JP2017071982A - 建設機械 - Google Patents

Abstract

【課題】マシンコントロール実行下の一連の掘削作業において、エンジンを含む原動機及び油圧ポンプの少なくとも一方の動力を作業状況に応じて制御可能な建設機械を提供する。
【解決手段】エンジン２２で生成した動力によって駆動される油圧ポンプ２と、油圧ポンプで生成した動力によって駆動される複数の油圧シリンダにより動作する作業装置とを備える建設機械において、制御コントローラ４０は、目標面上又はその上方にバケットの先端が位置するようにブームシリンダを制御するアクチュエータ制御部と、バケット爪先位置を角度センサ３０〜３３に基づいて算出する制御点位置算出部と、爪先位置と目標面の距離が閾値Ｄ以下のとき、その距離が閾値Ｄより大きいときよりもエンジン２２及び油圧ポンプ２の出力範囲を制限する動力発生装置制御部とで構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は建設機械に関する。

代表的な建設機械として油圧ショベルがある。油圧ショベルは、垂直方向それぞれに回動可能なブーム、アーム、バケット（作業具）からなる多関節型のフロント作業装置と、上部旋回体及び下部走行体からなる車体とで構成される。フロント作業装置の各部はそれぞれ回動可能に支持されている。そのため、例えばアームを車体側に引く動作をしながらバケット先端で直線状の仕上げ面（目標掘削面）を形成する場合には、オペレータはフロント作業装置の各部を複合的に動作させてバケット先端の軌跡を直線状にする必要があり、オペレータには熟練した技術が要求される。

そこで、直線掘削を行うための支援装置として、例えば特許文献１には掘削作業時のバケット先端の軌道（掘削軌道）が目標掘削面（目標面と称することもある）に沿うようにブーム角度を自動で変化させる技術が開示されている。このようにオペレータの操作に対して自動または半自動的にアクチュエータを制御し、ブーム、アーム、バケット、上部旋回体といった駆動対象を動作させる機能はマシンコントロールと呼称される。

特許文献１には、掘削支援装置の制御手段が、アームの掘削方向の動作時に、バケット先端が掘削軌道上を移動するようにアーム回転角の変化に応じてブーム回転角を変化させ、アームの掘削方向とは逆方向の動作時に、バケット先端が掘削軌道よりも所定高さ上方を移動するよう、アーム回転角度の変化に応じてブーム回転角度を変化させる、と記載されている。

ところで、油圧ショベルは作業内容によって必要とされるエンジン回転数および油圧ポンプ動力（ポンプ馬力）が異なるため、これら動力発生装置の動力を随時適切な値に変更することが好ましい。不適切なエンジン回転数およびポンプ馬力で運転がなされると、燃料消費量の増大や、操作性の悪化を招く。エンジン回転数は運転室内に設置されたエンジンコントロールダイヤルで手動調整可能である。しかし、一般に作業中のオペレータの両手は２本の操作レバーを握っていることが多く、その状態でエンジンコントロールダイヤルを調節することは容易ではない。また、作業中のオペレータ自身が作業に応じた最適なエンジン回転数を判断することは困難である。

例えば特許文献２には、油圧ショベル等の建設機械のエンジンおよび油圧ポンプの制御装置において、エンジンの電子制御式の燃料噴射ポンプを制御するエンジン制御部からエンジン負荷率を読み出し、安定化処理することで実効的エンジン負荷率を算出し、実効的エンジン負荷率をパラメータとして作業内容に合った作業モードを選択し、検出器が作業用アクチュエータの操作レバーの非操作を検出しているときに、作業モードの切り換えを指令し、該作業モードに相応したエンジン回転数と油圧ポンプ入力馬力となるように、エンジンおよび油圧ポンプの状態を制御するコントローラ、が記載されている。

特開２０１１−４３００２号公報 特開平１０−２５２５２１号公報

バケット先端の掘削軌道が目標掘削面に沿うようにブーム角度をマシンコントロールにより自動で変化させる場合（この種の制御は領域制限掘削制御と称されることがある）の実際の掘削作業は、（１）粗く目標掘削面を削りだす「粗掘削作業」と、（２）目標掘削面どおりに仕上げる「仕上げ作業」に分けることができる。粗掘削作業では、作業効率を高めるためにバケット爪先を素早く動かすことが好ましく、仕上げ作業では、バケット爪先が目標掘削面に沿うよう速度を落とし精度良く動かすことが好ましい。

粗掘削作業ではエンジンを高回転にして作業速度を確保することが好ましい一方で、仕上げ作業ではエンジンを低回転にしてバケット爪先の速度を落とし爪先位置の精度を確保することが好ましい。そのため、粗掘削作業を優先してエンジンを高回転に保持すると、仕上げ作業時に無駄な燃料消費が発生して省エネルギ化の要求にそぐわない。反対に、仕上げ作業と省エネルギ化を優先してエンジン回転数を低回転に保持すると、作業速度が低下し粗掘削作業で要求される作業スピードを確保できない。

また、精度が要求される仕上げ作業では、一度のアーム引き動作で仕上げ作業が完了するわけでなく、仕上げ掘削を複数回実施する必要がある。そのため、仕上げ作業でも、アーム押し動作で掘削開始地点にバケットを戻す際には、アクチュエータ動作を速くして作業効率を上げることが望ましい。さらに、仕上げ作業でバケット爪先の制御精度を確保するためには、エンジン回転数を下げた方がスプールストロークに対するアクチュエータの動作ゲインが低下して制御が容易になる。

一般的に、２本の操作レバーの一方のレバー（第１レバー）にはアーム及び旋回操作が割り当てられ、他方のレバー（第２レバー）にはブーム及びバケット操作が割り当てられている。アーム引きによる掘削作業と、アーム押しによる戻り作業中に、特許文献１に示されるようにマシンコントロールによりブームが自動制御される場合であっても、第１レバーでアーム操作をしながら、第２レバーでバケット角を掘削面に対して最適な状態に位置する必要があるため、第２レバーによるブーム操作は不要になるものの、第２レバーの操作が全く不要になるわけではない。したがって、一連の掘削作業中に、操作レバーから手を離しエンジンコントロールダイヤルを調節することは難しい。

また、油圧ポンプの傾転角の変更することや、複数台の油圧ポンプを搭載したショベルにおいて稼動させる油圧ポンプの台数を変更することで系としての油圧ポンプの出力を変更しても、作業装置の動作速度を変更することができる。そのため、上記のエンジン回転数の調節に代えて又は加えて油圧ポンプの出力範囲を作業内容に応じて調節することが好ましいが、エンジンコントロールダイヤルではエンジン回転数のみが調節可能であり、油圧ポンプ出力を調節することは当然出来ない。

次に、特許文献２に記載の建設機械のエンジンおよび油圧ポンプ制御装置は、作業モードの切り換えに安定化領域と切換領域とを設けて、実効的エンジン負荷率が一定時間以上、現時点の作業モードにおける切換領域に位置していた場合にモードの切り換えを行う。そのため、一旦作業モードが切り換わった場合には、すぐに元の作業モードに戻るべき状況であっても当該一定時間の経過を待たないと再び元の作業モードへと切り換らない構成となっている。また、レバー操作時には作業モードが切り換らない構成となっている。そのため、例えば低負荷となる仕上げ作業において、アーム引きによる動作で仕上げ作業を行った直後に、アームを押し方向へ動かすことで掘削開始地点へ移動し、再度アーム引きにより掘削するといった一連の掘削作業においては、エンジン回転数は低い状態で維持される。そのため、アーム押し方向への動作による掘削開始地点の移動速度は速いことが望ましいが、エンジン回転数が低い状態で維持されるために、高負荷となる粗掘削作業時に対して移動速度が低下する。

このように、引用文献２の技術を利用しても、エンジン回転数およびポンプ入力馬力を動作状況に応じて適切に制御をすることは出来ない。

なお、上記では油圧ポンプの駆動源がエンジンの場合を例示したが、エンジンに代えて電動モータ、電動発電機等の他の原動機を利用する建設機械の場合にも上記課題は共通する。

そこで本発明の目的は、マシンコントロール実行下の一連の掘削作業において、エンジンを含む原動機及び油圧ポンプの少なくとも一方の動力を作業状況に応じて制御可能な建設機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、原動機と、前記原動機で生成した動力によって駆動される油圧ポンプと、前記油圧ポンプで生成した動力によって駆動される複数の油圧アクチュエータにより動作する作業装置であって、当該作業装置の先端に作業具を有する作業装置と、任意に設定された目標面上又はその上方に前記作業具の先端が位置するように前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部とを備える建設機械において、前記作業具に対して設定された制御点の位置を前記作業装置の位置と姿勢に関する状態量に基づいて算出する制御点位置算出部と、前記制御点の位置と前記目標面の位置に基づいて算出される前記目標面と前記制御点の距離が閾値以下のとき、前記距離が閾値より大きいときよりも前記原動機及び前記油圧ポンプのうち少なくとも１つの出力範囲を制限する処理である出力制限制御を実行する動力発生装置制御部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、マシンコントロール実行下の一連の掘削作業において、エンジンを含む原動機及び油圧ポンプの少なくとも一方の動力が作業状況に応じて制御されるので、作業に必要な作業速度及び制御精度を確保しつつ、省エネルギ化を達成できる。

本発明の実施形態における油圧ショベルの構成図。 本発明の第１実施形態における制御システムの構成図。 本発明の第１実施形態における制御コントローラの機能ブロック図。 本発明の第１の実施形態における制御コントローラが実行する処理のフローチャート。 本発明の第２の実施形態における制御コントローラが実行する処理のフローチャート。 本発明の第３の実施形態における制御システムの構成図。 本発明の第３の実施形態における制御コントローラが実行する処理のフローチャート。 本発明の第４の実施形態における制御システムの構成図。 本発明の第４の実施形態における制御コントローラが実行する処理のフローチャート。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態を図１〜図４を用いて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る油圧ショベルの構成図である。この図に示す油圧ショベルは、垂直方向それぞれに回動可能なブーム８、アーム９、バケット（作業具）１０からなる多関節型のフロント作業装置５０と、上部旋回体１２及び下部走行体１１からなる車体とで構成される。フロント作業装置５０のブーム８の基端部は、上部旋回体１２に回動可能に支持されており、フロント作業装置５０の先端にはバケット１０が位置する。なお、ここではフロント作業装置５０の先端に取り付けられる作業具（アタッチメント）がバケット１０の場合を例示するが、いうまでもなく他の作業具に交換しても本実施の形態は適用可能である。

上部旋回体１２には、エンジン（原動機）２２と、エンジン２２で生成した動力によって駆動される油圧ポンプ２が搭載されている。フロント作業装置５０の各部は、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に、油圧ポンプ２で発生した圧油を供給することでこれら複数の油圧アクチュエータ５，６，７が適宜駆動して動作する。

上部旋回体１２上のキャブ内には、右操作レバー１ａと、左操作レバー１ｂと、走行右レバー２３ａと、走行左レバー２３ｂが設けられている。なお、以下では、右操作レバー１ａと左操作レバー１ｂをまとめて操作レバー１、走行右レバー２３ａと走行左レバー２３ｂをまとめて走行レバー２３と称することがある。

オペレータによって走行右レバー２３ａ、走行左レバー２３ｂ、右操作レバー１ａ、左操作レバー１ｂが操作されると、そのレバー操作量（例えば、レバーストローク）に応じて、油圧ポンプ２やコントロールバルブ２０を制御するためのパイロット圧（以下、操作圧と称する）が発生する。油圧ポンプ２から吐出した圧油がコントロールバルブ２０を介して走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂ、旋回油圧モータ４、ブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７に供給される。油圧ポンプ２から供給された圧油によってブームシリンダ５、アームシリンダ６、バケットシリンダ７が伸縮することで、ブーム８、アーム９、バケット１０がそれぞれ回動し、バケット１０の位置及び姿勢が変化する。これによりオペレータが右操作レバー１ａ、左操作レバー１ｂを操作することによって、フロント作業装置５０の対象部分を駆動させ、所望のフロント作業装置５０の動きが実現される。また、油圧ポンプ２から供給された圧油によって旋回油圧モータ４が回転することで、下部走行体１１に対して上部旋回体１２が旋回する。さらに、油圧ポンプ２から供給された圧油によって走行右油圧モータ３ａ、走行左油圧モータ３ｂが回転することで、下部走行体１１が走行する。

一方、ブーム８、アーム９、バケット１０の回動角度を測定可能なように、ブーム８の回転中心となるブームピン（図示せず）にブーム角度センサ３０、アーム９の回転中心となるアームピン（図示せず）にアーム角度センサ３１、アーム９とバケット１０を連結するリンク機構であるバケットリンクにバケット角度センサ３２が取付けられている。上部旋回体１２には、上部旋回体１２の前後、左右の傾斜を測定可能なように、車体傾斜センサ３３が取付けられている。

図２は、本発明の実施形態に係る掘削制御システムの構成図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略することがある。図２に示した掘削制御システムは、システム全体の制御を司るコンピュータ（例えばマイクロコンピュータ）である制御コントローラ４０と、目標面の設定制御を司るコンピュータを含む装置である目標面コントローラ４１と、表示部（液晶モニタ等の表示装置）４３の表示制御を司るコンピュータである表示コントローラ４２を備えている。

制御コントローラ４０は、プロセッサである中央処理装置（ＣＰＵ）９２と、記憶装置であるリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）９３及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）９４と、制御コントローラ４０の外部装置とのデータ・信号のやり取りを行うための入出力部（図示せず）とを有している。なお、他のコントローラ４１，４２もＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力部に対応するハードウェア構成を備えるが重複するのでここでは制御コントローラ４０の構成のみ説明する。

ＲＯＭ９３は、制御プログラムが記憶された記録媒体であり、ＣＰＵ９２は、ＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムに従って入出力部及びメモリ９３，９４から取り入れた信号に対して所定の演算処理を行う。入出力部は、外部装置からのデータ・信号を入出力し、入出力するに際して必要に応じてＡ／Ｄ変換またはＤ／Ａ変換を行う。例えば、入出力部は、操作レバー１からの操作信号、角度センサ３０，３１，３２及び車体傾斜センサ３３からの角度信号を入力してＡ／Ｄ変換する。また、入出力部は、ＣＰＵ９２での演算結果に応じた出力用の信号を作成し、その信号を表示コントローラ４２、電磁弁２１、エンジン２２、油圧ポンプ２に出力することで、出力先の装置を制御する。

なお、図２の制御コントローラ４０は、記憶装置としてＲＯＭ９３及びＲＡＭ９４という半導体メモリを備えているが、ハードディスクドライブ等の磁気記憶装置を備え、これに制御プログラムを記憶しても良い。

制御コントローラ４０には、作業装置５０の位置と姿勢に関する状態量としてブーム８、アーム９、バケット１０の回動角及び上部旋回体１２の傾斜角（車体傾斜角）を検出するブーム角度センサ３０、アーム角度センサ３１、バケット角度センサ３２および車体傾斜センサ３３が接続されており、制御コントローラ４０にこれら角度センサ３０〜３３の検出角が入力される。

また、制御コントローラ４０には、目標面コントローラ４１、表示コントローラ４２、操作レバー１、電磁弁２１、エンジン２２、油圧ポンプ２、マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ（以下、ＭＣスイッチと称する）４８と、モード選択スイッチ４４がそれぞれ接続されている。

電磁弁２１は、図１で説明したパイロット圧（操作圧）の油圧ラインに設けられており、オペレータの操作レバー１の操作によって発生した操作圧を下流で増減することが可能である。

目標面コントローラ４１は、任意に目標面を設定するための装置であり、例えば、２本の操作レバー１の一方または両方のグリップ（把持部）又はその周辺に設けられた複数のスイッチ又はこれに類する操作装置を含んでいる。本実施の形態の目標面コントローラ４１は、目標掘削面の設定に用いられる設定スイッチ（図示せず）と、一旦設定された目標面を解除する解除スイッチ（図示せず）を備えている。設定スイッチが押下されるとそのときのバケット１０の爪先の位置が制御コントローラ４０に記憶される。設定スイッチの押下操作を繰り返すと２点の地点が制御コントローラ４０に記憶され、当該２点の地点で定義される直線により目標面が設定される。一方、解除スイッチが押下されると設定スイッチにより設定された目標面が解除できる。

なお、本実施の形態では、旋回中心軸を含みフロント作業機の中心を通る平面上にショベルの基準座標を設定し、基準座標上の２点を選択する事により目標面を設定する。尚、目標面は上述した２点を含み、基準座標に直行する面である。また、本実施の形態では当該平面上にショベル基準座標を設定している。なお、設定スイッチにより設定された目標面は、表示部（モニタ）４３上に模式図として表示したり数値で表示したりして、設定された目標掘削面をオペレータが確認できるように構成しても良い。

ＭＣスイッチ４８には、ＯＮとＯＦＦの２つの切換位置が用意されており、その切換位置に応じてマシンコントロール（領域制限掘削制御）のＯＮ／ＯＦＦを択一的に切り換える信号（図３のオンオフ信号）を制御コントローラ４０に出力する。

ＭＣスイッチ４８がＯＮ位置にある場合には、制御コントローラ４０（後述のアクチュエータ制御部３０３）によって、バケット１０の爪先が目標掘削面内（目標掘削面より下方の領域）に侵入しないように電磁弁２１が制御される、いわゆる領域制限掘削制御がマシンコントロールとして実行される。反対にＭＣスイッチ４８がＯＦＦ位置にある場合には領域制限掘削制御は実行されない。

マシンコントロールがＯＮの場合には、制御コントローラ４０（後述のアクチュエータ制御部３０３）によって、目標面コントローラ４１で設定された目標掘削面上又はその上方にバケット１０の爪先が位置するように３種の油圧シリンダ５，６，７のうち少なくともブームシリンダ５が電磁弁２１により制御される領域制限掘削制御が実行される。これによりバケット１０の爪先が目標掘削面より下方の領域に侵入することが抑制され、オペレータの技術の有無に関わらず精緻な目標掘削面の形成が容易になる。

また、制御コントローラ４０は、領域制限掘削制御の実行下（ＭＣスイッチ４８がＯＮのとき）における掘削モードとして、仕上げモード（第１モード）と粗掘削モード（第２モード）を択一的に選択可能に構成されている。本実施の形態では、オペレータが任意に掘削モードを選択可能な装置として、モード選択スイッチ（切換装置）４４を備えている。モード選択スイッチ４４には、仕上げモード用と粗掘削モード用の２つの切換位置が用意されており、その切換位置に応じて仕上げモードと粗掘削モードを択一的に切り換える信号（図３の選択モード信号）を制御コントローラ４０に出力する。モード選択スイッチ４４は、右操作レバー１ａや左操作レバー１ｂにおける把持部又はその周辺、運転室内のコンソール等、オペレータが操作しやすい場所に設けることが望ましい。

粗掘削モードは、掘削精度よりも掘削速度を優先するため、オペレータ操作に対するアクチュエータの減速の割合が少なくなるよう制御される。例えば、アーム引き動作によって水平掘削を行う場合には、アーム引きの速度はオペレータ入力に対応した速度となるよう電磁弁２１は制御され、また爪先の目標掘削面の下方の領域への侵入を防ぐためにブーム上げ動作が行われるよう電磁弁２１が制御される。このとき、バケット１０の目標掘削面に対する角度が一定となるよう電磁弁２１を制御しても良い。一方、仕上げモードでは、掘削精度を優先するため、オペレータ操作に対する油圧アクチュエータの減速の割合が、粗掘削モードに対して大きくなる。

図３は、本発明の実施形態に係る制御コントローラ４０のＲＯＭ９３に記憶された制御プログラムにより実行される機能をブロック図で示したものである。この図に示すように制御コントローラ４０は、制御点位置算出部（爪先位置算出部）３０１と、掘削モード判定部３０２と、アクチュエータ制御部３０３と、エンジン制御部３０４と、ポンプ制御部３０５として機能する。このうち、エンジン制御部３０４とポンプ制御部３０５をまとめて動力発生装置制御部３１０と称することもある。なお、図３に示した各部は、ＲＯＭ９３に記憶される制御プログラムとしてソフトウェア的に構成しても良いし、回路又は装置によりハードウェア的に構成しても良い。その際２つ以上の機能を統合しても良いし、１つの機能を複数に分散しても良い。

制御コントローラ４０は、目標面コントローラ４１からショベル基準座標に対する目標掘削面の位置情報を受信する。

制御点位置算出部（爪先位置算出部）３０１は、ブーム角度センサ３０、アーム角度センサ３１、バケット角度センサ３２、車体傾斜センサ３３で検出した値に応じてショベル基準座標に対するバケット１０の爪先位置を制御点位置として算出する。なお、本実施の形態ではバケット１０の爪先を制御点としたが、フロント作業装置５０に関連づけて設定された点であれば爪先以外の点を制御点とし、その位置を制御点位置算出部３０１で算出しても良い。

掘削モード判定部３０２は、ＭＣスイッチ４８から受信したオンオフ信号に基づいてマシンコントロール機能のオン／オフの判定と、モード選択スイッチ４４から受信した選択モード信号に基づいて現在選択されているモード（粗掘削モードか仕上げモードか）の判定を行う。なお、詳細は後述の実施の形態で説明するが、掘削モード判定部３０２は、目標掘削面とバケット１０の爪先位置の関係や、各アクチュエータに取り付けたセンサ（図示しない）で検出した値（例えば、アームシリンダ圧力）に応じて自動的にモードの選択／判定を行っても良い。図３では掘削モード判定部３０２から外部に「マシンコントロールのオン／オフ」及び「粗掘削モード／仕上げモード」の判定結果が出力されている。

アクチュエータ制御部３０３は、オペレータの操作レバー１の操作量（ブーム、アーム、バケットの操作圧）、マシンコントロール（領域制限掘削制御）のオンオフ判定結果、目標掘削面、およびバケット１０の爪先位置に応じて電磁弁２１に対する指令値（ブーム、アーム、バケットの目標操作圧）を出力し、３種の油圧シリンダ５，６，７を適宜駆動させることでフロント作業装置５０を動作させる。掘削モード判定部３０２によりマシンコントロールがＯＮと判定された場合には、アクチュエータ制御部３０３は、バケット１０の爪先位置が目標掘削面より下方の領域に侵入することを防止する。例えば、オペレータが操作レバー１を操作し、アームシリンダ６を伸長させてアーム引き動作による水平掘削を行う場合には、ブームシリンダ５を伸長させる指令値を出力することでブーム上げ動作の制御が可能となり、バケット１０の爪先軌跡が水平となるようにフロント作業装置５０を動作させることができる。

エンジン制御部３０４は、必要に応じてアクチュエータ制御部３０３及び／またはポンプ制御部３０５と連携しつつ、エンジン２２の出力制御を司るエンジンコントローラ（図示せず）に指令値（例えば、目標エンジン回転数）を出力してエンジン２２の出力を制御する。ポンプ制御部３０５は、必要に応じてアクチュエータ制御部３０３及び／またはエンジン制御部３０４と連携しつつ、油圧ポンプ２の出力制御を司るレギュレータ（図示せず）に指令値（例えば、目標ポンプ流量や目標ポンプトルクに基づいて決定される目標傾転角）を出力して油圧ポンプ２の出力を制御する部分である。

エンジン制御部３０４およびポンプ制御部３０５は、バケット１０の爪先位置（制御点の位置）と目標掘削面の位置に基づいて目標掘削面と爪先（制御点）の距離（以下、目標面距離と称することがある）を算出する。

エンジン制御部３０４は、マシンコントロールのオンオフ、掘削モード、バケット１０の移動方向および目標面距離の組み合わせによって、エンジン２２の出力範囲を制限する指令値をエンジンコントローラに出力することがある。その場合、エンジン制御部３０４は、目標面距離が閾値Ｄ以下のとき、目標面距離が閾値Ｄより大きいときよりもエンジン２２の出力範囲を制限する処理（出力制限処理）を実行しており、特に本実施の形態では、エンジン回転数を制限することで、領域制限掘削制御における仕上げ掘削に必要最小限の値にまでエンジン出力を制限している。なお、エンジン制御部３０４は、掘削モード判定部３０２で判定されたモード情報に応じて指令値を変更しても良い。

ポンプ制御部３０５は、マシンコントロールのオンオフ、掘削モード、バケット１０の移動方向および目標面距離の組み合わせによって、油圧ポンプ２の出力範囲を制限する指令値をレギュレータに出力することがある。その場合、ポンプ制御部３０５は、目標面距離が閾値Ｄ以下のとき、目標面距離が閾値Ｄより大きいときよりもポンプ２の出力範囲を制限する処理（出力制限処理）を実行しており、特に本実施の形態では、油圧ポンプ２の傾転を制限することで、領域制限掘削制御における仕上げ掘削に必要最小限の値にまでポンプ出力を制限している。なお、ポンプ制御部３０５は、掘削モード判定部３０２で判定されたモード情報に応じて目標ポンプ流量や目標ポンプトルクを変更しても良い。

次に、水平掘削（目標掘削面が水平の場合）を例にして、本実施形態に係る油圧ショベルの動作について説明する。

掘削開始時は、実際の地形と目標掘削面との差分が大きい状態であり、作業時間を短縮するために掘削精度よりも掘削速度が重要視される。そのため、オペレータはモード選択スイッチ４４により掘削モードを粗掘削モードに設定して作業を行う。このとき、掘削速度を上げるためには、エンジン２２や油圧ポンプ２の出力を制限せずに、アクチュエータ５，６，７が速く動作できるようにしておく必要がある。

また、粗掘削作業によって目標掘削面の形状が粗く削り出された後は、掘削速度よりも掘削精度が重要視される。そのため、オペレータはモード選択スイッチ４４により掘削モードを仕上げモードに設定して作業を行う。このとき、掘削精度を上げるためには、エンジン２２や油圧ポンプ２の出力を必要最小限まで下げてアクチュエータ５，６，７の動作ゲインを小さくし、マシンコントロールの制御性を高める必要がある。また、エンジン２２や油圧ポンプ２の出力を必要最小限まで下げることによって無駄な燃料消費を抑え、エンジン騒音を低減する必要がある。

さらに、掘削モードとして仕上げモードが選択されている場合でも、アームシリンダ６を収縮させてアーム押し動作により空中動作で掘削開始地点へ戻る際には、作業時間を短縮するために掘削精度よりも掘削速度が重要視される。このような場合は、エンジン２２や油圧ポンプ２の出力を制限せずに、アクチュエータ５，６，７が速く動作できるようにしておくことが好ましい。

図４は、第１実施形態に係る制御コントローラ４０によって実行される処理のフローチャートである。図４に示す処理内容のうち処理４０５及び処理４０６はエンジン制御部３０４及びポンプ制御部３０５で実行される。

最初に、処理４０１において、マシンコントロール機能のオン／オフを判定し、機能をオンしている場合には処理４０２に進む。また、機能をオフしている場合には処理４０６に進み、エンジン２２と油圧ポンプ２の出力をオペレータが手動操作する場合と同等に設定する。図４の例では、エンジンコントロールダイヤルによってオペレータがエンジン回転数を調節できる場合を想定しており、調節された回転数で決まるエンジン２２の最大出力に応じて油圧ポンプ２の出力を設定しているため、エンジン出力及びポンプ出力が最大となっている。なお、この処理４０６の内容は一例に過ぎず、後述する処理４０５で設定されるものより出力範囲が大きく設定される内容であれば適用可能である。

次に、処理４０２において、掘削モードの判定（粗掘削／仕上げモードの判定）を行い、仕上げモードの場合は処理４０３に進み、仕上げモードでない場合（粗掘削モードの場合）には処理４０４に進む。

処理４０３では、オペレータのレバー操作により出力されるアーム操作パイロット圧を検出することで、バケット１０が車体に近づく方向に移動するアーム引き動作（アームシリンダ６を伸ばす動作）が行われているか否かの判定を行い、アーム引き動作が行われていると判定された場合は仕上げ掘削を行っていると判断して処理４０５に進み、アーム引き動作でない場合は処理４０４に進む。

処理４０４では、目標面距離（バケット爪先と目標掘削面との距離）が閾値Ｄ以下か否かの判定を行い、目標面距離が閾値Ｄ以下の場合にはバケット１０の爪先位置が目標掘削面に接近しており、仕上げ作業が行われているとみなして処理４０５に進む。また、閾値Ｄよりも目標面距離が大きい場合には処理４０６に進み、エンジン２２と油圧ポンプ２の出力をオペレータが手動操作する場合と同等に設定する。

処理４０５では、バケット１０の爪先位置が目標掘削面に侵入しないようにするため、エンジン２２と油圧ポンプ２の出力を必要最小限まで下げる処理を実行する。このとき、油圧ポンプ２が複数のポンプで構成され、１つのポンプで必要最小限の動力が供給できる場合には、所定のポンプの傾転角を大きくし、その他のポンプの傾転角を小さくするように制御することで、油圧ポンプ２の出力変化による効率低下を最小限に抑えることが可能である。

図４のフローチャートから明らかなように、本実施の形態に係る油圧ショベルの制御コントローラ４０は、（１）仕上げモード（第１モード）が選択されている場合には、バケット１０が油圧ショベルに近づく方向に移動するとき（アーム引き動作の場合）、または、バケット１０が油圧ショベルから離れる方向に移動し（アーム押し動作のとき）且つ目標面距離が閾値Ｄ以下のとき、目標面距離が閾値Ｄより大きいときよりもエンジン２２及び油圧ポンプ２の出力範囲を制限する処理（出力制限制御（処理４０５））を実行し、（２）粗掘削モード（第２モード）が選択されている場合には、バケット１０の移動方向に関わらず目標面距離が閾値Ｄ以下のとき、出力制限制御（処理４０５）を実行するように構成されている。

このように構成した本実施の形態の油圧ショベルでは、仕上げモードにおけるアーム引き動作（仕上げ掘削を行っている状態）が処理４０２、処理４０３で抽出され、処理４０５でエンジン２２や油圧ポンプ２の出力が必要最小限まで下がるので、アクチュエータ５，６，７の動作速度が小さくなり、マシンコントロールの掘削精度を高めることが可能となる。また、エンジン２２や油圧ポンプ２の出力を必要最小限まで下げることによって無駄な燃料消費を抑え、エンジン騒音を低減することができる。

また、仕上げモードのアーム押し動作では、掘削動作（仕上げ掘削）と、掘削負荷のない空中動作（掘削開始地点に戻る空中動作）の双方が行われる可能性があるが、上記のように構成した油圧ショベルでは、処理４０４でバケット爪先が目標掘削面に接近している状況（目標面距離が閾値Ｄ以下の状況）を仕上げ掘削中とみなしてアーム引き動作と同様に処理４０５でエンジン２２や油圧ポンプ２の出力を必要最小限まで下げる。また、処理４０４でバケット爪先が目標掘削面から離れた状況（目標面距離が閾値Ｄを超える状況）を空中動作中とみなしてアクチュエータ動作速度を高速に維持するので高作業効率を維持できる。

さらに、粗掘削モードが選択されている場合（仕上げモード以外の場合）には、処理４０４でバケット爪先が目標掘削面に接近している状況のみを抽出して出力を低下させるため、作業効率の低下を抑えつつ、バケット爪先が目標掘削面に侵入することを防止できる。そして、目標面距離がＤを超えてバケット爪先が目標掘削面から離れた場合には、アーム押しによって空中動作で掘削開始地点に戻る動作が行われているとみなして、処理４０６によりエンジン２２や油圧ポンプ２の出力を増加するので、粗掘削モードでのアクチュエータ動作の速さが維持され高作業効率を維持できる。

したがって、本実施の形態に係る油圧ショベルによれば、速度を必要とする粗掘削作業と、掘削開始地点への戻り動作においては、エンジン２２またはポンプ２の出力範囲を増大することで速度を確保することができ、速度を必要としない仕上げ作業においては、エンジン２２またはポンプ２の出力を必要最小限に低下させることで爪先精度の確保を容易にし、かつ省エネルギ化を達成できる。

なお、図４の処理４０５では、省エネルギ化追究のためにエンジン２２と油圧ポンプ２の双方の出力範囲を必要最小限の値に制限する場合について説明したが、エンジン２２と油圧ポンプ２のいずれか一方の出力範囲を必要最小限の値に制限しても省エネルギ効果は得られる。また、処理４０５でエンジン２２又は油圧ポンプ２の出力範囲は必ずしも必要最小限の値にまで低下させる必要はなく、処理４０６の場合よりも出力範囲を制限するものであれば任意の範囲に設定することが可能である。また、処理４０６においても、エンジン２２やポンプ２の出力は必ずしも最大である必要はなく、処理４０５より出力が大きくなる範囲で任意に設定することも可能である。

また、上記の処理４０３では、アーム操作圧を検出することでバケット１０の移動方向を検出することとしたが、ブーム８及び／又はバケット１０の操作圧を検出することでバケット１０の移動方向を検出しても良い。また、角度センサ３０〜３３の出力に基づいて算出されるバケット１０の位置の時間変化を算出することでバケット１０の移動方向を検出することもできる。上記の各事項は後述する各実施の形態についても同様である。

＜第２実施形態＞
ところで、図４の例では掘削モードに応じて制御を切り換えていたが、掘削モードを不問にしてマシンコントロールのオンオフと目標面距離だけに基づいてエンジン２２とポンプ２の出力を制御しても良い。次にこれを第２実施形態として説明する。第２実施形態に係る制御コントローラ４０によって実行される処理のフローチャートを図５に示すが、図５中の全処理は図４で説明済みなのでその詳細な説明は省略する。

本実施形態に係る油圧ショベルでは、図５のフローチャートに示すように、バケット爪先（制御点）の位置と目標面の位置に基づいて算出される目標面距離が閾値Ｄ以下のとき、目標面距離が閾値Ｄより大きいときよりもエンジン２２及び油圧ポンプ２の出力範囲を制限する処理（出力制限制御）を制御コントローラ４０により実行することとした。これにより、目標面距離が閾値Ｄ以下のときは仕上げ掘削を行っている状態とみなし、エンジン２２及び油圧ポンプ２の出力を相対的に下げることにより、油圧シリンダ５，６，７の動作ゲインを小さくし、バケット１０の爪先の制御性を高めることが可能となる。また、エンジン２２及び油圧ポンプ２の出力を下げることによって無駄な燃料消費を抑え、エンジン騒音を低減することができる。一方、目標面距離が閾値Ｄを超えるときは、掘削開始地点に戻る空中動作や粗掘削が行われているとみなし、エンジン２２及び油圧ポンプ２の出力を相対的に上げることにより、アクチュエータ動作の速さが維持され高作業効率を維持できる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について、図６と図７を用いて説明する。

図１〜４に示す第１実施形態では、オペレータによるモード選択スイッチ４４の操作によって、掘削モードとして粗掘削モードと仕上げモードとを選択していたが、本実施形態においては、掘削動作時におけるバケット１０の移動軌跡に応じて制御コントローラ４０が自動で掘削モードを選択する構成とする。以下に水平掘削を例として、制御コントローラ４０が掘削モードを選択する処理を説明する。

図６に示す掘削制御システムでは、掘削モードを切換えるための閾値αをオペレータが入力するための装置である閾値入力インターフェース４５が制御コントローラ４０に接続される。なお、閾値αはショベル出荷時の初期設定のままとしても良い。

また、制御コントローラ４０における掘削モード判定部３０２は、目標面コントローラ４１からの情報から導き出される目標掘削面の形状及び位置と、ブーム角度センサ３０、アーム角度センサ３１、バケット角度センサ３２、車体傾斜センサ３３から算出されるバケット１０の爪先の移動軌跡とその位置とを比較し、両者が一致する度合い（一致度）を示す指標を算出する。両者の一致度が高いほど、爪先が目標掘削面近くを移動することを示すので、仕上げ作業をしている確度が上がり、反対に両者の一致度が低いほど、爪先が目標掘削面から離れた位置を移動することを示すので、粗掘削作業をしている確度が上がる。本実施の形態では、一致度に閾値を設定し、現在行われている作業が仕上げか粗掘削かを当該閾値に基づいて推定している。

本実施の形態では一致度を示す指標として後述する差分δを算出しており、仕上げか粗掘削かを判定する閾値としてαを採用している。掘削モード判定部３０２は、差分δが閾値α以下の場合には動力発生装置制御部３１０に信号を出力して掘削モードを仕上げモードに設定し、差分δが閾値αを超える場合には動力発生装置制御部３１０に信号を出力して粗掘削モードに設定する。なお、閾値αは第１実施形態の閾値Ｄより小さい値とすることが好ましい。例えば、閾値Ｄが１０センチ±３センチの範囲含まれる値とした場合に、閾値αは３センチ±２センチの範囲に含まれる値とする場合がある。また、一致度を示す指標は差分δに限らず、両者の一致度を定量的に表せる指標であれば他のものに代替可能である。

本実施の形態における掘削作業中の差分δの算出方法について説明する。水平掘削は、アーム引き動作により水平に引いてくる作業と、アーム押し動作により掘削開始地点に戻す動作で行われ、この一連の動作を１サイクルと定義する。差分δは、前回のサイクルにおいて、水平に引いてくる作業をしている間（アーム引き動作の間）の目標面距離の平均値として算出する。例えば、アーム引き動作の開始／終了を判定することにより目標面距離（目標掘削面とバケット１０の爪先位置の偏差）を開始から終了までの期間で積分し、その積分値を動作時間で除算して平均値を求めることにより差分δを算出する。

図７は、第３実施形態に係る制御コントローラ４０によって実行される処理のフローチャートである。

前述した図４のフローチャートでは、処理４０２において仕上げモードか否かの判定を行っているのに対し、図７のフローチャートでは、処理４６２において目標掘削面とバケット１０の爪先軌跡との差分δに応じて制御を切り替える構成としている。

掘削開始時には、実際の地形と目標掘削面との差分が大きいため、目標掘削面とバケット１０の爪先軌跡との差分δが閾値αよりも大きくなる。このとき、図７のフローチャートに示す処理４６２に従い、制御コントローラ４０の掘削モードは粗掘削モードに設定される。

粗掘削作業により目標掘削面の形状が粗く削りだされると、目標掘削面とバケット１０の爪先位置との差分δが閾値α以下となる。水平掘削作業の対象領域に対して、差分δが閾値α以下となった場合、その次の掘削作業時に、制御コントローラ４０の掘削モードは仕上げモードに設定される。

このように、バケット爪先位置と目標掘削面との差分δと、閾値αの大小関係によって自動的に制御コントローラ４０の制御方法を切り替えることが可能となる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について、図８と図９を用いて説明する。

図６、図７に示した第３実施形態では、目標掘削面とバケット１０の爪先位置との差分δと、閾値αに基づき掘削モードを切換えていたが、本実施形態では３種の油圧シリンダ５，６，７のうちアームシリンダ６の圧力（負荷圧）Ｐに基づいて掘削モードを切換える構成とする。これは、粗掘削時には掘削負荷が比較的高いためにアームシリンダ６の圧力Ｐが相対的に高くなるが、仕上げ掘削時には掘削負荷が比較的低いためにアームシリンダ６の圧力Ｐが相対的に低くなる現象を利用している。

本実施の形態では、シリンダ圧Ｐに閾値βを設定し、現在行われている作業が仕上げか粗掘削かを当該閾値βに基づいて推定している。掘削モード判定部３０２は、シリンダ圧Ｐが閾値β以下の場合には動力発生装置制御部３１０に信号を出力して掘削モードを仕上げモードに設定し、シリンダ圧Ｐが閾値βを超える場合には動力発生装置制御部３１０に信号を出力して粗掘削モードに設定する。

本実施の形態における掘削作業中のアームシリンダ圧力Ｐの算出方法について説明する。第３実施形態の場合と同様に、水平掘削において、アーム引き動作とアーム押し動作の一連の動作を１サイクルと定義する。アームシリンダ圧力Ｐは、前回のサイクルにおいて、水平に引いてくる作業をしている間の平均値として算出する。例えば、アーム引き動作の開始／終了を判定することによりアームシリンダ圧力センサ４６の値を開始から終了までの期間で積分し、その積分値を動作時間で除算して平均値を求めることでアームシリンダ圧力Ｐを算出する。

図８に示す掘削制御システムでは、図６の構成に加えて、アームシリンダ６へ圧油を給排する油路又はアームシリンダ６内に設けられたアームシリンダ圧力センサ４６が制御コントローラ４０に接続される。また、制御コントローラ４０の掘削モード判定部３０２は、アームシリンダ圧力Ｐと、圧力の閾値βを比較する。なお、圧力の閾値βは、第３実施形態と同様に、閾値入力インターフェース４５によってオペレータにより入力可能だが、出荷時の初期設定のままとしても良い。

図９、第４施形態に係る制御コントローラ４０によって実行される処理のフローチャートである。

図７のフローチャートに示した処理４６２の判定条件（差分δと閾値αの大小関係）に対し、図９のフローチャートでは、アームシリンダ圧力Ｐの条件（圧力Ｐと閾値βの大小関係）も加えて制御を切り替える構成としている。

掘削開始時には、実際の地形と目標掘削面との差分が大きく（差分δ＞閾値α）、深く掘削する必要がある。そのためアームクラウドによる掘削操作時に、アームシリンダ６には大きな負荷がかかる。これによりアームシリンダ圧力Ｐは閾値βよりも大きな値をとる。このとき、図９のフローチャートに示す処理４８２に従い、制御コントローラ４０により掘削モードは粗掘削モードに設定され、処理４０４に進む。

粗掘削作業により目標掘削面の形状が粗く削りだされると差分δが閾値α以下となり、アームシリンダ６の負荷は小さくなり、アームシリンダ圧力Ｐは閾値β以下の値となる。このとき、図９のフローチャートに示す処理４８２に従い、制御コントローラ４０により掘削モードは仕上げモードに設定され、処理４０３に進む。

本実施形態では、バケット１０の爪先と目標掘削面との距離の差分δだけでなく、アームシリンダ圧力も用いて掘削モードを切り替えるため、より正確に作業状況を判断できる。これにより、第３実施形態よりも好適にエンジン２２や油圧ポンプ２の出力範囲の変更を行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、作業状況の判断精度を向上する観点から掘削モードの自動切り替えに差分δと圧力Ｐの双方を利用したが、圧力Ｐと閾値βの大小関係のみに基づいて掘削モードを切り換えても良い。

また、本実施の形態では３種の油圧シリンダ５，６，７のうちアームシリンダ６の圧力（負荷圧）だけを利用して掘削モードの自動設定を行ったが、アームシリンダ６の圧力に加えて又は代えて、ブームシリンダ５及び／又はバケットシリンダ７の圧力（負荷圧）を利用することで掘削負荷を判断して掘削モード設定を行っても良い。

なお、本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、上記した各実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

例えば、上記実施形態ではバケット１０の爪先位置を算出するためにブーム８、アーム９、バケット１０の角度を検出する角度センサを用いたが、角度センサではなくシリンダストロークセンサを用いて爪先位置を検出するとしても良い。また、目標面コントローラ４１による目標掘削面の設定は、あらかじめ図面情報を制御コントローラ４０の内部のメモリに保存する形式であっても、オペレータが手動で入力する形式であっても良い。

また、上記実施形態ではバケット１０の爪先位置を制御点として、目標掘削面との距離に応じて制御する構成を記したが、制御点として目標掘削面との距離の比較対象は必ずしもバケット１０の爪先位置である必要はなく、バケット１０の背面としても良い。またフロント作業装置５０の姿勢によって目標面との距離がバケット１０よりもバケットリンク１３の方が近くなる場合には、目標掘削面との距離の比較対象をバケットリンク１３としても良い。

また現在選択されている掘削モードを表示部４３に表示してオペレータに明示する構成としても良い。

１…操作レバー、２…油圧ポンプ、５…ブームシリンダ、６…アームシリンダ、７…バケットシリンダ、８…ブーム、９…アーム、１０…バケット、１３…バケットリンク、２１…電磁弁、２２…エンジン、３０…ブーム角度センサ、３１…アーム角度センサ、３２…バケット角度センサ、３３…車体傾斜センサ、４０…制御コントローラ、４１…目標面コントローラ、４２…表示コントローラ、４４…モード選択スイッチ、４５…閾値入力インターフェース、４６…アームシリンダ圧力センサ、４８…マシンコントロールＯＮ／ＯＦＦスイッチ、３０１…制御点位置算出部、３０２…掘削モード判定部、３０３…アクチュエータ制御部、３０５…動力発生装置制御部

Claims (8)

1. 原動機と、
   前記原動機で生成した動力によって駆動される油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプで生成した動力によって駆動される複数の油圧アクチュエータにより動作する作業装置であって、当該作業装置の先端に作業具を有する作業装置と、
   任意に設定された目標面上又はその上方に前記作業具の先端が位置するように前記複数の油圧アクチュエータの少なくとも１つを制御するアクチュエータ制御部とを備える建設機械において、
   前記作業装置に対して設定された制御点の位置を前記作業装置の位置と姿勢に関する状態量に基づいて算出する制御点位置算出部と、
   前記制御点の位置と前記目標面の位置に基づいて算出される前記目標面と前記制御点の距離が閾値以下のとき、前記目標面と前記制御点の距離が閾値より大きいときよりも前記原動機及び前記油圧ポンプのうち少なくとも１つの出力範囲を制限する処理である出力制限制御を実行する動力発生装置制御部とを備えることを特徴とする建設機械。
2. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記動力発生装置制御部は、前記作業具が前記建設機械に近づく方向に移動するとき、または、前記作業具が前記建設機械から離れる方向に移動し且つ前記目標面と前記制御点の距離が前記閾値以下のとき、前記出力制限制御を実行することを特徴とする建設機械。
3. 請求項２に記載の建設機械において、
   前記動力発生装置制御部は、
   前記作業具が前記建設機械に近づく方向に移動するとき、または、前記作業具が前記建設機械から離れる方向に移動し且つ前記目標面と前記制御点の距離が前記閾値以下のとき、前記出力制限制御を実行する第１モードと、前記作業具の移動方向に関わらず前記目標面と前記制御点の距離が前記閾値以下のとき、前記出力制限制御を実行する第２モードとを択一的に選択可能に構成されていることを特徴とする建設機械。
4. 請求項３に記載の建設機械において、
   切換位置に応じて、前記第１モードと前記第２モードを択一的に切り換える信号を前記動力発生装置制御部に出力する切換装置をさらに備えることを特徴とする建設機械。
5. 請求項３に記載の建設機械において、
   前記作業装置による掘削動作時における前記作業具の移動軌跡と前記目標面の形状及び位置との一致度に基づいて、前記第１モード及び前記第２モードを択一的に切り換える信号を前記動力発生装置制御部に出力するモード判定部をさらに備えることを特徴とする建設機械。
6. 請求項３に記載の建設機械において、
   前記アクチュエータ制御部、前記制御点位置算出部および前記動力発生装置制御部を有する制御コントローラを備え、
   前記制御コントローラは、前記複数の油圧アクチュエータのいずれかの負荷圧に応じて、前記第１モード及び前記第２モードを択一的に切り換える信号を前記動力発生装置制御部に出力するモード判定部をさらに有することを特徴とする建設機械。
7. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記出力制限制御は、前記原動機の回転数を制限して前記原動機の出力範囲を制限する処理であることを特徴とする建設機械。
8. 請求項１に記載の建設機械において、
   前記出力制限制御は、前記油圧ポンプの傾転を制限して前記油圧ポンプの出力範囲を制限する処理であることを特徴とする建設機械。

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