JP2019528415A - 建設機械の制御システム及び建設機械の制御方法 - Google Patents

建設機械の制御システム及び建設機械の制御方法 Download PDF

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Abstract

建設機械の制御システムは、 油圧ポンプと、前記油圧ポンプに第１及び第２の並列ラインを介して各々連結された第１及び第２のアクチュエータと、内部に備えられたスプールの変位量によって、前記第１及び第２のアクチュエータの動作を各々制御するための第１及び第２の制御弁と、入力された制御信号によって、前記第１及び第２の制御弁のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記スプールのそれぞれに供給する第１及び第２のスプール変位調整弁と、作業者の操作信号によって、前記第１及び第２のスプール変位調整弁に前記制御信号を出力し、前記第１及び第２のアクチュエータの複合動作のための操作信号を受信する時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号による前記第２の制御弁のスプール変位量を、前記第１のアクチュエータの操作信号によって制限するように調整する制御部とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、建設機械の制御システム及び建設機械の制御方法に関する。より詳しくは、電子比例減圧弁を用いた電子油圧式メイン制御弁を有する建設機械の制御システム、及びこれを用いた建設機械の制御方法に関する。
最近、建設機械において、電子比例減圧弁(EPPRV)により電子制御する電子油圧式メイン制御弁が用いられている。従来の機械油圧式メイン制御弁を有する建設機械において、作動圧が互いに異なるアクチュエータの複合動作を行うことに当たり、油圧ラインにオリフィスを設置して、これらの間の流量分配のバランスを調整することができる。
しかし、前記オリフィスが固定された面積制限により、非効率的な流量分配及び制御性の低下が発生し、アクチュエータに加えられる負荷が大きい場合は、圧力ロスによる燃費が低下するという問題点がある。
本発明の課題は、燃費を改善し、制御性を向上させる建設機械の制御システムを提供することにある。
本発明の他の課題は、上述した制御システムを用いた建設機械の制御方法を提供することにある。
前記本発明の課題を達成するための本発明による建設機械の制御システムは、油圧ポンプと、前記油圧ポンプに第１及び第２の並列ラインを介して各々連結され、前記油圧ポンプより吐出された作動油によって動作する第１及び第２のアクチュエータと、前記第１及び第２の並列ラインに各々設置され、内部に備えられたスプールの変位量によって、前記第１及び第２のアクチュエータの動作を各々制御するための第１及び第２の制御弁と、入力された制御信号によって、前記第１及び第２の制御弁のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記スプールのそれぞれに供給する第１及び第２のスプール変位調整弁と、作業者の操作信号によって、前記第１及び第２のスプール変位調整弁に前記制御信号を出力し、前記第１及び第２のアクチュエータの複合動作のための操作信号を受信する時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号による前記第２の制御弁のスプール変位量を、前記第１のアクチュエータの操作信号によって制限するように調整する制御部とを含むことを特徴とする。
前記制御部は、前記第２のアクチュエータの操作信号から、前記第２の制御弁のスプール変位量への転換比率を、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに比例して減少させる制御信号を、前記第２のスプール変位調整弁に出力する。
前記第１のアクチュエータに対する操作信号が最大である時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号の転換比率は、前記第２のアクチュエータの単独動作時の転換比率の少なくとも５０％に制限される。
前記第２の制御弁の流路面積は、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに反比例するように制御される。
前記第１及び第２のスプール変位調整弁は、電子比例減圧弁を含む。
前記制御部は、前記操作信号として入力された前記第１及び第２のアクチュエータに対するジョイスティック変位量から、前記第１のアクチュエータの動作を優先させるための優先モードを行うか否かを判断する優先モード判断部と、前記優先モードである場合、前記第２のアクチュエータについて入力されたジョイスティック変位量を、前記第１のアクチュエータのジョイスティック変位量に比例して減少された値を有する２次ジョイスティック変位量に変換するジョイスティック変位量変換部と、前記調整された２次ジョイスティック変位量によって、前記パイロット信号圧の強さを制御するための前記制御信号を出力する出力部とを含む。
前記優先モード判断部は、前記油圧ポンプ又は前記第１及び第２のアクチュエータの圧力が、既設定された圧力範囲を超える高負荷作業である場合、前記優先モードを解除する。
前記第１及び第２の制御弁は、前記油圧ポンプに連結されたセンターバイパス流路に順次設置される。
前記第１のアクチュエータは、ブームシリンダを含み、前記第２のアクチュエータは、バケットシリンダを含み、前記第１の制御弁は、ブーム制御弁を含み、前記第２の制御弁は、バケット制御弁を含む。
前記制御部は、前記第１のアクチュエータの作動圧が、前記第２のアクチュエータの作動圧よりも大きいと、前記優先モードを行うように決められる。
本発明の他の課題を達成するための本発明による建設機械の制御方法において、１つの油圧ポンプに、第１及び第２の並列ラインを介して連結された第１及び第２のアクチュエータと、前記第１及び第２の並列ラインに各々設置され、前記第１及び第２のアクチュエータの動作を各々制御するための第１及び第２の制御弁とを含む油圧システムを提供し、前記第１及び第２のアクチュエータに対する作業者の操作信号を受信し、前記操作信号から、前記第１及び第２のアクチュエータのうち、前記第１のアクチュエータの動作を優先させるための優先モードの動作可否を判断し、優先モードの場合、前記第２のアクチュエータに対する操作信号による前記第２の制御弁のスプール変位量を、前記第１のアクチュエータに対する操作信号によって制限するように、前記第２の制御弁のスプール変位量を調整する。
前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記第２のアクチュエータの操作信号から、前記第２の制御弁のスプール変位量への転換比率を、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに比例して減少させることを含む。
前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記第１のアクチュエータに対する操作信号が最大である時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号の転換比率を、前記第２のアクチュエータの単独動作時の転換比率の少なくとも５０％に制限することを含む。
前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記優先モード時の前記第２の制御弁の流路面積が、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに反比例するように制御することを含む。
前記第１及び第２のアクチュエータに対する作業者の操作信号を受信することは、前記第１及び第２のアクチュエータに対するジョイスティック変位量を受信することを含み、前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記第２のアクチュエータに対して入力されたジョイスティック変位量を、前記第１のアクチュエータに対するジョイスティック変位量に比例して減少した値を有する２次ジョイスティック変位量に変換することを含む。
更に、前記調整された２次ジョイスティック変位量により、前記第２の制御弁のスプール変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記第２の制御弁のスプールに供給することを含む。
前記パイロット信号圧を前記第２の制御弁のスプールに供給することは、電子比例減圧弁を用いることを含む。
更に、前記油圧ポンプ又は前記第１及び第２のアクチュエータの圧力が、既設定された圧力範囲を超える高負荷作業である場合、前記優先モードを解除することを含む。
前記第１のアクチュエータは、ブームシリンダを含み、前記第２のアクチュエータは、バケットシリンダを含み、前記第１の制御弁は、ブーム制御弁を含み、前記第２の制御弁は、バケット制御弁を含む。
前記優先モード動作の可否を判断することにおいて、前記第１のアクチュエータでの作動圧と、前記第２のアクチュエータでの作動圧とを比較することを含む。
本発明によると、作動圧が互いに異なる第１及び第２のアクチュエータの複合動作を行うことにおいて、前記第１及び第２のアクチュエータのうち、相対的に低い作動圧を有するアクチュエータに作動油が流入する制御弁の流路面積を感小させて、作動圧を上昇させ、前記第１及び第２のアクチュエータに流入される流量の分配を調節することができる。
そこで、従来の制御システムより、複合動作時の流量分配のために設置されていたオリフィスの削除が可能であって、原価削減の効果と燃費改善の効果を得られる。また、従来のオリフィスが有している制御の限界で発生する面積による非効率的な流量分配及び圧力損失を防止することができ、アクチュエータに加えられる負荷と、ジョイスティック変位量によって可変的にメータイン(meter-in)制御を行うことで、燃費を改善し、制御性を向上することができる。
但し、本発明の効果は、前記言及した効果に限定されることではなく、本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲で様々に拡張することができる。
図１は、本発明による建設機械の制御システムを示す油圧回路図である。 図２は、図１の建設機械の制御システムの制御部を示すブロック図である。 図３は、図２の制御部に保存されたブーム優先モード時のブームジョイスティック変位量によるバケットジョイスティック変位量制限マップを示すグラフである。 図４は、図３のバケットジョイスティック変位量制限マップによるバケットジョイスティック変位量の転換比率を示すグラフである。 図５は、図１におけるブーム上昇及びバケットクラウッドの複合動作信号が受信された場合の制御システムを示す油圧回路図である。 図６は、本発明による建設機械の制御方法を示す順序度である。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳しく説明することにする。
本発明の各図において、構造物の寸法は、本発明の明確性を図るために、実際より拡大して示している。
本発明において、第１、第２などの用語は、多様な構成要素を説明することに使用されるが、前記構成要素は、前記用語によって限定してはいけない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的にのみ使われる。
本発明で使った用語は、単に、特定の実施形態を説明するために使われており、本発明を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なることを意味しなし限り、複数の表現を含む。本出願において、“含む”又は“有する”などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、又はこれらを組合わせたことが存在することを指定することであり、１又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、又はこれらを組合わせたものの存在、又は付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。
本文に開示されている本発明の実施形態について、特定の構造的乃至機能的な説明は、単に本発明の実施形態を説明するための目的として例示されたものであり、本発明の実施形態は、多様な形態で実施可能であり、本文に説明された実施例に限定されることと解析されてはいけない。
すなわち、本発明は、多様な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に示し、本文に詳細に説明する。しかし、これは、本発明を特定の開示形態について限定しようとすることではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むことと理解されるべきである。
図１は、本発明による建設機械の制御システムを示す油圧回路図である。図２は、図１の建設機械の制御システムの制御部を示すブロック図である。図３は、図２の制御部に保存されたブーム優先モード時のブームジョイスティック変位量によるバケットジョイスティック変位量制限マップを示すグラフである。図４は、図３のバケットジョイスティック変位量制限マップによるバケットジョイスティック変位量の転換比率を示すグラフである。図５は、図１におけるブーム上昇及びバケットクラウッドの複合動作信号が受信された場合の制御システムを示す油圧回路図である。
図１乃至図５に示しているように、建設機械の制御システムは、第１の油圧ポンプ１００と、第１の油圧ポンプ１００に、第１及び第２の並列ライン２１０、２２０を介して各々連結され、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油によって動作する第１及び第２のアクチュエータ１０、２０と、第１及び第２の並列ライン２１０、２２０に各々設置され、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０の動作を各々制御するための第１及び第２の制御弁３１０、３２０と、入力された制御信号に比例して、第１及び第２の制御弁３１０、３２０のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記スプールのそれぞれに供給する第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０と、作業者の操作信号によって、第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０に前記制御信号を各々出力し、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０のいずれか１つの操作信号によって、他の１つの動作を制御するための前記スプールのスプール変位量を調整する制御部５００とを含む。
前記建設機械は、掘削機、ホイールローダー、フォークリフトなどを含む。以下では、前記建設機械が掘削機の場合について説明する。但し、これにより、本発明による制御システムが、掘削機を制御するためのものに限定することではなく、ホイールローダー、フォークリフトなどにも同様に適用可能であることを理解されるべきであるだろう。
前記建設機械は、下部走行体、前記下部走行体上に旋回可能に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に設置された運転室及びフロント作業装置とを含む。前記フロント作業装置は、ブーム、アーム、及びバケットを含む。前記ブームと前記上部フレームの間には、前記ブームの動きを制御するブームシリンダが設置される。前記ブームと前記アームの間には、前記アームの動きを制御するアームシリンダが設置される。そして、前記アームと前記バケットの間には、前記バケットの動きを制御するバケットシリンダが設置される。前記ブームシリンダ、前記アームシリンダ、及び前記バケットシリンダが伸張又は収縮することにより、前記ブーム、前記アーム、及び前記バケットは、多様な動きを具現することができ、前記フロント作業装置は、様々な作業を行うことができる。
第１の油圧ポンプ１００は、動力伝達装置を介して、エンジン(図示せず)に連結される。前記エンジンからの動力は、第１の油圧ポンプ１００に伝達される。第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油は、第１及び第２の制御弁３１０、３２０を介して、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０にそれぞれ分配供給される。
具体的に、第１及び第２の制御弁３１０、３２０は、第１のメイン油圧ライン２００を介して、第１の油圧ポンプ１００に連結される。第１のメイン油圧ライン２００は、第１のセンターバイパスライン２０２、及び第１及び第２の並列ライン２１０、２２０に分岐される。第１のセンターバイパスライン２０２には、第１及び第２の制御弁３１０、３２０が直列に順次設置される。
第１及び第２の制御弁３１０、３２０は、第１の油圧ポンプ１００に互いに並列に連結された第１及び第２の並列ライン２１０、２２０に各々連結される。第１の制御弁３１０が切り換えられて、第１のセンターバイパスライン２０２が閉鎖しても、第２の制御弁３２０は、第２の並列ライン２２０によって、第１の油圧ポンプ１００に連結され、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油を供給される。第１及び第２の制御弁３１０、３２０は、第１の油圧ポンプ１００に並列に連結された第１及び第２の並列ライン２１０、２２０と連結されるので、第１及び第２の制御弁３１０、３２０が切り換えられる時、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油は、第１及び第２の制御弁３１０、３２０を介して、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０に分配供給される。
図面には図示していないが、第１のセンターバイパスライン２０２には、第３アクチュエータの動作を制御するための補助制御弁が設置されることができ、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油は、前記補助制御弁を介して、前記第３のアクチュエータに供給される。この場合において、第１及び第２の並列ライン２１０、２２０と同様な構造の並列ラインが、前記補助制御弁に連結される。
第１のアクチュエータ１０は、前記ブームシリンダであり、第２のアクチュエータ２０は、前記バケットシリンダである。この場合において、第１の制御弁３１０は、ブーム制御弁であり、第２の制御弁３２０は、バケット制御弁である。
第１の制御弁１０、すなわち、前記ブーム制御弁は、ブームヘッド油圧ライン２３２及びブームロード油圧ライン２３４を介して、第１のアクチュエータ１０、すなわち、前記ブームシリンダのブームヘッドチャンバ１２及びブームロードチャンバ１４に各々連結される。よって、第１の制御弁３１０が切り換えられて、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油を、ブームヘッドチャンバ１２及びブームロードチャンバ１４に選択的に供給することができる。
ブームシリンダ１０を駆動させる作動油は、リターン油圧ラインを介して、ドレーンタンク(Ｔ)に戻る。ブーム上昇時に、ブームロードチャンバ１４からの作動油は、ブームロード油圧ライン２３４を介して、第１の制御弁３１０、すなわち、前記ブーム制御弁を介して、ドレーンタンク(Ｔ)に排出される。
第２の制御弁３２０、すなわち、前記バケット制御弁は、バケットヘッド油圧ライン２４２及びバケットロード油圧ライン２４４を介して、第２のアクチュエータ、すなわち、バケットシリンダ２０のバケットヘッドチャンバ２２及びバケットロードチャンバ２４に各々連結される。よって、第２の制御弁３２０が切り換えられて、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油を、バケットヘッドチャンバ２２及びバケットロードチャンバ２４に選択的に供給することができる。
バケットシリンダ２０を駆動させる作動油は、リターン油圧ラインを介して、ドレーンタンク(Ｔ)に戻る。バケットヘッドチャンバ２２及びバケットロードチャンバ２４からの作動油は、バケットヘッド油圧ライン２４２及びバケットロード油圧ライン２４４を介して、第２の制御弁３２０、すなわち、前記バケット制御弁を経て、ドレーンタンク(Ｔ)に各々排出される。
一方、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０に対する操作信号がない場合は、第１の油圧ポンプ１００より吐出された作動油は、第１のセンターバイパス流路２０２を介して、ドレーンタンク(Ｔ)に戻る。
パイロットポンプ４００は、前記エンジンの出力軸に連結され、この場合、前記エンジンの動力を伝達されたパイロットポンプ４００が駆動されて、制御油を吐出する。例えば、前記パイロットポンプは、ギヤポンプである。この場合において、前記作動油及び前記制御油は、実質的に同一の物質を含むことができる。
パイロットポンプ４００より吐出された制御油は、第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０を介して、第１及び第２の制御弁３１０、３２０のスプールにそれぞれ供給される。パイロットポンプ４００より吐出された制御油は、制御流路４０２を介して、第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０に各々供給される。
第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０は、入力された制御信号に比例して、第１及び第２の制御弁３１０、３２０のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記スプールに各々供給することができる。
例えば、一対の第１のスプール変位調整弁４１０が、第１の制御弁３１０のスプールの両側にそれぞれ備えられる。第１のスプール変位調整弁４１０より出力された第１のパイロット信号圧は、第１の制御弁３１０内のスプールの両側に選択的に供給されることで、第１の制御弁３１０が切り換えられる。第１のスプール変位調整弁４１０は、入力された制御信号に比例する大きさを有する第１のパイロット信号を供給する。第１の制御弁３１０内のスプールの移動は、前記第１のパイロット信号圧によって制御される。すなわち、前記第１のパイロット信号圧の供給方向により、前記スプールの移動方向が決められ、前記第１のパイロット信号圧の強さによって、前記スプールの変位量が決められる。
また、一対の第２のスプール変位調整弁４２０が、第２の制御弁３２０のスプールの両側にそれぞれ備えられる。第２のスプール変位調整弁４２０より出力された第２のパイロット信号圧は、第２の制御弁３２０内のスプールの両側に選択的に供給されることで、第２の制御弁３２０が切り換えられる。第２のスプール変位調整弁４２０は、入力された制御信号に比例する大きさを有する第２のパイロット信号を供給する。第２の制御弁３２０内のスプールの移動は、前記第２のパイロット信号圧によって制御される。すなわち、前記第２のパイロット信号圧の供給方向により、前記スプールの移動方向が決められ、前記第２のパイロット信号圧の強さによって、前記スプールの変位量が決められる。
前記建設機械の制御システムは、第１及び第２の制御弁３１０、３２０を有する組立体としてのメイン制御弁(Main Control Valve、MCV)を含む。前記メイン制御弁は、入力される電気信号により、制御弁内のスプールに加えられるパイロット作動油を制御する電子比例減圧弁(EPPRV)を含む電子油圧式メイン制御弁である。第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０は、電子比例減圧弁(EPPRV)を含む。
制御部５００は、操作部６００より、作業者の操作量に比例する操作信号を受信し、前記操作信号に対応するように、第１及び第２のスプール変位調整弁４１０、４２０に、前記制御信号として圧力指令信号を各々出力する。前記電子比例減圧弁は、前記圧力指令信号に比例する２次圧力を、対応する前記スプールに各々出力することで、電気制御信号で前記スプールを制御する。
例えば、制御部５００は、第１のアクチュエータ１０に対する操作信号、例えば、ジョイスティック変位量を受信し、前記受信されたジョイスティック変位量に対応する制御信号、例えば、電流を生成して、第１のスプール変位調整弁４１０に印加する。第１のスプール変位調整弁４１０は、前記印加された電流の強さに比例する第１のパイロット信号圧を、第１の制御弁３１０のスプールに供給することで、第１の制御弁３１０のスプールを、前記印加された第１のパイロット信号圧の強さによって移動することができる。これによって、第１のアクチュエータ１０に対する前記受信されたジョイスティック変位量は、既設定された転換比率で、第１の制御弁３１０のスプール変位量に転換される。
制御部５００は、第２のアクチュエータ２０に対する操作信号、例えば、ジョイスティック変位量を受信し、前記受信されたジョイスティック変位量に対応する制御信号、例えば、電流を生成して、第２のスプール変位調整弁４２０に印加する。第２のスプール変位調整弁４２０は、前記印加された電流の強さに比例する第２のパイロット信号圧を、第２の制御弁３２０のスプールに供給することで、第２の制御弁３２０のスプールを、前記印加された第２のパイロット信号圧の強さによって移動することができる。これによって、第２のアクチュエータ２０に対する前記受信されたジョイスティック変位量は、既設定された転換比率で、第２の制御弁３２０のスプール変位量に転換される。
例えば、操作部６００は、ジョイスティック、ペダルなどを含む。作業者が操作部６００を操作すると、前記操作に対応する操作信号が発生する。操作部６００は、前記ジョイスティック変位量(又は、角度)を測定するセンサを含む。操作部６００は、前記測定された変位量に対応する電圧信号又は電流信号のような信号を出力する。制御部６００は、前記操作信号を受信し、前記操作信号に対応するように、前記メイン制御弁を制御することで、前記第１及び第２のアクチュエータを作動させる。
前記建設機械の制御システムは、第１のアクチュエータ１０に作動油を供給するための第２の油圧ポンプ１１０と、第１のアクチュエータ１０及び第２の油圧ポンプ１１０間の油圧ラインに設置され、第１のアクチュエータ１０の動作を制御する第３の制御弁３３０と、入力された制御信号に比例して、第３の制御弁３３０のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記スプールに供給する第３のスプール変位調整弁４３０とを更に含む。
第２の油圧ポンプ１１０は、前記エンジンに連結される。第２の油圧ポンプ１１０より吐出された作動油は、第３の制御弁３３０を介して、第１のアクチュエータ１０に供給される。
具体的に、第３の制御弁３３０は、第２のメイン油圧ライン２０４を介して、第２の油圧ポンプ１１０に連結される。第２のメイン油圧ライン２０４は、第２のセンターバイパスライン２０４、及び第３の並列ライン２３０に分岐される。第２のセンターバイパスライン２０４には、第３の制御弁３３０、及び補助制御弁(図示せず)が直列に順次設置される。
第３の制御弁３３０は、ブームヘッド油圧ライン２３２及びブームロード油圧ライン２３４を介して、第１のアクチュエータ１０、すなわち、前記ブームシリンダのブームヘッドチャンバ１２及びブームロードチャンバ１４に各々連結される。第３の制御弁３３０が切り換えられて、第２の油圧ポンプ１１０より吐出された作動油を、ブームヘッドチャンバ１２及びブームロードチャンバ１４に選択的に供給する。これによって、第１及び第２の油圧ポンプ１００、１１０より吐出された作動油は、第１及び第２の制御弁３１０、３３０を経て合流された後、第１のアクチュエータ１０に供給される。このような合流は、第１のアクチュエータ１０が高負荷状態の場合に進行する。
第１のアクチュエータ１０に対する操作信号がない場合は、第２の油圧ポンプ１１０より吐出された作動油は、第２のセンターバイパス流路２０４を介して、ドレーンタンク(Ｔ)に戻る。
パイロットポンプ４００より吐出された制御油は、第３のスプール変位調整弁４３０を介して、第３の制御弁３３０のスプールに供給される。パイロットポンプ４００より吐出された制御油は、制御流路４０２を介して、第３のスプール変位調整弁４３０に供給される。
第３のスプール変位調整弁４３０は、入力された制御信号に比例して、第３の制御弁３３０のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、第３の制御弁３３０の前記スプールに供給する。
例えば、一対の第３のスプール変位調整弁４３０が、第３の制御弁３３０のスプールの両側にそれぞれ備えられる。第３のスプール変位調整弁４３０より出力された第３のパイロット信号圧は、第３の制御弁３３０内のスプールの両側に選択的に供給されることで、第３の制御弁３３０が切り換えられる。第３のスプール変位調整弁４３０は、入力された制御信号に比例する大きさを有する第３のパイロット信号を供給する。第３の制御弁３３０内のスプールの移動は、前記第３のパイロット信号圧によって制御される。すなわち、前記第３のパイロット信号圧の供給方向により、前記スプールの移動方向が決められ、前記第３のパイロット信号圧の強さにより、前記スプールの変位量が決められる。
第３のスプール変位調整弁４３０は、電子比例減圧バルブ(EPPRV)を含む。
制御部５００は、第１のアクチュエータ１０に対する操作信号、例えば、ジョイスティック変位量を受信し、前記受信されたジョイスティック変位量に対応する制御信号、例えば、電流を生成して、第３のスプール変位調整弁４３０に印加する。第３のスプール変位調整弁４３０は、前記印加された電流の強さに比例する第３のパイロット信号圧を、第３の制御弁３３０のスプールに供給することで、第３の制御弁３３０のスプールを、前記印加された第３のパイロット信号圧の強さによって移動させることができる。これによって、第１のアクチュエータ１０に対する前記受信されたジョイスティック変位量は、既設定された転換比率で、第３の制御弁３３０のスプール変位量に転換される。
また、制御部５００は、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０の複合動作のための操作信号を受信する際、第２のアクチュエータ２０に対する操作信号による第２の制御弁３２０のスプール変位量を、第１のアクチュエータ１０の操作信号で制限するように制御することができる。制御部５００は、第２のアクチュエータ２０の操作信号に対する第２の制御弁３２０のスプール変位量の転換比率を、第１のアクチュエータ１０の操作信号の大きさに比例して減少させる制御信号を、第２のスプール変位調整弁４２０に出力する。
図２に示しているように、制御部５００は、データ受信部５１０と、優先モード判断部５２０と、ジョイスティック変位量変換部５３０と、出力部５４０とを含む。
データ受信部５１０は、操作部６００よりジョイスティック変位量を受信する。データ受信部５１０は、ブーム、アーム、バケット、及びスイングに対する操作信号として、ジョイスティック変位量を受信する。例えば、データ受信部５１０は、ブームシリンダに対する操作信号として、ブームジョイスティック変位量(ブームストローク)、及びバケットシリンダに対する操作信号として、バケットジョイスティック変位量(バケットストローク)を受信する。また、データ受信部５１０は、第１の油圧ポンプ１００及び第２の油圧ポンプ１１０の圧力を受信する。また、データ受信部５１０は、前記アクチュエータの圧力を受信する。
優先モード判断部５２０は、前記操作信号として入力された第１及び第２のアクチュエータ１０、２０に対するジョイスティック変位量から、第１のアクチュエータ１０の動作を優先させるための優先モードを行うか否かを判断する。優先モード判断部５２０は、ブームジョイスティック変位量及びバケットジョイスティック変位量を受信する際、第１のアクチュエータ１０での作動圧と第２のアクチュエータ２０での作動圧とを比較し、第１のアクチュエータ１０の作動圧が、第２のアクチュエータ２０の作動圧よりも大きい場合、第１のアクチュエータ１０の動作を優先させるための優先モードを行うように決めることができる。一方、優先モード判断部５２０は、第１の油圧ポンプ１００の圧力が、既設定された圧力範囲を超える高負荷作業の場合、前記ブーム優先モードを解除することができる。
バケットの単独動作を行う時、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力が約８０ｂａｒであり、ブームの単独動作を行う時、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力が約１３０ｂａｒである。一方、バケットが地を掘る動作を行う時、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力は、前記ブームの作動圧と同様な値に増加する。
例えば、前記バケットが約８０ｂａｒの作動圧で動作している状態で前記ブームが動作する時(ブームとバケットの複合動作に対する操作信号が受信される時)、優先モード判断部５２０は、前記ブームシリンダの作動圧が、前記バケットシリンダの作動圧よりも大きい場合、ブーム優先モードを行うように決めることができる。優先モード判断部５２０は、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力が、既設定された第２の圧力(例えば約１８０ｂａｒ)以下の場合、前記ブーム優先モードを行うように決めることができる。一方、前記ブームとバケットの複合動作時に、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力が前記第２の圧力以上である場合、優先モード判断部５２０は、高負荷作業と判断し、前記ブーム優先モードを解除する。また、前記バケットの単独動作時に、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力が、既設定された第１の圧力(例えば約１３０ｂａｒ又は１８０ｂａｒ)以上である場合、優先モード判断部５２０は、高負荷作業と判断し、入力されたバケットジョイスティック変位量を調整することなく、最初入力された値に対応するように、第２のスプール変位調整弁４２０に、前記制御信号として圧力指令信号を各々出力する。
ジョイスティック変位量変換部５３０は、前記優先モードの時、第２のアクチュエータ２０に対して入力されたジョイスティック変位量を、第１のアクチュエータ１０のジョイスティック変位量に比例して減少した値を有する２次ジョイスティック変位量に変換する。
図３に示しているように、ジョイスティック変位量変換部５３０は、ブーム優先モードの時、変位量制限マップを用いて、入力されたバケットジョイスティック変位量(バケットストローク)から、２次バケットジョイスティック変位量(変換されたバケットストローク)を算出する。前記入力されたバケットジョイスティック変位量は、前記変位量制限マップに保存されたブームジョイスティック変位量の大きさによる既設定された割合で、前記２次バケットジョイスティック変位量に変換される。前記入力されたバケットジョイスティック変位量に対する前記２次バケットジョイスティック変位量の減少率は、ブームジョイスティック変位量(ブームストローク)の大きさに比例する。すなわち、ブームストロークが増加するほど、前記２次バケットジョイスティック変位量は、より小さくなるように変換される。
出力部５４０は、前記調整された(制限された)２次ジョイスティック変位量に比例して、前記パイロット信号圧の強さを制御するための前記制御信号を出力する。出力部５４０は、前記調整された２次バケットジョイスティック変位量に比例する電流を生成して、第２のスプール変位調整弁４２０に印加する。第２のスプール変位調整弁４２０は、前記印加された電流の強さに比例する第２のパイロット信号圧を、前記バケット制御弁のスプールに供給することで、前記バケット制御弁のスプールを、前記印加された第２のパイロット信号圧の強さによって移動することができる。
そこで、前記ブーム優先モード時の前記バケット制御弁の流路面積は、ブームに対する操作信号の大きさに反比例するように制御される。すなわち、前記調整された２次バケットジョイスティック変位量による前記バケット制御弁の流路面積は、バケットの単独動作時の前記バケット制御弁の流路面積よりも小さくなるように制御され、前記流路面積の減少比率は、前記ブームに対する操作信号の大きさに比例する。
図４に示しているように、前記２次バケットジョイスティック変位量が調整されることによって、前記バケット制御弁の操作信号に対するスプール変位量も調整される。すなわち、バケット操作信号からバケット制御弁のスプール変位量への転換比率(バケット操作信号の転換比率)は、ブームストロークの大きさに比例して減少される。前記ブーム優先モードにおける前記バケット操作信号の転換比率は、バケット単独動作時の転換比率よりも小さい。例えば、ブームストロークが１００％である場合、前記入力されたバケットジョイスティック変位量から前記バケット制御弁のスプール変位量への転換比率は、バケット単独動作時の転換比率の約５０％に減少される。
上述したように、前記建設機械の制御システムは、第１及び第２のアクチュエータの動作を制御する第１及び第２の制御弁、並びに入力される電気信号によって、前記第１及び第２の制御弁内のスプールに加えられるパイロット作動油を制御する電子比例減圧弁を含む電子油圧式メイン制御弁を含むことができる。前記建設機械の制御システムは、作動圧が互いに異なる第１及び第２のアクチュエータの複合動作を行う時、前記第１及び第２のアクチュエータのうち、相対的に低い作動圧を有するアクチュエータに作動油が流入される制御弁の流路面積を減少させて、作動圧を上昇させ、前記第１及び第２のアクチュエータに流入される流量の分配を調節することができる。
そこで、従来の機械油圧式メイン制御弁を有する制御システムにおける複合動作時、流量分配のために設置されたオリフィス構造に代わって、電子油圧式メイン制御弁を有する制御システムにてこのような機能を行うことで、コスト削減の効果と燃費改善の効果を得られる。また、従来のオリフィス構造における固定したオリフィス面積による非効率的な流量の分配及び圧力損失を防止することができ、アクチュエータに加えられる負荷とジョイスティック変位量によって、可変的にメータイン制御を行うことで、燃費を改善し、制御性を向上することができる。
以下では、図１の制御システムを用いて、建設機械を制御する方法について説明する。
図６は、本発明による建設機械の制御方法を示すシーケンス図である。
図１、図２、及び図６に示しているように、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０に対する作業者の操作信号、及び第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力を受信する(Ｓ１００、Ｓ１２０)。第１及び第２のアクチュエータ１０、２０によって行われる作業が、高負荷作業であるか否かを判断する(Ｓ１１０)。
また、ブームシリンダに対する操作信号として、ブームジョイスティック変位量(ブームストローク)、及びバケットシリンダに対する操作信号として、バケットジョイスティック変位量(バケットストローク)を受信する。また、第１の油圧ポンプ１００及び第２の油圧ポンプ１１０の圧力を受信する。これと異なり、前記ブームシリンダ及び前記バケットシリンダの圧力を受信することができる。
更に、バケットが単独動作を行っている状態で、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力を受信する。前記ポンプの吐出圧力が、既設定された第１の圧力(例えば１３０ｂａｒ)以上の場合、高負荷作業と判断する(Ｓ１１０)。この場合において、バケットに対して入力されたジョイスティック変位量(バケットストローク)は変換されず、最初入力値による制御信号(電流)を、第２のスプール変位調整弁４２０に出力し、第２のスプール変位調整弁４２０は、前記印加された電流の強さに比例する第２のパイロット信号圧を、第２の制御弁３２０のスプールに供給することで、第２の制御弁３２０のスプールを、前記印加された第２のパイロット信号圧の強さによって移動させる(Ｓ１５２)。
ついで、前記操作信号から、第１及び第２のアクチュエータ１０、２０のうち、第１のアクチュエータ１０の動作を優先させる優先モードの動作可否を判断する(Ｓ１３０)。
前記バケットが動作している状態で、ブームに対する操作信号が受信される時、ブーム優先モードの実行可否を決めることができる。前記ブームとバケットの複合動作に対する操作信号が受信される時、前記ブームシリンダの作動圧が、前記バケットシリンダの作動圧よりも大きい場合に、ブーム優先モードを行うように決めることができる。例えば、第１の油圧ポンプ１００の吐出圧力が、第１の圧力(例えば約１３０ｂａｒ)以上であり、既設定された第２の圧力(例えば約１８０ｂａｒ)以下の範囲である場合、前記ブーム優先モードを行うように決めることができる。
以後、前記優先モードである時、第２のアクチュエータ２０に対して入力された操作信号を、第１のアクチュエータ１０に対する操作信号により制限する(Ｓ１４０)。前記優先モードである場合、第２のアクチュエータ２０に対して入力されたジョイスティック変位量を、第１のアクチュエータ１０のジョイスティック変位量に比例して減少した値を有する２次ジョイスティック変位量に調整することができる。
また、変位量制限マップを用いて、入力されたバケットジョイスティック変位量(バケットストローク)から、２次バケットジョイスティック変位量(変換されたバケットストローク)を算出することができる。前記入力されたバケットジョイスティック変位量は、前記変位量制限マップに保存されたブームジョイスティック変位量の大きさによる既設定された比率で、前記２次バケットジョイスティック変位量に変換される。前記入力されたバケットジョイスティック変位量に対する前記２次バケットジョイスティック変位量の減少率は、ブームジョイスティック変位量(ブームストローク)の大きさに比例する。すなわち、ブームストロークが増加するほど、前記２次バケットジョイスティック変位量は、より小さくなるように変換される。
ついで、第２のアクチュエータ２０に対する前記制限された操作信号によって、第２の制御弁３２０のスプールを移動させる(Ｓ１５０)。
前記制限された２次バケットジョイスティック変位量(制限されたバケットストローク)による制御信号(電流)を、第２のスプール変位調整弁４２０に出力し、第２のスプール変位調整弁４２０は、前記印加された電流の強さに比例する第２のパイロット信号圧を、第２の制御弁３２０のスプールに供給することで、第２の制御弁３２０のスプールを、前記印加された第２のパイロット信号圧の強さによって移動することができる。
前記バケットジョイスティック変位量が調整されることによって、前記バケット制御弁の操作信号に対するスプール変位量も調整される。すなわち、バケット操作信号から、バケット制御弁のスプール変位量への転換比率(バケット操作信号の転換比率)は、ブームストロークの大きさに比例して減少される。前記ブーム優先モードでの前記バケット操作信号の転換比率は、バケット単独動作時の転換比率よりも小さい。例えば、ブームストロークが１００％である時、前記入力されたバケットジョイスティック変位量から、前記バケット制御弁のスプール変位量への転換比率は、バケット単独動作時の転換比率の約５０％に減少される。
上述したように、作動圧が互いに異なるブームとバケットの複合動作を行う時、相対的に低い作動圧を有するバケットに作動油が流入される制御弁の流路面積を減少させて、バケットの作動圧を上昇させ、前記ブームとバケットに流入される流量の分配を調節することができる。
これにより、ブームとバケットに加えられる負荷とブームのジョイスティック変位量によって、可変的にバケットに対するメータイン制御を行うことで、燃費を改善し、制御性を向上することができる。
以上では、本発明の実施形態を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更できることを理解されるだろう。
１０: 第１のアクチュエータ
１２: ブームヘッドチャンバ
１４: ブームロードチャンバ
２０: 第２のアクチュエータ
２２: バケットヘッドチャンバ
２４: バケットロードチャンバ
１００: 第１の油圧ポンプ
１１０: 第２の油圧ポンプ
２００: メイン油圧ライン
２０２: 第１のセンターバイパスライン
２０４: 第２のセンターバイパスライン
２１０: 第１の並列ライン
２２０: 第２の並列ライン
２３０: 第３の並列ライン
２３２: ブームヘッド油圧ライン
２３４: ブームロード油圧ライン
３１０: 第１の制御弁
３２０: 第２の制御弁
３３０: 第３の制御弁
４００: パイロットポンプ
４０２; 制御パス
４１０: 第１のスプール変位調整弁
４２０: 第２のスプール変位調整弁
４３０: 第３のスプール変位調整弁
５００: 制御部
５１０: データ受信部
５２０: 優先モード判断部
５３０: ジョイスティック変位量変換部
５４０: 出力部
６００: 操作部

Claims (20)

  1. 油圧ポンプと、
    前記油圧ポンプに第１及び第２の並列ラインを介して各々連結され、前記油圧ポンプより吐出された作動油によって動作する第１及び第２のアクチュエータと、
    前記第１及び第２の並列ラインに各々設置され、内部に備えられたスプールの変位量によって、前記第１及び第２のアクチュエータの動作を各々制御するための第１及び第２の制御弁と、
    入力された制御信号によって、前記第１及び第２の制御弁のスプールの変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記スプールのそれぞれに供給する第１及び第２のスプール変位調整弁と、
    作業者の操作信号によって、前記第１及び第２のスプール変位調整弁に前記制御信号を出力し、前記第１及び第２のアクチュエータの複合動作のための操作信号を受信する時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号による前記第２の制御弁のスプール変位量を、前記第１のアクチュエータの操作信号によって制限するように調整する制御部とを含むことを特徴とする建設機械の制御システム。
  2. 前記制御部は、前記第２のアクチュエータの操作信号から、前記第２の制御弁のスプール変位量への転換比率を、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに比例して減少させる制御信号を、前記第２のスプール変位調整弁に出力することを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  3. 前記第１のアクチュエータに対する操作信号が最大である時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号の転換比率は、前記第２のアクチュエータの単独動作時の転換比率の少なくとも５０％に制限されることを特徴とする請求項２に記載の建設機械の制御システム。
  4. 前記第２の制御弁の流路面積は、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに反比例するように制御されることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  5. 前記第１及び第２のスプール変位調整弁は、電子比例減圧弁を含むことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  6. 前記制御部は、前記操作信号として入力された前記第１及び第２のアクチュエータに対するジョイスティック変位量から、前記第１のアクチュエータの動作を優先させるための優先モードを行うか否かを判断する優先モード判断部と、
    前記優先モードである場合、前記第２のアクチュエータについて入力されたジョイスティック変位量を、前記第１のアクチュエータのジョイスティック変位量に比例して減少された値を有する２次ジョイスティック変位量に変換するジョイスティック変位量変換部と、
    前記調整された２次ジョイスティック変位量によって、前記パイロット信号圧の強さを制御するための前記制御信号を出力する出力部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  7. 前記優先モード判断部は、前記油圧ポンプ又は前記第１及び第２のアクチュエータの圧力が、既設定された圧力範囲を超える高負荷作業である場合、前記優先モードを解除することを特徴とする請求項６に記載の建設機械の制御システム。
  8. 前記第１及び第２の制御弁は、前記油圧ポンプに連結されたセンターバイパス流路に順次設置されることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  9. 前記第１のアクチュエータは、ブームシリンダを含み、前記第２のアクチュエータは、バケットシリンダを含み、前記第１の制御弁は、ブーム制御弁を含み、前記第２の制御弁は、バケット制御弁を含むことを特徴とする請求項８に記載の建設機械の制御システム。
  10. 前記制御部は、前記第１のアクチュエータの作動圧が、前記第２のアクチュエータの作動圧よりも大きいと、前記優先モードを行うように決められることを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御システム。
  11. １つの油圧ポンプに、第１及び第２の並列ラインを介して連結された第１及び第２のアクチュエータと、前記第１及び第２の並列ラインに各々設置され、前記第１及び第２のアクチュエータの動作を各々制御するための第１及び第２の制御弁とを含む油圧システムを提供し、
    前記第１及び第２のアクチュエータに対する作業者の操作信号を受信し、
    前記操作信号から、前記第１及び第２のアクチュエータのうち、前記第１のアクチュエータの動作を優先させるための優先モードの動作可否を判断し、
    優先モードの場合、前記第２のアクチュエータに対する操作信号による前記第２の制御弁のスプール変位量を、前記第１のアクチュエータに対する操作信号によって制限するように、前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することを特徴とする建設機械の制御方法。
  12. 前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記第２のアクチュエータの操作信号から、前記第２の制御弁のスプール変位量への転換比率を、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに比例して減少させることを含むことを特徴とする請求項１１に記載の建設機械の制御方法。
  13. 前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記第１のアクチュエータに対する操作信号が最大である時、前記第２のアクチュエータに対する操作信号の転換比率を、前記第２のアクチュエータの単独動作時の転換比率の少なくとも５０％に制限することを含むことを特徴とする請求項１２に記載の建設機械の制御方法。
  14. 前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記優先モード時の前記第２の制御弁の流路面積が、前記第１のアクチュエータに対する操作信号の大きさに反比例するように制御することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の建設機械の制御方法。
  15. 前記第１及び第２のアクチュエータに対する作業者の操作信号を受信することは、前記第１及び第２のアクチュエータに対するジョイスティック変位量を受信することを含み、
    前記第２の制御弁のスプール変位量を調整することは、前記第２のアクチュエータに対して入力されたジョイスティック変位量を、前記第１のアクチュエータに対するジョイスティック変位量に比例して減少した値を有する２次ジョイスティック変位量に変換することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の建設機械の制御方法。
  16. 更に、前記調整された２次ジョイスティック変位量により、前記第２の制御弁のスプール変位量を制御するためのパイロット信号圧を、前記第２の制御弁のスプールに供給することを含むことを特徴とする請求項１５に記載の建設機械の制御方法。
  17. 前記パイロット信号圧を前記第２の制御弁のスプールに供給することは、電子比例減圧弁を用いることを含むことを特徴とする請求項１６に記載の建設機械の制御方法。
  18. 更に、前記油圧ポンプ又は前記第１及び第２のアクチュエータの圧力が、既設定された圧力範囲を超える高負荷作業である場合、前記優先モードを解除することを含むことを特徴とする請求項１１に記載の建設機械の制御方法。
  19. 前記第１のアクチュエータは、ブームシリンダを含み、前記第２のアクチュエータは、バケットシリンダを含み、前記第１の制御弁は、ブーム制御弁を含み、前記第２の制御弁は、バケット制御弁を含むことを特徴とする請求項１１に記載の建設機械の制御方法。
  20. 前記優先モード動作の可否を判断することにおいて、前記第１のアクチュエータでの作動圧と、前記第２のアクチュエータでの作動圧とを比較することを含むことを特徴とする請求項１に記載の建設機械の制御方法。
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