JPS6234788A - 柔構造作業機 - 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、例えば低剛性多関節構造を有する荷役作業機
として用いられる梁構造作２４１１に関するものである
。

〔従来技術〕

一般に、荷役作業機等の建設機械にあっては、大型の重
量物を取扱う関係から長大なアームを複数連結し、全体
として２０〜３０島の摂関ｍ機構を構成しているが、こ
の種の建設機械では各アームが大型化、重量化し、製造
原価の高騰を招いている。

このような欠点を改良すべく、駆動用アクチュエータの
小型化、省エネルギＴの面から、アームの軽暖化を図り
、全体として柔構造とした作業機が知られている。

そごで、従来技術による柔構造作業機を第４図により説
明する。

図において、１は作業機本体の一部を構成する１旋回回
体、２は該１一部旋回体ｌに取付けられたブラケット、
３は該ブラケット２に回動可能に設けられたアーム体で
、該アーム体３は０１を中心にブラケット２に回動’Ｉ
ＴＩ能にピン結合された第１のアーム４と、該第１のア
ーム４の先端に０２を中心として回動可能にビン結合さ
れた第２のアーム５とからなり、該各アーム４，５は長
さ寸法が長く、軽量化されているため１弾性的に撓み変
形するようになっている。６は第１のアーム４を作動す
る油圧シリンダ、７は第２のアーム５を作動する油圧シ
リンダである。

このように構成される柔構造作業機は、第２のアーム５
の先端に把持装置、フック等の作業装置を設けることに
より、吊荷を持上げ、荷役作業を行わすことができる。

また、各アーム４，５は軽Ｊり化されているから、該各
アーム４，５を作動する油圧シリンダ６．７を小型化で
き、製造コストを削減することができ、かつ省エネルギ
化を図ることができる。

しかし、このような低剛性の多関節構造作業機にあって
は、柔構造作業機の撓み、低周波の固有振動を持つ、そ
して、各アーム４，５自体には減衰作用がないから、こ
の固有振動はなかなか減衰しない持続振動となってしま
うという欠点があるそこで、従来技術による柔構造作業
機では、持続振動を抑制する方法として、アーム４．ま
たは５の先端近傍に加速度検知器（図示せず）を設け、
該加速度検知器からの加速度信号に応じて各油圧シリン
ダ６．７への作動流体の油量（または電気駄）を；倒御
することが有効と考えられている。しかし、実際にはア
ーム４．５に生ずる振動の周波数成分のうち、低次モー
ドと高次モードの周波数が非常に接近している上に、ア
ーム４．５の姿勢によりこれら各モードの周波数が変化
し、？ｉに加速度信号に応じて各アクチュエータへの油
量（または電ＩＡ量）を制御するだけでは、実質的に振
動を抑制するのは困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明はこのような従来技術の欠点と問題点に着目して
なされたものである。

そこで、前述した各７−１．４．５が持つ低周波の固有
振動についてみると、第５図のような特性となる。即ち
、第５図は例えば第１アーム４を上げ方向または下げ方
向へ作動せしめたとき、アーム先端に生ずる加速度の時
間応答波形を示す０図中８は１次モード波形、９は２次
モード波形。

１０は１次モード波形８と２次モード波形９を合成した
実際にアーム４に生ずる加速度波形である（ただし、３
次モード以上の高次の固有振動数については省略）、同
図かられかるように、柔構造作業機の１次モードと２次
モードは非常に接近している場合が多く１例えば１次モ
ードの振動数が１〜３Ｈｚ　　とすると、２次モードの
振！ｈｇＩは３〜５Ｈ２となる、このように、振動モー
ドに幅があるのは、各アーム４，５の姿勢によって固有
振動数が変化するためであるが、この原因については後
述する。なお、第５図では１次モード波形８に比較して
、２次モード波形９が比較的大きくなっているが、￥隊
には１次モードが顕著でありこれに比べて２次モードは
殆んど無視できる程小さい−・方、各油圧シリンダ６．
７の変位、即ち各アーム４，５の姿勢により、１次モー
ドの固有振動数が変化する理由について検討する。第６
図は例えば第１のアーム４の固有振動数を求めるための
解析モデル図、第７図は解析モデルに必要な寸法関係を
示す第１のアーム４とブラケット２近傍の説明図である
。簡ＣＰのために、第１のアーム４は直線運動モデルと
し、ばねＫと、慣性質量ｍ２でアーム４の運動特性を示
す、また、ｍｌは油圧シリンダ６の慣性質量、Ｗはアー
ム４の重量、ｘは油圧シリンダ６の変位、Ｙはアーム４
先端での変位置、ＱＨ，Ｑｌｌは油圧シリンダ６への流
入、流出流量とする。このモデルで高次のモーードを無
視し、油圧シリンダ６をばね定数Ｋｖのばね、またｍＩ
（（ｒｎ７　を考慮し、アーム４の固有振動数ω。

を求めると１次の（１）式となる。

ここで、ｔｆｊ　性Ｗ　量ｍ　２は、アーム４の慣性モ
ーメントを油圧シリンダ６の等価質量にｉ！ｉ換えたも
ので、この値は第７図を用いて求めることができる。即
ち、第７図でＧはアーム４の重心位置、■は重心位ｍＧ
におけるアーム４の慣性モーメント、ｒは油圧シリンダ
６の取付は位置とアーム４の結合点０１　との距離、交
は結合点０１がら重心Ｇまでの距離、！；Ｌｏは前記結
合点Ｏ１とアーム４と油圧シリンダの結合点との距離、
φはアーム４と油圧シリンダ６のなす角度を示す、そし
て、これらの値を用いると慣性質Ｎｍ２は次式のように
なる。

また、角度φは幾何学的に（３）式のようになる。

　１８Ｘ さらに、アーム４のばね定１ａＫは、慣性質征ｍ２と同
様、アーム４のばねを油圧シリンダ６に対する等価ばね
定数としたものであり、実際にはアーム４の撓み呈から
得られる回転ばねを仮定し、その回転ばね定数を求め、
シリンダ変位Ｘの関数となる直線ばね定数Ｋを求める必
要がある。この回転ばね定数をにθとすると、直線ばね
定数には次の（４）式となる。

従って、（３）式から、（２）、、（４）式の慣性質屋
ｍ２　、ばね定数にはシリンダ変位Ｘの関数となり、ま
た（１）式の固有振動数ω、はシリンダ変位ｘ、ｍち、
アーム４の姿勢によって変化することがわかる。

本発明は、前述の如くアームに生ずる固有振動はその周
波数成分をみると低次モードと高次モードが非常に接近
しており、かつアームの姿勢により各モードの周波数が
変化するということに着目し、アームに生ずる固有振動
のうち、該アームの姿勢のいかんに拘らず２次モード以
上の高次モード成分はすべてカットし、１次モードの周
波数成分を押えることにより、アームの振動抑制を速や
かに行うことができ、もって減衰特性が良好で。

操作性の優れた柔構造作業機を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

Ｌ２目的を達成するために１本発明の作業機が採用する
構成の特徴は、アーム先端近傍の加速度を検出する加速
度検出手段と、該加速度検出手段からの加速度信号を周
波数分析し、１次モード波形に対応した１次モード信号
を出力する周波数分析手段と、該周波数分析手段からの
１次モード信号に基づき、前記加速度信号を通過させる
周波数帯域を変化させる可変バンドパスフィルタ手段と
、前記アームを回動すべきアクチュエータを作動する操
作レバーの操作信号と該可変バッドパスフィルタ手段を
通過した信号との差を演算し、前記アクチュエータを作
動すべき信号を出力する演算手段とからなる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第３図に示す実施
例に基づき詳述する。なお、第４図に示した従来技術と
同一構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する
。

然るに、１１はタンク、１２は該タンク１１からの作動
油を第１の油圧シリンダ６に供給するポンプ、１３は該
ポンプ１２の吐出圧を制御するリリーフ弁、１４は前記
ポンプ１２からの圧油を油圧シリンダ６へと切換供給す
るサーボ弁で、該サーボ弁１４としては入力電流に対し
て出力流量が比例する電気−油圧サーボ弁が使用される
。また、１５は上部旋回体ｌの運転室（図示せず）に設
けられた操作レバーで、該操作レバー−１５は油圧シリ
ンダ６を伸長または縮小方向へ作動させるべく、その傾
転角に対応した速度指令信号ＶＱを出力する。

１６は第１のアーム４の先端近傍に設けられた加速度検
出器で、該加速度検出器１６はアームの先端に生じた加
速度を検出し、加速度信号αを出力する。

１７は周波数分析器を示し、該周波数分析器１７は前記
加速度検出器１６からの加速度信号αの信号成分を周波
数分析し、１次モードの値に対応した１次モード信号Ｍ
１を後述の可変バンドパスフィルタ１８に出力する機能
を有する。

１８は可変バンドパスフィルタを示し、該フィルタ１８
は前記周波数分析器１７から出力された１次モード信号
Ｍ！に基づき、加速度検出器１６から出力された加速度
信号αを通過させる周波数帯域を変化させることができ
る。

ここで、上記した可変バンドパスフィルタ１８について
述べる前に、通常のバンドパスフィルタで、所定の周波
数帯域の信号、例えば１次モードの周波数のみを濾波す
るには、当該１次モードの最小値から最大値を＃１羅す
る通過帯域特性を設定すればよい、しかし、前述したよ
うに柔構造作業機にあっては、１次モードと２次モード
が非常に接近している（第５図参照）、この結果、前述
した通常のバンドパスフィルタの如く通過帯域特性をあ
まり太きく設定した場合には、最大値（広域遮断周波数
）の値よりも、２次モードの値の方が小さくなり、２次
モードの信号がこのフィルタを通過する場合があり、か
かる場合には２次モードが励起され、アームが発振して
しまう恐れがある。

これに対して１本実施例における可変バンドパスフィル
タ１８は１周波数分析器１７からの１次モード信号Ｍ１
の中心周波数によって、通過周波数帯域が可変となるよ
うに構成されている。これを第３図により具体的に述べ
るに、１次モード信号Ｍ１の中心周波数をω０．低域遮
断周波数をω、１ｎ、広域遮断周波数をω□×とすると
、可変バンドパスフィルタ１８の通過周波数帯域の中心
周波数は前記中心周波数ω０と等しくなるように可変的
に設定され、これに応じて各遮断周波数ωｓ１０、ω口
Ｘも変化するようになっている。仮に、１次モード信号
Ｍ！の中心周波数ω０が１．５Ｈ１であったとすると、
低域遮断周波数ω１ｎが１、ＯＨｌ　、広域遮断周波数
が（ａ）　−４ｙが２−ＯＨ２となるように設定される
。従って１本実施例の可変バンドパスフィルタ１８によ
れば、第１のアーム４の姿勢がどのような状態にあろう
とも、加速度検出器１６かもの加速度信号αが該フィル
タ１８を通過するときには、２次モード以上の周波数は
確実に遮断され、１次モードの加速度信号α１のみを得
ることができる。

さらに、１９は演算装置を示し、該演算装置１９は操作
レバー１５からの速度指令信号ＶＯと可変バンドパスフ
ィルタ１８を通過した１次モードの加速度信号α１とが
入力され、これら各信号の差を比較演算し、サーボ弁１
４を作動すべきサーボ弁電流信号ｉ３を出力する機能を
有する。このため、前記ンｒｉ装Ｍ１９は、第２図に示
すように操作レバー１５からの速度指令信号ＶＱをこれ
に対応した電流信号ｉｏ　に信号変換するメータリング
特性変換回路１９Ａと、可変バンドパスフィルタ１８か
らの１次モードの加速度信号α１に所定のフィードバッ
クゲインＦｇを係数として掛算し、フィードバック信号
ｉＩ　を、ｉｌ　＝Ｆｇ・α。

として求める係数乗算回路１９Ｂと、前記電流信号ｉｏ
とフィードバック信号１１との差を、ｉｓ　＝ｉｏ　−
ｆ＋　とじて求め、サーボ弁１４にサーボ弁電流信号ｉ
５を出力する比較回路１９Ｃとから構成される。

本実施例による柔構造作業機は以上のように構成される
が１次にその作用について述べる。

まず、停止状態にある作業機を用いて荷物を吊上げ、荷
役作業を行うには、油圧シリンダ６用の操作レバー１５
、または油圧シリンダ７用の操作レバー（図示せず）の
操作を開始し、アーム体３を構成する第１、第２のアー
ム４．５を上げ方向、下げ方向に作動することにより行
われる。即ち操作レバー１５の操作開始により、該操作
レバー１５からはその傾転角に応じた速度指令信号ＶＯ
が演算跡！？１９に出力される。このとき、アーム体３
はまだ静止状態にあるから、加速度検出器１６からの加
速度信号αは零である。この結果、演算装置１９では速
度指令信号ＶＱをメータリング特性変換回路１９Ａによ
って電流信号ｉ。

に信号変換し、比較回路１９Ｇを介してサーボ弁１４に
サーボ弁電流信号ｉｓを出力する。これにより、前記サ
ーボ弁１４はサーボ弁電流信号ｉ；に比例した油量を油
圧シリンダ６に供給し、該油圧シリンダ６は伸長方向、
また縮小方向に作動してアーム４を動かし、吊荷の吊上
げを開始する。

このようＫして、アーム４が動作を開始することになる
が、該アーム４の動作するときの加速度は加速度検出器
１６によって検出され、加速度信号αとして出力される
。そして、この加速度信号αは周波数分析器１７に入力
され、１次モードの値を求めて１次モード信号Ｍｌ　を
次段の可変バンドパスフィルタ１８に出力する。該可変
バンドパスフィルタ１８では、１次モード信号Ｍｌの中
心周波数ω０に応じて通過周波数帯域が可変となるよう
に設定される。この結果、加速度検出器１６からの加速
度信号αが可変バンドパスフィルタ１８を通過するとき
には、アーム４の姿勢とは無関係に２次モード以上の高
次モード周波数が遮断され、１次モードの周波数のみが
確実に濾波されて１次モードの加速度信号α１とし、次
段の演算装置１９に出力される。

このようにして、演算袋ａｔ１９に入力された１次モー
ドの加速度信号αｌは、係数乗算回路１９Ｂによってフ
ィードバックゲインＦｇが掛算され、フィードバック信
号ｉ、として比較回路１９Ｃに出力帯れる。然るに、該
比較回路１９Ｃにはメータリング特性変換回路１９Ａか
ら電流信号ｉ６　が入力されているから、フィードバッ
ク信号ｉ１が入力されることによって。

ｉ＠　−１Ｉ＝ｉ５　なる差の比較演算を行い、サーボ
弁電流信号ｔｓをフィードバック信号としてサーボ弁１
４に出力する。かくして、アーム体３に発生する固有振
動のうち、１次モードを除去することが可能となり、ア
ーム体３の振動を抑制することができる。

本実施例は以上の如くであって、アーム体３は種々の振
動モードを有し、該アーム体３の先端に設けた作業装置
を所定位置に位置決めするとき、操作性を阻害する振動
成分は１周波数が低く先端位置の変動に影響を午える１
次モードである（２次モード以上の高次モードは周波数
が高いため。

アーム先端の位置変動の影響は小さい）、ところが、本
実施例によれば、加速度信号のうち１次モードの振動成
分のみを導出し、当該１次モードの振動成分を除去する
ことができるから、第１のアーム４の振動を良好に減衰
させるこができ、アーム体３全体としての振動抑制効果
を高め、操作性を向上させることができる。

なお、本発明の実施例ではアーム体３をｗＳｌのアーム
４、第２のアーム５とから構成したが、アーム体は１本
または３本以上のアームから構成してもよい、また、荷
役作業機に限らず、油圧クレーン等、他の柔構造を有す
る作業機にも適用しうる。

また、アクチュエータとして油圧シリンダ６゜７を用い
たが、油圧モータ、電動モータ等を用いてもよい、一方
、油圧シリンダ６．７をル制御する制御弁としては、サ
ーボ弁１４に限ることなく、電磁比例弁等を用いてもよ
い。

さらに、実施例では加速度検出器１６は第１のアーム４
に設け、第１の油圧シリンダ６をフィードバック制御す
るものとして述べたが、加速度検出器を第２のアーム先
端近傍に設け、５Ｓ２の油圧シリンダ７を制御するよう
にしてもよい。

さらにまた、演算装置１９はアナログ回路、デジタル回
路、またはハイブリッド回路等のいずれでもよく、さら
にマイクロコンピュータ内等に実現させてもよいことは
勿論である。

〔発明の効果〕 本発明に係る柔構造作業機は以上詳細に述べた如くであ
って、アーム体に生ずる振動のうち１位置決め精度に最
も影響を与える１次モー下の振動を除去する構成とした
から、アーム体の振動減衰特性を高めることができ、操
作性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の実施例に係り。 第１図は本実施例による柔構造作業機と回路構成を示す
全体構ｒ＆図、第２図は第１図中の演算装置を示す回路
構成図、第３図は可変バンドバスフィルタのゲイン一時
間特性線図、第４図は従来技術による柔構造作業機の構
成図、第５図はアーム先端に生ずる加速度波形を示す加
速度一時間特性線図、第６図はアームの固有振動数を求
めるための解析モデル図、第７図は第６図による解析モ
デルに必要なアームとブラケット近傍の寸法関係を示す
説明図である。 ｌ・・・上部旋回体、２・・・ブラケット、３・・・ア
ーム体、４・・・第１のアーム、５・・・第２のアーム
、６．７・・・油圧シリング、１４・・・サーボ弁、１
５・・・操作レバー、１６・・・加速度検出器、１７・
・・周波数分析器、１８・・・可変バンドパスフィルタ
、１９・・・演算装置、α・・・加速度信号、ｖｏ・・
・速度指令信号、Ｍｌ・・・１次モード信号、ｉ３・・
・サーボ弁電流信号。 特許出願人　　　　日立建機株式会社 代理人　弁理士　　　　広　瀬　和　彦同　　　　　　
　　　中　　村　　直　　樹第１図 第２図 第３図 周１休（ｗ） 第４図 第５図 誇間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも１本以上の柔構造なアームからなるアーム体
   と、該アーム体のアームを回動させるアクチュエータと
   を備えた柔構造作業機において、前記アーム先端近傍の
   加速度を検出する加速度検出手段と、該加速度検出手段
   からの加速度信号を周波数分析し、１次モード波形に対
   応した１次モード信号を出力する周波数分析手段と、該
   周波数分析手段からの１次モード信号に基づき、前記加
   速度信号を通過させる周波数帯域を変化させる可変バン
   ドパスフィルタ手段と、前記アクチュエータを作動する
   操作レバーの操作信号と該可変バンドパスフィルタ手段
   を通過した信号との差を演算し、前記アクチュエータを
   作動すべき信号を出力する演算手段とから構成したこと
   を特徴とする柔構造作業機。