JP3533130B2 - 負荷圧力処理方法およびその装置 - Google Patents
負荷圧力処理方法およびその装置Info
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Description
ータの負荷圧力データを処理する負荷圧力処理方法およ
びその装置に関する。
には、フロント作業装置FLが上下方向へ回動自在に軸支
され、このフロント作業装置FLは、ブームシリンダ2BM
により上下動される。
どにおいて、フロント作業装置FLの各回動軸部に設けら
れた回動角度検出器でフロント作業装置FLの姿勢を計測
してバケット内負荷WLの(X,Z)座標値を検出し、
また、ブームシリンダ2BMのヘッド側室の負荷圧力P
loadを検出することで、これらの検出値からバケット内
負荷WLを、WL=f(Pload,X,Z)により演算す
ることが可能である。
ムシリンダ2BMが動いている場合が多く、ブームシリン
ダ2BMの負荷圧力Ploadは慣性負荷の影響を受けるた
め、精度良くバケット内負荷WLを推定することが困難
であった。
ので、流体圧アクチュエータの負荷圧力を作業負荷の推
定などに有効に利用できるようにすることを目的とする
ものである。
明は、作業機械に設けられた作業腕を作動する流体圧ア
クチュエータの負荷圧力の時系列データを計測し、計測
した負荷圧力の時系列データから作業腕の固有周波数に
合わせたバンド幅に相当する所定範囲の周波数成分を一
定時間だけ抽出し、抽出した所定範囲の周波数成分を、
計測した負荷圧力の時系列データから差引いて、作業腕
の慣性負荷による影響を除去する負荷圧力処理方法であ
る。
から、抽出した所定範囲の周波数成分を差引くことで、
作業腕の慣性負荷による影響を除去した正確な負荷圧力
を得るようにする。その際、抽出する周波数成分のバン
ド幅を、作業腕の固有周波数に合わせることで、作業腕
の固有振動による慣性負荷の影響を除去する。また、抽
出した所定範囲の周波数成分を一定時間だけ使うこと
で、その後の追従性を良くする。
載の負荷圧力処理方法において、所定範囲の周波数成分
を差引いた負荷圧力を用いて流体圧アクチュエータに作
用する作業負荷を推定する負荷圧力処理方法である。
く、流体圧アクチュエータの正確な負荷圧力から作業負
荷を精度良く推定する。
載の負荷圧力処理方法において推定した作業負荷は、流
体圧アクチュエータの制御に用いられるものである。
に応じて制御する。
設けられた作業腕を作動する流体圧アクチュエータの負
荷圧力の時系列データを計測する負荷圧力計測手段と、
計測した負荷圧力の時系列データから作業腕の固有周波
数に合わせたバンド幅に相当する所定範囲の周波数成分
を一定時間だけ抽出するバンドパスフィルタと、抽出し
た所定範囲の周波数成分を、計測した負荷圧力の時系列
データから差引いて、作業腕の慣性負荷による影響を除
去する所定周波数除去演算部とを具備した負荷圧力処理
装置である。
負荷圧力の時系列データから、バンドパスフィルタによ
り抽出した所定範囲の周波数成分を、所定周波数除去演
算部にて差引くことで、作業腕の慣性負荷による影響を
除去した正確な負荷圧力を得るようにする。その際、バ
ンドパスフィルタのバンド幅を、作業腕の固有周波数に
合わせることで、作業腕の固有振動による慣性負荷の影
響を除去する。また、バンドパスフィルタを一定時間だ
け使うことで、その後の追従性を良くする。
載の負荷圧力処理装置において作業負荷演算部を具備し
た負荷圧力処理装置であり、この作業負荷演算部は、所
定範囲の周波数成分を差引いた負荷圧力から作業腕の先
端部に位置する作業負荷を推定するものである。
波数成分を取除いた負荷圧力から、作業腕の先端部に作
用する作業負荷を作業負荷演算部により演算して正確に
推定する。
1乃至図14を参照しながら説明する。
A1IMV ,A2IMV と、制御弁としてのメータアウトバルブ
A3IMV ,A4IMV とを組合せたブリッジ回路3により、メ
ータイン・メータアウト分離型の制御回路を構成したも
ので、ポンプ斜板1aにより吐出流量を可変制御できる可
変容量型のポンプ1の吐出口にポンプ吐出通路11が接続
され、このポンプ吐出通路11に、一の流体圧アクチュエ
ータ2を制御するための一のブリッジ回路3の二つのメ
ータインバルブA1IMV ,A2IMV にそれぞれ連通する通路
12,13が接続され、また、上記ポンプ吐出通路11には、
他の流体圧アクチュエータ2aを制御するための他のブリ
ッジ回路3aに連通する通路6も接続されている。
から吐出された作動流体の各ブリッジ回路3,3aに対す
る供給量を制御する共通バイパス弁8と、ポンプ吐出圧
力の上限を設定するメインリリーフ弁9とが、複数のブ
リッジ回路3,3aに対し共通に設けられている。
と、ポンプ吐出通路11に通路12,13を介して2つのメー
タインバルブA1IMV ,A2IMV がそれぞれ接続され、これ
らのメータインバルブA1IMV ,A2IMV に、流体圧アクチ
ュエータ2への通路14,15とタンク通路16,17との間を
制御する2つのメータアウトバルブA3IMV ,A4IMV がそ
れぞれ接続され、タンク通路16,17はタンク7に接続さ
れている。
されたメータインバルブA1IMV とメータアウトバルブA3
IMV とを経て引出された通路14a は、流体圧アクチュエ
ータ2のピストン2pよりロッド側が位置する室(以下、
「ロッド側室2r」という)に接続され、また、下側に図
示されたメータインバルブA2IMV とメータアウトバルブ
A4IMV とを経て引出された通路15a は、流体圧アクチュ
エータ2のピストン2pよりヘッド側に位置する室(以
下、「ヘッド側室2h」という)に接続されている。
アウトバルブA3IMV ,A4IMV を説明すると、バルブハウ
ジング21内にそれぞれ設けられたパイロット流量増幅型
のメインポペット22を中心に構成されており、バルブハ
ウジング21内にそれぞれ形成された弁室23にて各メイン
ポペット22がそれぞれ軸方向へ変位自在に設けられ、各
弁室23に前記流体圧アクチュエータ2よりの戻り通路14
a ,15a がそれぞれ連通されている。
22の側面部には、各メインポペット22の軸方向変位が大
きくなるにしたがって、それぞれの開口面積が比例的に
拡大変化する可変スロット25がそれぞれ軸方向に形成さ
れている。
ット22の反対側端部にそれぞれ形成されたドレン流量制
御部26がシート27に着座している状態で、バルブハウジ
ング21内にそれぞれ形成されたバネ室28と連通する若干
の開口25a を有する。それぞれのシート27は、タンク通
路16,17によりそれぞれタンク7に連通されている。
22に対する各バネ室28には、ドレン流量制御部26をシー
ト27側へ押圧する方向すなわち閉じ方向に押圧する圧縮
コイル状の復帰バネ29がそれぞれ内蔵されている。
る手段として、各バネ室28から各タンク通路16,17にわ
たって、シート30を介し連通可能な通路31および通路32
がそれぞれ引出され、各通路31,32中には、パイロット
スプール33がそれぞれ介在され、これらのパイロットス
プール33は、各バネ室28を図示されないコントローラか
らの電気信号に応じてドレン制御するもので、各パイロ
ットスプール33を中立位置(閉止位置)に附勢するバネ
室24内の復帰バネ34と、これらの復帰バネ34に抗してパ
イロットスプール33をそれぞれ駆動する駆動手段として
のプッシュソレノイド35とを備えている。
辺の不感帯(デッドバンド)以下の微小変位であるとき
は、シート30での通過流量が0となる。
イロットスプール33には、流体圧アクチュエータ2より
の戻り通路14a ,15a が通路36によりそれぞれ連通さ
れ、過大な負荷圧力に対して、後述するリリーフ機能を
有する。
ノイド35は、励磁用のコイル35a と、パイロットスプー
ル33の上部に一体化された可動鉄心35b とからなる。
イロットスプール33には、負荷圧力感知部38がそれぞれ
大径に形成され、これらの負荷圧力感知部38の上側に負
荷圧力室39がそれぞれ形成され、これらの負荷圧力室39
に流体圧アクチュエータ2よりの戻り通路14a ,15a が
通路36によりそれぞれ連通されている。
の戻り通路14a ,15a に過大な負荷圧力が生じたとき、
その負荷圧力は、負荷圧力室39に導かれ、負荷圧力感知
部38を図示下方へ押圧するので、シート30が開口され、
バネ室28を減圧して、メインポペット22をリフトするこ
とにより、弁室23をタンク7に連通するリリーフ機能を
有する。
イロットスプール33の軸方向ストロークを検出する変位
センサ40が取付けられている。この変位センサ40は、プ
ッシュソレノイド35上にコイル40a がセンサ取付筒材40
b を介して取付けられ、このセンサ取付筒材40b の内部
に前記可動鉄心35b と一体的に移動するコア40c が嵌合
されたものであり、コイル40a によりコア40c の軸方向
変位量すなわちパイロットスプール33の軸方向変位量を
検出する。
びコア40c には全長にわたって作動流体を排出するため
のドレン孔37が穿設されている。
ブA3IMV ,A4IMV において、流体圧アクチュエータ2よ
りの戻り流量Qのうち一部の流量qは、パイロット可変
スロット25の開口25a よりバネ室28に流入する。メイン
ポペット22のストローク制御は、バネ室28に連通したシ
ート30のパイロットスプール33による開度制御で達成さ
れ、このパイロットスプール33を通過する流量はqであ
る。
ストローク制御により、ドレン流量制御部26がシート27
の開度を制御するから、主流量LQがコントロールさ
れ、この主流量LQは、あたかもパイロットスプール33
で制御されたパイロット流量qが増幅された様相を呈す
る。
し、流量qも主流量LQもゼロ値となっているときに、
流体圧アクチュエータ2よりの戻り通路14a ,15a の戻
り圧力が上昇し、通路36を経てパイロットスプール33の
負荷圧力感知部38に作用する力と、プッシュソレノイド
35の推力との和が、復帰バネ34の附勢力に打ち勝つと、
パイロットスプール33が変位してシート30が開口し、パ
イロット流量qが流れ始め、メータアウト側のメインポ
ペット22の可変スロット25の開口25a の前後に差圧が生
じ、メインポペット22はバネ室28側へ移動し、シート27
が開口し、主流量LQが発生することにより、流体圧ア
クチュエータ2よりの戻り通路14a または15a の戻り圧
力が異常上昇することを抑えて、パイロットスプール33
に作用する圧縮コイル状の復帰バネ34およびプッシュソ
レノイド35の推力により設定された一定の圧力値で整定
するリリーフ弁機能を有する。
V を説明すると、バルブハウジング21の内部に設けられ
たパイロット流量増幅型のメインポペット41を中心に構
成されており、この点は、メータアウトバルブA3IMV ,
A4IMV と同様であるが、このメインポペット41自体の構
造と、そのパイロット制御手段はメータアウトバルブA3
IMV ,A4IMV と異なる。
同一であるから、ここでは、シリンダヘッド側のメータ
インバルブA2IMV を例にとって詳細に説明する。
のメインポペット41は、内部に高圧選択手段としてのシ
ャトル弁42を持ち、このシャトル弁42の一方の入口側に
形成された通路43は、ポンプ1の吐出口にポンプ吐出通
路11を介して連通された通路13に開口され、ポンプ吐出
圧力をシャトル弁42に導き、また、シャトル弁42の他方
の入口側に形成された通路44は、流体圧アクチュエータ
2のヘッド側室2hに通路15を経て連通された環状空間45
に開口され、流体圧アクチュエータ2へ供給される圧力
または流体圧アクチュエータ2の負荷圧力をシャトル弁
42に導き、シャトル弁42は、これらの圧力のうちで高圧
側を選択する。
インポペット41内の通路46は、メインポペット41の周面
に軸方向に加工された可変スロット47に連通されてい
る。この可変スロット47は、メインポペット41の移動ス
トロークに応じて開口面積が増加する。
の流量制御部48がシート49に着座している状態で、バル
ブハウジング21内に形成された圧力室としてのバネ室51
と連通する若干の開口47a を有するものである。
は、メインポペット41の流量制御部48をシート49に押圧
する圧縮コイル状の復帰バネ52が設けられ、このバネ室
51は、通路53により、パイロットスプール54に連通され
ている。
プール54は、バルブハウジング21内に形成された嵌合穴
55に摺動自在に嵌合され、この嵌合穴55の先端には、パ
イロットスプール54により開閉されるシート56が設けら
れている。
としてのプッシュソレノイド57によりストローク制御さ
れる。このプッシュソレノイド57は、バルブハウジング
21上に設置されたコイル57a内に、パイロットスプール5
4の図示上端部に一体化された可動鉄心57b が移動自在
に嵌合されたもので、コイル57a に通電することによ
り、パイロットスプール54をバルブハウジング21内に押
込む方向(シート56から開口する方向)に付勢する励磁
力を得ることができる。
ルブハウジング21内に形成されたバネ室61に挿入され、
このバネ室61内に設けられた圧縮コイル状の復帰バネ62
によりパイロットスプール54を図において上方へ復帰さ
せる付勢力が付与されている。
連通され、さらに通路65を経て前記通路15に連通されて
いる。
周溝66を介してランド部68とポペット部69とが形成さ
れ、このポペット部69が中立位置で前記シート56に係止
されている。
辺の不感帯(デッドバンド)以下の微小変位であるとき
は、シート56での通過流量が0となる。
状溝71が形成され、この環状溝71に前記通路53によりメ
ータイン側のメインポペット41のバネ室51が連通されて
いる。
には、大径の負荷圧力感知部77が形成され、この負荷圧
力感知部77の図示下側に、負荷圧力感知部77と嵌合する
嵌合穴により負荷圧力室78が形成され、この負荷圧力室
78が通路79により前記通路65に連通されている。負荷圧
力感知部77の上側部は通路81によりタンク7に連通され
ている。
の作動ストロークを検出することによりパイロットスプ
ール54の開口面積を監視できる開口面積監視手段として
の変位センサ82が設けられている。
57上にコイル82a がセンサ取付筒材82b を介して取付け
られ、このセンサ取付筒材82b の内部に前記可動鉄心57
b と一体的に移動するコア82c が嵌合されたものであ
り、コイル82a によりコア82c の軸方向変位量すなわち
パイロットスプール54の軸方向変位量を検出する。
57b およびコア82c の全長にわたって、作動流体を排出
するためのドレン孔83が貫通穿設されている。
ットスプール33により一方の制御弁を構成し、また前記
メインポペット41およびパイロットスプール54により他
方の制御弁を構成する。
IMV ,A2IMV において、プッシュソレノイド57が励磁さ
れて復帰バネ62のバネ力に抗してパイロットスプール54
が押込まれる方向に移動すると、前記パイロットスプー
ル54のポペット部69がシート56を開口するから、メイン
ポペット41のバネ室51は、通路53、環状溝71、周溝66、
シート56、パイロットスプール54のバネ室61、通路63、
チェック弁64および通路65を経て、流体圧アクチュエー
タ2への通路15に連通され、パイロットスプール54の変
位量に応じてバネ室51が減圧制御され、メインポペット
41が開口するようにストローク制御され、シート49を経
て通路13から通路15へ流出する主流量は、あたかもパイ
ロットスプール54で制御されたパイロット流量が増幅さ
れた様相を呈する。
しての油圧ショベルなどに搭載されたコントローラであ
り、このコントローラ86の入力端子に、各アクチュエー
タ2,2aに対するコマンド信号を発する操作レバー87、
ポンプ吐出通路11に設けられたポンプ吐出圧力検出用の
ポンプ圧力センサ88、およびメータインバルブA1IMV ,
A2IMV の変位センサ82およびメータアウトバルブA3IMV
,A4IMV の変位センサ40がそれぞれ接続され、このコ
ントローラ86の出力端子に、メータインバルブA1IMV ,
A2IMV のプッシュソレノイド57およびメータアウトバル
ブA3IMV ,A4IMV のプッシュソレノイド35がそれぞれ接
続され、操作レバー87から入力された指令信号がコント
ローラ86で演算処理されて、メータインバルブA1IMV ,
A2IMV およびメータアウトバルブA3IMV ,A4IMV を、以
下に説明するような最適な条件で制御する。
タ2のヘッド側室2hに作動油を供給するメータインバル
ブA2IMV用の圧力・流量複合制御系を示すブロック図で
あり、この制御系は、操作レバー87のレバー操作量L
と、メインポペット41で制御される流量Qすなわちアク
チュエータ速度と、負荷圧力Pすなわちアクチュエータ
作動力との関係を示す3次元マップ91を備えている。
負荷圧力Pとを入力することにより、対応する流量Qを
求めることができ、また、レバー操作量Lと流量Qとを
入力することにより、対応する負荷圧力Pを求めること
ができる。
特性すなわち速度モジュレーション特性を示し、また、
L−P面における曲線は、流体圧アクチュエータ2が負
荷により動けなくなったストール状態における圧力特性
すなわち力モジュレーション特性を示し、通常は、それ
らの間の曲面におけるレバー操作量Lと対応する負荷圧
力Pまたは流量Qを用いる。
流量Qを示し、また、点線は負荷圧力Pを示す。
なく流体圧アクチュエータ2の負荷圧力Ploadを演算す
ることにより間接的に計測する負荷圧力計測手段として
の負荷圧力演算装置92が設けられている。この負荷圧力
演算装置92は、後で詳述するが、主としてメータイン側
のパイロットスプール54のプッシュソレノイド57に供給
される駆動電流Iおよび変位センサ82により検出された
変位量Xか、またはメータアウト側のパイロットスプー
ル33のプッシュソレノイド35に供給される駆動電流Iお
よび変位センサ40により検出された変位量Xから、負荷
圧力Ploadを推定する。
量Qは次の式1で表すことができる。
48・シート49間の開口面積、PPはポンプ圧力センサ88
により検出されたポンプ吐出圧力、Ploadは負荷圧力で
ある。
は、次の式2により表される。
力することにより3次元マップ91から出力された要求流
量値Qを与えると、ポンプ圧力センサ88により検出され
たポンプ吐出圧力PPと、負荷圧力演算装置92により高
精度で推定された負荷圧力Ploadとにより、メインポペ
ット41の開口面積Aを演算することができる。
ポペット41の変位量XPは、予め設計された所定の関係
にあり、その関係を関数で表すと、XP=f(A)であ
り、図6に関数93で示す。
と、流量値Q、ポンプ吐出圧力PP、負荷圧力Ploadを
加味しながら、メインポペット41の変位量XPを実現す
るためのパイロットスプール54の変位量XCを、XC=
f(XP)で表される関数94により求めることができ
る。
サ82により検出されたパイロットスプール54の実際の変
位量Xとの誤差を、比較器95により演算し、その誤差に
2種類の可変調整可能のゲインKiおよびゲインKPを
乗じて、加算器96に入力する。
るのは、ゲイン調整装置97であり、ゲイン調整によりプ
ッシュソレノイド57に供給される電流値Iを調整するこ
とで、相対的にパイロットスプール54の復帰バネ62のバ
ネ定数を負荷圧力Ploadに応じて任意に変更できる。
復帰バネ62のバネ力は、パイロットスプール54に対し反
対方向に作用するので、例えば、復帰バネ62を強くする
必要があるときは、ゲイン調整装置97によりプッシュソ
レノイド57への電流値Iを決定するゲインKiおよびゲ
インKPを小さくするように調整して、プッシュソレノ
イド57の推力を減少させるように補正することにより、
相対的に復帰バネ62のバネ定数を大きくして強くした場
合と同等の効果が得られる。
系のゲインKiおよびゲインKPを調整するが、これに
より、次の圧力制御装置98などの圧力制御系とのバラン
スを調整する機能もある。
およびフィードフォワードコントローラ99を経た信号も
入力される。
ントローラ101と、作業負荷推定装置102とを備えてい
る。
負荷圧力演算装置92により推定された負荷圧力Ploadと
の関係で、プッシュソレノイド57に供給される電流値を
制御することで、例えば負荷圧力Ploadが設定圧力を超
えないように圧力制御して、制御系の安定性を図ること
が可能である。
ベルのフロント作業装置が作動しているときに、そのブ
ームシリンダなどの負荷圧力を推定する場合は、負荷圧
力演算装置92により推定された負荷圧力Ploadが、純粋
な作業負荷(荷の静的荷重)だけでなく、フロント作業
装置の慣性負荷の影響も受けたものであることを前提と
して、その慣性負荷の影響を取除くことにより、バケッ
ト内の作業負荷を精度良く推定するものである。
ィードバック制御系の演算遅れなどにより制御系が不安
定となるおそれを改善するために設置する。
の作用を説明する。
ー87から発信されたコマンド電気信号がコントローラ86
で演算処理され、コントローラ86より出力された電流値
などの電気信号により、共通バイパス弁8が徐々に閉止
されるとともに、ポンプ斜板1aの制御によりポンプ吐出
量が徐々に増大する。
ルブA1IMV ,A2IMV のプッシュソレノイド57またはメー
タアウトバルブA3IMV ,A4IMVのプッシュソレノイド35
へ操作レバー量に応じたコマンド信号(電流)が供給さ
れ、電流が供給されたプッシュソレノイド57,35では推
力が発生し、パイロットスプール54,33が、復帰バネ6
2,34のバネ力に抗して変位することにより、パイロッ
ト流量が発生する。
圧され、メータイン側のメインポペット41またはメータ
アウト側のメインポペット22がリフトし、ポンプ1から
流体圧アクチュエータ2のロッド側室2rおよびヘッド側
室2hの一方に供給されるとともに他方からタンク7に排
出される作動油が、2つのメータインバルブA1IMV ,A2
IMV および2つのメータアウトバルブA3IMV ,A4IMV で
形成されたブリッジ回路3により制御される。
は、プッシュソレノイド57によりパイロットスプール54
を復帰バネ62に抗して変位させ、シート56を開口させる
ことにより、通路13,43,46、可変スロット47の開口47
a 、バネ室51、通路53、シート56、バネ室61、通路63、
チェック弁64、通路65を経て通路15へ至るパイロット流
れが生じると、可変スロット47の開口47a の前後で差圧
が生じ、この差圧によりメインポペット41が復帰バネ52
に抗して変位し、メインポペット41のシート49が開口
し、通路11から通路13および通路15を経た作動流体(圧
油)が流体圧アクチュエータ2のヘッド側室2hへ供給さ
れ、負荷圧力Ploadが発生する。
荷圧力Ploadが上昇すると、パイロットスプール54の負
荷圧力室78に臨む負荷圧力感知部77の下側段差部がその
上昇した負荷圧力Ploadを受けて、パイロットスプール
54が図示上方の中立位置側へ変位し、シート56に対する
ポペット部69の開度が減少する。
51内が昇圧し、メインポペット41の上面および下面に作
用する圧力の差すなわち差圧が減少し、メインポペット
41が復帰バネ52の復元力により閉じ方向に作用し、高負
荷駆動を防止できるとともに、操作レバー87の急激な入
力操作により負荷圧力Ploadが急上昇しても、負荷圧力
室78にフィードバックされた負荷圧力Ploadによりパイ
ロットスプール54が直ちに中立位置側に戻され、これに
伴い、メインポペット41も直ちに中立位置側に戻され、
負荷圧力が応答良く減少することで、負荷圧力の変動を
抑え込むことができる。この圧力制御は後でさらに説明
する。
は、プッシュソレノイド35によりパイロットスプール33
を復帰バネ34に抗して変位させ、シート30を開口させる
ことにより、通路15a 、可変スロット25の開口25a 、バ
ネ室28、通路31、シート30、バネ室24、通路32、タンク
通路17を経てタンク7へ至るパイロット流れが生じる
と、可変スロット25の開口25a の前後で差圧が生じ、こ
の差圧によりメインポペット22が復帰バネ29に抗して変
位し、メインポペット22のシート27が開口し、流体圧ア
クチュエータ2のヘッド側室2hから通路15a 、シート27
およびタンク通路17を経た作動流体(圧油)がタンク7
へ排出される。
荷圧力Ploadが上昇すると、パイロットスプール33の負
荷圧力室39に臨む負荷圧力感知部38の上側段差部がその
上昇した負荷圧力Ploadを受けて、パイロットスプール
33がシート30から離反する方向に変位する。
28内が減圧され、メインポペット22の上面および下面に
作用する差圧が増大し、メインポペット22が復帰バネ29
の復元力に抗して開き方向に作用し、通路15aをタンク
7に連通するから、操作レバー87の急激な入力操作によ
り負荷圧力Ploadが急上昇しても、前記負荷圧力感知部
38への負荷圧力フィードバックにより負荷圧力Ploadが
自動的に応答良く減少することで、この負荷圧力Pload
の変動を抑え込むことができる。
リーク低減機能を説明すると、操作レバー87が中立位置
にあり、コマンド(電流値)が各プッシュソレノイド57
に与えられないときは、パイロットスプール54は図5に
示されたように中立位置にある。また、共通バイパス弁
8が開いており、さらに可変容量型のポンプ1からのポ
ンプ吐出量も最少であるから、通路13の圧力は低圧力で
ある。
ータ2のヘッド側室2hに通路13の圧力以上の負荷圧力P
loadがある場合は、通路15よりシャトル弁42で高圧選択
されて、この負荷圧力Ploadが可変スロット47の開口47
a よりバネ室51へ導入され、復帰バネ52のバネ力と共に
メータイン側のメインポペット41をシート49側に押圧す
るため、通路15から通路13へ至るリークは発生しない。
ロードホールドチェック弁機能を説明すると、操作レバ
ー87が操作され、共通バイパス弁8が閉止してゆき、ポ
ンプ吐出量が増大すると共に、プッシュソレノイド57へ
コントローラ86よりコマンド(電流値)が供給され、パ
イロットスプール54を押込む方向に作用すると、ポペッ
ト部69がシート56を開いてゆく。
通路13の圧力より高圧であると、メインポペット41のバ
ネ室51は高圧側の通路15の圧力に等しく、このメインポ
ペット41は閉止したままであり、これはロードホールド
チェック弁としての機能を果たしていることになる。
プ吐出量が増大すると、やがて通路13のポンプ吐出圧力
は通路15の負荷圧力Ploadを超えて高くなってくる。
圧力が高圧選択されてメインポペット41のバネ室51より
パイロットスプール54のポペット部69に作用し、この圧
力は通路65の圧力(=通路15の圧力)より高いため、通
路53からシート56、バネ室61およびチェック弁64を経て
通路65へ流れるパイロット流量が発生する。
パイロット流量増幅機能を有しているので、パイロット
流量の増加にしたがってバネ室51の圧力が下降し、メイ
ンポペット41の流量制御部48がシート49よりリフトし、
弁先端部の開口面積の漸次増加により通路13より通路15
へ制御された主流量が発生し、シリンダ型の流体圧アク
チュエータ2はゆっくり伸張してゆく。
機能とともに説明する。
側(メータアウト側)のパイロットスプール33とを独立
させたブリッジ回路3において、パイロットスプール54
を駆動する場合はパイロットスプール33は非駆動側とな
り、また、パイロットスプール33を駆動する場合はパイ
ロットスプール54は非駆動側となるが、その非駆動側の
パイロットスプール54または33を、通過流量が零のまま
となる中立位置近辺の不感帯(デッドバンド)におい
て、微少変位させることで負荷圧力Ploadを推定する。
ル54が非駆動側の場合は、このパイロットスプール54を
下方へ微小変位させるが、その場合、パイロットスプー
ル54を下方へ変位量Xだけ微小変位させたときは、図5
にて上向きに作用する力は、質量mのパイロットスプー
ル54が加速度d2X/dt2で運動する際の反力m・d2X/dt
2と、パイロットスプール54が油中で運動する際の粘性
抵抗C・dX/dt(Cは粘性抵抗に関する減衰定数)と、
復帰バネ62の圧縮量Xによる反発力K・X(Kはバネ定
数)と、復帰バネ62の取付荷重Rと、通路15から通路6
5,79を経てドーナツエリア状の負荷圧力室78までフィ
ードバックされた負荷圧力Ploadがパイロットスプール
54の負荷圧力感知部77の下側受圧面積Area に対し作用
する力Pload・Area とであり、一方、図にて下向きに
作用する力は、プッシュソレノイド57に電流Iを流した
ときに生ずる電流Iに比例した押力Fと、複数のブリッ
ジ回路3,3aから共通のタンク7に作動油が排出される
構造から生ずるタンクライン圧Ptが負荷圧力感知部77
の上側受圧面積Areaに対し作用する力Pt・Area とで
あり、パイロットスプール54の中立位置近辺の不感帯
(デッドバンド)においてはシート56とポペット部69と
の間に通過流量が発生しないので、この通過流量に伴っ
て発生するフローフォースを考慮する必要がなく、上記
の上向きの力と下向きの力とがバランスするので、次の
式3が成立する。
の定数であり、X、dX/dtおよびd2X/dt2 は、変位セン
サ82により測定または測定値から演算することができ、
Fはソレノイド電流Iから演算でき、タンクライン圧P
tは共通の圧力センサにより検出できるから、負荷圧力
Ploadは、上式で推定することができる。
る負荷圧力演算装置92をブロック図としたものであり、
前記プッシュソレノイド57への電流Iは関数112により
押力Fに変換され、この押力Fは、ノイズを含むもので
あるため、ノイズフィルタ113によりそのノイズを除去
する。そして、この押力Fなどの各数値を演算部114に
入力して、負荷圧力Ploadを演算により求める。
ロットスプール54の変位X、速度dX/dtおよび加速度d2X
/dt2からノイズを除去するノイズフィルタ115を備えて
いる。
トスプール33が非駆動側の場合は、同様に、このパイロ
ットスプール33をデッドバンドの範囲内で微小変位させ
ることにより、負荷圧力Ploadを推定することができ
る。
段付き形成された負荷圧力感知部38,77に負荷圧力P
loadをフィードバックさせ、そのフィードバック力とパ
イロットスプール33,54の推力などとの釣合い関係から
負荷圧力Ploadを推定する負荷圧力演算装置92が形成さ
れている。
給側(ポンプ側)のパイロット弁と排出側(タンク側)
のパイロット弁とを独立させ、非駆動側のパイロット弁
での通過流量が零となる中立位置近辺の不感帯(デッド
バンド)において、この非駆動側のパイロット弁を微少
変位させることにより、通過流量に伴って発生するフロ
ーフォースを考慮することなく、また負荷圧力を検出す
るための圧力センサを用いることなく、負荷圧力Pload
を高精度に推定できる。
より検出され、負荷圧力Ploadは負荷圧力演算装置92に
より演算できるから、レバー操作により駆動電流をプッ
シュソレノイド57に供給して、前記関数93,94により演
算されたパイロットスプール54の変位量XCをフィード
バック制御することにより、既に説明したようにメイン
ポペット41の変位量を制御し、すなわちメインポペット
41の開口面積Aを制御することで、メインポペット41で
の流量Qを実現して、流体圧アクチュエータ2の作動速
度を制御する。
ける負荷圧力Ploadが上昇すると、パイロットスプール
54の負荷圧力室78に臨む負荷圧力感知部77の下側段差部
がその負荷圧力Ploadを受けて、パイロットスプール54
は図示上方へ変位する。これにより、シート56に対する
ポペット部69の開度が減少し、高負荷駆動が防止され
る。
荷圧力よりも高いときでも、この高負荷駆動防止機能に
よりポペット部69の開口中においても、パイロットスプ
ール54が中立位置(図示された閉止位置)に戻され、ポ
ペット部69がシート56を閉じることで、負荷圧力Pload
がポンプ吐出圧力まで上昇することを防止できる。
状に設けられた負荷圧力感知部77に対し負荷圧力をフィ
ードバックし、ひいては、このパイロットスプール54に
より制御されるメインポペット41の流量制御機構に負荷
圧力をフィードバックする負荷圧力フィードバック機構
が形成されており、メインポペット41により負荷圧力を
設定された値に制御できる。
ステップ入力に対して、実負荷圧力が急上昇して突出す
ると、パイロットスプール54が実パイロットスプール変
位の特性曲線に示されるように、負荷圧力感知部77など
の負荷圧力フィードバック機構により中立位置側に戻さ
れる。これに伴い、メインポペット41も実メインポペッ
ト変位の特性曲線に示されるように、中立位置側に戻さ
れ、実負荷圧力が応答良く減少することで、負荷圧力の
変動を抑え込むことができる。
loadは、プッシュソレノイド57の推力すなわち駆動電流
によって調整する。
負荷圧力Ploadを推定できるから、パイロットスプール
54に接続されているプッシュソレノイド57を用いてその
負荷圧力Ploadに対抗する推力を調整する。
ーラ101によって、プッシュソレノイド57の推力を立上
げるときに、この推力を、対抗する負荷圧力Ploadによ
るフィードバック力(負荷圧力感知部77の下側受圧面に
作用する上向きの力)より一時的に若干減少させること
で、パイロットスプール54を応答良く中立位置方向へ戻
すことができ、設定圧力を超えないように負荷圧力を圧
力制御することができる。
87のステップ入力に対してプッシュソレノイド57の推力
が立上がった際に、その立上がり直後にプッシュソレノ
イド57への入力電流値をいったん下げて、その推力を負
荷圧力Ploadによるフィードバック力より減少させるこ
とで、パイロットスプール54を閉じ方向に動作させ、メ
インポペット41のバネ室51を一時的に昇圧させて、メイ
ンポペット41の開口動作を抑制することにより、負荷圧
力Ploadが設定圧力をオーバシュートしないように圧力
制御して、制御系の安定性を図ることができる。点線
は、オーバシュートした状態である。
を流体圧アクチュエータごとに用いることなく、また負
荷圧力を検出するための圧力センサを用いることなく、
プッシュソレノイド57の推力すなわち駆動電流を制御す
ることによって、流量制御手段でもあるメインポペット
41によって負荷圧力Ploadを調整することができる。
用いて計測し、電気的にパイロットスプールを絞り制御
することにより、負荷圧力が予め設定しておいた圧力を
超えないように制御する手法もあるが、フィードバック
の演算遅れなどにより制御系が不安定となる不具合があ
る。
97により、負荷圧力Ploadに応じてパイロットスプール
54のプッシュソレノイド57に通電される電流値を制御し
て、プッシュソレノイド57の推力を増加または減少させ
るように補正することで、復帰バネ62のバネ力(バネ定
数)を実質的に調整する。
すなわち負荷圧力感知部77へのフィードバック力が大き
い領域では、ゲイン調整装置97によりプッシュソレノイ
ド57に供給される電流値のゲインを下げ、プッシュソレ
ノイド57の推力を減少させることにより、復帰バネ62の
バネ力(バネ定数)を相対的に大きくするように補正す
る。これにより、負荷圧力の変動に対するパイロットス
プール54の変位を抑制し、制御系の安定性を向上させ
る。
は、ゲイン調整装置97によりプッシュソレノイド57に供
給される電流値のゲインを上げ、プッシュソレノイド57
の推力を増加させることにより、復帰バネ62のバネ力
(バネ定数)を相対的に小さくするように補正する。こ
れにより、わずかな負荷圧力の変化も感度良くフィード
バック感知し、制御精度を良くするとともに、圧力制御
の応答性を向上させる。
loadをフィードバックさせ、パイロットスプール54に作
用する推力とバネ力とフィードバック力との釣合い関係
から、負荷圧力演算装置92により負荷圧力を推定する際
に、このゲイン調整手法を用いると、負荷圧力の推定精
度を向上できる。
定された負荷圧力Ploadに応じて、ゲイン調整装置97に
よりプッシュソレノイド57に供給される電流値ゲインを
制御することで、その推力を制御すれば、パイロットス
プール54の復帰バネ62のバネ定数を実質的に可変制御で
き、制御系の安定性、制御精度および応答性を向上で
き、円滑な操作性を得ることができる。
IMV ,A4IMV でも可能であり、例えば、メータアウトバ
ルブA4IMV において、負荷圧力Ploadが高い領域では、
すなわち通路36から負荷圧力感知部38へフィードバック
される負荷圧力Ploadによる力が大きい領域では、復帰
バネ34のバネ力(バネ定数)が相対的に大きくなるよう
に、ゲイン調整装置(97に相当するが図示せず)により
プッシュソレノイド35に供給される電流値のゲインを下
げ、プッシュソレノイド35の推力を減少させるように補
正することで、負荷圧力の変動に対するスプールの変位
を抑制し、制御系の安定性を向上させる。
は、復帰バネ34のバネ力(バネ定数)が相対的に小さく
なるように、ゲイン調整装置によりプッシュソレノイド
35に供給される電流値のゲインを上げ、プッシュソレノ
イド35の推力を増加させるように補正することで、わず
かな負荷圧力の変化も感度良くフィードバック感知し、
制御精度および負荷圧力の推定精度を良くするととも
に、圧力制御の応答性を向上させる。
定機能 図14に示されるように、作業機械としての油圧ショベ
ルには、可動体としての作業腕(以下、この作業腕をフ
ロント作業装置FLという)が上下方向へ回動自在に軸支
され、このフロント作業装置FLは、流体圧アクチュエー
タ(以下、この流体圧アクチュエータをブームシリンダ
2BMという)により上下動される。
ルによる積込み作業などにおいて、作業負荷としてのバ
ケット内負荷(土砂荷重)WLを次のように推定する。
場合が多く、ブームシリンダ2BMのヘッド側に生じた負
荷圧力Ploadは慣性負荷の影響を受けるため、精度良く
バケット内負荷WLを推定するためには、慣性負荷の影
響を除去する必要がある。
圧力Ploadの時系列データを、負荷圧力計測手段として
の負荷圧力演算装置92により間接的に計測し、図1に示
されるように、連続的に計測した負荷圧力Ploadの時系
列データから、慣性負荷による影響である所定範囲の周
波数成分(ω0〜ω1)を抽出して差引き、その差引き
後の負荷圧力Ploadを用いてバケット内負荷WLを推定
する。
0〜ω1)は、計測した負荷圧力Ploadの時系列データ
をバンドパスフィルタ121に一定時間だけ通すことによ
って抽出し、この抽出された所定範囲の周波数成分(ω
0〜ω1)を、所定周波数除去演算部としての減算器12
2にて、計測した負荷圧力Ploadの時系列データから差
引くことにより、慣性負荷の影響を除去できる。
うのは、その後の追従性を良くするためである。
ド幅(ω0〜ω1)は、フロント作業装置FLの固有周波
数に合わせる。これにより、フロント作業装置FLの固有
振動による慣性負荷を効果的に除去できる。ω0〜ω1
は、1〜10Hz程度が望ましい。
タ121は、微分要素123によってω0以下の周波数をカッ
トし、ローパスフィルタ124によってω1以上の周波数
をカットすることにより、所定範囲の周波数成分(ω0
〜ω1)を抽出する。
0〜ω1)を差引いた負荷圧力Ploadは、作業負荷演算
部125に入力して、フロント作業装置FLの先端バケット
内にある作業負荷すなわちバケット内負荷WLを演算に
より推定する。
フロント作業装置FLの各回動軸部に設けられた回動角度
検出器でフロント作業装置FLの姿勢を計測してバケット
内負荷WLの(X,Z)座標値を求め、前記慣性負荷の
影響を取除いたブームシリンダ2BMのヘッド側室の負荷
圧力Ploadと、バケット内負荷WLの(X,Z)座標値
とから、バケット内負荷WLを、WL=f(Pload,
X,Z)により演算することができる。
して積算することにより、例えば運搬車両に対する土砂
などの積込み総重量を簡単に算出でき、特別な荷重セン
サを用いることなく、許容重量の超過を防止できる。
性負荷の影響を受けることなく、ブームシリンダ2BMを
バケット内負荷WLに応じて円滑に制御できる。
けている負荷圧力Ploadの時系列データを示し、また、
実線により、バンドパスフィルタ121を通して抽出した
所定範囲の周波数成分(ω0〜ω1)を取除いた負荷圧
力Ploadの時系列データ、すなわちフロント作業装置FL
の慣性負荷の影響を取除いた負荷圧力Ploadの時系列デ
ータを示す。
どにおいてブームシリンダ2BMが作動している最中で
も、フロント作業装置FLの慣性負荷の影響を排除して、
シリンダの負荷圧力Ploadを精度良く推定し、シリンダ
の負荷圧力Ploadとフロント作業装置FLの姿勢とから、
バケット内負荷WLを迅速かつ正確に求めることができ
る。
性負荷の影響を排除して高精度に推定されたブームシリ
ンダ2BMの負荷圧力Ploadは、圧力フィードバックコン
トローラ101に取り込まれ、圧力制御に用いられる。そ
の制御のシミュレーション結果を、図10〜図13に示
す。
いた状況を想定) (2)ポンプ初期負荷 :20×9.81×104Pa、ただ
し、レバー操作後のポンプ吐出圧力は、実シリンダ負荷
圧力より20×9.81×104Pa以上高くなるようにメイン
リリーフ弁9が制御されているものとする。
0.2秒後にステップ入力(100%)、ただし、レバー入力
は20Hzの2次系ローパスフィルタを通したものとす
る。
4Pa、ただし、シリンダ負荷圧力はシリンダが動き出
した直後に発生するものとする。
ステップ入力に対する実メインポペット変位、要求メイ
ンポペット変位、実パイロットスプール変位、要求パイ
ロットスプール変位の各シミュレーション結果を示すス
テップ応答特性図である。
に対する実シリンダ速度および実シリンダ変位の各シミ
ュレーション結果を示すステップ応答特性図である。
に対する実メインポペット変位、要求メインポペット変
位、実パイロットスプール変位、要求パイロットスプー
ル変位の各シミュレーション結果を示すステップ応答特
性図である。
に対する実シリンダ速度および実シリンダ変位の各シミ
ュレーション結果を示すステップ応答特性図である。
ョン結果とを比較すると、流量制御より圧力制御の方が
負荷圧力の変動が小さく、しかも早く収束することがわ
かる。これは、負荷圧力が高いとき、パイロットスプー
ル54が中立位置(閉止位置)方向に戻され、それに伴
い、メインポペット41の開口が減少し、これにより、負
荷圧力が減少するためである。
13のシミュレーション結果とを比較すると、流量制御
より圧力制御の方がシリンダ速度変化が滑らかであり、
流体圧アクチュエータ2をスムーズに作動させることが
できる。
負荷圧力の時系列データから、抽出した所定範囲の周波
数成分を差引くことで、作業腕の慣性負荷による影響を
除去した正確な負荷圧力を得ることができる。その際、
抽出する周波数成分のバンド幅を、作業腕の固有周波数
に合わせることで、作業腕の固有振動による慣性負荷の
影響を効果的に除去できる。また、抽出した所定範囲の
周波数成分を一定時間だけ使うことで、その後の追従性
を良くすることができる。
周波数成分を差引いた負荷圧力を用いて流体圧アクチュ
エータに作用する作業負荷を推定するから、特別な荷重
センサを用いることなく、流体圧アクチュエータの正確
な負荷圧力から作業負荷を精度良く推定できる。
業負荷を流体圧アクチュエータの制御に用いるから、流
体圧アクチュエータを作業負荷に応じて制御できる。
測手段により計測した負荷圧力の時系列データから、バ
ンドパスフィルタにより抽出した所定範囲の周波数成分
を、所定周波数除去演算部にて差引くことで、作業腕の
慣性負荷による影響を除去した正確な負荷圧力を得るこ
とができる。その際、バンドパスフィルタのバンド幅
を、作業腕の固有周波数に合わせることで、作業腕の固
有振動による慣性負荷の影響を効果的に除去できる。ま
た、バンドパスフィルタを一定時間だけ使うことで、そ
の後の追従性を良くすることができる。
っても、所定範囲の周波数成分を取除いた負荷圧力か
ら、作業腕の先端部に作用する作業負荷を作業負荷演算
部により正確に演算して高精度に推定できる。
を示すブロック図である。
ルタの一例を示すブロック図である。
除去する機能の一例を示す特性図である。
回路の一実施の形態を示す回路図である。
施の形態を示す断面図である。
複合制御系の一実施の形態を示すブロック図である。
示すブロック図である。
能の一例を示す特性図である。
特性図である。
ーのステップ入力に対するメインポペット変位およびパ
イロットスプール変位のシミュレーション結果を示すス
テップ応答特性図である。
ーのステップ入力に対するシリンダ速度およびシリンダ
変位のシミュレーション結果を示すステップ応答特性図
である。
ーのステップ入力に対するメインポペット変位およびパ
イロットスプール変位のシミュレーション結果を示すス
テップ応答特性図である。
ーのステップ入力に対するシリンダ速度およびシリンダ
変位のシミュレーション結果を示すステップ応答特性図
である。
するための説明図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 作業機械に設けられた作業腕を作動する
流体圧アクチュエータの負荷圧力の時系列データを計測
し、 計測した負荷圧力の時系列データから作業腕の固有周波
数に合わせたバンド幅に相当する所定範囲の周波数成分
を一定時間だけ抽出し、 抽出した所定範囲の周波数成分を、計測した負荷圧力の
時系列データから差引いて、作業腕の慣性負荷による影
響を除去することを特徴とする負荷圧力処理方法。 - 【請求項2】 所定範囲の周波数成分を差引いた負荷圧
力を用いて流体圧アクチュエータに作用する作業負荷を
推定することを特徴とする請求項1記載の負荷圧力処理
方法。 - 【請求項3】 推定した作業負荷は、流体圧アクチュエ
ータの制御に用いられることを特徴とする請求項2記載
の負荷圧力処理方法。 - 【請求項4】 作業機械に設けられた作業腕を作動する
流体圧アクチュエータの負荷圧力の時系列データを計測
する負荷圧力計測手段と、 計測した負荷圧力の時系列データから作業腕の固有周波
数に合わせたバンド幅に相当する所定範囲の周波数成分
を一定時間だけ抽出するバンドパスフィルタと、 抽出した所定範囲の周波数成分を、計測した負荷圧力の
時系列データから差引いて、作業腕の慣性負荷による影
響を除去する所定周波数除去演算部とを具備したことを
特徴とする負荷圧力処理装置。 - 【請求項5】 所定範囲の周波数成分を差引いた負荷圧
力から作業腕の先端部に位置する作業負荷を推定する作
業負荷演算部を具備したことを特徴とする請求項4記載
の負荷圧力処理装置。
Priority Applications (1)
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ID=18491893
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1999
- 1999-12-24 JP JP36846499A patent/JP3533130B2/ja not_active Expired - Fee Related
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