JPH11181820A - 油圧作業機械の自動運転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 制御が容易で、しかも再現性の良い高精度の
制御を行う。 【解決手段】 油圧アクチュエータ１用のコントロール
バルブ４をリモコン弁３Ｌ，３Ｒを通じて制御するコン
トローラ８にモード切換手段を設け、教示モードでアク
チュエータ１を実際に人為的に作動させて、そのときの
レバー操作量ｓとバルブ入口圧ＰSと負荷圧ＰLとからア
クチュエータ流量を求めて時系列で記憶しておき、自動
運転モードで、上記記憶データに基づき、教示モード時
の動作を再現するようにコントロールバルブ４の開度を
制御する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は油圧ショベル等の油
圧作業機械において同じ動作を反復して行わせるための
自動運転装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】たとえば油圧ショベルにおいて、バケッ
トを掘削位置と排土位置との間で繰り返し移動させて行
う溝掘削作業や、バケットを法面の上部と下部との間で
繰り返し移動させて行う法面均し作業のようにブーム、
アーム、バケット等の作業アタッチメントに同じ動作を
反復して行わせる場合がある。

【０００３】従来、このような反復動作による作業時の
オペレータの操作負担を軽減するために、特開昭６０−
３７３３９号公報に示されているように、まず教示モー
ドにおいて、人為操作により実際に作業を行ってこの間
のアタッチメントの動きに関するデータを記憶させ、こ
の後、自動運転モードにおいて、上記記憶データに基づ
いて教示モード時の動きを再現するように作業アタッチ
メントを作動させて自動運転する技術が提案されてい
る。

【０００４】この公知技術では、車体に対する上部旋回
体の角度、上部旋回体に対するブームの起伏角度、ブー
ムに対するアームの角度、アームに対するバケットの角
度をそれぞれ検出して時系列で記憶しておき、これを自
動運転のための教示データとして用いる構成をとってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記公知技
術によると次のような欠点があった。

【０００６】 教示モードでの動作時と自動運転時で
は、掘削する地盤の固さ等の負荷状況が異なり、この負
荷状況によってアクチュエータの動きに変化が生じるに
もかかわらず、この負荷状況の変化を一切制御に加味し
ないため、動作の再現性が悪くなる。

【０００７】 公知技術のような位置制御ループのみ
の制御系では、周知のようにアタッチメントの姿勢に依
存して制御系の安定性が大きく変化するため、この点を
補うために可変ゲイン、速度フィードバック、フィード
フォワード等の種々の制御手法を併用する必要がある。

【０００８】従って、制御が複雑となり、制御手段（コ
ントローラ）として高性能で高価なものを使用する必要
があるため、コストが高くつく。あるいは、機械に搭載
された既存の制御手段を自動運転に利用することができ
ない。

【０００９】そこで本発明は、制御が容易で、しかも再
現性の良い高精度の制御を行うことができる油圧作業機
械の自動運転装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、油圧
アクチュエータと、この油圧アクチュエータに対する油
圧源としての油圧ポンプと、この油圧ポンプと上記油圧
アクチュエータとの間に設けられて同アクチュエータの
作動を制御するコントロールバルブと、このコントロー
ルバルブの開度を指令する操作手段と、上記コントロー
ルバルブの入口圧を検出する入口圧検出手段と、同出口
圧である負荷圧を検出する負荷圧検出手段と、上記操作
手段の操作量を検出する操作量検出手段と、上記コント
ロールバルブの作動を制御する制御手段とを具備し、こ
の制御手段は、(i) 運転モードを、上記操作手段の操
作により油圧アクチュエータを実際に作動させて自動運
転時のためのデータを求める教示モードと、この教示モ
ードで得られたデータに基づいて上記油圧アクチュエー
タを上記操作手段の操作によらずに自動運転する自動運
転モードとの間で切換えるモード切換手段を有し、(ii)
上記教示モードでは、上記操作量検出手段によって検
出された操作手段の操作量と、上記入口圧検出手段およ
び負荷圧検出手段によって検出された圧力値とから油圧
アクチュエータに対する供給流量を算出して時系列で記
憶しておき、(iii) 自動運転モードでは、上記教示モ
ードで記憶されたアクチュエータ供給流量を目標値とし
て、上記入口圧検出手段および負荷圧検出手段によって
検出された圧力値を用いて上記目標値を得るための上記
コントロールバルブの開度を算出し、この開度をコント
ロールバルブに対して指令するように構成されたもので
ある。

【００１１】請求項２の発明は、油圧ポンプの吐出回路
に、コントロールバルブの入口圧と負荷圧の差を一定に
保つ圧力補償弁が接続されたものである。

【００１２】上記構成によると、自動運転時に、教示モ
ード時と同じアクチュエータ流量が得られるようにコン
トロールバルブの開度を制御するため、自動運転時の負
荷状況が教示モード時と異なっていても、この負荷状況
の変化に応じてバルブ開度を調整すればよく、高精度の
制御を行うことができる。

【００１３】しかも、教示モード時のアクチュエータ流
量を自動運転時に再現するようにバルブ開度を制御する
だけであるため、可変ゲイン、速度フィードバック、フ
ィードフォワード等の余分な制御手法を併用する必要が
なく、制御が容易で、制御手段として高性能を要求され
ない。

【００１４】このため、コストが安くてすみ、あるいは
機械に搭載された既存の制御手段を自動運転に利用する
ことができる。

【００１５】また、請求項２の構成によると、コントロ
ールバルブの入口圧と負荷圧の差を一定に保ってレバー
操作量とアクチュエータ流量の関係を一定に保つ所謂ロ
ードセンシング制御（差圧一定制御）を行う回路構成が
前提となる。

【００１６】このロードセンシング制御回路において
は、一般に上記差圧を検出するために元々コントロール
バルブの入口圧と負荷圧を検出する圧力検出手段が具備
しており、この既存の圧力検出手段によって検出された
圧力値をそのまま自動運転のための流量およびバルブ開
度の算出に用いることができる。

【００１７】すなわち、自動運転のためだけの検出手段
が不要となるため、設備コストが安くてすむ。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図によって説
明する。

【００１９】この実施形態では、構成を単純化して説明
を分かり易くするために、自動運転の対象として一つの
油圧アクチュエータ（図では油圧シリンダ）１のみを示
し、かつ、前記したロードセンシング制御を行う回路構
成をとっている。

【００２０】油圧アクチュエータ１と、油圧源としての
油圧ポンプ２との間に、リモコン弁３Ｌ，３Ｒによって
制御される絞り４ａ付きの油圧パイロット切換式のコン
トロールバルブ４が設けられ、このコントロールバルブ
４によってアクチュエータ１の作動方向と速度が制御さ
れる。５はリモコン弁３Ｌ，３Ｒに対する油圧源であ
る。

【００２１】６はコントロールバルブ４の開度を指令す
る操作手段としての操作レバーで、この操作レバー６の
操作量がポテンショメータ等のレバー操作量センサ（操
作量検出手段）７により電気信号に変換されてコントロ
ーラ８に送られ、このコントローラ８によりリモコン弁
３Ｌ，３Ｒを通じてコントロールバルブ４の位置と開度
が制御される。

【００２２】図２にレバー６の操作量ｓとコントロール
バルブ４の開度Ａｉの関係を示しており、レバー操作量
ｓの増加に応じてコントロールバルブ開度Ａｉが増加
し、これによってアクチュエータ１に対する供給流量が
増加する。

【００２３】また、ポンプ２の吐出回路とタンクＴとの
間に、コントローラ８によって制御されるロードセンシ
ング制御のための電磁比例式の圧力補償弁（流量制御
弁）９が設けられる一方、コントロールバルブ４の入口
圧（絞り４ａの入口圧）ＰSを検出する入口圧センサ１
０と、同出口圧（絞り４ａの出口圧＝負荷圧）ＰLを検
出する負荷圧センサ１１とが設けられている。

【００２４】この両センサ１０，１１からの圧力信号は
コントローラ８に送られ、バルブ入口圧ＰSと負荷圧ＰL
の差（ＰS−ＰL＝ΔＰ）に応じて圧力補償弁９の開度が
制御されてタンクＴへの戻り流量、すなわち、コントロ
ールバルブ４への供給流量が制御される。

【００２５】これにより、負荷圧ＰLの変動に関係なく
上記差圧ΔＰが一定に保たれ、 Ｑ：コントロールバルブ４を通る流量（アクチュエータ
流量） Ａ：コントロールバルブ４の開度（開口面積） ΔＰ：差圧 ｃ：流量係数 において、

【００２６】

【数１】Ｑ＝ｃＡ√ΔＰ の関係によって、レバー操作量ｓとアクチュエータ流量
Ｑの関係が一定に保たれる。

【００２７】コントローラ８の内部構成を図３によって
説明する。

【００２８】なお、図３においては、アクチュエータ１
の自動運転のための制御系のみを示し、圧力補償弁９の
制御系については図示省略している。

【００２９】コントローラ８には、モード切換手段１
２、開度算出手段１３、制御信号出力部１４、流量算出
手段１５、記憶手段１６が設けられている。

【００３０】このコントローラ８の各部の作用を含むこ
の装置の作用を次に説明する。

【００３１】モード切換手段１２は、図示しない切換ス
イッチ等の選択実行手段により、運転モードを、オペレ
ータのレバー操作によりモデルとしての作業を行って教
示データを求める教示モードと、この教示モードで得ら
れたデータを用いて教示モードでの動作を再現する自動
運転モードとの間で切換える。

【００３２】Ａ．教示モード モード切換手段１２によって運転モードを教示モードに
設定した状態でレバー操作によりアクチュエータ１を作
動させる。

【００３３】このとき、レバー操作量センサ７によって
検出されたレバー操作量ｓ（＝開度指令値）が開度算出
手段１３に入力され、このレバー操作量ｓからコントロ
ールバルブ４の開度Ａｉが、

【００３４】

【数２】Ａｉ＝ｆ（ｓ） ｆは係数 によって求められる。

【００３５】このバルブ開度Ａｉが制御信号出力部１４
を通じてリモコン弁３Ｌまたは３Ｒに送られ、コントロ
ールバルブ４がこの指令開度Ａｉに制御される。

【００３６】また、このときのアクチュエータ１への流
量Ｑｉは、流量算出手段１５において、バルブ開度Ａ
ｉ、バルブ入口圧ＰSと負荷圧ＰLの差（ＰL−ＰS＝Δ
Ｐ）および流量係数ｃにより前記した通り、

【００３７】

【数３】Ｑｉ＝ｃＡｉ√ΔＰ で求められる。

【００３８】こうして算出されるアクチュエータ流量Ｑ
ｉは時間とともに変化し、この時系列で変化するアクチ
ュエータ流量Ｑｉが自動運転時の教示データ（時系列デ
ータ）ＱｉTとして記憶手段１６に記憶される。

【００３９】このときのアクチュエータ１の流量Ｑｉと
作動速度ｄｘの関係は、油圧シリンダの場合でいうと、
数４のようになる。

【００４０】

【数４】Ｑｉ＝Ａｃ・ｄｘ Ａｃはシリンダ受圧
面積 Ｂ．自動運転モード データ蓄積後、モード切換手段１２により運転モードを
自動運転モードに切換えて自動運転を開始する。

【００４１】自動運転時には、バルブ入口圧ＰS、負荷
圧ＰLは、掘削する地盤の固さ等の負荷状況によって教
示モードでの動作時と異なり、それぞれＰS´，ＰL´と
なる。

【００４２】そこで、自動運転時のアクチュエータ動作
を教示モード時の動作と等しくするために、開度算出手
段１３において、数３から、教示モード時の流量ＱｉT
と自動運転時の流量ＱｉPを等しくすればよい。

【００４３】すなわち、

【００４４】

【数５】ＱｉT＝ｃＡｉ√ΔＰ

【００４５】

【数６】 ＱｉP＝ｃＡｉ´√ΔＰ´ （ΔＰ＝ＰS´−ＰL´） であるから、

【００４６】

【数７】Ａｉ´＝Ａｉ√ΔＰ／ΔＰ´ によってバルブ開度Ａｉ´を求め、この開度Ａｉ´が得
られるように制御信号出力部１４からの制御信号によ
り、リモコン弁３Ｌまたは３Ｒを通じてコントロールバ
ルブ４を制御すればよい。

【００４７】このように、自動運転時に、教示モード時
と同じアクチュエータ流量ＱｉTが得られるようにコン
トロールバルブ４の開度を制御するため、自動運転時の
負荷状況が教示モード時と異なっていても、この負荷状
況の変化を取り込んで教示動作を忠実に再現することが
できる。

【００４８】また、バルブ入口圧ＰSと負荷圧ＰLを検出
してこれらの差を一定に保つロードセンシング制御を行
う回路に適用するため、同回路に元々設けられた圧力セ
ンサ１０，１１をそのまま自動運転のための圧力検出用
として利用することができる。

【００４９】ところで、上記実施形態では流量係数ｃを
固定値としたが、この流量係数ｃは油温の変化等によっ
て変化する。また、この流量係数ｃとその変化要因（油
温）との関係は予め求めておくことが可能である。

【００５０】そこで、制御精度をより高めるために、こ
の流量係数データをテーブル化して記憶手段１６内に保
持しておき、油温等の測定値から同係数ｃを求めて流量
計算に用いるようにしてもよい。

【００５１】また、上記実施形態では単一のアクチュエ
ータ１のみを自動運転対象として挙げたが、実際の油圧
機械では複数の油圧アクチュエータ（油圧ショベルでい
えば旋回モータ、ブーム起伏シリンダ、アームシリン
ダ、バケットシリンダ）について上記同様に制御するこ
ととなる。

【００５２】

【発明の効果】上記のように本発明によるときは、自動
運転時に、教示モード時と同じアクチュエータ流量が得
られるようにコントロールバルブの開度を制御すること
によって教示モード時の動作を再現する構成としたか
ら、自動運転時の負荷状況が教示モード時と異なってい
ても、この負荷状況の変化に応じた開度制御を行って教
示モード時の動作を正確に再現することができる。

【００５３】しかも、教示モード時のアクチュエータ流
量を自動運転時に再現するように制御するだけであるた
め、可変ゲイン、速度フィードバック、フィードフォワ
ード等の余分な制御手法を併用する必要がなく、制御が
容易で、制御手段として高性能を要求されない。

【００５４】また、請求項２の発明によると、コントロ
ールバルブの入口圧と負荷圧の差を一定に保ってレバー
操作量とアクチュエータ流量の関係を一定に保つロード
センシング制御を行う回路構成を前提とし、同回路に元
々設けられた圧力検出手段の検出値をそのまま自動運転
のための流量およびバルブ開度の算出に用いることがで
きる。

【００５５】従って、自動運転のためだけの検出手段が
不要となるため、設備コストが安くてすむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる自動運転装置の油圧
回路構成図である。

【図２】同装置におけるレバー操作量とコントロールバ
ルブの開度の関係を示す図である。

【図３】同装置におけるコントローラの内部構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１ 油圧アクチュエータ ２ 油圧ポンプ ９ ロードセンシング制御を行うための圧力補償弁 ４ コントロールバルブ ３Ｌ，３Ｒ コントロールバルブを制御するリモコン弁 ６ 操作手段としての操作レバー ７ 操作量検出手段としてのレバー操作量センサ ８ コントローラ（制御手段） １０ バルブ入口圧センサ １１ 負荷圧センサ １２ コントローラのモード切換手段 １３ 開度算出手段 １４ 制御信号出力部 １５ 流量算出手段 １６ 記憶手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 油圧アクチュエータと、この油圧アクチ
   ュエータに対する油圧源としての油圧ポンプと、この油
   圧ポンプと上記油圧アクチュエータとの間に設けられて
   同アクチュエータの作動を制御するコントロールバルブ
   と、このコントロールバルブの開度を指令する操作手段
   と、上記コントロールバルブの入口圧を検出する入口圧
   検出手段と、同出口圧である負荷圧を検出する負荷圧検
   出手段と、上記操作手段の操作量を検出する操作量検出
   手段と、上記コントロールバルブの作動を制御する制御
   手段とを具備し、この制御手段は、 (i) 運転モードを、上記操作手段の操作により油圧ア
   クチュエータを実際に作動させて自動運転時のためのデ
   ータを求める教示モードと、この教示モードで得られた
   データに基づいて上記油圧アクチュエータを上記操作手
   段の操作によらずに自動運転する自動運転モードとの間
   で切換えるモード切換手段を有し、 (ii) 上記教示モードでは、上記操作量検出手段によっ
   て検出された操作手段の操作量と、上記入口圧検出手段
   および負荷圧検出手段によって検出された圧力値とから
   油圧アクチュエータに対する供給流量を算出して時系列
   で記憶しておき、 (iii) 自動運転モードでは、上記教示モードで記憶さ
   れたアクチュエータ供給流量を目標値として、上記入口
   圧検出手段および負荷圧検出手段によって検出された圧
   力値を用いて上記目標値を得るための上記コントロール
   バルブの開度を算出し、この開度をコントロールバルブ
   に対して指令するように構成されたことを特徴とする油
   圧作業機械の自動運転装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の油圧作業機械の自動運転
   装置において、油圧ポンプの吐出回路に、コントロール
   バルブの入口圧と負荷圧の差を一定に保つ圧力補償弁が
   接続されたことを特徴とする油圧作業機械の自動運転装
   置。