JPH0745740B2

JPH0745740B2 - 油圧シヨベルの安息角制御装置

Info

Publication number: JPH0745740B2
Application number: JP16040686A
Authority: JP
Inventors: 純藤岡
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-07-08
Filing date: 1986-07-08
Publication date: 1995-05-17
Anticipated expiration: 2010-05-17
Also published as: JPS6314930A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、油圧ショベルの安息角制御装置に関するもの
である。

（従来技術）従来、油圧ショベルにおいて、地盤の柔かい場所や山の
上等での作業時にショベルにより掘削した穴にショベル
自体が落込むのを防止する手段として、たとえば特公昭
58−2299号公報に示される安息角制御装置が知られてい
る。しかしながらこの制御装置によれば次のような問題
がある。

（ａ）車体の傾斜角検出器と、ブーム、アーム、バケッ
トの各角度検出器の計４個の角度検出器が必要であり、
検出器の数が多く、コストアップになる。

（ｂ）バケットの角度を検出するために、角度検出器が
バケットのアーム先端に対する枢支部に設けられること
になり、このためバケット角度検出器の使用環境が悪
く、バケットによる掘削およびダンプ時の衝撃、振動、
防水等を考慮しなければならず、特殊、高価な検出器が
必要であり、しかも、その検出器が故障し易く、その故
障によって制御不能になるおそれがあり、信頼性に乏し
い。

（ｃ）走行体前部の点とバケットの先端を結んだ直線の
水平に対する傾斜角が設定安息角より大きくなった時
に、その位置よりバケット先端の下降を阻止するように
しているが、その位置よりバケット先端が上昇すること
を規制していないため、たとえばアームポイントの安息
角の対象となる掘削限界面との距離がバケットの回転半
径より小さい場合でも、バケット先端がアームポイント
から下した鉛直線より上記掘削限界面側に向かって上昇
する掻込み方向に回転することが可能で、この回動によ
って上記掘削限界面をさらに危険サイドに掘削すること
になり、この掘削によって掘削限界面が崩れ、油圧ショ
ベルが転倒するおそれがある。

（発明の目的）本発明は、このような問題を解消するためになされたも
のであり、検出器の数を少なくしてコストダウンを図る
とともに、故障が少なく、信頼性の高い制御が可能であ
り、しかも、目標値まで制御した時点でバケットを掻込
み方向に回転させても掘削限界面を危険サイドに掘削す
ることはなく、油圧ショベルの転倒を確実に防止できる
油圧ショベルの安息角制御装置を提供するものである。

（発明の構成）本発明の構成を第１図の機能ブロック図（実施例上の手
段を含む）を参照して説明する。

本発明は、油圧ショベルの走行体前部の接地限界点Ｏを
設定する設定手段10と、接地限界点Ｏを基準とした掘削
限界面の安息角φを設定する設定手段11と、車体の傾斜
角αを検出する検出手段12と、ブームの回転角βを検出
する検出手段13と、アームの回転角γを検出する検出手
段14と、上記各設定手段10,11および各検出手段12,13,1
4の出力信号に基づいてブームフットとアームポイント
を結ぶ基準直線の作業傾斜角ηを演算する演算手段22
と、上記掘削限界面からバケット回転半径に相当する距
離だけ離れた位置で掘削限界面と平行な目標直線上にア
ームポイントがある時の上記基準直線の限界傾斜角κを
演算する演算手段23と、上記作業傾斜角ηと限界傾斜角
κとを比較する比較手段24と、上記作業傾斜角ηが限界
傾斜角κ以上になった時に上記目標直線に対するアーム
ポイントを中心としたアームの傾斜角λを演算する演算
手段26と、そのアームの傾斜角λに応じてアームポイン
トが上記目標直線より掘削限界面側に近付く方向への移
動を阻止する制御手段29,30とを設けたことを特徴とす
るものである。

この構成により、オペレータが作業現場の状況等に応じ
て、走行体前部の接地限界点Ｏおよび接地限界点Ｏを基
準とした掘削限界面の安息角φを設定するだけで、その
設定値と車体の傾斜角α、ブームの回転角β、アームの
回転角γの各検出値とに基づいて、掘削限界面からアー
ムポイントまでの間隔がバケット回転半径より小さくな
らないように制御され、バケット先端により掘削限界面
が掘削されることが確実に防止される。

（実施例）第２図、第３図は本発明装置を具備した油圧ショベルの
一例を示しているとともに、その制御のための設定、検
出、演算の各要素を示している。この油圧ショベルは、
走行体１の上部に設けられた旋回体２にブーム３が回動
自在に設けられ、ブーム３の先端にアーム４が回動自在
に設けられ、アーム４の先端にバケット５が回動自在に
設けられ、これらブーム３、アーム４、バケット５がブ
ームシリンダ６、アームシリンダ７、バケットシリンダ
８によって回動されるようになっている。

上記油圧ショベルにおいて、各部の基準点、寸法および
角度を次のように定める。

O:接地限界点 X:ブームフット（ブーム３の回転中心） Y:ブームポイント（アーム４の回転中心） Z:アームポイント（バケット５の回転中心） V:バケット５の先端 W:ブームフットＸから地面９に鉛直に下した線が地面９
と交わる点 A:ブームフットＸの地面からの距離 B:ブームの長さ（ブームフットＸとブームポイントＹと
の間の距離） C:アーム長さ（ブームポイントＹとアームポイントＺと
の間の距離） D:バケット回転半径（バケット先端Ｖのアームポイント
Ｚを中心とする回転半径） E:上記点Ｗから接地限界点Ｏまでの距離 I:掘削限界面 φ：設定安息角（水平面に対する掘削限界面Ｉの傾斜
角） α：水平面に対する車体の傾斜角（地面と水平面のなす
角） β：ブーム３の回転角（水平線に対する角度） γ：アーム４の回転角（水平線に対する角度）上記寸法および角度のうち、高さＡ、ブーム長さＢ、ア
ーム長さＣ、バケット回転半径Ｄは機種によって決まる
定数である。また、上記点Ｗから接地限界点Ｏまでの距
離Ｅおよび安息角φはオペレータにより掘削現場の状況
に応じて任意に設定される。一方、車体傾斜角α、ブー
ム回転角β、アーム回転角γは角度検出器により検出さ
れる。

今、第２図において、ブームフットＸとアームポイント
Ｚを結ぶ直線を基準直線IIとし、基準直線IIの水平線に
対する傾斜角を作業傾斜角ηとすると、作業傾斜角ηは
作業状況および上記設定値によって変化するもので、下
記の通り演算される。

η＝β＋ζ …… ここで、ζは基準直線IIがブーム４となす角∠YXZであ
り、△XYZより、 C/sinζ＝G/sinε ∴ζ＝sin^-1［（C/G）sinε］ … で算出される。

上記式において、εはブーム３とアーム４がなす角∠
XYZであって、ブーム回転角βとアーム回転角γを用い
て、 ε＝２π−γ−（π−β）＝π−γ＋β …… で算出される。また、ＧはブームフットＸとアームポイ
ントＺ間の距離であり、△XYZより、上記角度εと、既
知のブーム長さＢおよびアーム長さＣを用いて次のよう
に算出される。

上記〜式により、作業傾斜角ηは既知のブームの長
さＢとアーム長さＣおよび検出値であるブーム回転角β
とアーム回転角γを用いて算出することができる。

一方、第３図において、掘削限界面Ｉに対してバケット
回転半径Ｄに相当する距離だけあけた位置で、掘削限界
面Ｉと平行に引いた直線を目標直線IIIとし、アームポ
イントＺが目標直線III上にある時の、基準直線IIの水
平線に対する傾斜角を限界傾斜角κとすると、限界傾斜
角κは次の通り演算される。

κ＝θ−（π/2−φ） …… ここで、θはブームフットＸから目標直線IIIに垂直に
下した直線IVと基準直線IIとのなす角度であり、上記直
線IVと目標直線IIIとの交点をＱ、掘削限界面Ｉに沿っ
て上方に延長した直線と上記直線IVとの交点をＰとする
と、θは角∠ZXQで表わされ、△ZXQより次のように算出
される。

θ＝cos^-1（H/G） …… 上記式において、Ｇは上記式で算出される。Ｈは上
記直線IV（線分XQ）の長さで、△ZXQ、△XOP、△XOWよ
り、Ｈ＝Ｄ＋Fsin（φ−δ−α） …… で算出される。

なお、ＦはブームフットＸと接地限界点Ｏ間の距離、δ
は接地限界点Ｏを中心としたブームフットＸと地面とが
なす角∠XOWであり、それぞれ△XOWより次のように算出
される。

δ＝tan^-1（A/E） …… 上記〜式により、限界傾斜角κは既知の高さＡ、ブ
ーム長さＢ、アーム長さＣと、設定値である距離Ｅおよ
び安息角φと、検出値である車体傾斜角α、ブーム回転
角β、アーム回転角γとに基づいて算出することができ
る。

そして、上記作業傾斜角ηと限界傾斜角κとを比較する
ことによって、アームポイントＺが安全域にあるか、危
険域にあるかが分る。

すなわち作業傾斜角ηが限界傾斜角κより小さい時（η
＜κ）は、アームポイントＺが目標直線IIIより外側す
なわち第３図において線IIIより左側の領域にあり、安
全域であると言える。従ってその位置でバケット５を掻
込み方向に回動させてもバケット先端Ｐが掘削限界面Ｉ
に食込むおそれはなく、ブーム３、アーム４、バケット
５を自由に作動させて差支えない。

ただし、作業傾斜角ηが限界傾斜角κ以上の時（η≧
κ）は、アームポイントＺが目標直線III以内すなわち
第３図において線III上もしくは線IIIより右側の領域に
位置することになり、この位置でバケット５を掻込み方
向に回動させると、バケット先端Ｐが掘削限界面Ｉに食
込むおそれがあり、従って危険域であると言える。

このような場合はアームポイントＺを基準とした目標直
線IIIに対するアーム４の傾斜角λの値によってアーム
ポイントＺが安全域にあるか否かを判別できる。

上記アーム４の傾斜角λは角∠QZYで表わされ、△XYZと
△XQZより、次のように演算される。

λ＝μ−（π/2−θ） …… ただし、角度μはアーム４の基準直線IIに対する傾斜角
（∠YZX）であって、△XYZより次のように演算される。

B/sinμ＝G/sinε ∴μ＝sin^-1［（B/G）sinε］ … 上記アーム傾斜角λの値によって次のように判定され
る。

イ λ＜（π/2）の時：アーム引込みおよびブーム下げを停止ロ λ＞（π/2）の時：アーム押出しおよびブーム下げを停止ハ λ＝（π/2）の時：アーム下げを停止これによって、アームポイントＺが目標直線IIIより掘
削限界面Ｉ側に近付くことを防止でき、アームポイント
Ｚと掘削限界面Ｉとの間隔がバケット回転半径Ｄより小
さくなることを防止でき、バケット先端Ｖが掘削限界面
Ｉに食込むことを防止できることになる。

次に、上記の演算および制御を第１図の機能ブロック図
により説明する。

まず、オペレータが現場の作業状況に応じて、接地限界
点Ｏを決め、この接地限界点Ｏを基準に上記点Ｗから接
地限界点Ｏまでの距離Ｅを接地限界点設定手段10に設定
するとともに、安息角φを安息角設定手段11に設定す
る。一方、車体傾斜角検出手段12により車体傾斜角αが
検出され、ブーム回転角検出手段13およびアーム回転角
検出手段14によりブーム回転角βおよびアーム回転角γ
が検出される。この場合、車体傾斜角検出手段12には車
体に設けられるジャイロスコープ、振り子等の検出器が
用いられる。ブーム回転角検出手段13およびアーム回転
角検出手段14にはブームフットＸおよびブームポイント
Ｙに設けられるポテンショメータ等の検出器が用いられ
る。ただし、上記回転角検出手段13,14による実際の検
出値は車体およびブームポイントＹを基準とするため、
図示しない補正手段により水平線を基準とする数値に補
正される。

そして、上記各設定手段10,11および各検出手段12,13,1
4からの出力信号E,φおよびα，β，γがコントローラ2
0に入力され、入出力装置21を経て作業傾斜角演算手段2
2および目標傾斜角演算手段23に送られる。ここで、上
記演算手段22により作業傾斜角η（上記〜式）が演
算されるとともに、演算手段23により目標傾斜角κ（上
記〜式）が演算される。

次いで、比較手段24により作業傾斜角ηと、目標傾斜角
κとが比較され、判別手段24により作業傾斜角ηが限界
傾斜角Ｋより小さい（η＜κ）か否かが判別され、η＜
κの時は、アームポイントＺが安全域であるので、信号
発生手段28を介してブーム制御手段29およびアーム制御
手段30にそれぞれ自由作動信号が送られる。

一方、η≧κの時は、アームポイントＺが目標直線III
上もしくは危険域にあるので、次のアーム傾斜角演算手
段26によりアーム傾斜角λ（上記〜式）が演算さ
れ、そのアーム傾斜角λの値が判別手段27により判別さ
れ、その判別結果に基づいて上記イ〜ハに応じた制御信
号が信号発生手段28を介してブーム制御手段29およびア
ーム制御手段30に送られる。なお、機械としては安全サ
イドに動くことは可能とする。

次に、上記の制御を行うためのブームおよびアームの油
圧回路を第４図によって説明する。

第４図において、図示しないアームレバーを操作する
と、アーム用操作弁31に設けられた可変減圧弁31a,31b
の二次側に二次圧力Pa₁,Pa₂が導かれ、その二次圧力P
a₁,Pa₂によってアーム用方向制御弁32が左右いずれかに
切替えられ、メインポンプ33からアームシリンダ７に対
する油圧の給排が制御され、アームシリンダ７が伸縮さ
れてアーム押出しまたは引込みが行われる。また、図示
しないブームレバーを操作すると、ブーム用操作弁34に
設けられた可変減圧弁34a,34bの二次側に二次圧力Pb₁,P
b₂が導かれ、その二次圧力Pb₁,Pb₂によってブーム用方
向制御弁35が左右いずれかに切替えられ、メインポンプ
36からブームシリンダ６に対する圧油の給排が制御さ
れ、ブームシリンダ６が伸縮されてブーム上げまたはブ
ーム下げが行われる。

上記油圧回路において、アーム押出し用可変減圧弁31a
の二次側回路およびアーム引込み用可変減圧弁31bの二
次側回路と、ブーム下げ用可変減圧弁34bの二次側回路
に、それぞれ電磁弁37,38,39が設けられている。

今、アーム押出し用可変減圧弁31aを操作してその二次
圧力Pa₁によりアーム用方向制御弁32を左位置に切替
え、アームシリンダ７を伸ばしてアーム押出しを行って
いる際に、電磁弁37をONすると、上記可変減圧弁31aか
ら方向制御弁32に二次圧力が送られなくなり、方向制御
弁32が中立位置に戻され、アームシリンダ７が停止さ
れ、アーム押出しが停止される。また、アーム引込みお
よびブーム下げの作業時に、電磁弁38,39をONすれば、
上記と同様の作動でそれらの作業が停止される。ただ
し、ブーム上げは常に安全サイドへの作動であるので、
上記の制御を行う必要はない。

上記電磁弁37,38,39はコントローラ20からの信号によっ
てON−OFF制御されるものであり、コントローラ20は第
１図に示した機能を有し、車体傾斜角α、ブーム回転角
β、アーム回転角γ、設定安息角φ、設定距離Ｅを入力
し、それらの入力信号に基づいて電磁弁37,38,39に対す
るON−OFF信号を出力する。

このようにアーム用方向制御弁32およびブーム用方向制
御弁35を切替えるための二次圧力を、コントローラ20か
らの信号によって作動する電磁弁37,38,39でON−OFFす
ることにより誤動作がなく、制御の信頼性が高められ
る。

次に、上記コントローラ20による制御を第６図のフロー
チャートにより説明する。

まず、ステップS₁で設定安息角φが読込まれ、ステップ
S₂で上記点Ｗから接地限界点Ｏまでの設定距離Ｅが読込
まれ、ステップS₃で車体傾斜角αが読込まれ、ステップ
S₄でブーム回転角βが読込まれ、ステップS₅でアーム回
転角γが読込まれる。次いで、ステップS₆で作業傾斜角
ηが演算され、ステップS₇で限界傾斜角κが演算された
後、ステップS₈でη＜κであるか否かが判別される。ス
テップS₈でYESの時は、スタートに戻る。

ステップS₈でNOの（η≧κ）の時は、次のステップS₉で
アーム傾斜角λが演算され、ステップS₁₀でλ＜（π/
2）か否かが判別される。ステップS₁₀でYESの時はステ
ップS₁₃に進み、アーム引込み停止すなわち第４図の電
磁弁38をONする信号が出力された後、ステップS₁₄に進
む。NOの時はステップS₁₁でλ＝（π/2）か否かが判別
され、YESの時はステップS₁₄に進み、NOの時はステップ
S₁₂でアーム押出し停止すなわち第４図の電磁弁37をON
する信号が出力され、ステップS₁₄に進む。次いで、ス
テップS₁₄でブーム下げ停止すなわち第４図の電磁弁39
をONする信号が出力され、その後、ステップS₁₅で終り
か否かが判別され、NOの時はスタートに戻され、YESの
時は制御を終了する。

（発明の効果）以上のように本発明は、オペレータが走行体前部の接地
限界点Ｏおよび接地限界点Ｏを基準とした掘削限界面の
安息角φを設定するだけで、その設定値と車体の傾斜角
α、ブームの回転角β、アームの回転角γの各検出値と
に基づいて、掘削限界面からアームポイントまでの間隔
がバケット回転半径より小さくならないように制御で
き、バケット先端により掘削限界面が掘削されることを
確実に防止できる。また、地盤の柔かい場所や山の上等
での作業時であっても、その作業現場の状況に応じて接
地限界点と掘削限界面の二つを設定することによって、
常に最適な制御が行われ、ショベルにより掘削した穴に
ショベル自体が落込むのを確実に防止でき、作業の安全
性を大幅に向上できるとともに、装置の汎用性を向上で
きる。しかも、バケットの枢支部部角度検出器を設ける
必要がないので、従来装置に比べて検出器の数を少なく
できるとともに、故障も少なく、信頼性の高い制御を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例を示す機能ブロック図、第
２図、第３図は本発明装置を具備する油圧ショベルの一
例を示す側面図、第４図は本発明装置におけるブームお
よびアームの油圧回路図、第５図は制御のフローチャー
トである。１…走行体、３…ブーム、４…アーム、５…バケット、
10…接地限界点設定手段、11…安息角設定手段、12…車
体傾斜角設定手段、13…ブーム回転角検出手段、14…ア
ーム回転角検出手段、20…コントローラ、22…作業傾斜
角演算手段、23…目標傾斜角演算手段、24…比較手段、
25…アーム傾斜角演算手段、27…判別手段、28…信号発
生手段、29…ブーム制御手段、30…アーム制御手段、3
7,38,39…電磁弁、α…車体傾斜角、β…ブーム回転
角、γ…アーム回転角、Ｏ…接地限界点、Ｅ…設定距
離、Ｉ…掘削限界面、II…基準直線、III…目標直線、
η…作業傾斜角、κ…限界傾斜角、λ…アーム傾斜角。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】油圧ショベルの走行体前部の接地限界点を
設定する設定手段と、接地限界点を基準とした掘削限界
面の安息角を設定する設定手段と、車体の傾斜角を検出
する検出手段と、ブームの回転角を検出する検出手段
と、アームの回転角を検出する検出手段と、上記各設定
手段および各検出手段の出力信号に基づいて、ブームフ
ットとアームポイントを結ぶ基準直線の作業傾斜角を演
算する演算手段と、上記掘削限界面からバケット回転半
径に相当する距離だけ離れた掘削限界面と平行な目標直
線上にアームポイントがある時の上記基準直線の限界傾
斜角とを演算する演算手段と、上記作業傾斜角と限界傾
斜角を比較する比較手段と、上記作業傾斜角が限界傾斜
角以上になった時にアームポイントを基準とした目標直
線に対するアームの傾斜角を演算する演算手段と、その
アームの傾斜角に応じてアームポイントが上記目標直線
より掘削限界面側に近付く方向への移動を阻止する制御
手段とを設けたことを特徴とする油圧ショベルの安息角
制御装置。