JPS6314930A - 油圧シヨベルの安息角制御装置 - 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、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紀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６０装置が知
られている。しかしながらこの制ｔｉｎｖｉａ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、パ
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）　　パケットの角度を検出するために、角度検出
器がパ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、このためパケット角度検出器の使用環境が
悪く、パケットによる掘削およびダンプ時のＩｆｆ、撮
動、防水等を考慮しなければならず、特殊、高価４【検
出器が必要であり、しかも、その検出器が一々降し易く
、その故障によって１制御不能になるおそれがあり、信
頼性に乏しい。

（Ｃ）　　走行体前部の点とパ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ぎくなった
時に、その位置よりパケット先端の下降を阻止するよう
にしているが、その位置よりパケット先端が上昇するこ
とを３１４制していないため、たとえばアームポイント
と安息角の対象となる掘削限界面との距離がバケッ１−
の回転半径より小さい場合でも、パ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パケットを掻込
み方向に回転さけ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○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を検出づ
る検出手段１４と、上記各設定手段１０．１１および各
検出手段１２，１３．１４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、上配紀削限界面からパケ
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にを演算する演算手段２３と、上
記作業傾斜角ηと限界傾斜角にとを比較する比較手段２
４と、上記作業傾斜角ηが限界傾斜角に以上になった時
に上記目標直線に対するアームポインｌ−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０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Ｔの各検出値とに基づいて、眠削限界面からアー
ムポイントまでの間隔がパケット回転半径より小さくな
らないように制御され、パ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図は本発明装青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の先端にパ
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、バケツ１−５がブームシリンダ６、アームシリン
ダ７、パケットシリンダ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ｌ−（
バケット５の回転中心）■：パケット５の先端 Ｗ：ブームフッｔ−Ｘから地面９に鉛直に下した線が地
面９と交わる点 △：ブームフッｌ−Ｘの地面からの距離Ｂ：ブーム良ざ
（ブームフットＸとブームポインｈ　Ｙとの間の距離） Ｃ：アーム長さくブームポイントＹとアームポイントＺ
との間の距１１１Ｉ） Ｄ＝パケット回転半径（パケット先ＥＶのアームポイン
ｈ　Ｚを中心とする回転半径）Ｅ：上記点Ｗから接地限
界点Ｏまでの距頬工：掘削限界面 φ：設定安息角（水平面に対する掘削限界面■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、ブーム良さ８、アーム長さＣ、パケ
ット回転半径り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ＭＥおよび安息角
φはオペレータにより掘削用ＩＡの状況に応じて任、＠
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■とし、基ｔＩ！百線■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
力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−ｂ＋ζ　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
■ここで、ζは基準直線■がブーム４となす角／ＹＸＺ
であり、ΔＸＹＺより、 Ｃ／　ｓｔｎζ＝Ｇ／　ｓｉｎε 、°、　　ζ＝　５ｉｎ−’　［（Ｃ／Ｇ）　　ｓｉｎ
ε］　　−・・■で算出される。

１２０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ｌ
−２間の距離であり、ΔＸＹＺ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。

Ｇ＝Ｊ　（［−３２十Ｇ’　−２［３Ｃｃｏｓε）　・
・・０１２０〜０式により、作業傾斜角ηは既知のブー
ム長さ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を用いて弾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
回転半径りに相当する距離だけあけた位置で、掘削限界
面■と平行に引いた直線を目標直線■とし、アームポイ
ント２が目標直線■上にある時の、基準直線■の水平線
に対する傾斜角を限界傾斜角にとすると、限界傾斜角に
は次の通り演わされる。

に−θ−（π／２−φ）　　　　　　・・・・・・■こ
こで、０はブームフットＸから目標直線■に垂直に下し
た直１１Ｖと基準直線■とのなす角度であり、上記直線
ＩＶと目標直線■との交点をＱ、掘削限界面工に沿って
上方に延長したＭ線と上記直ＩＩＩＩＩｖ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−’　（Ｈ／Ｇ）　　　　　　　・・・・
・・０１２０式において、Ｇは上記０式で算出される。

ト１は上記ＭＩｉｌｌＶ（線分Ｘ　Ｑ　）　（７）　Ｎ
　サテ、△ＺｘＱ、△ｘｏｐ１△ＸＯＷより、 Ｈ＝　Ｄ　＋　Ｆ　　ｓｉ口（φ−δ−α）　　・・・
・・・■でｎ出される。

なお、ＦはブームフットＸと接地限界点０間の距離、δ
は接地限界点０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。

Ｆ＝Ｊ（Ａ２＋Ｅ２）　　　　　　　・・・・・・■δ
−ｔａｎ−’　（Ａ　／　Ｅ　）　　　　　　　・＝−
０１２０〜０式により、限界傾斜角には既知の高さ△、
ブーム長さＢ、アーム長さＣと、設定値である距１１１
１Ｅ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と限界傾斜角にとを比較する
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が限界傾斜角により小さい時（η
くに）は、アームポイントＺが目標直線■より外側すな
わち第３図において線■より左側の領域にあり、安全域
であると言える。従ってその位置でパケット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■に食
込むおそれはなく、ブーム３、アーム４、パケット５を
自由に作動させて差支えない。

ただし、作業傾斜角ηが限界傾斜角に以上の時（η≧に
）は、アームポイントＺが目標直線■以内すなわら第３
図において線■上らしくは線■より右側の領域に位置す
ることになり、この位置でパケット５を掻込み方向に回
動させると、パケット先端Ｐが掘削限界面ｆ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＋−２を基準とした目標
直線■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、△Ｘ
ＹＺと△ＸＱＺより、次のように演算される。

λ−μｍ（π／２−θ）　　　　　・・・・・・■ただ
し、角度μはアーム４の基準直線■に対する傾斜角（／
Ｙｚｘ）であって、△ＸＹＺより次のように′ｆＡ算さ
れる。

Ｂ　／　ｓｉｎμ＝　Ｇ　／　ｓｉｎε、’、ｔｌ＝　
　５ｉｌｌ−’　［（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
。

■　λく（π／２）の時 ：アーム引込みおよびブーム下げを停止■　λ〉（π／
２）の時 ：アーム押出しおよびブーム下げを停止θ　λ＝（π／
２）の時 ：ブーム下げを停止 これによって、アームポイントＺが目標直線■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■との間隔がパケット回転半径りより小さ
くなることを防止でき、パケット先端Ｖが掘削限界面１
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図の曙能ブロック図
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１段１３Ｊ３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偵に補
正される。

そして、上記各設定手段１０．１１および各検出手段１
２．１３．１４からの出力信号Ｅ、φおよびα、β、γ
がコントローラ２０に入力され、入出力装置２１を経て
作業傾斜角演算手段２２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０〜０式）が演算されるとともに、演算手段
２３により目標傾斜角に（上記０〜０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
角にとが比較され、判別手段２４により作業傾斜角力が
限界傾斜角により小さい（η〈に）か否かが判別され、
η〈にの詩は、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２つおよびア
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≧にの時は、アームポイントＺが目標直線■上
もしくは危険域にあるので、次のアーム傾斜角演専手段
２６によりアーム傾斜角λ（上記０〜０式）が：すｉ詐
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、その判別結果に樋づいて上記■〜Ｏに応じたｔ
、ｌｌ１１１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υ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３１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Ｐａ＋　。

Ｐａ２が導かれ、その二次圧力Ｐａ＋　、Ｐａ２によっ
てアーム用方向ｆ１．１Ｉｌｉｌ弁３２が左右いずれか
にＶ）替えられ、メインポンプ３３から７−ノ、シリン
ダ７に対する圧油の給排がｆｉｌ＋　６１１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゜Ｐｂ２が導かれ、そ
の二次圧力Ｐｔ）ｔ　、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３
６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３１
ａ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ｆｆｆＧｆｌ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０Ｎ−ＯＦＦｉ、ｌＩｍされるものであり
、コントローラ２０は第１図に示した曙能を有し、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、設定用Ｎｔ　Ｅを入力し、それらの入力信号に基
づいて電電弁３７．３８゜３９に対する０Ｎ−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　Ｔ”　ＯＮ　　ＯＦ　Ｆ　−！ｊ　ルＬ、　ト
ニより誤動作がなく、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までの設定用１１１
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
斜角にが演算された後、ステップＳ８でη〈にであるか
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（η≧に）の時は、次のステップＳ
９でアーム傾斜角λが演算され、ステップＳｍでλく（
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、アーム引込み停止ずなわ
ら第４図の電磁弁３８をＯＮする信号が出力された後、
ステップＳ　１４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の詩はステップＳ　１２でアーム
押出し停止すなりｔ５第４図の電磁弁３７をＯＮ覆る信
号が出力され、ステップＳｗに進む。次いで、ステップ
Ｓ　１＜でブーム下げ停止づなわち第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Ｓ　１５
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。

（発明の効宋） 以上のＪ：うに本発明は、Ａ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○を括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γ、アームの回転角δの各検出値
とに基づいて、好削限界面からアームポイン１−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６
０でき、パ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、パケットの枢支部に角度検出器を設
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流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ｆＪ８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
・・・パケット、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、■・・・掘削限界面、
■・・・基準直線、■・・・目Ｉａ向線、η・・・作！
Ｊ傾斜角、に・・・限！１ＩｉＩ傾斜角、λ・・・アー
ム傾斜角。 特許出願人　　　　株式会着神戸製鋼所代　理　人　　
　　弁理士　　小谷悦司同　　　　　　弁理士　　艮口
１１ 同　　　　　　弁理士　　板谷康夫 第　　２　　図 第　　３　　図 第　　５　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、ブームフツトとアー
   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。