JP7805865B2 - Work machinery - Google Patents
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Description
本発明は掘削制御システムを備えた油圧ショベル等の作業機械に関する。 The present invention relates to a work machine, such as a hydraulic excavator, equipped with an excavation control system.
作業機械の代表例である油圧ショベルにおいて,オペレータによる掘削動作中にオペレータの操作情報をもとに,適切なアクチュエータ動作を行わせることで,掘削動作を円滑に行う掘削制御システムが種々提案されている
例えば,特許文献1では,検出したブーム角度,アーム角度,バケット角度と,予め記憶装置に格納された土砂特性とから,掘削反力テーブルを用いてバケットに作用する土砂の掘削反力を算出し,算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きいか否かによって,掘削動作を修正するか否かを判断するシステムが提案されている。また,特許文献1では,算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きくなったことをオペレータに通知することが好ましい,或いは,算出した掘削反力が予め設定した上限値より大きい場合,ブームを上げて掘削深さを低減するようにブームの駆動を制御することとしてもよい,としている。
For hydraulic excavators, a typical example of a work machine, various excavation control systems have been proposed that smoothly perform excavation operations by performing appropriate actuator operations based on operation information from the operator during the excavation operation. For example, Patent Document 1 proposes a system that calculates the excavation reaction force of the soil acting on the bucket using an excavation reaction force table based on detected boom angle, arm angle, and bucket angle and soil characteristics previously stored in a storage device, and determines whether to modify the excavation operation based on whether the calculated excavation reaction force is greater than a preset upper limit. Patent Document 1 also suggests that it is preferable to notify the operator that the calculated excavation reaction force has exceeded the preset upper limit, or that if the calculated excavation reaction force is greater than the preset upper limit, the boom drive may be controlled to raise the boom and reduce the excavation depth.
特許文献1によれば,掘削動作中に掘削反力による過負荷状態を適切に判定でき,掘削動作の修正を行うことができる。 According to Patent Document 1, it is possible to properly determine an overload state due to excavation reaction force during excavation operation, and to correct the excavation operation.
しかしながら,特許文献1において,掘削動作による掘削反力の大きさにのみに着目しているため,掘削反力の方向によってはブーム或いはアームの姿勢を変えることでアクチュエータの限界状態が解消されるにも係わらず,掘削反力が過大であると判定され,掘削動作の修正要の判定を行う場合がある。 However, because Patent Document 1 focuses only on the magnitude of the excavation reaction force caused by the excavation operation, depending on the direction of the excavation reaction force, the excavation reaction force may be determined to be excessive, and a determination may be made that the excavation operation needs to be corrected, even though the actuator's limit state could be resolved by changing the posture of the boom or arm.
例えば,掘削反力によりアームシリンダが生成し得る最大直動力以上を要求する状態(以下過負荷状態と呼称)において,ブーム,アームの姿勢およびブーム,アームの動作方向によっては,アームの過負荷状態が解消される(アームシリンダの直動力が減少する)場合が存在する。このような場合においても特許文献1では,掘削反力の大きさが定められた値に至ったときに,掘削動作を停止してオペレータに通知して手動でブーム上げ動作を行う,或いは自動でブーム上げ動作を行うため,掘削動作の中断或いは掘削動作の軌道修正を行うこととなり,掘削効率が低下する。 For example, in a state where the excavation reaction force requires more than the maximum linear force that the arm cylinder can generate (hereinafter referred to as an overload state), the arm overload state may be resolved (the linear force of the arm cylinder may be reduced) depending on the attitude of the boom and arm and the direction of movement of the boom and arm. Even in such a case, in Patent Document 1, when the magnitude of the excavation reaction force reaches a predetermined value, the excavation operation is stopped, a notification is given to the operator, and the boom is raised manually or automatically, which means that the excavation operation must be interrupted or the trajectory of the excavation operation must be corrected, reducing excavation efficiency.
本発明は上記を鑑みてなされたものであり,その目的は,作業機械の掘削制御システムにおいて,ブームとアームによる掘削動作中に掘削反力による過負荷状態が生じた場合に,掘削動作の中断或いは掘削動作の軌道修正を行うことなく過負荷状態を解消し,掘削動作をより効率よく行える作業機械を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above, and its purpose is to provide a work machine that, when an overload condition occurs due to an excavation reaction force during excavation operations by the boom and arm in an excavation control system for the work machine, can eliminate the overload condition without interrupting the excavation operation or correcting the trajectory of the excavation operation, thereby enabling more efficient excavation operations.
上記の目的を達成するために,本発明は,車体と,前記車体に対して上下方向に回動するブームと,前記ブームに対して上下方向に回動するアームとを備えたフロント作業機と,前記車体と前記ブームに連結され,前記車体に対し前記ブームを上下方向に駆動するブームシリンダと,前記ブームと前記アームに連結され,前記ブームに対し前記アームを上下方向に駆動するアームシリンダと,前記ブームの動作を指示する操作信号を生成する第1操作装置と,前記アームの動作を指示する操作信号を生成する第2操作装置と,前記ブームシリンダの直動力に関するパラメータを検出する第1センサと,前記アームシリンダの直動力に関するパラメータを検出する第2センサと,前記ブームの姿勢を検出する第3センサと,前記アームの姿勢を検出する第4センサとを備えた作業機械において,前記第1操作装置及び前記第2操作装置の操作信号,前記第1センサ及び前記第2センサの検出信号,前記第3センサ及び前記第4センサの検出信号に基づいて前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの駆動を制御するコントローラを更に備え,前記コントローラは,前記第1操作装置と前記第2操作装置とが同時に操作され,前記ブームと前記アームを同時に駆動する複合操作に際し,前記第1センサ及び前記第2センサの検出信号に基づいて前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの直動力を演算し,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの直動力のいずれか一方が限界値に達した場合は,前記第3センサ及び前記第4センサの検出信号と前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの直動力とに基づいて前記限界値に達した直動力が減少する方向を演算し,前記直動力が減少する方向に前記フロント作業機の掘削動作点が移動するよう前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの駆動を制御するものとする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a front working machine including a vehicle body, a boom that rotates vertically relative to the vehicle body, and an arm that rotates vertically relative to the boom, a boom cylinder connected to the vehicle body and the boom and driving the boom vertically relative to the vehicle body, an arm cylinder connected to the boom and the arm and driving the arm vertically relative to the boom, a first operating device that generates an operating signal that commands operation of the boom, a second operating device that generates an operating signal that commands operation of the arm, a first sensor that detects a parameter related to the linear force of the boom cylinder, a second sensor that detects a parameter related to the linear force of the arm cylinder, a third sensor that detects the attitude of the boom, and a fourth sensor that detects the attitude of the arm, wherein the front working machine includes a vehicle body, a boom that rotates vertically relative to the vehicle body, a boom cylinder that is connected to the vehicle body and the boom and drives the boom vertically relative to the vehicle body, an arm cylinder that is connected to the boom and the arm and drives the arm vertically relative to the boom, a first operating device that generates an operating signal that commands operation of the boom, a second operating device that generates an operating signal that commands operation of the arm, a first sensor that detects a parameter related to the linear force of the boom cylinder, a second sensor that detects a parameter related to the linear force of the arm cylinder, a third sensor that detects the attitude of the boom, and a fourth sensor that detects the attitude of the arm, The excavation device further includes a controller that controls the drive of the boom cylinder and the arm cylinder based on the detection signals of the second sensor and the detection signals of the third and fourth sensors, and when the first operating device and the second operating device are operated simultaneously to perform a combined operation in which the boom and the arm are driven simultaneously, the controller calculates the linear forces of the boom cylinder and the arm cylinder based on the detection signals of the first and second sensors, and when either the linear forces of the boom cylinder or the arm cylinder reaches a limit value, the controller calculates the direction in which the linear force that has reached the limit value will decrease based on the detection signals of the third and fourth sensors and the linear forces of the boom cylinder and the arm cylinder, and controls the drive of the boom cylinder and the arm cylinder so that the excavation operating point of the front working machine moves in the direction in which the linear force is decreasing.
このように構成した本発明においては,ブームシリンダ及びアームシリンダの直動力のいずれか一方が限界値に達した場合は,第3センサ及び第4センサの検出信号とブームシリンダ及びアームシリンダのそれぞれの直動力とに基づいて限界値に達した直動力が減少する方向を演算し,直動力が減少する方向にフロント作業機の掘削動作点が移動するようブームシリンダ及びアームシリンダの駆動を制御するため,掘削反力ベクトルの大きさ(掘削ベクトルの大きさ)が変わらなくても,ブームシリンダ及びアームシリンダのそれぞれの直動力の負担割合が変わり,ブームシリンダ又はアームシリンダの直動力を減少させることができる。これにより,ブームとアームによる掘削動作中に掘削反力による過負荷状態が生じた場合に,掘削動作の中断或いは掘削動作の軌道修正を行うことなく過負荷状態を解消し,掘削動作をより効率よく行うことができ,かつ操作性を向上させることができる。 In this invention configured as described above, when either the linear force of the boom cylinder or the arm cylinder reaches its limit, the direction in which the linear force that has reached its limit will be reduced is calculated based on the detection signals from the third and fourth sensors and the linear forces of the boom cylinder and the arm cylinder, and the drive of the boom cylinder and the arm cylinder is controlled so that the excavation operating point of the front work implement moves in the direction in which the linear force is reduced. Therefore, even if the magnitude of the excavation reaction force vector (magnitude of the excavation vector) remains unchanged, the proportion of linear force shared by the boom cylinder and the arm cylinder changes, allowing the linear force of the boom cylinder or the arm cylinder to be reduced. As a result, if an overload condition occurs due to the excavation reaction force during excavation operation by the boom and arm, the overload condition can be resolved without interrupting the excavation operation or correcting the trajectory of the excavation operation, making excavation operation more efficient and improving operability.
本発明によれば,ブームとアームによる掘削動作中に掘削反力による過負荷状態が生じた場合に,掘削動作の中断或いは掘削動作の軌道修正を行うことなく過負荷状態を解消し,掘削動作をより効率よくおこなうことができる。 According to the present invention, if an overload condition occurs due to an excavation reaction force during excavation operations using the boom and arm, the overload condition can be resolved without interrupting the excavation operation or correcting the trajectory of the excavation operation, allowing for more efficient excavation operations.
以下,本発明に係る作業機械として油圧ショベルを例に挙げ,本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, using a hydraulic excavator as an example of a work machine according to the present invention.
<第1の実施形態>
~作業機械~
図1は,本発明が適用される油圧ショベルの斜視図である。
First Embodiment
~Work machinery~
FIG. 1 is a perspective view of a hydraulic excavator to which the present invention is applied.
油圧ショベル100は,下部走行体101と,下部走行体101に旋回装置102を介して回動可能に取り付けられ,車体を構成する上部旋回体103と,上部旋回体103の前部に取り付けられ,作業装置を構成するフロント作業機104とを備えている。フロント作業機104は上部旋回体103の前部に上下方向に回動可能に取りつけられたブーム105と,ブーム105の先端に上下方向に回動可能に取り付けられたアーム106と,アーム106の先端に上下方向に回動可能に取り付けられたバケット107と,アーム106とバケット107に回動可能に取り付けられたバケットリンク108と,上部旋回体103とブーム105とに連結され,上部旋回体103に対しブーム106を上下方向に駆動することで上部旋回体103とブーム105との回動角度を変更するブームシリンダ2と,ブーム105とアーム106とに連結され,ブーム105に対しアーム106を上下方向に駆動することでブーム105とアーム106の回動角度を変更するアームシリンダ3と,アーム106とバケットリンク108とに連結され,バケットリンク108を介してアーム106とバケット107の回動角度を変更するバケットシリンダ4とで構成される。 The hydraulic excavator 100 comprises a lower running body 101, an upper rotating body 103 that is rotatably attached to the lower running body 101 via a rotating device 102 and forms the vehicle body, and a front work machine 104 that is attached to the front of the upper rotating body 103 and forms the work device. The front work machine 104 is composed of a boom 105 attached to the front of the upper rotating body 103 so as to be rotatable in the vertical direction, an arm 106 attached to the tip of the boom 105 so as to be rotatable in the vertical direction, a bucket 107 attached to the tip of the arm 106 so as to be rotatable in the vertical direction, a bucket link 108 rotatably attached to the arm 106 and the bucket 107, a boom cylinder 2 connected to the upper rotating body 103 and the boom 105 and changing the rotation angle between the upper rotating body 103 and the boom 105 by driving the boom 106 up and down relative to the upper rotating body 103, an arm cylinder 3 connected to the boom 105 and the arm 106 and changing the rotation angle between the boom 105 and the arm 106 by driving the arm 106 up and down relative to the boom 105, and a bucket cylinder 4 connected to the arm 106 and the bucket link 108 and changing the rotation angle of the arm 106 and the bucket 107 via the bucket link 108.
下部走行体101はクローラ式の左右の走行装置109a,109b(右走行装置109bは不図示)を備え,左右の走行装置109a,109bは左右の走行モータ5a,5b(右走行モータ5bは不図示)により駆動され,油圧ショベル100を所望の位置に移動可能とする。旋回装置102は下部走行体101と上部旋回体103の回動角度を変更する旋回モータ6を備えている。 The lower traveling structure 101 is equipped with left and right crawler-type traveling devices 109a, 109b (right traveling device 109b is not shown), which are driven by left and right traveling motors 5a, 5b (right traveling motor 5b is not shown), allowing the hydraulic excavator 100 to move to a desired position. The swing device 102 is equipped with a swing motor 6 that changes the rotation angle of the lower traveling structure 101 and the upper swing structure 103.
上部旋回体103は運転室を形成するキャビン110を備え,キャビン110内の運転席111の後側に下記する制御を行うコントローラ20が配置されている。また,キャビン110内の運転席111の前部左右に,オペレータの操作によりブーム105,アーム106,バケット107,上部旋回体103の動作(速度と方向)を指示する操作信号を生成する操作装置21,22が配置され,運転席111の前側に,左右の走行装置109a,109bの動作(速度と方向)を指示する操作信号を生成する操作装置23a,23bが配置されている。 The upper rotating body 103 is equipped with a cabin 110 that forms the driver's compartment, and a controller 20 that performs the controls described below is located behind the driver's seat 111 within the cabin 110. Furthermore, on the left and right sides in front of the driver's seat 111 within the cabin 110, operation devices 21 and 22 are located that, when operated by the operator, generate operation signals that command the movement (speed and direction) of the boom 105, arm 106, bucket 107, and upper rotating body 103, and operation devices 23a and 23b are located in front of the driver's seat 111, generating operation signals that command the movement (speed and direction) of the left and right traveling devices 109a and 109b.
~油圧駆動装置~
図2は,本実施形態に係わる油圧駆動装置の油圧回路を示す図である。図2は,図示の簡略化のため,ブームシリンダ2,アームシリンダ3,バケットシリンダ4,左右の走行モータ5a,5b,旋回モータ6のうちブームシリンダ2とアームシリンダ3に係わる部分のみを示している。
~Hydraulic drive unit~
2 is a diagram showing the hydraulic circuit of the hydraulic drive system according to this embodiment. For simplicity of illustration, Fig. 2 shows only the parts related to the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 among the boom cylinder 2, arm cylinder 3, bucket cylinder 4, left and right travel motors 5a, 5b, and swing motor 6.
図2において,本実施形態の油圧駆動装置は,図示しない原動機(例えばディーゼルエンジン)によって駆動される可変容量型の油圧ポンプ10a(第1油圧ポンプ)及び油圧ポンプ10b(第2油圧ポンプ)と,油圧ポンプ10aの吐出油路13aに接続されたセンタバイパス通路15a(第1センタバイパス通路)に接続され,油圧ポンプ10aからブームシリンダ2に供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の流量制御弁11a(第1流量制御弁)と,流量制御弁11aの下流側でセンタバイパス通路15aにタンデムに接続され,油圧ポンプ10aからアームシリンダ3に供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の流量制御弁12a(第2流量制御弁)と,油圧ポンプ10bの吐出油路13bに接続されたセンタバイパス通路15b(第2センタバイパス通路)に接続され,油圧ポンプ10bからアームシリンダ3に供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の流量制御弁12b(第3流量制御弁)と,流量制御弁12bの下流側でセンタバイパス通路15bにタンデムに接続され,油圧ポンプ12bからブームシリンダ2に供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第4流量制御弁11b(第4流量制御弁)と,油圧ポンプ10aの吐出油路13aに接続され,油圧ポンプ10aの吐出圧力の最大値を制限するリリーフ弁14aと,油圧ポンプ10bの吐出油路13bに接続され,油圧ポンプ10bの吐出圧力の最大値を制限するリリーフ弁14bとを備えている。 In FIG. 2, the hydraulic drive system of this embodiment includes variable displacement hydraulic pump 10a (first hydraulic pump) and hydraulic pump 10b (second hydraulic pump) driven by a prime mover (e.g., a diesel engine) not shown, an open center type flow control valve 11a (first flow control valve) connected to a center bypass passage 15a (first center bypass passage) connected to a discharge oil passage 13a of hydraulic pump 10a and controlling the flow rate of pressurized oil supplied from hydraulic pump 10a to boom cylinder 2, an open center type flow control valve 12a (second flow control valve) connected in tandem to center bypass passage 15a downstream of flow control valve 11a and controlling the flow rate of pressurized oil supplied from hydraulic pump 10a to arm cylinder 3, and a variable displacement hydraulic pump 10b (first hydraulic pump) driven by a prime mover (e.g., a diesel engine) not shown. It is equipped with an open center type flow control valve 12b (third flow control valve) connected to a center bypass passage 15b (second center bypass passage) connected to the oil outlet passage 13b and controlling the flow rate of pressurized oil supplied from the hydraulic pump 10b to the arm cylinder 3, an open center type fourth flow control valve 11b (fourth flow control valve) connected in tandem to the center bypass passage 15b downstream of the flow control valve 12b and controlling the flow rate of pressurized oil supplied from the hydraulic pump 12b to the boom cylinder 2, a relief valve 14a connected to the discharge oil passage 13a of the hydraulic pump 10a and limiting the maximum value of the discharge pressure of the hydraulic pump 10a, and a relief valve 14b connected to the discharge oil passage 13b of the hydraulic pump 10b and limiting the maximum value of the discharge pressure of the hydraulic pump 10b.
流量制御弁11a,12a,11b,12bは電磁切換方式のスプール弁であり,コントローラ20からの指令信号によりスプールのストローク(開口面積)が制御される。 Flow control valves 11a, 12a, 11b, and 12b are electromagnetic switching spool valves, and the spool stroke (opening area) is controlled by a command signal from controller 20.
また,本実施形態の油圧駆動装置は,センタバイパス通路16a,15bを介して油圧ポンプ10a,10bの吐出油路13a,13bをタンクTに接続するオープンセンタシステムとして構成されている。このオープンセンタシステムにおいて,流量制御弁11a,12a,11b,12bが図示の中立位置にあり,流量制御弁11a,12a,11b,12bのメータイン絞りとメータアウト絞りが全閉しているとき,流量制御弁11a,12a,11b,12bはセンタバイパス通路15a,15bを全開し,油圧ポンプ10a,10bの吐出油をタンクTに還流する。 The hydraulic drive system of this embodiment is configured as an open center system in which the discharge oil passages 13a and 13b of the hydraulic pumps 10a and 10b are connected to the tank T via the center bypass passages 16a and 15b. In this open center system, when the flow control valves 11a, 12a, 11b, and 12b are in the neutral position shown in the figure and the meter-in and meter-out throttles of the flow control valves 11a, 12a, 11b, and 12b are fully closed, the flow control valves 11a, 12a, 11b, and 12b fully open the center bypass passages 15a and 15b, returning the oil discharged from the hydraulic pumps 10a and 10b to the tank T.
流量制御弁11a,11bが図示の中立位置から図示左右のいずれか一方の位置に操作されると,流量制御弁11a,11bのメータイン絞りとメータアウト絞りが開くとともに,センタバイパス通路15a,15bが絞られ,油圧ポンプ10aの吐出油が流量制御弁11a及びアクチュエータ油路16a又は16bを介してブームシリンダ2に供給されるとともに,油圧ポンプ10bの吐出油も流量制御弁11b及びアクチュエータ油路16c又は16dを介してブームシリンダ2に供給される。このとき,流量制御弁11a,11bがハーフ操作されたときは,流量制御弁11a,11bのメータイン絞りとメータアウト絞りが操作量に応じた開口面積に開くとともに,センタバイパス通路15a,15bが操作量に応じた開口面積に絞られ,ブームシリンダ2に流量制御弁11a,11bの操作量に応じた流量の圧油が合流して供給され,ブームシリンダ2は流量制御弁11a,11bの操作量に応じた速度で駆動される。また,流量制御弁11a,11bがフル操作されたときは,流量制御弁11a,11bのメータイン絞りとメータアウト絞りが全開するとともに,センタバイパス通路15a,15bが全閉し,ブームシリンダ2に油圧ポンプ10a,10bから吐出された圧油の全量が供給され,ブームシリンダ2は高速で駆動される。 When the flow control valves 11a, 11b are operated from the neutral position shown to either the left or right position shown, the meter-in and meter-out throttles of the flow control valves 11a, 11b open and the center bypass passages 15a, 15b are throttled, so that the oil discharged from the hydraulic pump 10a is supplied to the boom cylinder 2 via the flow control valve 11a and the actuator oil passage 16a or 16b, and the oil discharged from the hydraulic pump 10b is also supplied to the boom cylinder 2 via the flow control valve 11b and the actuator oil passage 16c or 16d. At this time, when the flow control valves 11a, 11b are half-operated, the meter-in and meter-out throttles of the flow control valves 11a, 11b open to an opening area corresponding to the amount of operation, and the center bypass passages 15a, 15b are narrowed to an opening area corresponding to the amount of operation, so that pressurized oil at a flow rate corresponding to the amount of operation of the flow control valves 11a, 11b joins and is supplied to the boom cylinder 2, and the boom cylinder 2 is driven at a speed corresponding to the amount of operation of the flow control valves 11a, 11b. Furthermore, when the flow control valves 11a, 11b are fully operated, the meter-in and meter-out throttles of the flow control valves 11a, 11b are fully opened, and the center bypass passages 15a, 15b are fully closed, so that the entire amount of pressurized oil discharged from the hydraulic pumps 10a, 10b is supplied to the boom cylinder 2, and the boom cylinder 2 is driven at high speed.
流量制御弁12a,12bが図示の中立位置から図示左右のいずれか一方の位置に操作されたときも同様であり,油圧ポンプ10bの吐出油が流量制御弁12b及びアクチュエータ油路17a又は17bを介してアームシリンダ3に供給されるとともに,油圧ポンプ10aの吐出油がアクチュエータ油路17c又は17dを介してアームシリンダ3に供給され,アームシリンダ3は油圧ポンプ10a,10bから吐出された圧油により流量制御弁12a,12bの操作量に応じた速度で駆動される。 The same is true when the flow control valves 12a, 12b are operated from the neutral position shown to either the left or right position shown. Oil discharged from hydraulic pump 10b is supplied to arm cylinder 3 via flow control valve 12b and actuator oil line 17a or 17b, and oil discharged from hydraulic pump 10a is supplied to arm cylinder 3 via actuator oil line 17c or 17d. The arm cylinder 3 is driven by the pressurized oil discharged from hydraulic pumps 10a, 10b at a speed corresponding to the amount of operation of flow control valves 12a, 12b.
流量制御弁11a,11bと流量制御弁12a,12bの両方が図示左右のいずれか一方の位置にハーフ操作されたときは,流量制御弁11a,11b及び流量制御弁12a,12bのメータイン絞りとメータアウト絞りがそれぞれの操作量に応じた開口面積に開くとともに,センタバイパス通路15a,15bが絞られ,油圧ポンプ10aの吐出油は上流側の流量制御弁11aに優先的に供給され,残りの圧油が流量制御弁12aに供給されるとともに,油圧ポンプ10bの吐出油は上流側の流量制御弁12bに優先的に供給され,残りの圧油が流量制御弁11bに供給される。これによりブームシリンダ2とアームシリンダ3には,油圧ポンプ10a,10bから吐出された圧油が合流して供給され,ブームシリンダ2とアームシリンダ3は流量制御弁11a,11bの操作量と流量制御弁12a,12bの操作量に応じた速度で駆動される。 When both flow control valves 11a, 11b and flow control valves 12a, 12b are half-operated to either the left or right position shown in the figure, the meter-in and meter-out throttles of flow control valves 11a, 11b and flow control valves 12a, 12b open to opening areas corresponding to their respective operation amounts, and center bypass passages 15a, 15b are throttled. Oil discharged from hydraulic pump 10a is supplied preferentially to the upstream flow control valve 11a, with the remaining pressurized oil being supplied to flow control valve 12a. Oil discharged from hydraulic pump 10b is supplied preferentially to the upstream flow control valve 12b, with the remaining pressurized oil being supplied to flow control valve 11b. As a result, the pressurized oil discharged from hydraulic pumps 10a, 10b is combined and supplied to boom cylinder 2 and arm cylinder 3, and boom cylinder 2 and arm cylinder 3 are driven at speeds corresponding to the operation amounts of flow control valves 11a, 11b and flow control valves 12a, 12b.
また,流量制御弁11a,11bと流量制御弁12a,12bの両方が,それぞれ,図示左右のいずれか一方の位置にフル操作されたときは,流量制御弁11a,11b及び流量制御弁12a,12bのメータイン絞りとメータアウト絞りが全開し,センタバイパス通路15a,15bが全閉し,油圧ポンプ10aの吐出油はその全量が上流側の流量制御弁11aに供給され,油圧ポンプ10bの吐出油はその全量が上流側の流量制御弁12bに供給される。これによりブームシリンダ2は油圧ポンプ10aから吐出された圧油により駆動され,アームシリンダ3は油圧ポンプ10bから吐出された圧油により駆動される。 Furthermore, when both flow control valves 11a, 11b and flow control valves 12a, 12b are fully operated to either the left or right position shown in the figure, the meter-in and meter-out throttles of flow control valves 11a, 11b and flow control valves 12a, 12b are fully opened, center bypass passages 15a, 15b are fully closed, and all of the oil discharged from hydraulic pump 10a is supplied to the upstream flow control valve 11a, and all of the oil discharged from hydraulic pump 10b is supplied to the upstream flow control valve 12b. As a result, the boom cylinder 2 is driven by pressurized oil discharged from hydraulic pump 10a, and the arm cylinder 3 is driven by pressurized oil discharged from hydraulic pump 10b.
~操作装置及びセンサ~
図1において,操作装置21は,操作レバーが前後方向に操作されたときブーム用の操作装置(第1操作装置)として機能し,操作レバーが左右方向に操作したときバケット用の操作装置として機能する。操作装置22は,操作レバーが前後方向に操作されたとき旋回用の操作装置として機能し,操作レバーが左右方向に操作されたときアーム用の操作装置(第2操作装置)として機能する。以下において,ブーム用の操作装置として機能するときの操作装置21を操作装置21a(第1操作装置)と言い,アーム用の操作装置として機能するときの操作装置22を操作装置22a(第2操作装置)と言う。操作装置21aはブーム105の動作(目標速度と方向)を指示する操作信号を生成し,操作装置22aはアーム106の動作(目標速度と方向)を指示する操作信号を生成する。
~Operating device and sensor~
In FIG. 1 , the operating device 21 functions as an operating device for the boom (first operating device) when the operating lever is operated in the forward/backward direction, and functions as an operating device for the bucket when the operating lever is operated in the left/right direction. The operating device 22 functions as an operating device for swing when the operating lever is operated in the forward/backward direction, and functions as an operating device for the arm (second operating device) when the operating lever is operated in the left/right direction. Hereinafter, the operating device 21 when functioning as an operating device for the boom will be referred to as the operating device 21a (first operating device), and the operating device 22 when functioning as an operating device for the arm will be referred to as the operating device 22a (second operating device). The operating device 21a generates an operating signal that instructs the movement (target speed and direction) of the boom 105, and the operating device 22a generates an operating signal that instructs the movement (target speed and direction) of the arm 106.
また,操作装置21,22及び操作装置23a,23bは電気的な操作信号を生成する電気式の操作装置であり,生成した操作信号はコントローラ20に送信される。 In addition, operation devices 21, 22 and operation devices 23a, 23b are electrical operation devices that generate electrical operation signals, and the generated operation signals are transmitted to controller 20.
図2において,ブームシリンダ2のボトム側に接続されたアクチュエータ油路16a及びロッド側に接続されたアクチュエータ油路16bには,ブームシリンダ2のボトム側の圧力を検出する圧力センサ25aとロッド側の圧力を検出する圧力センサ25bが接続され,アームシリンダ3のボトム側に接続されたアクチュエータ油路17a及びロッド側に接続されたアクチュエータ油路17bには,アームシリンダ3のボトム側の圧力を検出する圧力センサ26aとロッド側の圧力を検出する圧力センサ26bが接続されている。圧力センサ25a,25bはブームシリンダ2の直動力(後述)に関するパラメータを検出する第1センサとして機能し,圧力センサ26a,26bはアームシリンダ3の直動力(後述)に関するパラメータを検出する第2センサとして機能する。 In Figure 2, pressure sensor 25a, which detects the pressure on the bottom side of boom cylinder 2, and pressure sensor 25b, which detects the pressure on the rod side, are connected to actuator oil line 16a, which is connected to the bottom side of boom cylinder 2, and actuator oil line 16b, which is connected to the rod side. Also, pressure sensor 26a, which detects the pressure on the bottom side of arm cylinder 3, and pressure sensor 26b, which detects the pressure on the rod side, are connected to actuator oil line 17a, which is connected to the bottom side of arm cylinder 3, and actuator oil line 17b, which is connected to the rod side. Pressure sensors 25a and 25b function as first sensors that detect parameters related to the linear force (described below) of boom cylinder 2, and pressure sensors 26a and 26b function as second sensors that detect parameters related to the linear force (described below) of arm cylinder 3.
図1に示したブーム105の側面には上部旋回体103に対するブーム105の回動角度を検出するIMU27が備えられ,アーム106の側面にはブーム105に対するアーム106の回動角度を検出するIMU28が備えられている。IMU27はブーム105の姿勢を検出する第3センサとして機能し,IMU28はアーム106の姿勢を検出する第4センサとして機能する。 An IMU 27 that detects the rotation angle of the boom 105 relative to the upper rotating body 103 is provided on the side of the boom 105 shown in Figure 1, and an IMU 28 that detects the rotation angle of the arm 106 relative to the boom 105 is provided on the side of the arm 106. The IMU 27 functions as a third sensor that detects the attitude of the boom 105, and the IMU 28 functions as a fourth sensor that detects the attitude of the arm 106.
なお、IMU27,28は、既知の慣性計測装置(Inertial Measurement Unit)からなる。 Note that IMUs 27 and 28 consist of known inertial measurement units.
~制御システム~
図3は,本実施形態に係わる制御システムを示す図である。
~Control System~
FIG. 3 is a diagram showing a control system according to this embodiment.
図3において,操作装置21a(第1操作装置)を含む操作装置21及び操作装置22a(第2操作装置)を含む操作装置22の操作信号と,圧力センサ25a,25b及び圧力センサ26a,26bの検出信号と,IMU27,28の検出信号がコントローラ20に入力され,コントローラ20は所定の演算処理を行い,流量制御弁11a,12a,11b,12bを含む複数の流量制御弁に指令信号を出力する。 In FIG. 3, operation signals from operation device 21, which includes operation device 21a (first operation device), and operation device 22, which includes operation device 22a (second operation device), detection signals from pressure sensors 25a, 25b and pressure sensors 26a, 26b, and detection signals from IMUs 27, 28 are input to controller 20, which then performs predetermined calculations and outputs command signals to multiple flow control valves, including flow control valves 11a, 12a, 11b, and 12b.
コントローラ20は,操作装置21a(第1操作装置)と操作装置22a(第2操作装置)とが同時に操作され,ブーム105とアーム106を同時に駆動する複合操作に際し,圧力センサ25a,25b(第1センサ)及び圧力センサ26a,26b(第2センサ)の検出信号に基づいてブームシリンダ2とアームシリンダ3のそれぞれの直動力を演算し,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力のいずれも限界値に達していない場合は,操作装置21a及び操作装置22aの操作信号に基づいてブームシリンダ2及びアームシリンダ3を駆動し,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力のいずれか一方が限界値に達した場合は,IMU27(第3センサ)及びIMU28(第4センサ)の検出信号とブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力とに基づいて限界値に達した直動力が減少する方向を演算し,この直動力が減少する方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(図4参照)であるバケット107の爪先が移動するようブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動を制御する。 When the operating device 21a (first operating device) and the operating device 22a (second operating device) are operated simultaneously to perform a combined operation that simultaneously drives the boom 105 and the arm 106, the controller 20 calculates the linear forces of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 based on the detection signals of the pressure sensors 25a, 25b (first sensors) and the pressure sensors 26a, 26b (second sensors), and if neither the linear forces of the boom cylinder 2 nor the arm cylinder 3 have reached their limit values, the controller 20 calculates the linear forces of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 based on the operating signals of the operating device 21a and the operating device 22a. When the cylinder 2 and arm cylinder 3 are driven and either the linear force of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 reaches its limit, the direction in which the linear force that has reached its limit will decrease is calculated based on the detection signals of the IMU 27 (third sensor) and IMU 28 (fourth sensor) and the respective linear forces of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3, and the drive of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 is controlled so that the toe of the bucket 107, which is the excavation operating point Pw (see Figure 4) of the front work implement 104, moves in the direction in which this linear force is decreasing.
以下に,コントローラ20の機能を具体的に説明する。 The functions of the controller 20 are explained in detail below.
コントローラ20は,図3に示すように,直動力演算部20aと,姿勢演算部20bと,記憶部20cと,制御演算部20dを含む複数の機能要素とを有している。 As shown in Figure 3, the controller 20 has multiple functional elements, including a linear force calculation unit 20a, an attitude calculation unit 20b, a memory unit 20c, and a control calculation unit 20d.
直動力演算部20aは,圧力センサ25a,25b(第1センサ)の検出信号と圧力センサ26a,26b(第2センサ)の検出信号に基づいてブームシリンダ2の直動力とアームシリンダ3の直動力を演算する。 The linear force calculation unit 20a calculates the linear force of the boom cylinder 2 and the linear force of the arm cylinder 3 based on the detection signals of the pressure sensors 25a and 25b (first sensors) and the detection signals of the pressure sensors 26a and 26b (second sensors).
図4は,ブームシリンダ2の直動力及びアームシリンダ3の直動力と,後述するブーム角度及びアーム角度を示す図である。 Figure 4 shows the linear force of the boom cylinder 2 and the linear force of the arm cylinder 3, as well as the boom angle and arm angle described below.
図4において,符号Fbはブームシリンダ2の直動力を示し,符号Faはアームシリンダ3の直動力を示している。ブームシリンダ2の直動力Fbは,ブームシリンダ2のピストンロッドに作用する軸方向の推力(駆動力)を意味し,アームシリンダ3の直動力Faは,アームシリンダ3のピストンロッドに作用する軸方向の推力(駆動力)を意味する。 In Figure 4, symbol Fb indicates the linear force of the boom cylinder 2, and symbol Fa indicates the linear force of the arm cylinder 3. The linear force Fb of the boom cylinder 2 refers to the axial thrust (driving force) acting on the piston rod of the boom cylinder 2, and the linear force Fa of the arm cylinder 3 refers to the axial thrust (driving force) acting on the piston rod of the arm cylinder 3.
直動力演算部20aは,ブームシリンダ2のボトム側のピストン受圧面積に圧力センサ25aで検出した圧力を乗じた推力から,ブームシリンダ2のロッド側のピストン受圧面積に圧力センサ25bで検出した圧力を乗じた推力を減算することで,ブームシリンダ2の直動力Faを演算する。同様に直動力演算部20aは,アームシリンダ3のボトム側のピストン受圧面積に圧力センサ26aで検出した圧力を乗じた推力から,アームシリンダ3のロッド側のピストン受圧面積に圧力センサ26bで検出した圧力を乗じた推力を減算することで,アームシリンダ3の直動力Faを算出する。 The linear force calculation unit 20a calculates the linear force Fa of the boom cylinder 2 by subtracting the thrust obtained by multiplying the piston pressure-receiving area on the rod side of the boom cylinder 2 by the pressure detected by pressure sensor 25b from the thrust obtained by multiplying the piston pressure-receiving area on the bottom side of the boom cylinder 2 by the pressure detected by pressure sensor 25a. Similarly, the linear force calculation unit 20a calculates the linear force Fa of the arm cylinder 3 by subtracting the thrust obtained by multiplying the piston pressure-receiving area on the rod side of the arm cylinder 3 by the pressure detected by pressure sensor 26b from the thrust obtained by multiplying the piston pressure-receiving area on the bottom side of the arm cylinder 3 by the pressure detected by pressure sensor 26a.
以下において,ブームシリンダ2の直動力Fbを単にブーム直動力と言い,アームシリンダ3の直動力Faを単にアーム直動力と言うことがある。 In the following, the linear force Fb of the boom cylinder 2 may be simply referred to as the boom linear force, and the linear force Fa of the arm cylinder 3 may be simply referred to as the arm linear force.
図4において,符号FBoomはブームシリンダ2の直動力Fbに直動力Fbの方向成分を加えたブームシリンダ2の直動力ベクトルを示し,符号FArmはアームシリンダ3の直動力Faに直動力Faの方向成分を加えたアームシリンダ3の直動力ベクトルを示している。また,図4に,掘削反力ベクトルを符号FDigで示している。 In Figure 4, the symbol FBoom indicates the linear force vector of the boom cylinder 2, which is the sum of the linear force Fb of the boom cylinder 2 and the directional component of the linear force Fb, and the symbol FArm indicates the linear force vector of the arm cylinder 3, which is the sum of the linear force Fa of the arm cylinder 3 and the directional component of the linear force Fa. Also in Figure 4, the excavation reaction force vector is indicated by the symbol FDig.
姿勢演算部20bは,IMU27(第3センサ)及びIMU28(第4センサ)の検出信号に基づいて上部旋回体103に対するブーム105の回動角度(ブーム角度)θ1とブーム105に対するアーム106の回動角度(アーム角度)θ2を演算する。 The attitude calculation unit 20b calculates the rotation angle (boom angle) θ1 of the boom 105 relative to the upper rotating body 103 and the rotation angle (arm angle) θ2 of the arm 106 relative to the boom 105 based on the detection signals of the IMU 27 (third sensor) and IMU 28 (fourth sensor).
図4において,ブーム角度θ1(上部旋回体103に対するブーム105の回動角度)は,ブーム105の回動支点(ピン)Pv1を通る上部旋回体103の底板(旋回フレーム)103aに平行な前後方向の線分SLに対し,ブーム105の回動支点Pv1とアーム106の回動支点(ピン)Pv2とを通る線分BLがなす角度である。アーム角度θ2(ブーム105に対するアーム106の回動角度)は,線分BLに対し,アーム106の回動支点Pv2とバケット107の回動支点(ピン)Pv3とを通る線分ALがなす角度である。 In Figure 4, boom angle θ1 (the rotation angle of the boom 105 relative to the upper rotating body 103) is the angle formed by a line segment BL passing through the rotation fulcrum Pv1 of the boom 105 and the rotation fulcrum (pin) Pv2 of the arm 106, relative to a line segment SL in the fore-and-aft direction parallel to the bottom plate (swivel frame) 103a of the upper rotating body 103, which passes through the rotation fulcrum (pin) Pv1 of the boom 105. Arm angle θ2 (the rotation angle of the arm 106 relative to the boom 105) is the angle formed by a line segment AL passing through the rotation fulcrum Pv2 of the arm 106 and the rotation fulcrum (pin) Pv3 of the bucket 107, relative to the line segment BL.
記憶部20cは,制御演算部20dの演算で使用する種々のデータを記憶しており,本実施形態では,ブーム直動力Fb及びアーム直動力Faの限界値と,限界値に達した直動力が減少する方向を探索する検索マップ(以下において直動力減少方向検索マップと言うことがある)が記憶されている。 The memory unit 20c stores various data used in the calculations of the control calculation unit 20d, and in this embodiment, stores limit values for the boom linear force Fb and the arm linear force Fa, as well as a search map (hereinafter sometimes referred to as a linear force reduction direction search map) that searches for the direction in which the linear force decreases when it reaches its limit value.
直動力の限界値は,予め定めた値であってもよいし,そのときの動作情報に基づいて算出した値であってもよい。本実施形態において,直動力の限界値は予め定めた値である。予め定めた値は,例えば,リリーフ弁14a,14bによって制限される油圧ポンプ10a,10bの最大吐出圧力に基づいて算出される直動力である。直動力減少方向検索マップについては後述する。 The limit value of the direct force may be a predetermined value, or may be a value calculated based on the operating information at that time. In this embodiment, the limit value of the direct force is a predetermined value. The predetermined value is, for example, a direct force calculated based on the maximum discharge pressure of the hydraulic pumps 10a and 10b, which is limited by the relief valves 14a and 14b. The direct force reduction direction search map will be described later.
図5は,制御演算部20dの機能を説明するフローチャートである。 Figure 5 is a flowchart explaining the function of the control calculation unit 20d.
まず,制御演算部20dは,操作装置21a,22aからの操作信号に基づいて,ブーム105とアーム106を同時に駆動する複合操作を行っているかどうかを判定する(ステップS100)。この判定で,複合操作が行われていない場合,制御演算部20dは,操作装置21a又は22aからの操作信号に従い対応するアクチュエータが駆動されるよう流量制御弁の制御指令を演算し,指令信号を流量制御弁に出力する(ステップS150)。このときブーム105又はアーム106は操作装置21a又は22aの操作信号に応じて駆動される。 First, the control calculation unit 20d determines whether a combined operation is being performed to simultaneously drive the boom 105 and arm 106, based on the operation signals from the operating devices 21a and 22a (step S100). If this determination indicates that a combined operation is not being performed, the control calculation unit 20d calculates a control command for the flow control valve so that the corresponding actuator is driven in accordance with the operation signal from the operating device 21a or 22a, and outputs a command signal to the flow control valve (step S150). At this time, the boom 105 or arm 106 is driven in accordance with the operation signal from the operating device 21a or 22a.
ステップS100の判定で,複合操作が行われている場合は,制御演算部20dは,更に,直動力演算部20aで演算したブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力Fb,Faと記憶部20cに記憶した直動力の限界値とを比較し,いずれかの直動力Fb又はFaが直動力の限界値に達したかどうかを判定する(ステップS110)。ステップS110の判定で,いずれの直動力も限界値に達していない場合は,制御演算部20dは,操作装置21a,22aの操作信号に従いブームシリンダ2及びアームシリンダ3が駆動されるよう流量制御弁11a,11b,12a,12bの制御指令を演算し,指令信号を流量制御弁11a,11b,12a,12bに出力する(ステップS150)。このときブーム105及びアーム106は操作装置21a,22aの操作信号に応じて駆動される。 If it is determined in step S100 that a combined operation is being performed, the control calculation unit 20d further compares the linear forces Fb and Fa of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 calculated by the linear force calculation unit 20a with the linear force limit values stored in the memory unit 20c to determine whether either linear force Fb or Fa has reached its linear force limit value (step S110). If it is determined in step S110 that none of the linear forces have reached their limit values, the control calculation unit 20d calculates control commands for the flow control valves 11a, 11b, 12a, and 12b to drive the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 in accordance with the operation signals from the operation devices 21a and 22a, and outputs command signals to the flow control valves 11a, 11b, 12a, and 12b (step S150). At this time, the boom 105 and arm 106 are driven in accordance with the operation signals from the operation devices 21a and 22a.
一方,ステップS110の判定で,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のいずれかの直動力Fb又はFaが直動力の限界値に達した場合,制御演算部20dは,直動力演算部20aで演算したブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力Fb,Faと,姿勢演算部20bで演算されたブーム角度θ1(ブーム105の姿勢)及びアーム角度θ2(アーム106の姿勢)とに基づいて,式(1)に従い,フロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット107の爪先)に作用する掘削反力の大きさとその方向を示す掘削反力ベクトルFDigを演算する(ステップS120)。 On the other hand, if step S110 determines that the linear force Fb or Fa of either the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has reached its limit value, the control calculation unit 20d calculates an excavation reaction force vector FDig indicating the magnitude and direction of the excavation reaction force acting on the excavation operating point Pw (the tip of the bucket 107) of the front work implement 104 according to equation (1) based on the linear forces Fb, Fa of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 calculated by the linear force calculation unit 20a and the boom angle θ1 (the attitude of the boom 105) and the arm angle θ2 (the attitude of the arm 106) calculated by the attitude calculation unit 20b (step S120).
式(1)について説明する。 Let us explain equation (1).
式(1)において,J1,J2の右上のTは転置行列を意味する。以下の行列の右上のTも同様である。また、各変数は以下の値である。 In equation (1), the T in the upper right corner of J1 and J2 means a transposed matrix. The same applies to the T in the upper right corner of the following matrices. In addition, each variable has the following value.
FDig:上述した掘削反力ベクトル
FCylinder:上述したブームシリンダ2の直動力ベクトルFBoomとアームシリンダ3の直動力ベクトルFArmを合成したシリンダ直動力ベクトルである。シリンダ直動力ベクトルは以下の式(2)で表される。
F Dig: the above-mentioned excavation reaction force vector FCylinder: a cylinder direct force vector obtained by combining the above-mentioned direct force vector FBoom of the boom cylinder 2 and the direct force vector FArm of the arm cylinder 3. The cylinder direct force vector is expressed by the following equation (2).
J1:ブーム角度θ1及びアーム角度θ2と,ブーム長さL1及びアーム長さL2を要素とする以下の式(3)で表されるヤコビアン行列である。 J 1 : A Jacobian matrix expressed by the following equation (3) having boom angle θ1, arm angle θ2, boom length L1, and arm length L2 as elements.
後述する図7に示すように,ブーム長さL1はブーム回動支点(ピン)Pv1とアーム回動支点(ピン)Pv2間の距離であり,アーム長さL2は,アーム回動支点(ピン)Pv2とバケット回動支点(ピン)Pv3間の距離である。 As shown in Figure 7, which will be described later, boom length L1 is the distance between the boom rotation fulcrum (pin) Pv1 and the arm rotation fulcrum (pin) Pv2, and arm length L2 is the distance between the arm rotation fulcrum (pin) Pv2 and the bucket rotation fulcrum (pin) Pv3.
J2:ブーム回動支点(ピン)Pv1からブームシリンダ2の中心軸までの距離J11と,アーム回動支点(ピン)Pv2からアームシリンダ3の中心軸までの距離J22とを要素とする以下の式(4)で表わされるヤコビアン行列である。 J2 : A Jacobian matrix expressed by the following equation (4) whose elements are the distance J11 from the boom rotation fulcrum (pin) Pv1 to the central axis of the boom cylinder 2 and the distance J22 from the arm rotation fulcrum (pin) Pv2 to the central axis of the arm cylinder 3.
図6は,式(4)の距離j11,j22を説明する図である。j11はブーム回動支点(ピン)Pv1からブームシリンダ2の中心軸上に垂下させた垂線の長さであり,ブーム角度θ1と,ブーム回動支点Pv1とブームシリンダ2の基端の回動支点Pv3間の距離Cp1と,ブーム回動支点Pv1とブームシリンダ2のロッド先端の回動支点Pv4間の距離Cm1との幾何学的関係から算出することができる。j22はアーム回動支点(ピン)Pv2からアームシリンダ3上の中心軸に垂下させた垂線の長さであり,アーム角度θ2と,アーム回動支点Pv2とアームシリンダ3の基端の回動支点Pv5間の距離Cp2と,アーム回動支点Pv2とアームシリンダ3のロッド先端の回動支点Pv6間の距離Cm2との幾何学的関係から算出することができる。 Figure 6 is a diagram explaining the distances j11 and j22 in equation (4). j11 is the length of a perpendicular line hanging down from the boom rotation fulcrum (pin) Pv1 to the central axis of the boom cylinder 2, and can be calculated from the geometric relationship between the boom angle θ1, the distance Cp1 between the boom rotation fulcrum Pv1 and the rotation fulcrum Pv3 at the base end of the boom cylinder 2, and the distance Cm1 between the boom rotation fulcrum Pv1 and the rotation fulcrum Pv4 at the tip of the rod of the boom cylinder 2. j22 is the length of a perpendicular line hanging down from the arm rotation fulcrum (pin) Pv2 to the central axis of the arm cylinder 3, and can be calculated from the geometric relationship between the arm angle θ2, the distance Cp2 between the arm rotation fulcrum Pv2 and the rotation fulcrum Pv5 at the base end of the arm cylinder 3, and the distance Cm2 between the arm rotation fulcrum Pv2 and the rotation fulcrum Pv6 at the tip of the rod of the arm cylinder 3.
式(1)の導出過程を説明する。 The derivation process for equation (1) is explained below.
式(1)は,掘削反力ベクトルFDigにより生じるブーム回動支点Pv1とアーム回動支点Pv2の各軸のトルクと,ブームシリンダ2の直動力ベクトルFBoom(以下にブーム直動力ベクトルということがある)とアームシリンダ3の直動力ベクトルFArm(以下にアーム直動力ベクトルということがある)により生じるブーム回動支点Pv1とアーム回動支点Pv2の各軸のトルクとのつり合いにより導かれる。 Equation (1) is derived from the balance between the torque on each axis of the boom rotation fulcrum Pv1 and the arm rotation fulcrum Pv2 generated by the excavation reaction force vector F Dig and the torque on each axis of the boom rotation fulcrum Pv1 and the arm rotation fulcrum Pv2 generated by the direct force vector F Boom of the boom cylinder 2 (hereinafter sometimes referred to as the boom direct force vector) and the direct force vector FArm of the arm cylinder 3 (hereinafter sometimes referred to as the arm direct force vector).
図7は,掘削反力ベクトルFDigにより生じるブーム回動支点Pv1とアーム回動支点Pv2の各軸のトルクを示す図である。 Figure 7 shows the torque on each axis of the boom rotation fulcrum Pv1 and the arm rotation fulcrum Pv2 generated by the excavation reaction force vector FDig.
図8は,ブーム直動力ベクトルFBoomとアーム直動力ベクトルFArmにより生じるブーム回動支点Pv1とアーム回動支点Pv2の各軸のトルクを示す図である。 Figure 8 shows the torques on each axis of the boom rotation fulcrum Pv1 and the arm rotation fulcrum Pv2 generated by the boom linear force vector FBoom and the arm linear force vector FArm.
図7,図8において,ブーム回動支点Pv1とアーム回動支点Pv2の各軸のトルクが符号τ1,τ2で示されている。 In Figures 7 and 8, the torques on each axis of the boom rotation fulcrum Pv1 and arm rotation fulcrum Pv2 are indicated by symbols τ1 and τ2.
掘削反力ベクトルFDigを生じさせる掘削ベクトルとトルクτ1,τ2との関係は以下式(5)で表わされる。 The relationship between the excavation vector that generates the excavation reaction force vector F Dig and the torques τ1 and τ2 is expressed by the following equation (5).
ブーム直動力ベクトルFBoom及びアーム直動力ベクトルFArmにより生じるブーム回動支点Pv1とアーム回動支点Pv2の各軸のトルクτ1,τ2とブーム直動力ベクトルFBoom及びアーム直動力ベクトルFArmとの関係はそれぞれ以下式(6A),(6B)で表わされる。
The relationships between the torques τ1, τ2 of the respective axes of the boom rotation fulcrum Pv1 and the arm rotation fulcrum Pv2 generated by the boom linear force vector FBoom and the arm linear force vector FArm and the boom linear force vector FBoom and the arm linear force vector FArm are respectively expressed by the following equations (6A) and (6B).
式(5),式(6A),(6B)より,以下の関係が得られる。 From equations (5), (6A), and (6B), the following relationship is obtained:
よって、以下の式(8)が得られる。
Therefore, the following equation (8) is obtained.
上記の式(2)のように
FCylinder=[FBoom FArm]T
であるので,式(8)を変形して上述した式(1)が得られる。
As shown in the above formula (2),
FCylinder=[FBoom FArm] T
Therefore, by transforming equation (8), the above-mentioned equation (1) is obtained.
図5に戻り,制御演算部20dは,掘削反力ベクトルFDigとブーム角度θ1とアーム角度θ2(姿勢)とブームシリンダ2の直動力Fb及びアームシリンダ3の直動力Faに基づいて,限界値に達したシリンダ直動力Fb又はFaが減少する方向を演算する(ステップS130)。 Returning to Figure 5, the control calculation unit 20d calculates the direction in which the cylinder linear force Fb or Fa, which has reached its limit value, will decrease based on the excavation reaction force vector FDig, boom angle θ1, arm angle θ2 (posture), linear force Fb of the boom cylinder 2, and linear force Fa of the arm cylinder 3 (step S130).
より詳しくは,制御演算部20dは,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力のいずれか一方が限界値に達した場合,IMU27(第3センサ)及びIMU28(第4センサ)の検出信号とブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力とに基づいてフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット107の爪先)に作用する掘削反力ベクトルFDigを演算し,その掘削反力ベクトルFDigと,IMU27(第3センサ)及びIMU28(第4センサ)の検出信号とブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力とに基づいて,掘削反力ベクトルFDigの大きさを維持しながら上記限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向を演算する。 More specifically, when either the linear forces of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 reach their limit values, the control calculation unit 20d calculates the excavation reaction force vector FDig acting on the excavation operating point Pw (the tip of the bucket 107) of the front work implement 104 based on the detection signals of the IMU 27 (third sensor) and IMU 28 (fourth sensor) and the linear forces of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3, and calculates the direction in which the linear forces of the hydraulic cylinders that have reached the limit values will decrease while maintaining the magnitude of the excavation reaction force vector FDig based on the excavation reaction force vector FDig, the detection signals of the IMU 27 (third sensor) and IMU 28 (fourth sensor), and the linear forces of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3.
次いで,制御演算部20dは,ステップS130で演算した,限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット107の爪先)が移動するようブームシリンダ2とアームシリンダ3を動作させるための制御指令を演算し,指令信号を流量制御弁11a,11b,12a,12bに出力する(ステップS140)。これによりブームシリンダ2とアームシリンダ3はステップS103で演算された直動力が減少する方向にフロント作業機104の掘削動作点(バケット107の爪先)が移動するよう制御される。 Next, the control calculation unit 20d calculates a control command to operate the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 so that the excavation operating point Pw (toe of the bucket 107) of the front work implement 104 moves in the direction in which the linear force of the hydraulic cylinder, which has reached its limit value as calculated in step S130, decreases, and outputs a command signal to the flow control valves 11a, 11b, 12a, and 12b (step S140). This controls the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 so that the excavation operating point Pw (toe of the bucket 107) of the front work implement 104 moves in the direction in which the linear force calculated in step S103 decreases.
ステップS130の限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向(以下単に直動力減少方向と言うことがある)の演算手法について説明する。 This section explains the calculation method for determining the direction in which the linear force of the hydraulic cylinder decreases after reaching its limit value in step S130 (hereinafter simply referred to as the linear force decrease direction).
直動力減少方向の演算手法には,例えば,以下がある。 Examples of methods for calculating the direction of linear force reduction include:
(a)現状のフロント作業機104(図1参照)の姿勢(以下単にフロント姿勢と言うことがある)近傍のヤコビアン行列J1,J2を求め,直動力ベクトルFCylinderについて繰り返し計算を行い,オンラインで求める手法;
(b)ヤコビアン行列J1,J2を油圧シリンダの稼働範囲のすべてのフロント姿勢について予め計算してフロント姿勢ごとにマップを作成し,それらのマップを用いて求める手法;
(c)フロント姿勢と掘削反力ベクトルFDig,直動力ベクトルFCylinderをセットにして,フロント姿勢,掘削反力ベクトルFDig,直動力ベクトルFCylinder(ブーム直動力,アーム直動力)を異ならせた多数のマップ(直動力減少方向検索マップ)を作成し,それらのマップを用いて求める手法。
(a) A method of calculating Jacobian matrices J1 and J2 near the current posture of the front work implement 104 (see FIG. 1) (hereinafter, sometimes simply referred to as the front posture), and repeatedly calculating the direct force vector FCylinder online;
(b) A method in which the Jacobian matrices J1 and J2 are calculated in advance for all front postures within the operating range of the hydraulic cylinder, a map is created for each front posture, and the matrices are calculated using the maps;
(c) A method in which the front posture, excavation reaction force vector FDig, and direct force vector FCylinder are used as a set, and a number of maps (direct force decrease direction search maps) are created with different front posture, excavation reaction force vector FDig, and direct force vector FCylinder (boom direct force, arm direct force), and these maps are used to perform the search.
ステップS130の演算手法は,現状のフロント姿勢からシリンダ直動力が減少する方向が分かれば,上記以外のどのような手法であってもよい。 The calculation method in step S130 can be any method other than the above, as long as it determines the direction in which the cylinder linear force decreases from the current front posture.
図9及び図10は,上記(c)の演算手法に用いる直動力減少方向検索マップの一例を示す図である。 Figures 9 and 10 show an example of a direct force reduction direction search map used in the calculation method (c) above.
直動力減少方向検索マップは,ある掘削反力ベクトルFDigに対して直動力ベクトルFCylinderの一部であるアーム直動力の大きさを白黒の濃淡(等高線)で示したものである。図9及び図10には,そのマップ上にフロント姿勢としてブームとアームを示す直線が示されている。白黒の濃淡は,位置情報とアーム直動力の大きさの情報が記憶された単位区画の集合であり,例えば位置情報はXY座標系の値として記憶され,アーム直動力の大きさは数値(スカラ値)で記憶されている。 The direct force reduction direction search map uses black and white shading (contour lines) to show the magnitude of the arm direct force, which is part of the direct force vector FCylinder, for a given excavation reaction force vector FDig. Figures 9 and 10 show lines on the map indicating the boom and arm as the front posture. The black and white shading is a collection of unit blocks in which position information and information on the magnitude of the arm direct force are stored; for example, position information is stored as a value in the XY coordinate system, and the magnitude of the arm direct force is stored as a numerical value (scalar value).
図9及び図10はアーム直動力についてのマップであるが,別途,ブーム直動力のマップもある。また,図9及び図10は,ある掘削反力ベクトルに対しての一例であり,掘削反力ベクトルごとに直動力の大きさを示す白黒の濃淡が異なるマップが存在する。 Figures 9 and 10 are maps for arm linear force, but there is also a separate map for boom linear force. Also, Figures 9 and 10 are examples for a certain excavation reaction force vector, and there are maps with different shades of black and white indicating the magnitude of the linear force for each excavation reaction force vector.
制御演算部20dは,例えばアーム直動力が限界値に達した場合,そのときのフロント姿勢と掘削反力ベクトルとアーム直動力をセットにしたマップを選択し,フロント作業機104の現在の掘削動作点Pwの位置を基準として限界値に達したアーム直動力が減少する単位区画のうち,例えばアーム直動力が最も大きく減少する単位区画を選択し,その単位区画が位置する方向を直動力減少方向として選定し,その方向に掘削動作点Pwが移動するようにフロント姿勢を変える。 For example, when the arm linear force reaches its limit, the control calculation unit 20d selects a map that sets the front posture, excavation reaction force vector, and arm linear force at that time, and selects, from among the unit sections where the arm linear force decreases after reaching its limit, the unit section where the arm linear force decreases the most, using the current position of the excavation operating point Pw of the front work implement 104 as the reference point, and selects the direction in which that unit section is located as the direction of linear force decrease, and changes the front posture so that the excavation operating point Pw moves in that direction.
図9及び図10において,符号Aは,アーム直動力が限界値に達し,直動力減少方向を検索するときの掘削動作点Pwの位置を示し,符号Bは,直動力減少方向が選定され,フロント姿勢を変えた後の掘削動作点Pwの位置を示している。直動力減少方向を検索するとき,フロント姿勢は図9の状態にあり,直動力減少方向に掘削動作点Pwが移動するようフロント姿勢を変えるとき,掘削動作点Pwは図10に示すように,位置Aから位置Bに移動する。 In Figures 9 and 10, symbol A indicates the position of the excavation operating point Pw when the arm linear force reaches its limit value and a search is made for a direction to reduce the linear force, and symbol B indicates the position of the excavation operating point Pw after the direction to reduce the linear force has been selected and the front posture has been changed. When a search is made for a direction to reduce the linear force, the front posture is in the state shown in Figure 9, and when the front posture is changed so that the excavation operating point Pw moves in the direction of reducing the linear force, the excavation operating point Pw moves from position A to position B, as shown in Figure 10.
このようにフロント姿勢を変えることで,掘削反力ベクトルの大きさ(掘削ベクトルの大きさ)が変わらなくても,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力の負担割合が変わり,直動力が限界値に達したアームシリンダ3の直動力を減少させることできる。 By changing the front posture in this way, even if the magnitude of the excavation reaction force vector (magnitude of the excavation vector) does not change, the proportion of direct current force shared by the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 changes, making it possible to reduce the direct current force of the arm cylinder 3 when it has reached its limit value.
制御演算部20dは,ステップS140において,位置Aと位置Bの位置情報に基づいて,フロント作業機104の掘削動作点Pwを位置Aから位置Bに移動させるための制御指令を演算し,指令信号を出力する。 In step S140, the control calculation unit 20d calculates a control command to move the excavation operating point Pw of the front attachment 104 from position A to position B based on the position information for positions A and B, and outputs a command signal.
ステップS140における制御指令の演算方法を説明する。 The method for calculating the control command in step S140 will now be explained.
ステップS140において,フロント作業機104の掘削動作点Pwを位置Aから位置Bに移動させるためには,掘削動作点PwがステップS130で演算した直動力が減少する方向に移動するよう,コントローラ20に入力した操作装置21a,22aの操作信号を補正すればよい。 In step S140, to move the excavation operating point Pw of the front attachment 104 from position A to position B, the operation signals of the operating devices 21a, 22a input to the controller 20 are corrected so that the excavation operating point Pw moves in the direction in which the linear force calculated in step S130 decreases.
ここで,本実施形態では,コントローラ20内で,操作装置21a,22aの操作信号にステップS130で演算した直動力減少方向を介入させて操作信号を補正し,指令信号を生成している。しかし,操作装置21a,22aの操作信号にステップS130で演算した直動力減少方向が介入できれば,介入の形態はこれに限られない。 In this embodiment, the controller 20 corrects the operation signals of the operation devices 21a and 22a by incorporating the direction of reduction in linear force calculated in step S130 into the operation signals, thereby generating a command signal. However, the form of intervention is not limited to this, as long as the direction of reduction in linear force calculated in step S130 can be incorporated into the operation signals of the operation devices 21a and 22a.
図11は,本実施形態における直動力減少方向の介入の形態を示す図である。図11には,図2に示した油圧駆動装置が簡素化して示されている。前述したように,操作装置21a,22aの操作信号はコントローラ20に入力され,コントローラ20は,その操作信号にステップS130で演算した直動力減少方向を介入させて補正し,指令信号を生成する。この指令信号は油圧駆動装置の流量制御弁11a,11b,12a,12bのソレノイド11Sに直接出力される。 Figure 11 is a diagram showing how the direct force reduction direction is intervened in this embodiment. Figure 11 shows a simplified version of the hydraulic drive system shown in Figure 2. As described above, the operation signals of the operating devices 21a and 22a are input to the controller 20, which then corrects the operation signals by intervening the direct force reduction direction calculated in step S130 to generate a command signal. This command signal is output directly to the solenoid 11S of the flow control valves 11a, 11b, 12a, and 12b of the hydraulic drive system.
図12は,ステップS130で演算した直動力減少向を油圧回路で介入させる形態を簡素化して示す図である。 Figure 12 is a simplified diagram showing how the direct force reduction direction calculated in step S130 is applied via a hydraulic circuit.
図12において,流量制御弁11は,油圧パイロット回路66から信号圧力が導かれる油圧駆動部11hを備えた油圧パイロット式の切換弁である。油圧パイロット回路66は,操作装置21a,22aのレバー操作によって切り換わり,通常モードの操作パイロット圧を生成する操作減圧弁60と,パイロット油圧源67を構成するパイロットポンプ61とパイロットリリーフ弁62と,コントローラ20からの指令信号により介入モードの制御パイロット圧を生成するソレノイド減圧弁63と,油圧駆動部11hに導かれる信号圧力を通常モードの操作パイロット圧と介入モードの制御パイロット圧とに切り換えるソレノイド切換弁64とを備えている。 In Figure 12, the flow control valve 11 is a hydraulic pilot-type switching valve equipped with a hydraulic drive unit 11h to which signal pressure is directed from a hydraulic pilot circuit 66. The hydraulic pilot circuit 66 is equipped with an operating pressure reducing valve 60 that is switched by operating the levers of the operating devices 21a, 22a and generates operating pilot pressure for normal mode, a pilot pump 61 and pilot relief valve 62 that constitute the pilot hydraulic source 67, a solenoid pressure reducing valve 63 that generates control pilot pressure for intervention mode in response to a command signal from the controller 20, and a solenoid switching valve 64 that switches the signal pressure directed to the hydraulic drive unit 11h between operating pilot pressure for normal mode and control pilot pressure for intervention mode.
ブーム直動力とアーム直動力のいずれも限界値に達していない場合,コントローラ20は通常モードにあり,ソレノイド減圧弁63とソレノイド切換弁64はそれぞれ図示の位置にある。 When neither the boom direct force nor the arm direct force has reached its limit value, the controller 20 is in normal mode, and the solenoid pressure reducing valve 63 and the solenoid switching valve 64 are in the positions shown in the figure.
この通常モードでは,操作装置21a,22aにより生成された操作パイロット圧はソレノイド切換弁64を介して流量制御弁11の油圧駆動部11hに導かれ,ブームシリンダ2とアームシリンダ3は操作装置21a,22aのレバー操作に応じて駆動される。 In this normal mode, the operating pilot pressure generated by the operating devices 21a and 22a is directed to the hydraulic drive unit 11h of the flow control valve 11 via the solenoid switching valve 64, and the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 are driven in response to the lever operation of the operating devices 21a and 22a.
ブーム直動力とアーム直動力のいずれか一方が限界値に達すると,コントローラ20は,通常モードから介入モードに移行する。この介入モードにおいて,コントローラ20は,シリンダ直動力が減少する方向にブームシリンダ2とアームシリンダ3を動作させるための制御指令を演算し,ソレノイド減圧弁63とソレノイド切換弁64にそれぞれ指令信号を出力する。 When either the boom linear force or the arm linear force reaches its limit, the controller 20 transitions from normal mode to intervention mode. In this intervention mode, the controller 20 calculates control commands to operate the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 in a direction that reduces the cylinder linear force, and outputs command signals to the solenoid pressure reducing valve 63 and the solenoid switching valve 64, respectively.
ソレノイド減圧弁63はコントローラからの指令信号に応じた介入モードの制御パイロット圧を生成し,ソレノイド切換弁64はコントローラからの指令信号により図示の位置から切り換わる。 The solenoid pressure reducing valve 63 generates the control pilot pressure for the intervention mode in response to a command signal from the controller, and the solenoid switching valve 64 switches from the position shown in the figure in response to a command signal from the controller.
これによりソレノイド減圧弁63によって生成された介入モードの制御パイロット圧がソレノイド切換弁64を介して流量制御弁11の油圧駆動部11hに導かれ,ブームシリンダ2とアームシリンダ3は,アームシリンダ3の直動力が減少する方向にフロント作業機104の掘削動作点(バケット107の爪先)が移動するよう制御される。 As a result, the intervention mode control pilot pressure generated by the solenoid pressure reducing valve 63 is directed via the solenoid switching valve 64 to the hydraulic drive unit 11h of the flow control valve 11, and the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 are controlled so that the excavation operating point of the front work implement 104 (the tip of the bucket 107) moves in the direction in which the direct force of the arm cylinder 3 is reduced.
~効果~
本実施形態によれば,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力のいずれか一方が限界値に達した場合,ブーム105とアーム106の姿勢に応じてブームシリンダ2又はアームシリンダ3の直動力が減少する方向を演算し,その方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット先端)が移動するようブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動を制御するため,掘削反力ベクトルの大きさ(掘削ベクトルの大きさ)が変わらなくても,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力の負担割合が変わり,直動力が限界値に達したブームシリンダ2又はアームシリンダ3の直動力が減少させることができる。これによりブーム105とアーム106による掘削動作中に掘削反力による過負荷状態が生じた場合に,掘削動作の中断或いは掘削動作の不連続な軌道修正を行うことなく過負荷状態を解消し,掘削動作をより効率よく行うことができ,かつ操作性を向上させることができる。
~Effects~
According to this embodiment, when either the linear force of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 reaches its limit, the direction in which the linear force of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 is reduced is calculated in accordance with the attitude of the boom 105 and the arm 106, and the drive of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 is controlled so that the excavation operating point Pw (tip of the bucket) of the front work implement 104 moves in that direction, so that even if the magnitude of the excavation reaction force vector (magnitude of the excavation vector) does not change, the proportion of linear force shared by the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 changes, and the linear force of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 whose linear force has reached its limit can be reduced. As a result, when an overload state occurs due to the excavation reaction force during excavation operation by the boom 105 and the arm 106, the overload state can be resolved without interrupting the excavation operation or discontinuously correcting the trajectory of the excavation operation, making it possible to perform the excavation operation more efficiently and improving operability.
なお,本実施形態では,コントローラ20は上部旋回体103に配置したが,アクチュエータへの動作指示が可能であればコントローラ20をどこに配置してもよい。 In this embodiment, the controller 20 is located on the upper rotating body 103, but the controller 20 may be located anywhere as long as it is capable of issuing operational commands to the actuators.
また,本実施形態では,ブーム105,アーム106,バケット107の3リンクの構成としたが,先端に作業を行う作業装置を有した2リンク以上の機構を持っていれば,リンク数やその形状などは何でもよい。また,「ブーム」及び「アーム」はリンクの名称であり,同等の機能を有するリンクであれば,他の名称であってもよい。 In addition, in this embodiment, the structure is a three-link structure consisting of the boom 105, arm 106, and bucket 107, but the number of links and their shape can be any number as long as it has a mechanism of two or more links with a working device at the tip that performs the work. Also, "boom" and "arm" are names of links, and other names may be used as long as the links have equivalent functions.
更に,本実施形態では,圧力センサを用いて油圧シリンダの直動力を算出したが,油圧シリンダの直動力を計測できれば,センサの種類は問わず,例えば起歪体とひずみ計やピエゾ素子などをピストンロッドに埋設してもよい。 Furthermore, in this embodiment, the linear force of the hydraulic cylinder was calculated using a pressure sensor, but any type of sensor can be used as long as it can measure the linear force of the hydraulic cylinder. For example, a strain gauge, a strain gauge, or a piezoelectric element may be embedded in the piston rod.
また,本実施形態では,ブーム105及びアーム106の姿勢を検出するセンサとしてIMU27,28を用いたが,IMU27,28に代え,ブーム105及びアーム106の回転ジョイントに角度センサを設け,角度センサでブームシリンダ2及びアームシリンダ3の姿勢を計測してもよい。 In addition, in this embodiment, IMUs 27 and 28 are used as sensors to detect the posture of the boom 105 and arm 106. However, instead of IMUs 27 and 28, angle sensors may be provided on the rotary joints of the boom 105 and arm 106, and the posture of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 may be measured using the angle sensors.
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態を説明する。
Second Embodiment
A second embodiment of the present invention will now be described.
図13は,本実施形態に係わる制御システムを示す図である。 Figure 13 shows the control system related to this embodiment.
本実施形態において,制御システムのコントローラ20は,図3に示した第1の実施形態のコントローラ20の機能要素に加えて,レバー操作方向判定部20eの機能要素を更に有している。 In this embodiment, the controller 20 of the control system further includes the functional elements of the controller 20 of the first embodiment shown in Figure 3, as well as the functional element of a lever operation direction determination unit 20e.
コントローラ20は,レバー操作方向判定部20eにおいて,操作装置21a(第1操作装置)及び操作装置22a(第2操作装置)の操作信号に基づいて,操作装置21a及び操作装置22aのレバー操作方向がブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの伸び方向か縮み方向かを判定し,その判定結果を制御演算部20dに送る。 The controller 20 uses the lever operation direction determination unit 20e to determine whether the lever operation direction of the operation device 21a and the operation device 22a is the extension or retraction direction of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3, respectively, based on the operation signals from the operation device 21a (first operation device) and the operation device 22a (second operation device), and sends the determination result to the control calculation unit 20d.
制御演算部20dは,限界値に達した直動力が減少する方向の範囲の中に,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の伸び方向又は縮み方向と一致する範囲が存在するかどうかを判定し,一致する範囲が存在する場合は,その一致する範囲内で,限界値に達した直動力が減少する方向を演算し,その方向にフロント作業機104の掘削動作点Pwが移動するようブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動を制御し,一致する範囲が存在しない場合は,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動を停止させる。 The control calculation unit 20d determines whether there is a range within the range of directions in which the linear force decreases after reaching its limit value that matches the extension or retraction direction of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3. If a matching range exists, it calculates the direction in which the linear force decreases after reaching its limit value within that matching range and controls the drive of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 so that the excavation operating point Pw of the front work implement 104 moves in that direction. If no matching range exists, it stops the drive of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3.
図14は,制御演算部20dの機能を説明するフローチャートである。 Figure 14 is a flowchart explaining the function of the control calculation unit 20d.
制御演算部20dは,ステップS100~S120の後に,例えば、制御演算部20dにおいて選択した直動力減少方向検索マップを用い、ステップS130Aにおいて,掘削反力ベクトルFDigとブーム角度θ1とアーム角度θ2(姿勢)とブームシリンダ2の直動力Fb及びアームシリンダ3の直動力Faに基づいて,限界値に達したシリンダ直動力Fb又はFaが減少する方向の範囲(以下,直動力減少方向範囲と言うことがある)を演算する(ステップS130A)。 After steps S100 to S120, the control calculation unit 20d uses, for example, the linear force reduction direction search map selected by the control calculation unit 20d to calculate in step S130A the range of directions in which the cylinder linear force Fb or Fa, which has reached its limit value, will decrease (hereinafter sometimes referred to as the linear force reduction direction range) based on the excavation reaction force vector FDig, boom angle θ1, arm angle θ2 (posture), linear force Fb of the boom cylinder 2, and linear force Fa of the arm cylinder 3 (step S130A).
図26は、直動力減少方向範囲の一例を示す図である。直動力減少方向範囲は,制御演算部20dにおいて選択した直動力減少方向検索マップにおいて、掘削動作点Pwの現在位置を基準にして演算される単位区画の直動力が減少する所定範囲の領域である。なお、所定の範囲の大きさや形状は予め定めておいてもよいし,掘削動作点Pwの移動速度にコントローラの演算刻み時間を乗じた値(次のステップまでの移動距離)を含む範囲として演算で求めてもよい。 Figure 26 is a diagram showing an example of a direct force reduction direction range. The direct force reduction direction range is a predetermined range within which the direct force of the unit section calculated based on the current position of the excavation operating point Pw decreases in the direct force reduction direction search map selected by the control calculation unit 20d. The size and shape of the predetermined range may be determined in advance, or may be calculated as a range including the value (movement distance to the next step) obtained by multiplying the movement speed of the excavation operating point Pw by the calculation interval time of the controller.
次に,制御演算部20dは,直動力減少方向範囲の中に,レバー操作方向判定部20eから取得したブームシリンダ2の伸び方向又は縮み方向と一致する範囲1(図15参照)又はアームシリンダ3の伸び方向又は縮み方向と一致する範囲2(図15参照)が存在するか否かを判定する(S132)。直動力減少方向範囲の中に範囲1及び範囲2のいずれも存在しない場合,制御演算部20dはブームシリンダ2及びアームシリンダ3を停止させる(S140D)。直動力減少方向範囲の中に範囲1又は範囲2が存在する場合,制御演算部20dは,更に直動力減少方向範囲の中に範囲1と範囲2のどちらか一方が存在するか否かを判定し(S134),直動力減少方向範囲の中に範囲1と範囲2のどちらか一方が存在する場合,制御演算部20dは,範囲1と範囲2のうち,直動力減少方向範囲の中に存在する範囲内で直動力が減少する方向を演算し,その方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット107の爪先)が移動するようブームシリンダ2とアームシリンダ3を動作させるための制御指令を演算し,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3を動作させる(S140A)。 Next, the control calculation unit 20d determines whether the linear force reduction direction range includes range 1 (see Figure 15) that matches the extension or retraction direction of the boom cylinder 2 acquired from the lever operation direction determination unit 20e, or range 2 (see Figure 15) that matches the extension or retraction direction of the arm cylinder 3 (S132). If neither range 1 nor range 2 exists within the linear force reduction direction range, the control calculation unit 20d stops the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 (S140D). If range 1 or range 2 exists within the linear force reduction direction range, the control calculation unit 20d further determines whether either range 1 or range 2 exists within the linear force reduction direction range (S134). If either range 1 or range 2 exists within the linear force reduction direction range, the control calculation unit 20d calculates the direction in which the linear force will decrease within range 1 or range 2 that exists within the linear force reduction direction range, calculates a control command to operate the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 so that the digging operating point Pw (the tip of the bucket 107) of the front work implement 104 moves in that direction, and operates the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 (S140A).
次に,直動力減少方向範囲の中に範囲1と範囲2の双方が存在し,双方が重複している場合(S136),制御演算部20dは,範囲1と範囲2の重複範囲内で直動力が減少する方向を演算し,その方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット107の爪先)が移動するようブームシリンダ2とアームシリンダ3を動作させるための制御指令を演算し,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3を動作させる(S140B)。 Next, if both range 1 and range 2 exist within the range of the linear force reduction direction and overlap (S136), the control calculation unit 20d calculates the direction in which the linear force will decrease within the overlapping range of range 1 and range 2, calculates a control command to operate the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 so that the excavation operating point Pw (the tip of the bucket 107) of the front work implement 104 moves in that direction, and operates the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 (S140B).
ステップS136において,範囲1と範囲2の双方が重複していない場合,制御演算部20dは,範囲1と範囲2のうち,予め定めた一方の範囲を選択し,その範囲内で直動力が減少する方向を演算し,その方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット107の爪先)が移動するようブームシリンダ2とアームシリンダ3を動作させるための制御指令を演算し,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3を動作させる(S140C)。 In step S136, if range 1 and range 2 do not overlap, the control calculation unit 20d selects one of ranges 1 and 2, which is a predetermined range, calculates the direction in which the linear force will decrease within that range, calculates a control command to operate the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 so that the excavation operating point Pw (the tip of the bucket 107) of the front work implement 104 moves in that direction, and operates the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 (S140C).
図15は,限界値に達したシリンダ直動力Fb又はFaが減少する方向の範囲(直動力減少方向範囲)と,ブームシリンダ2の伸び方向又は縮み方向と一致する範囲1及びアームシリンダ3の伸び方向又は縮み方向と一致する範囲2を示す図である。 Figure 15 shows the range in which the cylinder linear force Fb or Fa decreases after reaching its limit value (linear force decreasing direction range), as well as range 1 which coincides with the extension or retraction direction of the boom cylinder 2 and range 2 which coincides with the extension or retraction direction of the arm cylinder 3.
ブームシリンダ2の直動力減少方向範囲及びアームシリンダ3の直動力減少方向範囲は,前述したように、例えば、制御演算部20dにおいて選択した直動力減少方向検索マップを用いて演算された範囲であり(図14のステップS130A),図15にその範囲が斜線で示されている。 As mentioned above, the linear force reduction direction range of the boom cylinder 2 and the linear force reduction direction range of the arm cylinder 3 are ranges calculated, for example, using the linear force reduction direction search map selected by the control calculation unit 20d (step S130A in Figure 14), and these ranges are indicated by diagonal lines in Figure 15.
図15において,ブームシリンダ2の伸び方向と一致する範囲1はアームシリンダ3によってアーム106が回動するときの掘削動作点Pwの移動軌跡Taのアーム106の回動支点Pv2側に形成され,ブームシリンダ2の縮み方向と一致する範囲1は移動軌跡Taのアーム106の回動支点Pv2の反対側かつ、ブームシリンダ2によってブーム105が回動するときの掘削動作点Pwの移動軌跡Tbのブーム105の回動支点Pv1側に形成される。アームシリンダ3の伸び方向と一致する範囲2は移動軌跡Tbの回動支点Pv1側に形成され,アームシリンダ3の縮み方向と一致する範囲2は移動軌跡Taの回動支点Pv2かつ移動軌跡Taの回動支点Pv1の反対側に形成される。 In Figure 15, range 1 coinciding with the extension direction of the boom cylinder 2 is formed on the pivot point Pv2 side of the arm 106 of the movement trajectory Ta of the excavation operating point Pw when the arm 106 is rotated by the arm cylinder 3, and range 1 coinciding with the retraction direction of the boom cylinder 2 is formed on the opposite side of the pivot point Pv2 of the arm 106 of the movement trajectory Ta and on the pivot point Pv1 side of the boom 105 of the movement trajectory Tb of the excavation operating point Pw when the boom 105 is rotated by the boom cylinder 2. Range 2 coinciding with the extension direction of the arm cylinder 3 is formed on the pivot point Pv1 side of the movement trajectory Tb, and range 2 coinciding with the retraction direction of the arm cylinder 3 is formed on the pivot point Pv2 of the movement trajectory Ta and on the opposite side of the pivot point Pv1 of the movement trajectory Ta.
~効果~
本実施形態によれば,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の少なくとも一方の伸縮方向が操作装置21a及び操作装置22aの操作信号が指示する伸縮方向と一致する場合に,ブーム105とアーム106の姿勢に応じて演算された,ブームシリンダ2又はアームシリンダ3の直動力が減少する方向にフロント作業機104の掘削動作点Pw(バケット先端)が移動するように制御を行うので,第1の実施形態の効果に加え,オペレータの操作をより反映した動作を行うことができ,操作性を一層向上させることができる。
~Effects~
According to this embodiment, when the extension/retraction direction of at least one of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 matches the extension/retraction direction indicated by the operation signals of the operation device 21a and the operation device 22a, control is performed so that the excavation operating point Pw (tip of the bucket) of the front work implement 104 moves in the direction in which the linear force of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3, calculated according to the attitude of the boom 105 and the arm 106, decreases. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, it is possible to perform operations that better reflect the operation of the operator, further improving operability.
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態を説明する。
Third Embodiment
A third embodiment of the present invention will now be described.
図16は,本実施形態に係わる油圧駆動装置の油圧回路を示す図である。図16に示す油圧駆動装置は,図2に示した油圧駆動装置と同様,可変容量型の油圧ポンプ10a(第1油圧ポンプ)及び油圧ポンプ10b(第2油圧ポンプ)と,オープンセンタ型の流量制御弁11a(第1流量制御弁)と,オープンセンタ型の流量制御弁12a(第2流量制御弁)と,オープンセンタ型の流量制御弁12b(第3流量制御弁)と,オープンセンタ型の第4流量制御弁11b(第4流量制御弁)と,リリーフ弁14a,14bとを備えている。 Figure 16 is a diagram showing the hydraulic circuit of the hydraulic drive system according to this embodiment. Similar to the hydraulic drive system shown in Figure 2, the hydraulic drive system shown in Figure 16 includes variable displacement hydraulic pump 10a (first hydraulic pump) and hydraulic pump 10b (second hydraulic pump), open center type flow control valve 11a (first flow control valve), open center type flow control valve 12a (second flow control valve), open center type flow control valve 12b (third flow control valve), open center type fourth flow control valve 11b (fourth flow control valve), and relief valves 14a and 14b.
また,本実施形態に係わる油圧駆動装置は,油圧ポンプ10aの吸収馬力が予め設定した最大馬力を超えないように油圧ポンプ10aの吐出流量を制御するレギュレータ56aと,油圧ポンプ10bの吸収馬力が予め設定した最大馬力を超えないように油圧ポンプ10bの吐出流量を制御するレギュレータ56bと,第1流量制御弁11aと第2流量制御弁12aとの間の第1センタバイパス通路15aを流れる圧油の中間圧力を検出する圧力センサ58a(第5センサ)と,第3流量制御弁12bと第4流量制御弁11bとの間の第2センタバイパス通路15bを流れる圧油の中間圧力を検出する圧力センサ58b(第6センサ)と,油圧ポンプ10aの吐出油路13aに接続され,油圧ポンプ10aの吐出圧力を検出する圧力センサ57a(第7センサ)と,油圧ポンプ10bの吐出油路13bに接続され,油圧ポンプ10bの吐出圧力を検出する圧力センサ57a(第8センサ)とを更に備えている。 The hydraulic drive system of this embodiment also includes a regulator 56a that controls the discharge flow rate of hydraulic pump 10a so that the absorption horsepower of hydraulic pump 10a does not exceed a preset maximum horsepower; a regulator 56b that controls the discharge flow rate of hydraulic pump 10b so that the absorption horsepower of hydraulic pump 10b does not exceed a preset maximum horsepower; a pressure sensor 58a (fifth sensor) that detects the intermediate pressure of pressurized oil flowing through the first center bypass passage 15a between the first flow control valve 11a and the second flow control valve 12a; a pressure sensor 58b (sixth sensor) that detects the intermediate pressure of pressurized oil flowing through the second center bypass passage 15b between the third flow control valve 12b and the fourth flow control valve 11b; a pressure sensor 57a (seventh sensor) that is connected to the discharge oil passage 13a of hydraulic pump 10a and detects the discharge pressure of hydraulic pump 10a; and a pressure sensor 57a (eighth sensor) that is connected to the discharge oil passage 13b of hydraulic pump 10b and detects the discharge pressure of hydraulic pump 10b.
図17は,レギュレータ56a,56bのポンプ制御特性を示す図である。 Figure 17 shows the pump control characteristics of regulators 56a and 56b.
図17において,Pminは全ての操作装置が操作されていないときの油圧ポンプ10a,10bの最小吐出圧力であり,Pmaxはリリーフ弁14a,14bの設定圧によって定まる油圧ポンプ10a,10bの最大吐出圧力であり,qmaxは油圧ポンプ10a,10bの構造によって定まる最大容量(最大傾転角)であり,Qmaxはqmaxにポンプ回転数を乗じた油圧ポンプ10a,10bの最大流量である。図17では,ポンプ回転数が一定であると仮定してQmaxを示している。 In Figure 17, Pmin is the minimum discharge pressure of the hydraulic pumps 10a, 10b when none of the operating devices are operated, Pmax is the maximum discharge pressure of the hydraulic pumps 10a, 10b determined by the set pressure of the relief valves 14a, 14b, qmax is the maximum capacity (maximum tilt angle) determined by the structure of the hydraulic pumps 10a, 10b, and Qmax is the maximum flow rate of the hydraulic pumps 10a, 10b calculated by multiplying qmax by the pump rotation speed. In Figure 17, Qmax is shown assuming that the pump rotation speed is constant.
油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力が最小圧力Pminと圧力Paの間にあるとき,油圧ポンプ10a,10bの最大容量はqmaxである。油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力が最小圧力Paと最大圧力Pmaxの間にあるとき,油圧ポンプ10a,10bの最大容量は「ポンプ吐出圧力×容量=一定」のトルク特性曲線CTmax)に制限され,油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力が上昇するにしたがって油圧ポンプ10a,10bの容量は減少し,油圧ポンプ10a,10bの吸収トルクが最大トルクTmaxを超えないように油圧ポンプ10a,10bの容量が制御される(トルク一定制御)。 When the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b is between the minimum pressure Pmin and pressure Pa, the maximum capacity of hydraulic pumps 10a, 10b is qmax. When the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b is between the minimum pressure Pa and maximum pressure Pmax, the maximum capacity of hydraulic pumps 10a, 10b is limited to the torque characteristic curve CTmax (pump discharge pressure x capacity = constant). As the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b increases, the capacity of hydraulic pumps 10a, 10b decreases, and the capacity of hydraulic pumps 10a, 10b is controlled so that the absorption torque of hydraulic pumps 10a, 10b does not exceed the maximum torque Tmax (constant torque control).
また,上記のように油圧ポンプ10a,10bの容量及びトルクが制御される結果,油圧ポンプ10a,10bの吐出流量及び吸収馬力も同様に制御される。すなわち,油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力が最小圧力Pminと圧力Paの間にあるとき,油圧ポンプ10a,10bの最大流量はQmaxである。油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力が最小圧力Paと最大圧力Pmaxの間にあるとき,油圧ポンプ10a,10bの最大流量は「ポンプ吐出圧力×流量=一定」の馬力特性曲線CHmax)に制限され,油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力が上昇するにしたがって油圧ポンプ10a,10bの吐出流量は減少し,油圧ポンプ10a,10bの吸収馬力が最大馬力Hmaxを超えないように油圧ポンプ10a,10bの吐出流量が制御される(馬力一定制御)。 Furthermore, as a result of controlling the capacity and torque of hydraulic pumps 10a, 10b as described above, the discharge flow rate and absorption horsepower of hydraulic pumps 10a, 10b are similarly controlled. That is, when the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b is between minimum pressure Pmin and pressure Pa, the maximum flow rate of hydraulic pumps 10a, 10b is Qmax. When the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b is between minimum pressure Pa and maximum pressure Pmax, the maximum flow rate of hydraulic pumps 10a, 10b is limited to the horsepower characteristic curve CHmax (pump discharge pressure x flow rate = constant). As the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b increases, the discharge flow rate of hydraulic pumps 10a, 10b decreases, and the discharge flow rate of hydraulic pumps 10a, 10b is controlled so that the absorption horsepower of hydraulic pumps 10a, 10b does not exceed maximum horsepower Hmax (constant horsepower control).
図18は,本実施形態に係わる制御システムを示す図である。 Figure 18 shows the control system related to this embodiment.
図18において,コントローラ20は,図18に示すように,図3に示した第1の実施形態のコントローラ20の機能要素に加えて,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fと直動力限界値演算部20gの機能要素を更に有し,記憶部20cに,第1の実施形態のコントローラ20の記憶部20cに記憶されていた直動力限界値(ブーム直動力Fbの限界値及びアーム直動力Faの限界値)に代えて,レギュレータ56a,56bの制御で用いる上記最大馬力Hmaxの設定を含むポンプ制御特性が記憶されている。 As shown in FIG. 18, the controller 20 further includes the functional elements of a maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f and a direct current power limit value calculation unit 20g in addition to the functional elements of the controller 20 of the first embodiment shown in FIG. 3, and the memory unit 20c stores pump control characteristics including the setting of the maximum horsepower Hmax used in controlling the regulators 56a and 56b, instead of the direct current power limit values (boom direct current power Fb limit value and arm direct current power Fa limit value) stored in the memory unit 20c of the controller 20 of the first embodiment.
また,コントローラ20には,図3に示した第1の実施形態のコントローラ20の入力信号(操作装置21a,22aの操作信号,圧力センサ25a,25b及び圧力センサ26a,26bの検出信号,IMU27,28の検出信号)に加えて,上述した圧力センサ58a,58bの検出信号が入力され,コントローラ20は,それらの入力信号に基づいて,図3に示した第1の実施形態のコントローラ20の演算処理に加え,以下の演算処理を行い,流量制御弁11a,12a,11b,12bを含む複数の流量制御弁と,レギュレータ56a,56bに指令信号を出力する。 In addition to the input signals of the controller 20 of the first embodiment shown in Figure 3 (operation signals from operation devices 21a, 22a, detection signals from pressure sensors 25a, 25b and pressure sensors 26a, 26b, and detection signals from IMUs 27, 28), the controller 20 also receives detection signals from the pressure sensors 58a, 58b described above.Based on these input signals, the controller 20 performs the following calculation processing in addition to the calculation processing of the controller 20 of the first embodiment shown in Figure 3, and outputs command signals to multiple flow control valves including flow control valves 11a, 12a, 11b, and 12b, and to regulators 56a and 56b.
まず,コントローラ20は,制御演算部20dにおいて,圧力センサ57a,57bの検出信号と記憶部20cに記憶したポンプ制御特性の最大馬力Hmaxに基づいて,油圧ポンプ10a,10bの吸収馬力が最大馬力を超えないように油圧ポンプ10aの吐出流量を制御する指令値を演算し,レギュレータ56a,56bに指令信号を出力する。レギュレータ56a,56bは,その指令信号に基づいて,前述したトルク/馬力一定制御を行う。 First, the controller 20 calculates, in the control calculation unit 20d, a command value for controlling the discharge flow rate of the hydraulic pump 10a based on the detection signals from the pressure sensors 57a, 57b and the maximum horsepower Hmax of the pump control characteristics stored in the memory unit 20c, so that the absorption horsepower of the hydraulic pumps 10a, 10b does not exceed the maximum horsepower, and outputs a command signal to the regulators 56a, 56b. Based on this command signal, the regulators 56a, 56b perform the constant torque/horsepower control described above.
なお,レギュレータ56a,56bの制御はコントローラ20から出力される指令信号による電子制御ではなく,油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力をレギュレータ56a,56bに導いて油圧ポンプ10a,10bの容量変更部材(例えば斜板)を駆動する油圧制御であってもよい。 Regulators 56a, 56b may not be electronically controlled by command signals output from controller 20, but may be hydraulically controlled by directing the discharge pressure of hydraulic pumps 10a, 10b to regulators 56a, 56b to drive capacity change members (e.g., swash plates) of hydraulic pumps 10a, 10b.
また,コントローラ20は,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fにおいて,操作装置21a,22aの操作信号と,圧力センサ58a,58bの検出信号と,ポンプ制御特性の最大馬力Hmaxとに基づいて,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のいずれかの直動力が限界値に達した過負荷状態にあると仮定した場合に最大馬力Hmaxによって制限される油圧ポンプ10a及び油圧ポンプ10bのそれぞれの最大可能吐出圧力を演算し,直動力限界値演算部20gにおいて,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれのピストンの受圧面積に最大可能吐出圧力を乗じることで,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動が停止して,ブームシリンダ2又はアームシリンダ3の排出側の圧力が0であると仮定したときのブームシリンダ2又はアームシリンダ3の最大可能直動力を演算し,制御演算部20dにおいて,この最大可能直動力を直動力の限界値として用い,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれに対して,限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向を演算する。 In addition, the controller 20 uses the operation signals from the operating devices 21a and 22a, the detection signals from the pressure sensors 58a and 58b, and the maximum horsepower Hmax of the pump control characteristics to calculate the maximum possible discharge pressure of each of the hydraulic pumps 10a and 10b, limited by the maximum horsepower Hmax, assuming that the linear force of either the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has reached its limit and is in an overloaded state. The maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f calculates the maximum possible linear force of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 when the drive of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has stopped and the pressure on the discharge side of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 is zero, by multiplying the pressure-receiving area of the piston of each of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 by the maximum possible discharge pressure. The control calculation unit 20d uses this maximum possible linear force as the limit value of the linear force and calculates the direction in which the linear force of the hydraulic cylinder that has reached its limit will be reduced for each of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3.
図19は,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fと直動力限界値演算部20gの処理内容の詳細を示すフローチャートである。図20は,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fにおける最大吐出可能圧力の演算原理の説明図である。 Figure 19 is a flowchart showing the details of the processing performed by the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f and the direct power limit value calculation unit 20g. Figure 20 is an explanatory diagram of the calculation principle for the maximum possible pump discharge pressure in the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f.
まず,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fは,ブームシリンダ2とアームシリンダ3のいずれかの直動力が限界値に達してブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動が停止する過負荷状態にあって,ブームシリンダ2又はアームシリンダ3に供給される圧油の流量が0であると仮定した場合に,任意のポンプ吐出圧Piを定め,その吐出圧力Piと,圧力センサ58a,58bによって検出したセンタバイパス通路15a.15bの中間圧力Pcと,現在の流量制御弁のセンタバイパス通路の開口面積Acとに基づいて,下記の式(9)に示すオリフィスの式によりセンタバイパス通過流量Qcを演算する(ステップS200)。 First, assuming that the direct force of either the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has reached its limit value and is in an overload state in which the drive of the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has stopped, and the flow rate of pressurized oil supplied to the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 is zero, the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f determines an arbitrary pump discharge pressure Pi, and calculates the center bypass flow rate Qc using the orifice equation shown in Equation (9) below based on that discharge pressure Pi, the intermediate pressure Pc of the center bypass passages 15a and 15b detected by the pressure sensors 58a and 58b, and the current opening area Ac of the center bypass passage of the flow control valve (step S200).
Ac:上流側流量制御弁のセンタバイパス開口面積
ある圧力Pp(Pi)に対してPcを検出すれば,上記オリフィス式からQcが
導出される。
Ac: Center bypass opening area of the upstream flow control valve
If Pc is detected for a certain pressure Pp (Pi), Qc can be calculated from the above orifice formula.
It is derived.
流量制御弁のセンタバイパス通路の開口面積Acは,操作装置21a,22aの操作信号と予め設定した流量制御弁11a,12bの開口面積特性(操作信号とメータイン開口面積との関係)とから算出することができる。 The opening area Ac of the center bypass passage of the flow control valve can be calculated from the operation signal of the operating devices 21a and 22a and the preset opening area characteristics of the flow control valves 11a and 12b (the relationship between the operation signal and the meter-in opening area).
次いで,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fは,過負荷状態におけるセンタバイパス通過流量Qcが馬力一定制御下の油圧ポンプ10a又は10bの最大流量QHmaxに等しいかどうか,すなわち,流量Qcが油圧ポンプ10a又は10bで吐出可能な流量であるかを判定する(ステップS210)。流量Qcが油圧ポンプ10a又は10bで吐出不可である場合,処理はステップS200に戻り,任意のポンプ吐出圧Piを変更し,ステップS210の判定で吐出可能となるまでステップS200,S210の処理を繰り返し,流量Qcが油圧ポンプ10a又は10bで吐出可能となる(流量Qcが最大流量QHmaxに等しくなる)任意のポンプ吐出圧Piを探索する。ステップS210の判定で,流量Qcが油圧ポンプ10a又は10bで吐出可能な場合,そのときの任意のポンプ吐出圧Piを最大可能吐出圧力として設定する(ステップS220)。 Next, the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f determines whether the center bypass flow rate Qc in an overload state is equal to the maximum flow rate QHmax of the hydraulic pump 10a or 10b under constant horsepower control, i.e., whether the flow rate Qc is a flow rate that can be discharged by the hydraulic pump 10a or 10b (step S210). If the flow rate Qc cannot be discharged by the hydraulic pump 10a or 10b, processing returns to step S200, where the arbitrary pump discharge pressure Pi is changed and steps S200 and S210 are repeated until the determination in step S210 indicates that discharge is possible, searching for an arbitrary pump discharge pressure Pi at which the flow rate Qc can be discharged by the hydraulic pump 10a or 10b (the flow rate Qc is equal to the maximum flow rate QHmax). If the determination in step S210 indicates that the flow rate Qc can be discharged by the hydraulic pump 10a or 10b, the arbitrary pump discharge pressure Pi at that time is set as the maximum possible discharge pressure (step S220).
次いで,直動力限界値演算部20gは,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の駆動が停止してブームシリンダ2又はアームシリンダ3の排出側の圧力が0であると仮定して,ブームシリンダ2又はアームシリンダ3のピストンの受圧面積に最大可能吐出圧力を乗じることで,ブームシリンダ2又はアームシリンダ3の最大可能直動力を演算する(ステップS230)。 Next, the linear force limit value calculation unit 20g assumes that the drive of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 has stopped and the pressure on the discharge side of the boom cylinder 2 or arm cylinder 3 is zero, and calculates the maximum possible linear force of the boom cylinder 2 or arm cylinder 3 by multiplying the pressure-receiving area of the piston of the boom cylinder 2 or arm cylinder 3 by the maximum possible discharge pressure (step S230).
前述したように,制御演算部20dは,その最大可能直動力を直動力の限界値として用い,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれに対して,限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向を演算する。 As mentioned above, the control calculation unit 20d uses this maximum possible linear force as the limit value of the linear force, and calculates the direction in which the linear force of the hydraulic cylinders that have reached their limit value, for the boom cylinder 2 and arm cylinder 3, will be reduced.
~効果~
本実施形態によれば,特に,操作装置21a,22aの操作レバーが微操作であって,油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力がリリーフ弁14a,14bの設定圧力まで上昇しない場合であっても,油圧回路の実際の動作状態に基づいて直動力の限界値を演算することで,より正確にブームシリンダ2及びアームシリンダ3のアクチュエータ直動力の限界値を設定でき,より効率よく掘削動作を行うことができる。
~Effects~
According to this embodiment, even if the operating levers of the operating devices 21a, 22a are operated finely and the discharge pressure of the hydraulic pumps 10a, 10b does not rise to the set pressure of the relief valves 14a, 14b, the limit value of the direct force can be calculated based on the actual operating state of the hydraulic circuit, so that the limit value of the actuator direct force of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 can be set more accurately, and excavation operations can be performed more efficiently.
<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態を説明する。
<Fourth embodiment>
A fourth embodiment of the present invention will now be described.
図21は,本実施形態に係わる制御システムを搭載した油圧ショベルの斜視図である。 Figure 21 is a perspective view of a hydraulic excavator equipped with a control system according to this embodiment.
本実施形態の制御システムは,上部旋回体103のキャビン110内に設置された表示装置70を更に備えている。 The control system of this embodiment further includes a display device 70 installed in the cabin 110 of the upper rotating body 103.
また,本実施形態に係わる油圧駆動装置の油圧回路は,図16に示した第3の実施形態に係わる油圧駆動装置と同じである。 Furthermore, the hydraulic circuit of the hydraulic drive system of this embodiment is the same as that of the hydraulic drive system of the third embodiment shown in Figure 16.
図22は,本実施形態に係わる制御システムを示す図である。 Figure 22 shows the control system related to this embodiment.
図22において,コントローラ20は,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fと制御演算部20dを含む,図18に示した第3の実施形態のコントローラ20と同様の機能要素を備えている。 In Figure 22, the controller 20 has functional elements similar to those of the controller 20 of the third embodiment shown in Figure 18, including a maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f and a control calculation unit 20d.
前述したように,コントローラ20は,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fにおいて,操作装置21a,22aの操作信号と,圧力センサ58a,58bの検出信号と,ポンプ制御特性の最大馬力Hmaxとに基づいて,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のいずれかの直動力が限界値に達した過負荷状態にあると仮定した場合に最大馬力Hmaxによって制限される油圧ポンプ10a及び油圧ポンプ10bのそれぞれの最大可能吐出圧力を演算する。 As described above, the controller 20 uses the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f to calculate the maximum possible discharge pressure of each of the hydraulic pumps 10a and 10b, limited by the maximum horsepower Hmax, based on the operation signals of the operating devices 21a and 22a, the detection signals of the pressure sensors 58a and 58b, and the maximum horsepower Hmax of the pump control characteristics, assuming that the direct force of either the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has reached its limit value and is in an overload state.
ただし,本実施形態においては,最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fで演算された最大可能吐出圧力は直動力限界値演算部20gだけでなく,制御演算部20dにも送られる。 However, in this embodiment, the maximum possible discharge pressure calculated by the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f is sent not only to the direct power limit value calculation unit 20g but also to the control calculation unit 20d.
また,制御演算部20dは,直動力限界値演算部20gで演算されたブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの最大可能直動力を用いて第1表示処理を行い,圧力センサ57a,57bの検出信号が示す油圧ポンプ10a,10bの吐出圧力と最大可能ポンプ吐出圧力演算部20fで演算された最大可能吐出圧力を用いて第2表示処理を行い,表示装置70に指令信号を出力する。 In addition, the control calculation unit 20d performs a first display process using the maximum possible linear forces of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 calculated by the linear force limit value calculation unit 20g, and performs a second display process using the discharge pressures of the hydraulic pumps 10a and 10b indicated by the detection signals of the pressure sensors 57a and 57b and the maximum possible discharge pressure calculated by the maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20f, and outputs a command signal to the display device 70.
図23は,制御演算部20dの第1表示処理を示すフローチャートである。 Figure 23 is a flowchart showing the first display process of the control and calculation unit 20d.
制御演算部20dは,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの直動力が限界値に達したかどうかをシリンダごとに判定し(ステップS300),ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のいずれも直動力が限界値に達しないときは,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のイラストの配色をデフォルト色(標準色)のままとする(ステップS310)。一方,制御演算部20dは,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のいずれかの直動力が限界値に達したとき,指令信号を表示装置70に出力し,直動力が限界値に達した油圧シリンダのイラストの配色をデフォルト色から変更する(ステップS320)。 The control calculation unit 20d determines for each cylinder whether the linear force of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 has reached its limit (step S300). If the linear force of neither the boom cylinder 2 nor the arm cylinder 3 has reached its limit, the color scheme of the illustrations of the boom cylinder 2 and the arm cylinder 3 remains the default color (standard color) (step S310). On the other hand, when the linear force of either the boom cylinder 2 or the arm cylinder 3 has reached its limit, the control calculation unit 20d outputs a command signal to the display device 70 and changes the color scheme of the illustration of the hydraulic cylinder whose linear force has reached its limit from the default color (step S320).
図24は,制御演算部20dの第2表示処理を示すフローチャートである。 Figure 24 is a flowchart showing the second display process of the control and calculation unit 20d.
制御演算部20dは,油圧ポンプ10a,10bのそれぞれの吐出圧力は最大可能吐出圧力に近づいたかどうかをポンプごとに判定し(ステップS350),油圧ポンプ10a,10bのいずれも吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいていないときは,油圧ポンプ10a,10bのイラストの配色をデフォルト色(標準色)のままとする(ステップS360)。一方,制御演算部20dは,油圧ポンプ10a,10bのいずれかの吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいたとき,指令信号を表示装置70に出力し,吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいた油圧ポンプのイラストの配色をデフォルト色から変更する(ステップS370)。 The control calculation unit 20d determines for each hydraulic pump 10a, 10b whether the discharge pressure has approached the maximum possible discharge pressure (step S350). If the discharge pressure of neither hydraulic pump 10a, 10b has approached the maximum possible discharge pressure, the color scheme of the illustration of the hydraulic pump 10a, 10b remains the default color (standard color) (step S360). On the other hand, when the discharge pressure of either hydraulic pump 10a, 10b has approached the maximum possible discharge pressure, the control calculation unit 20d outputs a command signal to the display device 70 and changes the color scheme of the illustration of the hydraulic pump whose discharge pressure has approached the maximum possible discharge pressure from the default color (step S370).
図25は,上記第1表示処理と第2表示処理により表示装置70に表示される画像の変化を示す図である。 Figure 25 shows the changes in the image displayed on the display device 70 due to the first and second display processes.
ブームシリンダ2及びアームシリンダ3のいずれか(図示の例ではアームシリンダ3)の直動力が限界値に達したとき,図25の右側に示すように,直動力が限界値に達した油圧シリンダ(アームシリンダ3)のイラストの配色が変わり,オペレータは,視覚的に,直動力が限界値に達した油圧シリンダを把握することができる。 When the linear force of either the boom cylinder 2 or arm cylinder 3 (arm cylinder 3 in the illustrated example) reaches its limit, the color of the illustration of the hydraulic cylinder (arm cylinder 3) whose linear force has reached its limit changes, as shown on the right side of Figure 25, allowing the operator to visually identify which hydraulic cylinder has reached its limit.
同様に,油圧ポンプ10a,10bのいずれか(図示の例では油圧ポンプ10b)の吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいたときは,図25の左側に示すように吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいた油圧ポンプ(図示の例では油圧ポンプ10b)のイラストの配色が変わり,オペレータは,視覚的に,吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいた油圧ポンプを把握することができる。 Similarly, when the discharge pressure of either hydraulic pump 10a or 10b (hydraulic pump 10b in the illustrated example) approaches the maximum possible discharge pressure, the color of the illustration of the hydraulic pump (hydraulic pump 10b in the illustrated example) whose discharge pressure is approaching the maximum possible discharge pressure changes, as shown on the left side of Figure 25, allowing the operator to visually identify which hydraulic pump has its discharge pressure approaching the maximum possible discharge pressure.
なお,本実施形態では,掘削時の油圧ポンプ10a,10bの負荷状態とブームシリンダ2及びアームシリンダ3の負荷状態の両方を表示装置70に表示させたが,一方だけを表示させてもよい。 In this embodiment, the display device 70 displays both the load state of the hydraulic pumps 10a, 10b and the load state of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 during excavation, but it is also possible to display only one of them.
~効果~
本実施形態によれば,オペレータは,視覚的に,吐出圧力が最大可能吐出圧力に近づいた油圧ポンプ,或いは直動力が限界値に達した油圧シリンダを把握することができるので,掘削時の油圧ポンプ10a,10b及び/又はブームシリンダ2及びアームシリンダ3の負荷状態を適切に把握することができ,操作効率を一層向上することができる。
~Effects~
According to this embodiment, the operator can visually identify hydraulic pumps whose discharge pressure is approaching the maximum possible discharge pressure, or hydraulic cylinders whose direct force has reached its limit value, so that the operator can properly understand the load state of the hydraulic pumps 10a, 10b and/or the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 during excavation, thereby further improving operating efficiency.
<その他>
上記実施形態では,限界値に達したブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力が減少する方向を算出するに際して,IMU27,28で検出したブームシリンダ2及びアームシリンダ3のそれぞれの姿勢を用いて掘削反力ベクトルを演算したが,姿勢に加え,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の速度と加速度と運動方程式を用いて掘削反力ベクトルを演算してもよい。
<Others>
In the above embodiment, when calculating the direction in which the linear forces of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 that have reached their limit values are decreasing, the excavation reaction force vector is calculated using the respective postures of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 detected by the IMUs 27 and 28. However, the excavation reaction force vector may also be calculated using the velocity, acceleration, and equation of motion of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 in addition to the postures.
ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の速度と加速度は,例えば,姿勢を検出するIMU27,28で検出してもよいし,独立した速度センサ及び加速度センサを用いてもよい。また,ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の姿勢を回転ジョイントの角度センサで計測する場合は,角度センサの角度情報を微分し,速度及び加速度を求めてもよい。 The speed and acceleration of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 may be detected, for example, by the IMUs 27 and 28 that detect their posture, or independent speed and acceleration sensors may be used. Furthermore, if the posture of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 is measured using an angle sensor on the rotary joint, the angle information from the angle sensor may be differentiated to determine the speed and acceleration.
ブームシリンダ2及びアームシリンダ3の速度と加速度を含めて掘削反力ベクトルを演算することで,掘削反力ベクトルをより正確に演算することができ,その結果,限界値に達したブームシリンダ2及びアームシリンダ3の直動力が減少する方向をより正確に演算でき,より効率よく掘削動作を行うことができる。 By calculating the excavation reaction force vector including the speed and acceleration of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3, the excavation reaction force vector can be calculated more accurately. As a result, the direction in which the direct forces of the boom cylinder 2 and arm cylinder 3 decrease when they reach their limit values can be calculated more accurately, allowing for more efficient excavation operations.
また,上記実施形態では,作業機械が油圧ショベルである場合について説明したが,作業機械は車体とブーム及びアームを備えるフロント作業機とを有するものであれば,油圧ショベル以外の作業機械(例えば,ホイール式の油圧ショベル,油圧クレーン,ホイールローダ等)であってもよい。 In addition, in the above embodiment, the working machine was described as a hydraulic excavator, but the working machine may be a working machine other than a hydraulic excavator (for example, a wheeled hydraulic excavator, a hydraulic crane, a wheel loader, etc.) as long as it has a vehicle body and a front working implement equipped with a boom and an arm.
100 油圧ショベル
103 上部旋回体(車体)
104 フロント作業機
105 ブーム
106 アーム
107 バケット
2 ブームシリンダ
3 アームシリンダ
4 バケットシリンダ
10a,10b 油圧ポンプ(第1及び第2油圧ポンプ)
11a,12a 流量制御弁(第1及び第2流量制御弁)
12a,12b 流量制御弁(第3及び第4流量制御弁)
13a,13b 吐出油路
14a,14b リリーフ弁
15a,15b センタバイパス通路(第1及び第2センタバイパス通路)
20 コントローラ
20a 直動力演算部
20b 姿勢演算部
20c 記憶部
20d 制御演算部
20e レバー操作方向判定部
20f 最大可能ポンプ吐出圧力演算部
20g 直動力限界値演算部
21,22 操作装置
21a ブーム用の操作装置
22a アーム用の操作装置
25a,25b 圧力センサ(第1センサ)
26a,26b 圧力センサ(第2センサ)
27,28 IMU(第3及び第4センサ)
56a,56b レギュレータ(第1及び第2レギュレータ)
57a,57b 圧力センサ(第7及び第8センサ)
58a,58b 圧力センサ(第5及び第6センサ)
70 表示装置
100 Hydraulic excavator 103 Upper rotating body (vehicle body)
104 Front working implement 105 Boom 106 Arm 107 Bucket 2 Boom cylinder 3 Arm cylinder 4 Bucket cylinder 10a, 10b Hydraulic pump (first and second hydraulic pumps)
11a, 12a: flow control valves (first and second flow control valves)
12a, 12b Flow control valves (third and fourth flow control valves)
13a, 13b: Discharge oil passages 14a, 14b: Relief valves 15a, 15b: Center bypass passages (first and second center bypass passages)
20 Controller 20a Direct-acting force calculation unit 20b Attitude calculation unit 20c Memory unit 20d Control calculation unit 20e Lever operation direction determination unit 20f Maximum possible pump discharge pressure calculation unit 20g Direct-acting force limit value calculation unit 21, 22 Operation device 21a Boom operation device 22a Arm operation device 25a, 25b Pressure sensor (first sensor)
26a, 26b Pressure sensors (second sensors)
27, 28 IMU (3rd and 4th sensors)
56a, 56b Regulators (first and second regulators)
57a, 57b Pressure sensors (seventh and eighth sensors)
58a, 58b Pressure sensors (fifth and sixth sensors)
70 Display device
Claims (6)
前記車体に対して上下方向に回動するブームと,前記ブームに対して上下方向に回動するアームとを備えたフロント作業機と,
前記車体と前記ブームに連結され,前記車体に対し前記ブームを上下方向に駆動するブームシリンダと,
前記ブームと前記アームに連結され,前記ブームに対し前記アームを上下方向に駆動するアームシリンダと,
前記ブームの動作を指示する操作信号を生成する第1操作装置と,
前記アームの動作を指示する操作信号を生成する第2操作装置と,
前記ブームシリンダの直動力に関するパラメータを検出する第1センサと,
前記アームシリンダの直動力に関するパラメータを検出する第2センサと,
前記ブームの姿勢を検出する第3センサと,
前記アームの姿勢を検出する第4センサとを備えた作業機械において,
前記第1操作装置及び前記第2操作装置の操作信号,前記第1センサ及び前記第2センサの検出信号,前記第3センサ及び前記第4センサの検出信号に基づいて前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの駆動を制御するコントローラを更に備え,
前記コントローラは,
前記第1操作装置と前記第2操作装置とが同時に操作され,前記ブームと前記アームを同時に駆動する複合操作に際し,前記第1センサ及び前記第2センサの検出信号に基づいて前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの直動力を演算し,
前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの直動力のいずれか一方が限界値に達した場合は,前記第3センサ及び前記第4センサの検出信号と前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの直動力とに基づいて前記限界値に達した直動力が減少する方向を演算し,前記直動力が減少する方向に前記フロント作業機の掘削動作点が移動するよう前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの駆動を制御することを特徴とする作業機械。 The car body and
a front working machine including a boom that rotates vertically relative to the vehicle body and an arm that rotates vertically relative to the boom;
a boom cylinder connected to the vehicle body and the boom and driving the boom in the up and down direction relative to the vehicle body;
an arm cylinder connected to the boom and the arm and driving the arm in a vertical direction relative to the boom;
a first operating device that generates an operating signal that instructs operation of the boom;
a second operating device that generates an operating signal that instructs the operation of the arm;
a first sensor for detecting a parameter related to the linear force of the boom cylinder;
a second sensor for detecting a parameter related to the linear force of the arm cylinder;
a third sensor for detecting the attitude of the boom;
a fourth sensor that detects the posture of the arm,
a controller that controls driving of the boom cylinder and the arm cylinder based on operation signals of the first operating device and the second operating device, detection signals of the first sensor and the second sensor, and detection signals of the third sensor and the fourth sensor,
The controller
when the first operating device and the second operating device are simultaneously operated to perform a combined operation in which the boom and the arm are simultaneously driven, a linear force of each of the boom cylinder and the arm cylinder is calculated based on the detection signals of the first sensor and the second sensor,
When either the linear force of the boom cylinder or the arm cylinder reaches a limit value, a direction in which the linear force that has reached the limit value will decrease is calculated based on the detection signals of the third sensor and the fourth sensor and the respective linear forces of the boom cylinder and the arm cylinder, and drive of the boom cylinder and the arm cylinder is controlled so that the excavation operating point of the front work machine moves in the direction in which the linear force is decreased.
前記コントローラは,
前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの直動力のいずれか一方が前記限界値に達した場合は,前記第3センサ及び前記第4センサの検出信号と前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの直動力とに基づいて前記フロント作業機の掘削動作点に作用する掘削反力ベクトルを演算し,前記掘削反力ベクトルと前記第3センサ及び前記第4センサの検出信号と前記直動力とに基づいて,前記掘削反力ベクトルの大きさを維持しながら前記限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向を演算することを特徴とする作業機械。 2. The work machine according to claim 1,
The controller
When either the linear forces of the boom cylinder or the arm cylinder reach the limit value, an excavation reaction force vector acting on the excavation operating point of the front work machine is calculated based on the detection signals of the third and fourth sensors and the linear forces of the boom cylinder and the arm cylinder, and the direction in which the linear force of the hydraulic cylinder that has reached the limit value will be reduced while maintaining the magnitude of the excavation reaction force vector is calculated based on the excavation reaction force vector, the detection signals of the third and fourth sensors, and the linear force.
前記コントローラは,
前記第1操作装置及び前記第2操作装置の操作信号に基づいて前記第1操作装置及び前記第2操作装置のそれぞれの操作方向が前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの伸び方向か縮み方向かを判定し,
前記限界値に達した直動力が減少する方向の範囲の中に,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの伸び方向又は縮み方向と一致する範囲が存在するかどうかを判定し,
前記一致する範囲が存在する場合は,前記一致する範囲内で,前記限界値に達した直動力が減少する方向を演算し,前記直動力が減少する方向に前記フロント作業機の掘削動作点が移動するよう前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの駆動を制御し,前記一致する範囲が存在しない場合は,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの駆動を停止させることを特徴とする作業機械。 3. The work machine according to claim 2,
The controller
determining whether the operation directions of the first operation device and the second operation device are the extension direction or the retraction direction of the boom cylinder and the arm cylinder based on the operation signals of the first operation device and the second operation device,
determining whether or not a range that coincides with the extension direction or retraction direction of the boom cylinder and the arm cylinder exists within a range in which the linear force that has reached the limit value decreases;
If the matching range exists, the direction in which the linear force that has reached the limit value will decrease within the matching range is calculated, and the drive of the boom cylinder and the arm cylinder is controlled so that the excavation operating point of the front work machine moves in the direction in which the linear force will decrease, and if the matching range does not exist, the drive of the boom cylinder and the arm cylinder is stopped.
可変容量型の第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプと,
前記第1油圧ポンプの吐出油路に接続された第1センタバイパス通路に接続され,前記第1油圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第1流量制御弁と,
前記第1流量制御弁の下流側で前記第1センタバイパス通路にタンデムに接続され,前記第1油圧ポンプから前記アームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第2流量制御弁と,
前記第2油圧ポンプの吐出油路に接続された第2センタバイパス通路に接続され,前記第2油圧ポンプから前記アームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第3流量制御弁と,
前記第3流量制御弁の下流側で前記第2センタバイパス通路にタンデムに接続され,前記第2油圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第4流量制御弁と,
前記第1油圧ポンプの吸収馬力が予め設定した最大馬力を超えないように前記第1油圧ポンプの吐出流量を制御する第1レギュレータと,
前記第2油圧ポンプの吸収馬力が予め設定した最大馬力を超えないように前記第2油圧ポンプの吐出流量を制御する第2レギュレータと,
前記第1流量制御弁と前記第2流量制御弁との間の前記第1センタバイパス通路を流れる圧油の中間圧力を検出する第5センサと,
前記第3流量制御弁と前記第4流量制御弁との間の前記第2センタバイパス通路を流れる圧油の中間圧力を検出する第6センサとを更に備え,
前記コントローラは,
前記第1レギュレータ及び前記第2レギュレータの制御で用いる前記最大馬力の設定を含むポンプ制御特性を記憶しておき,
前記第1操作装置及び前記第2操作装置の検出信号と,前記第5センサ及び前記第6センサの検出信号と,前記ポンプ制御特性の最大馬力とに基づいて,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのいずれかの直動力が前記限界値に達した過負荷状態にあると仮定した場合に前記最大馬力によって制限される前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプのそれぞれの最大可能吐出圧力を演算し,
前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれのピストンの受圧面積に前記最大可能吐出圧力を乗じることで,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれの最大可能直動力を演算し,前記最大可能直動力を前記直動力の限界値として用い,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのそれぞれに対して,前記限界値に達した油圧シリンダの直動力が減少する方向を演算することを特徴とする作業機械。 2. The work machine according to claim 1,
a first hydraulic pump and a second hydraulic pump of a variable displacement type;
a first flow control valve of an open center type connected to a first center bypass passage connected to a discharge oil passage of the first hydraulic pump, and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the first hydraulic pump to the boom cylinder;
a second flow control valve of an open center type connected in tandem to the first center bypass passage downstream of the first flow control valve and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the first hydraulic pump to the arm cylinder;
a third flow control valve of an open center type connected to a second center bypass passage connected to a discharge oil passage of the second hydraulic pump, and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the second hydraulic pump to the arm cylinder;
an open-center type fourth flow control valve connected in tandem to the second center bypass passage downstream of the third flow control valve and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the second hydraulic pump to the boom cylinder;
a first regulator that controls the discharge flow rate of the first hydraulic pump so that the absorption horsepower of the first hydraulic pump does not exceed a preset maximum horsepower;
a second regulator that controls the discharge flow rate of the second hydraulic pump so that the absorption horsepower of the second hydraulic pump does not exceed a preset maximum horsepower;
a fifth sensor that detects an intermediate pressure of pressure oil flowing through the first center bypass passage between the first flow control valve and the second flow control valve;
a sixth sensor that detects an intermediate pressure of pressure oil flowing through the second center bypass passage between the third flow control valve and the fourth flow control valve,
The controller
storing pump control characteristics including the setting of the maximum horsepower used in controlling the first regulator and the second regulator;
calculates the maximum possible discharge pressure of each of the first hydraulic pump and the second hydraulic pump, which is limited by the maximum horsepower, based on the detection signals of the first operating device and the second operating device, the detection signals of the fifth sensor and the sixth sensor, and the maximum horsepower of the pump control characteristics, assuming that the direct force of either the boom cylinder or the arm cylinder is in an overload state where it has reached the limit value;
a maximum possible linear force of each of the boom cylinder and the arm cylinder calculated by multiplying the pressure-receiving area of the piston of each of the boom cylinder and the arm cylinder by the maximum possible discharge pressure, and using the maximum possible linear force as a limit value of the linear force, a direction in which the linear force of the hydraulic cylinder that has reached the limit value will decrease is calculated for each of the boom cylinder and the arm cylinder.
前記ブーム,前記アーム,前記ブームシリンダ,前記アームシリンダを含む前記フロント作業機のイラストを表示する表示装置を更に備え,
前記コントローラは,
前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの直動力が前記限界値に達したかどうかをシリンダごとに判定し,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのいずれかの直動力が前記限界値に達したとき,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダの対応するもののイラストの配色を変更することを特徴とする作業機械。 2. The work machine according to claim 1,
a display device that displays an illustration of the front working implement including the boom, the arm, the boom cylinder, and the arm cylinder,
The controller
a work machine which determines whether the linear forces of the boom cylinder and the arm cylinder have reached the limit value for each cylinder, and when the linear force of either the boom cylinder or the arm cylinder has reached the limit value, changes the color of an illustration of the corresponding boom cylinder or arm cylinder.
可変容量型の第1油圧ポンプ及び第2油圧ポンプと,
前記第1油圧ポンプの吐出油路に接続された第1センタバイパス通路に接続され,前記第1油圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第1流量制御弁と,
前記第1流量制御弁の下流側で前記第1センタバイパス通路にタンデムに接続され,前記第1油圧ポンプから前記アームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第2流量制御弁と,
前記第2油圧ポンプの吐出油路に接続された第2センタバイパス通路に接続され,前記第2油圧ポンプから前記アームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第3流量制御弁と,
前記第3流量制御弁の下流側で前記第2センタバイパス通路にタンデムに接続され,前記第2油圧ポンプから前記ブームシリンダに供給される圧油の流量を制御するオープンセンタ型の第4流量制御弁と,
前記第1油圧ポンプの吸収馬力が予め設定した最大馬力を超えないように前記第1油圧ポンプの吐出流量を制御する第1レギュレータと,
前記第2油圧ポンプの吸収馬力が予め設定した最大馬力を超えないように前記第2油圧ポンプの吐出流量を制御する第2レギュレータと,
前記第1流量制御弁と前記第2流量制御弁との間の前記第1センタバイパス通路を流れる圧油の中間圧力を検出する第5センサと,
前記第3流量制御弁と前記第4流量制御弁との間の前記第2センタバイパス通路を流れる圧油の中間圧力を検出する第6センサと,
前記第1油圧ポンプの吐出圧力を検出する第7センサと,
前記第2油圧ポンプの吐出圧力を検出する第8センサと,
前記ブーム,前記アーム,前記ブームシリンダ,前記アームシリンダを含む前記フロント作業機のイラストを表示する表示装置とを更に備え,
前記コントローラは,
前記第1レギュレータ及び前記第2レギュレータの制御で用いる最大馬力の設定を含むポンプ制御特性を記憶しておき,
前記第1操作装置及び前記第2操作装置の検出信号と,前記第5センサ及び前記第6センサの検出信号と,前記ポンプ制御特性の最大馬力とに基づいて,前記ブームシリンダ及び前記アームシリンダのいずれかの直動力が前記限界値に達した過負荷状態にあると仮定したときの,前記最大馬力によって制限される前記第1油圧ポンプ及び前記第2油圧ポンプのそれぞれの最大可能吐出圧力を演算し,
前記第7センサによって検出された前記第1油圧ポンプの吐出圧力と前記第8センサによって検出された前記第2油圧ポンプの吐出圧力が前記最大可能吐出圧力に近づいたかどうかをポンプごとに判定し,前記第1油圧ポンプと前記第2油圧ポンプのいずれかの吐出圧力が前記最大可能吐出圧力に近づいたとき,前記吐出圧力が前記最大可能吐出圧力に近づいた油圧ポンプのイラストの配色を変更することを特徴とする作業機械。 2. The work machine according to claim 1,
a first hydraulic pump and a second hydraulic pump of a variable displacement type;
a first flow control valve of an open center type connected to a first center bypass passage connected to a discharge oil passage of the first hydraulic pump, and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the first hydraulic pump to the boom cylinder;
a second flow control valve of an open center type connected in tandem to the first center bypass passage downstream of the first flow control valve and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the first hydraulic pump to the arm cylinder;
a third flow control valve of an open center type connected to a second center bypass passage connected to a discharge oil passage of the second hydraulic pump, and controlling the flow rate of pressure oil supplied from the second hydraulic pump to the arm cylinder;
an open-center type fourth flow control valve connected in tandem to the second center bypass passage downstream of the third flow control valve and configured to control the flow rate of pressure oil supplied from the second hydraulic pump to the boom cylinder;
a first regulator that controls the discharge flow rate of the first hydraulic pump so that the absorption horsepower of the first hydraulic pump does not exceed a preset maximum horsepower;
a second regulator that controls the discharge flow rate of the second hydraulic pump so that the absorption horsepower of the second hydraulic pump does not exceed a preset maximum horsepower;
a fifth sensor that detects an intermediate pressure of pressure oil flowing through the first center bypass passage between the first flow control valve and the second flow control valve;
a sixth sensor that detects an intermediate pressure of pressure oil flowing through the second center bypass passage between the third flow control valve and the fourth flow control valve;
a seventh sensor that detects the discharge pressure of the first hydraulic pump;
an eighth sensor that detects the discharge pressure of the second hydraulic pump;
a display device that displays an illustration of the front working implement including the boom, the arm, the boom cylinder, and the arm cylinder,
The controller
storing pump control characteristics including a setting of a maximum horsepower used in controlling the first regulator and the second regulator;
calculates the maximum possible discharge pressure of each of the first hydraulic pump and the second hydraulic pump, which is limited by the maximum horsepower, based on the detection signals of the first operating device and the second operating device, the detection signals of the fifth sensor and the sixth sensor, and the maximum horsepower of the pump control characteristics, when it is assumed that the direct force of either the boom cylinder or the arm cylinder is in an overload state where it has reached the limit value;
a determination is made for each pump as to whether the discharge pressure of the first hydraulic pump detected by the seventh sensor and the discharge pressure of the second hydraulic pump detected by the eighth sensor have approached the maximum possible discharge pressure, and when the discharge pressure of either the first hydraulic pump or the second hydraulic pump approaches the maximum possible discharge pressure, the color of an illustration of the hydraulic pump whose discharge pressure has approached the maximum possible discharge pressure is changed.
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