JP2007138504A - 作業機械における作業アームデータ補正方法および作業機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】作業アームの部材重量、重心位置が変化しても、重量誤差、重心位置誤差を自動的に補正できる作業機械における作業アームデータ補正方法を提供する。
【解決手段】上部旋回体2に作業アームBをブーム取付けピンOにより回動自在に取付け、ブームシリンダ3aにより上下方向に回動する。作業アームBの姿勢をブーム角センサ7およびスティック角センサ8により検出するとともに、ブームシリンダ3aにかかる圧力をボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bにより検出して、吊り荷重を演算する。作業アームBを動かして姿勢を変化させる。各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、ブームシリンダ3aの保持力による取付けピンO回りのモーメントと、作業アームBの自重による取付けピンO回りのモーメントから、作業アームBの部材重量および重心位置の誤差を演算し、作業アームBの部材重量および重心位置のデータを補正する。
【選択図】図1
【解決手段】上部旋回体2に作業アームBをブーム取付けピンOにより回動自在に取付け、ブームシリンダ3aにより上下方向に回動する。作業アームBの姿勢をブーム角センサ7およびスティック角センサ8により検出するとともに、ブームシリンダ3aにかかる圧力をボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bにより検出して、吊り荷重を演算する。作業アームBを動かして姿勢を変化させる。各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、ブームシリンダ3aの保持力による取付けピンO回りのモーメントと、作業アームBの自重による取付けピンO回りのモーメントから、作業アームBの部材重量および重心位置の誤差を演算し、作業アームBの部材重量および重心位置のデータを補正する。
【選択図】図1
Description
本発明は、作業機械における作業アームの重量および重心位置の変化に対応できる作業アームデータ補正方法、およびその作業アームデータ補正機能を備えた作業機械に関する。
ショベルクレーン仕様の油圧ショベルは、作業アームの関節部にブーム角、スティック角、バケット角を検出する角度センサ、少なくともブームシリンダのヘッド圧およびロッド圧を検出する圧力センサを設けている。上記のセンサ入力と予めコントローラに記憶している作業アームの部材の座標、重量、重心位置データをもとに吊り荷重を演算して、過負荷になると警報を出力したり、作業アームの作業範囲を規制して転倒を防止するモーメントリミッタがある。(例えば、特許文献1参照)。
特開平11−230821号公報(第3−5頁、図1−5)
油圧ショベルは、掘削作業に応じて現場でバケットを交換する場合や、掘削対象によってブーム、スティック、バケットを補強する場合がある。このような場合、ブーム、スティック、バケットの重量、重心位置が変化するので、予めコントローラに設定しているフロントの部材の重量、重心データを用いると、演算した吊り荷重と実際の吊り荷重との間に誤差が生じるので、過負荷でのモーメントリミッタによる作業範囲の規制が甘くなり、機械が転倒する危険がある。
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、作業アームの部材重量、重心位置が変化しても、重量誤差、重心位置誤差を自動的に補正できる作業アームデータ補正方法およびその作業アームデータ補正機能を備えた作業機械を提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、機体に流体圧シリンダにより上下方向に回動される作業アームが取付けピンにより回動自在に取付けられ、作業アームの姿勢を角度センサにより検出するとともに、流体圧シリンダにかかる圧力を圧力センサにより検出して、作業アームの吊り荷重を演算する機能を備えた作業機械において、作業アームを動かして姿勢を変化させ、各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、流体圧シリンダの保持力による取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重による取付けピン回りのモーメントから、作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算し、作業アームの部材重量および重心位置のデータを補正する作業機械における作業アームデータ補正方法である。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の作業機械における作業アームデータ補正方法において、作業アームは、機体にブーム取付けピンにより回動自在に取付けられブームシリンダにより上下方向に回動されるブームと、ブームの先端に回動可能に取付けられたスティックとを備え、スティックを垂直姿勢に維持しながらブームを回動することにより、第1姿勢および第2姿勢を設定し、第1姿勢および第2姿勢では、吊り荷重誤差と、ブームシリンダの保持力によるブーム取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重によるブーム取付けピン回りのモーメントから、ブームおよびスティックの重量誤差を演算し、ブームを固定したままスティックを回動することにより、第3姿勢および第4姿勢を設定し、第3姿勢および第4姿勢では、前記重量誤差と、吊り荷重誤差と、ブームシリンダの保持力によるブーム取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重によるブーム取付けピン回りのモーメントから、スティック重心位置誤差を演算し、ブームおよびスティックの重量誤差、スティック重心位置誤差を補正値として、ブームおよびスティックの重量、スティック重心位置のデータを補正する作業アームデータ補正方法である。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の作業機械における作業アームデータ補正方法において、作業アームを、スティックの先端部にバケットを介して荷を吊るショベルクレーンとしたものである。
請求項4記載の発明は、機体と、この機体に取付けピンにより回動自在に取付けられた作業アームと、この作業アームを上下方向に回動する流体圧シリンダと、作業アームの姿勢を角度により検出する角度センサと、流体圧シリンダにかかる圧力を検出する圧力センサと、角度センサにより検出された角度および圧力センサにより検出された圧力より作業アームの吊り荷重を演算するとともに請求項1乃至3のいずれかに記載された作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算してこれらのデータを補正するコントローラとを具備した作業機械である。
請求項1記載の発明によれば、作業アームの部材重量、重心位置が変化しても、作業アームを複数の姿勢にして、各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、流体圧シリンダの保持力によるモーメントと、作業アームの自重によるモーメントから、作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算して、これらのデータを自動的に補正できる。
請求項2記載の発明によれば、スティックを垂直姿勢に維持しながらブームを回動することにより設定された第1姿勢および第2姿勢と、ブームを固定したままスティックを回動することにより設定された第3姿勢および第4姿勢とに操作することで、ブームおよびスティックの重量、スティックの重心位置のデータを簡単に補正できる。
請求項3記載の発明によれば、ショベルクレーンのブームおよびスティックの重量と、スティックの重心位置とを簡単に補正できる。
請求項4記載の発明によれば、作業アームの部材重量、重心位置が変化しても、作業アームを複数の姿勢にして、コントローラにより作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算した上で自動的に補正できる作業機械を提供できる。
以下、本発明を図1乃至図11に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。
図1は、作業機械としての油圧ショベルAを用いたショベルクレーンを示し、下部走行体1に機体としての上部旋回体2が旋回可能に設けられ、この上部旋回体2上に作業アームBおよびキャブCが搭載されている。
作業アームBは、上部旋回体2に取付けピンとしてのブーム取付けピンOによりブーム3の基端が上下方向回動自在に軸支され、このブーム3の先端にスティック4が回動自在に軸支され、このスティック4の先端にバケット5が回動自在に軸支され、このバケット5に吊り具6が設けられている。ブーム3は、流体圧シリンダとしてのブームシリンダ3aにより回動され、スティック4は、スティックシリンダ4aにより回動され、バケット5は、バケットシリンダ5aにより回動される。
ブーム3の基端軸支部には、ブーム3の回動角(以下、「ブーム角」という)を検出する角度センサとしてのブーム角センサ7が設けられ、ブーム3の先端軸支部には、スティック4の回動角(以下、「スティック角」という)を検出する角度センサとしてのスティック角センサ8が設けられ、ブームシリンダ3aのボトム側端とロッド側端とには、ブームシリンダ3aのボトム室内の圧力(以下、ボトム圧という)を検出する圧力センサとしてのボトム圧センサ9aと、ロッド室内の圧力(以下、ロッド圧という)を検出する圧力センサとしてのロッド圧センサ9bとがそれぞれ設けられている。
図2に示されるように、ブーム角センサ7、スティック角センサ8、ボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bは、コントローラ10の入力側に接続され、このコントローラ10の出力側は、キャブC内に設置された表示器(以下、「モニタ」という)11に接続されている。
コントローラ10は、ブーム角センサ7で検出されたブーム角α、スティック角センサ8で検出されたスティック角β、ボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bで検出されたブームシリンダ3aのボトム圧およびロッド圧により、吊り荷重Wおよび作業アームBの重量および重心位置を演算し、さらに、ショベルクレーンが転倒するおそれのあるモーメントとなる範囲への動きを制限したり、警告するモーメントリミッタ機能を備えている。
さらに、コントローラ10の入力側には、バケット5の交換や、ブーム3、スティック4またはバケット5の補強によるこれらの重量や重心位置の変化に対して、重量誤差、重心位置誤差を自動的に補正する較正処理を起動するための較正スイッチ12と、較正姿勢完了後に計測を指示するための測定スイッチ13とが接続されている。
コントローラ10は、作業アームBを動かして姿勢を変化させたときに、各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、ブームシリンダ3aの保持力によるブーム取付けピンO回りのモーメントと、作業アームBの自重によるブーム取付けピンO回りのモーメントから、作業アームBの部材重量および重心位置の誤差を演算し、作業アームBの部材重量および重心位置のデータを補正する演算・補正機能を備えている。このコントローラ10の演算・補正機能は、以下に説明する。
次に、図面に基づく具体的な作用・効果を説明する。
図3〜図8にコントローラの演算フローチャートを示す。図3は、全体フローチャートを示す。
図3において電源が投入されると、ステップm1で、コントローラ10に内蔵されたメモリから作業アームBの部材座標、重量、重心位置データを読込む。
次に、ステップm2で、ブーム角センサ7で検出されたブーム角α、スティック角センサ8で検出されたスティック角β、ボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bにより検出されたブームシリンダ3aのボトム圧およびロッド圧の各センサデータ、較正スイッチ12および測定スイッチ13の各スイッチ入力を読込む。
ステップm3で、較正スイッチ12がオンになったか否かを判定し、較正スイッチ12がオフの場合は、吊り荷重演算タスクm4で吊り荷重を求め、モーメントリミッタ演算タスクm5により過負荷の警報処理および作業範囲規制の処理を行う。
ステップm3で、較正スイッチ12がオンの場合は、補正演算タスクm6に入り、補正演算後のデータによって、吊り荷重演算タスクm4にて下記に説明する演算で吊り荷重を求め、次にモーメントリミッタ演算タスクm5にて、吊り荷重に基づいて過負荷の警報処理および作業範囲規制の処理を行う。
・吊り荷重Wgの演算式
ショベルクレーンの吊り荷重Wgの演算式についてまとめる。図9に、コントローラ10による演算を説明するための説明図を示す。この図9において、aはブーム先端位置を表わし、bはブーム3の重心位置を表わし、cはスティック4の重心位置を表わし、dはブームシリンダ3aのロッド先端位置を表わし、eはブームシリンダ3aのシリンダヘッド軸支位置を表わし、fはde線にたいするブーム取付けピンOからの垂線交差点を表わし、gはスティック先端位置(吊り荷重作用点)を表わす。
ショベルクレーンの吊り荷重Wgの演算式についてまとめる。図9に、コントローラ10による演算を説明するための説明図を示す。この図9において、aはブーム先端位置を表わし、bはブーム3の重心位置を表わし、cはスティック4の重心位置を表わし、dはブームシリンダ3aのロッド先端位置を表わし、eはブームシリンダ3aのシリンダヘッド軸支位置を表わし、fはde線にたいするブーム取付けピンOからの垂線交差点を表わし、gはスティック先端位置(吊り荷重作用点)を表わす。
以下の式において、Lは距離、Wは重量、Mはモーメント、Δは誤差、bmはブーム、stはスティック、αはブーム角センサ7で検出されたブーム角、βはスティック角センサ8で検出されたスティック角を表わす。
無負荷時の作業アームBの自重によるブーム取付けピンO回りのモーメントMbmOは、
MbmO=Wbm・Lob・cos(α+αab)+Wst・{Loa・cosα+Lac・cos(π−α−β−βcg)}……(1)
MbmO=Wbm・Lob・cos(α+αab)+Wst・{Loa・cosα+Lac・cos(π−α−β−βcg)}……(1)
Wbmはブーム3の自重、LobはOb間の距離、αabはOa・Ob間の角度、Wstはスティック4の自重、LoaはOa間の距離、Lacはac間の距離、βcgはx軸・ac間の角度であり、これらは、いずれも既知の定数であるから、無負荷時の作業アームBの自重によるブーム取付けピンO回りのモーメントMbmOは、ブーム角α、スティック角βを変数とする関数で演算できる。
また、吊り荷重Wgがある場合は、ブームシリンダ3aの保持力Fbmは、ブームシリンダ3aのボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bで検出された圧力(ボトム圧およびロッド圧)と、ブームシリンダ3aの片ロッド型ピストンの受圧面積(既知のボトム側受圧面積およびロッド側受圧面積)から求められる。
Fbm=(ボトム圧)×(ボトム側受圧面積)−(ロッド圧)×(ロッド側受圧面積)
ブームシリンダ3aの保持力Fbmによるブーム取付けピンO回りのモーメントMbmaは、
Mbma=Fbm・Lof ……(2)
LofはOf間の距離である。
ブームシリンダ3aの保持力Fbmによるブーム取付けピンO回りのモーメントMbmaは、
Mbma=Fbm・Lof ……(2)
LofはOf間の距離である。
Lof=Lod・cosγ……(3)
LodはOd間の距離、γはOd・Of間の角度である。
LodはOd間の距離、γはOd・Of間の角度である。
ブームシリンダ3aのde間の距離Ldeは、
Lde={Lod2+Loe2−2cos(α+αab+αbd+αxe)}1/2……(4)
LoeはOe間の距離、αxeは、X軸・Oe間の角度である。
Lde={Lod2+Loe2−2cos(α+αab+αbd+αxe)}1/2……(4)
LoeはOe間の距離、αxeは、X軸・Oe間の角度である。
γ=cos−1(Lod2+Lde2−Loe2/2・Lod2・Lde2)……(5)
上記の(5)式から、γは、Ldeを変数とする関数であり、さらに、(4)式から、Ldeは、ブーム角αを変数とする関数である。
上記の(5)式から、γは、Ldeを変数とする関数であり、さらに、(4)式から、Ldeは、ブーム角αを変数とする関数である。
したがって、(2)式および(3)式より、ブームシリンダ保持力Fbmによるブーム取付けピンO回りのモーメントMbmaは、ボトム圧、ロッド圧およびブーム角αを変数とする関数で演算できる。
吊り荷重Wgとブーム取付けピンO回りのモーメントMgの関係は、
Mg=Wg・{Loa・cosα+Lag・cos(π−α−β)}……(6)
Mg=Wg・{Loa・cosα+Lag・cos(π−α−β)}……(6)
Mg=Mbma−MbmO……(7)
(6)式および(7)式より、吊り荷重Wgは、
Wg=(Mbma−MbmO)/{Loa・cosα+Lag・cos(π−α−β)}……(8)
Wg=(Mbma−MbmO)/{Loa・cosα+Lag・cos(π−α−β)}……(8)
よって、吊り荷重Wgは、ブーム角α、スティック角β、ボトム圧およびロッド圧を変数とする関数で演算できる。
無負荷状態の場合は、この吊り荷重Wgが0となるが、バケット5の交換や、ブーム3、スティック4、バケット5の補強などにより、これらの重量、重心位置が変化すると、無負荷状態であっても吊り荷重が発生する。この無負荷状態における吊り荷重を、吊り荷重誤差ΔWgとする。
(I)補正演算タスク処理
図4に補正演算タスクのフローチャートを示す。補正演算タスクに入ると、次にステップa1で、補正タスクを切り換えるためのカウンタを1に設定する。次にステップa2で、ブーム角センサ7、スティック角センサ8、ボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bにより検出されたブーム角α、スティック角β、ボトム圧およびロッド圧の各センサデータを読み込み、ステップa3で、カウンタを判定する。
図4に補正演算タスクのフローチャートを示す。補正演算タスクに入ると、次にステップa1で、補正タスクを切り換えるためのカウンタを1に設定する。次にステップa2で、ブーム角センサ7、スティック角センサ8、ボトム圧センサ9aおよびロッド圧センサ9bにより検出されたブーム角α、スティック角β、ボトム圧およびロッド圧の各センサデータを読み込み、ステップa3で、カウンタを判定する。
カウンタが1のときは、ステップa4の第1姿勢演算タスク、カウンタが2のときは、ステップa5の第2姿勢演算タスク、カウンタが3のときは、ステップa6の第3姿勢演算タスク、カウンタが4のときは、ステップa7の第4姿勢演算タスクを実行する。カウンタが5のときは、ステップa8で、「モニタに補正処理が完了したこと」を表示して補正演算タスクから出る。
(II)ブーム3、スティック4の重量補正
図5に第1姿勢演算タスク、図6に第2姿勢演算タスクのフローチャートを示す。図10に第1姿勢および第2姿勢を示す。第1姿勢および第2姿勢はスティック4を垂直に維持しながら、ブーム角αのみを変えた姿勢である。
図5に第1姿勢演算タスク、図6に第2姿勢演算タスクのフローチャートを示す。図10に第1姿勢および第2姿勢を示す。第1姿勢および第2姿勢はスティック4を垂直に維持しながら、ブーム角αのみを変えた姿勢である。
図5の第1姿勢演算タスクに入ると、ステップb1で、モニタに「無負荷状態で第1姿勢にする」ことを表示する。次に、ステップb2で、作業アームBが第1姿勢になったか否かを、ブーム角センサ7およびスティック角センサ8により検出されたブーム角αおよびスティック角βにより判定する。作業アームBが第1姿勢になると、ステップb3で、モニタに「第1姿勢になったこと」を表示し、続いて「測定スイッチをオンにすること」を表示する。
ステップb4で、測定スイッチ13がオンになったことを検出すると、ステップb5で、上記の吊り荷重演算用の(8)式を用いて無負荷状態における吊り荷重誤差ΔWg1を求める。
次に、ステップb6で、下記の(9)、(11)、(12)式を用いて、第1姿勢における吊り荷重誤差ΔWg1により発生するブーム取付けピンO回りのモーメント誤差ΔMbm1、ブーム重心X軸座標位置Xbm1、スティック重心X軸座標位置Xst1を求める。ステップb7で、カウンタに1を足す。
カウンタ=2になると、図4の補正演算タスクのステップa3でカウンタが判断され、第2姿勢演算タスクa5に入る。
図6の第2姿勢演算タスクに入ると、ステップc1で、モニタに「無負荷状態で第2姿勢にする」ことをモニタ表示する。次に、ステップc2で、作業アームBが第2姿勢になったか否かを判定する。作業アームBが第2姿勢になると、ステップc3で、モニタに「第2姿勢になったこと」を表示し、続いて「測定スイッチをオンにすること」を表示する。
ステップc4で、測定スイッチ13がオンになったことを検出すると、ステップc5で、上記の吊り荷重演算用の(8)式を用いて無負荷状態における吊り荷重誤差ΔWg2を求める。次に、ステップc6で、下記の(13)、(15)、(16)式を用いて、第2姿勢における吊り荷重誤差ΔWg2により発生するブーム取付けピンO回りのモーメント誤差ΔMbm2、ブーム重心X軸座標位置Xbm2、スティック重心X軸座標位置Xst2を求める。
次にステップc7で、上記のΔMbm1、Xbm1、Xst1、ΔMbm2、Xbm2、Xst2を用いて、下記の(18)、(19)式によりブーム3およびスティック4の重量誤差(重量補正値)ΔWbm、ΔWstを求め、ステップc8で、カウンタに1を足す。
・ブーム3、スティック4の重量補正の演算式
スティック4を垂直にした第1姿勢および第2姿勢において、無負荷状態での吊り荷重誤差ΔWg1,ΔWg2をもとにブーム3とスティック4の重量誤差を導く。なお、式中の添数字1は第1姿勢、添数字2は第2姿勢、添数字3は第3姿勢、添数字4は第4姿勢を表わす。
スティック4を垂直にした第1姿勢および第2姿勢において、無負荷状態での吊り荷重誤差ΔWg1,ΔWg2をもとにブーム3とスティック4の重量誤差を導く。なお、式中の添数字1は第1姿勢、添数字2は第2姿勢、添数字3は第3姿勢、添数字4は第4姿勢を表わす。
第1姿勢における吊り荷重誤差をΔWg1とすると、この吊り荷重誤差ΔWg1により発生するブーム取付けピンO回りのモーメント誤差ΔMbm1は、
ΔMbm1=ΔWg1・Loa・cosα1……(9)
ΔMbm1=ΔWg1・Loa・cosα1……(9)
一方、ブーム3の重量誤差をΔWbm、スティック4の重量誤差をΔWstとすると、これらの重量誤差によるブーム取付けピンO回りのモーメント誤差ΔMbm1は次式で与えられる。
ΔMbm1=ΔWbm・Xbm1+ΔWst・Xst1……(10)
Xbm1=Lob・cos(α1+αab)……(11)
Xst1=Loa・cosα1……(12)
第2姿勢についても同様に、
ΔMbm2=ΔWg2・Loa・cosα2……(13)
ΔMbm2=ΔWg2・Loa・cosα2……(13)
ΔMbm2=ΔWbm・Xbm2+ΔWst・Xst2……(14)
Xbm2=Lob・cos(α2+αab)……(15)
Xst2=Loa・cosα2……(16)
(10)式×Xst2−(14)式×Xst1とすると、次式が得られる。
ΔMbm1・Xst2−ΔMbm2・Xst1=ΔWbm・(Xbm1・Xst2−Xbm2・Xst1)……(17)
(17)式を整理するとブーム3の重量誤差ΔWbmの演算式が得られる。
(17)式を整理するとブーム3の重量誤差ΔWbmの演算式が得られる。
ΔWbm=(ΔMbm1・Xst2−ΔMbm2・Xst1)/(Xbm1・Xst2−Xbm2・Xst1)……(18)
同様に、(10)式×Xbm2−(14)式×Xbm1とすると、次のスティック4の重量誤差ΔWstの演算式が得られる。
同様に、(10)式×Xbm2−(14)式×Xbm1とすると、次のスティック4の重量誤差ΔWstの演算式が得られる。
ΔWst=(ΔMbm1・Xbm2−ΔMbm2・Xbm1)/(Xbm2・Xst1−Xbm1・Xst2)……(19)
よって、第1姿勢および第2姿勢の吊り荷重誤差ΔWg1、ΔWg2、ブーム角α1、α2、スティック角β1、β2をもとに、(9)式、(11)式、(12)式、(13)式、(15)式、(16)式を演算でき、さらに、(18)、(19)式からブーム重量誤差ΔWbmとスティック重量誤差ΔWstを演算できるので、これらのΔWbmおよびΔWstを、ブーム重量補正値およびスティック重量補正値として、ブーム重量およびスティック重量を補正する。
よって、第1姿勢および第2姿勢の吊り荷重誤差ΔWg1、ΔWg2、ブーム角α1、α2、スティック角β1、β2をもとに、(9)式、(11)式、(12)式、(13)式、(15)式、(16)式を演算でき、さらに、(18)、(19)式からブーム重量誤差ΔWbmとスティック重量誤差ΔWstを演算できるので、これらのΔWbmおよびΔWstを、ブーム重量補正値およびスティック重量補正値として、ブーム重量およびスティック重量を補正する。
(III)スティック重心位置の補正
図7に第3姿勢演算タスク、図8に第4姿勢演算タスクのフローチャートを示す。図11に第3姿勢および第4姿勢を示す。第3姿勢および第4姿勢は、ブーム3を固定した状態でスティックシリンダ4aを最縮、最伸にした姿勢である。
図7に第3姿勢演算タスク、図8に第4姿勢演算タスクのフローチャートを示す。図11に第3姿勢および第4姿勢を示す。第3姿勢および第4姿勢は、ブーム3を固定した状態でスティックシリンダ4aを最縮、最伸にした姿勢である。
図7の第3姿勢演算タスクに入ると、ステップd1で、モニタに「無負荷状態で第3姿勢にする」ことをモニタ表示する。次に、ステップd2で、作業アームBが第3姿勢になったか否かを判定する。作業アームBが第3姿勢になると、ステップd3で、モニタに「第3姿勢になったこと」を表示し、続いて「測定スイッチをオンにすること」を表示する。
ステップd4で、測定スイッチ13がオンになったことを検出すると、ステップd5で、上記の吊り荷重演算用の(8)式を用いて無負荷状態における吊り荷重誤差ΔWg3を求める。次に、ステップd6で、以下の(20)式により第3姿勢におけるブーム取付けピンO回りのブームモーメント誤差ΔMbm3を求める。次にステップd7で、第3姿勢でのブーム角α3、スティック角β3を記憶し、ステップd8で、カウンタに1を足す。
カウンタ=4になると、図4の補正演算タスクのステップa3でカウンタが判断され、第4姿勢演算タスクa7に入る。
図8の第4姿勢演算タスクに入ると、ステップe1で、モニタに「無負荷状態で第4姿勢にすること」をモニタ表示する。次に、ステップe2で、作業アームBが第4姿勢になったか否かを判定する。作業アームBが第4姿勢になると、ステップe3で、モニタに「第4姿勢になったこと」を表示し、続いて「測定スイッチをオンにすること」を表示する。
ステップe4で、測定スイッチ13がオンになったことを検出すると、ステップe5で、上記(8)式の吊り荷重演算式を用いて無負荷状態における吊り荷重誤差ΔWg4を求める。
次に、ステップe6で、以下の(21)式により第4姿勢におけるブーム取付けピンO回りのブームモーメント誤差ΔMbm4を求め、次にステップe7で、第4姿勢でのブーム角α4、スティック角β4を記憶する。
そして、ステップe8で、上記のΔMbm3、α3、β3、ΔMbm4、α4、β4およびステップc7で求められたΔWstを用いて、下記の(28)式によりスティック4の重心位置誤差Δxcを求め、ステップe9で、カウンタに1を足す。
したがって、図4に示されたステップa3でカウンタ=5となるので、ステップa8で、モニタに「補正演算終了」を表示する。
・スティック重量位置の補正の演算式
第3姿勢および第4姿勢のブーム重量誤差ΔWbmとスティック重量誤差ΔWstによるブーム取付けピンO回りのモーメント誤差ΔMbm3,ΔMbm4は、次式で与えられる。図11に演算式の説明図を示す。
第3姿勢および第4姿勢のブーム重量誤差ΔWbmとスティック重量誤差ΔWstによるブーム取付けピンO回りのモーメント誤差ΔMbm3,ΔMbm4は、次式で与えられる。図11に演算式の説明図を示す。
ΔMbm3=ΔWbm・Xbm3+ΔWst・Xst3……(20)
ΔMbm4=ΔWbm・Xbm4+ΔWst・Xst4……(21)
ここで、Xbm3,Xbm4は、第3姿勢および第4姿勢のブーム重心X軸座標位置であり、Xst3,Xst4は、第3姿勢および第4姿勢のスティック重心X軸座標位置である。なお、ブーム3は固定されているので、ブーム重心X軸座標位置Xbm3=Xbm4となる。
このため、(20)式−(21)式とすると、次式が得られる。
Xst3−Xst4=(ΔMbm3−ΔMbm4)/ΔWst……(22)
一方、スティック4のスティック取付けピンaを原点としたx−y座標系において、スティック4の重心座標を(xc、yc)とし、荷重誤差に影響が大きいスティック重心のX軸方向の誤差Δxcのみを考慮すると、スティック重心X軸座標位置Xst3、Xst4は次式で与えられる。
Xst3=Loa・cosα3+(xc+Δxc)・cos(α3+β3−π)−yc・sin(α3+β3−π)…(23)
Xst4=Loa・cosα4+(xc+Δxc)・cos(α4+β4−π)−yc・sin(α4+β4−π)…(24)
ブーム3は固定していることから、α3=α4となるとともに、y軸成分(yc)が微小であるので、これを無視すると、(23)、(24)式より、
Xst3−Xst4=(xc+Δxc)・{cos(α3+β3−π)−cos(α4+β4−π)}……(25)
Xst3−Xst4=(xc+Δxc)・{cos(α3+β3−π)−cos(α4+β4−π)}……(25)
(22)式、(25)式より
(ΔMbm3−ΔMbm4)/ΔWst=(xc+Δxc)・{cos(α3十β3−π)−cos(α4+β4−π)}……(26)
(ΔMbm3−ΔMbm4)/ΔWst=(xc+Δxc)・{cos(α3十β3−π)−cos(α4+β4−π)}……(26)
xc+Δxc=(ΔMbm3−ΔMbm4)/〔ΔWst・{cos(α3+β3−π)−cos(α4+β4−π)}〕……(27)
Δxc=(ΔMbm3−ΔMbm4)/〔ΔWst・{cos(α3+β3−π)−cos(α4+β4−π)}〕−xc……(28)
よって、ステップd6、e6で演算されたモーメント誤差ΔMbm3、ΔMbm4、(II)で求めたスティック重量誤差ΔWst、ステップd7、e7で記憶されたブーム角α3=α4およびスティック角β3,β4、スティック4の重心座標xcを、(28)式に適用することで、スティック重心位置誤差Δxcを演算できるので、このスティック重心位置誤差Δxcをスティック重心位置補正値として、スティック重心位置を補正する。
以上のように、作業アームBを複数の特定姿勢にして、ブームシリンダの保持力によるモーメントと、作業アームBの自重によるモーメントから、ブーム3、スティック4の重量誤差ΔWbm、ΔWstおよびスティック重心位置誤差Δxcを演算して求める。
そして、これらの重量誤差ΔWbm、ΔWst、重心位置誤差Δxcのデータに基づき、ブーム3およびスティック4の部材重量、重心位置を補正して、吊り荷重および作業アームの重量および重心位置から転倒のおそれのあるモーメントとなる範囲への動きを規制するモーメントリミッタ制御、すなわち過負荷の警報処理および作業範囲規制の処理を行う。
(IV)効果
掘削作業に応じて現場でバケット5を交換する場合や、掘削対象によってブーム3、スティック4、バケット5を補強する場合等のブーム3、スティック4、バケット5の重量、重心位置が変化する場合においても、スティック4を垂直姿勢に維持しながらブーム3を回動することにより設定された第1姿勢および第2姿勢と、ブーム3を固定したままスティック4を最伸角度および最縮角度まで回動することにより設定された第3姿勢および第4姿勢とに操作する、現場での簡単な操作によって、ブーム3およびスティック4の重量、スティック4の重心位置のデータを簡単に補正できる。これにより、吊り荷重と実際の吊り荷重との誤差を補正し、モーメントリミッタの荷重精度を確保できるので、過負荷での作業範囲の規制が甘くなった場合に発生するショベルクレーンの転倒を防止できる。
掘削作業に応じて現場でバケット5を交換する場合や、掘削対象によってブーム3、スティック4、バケット5を補強する場合等のブーム3、スティック4、バケット5の重量、重心位置が変化する場合においても、スティック4を垂直姿勢に維持しながらブーム3を回動することにより設定された第1姿勢および第2姿勢と、ブーム3を固定したままスティック4を最伸角度および最縮角度まで回動することにより設定された第3姿勢および第4姿勢とに操作する、現場での簡単な操作によって、ブーム3およびスティック4の重量、スティック4の重心位置のデータを簡単に補正できる。これにより、吊り荷重と実際の吊り荷重との誤差を補正し、モーメントリミッタの荷重精度を確保できるので、過負荷での作業範囲の規制が甘くなった場合に発生するショベルクレーンの転倒を防止できる。
次に、本発明は、図1に示された油圧ショベルを用いたショベルクレーンのみに限定されるものではない。
要するに、機体に、流体圧シリンダにより上下方向に回動される作業アームが取付けピンにより回動自在に取付けられ、作業アームの姿勢を角度センサにより検出するとともに、流体圧シリンダにかかる圧力を圧力センサにより検出して、作業アームの吊り荷重を演算する機能を備えた作業機械であれば、本発明を適用できる。
その場合、変更後の作業アームの重量と重心位置とが未知数であるから、この作業アームを動かして姿勢を変化させ、角度センサにより検出されたデータにより作業アームの各姿勢を正確に把握し、各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、圧力センサにより検出された流体圧シリンダの保持力による取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重による取付けピン回りのモーメントから、作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算して求め、変更前の作業アームの部材重量および重心位置のデータを補正して、吊り荷重の演算およびモーメントリミッタの制御を行なう。
これにより、作業機械の作業アームの部品交換や補強などによって作業アームの部材重量、重心位置が変化しても、作業アームを複数の姿勢にして、無負荷状態での吊り荷重誤差と、流体圧シリンダの保持力によるモーメントと、作業アームの自重によるモーメントから、作業アームの部材重量および重心位置を自動的に補正できる。
A 作業機械としての油圧ショベル
B 作業アーム
2 機体としての上部旋回体
3 ブーム
3a 流体圧シリンダとしてのブームシリンダ
4 スティック
7,8 角度センサとしてのブーム角センサおよびスティック角センサ
9a,9b 圧力センサとしてのボトム圧センサおよびロッド圧センサ
B 作業アーム
2 機体としての上部旋回体
3 ブーム
3a 流体圧シリンダとしてのブームシリンダ
4 スティック
7,8 角度センサとしてのブーム角センサおよびスティック角センサ
9a,9b 圧力センサとしてのボトム圧センサおよびロッド圧センサ
Claims (4)
- 機体に流体圧シリンダにより上下方向に回動される作業アームが取付けピンにより回動自在に取付けられ、作業アームの姿勢を角度センサにより検出するとともに、流体圧シリンダにかかる圧力を圧力センサにより検出して、作業アームの吊り荷重を演算する機能を備えた作業機械において、
作業アームを動かして姿勢を変化させ、
各姿勢における無負荷状態での吊り荷重である吊り荷重誤差と、流体圧シリンダの保持力による取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重による取付けピン回りのモーメントから、作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算し、
作業アームの部材重量および重心位置のデータを補正する
ことを特徴とする作業機械における作業アームデータ補正方法。 - 作業アームは、機体にブーム取付けピンにより回動自在に取付けられブームシリンダにより上下方向に回動されるブームと、ブームの先端に回動可能に取付けられたスティックとを備え、
スティックを垂直姿勢に維持しながらブームを回動することにより、第1姿勢および第2姿勢を設定し、
第1姿勢および第2姿勢では、吊り荷重誤差と、ブームシリンダの保持力によるブーム取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重によるブーム取付けピン回りのモーメントから、ブームおよびスティックの重量誤差を演算し、
ブームを固定したままスティックを回動することにより、第3姿勢および第4姿勢を設定し、
第3姿勢および第4姿勢では、前記重量誤差と、吊り荷重誤差と、ブームシリンダの保持力によるブーム取付けピン回りのモーメントと、作業アームの自重によるブーム取付けピン回りのモーメントから、スティック重心位置誤差を演算し、
ブームおよびスティックの重量誤差、スティック重心位置誤差を補正値として、ブームおよびスティックの重量、スティック重心位置のデータを補正する
ことを特徴とする請求項1記載の作業機械における作業アームデータ補正方法。 - 作業アームは、スティックの先端部にバケットを介して荷を吊るショベルクレーンである
ことを特徴とする請求項2記載の作業機械における作業アームデータ補正方法。 - 機体と、
この機体に取付けピンにより回動自在に取付けられた作業アームと、
この作業アームを上下方向に回動する流体圧シリンダと、
作業アームの姿勢を角度により検出する角度センサと、
流体圧シリンダにかかる圧力を検出する圧力センサと、
角度センサにより検出された角度および圧力センサにより検出された圧力より作業アームの吊り荷重を演算するとともに請求項1乃至3のいずれかに記載された作業アームの部材重量および重心位置の誤差を演算してこれらのデータを補正するコントローラと
を具備したことを特徴とする作業機械。
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