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発明の名称 建設機械のアクチュエータ制御装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−3399(P2001−3399A)
公開日 平成13年1月9日(2001.1.9)
出願番号 特願平11−179997
出願日 平成11年6月25日(1999.6.25)
代理人 【識別番号】100067828
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司 (外2名)
【テーマコード(参考)】
2D003
3H089
【Fターム(参考)】
2D003 AA01 AB03 AB05 AB07 BA05 BB01 CA02 CA10 DA04 DB02 DB08 
3H089 AA46 BB17 BB19 CC11 DA02 DA06 DA14 DB03 DB47 DB49 FF07 GG02 JJ01
発明者 吉松 英昭
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 互いに関連して作動する複数の液圧アクチュエータを備え、この各液圧アクチュエータの液圧源である液圧ポンプが別々の電動機によって駆動される建設機械において、上記各液圧アクチュエータの作動速度を指令する操作手段と、その操作手段からの速度指令信号に基づいてアクチュエータの作動速度を制御する速度制御手段と、上記各液圧アクチュエータのうちの特定のアクチュエータに作用する負荷を検出する負荷検出手段とを備え、上記速度制御手段は、この負荷検出手段によって検出された負荷に応じて、他のアクチュエータがこの負荷を軽減する方向に速度制御されるように、この他のアクチュエータに対する上記操作手段からの速度指令信号に補正を加えるように構成されたことを特徴とする建設機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項2】 請求項1記載の建設機械のアクチュエータ制御装置において、互いに関連して作動する液圧アクチュエータとして、ショベルにおける掘削アタッチメントのアームを駆動するアームシリンダ、ブームを駆動するブームシリンダがそれぞれ用いられ、負荷検出手段は上記アームシリンダに作用する負荷を検出し、速度制御手段は、検出される負荷に応じて上記ブームシリンダがブーム上げ方向について増速されるように操作手段からの速度指令信号に補正を加えるように構成されたことを特徴とする建設機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項3】 請求項2記載の建設機械のアクチュエータ制御装置において、速度制御手段は、操作手段からの速度指令信号に基づいてブーム用電動機の回転速度を制御し、かつ、負荷検出手段によって検出される負荷に応じて上記速度指令信号に補正を加えるように構成されたことを特徴とする建設機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項4】 請求項2記載の建設機械のアクチュエータ制御装置において、液圧ポンプとして、レギュータにより傾転角が設定されて吐出量が制御される可変容量型ポンプが用いられ、速度制御手段は、操作手段からの速度指令信号に基づいて上記レギュータを介してポンプ吐出量を制御し、かつ、負荷検出手段によって検出される負荷に応じて上記速度指令信号に補正を加えるように構成されたことを特徴とする建設機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項5】 負荷検出手段が、液圧ポンプの吐出圧力を検出するように構成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の建設機械のアクチュエータ制御装置。
【請求項6】 負荷検出手段が、電動機の電流値を検出するように構成されたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の建設機械のアクチュエータ制御装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はショベル等の建設機械において電動機により液圧ポンプを回転させて液圧アクチュエータを駆動するアクチュエータ制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ショベル等の建設機械は、エンジンによって油圧ポンプを回転させ、この油圧ポンプから吐出油によってアクチュエータを駆動する構成をとっている。
【0003】このエンジン駆動方式をとる場合、ポンプとアクチュエータとの間にコントロールバルブ(方向制御弁)を設け、このコントロールバルブにより、アクチュエータに対して供給する油の量と方向を制御してアクチュエータの作動する速度と方向をコントロールしている。
【0004】しかし、この方式では、油圧エネルギーをコントロールバルブで絞り捨てる部分が多くてエネルギー損失が大きく、かつ、燃費が悪くて排ガスも多い等の問題があった。
【0005】そこで、最近、特願平11−93178号、特願平11−93210号に示されているように、電動機によって油圧ポンプを駆動し、あるいは走行動作のように電動機で直接作動させる電動機駆動方式が提案されている。
【0006】この電動機駆動方式の建設機械においては、電動機の回転速度と方向を変えることによってポンプからの油の吐出量と吐出方向を変化させ、アクチュエータの作動速度と方向をコントロールするものであり、エネルギー効率を大きく改善することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このように電動機の回転速度によってアクチュエータ速度を制御する制御方式によると、外力(負荷)の大小に関係なく指令した速度が得られるという特性から、従来の油圧制御方式の特長が失われるという問題がある。この点をショベルを例にとって説明する。
【0008】ショベルは、下部走行体(通常はクローラ)に上部旋回体を搭載し、この上部旋回体に、ブーム、アーム、バケットを備えた掘削アタッチメントを取付けて構成される。
【0009】油圧ショベルと称される従来のショベルにおいては、エンジンで油圧ポンプを回転させ、その吐出油を油圧アクチュエータ(油圧シリンダまたは油圧モータ)に供給してブーム起伏、アーム作動、バケット作動、旋回、走行を行わせ、アクチュエータごとに設けられたコントロールバルブのブリードオフ制御によってアクチュエータ流量(アクチュエータ速度)を制御する構成をとっている。
【0010】この従来の油圧ショベルの油圧回路例を図4に示している。
【0011】図中、1は第1油圧ポンプで、この第1油圧ポンプによって左走行モータ2,ブームシリンダ3,3、バケットシリンダ4が駆動され、第2ポンプ5によって右走行モータ6、旋回モータ7、アームシリンダ8が駆動される。
【0012】また、各アクチュエータごとに作動を制御するコントロールバルブとして、左走行用、ブーム用、バケット用、右走行用、旋回用、アーム用の各コントロールバルブ9,10,11,12,13,14が設けられるとともに、とくに高速作動が求められるアーム及びブームのためにアーム用及びブーム用増速コントロールバルブ15,16が設けられている。
【0013】この回路構成において、たとえば土を掘削する場合、オペレータはアームを掘削方向に作動させてバケットを土に食い込ませ、このバケット食い込み分だけブームを上げるように操作する。
【0014】この場合、土が硬い等の原因によって掘削抵抗が大きいとアームシリンダ8の圧力が上がってアームの作動速度が遅くなり、場合によってはアームが停止するため、掘削動作を続行するためにはブームの上げ速度を速めて、バケットの食い込み量を少なくし、アームにかかる負荷を小さくしてやる必要がある。
【0015】ここで、第1ポンプ1の流量の余剰分は同コントロールバルブ10のブリードオフ通路を通って下流に流れ、この下流に位置するアーム用増速コントロールバルブ15を通って、アーム用コントロールバルブ14を通る第2ポンプ5の流量と合流し、アームシリンダ8のヘッド側(伸長側)に流入する。
【0016】従って、上記のようにアームの掘削抵抗が高くなってアームシリンダ8のヘッド側圧力が高くなると、第1ポンプ1の圧力も上昇するため、ブームシリンダ3,3のヘッド側に流入する流量も増加してブームシリンダの作動速度が増加する。
【0017】この結果、アームの掘削抵抗が大きい場合にブームの上昇速度が自動的に増加し、掘削作業を行い易いシステムとなっている。
【0018】これと同様の機能は、バケットの底面を地面に押し当てて表面をならす「地均し」の作業時にも働く。
【0019】これに対し、電動機駆動方式をとると、このような特定のアクチュエータの負荷に応じて、この負荷を軽減する方向に他のアクチュエータの速度が自動制御される、という油圧制御方式の特長が失われる弊害が生じる。
【0020】そこで本発明は、油圧制御方式の持つ特長を電動機駆動方式にも生かすことができる建設機械のアクチュエータ制御装置を提供するものである。
【0021】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、互いに関連して作動する複数の液圧アクチュエータを備え、この各液圧アクチュエータの液圧源である液圧ポンプが別々の電動機によって駆動される建設機械において、上記各液圧アクチュエータの作動速度を指令する操作手段と、その操作手段からの速度指令信号に基づいてアクチュエータの作動速度を制御する速度制御手段と、上記各液圧アクチュエータのうちの特定のアクチュエータに作用する負荷を検出する負荷検出手段とを備え、上記速度制御手段は、この負荷検出手段によって検出された負荷に応じて、他のアクチュエータがこの負荷を軽減する方向に速度制御されるように、この他のアクチュエータに対する上記操作手段からの速度指令信号に補正を加えるように構成されたものである。
【0022】請求項2の発明は、請求項1の構成において、互いに関連して作動する液圧アクチュエータとして、ショベルにおける掘削アタッチメントのアームを駆動するアームシリンダ、ブームを駆動するブームシリンダがそれぞれ用いられ、負荷検出手段は上記アームシリンダに作用する負荷を検出し、速度制御手段は、検出される負荷に応じて上記ブームシリンダがブーム上げ方向について増速されるように操作手段からの速度指令信号に補正を加えるように構成されたものである。
【0023】請求項3の発明は、請求項2の構成において、速度制御手段は、操作手段からの速度指令信号に基づいてブーム用電動機の回転速度を制御し、かつ、負荷検出手段によって検出される負荷に応じて上記速度指令信号に補正を加えるように構成されたものである。
【0024】請求項4の発明は、請求項2の構成において、液圧ポンプとして、レギュータにより傾転角が設定されて吐出量が制御される可変容量型ポンプが用いられ、速度制御手段は、操作手段からの速度指令信号に基づいて上記レギュータを介してポンプ吐出量を制御し、かつ、負荷検出手段によって検出される負荷に応じて上記速度指令信号に補正を加えるように構成されたものである。
【0025】請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかの構成において、負荷検出手段が、液圧ポンプの吐出圧力を検出するように構成されたものである。
【0026】請求項6の発明は、請求項1乃至4のいずれかの構成において、負荷検出手段が、電動機の電流値を検出するように構成されたものである。
【0027】上記構成によると、電動機駆動方式をとりながら、油圧制御方式の特長である、関連した動作を行う二つのアクチュエータの一方(特定アクチュエータ)の負荷に応じて、この負荷を軽減させる方向に他方のアクチュエータの速度を自動制御するという機能を働かせることができる。
【0028】具体的には、請求項2のように、ショベルによる掘削時に、アームの負荷が大きくなったときにブームを上げ方向に速く作動させてアーム負荷を軽減し、掘削動作をスムースに行わせることができる。
【0029】この場合、請求項3では電動機の回転速度を制御することによってアクチュエータ速度を制御す方式をとる機械において、また請求項4ではポンプ吐出量を制御することによってアクチュエータ速度を制御する方式をとる機械においてそれぞれ上記機能が働く。
【0030】また、アクチュエータ負荷が、請求項5ではポンプの吐出圧力を通じて、請求項6では電動機の電流値を通じてそれぞれ検出される。
【0031】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を図1〜図3によって説明する。
【0032】この実施形態では、本発明の好適例であるショベルを適用対象として例にとっている。
【0033】図1にショベル全体の概略構成と機器配置、図2に駆動・制御系のブロック構成をそれぞれを示している。
【0034】両図において、21は下部走行体、22は上部旋回体、23は上部旋回体22の前部に装着された掘削アタッチメントである。
【0035】下部走行体21は、左右のクローラフレーム24及びクローラ25(いずれも片側のみ図示)から成り、両側クローラ25が、図2に示す左右の走行用電動機26,27及び同減速機28,29により個別に回転駆動されて走行する。
【0036】上部旋回体22の旋回フレーム30には、動力源としてのエンジン31と、このエンジン31によって駆動される発電機32と、バッテリ33が設置されるほか、旋回用電動機34と、同減速機35と、ブーム用電動機36と、このブーム用電動機36により回転駆動されるブームポンプ37と、アーム用電動機38と、このアーム用電動機38により回転駆動されるアームポンプと、バケット用電動機40と、このバケット用電動機40により回転駆動されるバケットポンプ41が設置されている。
【0037】掘削アタッチメント23は、ブーム42と、ブームポンプ37からの圧油により伸縮作動してブーム42を起伏させるブームシリンダ43と、アーム44と、このアーム44を回動させるアームシリンダ45と、バケット46と、このバケット46を作動させるバケットシリンダ47とを具備している。
【0038】図2に示すように、発電機31と、各電動機26,27,34,36,38,40及びバッテリ33との間にインバータ48…が設けられ、このインバータ48…により、■ 発電機32で作られた交流電力が直流に変換されてバッテリ33に蓄えられ、■ ショベル作動に伴う回生作用によって各電動機26,27,34,36,38,40に発生した交流電力が直流に変換されてバッテリ33に蓄えられ(回生充電作用)、■ バッテリ33の蓄電力が交流に変換されて各電動機26,27,34,36,38,40に供給される(放電作用)。
【0039】なお、インバータ48には、図示しないが切換手段が設けられ、オペレータの操作により、あるいは負荷状況に応じて自動で、上記充放電作用の切換が行われる。
【0040】また、各電動機ごとに、レバー操作によって作動速度を指令する操作手段としての左走行用、右走行用、旋回用、ブーム用、アーム用、バケット用の各操作部(たとえばポテンショメータ)50,51,52,53,54,55と、この操作部50〜55からの速度指令信号に基づいて電動機26,27,34,36,38,40の作動速度を制御するコントローラ56,57,58,59,60,61が設けられている。
【0041】さらに、アームポンプ39の吐出圧を検出する圧力センサ62が設けられ、同ポンプ吐出圧を通じてアーム負荷が検出される。
【0042】この圧力センサ62によって検出された圧力(アーム負荷)信号はブーム用コントローラ53に送られ、図1の掘削アタッチメント23による掘削作業時に、このコントローラ53からブーム用電動機36に送られる駆動信号が、アーム負荷に応じてブーム上げ増速方向に補正される。
【0043】この点の作用を次に詳述する。
【0044】たとえば、前記したようにアーム44を掘削方向に作動させ、バケット46を土に食い込ませる掘削動作を行っているときに、土が硬い場合等、掘削抵抗が大きいとアームシリンダ45の圧力が上がってアーム44の作動速度が遅くなり、場合によってはアーム44が停止する。
【0045】ここで、掘削動作を続行するためには、ブーム42の上げ速度を速めてバケット41の食い込み量を少なくし、アーム44にかかる負荷を小さくしてやる必要がある。
【0046】この場合、アームシリンダ45の圧力上昇に伴ってアームポンプ39の吐出圧力も上昇するため、このポンプ圧を計測することによってアーム負荷を検出することができる。
【0047】この実施形態では、このポンプ圧が圧力センサ62で検出され、ブーム用操作部53のブーム上げ操作量に応じてブーム用コントローラ59からブーム用電動機36に送られる駆動信号が、この圧力値(アーム負荷)に応じて増速方向に補正される。
【0048】具体的には、たとえばアーム負荷の関数で係数θを決めておき、操作量によって決まる基本指令値IB0に対して、アーム負荷に応じた補正値ΔIB0(=IB0×θ)を付加した値IB0′、すなわち、IB0′=IB0+ΔIB0=IB0+(θ×IB0)
を補正指令値としてブーム用電動機36に駆動信号として出力する。
【0049】これにより、ブーム用電動機36が基本指令値の場合よりも増速されてポンプ吐出量が増加し、図3に示すように操作量/ポンプ吐出量の特性が実線から破線にシフトして、従来の油圧制御方式で得られた、アーム負荷に応じてブーム上げ速度が自動的に増加するという操作性の良い特性が得られる。
【0050】他の実施形態(1)上記実施形態では、アームポンプ39のポンプ圧を通じてアーム負荷を検出するようにしたが、アーム負荷はアーム用電動機38の電流値にも表れるため、この電動機電流値をインバータ48内等で計測してもよい。
【0051】(2)上記実施形態では、アーム負荷の増加時にブーム用電動機36を増速させてポンプ吐出量を増加(ブーム上げ動作を増速)させるようにしたが、ブームポンプ37を可変容量型とし、これを制御するポンプレギュータに対するポンプ傾転角の指令信号値に補正を加えてブーム動作を増速するようにしてもよい。
【0052】(3)上記実施形態では、掘削時のアーム負荷に応じてブーム42を上げ動作させる場合の制御を例にとったが、バケット46を地面に押し当てて表面を均す「地均し」の作業時にも、同様にアーム負荷が増加するため、この場合にも本発明を適用してブーム42の上げ動作を増速させるようにしてもよい。
【0053】あるいは、旋回とブーム、アームとバケット、ブームとバケットの関係についても同様の制御方式をとることができる。
【0054】さらに本発明は、ショベル以外の他の建設機械においても、上記同様の状況を呈するアクチュエータ間の動作を制御する場合に広く適用することができる。
【0055】(4)本発明は油圧ポンプ、油圧アクチュエータを用いる建設機械に限らず、水圧ポンプ、水圧アクチュエータを用いる建設機械にも適用することができる。
【0056】
【発明の効果】上記のように本発明によるときは、互いに関連して作動する複数の液圧アクチュエータのうちの特定のアクチュエータに作用する負荷を検出し、この負荷に応じて、他のアクチュエータがこの負荷を軽減する方向に速度制御されるように、この他のアクチュエータに対する操作手段からの速度指令信号に補正を加えるように構成したから、請求項3の発明によると電動機の回転速度を制御することによってアクチュエータ速度を制御す方式をとる機械において、また請求項4の発明によるとポンプ吐出量を制御することによってアクチュエータ速度を制御する方式をとる機械において、電動機駆動方式をとりながら、油圧制御方式の特長である、関連した動作を行う二つのアクチュエータの一方(特定アクチュエータ)の負荷に応じて、この負荷を軽減させる方向に他方のアクチュエータの速度を自動制御するという機能を働かせることができる。
【0057】具体的には、請求項2の発明によるとショベルによる掘削時に、アームの負荷が大きくなったときにブームを上げ方向に速く作動させてアーム負荷を軽減し、掘削動作をスムースに行わせることができる。




 

 


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