(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業機械の油圧モータを制御する制御装置において、
前記油圧モータの作動を制御するコントロールバルブと、
該コントロールバルブに対する作動指令を出力する操作手段と、
前記油圧モータに向かう流量の一部をタンクにバイパスする管路に設けられ、前記コントロールバルブの作動に対し、遅れ無しに作動する領域と遅れを持って作動する領域とを有する流量制御弁と、
前記作業機械における作業装置の姿勢を検出する検出手段と、
前記操作手段の操作量が予め設定されたしきい値を超えるか否かに応じて前記領域を切り換えるとともに、前記検出手段によって検出された前記作業装置の姿勢に応じて前記遅れ量を変更する制御手段とを備え、
この制御手段は、前記作業装置の姿勢に基づき当該作業機械の慣性モーメントを計算するとともに、この慣性モーメントが大きいほどしきい値が低くなる一方、慣性モーメントが小さいほどしきい値が高くなるようにしきい値を変更することを特徴とする作業機械の油圧モータ制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記操作手段による操作が戻し方向である場合に、前記遅れを解除するように構成されている請求項１記載の油圧モータ制御装置。
【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や油圧クレーン等の作業機械に関し、特に、上部旋回体を回転させる旋回モータ、または走行モータ等のように連続回転運動を行う油圧モータの制御に適用される油圧モータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９はこの種の油圧モータ制御装置を搭載した油圧ショベルの一般的な旋回制御回路の例を示したものである。
【０００３】
同図において、１は旋回モータ、２は同旋回モータ１の油圧源としての油圧ポンプ、３は同ポンプ２を駆動する原動機、４は旋回モータ１の作動を制御する油圧パイロット切換式のコントロールバルブ、５，６は操作レバーによって動作するリモコン弁であり、このリモコン弁５，６のレバー操作量に応じたパイロット圧がコントロールバルブ４のパイロットポートに供給されて同バルブ４が制御される。
【０００４】
コントロールバルブ４は、公知のようにメータイン、メータアウト、ブリードオフの各通路を有し、スプールストロークに応じてこれら各通路の開口面積が変化してメータイン、メータアウト、ブリードオフ各流量が変化し、旋回モータ１の加減速力（旋回トルク）が変化する。なお、７はリリーフ弁、８はリモコン弁５，６それぞれに一次圧を供給するための補助油圧ポンプ、９はアンロード弁である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した油圧ショベルでは、ブーム、アーム、バケット等から主として構成されるフロントアタッチメント（作業装置）の姿勢や負荷によって慣性モーメントが大きく変動する。そこで、十分な旋回トルクを確保すべく大慣性モーメントを基準にしてコントロールバルブ４の設定を行うと、小慣性モーメント時には旋回トルクが過大となって急加速動作が行われてしまうという欠点がある。このように急加速動作が行われると、旋回体のキャビン内で操作中のオペレータに急加速力が働いてレバー操作が不安定になり、ハンチング現象が発生する恐れもある。一方、小慣性モーメントを基準にしてバルブ特性を小旋回トルク用に設定にすると、上記の問題は解消できる反面、掘削作業や旋回力による押し付け、床均し等の作業においてトルク不足が生じるという不都合がある。
【０００６】
本発明は上記した従来の油圧モータ制御装置における課題を考慮してなされたものであり、急加速動作を防止するとともに、ポンプ流量を最大限に利用してトルク不足が発生しないような作業機械の油圧モータ制御装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、作業機械の油圧モータを制御する制御装置において、前記油圧モータの作動を制御するコントロールバルブと、該コントロールバルブに対する作動指令を出力する操作手段と、前記油圧モータに向かう流量の一部をタンクにバイパスする管路に設けられ、前記コントロールバルブの作動に対し、遅れ無しに作動する領域と遅れを持って作動する領域とを有する流量制御弁と、前記作業機械における作業装置の姿勢を検出する検出手段と、前記操作手段の操作量が予め設定されたしきい値を超えるか否かに応じて前記領域を切り換えるとともに、前記検出手段によって検出された前記作業装置の姿勢に応じて前記遅れ量を変更する制御手段とを備え、この制御手段は、前記作業装置の姿勢に基づき当該作業機械の慣性モーメントを計算するとともに、この慣性モーメントが大きいほどしきい値が低くなる一方、慣性モーメントが小さいほどしきい値が高くなるようにしきい値を変更することを特徴とする作業機械の油圧モータ制御装置である。
【０００８】
本発明において、制御手段は、操作手段による操作が戻し方向である場合に、遅れを解除するように構成することが好ましい。
【０００９】
本発明において作業装置とは、例えばフロントアタッチメントからなる作業装置を搭載した油圧ショベル、ブームからなる作業装置を搭載した油圧クレーン等が示される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る油圧モータ制御装置を作業機械としての油圧ショベルに適用した例について図１〜図８を参照しながら説明する。
【００１１】
図１において、１１は油圧モータとしての旋回モータ、１２は油圧ポンプ、１３は同ポンプ１２を駆動する原動機としてのエンジン、１４は旋回モータ１１の作動を制御する油圧パイロット切換式のコントロールバルブ、１５，１６は操作手段としての操作レバーによって作動するパイロット弁、１７はリリーフ弁、１８は操作手段としてのリモコン弁１５，１６に対する一次圧供給源としての補助油圧ポンプである。
【００１２】
図２は上記コントロールバルブ１４のレバー位置／開口面積特性を示したものであり、中立位置ではメータイン、メータアウト両開口面積が最小となり、操作レバーの操作量が増加するに連れてメータイン、メータアウト両開口面積が増加するように設定されている。
【００１３】
油圧ポンプ１２から旋回モータ１１に向かう流量の一部を油タンクにバイパスする管路１９には、電磁比例弁からなる流量制御弁としてのアンロード弁２０が設けられており、このアンロード弁２０の作動は、制御手段としてのコントローラ２１によって制御されるようになっている。
【００１４】
このコントローラ２１にはパイロット圧Ｐｉとフロント姿勢情報Ｓｉがそれぞれ信号として入力されている。パイロット圧Ｐｉは、パイロット弁１５，１６の操作量に応じて吐出される油の圧力を検出している圧力センサ２２から出力される。また、フロント姿勢情報Ｓｉは、ブーム２３の上下角度を検出する位置センサ２３ａ、アーム２４の前後角度を検出する位置センサ２４ａ及びバケット２５の前後角度を検出する位置センサ２５ａからそれぞれ出力される検出信号から構成されている。上記各位置センサ２３ａ，２４ａ，２５ａは検出手段とみなすことができる。なお、図中の符号２６はブレーキ回路である。
【００１５】
この回路構成によれば、パイロット弁１６から出力されるパイロット圧がコントロールバルブ１４の右側パイロットポート１４ａに作用すると、コントロールバルブ１４が中立位置から加速方向に操作されて、旋回モータ１１が右回転する。このときのパイロット圧Ｐｉは、圧力センサ２２によって検出されてコントローラ２１に与えられ、コントローラ２１は、そのパイロット圧Ｐｉに応じてアンロード弁２０の開口面積を制御する。なお、旋回モータ１１を左回転させるべくパイロット弁１５が操作され、パイロット圧Ｐｉが出力された場合においても同様に、パイロット圧Ｐｉに応じてアンロード弁２０の開口面積が制御される。
【００１６】
図３は上記コントローラ２１によって制御されるアンロード弁２０の開口面積特性をグラフに示したものである。アンロード弁２０は、静的な入力に応じて良好なメータリング特性を持つように設定されており、アンロード弁２０に対する指令においては遅れ無しの領域Ｄ1と、遅れ領域Ｄ2が設定されている。
【００１７】
なお、ここで言う遅れとは一次遅れを意味している。このアンロード弁１９は、絞り位置イと全閉位置ロとを有し、コントローラ２１から与えられる指令を受けて各位置イ，ロ間で切り換わるようになっている。またＴｈは所定値としてのしきい値である。操作レバーを十分静的に動かした場合には、図４に示す開口面積特性が得られる。
【００１８】
油圧ショベルの旋回動作は、その摩擦トルクに対して慣性モーメントが非常に大きく、油圧モータ発生トルクの大半は加減速のために使用されている。従って、定常速度による旋回では、最大慣性モーメント時における消費トルクは最小慣性モーメント時における消費トルクと殆ど変わらない。すなわち、慣性モーメントの大小による起動トルクは殆ど変動しないため、ポンプ流量、レバー操作位置、ブリードオフ開口がいずれも同じであれば、到達速度はほぼ同じになる。それにも拘らず過大な加速度が発生するのは、ブリードを閉じきった状態でポンプ流量を最大限に油圧モータに送り込むからである。
【００１９】
この過大な加速度を低減するため、例えば、操作レバーの操作量が最大であるときにブリードオフ、すなわち、アンロード弁開口を開け放しにすると、今度はポンプ流量がそのアンロード弁開口を抜けて排出されてしまい、油圧モータの最大速度が達成できなくなる。また、アンロード弁の動作を遅らせた場合には、コントロールバルブの動作に対してアンロード弁の動作が初めから遅れることになる。そうすると、動き出しに必要なポンプ圧を立てるだけの開口面積が得られるまでに遅れが生じ、アクチュエータの動作そのものにタイムラグが発生するため、操作レバーの操作に呼応した動きが得られなくなる。
【００２０】
このような問題を解消した本発明では、図３で示したように、アンロード弁２０の開口面積特性Ｓ1において、コントロールバルブ１４のスプールの動きに対して一対一に作動する遅れ無し領域Ｄ1と、遅れを持って作動する遅れ領域Ｄ2とを持たせており、操作レバーの操作量がしきい値を超える場合に遅れ領域Ｄ2に切り換えるようになっている。そして、過大なトルクを作用させても大きな加速とはならない場合、すなわち、図５に示すように、フロントアタッチメントの慣性モーメントＩが大となるような姿勢では、“遅れ領域Ｄ2"での一次遅れ時定数Ｔｎを小さくするか、またはゼロとしている。また、これとは逆に、フロントアタッチメントの慣性モーメントＩが小となる姿勢においては、一次遅れ時定数Ｔｎを大きくすることによって急加速が発生しないようになっている。
【００２１】
このように、フロントアタッチメントの姿勢に応じて遅れ量を切り換えるため、最大速度まで良好なメータリング特性で加速制御が行えるようになっている。従って、慣性モーメントＩが大となる姿勢では旋回リリーフによって決まる最大出力トルクを発生させて最大速度への到達時間を短くすることができ、それにより迅速な操作を実現することができる。
【００２２】
また、上記開口面積特性を有するアンロード弁２０によれば、操作レバーの操作量が少ないとき（フロントアタッチメントを作動させる駆動源としてのアクチュエータ移動開始時）については、遅れ無し領域Ｄ1に切り換えられるため、操作レバーの操作に対してタイムラグ無しにアクチュエータが動作する。従って、操作レバーを微操作した場合は高応答性でフロントアタッチメントを作動させることができる。これに対して操作レバーが急操作されたときには遅れ領域Ｄ２に切り換えられるため、アンロード弁２０（ブリードオフ開口）が急激に閉じらず過大なトルクが発生しないため、滑らかな加速が得られる。そして、その後、アクチュエータを加速しながら、アンロード弁２０が徐々に閉じられる。アンロード弁２０が閉じられると、ポンプ吐出流量の全量をアクチュエータに導入することができるため、最大速度に到達させることができる。
【００２３】
このように、アンロード弁２０において遅れ無し領域Ｄ1及び遅れ領域Ｄ2をそれぞれ設定して制御を行うことにより、急加速動作の防止と効率の良い微速制御を両立させている。
【００２４】
また、操作レバーが戻された場合には遅れが解除されるように設定しているため、すなわち、操作レバーをある操作量の位置から戻してきた場合には、遅れなく操作レバー位置に対応した位置にアンロード開口が復帰するように構成されているため、操作レバーを戻してきた際に、メータイン、メータアウトが閉じた状態でアンロード弁が閉じてしまうような状況にならず、ポンプ圧力が異常に上昇することがないようになっている。
【００２５】
次に、図６を参照しながらハンチング現象の防止方法について説明する。いま、フロントアタッチメントの姿勢が慣性モーメント小である状況にあり、オペレータが過大な加減速度を受けた場合を想定する。すなわち、ハンチング現象を引き起こしやすい操作レバーの操作量、具体的には遅れ領域Ｄ2内で正弦波状の入力操作（入力指令信号Ｓ2）がなされた場合を想定する。
【００２６】
遅れ領域Ｄ2では同図に示すように、ブリードオフ開口面積が小さく、それにより、ポンプ圧力（モータメータイン圧力）のアンロード弁２０の開口感度が高いため、遅れ領域Ｄ2で急激な開口面積変化があると、急加速の原因となり、ハンチング現象が減衰することなく継続される傾向がある。しかしながら、本発明では、遅れ領域Ｄ2については、アンロード弁２０開口が入力指令に対して遅れを持ち、しかも閉方向のみに働くように構成されている。従って、時間軸上のある点でアンロード弁の開口面積を従来のそれと比較すると、大きな開口面積を有していることになる。上記遅れはバッファとして働くことになり、遅れが無い場合の応答Ｓ3（図中破線で示す）に比べて極めて振幅が小さい応答Ｓ4が得られる。このため、アンロード弁２０開口面積が小さく、ポンプ圧を立てやすい領域では、過大な加速度が発生しなくなり、ハンチング現象が抑制される。
【００２７】
図７のフローチャートは、油圧モータを制御するにあたり、フロントアタッチメントの姿勢に応じて一次遅れ時定数を変更する制御動作を示したものである。まず、位置センサ２３ａ，２４ａ，２５ａによってフロントアタッチメントの姿勢が検出され、且つ操作レバーのパイロット圧Ｐｉが圧力センサ２２によって検出されると、検出結果はコントローラ２１に与えられ、コントローラ２１は、その姿勢情報に基づいてフロントアタッチメントの慣性モーメントＩを計算するとともに、そのパイロット圧Ｐｉに基づいてコントロールバルブ１４の指令値Ｃｖを計算する（ステップＳ１）。
【００２８】
次いで、指令値Ｃｖがしきい値Ｔｈ（図３参照）以上であるかどうかを判断し（ステップＳ２）、ｙｅｓであれば指令値Ｃｖはプラス方向、すなわち、アンロード弁２０入力信号が大きくなる方向に向かっているかどうかを判断し（ステップＳ３）、ｙｅｓであれば慣性モーメントＩに応じた一次遅れ時定数を演算し（ステップＳ４）、得られた結果をアンロード弁指令値Ｃｖ´として設定し（ステップＳ５）、Ｃｖ´に基づいてアンロード弁２０を制御する（ステップＳ６）。なお、ステップＳ２においてｎｏであれば、遅れなしの応答に設定する（ステップＳ７）。
【００２９】
上記ステップＳ４に示した遅れ量の変更は、図８に示すように、しきい値を変更することによっても実現することができる。すなわち、コントローラ２１のＲＯＭ（図示しない）に、予め、慣性モーメントＩ／しきい値Ｔｈ変換テーブルを記憶しておき、ステップＳ１にて計算された慣性モーメントＩに対応するしきい値Ｔｈをその変換テーブルから読み出すように構成することもできる（ステップＳ４´）。なお、この変換テーブルには、慣性モーメントＩが増加するにつれてしきい値Ｔｈが一定値から減少していく線Ｔｈ´に相当する情報が記憶されているものとする。
【００３０】
上記ステップＳ４´において、慣性モーメントＩ、すなわち、フロントアタッチメントの姿勢に応じてしきい値Ｔｈが変更されると、遅れ領域Ｄ2の範囲が変更される。すなわち、慣性モーメントＩが小さい場合には、過大な加速度が生じる恐れがないため、遅れ領域Ｄ2は小さい範囲で足りる。従って、遅れ領域Ｄ2に切り換える境界としてのしきい値Ｔｈを高く設定することができる。換言すれば、遅れ領域Ｄ2を狭くするか、または排除することができる。
【００３１】
なお、本発明において遅れを持って作動させる場合、上記した一次遅れ時定数を用いた制御に限らず、コントローラ２１の遅れ要素としてレートリミッタを用い、フロントアタッチメントの姿勢に応じてこのレートリミッタの制限レートを変化させるようにしてもよい。一次遅れ時定数を小さくすることは、上記レートリミッタで構成した場合においては変化速度制限値を大きくとること、或いは制限無し（無限大）に相当する。
【００３２】
また、本発明は、上記した油圧ショベルに限らず、油圧クレーン等のように油圧装置を搭載し油圧モータを駆動源とする任意の作業機械に適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
上記説明から明らかなように本発明によれば、フロントアタッチメントの姿勢が小慣性モーメント時において急加速動作を防止することができるとともに、ハンチングを抑制することができる。また、ポンプ流量を最大限に利用してトルク不足が発生しないように構成されているため、掘削作業や旋回力による押し付け、床均し等の作業を支障なく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る油圧モータ制御装置の回路構成図である。
【図２】  本発明に係る操作レバー位置とコントロールバルブの開口面積の関係を示すグラフである。
【図３】  本発明に係るアンロード弁の入力信号と開口面積の関係を示すグラフである。
【図４】  操作レバーを静的動作させた場合の開口面積特性を示すグラフである。
【図５】  本発明における遅れ量の変更方法を説明するグラフである。
【図６】  本発明に係るハンチング抑制効果を説明するグラフである。
【図７】  本発明の油圧モータ制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図８】  本発明における遅れ量の他の変更方法を説明するグラフである。
【図９】  従来の油圧モータ制御装置の回路構成図である。
【符号の説明】
１１    旋回モータ
１２    油圧ポンプ
１３    エンジン
１４    コントロールバルブ
１５，１６    パイロット弁
１７    リリーフ弁
１８    補助油圧ポンプ
２０    アンロード弁
２１    コントローラ
２２    圧力センサ
【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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