JPH0680252B2 - 油圧式掘削機の掘削制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、油圧シヨベル，ローダシヨベル，トラクタシ
ヨベル等の油圧式掘削機において、その掘削の軌跡を制
御する油圧式掘削機の掘削制御装置に関する。

〔従来の技術〕

油圧式掘削機を用いて掘削を行なう場合、掘削面が特定
の面、例えば水平面、ある傾斜をもつた面等になるよう
に要求されることが多い。このような場合、掘削部先端
を所定の軌跡を描くように駆動する必要がある。これを
第３図により説明する。

第３図は油圧シヨベルの側面図である。図で、１は下部
走行体、２は上部旋回体、３は上部旋回体２に可回動に
取付けられたブーム、４はブーム３に可回動に取付けら
れたアーム、５はアーム４に可回動に取付けられたバケ
ツト、６はブーム３を駆動するブームシリンダ、７はア
ーム４を駆動するアームシリンダ、８はバケツト５を駆
動するバケツトシリンダである。９は上部旋回体２とブ
ーム３との相対角度を検出するブーム角検出器、10はブ
ーム３とアーム４との相対角度を検出するアーム角検出
器、11はアーム４とバケット５との相対角度を検出する
ブーム角検出器である。なお、Ｄはバケツト５の先端を
示す。

今、上記油圧シヨベルの掘削作業において、地面に対し
図で一点鎖線で示すように角度φの傾斜をもつた平面に
掘削する必要があるとする。このような掘削を行なうた
めには、ブーム３の角速度とアーム４の角速度とを所定
の角速度で駆動しなければならず、オペレータによるブ
ームレバーおよびアームレバーの操作によつては、この
ような駆動は極めて困難である。このため、従来、ブー
ム角検出器９、アーム角検出器10等の検出値に基づいて
マイクロコンピユータによりブームシリンダ６およびア
ームシリンダ７に対する所要の流量を演算し、これによ
りブーム３及びアーム４を駆動する手段が採用されてい
る。

このような手段においては、大きな掘削速度を得るた
め、ブームシリンダ６およびアームシリンダ７を駆動す
る油圧回路の条件に応じて予め両者に供給する流量の上
限値を定め、この上限値の範囲内で、当該流量の目標値
を大きく定める方法が採られていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記従来の方法は、理論上可能であるもの
の、実際においては、油圧回路中の各要素の機械的動作
遅れがあり、又、油圧回路にヒステリシス特性（流量の
増加時と減少時の特性の差異）があるため、ブーム３お
よびアーム４を目標値に応じた速度で駆動することはで
きず、この結果、目標軌跡に対して垂直方向の速度成分
が発生し、バケツト５の先端Ｄが目標軌跡から外れると
いう問題点が生じていた。そして、このような問題点を
回避するためには、必然的に上記流量の上限値を小さく
設定せざるを得ず、これでは大きな掘削速度を得ること
はできないという問題点が生じることになる。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
大きな速度で所定の軌跡の掘削を行なうことができ、作
業効率を向上させることができる油圧式掘削機の掘削制
御装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明は、ブームシリンダ
で駆動されるブームと、アームシリンダで駆動されるア
ームと、これらブームおよびアームを駆動する油圧回路
とを備えた油圧式掘削機において、前記ブームの角度を
検出するブーム角検出器と、前記アームの角度を検出す
るアーム角検出器と、当該油圧式掘削機の構造から決定
されるあるアーム角度におけるブームシリンダの最大駆
動速度およびアームシリンダの最大駆動速度を各アーム
角度毎に記憶する記憶手段と、この記憶手段に記憶され
た前記各最大駆動速度に基づいて前記アーム角検出器で
検出されたアーム角度のときの前記ブームの最大角速度
および前記アームの最大角速度を演算する第１の演算手
段と、前記ブーム角検出器および前記アーム角検出器の
検出値に対応して所定の態様の掘削を実施するために必
要なブーム角速度の指令値およびアーム角速度の指令値
を求める第２の演算手段と、前記第１の演算手段で求め
られた各最大角速度と前記第２の演算手段で求められた
対応する角指令値とを比較する比較手段と、この比較手
段による比較の結果、一方の指令値のみが対応する最大
角速度以上のときこの最大角速度を新たな指令値とし、
両方の指令値がそれぞれ対応する最大角速度以上のとき
指令値と最大角速度との差が大きい方の最大角速度を対
応する新たな指令値とする指令値補正手段と、この指令
値補正手段により指令値が補正されたとき他方の指令値
を前記第２の演算手段で求められた２つの指令値の比を
維持するように補正する第３の演算手段とを設けたこと
を特徴とする。

［作用］ 記憶手段には、使用される油圧式掘削機の機械的構成や
油圧回路から定められる、あるアーム角度におけるブー
ムシリンダとアームシリンダの最大駆動速度が各アーム
角度毎に予め記憶されている。掘削作業において、ま
ず、現在のアーム角度に対する上記各最大駆動速度を記
憶手段から読み出し、読み出された各最大駆動速度に基
づき、第１の演算手段でブームおよびアームの最大角速
度を求める。又、第２の演算手段により、ブーム角およ
びアーム角に基づいて所要の掘削軌跡を得るためのブー
ム角速度指令値とアーム角速度指令値を求める。求めら
れたブーム角速度指令値とブームの最大角速度とを比較
し、かつ、求められたアーム角速度指令値とアームの最
大角速度とを比較し、ブーム角速度指令値がブームの最
大角速度以上のときは新らたなブーム角速度指令値とし
てブームの最大角速度を設定し、又、アーム角速度指令
値がアームの最大角速度以上のときは新らたなアーム角
速度指令値としてアームの最大角速度を設定し、ブーム
角速度指令値およびアーム角速度指令値のいずれもがそ
れぞれブームの最大角速度、アームの最大角速度以上の
ときには最大角速度に対する増加分（その最大角速度と
指令値との差）が大きい方の指令値として対応する最大
角速度を新らたな設定値として設定する。次に、第３の
演算手段により、最大角速度に設定されなかった方の指
令値を、その指令値と設定された最大角速度の比が第２
の演算手段で求めた２つの指令値の比に等しくなるよう
に変更して新らたな指令値とする。このようにして得ら
れた新らたな２つの指令値によりブームの角速度とアー
ムの角速度とを制御する。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る油圧シヨベルの掘削制御
装置の系統図である。図で、第３図に示す部分と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。15は油圧シヨ
ベルに搭載されている油圧ポンプ、16は油圧ポンプ15と
ブームシリンダ６との間に介在してブームシリンダの駆
動を制御する電磁制御弁、17は油圧ポンプ15とアームシ
リンダ７との間に介在してアームシリンダの駆動を制御
する電磁制御弁である。18は任意の掘削速度を決定する
掘削速度設定器、19は水平面と掘削面との角度φを設定
する掘削勾配設定器である。

20は掘削を制御する制御装置であり、入力部20a,演算部
20b,記憶部20c,および出力部20dで構成されている。こ
の制御装置20にはマイクロコンピユータが用いられてお
り、演算部20bは所要のブーム角速度およびアーム角速
度を得るために必要な演算、制御を行なう。又、記憶部
20cは演算部20bの演算、制御の手順を記憶するととも
に、入力した値や演算結果を記憶し、さらに以下に説明
する値も記憶する。

油圧ショベルのブームシリンダおよびアームシリンダ
は、アームがある角度にあるとき、油圧ポンプからの圧
油の供給により駆動される状態ではなくなる。したがっ
て、この状態では、ブームシリンダおよびアームシリン
ダを油圧ポンプからの供給流量によって増速させること
はできず、ある駆動速度（最大駆動速度）以上の速度で
駆動させることはできない。

例えば、アームが第３図に示す状態よりさらに伸長した
状態（アームシリンダがさらに縮んだ状態）から、バケ
ットを手前に引いて水平に掘削を行なう場合を考える。
この場合、最初にアームは巻き込む方向（アームシリン
ダが伸長する方向）に駆動されるが、このときアームは
重力の作用によりアームシリンダロッド側からの戻り油
で駆動されることになる。そして、その駆動速度は、当
該戻り油に対するメータアウトの流量特性により決定さ
れ、当該流量特性はアーム角度、アームの重量（バケッ
ト重量を含む、以下同じ）、および方向切換弁のスプー
ルの構造により定まる。即ち、この場合の最大駆動速度
は、アーム角度、アームの重量、および方向切換弁のス
プールの構造により定まる。

さらにこの場合のブームの状態について考えると、アー
ムの巻き込みが進行し、アームの角度がある角度を超え
ると、ブームシリンダは伸びから縮みに切り換わり、以
後、ブームは重力の作用によりブームシリンダのヘッド
側からの戻り油により駆動され、その駆動速度はメータ
アウトの流量特性により決定され、その流量特性はアー
ム角度、ブームとアームの重量、および方向切換弁のス
プールの構造により定まる。

このように、最大駆動速度は油圧ポンプからの圧油の供
給流量によってのみ決定されるものではなく、掘削中の
アーム角度によりブーム、アームの重量や油圧回路（方
向切換弁のスプールの構造）等、その油圧ショベルの構
造から決定される場合もある。

本実施例では、上記の現象を考慮して、記憶部20cに、
各アーム角について、ブームシリンダの最大駆動速度ｖ
_βmax、アームシリンダの最大駆動速度ｖ_αmaxを記憶さ
せている。

次に、本実施例の動作を第２図に示すフローチヤートを
参照しながら説明する。まず、制御装置20には、ブーム
角検出器９、アーム角検出器10およびバケット角検出器
11で検出された検出値β，α，γ，および掘削速度設定
器18,掘削勾配設定器19で設定された設定値v,φがそれ
ぞれ入力部20aを介して入力される（手順S₁〜S₅）。次
いで、検出されたアーム角αに基づいて、記憶部20cか
らブームシリンダ６の最大駆動速度ｖ_βmax、およびア
ームシリンダ７の最大駆動速度ｖ_αmaxが読出される
（手順S₆，S₇）。演算部20bでは、ブームシリンダ６が
最大駆動速度ｖ_βmaxで駆動されたときのブームの角速
度_max（最大ブーム角速度）、およびアームシリンダ
７が最大駆動速度ｖ_αmaxで駆動されたときのアームの
角速度_max（最大アーム角速度）が演算される。

次いで、手順S₁〜S₅において入力された各値β，α，
γ,v,φに基づいて、第３図に示すような角度φの直線
軌跡の掘削を実行するために必要なブーム角速度_０お
よびアーム角速度_０を演算する（手順S₁₀〜S₁₁）。即
ち、当該掘削を行なうには、ブーム３とアーム４を同時
にそれぞれ角速度_０，_０で、又は、それぞれの角速
度の比が値_０／_０と等しくなるように駆動しなけれ
ばならない。ここで、演算されたブーム角速度_０と、
さきに求められた最大ブーム角速度_maxとを比較する
（手順S₁₂）。

手順S₁₂における比較の結果、ブーム角速度_０が最大
ブーム角速度_max未満のとき、今度はアーム角速度
_０と最大アーム角速度_maxとを比較する（手順S₁₃）。
この手順においてアーム角速度_０が最大アーム角速度
_max未満であると判断されたとき、即ち、ブーム角速
度_０およびアーム角速度_０のいずれもが、最大ブー
ム角速度_max，最大アーム角速度_max未満であるとき
は、それらブームの角速度_０，アーム角速度_０をそ
のまま、各電磁制御弁16,17を制御する角速度信号
_１，_１とし（手順S₁₄〜S₁₅）、出力部20dに出力す
る（手順S₁₆）。

一方、手順S₁₃でアーム角速度_０が最大アーム角速度
_max以上であると判断された場合、即ち、ブーム角速
度_０は最大ブーム角速度_max未満であり、かつ、ア
ーム角速度_０が最大アーム角速度_max以上の場合、
出力部20dに出力すべきアーム角速度_１を最大アーム
角速度_maxとし（手順S₁₇）、一方、このアーム角速度
_１（＝_max）に基づいて出力すべきブーム角速度
_１を演算する。この演算は、出力すべきブーム角速度と
アーム角速度の比（_１／_１）が前述の比（_０／
_０）と等しくなければならないことから により求められる（手順S₁₈）。これにより、現在の状
態で支障なく駆動させ得る最大角速度をもつてブーム３
およびアーム４を駆動することができ、しかも、所望の
軌跡の掘削を行なうためのブーム角速度とアーム角速度
の比も維持されているので、掘削精度も良好である。

次に、手順S₁₂における比較の結果、ブーム角速度_０
が最大ブーム角速度_max以上であるとき、今度はアー
ム角速度_０と最大アーム角速度_maxとを比較する
（手順S₁₉）。前者が後者未満である場合、即ち、アー
ム角速度_０は最大ブーム角速度_max以上であり、か
つ、アーム角速度_０は最大アーム角速度_max未満で
ある場合、出力すべきブーム角速度_１を最大ブーム角
速度_maxとする（手順S₂₀）。一方、出力すべきアーム
角速度_１として、比（_０／_０）を維持すべき値を
演算する（手順S₂₁）。この値は（１）式と同様に として求めることができる。

手順S₁₉でアーム角速度_０が最大アーム角速度_max以
上であると判断されたとき、即ち、手順S₁₀,S₁₁で求め
た角速度_０，_０がいずれも対応する最大角速度
_max，_max以上であるとき、最大角速度に対する得られ
た角速度の増加の割合はどちらの角速度が大きいかの判
断がなされる（手順S₂₂）。この判断は次式に基づいて
なされる。

（３）式が成立すれば、アーム角速度_０の最大アーム
角速度_maxに対する増加の割合が、ブーム角速度_０
の最大ブーム角速度_maxに対する増加の割合より大き
いことになるので、アーム角速度_０を最大アーム角速
度_maxとする一連の手順S₁₇,S₁₈が実行される。逆に
（３）式が成立しなければ、ブーム角速度_０の最大ブ
ーム角速度_maxに対する増加の割合が、アーム角速度
_０の最大アーム角速度_maxに対する増加の割合より
大きいことになるので、ブーム角速度_０を最大ブーム
角速度_maxとする一連の手順S₂₀,S₂₁が実行される。

このようにして得られたブーム角速度_１，アーム角速
度_１は出力部20dに出力され、出力部20dではこれらの
値に基づいて、それらの角速度を得るのに必要な電磁制
御弁16,17の制御信号を出力する。電磁制御弁16,17の制
御においては、フイードバツク制御等の制御手法が採用
されるが、このような制御手法は周知であるのでその説
明は省略する。

このように、本実施例では、所要の掘削軌跡を得るため
のブーム角速度およびアーム角速度のいずれか一方、又
は両方が、所定の最大角速度以上であるとき、前記ブー
ム角速度とアーム角速度の比を維持しつつ当該最大角速
度の１つをとり入れるようにしたので、作動に支障のな
い最大角速度で掘削を実施することができ、かつ、その
掘削精度が損なわれることはない。

なお、上記実施例の説明では、油圧シヨベルの掘削制御
装置について説明したが、他の機械の掘削制御にも適用
できるのは当然である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、所要の掘削軌跡を得る
ためのブーム角速度およびアーム角速度（各指令値）の
一方が、記憶手段に記憶された各最大駆動速度から得ら
れる各最大角速度以上のときその指令値を最大角速度と
し、両方共最大角速度以上のときには、両者の差が大き
い方の指令値を対応する最大角速度とし、他方の指令値
を、所要掘削軌跡を得るように補正したので、大きな速
度で掘削作業を行なうことができ、作業効率を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る掘削制御装置の系統図、
第２図は第１図に示す装置の動作を説明するフローチヤ
ート、第３図は油圧シヨベルの側面図である。 ３…ブーム、４…アーム、６…ブームシリンダ、７…ア
ームシリンダ、９…ブーム角検出器、10…アーム角検出
器、16,17…電磁制御弁、20…制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブームシリンダで駆動されるブームと、ア
   ームシリンダで駆動されるアームと、これらブームおよ
   びアームを駆動する油圧回路とを備えた油圧式掘削機に
   おいて、前記ブームの角度を検出するブーム角検出器
   と、前記アームの角度を検出するアーム角検出器と、当
   該油圧式掘削機の構造から決定されるあるアーム角度に
   おけるブームシリンダの最大駆動速度およびアームシリ
   ンダの最大駆動速度を各アーム角度毎に記憶する記憶手
   段と、この記憶手段に記憶された前記各最大駆動速度に
   基づいて前記アーム角検出器で検出されたアーム角度の
   ときの前記ブームの最大角速度および前記アームの最大
   角速度を演算する第１の演算手段と、前記ブーム角検出
   器および前記アーム角検出器の検出値に対応して所定の
   態様の掘削を実施するために必要なブーム角速度の指令
   値およびアーム角速度の指令値を求める第２の演算手段
   と、前記第１の演算手段で求められた各最大角速度と前
   記第２の演算手段で求められた対応する各指令値とを比
   較する比較手段と、この比較手段による比較の結果、一
   方の指令値のみが対応する最大角速度以上のときこの最
   大角速度を新たな指令値とし、両方の指令値がそれぞれ
   対応する最大角速度以上のとき指令値と最大角速度との
   差が大きい方の最大角速度を対応する新たな指令値とす
   る指令値補正手段と、この指令値補正手段により指令値
   が補正されたとき他方の指令値を前記第２の演算手段で
   求められた２つの指令値の比を維持するように補正する
   第３の演算手段とを設けたことを特徴とする油圧式掘削
   機の掘削制御装置。