(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の関節を有する作業腕を具備し、該作業腕の位置を検出する位置検出手段を設け、深さ設定機構で設定した深さより深く動作しないように、設定深さより下に動作すると、手動操作弁３３による手動操作方式から、電磁比例弁３２により電子制御方式へ、手動・電子切換弁３４により、自動的に切換えて制御する電子制御式作業車において、
手動・電子切換弁３４による切換えの際、作業腕駆動用のメインコントロールバルブ３５に付加する電磁比例弁３２側のパイロット圧力が、手動操作弁３３側のパイロット圧力と同一となるよう、電磁比例弁アンプに対する指令電圧を決定し、該電磁比例弁３２を駆動することを特徴とする電子制御式作業車の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バックホー等の掘削作業車の掘削深さを電子制御すべく構成した技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、バックホー等の掘削作業車の掘削深さを電子制御する技術は公知とされているのである。
例えば、特公昭６３−３７２１０号公報や、特開平５−３０６５３４号公報や、特開平８−１３４９４９号公報や、特開平５−３２１９２０号公報に記載の技術の如くである。
従来の電子制御式のバックホーでは、電気ジョイスティックを使用しており、常に電子制御式であった為に、手動操作と電子制御の切換の必要がなく、本発明のような技術は存在しなかったのである。
しかし、本発明の如く、手動操作と電子操作を切り換えて用いる方式とした場合には、２系統のパイロット油圧を切り換える為に、圧力に差があった場合等には、切換時に急激な圧力変化が発生し、作業機の動きがぎくしゃくしたものとなり、操作フィーリングが悪くなるのである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、手動操作方式から電子制御方式への切換えに際して、各パイロット圧力を同一にすべく構成し、制限域の内側で、オペレーターが手動で作業腕を操作している状態から、制限域の境界域である減速域Ｎに入った場合には、手動操作弁３３から電磁比例弁３２の操作に、手動・電子切換弁が切換られることにより切換わるのであるが、この際において、手動・電子切換弁の切換えに伴い、スムーズな切換えが行われることになり、違和感が発生することが無いように構成するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明が解決しようとする課題は以上の如くであり、次に該課題を解決する為の手段を説明する。
複数個の関節を有する作業腕を具備し、該作業腕の位置を検出する位置検出手段を設け、深さ設定機構で設定した深さより深く動作しないように、設定深さより下に動作すると、手動操作弁３３による手動操作方式から、電磁比例弁３２により電子制御方式へ、手動・電子切換弁３４により、自動的に切換えて制御する電子制御式作業車において、手動・電子切換弁３４による切換えの際、作業腕駆動用のメインコントロールバルブ３５に付加する電磁比例弁３２側のパイロット圧力が、手動操作弁３３側のパイロット圧力と同一となるよう、電磁比例弁アンプに対する指令電圧を決定し、該電磁比例弁３２を駆動するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の実施例として、複数個の関節を有する作業車として、旋回式掘削機で説明する。
図１は電子制御式作業車の深さ制御掘削状態を示す側面図、図２は電子制御式作業車の制御ブロック線図、図３はアームが動いている場合のアームとバケットと深さ設定値の関係を示す側面図、図４はバケットが動いている場合の、アームとバケットと深さ設定値の関係を示す図面、図５は電子制御方式において、ブームの上げ角速度を、ヤコビ行列を用いて求める制御のフローチャート図、図６は手先沈み量Ｄを計算してブームの補正量を計算する制御のフローチャート図である。
【０００６】
図１から図６において、深さ設定時のブームとアームとバケットの連動制御について説明する。
即ち、ブームとアームとバケットを電子制御することができ、作業腕の最下点がその深さ設定値を越えないように動作制限すべく構成している。
しかし、作業腕の最下点が深さ設定値を越えるような動きをする場合には、ブームとアームとバケットを連動制御することで、作業を中断することなく、深さ設定値まで掘削が出来るように構成している。
【０００７】
図１と図２において、ブームとアームとバケットの動作を電子制御することの出来る電子制御式作業車であるバックホーを図示している。
クローラ式走行装置の上に旋回台軸受を介して、旋回フレームを載置し、該旋回フレームの上にキャビン１と運転席を配置し、また旋回フレームの先端にブーム２の下端をブーム角度センサ１０を設けた枢支軸により枢支している。該ブーム２の先端にアーム角度センサ１１を設けた枢支軸を介してアーム４を枢支し、該アーム４の先端にバケット角度センサ１２を設けた枢支軸を介して、バケット６を枢支している。
【０００８】
ブームシリンダ３とアームシリンダ５とバケットシリンダ７には、それぞれメインの切換弁である電磁比例弁１３・１４・１５が接続されて、該電磁比例弁１３・１４・１５のソレノイドは、それぞれアンプ１６・１７・１８を介して、コントローラ１９と接続されている。
コントローラ１９に、Ａ／Ｄ変換器２０を介して、操作レバー２１の変位センサ２１ａが接続されている。
【０００９】
該操作レバー２１は、前記ブームシリンダ３とアームシリンダ５とバケットシリンダ７を伸縮操作する為のレバーであり、前後左右等に回動することで操作でき、現実にはキャビン１内に、左右の操作レバー２１Ｌ・２１Ｒを配置して、ブームシリンダ３とアームシリンダ５とバケットシリンダ７を作動出来るように構成している。
【００１０】
また、図示しない操作レバーやペダル等で、ブーム２の左右回動や、旋回・走行・ブレードの上下等も操作できるようにしている。但し、電磁比例弁１３・１４・１５はパイロット型の制御切換弁とし、アンプ１６・１７・１８を電磁切換弁として電磁比例弁１３・１４・１５を切り換えるように構成する事もできる。
【００１１】
そして、前記操作レバー２１の操作でコントローラ１９へ変位信号ｉ１・ｉ２・ｉ３を入力すると、その操作に応じたコントローラ１９からの信号によって電磁比例弁１３・１４・１５が励磁されて、弁を切り換え、ブームシリンダ３とアームシリンダ５とバケットシリンダ７が伸縮される。
また、前記コントローラ１９には振動信号発生器２２が接続され、該振動信号発生器２２にはＡ／Ｄ変換器２３を介して、フートペダル２４の回動基部に設けた変位センサ２５と接続されている。
【００１２】
このフートペダル２４を足で回動させると変位センサ２５により、その回動量に比例した信号がＡ／Ｄ変換器２３を介して、振動信号発生器２２に入力され、該振動信号発生器２２によってフートペダル２４の回動量に比例して振動信号をコントローラ１９に入力し、該コントローラ１９によりブーム２で操作されたシリンダを伸縮させて振動させるように構成している。
この振動は微小振動であって掘削抵抗を減少させて、効率良く掘削できるように構成している。
【００１３】
このように振動させたい部位は、操作レバー２１の操作した部位と一致させており、その振動の大きさはフートペダル２４の踏み量によって調節するように構成している。但し、振動させる部位を指定する他の方法として、前記操作レバー２１の操作と一致させる代わりに、振動部位選択入力器２６を用いて振動させる部位を指定するように構成することもできる。
【００１４】
以上のような、電子制御式作業車の全体的な制御ブロック線図において、深さの監視点を、図１に示す如く、バケット６の先端ａと、バケット６の最深部の裏面ｂと、バケット６とバケットシリンダ７の枢支部ｃと、バケット６とアーム４の枢支部ｄの４位置としている。
各監視点の深さは、各枢支軸に設けたブーム角度センサ１０とアーム角度センサ１１とバケット角度センサ１２の角度値を用いて、コントローラ１９で演算、あるいはマップ化することで求める。
【００１５】
図１においては、掘削を行う状態を示している。
従来の電子制御方法では、バケット６の先端ａの監視点が、深さ設定値に掛かっている為に、掘削の動作であるアーム４を巻き込むかバケットを巻き込む操作をする場合に、深さ設定値を越える方向に動く動作は不可能となっていたのである。
【００１６】
本構成においては、図５のフローチャートに示す如く、該監視点が深さ設定値に掛かっていて、その状態でアーム４の巻き込み動作や、バケット６の巻き込み動作をする場合には、アーム関節角速度とバケット関節角速度とヤコビ行列により、手先の速度を求め、それより地面と垂直方向の成分速度が０となるように、逆にヤコビ行列を解くことでブーム２の上げ方向の関節角速度を計算する。
この値を用いて、アーム４とバケット６とブーム２の連動制御をすることで、深さ設定値を越えず、また動作を止めることなく、掘削作業を行うことが出来るのである。
【００１７】
また、図３と図４に示す如く、ブーム２とアーム４の枢支ピンからバケット６の最下点までの長さＬ、又は、バケット６とアーム４の枢支ピンから、バケット６の最下点までの長さＬと、アーム４が回動している場合はアーム４の回動角αと、バケット６が回動している場合にはバケット６の回動角αより、演算してバケット６の先端ａの沈み量Ｄを求めて、ブーム２の上げ量を計算することもできる。
即ち、図３の如く、アーム４が下方へ回動する動きをしている場合には、深さ設定値を越えないように、アーム４の回動角αをアーム角度センサ１１により検出して、該回動角αとブーム２とアーム４の枢支ピンからバケット６の最下点までの長さＬとから、該バケット６の先端ａの沈み量Ｄを演算し、ブーム２を引上げ側に連動制御するのである。
また、図４の如く、バケット６が掬い込み回動をしている場合には、バケット６の回動角αと、アーム４とバケット６の枢支点からバケット６の最下点までの長さＬより演算して、バケット６の先端ａの沈み量Ｄを演算して、ブーム２を上方へ連動回動させて、深さ設定値を越えないように構成しているのである。
【００１８】
図７は一般掘削と直線掘削の場合で、深さ設定値の監視点を変更する場合の電子制御式作業車を示す側面図、図８は一般掘削時の監視点であるバケット６とアーム４の枢支部ｄを示す図面、図９は一般掘削と直線掘削の切換のフローチャート図、図１０はアーム４の最上点を高さを制御する構成において、該アーム４の高さ制御の監視点を、ブーム２とアーム４の枢支軸３１とし、最上高さを、枢支軸３１と地上との間の高さＪと、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０迄の距離Ｒを加えた高さとした構成の側面図、図１１は同じくアーム４の高さ設定値の監視点をブーム２とアーム４の枢支軸３１とし、設定値は、枢支軸３１と地上との間の高さＪと、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０迄の距離Ｒを足した値とした制御のフローチャート図である。
【００１９】
図７と図８と図９において、一般掘削時と直線掘削時で監視点を、バケット６の先端ａとバケット６の最深部の裏面ｂに変換可能とした構成を説明する。
従来の深さ自動制御においては、作業腕の下がり量を制限するという意図でバケット６の先端ａをモニタしている。バケットの刃先が深さ設定値になると、通常はバケットの動作が不可能となり、掘削作業が中断する。この場合には、ブーム２を上げて作業を再開し、掘削を進めると、また深さ設定値に掛り、動作が停止してしまい非常に作業効率が悪かったのである。
【００２０】
従来、制限位置で全作業腕を停止していたのを、本構成では、設定した位置を越えずにアーム、バケットは動作及び動作操作を可能としたものである。
オペレーターは先ず掘削したい溝の深さを操作パネル上で、深さ設定値として設定する。その後、堀り進むが、深さの監視点はバケット６とアーム４の枢支部ｄであるので、深さ設定値でアーム４やブーム２が停止しても、バケット６は動作することが可能となったのである。
これにより溝の荒掘削ができるのである。
最後に、操作レバー２１の上にある、直線掘削ボタンを押すと、深さの監視点が、バケット６の先端ａに変わる。これにより、ブーム２とアーム４は、バケット６の角度に応じて、バケット６の先端ａが設定深さになるまで下がり、該深さ設定値での直線掘削を行うのである。
【００２１】
図１０と図１１において、アーム４の高さ設定値の監視点を、ブーム２とアーム４の枢支軸の位置とした構成を説明する。
即ち、この構成では、ブーム２とアーム４とバケット６を電子制御して、作業腕の上げ高さを設定する電子制御式作業車において、アーム４の最上点の監視位置を、ブーム２とアーム４の枢支軸３１の位置とし、最上点の設定値は、該枢支軸３１と地上との間の高さＪと、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０迄の距離Ｒを加えた、Ｊ＋Ｒに設定すべく構成している。そして、ブーム２とアーム４の枢支軸３１の位置に監視点を設けて、該ブーム２とアーム４の枢支軸３１の高さＪを監視し、一旦この位置に至るとブーム２の回動は停止するが、アーム４の回動は、Ｊ＋Ｒの高さまで余裕を構成しており、アーム４が回動可能としている。
【００２２】
このように、アーム４の最上点の監視位置をブーム２とアーム４の枢支軸３１の位置とし、高さ設定値は、枢支軸３１と地上との間の高さＪと、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０迄の距離Ｒを加えた高さとすることにより、作業腕が上昇して、ブーム２とアーム４の枢支軸３１は、枢支軸３１と地上との間の高さＪの高さに至った時点で、それ以上の上昇を停止させられる。しかし、停止しても、高さの監視点は、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０までの距離のＪ＋Ｒに設定しているので、アーム４は回動が可能なのである。
【００２３】
図１２は、手動操作と電子操作の切換時のショックを防止する発明の作動状態を示す図面、図１３は同じく手動操作と電子操作の切換時のショックを防止する発明の油圧回路図を示す図面、図１４は電磁比例弁のアンプ特性を示す図面である。
【００２４】
従来の電子制御式のバックホーでは、電気ジョイスティックを使用しており、常に電子制御式であった為に、手動操作と電子制御の切換の必要がなく、本発明のような技術は存在しなかったのである。
しかし、本発明の如く、手動操作と電子操作を切り換えて用いる方式とした場合には、２系統のパイロット油圧を切り換える為に、圧力に差があった場合等には、切換時に急激な圧力変化が発生し、作業機の動きがぎくしゃくしたものとなり、操作フィーリングが悪くなるのである。
【００２５】
本発明は、パイロットラインの圧力を、操作レバーを手動で動かして与える手動操作弁３３による手動方式と、電磁比例弁３２をコントローラ１９により駆動して切り換える電子制御式の、２つの方式に、手動・電子切換弁の切換を行う構成において、これらの２つの系統のパイロット油圧を、同じ圧力に合わせておき、その後に、手動・電子切換弁の切換を行うように構成したものである。
【００２６】
図１２に示すような、作業腕型の作業機で、作業機の動作範囲を制限する動作制限機能を実現する場合に、制限範囲の内側に動作速度を減速する減速域Ｎを設け、更にその内側に、減速準備域Ｍを設定している。減速準備域Ｍの内側は通常動作域となる。またこの作業機を駆動する為の油圧回路は、図１３に示す如く構成されており、シリンダを駆動するメインコントロールバルブ３５は、パイロット圧により切換操作され、該メインコントロールバルブ３５を操作するパイロットは、操作レバーによる手動操作弁３３と、コントローラ１９により制御されて切換られる電磁比例弁３２の何方かの操作を手動・電子切換弁により選択すべく構成している。
【００２７】
ここで作業機の一部が減速準備域Ｍに入ると、手動・電子切換弁３４・３４は手動式のままで、圧力センサ３６・３７で検出した手動操作弁３３のパイロット圧を使って、図１５に示すアンプ指令電圧と、パイロット圧力の関係から、手動操作弁３３と同じ圧力を出力するように、電磁比例弁アンプに対する指令電圧を決定し、電磁比例弁３２を駆動する。
更に作業機の一部が減速域Ｎに入ると、手動・電子切換弁３４・３４を駆動し、電磁比例弁３２側からのパイロット圧力によって、メインコントロールバルブ３５を駆動し、制限値までの距離に応じて作業機の動きを減速させていく。
【００２８】
この方法により、手動・電子切換弁３４・３４を切り換える時には、電磁比例弁３２の出力は、手動操作弁３３による圧力と同じ値まで立ち上がっている為に、手動側と電子制御側の圧力差や、電磁比例弁３２を駆動している場合のサージ圧等がメインコントロールバルブ３５の側に伝達されずに、作業機の動き等に不連続な点が無くなるのである。
【００２９】
図１５においては、動作制限域の減速方法を図示した側面図、図１６は指令電圧上限値の設定方法を示す図面、図１７は動作速度制限値の設定を示す図面である。従来技術においては、動作制限値までの距離に比例した値を各シリンダに対する指令値の上限として動作を減速させていた。
このように従来の方法であると、制限値付近での動作速度が非常に遅くなり、操作性が悪くなるのである。滑らかに停止させようとすると、減速域を広くとる必要があり、通常の速度で動作できる範囲が狭くなり、作業性が悪くなる。反対に減速域を狭くすると、制限域で急激な停止が発生し、動作速度が大きい場合には、アームの慣性等により制限値を超えて動作することがあったのである。
【００３０】
本構成においては、電子制御式のバックホーで、ブーム２とシリンダとバケット６等の作業機の動作に対して、動作制限範囲を設定し、操作レバー２１を操作しても、その範囲を超えないように自動的に停止できる機能のあるもので、制限域内の内側に動作の減速域Ｎを設定し、その減速域Ｎの範囲内では、制限範囲までの距離に比例した値に、オフセット成分を加えた値をシリンダに対する指令値の上限値として減速させる方法と、動作速度が制限値までの距離に比例した値を超えた場合に、動作を停止させる方法を並立させたものである。
【００３１】
本構成の油圧回路図は図１３に示す図面と同じである。図１３において、通常操作時は操作レバー２１を用いて手動によりメインコントロールバルブ３５を動作させ、シリンダを制御する。シリンダの動きにより、作業機が制限域の内側に設定された減速域Ｎにはいると、手動・電子切換弁３４・３４により、電磁比例弁３２を使用する電子制御へと方式が自動的に変更される。図１５においては、減速域Ｎを設定部を示す。
【００３２】
ここで、電磁比例弁３２は圧力センサ３６・３７により検知した操作レバー２１の圧力と同じ出力を行うが、この値が図１６に示すように設定された指令電圧の上限値よりも大きい場合には、この上限値を出力する。但し、制限値の直前では動作が制限域を超えないように出力を０としている。また、この時の動作速度を検知し、これが図１７に示す動作速度の制限値よりも大きい場合には、電磁比例弁３２の出力を０として停止させる。
【００３３】
即ち減速域Ｎ内では図１６に示すように設定された指令電圧よりも大きな指令電圧を出すことができず、指令電圧がこれより小さい値である場合にも、作業機の動作速度が図１７に示すように設定された制限速度より大きい場合には動作を停止させるという２段構えの制限方法を用いている。
油圧のように応答に遅れのある場合に、指令値を制限しただけでは、動作速度が速い場合には、制限値を行き過ぎることがあり、これを防ぐために速度が速い場合には、制限値の手前で指令値の出力を停止することで、制限値を行き過ぎることを防止したのである。
【００３４】
図１８は深さ設定値の近傍で、設定領域に幅を持たせることで、水平方向の直線掘削を可能とした構成の側面図、図１９は図１８の制御のフローチャート図である。
従来のバックホーの制御では、深さ設定値を超えると腕動作を停止する訳であるが、深さ設定値で止まったところから、水平に直線掘削を行おうとしても、作業腕の制御精度の影響で、深さ設定値を超えてしまうために、動作できなくなっていた。本構成においては、深さ設定値の位置で作業腕の下降を止め、そこで水平直線掘削ができるようにしたものである。
【００３５】
本構成においては、深さ設定で停止した状態で、深さの監視点はバケット６の先端ａの部分である。その状態から、水平方向に動作した時のバケット６の先端ａの軌跡をｐとする。この軌跡ｐが領域δ内にある時には、動作を認めるような制御フローチャートとすることで、深さ設定境界域での直線動作を可能としているのである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は以上の如く構成したので、次のような効果を奏するのである。
手動操作方式から電子制御方式への切換えに際して、各パイロット圧力を同一にすべく構成したので、制限域の内側で、オペレーターが手動で作業腕を操作している状態から、制限域の境界域である減速域Ｎに入った場合には、手動操作弁３３から電磁比例弁３２の操作に、手動・電子切換弁が切換られることにより切換わるのであるが、この際において、手動・電子切換弁の切換えに伴い、スムーズな切換えが行われることになり、違和感が発生することが無くなったのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電子制御式作業車の深さ制御掘削状態を示す側面図。
【図２】  電子制御式作業車の制御ブロック線図。
【図３】  アームが動いている場合のアームとバケットと深さ設定値の関係を示す側面図。
【図４】  バケットが動いている場合の、アームとバケットと深さ設定値の関係を示す図面。
【図５】  電子制御方式において、ブームの上げ角速度を、ヤコビ行列を用いて求める制御のフローチャート図面。
【図６】  手先沈み量Ｄを計算してブームの補正量を計算する制御のフローチャート図。
【図７】  一般掘削と直線掘削の場合で、深さ設定値の監視点を変更する場合の電子制御式作業車を示す側面図。
【図８】  一般掘削時の監視点であるバケット６とアーム４の枢支部ｄを示す図面。
【図９】  一般掘削と直線掘削の切換のフローチャート図。
【図１０】  アーム４の最上点を高さを制御する構成において、該アーム４の高さ制御の監視点を、ブーム２とアーム４の枢支軸３１とし、最上高さを、枢支軸３１と地上との間の高さＪと、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０迄の距離Ｒを加えた高さとした構成の側面図。
【図１１】  同じくアーム４の高さ設定値の監視点をブーム２とアーム４の枢支軸３１とし、設定値は、枢支軸３１と地上との間の高さＪと、枢支軸３１からアームシリンダ５のピン３０迄の距離Ｒを足した値とした制御のフローチャート図。
【図１２】  手動操作と電子操作の切換時のショックを防止する発明の作動状態を示す図面。
【図１３】  同じく手動操作と電子操作の切換時のショックを防止する発明の油圧回路図を示す図面。
【図１４】  電磁比例弁のアンプ特性を示す図面。
【図１５】  動作制限域の減速方法を図示した側面図。
【図１６】  指令電圧上限値の設定方法を示す図面。
【図１７】  動作速度制限値の設定を示す図面。
【図１８】  深さ設定値の近傍で、設定領域に幅を持たせることで、水平方向の直線掘削を可能とした構成の側面図。
【図１９】  図１８の制御のフローチャート図。
【符号の説明】
１  キャビン
２  ブーム
３  ブームシリンダ
４  アーム
５  アームシリンダ
６  バケット
７  バケットシリンダ
１０  ブーム角度センサ
１１  アーム角度センサ
１２  バケット角度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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