JP2018145754A - 作業機械の荷重計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】操作者や作業内容に応じた荷重確定期間判定条件を生成することで、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供する。【解決手段】アタッチメントと、位置検出部と推力検出部からの信号に基づいて運搬作業中にアタッチメントが運搬している作業対象物の瞬時荷重を常時演算する荷重演算部とを備えた作業機械の荷重計測装置において、運搬作業の間の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶する荷重確定条件記憶部と、所定期間の瞬時荷重に基づいてアタッチメントが運搬している作業対象物の荷重を確定する荷重確定部と、荷重確定部で確定した作業対象物の確定荷重を出力する外部出力器と、荷重演算部で演算した瞬時荷重と位置検出部と推力検出部からの信号の履歴を記憶する記憶部と、記憶部に記憶された信号の履歴に基づいて荷重確定条件を更新演算する荷重確定条件更新演算部とを備えた。【選択図】 図3
Description
本発明は、作業機械の荷重計測装置に関する。
一般に、油圧ショベルに代表される作業機械は、例えば鉱物等の掘削作業の他に、掘削した鉱物等を運搬機械であるダンプトラックのところまで運搬する運搬作業と、運搬した鉱物等をダンプトラックの荷台へ放土して積み込む積込作業とを行なう。
このような運搬作業または積込作業において、作業機械により、鉱物等の積込量を適量に管理できれば、ダンプトラックにおける積込不足による生産量の低下や過積載による積み直し作業の発生などを防止できるので、現場作業の生産効率を向上させることができる。このため、掘削物の運搬中に掘削物の荷重を計測し、その計測値をオペレータに提示する作業機械がある。運搬作業毎に掘削物の荷重が提示されるので、オペレータはダンプトラックへの積込み量を把握できる。そして、オペレータは次の掘削作業において掘削量を調整することで、鉱物等の積込量を適量にできるので、ダンプトラックへの積込み量を適量に管理できる。
このような、運搬作業中に作業対象物の荷重を計測する作業機械の荷重計測装置を含む適応型ペイロード監視システムにおいて、その計測精度を改善することを目的として、複数に分割した作業サイクルの中の運搬状態区間において、作業機械の運搬ツールの速度が略一定の期間を判定し、当該期間中における運搬ツールの持ち上げ力に基づいて荷重を演算して表示する適応型ペイロード監視システムがある(例えば、特許文献1参照)。
上述した適応型ペイロード監視システムによれば、作業サイクルを、積載状態移動区間を含む複数の区間に分割し、積載状態移動区間の中のツールの速度が略一定の期間を判定し、当該の期間中に記録された持ち上げ力に基づいて、ツールのペイロードを計算するコントローラを備えているので、ツールの運動による(ツールの速度及び/または加速度の変化による)測定誤差は生じにくいと想定される。
しかしながら、上述した適応型ペイロード監視システムは、ツール速度の略一定の期間(サンプリング期間)を判定する条件を一様に設定しているため、例えば、作業機械の行なう作業内容が変わった場合や操作者が替わった場合に、適切なサンプリング期間が決定されず、十分な計測精度を得られない虞があった。
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、操作者や作業内容に応じた荷重確定期間判定条件を生成することで、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、作業機械に対して回動可能に取り付けられたフロント機構と、前記フロント機構に取り付けられ、作業対象物の掘削作業と掘削した作業対象物を掘削位置から運搬機械の荷台の上に移動させる運搬作業とを行なうアタッチメントと、前記アタッチメントの位置を検出する位置検出部と、前記フロント機構の関節を駆動する少なくとも1つのアクチュエータと、前記アクチュエータの推力を検出する推力検出部と、前記位置検出部と前記推力検出部からの信号に基づいて前記運搬作業中に前記アタッチメントが運搬している作業対象物の瞬時荷重を常時演算する荷重演算部とを備えた作業機械の荷重計測装置において、前記運搬作業の間の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶する荷重確定条件記憶部と、前記所定期間の瞬時荷重に基づいて前記アタッチメントが運搬している前記作業対象物の荷重を確定する荷重確定部と、前記荷重確定部で確定した前記作業対象物の確定荷重を出力する外部出力器と、前記荷重演算部で演算した前記瞬時荷重と、前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴に基づいて前記荷重確定条件を更新演算する荷重確定条件更新演算部と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、作業機械の作業履歴に基づいて荷重が安定している期間を判定し、当該期間の作業履歴に基づいて荷重演算期間判定の設定値を生成するので、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供することができる。
以下、作業機械として油圧ショベルを例にとって本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、本発明は、作業フロント装置を備えた作業機械全般に適用が可能であり、本発明の適用は油圧ショベルに限定されるものではない。
図1は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態備えた油圧ショベルを示す側面図である。
作業機械である油圧ショベル1は、下部走行体10と、下部走行体10に旋回可能に設けられた上部旋回体11と、上部旋回体11に上下方向に回動可能に設けられたブーム13と、ブーム13の先端に回動可能に設けられたアーム14と、アーム14の先端に回動可能に設けられたバケット(アタッチメント)15と、ブーム13を駆動するブームシリンダ16と、アーム14を駆動するアームシリンダ17と、バケット15を駆動するバケットシリンダ18と、ブーム13とアーム14とバケット15とブームシリンダ16とアームシリンダ17とバケットシリンダ18とを有するフロント機構12と、上部旋回体11を回動する旋回モータ19と、上部旋回体11に設けられ、操作者が乗り込み油圧ショベル1を操作する操作室20と、操作室20の内部に設けられた操作レバー22A〜Dと、油圧ショベル1の動作を制御するコントローラ21とを備えている。
作業機械である油圧ショベル1は、下部走行体10と、下部走行体10に旋回可能に設けられた上部旋回体11と、上部旋回体11に上下方向に回動可能に設けられたブーム13と、ブーム13の先端に回動可能に設けられたアーム14と、アーム14の先端に回動可能に設けられたバケット(アタッチメント)15と、ブーム13を駆動するブームシリンダ16と、アーム14を駆動するアームシリンダ17と、バケット15を駆動するバケットシリンダ18と、ブーム13とアーム14とバケット15とブームシリンダ16とアームシリンダ17とバケットシリンダ18とを有するフロント機構12と、上部旋回体11を回動する旋回モータ19と、上部旋回体11に設けられ、操作者が乗り込み油圧ショベル1を操作する操作室20と、操作室20の内部に設けられた操作レバー22A〜Dと、油圧ショベル1の動作を制御するコントローラ21とを備えている。
ブーム13の回動軸には、ブーム13の回動角度を検出するブーム角度センサ24が取付けられている。同様にアーム14の回動軸にはアーム14の回動角度を検出するアーム角度センサ25が、バケット15の回動軸には、アーム14の回動角度を検出するバケット角度センサ(位置検出部)26が、各々取付けられている。これらの角度センサ24,25,26が検出した信号はコントローラ21に入力される。
上部旋回体11には、上部旋回体11の旋回角速度を検出する旋回ジャイロスコープ27と、上部旋回体11の前後方向の傾斜角度を検出する傾斜計28とが取付けられていて、旋回ジャイロスコープ27と傾斜計28が検出した信号はコントローラ21に入力される。また、操作室20の内部には荷重計測装置の計測結果を表示する例えばディスプレイ装置等で構成される外部出力器23が設けられている。
図2は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態を備えた油圧ショベルの油圧回路とコントローラを示す概念図である。
図2において、ブームシリンダ16とアームシリンダ17とバケットシリンダ18と旋回モータ19とは、図示しないエンジンにより駆動されるメインポンプ35から吐出される圧油を、ブーム用コントロールバルブ31とアーム用コントロールバルブ32とバケット用コントロールバルブ33と旋回用コントロールバルブ34とを介して、各々供給されるように構成されている。メインポンプ35の吐出配管には、圧油の圧力が過大になるのを防ぐためのリリーフ弁36が設けられている。
図2において、ブームシリンダ16とアームシリンダ17とバケットシリンダ18と旋回モータ19とは、図示しないエンジンにより駆動されるメインポンプ35から吐出される圧油を、ブーム用コントロールバルブ31とアーム用コントロールバルブ32とバケット用コントロールバルブ33と旋回用コントロールバルブ34とを介して、各々供給されるように構成されている。メインポンプ35の吐出配管には、圧油の圧力が過大になるのを防ぐためのリリーフ弁36が設けられている。
ブーム用コントロールバルブ31とアーム用コントロールバルブ32とバケット用コントロールバルブ33と旋回用コントロールバルブ34には、各々両端に操作部が設けられていて、図示しないエンジンにより駆動されるパイロットポンプ37から吐出されるパイロット圧油を、ブーム用操作レバー22A、アーム用操作レバー22B、ベケット用操作レバー22C、旋回用操作レバー22Dを介して各々供給されるように構成されている。パイロットポンプ37の吐出配管には、パイロット圧油の圧力が過大になるのを防ぐためのリリーフ弁38が設けられている。
パイロットポンプ37から各コントロールバルブ31,32,33,34の操作部へのパイロット圧油の供給流量は、操作レバー22A,B,C,Dの操作量に応じて変化し、このことにより、各コントロールバルブ31,32,33,34の開閉量が変わる。この結果、メインポンプ35からブームシリンダ16とアームシリンダ17とバケットシリンダ18と旋回モータ19とに供給する圧油の供給流量を各々調整することができる。
ブームシリンダ16のボトム側油室には、その圧力を検出するブームボトム圧力センサ(推力検出部)29が設けられ、ロッド側油室にはその圧力を検出するブームロッド圧力センサ(推力検出部)30が設けられている。これら圧力センサ29、30の検出した信号はコントローラ21に入力されている。
コントローラ21には、上述したブーム角度センサ24とアーム角度センサ25とバケット角度センサ26と旋回ジャイロスコープ27と傾斜計28が検出した信号が入力されている。また、コントローラ21は、これらの入力信号に応じて荷重を演算し、外部出力器23へ演算結果を出力する。外部出力器23は荷重計測結果を表示する機能と、操作者の操作によって更新指示をコントローラ21へ指示する荷重確定条件更新指示器39の機能とを備えている。
次に、コントローラ21の構成について図3を用いて説明する。図3は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態のシステム構成を示す概念図である。図3において、図1及び図2に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
本実施の形態における荷重計測システムは、いくつかのソフトウエアの組合せが演算部としてコントローラ21の内部に実装されていて、各センサ24〜30が検出した信号を入力し、演算部で運搬中の作業対象物の荷重値を演算する。演算結果である荷重値は外部出力器23に表示される。
コントローラ21は、各センサ24〜30が検出した信号に基づいて瞬時荷重(Finst)を演算する瞬時荷重演算部50と、各センサ24〜30が検出した信号と瞬時荷重演算部50の演算結果とを記憶する記憶部53と、記憶部53に記憶された瞬時荷重の中から荷重が安定する荷重安定期間を判定する荷重安定期間判定部54と、荷重安定期間判定部54が判定した荷重安定期間における各センサ24〜30が検出した信号に基づいて新たな荷重確定条件を生成する荷重確定条件更新演算部55と、荷重確定条件更新演算部55からの新たな荷重確定条件に基づいて荷重確定条件の設定更信号を荷重確定条件記憶部57と外部出力器23に出力する荷重確定条件更新部(荷重確定条件更新判定部)56と、各センサ24〜30が検出した信号に基づいて油圧ショベル1が運搬作業中の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶すると共に、荷重確定条件更新部56からの設定更新信号により荷重確定条件の設定を更新する荷重確定条件記憶部57と、荷重確定条件記憶部57からの荷重確定条件と各センサ24〜30が検出した信号のいずれかに基づいて油圧ショベル1が運搬作業中の所定期間を判定する荷重確定期間判定部51と、荷重確定期間判定部51が出力する荷重確定期間における瞬時荷重値を平均して荷重を確定する荷重確定部52とを備えている。なお、荷重確定条件記憶部57は、後述する荷重確定開始設定値AC1や荷重確定終了設定値AC2を記憶している。
次に、本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における機能と作用について図4乃至図6を用いて説明する。具体的には、本実施の形態における荷重計測装置は、作業機械の作業履歴に基づいて荷重安定期間を判定し、当該荷重安定期間の作業履歴に基づいて荷重演算期間判定の設定値を生成している。図4は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態を備えた油圧ショベルの掘削作業の一例を示す俯瞰図、図5は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態を備えた油圧ショベルの積込作業の一例を示す俯瞰図、図6は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重演算方法を説明するフロント機構の側面概略図である。図4乃至図6において、図1乃至図3に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
作業機械である油圧ショベル1は一般に、図4に示すように、掘削対象3である鉱山等に対して、フロント機構12を操作して掘削し、掘削物4をバケット15の内部に積載する掘削作業と、掘削物4等が積載されたバケット15をダンプトラック2の荷台上まで旋回移動する運搬作業と、図5に示すように、ダンプトラック2の荷台上にバケット15を移動し掘削物4を放出する積込作業と、掘削対象3の位置へバケット15を移動するリーチング作業とを順番に繰り返し実施し、ダンプトラック2の架台を作業対象物で満杯にする。
このように、通常の作業機械は作業を連続して行うため、荷重計測は運搬作業中に行なわれることが要求されている。荷重計測のために作業機械の一連の作業を停止することは、作業時間の増大を招き、生産効率を低下させるためである。
次に、本実施の形態における荷重計測装置の荷重演算方法について図6を用いて説明する。図6において、荷重計測は、ブーム13の回動軸周りに作用してブームシリンダ16が発生するトルクと、フロント機構12が重力と旋回遠心力とにより発生するトルクと、積載物が重力と旋回遠心力とにより発生するトルクとの釣合を利用して、荷重を算出する。
ブームシリンダ16の推力Fcylは、ブームボトム圧力センサ29の出力信号とブームロッド圧力センサ30の出力信号のそれぞれに、ブームシリンダ16の受圧面積を乗算した後に、これらの差を演算することで算出される。また、図6において、ブーム回動軸とブームシリンダ16の推力の作用点とを結ぶ線分の長さをLbm、ブームシリンダ16の推力Fcylの推力方向と線分Lbmとが成す角度をθbmcylとすると、ブームシリンダ16が発生するトルクTbmは、以下の式(1)で定まる。
Tbm=Fcyl・Lbm・sin(θbmcyl)・・・・(1)
また、フロント機構12の重心重量をMfr、重力加速度をg、ブーム回動軸とフロント重心までの前後方向の長さをLfr、ブーム回動軸とフロント重心を結ぶ線分と水平面とが成す角度をθfrとすると、フロント機構12が重力により発生するトルクTgfrは、以下の式(2)で定まる。
Tgfr=Mfr・g・Lfr・cos(θfr)・・・・(2)
更に、旋回角速度をωとすると、フロント機構12が旋回遠心力により発生するトルクTcfrは、以下の式(3)で定まる。
Tcfr=Mfr・Lfr・ω2・sin(θfr)・・・・(3)
なお、上述したMfr、Lfr、θfrは、予め設定されたブーム13、アーム14、バケット15それぞれの重心位置と重量と、ブーム角度センサ24とアーム角度センサ25とバケット角度センサとから出力される角度信号とから算出することができる。
Tbm=Fcyl・Lbm・sin(θbmcyl)・・・・(1)
また、フロント機構12の重心重量をMfr、重力加速度をg、ブーム回動軸とフロント重心までの前後方向の長さをLfr、ブーム回動軸とフロント重心を結ぶ線分と水平面とが成す角度をθfrとすると、フロント機構12が重力により発生するトルクTgfrは、以下の式(2)で定まる。
Tgfr=Mfr・g・Lfr・cos(θfr)・・・・(2)
更に、旋回角速度をωとすると、フロント機構12が旋回遠心力により発生するトルクTcfrは、以下の式(3)で定まる。
Tcfr=Mfr・Lfr・ω2・sin(θfr)・・・・(3)
なお、上述したMfr、Lfr、θfrは、予め設定されたブーム13、アーム14、バケット15それぞれの重心位置と重量と、ブーム角度センサ24とアーム角度センサ25とバケット角度センサとから出力される角度信号とから算出することができる。
次に、積載物が重力により発生するトルクTglは、積載物の重量をMl、ブーム回動軸とバケット重心までの前後方向の長さをLl、ブーム回動軸と積載物重心を結ぶ線分と水平面とが成す角度をθlとすると、以下の式(4)で定まる
Tgl=Ml・g・Ll・cos(θl)・・・・(4)
積載物が旋回遠心力により発生するトルクTclは、以下の式(5)で定まる
Tcl=Ml・Ll・ω2・sin(θl)・・・・(5)
式(1)乃至(5)の釣合を変形して、積載物の重量Mlに関して展開すると、積載物の重量Mlは、以下の式(6)で定まる。
Ml=(Tbm−Tgfr−Tcfr)/{Ll・(g・cos(θl)+ω2・sin(θl))}・・・・(6)
式(6)に代表される荷重の演算は、各センサのノイズやコントローラ21における演算誤差やフロント機構12の関節に生じるガタなどのモデル化が困難な現象等により、常に一定の値を出力することは、困難である。このため、作業機械の運搬作業中において、荷重演算を実施する期間を定めて、この期間に荷重を確定することが望ましい。
Tgl=Ml・g・Ll・cos(θl)・・・・(4)
積載物が旋回遠心力により発生するトルクTclは、以下の式(5)で定まる
Tcl=Ml・Ll・ω2・sin(θl)・・・・(5)
式(1)乃至(5)の釣合を変形して、積載物の重量Mlに関して展開すると、積載物の重量Mlは、以下の式(6)で定まる。
Ml=(Tbm−Tgfr−Tcfr)/{Ll・(g・cos(θl)+ω2・sin(θl))}・・・・(6)
式(6)に代表される荷重の演算は、各センサのノイズやコントローラ21における演算誤差やフロント機構12の関節に生じるガタなどのモデル化が困難な現象等により、常に一定の値を出力することは、困難である。このため、作業機械の運搬作業中において、荷重演算を実施する期間を定めて、この期間に荷重を確定することが望ましい。
<荷重確定方法>
次に、本発明の荷重計測装置が運搬中の荷重を確定し出力する方法について図7乃至図8(b)を用いて説明する。図7は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重演算の処理内容を示すフローチャート図、図8(a)は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の一例、図8(b)は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の他の例である。ここで、図7のフローチャート図はコントローラ21において予め定められたサンプリング毎に実行される。また、図8(a)と図8(b)において、横軸は時間を示し、特性線Aは荷重位置の加速度特性を示し、特性線Bは瞬時荷重Finstの特性を示している。また、破線は荷重位置の加速度0を示し、点線Cは確定荷重を示している。また、AC1は荷重確定開始設定値を示し、AC2は荷重確定終了設定値を示している。
次に、本発明の荷重計測装置が運搬中の荷重を確定し出力する方法について図7乃至図8(b)を用いて説明する。図7は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重演算の処理内容を示すフローチャート図、図8(a)は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の一例、図8(b)は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定期間の判定方法を説明するための特性図の他の例である。ここで、図7のフローチャート図はコントローラ21において予め定められたサンプリング毎に実行される。また、図8(a)と図8(b)において、横軸は時間を示し、特性線Aは荷重位置の加速度特性を示し、特性線Bは瞬時荷重Finstの特性を示している。また、破線は荷重位置の加速度0を示し、点線Cは確定荷重を示している。また、AC1は荷重確定開始設定値を示し、AC2は荷重確定終了設定値を示している。
コントローラ21の瞬時荷重演算部50において、瞬時荷重Finstの演算が行われる(ステップS100)。具体的には、瞬時荷重演算部50が上述した式(1)乃至(6)に関する演算を行い、瞬時荷重Finstを出力する。図8(a)と図8(b)の特性線Bは、この様にして得られる。
コントローラ21の荷重確定期間判定部51において、荷重確定期間開始か否かを判定する(ステップS101)。具体的には、荷重確定期間判定部51が作業機械1の動作をブーム角度センサ24とアーム角度センサ25とバケット角度センサとから出力される角度信号とから、荷重位置の加速度として算出し(図8(a)と図8(b)の特性線Aは、この様にして得られる)、この加速度と、荷重確定条件記憶部57に設定されている荷重確定開始設定値AC1とを比較する。そして、算出した荷重位置の加速度が、荷重確定開始設定値AC1の絶対値を下回って0に近づいたときに、荷重確定期間の開始であると判定する。図8(a)において、時刻t1が荷重確定期間の開始の時刻を示している。
図7に戻り、荷重確定期間開始であると判断された場合には、ステップS102へ進み、それ以外の場合には、ENDへ進み処理を終了する。
図7に戻り、荷重確定期間開始であると判断された場合には、ステップS102へ進み、それ以外の場合には、ENDへ進み処理を終了する。
コントローラ21の荷重確定期間判定部51において、瞬時荷重Finstを記録する(ステップS102)。
コントローラ21の荷重確定期間判定部51において、荷重確定期間終了か否かを判定する(ステップS103)。具体的には、荷重確定期間判定部51が荷重位置の加速度として算出し(図8(a)と図8(b)の特性線A)、この加速度と、荷重確定条件記憶部57に設定されている荷重確定終了設定値AC2とを比較する。そして、算出した荷重位置の加速度が、荷重確定終了設定値AC2の絶対値を上回って0から離れたときに、荷重確定期間の終了であると判定する。図8(a)において、時刻t2が荷重確定期間の終了の時刻を示している。
図7に戻り、荷重確定期間終了であると判断された場合には、ステップS104へ進み、それ以外の場合には、ステップS102に戻る。換言すると、荷重確定期間の終了が判定されるまで、瞬時荷重Finstは記録される。
図7に戻り、荷重確定期間終了であると判断された場合には、ステップS104へ進み、それ以外の場合には、ステップS102に戻る。換言すると、荷重確定期間の終了が判定されるまで、瞬時荷重Finstは記録される。
コントローラ21の荷重確定部52において、記録した瞬時荷重Finstの平均であるFmeanを確定荷重値として演算する(ステップS104)。
コントローラ21の荷重確定部52において、演算した荷重平均であるFmeanを外部出力器23へ出力し、外部出力器23で表示する(ステップS105)。ステップS105を実行後、処理を終了する。
上述したように、図8(a)の場合には、ステップS101及びステップS103により判定された荷重確定期間において、略一定の値で安定している瞬時荷重を取得することができる。
一方、図8(b)においては、図8(a)と同じ設定により、荷重確定期間(荷重確定期間の開始の時刻t3、荷重確定期間の終了の時刻t4)を判定しているにもかかわらず、瞬時荷重が荷重確定期間内で変動していて、十分な精度を得ることができていない。このように、荷重確定期間を一様に決定された条件で判定すると、作業環境によって作業機械の行なう作業内容が変わった場合や操作者が替わった場合に、適切な期間が決定されないことになり、十分な計測精度を得られない場合がある。このため、操作者や作業内容に応じて、荷重確定期間を決定する条件(設定)を変更する必要がある。
<荷重確定条件更新方法>
次に、本発明の荷重計測装置が荷重確定条件を更新する方法について図9乃至図11を用いて説明する。図9は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図10は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重安定期間の判定方法を説明するための特性図の一例、図11は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定条件の更新方法を説明するための特性図の一例である。ここで、図9のフローチャート図はコントローラ21において予め定められたサンプリング毎に実行される。また、図10と図11において、横軸は時間を示し、特性線Aは荷重位置の加速度特性を示し、特性線Bは瞬時荷重Finstの特性を示している。また、破線は荷重位置の加速度0を示している。また、AC1は荷重確定開始設定値を示し、AC2は荷重確定終了設定値を示している。
次に、本発明の荷重計測装置が荷重確定条件を更新する方法について図9乃至図11を用いて説明する。図9は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図10は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重安定期間の判定方法を説明するための特性図の一例、図11は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における荷重確定条件の更新方法を説明するための特性図の一例である。ここで、図9のフローチャート図はコントローラ21において予め定められたサンプリング毎に実行される。また、図10と図11において、横軸は時間を示し、特性線Aは荷重位置の加速度特性を示し、特性線Bは瞬時荷重Finstの特性を示している。また、破線は荷重位置の加速度0を示している。また、AC1は荷重確定開始設定値を示し、AC2は荷重確定終了設定値を示している。
コントローラ21の荷重安定期間判定部54において、記憶データの読み込みが行なわれる(ステップS110)。具体的には、図3に示す荷重安定期間判定部54において、記憶部53から運搬作業時に記録されたセンサ24乃至30のデータ及び瞬時荷重Finstの記録データが読み込まれる。
コントローラ21の荷重安定期間判定部54において、読み込まれた瞬時荷重Finstの記録データを用いて荷重安定期間を判定する(ステップS111)。具体的には、図10に示す瞬時荷重Finstの記録データの一定期間における標準偏差を演算し、1回の運搬作業において、瞬時荷重の標準偏差を演算する期間を徐々に変更し、標準偏差が最小となる期間を選択する。標準偏差は平均値との誤差のばらつきの大きさを示す尺度であり、標準偏差が小さい場合は加重の差異が小さいため、荷重は安定しているといえる。図10においては、太字表示の標準偏差σ3が、他の標準偏差σ1、σ2よりも小さい場合を示している。
図9に戻り、コントローラ21の荷重確定条件更新演算部55において、荷重確定条件更新演算が行われる(ステップS112)。具体的には、ステップS111から出力される荷重安定期間判定結果とその期間のセンサ24乃至30のデータを用いて荷重確定条件を生成する。図11に示すように、荷重確定条件更新演算部55は、瞬時荷重Finstの荷重安定期間の始点の時刻(t5)と終点の時刻(t6)における荷重位置加速度を抽出する。そして、抽出した荷重位置加速度のうち、時刻t5における加速度を荷重確定開始設定値AC1とし、時刻t6における加速度を荷重確定終了設定値AC2として出力する。
図9に戻り、コントローラ21の荷重確定条件更新部56において、荷重確定条件書き換えが行なわれる(ステップS113)。具体的には、荷重確定条件記憶部57に記録されている荷重確定条件をステップS112で新たに生成した荷重確定条件に書き換える。また、荷重確定条件更新部56は、外部出力器23に荷重確定条件である計測開始条件と荷重標準偏差を出力する。
コントローラ21の記憶部53において、記録データをリセットする処理が行なわれる(ステップS114)。ステップS114を実行後、処理を終了する。
<画面表示>
次に、本発明の荷重計測装置の荷重計測結果の表示について図12を用いて説明する。図12は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。
次に、本発明の荷重計測装置の荷重計測結果の表示について図12を用いて説明する。図12は本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。
図12の表示画面は、荷重確定部52で演算した作業対象物の荷重を表示する単体荷重値表示部70と、荷重確定条件更新部56からの演算結果である設定値を表示する設定値表示部74とを備えている。
図12において、外部出力器23は、単体荷重値表示部70に作業対象物の荷重を2430kg表示し、設定値表示部74に荷重標準偏差として35.6kg、計測開始条件として0.08m/s2と表示している。この表示値は、荷重確定条件更新部56におけるステップS113の処理(図9参照)で荷重確定条件記憶部57の設定が更新されたときの内容である。
上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態によれば、作業機械の作業履歴に基づいて荷重が安定している期間を判定し、当該期間の作業履歴に基づいて荷重演算期間判定の設定値を生成するので、精度良く作業対象物の荷重を計測できる作業機械の荷重計測装置を提供することができる。
また、上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第1の実施の形態によれば、荷重確定条件の設定値が、作業機械の作業履歴に応じて更新されるので、操作者や作業内容に応じた適切な設定となり、荷重計測の精度が向上する。
以下、本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態を図面を用いて説明する。図13は本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態のシステム構成を示す概念図、図14は本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図15は本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。図13乃至図15において、図1乃至図12に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
<荷重確定条件の更新提案表示>
本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態においては、図3に示す第1の実施の形態のコントローラ21の構成に対して、図13に示すように荷重確定条件比較部58が追加構成され、荷重確定条件更新指示器39からの更新指示信号を入力するように構成した点が異なる。本実施の形態においては、記録されている前回の荷重確定条件と新たに生成した荷重確定条件を比較し、所定の条件を満たせば、荷重確定条件の設定値更新を提案することを特徴とする。
本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態においては、図3に示す第1の実施の形態のコントローラ21の構成に対して、図13に示すように荷重確定条件比較部58が追加構成され、荷重確定条件更新指示器39からの更新指示信号を入力するように構成した点が異なる。本実施の形態においては、記録されている前回の荷重確定条件と新たに生成した荷重確定条件を比較し、所定の条件を満たせば、荷重確定条件の設定値更新を提案することを特徴とする。
本実施の形態において、荷重確定条件更新部56には、荷重確定条件更新演算部55からの信号の他に荷重確定条件更新指示器39からの更新指示信号が入力されている。また、荷重確定条件比較部58には、荷重確定条件記憶部57に記録されている前回の荷重の標準偏差信号と荷重安定期間判定部54で演算された今回の荷重の標準偏差信号とが入力される。荷重確定条件比較部58は、入力された2つの標準偏差信号を比較し、演算された今回の荷重の標準偏差信号が小さい場合に、外部出力器23に荷重確定条件の更新提案信号を出力し、荷重確定条件更新演算部55に新たな荷重確定条件の生成を指示する。
図14に示すフローチャート図はコントローラ21において予め定められたサンプリング毎に実行されるものであり、図9に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
コントローラ21の荷重安定期間判定部54において、記憶データの読み込み(ステップS110)と、荷重安定期間の判定(ステップS111)が行なわれる。
コントローラ21の荷重安定期間判定部54において、荷重安定期間の評価が行なわれる(ステップS120)。具体的には、ステップS111の荷重安定期間判定で演算した所定期間毎の標準偏差を、予め設定されている基準値と比較してランク付けを行なう。
コントローラ21の荷重確定条件更新比較部58において、荷重標準偏差が改善されたか否かを判断する(ステップS121)。具体的には、ステップS111の演算された所定期間の標準偏差と荷重確定条件記憶部57に記録されている前回の荷重の標準偏差と大きさを比較し、今回の荷重の標準偏差の方が小さい場合には、荷重標準偏差が改善されたと判断する。荷重標準偏差が改善された場合には、ステップS112へ進み、それ以外の場合には、ステップS114へ進む。
コントローラ21の荷重確定条件更新演算部55において、荷重確定条件更新演算が行われる(ステップS112)。荷重確定条件更新比較部58からの指示信号により新たな荷重確定条件が生成される。
コントローラ21の荷重確定条件更新比較部58において、荷重確定条件の変更提案表示がなされる(ステップS122)。具体的には、荷重安定期間のランクと荷重確定条件の更新提案を外部出力器23に出力する。ここで、図15は本実施の形態における外部出力器23の表示画面であって、第1の実施の形態における表示画面に対して、荷重安定期間判定部54で評価した荷重安定期間のランク(荷重安定度)を例えば標準偏差の大、中、小のいずれかで表示するランク表示部77と、荷重確定条件更新比較部58から出力された荷重確定条件の変更提案を表示する更新提案表示部76と、荷重確定条件更新指示器39の機能としてのオン/オフ可能なスイッチ機能を有する設定変更ボタンとを備えている。ステップS122が実行されると、更新提案表示部76が例えば点灯するなどして、操作者に荷重確定条件の変更提案が報知される。
図14に戻り、コントローラ21の荷重確定条件更新部56において、更新指示があったか否かを判断する(ステップS123)。具体的には、荷重確定条件更新指示器39の設定変更信号が入力されたか否かを判断する。ステップS122にて、操作者に荷重確定条件の変更提案表示がなされ、操作者がその提案にしたがって設定値を更新しようとする場合には、荷重確定条件更新指示器39の設定変更ボタンが押下されて更新指示が成される。更新指示があった場合には、ステップS113へ進み荷重確定条件の書き換えが行なわれ、それ以外の場合には、ステップS114へ進み記録データをリセットする処理が行なわれ、その後処理を終了する。更新指示があった場合には、荷重確定条件更新演算部55が荷重確定条件の更新を受付けて、新たな荷重確定条件を生成する。
なお、荷重確定条件の更新提案の表示方法は、図15に示した例に限定されるものではない。例えば、更新提案表示部76への出力ではなく、外部出力器23の表示画面において、荷重確定条件更新比較部58において更新提案信号が出力されないときには、荷重確定条件更新指示器39を非表示にして、更新提案信号が出力されたときのみ、荷重確定条件更新指示器39を表示するように構成しても良い。
上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第2の実施の形態によれば、荷重確定条件の変更提案と荷重安定度の評価結果が操作者に提示されるので、荷重確定条件の更新を実施するか否かの判断が容易にできる。また、設定の変更の有無を操作者が決定するので、不適切な設定更新が除外できる。この結果、操作者や作業現場の環境に合わせた設定ができるので、荷重計測の精度がより向上する。
以下、本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態を図面を用いて説明する。図16は本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態のシステム構成を示す概念図、図17は本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態における荷重確定条件の更新演算の処理内容を示すフローチャート図、図18は本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態における外部出力器の表示画面の一例を示す概略図である。図16乃至図18において、図1乃至図15に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
<荷重確定条件の更新演算に用いる動作履歴の期間指示>
本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態においては、図3に示す第1の実施の形態のコントローラ21の構成に対して、図16に示すように更新演算期間指示器40からの動作履歴の期間信号と、荷重確定条件更新指示器39からの更新指示信号を入力するように構成した点が異なる。本実施の形態においては、操作者が更新演算期間指示器40により荷重確定条件の更新演算に用いる動作履歴の期間を指示し、当該期間の動作履歴に基づいて荷重確定条件を設定することを特徴とする。
本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態においては、図3に示す第1の実施の形態のコントローラ21の構成に対して、図16に示すように更新演算期間指示器40からの動作履歴の期間信号と、荷重確定条件更新指示器39からの更新指示信号を入力するように構成した点が異なる。本実施の形態においては、操作者が更新演算期間指示器40により荷重確定条件の更新演算に用いる動作履歴の期間を指示し、当該期間の動作履歴に基づいて荷重確定条件を設定することを特徴とする。
本実施の形態において、荷重確定条件更新部56には、荷重確定条件更新演算部55からの信号の他に荷重確定条件更新指示器39からの更新指示信号が入力されている。また、記憶部53には、更新演算期間指示器40から動作履歴の開始または終了の指令信号が入力されている。
図17に示すフローチャート図はコントローラ21において予め定められたサンプリング毎に実行されるものであり、図9及び図14に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
コントローラ21の記憶部53において、動作取得開始指示がされているか否かを判断する(ステップS130)。具体的には、荷重演算期間指示器40から動作履歴の取得開始が指示されているか否かを判定し、取得開始が指示されている場合は、ステップS131へ進み、それ以外の場合はそのまま処理を終了する。
取得開始が指示されている場合、コントローラ21の記憶部53において、動作履歴のデータが記録される(ステップS131)。
コントローラ21の記憶部53において、動作取得終了指示がされているか否かを判断する(ステップS132)。具体的には、荷重演算期間指示器40から動作履歴の取得終了が指示されているか否かを判定し、取得終了が指示されている場合は、ステップS110へ進み、それ以外の場合はステップS131に戻る。
取得終了が指示されている場合、コントローラ21の荷重安定期間判定部54において、記憶データの読み込み(ステップS110)と、荷重安定期間の判定(ステップS111)が行なわれ、荷重確定条件更新部55において荷重確定条件更新演算が行われる(ステップS112)。
コントローラ21の荷重確定条件更新部56において、更新指示があったか否かを判断する(ステップS123)。具体的には、荷重確定条件更新指示器39の設定変更信号が入力されたか否かを判断する。更新指示があった場合には、ステップS113へ進み荷重確定条件の書き換えが行なわれ、それ以外の場合には、処理を終了する。ステップS113の処理の後にステップS114へ進み記録データをリセットする処理が行なわれ、その後処理を終了する。
<画面表示>
図18は本実施の形態における外部出力器23の表示画面であって、第1の実施の形態における表示画面に対して、更新前後設定値表示部74を省略し、図16に示す更新演算期間指示器40の機能として、動作取得開始ボタン81と動作終了ボタン82と、荷重確定条件更新指示器39の機能としての設定変更ボタンとを備えている。動作取得開始ボタン81が押下されると、上述したステップS130にて、動作履歴の取得開始が指示されたと判断され、記憶部53に動作履歴が記録される。動作終了ボタン82が押下されるとステップS132にて、動作履歴の取得終了が指示された判断され、記憶部53への動作履歴の記録が終了する。
図18は本実施の形態における外部出力器23の表示画面であって、第1の実施の形態における表示画面に対して、更新前後設定値表示部74を省略し、図16に示す更新演算期間指示器40の機能として、動作取得開始ボタン81と動作終了ボタン82と、荷重確定条件更新指示器39の機能としての設定変更ボタンとを備えている。動作取得開始ボタン81が押下されると、上述したステップS130にて、動作履歴の取得開始が指示されたと判断され、記憶部53に動作履歴が記録される。動作終了ボタン82が押下されるとステップS132にて、動作履歴の取得終了が指示された判断され、記憶部53への動作履歴の記録が終了する。
上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態によれば、上述した第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、上述した本発明の作業機械の荷重計測装置の第3の実施の形態によれば、荷重確定条件の生成に用いる作業履歴を操作者が指定することができるので、操作者や作業内容により適した設定値に更新することができる。このことにより荷重計測の精度がより向上する。さらに、作業実施前に作業と同様の動作を実施し、その動作の履歴のみを用いて荷重確定条件を生成することで、実施する作業と操作者に適した設定値に更新することができる。この結果、荷重計測の精度がより向上する。
<その他>
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
<その他>
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、本実施例の説明に用いた油圧ショベル1は上部旋回体11、ブーム13、アーム14、バケット15を有しているが、作業機の構成はこれに限らず、例えばリフティングマグネット機のような異なる形態の作業機であっても良い。また油圧ショベル1の駆動回路は図2に示す構成に限定されるものではない。
また、瞬時荷重演算は図6に示すモデルに限定されるものではなく、異なる演算式を用いても良いことは明白である。例えば、ブーム13、アーム14、バケット15それぞれの角度とブームシリンダ16の圧力に対する荷重のマップを保持して、マップと圧力値から荷重を演算しても良い。また、ブーム13、アーム14、バケット15により構成されるフロント機構12の運動方程式を用いて荷重を演算しても良い。
荷重演算期間の判定方法は図8(a)、(b)に示す手法に限定されるものではない。例えば荷重位置の加速度を用いるのではなく、旋回角度の大きさを用いて荷重演算期間を判定しても良い。また異なる判定条件を組み合わせて荷重演算期間を判定してもよい。なお、この際、荷重演算期間の判定に用いる変数を操作者が選択できるように構成しても良い。
荷重安定期間の判定方法は図10に示す方法に限定されるものではない。例えば、安定度の演算は一定区間の標準偏差に限定されるものではなく、期間の最大値・最小値の差分を用いて荷重安定期間を判定しても良い。さらに複数の安定度を指標とするように構成しても良い。
荷重確定条件更新指示器39は図12に示すスイッチに限定されるものではない。例えば定期的に更新指示を出力するタイマーにより構成されていても良く、また無線装置により外部から更新指示を受け付ける構成にしても良い。さらに、油圧ショベル1の位置情報に応じて更新指示を出力するように構成されていても良い。
外部出力器23の表示内容は図12、図15、および図18に限定されるものではない。例えば、運搬機械2の規定積込重量を取得し、積算荷重の運搬機械容量に対する割合を同時に表示しても良く、過去の荷重演算結果の履歴を並べて表示するように構成されていても良い。
1:油圧ショベル(作業機械)、2:ダンプトラック(運搬機械)、3:掘削対象物、4:掘削物、10:下部走行体、11:上部旋回体、12:フロント機構、13:ブーム、14:アーム、15:バケット(アタッチメント)、16:ブームシリンダ、17:アームシリンダ、18:バケットシリンダ、21:コントローラ、23:外部出力器、24:ブーム角度センサ、25:アーム角度センサ、26:バケット角度センサ(位置検出部)、27:旋回角速度センサ、28:傾斜角度センサ、29:ブームボトム圧センサ(推力検出部)、30:ブームロッド圧センサ(推力検出部)、39:荷重確定条件更新指示器、40:更新演算期間指示器、50:瞬時荷重演算部(荷重演算部)、51:荷重確定期間判定部、52:荷重確定部、53:記憶部、54:荷重安定期間判定部、55:荷重確定条件更新演算部、56:荷重確定条件更新部(荷重確定条件更新判定部)、57:荷重確定条件記憶部、58:荷重確定条件比較部
Claims (5)
- 作業機械に対して回動可能に取り付けられたフロント機構と、
前記フロント機構に取り付けられ、作業対象物の掘削作業と掘削した作業対象物を掘削位置から運搬機械の荷台の上に移動させる運搬作業とを行なうアタッチメントと、
前記アタッチメントの位置を検出する位置検出部と、
前記フロント機構の関節を駆動する少なくとも1つのアクチュエータと、
前記アクチュエータの推力を検出する推力検出部と、
前記位置検出部と前記推力検出部からの信号に基づいて前記運搬作業中に前記アタッチメントが運搬している作業対象物の瞬時荷重を常時演算する荷重演算部とを備えた作業機械の荷重計測装置において、
前記運搬作業の間の所定期間を判定するための荷重確定条件を記憶する荷重確定条件記憶部と、
前記所定期間の瞬時荷重に基づいて前記アタッチメントが運搬している前記作業対象物の荷重を確定する荷重確定部と、
前記荷重確定部で確定した前記作業対象物の確定荷重を出力する外部出力器と、
前記荷重演算部で演算した前記瞬時荷重と、前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴に基づいて前記荷重確定条件を更新演算する荷重確定条件更新演算部とを備えた
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。 - 請求項1に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記荷重確定条件記憶部に記憶されている荷重確定条件と前記荷重確定条件更新演算部で生成される新たな荷重確定条件とを比較し、前記2つの荷重確定条件の差分が所定の条件を満たす場合に荷重確定条件更新の提案信号を出力する荷重確定条件比較部と、
前記荷重確定条件更新演算部の演算結果により前記荷重確定条件記憶部に記憶された荷重確定条件を更新するか否かを判定する荷重確定条件更新判定部とをさらに備え、
前記外部出力器は、前記荷重確定条件比較部から荷重確定条件更新の提案信号が出力されたときに荷重確定条件の更新提案を報知し、
前記荷重確定条件更新演算部は、前記荷重確定条件更新判定部が荷重確定条件の更新の指示を受け付けたと判定したときに、新たな荷重確定条件を演算する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。 - 請求項1に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記記憶部に記憶された前記瞬時荷重の履歴の中の所定期間における標準偏差が最小となる期間を荷重安定期間と判定する荷重安定期間判定部を更に備え、
前記荷重確定条件更新演算部は、前記荷重安定期間の開始時点と終了時点における前記アタッチメントの加速度を前記記憶部に記憶された前記前記位置検出部からの信号の履歴から抽出し、抽出した加速度の信号を荷重確定条件として使用する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。 - 請求項3に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記荷重安定期間判定部は、前記荷重安定期間における標準偏差と予め設定された基準値とを比較して、前記荷重安定期間における安定度のランクを分類し、
前記外部出力器は、前記安定度のランクを更に出力する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。 - 請求項1に記載の作業機械の荷重計測装置において、
前記記憶部に記憶される前記瞬時荷重の履歴と前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴における履歴の期間を指定する更新演算期間指示器を更に備え、
前記荷重確定条件更新演算部は、前記更新演算期間指示器により指示された履歴の期間において記憶された前記瞬時荷重の履歴と前記位置検出部と前記推力検出部からの信号の履歴に基づいて新たな荷重確定条件を生成する
ことを特徴とする作業機械の荷重計測装置。
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