JPH0435579B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、複数のリンク機構を駆動して積荷の
移送を行なう、例えば油圧シヨベル、ホイールロ
ーダ、トラクタシヨベル等の積荷の荷重を演算す
る作業機械の荷重演算装置に関する。

複数のリンク機構を備えた油圧シヨベル、ホイ
ールローダ、トラクタシヨベル等の作業機械にあ
つては、しばしば重量物をある個所から他の個所
へ移送する作業を行なう。このような作業とし
て、油圧シヨベルを例にとつて説明すると、掘削
した土砂又は岩石等を待機しているダンプトラツ
クに積み込む場合、あるいは化学プラントにおい
て多量の石灰岩を反応炉に投入する場合等が考え
られる。これらの作業において、掘削した土砂、
岩石等の荷重が判ればダンプトラツクへの積載量
の調整が可能であり、又、石灰岩の荷重が判れば
定められた一定量の投入が可能である。そして、
これら積荷を油圧シヨベルに積載した状態でその
荷重を知ることができれば、計量のための多くの
時間と手間を省くことができ、作業の効率を著し
く向上させることができる。

従来、油圧クレーンにおいては、転倒防止や計
量省略のため、その吊荷の荷重演算装置が使用さ
れていた。このような荷重演算装置を図に基づい
て説明する。

第１図は油圧クレーンの側面図である。図で、
１は油圧クレーンの本体、２は本体１に揺動支点
Ａを中心に揺動可能に支持されたブーム、３はブ
ーム２を起伏させるブームシリンダ、３ｒはブー
ムシリンダ３のロツドである。ブームシリンダ３
は本体１に揺動支点Ｂを中心に揺動可能に支持さ
れており、そのロツド３ｒの先端はブーム２と結
合点Ｃにおいて可回動に結合されている。４はウ
インチ、５はウインチ４からブーム先端Ｄを通つ
て懸架されたワイヤ、６はワイヤ先端のフツク、
７はフツク６に吊下げられた吊荷である。吊荷７
の荷重がＷで示されている。８は揺動支点Ａに設
けられた角度計、９はブームシリンダ３のヘツド
側の圧力を測定する圧力計、９′はブームシリン
ダ３のロツド側の圧力を測定する圧力計である。
Ｅはブーム２、ワイヤ５、フツク６の重心の位
置、W₀はそれらの重量を示す。

第２図は第１図に示す油圧クレーンの各部の寸
法を示す線図である。ｌは支点Ａとブーム先端Ｄ
の垂線間の長さ、l₀は支点Ａと重心Ｅの垂線間の
長さ、l₁は支点Ａと支点Ｂ間の長さ、l₂は支点Ａ
と結合点Ｃ間の長さ、l₃は支点Ｂと結合点Ｃ間の
長さ、l₄は支点Ｃと重心Ｅ間の長さ、l₅は支点Ａ
とブーム先端Ｄ間の長さ、l_cは線分BCから支点
Ａに対して支点Ａに対して引いた垂線の長さであ
る。又、θ₁は線分ABと水平線のなす角、θ₂は線
分ABと線分BCのなす角、θ₃は線分ABと線分AC
のなす角である。

以上の数値を用い、支点Ａまわりのモーメント
のバランスを考えて吊荷７の荷重Ｗを求める。
今、ブームシリンダ３のヘツド側断面積をS_b、ロ
ツド側断面積をS′_b、ブームシリンダ３のヘツド
側の圧力をP_b、ロツド側の圧力をP′_bとすると、
ブームシリンダ３の推力F_bは F_b＝P_b・S_b−P′_b・S′_b この推力F_bは、吊荷７の荷重Ｗによるモーメ
ントおよび自重W₀によるモーメントと均り合つ
ているので、 ｌ・Ｗ＋l₀・W₀＝F_b・l_c したがつて、 Ｗ＝（F_b・l_c−l₀・W₀）／ｌ ここで、ヘツド側断面積S_bは既知、ヘツド側圧
力P_bは圧力計９により測定されるので、推力F_b
は既知である。又、自重W₀も既知である。した
がつて、長さｌ，l₀，l_cが得られれば吊荷７の荷
重Ｗを知ることができる。

まず、長さｌは次式により表わすことができ
る。

ｌ＝l₅cos（θ₃−θ₁） ここで、長さl₅および角度θ₁は既知、角度θ₃は
角度計８で測定されるので、長さｌを求めること
ができる。

次に、長さl₀は次式により表わすことができ
る。

l₀＝l₄cos（θ₃−θ₁） ここで、長さl₄と角度θ₁は既知、角度θ₃は測定
により得られるので、長さl₀を求めることができ
る。

最後に、長さl_cは次式により表わすことができ
る。

l_c＝l₁sinθ₂ ここで、長さl₁は既知であり、角度θ₂は未知で
ある。そこで、以下角度θ₂を求めることにする。
第２図から、l₃・sinθ₂＝l₂・sinθ₃の関係があるの
で、角度θ₂は次のように表わされる。

θ₂＝sin^-1（l₂／l₃sinθ₃） 上式では長さl₃のみ未知であるが、長さl₃は図
から次式により表わされる。

l₃＝（l₁ ²＋l₂ ²−２・l₁・l₂cosθ₃）^1/2 長さl₁，l₂は既知、角度θ₃は測定により得られ
るので、長さl₃を求めることができ、結局、長さ
l_cを知ることができる。

以上説明したように、既知の値および角度計８
と圧力計９の測定値を用い上記の演算により吊荷
７の荷重Ｗを求めることができる。

ところで、上記の手段を適用して油圧シヨベル
等の積荷の荷重を求めようとすると極めて重大な
問題が生じる。以下、この問題点を図により説明
する。

第３図は油圧シヨベルのフロント部の側面図で
ある。図で、１０は油圧シヨベル本体、１１は本
体１０に揺動支点Ｆを中心に揺動可能に支持され
たブーム、１２はアーム、１３はバケツトであ
る。１４はブーム１１を起伏させるブームシリン
ダであり、本体１０に揺動支点Ｇを中心に揺動可
能に支持されている。又、１４ｒはブームシリン
ダ１４のロツドであり、その先端は結合点Ｈにお
いてブーム１１と可回動に結合されている。１５
はアームシリンダ、１６はバケツトシリンダであ
る。１７はブーム揺動支点Ｆに設けられた角度
計、１８はブームシリンダ１４のヘツド側の圧力
を測定する圧力計、１８′はブームシリンダ１４
のロツド側の圧力を測定する圧力計である。又、
１９はバケツト１３内に積み込まれた土砂又は岩
石のような積荷である。

ところで、前述した油圧クレーンの吊荷７の荷
重Ｗを演算する場合には、吊荷７の重心は常にブ
ーム先端Ｄから吊り下げられたワイヤ５の垂線上
にあり、一定している。しかしながら、油圧シヨ
ベルのバケツト１３に積み込まれる積荷の重心
は、積荷の種類、積荷の量、積荷の積込方法等に
よりその積み込みの都度変化して一定でない。し
たがつて、油圧シヨベルの積荷の荷重を前述の油
圧クレーンの吊荷の荷重を求める手法で求める
と、可成りの誤差の発生を免れ得ないという問題
を生じるのである。これを以下に説明する。

第３図で、積荷１９の仮に定めた重心位置を
Ｘ、その真の重心位置をＹとする。又、真の重心
位置Ｙとしたときの積荷の荷重（真の荷重）を
Ｗ、重心位置Ｘとしたときの積荷の荷重を（Ｗ−
ΔW）とする。さらに、支点Ｆと仮定した重心位
置Ｘ間の水平方向の長さをl₆、仮定した重心位置
Ｘと真の重心位置Ｙ間の水平方向の長さをΔl₆、
線分GHから支点Ｆに対して引いた垂線の長さを
l_c′、ブームシリンダ１４の反力をF_bとする。又、
油圧シヨベルのフロント機構の自重をｗ、支点Ｆ
とフロント機構の重心位置間の水平距離をｌとす
ると、フロント機構の自重によるモーメントは
wlとなる。そして、積荷１９の自重位置が常に
Ｘにあるとして、さきの油圧クレーンにおいて使
用した手法で積荷１９の荷重を求めると、 （Ｗ−ΔW）・l₆＝F_b・l_c′−wl となる。一方、真の荷重Ｗは Ｗ（l₆−Δl₆）＝F_b・l_c′−wl であるから、結局、演算された値は誤差ΔWを有
し、ΔW＝Δl₆／l₆・Ｗとなり、真の重心位置Ｙが仮 定した重心位置Ｘから遠くなる程、即ち、長さ
Δl₆が大きくなる程、誤差ΔWも大きくなり、
偶々、両重心位置Ｘ，Ｙが一致したとき以外は、
正確な荷重を得ることができないことになる。

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決し、
積荷の重心位置が一定でなくても、その積荷の正
確な荷重を得ることができる作業機械の荷重演算
装置を提供するにある。

この目的を達成するため、本発明は、積荷の移
送を行なう複数のリンク機構と、これらリンク機
構を駆動する油圧アクチユエータとを備えた作業
機械において、前記各リンク機構のうちの少なく
とも２つのリンク機構の相対的角度を検出する角
度検出装置と、前記油圧アクチユエータのうち前
記少なくとも２つのリンク機構を駆動する油圧ア
クチユエータの圧力を検出する圧力検出装置と、
前記角度検出装置で検出された検出値および前記
圧力検出装置で検出された検出値に基づいて所定
の演算により前記積荷による荷重を算出する演算
部とを設けたことを特徴とする。

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明す
る。

第４図は本発明の実施例に係る荷重演算装置に
用いられる検出装置を備えた油圧シヨベルのフロ
ント部の側面図である。図で、第３図に示す部分
と同一部分には同一符号が付してある。２０はブ
ーム１１に揺動可能に支持されたアーム１２の揺
動支点Ｊに設けられた角度計、２１はアームシリ
ンダ１５のヘツド側の圧力を測定する圧力計、２
２はアームシリンダ１５のロツド側の圧力を測定
する圧力計である。又、Ｋはブーム１１に揺動可
能に支持されたアームシリンダの揺動支点、Ｍは
アームシリンダ１５のロツド１５ｒとアーム１２
とが可回動に結合される結合点を示す。さらに、
支点Ｆと積荷１９の重心位置の水平方向の長さを
l₇、支点Ｆと支点Ｊの水平方向の長さをl₈、支点
Ｊと積荷１９の重心位置の水平方向の長さをl₉、
線分GHから支点Ｆに対して引いた垂線の長さを
l_c1、線分KMの延長線から支点Ｊに対して引いた
垂線の長さをl_c2とする。

第５図は第４図に示す油圧シヨベルのフロント
部における各部の寸法を示す線図である。l₁₀は
支点Ｆと支点Ｇ間の長さ、l₁₁は支点Ｆと結合点
Ｈ間の長さ、l₁₂は支点Ｇと結合点Ｈ間の長さ、θ₄
は線分FHと線分FGのなす角、θ₅は線分FGと線
分GHのなす角である。又、l₁₃は支点Ｋと結合点
Ｍ間の長さ、l₁₄は支点ｋと支点Ｊ間の長さ、l₁₅
は結合点Ｍと支点Ｊ間の長さ、θ₆は線分JMと線
分JKのなす角、θ₇は線分KMと線分KJのなす角
である。又、Ｎはブーム重心位置、l₅₀は支点Ｆ
と重心位置Ｎ間の長さ、α₁は線分FHと線分FN
のなす角、W_bはブームの重さ、Ｒはアームおよ
びバケツトの重心位置、l₅₁は支点Ｊと重心位置
Ｒ間の長さ、l₅₂は支点Ｆと支点Ｊ間の長さ、α₂
は線分JMと線分JRのなす角、β₁は水平線（一点
鎖線で示されている）と線分FGのなす角、β₂は
線分FJと線分FHのなす角、β₃は線分FJと線分
MJのなす角、W_aはアームおよびバケツトの重さ
である。

ここで、まず、支点はまわりのモーメントのバ
ランスを考える。積荷１９の荷重Ｗによるモーメ
ントは、Ｗ・l₇、ブームシリンダ１４の反力F_b
（前述のようにF_b＝P_b・S_b−P′_b・S′_b）によるモ
ーメントはF_b＝・l_c1であり、両者は等しいので、 F_b・l_c1＝Ｗ・l₇＋w′l′ ……(1) ここで、w′l′は w′l′＝W_b・l₅₀cos（θ₄＋α₁−β₁）−W_a｛l₅₂・ cos（θ₄−β₁−β₂）＋l₅₁cos（β₁＋β₂＋ β₃−θ₄＋θ₆＋α₂−π）｝ であり、これら各角度、距離および重さは既知で
あるので、w′l′も既知である。又、値F_bも既知で
ある。したがつて、(1)式で未知の値は、値l_c1，
Ｗ，l₇である。そこで、長さl_c1をを求める。長さ
l_c1は次式で表わされる。

l_c1〜≡l₁₀sinθ₅ 長さl₁₀は既知、角度θ₅は未知であるが、この角
度θ₅については、 l₁₁sinθ₄＝l₁₂sinθ₅ l₁₂＝（l₁₀ ²＋l₁₁ ²−２・l₁₀・l₁₁cosθ₄）^1/2 の関係から、 θ₅＝sin^-1（l₁₁／l₁₂sinθ₄） として求めることができる（長さl₁₀，l₁₁は既知、
角度θ₄は角度計１７により測定される。）。(1)式に
おける未知の値Ｗ，l₇はそのままとして、次に、
支点Ｊまわりのモーメントのバランスを考える。
積荷１９の荷重Ｗによるモーメントは、Ｗ・l₉、
アームシリンダ１２の反力F_aによるモーメント
はF_a・l_c2であり、両者は等しいので、 F_a・l_c2＝Ｗ・l₉＋W_a・l₅₁cos（β₁＋β₂＋β₃−θ₄ ＋θ₆＋α₂−π） ＝Ｗ（l₇−l₃）＋W_a・l₅₁cos（β₁＋β₂ ＋
β₃−θ₄＋θ₆＋α₂−π） ……(2) となる。そして、(2)式で右辺第２項は既知であ
る。ここで、アームシリンダ１５のヘツド側の受
圧面積をS_h、受圧力をP_h、ロツド側の受圧面積
をS_r、受圧力をP_rとすると、フロント部が第４図
に示す姿勢にある場合の反力F_aは、 F_a＝S_r・P_r−S_h・P_h となる。そして、受圧力P_r，P_hはそれぞれ圧力
計２２，２１により測定されるのであるから、前
記(2)式のうちF_aも既知となる。又、支点Ｆと支
点Ｊ間の長さも定まつているので、長さl₃も既知
である。したがつて、(2)式における未知の値は、
長さl_c2，l₇、荷重Ｗとなる。

そこで、長さl_c2を求めることにする。長さl_c2
は次式で表わされる。

l_c2＝l₁₄sinθ₇ 長さl₁₄は既知であり、角度θ₇は未知であるが、
この角度θ₇については、 l₁₅sinθ₆＝l₁₃sinθ₇ l₁₃（l₁₄ ²＋l₁₅ ²−２・l₁₄・l₁₅cosθ₆） の関係から θ₇＝sin^-1（l₁₅／l₁₃sinθ₆） として求めることができる。ここで、長さl₁₄，
l₁₅は既知であり、角度θ₆は角度計２０により測定
されるので、長さl₁₃が算出され、角度θ₇を求める
ことができるのである。

さて、上記(1)式と(2)式を未知の値Ｗ，l₇の連立
方程式とし、この連立方程式を解くと、積荷１９
の荷重Ｗは、 Ｗ＝１／l₃｛F_b・l_c1−F_a・l_c2−w′l′＋W_a・l₅₁cos （β₁＋β₂＋β₃−θ₄＋θ₆＋α₂−π） として求めることができる。なお、長さl₇は、 l₇＝F_b・l₈・l_c1／F_b・l_c1−F_a・l_c2 となる。

結局、積荷１９の荷重は、定まつている長さ
l₈，l₁₀，l₁₁，l₁₄，l₁₅、ブームシリンダ１４のヘ
ツド側断面積S_b、アームシリンダ１４のヘツド
側、ロツド側断面積S_h，S_rおよび角度計１７，２
０の測定値θ₄，θ₆、圧力計１８，２１，２２の測
定値P_b，P_h，P_rに基づき、前述の演算を行なう
ことにより求めることができる。この演算は第６
図に示す演算部で行なわれる。

第６図は本発明の実施例に係る油圧シヨベルの
荷重演算装置のブロツク図である。図で、１７，
２０は第４図に示す角度計、１８，２１，２２は
同じく第４図に示す圧力計である。２３はマイク
ロコンピユータで構成される演算部でり、角度計
１７，２０、圧力計１８，２１，２２の検出信号
を順次切換えて入力するマルチプレクサ２３ａ、
入力した検出信号をデイジタル値に変換するＡ／
Ｄ変換器の２３ｂ、所要の演算、制御を行なう
CPU（中央処理装置）２３ｃ、CPU２３ｃの処理
手順を記憶するROM（リード・オンリ・メモリ）
２３ｄ、前記定まつた既知の長さl₈，l₁₀，l₁₁，
l₁₄，l₁₅、各シリンダの断面積S_h，S_rを記憶する
ROM（リード・オンリ・メモリ）２３ｅ、入力
した値や演算結果を一時記憶するRAM（ランダ
ム・アクセス・メモリ）２３ｆおよび演算結果を
出力する出力部２３ｇで構成されている。２４は
演算部２３で演算された値を表示する表示装置で
ある。

油圧シヨベルのバケツト１３に積荷１９が収容
されると、演算部２３が作動して角度計１７，２
０、圧力計１８，２１，２２の検出値を順次入力
し、これらの検出値とROM２３ｅに記憶された
既知の値に基づき、ROM２３ｄに記憶された手
順にしたがいCPU２３ｃで前記各式に基づく所
定の演算がなされ、積荷１９の荷重Ｗが算出され
る。算出された値Ｗは出力部２３ｇから表示装置
２４に出力され、その値が表示される。

なお、既知の値をROM２３ｄに記憶して
ROM２３ｅを省略することができる。又、演算
部２３は油圧シヨベルにおける他の種々の演算、
制御を行うものと共用することができる。

このように、本実施例では、ブームの揺動支点
まわりにおけるバケツト積荷の荷重によるモーメ
ントとブームシリンダの反力によるモーメントと
のバランス、およびアームの揺動支点まわりにお
けるバケツト積荷の荷重によるモーメントとアー
ムシリンダの反力によるモーメントとのバランス
からバケツトの積荷の荷重を求めるようにしたの
で、その積荷の重心位置に関係なく、正確な荷重
を得ることができる。

なお、上記実施例では油圧シヨベルを例示して
説明したが、ホイールローダ、トラクタシヨベル
等他の種々の作業機械に適用することができる。
又、モーメントのバランスを求める場合、ブーム
の揺動支点まわりのモーメントのバランスとアー
ムの揺動支点まわりのモーメントのバランスを求
めるようにしたが、両者のいずれか一方をバケツ
トの揺動支点まわりのモーメントのバランスと置
き換えることもできる。この場合には、当然バケ
ツト角を検出する角度計およびバケツトシリンダ
の圧力を検出する圧力計が用いられる。さらに、
アクチユエータが油圧モータである場合には、そ
の出口および入口の圧力を検出して油圧モータの
反力を求めることができる。さらに又、演算部は
アナログ回路により構成することもできる。

なお、前記では２つのリンク機構の変位を検出
する場合について説明したが、バケツト１３の角
度を検出してアームの値と平均化することによ
り、荷重を検出する精度がさらに良くなる。

以上述べたように、本発明では、作業機械の複
数のリンク機構のうち少なくとも２つのリンク機
構の変位を検出するとともに、これら少なくとも
２つののリンク機構を駆動する油圧アクチユエー
タの圧力を検出し、これら検出値に基づいて所定
の演算を行なうようにしたので、積荷の重心位置
に関係なく、正確な荷重を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は油圧クレーンの側面図、第２図は第１
図に示す油圧クレーンの各部の寸法を示す線図、
第３図は油圧シヨベルのフロント部の側面図、第
４図は本発明の実施例に係る荷重演算装置に用い
られる検出装置を備えた油圧シヨベルのフロント
部の側面図、第５図は第４図に示す油圧シヨベル
のフロント部の各部の寸法を示す線図、第６図は
本発明の実施例に係る油圧シヨベルの荷重演算装
置のブロツク図である。 １１……ブーム、１２……アーム、１３……バ
ケツト、１４……ブームシリンダ、１５……アー
ムシリンダ、１７，２０……角度計、１８，１
８′，２１，２２……圧力計、１９……積荷、２
３……演算部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 積荷の移送を行なう複数のリンク機構と、こ
   れらリンク機構を駆動する油圧アクチユエータと
   を備えた作業機械において、前記各リンク機構の
   うちの少なくとも２つのリンク機構の相対的角度
   を検出する角度検出装置と、前記油圧アクチユエ
   ータのうち前記少なくとも２つのリンク機構を駆
   動する油圧アクチユエータの圧力を検出する圧力
   検出装置と、前記角度検出装置で検出された検出
   値および前記圧力検出装置で検出された検出値に
   基づいて所定の演算により前記積荷よる荷重を算
   出する演算部とを設けたことを特徴とする作業機
   械の荷重演算装置。