JPH0657781A

JPH0657781A - パワーショベルの直線掘削方法およびパワーショベル

Info

Publication number: JPH0657781A
Application number: JP23311092A
Authority: JP
Inventors: Shinji Maeda; 伸二前田; Nobufumi Abe; 宣文阿部
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1992-08-07
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1994-03-01

Abstract

(57)【要約】【目的】オペレータによる通常の作業指令によって高
精度の水平掘削を可能にする。【構成】ブーム操作レバー４８ａによるブーム上げ操
作パイロット圧は直接ブームメイン操作弁７４に入力
し、ブーム下げ操作パイロット圧はブーム下げ制御用電
磁弁６８を介してブームメイン操作弁７４に入力する。
また、アーム操作レバー４８ｂの掘削操作パイロット圧
はアーム掘削制御用電磁弁７０を介してアームメイン操
作弁８４に入力し、ダンプ操作パイロット圧はアームメ
イン操作弁８４に直接入力する。そして、制御装置６０
は、ブーム角センサ２８やアーム角センサ３６等の検出
信号からバケット３８の掘削深さを求め、掘削深さが所
定値以上になると電磁弁６８、７０を遮断してより深く
掘削するのを阻止し、所定値より浅くなると、その旨を
警報器によってオペレータに知らせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、油圧式のパワーショベ
ルに係り、特にオペレータによるすき取り作業等の水平
掘削に好適なパワーショベルの直線掘削方法およびパワ
ーショベルに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子制御技術の発達に伴って、パ
ワーショベルのバケットを予め指定した直線に沿って移
動させるすき取り作業（水平掘削）などを自動的に行わ
せることが提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、自動的な水平
掘削を行う場合、作業指令部として電気ジョイスティッ
ク等の電気的な指令機器を設け、その電気信号を解読し
て油圧アクチュエータへ油圧指令を出力する制御装置が
必要であり、さらに前記の油圧アクチュエータを、バケ
ットを操作するためのすべての作業機操作軸に備えてい
るのが一般的である。また、自動水平掘削が可能な制御
装置を実用に供するためには、油圧アクチュエータ部に
おける油圧を検知し、これを制御部にフィードバック等
することにより、油圧の補償を行って自動制御精度の向
上を図る必要がある。従って、従来の自動水平掘削が可
能なパワーショベルは、制御装置を構成する構成要素が
一般のパワーショベルに対して多く、個々の構成要素の
精度、故障を考慮すると、自動制御装置として信頼性が
低下する。しかも、オペレータがレバーを操作して行う
通常の作業指令による高精度の水平掘削を行うことが極
めて困難である。

【０００４】本発明、上記従来技術の問題に対処するた
めになされたもので、オペレータによる通常の作業指令
によって高精度の水平掘削をすることができるパワーシ
ョベルの直線掘削方法を提供することを目的とし、また
その直線掘削方法を容易に実施することができるパワー
ショベルを提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係るパワーショベルの直線掘削方法は、
旋回体にブームとアームとを介して設けたバケットを、
ブーム操作用レバーとアーム操作用レバーとを操作して
所定の直線に沿って移動させるパワーショベルの直線掘
削方法において、上記バケットの前記直線に対する上下
方向位置を求め、このバケット位置が予め定めた許容範
囲の上下限に達したときに、その旨をオペレータに知ら
せることを特徴としている。

【０００６】バケット位置が許容範囲の下限に達したこ
とのオペレータへの告知は、バケットのより深くなる方
向への移動を阻止することにより行うことができる。

【０００７】また、本発明に係るパワーショベルは、旋
回体にブームとアームとを介して設けたバケットと、前
記ブームを操作するブーム操作用レバーと、前記アーム
を操作するアーム操作用レバーと、前記ブームとアーム
との操作量を検出する複数のセンサ部と、前記バケット
を直線的に移動させるための基準直線を設定する直線設
定部と、前記複数のセンサ部の検出信号に基づいて、前
記バケットの位置を演算するとともに、求めたバケット
位置の前記基準直線に対する上下方向の距離を求め、こ
の距離が予め定めた許容範囲の上下限に達したときに、
その旨をオペレータに知らせる信号を出力する制御装置
とを有する構成となっている。

【０００８】

【作用】上記の如く構成した本発明の直線掘削方法は、
オペレータがブーム操作用レバーとアーム操作用レバー
とを操作して、バケットを所定の基準直線に沿って移動
させて掘削していく場合に、バケットが基準直線から上
下方向に所定以上離れると、その旨がオペレータに知ら
される。このため、オペレータは、バケットによる掘削
レベルが目標値からずれていることを知ることができ、
ブーム操作用レバー、アーム操作用レバーを操作して、
容易に掘削レベルを目標値に修正することができる。こ
の結果、オペレータの通常の作業指令によって、精度の
高いすき取り掘削などの直線掘削をすることができる。
しかも、従来の水平自動掘削が可能なパワーショベルに
比較して、自動制御用アクチュエータを少なくすること
ができ、信頼性の向上が図れる。

【０００９】また、バケットが許容範囲の下限に達した
ときに、バケットのさらに深くなる方向への移動を阻止
すると、深く掘削しすぎて埋め戻しをしなければならな
いなどの手間をなくすことができ、掘削作業の迅速化が
図れる。

【００１０】

【実施例】本発明のパワーショベルの直線掘削方法およ
びパワーショベルの好ましい実施例を、添付図面に従っ
て詳説する。図２は、本発明の実施例に係るパワーショ
ベルの概略側面図である。

【００１１】図２において、油圧式のパワーショベル１
０は、下部走行体１２の上部に、旋回装置１４を介して
上部旋回体１８が設けてある。また、上部旋回体１８に
は、ブーム２０が取り付けてある。ブーム２０は、第１
ブーム２２と第２ブーム２４とから構成してあって、略
Ｌ字状に屈曲しており、第１ブーム２２の基端部がブー
ムフートピンを介して上部旋回体１８に回動可能に取り
付けられ、支点Ｏを中心に矢印２６のように回動できる
ようになっている。そして、第１ブーム２２の基端部に
は、第１ブーム２２の回動量を検出するためのブーム角
センサ２８が設けてある。

【００１２】ブーム２０の先端、すなわち第２ブーム２
４の先端には、ブラケット３０を介してアーム３２が、
回動支点Ｄを中心に矢印３４のように回動できるように
設けてある。そして、この回動支点Ｄの部分には、アー
ム３２の回動角を検出するためのアーム角センサ３６が
取り付けてある。さらに、アーム３２の先端には、バケ
ット３８が支点Ｅを中心に矢印４０のように回動できる
ように設けてある。この支点Ｅの部分には、バケット３
８の掘削角（アーム３２に対するバケット３８の傾き）
を検出する本図に図示しないバケット角センサが取り付
けてある。

【００１３】前記した第２ブーム２４は、バケット３８
を上部旋回体１８の中心線からオフセットさせるもの
で、第１ブーム２２に対して支点Ｂを回動中心として図
２の紙面に直交した方向に、すなわち図３の矢印４２の
ように回動できるようになっている。そして、支点Ｂの
部分には、第２ブーム２４の回動量であるオフセット角
を検出するためのオフセット角センサ４４が取り付けて
ある。また、ブラケット３０は、第２ブーム２４に支点
Ｃにおいて枢支されており、第２ブーム２４が第１ブー
ム２２に対して回動したときに、図３のようにバケット
３８を上部旋回体１８に対して常に平行に維持できるよ
うにしてある。

【００１４】なお、上部旋回体１８を構成している運転
室４６には、ブーム２０、アーム３２、バケット３８を
操作するための複数の操作レバー４８が設けてある。す
なわち、図１に示したように、上部旋回体１８と第１ブ
ーム２２との間には、ブーム２０を上下させるブームシ
リンダ５０、ブーム２０とアーム３２との間には、アー
ム３２を掘削操作またはダンプ操作するアームシリンダ
５２、アーム３２とバケット３８との間には、バケット
３８の掘削角を調節するバケットシリンダ５４が設けて
あるとともに、第１ブーム２２と第２ブーム２４との間
には、第２ブーム２４を回動させるオフセットシリンダ
（図示せず）が設けてあり、運転室４６に設けた複数の
操作レバー４８によって、これらのシリンダを駆動でき
るようになっている。

【００１５】また、運転室４６には、図示しない各種の
表示器とともに、制御装置６０が設けてある（図１参
照）。この制御装置６０には、図４に示したようにブー
ム角センサ２８、アーム角センサ３６、オフセット角セ
ンサ４４の検出信号が入力するとともに、バケット３８
のアーム３２に対する角度（掘削角）を検出するバケッ
ト角センサ６２の検出信号が入力するようになってお
り、これらのセンサの検出信号に基づいてい、後述する
ようにバケット３８の位置を求めることができるように
なっている。さらに、制御装置６０には、水平掘削をす
るための目標掘削レベルを設定する掘削レベル設定器６
４と、求めたバケット３８の位置が、掘削レベルの許容
範囲の上下限まで離れたときに、その旨を図示しないオ
ペレータに知らせる警報器６６とが接続してある。ま
た、制御装置６０には、ブーム下げ制御用電磁弁６８、
アーム掘削制御用電磁弁７０、オフセット制御用電磁弁
７２が接続してあって、これらの電磁弁の励磁コイルに
制御信号を出力するようになっている。

【００１６】ブーム下げ制御用電磁弁６８は、図１に示
したように、出力側が管路７３を介してブームシリンダ
５０を駆動するブームメイン操作弁７４に接続してあ
り、入力側が管路７６を介してブーム操作レバー４８ａ
に接続してある。このブーム操作レバー４８ａは、ブー
ムメイン操作弁７４のパイロット圧力を操作できる、い
わゆるＰＰＣ方式であって、入力側に油圧ポンプ７８が
接続され、ブーム操作レバー４８ａによって出力される
ブーム２０を下げる操作のパイロット圧が、ブーム下げ
制御用電磁弁６８を介してブームメイン操作弁７４に伝
達され、またブーム２０を上げる操作のパイロット圧が
管路８０を介してブームメイン操作弁７４に直接伝達で
きるようにしてあって、ブーム操作レバー４８ａの操作
量がそのままブーム２０の速度を表すようになってい
る。

【００１７】一方、アーム掘削制御用電磁弁７０は、出
力側が管路８２を介してアームシリンダ５２を駆動する
アームメイン操作弁８４に接続してあり、入力側が管路
８６を介してアーム操作レバー４８ｂに接続してある。
このアーム操作レバー４８ｂもブーム操作レバー４８ａ
と同様にＰＰＣ方式のレバーであって、入力側に油圧ポ
ンプ７８が接続してある。そして、アーム３２をダンプ
操作する際の、アーム操作レバー４８ｂが出力するアー
ムメイン操作弁８４のパイロット圧は、管路８８を介し
てアームメイン操作弁８４に直接伝達され、掘削操作を
する際のアームメイン操作弁８４のパイロット圧は、ア
ーム掘削制御用電磁弁７０を介してアームメイン操作弁
８４に伝達されるようにしてある。

【００１８】上記の如く構成した実施例の作用を、水平
掘削を例にして以下に説明する。まず、オペレータは、
水平掘削をするための目標掘削深さと、この目標掘削深
さに対する許容誤差（掘削許容範囲）を掘削レベル設定
器６４に設定する。この目標掘削深さは、上部旋回体１
８の前方方向にＸ軸、上部旋回体１８の上方にＹ軸、水
平方向にＺ軸をとった場合、Ｙ座標として与えられる。
従って、掘削深さ（掘削レベル）を一定にする場合、掘
削レベル設定器６４には、

【数１】ｙ＝一定（＝目標掘削深Ｙ₀）のように直線の方程式と、この目標掘削深さＹ₀に対す
る掘削許容範囲Ｙ₀±Δｙ₀とが設定される。この設定
された目標掘削深さＹ₀と掘削許容範囲Ｙ₀±Δｙ₀と
は、制御装置６０によって運転室４６の図示しない表示
器に表示される。なお、水平掘削の場合、バケット３８
のＺ座標は、バケット３８のオフセット量を表すことに
なる。

【００１９】次に、オペレータは、バケットシリンダ５
４を操作するレバーによってバケット３８の掘削角を所
定の角度にし、その掘削角度を保持する。その後、オペ
レータがブーム操作レバー４８ａとアーム操作レバー４
８ｂと第２ブーム操作レバーを操作して掘削を開始する
と、ブーム角センサ２８、アーム角センサ３６、オフセ
ット角センサ４４、バケット角センサ６２がそれぞれ検
出信号を制御装置６０に入力する。

【００２０】すなわち、ブーム角センサ２８はブーム２
０の基端部の上部旋回体１８の水平方向に対する傾斜角
θ₁を検出して制御装置６０に入力し、アーム角センサ
３６はアーム３２の第２ブーム２４に対する傾斜角θ₂
を検出して制御装置６０に入力し、オフセット角センサ
４４は第２ブーム２４の第１ブーム２２に対する回動角
θ₃を検出して制御装置６０に入力し、バケット角セン
サ６２はバケット３８のアーム３２に対する回動角βを
検出して制御装置６０に入力する。そして、制御装置１
０は、これらのセンサの検出信号に基づいて、バケット
３８の先端位置をＸ、Ｙ、Ｚの座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）
として演算する。

【００２１】例えば、支点Ｏを原点としてパワーショベ
ル１０の前方をＸ方向、パワーショベル１０の鉛直上方
をＹ方向にとり、ブーム２０の屈曲点をＡとし、このブ
ーム２０の屈曲角度をαとすると、アーム３２先端のバ
ケット３８の回動支点Ｅは、図５のように簡略化して表
すことができる。ただし、図５におけるＬ₁はブーム２
０の回動支点Ｏとブーム２０の屈曲点Ａまでの距離、Ｌ
₂は屈曲点Ａからアーム３２の回動支点Ｄまでの距離、
Ｌ₃は回動支点Ｄからバケット３８の回動支点Ｅまでの
距離である。

【００２２】従って、バケット３８の回動支点であるＥ
点のＸ座標ｘ_Eは、図５から、

【数２】ｘ_E＝ｘ₁＋ｘ₂＋ｘ₃ ＝Ｌ₁cos θ₁＋Ｌ₂cos δ＋Ｌ₃sin γ となる。

【００２３】ところで、図５から明らかなように、

【数３】δ＝θ₁＋α−π

【数４】 γ＝θ₁＋α＋θ₂＋（１／２）π−２π ＝θ₁＋α＋θ₂−（３／２）π である。

【００２４】従って、

【数５】ｘ_E＝Ｌ₁cos θ₁−Ｌ₂cos （θ₁＋α）＋Ｌ₃cos （θ₁＋θ₂＋α）と表すことができる。同様にして、Ｅ点のＹ座標ｙ
_Eは、

【数６】ｙ_E＝Ｌ₁sin θ₁−Ｌ₂sin （θ₁＋α）＋Ｌ₃sin （θ₁＋θ₂＋α）と求められる。

【００２５】ただし、第２ブーム２４が第１ブーム２２
に対して水平方向に回動し、バケット３８の位置が水平
方向に上部旋回体１８の中心線よりずれてオフセットを
生じている場合、Ｌ₂は、図６に示したように、

【数７】Ｌ₂＝Ｌ₂₁＋Ｌ₂₄＋Ｌ₂₃ ＝Ｌ₂₁＋Ｌ₂₂cos θ₃＋Ｌ₂₃ である。ここに、Ｌ₂₁はブーム２０の屈曲点Ａから第２
ブーム２４の回動支点Ｂまでの距離、Ｌ₂₂は第２ブーム
２４の長さとなる回動支点Ｂ、Ｃ間の距離、Ｌ₂₃はブラ
ケット３０の回動支点Ｃからアーム３２の回動支点Ｄま
での距離であり、θ₃は第２ブーム２４のオフセット角
である。なお、バケット３８のＺ方向の位置ｚ_Eは、バ
ケット３８のオフセット量であり、

【数８】ｚ_E＝Ｌ₂₂ sinθ₃ として求めることができる。

【００２６】そこで、バケット３８の先端位置のｙ座標
で表される掘削深さｙ_dは、バケット半径をｒとすると
（図２参照）、

【数９】ｙ_d＝Ｌ₁sin θ₁−Ｌ₂sin （θ₁＋α）＋Ｌ₃sin （θ₁＋θ₂＋α）−ｒとなる。ただし、バケット３８の掘削角は零、すなわち
バケット３８とアーム３２とのなす角度は零としてい
る。

【００２７】このようにして求められた掘削深さｙ
_dは、制御装置６０によって表示器に出力され、目標掘
削深さＹ₀、掘削許容範囲Ｙ₀±Δｙ₀とともに表示さ
れる。そして、制御装置６０は、図７（Ａ）に示したよ
うに、掘削深さｙ_dが掘削許容範囲Ｙ₀±Δｙ₀内にあ
ると、すなわち求めたバケット３８の先端位置ｙ_dが、

【数１０】Ｙ₀−Δｙ₀＜ｙ_d＜Ｙ₀＋Δｙ₀ を満足する場合、ブーム下げ制御用電磁弁６８とアーム
掘削制御用電磁弁７０とを開状態に保持し、オペレータ
がブーム操作レバー４８ａによってブーム２０を下げる
ことを可能にし、またアーム操作レバー４８ｂによって
アーム３２を掘削動作させることを可能にする。オフセ
ット操作レバーも同様である。

【００２８】一方、制御装置６０は、バケット３８の先
端位置が図７（Ｂ）に示すように、掘削許容範囲の下限
に達し、

【数１１】ｙ_d≦Ｙ₀−Δｙ₀ になると、表示器に掘削位置ｙ_dを表示するとともに、
ブーム下げ制御用電磁弁６８とアーム掘削制御用電磁弁
７０とを制御し、ブームシリンダ５０、アームシリンダ
５２の油圧を低下または遮断して、ブーム２０がさらに
下ることを阻止し、アーム３２による掘削操作を不能に
することにより、掘削許容範囲の下限を下回る掘削が行
われないようにする。これにより、必要以上に深く掘削
することを避けることができる。なお、このとき、警報
器６６から音声やブザーを発して、バケット３８の位置
が掘削下限に達したことをオペレータに告知するように
してもよい。

【００２９】オペレータは、上記のようにしてバケット
３８のより下方への移動が阻止されると、掘削深さｙ_d
が下限に達したことを知り、ブーム操作レバー４８ａに
よってブーム２０の上げ操作を行う。このブーム操作レ
バー４８ａによるブーム上げ操作によるパイロット圧
は、図１に示したように、直接ブームメイン操作弁７４
に入力するため、バケット３８を掘削許容範囲の下限位
置Ｙ₀−Δｙ₀から目標掘削レベルＹ₀に戻すことがで
きる。そして、制御装置１０は、バケット３８の掘削深
さｙ_dがＹ₀になると、ブーム下げ制御用電磁弁６８と
アーム掘削制御用電磁弁７０とに信号を出力し、再びブ
ーム２０の下げ操作、アーム３２の掘削操作を可能にす
る。

【００３０】さらに、制御装置１０は、図７（Ｃ）のよ
うに、バケット３８の掘削深さｙ_dが、掘削許容範囲の
上限に達し、

【数１２】ｙ_d≧Ｙ₀＋Δｙ₀ となると、警報器６６から音声やブザーによって掘削深
さｙ_dが掘削許容範囲の上限Ｙ₀＋Δｙ₀に達した旨、
またはＹ₀＋Δｙ₀を上回った旨をオペレータに告知す
る。これにより、オペレータは、ブーム操作レバー４８
ａを操作してブーム２０を下げ、掘削深さｙ_dが目標掘
削深さＹ₀になるようにする。

【００３１】このように、実施例は、掘削深さｙ_dが掘
削許容範囲Ｙ₀±Δｙ₀の上限、下限に達すると、その
旨をオペレータに告知するようにしているため、オペレ
ータの通常の作業指令による掘削作業において、目標掘
削レベルに沿った水平掘削を容易、高精度に行うことが
できる。また、実施例においては、掘削深さｙ_dが下限
に達すると、バケット３８がそれ以上下方にいかないよ
うにしているため、深く掘削しすぎて後から埋め戻しを
するなどの作業をする必要がなく、迅速な水平掘削を行
うことができる。しかも、従来の水平自動掘削が可能な
パワーショベルに比較して、自動制御用アクチュエータ
や電磁弁を少なくすることができ、信頼性の向上が図れ
る。

【００３２】なお、前記実施例においては、掘削深さを
一定にした水平掘削について説明したが、掘削面が傾斜
している、いわゆる直線掘削についても適用することが
できることは、勿論である。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、オペレータがブーム操作用レバーとアーム操作用レ
バーとを操作して掘削する場合、掘削深さが設定した基
準の深さからずれると、その旨をオペレータに知らせる
ようにしているため、オペレータは掘削深さを基準の深
さに容易に修正することができ、オペレータの通常の作
業指令によって、精度の高い水平掘削をすることができ
る。

【００３４】また、掘削深さが掘削許容範囲の下限に達
した場合、バケットがそれ以上深く掘削するのを防止し
ているため、深く掘削しすぎて埋め戻しをするなどの手
間が省け、掘削作業を迅速に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るパワーショベルの油圧回
路の説明図である。

【図２】本発明の実施例に係る油圧式パワーショベルの
概略側面図である。

【図３】実施例に係る油圧式パワーショベルの概略平面
図である。

【図４】実施例の制御系統の概略説明図である。

【図５】実施例の制御装置による掘削深さを求める方法
の説明図である。

【図６】実施例のバケット位置が上部旋回体に対してオ
フセットしている場合のバケット位置の求め方の説明図
である。

【図７】実施例に係るパワーショベルの直線掘削方法の
説明図である。

【符号の説明】

１０パワーショベル８４ア
ームメイン操作弁２０ブーム２８ブーム角センサ３２アーム３６アーム角センサ３８バケット４８ａブーム操作レバー４８ｂアーム操作レバー５０ブームシリンダ５２アームシリンダ５４バケットシリンダ６０バケット位置演算部（制御装置）６８ブーム下げ制御用電磁弁７０アーム掘削制御用電磁弁７４ブームメイン操作弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】旋回体にブームとアームとを介して設け
たバケットを、ブーム操作用レバーとアーム操作用レバ
ーとを操作して所定の直線に沿って移動させるパワーシ
ョベルの直線掘削方法において、上記バケットの前記直
線に対する上下方向位置を求め、このバケット位置が予
め定めた許容範囲の上下限に達したときに、その旨をオ
ペレータに知らせることを特徴とするパワーショベルの
直線掘削方法。
【請求項２】前記バケット位置が前記許容範囲の下限
に達したことの前記オペレータへの告知は、前記バケッ
トのより深くなる方向への移動の阻止であることを特徴
とする請求項１に記載のパワーショベルの直線掘削方
法。
【請求項３】旋回体にブームとアームとを介して設け
たバケットと、前記ブームを操作するブーム操作用レバ
ーと、前記アームを操作するアーム操作用レバーと、前
記ブームとアームとの操作量を検出する複数のセンサ部
と、前記バケットを直線的に移動させるための基準直線
を設定する直線設定部と、前記複数のセンサ部の検出信
号に基づいて、前記バケットの位置を演算するととも
に、求めたバケット位置の前記基準直線に対する上下方
向の距離を求め、この距離が予め定めた許容範囲の上下
限に達したときに、その旨をオペレータに知らせる信号
を出力する制御装置とを有することを特徴とするパワー
ショベル。