(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油によって駆動されるアクチュエータと、操作レバーの操作方向と操作量に応じて前記アクチュエータに供給される圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁と、この方向制御弁をタンクに接続するタンクラインとを有する油圧駆動制御装置において、
前記タンクラインに設けられ、前記アクチュエータからの戻り油の流量を補助的に制御する補助弁と、
前記アクチュエータの給排ラインの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記操作レバーの操作量を検出するレバー操作量検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された圧力から前記アクチュエータのメータアウト圧力を決定し、このメータアウト圧力と前記レバー操作量検出手段により検出された操作レバーの操作量とに基づいて、前記アクチュエータが前記操作レバーの操作量に応じた速度で駆動するよう前記補助弁を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記レバー操作量検出手段により検出された操作レバーの操作量から前記方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積を演算する制御弁開口面積演算手段と、前記レバー操作量検出手段により検出された操作レバーの操作量から前記方向制御弁の目標通過流量を演算する通過流量演算手段と、前記アクチュエータのメータアウト圧力、前記制御弁開口面積演算手段により求めた方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積及び前記通過流量演算手段により求めた方向制御弁の目標通過流量から、前記アクチュエータを前記操作レバーの操作量に応じた速度で駆動するための前記補助弁の目標開口面積を演算する補助弁開口面積演算手段と、この補助弁開口面積演算手段により求めた補助弁の目標開口面積に応じた制御信号を演算し、補助弁に出力する出力演算手段とを有することを特徴とする油圧駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧ショベル等の建設機械のアクチュエータの駆動を制御する油圧駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルのアクチュエータの駆動を制御する油圧駆動制御装置としては、特開平６−１２３３０３号公報に記載されているように、制御対象となるアクチュエータに接続された方向切換弁のメータアウト絞りの上流側又は下流側に圧力補償弁を設け、アクチュエータの負荷圧の変化に係わらずアクチュエータの作動速度を一定にするとともに、キャビテーションを防止することを可能としたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、次のような問題がある。
すなわち、制御対象となるアクチュエータを油圧ショベルのアーム伸縮用シリンダとした場合、シリンダの伸長時及び縮退時のいずれにおいても、シリンダの動作を加速せしめる方向の負荷、即ちネガティブロードが作用し得る。例えば、掘削作業を行う場合に、アームが車体から遠い位置にある状態でシリンダを伸長させてアームクラウドさせると、アームの自重が慣性負荷となり、シリンダの伸長動作を加速させる。また、砂を均等に振りまく場合に、アームが車体に近い位置にある状態でシリンダを縮退させてアームダンプさせると、アームの自重が慣性負荷となり、シリンダの縮退動作を加速させる。このようなネガティブロードは、油圧ショベルのバケットの積み荷の量やアームの角度などに応じて変化する。
【０００４】
上記特開平６−１２３３０３号に記載の従来技術では、圧力補償弁により負荷圧の変化に係わらずシリンダの作動速度を一定にし、シリンダを常に操作レバーの操作量に応じた速度で動作させることができる。しかし、シリンダの伸長方向の動作に対する圧力補償弁だけしか設けられていないので、シリンダの縮退方向についても負荷圧の変化に係わらず動作速度を一定にするためには圧力補償弁をもう１つ設ける必要があり、この場合には２つの圧力補償弁が設けられることになるため、システムが複雑になってしまう。したがって、従来では、上述したような砂を均等に振りまく作業の場合には、オペレータがバケットの動きを見ながら慎重に操作レバーを操作する必要があり、オペレータの負担が増大し疲労感が増大するばかりでなく、砂を均等に振りまくことが困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、アクチュエータの動作方向がいずれであっても、簡単な構造で、負荷圧の変化に係わらずアクチュエータを操作レバーの操作量に応じた速度で動作させることができる油圧駆動制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記の目的を達成するため、本発明は、油圧ポンプと、この油圧ポンプからの圧油によって駆動されるアクチュエータと、操作レバーの操作方向と操作量に応じて前記アクチュエータに供給される圧油の方向及び流量を制御する方向制御弁と、この方向制御弁をタンクに接続するタンクラインとを有する油圧駆動制御装置において、前記タンクラインに設けられ、前記アクチュエータからの戻り油の流量を補助的に制御する補助弁と、前記アクチュエータの給排ラインの圧力を検出する圧力検出手段と、前記操作レバーの操作量を検出するレバー操作量検出手段と、前記圧力検出手段により検出された圧力から前記アクチュエータのメータアウト圧力を決定し、このメータアウト圧力と前記レバー操作量検出手段により検出された操作レバーの操作量とに基づいて、前記アクチュエータが前記操作レバーの操作量に応じた速度で駆動するよう前記補助弁を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記レバー操作量検出手段により検出された操作レバーの操作量から前記方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積を演算する制御弁開口面積演算手段と、前記レバー操作量検出手段により検出された操作レバーの操作量から前記方向制御弁の目標通過流量を演算する通過流量演算手段と、前記アクチュエータのメータアウト圧力、前記制御弁開口面積演算手段により求めた方向制御弁のメータアウト絞りの開口面積及び前記通過流量演算手段により求めた方向制御弁の目標通過流量から、前記アクチュエータを前記操作レバーの操作量に応じた速度で駆動するための前記補助弁の目標開口面積を演算する補助弁開口面積演算手段と、この補助弁開口面積演算手段により求めた補助弁の目標開口面積に応じた制御信号を演算し、補助弁に出力する出力演算手段とを有する構成とする。
【０００９】
このように補助弁、圧力検出手段、レバー操作量検出手段及び制御手段を設け、アクチュエータのメータアウト圧力と操作レバーの操作量とに基づいてアクチュエータが操作レバーの操作量に応じた速度で駆動するよう補助弁を制御することにより、アクチュエータにネガティブロードが作用してアクチュエータの給排ラインの一方の圧力が高くなると、アクチュエータの動作速度が操作レバーの操作量に応じた速度よりも大きくならないように補助弁が絞られるので、アクチュエータの両動作方向に圧力補償弁をそれぞれ設けることなく簡単な構造で、アクチュエータの両動作方向について、負荷圧の変化に係わらずアクチュエータを操作レバーの操作量に応じた速度で動作させることができる。また、制御手段を、上記のような制御弁開口面積演算手段、通過流量演算手段、補助弁開口面積演算手段及び出力演算手段で構成することにより、アクチュエータが操作レバーの操作量に応じた速度で駆動するよう補助弁を制御できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１において、本実施形態の油圧駆動制御装置は油圧ショベルに適用されるものであり、原動機１と、この原動機１によって駆動される油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるアームシリンダ５ａ、ブームシリンダ５ｂ、バケットシリンダ５ｃと、油圧ポンプ２からシリンダ５ａ〜５ｃに供給される圧油の方向及び流量をそれぞれ制御する方向制御弁４ａ，４ｂ，４ｃと、方向制御弁４ａ〜４ｃをロードチェック弁３０を介して油圧ポンプ２のポンプライン３に接続するフィーダライン３ａ，３ｂ，３ｃと、方向制御弁４ａ〜４ｃをタンク２６から引き出されたタンクライン６に接続するタンクライン６ａ，６ｂ，６ｃと、方向制御弁４ａ〜４ｃをシリンダ５ａ〜５ｃのボトム側及びロッド側にそれぞれ接続する給排ライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃ及び１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、原動機１により駆動されるパイロットポンプ７と、このパイロットポンプ７にパイロット圧力供給ライン８を介して接続され、操作レバー９０ａ〜９０ｃの操作量に応じて方向制御弁４ａ〜４ｃを切り換えるパイロット圧をそれぞれ生成し、この圧力をパイロットラインａ１又はａ２，ｂ１又はｂ２，ｃ１又はｃ２を介して方向制御弁４ａ〜４ｃのパイロット圧力作用部４a1又は４a2，４b1又は４b2，４c1又は４c2にそれぞれ導くパイロットバルブ９ａ〜９ｃとを備えている。
【００１１】
方向制御弁４ａ〜４ｃは、油圧ポンプ２に接続されたポンプライン３から分岐してタンク２６に接続されるセンタバイパスライン２９の途中に設けられたオープンセンタ型方向制御弁である。
【００１２】
方向制御弁４ａは、可変絞り３０を有しフィーダライン３ａと給排ライン１１ａ，１２ａのいずれか一方とを連通する油路（以下メータイン油路という）１０ａと、可変絞り３３を有しタンクライン６ａと給排ライン１１ａ，１２ａの他方とを連通する油路（以下メータアウト油路という）１３ａとを有している。方向制御弁４ａが切換位置Ｂにあるときは、センタバイパスライン２９を連通し、フィーダライン３ａ及びタンクライン６ａと給排ライン１１ａ，１２ａとを遮断し、方向制御弁４ａが切換位置Ａにあるときは、センタバイパスライン２９を遮断し、メータイン油路１０ａによりフィーダライン３ａと給排ライン１２ａとを連通し、メータアウト油路１３ａにより給排ライン１１ａとタンクライン６ａとを連通し、方向制御弁４ａが切換位置Ｃにあるときは、センタバイパスライン２９を遮断し、メータイン油路１０ａによりフィーダライン３ａと給排ライン１１ａとを連通し、メータアウト油路１３ａにより給排ライン１２ａとタンクライン６ａとを連通する。なお、方向制御弁４ｂ，４ｃについても、方向制御弁４ａと同様な構成となっている。
【００１３】
このような油圧駆動制御装置を搭載した油圧ショベルは、図２に示すように、下部走行体４１と、この下部走行体４１に旋回可能に連結された上部旋回体４２と、上部旋回体４２に設けられ、ブームシリンダ５ｂ、アームシリンダ５ａ、バケットシリンダ５ｃにより上下方向にそれぞれ回動可能なブーム４３、アーム４４、バケット４５からなるフロント装置４６とを有している。
【００１４】
また、以上の油圧駆動制御装置は、本発明の特徴部分として、方向制御弁４ａのタンクライン６ａに設けられ、アームシリンダ５ａからの戻り油を補助的に制御する補助弁２５と、操作レバー９０ａの操作量を検出する角度センサ２１と、給排ライン１１ａ，１２ａに設けられ、アームシリンダ５ａのボトム側及びロッド側の圧力をそれぞれ検出する圧力センサ２２，２３と、角度センサ２１及び圧力センサ２２，２３の検出値を入力し、補助弁２５を動作させる外部信号である制御信号（電気信号）を演算して補助弁２５に出力するコントローラ２４とを備えている。
【００１５】
補助弁２５は、コントローラ２４からの電気信号により駆動する電磁比例弁であり、全開位置と可変絞り３５を有する位置とを有しており、コントローラ２４からの制御信号が入力されないときは全開位置にあって開口面積が最大となり、コントローラ２４からの制御信号が入力されると全開位置から切り換えられ、制御信号が大きくなるほど開口面積が小さくなるように動作する。
【００１６】
図３にコントローラ２４の制御機能を示す。図３において、コントローラ２４は、メータアウト圧判定部５１と演算出力部５２とを有している。メータアウト圧判定部５１は、図４のフローチャートに示すように、圧力センサ２２，２３からのアームシリンダ５ａのボトム側及びロッド側の圧力信号Ｐ1，Ｐ2と角度センサ２１からの操作レバー９０ａのレバーストローク信号ｘとを入力し（ステップ１１１）、レバーストローク信号ｘにより操作レバー９０ａがａ１側に操作されたかどうかを判定し（ステップ１１２）、ａ１側に操作されたと判定されたときはアームシリンダ５ａのロッド側の圧力信号Ｐ2をメータアウト圧Ｐmoとして出力し（ステップ１１３）、そうでないときはアームシリンダ５ａのボトム側の圧力信号Ｐ1をメータアウト圧Ｐmoとして出力する（ステップ１１４）。
【００１７】
演算出力部５２は、角度センサ２１からの操作レバー９０ａのレバーストローク信号ｘとメータアウト圧判定部５１からのメータアウト圧Ｐmoとを入力し、補助弁２５を動作させる制御信号Ｘsubを演算し（ステップ１１５）、この制御信号Ｘsubを補助弁２５に出力する（ステップ１１６）。
【００１８】
図５に演算出力部５２のステップ１１５での演算処理の詳細を示す。図５において、演算出力部５２は、制御弁開口面積演算部７０と、アクチュエータ速度演算部７１と、制御弁通過流量演算部７２と、目標開口面積演算部７３と、補助弁開口面積演算部７４と、制御信号演算部７５とを有している。
【００１９】
制御弁開口面積演算部７０は、角度センサ２１からの操作レバー９０ａのレバーストローク信号ｘを入力し、図６に示すような予め設定されたレバーストローク−制御弁開口面積変換テーブルに従って、方向制御弁４ａのメータアウト油路１３ａの可変絞り３３の開口面積Ａ1を演算する。
【００２０】
アクチュエータ速度演算部７１は、角度センサ２１からの操作レバー９０ａのレバーストローク信号ｘを入力し、図７に示すような予め設定されたレバーストローク−アクチュエータ速度変換テーブルに従って、アームシリンダ５ａの作動速度の目標値Ｖrefを演算する。
【００２１】
制御弁通過流量演算部７２は、アクチュエータ速度演算部７１で求めたアームシリンダ５ａの作動速度の目標値Ｖrefにゲインｋを乗じて方向制御弁４ａのメータアウト油路１３ａの通過流量の目標値Ｑrefを演算する。
【００２２】
目標開口面積演算部７３は、制御弁通過流量演算部７２で求めたメータアウト油路１３ａの通過流量の目標値Ｑrefとメータアウト圧判定部５１からのメータアウト圧Ｐmoとを入力し、図示のような計算式を用いて、図８に示すように直列に接続された方向制御弁４ａのメータアウト油路１３ａの可変絞り３３と補助弁２５の可変絞り３５とを仮想的に１つの可変絞りＺに置き換えたときに、可変絞りＺの通過流量を目標値Ｑrefに一致させるための可変絞りＺの目標開口面積Ａrefを演算する。なお、図示の計算式において、Ｃは定数、ρ＝γ／ｇ（γ：流体の単位体積質量、ｇ：重力加速度）である。
【００２３】
補助弁開口面積演算部７４は、制御弁開口面積演算部７０で演算した可変絞り３３の開口面積Ａ1と目標開口面積演算部７３で演算した可変絞りＺの目標開口面積Ａrefとを入力し、図示のような計算式を用いて、可変絞りＺの開口面積を目標開口面積Ａrefにするための補助弁２５の開口面積Ａ2を演算する。
【００２４】
制御信号演算部７５は、補助弁開口面積演算部７４で求めた補助弁２５の開口面積Ａ2を入力し、図９に示すような予め設定された補助弁開口面積−制御信号変換テーブルに従って、補助弁２５の制御信号Ｘsubを演算し、この制御信号Ｘsubを補助弁２５に出力する。
【００２５】
以上のように構成した本実施形態の動作を説明する。
まず、パイロットバルブ９ａ〜９ｃの操作レバー９０ａ〜９０ｃが中立位置にあり、方向制御弁４ａ〜４ｃがすべて切換位置Ｂにある状態では、油圧ポンプ２から吐出された圧油の全流量がセンタバイパスライン２９を通ってタンク２６に戻る。
【００２６】
この状態からパイロットバルブ９ｂの操作レバー９０ｂをｂ１側に操作すると、その操作量に応じたパイロット圧が方向制御弁４ｂのパイロット圧力作用部４b1に導かれ、方向制御弁４ｂはそのパイロット圧に応じた切換量だけ切換位置Ｃに切り換わり、油圧ポンプ２からの圧油はポンプライン３、フィーダライン３ｂ、メータイン油路１０ｂ、給排ライン１１ｂを通ってブームシリンダ５ｂのボトム側に流入し、ブームシリンダ５ｂを伸長させ、ブームシリンダ５ｂのロッド側から排出された圧油は給排ライン１２ｂ、メータアウト油路１３ｂ、タンクライン６ｂ，６を通ってタンク２６に流れ落ちる。これによりブーム４３が上昇する。また、パイロットバルブ９ｂの操作レバー９０ｂをｂ２側に操作したとき、パイロットバルブ９ｃの操作レバー９０ｃをｃ１及びｃ２側に操作したときは、上記と同様にして、それぞれブーム４３の下げ動作、バケット４５のクラウド動作及びダンプ動作が行われる。
【００２７】
また、アーム４４が前方に伸びた図１０に示すＰ位置にある状態から、パイロットバルブ９ａの操作レバー９０ａをａ１側に操作すると、その操作量に応じたパイロット圧が方向制御弁４ａのパイロット圧力作用部４a1に導かれ、方向制御弁４ａはそのパイロット圧に応じた切換量だけ切換位置Ｃに切り換わり、油圧ポンプ２からの圧油はポンプライン３、フィーダライン３ａ、メータイン油路１０ａ、給排ライン１１ａを通ってアームシリンダ５ａのボトム側に流入し、アームシリンダ５ａを伸長させ、アームシリンダ５ａのロッド側から排出された圧油は給排ライン１２ａ、メータアウト油路１３ａ、タンクライン６ａ、補助弁２５、タンクライン６を通ってタンク２６に流れ落ちる。これによりアーム４４がＱ位置に向かって矢印Ｕ方向にクラウド動作する。
【００２８】
ここで、アーム４４がＰ位置からＱ位置に向かって移動するとき、アーム４４の自重等によりアームシリンダ５ａには伸長動作を加速せしめる慣性負荷、即ちネガティブロードが作用し、アームシリンダ５ａのロッド側の圧力Ｐ2が高くなり、方向制御弁４ａのメータアウト油路１３ａの通過流量が多くなる。このとき、コントローラ２４では、操作レバー９０ａのレバーストローク信号ｘ及びアームシリンダ５ａのメータアウト圧Ｐmo（ロッド側の圧力信号Ｐ2）に基づいて、アームシリンダ５ａの伸長速度が操作レバー９０ａの操作量に応じた速度よりも大きくならないように補助弁２５を絞るための制御信号を演算し、この制御信号を補助弁２５に出力する。したがって、アームシリンダ５ａにネガティブロードが作用しても、アームシリンダ５ａは操作レバー９０ａの操作量に応じた速度で伸長する。
【００２９】
一方、アーム４４が後方にかかえ込まれた図１０に示すＲ位置にある状態から、パイロットバルブ９ａの操作レバー９０ａをａ２側に操作すると、その操作量に応じたパイロット圧が方向制御弁４ａのパイロット圧力作用部４a2に導かれ、方向制御弁４ａはそのパイロット圧に応じた切換量だけ切換位置Ａに切り換わり、油圧ポンプ２からの圧油はポンプライン３、フィーダライン３ａ、メータイン油路１０ａ、給排ライン１２ａを通ってアームシリンダ５ａのロッド側に流入し、アームシリンダ５ａを収縮させ、アームシリンダ５ａのボトム側から排出された圧油は給排ライン１１ａ、メータアウト油路１３ａ、タンクライン６ａ、補助弁２５、タンクライン６を通ってタンク２６に流れ落ちる。これによりアーム４４がＱ位置に向かって矢印Ｖ方向にダンプ動作する。
【００３０】
ここで、アーム４４がＲ位置からＱ位置に向かって移動するときも、上記と同様アーム４４の自重等によりアームシリンダ５ａには収縮動作を加速せしめるネガティブロードが作用し、アームシリンダ５ａのボトム側の圧力Ｐ1が高くなり、メータアウト油路１３ａの通過流量が多くなる。このとき、コントローラ２４では、操作レバー９０ａのレバーストローク信号ｘ及びアームシリンダ５ａのメータアウト圧Ｐmo（ボトム側の圧力信号Ｐ1）に基づいて、アームシリンダ５ａの収縮速度が操作レバー９０ａの操作量に応じた速度よりも大きくならないように補助弁２５を絞るための制御信号を演算し、この制御信号を補助弁２５に出力する。したがって、この場合にも、上記と同様にアームシリンダ５ａにネガティブロードが作用しても、アームシリンダ５ａは操作レバー９０ａの操作量に応じた速度で収縮する。
【００３１】
以上のように本実施形態にあっては、アームシリンダ５ａの伸長時だけでなく収縮時においても、負荷圧の変化にかかわらず、アームシリンダ５ａを操作レバー９０ａの操作量に応じた速度で動作させることができる。したがって、砂を均等に振りまく作業を行う場合、アームシリンダ５ａを縮退させてアームダンプさせるときに、オペレータがバケット４５の動作を見ながら慎重に操作レバー９０ａを操作する必要がなくなり、オペレータの負担が軽減するとともに、砂を確実に均等に振りまくことができる。また、圧力補償弁をアームシリンダ５ａの伸び側及び縮み側の両方に設ける必要がないため、構造が簡単である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、アクチュエータの動作方向がいずれであっても、簡単な構造で、負荷の大小に影響されずにアクチュエータを操作レバーの操作量に応じた速度で動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による油圧駆動制御装置の回路図である。
【図２】図１に示す油圧駆動制御装置を備えた油圧ショベルの外観図である。
【図３】図１に示すコントローラの制御機能を示す機能ブロック線図である。
【図４】図１に示すコントローラの制御処理を示すフローチャートである。
【図５】図３に示す演算出力部の演算処理の詳細図である。
【図６】図５に示す制御弁開口面積演算部での演算に用いるレバーストローク−制御弁開口面積変換テーブルを示す図である。
【図７】図５に示すアクチュエータ速度演算部での演算に用いるレバーストローク−アクチュエータ速度変換テーブルを示す図である。
【図８】図５に示す目標開口面積演算部での演算に用いる仮想可変絞りを示す図である。
【図９】図５に示す制御信号演算部での演算に用いる補助弁開口面積−制御信号変換テーブルを示す図である。
【図１０】図１に示す油圧駆動制御装置の動作説明図である。
【符号の説明】
１  原動機
２  油圧ポンプ
３  ポンプライン
４ａ〜４ｃ  方向制御弁
５ａ  アームシリンダ
５ｂ  ブームシリンダ
５ｃ  バケットシリンダ
６，６ａ  タンクライン
７  パイロットポンプ
９ａ〜９ｃ  パイロットバルブ
１０ａ  メータイン油路
１１ａ，１２ａ  給排ライン
１３ａ  メータアウト油路
２１  角度センサ（レバー操作量検出手段）
２２，２３  圧力センサ（圧力検出手段）
２４  コントローラ（制御手段）
２５  補助弁
５１  メータアウト圧判定部
５２  演算出力部
７０  制御弁開口面積演算部（制御弁開口面積演算手段）
７１  アクチュエータ速度演算部（通過流量演算手段）
７２  制御弁通過流量演算部（通過流量演算手段）
７３  目標開口面積演算部（補助弁開口面積演算手段）
７４  補助弁開口面積演算部（補助弁開口面積演算手段）
７５  制御信号演算部（出力演算手段）
【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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