. As a result, the arms closing speed of 5 is reduced horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R by reduction, thereby preventing the excavator body is dragged towards the drilling site.
- arm cylinder pressure control unit 304 flows from the main pump 14L to the bottom side oil chamber 8B The amount of hydraulic oil that is used may be eliminated. In this case, disappeared horizontal component F R2 of the excavation reaction force F R by movement of the arm 5 is stopped, excavator body is prevented from being dragged towards the drilling site.
- step S30 if the pressure P A remains below the target arm cylinder pressure P AT (NO in step S30), the arm cylinder pressure control section 304 reduces the pressure P A of the bottom-side oil chamber 8B of the arm cylinder 8
- the second combined excavation work support process is terminated without causing it to occur. This is because the excavator body is not dragged.
- a series of processes for preventing the shovel from being lifted in steps S24 to S28 and a series of processes for preventing the shovel from being dragged in steps S29 to S31 are in no particular order. Accordingly, the two series of processes may be executed in parallel, and the series of processes for preventing the excavator from being dragged are executed prior to the series of processes for preventing the shovel from being lifted. May be.
- the excavation support system 100 can prevent the excavator body from being lifted or dragged toward the excavation point during the complex excavation work. Therefore, it is possible to realize a composite excavation work that efficiently uses the weight of the machine body, just before the excavator body is lifted or dragged. In addition, work efficiency can be improved, such as eliminating the need to return the lifted or dragged excavator to its original position, thereby reducing fuel consumption, preventing airframe failure, and reducing the operator's operational burden. Mitigation can be realized.
- the calculation by the allowable maximum pressure calculation unit 302, the boom cylinder pressure control unit 303, and the arm cylinder pressure control unit 304 is performed on the assumption that the ground contact surface of the excavator is a horizontal plane.
- the present invention is not limited to this.
- Various calculations in the above-described embodiments can be appropriately executed even when the ground contact surface of the excavator is an inclined surface, additionally considering the output of the inclination angle sensor 32E.
- the excavation support system 100 prevents the airframe from being lifted during the complex excavation operation including the arm closing operation and the boom raising operation. Specifically, the excavation support system 100 raises the boom 4 when the pressure in the rod-side oil chamber 7R of the boom cylinder 7 exceeds the target boom cylinder pressure PBT . Further, the excavation support system 100 decreases the closing speed of the arm 5 when the pressure in the rod-side oil chamber 8R reaches the first allowable maximum pressure P BMAX . In this way, the excavation support system 100 prevents the airframe from being lifted during the complex excavation operation including the arm closing operation and the boom raising operation.
- the present invention is not limited to this.
- the excavation support system 100 may be configured to prevent the airframe from being lifted during a complex excavation operation including a bucket closing operation and a boom raising operation.
- the excavation support system 100 raises the boom 4 when the pressure in the rod-side oil chamber 7R exceeds the target boom cylinder pressure PBT .
- the excavation support system 100 decreases the closing speed of the bucket 6 when the pressure in the rod side oil chamber 7R reaches the first allowable maximum pressure P BMAX . In this way, the excavation support system 100 may prevent the airframe from being lifted during the complex excavation operation including the bucket closing operation and the boom raising operation.
- the hydraulic cylinders such as the boom cylinder 7 and the arm cylinder 8 are moved by the hydraulic oil discharged from the engine-driven main pump 14, but are moved by the hydraulic oil discharged from the electric motor-driven hydraulic pump. May be.
- Operation device 26A ... Arm operation lever 26B ... Boom operation lever 27, 28 ... Pilot hydraulic line 29, 29A, 29B ... Pressure sensor 30 ... Controller 31, 31A-31C -Pressure sensor 32 ... Attitude sensor 32A ... Arm angle sensor 32B ... Boom angle sensor 32C ... Bucket angle sensor 32D ... Turning angle sensor 32E ... Inclination angle sensor 33 ... Display Device 34 ... Voice output device 41, 42 ... Proportional solenoid valve 100 ... Excavation support system 300 ... Excavation operation detection unit 301 ... Attitude detection unit 302 ... Allowable maximum pressure calculation unit 303 ..Boom cylinder pressure control unit 304 ... Arm cylinder pressure control unit
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Abstract
本発明の実施例に係るショベルは、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作に応じて掘削を行うショベルであって、複合掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出部(300)と、ショベルの姿勢を検出する姿勢検出部(301)と、ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが浮き上がるときのその掘削反力に対応するブームシリンダ(7)のロッド側油室(7R)の圧力を第1許容最大圧力(PBMAX)として算出する許容最大圧力算出部(302)と、複合掘削操作が行われるときに、第1許容最大圧力(PBMAX)を超えないようにブームシリンダ(7)のロッド側油室(7R)の圧力を制御するブームシリンダ圧制御部(303)と、を備える。
Description
本発明は、油圧シリンダで動く掘削アタッチメントを備えるショベル及びその制御方法に関する。
従来、油圧パワーショベルの過負荷防止装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この過負荷防止装置は、パワーショベルの掘削作業中に、地面からの反力をブームシリンダのヘッド側油室における保持油圧として検出し、その保持油圧が所定圧力に達したときにリリーフ弁を開くことにより前輪が浮き上がるのを防止している。
また、リリーフ弁を開く代わりにブーム主操作弁、アーム主操作弁、及びバケット主操作弁を作動させてブーム、アーム、及びバケットを自動的に動作させることにより前輪が浮き上がるのを防止している。
しかしながら、特許文献1の過負荷防止装置は、ブームシリンダのヘッド側油室における保持油圧が所定圧力に達しさえすれば、リリーフ弁を開き、或いは、ブーム主操作弁を作動させてしまう。
そのため、特許文献1の過負荷防止装置は、ショベルの自重を最大限に利用した掘削をショベルに実現させることができず、ショベルの最大掘削力を低減して掘削作業の効率を悪化させてしまうおそれがある。
上述の点に鑑み、ショベルの自重を最大限に利用した掘削を実現して掘削作業の効率を良好に維持し得るショベル及びショベル制御方法を提供することが望まれる。
本発明の実施例に係るショベルは、アーム閉じ操作又はバケット閉じ操作とブーム上げ操作とを含む複合掘削操作に応じて掘削を行うショベルであって、前記複合掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出部と、ショベルの姿勢を検出する姿勢検出部と、ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが浮き上がるときの該掘削反力に対応するブームシリンダの収縮側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出部と、前記複合掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力を制御するブームシリンダ圧制御部と、を備える。
また、本発明の実施例に係るショベル制御方法は、アーム閉じ操作又はバケット閉じ操作とブーム上げ操作とを含む複合掘削操作に応じて掘削を行うショベルの制御方法であって、前記複合掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出ステップと、ショベルの姿勢を検出する姿勢検出ステップと、ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが浮き上がるときの該掘削反力に対応するブームシリンダの収縮側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出ステップと、前記複合掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力を制御するブームシリンダ圧制御ステップと、を有する。
上述の手段により、ショベルの自重を最大限に利用した掘削を実現して掘削作業の効率を良好に維持し得るショベル及びショベル制御方法が提供される。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図1は、本発明の実施例に係るショベルを示す側面図である。
ショベルの下部走行体1には、旋回機構2を介して上部旋回体3が搭載されている。上部旋回体3には、ブーム4が取り付けられている。ブーム4の先端にはアーム5が取り付けられ、アーム5の先端にはバケット6が取り付けられている。ブーム4、アーム5、及びバケット6は、掘削アタッチメントを構成し、油圧シリンダであるブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によりそれぞれ油圧駆動される。上部旋回体3には、キャビン10が設けられ、且つエンジン等の動力源が搭載される。
図2は、図1のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図である。図2において、機械的動力系は二重線、高圧油圧ラインは太実線、パイロット油圧ラインは破線、電気駆動・制御系は一点鎖線でそれぞれ示されている。
機械式駆動部としてのエンジン11の出力軸には、油圧ポンプとしてのメインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されている。メインポンプ14には、高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。また、パイロットポンプ15には、パイロット油圧ライン25を介して操作装置26が接続されている。また、メインポンプ14は、ポンプ1回転当たりの吐出流量がレギュレータ13によって制御される可変容量型油圧ポンプである。
コントロールバルブ17は、ショベルにおける油圧系の制御を行う装置である。下部走行体1用の油圧モータ1A(右用)及び1B(左用)、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、バケットシリンダ9、旋回油圧モータ21等の油圧アクチュエータは、高圧油圧ラインを介してコントロールバルブ17に接続されている。
操作装置26は、油圧アクチュエータを操作するための装置であり、レバー及びペダルを含む。操作装置26は、パイロット油圧ライン27及び28を介して、コントロールバルブ17及び圧力センサ29にそれぞれ接続されている。圧力センサ29は、電気系の駆動制御を行うコントローラ30に接続されている。
コントローラ30は、ショベルの駆動制御を行う主制御部である。本実施例では、コントローラ30は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)等を備えたコンピュータである。コントローラ30は、例えば、各種制御に対応するプログラムをROMから読み出してRAMにロードし、各種制御に対応する処理をCPUに実行させる。
圧力センサ31は、油圧シリンダの油室における作動油の圧力を検出するセンサであり、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
姿勢センサ32は、ショベルの姿勢を検出するセンサであり、検出した値をコントローラ30に対して出力する。
図3は、図1のショベルに搭載される掘削支援システム100の構成例を示す概略図である。図3では、図2と同様に、高圧油圧ラインが太実線で示され、パイロット油圧ラインが破線で示され、電気駆動・制御系が一点鎖線で示される。また、図3は、ブーム上げ操作及びアーム閉じ操作を含む複合掘削操作が行われているときの状態を示す。
掘削支援システム100は、操作者によるショベルを用いた掘削作業のための操作を支援するシステムである。本実施例では、掘削支援システム100は、主に、圧力センサ29A、29B、コントローラ30、圧力センサ31A~31C、姿勢センサ32A~32E、表示装置33、音声出力装置34、及び電磁比例弁41、42を含む。
圧力センサ29Aは、圧力センサ29の1例であり、操作装置26の1例であるアーム操作レバー26Aの操作状態を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
圧力センサ29Bは、圧力センサ29の1例であり、操作装置26の1例であるブーム操作レバー26Bの操作状態を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
圧力センサ31Aは、圧力センサ31の1例であり、アームシリンダ8のロッド側油室8Rにおける作動油の圧力を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。本実施例では、ロッド側油室8Rは、アーム5が閉じる際の収縮側油室に相当する。
圧力センサ31Bは、圧力センサ31の1例であり、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。本実施例では、ロッド側油室7Rは、ブーム4が上昇する際の収縮側油室に相当する。また、ブームシリンダ7のボトム側油室7Bは、ブーム4が上昇する際の伸長側油室に相当する。
圧力センサ31Cは、圧力センサ31の1例であり、アームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。本実施例では、ボトム側油室8Bは、アーム5が閉じる際の伸長側油室に相当する。
アーム角度センサ32Aは、姿勢センサ32の1例であり、例えばポテンショメータであって、ブーム4に対するアーム5の開閉角度(以下、「アーム角度」とする。)を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
ブーム角度センサ32Bは、姿勢センサ32の1例であり、例えばポテンショメータであって、上部旋回体3に対するブーム4の俯仰角度(以下、「ブーム角度」とする。)を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
バケット角度センサ32Cは、姿勢センサ32の1例であり、例えばポテンショメータであって、アーム5に対するバケット6の開閉角度(以下、「バケット角度」とする。)を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
旋回角度センサ32Dは、姿勢センサ32の1例であり、下部走行体1に対する上部旋回体3の旋回角度を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
傾斜角度センサ32Eは、姿勢センサ32の1例であり、水平面に対するショベルの接地面の傾斜角度を検出し、検出結果をコントローラ30に対して出力する。
表示装置33は、各種情報を表示するための装置であり、例えば、ショベルの運転室に設置される液晶ディスプレイである。表示装置33は、コントローラ30からの制御信号に応じて掘削支援システム100に関する各種情報を表示する。
音声出力装置34は、各種情報を音声出力するための装置であり、例えば、ショベルの運転室に設置されるスピーカである。音声出力装置34は、コントローラ30からの制御信号に応じて掘削支援システム100に関する各種情報を音声出力する。
電磁比例弁41は、コントロールバルブ17の1例であるアーム切換弁17Aとアーム操作レバー26Aとの間のパイロット油圧ライン上に配置される弁である。そして、電磁比例弁41は、コントローラ30からの制御電流に応じてアーム切換弁17Aにおけるアーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を制御する。本実施例では、電磁比例弁41は、制御電流を受けない場合に、一次側圧(アーム操作レバー26Aが出力するアーム閉じ操作用のパイロット圧)と二次側圧(アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧)とが同じになるように構成される。また、電磁比例弁41は、コントローラ30からの制御電流が増大するにつれて、二次側圧が一次側圧よりも小さくなるように構成される。
電磁比例弁42は、コントロールバルブ17の1例であるブーム切換弁17Bとブーム操作レバー26Bとの間のパイロット油圧ライン上に配置される弁である。そして、電磁比例弁42は、コントローラ30からの制御電流に応じてブーム切換弁17Bにおけるブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を制御する。本実施例では、電磁比例弁42は、制御電流を受けない場合に、一次側圧(ブーム操作レバー26Bが出力するブーム上げ操作用のパイロット圧)と二次側圧(ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧)とが同じになるように構成される。また、電磁比例弁42は、コントローラ30からの制御電流が増大するにつれて、二次側圧が一次側圧よりも大きくなるように構成される。
コントローラ30は、各種センサ29A、29B、31A~31C、32A~32Eの出力を得て、各種機能要素による演算を行う。そして、コントローラ30は、その演算結果を表示装置33、音声出力装置34、及び電磁比例弁41、42に対して出力する。
各種機能要素は、掘削操作検出部300、姿勢検出部301、許容最大圧力算出部302、ブームシリンダ圧制御部303、アームシリンダ圧制御部304を含む。
掘削操作検出部300は、掘削操作が行われたことを検出する機能要素である。本実施例では、掘削操作検出部300は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作が行われたか否かを検出する。具体的には、掘削操作検出部300は、ブーム上げ操作が検出され、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力が所定値α以上であり、且つ、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力からロッド側油室8Rの圧力を差し引いた圧力差が所定値β以上の場合に、複合掘削操作が行われたことを検出する。また、掘削操作検出部300は、アーム閉じ操作が検出されたことを追加的な条件として複合掘削操作が行われたことを検出してもよい。なお、掘削操作検出部300は、圧力センサ29A、29B、31A~31Cの出力に加え、或いはそれらに代えて、姿勢センサ32等の他のセンサの出力を用いて複合掘削操作が行われたか否かを検出してもよい。
また、掘削操作検出部300は、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作が行われたか否かを検出してもよい。具体的には、掘削操作検出部300は、アーム閉じ操作が検出され、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力が所定値α以上であり、且つ、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力からロッド側油室8Rの圧力を差し引いた圧力差が所定値β以上の場合に、アーム掘削操作が行われたことを検出する。なお、アーム掘削操作は、アーム閉じ操作のみの単独操作、アーム閉じ操作とブーム上げ操作又はブーム下げ操作との組み合わせである複合操作、アーム閉じ操作とバケット閉じ操作との組み合わせである複合操作を含む。
姿勢検出部301は、ショベルの姿勢を検出する機能要素である。本実施例では、姿勢検出部301は、ブーム角度、アーム角度、バケット角度、傾斜角度、及び、旋回角度をショベルの姿勢として検出する。具体的には、姿勢検出部301は、姿勢センサ32A~32Cの出力に基づいてブーム角度、アーム角度、バケット角度を検出する。また、姿勢検出部301は、旋回角度センサ32Dの出力に基づいて旋回角度を検出する。また、姿勢検出部301は、傾斜角度センサ32Eの出力に基づいて傾斜角度を検出する。なお、姿勢検出部301によるショベルの姿勢の検出についてはその詳細を後述する。
許容最大圧力算出部302は、掘削作業中におけるショベルの機体の意図しない動きを防止するために把握しておく必要がある、各種油圧シリンダにおける作動油の許容最大圧力を算出する機能要素である。本実施例では、許容最大圧力算出部302は、掘削作業中におけるショベルの機体の浮き上がりを防止するために把握しておく必要がある、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの許容最大圧力を算出する。この場合、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力がその許容最大圧力を超えることは、ショベルの機体が浮き上がるおそれがあることを意味する。また、許容最大圧力算出部302は、掘削作業中にショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために把握しておく必要がある、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの許容最大圧力を算出する。この場合、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力がその許容最大圧力を超えることは、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるおそれがあることを意味する。なお、許容最大圧力算出部302による許容最大圧力の算出についてはその詳細を後述する。
ブームシリンダ圧制御部303は、掘削作業中におけるショベルの機体の意図しない動きを防止するためにブームシリンダ7における作動油の圧力を制御する機能要素である。本実施例では、ブームシリンダ圧制御部303は、ショベルの機体の浮き上がりを防止するために、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、ブームシリンダ圧制御部303は、複合掘削操作が行われている場合に、ロッド側油室7Rの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁42に対して制御電流を出力する。そして、ブームシリンダ圧制御部303は、電磁比例弁42の一次側圧(ブーム操作レバー26Bが出力するブーム上げ操作用のパイロット圧)よりも二次側圧(ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧)を大きくする。その結果、ロッド側油室7Rからタンクに流出する作動油の流量が増大し、ロッド側油室7Rの圧力が低下する。また、ブーム4の上昇速度が増大する。このようにして、ブームシリンダ圧制御部303は、ロッド側油室7Rの圧力を所定圧力未満にし、ロッド側油室7Rの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が浮き上がるのを防止する。
また、ブームシリンダ圧制御部303は、電磁比例弁42に対して制御電流を出力した場合には、表示装置33及び音声出力装置34の少なくとも一方に制御信号を出力する。そして、ブームシリンダ圧制御部303は、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を自動調整した旨を表すテキストメッセージを表示装置33に表示させる。また、ブームシリンダ圧制御部303は、その旨を表す音声メッセージや警報音を音声出力装置34から音声出力させる。操作者によるブーム操作レバー26Bを用いたブーム上げ操作に調整が加えられていることを操作者に伝えるためである。
アームシリンダ圧制御部304は、掘削作業中の機体の意図しない動きを防止するためにアームシリンダ8における作動油の圧力を制御する機能要素である。本実施例では、アームシリンダ圧制御部304は、ショベルの機体の浮き上がりを防止するために、アームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、複合掘削操作が行われている場合に、ボトム側油室8Bの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁41に対して制御電流を出力する。そして、アームシリンダ圧制御部304は、電磁比例弁41の一次側圧(アーム操作レバー26Aが出力するアーム閉じ操作用のパイロット圧)よりも二次側圧(アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧)を小さくする。その結果、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の流量が減少し、ボトム側油室8Bの圧力が低下する。また、アーム5の閉じ速度が低下する。このようにして、アームシリンダ圧制御部304は、ボトム側油室8Bの圧力を所定圧力未満にし、ボトム側油室8Bの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が浮き上がるのを防止する。また、アームシリンダ圧制御部304は、必要に応じて、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の流量が消失するまで電磁比例弁41の二次側圧を小さくしてもよい。すなわち、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であってもアーム5の閉じ動作を停止させてもよい。ショベルの機体が浮き上がるのを確実に防止するためである。
また、アームシリンダ圧制御部304は、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために、アームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力を許容最大圧力以下に制御する。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、アーム掘削作業が行われている場合に、ボトム側油室8Bの圧力が上昇して許容最大圧力以下の所定圧力に達すると、電磁比例弁41に対して制御電流を出力する。その結果、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の流量が減少し、ボトム側油室8Bの圧力が低下する。また、アーム5の閉じ速度が低下する。このようにして、アームシリンダ圧制御部304は、ボトム側油室8Bの圧力を所定圧力未満にし、ボトム側油室8Bの圧力が許容最大圧力を超過するのを防止し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止する。また、アームシリンダ圧制御部304は、必要に応じて、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の流量が消失するまで電磁比例弁41の二次側圧を小さくしてもよい。すなわち、操作者によるアーム閉じ操作が行われている場合であってもアーム5の閉じ動作を停止させてもよい。ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを確実に防止するためである。
また、アームシリンダ圧制御部304は、ブームシリンダ圧制御部303と同様、電磁比例弁41に対して制御電流を出力した場合には、表示装置33及び音声出力装置34の少なくとも一方に制御信号を出力する。操作者によるアーム操作レバー26Aを用いたアーム閉じ操作に調整が加えられていることを操作者に伝えるためである。
次に、図4を参照しながら、姿勢検出部301によるショベルの姿勢の検出、及び、許容最大圧力算出部302による許容最大圧力の算出について説明する。なお、図4は、複合掘削操作による掘削が行われる際にショベルに作用する力の関係を示す概略図である。
最初に、掘削作業中に機体が浮き上がるのを防止するための制御に関するパラメータについて説明する。
図4において、点P1は、上部旋回体3とブーム4との連結点を示し、点P2は、上部旋回体3とブームシリンダ7のシリンダとの連結点を示す。また、点P3は、ブームシリンダ7のロッド7Cとブーム4との連結点を示し、点P4は、ブーム4とアームシリンダ8のシリンダとの連結点を示す。また、点P5は、アームシリンダ8のロッド8Cとアーム5との連結点を示し、点P6は、ブーム4とアーム5との連結点を示す。また、点P7は、アーム5とバケット6との連結点を示し、点P8は、バケット6の先端を示す。なお、図4は、説明の明瞭化のため、バケットシリンダ9の図示を省略している。
また、図4は、点P1及び点P3を結ぶ直線と水平線との間の角度をブーム角度θ1とし、点P3及び点P6を結ぶ直線と点P6及び点P7を結ぶ直線との間の角度をアーム角度θ2とし、点P6及び点P7を結ぶ直線と点P7及び点P8を結ぶ直線との間の角度をバケット角度θ3として示す。
さらに、図4において、距離D1は、機体の浮き上がりが発生するときの回転中心RCとショベルの重心GCとの間の水平距離、すなわち、ショベルの質量M及び重力加速度gの積である重力M・gの作用線と回転中心RCとの間の距離を示す。そして、距離D1と重力M・gの大きさとの積は、回転中心RC周りの第1の力のモーメントの大きさを表す。なお、記号「・」は「×」(乗算記号)を表す。
また、図4において、距離D2は、回転中心RCと点P8との間の水平距離、すなわち、掘削反力FRの鉛直成分FR1の作用線と回転中心RCとの間の距離を示す。そして、距離D2と鉛直成分FR1の大きさとの積は、回転中心RC周りの第2の力のモーメントの大きさを表す。なお、掘削反力FRは、鉛直軸に対して掘削角度θを形成し、掘削反力FRの鉛直成分FR1は、FR1=FR・cosθで表される。また、掘削角度θは、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3に基づいて算出される。
また、図4において、距離D3は、点P2及び点P3を結ぶ直線と回転中心RCとの間の距離、すなわち、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBの作用線と回転中心RCとの間の距離を示す。そして、距離D3と力FBの大きさとの積は、回転中心RC周りの第3の力のモーメントの大きさを表す。
また、図4において、距離D4は、掘削反力FRの作用線と点P6との間の距離を示す。そして、距離D4と掘削反力FRの大きさとの積は、点P6周りの第1の力のモーメントの大きさを表す。
また、図4において、距離D5は、点P4及び点P5を結ぶ直線と点P6との間の距離、すなわち、アーム5を閉じるアーム推力FAの作用線と点P6との間の距離を示す。そして、距離D5とアーム推力FAの大きさとの積は、点P6周りの第2の力のモーメントの大きさを表す。
ここで、掘削反力FRの鉛直成分FR1が回転中心RC周りにショベルを浮き上がらせようとする力のモーメントの大きさと、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBが回転中心RC周りにショベルを浮き上がらせようとする力のモーメントの大きさとを置き換え可能であると仮定する。この場合、回転中心RC周りの第2の力のモーメントの大きさと回転中心RC周りの第3の力のモーメントの大きさとの関係は以下の(1)式で表される。
FR1・D2=FR・cosθ・D2=FB・D3・・・(1)
また、アーム推力FAが点P6周りにアーム5を閉じようとする力のモーメントの大きさと、掘削反力FRが点P6周りにアーム5を開こうとする力のモーメントの大きさとはつり合うものと考えられる。この場合、点P6周りの第1の力のモーメントの大きさと点P6周りの第2の力のモーメントの大きさとの関係は以下の(2)式及び(2)’式で表される。なお、記号「/」は「÷」(除算記号)を表す。
FA・D5=FR・D4・・・(2)
FR=FA・D5/D4・・・(2)’
また、(1)式及び(2)式より、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBは、以下の(3)式で表される。
FB=FA・D2・D5・cosθ/(D3・D4)・・・(3)
さらに、図4のX-X断面図で示すように、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rに面するピストンの環状受圧面積を面積ABとし、ロッド側油室7Rにおける作動油の圧力を圧力PBとすると、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBは、FB=PB・ABで表される。したがって、(3)式は、以下の(4)式及び(4)’式で表される。
PB=FA・D2・D5・cosθ/(AB・D3・D4)・・・(4)
FA=PB・AB・D3・D4/(D2・D5・cosθ)・・・(4)’
ここで、機体が浮き上がる際の、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBを力FBMAXとすると、重力M・gが機体を浮き上がらせないようにする回転中心RC周りの第1の力のモーメントの大きさと、力FBMAXが機体を浮き上がらせようとする回転中心RC周りの第3の力のモーメントの大きさとはつり合うものと考えられる。この場合、それら2つの力のモーメントの大きさの関係は以下の(5)式で表される。
M・g・D1=FBMAX・D3・・・(5)
また、このときのブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力を、機体の浮き上がりを防止するために用いる許容最大圧力(以下、「第1許容最大圧力」とする。)PBMAXとすると、第1許容最大圧力PBMAXは、以下の(6)式で表される。
PBMAX=M・g・D1/(AB・D3)・・・(6)
また、距離D1は定数であり、距離D2~D5は、掘削角度θと同様、掘削アタッチメントの姿勢、すなわち、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3に応じて決まる値である。具体的には、距離D2は、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3に応じて決まり、距離D3は、ブーム角度θ1に応じて決まり、距離D4は、バケット角度θ3に応じて決まり、距離D5は、アーム角度θ2に応じて決まる。
FR1・D2=FR・cosθ・D2=FB・D3・・・(1)
また、アーム推力FAが点P6周りにアーム5を閉じようとする力のモーメントの大きさと、掘削反力FRが点P6周りにアーム5を開こうとする力のモーメントの大きさとはつり合うものと考えられる。この場合、点P6周りの第1の力のモーメントの大きさと点P6周りの第2の力のモーメントの大きさとの関係は以下の(2)式及び(2)’式で表される。なお、記号「/」は「÷」(除算記号)を表す。
FA・D5=FR・D4・・・(2)
FR=FA・D5/D4・・・(2)’
また、(1)式及び(2)式より、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBは、以下の(3)式で表される。
FB=FA・D2・D5・cosθ/(D3・D4)・・・(3)
さらに、図4のX-X断面図で示すように、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rに面するピストンの環状受圧面積を面積ABとし、ロッド側油室7Rにおける作動油の圧力を圧力PBとすると、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBは、FB=PB・ABで表される。したがって、(3)式は、以下の(4)式及び(4)’式で表される。
PB=FA・D2・D5・cosθ/(AB・D3・D4)・・・(4)
FA=PB・AB・D3・D4/(D2・D5・cosθ)・・・(4)’
ここで、機体が浮き上がる際の、ブームシリンダ7のロッド7Cを引っ張り出そうとする力FBを力FBMAXとすると、重力M・gが機体を浮き上がらせないようにする回転中心RC周りの第1の力のモーメントの大きさと、力FBMAXが機体を浮き上がらせようとする回転中心RC周りの第3の力のモーメントの大きさとはつり合うものと考えられる。この場合、それら2つの力のモーメントの大きさの関係は以下の(5)式で表される。
M・g・D1=FBMAX・D3・・・(5)
また、このときのブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力を、機体の浮き上がりを防止するために用いる許容最大圧力(以下、「第1許容最大圧力」とする。)PBMAXとすると、第1許容最大圧力PBMAXは、以下の(6)式で表される。
PBMAX=M・g・D1/(AB・D3)・・・(6)
また、距離D1は定数であり、距離D2~D5は、掘削角度θと同様、掘削アタッチメントの姿勢、すなわち、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3に応じて決まる値である。具体的には、距離D2は、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3に応じて決まり、距離D3は、ブーム角度θ1に応じて決まり、距離D4は、バケット角度θ3に応じて決まり、距離D5は、アーム角度θ2に応じて決まる。
その結果、許容最大圧力算出部302は、姿勢検出部301が検出するブーム角度θ1と(6)式とを用いて第1許容最大圧力PBMAXを算出することができる。
また、ブームシリンダ圧制御部303は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける圧力PBを第1許容最大圧力PBMAX以下の所定圧力に維持することによってショベルの機体の浮き上がりを防止することができる。具体的には、ブームシリンダ圧制御部303は、圧力PBが所定圧力に達した場合に、ロッド側油室7Rからタンクに流出する作動油の流量を増大させ、圧力PBを低下させる。圧力PBの低下は、(4)’式が示すように、アーム推力FAの低下をもたらし、さらには、(2)’式が示すように、掘削反力FRの低下、ひいてはその鉛直成分FR1の低下をもたらすためである。
また、回転中心RCの位置は、旋回角度センサ32Dの出力に基づいて決定される。例えば、下部走行体1と上部旋回体3との間の旋回角度が0度の場合には、下部走行体1が接地面と接触する部分のうちの後端が回転中心RCとなり、下部走行体1と上部旋回体3との間の旋回角度が180度の場合には、下部走行体1が接地面と接触する部分のうちの前端が回転中心RCとなる。また、下部走行体1と上部旋回体3との間の旋回角度が90度又は270度の場合には、下部走行体1が接地面と接触する部分のうちの側端が回転中心RCとなる。
次に、掘削作業中に機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するための制御に関するパラメータについて説明する。
掘削作業中に機体を水平方向に動かそうとする力の関係は、以下の(7)式で表される。
μ・N≧FR2・・・(7)
なお、静止摩擦係数μは、ショベルの接地面の静止摩擦係数を表し、垂直抗力Nは、ショベルの重力M・gに対する垂直抗力を表し、力FR2は、ショベルを掘削地点のほうに引き摺ろうとする掘削反力FRの水平成分FR2を表す。また、摩擦力μ・Nは、ショベルを静止させようとする最大静止摩擦力を表し、掘削反力FRの水平成分FR2が最大静止摩擦力μ・Nを上回ると、ショベルは、掘削地点のほうに引き摺られる。なお、静止摩擦係数μは、ROM等に予め記憶される値であってもよく、各種情報に基づいて動的に算出されるものであってもよい。本実施例では、静止摩擦係数μは、入力装置(図示せず。)を介して操作者が選択する予め記憶された値である。操作者は、接地面の状態に応じて複数レベルの摩擦状態(静止摩擦係数)から所望の摩擦状態(静止摩擦係数)を選択する。
μ・N≧FR2・・・(7)
なお、静止摩擦係数μは、ショベルの接地面の静止摩擦係数を表し、垂直抗力Nは、ショベルの重力M・gに対する垂直抗力を表し、力FR2は、ショベルを掘削地点のほうに引き摺ろうとする掘削反力FRの水平成分FR2を表す。また、摩擦力μ・Nは、ショベルを静止させようとする最大静止摩擦力を表し、掘削反力FRの水平成分FR2が最大静止摩擦力μ・Nを上回ると、ショベルは、掘削地点のほうに引き摺られる。なお、静止摩擦係数μは、ROM等に予め記憶される値であってもよく、各種情報に基づいて動的に算出されるものであってもよい。本実施例では、静止摩擦係数μは、入力装置(図示せず。)を介して操作者が選択する予め記憶された値である。操作者は、接地面の状態に応じて複数レベルの摩擦状態(静止摩擦係数)から所望の摩擦状態(静止摩擦係数)を選択する。
ここで、掘削反力FRの水平成分FR2は、FR2=FR・sinθで表され、また、(2)’式より、掘削反力FRは、FR=FA・D5/D4で表されるため、(7)式は、以下の(8)式で表される。
μ・M・g≧FA・D5・sinθ/D4・・・(8)
また、図4のY-Y断面図で示すように、アームシリンダ8のボトム側油室8Bに面するピストンの円状受圧面積を面積AAとし、ボトム側油室8Bにおける作動油の圧力を圧力PAとすると、アーム推力FAは、FA=PA・AAで表される。そのため、(8)式は、以下の(9)式で表される。
PA≦μ・M・g・D4/(AA・D5・sinθ)・・・(9)
ここで、(9)式の右辺と左辺が等しいときのアームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力PAは、機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを回避可能な許容最大圧力、すなわち、機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために用いる許容最大圧力(以下、「第2許容最大圧力」とする。)PAMAXに相当する。
μ・M・g≧FA・D5・sinθ/D4・・・(8)
また、図4のY-Y断面図で示すように、アームシリンダ8のボトム側油室8Bに面するピストンの円状受圧面積を面積AAとし、ボトム側油室8Bにおける作動油の圧力を圧力PAとすると、アーム推力FAは、FA=PA・AAで表される。そのため、(8)式は、以下の(9)式で表される。
PA≦μ・M・g・D4/(AA・D5・sinθ)・・・(9)
ここで、(9)式の右辺と左辺が等しいときのアームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力PAは、機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを回避可能な許容最大圧力、すなわち、機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止するために用いる許容最大圧力(以下、「第2許容最大圧力」とする。)PAMAXに相当する。
以上の関係より、許容最大圧力算出部302は、姿勢検出部301が検出するブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3と、(9)式とを用いて第2許容最大圧力PAMAXを算出することができる。
また、アームシリンダ圧制御部304は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける圧力PAを第2許容最大圧力PAMAX以下の所定圧力に維持することによってショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止することができる。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、圧力PAが所定圧力に達した場合に、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の流量を減少させ、圧力PAを低下させる。圧力PAの低下は、アーム推力FAの低下をもたらし、さらには、掘削反力FRの水平成分FR2の低下をもたらすためである。
次に、図5を参照して、掘削支援システム100がショベルの機体の浮き上がりを防止しながら複合掘削作業を支援する処理(以下、「第1複合掘削作業支援処理」とする。)について説明する。なお、図5は、第1複合掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートであり、掘削支援システム100のコントローラ30は、所定周期で繰り返しこの第1複合掘削作業支援処理を実行する。
最初に、コントローラ30の掘削操作検出部300は、ブーム上げ操作及びアーム閉じ操作を含む複合掘削操作中であるか否かを判定する(ステップS1)。具体的には、掘削操作検出部300は、圧力センサ29Bの出力に基づいてブーム上げ操作中であるか否かを検出する。そして、ブーム上げ操作中であることを検出した場合、掘削操作検出部300は、圧力センサ31Bの出力に基づいて、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力を取得する。また、掘削操作検出部300は、圧力センサ31A、31Cの出力に基づいて、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力からロッド側油室8Rの圧力を差し引いた圧力差を算出する。そして、掘削操作検出部300は、ロッド側油室7Rの圧力が所定値α以上であり、且つ、算出した圧力差が所定値β以上の場合に、複合掘削操作中であると判定する。
掘削操作検出部300が複合掘削操作中でないと判定した場合(ステップS1のNO)、コントローラ30は、今回の第1複合掘削作業支援処理を終了させる。
一方、掘削操作検出部300が複合掘削操作中であると判定した場合(ステップS1のYES)、姿勢検出部301は、ショベルの姿勢を検出する(ステップS2)。具体的には、姿勢検出部301は、アーム角度センサ32A、ブーム角度センサ32B、及びバケット角度センサ32Cの出力に基づいて、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3を検出する。掘削アタッチメントに作用する力の作用線と所定の回転中心との間の距離をコントローラ30の許容最大圧力算出部302が導出できるようにするためである。
その後、許容最大圧力算出部302は、姿勢検出部301の検出値に基づいて、第1許容最大圧力を算出する(ステップS3)。具体的には、許容最大圧力算出部302は、上述の(6)式を用いて第1許容最大圧力PBMAXを算出する。
その後、許容最大圧力算出部302は、算出した第1許容最大圧力PBMAX以下の所定圧力を目標ブームシリンダ圧PBTとして設定する(ステップS4)。具体的には、許容最大圧力算出部302は、第1許容最大圧力PBMAXから所定値を差し引いた後の値を目標ブームシリンダ圧PBTとして設定する。
その後、コントローラ30のブームシリンダ圧制御部303は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力PBを監視する。そして、複合掘削作業が進むにつれて圧力PBが上昇して目標ブームシリンダ圧PBTに達した場合(ステップS5のYES)、ブームシリンダ圧制御部303は、ブーム切換弁17Bを制御してブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力PBを低減させる(ステップS6)。具体的には、ブームシリンダ圧制御部303は、電磁比例弁42に対して制御電流を供給し、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を増大させる。そして、ブームシリンダ圧制御部303は、ロッド側油室7Rからタンクに流出する作動油の量を増大させることによって、ロッド側油室7Rの圧力PBを低減させる。その結果、ブーム4の上昇速度が増大することで掘削反力FRの鉛直成分FR1が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。
その後、コントローラ30のアームシリンダ圧制御部304は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力PBの監視を継続する。そして、ブーム4の上昇速度を増大させたにもかかわらず圧力PBがさらに上昇して第1許容最大圧力PBMAXに達した場合(ステップS7のYES)、アームシリンダ圧制御部304は、アーム切換弁17Aを制御してアームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる(ステップS8)。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、電磁比例弁41に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる。その結果、アーム5の閉じ速度が低下することで掘削反力FRの鉛直成分FR1が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。なお、アーム5の閉じ速度を低下させたにもかかわらず圧力PBが第1許容最大圧力PBMAXを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム5の動きが停止することで掘削反力FRの鉛直成分FR1が消失し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。
なお、ステップS5において、圧力PBが目標ブームシリンダ圧PBT未満に留まる場合(ステップS5のNO)、ブームシリンダ圧制御部303は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力PBを低減させることなく、今回の第1複合掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。
同様に、ステップS7において、圧力PBが第1許容最大圧力PBMAX未満に留まる場合(ステップS7のNO)、アームシリンダ圧制御部304は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させることなく、今回の第1複合掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。
以上の構成により、掘削支援システム100は、複合掘削作業中にショベルの機体が浮き上がるのを防止することができる。そのため、ショベルの機体が浮き上がる寸前のところでの、機体重量を効率的に利用した複合掘削作業を実現できる。また、浮き上がったショベルの姿勢を元に戻すための操作を不要にする等、作業効率を向上させることができ、ひいては、燃費の低減、機体故障の防止、操作者の操作負担の軽減を実現できる。
また、掘削支援システム100は、操作者によるブーム操作レバー26Bを用いたブーム上げ操作に調整を加えることによって複合掘削作業中にショベルの機体が浮き上がるのを防止する。そのため、操作者は、ブーム操作レバー26Bを操作していないにもかかわらずブーム4が上昇するといった違和感を抱くこともない。
また、掘削支援システム100は、ブーム上げ操作に調整を加えてもなお機体の浮き上がりを回避できないと判断した場合に、操作者によるアーム閉じ操作に調整を加えることによって機体が浮き上がるのを防止する。このように、掘削支援システム100は、2段階の浮き上がり防止対策を用いることによって、機体重量を最大限に利用した複合掘削作業を実現しながら、機体の浮き上がりを確実に防止することができる。
次に、図6を参照して、掘削支援システム100が、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止しながらアーム掘削作業を支援する処理(以下、「アーム掘削作業支援処理」とする。)について説明する。なお、図6は、アーム掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートであり、掘削支援システム100のコントローラ30は、所定周期で繰り返しこのアーム掘削作業支援処理を実行する。
最初に、コントローラ30の掘削操作検出部300は、アーム閉じ操作を含むアーム掘削操作中であるか否かを判定する(ステップS11)。具体的には、掘削操作検出部300は、圧力センサ29Aの出力に基づいてアーム閉じ操作中であるか否かを検出する。そして、アーム閉じ操作中であることを検出した場合、掘削操作検出部300は、圧力センサ31A、31Cの出力に基づいて、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力からロッド側油室8Rの圧力を差し引いた圧力差を算出する。そして、掘削操作検出部300は、算出した圧力差が所定値γ以上の場合に、アーム掘削操作中であると判定する。
掘削操作検出部300がアーム掘削操作中でないと判定した場合(ステップS11のNO)、コントローラ30は、今回のアーム掘削作業支援処理を終了させる。
一方、掘削操作検出部300がアーム掘削操作中であると判定した場合(ステップS11のYES)、姿勢検出部301は、ショベルの姿勢を検出する(ステップS12)。具体的には、姿勢検出部301は、アーム角度センサ32A、ブーム角度センサ32B、及びバケット角度センサ32Cの出力に基づいて、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3を検出する。コントローラ30の許容最大圧力算出部302が、掘削角度θ、距離D4、距離D5等を導出できるようにするためである。
その後、許容最大圧力算出部302は、姿勢検出部301の検出値に基づいて、第2許容最大圧力を算出する(ステップS13)。具体的には、許容最大圧力算出部302は、上述の(9)式を用いて第2許容最大圧力PAMAXを算出する。
その後、許容最大圧力算出部302は、算出した第2許容最大圧力PAMAX以下の所定圧力を目標アームシリンダ圧PATとして設定する(ステップS14)。本実施例では、許容最大圧力算出部302は、第2許容最大圧力PAMAXを目標ブームシリンダ圧PATとして設定する。
その後、コントローラ30のアームシリンダ圧制御部304は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力PAを監視する。そして、アーム掘削作業が進むにつれて圧力PAが上昇して目標アームシリンダ圧PATに達した場合(ステップS15のYES)、アームシリンダ圧制御部304は、アーム切換弁17Aを制御してアームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる(ステップS16)。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、電磁比例弁41に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる。その結果、アーム5の閉じ速度が低下することで掘削反力FRの水平成分FR2が減少し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。
なお、アーム5の閉じ速度を低下させたにもかかわらず、圧力PAが、第2許容最大圧力PAMAXを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム5の動きが停止することで掘削反力FRの水平成分FR2が消失し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。
なお、ステップS15において、圧力PAが目標アームシリンダ圧PAT未満に留まる場合(ステップS15のNO)、アームシリンダ圧制御部304は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させることなく、今回のアーム掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体が引き摺られるおそれがないためである。
以上の構成により、掘削支援システム100は、アーム掘削作業中にショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのを防止することができる。そのため、ショベルの機体が引き摺られる寸前のところでの、機体重量を効率的に利用したアーム掘削作業を実現できる。また、引き摺られたショベルの姿勢を元に戻すための操作を不要にする等、作業効率を向上させることができ、ひいては、燃費の低減、機体故障の防止、操作者の操作負担の軽減を実現できる。
次に、図7を参照して、掘削支援システム100が、ショベルの機体が浮き上がること、及び、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られることを防止しながら複合掘削作業を支援する処理(以下、「第2複合掘削作業支援処理」とする。)について説明する。なお、図7は、第2複合掘削作業支援処理の流れを示すフローチャートであり、掘削支援システム100のコントローラ30は、所定周期で繰り返しこの第2複合掘削作業支援処理を実行する。
最初に、コントローラ30の掘削操作検出部300は、ブーム上げ操作及びアーム閉じ操作を含む複合掘削操作中であるか否かを判定する(ステップS21)。具体的には、掘削操作検出部300は、圧力センサ29Bの出力に基づいてブーム上げ操作中であるか否かを検出する。そして、ブーム上げ操作中であることを検出した場合、掘削操作検出部300は、圧力センサ31Bの出力に基づいて、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力を取得する。また、掘削操作検出部300は、圧力センサ31A、31Cの出力に基づいて、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力からロッド側油室8Rの圧力を差し引いた圧力差を算出する。そして、掘削操作検出部300は、ロッド側油室7Rの圧力が所定値α以上であり、且つ、算出した圧力差が所定値β以上の場合に、複合掘削操作中であると判定する。
掘削操作検出部300が複合掘削操作中でないと判定した場合(ステップS21のNO)、コントローラ30は、今回の第2複合掘削作業支援処理を終了させる。
一方、掘削操作検出部300が複合掘削操作中であると判定した場合(ステップS21のYES)、姿勢検出部301は、ショベルの姿勢を検出する(ステップS22)。具体的には、姿勢検出部301は、アーム角度センサ32A、ブーム角度センサ32B、及びバケット角度センサ32Cの出力に基づいて、ブーム角度θ1、アーム角度θ2、及びバケット角度θ3を検出する。コントローラ30の許容最大圧力算出部302が、掘削角度θ、距離D3、距離D4、距離D5等を導出できるようにするためである。
その後、許容最大圧力算出部302は、姿勢検出部301の検出値に基づいて、第1許容最大圧力及び第2許容最大圧力を算出する(ステップS23)。具体的には、許容最大圧力算出部302は、上述の(6)式を用いて第1許容最大圧力PBMAXを算出し、且つ、上述の(9)式を用いて第2許容最大圧力PAMAXを算出する。
その後、許容最大圧力算出部302は、算出した第1許容最大圧力PBMAX以下の所定圧力を目標ブームシリンダ圧PBTとして設定する(ステップS24)。具体的には、許容最大圧力算出部302は、第1許容最大圧力PBMAXから所定値を差し引いた後の値を目標ブームシリンダ圧PBTとして設定する。
その後、コントローラ30のブームシリンダ圧制御部303は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力PBを監視する。そして、複合掘削作業が進むにつれて圧力PBが上昇して目標ブームシリンダ圧PBTに達した場合(ステップS25のYES)、ブームシリンダ圧制御部303は、ブーム切換弁17Bを制御してブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力PBを低減させる(ステップS26)。具体的には、ブームシリンダ圧制御部303は、電磁比例弁42に対して制御電流を供給し、ブーム上げ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を増大させる。そして、ブームシリンダ圧制御部303は、ロッド側油室7Rからタンクに流出する作動油の量を増大させることによって、ロッド側油室7Rの圧力PBを低減させる。その結果、ブーム4の上昇速度が増大することで掘削反力FRの鉛直成分FR1が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。
その後、コントローラ30のアームシリンダ圧制御部304は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rにおける作動油の圧力PBの監視を継続する。そして、ブーム4の上昇速度を増大させたにもかかわらず圧力PBがさらに上昇して第1許容最大圧力PBMAXに達した場合(ステップS27のYES)、アームシリンダ圧制御部304は、アーム切換弁17Aを制御してアームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる(ステップS28)。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、電磁比例弁41に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる。その結果、アーム5の閉じ速度が低下することで掘削反力FRの鉛直成分FR1が減少し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。なお、アーム5の閉じ速度を低下させたにもかかわらず圧力PBが第1許容最大圧力PBMAXを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム5の動きが停止することで掘削反力FRの鉛直成分FR1が消失し、ショベルの機体の浮き上がりが防止される。
なお、ステップS25において、圧力PBが目標ブームシリンダ圧PBT未満に留まる場合(ステップS25のNO)、コントローラ30は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力PBを低減させることなく、処理をステップS29に進める。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。
同様に、ステップS27において、圧力PBが第1許容最大圧力PBMAX未満に留まる場合(ステップS27のNO)、コントローラ30は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させることなく、処理をステップS29に進める。ショベルの機体を浮き上がらせるおそれがないためである。
その後、ステップS29において、許容最大圧力算出部302は、算出した第2許容最大圧力PAMAX以下の所定圧力を目標アームシリンダ圧PATとして設定する。具体的には、許容最大圧力算出部302は、第2許容最大圧力PAMAXを目標ブームシリンダ圧PATとして設定する。
その後、コントローラ30のアームシリンダ圧制御部304は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bにおける作動油の圧力PAを監視する。そして、複合掘削作業が進むにつれて圧力PAが上昇して目標アームシリンダ圧PATに達した場合(ステップS29のYES)、アームシリンダ圧制御部304は、アーム切換弁17Aを制御してアームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる(ステップS30)。具体的には、アームシリンダ圧制御部304は、電磁比例弁41に対して制御電流を供給し、アーム閉じ操作用パイロットポートにかかるパイロット圧を減少させる。そして、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を減少させることによって、ボトム側油室8Bの圧力PAを低減させる。その結果、アーム5の閉じ速度が低下することで掘削反力FRの水平成分FR2が減少し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。
なお、アーム5の閉じ速度を低下させたにもかかわらず圧力PAが第2許容最大圧力PAMAXを下回らない場合、アームシリンダ圧制御部304は、メインポンプ14Lからボトム側油室8Bに流入する作動油の量を消失させてもよい。この場合、アーム5の動きが停止することで掘削反力FRの水平成分FR2が消失し、ショベルの機体が掘削地点のほうに引き摺られるのが防止される。
なお、ステップS30において、圧力PAが目標アームシリンダ圧PAT未満に留まる場合(ステップS30のNO)、アームシリンダ圧制御部304は、アームシリンダ8のボトム側油室8Bの圧力PAを低減させることなく、今回の第2複合掘削作業支援処理を終了させる。ショベルの機体が引き摺られるおそれがないためである。
また、ステップS24~ステップS28におけるショベルの浮き上がりを防止するための一連の処理、及び、ステップS29~ステップS31におけるショベルが引き摺られるのを防止するための一連の処理は順不同である。したがって、2つの一連の処理は、同時並行で実行されてもよく、ショベルが引き摺られるのを防止するための一連の処理が、ショベルの浮き上がりを防止するための一連の処理に先行して実行されてもよい。
以上の構成により、掘削支援システム100は、複合掘削作業中にショベルの機体が浮き上がり或いは掘削地点のほうに引き摺られるのを防止することができる。そのため、ショベルの機体が浮き上がり或いは引き摺られる寸前のところでの、機体重量を効率的に利用した複合掘削作業を実現できる。また、浮き上がった或いは引き摺られたショベルの姿勢を元に戻すための操作を不要にする等、作業効率を向上させることができ、ひいては、燃費の低減、機体故障の防止、操作者の操作負担の軽減を実現できる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、上述の実施例では、許容最大圧力算出部302、ブームシリンダ圧制御部303、アームシリンダ圧制御部304による演算は、ショベルの接地面が水平面であることを前提として行われる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。上述の実施例における各種演算は、ショベルの接地面が傾斜面であっても、傾斜角度センサ32Eの出力を追加的に考慮して適切に実行され得る。
また、上述の実施例では、掘削支援システム100は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止する。具体的には、掘削支援システム100は、ブームシリンダ7のロッド側油室7Rの圧力が目標ブームシリンダ圧PBTを上回った場合にブーム4を上昇させる。さらに、掘削支援システム100は、ロッド側油室8Rの圧力が第1許容最大圧力PBMAXに達した場合にアーム5の閉じ速度を遅くする。このようにして、掘削支援システム100は、アーム閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、掘削支援システム100は、バケット閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止するように構成されてもよい。この場合、掘削支援システム100は、ロッド側油室7Rの圧力が目標ブームシリンダ圧PBTを上回った場合にブーム4を上昇させる。さらに、掘削支援システム100は、ロッド側油室7Rの圧力が第1許容最大圧力PBMAXに達した場合に、バケット6の閉じ速度を遅くする。このようにして、掘削支援システム100は、バケット閉じ操作及びブーム上げ操作を含む複合掘削操作中における機体の浮き上がりを防止してもよい。
また、上述の実施例では、ブームシリンダ7、アームシリンダ8等の油圧シリンダは、エンジン駆動のメインポンプ14が吐出する作動油によって動かされるが、電動モータ駆動の油圧ポンプが吐出する作動油によって動かされてもよい。
また、本願は、2012年12月21日に出願した日本国特許出願2012-279895号に基づく優先権を主張するものでありその日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
1・・・下部走行体 1A、1B・・・走行用油圧モータ 2・・・旋回機構 3・・・上部旋回体 4・・・ブーム 5・・・アーム 6・・・バケット 7・・・ブームシリンダ 7R・・・ブームシリンダロッド側油室 7B・・・ブームシリンダボトム側油室 8・・・アームシリンダ 8R・・・アームシリンダロッド側油室 8B・・・アームシリンダボトム側油室 9・・・バケットシリンダ 10・・・キャビン 11・・・エンジン 13・・・レギュレータ 14、14L、14R・・・メインポンプ 15・・・パイロットポンプ 16・・・高圧油圧ライン 17・・・コントロールバルブ 17A・・・アーム切換弁 17B・・・ブーム切換弁 21・・・旋回油圧モータ 25・・・パイロット油圧ライン 26・・・操作装置 26A・・・アーム操作レバー 26B・・・ブーム操作レバー 27、28・・・パイロット油圧ライン 29、29A、29B・・・圧力センサ 30・・・コントローラ 31、31A~31C・・・圧力センサ 32・・・姿勢センサ 32A・・・アーム角度センサ 32B・・・ブーム角度センサ 32C・・・バケット角度センサ 32D・・・旋回角度センサ 32E・・・傾斜角度センサ 33・・・表示装置 34・・・音声出力装置 41、42・・・電磁比例弁 100・・・掘削支援システム 300・・・掘削操作検出部 301・・・姿勢検出部 302・・・許容最大圧力算出部 303・・・ブームシリンダ圧制御部 304・・・アームシリンダ圧制御部
Claims (7)
- アーム閉じ操作又はバケット閉じ操作とブーム上げ操作とを含む複合掘削操作に応じて掘削を行うショベルであって、
前記複合掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出部と、
ショベルの姿勢を検出する姿勢検出部と、
ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが浮き上がるときの該掘削反力に対応するブームシリンダの収縮側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出部と、
前記複合掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力を制御するブームシリンダ圧制御部と、
を備えるショベル。 - 前記ブームシリンダ圧制御部は、前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力が前記許容最大圧力以下の所定圧力に達した場合に、前記ブームシリンダの収縮側油室から流出する作動油の流量を増大させる、
請求項1に記載のショベル。 - アーム閉じ操作とブーム上げ操作との複合掘削操作が行われるときに、前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力が前記許容最大圧力を超えないようにアームシリンダの収縮側油室の圧力を制御するアームシリンダ圧制御部を備える、
請求項1に記載のショベル。 - 前記アームシリンダ圧制御部は、前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力が前記許容最大圧力以下の所定圧力に達した場合に、前記アームシリンダの伸長側油室に流入する作動油の流量を減少させる、
請求項3に記載のショベル。 - 前記姿勢検出部は、上部旋回体に対するブームの角度、該ブームに対するアームの角度、及び、該アームに対するバケットの角度を検出する、
請求項1に記載のショベル。 - ショベルの浮き上がりの回転中心の位置は、上部旋回体と下部走行体との間の旋回角度に基づいて決定される、
請求項1に記載のショベル。 - アーム閉じ操作又はバケット閉じ操作とブーム上げ操作とを含む複合掘削操作に応じて掘削を行うショベルの制御方法であって、
前記複合掘削操作が行われたことを検出する掘削操作検出ステップと、
ショベルの姿勢を検出する姿勢検出ステップと、
ショベルの姿勢に基づいて、掘削反力によりショベルが浮き上がるときの該掘削反力に対応するブームシリンダの収縮側油室の圧力を許容最大圧力として算出する許容最大圧力算出ステップと、
前記複合掘削操作が行われるときに、前記許容最大圧力を超えないように前記ブームシリンダの収縮側油室の圧力を制御するブームシリンダ圧制御ステップと、
を有するショベル制御方法。
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