JP3664780B2 - 建設機械の作業範囲制限制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の作業範囲制限制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルでは、上部旋回体のフロント部にブームを取り付け、そのブーム先端部に順次アーム、バケットを連結して作業用のフロント装置を構成している。そして上記作フロント装置の屈折作業運動を操作することにより、掘削積込作業などを行っている。
【０００３】
このような油圧ショベルで作業を行うとき、作業現場によっては上方や下方に障害物があるう場合がある。例えば屋外の作業では電線、屋内の作業では天井などが上方の障害物となる。また、ガス管や水道管等が地中にある場合の掘削作業では、これらが下方の障害物となる。オペレータは作業中これらの障害物にバケット爪先などの部分を接触させたり、引っかけたりしないように細心の注意を払う必要がある。
【０００４】
このような問題に対して、特開平３−２０８９２３号公報や特公平６−１９１６５号公報に記載されているような発明がなされている。特開平３−２０８９２３号公報に記載されている発明は、上方に予めフロント装置の侵入禁止領域を設定し、侵入禁止領域の下方にアクチュエータの減速領域を設定し、フロント装置の各先端位置のうち最大高さにある部分がこの減速領域に侵入すると油圧ポンプの吐出量を減らしてアクチュエータの作動速度を落とし、更に侵入禁止領域まで達するとパイロット操作装置の元圧を断ち、アクチュエータの動作を止めてしまうことにより、作業機の一部が上方の障害物に接触することを防ぐようにしたものである。
【０００５】
また、特公平６−１９１６５号公報に記載されている発明は、パイロット操作装置とこのパイロット操作装置から出力された操作パイロット圧により操作される流量制御弁との間に当該操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を設け、ブームが設定高さまで上昇すると電気式減圧弁を減圧操作する電気信号を出力して操作パイロット圧を減圧し、ブームの上昇を停止させるようにしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特公平６−１９１６５号公報では、上記のように電気式減圧弁を用いて操作パイロット圧を減圧し、ブームが設定高さまで上昇するとブームの上昇を停止させるようにしている。また、この特公平６−１９１６５号公報に記載の電気式減圧弁を特開平３−２０８９２３号公報の発明に用いれば、ブームと設定高さ（侵入禁止領域）との距離に応じて当該電気式減圧弁に与えられる電気信号を調整することにより、ブームが設定高さに近づくと電気式減圧弁による減圧の程度を増してアクチュエータの作動速度を落とし、ブームの動作速度を減速することもできる。しかし、このように電気式減圧弁を用いて減速制御をするときには次のような問題がある。
【０００７】
パイロット操作装置と流量制御弁との間に電気式減圧弁を配置する場合は、パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧を不用意に減圧して、オペレータの意志にそぐわないアクチュエータの速度低下を起こさないようにしなければならない。このため、電気式減圧弁は、必要がない限りパイロット操作装置の油圧源であるパイロットポンプの油圧（パイロットポンプ元圧）程度の油圧を常に流量制御弁に供給できるようするために、通常は電気信号の電流値として最大電流が流れ、弁を全開にしている。そして、例えばブームが設定した高さ又は深さに近づくと漸次電気信号の電流値を落とし、減圧弁を閉じてゆき、徐々にアクチュエータの速度を落として最後は滑らかに停止させる。
【０００８】
ところが、電気式減圧弁はその特性として、与えられるパイロット一次圧（パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧）に対して電流値が大きいと、スプールがソレノイドとは反対の面に強く押し付けられる状態となり、いざ、スプールがソレノイド側に移動して、減圧を開始しようとしても、すぐにはスプールは移動せず、一瞬動きが悪くなってしまう場合が多い。このようなスプールが片側に押し付けられることにより動きが悪くなる現象を本明細書中では「スプールの付着現象」という。この現象が起こると、いくら電流値を低くして、操作パイロット圧を減圧しようとしても減圧が一瞬遅れるため、減速制御の開始が遅れ、見かけ上、減速距離が短くなったことと同じことになり、場合によってはアクチュエータが停止するときに大きな衝撃が生じ、オペレータに不快感を与えることになる。また、バケットに荷を積んでいる場合には、積み荷をこぼしてしまう可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、電気式減圧弁の「スプールの付着現象」に影響されずに、滑らかにアクチュエータの速度を低下させ、停止できる建設機械の作業範囲制限制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を採用する。すなわち、上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する操作装置から出力される操作パイロット圧により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記操作装置とこれに対応する少なくとも１つの前記流量制御弁との間に設けられ、前記操作装置から出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁とを備え、前記フロント装置に関して予め設定したモニターポイントと予め設定した侵入禁止領域との距離に応じて指令電流値を計算し前記電気式減圧弁に出力して、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくと前記フロント装置を減速させ、前記侵入禁止領域に到達すると前記フロント装置を停止させる制御を行う建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記電気式減圧弁のパイロット一次圧を検出する検出手段を前記操作装置と前記電気式減圧弁との間に設け、前記モニターポイントが前記フロント装置を減速させる減速領域へ到達する際に前記電気式減圧弁へ出力する指令電流値を前記検出手段で検出されたパイロット一次圧に追従させる出力補正手段を備える。
【００１１】
以上のように構成した本発明では、モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づき、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなると、例えば、当該距離が小さくなるに従って小さくなる第１指令電流値を計算し、出力補正手段は、検出手段で検出されたパイロット一次圧に相当する第２指令電流値を計算し、第１及び第２指令電流値の小さい方を電気信号として電気式減圧弁に出力する。これにより、第１指令電流値が第２指令電流値より小さくなる距離以上にフロント装置が侵入禁止領域に近づくと第１指令電流値が選択されるので、この第１指令電流値により徐々にアクチュエータの動作速度が減じられ、侵入禁止領域に到達するとアクチュエータの動作速度がゼロになってフロント装置が停止する。
【００１２】
また、モニターポイントが減速領域へ到達する際には（詳細には、第１指令電流値が第２指令電流値より小さくなるまでは）パイロット圧一次圧に相当する第２指令電流値が電気信号として出力される（パイロット一次圧追従制御）ので、電気式減圧弁のパイロット一次圧に対して指令電流値が大きくなり過ぎることがなく、上記のように減速制御に移行するとき電気式減圧弁のスプールが速やかに動き、「スプールの付着現象」の影響が緩和される。したがって、電気式減圧弁による減圧動作がスムーズに行われ、アクチュエータを滑らかに停止させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を図１〜図１３により説明する。なお、本実施形態は上方の範囲制限制御を行う場合についてのものである。
【００１７】
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バッケトシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ間に接続され、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号によって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００１８】
また、油圧ショベルは、図２に示すように、垂直方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅはそれぞれブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ、３ｆによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。
【００１９】
操作レバー装置４ａ〜４ｆは操作信号としてパイロット圧を出力し、対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動する油圧パイロット方式の操作装置（パイロット操作装置）であり、それぞれ、図３に示すように、オペレータにより操作される操作レバー４０と、操作レバー４０の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する一対の減圧弁４１，４２とにより構成され、減圧弁４１，４２の一次ポート側はパイロットポンプ４３に接続され、二次ポート側はパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂに接続されている。
【００２０】
例えばブーム用のパイロット操作装置４ａは、操作レバー４０が図３のＡ方向に操作されると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４１により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ａに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の右方に動かされる。これにより、主ポンプである油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのボトム側に供給され、ブームシリンダ３ａは伸長するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは上方に動かされる。操作レバー４０を図３のＢ方向に操作すると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４２により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ｂに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ｂに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の左方に動かされ、油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのロッド側に供給され、ブームシリンダ３ａは収縮するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは下方に動かされる。操作レバー４０を中央位置に戻すと、減圧弁４１，４２はパイロットライン４４ａ，４４ｂをタンクにつなげ、流量制御弁５ａへのパイロット圧の付与は解除され、流量制御弁５ａは復元スプリングにより中立位置に戻され、ブーム１ａの動きは停止する。アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ｂ，４ｃについても同様である。このようなブーム用、アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ａ〜４ｃの操作を単独又は適当に組み合わせて行うことにより、フロント装置１Ａを所望の態様で屈折動作させ、掘削積込作業などを行うことができる。なお、本願明細書中では、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力されたパイロット圧のことを特に「操作パイロット圧」と呼ぶ。
【００２１】
以上のような油圧ショベルに本実施例による作業範囲制限制御装置が設けられている。この作業範囲制限制御装置は、予め作業に応じてフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）を指示するための設定器７と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと、ブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂのパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂに設けられ、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧を検出する圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂと、設定器７の設定信号、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃ及び圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂの検出信号を入力し、フロント部材が侵入してはならない侵入禁止領域を設定すると共に、その侵入禁止領域に応じて作業範囲を制限制御するための電気信号を出力する制御ユニット９と、パイロットライン４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂにそれぞれ設置され、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧をパイロット一次圧としてこれを前記制御ユニット９から出力されたそれぞれの電気信号に応じて減圧して出力する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂとで構成されている。なお、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂでパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧を検出することは、結局は、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧を検出することになる。
【００２２】
比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは電気式減圧弁であり、図４に示すような構造を有している。図中、１５０は入力ポート、１５１は出力ポート、１５２はタンクポート、１５３はスプール、１５４は内部通路、１５５は圧力室、１５６はソレノイドであり、入力ポート１５０にパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧がパイロット一次圧として導かれ、出力ポート１５２からのパイロット二次圧（出力圧）が流量制御弁５ａ，５ｂの油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂに与えられ、ソレノイド１５６に制御ユニット９からの電気信号が与えられる。
【００２３】
ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロの時は、ソレノイド１５６には電磁力は発生せず、内部通路１５４を介して圧力室１５５に伝えられるパイロット一次圧による付勢力Ｆｐによりスプール１５４は図示右方に移動し、出力ポート１５１をタンクポート１５２に連通し、パイロット二次圧をタンク圧にする（フルクローズ）。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロでないときは、その電流値に応じた軸方向の力Ｆｓが発生し、スプール１５３を図示左方に動かし、圧力室１５５により与えられる付勢力Ｆｐとつりあった位置でスプール１５３は止まる。このとき、出力ポート１５１とタンクポート１５２の連通は遮断され、出力ポート１５１は入力ポート１５０と絞りを介して連通し、出力ポート１５１にはその絞りに応じて減圧された圧力が発生し、これがパイロット二次圧として出力される。また、圧力室１５５にはその出力ポート１５１の減圧された圧力（パイロット二次圧）が内部通路１５４を介して導かれ、付勢力Ｆｐはパイロット二次圧に応じた値となっている。そして、ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が増加し、軸方向の力Ｆｓが大きくなると、それに応じてスプール１５３は図示左方に動かされ、スプール１５３の絞りは弱くなって減圧の程度は小さくなり、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は増加する。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が最大になると、スプール１５３は絞りが全く働かない位置まで動かされ（フルオープン）、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は入力ポート１５０の圧力（パイロット一次圧）と同じになる。
【００２４】
設定器７は、操作パネルあるいはグッリプ上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット９に出力し侵入禁止領域の設定を指示するもので、操作パネル上には表示装置等、他の補助手段があってもよい。また、ＩＣカードによる方法、バーコードによる方法、レーザによる方法、無線通信による方法等、他の方法を用いてもよい。
【００２５】
制御ユニット９は図５に示すような制御機能を有している。すなわち、制御ユニット９は、侵入禁止領域演算部９ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、制限値記憶メモリ９ｃ、減速制御演算部９ｄ、最大シリンダ速度演算部９ｅ、最大パイロット圧演算部９ｆ、バルブ指令演算部９ｇ、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈ、パイロット圧演算部９ｉ、バルブ指令演算部９ｊ、最小値判定演算部９ｋ、電流出力部９ｍの各機能を有している。
【００２６】
侵入禁止領域演算部９ａでは、設定器７からの指示でフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）の設定演算を行う。その一例を図６を用いて説明する。
【００２７】
図６において、フロント装置１Ａには予め所定箇所に複数のモニターポイントＰ１〜Ｐ５が設定されており、オペレータの操作でフロント装置１Ａを制限したい高さまでもってゆき、設定器７からの指示でそのときの各モニターポイントＰ１〜Ｐ５の高さＰ１ｚ〜Ｐ５ｚを計算し、最も高い値を侵入禁止領域の境界の設定値とする。ここで、Ｐ１ｚ〜Ｐ５ｚの値はフロント姿勢演算部９ｂにて計算される。
【００２８】
フロント姿勢演算部９ｂでは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム、アーム、バケットの回動角と、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶した図６に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ３，ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＶ１，ＬＶ２，ＬＶ３等のデータとを用いてフロント装置１Ａの位置と姿勢を計算する。このとき、位置と姿勢は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＺ座標系の座標値として求める。ＸＺ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直交座標系である。
【００２９】
ここで、侵入禁止領域演算部９ａでの設定演算を行うとき、フロント姿勢演算部９ｂは、各モニターポイントＰ１〜Ｐ５の値をＸＺ座標系のＺ座標値として計算し、そのうちの最も大きな値を侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）とする。侵入禁止領域演算部９ａで計算されたこの侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）は制限値記憶メモリ９ｃに記憶しておく。
【００３０】
また、フロント姿勢演算部９ｂでは、上限制御による作業中にも各モニターポイントＰ１〜Ｐ５の位置を計算している。本実施形態では上限制御を行う際のモニターポイントはＰ１，Ｐ２，Ｐ５の３点とする。モニターポイントＰ１はブーム１ａの曲がり部の頂点であり、モニターポイントＰ２はアーム１ｂの後端の上方端部であり、モニターポイントＰ５はバケット１ｃの回動中心（バケットピン）を中心にした半径ＬＶ１（バケットピンからバケット先端までの距離）の円の最高点である。このときも、各モニターポイントの位置はＸＺ座標系の値として求め、各モニターポイントの高さはＸＺ座標系のＺ座標値として計算される。
【００３１】
ここで、フロント姿勢演算部９ｂで計算されるモニターポイントＰ１〜Ｐ５のＺ座標値は、回動角α，β，γから記憶装置に記憶した図６に示される各部寸法を用いて下記の式により求まる。
【００３２】
減速制御演算部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ５のＺ座標値Ｐ１ｚ，Ｐ２ｚ，Ｐ５ｚと、制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚと、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶しておいた減速領域の範囲を示す距離（以下、減速距離という）ＬU及び減速関数（後述）とから、ブームシリンダ３ａの伸び方向と縮み方向、アームシリンダ３ｂの伸び方向と縮み方向に対する減速指令信号ＫBU1，ＫBD1，ＫAU1，ＫAD1を演算する。この演算内容を図７を参照して以下に説明する。
【００３３】
まず、モニターポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ５のＺ座標値をＰ１ｚ，Ｐ２ｚ，Ｐ５ｚを比較し、最も大きいＺ座標値と侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとの差を計算し、最も高い位置にあるモニターポイントと侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算する。図６ではモニターポイントＰ２が最も高い位置にあるとして距離ＬMが計算されている。次いで、この距離ＬMと減速距離ＬUとを比較し、ＬM＞ＬUであれば最も高い位置にあるモニターポイントがまだ減速領域に入っていないので、減速指令信号ＫBU1，ＫBD1，ＫAU1，ＫAD1は全て１にする。ＬM≦ＬUであれば最も高い位置にあるモニターポイントが減速領域に入っていると判断し、下記の減速関数から減速指令信号ＫBU1，ＫBD1，ＫAU1，ＫAD1を演算する。
【００３４】
ＫBU1＝ＬM／ＬU
ＫBD1＝１
ＫAU1＝ＬM／ＬU
ＫAD1＝ＬM／ＬU
上記の減速関数を図８に示す。この図から分かるように、ブームシリンダ３ａの伸び方向に対する減速指令信号ＫBD1の減速関数、アームシリンダ３ｂの伸び後行及び縮み方向に対する減速指令信号ＫAU1，ＫAD1の減速関数は、減速距離ＬU以下で距離ＬMが小さくなるにしたがって減速指令信号が１から０まで直線的に小さくなるように設定されている。
【００３５】
最大シリンダ速度演算部９ｅでは、予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいたブームシリンダ３ａの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶBUmax，ＶBDmaxとアームシリンダ３ｂの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶAUmax，ＶADmaxと、上記で計算した減速指令信号ＫBU1，ＫBD1及びＫAU1，ＫAD1よりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxcとアームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶAUmaxc，ＶADmaxcを演算する。この演算式を以下に示す。
【００３６】
ＶBUmaxc＝ＫBU1×ＶBUmax
ＶBDmaxc＝ＫBD1×ＶBDmax
ＶAUmaxc＝ＫAU1×ＶAUmax
ＶADmaxc＝ＫAD1×ＶADmax
最大パイロット圧演算部９ｆでは最大シリンダ速度演算部９ｅで演算した減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxc，ＶAUmaxc，ＶADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図９の（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すようなパイロット圧とシリンダ速度のテーブルよりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxcと、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大パイッロト圧ＰAUmaxc，ＰADmaxcを演算する。
【００３７】
バルブ指令演算部９ｇでは最大パイロット圧演算部９ｆで演算したＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図１０に示すようなパイロット圧と電流値のテーブルより、ブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の速度を規定する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1を演算する。
【００３８】
一方、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈでは、減速制御演算部９ｄで計算した減速指令信号ＫBU1，ＫAU1，ＫAD1の各値、すなわちＬM／ＬUが予め制御ユニット９の記憶部に記憶しておいた係数Ｋｔｒ以下であるかどうかを判定し、ＬM／ＬUがＫｔｒ以下であるならば比例電磁弁の「スプールの付着現象」を防止するためのパイロット一次圧追従制御（後述）を行うと判定し、Ｋｔｒより大きいときは当該制御を行わないと判定する。
【００３９】
ここで、Ｋｔｒはフロント装置１Ａが侵入禁止領域の境界にどのくらい近づいたらパイロット一次圧追従制御を開始するを決めるための係数であり、Ｋｔｒが１より大きいときはモニターポイントが減速領域に達していない状態でパイロット一次圧追従制御を開始し、Ｋｔｒが１以下ではモニターポイントが減速領域に達した状態でパイロット一次圧追従制御を開始することになる。ここで、Ｋｔｒが１よりあまり大き過ぎると、モニターポイントが減速領域に達する可能性がないのにパイロット一次圧追従制御が開始されてしまい、比例電磁弁が不必要に絞られ通常の作業に支障を生じることがある（後述）。また、Ｋｔｒが１より小さすぎ、０に近くなると、侵入禁止領域の境界の直前でパイロット一次圧追従制御が開始され、当該制御が有効に働かなくなる場合がある。Ｋｔｒはそれらの兼ね合いで決められ、通常はモニターポイントが減速領域に達すると同時に開始することが好ましいことから、Ｋｔｒ＝１又は１付近の値に設定される。以下において、本実施形態ではＫｔｒ＝１に設定したものとして説明する。
【００４０】
パイロット圧演算部９ｉでは、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈで、ＬM／ＬU≦Ｋｔｒでパイロット一次圧追従制御を開始すると判定されると、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂで検出した比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧（パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧）をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行い、ＬM／ＬU＞Ｋｔｒでパイロット一次圧追従制御を開始しないと判定されると、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶したおいてパイロットポンプ４３のパイロット元圧、すなわち操作パイロット圧として供給され得る最大圧力をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行う。
【００４１】
バルブ指令演算部９ｊでは、バルブ指令演算部９ｇと同様に、図１０に示すパイロット圧と電流値のテーブルより、パイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADを得るための比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2を演算する。
【００４２】
最小値判定演算部９ｋでは、ブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の速度を規定する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する出力用の指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADを以下の式に従って決定する。
【００４３】
ｉBU＝ｍｉｎ（ｉBU1，ｉBU2）
ｉBD＝ｍｉｎ（ｉBD1，ｉBD2）
ｉAU＝ｍｉｎ（ｉAU1，ｉAU2）
ｉAD＝ｍｉｎ（ｉAD1，ｉAD2）
なお、第１指令電流値と第２指令電流値が等しい（ｉBU1＝ｉBU2，ｉBD1＝ｉBD2，ｉAU1＝ｉAU2，ｉAD1＝ｉAD2）ときはそのいずれか一方、例えば第１指令電流値を出力用の指令電流値にするものとして予め決めておく。
【００４４】
電流出力部９ｍでは、ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADに応じた電流値を電気信号として比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに出力する。
【００４５】
ここで、減速制御演算部９ｄで計算される減速指令信号がＫBD＝１、ＫBU＝１、ＫAD＝１、ＫAU＝１のときに最大パイロット圧演算部９ｆで演算される減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcは操作パイロット圧の最大圧力（パイロットポンプ元圧）に設定されており、減速制御演算部９ｄでパイロット一次圧追従制御をしないと判定されたときにパイロット圧演算部９ｉで計算されるパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADと同じである。このため、ＫBD＝１、ＫBU＝１、ＫAD＝１、ＫAU＝１のときの第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1とパイロット一次圧追従制御をしないと判定されたときの第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2とは等しい。また、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcをパイロット圧の最大圧力にするときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンにする電流値である。
【００４６】
一方、ＫBD＝０、ＫBU＝０、ＫAD＝０、ＫAU＝０のときは減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcを０にすることであり、このときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルクローズにする電流値である。
【００４７】
以上の制御の流れを図１１及び図１２にフローチャートとして示す。
【００４８】
図１１において、手順４００，４１０はフロント姿勢演算部９ｂに相当し、手順２００，５００〜５３０は減速制御演算部９ｄに相当し、手順５４０は最大シリンダ速度演算部９ｅに相当し、手順６００〜６２０は最大パイロット圧演算部９ｆに相当し、手順７００はバルブ指令演算部９ｇに相当する。また、図１２において、手順８００はパイロット一次圧追従判定演算部９ｈに相当し、手順９００〜９２０はパイロット圧演算部９ｉに相当し、手順１０００はバルブ指令演算部９ｊに相当し、手順１１００は最小値判定演算部９ｋに相当し、手順１２００，１２１０は電流出力部９ｍに相当する。なお、図１１において、手順３００〜３２０は安全のための初期設定である。
【００４９】
また、以上において、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ又は１１ａ，１１ｂはパイロット操作装置４ａ，４ｂとこれに対応する流量制御弁５ａ又は５ｂとの間に設けられ、パイロット操作装置４ａ又は４ｂから出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を構成し、圧力検出器６０ａ，６０ｂ又は６１ａ，６１ｂは電気式減圧弁１０ａ，１０ｂ又は１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧を検出する検出手段を構成し、制御ユニットの９のパイロット一次圧追従判定演算部９ｈ、パイロット圧演算部９ｉ、バルブ指令演算部９ｊはモニターポイントがフロント装置を減速させる減速領域へ到達する際に電気式減圧弁へ出力する指令電流値を検出手段で検出されたパイロット一次圧に追従させる出力補正手段を構成する。
【００５１】
次に、以上のように構成した本実施例の動作を説明する。フロント装置１Ａを上方に動かそうとしてオペレータがブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂの操作レバーをそれぞれブーム上げ方向及びアームダンプ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂに操作パイロット圧が生成され、油圧制御弁５ａ，５ｂが駆動され、フロント部材であるブーム１ａ及びアーム１ｂが動かされる。ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの各関節角は位置検出手段である角度検出器８ａ〜８ｃにより検出され、その検出信号が制御ユニット９のフロント姿勢演算部９ｂに入力される。フロント姿勢演算部９ｂではこの入力信号によりモニターポイントＰ１〜Ｐ５の位置を演算し、減速制御演算部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ５のＺ座標値Ｐ１ｚ，Ｐ２ｚ，Ｐ５ｚのうち最も大きいＺ座標値と制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとの差から、最も高い位置にあるモニターポイント、例えばモニターポイントＰ２と侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算し、更にこの距離ＬMと減速距離ＬUとを比較して最も高い位置にあるモニターポイントＰ２が減速領域に入っているか判断する。
【００５２】
このとき、フロント装置１Ａがまだ高く上がっておらず、モニターポイントＰ２が侵入禁止領域から遠いときは、ＬM＞ＬUであるので、減速制御演算部９ｄではモニターポイントＰ２が減速領域に入っていないと判断し、ＫBU1＝１，ＫBD1＝１，ＫAU1＝１，ＫAD1＝１の減速指令信号を生成する。
【００５３】
一方、このとき、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧は（比例電磁弁１０ａ，１１ｂのパイロット一次圧）は圧力検出器６０ａ，６１ｂにより検出され、その検出信号が制御ユニット９のパイロット圧演算部９ｊに入力される。また、制御ユニット９において、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈは、減速制御演算部９ｄで計算したＬM／ＬUがＫｔｒ（＝１）以下であるかどうかでパイロット一次圧追従制御を行うかどうかを判定する。今は、ＬM＞ＬUであるのでＬM／ＬU＞１であるので、ＬM／ＬUはＫｔｒより大きく、パイロット一次圧追従制御を行わないと判定し、パイロット圧演算部９ｉでは、操作パイロット圧の最大圧力をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行い、バルブ指令演算部９ｇ，９ｊでは第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1及び第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2がそれぞれ同じ値として計算され、最小値判定演算部９ｋではそれらの一方、例えば第１指令電流値が選択されて指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADとなり、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンする。これによりブーム用の油圧制御弁５ａ及びアーム用の油圧制御弁５ｂにはパイロット操作装置４ａ，４ｂで生成された操作パイロット圧が比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂで大きな抵抗を受けることなくそのまま伝達され、フロント装置１Ａをオペレータの操作通りに動かすことができる。
【００５４】
フロント装置１Ａが上がり、最も高い位置にあるモニターポイントＰ２が減速領域に到達すると、減速制御演算部９ｄではＬM≦ＬUとなるのでモニターポイントＰ２が減速領域に入ったと判断され、距離ＬMに従って図８に示す減速関数から１より小さい減速指令信号ＫBU1，ＫAU1，ＫAD1が生成される。
【００５５】
一方、制御ユニット９のパイロット一次圧追従判定演算部９ｈでは、ＬM／ＬU≦１となってＬM／ＬUはＫｔｒ以下で、パイロット一次圧追従制御を行うと判定され、パイロット圧演算部９ｉでは、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂで検出した比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧（パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧）をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行う。そして、最小値判定演算部９ｋでは、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧が最大パイロット圧演算部９ｆで計算された減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcより小さい間は、当該パイロット一次圧に相当する第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2を出力用の指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADとし、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcが比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧より小さくなると、第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1を出力用の指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADとする。
【００５６】
このため、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧が減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcより小さい間は、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは当該パイロット一次圧と同じパイロット二次圧が得られるよう絞られる。本願明細書ではこのことを「パイロット一次圧追従制御」という。このようなパイロット一次圧追従制御により、ブーム用の油圧制御弁５ａ及びアーム用の油圧制御弁５ｂにはパイロット操作装置４ａ，４ｂで生成された操作パイロット圧がほぼそのまま伝達される。
【００５７】
そして、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰADmaxcが比例電磁弁１０ａ，１１ｂのパイロット一次圧より小さくなると、比例電磁弁１０ａ，１１ｂは減速制御の第１減速指令信号ｉBU1，ｉAD1に応じて絞られ、ブーム上げとアームダンプの動作速度が減じられる。また、このように減速制御に移行するとき、その前までは上記のようにパイロット一次圧追従制御の第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2により比例電磁弁１０ａ，１１ｂは絞られているので、比例電磁弁の「スプールの付着現象」に影響されずに、滑らかにブーム上げとアームダンプの動作速度を減じることができる。
【００５８】
フロント装置１Ａが更に上昇し、モニターポイントＰ２が侵入禁止領域に到達すると、減速制御演算部９ｄでＫBU＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０の減速指令信号が生成され、比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂをフルクローズし、ブーム及びアームを停止させる。これによりフロント装置１Ａが停止する。
【００５９】
比例電磁弁の「スプールの付着現象」及び「パイロット一次圧追従制御」によりその影響が回避される様子を図１３により更に説明する。図１３（ａ）は本発明のパイロット一次圧追従制御を行わなかった場合であり、図１３（ｂ）パイロット一次圧追従制御を行った場合である。
【００６０】
図１３（ａ）において、パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧（比例電磁弁のパイロット一次圧）が最大パイロット圧より小さい場合には、距離ＬMがＬU以下となり減速制御に移行するとき、比例電磁弁のパイロット一次圧に対して減速制御の指令電流値（バルブ指令演算部９ｇの指令電流値）が大き過ぎる期間が発生する。この間、本発明のパイロット一次圧追従制御を行わない場合は、比例電磁弁に対する出力用の指令電流値の圧力換算値がパイロット一次圧より大きくなり、比例電磁弁のスプール１５３（図４参照）がソレノイド１５６（同）とは反対の面に強く押し付けられる状態となり、指令電流値の圧力換算値がパイロット一次圧より小さくなり、減圧し始めようとしても、すぐにはスプール１５３は移動せず、一瞬動きが悪くなってしまう。すなわち、「スプールの付着現象」が生じる。この現象が起こると、いくら電流値を低くして減圧しようとしても、図１３（ａ）にＸで示すように一瞬減圧が遅れ、減速制御の開始が遅れ、見かけ上、減速距離が短くなったことと同じことになり、このため場合によってはアクチュエータが停止するときに大きな衝撃が生じ、オペレータに不快感を与えることになる。また、バケットに荷を積んでいる場合には、積み荷をこぼしてしまう可能性がある。
【００６１】
これに対して、本発明では、図１３（ｂ）に示すように、比例電磁弁のパイロット一次圧に対して減速制御の指令電流値（バルブ指令演算部９ｇの指令電流値）が大き過ぎる間、当該パイロット一次圧に相当する第２指令電流値（バルブ指令演算部９ｊの指令電流値）が計算されてこの第２指令電流値が比例電磁弁に出力されるので、比例電磁弁に対する出力用の指令電流値の圧力換算値はパイロット一次圧とほぼ同じとなり、パイロット一次圧に対して指令電流値が大きくなり過ぎることがなく、「スプールの付着現象」の影響が緩和される。したがって、比例電磁弁による減圧動作がスムーズに行われ、アクチュエータを滑らかに停止させることができる。
【００６２】
また、モニターポイントと侵入禁止領域との距離ＬMがＫｔｒで決まる所定値（本実施形態ではＫｔｒ＝１で、ＬM＝減速距離ＬU）以下になる前は、最大パイロット圧に相当する第１指令電流値又は第２指令電流値が出力されるので、比例電磁弁はフルオープンされ、パイロット操作装置で生成された操作パイロット圧は比例電磁弁でほとんど抵抗を受けることなく油圧制御弁に伝えられ、比例電磁弁がないかのようにフロント装置を動かすことができる。
【００６３】
以上のように本実施形態によれば、モニターポイントが侵入禁止領域に近づくと徐々にフロント装置の動作速度が減じられ、侵入禁止領域直前でフロント装置の動作速度がゼロになるので、フロント部材が侵入禁止領域に侵入することがない。
【００６４】
また、モニターポイントと侵入禁止領域との距離に応じて計算された減速制御の第１指令電流値と、比例電磁弁のパイロット一次圧に相当する第２指令電流値の小さい方を選択して出力するので、減速制御を行う際、比例電磁弁のパイロット一次圧に対して電流値が大きくなり過ぎることがなく、「スプールの付着現象」の影響が緩和される。したがって、比例電磁弁による減圧動作がスムーズに行われ、アクチュエータを滑らかに停止させることができる。このため、停止時の衝撃によりオペレータに不快感を与えない。また、荷こぼれも防ぐことができる。
【００６５】
更に、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が減速距離ＬU以下になる前は、比例電磁弁はフルオープンになるので、比例電磁弁がないかのようにフロント装置を動かすことができる。
【００６６】
なお、本発明の作業範囲制限制御装置は上述の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例としてはフロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。また、侵入禁止領域を上方に設定した場合について説明したが、下方、前方に設定した場合についても同様である。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、電気式減圧弁の「スプールの付着現象」の影響を緩和することができるので、アクチュエータをスムーズに停止させることができ、停止時の衝撃によりオペレータに不快感を与えない。また、荷こぼれも防ぐことができる。
【００６８】
また、本発明によれば、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が所定値以下になる前は、比例電磁弁がないかのようにフロント装置を動かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による建設機械の作業範囲制限制御装置を油圧駆動装置と共に示す図である。
【図２】本発明が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】油圧パイロット方式の操作レバー装置の構成を示す図である。
【図４】比例電磁弁の構造を示す図である。
【図５】本実施形態の制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施形態の作業範囲制限制御で用いる座標系と領域の設定方法を示す図である。
【図７】本実施形態の作業範囲制限制御における侵入禁止領域と減速領域を示す図である。
【図８】減速制御演算におけるモニターポイントと侵入禁止領域との距離に対する減速指令信号の関係を示す図である。
【図９】最大パイロット圧演算部におけるパイロット圧とシリンダ速度の関係を示す図である。
【図１０】バルブ指令演算部におけるパイロット圧と比例電磁弁に出力する電流値との関係を示す図である。
【図１１】制御ユニットの処理内容を示すフローチャートである。
【図１２】制御ユニットの処理内容を示すフローチャートである。
【図１３】図１３（ａ）は減速制御するときの「スプールの付着現象」の影響を示す図であり、図１３（ｂ）は本発明により減速制御するときの「スプールの付着現象」の影響の緩和を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
２ 油圧ポンプ
３ａ ブームシリンダ
３ｂ アームシリンダ
４ａ〜４ｆ 操作レバー装置
５ａ〜５ｆ 流量制御弁
７ 設定器
８ａ〜８ｃ 角度検出器（位置検出手段）
９ 制御ユニット
９ａ 侵入禁止領域演算部
９ｂ フロント姿勢演算部
９ｃ 制限値記憶メモリ
９ｄ 減速制御演算部
９ｅ 最大シリンダ速度演算部
９ｆ 最大パイロット圧演算部
９ｇ バルブ指令演算部
９ｈ パイロット一次圧追従判定演算部
９ｉ パイロット圧演算部
９ｊ バルブ指令演算部
９ｋ 最小値判定演算部
９ｍ 電流出力部
１０ａ〜１１ｂ 比例電磁弁（電気式減圧弁）
５０ａ〜５５ｂ 油圧駆動部
６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ 圧力検出器
【産業上の利用分野】
本発明は油圧ショベル等の建設機械の作業範囲制限制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ショベルでは、上部旋回体のフロント部にブームを取り付け、そのブーム先端部に順次アーム、バケットを連結して作業用のフロント装置を構成している。そして上記作フロント装置の屈折作業運動を操作することにより、掘削積込作業などを行っている。
【０００３】
このような油圧ショベルで作業を行うとき、作業現場によっては上方や下方に障害物があるう場合がある。例えば屋外の作業では電線、屋内の作業では天井などが上方の障害物となる。また、ガス管や水道管等が地中にある場合の掘削作業では、これらが下方の障害物となる。オペレータは作業中これらの障害物にバケット爪先などの部分を接触させたり、引っかけたりしないように細心の注意を払う必要がある。
【０００４】
このような問題に対して、特開平３−２０８９２３号公報や特公平６−１９１６５号公報に記載されているような発明がなされている。特開平３−２０８９２３号公報に記載されている発明は、上方に予めフロント装置の侵入禁止領域を設定し、侵入禁止領域の下方にアクチュエータの減速領域を設定し、フロント装置の各先端位置のうち最大高さにある部分がこの減速領域に侵入すると油圧ポンプの吐出量を減らしてアクチュエータの作動速度を落とし、更に侵入禁止領域まで達するとパイロット操作装置の元圧を断ち、アクチュエータの動作を止めてしまうことにより、作業機の一部が上方の障害物に接触することを防ぐようにしたものである。
【０００５】
また、特公平６−１９１６５号公報に記載されている発明は、パイロット操作装置とこのパイロット操作装置から出力された操作パイロット圧により操作される流量制御弁との間に当該操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を設け、ブームが設定高さまで上昇すると電気式減圧弁を減圧操作する電気信号を出力して操作パイロット圧を減圧し、ブームの上昇を停止させるようにしたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特公平６−１９１６５号公報では、上記のように電気式減圧弁を用いて操作パイロット圧を減圧し、ブームが設定高さまで上昇するとブームの上昇を停止させるようにしている。また、この特公平６−１９１６５号公報に記載の電気式減圧弁を特開平３−２０８９２３号公報の発明に用いれば、ブームと設定高さ（侵入禁止領域）との距離に応じて当該電気式減圧弁に与えられる電気信号を調整することにより、ブームが設定高さに近づくと電気式減圧弁による減圧の程度を増してアクチュエータの作動速度を落とし、ブームの動作速度を減速することもできる。しかし、このように電気式減圧弁を用いて減速制御をするときには次のような問題がある。
【０００７】
パイロット操作装置と流量制御弁との間に電気式減圧弁を配置する場合は、パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧を不用意に減圧して、オペレータの意志にそぐわないアクチュエータの速度低下を起こさないようにしなければならない。このため、電気式減圧弁は、必要がない限りパイロット操作装置の油圧源であるパイロットポンプの油圧（パイロットポンプ元圧）程度の油圧を常に流量制御弁に供給できるようするために、通常は電気信号の電流値として最大電流が流れ、弁を全開にしている。そして、例えばブームが設定した高さ又は深さに近づくと漸次電気信号の電流値を落とし、減圧弁を閉じてゆき、徐々にアクチュエータの速度を落として最後は滑らかに停止させる。
【０００８】
ところが、電気式減圧弁はその特性として、与えられるパイロット一次圧（パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧）に対して電流値が大きいと、スプールがソレノイドとは反対の面に強く押し付けられる状態となり、いざ、スプールがソレノイド側に移動して、減圧を開始しようとしても、すぐにはスプールは移動せず、一瞬動きが悪くなってしまう場合が多い。このようなスプールが片側に押し付けられることにより動きが悪くなる現象を本明細書中では「スプールの付着現象」という。この現象が起こると、いくら電流値を低くして、操作パイロット圧を減圧しようとしても減圧が一瞬遅れるため、減速制御の開始が遅れ、見かけ上、減速距離が短くなったことと同じことになり、場合によってはアクチュエータが停止するときに大きな衝撃が生じ、オペレータに不快感を与えることになる。また、バケットに荷を積んでいる場合には、積み荷をこぼしてしまう可能性がある。
【０００９】
本発明の目的は、電気式減圧弁の「スプールの付着現象」に影響されずに、滑らかにアクチュエータの速度を低下させ、停止できる建設機械の作業範囲制限制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次の構成を採用する。すなわち、上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する操作装置から出力される操作パイロット圧により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記操作装置とこれに対応する少なくとも１つの前記流量制御弁との間に設けられ、前記操作装置から出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁とを備え、前記フロント装置に関して予め設定したモニターポイントと予め設定した侵入禁止領域との距離に応じて指令電流値を計算し前記電気式減圧弁に出力して、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくと前記フロント装置を減速させ、前記侵入禁止領域に到達すると前記フロント装置を停止させる制御を行う建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記電気式減圧弁のパイロット一次圧を検出する検出手段を前記操作装置と前記電気式減圧弁との間に設け、前記モニターポイントが前記フロント装置を減速させる減速領域へ到達する際に前記電気式減圧弁へ出力する指令電流値を前記検出手段で検出されたパイロット一次圧に追従させる出力補正手段を備える。
【００１１】
以上のように構成した本発明では、モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づき、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が小さくなると、例えば、当該距離が小さくなるに従って小さくなる第１指令電流値を計算し、出力補正手段は、検出手段で検出されたパイロット一次圧に相当する第２指令電流値を計算し、第１及び第２指令電流値の小さい方を電気信号として電気式減圧弁に出力する。これにより、第１指令電流値が第２指令電流値より小さくなる距離以上にフロント装置が侵入禁止領域に近づくと第１指令電流値が選択されるので、この第１指令電流値により徐々にアクチュエータの動作速度が減じられ、侵入禁止領域に到達するとアクチュエータの動作速度がゼロになってフロント装置が停止する。
【００１２】
また、モニターポイントが減速領域へ到達する際には（詳細には、第１指令電流値が第２指令電流値より小さくなるまでは）パイロット圧一次圧に相当する第２指令電流値が電気信号として出力される（パイロット一次圧追従制御）ので、電気式減圧弁のパイロット一次圧に対して指令電流値が大きくなり過ぎることがなく、上記のように減速制御に移行するとき電気式減圧弁のスプールが速やかに動き、「スプールの付着現象」の影響が緩和される。したがって、電気式減圧弁による減圧動作がスムーズに行われ、アクチュエータを滑らかに停止させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を油圧ショベルに適用した場合の実施形態を図１〜図１３により説明する。なお、本実施形態は上方の範囲制限制御を行う場合についてのものである。
【００１７】
図１において、本発明が適用される油圧ショベルは、油圧ポンプ２と、この油圧ポンプ２からの圧油により駆動されるブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バッケトシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ，３ｆを含む複数の油圧アクチュエータと、これら油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆのそれぞれに対応して設けられた複数の操作レバー装置４ａ〜４ｆと、油圧ポンプ２と複数の油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆ間に接続され、操作レバー装置４ａ〜４ｆの操作信号によって制御され、油圧アクチュエータ３ａ〜３ｆに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁５ａ〜５ｆと、油圧ポンプ２と流量制御弁５ａ〜５ｆの間の圧力が設定値以上になった場合に開くリリーフ弁６とを有し、これらは油圧ショベルの被駆動部材を駆動する油圧駆動装置を構成している。
【００１８】
また、油圧ショベルは、図２に示すように、垂直方向にそれぞれ回動するブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃからなる多関節型のフロント装置１Ａと、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅからなる車体１Ｂとで構成され、フロント装置１Ａのブーム１ａの基端は上部旋回体１ｄの前部に支持されている。ブーム１ａ、アーム１ｂ、バケット１ｃ、上部旋回体１ｄ及び下部走行体１ｅはそれぞれブームシリンダ３ａ、アームシリンダ３ｂ、バケットシリンダ３ｃ、旋回モータ３ｄ及び左右の走行モータ３ｅ、３ｆによりそれぞれ駆動される被駆動部材を構成し、それらの動作は上記操作レバー装置４ａ〜４ｆにより指示される。
【００１９】
操作レバー装置４ａ〜４ｆは操作信号としてパイロット圧を出力し、対応する流量制御弁５ａ〜５ｆを駆動する油圧パイロット方式の操作装置（パイロット操作装置）であり、それぞれ、図３に示すように、オペレータにより操作される操作レバー４０と、操作レバー４０の操作量と操作方向に応じたパイロット圧を生成する一対の減圧弁４１，４２とにより構成され、減圧弁４１，４２の一次ポート側はパイロットポンプ４３に接続され、二次ポート側はパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂ；４６ａ，４６ｂ；４７ａ，４７ｂ；４８ａ，４８ｂ；４９ａ，４９ｂを介して対応する流量制御弁の油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂ；５２ａ，５２ｂ；５３ａ，５３ｂ；５４ａ，５４ｂ；５５ａ，５５ｂに接続されている。
【００２０】
例えばブーム用のパイロット操作装置４ａは、操作レバー４０が図３のＡ方向に操作されると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４１により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ａに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ａに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の右方に動かされる。これにより、主ポンプである油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのボトム側に供給され、ブームシリンダ３ａは伸長するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは上方に動かされる。操作レバー４０を図３のＢ方向に操作すると、パイロットポンプ４３からのパイロット元圧を減圧弁４２により操作レバー４０の操作量に比例した圧力に変化させてパイロットライン４４ｂに出力し、この圧力が流量制御弁５ａの油圧駆動部５０ｂに与えられることにより流量制御弁５ａのスプールは図１の左方に動かされ、油圧ポンプ２からの圧油はブームシリンダ３ａのロッド側に供給され、ブームシリンダ３ａは収縮するよう駆動され、図２に示されるブーム１ａは下方に動かされる。操作レバー４０を中央位置に戻すと、減圧弁４１，４２はパイロットライン４４ａ，４４ｂをタンクにつなげ、流量制御弁５ａへのパイロット圧の付与は解除され、流量制御弁５ａは復元スプリングにより中立位置に戻され、ブーム１ａの動きは停止する。アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ｂ，４ｃについても同様である。このようなブーム用、アーム用、バケット用のパイロット操作装置４ａ〜４ｃの操作を単独又は適当に組み合わせて行うことにより、フロント装置１Ａを所望の態様で屈折動作させ、掘削積込作業などを行うことができる。なお、本願明細書中では、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力されたパイロット圧のことを特に「操作パイロット圧」と呼ぶ。
【００２１】
以上のような油圧ショベルに本実施例による作業範囲制限制御装置が設けられている。この作業範囲制限制御装置は、予め作業に応じてフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）を指示するための設定器７と、ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃのそれぞれの回動支点に設けられ、フロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量としてそれぞれの回動角を検出する角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃと、ブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂのパイロットライン４４ａ，４４ｂ；４５ａ，４５ｂに設けられ、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧を検出する圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂと、設定器７の設定信号、角度検出器８ａ，８ｂ，８ｃ及び圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂの検出信号を入力し、フロント部材が侵入してはならない侵入禁止領域を設定すると共に、その侵入禁止領域に応じて作業範囲を制限制御するための電気信号を出力する制御ユニット９と、パイロットライン４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂにそれぞれ設置され、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧をパイロット一次圧としてこれを前記制御ユニット９から出力されたそれぞれの電気信号に応じて減圧して出力する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂとで構成されている。なお、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂでパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧を検出することは、結局は、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧を検出することになる。
【００２２】
比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは電気式減圧弁であり、図４に示すような構造を有している。図中、１５０は入力ポート、１５１は出力ポート、１５２はタンクポート、１５３はスプール、１５４は内部通路、１５５は圧力室、１５６はソレノイドであり、入力ポート１５０にパイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧がパイロット一次圧として導かれ、出力ポート１５２からのパイロット二次圧（出力圧）が流量制御弁５ａ，５ｂの油圧駆動部５０ａ，５０ｂ；５１ａ，５１ｂに与えられ、ソレノイド１５６に制御ユニット９からの電気信号が与えられる。
【００２３】
ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロの時は、ソレノイド１５６には電磁力は発生せず、内部通路１５４を介して圧力室１５５に伝えられるパイロット一次圧による付勢力Ｆｐによりスプール１５４は図示右方に移動し、出力ポート１５１をタンクポート１５２に連通し、パイロット二次圧をタンク圧にする（フルクローズ）。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値がゼロでないときは、その電流値に応じた軸方向の力Ｆｓが発生し、スプール１５３を図示左方に動かし、圧力室１５５により与えられる付勢力Ｆｐとつりあった位置でスプール１５３は止まる。このとき、出力ポート１５１とタンクポート１５２の連通は遮断され、出力ポート１５１は入力ポート１５０と絞りを介して連通し、出力ポート１５１にはその絞りに応じて減圧された圧力が発生し、これがパイロット二次圧として出力される。また、圧力室１５５にはその出力ポート１５１の減圧された圧力（パイロット二次圧）が内部通路１５４を介して導かれ、付勢力Ｆｐはパイロット二次圧に応じた値となっている。そして、ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が増加し、軸方向の力Ｆｓが大きくなると、それに応じてスプール１５３は図示左方に動かされ、スプール１５３の絞りは弱くなって減圧の程度は小さくなり、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は増加する。ソレノイド１５６に与えられる電気信号の電流値が最大になると、スプール１５３は絞りが全く働かない位置まで動かされ（フルオープン）、出力ポート１５１に発生する圧力（パイロット二次圧）は入力ポート１５０の圧力（パイロット一次圧）と同じになる。
【００２４】
設定器７は、操作パネルあるいはグッリプ上に設けられたスイッチ等の操作手段により設定信号を制御ユニット９に出力し侵入禁止領域の設定を指示するもので、操作パネル上には表示装置等、他の補助手段があってもよい。また、ＩＣカードによる方法、バーコードによる方法、レーザによる方法、無線通信による方法等、他の方法を用いてもよい。
【００２５】
制御ユニット９は図５に示すような制御機能を有している。すなわち、制御ユニット９は、侵入禁止領域演算部９ａ、フロント姿勢演算部９ｂ、制限値記憶メモリ９ｃ、減速制御演算部９ｄ、最大シリンダ速度演算部９ｅ、最大パイロット圧演算部９ｆ、バルブ指令演算部９ｇ、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈ、パイロット圧演算部９ｉ、バルブ指令演算部９ｊ、最小値判定演算部９ｋ、電流出力部９ｍの各機能を有している。
【００２６】
侵入禁止領域演算部９ａでは、設定器７からの指示でフロント部材が侵入してはならない領域（侵入禁止領域）の設定演算を行う。その一例を図６を用いて説明する。
【００２７】
図６において、フロント装置１Ａには予め所定箇所に複数のモニターポイントＰ１〜Ｐ５が設定されており、オペレータの操作でフロント装置１Ａを制限したい高さまでもってゆき、設定器７からの指示でそのときの各モニターポイントＰ１〜Ｐ５の高さＰ１ｚ〜Ｐ５ｚを計算し、最も高い値を侵入禁止領域の境界の設定値とする。ここで、Ｐ１ｚ〜Ｐ５ｚの値はフロント姿勢演算部９ｂにて計算される。
【００２８】
フロント姿勢演算部９ｂでは、角度検出器８ａ〜８ｃで検出したブーム、アーム、バケットの回動角と、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶した図６に示すようなフロント装置１Ａ及び車体１Ｂの各部寸法ＬＡ１，ＬＡ２，ＬＡ３，ＬＢ１，ＬＢ２，ＬＢ３，ＬＶ１，ＬＶ２，ＬＶ３等のデータとを用いてフロント装置１Ａの位置と姿勢を計算する。このとき、位置と姿勢は例えばブーム１ａの回動支点を原点としたＸＺ座標系の座標値として求める。ＸＺ座標系は本体１Ｂに固定した垂直面内にある直交座標系である。
【００２９】
ここで、侵入禁止領域演算部９ａでの設定演算を行うとき、フロント姿勢演算部９ｂは、各モニターポイントＰ１〜Ｐ５の値をＸＺ座標系のＺ座標値として計算し、そのうちの最も大きな値を侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）とする。侵入禁止領域演算部９ａで計算されたこの侵入禁止領域の境界の設定値（Ｚ座標値＝Ｐｃｚ）は制限値記憶メモリ９ｃに記憶しておく。
【００３０】
また、フロント姿勢演算部９ｂでは、上限制御による作業中にも各モニターポイントＰ１〜Ｐ５の位置を計算している。本実施形態では上限制御を行う際のモニターポイントはＰ１，Ｐ２，Ｐ５の３点とする。モニターポイントＰ１はブーム１ａの曲がり部の頂点であり、モニターポイントＰ２はアーム１ｂの後端の上方端部であり、モニターポイントＰ５はバケット１ｃの回動中心（バケットピン）を中心にした半径ＬＶ１（バケットピンからバケット先端までの距離）の円の最高点である。このときも、各モニターポイントの位置はＸＺ座標系の値として求め、各モニターポイントの高さはＸＺ座標系のＺ座標値として計算される。
【００３１】
ここで、フロント姿勢演算部９ｂで計算されるモニターポイントＰ１〜Ｐ５のＺ座標値は、回動角α，β，γから記憶装置に記憶した図６に示される各部寸法を用いて下記の式により求まる。
【００３２】
【００３３】
まず、モニターポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ５のＺ座標値をＰ１ｚ，Ｐ２ｚ，Ｐ５ｚを比較し、最も大きいＺ座標値と侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとの差を計算し、最も高い位置にあるモニターポイントと侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算する。図６ではモニターポイントＰ２が最も高い位置にあるとして距離ＬMが計算されている。次いで、この距離ＬMと減速距離ＬUとを比較し、ＬM＞ＬUであれば最も高い位置にあるモニターポイントがまだ減速領域に入っていないので、減速指令信号ＫBU1，ＫBD1，ＫAU1，ＫAD1は全て１にする。ＬM≦ＬUであれば最も高い位置にあるモニターポイントが減速領域に入っていると判断し、下記の減速関数から減速指令信号ＫBU1，ＫBD1，ＫAU1，ＫAD1を演算する。
【００３４】
ＫBU1＝ＬM／ＬU
ＫBD1＝１
ＫAU1＝ＬM／ＬU
ＫAD1＝ＬM／ＬU
上記の減速関数を図８に示す。この図から分かるように、ブームシリンダ３ａの伸び方向に対する減速指令信号ＫBD1の減速関数、アームシリンダ３ｂの伸び後行及び縮み方向に対する減速指令信号ＫAU1，ＫAD1の減速関数は、減速距離ＬU以下で距離ＬMが小さくなるにしたがって減速指令信号が１から０まで直線的に小さくなるように設定されている。
【００３５】
最大シリンダ速度演算部９ｅでは、予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいたブームシリンダ３ａの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶBUmax，ＶBDmaxとアームシリンダ３ｂの伸び方向及び縮み方向の最大シリンダ速度ＶAUmax，ＶADmaxと、上記で計算した減速指令信号ＫBU1，ＫBD1及びＫAU1，ＫAD1よりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxcとアームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大シリンダ速度ＶAUmaxc，ＶADmaxcを演算する。この演算式を以下に示す。
【００３６】
ＶBUmaxc＝ＫBU1×ＶBUmax
ＶBDmaxc＝ＫBD1×ＶBDmax
ＶAUmaxc＝ＫAU1×ＶAUmax
ＶADmaxc＝ＫAD1×ＶADmax
最大パイロット圧演算部９ｆでは最大シリンダ速度演算部９ｅで演算した減速最大シリンダ速度ＶBUmaxc，ＶBDmaxc，ＶAUmaxc，ＶADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図９の（ａ），（ｂ），（ｃ）及び（ｄ）に示すようなパイロット圧とシリンダ速度のテーブルよりブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作の減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxcと、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の減速最大パイッロト圧ＰAUmaxc，ＰADmaxcを演算する。
【００３７】
バルブ指令演算部９ｇでは最大パイロット圧演算部９ｆで演算したＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcと予め制御ユニット９の記憶装置に記憶しておいた図１０に示すようなパイロット圧と電流値のテーブルより、ブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の速度を規定する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1を演算する。
【００３８】
一方、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈでは、減速制御演算部９ｄで計算した減速指令信号ＫBU1，ＫAU1，ＫAD1の各値、すなわちＬM／ＬUが予め制御ユニット９の記憶部に記憶しておいた係数Ｋｔｒ以下であるかどうかを判定し、ＬM／ＬUがＫｔｒ以下であるならば比例電磁弁の「スプールの付着現象」を防止するためのパイロット一次圧追従制御（後述）を行うと判定し、Ｋｔｒより大きいときは当該制御を行わないと判定する。
【００３９】
ここで、Ｋｔｒはフロント装置１Ａが侵入禁止領域の境界にどのくらい近づいたらパイロット一次圧追従制御を開始するを決めるための係数であり、Ｋｔｒが１より大きいときはモニターポイントが減速領域に達していない状態でパイロット一次圧追従制御を開始し、Ｋｔｒが１以下ではモニターポイントが減速領域に達した状態でパイロット一次圧追従制御を開始することになる。ここで、Ｋｔｒが１よりあまり大き過ぎると、モニターポイントが減速領域に達する可能性がないのにパイロット一次圧追従制御が開始されてしまい、比例電磁弁が不必要に絞られ通常の作業に支障を生じることがある（後述）。また、Ｋｔｒが１より小さすぎ、０に近くなると、侵入禁止領域の境界の直前でパイロット一次圧追従制御が開始され、当該制御が有効に働かなくなる場合がある。Ｋｔｒはそれらの兼ね合いで決められ、通常はモニターポイントが減速領域に達すると同時に開始することが好ましいことから、Ｋｔｒ＝１又は１付近の値に設定される。以下において、本実施形態ではＫｔｒ＝１に設定したものとして説明する。
【００４０】
パイロット圧演算部９ｉでは、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈで、ＬM／ＬU≦Ｋｔｒでパイロット一次圧追従制御を開始すると判定されると、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂで検出した比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧（パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧）をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行い、ＬM／ＬU＞Ｋｔｒでパイロット一次圧追従制御を開始しないと判定されると、制御ユニット９の記憶装置に予め記憶したおいてパイロットポンプ４３のパイロット元圧、すなわち操作パイロット圧として供給され得る最大圧力をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行う。
【００４１】
バルブ指令演算部９ｊでは、バルブ指令演算部９ｇと同様に、図１０に示すパイロット圧と電流値のテーブルより、パイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADを得るための比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2を演算する。
【００４２】
最小値判定演算部９ｋでは、ブームシリンダ３ａの伸び、縮み動作、アームシリンダ３ｂの伸び、縮み動作の速度を規定する比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに対する出力用の指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADを以下の式に従って決定する。
【００４３】
ｉBU＝ｍｉｎ（ｉBU1，ｉBU2）
ｉBD＝ｍｉｎ（ｉBD1，ｉBD2）
ｉAU＝ｍｉｎ（ｉAU1，ｉAU2）
ｉAD＝ｍｉｎ（ｉAD1，ｉAD2）
なお、第１指令電流値と第２指令電流値が等しい（ｉBU1＝ｉBU2，ｉBD1＝ｉBD2，ｉAU1＝ｉAU2，ｉAD1＝ｉAD2）ときはそのいずれか一方、例えば第１指令電流値を出力用の指令電流値にするものとして予め決めておく。
【００４４】
電流出力部９ｍでは、ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADに応じた電流値を電気信号として比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂに出力する。
【００４５】
ここで、減速制御演算部９ｄで計算される減速指令信号がＫBD＝１、ＫBU＝１、ＫAD＝１、ＫAU＝１のときに最大パイロット圧演算部９ｆで演算される減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcは操作パイロット圧の最大圧力（パイロットポンプ元圧）に設定されており、減速制御演算部９ｄでパイロット一次圧追従制御をしないと判定されたときにパイロット圧演算部９ｉで計算されるパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADと同じである。このため、ＫBD＝１、ＫBU＝１、ＫAD＝１、ＫAU＝１のときの第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1とパイロット一次圧追従制御をしないと判定されたときの第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2とは等しい。また、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcをパイロット圧の最大圧力にするときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンにする電流値である。
【００４６】
一方、ＫBD＝０、ＫBU＝０、ＫAD＝０、ＫAU＝０のときは減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcを０にすることであり、このときの指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADは比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルクローズにする電流値である。
【００４７】
以上の制御の流れを図１１及び図１２にフローチャートとして示す。
【００４８】
図１１において、手順４００，４１０はフロント姿勢演算部９ｂに相当し、手順２００，５００〜５３０は減速制御演算部９ｄに相当し、手順５４０は最大シリンダ速度演算部９ｅに相当し、手順６００〜６２０は最大パイロット圧演算部９ｆに相当し、手順７００はバルブ指令演算部９ｇに相当する。また、図１２において、手順８００はパイロット一次圧追従判定演算部９ｈに相当し、手順９００〜９２０はパイロット圧演算部９ｉに相当し、手順１０００はバルブ指令演算部９ｊに相当し、手順１１００は最小値判定演算部９ｋに相当し、手順１２００，１２１０は電流出力部９ｍに相当する。なお、図１１において、手順３００〜３２０は安全のための初期設定である。
【００４９】
また、以上において、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ又は１１ａ，１１ｂはパイロット操作装置４ａ，４ｂとこれに対応する流量制御弁５ａ又は５ｂとの間に設けられ、パイロット操作装置４ａ又は４ｂから出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁を構成し、圧力検出器６０ａ，６０ｂ又は６１ａ，６１ｂは電気式減圧弁１０ａ，１０ｂ又は１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧を検出する検出手段を構成し、制御ユニットの９のパイロット一次圧追従判定演算部９ｈ、パイロット圧演算部９ｉ、バルブ指令演算部９ｊはモニターポイントがフロント装置を減速させる減速領域へ到達する際に電気式減圧弁へ出力する指令電流値を検出手段で検出されたパイロット一次圧に追従させる出力補正手段を構成する。
【００５１】
次に、以上のように構成した本実施例の動作を説明する。フロント装置１Ａを上方に動かそうとしてオペレータがブーム用及びアーム用のパイロット操作装置４ａ，４ｂの操作レバーをそれぞれブーム上げ方向及びアームダンプ方向に操作すると、ブーム上げ側のパイロットライン４４ａ及びアームダンプ側のパイロットライン４５ｂに操作パイロット圧が生成され、油圧制御弁５ａ，５ｂが駆動され、フロント部材であるブーム１ａ及びアーム１ｂが動かされる。ブーム１ａ、アーム１ｂ及びバケット１ｃの各関節角は位置検出手段である角度検出器８ａ〜８ｃにより検出され、その検出信号が制御ユニット９のフロント姿勢演算部９ｂに入力される。フロント姿勢演算部９ｂではこの入力信号によりモニターポイントＰ１〜Ｐ５の位置を演算し、減速制御演算部９ｄでは、フロント姿勢演算部９ｂで計算されたモニターポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ５のＺ座標値Ｐ１ｚ，Ｐ２ｚ，Ｐ５ｚのうち最も大きいＺ座標値と制限値記憶メモリ９ｃに記憶した侵入禁止領域の境界の設定値Ｐｃｚとの差から、最も高い位置にあるモニターポイント、例えばモニターポイントＰ２と侵入禁止領域の境界との間の距離ＬMを計算し、更にこの距離ＬMと減速距離ＬUとを比較して最も高い位置にあるモニターポイントＰ２が減速領域に入っているか判断する。
【００５２】
このとき、フロント装置１Ａがまだ高く上がっておらず、モニターポイントＰ２が侵入禁止領域から遠いときは、ＬM＞ＬUであるので、減速制御演算部９ｄではモニターポイントＰ２が減速領域に入っていないと判断し、ＫBU1＝１，ＫBD1＝１，ＫAU1＝１，ＫAD1＝１の減速指令信号を生成する。
【００５３】
一方、このとき、パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧は（比例電磁弁１０ａ，１１ｂのパイロット一次圧）は圧力検出器６０ａ，６１ｂにより検出され、その検出信号が制御ユニット９のパイロット圧演算部９ｊに入力される。また、制御ユニット９において、パイロット一次圧追従判定演算部９ｈは、減速制御演算部９ｄで計算したＬM／ＬUがＫｔｒ（＝１）以下であるかどうかでパイロット一次圧追従制御を行うかどうかを判定する。今は、ＬM＞ＬUであるのでＬM／ＬU＞１であるので、ＬM／ＬUはＫｔｒより大きく、パイロット一次圧追従制御を行わないと判定し、パイロット圧演算部９ｉでは、操作パイロット圧の最大圧力をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行い、バルブ指令演算部９ｇ，９ｊでは第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1及び第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2がそれぞれ同じ値として計算され、最小値判定演算部９ｋではそれらの一方、例えば第１指令電流値が選択されて指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADとなり、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂをフルオープンする。これによりブーム用の油圧制御弁５ａ及びアーム用の油圧制御弁５ｂにはパイロット操作装置４ａ，４ｂで生成された操作パイロット圧が比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂで大きな抵抗を受けることなくそのまま伝達され、フロント装置１Ａをオペレータの操作通りに動かすことができる。
【００５４】
フロント装置１Ａが上がり、最も高い位置にあるモニターポイントＰ２が減速領域に到達すると、減速制御演算部９ｄではＬM≦ＬUとなるのでモニターポイントＰ２が減速領域に入ったと判断され、距離ＬMに従って図８に示す減速関数から１より小さい減速指令信号ＫBU1，ＫAU1，ＫAD1が生成される。
【００５５】
一方、制御ユニット９のパイロット一次圧追従判定演算部９ｈでは、ＬM／ＬU≦１となってＬM／ＬUはＫｔｒ以下で、パイロット一次圧追従制御を行うと判定され、パイロット圧演算部９ｉでは、圧力検出器６０ａ，６０ｂ；６１ａ，６１ｂで検出した比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧（パイロット操作装置４ａ，４ｂから出力された操作パイロット圧）をパイロット圧ＰBU，ＰBD，ＰAU，ＰADとする演算を行う。そして、最小値判定演算部９ｋでは、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧が最大パイロット圧演算部９ｆで計算された減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcより小さい間は、当該パイロット一次圧に相当する第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2を出力用の指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADとし、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcが比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧より小さくなると、第１指令電流値ｉBU1，ｉBD1，ｉAU1，ｉAD1を出力用の指令電流値ｉBU，ｉBD，ｉAU，ｉADとする。
【００５６】
このため、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂのパイロット一次圧が減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰBDmaxc，ＰAUmaxc，ＰADmaxcより小さい間は、比例電磁弁１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂは当該パイロット一次圧と同じパイロット二次圧が得られるよう絞られる。本願明細書ではこのことを「パイロット一次圧追従制御」という。このようなパイロット一次圧追従制御により、ブーム用の油圧制御弁５ａ及びアーム用の油圧制御弁５ｂにはパイロット操作装置４ａ，４ｂで生成された操作パイロット圧がほぼそのまま伝達される。
【００５７】
そして、減速最大パイロット圧ＰBUmaxc，ＰADmaxcが比例電磁弁１０ａ，１１ｂのパイロット一次圧より小さくなると、比例電磁弁１０ａ，１１ｂは減速制御の第１減速指令信号ｉBU1，ｉAD1に応じて絞られ、ブーム上げとアームダンプの動作速度が減じられる。また、このように減速制御に移行するとき、その前までは上記のようにパイロット一次圧追従制御の第２指令電流値ｉBU2，ｉBD2，ｉAU2，ｉAD2により比例電磁弁１０ａ，１１ｂは絞られているので、比例電磁弁の「スプールの付着現象」に影響されずに、滑らかにブーム上げとアームダンプの動作速度を減じることができる。
【００５８】
フロント装置１Ａが更に上昇し、モニターポイントＰ２が侵入禁止領域に到達すると、減速制御演算部９ｄでＫBU＝０，ＫAU＝０，ＫAD＝０の減速指令信号が生成され、比例電磁弁１０ａ，１１ａ，１１ｂをフルクローズし、ブーム及びアームを停止させる。これによりフロント装置１Ａが停止する。
【００５９】
比例電磁弁の「スプールの付着現象」及び「パイロット一次圧追従制御」によりその影響が回避される様子を図１３により更に説明する。図１３（ａ）は本発明のパイロット一次圧追従制御を行わなかった場合であり、図１３（ｂ）パイロット一次圧追従制御を行った場合である。
【００６０】
図１３（ａ）において、パイロット操作装置から出力された操作パイロット圧（比例電磁弁のパイロット一次圧）が最大パイロット圧より小さい場合には、距離ＬMがＬU以下となり減速制御に移行するとき、比例電磁弁のパイロット一次圧に対して減速制御の指令電流値（バルブ指令演算部９ｇの指令電流値）が大き過ぎる期間が発生する。この間、本発明のパイロット一次圧追従制御を行わない場合は、比例電磁弁に対する出力用の指令電流値の圧力換算値がパイロット一次圧より大きくなり、比例電磁弁のスプール１５３（図４参照）がソレノイド１５６（同）とは反対の面に強く押し付けられる状態となり、指令電流値の圧力換算値がパイロット一次圧より小さくなり、減圧し始めようとしても、すぐにはスプール１５３は移動せず、一瞬動きが悪くなってしまう。すなわち、「スプールの付着現象」が生じる。この現象が起こると、いくら電流値を低くして減圧しようとしても、図１３（ａ）にＸで示すように一瞬減圧が遅れ、減速制御の開始が遅れ、見かけ上、減速距離が短くなったことと同じことになり、このため場合によってはアクチュエータが停止するときに大きな衝撃が生じ、オペレータに不快感を与えることになる。また、バケットに荷を積んでいる場合には、積み荷をこぼしてしまう可能性がある。
【００６１】
これに対して、本発明では、図１３（ｂ）に示すように、比例電磁弁のパイロット一次圧に対して減速制御の指令電流値（バルブ指令演算部９ｇの指令電流値）が大き過ぎる間、当該パイロット一次圧に相当する第２指令電流値（バルブ指令演算部９ｊの指令電流値）が計算されてこの第２指令電流値が比例電磁弁に出力されるので、比例電磁弁に対する出力用の指令電流値の圧力換算値はパイロット一次圧とほぼ同じとなり、パイロット一次圧に対して指令電流値が大きくなり過ぎることがなく、「スプールの付着現象」の影響が緩和される。したがって、比例電磁弁による減圧動作がスムーズに行われ、アクチュエータを滑らかに停止させることができる。
【００６２】
また、モニターポイントと侵入禁止領域との距離ＬMがＫｔｒで決まる所定値（本実施形態ではＫｔｒ＝１で、ＬM＝減速距離ＬU）以下になる前は、最大パイロット圧に相当する第１指令電流値又は第２指令電流値が出力されるので、比例電磁弁はフルオープンされ、パイロット操作装置で生成された操作パイロット圧は比例電磁弁でほとんど抵抗を受けることなく油圧制御弁に伝えられ、比例電磁弁がないかのようにフロント装置を動かすことができる。
【００６３】
以上のように本実施形態によれば、モニターポイントが侵入禁止領域に近づくと徐々にフロント装置の動作速度が減じられ、侵入禁止領域直前でフロント装置の動作速度がゼロになるので、フロント部材が侵入禁止領域に侵入することがない。
【００６４】
また、モニターポイントと侵入禁止領域との距離に応じて計算された減速制御の第１指令電流値と、比例電磁弁のパイロット一次圧に相当する第２指令電流値の小さい方を選択して出力するので、減速制御を行う際、比例電磁弁のパイロット一次圧に対して電流値が大きくなり過ぎることがなく、「スプールの付着現象」の影響が緩和される。したがって、比例電磁弁による減圧動作がスムーズに行われ、アクチュエータを滑らかに停止させることができる。このため、停止時の衝撃によりオペレータに不快感を与えない。また、荷こぼれも防ぐことができる。
【００６５】
更に、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が減速距離ＬU以下になる前は、比例電磁弁はフルオープンになるので、比例電磁弁がないかのようにフロント装置を動かすことができる。
【００６６】
なお、本発明の作業範囲制限制御装置は上述の実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。一例としてはフロント装置１Ａの位置と姿勢に関する状態量を検出する手段として回動角を検出する角度計を用いたが、シリンダのストロークを検出してもよい。また、侵入禁止領域を上方に設定した場合について説明したが、下方、前方に設定した場合についても同様である。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、電気式減圧弁の「スプールの付着現象」の影響を緩和することができるので、アクチュエータをスムーズに停止させることができ、停止時の衝撃によりオペレータに不快感を与えない。また、荷こぼれも防ぐことができる。
【００６８】
また、本発明によれば、モニターポイントと侵入禁止領域との距離が所定値以下になる前は、比例電磁弁がないかのようにフロント装置を動かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による建設機械の作業範囲制限制御装置を油圧駆動装置と共に示す図である。
【図２】本発明が適用される油圧ショベルの外観を示す図である。
【図３】油圧パイロット方式の操作レバー装置の構成を示す図である。
【図４】比例電磁弁の構造を示す図である。
【図５】本実施形態の制御ユニットの制御機能を示す機能ブロック図である。
【図６】本実施形態の作業範囲制限制御で用いる座標系と領域の設定方法を示す図である。
【図７】本実施形態の作業範囲制限制御における侵入禁止領域と減速領域を示す図である。
【図８】減速制御演算におけるモニターポイントと侵入禁止領域との距離に対する減速指令信号の関係を示す図である。
【図９】最大パイロット圧演算部におけるパイロット圧とシリンダ速度の関係を示す図である。
【図１０】バルブ指令演算部におけるパイロット圧と比例電磁弁に出力する電流値との関係を示す図である。
【図１１】制御ユニットの処理内容を示すフローチャートである。
【図１２】制御ユニットの処理内容を示すフローチャートである。
【図１３】図１３（ａ）は減速制御するときの「スプールの付着現象」の影響を示す図であり、図１３（ｂ）は本発明により減速制御するときの「スプールの付着現象」の影響の緩和を示す図である。
【符号の説明】
１Ａ フロント装置
１Ｂ 車体
１ａ ブーム
１ｂ アーム
１ｃ バケット
２ 油圧ポンプ
３ａ ブームシリンダ
３ｂ アームシリンダ
４ａ〜４ｆ 操作レバー装置
５ａ〜５ｆ 流量制御弁
７ 設定器
８ａ〜８ｃ 角度検出器（位置検出手段）
９ 制御ユニット
９ａ 侵入禁止領域演算部
９ｂ フロント姿勢演算部
９ｃ 制限値記憶メモリ
９ｄ 減速制御演算部
９ｅ 最大シリンダ速度演算部
９ｆ 最大パイロット圧演算部
９ｇ バルブ指令演算部
９ｈ パイロット一次圧追従判定演算部
９ｉ パイロット圧演算部
９ｊ バルブ指令演算部
９ｋ 最小値判定演算部
９ｍ 電流出力部
１０ａ〜１１ｂ 比例電磁弁（電気式減圧弁）
５０ａ〜５５ｂ 油圧駆動部
６０ａ，６０ｂ，６１ａ，６１ｂ 圧力検出器
Claims (2)
- 上下方向に回動可能な複数のフロント部材により構成される多関節型のフロント装置と、前記複数のフロント部材を駆動する複数の油圧アクチュエータと、前記複数のフロント部材の動作を指示する操作装置から出力される操作パイロット圧により駆動され、前記複数の油圧アクチュエータに供給される圧油の流量を制御する複数の流量制御弁と、前記操作装置とこれに対応する少なくとも１つの前記流量制御弁との間に設けられ、前記操作装置から出力された操作パイロット圧を減圧して出力する電気式減圧弁とを備え、前記フロント装置に関して予め設定したモニターポイントと予め設定した侵入禁止領域との距離に応じて指令電流値を計算し前記電気式減圧弁に出力して、前記モニターポイントが前記侵入禁止領域に近づくと前記フロント装置を減速させ、前記侵入禁止領域に到達すると前記フロント装置を停止させる制御を行う建設機械の作業範囲制限制御装置において、
前記電気式減圧弁のパイロット一次圧を検出する検出手段を前記操作装置と前記電気式減圧弁との間に設け、前記モニターポイントが前記フロント装置を減速させる減速領域へ到達する際に前記電気式減圧弁へ出力する指令電流値を前記検出手段で検出されたパイロット一次圧に追従させる出力補正手段を備えたことを特徴とする建設機械の作業範囲制限制御装置。 - 請求項１記載の建設機械の作業範囲制限制御装置において、前記出力補正手段は、前記モニタポイントと侵入禁止領域の距離に応じて設定されその距離が小さくなるに従って小さくなるように出力される第１指令電流値と、前記検出手段で検出されたパイロット一次圧に相当する第２指令電流値とのうち小さい方の電流値を前記電気式減圧弁に出力することにより前記指令電流値を前記パイロット一次圧に追従させることを特徴とする建設機械の作業範囲制限制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25780695A JP3664780B2 (ja) | 1995-10-04 | 1995-10-04 | 建設機械の作業範囲制限制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25780695A JP3664780B2 (ja) | 1995-10-04 | 1995-10-04 | 建設機械の作業範囲制限制御装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0995967A JPH0995967A (ja) | 1997-04-08 |
| JP3664780B2 true JP3664780B2 (ja) | 2005-06-29 |
Family
ID=17311378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25780695A Expired - Fee Related JP3664780B2 (ja) | 1995-10-04 | 1995-10-04 | 建設機械の作業範囲制限制御装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3664780B2 (ja) |
-
1995
- 1995-10-04 JP JP25780695A patent/JP3664780B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0995967A (ja) | 1997-04-08 |
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