JPS60208524A - 油圧シヨベルの自動掘削制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は土木作業機械であ“る油圧ショベルの制御装置
に関し、更に詳述すれば、設定角に基づく自動直線掘削
制御の開始直後の制御性の改善を図った油圧ショベルの
自動掘削制御装置に関する。 〔従来技術〕 土木作業当に用いられる油圧ショベルは、通常は３つの
作業腕、即ち本体に枢着されたブーム、該ブーム先端に
枢着されたアーム及び該アーム先端に枢着されたバケッ
トを有し、それぞれを油圧シリンダにまり回動操作して
掘削作業を行うものであるが、その操作は複雑であり、
特に地山を一定角度に直線掘削するには熟練を必要とす
る。このため、設定された掘削角にて地山を自動的に直
線掘削するように、ブーム、アーム及びパンケノトを統
一的に制御して自動的に直線掘削作業を行い得る自動掘
削制御装置が種々開発されている。 しかし、たとえば特開昭５８−１６４８３０に開示され
ているような従来のこの種装置では、掘削開始時にパケ
ット先端が必要以上に地山を深く掘削してしまうという
問題点があった。　この原因としては、掘削時にはパケ
ット等の作業腕に慣性が作用し、一方バケント、アーム
等を回動させるための各油圧シリンダに急激に圧油が供
給されるため油圧配管の膨張、作動油の圧縮等の現象が
発生し、更には制御系の追随遅れ等もあって、パケット
、アーム等の回動量が理論通りには制御されなくなるた
めと考えられる。 〔発明の目的〕 本発明は上述の如き事情に鑑みてなされたものであり、
自動直線掘削の開始時には直ちに所定掘削速度にて掘削
を開始するのではなく、所定の掘削速度となるまで徐々
に掘削速度を上昇させることとし、更にこの間において
制御誤差が許容範囲以上となった場合には、制御誤差が
許容範囲以下となるまで、掘削速度の上昇を一旦停止す
ることにより、自動直線掘削開始時のパケット、アーム
等の慣性の作用、油圧配管の膨張、作動油の圧縮等の制
御系の追随遅れ等に起因する￥ｉＪ御誤差の解消を図っ
た油圧ショベルの自動掘削制御装置の提供を目的とする
。 〔発明の構成〕 本発明に係る油圧ショベルの自動掘削制御装置は、自動
掘削の開始時から所定期間に亘って作業腕の掘削動作速
度を漸増する手段と、前記期間において、予め設定され
た掘削線からの誤差が所定範囲を超えた場合には作業腕
の掘削動作速度の増加を一旦停止する手段とを具備する
ことを特徴とする。 〔実施例〕 以下、本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述す
る。 第１図は本発明に係る自動掘削制御装置を装備した油圧
ショベルの略示外観図であって、走行移動装置であるク
ローラ１を装備したシャーシ（図示せず）に支持された
旋回体２の適所にブーム１１が上下方向への回動自在に
支持されており、ブーム１１の先端にはアーム１２が上
下方向への回動自在に支持され、更にアーム１２の先端
にはパケット１３がやはり上下方向への回動自在に支持
されていて、それぞれを油圧シリンダｌｌａ　、　１２
ａ及び１３ａにより作動させて掘削作業を行うように構
成されている。また、ブーム１１の回動中心０点、アー
ム１２の回動中心Ｂ点及びパケット１３の回動中心Ｃ点
にはそれぞれ後述する回動角検出装置としてのポテンシ
ョメータ２１．２２及び２３が取付けられている。 第２図は本発明装置の電気回路のブロック図である。２
１．２２及び２３はそれぞれ０点、Ｂ点・及び０点に設
置されていてブーム１１の機体に対する回動角、アーム
１２のブームト１に対する回動角及びパケット１３のア
ーム１２に対する回動角をそれぞれ検出するポテンショ
メータ、２４．２５及び２６はとそれぞれブーム１１、
アーム１２及びパケット１３の操作レバ１１ｃ　、　１
２ｃ及び１３ｃの被操作量をそれぞれ検出するポテンシ
ョメータ、２７は掘削角設定のポテンショメータ、２８
はブーム１１の圧力を検出する圧力針であって、それぞ
れの出力はアナログ−デジタル変換器２９を介して演算
装置３１へ入力される。演算装置３１はマイクロコンピ
ュータを利用しており、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ、入出
力インターフェース等から構成れさており、スイッチ３
０の操作指令に基づき前述の各ポテンショメータ２１〜
２７及び油圧計２８からの入力を演算処理し、その結果
に基づきブーム１１、アーム１２及びパケット１３を作
動させるための制御信号をデジタル−アナログ変換器３
２、増幅器３４．３５．３６を介して油圧シリンダｌｌ
ａ　、　１２ａ及び１３ａの伸縮制御回路（例えば油圧
シリンダ１１ａ。 １２ａ及び１３ａの油圧回路に介在する電磁方向制御弁
の駆動回路）　ｌｌｂ　、　１２ｂ及び１３ｂへ出力す
る。　“表示装置３３は掘削角設定器２７により設定さ
れた掘削角、あるいはオペレータに対する支持の表示を
行う。 スイッチ３０は掘削作業の自動・手動の選択を行うスイ
ッチであり、これが投入操作された場合には掘削角設定
器２７により設定された掘削角による自動掘削が可能と
なり、投入操作されない場合には操作レバｌｌｃ　、　
１２ｃ及び１３ｃの操作によりブーム１１、アーム１２
及びパケット１３の手動操作が行われる。 なお、自動掘削時にはブーム操作レバｌｌｃを前方、又
は後方に傾倒操作すれば、自動掘削の開始及びその方向
（作業腕の戻し、又は掘−１１１，）を指示することが
でき、またその際の傾倒操作量（角度）に応じて掘削速
度Ｖβが設定される。 次に以上のように構成された本発明装置による自動直線
掘削の制御について、演算装置３１の処理内容を示す第
３図の機能ブロック図及び各作業腕の回動中心Ｂ、Ｃ，
Ｄ等の座標位置関係を示す第４図の説明図に従って説明
する。なお、演算装置３１の処理は第４図に示す如く、
ブーム１１の回動中心Ｏを原点とし、この原点０を通る
水平線をＸ軸、同鉛直線をＹ軸とするＸ　−Ｙ座標系に
て行われるが、第４図において各記号は以下の如く定義
されているものとする。 α：Ｙ軸に対する線分ＯＢのなずブーム角β：線分ＯＢ
に介する線分ＢＣのなずアーム角γ：線分ＢＣに対する
線分ＣＤのなすパケット角 Ｄ：バケット１３の刃先点 Ｇ：掘削仕上げ面、ただし法面角θはクローラ−の接地
面との交差角 Ｇ′：バケット刃先点りを掘削仕上面Ｇに沿って直線移
動させる際のバヶ７）枢支点Ｃの予定移動軌跡 １１　：ブーム長、ＯＢの長さ Ｉ１２　：アーム長、ＢＣの長さ ｂ：バケット枢支点Ｃの予定移動！ＩＬ跡Ｇ′とＹ軸と
の交点から原点０までの距離 まず、自動直線掘削を開始するに当っては、オペレータ
は各操作レバＩｌｃ　、　１２ｃ　、　１３ｃを手動操
作してブームＩＬアーム１２、バケット１３を回動させ
てそれぞれ第４図に実線にて示す作業開始位置に設定し
た後、スイッチ３０を投入操作し、更に掘削角設定器２
７により掘削角θの設定を行う。なお、以下の説明は掘
削各θを＋６０°　（第４図に示す角θ−＋６０°）に
設定した場合について説明を行う。 演算装置３１は設定掘削角θを読み込んだ後、制御モー
ドの判定を行う。 この制御モードとは、前述の特開昭５８−１６４８３０
の発明に係るものであり、以下の如き考え方に基づいて
ブームＩＩおよびアーム１２の制御を第１及び第２モー
ドに分けている。即ち、ブーム１１及びアーム１２を回
動させて、たとえば法面角６０°の直線掘削をする場合
のブーム角α及びアーム角βそれぞれの必要操作角の関
係を第５図に示すように第４図に実線にて示した作業開
始位置からアーム１２をアーム角βが８０°程度となる
まで下方へ回動させた一点鎖線にて示す範囲までの初期
作業領域においてはアーム角βを大きく変化させてもブ
ーム角αの変化はわずかであり、逆にアーム１２を更に
下方へ回動させて掘削を行う二点鎖線にて示す範囲まで
の後期作業領域においては、ブーム角αの変化は大であ
るが、アーム角βの変化はわずかである。 従って、ブーム１１又はアーム１２の内の必要操作角の
多い方を主制御対象とし、操作角の少ない方をそれに追
随制御させれば、掘削効率の向上が図れるため、演算装
置３１はブーム１１又はアーム１２のいずれを王制ソ１
１対象とするかの判断を制御モードの判定として行うも
のである。 以下、第４．５図に（ａｌを付して示した範囲のアーム
１２を主制御対象とする制御モードを第１モード、同じ
り（ｂ）を付した範囲のブーム１１を主制御対象とする
制御モードを第２モードという。 制御モードの判定は下記（１１式により行われる。 α。＋β０＋θ≦２００°　・・・ｉｌｌただし、α。 ：現状のブーム角 β０　；現状のアーム角 ２００：θ＝６０°の場合の制御モード変換点（第５図
の２点）として められた設計上の値 上記（１１式が成立する場合には前記第３図に図示する
如く論理スイッチ９１が非作動、即ち論理スイチ９１内
の各常開接点が開路、各常閉接点が閉路されて、アーム
１２が主制御対象となる第１モードとなり、逆に前記＋
１１式が非成立の場合には論理スイッチ９１が作動、即
ち論理スイッチ９１内の各常開接点が閉路、各常閉接点
が開路されてブーム１１が制御対象となる第２モードと
なる。 前述した如く通電の直線掘削では掘削開始当初は、まず
アーム１２が主制御対象となる第１モードの制御が行わ
れるため論理スイッチ９１は非作動、即ち第３図に図示
しである状態となっている。 演算装置３１は、現状のブーム角α０、アーム角β０ブ
ーム長ＩＩＩ、アーム長７！２を読み込み下記（２）式
により変動係数Ｘをめる。 そして、この変動係数Ｘを基に下記（３）式にてブーム
１１の制御量Ｙｌｌ’、（４１式にてアーム１２の制御
量ＹＬ２′をめる。 この場合、初期作業領域における第１モードでは、ブー
ム角αの変化割合ｄαは比較的小さく、逆にアーム角β
の変化割合ｄＩｊは比較的大であるから、変動係数Ｘは
比較的大きい値となり、従ってアーム１２の制御量Ｙ１
２′は１に近い値となり、これは実際にはアーみ１２を
比較的早く作動させる信号となり、一方、ブーム１１の
制御ＩＹｕ’は零に近い値となるため、これは実際には
ブーム１１を比較的遅く作動させる信号となる。 一方、演算装置３１は上述のブーム１１及びアーム１２
の制御量ＹｉＩ’、ＹＬ２’を演算すると同時に、従動
制御されるブーム１１又はアーム１２の制御量、即ち偏
角Δβ、Δαをめる演算を行う。これは上述した如く、
たとえば第１モードにおいて従動制御されるブーム１１
０制御量Ｙ１．′は０に近い値となっているため、計算
上のブーム角α１と実測された現状のブーム角α０との
偏差Δαを制御量とするものである。なお、第２モード
ではアーム１１が従動制御されるが、この場合には計算
上のアーム角β１と現状のアーム角β。との偏差Δβが
制御量となる。 従動制御量Δα及びΔβはそれぞれ下記（４）、（５）
式及び＋６１．　Ｔｅ１式にてまる。 （以　下□余　白） Δ６＝。。−α、　・・・（５） ） Ｉ！ま ただし、　５＝７−θ ｈｇ＝ｂｃｏｓθ Δβ＝β０−βｌ　・・・（７） 上記（４）〜（７）式中α１．β□はそれぞれプニム１
１及びア□−ム１２が制御量Ｙ１１　’　ｒ　ＹＩ２”
”の制御をされた場合に、パケット１３の枢支点Ｃをそ
の予定軌跡Ｇ′上に位置させるためのブーム角α及びア
ーム角βであり、これらと現状のブーム角α。及びアー
ム角β。との偏差Δα、Δβ、即ち必要操作句である。 このようにしてめちれたブーム角α及びアーム角βの偏
差Δα、Δβは前述の論理スイッチ９１こて制御モード
に応じて、即ち前記（１１式％式％ す（成立する第１モードのアーム１２が主動制御される
初期作業領域ではブーム角αの偏差Δαが従動呉差εと
して、逆に前記（ｉ）式が非成立となる第２七−ドのブ
ーム１１が主動制御される後期作業領域ではアーム角β
の偏差Δハク従動誤差・として選　４Ｒされる。 制御回路３１はこの従動誤差εを下記（２１）　。 （２２）式により比較判断して自動直線掘削制御の開始
時に本発明の特徴たる作業腕の作動速度の漸増を行う。 　゛ ｌ　ｇ　ｌ　＞Ｃｓｐ　−（２１） １ε　ｌ　＜　Ｃｓｔ　・・・　（２２）ただし、Ｃｓ
ｔ≦Ｃｓｐ この作業腕の作動速度の漸増制御は自動掘削の開始時に
のみ行われるものであり、前述したブーム１１の制御量
Ｙ、、’、アーム１２の制御量Ｙ１２′が演算されると
同時に、演算装置３１はブーム操作レバｌｌｃ　Ｏ）操
作量ＶＺを読み取り、速度指示信号変換テーブル９２に
従って自動掘削時の掘削速度指示信号Ｖｒに変換する。 変換テーブル９２は、現在のブーム操作レバＩｌｃ操作
量ＶＺを中心として上下両側に所定範囲の不感帯域を設
定してあり、この不感帯域を超えてブーム操作レバＩｌ
ｃ　ｌＪ＜操作されると不感帯域を超えた操作量ＶＪに
比例して掘削速度指示信号Ｖｒに変換するものである。 そして、この掘削速度指示信号Ｖｒは掘削開始速度制御
部９３に与えられている。この掘削開始速度制御分９３
は一種の遅延回路であり、その出力Ｖｒ’は、自動掘削
開始時には零であり、この後一定勾配で漸増して所定時
間Ｔ経過後に入力Ｖｒと等しくなり、以後は入力Ｖｒを
直接出力するものである。 更に掘削開始速度制御部９３はその出力Ｖｒ’の漸増期
間中に前述の従動誤差εが所定値以上となった場合に出
力Ｖｒ’の漸増が一旦停止されるようになっている。即
ち、制御回路３Ｉは前述のく２１）（２２）式により従
動誤差εの絶対値１ε１を所定上限値Ｃｓｐと比較し、
この結果従動誤差εの絶対値１ε１が所定上限Ｃｓｐよ
り大となった場合には掘削開始速度制御部９３の出力信
号Ｖｒ’の漸増を一旦停止した上、一定出力に維持する
。そしてやがて従動誤差εの絶対値１８１が所定上限Ｃ
ｓρよりやや低い値の所定値Ｃｓｔ以下となると、それ
まで一定に維持されていた掘削開始速度制御部９３の出
力信号Ｖｒ’の漸増が再開されるものである。 このような自動掘削開始時の制御方法とすることにより
、自動掘削の開始直後からの全速でのアーム１２（又は
ブーム１１）の作動は回避され、更に従動誤差εが所定
値以上となった場合には、従動誤差εが所定値以下とな
るまで掘削速度の上昇は停止される。 このようにして掘削開始速度制御部９３から出力された
掘削速度指示信号Ｖｒ’はブーム１１の制御量Ｙ１１′
、アームＩ２の制御量Ｙ１２′がそれぞれ乗ぜられた後
、定数Ｃ１，Ｃ２（共に油圧回路、電気回路等の特性に
より定められる設計上の定数）がそれぞれ乗ぜられて主
動制御信号Ｙｌｌ＋Ｙ１２としてブームＩｆ及びアーム
１２の伸縮制御回路Ｉｌｂ。 １２ｂに出力される。 一方、従動誤差εは前述の如く掘削開始直後制０１１部
９３に与えられる他に、定数にαが乗しられてブーム１
１の従動制御信号にα・εとされてブーム１１の伸縮制
御回路１１ｂへ、また定数にβが乗ぜらさてアーム１２
従動制御信号にβ・εとされてアーム１２の伸縮制御回
路１２ｂへ送られる。ところで、それぞれの定数にα、
Ｋβは、アーム１２が主動制御される第１モードでは、
Ｋαにはゲイン（入力信号に対する出力信号の比）Ｋｓ
が、ＫβにはＫｍが代入され、一方ブーム１１が主動制
御される第２モート°ではにαにはゲインＫｍが、Ｋβ
にはゲイＫｓが代入されるようになっており、主動制御
ａ１１例のゲインとなるＫｍ比較的零に近い小さい値を
、従動制御側のゲインとなるＫＳは比較的１に近い大き
な値を採っている。 従って、掘削開始直後のアーム１２が主動制御ささる第
１モードの初期作業領域においては、アーム１２の伸縮
制御回路１２ｂに与えられる制御信号Ｙ　１２に重畳さ
れる従動制御信号にβ・εは比較的小さいため、アーム
１２の制御は制御信号ＹＩ２に主として支配され、−力
差動制御されるブーム１１の伸縮制御回路１１ｂに与え
られる制御信号Ｙ１１は小さい　−値であり、これに重
畳される従動制御信号にα・εは比較的大なる値となっ
ているため、ブーム１１の制御は従動制御信号にα・ε
に主として支配される。 このようにして、通常の自動直線掘削の開始当初に行わ
れるアーム１２を主動、ブーム１１を従動制御とする初
期作業領域における第１モードの制ｆｉｌでは、掘削作
業が進行すると、やがて第４図に２点鎖線にて示した作
業領域の変換点、即し第５図の２点に至る。この場合に
は前記（１）式は不成立となって制御モードの判定結果
は第２モードとなり、論理スイッチ９１が作動して書く
密閉接点は閉路、各常閉接点は回路する。 一方、後期作業領域では第２モードの制御が行われるが
、この場合には、ブーム角αの変化割合ｄαは比較的大
、アーム角βの変化割合ｄβは比較的小であるから、前
記（１）式の変動係数Ｘは１から次第に０に近い値へと
変化するため、アーム１２の制御量はＹＩ２′はＯに近
付き、ブーム１１の制御量Ｙ１１′は逆に無限大に近付
いていく。従ってブーム１１の伸縮制御回路１１ｂには
この制御量Ｙｌｌ′に掘削速度指示信号Ｖｒ’及び定数
ＣＩを乗じた主動制御信号Ｙ１１が与えられ、一方、ア
ーム１１の伸縮制御回路１２ｂには零に近付いてゆく制
御量Ｙ１２′に掘削速度指示信号Ｖｒ’及び定数０２を
乗じた主動制御信号Ｙ１２が与えられる。 ところで、この第２モードの制御では、論理スイッチ９
１の作動により、従動誤差εに乗ぜられる定数が変換さ
れ、主動制御されるブーム１１の伸縮制御回路１１ｂに
は従動誤差Ｃに比較的零に近い定数Ｋｓを乗じた従動制
御信号にα・εが与えられ、従動制御されるアーム１２
の伸縮制御回路１２ｂには従動誤差εに比較的大きいゲ
インＫｍを乗じた従動制御信号にβ・εが与えられる。 従って後期作業領域における第２モードの制御では、主
動制御されるブーム１１の制御は従動制御信号にα・ε
に比して比較的大であり速度指示信号Ｖｒに近付いてゆ
く主動制御信号Ｙｕに主として支配され、アーム１２の
制御は比較的小であり且つ零に近付いてゆ（主動制御信
号Ｙ１２に比して比較的大である従動制御信号にβ・ε
に主として支配される。 ところで、ブーム角α及びアーム角βの偏差Δα及びΔ
βは積分回路９４及び９５にも与えられて積分されてい
る。これら両積分回路９４及び９５の出力値ΣΔα及び
ΣΔβは、前述の論理スイッチ９１により、アーム１２
が主動制御される第１モードにおいては従動制御される
ブーム１１のブーム角αの偏差の積分値ΣΔαに所定に
定数に２が乗ぜられた後、ブーム１１の伸縮制御回路ｌ
ｌｂに与えられ、逆にブーム１１が主動制御される第２
モードにおいては、従動制御されるアーム１２のアーム
角βの偏差の積分値ΣΔβに所定の定数に３が乗ぜられ
た後、゛アーム１２の伸縮制御回路１２ｂに与えられる
ようになワている。 従って、従動誤差εが大となればなる程、従動制御され
るブーム１１又はアーム１２は従動制御の速度が大とな
るため、ブーム角αの偏差Δα又はアーム角βの偏差Δ
βが解消される方向に迅速に制“御されることとなる。 次にパケット１３の刃先点りを、アーム１２、ブーム１
１の制御に拘わらず掘削仕上面Ｇに沿って直線移動させ
るための補償制御について説明する。これは、ブーム１
１及びアーム１２の回動に拘わらずパケット刃先点りの
対掘削面角、換言すればパケット枢支点Ｃと掘削仕上面
Ｇａの間の垂直距離を、一定に保持するためのものであ
り、下記（１０）、（１１）、（１２）式により行われ
る。　 φ０＝π−（αθ＋β０＋Ｔｏ　＞　−・・ｏｔ＋＋φ
＝π−（α１＋β＋＋ｒ＋）’・・・（１１）Δφ＝φ
０−φ　・・・（１２） 上記０１Ｉ１式は現状のブーム角α０、アーム角β。、
パケット角γ０からまるパケット１３の制御量であり、
上記（１１）式はブーム１１、アーム１２、パケット１
３の制御により必要となるパケット１３０制御量であり
、上記（１２）・式の両者の差Δφがパケット１３の実
際の制御量となる。このパケット１３の実際の制御量Δ
φに制御速度を指示する定数に１を乗じて、更に設計上
の定数０３を加算した値Ｙ１３がパケット１３の制御信
号としてその伸縮制御回路１３ｂに与えられる。 なお、ブーム１１が上昇方向に回動される際にブーｍｕ
の上側の圧力を検出する油圧計２８の検出信号ｐｂは、
所定の定数に４を乗ぜられた後、ブームｌｉの上昇方向
への回動の際にはスイッチ９６が作動することにより、
ブーム１１の伸縮制御回路１１ｂに与えられる。 従って、ブーム１１の上昇に際しては、ブーム１１の重
量等を補償することになり、ブーム１１の重量　□等に
よる制御感差は防止される。 〔効果〕 以上詳述した如く、本発明に係る油圧ショベルの自動制
御装置においては、自動掘削の開始特には作業腕の作動
速度を指示する信号の出力を逐次増強して掘削速度を次
第に加速する構成とし、また予定掘削線との制御誤差が
許容値以上となった場合には、制御誤差が許容値以内と
なるまで、その制御信号の増強を停止して掘削速度を一
定とするため、自動掘削開始時における作動油の急激な
供給に起因するブーム、アーム等の慣性の影響、油圧配
管の膨張、作動油の収縮等により惹起される過剰な掘削
は回避される。更に所定時間経過後は、掘削速度は直接
的に制御されるため、非電事態が発生した場合等には、
急速操作が可能である。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示すものであり、第１図は本発
明装置を装備した油圧ショベルの略示外観図、第２図は
本発明装置の構成を示すグロック図、第３図は演算装置
の処理内容を示す機能グロック図、第４図は座標系の説
明図、第５図は制御モードの判定基準を示すグラフであ
る。 １１・・・ブーム　１２・・・アーム　１３・・・ハケ
ソト　３１・・・演算装置　９２・・・速度指示信号変
換テーブル　９３・・・掘削開始速度制御部　０・・・
ブーム回動中心　Ｂ・・・アーム回動中心　Ｃ・・・パ
ケット回動中心　Ｄ・・・ハケソト刃先 特　許　出願人　株式会社多田野鉄工所代理人　弁理士
　河　野　登　夫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　予め設定された掘削角に基づいて複数の作業腕の
   それぞれを制御して直線掘削をなすべく構成された油圧
   ショベルの自動掘削制御装置において、 自動掘削の開始時から所定期間に亘って作業腕の掘削動
   作速度を漸増する手段と、前記期間において、予め設定
   された掘削線からの誤差が所定範囲を超えた場合には作
   業腕の掘削動作速度の増加を一旦停止する手段と を具備することを特徴とする油圧ショベルの自動掘削制
   御装置。