JPH0556521B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動、手動いずれでも効率よく制御
できる油圧シヨベル等の建設車両における作業機
の位置決め制御装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、油圧シヨベル等の建設車両の作業機を自
動化する手段として、作業機の現在位置を検出
し、その検出値と、予め設定された設定値との偏
差に応じて流量制御信号を出力し、その流量制御
信号により油圧制御弁を作動して作業機の位置を
制御する装置（たとえば特開昭54−45469号公報）
が知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の制御装置は、油圧回
路のメイン回路に手動によつて切換えられる手動
切換弁と、自動制御のための油圧制御弁（比例制
御弁）とを設け、自動制御時に制御回路から送ら
れる流量制御信号によつて油圧制御弁を直接制御
し、かつ、この油圧制御弁によつて制御した流量
を手動切換弁を経てシリンダに供給し、作業機の
位置を制御するものである。このため、油圧回路
にはメインのコントロールバルブとして手動切換
弁と油圧制御弁との２個の大容量のバルブが必要
であり、回路構成が複雑でコストアツプとなる。
また、自動制御時には手動切換弁が油圧制御弁の
下流にあつて単なる通路としての機能を発揮する
だけであるため、非常に不経済であるとともに、
圧損等の問題が生じ、制御精度が低下する。しか
も、メイン回路に設けた大容量の油圧制御弁を直
接的に制御するため、比例制御弁を用いたとして
も微妙な制御が困難であり、とくに、その制御時
には不感帯幅を設定し、その不感帯幅では制御信
号を出力しないようにしているため、上記作業機
の位置偏差に基く制御領域がこの油圧制御弁の不
感帯域にある時は、繰返しフイードバツク制御し
ても制御が完了せず、常に定常偏差が生じる。な
お、制御精度を上げるために上記油圧制御弁にサ
ーボ弁を用いることが考えられるが、こうすれば
コストがさらに高くなり、かつ、耐環境性（ご
み、油温、粘性の変化）が悪く、制御の安定性に
問題がある。

本発明は、上記従来の問題を解消するためにな
されたものであり、従来の比例制御弁やサーボ弁
より安価なパイロツト式方向制御弁を用いて、こ
の方向制御弁を手動用と自動制御用とを兼用でき
るようにし、油圧回路構成を簡素化してコストダ
ウンを図り、かつ、手動作業時には操作性を向上
させながら、自動制御時には定常偏差が生じるこ
となく、高精度の位置決め制御ができる建設車両
の作業機位置決め制御装置を提供するものであ
る。

（課題解決のための手段） 本発明は、作業機を作動させる油圧アクチユエ
ータと、油圧アクチユエータへの圧油の供給を制
御するパイロツト式方向制御弁と、この方向制御
弁のスプール位置をパイロツト圧で制御する電磁
比例減圧弁と、この電磁比例減圧弁に制御信号を
送る自動制御回路および手動操作回路とを備え、
上記自動制御回路は、作業機の現在位置を検出す
る検出器と、作業機の目標位置信号を出力する信
号発生器と、上記方向制御弁のスプール位置と開
口面積との関係をその不感帯をカツトして開口面
積からスプールを求める関係に書換えて記憶する
記憶装置と、上記検出器からの作業機現在位置信
号と信号発生器からの作業機目標位置信号との偏
差に基いて油圧アクチユエータの必要流量を演算
する演算器と、上記必要流量に基いて方向制御弁
のスプールの必要開口面積を演算する演算部と、
上記必要開口面積と上記記憶装置に記憶された記
憶値とに基いて方向制御弁のスプールの必要スト
ロークに相当する制御信号を出力する演算器とを
備え、手動操作回路は手動操作手段の操作量に応
じて方向制御弁の不感帯を含むスプールの必要ス
トロークに相当する制御信号を出力するように構
成され、上記自動制御回路からの信号と手動制御
回路からの信号とをコントローラを介して電磁比
例減圧弁に送るように構成されていることを特徴
とするものである。

（作用） 上記の構成により、油圧アクチユエータを手
動、自動のいずれでも効率よく作動させることが
できる。そして、手動操作時には、操作レバー等
の手動操作手段からの電気的操作信号により電磁
比例減圧弁が作動され、その電磁比例減圧弁から
の油圧信号によりパイロツト式方向制御弁が切換
えられ、油圧アクチユエータが作動される。この
とき、上記方向制御弁がもつスプール弁特有の不
感帯が活かされ、操作レバーに誤つて手を触れた
だけでは作動せず、油圧アクチユエータがオペレ
ータの意志通りに安全に、かつ適正に作動され、
操作性がよくなる。一方、自動制御時には、油圧
アクチユエータの現在位置と、これを停止させる
べき目標位置とに基づいて自動制御回路の各演算
器で演算された制御信号により上記電磁比例減圧
弁が作動され、その電磁比例減圧弁からの油圧信
号によりパイロツト式方向制御弁が切換えられ、
油圧アクチユエータが作動される。このとく、上
記方向制御弁の不感帯はカツトされ、上記現在位
置と目標位置とに基づいて正確に制御され、定常
偏差が生じない高精度の制御が遂行される。

（実施例） 第１図において、１は油圧シヨベルのブーム
（作業機）、２はブーム１を俯仰するシリンダ（油
圧アクチユエータ）を示す。３はパイロツト方向
制御弁で、メインの油圧管路４に設けられ、この
弁３の切換えにより管路４から官路５，６を経て
上記シリンダ２に圧油を給排し、シリンダ２を伸
縮させてブーム１を俯仰させる。この方向制御弁
３にはパイロツト圧によつて切換えられるスプー
ル弁を用い、この弁３を切換えるためにパイロツ
ト管路７，８に油圧信号を送る電磁比例減圧弁
９，１０を用いているとともに、電磁比例減圧弁
９，１０を作動させるために次のような制御手段
を用いている。

すなわち１１は検出器で、上記作業機としての
ブーム１の位置（俯仰角度）を検出するものであ
り、たとえばポテンシヨメータで構成されるとと
もに、ブーム１のペースマシン（図示省略）に対
する枢支部に設けられ、上記ブーム１の現在位置
に応じた信号θを出力する。なお、検出器１１
は、シリンダ２のベースマシンに対する枢支部ま
たはシリンダ２のロツドに設けてもよい。

１２は目標位置信号発生器で、ブーム１をどの
位置（角度）まで俯仰させるかの目標位置に応じ
た信号θ₀を出力する。この場合、ブーム１とアー
ムの複合作業でバケツトの水平押出し、円弧掘削
等を行う時は、アームの移動に追従してブーム１
が俯仰するように、アームの移動量に基いて演算
されたブーム１の必要移動量を目標位置として遂
次出力する。なお、ブーム１の単独作業時には、
予め設定されたダンプ位置または掘削位置等を目
標位置として出力する。この目標位置は任意に設
定できる。

１３は自動制御回路の主要部で、演算器１４，
１５，１６，１７と、記憶装置１８とを備えてい
る（この主要部と目標位置信号発生器１２とを含
めてマイクロコンピユータで構成してもよい）。
演算器１４は上記検出器１１から出力されたブー
ム１の現在位置信号θと、信号発生器１２から出
力されたブーム１の目標位置信号θ₀とに基いて、
両信号θ、θ₀の偏差を求め、その偏差に応じた信
号eθ（＝θ₀−θ）を出力する。演算部１５は上記
位置偏差信号eθに比例定数kθを乗じる等により
上記シリンダ２を目標位置まで作動させるのに必
要な流量を演算し、その必要流量に応じた信号
eq（＝eθ・kθ）を出力する。演算器１６は上記必
要流量相当信号eqを比例定数kqで除する等によ
り上記必要流量に対応した方向制御弁３のスプー
ルの必要開口面積を演算し、その必要開口面積に
応じた信号ea（＝eq／kq）を出力する。

一方、記憶装置１８には方向制御弁３の特性が
記憶される。この場合、方向制御弁３のスプール
ストロークｓと開口面積ａとの間には第２図に示
すような関係がある。開口面積の＋、−の符号は
切換え方向を示す。また、この方向制御弁３には
スプールストロークｓの小さい範囲（０≧ｓ≦
s₁、０≧ｓ≧−s₁）が不感帯であり、この範囲で
スプールストロークｓを変化させても開口面積ａ
を制御することはできない。

そこで、本発明ではとくに第２図に示す方向制
御弁３の特性を第３図に示す関係に書換え、上記
不感帯域をカツトして記憶装置１８に記憶させ、
この弁２の必要開口面積ａから逆算して必要スプ
ールストロークｓが直ちに求められるようにして
いる。

演算器１７は上記演算器１６から出力された必
要開口面積相当信号eaと、記憶装置１８に記憶
された記憶値とに基づいて、方向制御弁３のスプ
ールの必要ストロークを演算し、その必要ストロ
ークに応じた信号esを出力する。この場合、ブー
ム１１の上げ、下げに応じて正、負の信号±esを
出力する。

手動操作回路２０は、操作レバー１９等の手動
操作手段の操作量をポテンシヨメータ等により電
気信号に変換し、その操作方向および操作量に応
じて方向制御弁３のスプールを第２図に示す特性
に沿つて制御するための信号es′を出力する。な
お、この場合もブーム１の上げ、下げに応じて
正、負の信号±es′を出力する。また、この手動
操作回路からはレバー操作通りの信号が出力され
る。従つて、方向制御弁３は、中立付近でスプー
ル弁特有の不感帯を残したままで作動される。

コントローラ２１は上記自動制御回路の演算器
１７からの信号±esと、手動操作回路２０からの
信号±es′とを入力し、自動か手動かを判別する
とともに、その信号の正、負つまりブーム上げか
下げかを判別し、ブーム下げの時はその信号−es
または−es′を電磁比例減圧弁９に、ブーム上げ
の時はその信号＋esまたは＋es′を電磁比例減圧
弁１０に送る。なお、危険防止のために手動操作
回路２０からの信号が自動制御回路からの信号よ
り優先して電磁比例減圧弁９，１０に送られるよ
うになつている。

電磁比例減圧弁９，１０はその一次側管路２
２，２３から一次圧力を導入し、上記コントロー
ラ２１から送られた電気信号＋es、−esまたは＋
es′、−es′に応じてパイロツト回路７，８に油圧信
号（パイロツト圧）を出力し、この油圧信号によ
つて方向制御弁３のスプールを移動させ、同弁３
から管路５，６に対する圧油の供給方向を切換え
るとともに、そのスプール開口面積によつて流量
制御がなされる。

上記の構成において、手動操作時には、操作レ
バー１９を操作することにより、手動操作回路２
０から操作レバー１９の操作方向および操作量
（角度）に応じたスプールストローク制御信号±
es′が出力され、コントローラ２１により上記信
号±es′の正、負つまりブーム１上げか下げかが
判別され、その信号＋es′または−es′が電磁比例
減圧弁９または１０に送られて同弁が作動され、
この弁９または１０から管路７または８にパイロ
ツト圧が導かれ、そのパイロツト圧により方向制
御弁３が切換えられるとともに、管路４から管路
５，６を経てシリンダ２に圧油が給排され、シリ
ンダ２が伸縮されてブーム１の上げ下げが行われ
る。この手動操作時には、操作レバー１９の操作
により方向制御弁３が第２図に示す特性に沿つて
不感帯を残したまま制御される。なお、手動操作
時には不感帯がある方が操作し易い。すなわち、
中立付近でレバーに誤つて触れた程度ではシリン
ダ２は作動せず、オペレータが作動の意志をもつ
て操作したときのみ、シリンダ２がオペレータの
意志通りに作動することになる。従つて、手動操
作時の操作性を向上できる。

次に、自動制御時について説明すると、信号発
生器１２からブーム１の目標位置信号θ₀が出力さ
れるとともに、検出器１１によりブーム１の現在
位置が検出されてその現在位置信号θが出力さ
れ、両信号θ₀、θが演算器１４に入力される。そ
して、演算器１４により目標位置と現在位置との
偏差信号eθ、演算器１５によりシリンダ２を駆動
するための必要流量相当信号eq、演算器１６に
より切換弁のスプールの必要開口面積相当信号
eaが順次演算、出力されるとともに、演算器１
７により上記必要開口面積相当信号eaと、記憶
装置１８に記憶された記憶値（第３図参照）に基
いて方向制御弁３のスプールの必要ストローク相
当信号esが演算、出力され、その必要ストローク
相当信号esがコントローラ２１に送られる。

ここで、ブーム１を高い位置から目標位置まで
下げたい場合（θ＞θ₀）、演算器１４から負の偏
差信号−eθが出力され、以下、上記の作用によ
り、コントローラ２１に負の必要ストローク相当
信号−esが送られる。そして、コントローラ２１
により上記必要ストローク相当信号−esの正、負
つまりブーム上げか下げか（この場合は下げ）が
判別され、その信号−esがブーム１下げ用の電磁
比例減圧弁９に送られて同弁９が作動され、この
弁９から管路７にパイロツト圧が導かれ、そのパ
イロツト圧により方向制御弁３が切換えられると
ともに、管路４から管路５を経てシリンダ２のロ
ツド側油室に圧油が供給され、シリンダ２が縮め
られ、ブーム１が下げられる。

このとき、必要ストローク相当信号−esの大き
さに応じて電磁比例減圧弁９から管路７に導かれ
るパイロツト圧が制御されるとともに、方向制御
弁３のスプールストロークが制御され、シリンダ
２に供給される流量すなわちシリンダ２の収縮
量、ブーム１の下げ量が制御される。さらにこの
場合、必要ストローク相当信号−esが、上記偏差
信号−eθに基いて演算された必要開口面積相当信
号−eaと、記憶装置１８に記憶された記憶値に
基いて演算されるもので、記憶装置１８には第３
図に示すように方向制御弁３の不感帯をカツトし
た状態で記憶させてあるので、上記必要開口面積
相当信号−eaに基いて直ちに必要ストローク相
当信号−esが出力されて制御が開始される。そし
て、上記偏差信号−eθが０になるまで上記の制御
を繰返し、フイードバツク制御が行われ、かつ、
その制御時には不感帯のない状態で効率よくしか
も高精度の制御が行われる。その後、偏差信号−
eθが０になると、方向制御弁３が中立位置に戻さ
れ、シリンダ２が停止され、ブーム１が目標位置
に停止保持される。

なお、上記の自動制御において、たとえばアー
ムとブーム１の複合作業で、アーム押しに追従し
ブーム１を下げながらバケツトの水平掘削を行う
場合、アームの位置および移動量が信号発生器１
２に入力され、この信号発生器１２によりアーム
の移動量に対応したブーム１の必要移動量が演算
され、その必要移動量が目標位置信号θ₀として出
力され、上記の制御が行われる。これによりアー
ム押しに追従してブーム１が下げられ、バケツト
の自動水平押出しが行われる。

また、上記と逆にブーム１を低い位置から高い
目標位置まで上げる場合には、演算器１４から正
の偏差信号＋eθが出力され、以下、上記と同様の
作用で演算器１７から正の必要ストローク相当信
号＋esが出力され、従つて、その信号＋esがコン
トローラ２１からブーム上げ用の電磁比例減圧弁
１０に送られるとともに、同弁１０から管路８に
上記信号＋esに応じたパイロツト圧が導かれて方
向制御弁３が切換えられ、シリンダ２が伸ばされ
てブーム上げの制御がなされる。

このようにして、自動制御時には方向制御弁３
の不感帯をカツトした制御により定常偏差の生じ
ない高精度の制御を行うことができる。

なお、上記の制御において、方向制御弁３の第
２図の特性を第３図の特性に書換えて記憶装置１
８に記憶させる場合、第４図に示すように単純な
線形特性に書換えて記憶させることも可能であ
り、この場合でも上記とほぼ同様の作用効果を発
揮しうるものである。

また、上記演算器１６により必要開口面積相当
信号eaを求める際、管路４からの供給圧力Psと
シリンダ２内の圧力Pdとを計測し、必要流量相
当信号eqに対して比例定数kqで除する代りに上
記圧力を考慮した定数kq・√（Ps−Pd）で除す
れば、より正確な必要開口面積相当信号eaを求
めることができるとともに、より高精度の制御が
できる。

上記実施例では作業機として油圧シヨベルのブ
ーム１を例示し、油圧アクチユエータにブーム俯
仰シリンダ２を例示しているが、作業機はブーム
１に限らず、アーム、バケツト、旋回またはクレ
ーンのウインチでもよく、油圧アクチユエータも
シリンダ２に限らず、油圧モータでもよい。この
他本発明は上記油圧シヨベルやクレーン以外の各
種建設機械に適用できるものである。

（発明の効果） 以上のように本発明は、メインの油圧回路に１
個のパイロツト式方向制御弁を設け、この方向制
御弁を電磁比例減圧弁からの油圧信号により制御
するとともに、この電磁比例減圧弁を自動制御回
路から送られる電気的信号と、操作レバー等の手
動操作手段から送られる電気的操作信号とのいず
れでも操作できるようにしたものであり、これに
よつて従来のサーボ弁を用いる場合に比べて回路
構成を簡素化でき、コストダウンを図ることがで
きる。しかも、手動操作時にはスプール弁特有の
不感帯を残して操作性を向上させながら、自動制
御時には不感帯をカツトした制御をなし、定常偏
差が生じることなく、高精度の制御ができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロツク図、第
２図は方向制御弁の特性図、第３図は記憶装置に
記憶させる方向制御弁の特性図、第４図は別の例
を示す第３図相当図である。 １……ブーム（作業機）、２……シリンダ（油
圧アクチユエータ）、３……パイロツト式方向制
御弁、９，１０……電磁比例減圧弁、１１……現
在位置検出器、１２……目標位置信号発生器、１
３……自動制御回路の主要部、１４，１５，１
６，１７……演算器、１８……記憶装置、１９…
…操作レバー（手動操作手段）、２０……手動操
作回路、２１……コントローラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 作業機を作動させる油圧アクチユエータと、
   油圧アクチユエータへの圧油の供給を制御するパ
   イロツト式方向制御弁と、この方向制御弁のスプ
   ール位置をパイロツト圧で制御する電磁比例減圧
   弁と、この電磁比例減圧弁に制御信号を送る自動
   制御回路および手動操作回路とを備え、上記自動
   制御回路は、作業機の現在位置を検出する検出器
   と、作業機の目標位置信号を出力する信号発生器
   と、上記方向制御弁のスプール位置と開口面積と
   の関係をその不感帯をカツトして開口面積からス
   プールを求める関係に書換えて記憶する記憶装置
   と、上記検出器からの作業機現在位置信号と信号
   発生器からの作業機目標位置信号との偏差に基い
   て油圧アクチユエータの必要流量を演算する演算
   器と、上記必要流量に基いて方向制御弁のスプー
   ルの必要開口面積を演算する演算部と、上記必要
   開口面積と上記記憶装置に記憶された記憶値とに
   基いて方向制御弁のスプールの必要ストロークに
   相当する制御信号を出力する演算器とを備え、手
   動操作回路は手動操作手段の操作量に応じて方向
   制御弁の不感帯を含むスプールの必要ストローク
   に相当する制御信号を出力するように構成され、
   上記自動制御回路からの信号と手動制御回路から
   の信号とをコントローラを介して電磁比例減圧弁
   に送るように構成されていることを特徴とする建
   設車両の作業機位置決め制御装置。