JP4779732B2 - 旋回式作業機械 - Google Patents

Description

本発明は電動機によって旋回体を旋回駆動する旋回式作業機械に関するものである。

ショベルを例にとって説明する。

ショベルは、図５に示すようにクローラ式の下部走行体１上に上部旋回体２が縦軸まわりに旋回自在に搭載され、この上部旋回体２に作業装置としての作業アタッチメント３が装着されて構成される。

作業アタッチメント３は、起伏自在なブーム４と、このブーム４の先端に水平軸まわりに回動自在に取付けられたアーム５と、このアーム５の先端に水平軸まわりに回動自在に取付けられたバケット６と、これらを作動させるブーム、アーム、バケット各シリンダ７,８,９とによって構成され、アーム５を機械側に引くアーム引き操作を伴う掘削動作や、アーム５を反対側に押すアーム押し操作を伴うダンプ動作等を行う。

このショベルにおいて、一般的には、旋回駆動源として油圧モータを用い、この油圧モータに対する油の供給方向と流量を変えることによって上部旋回体２の旋回方向と旋回速度をコントロールする油圧駆動方式がとられている。

一方、旋回駆動源として電動機を用い、この電動機の回転方向と速度を変えることによって上部旋回体２の旋回方向と旋回速度をコントロールする電動機駆動方式が公知である(特許文献１参照)。

この油圧駆動、電動機駆動両方式のいずれにおいても、電磁ブレーキ等のメカニカルブレーキを設け、このメカニカルブレーキを、基本的には旋回操作時には解除し、非旋回操作時に作動させることによって上部旋回体２を停止状態に保持する構成をとっている。

この場合、油圧駆動方式では、油圧モータ回路に設けられたコントロールバルブによって油圧ブレーキが働き、この油圧ブレーキ力とメカニカルブレーキ力の和によって上部旋回体２が停止状態に保持される。

これに対して電動機駆動方式では、非旋回操作時には省エネルギーの観点から旋回電動機に通電せず、メカニカルブレーキを作動させることによって上部旋回体２を停止保持する構成がとられる(特許文献２参照)。

従って、油圧ブレーキが働かない電動機駆動方式の場合、非旋回操作時に上部旋回体２を停止状態に保持する力はメカニカルブレーキ力のみとなる。

ところが、非旋回操作時にも上部旋回体２に旋回外力が発生する場合がある。

とくに走行操作、なかでもスピンターンやピボットターンの操作を行うと、慣性によって上部旋回体２に大きな旋回外力が発生する。

また、作業操作時、とくにアーム引き操作を伴う掘削操作時(アーム引き操作のみによる掘削操作時を含む)にも、バケットを通じて作業アタッチメント３に横方向の掘削反力が働き、これが旋回外力として上部旋回体２に作用する場合がある。

この場合、電動機駆動方式では、前記のようにメカニカルブレーキ力のみによって上部旋回体２を停止保持する構成であって、油圧駆動方式と比較して停止保持力が小さいため、旋回外力が停止保持力を超えて上部旋回体２が回ってしまい、このオペレータの意図しない自然旋回によって操作性、作業性が悪くなるという問題があった。

また、メカニカルブレーキに滑りが生じ、しかもこの滑りが高頻度で行われる掘削操作のたびに発生することから、同ブレーキの寿命が著しく低下する。あるいは同ブレーキの寿命設計を大きくせざるを得ないという問題もあった。

なお、油圧駆動方式では、掘削操作時には発生する旋回外力が比較的小さいことから、メカニカルブレーキ保護の観点から同ブレーキを解除し、油圧ブレーキ力で上部旋回体２を停止保持する構成をとっているが、油圧ブレーキが働かない電動機駆動方式においてメカニカルブレーキを解除すると、上部旋回体２が頻繁に旋回して作業性が悪くなる。

また、非旋回操作時にメカニカルブレーキを作動させる構成において、メカニカルブレーキの停止保持能力を大きくすることが考えられるが、こうすると同ブレーキが大型化してスペース、コストの面で非常に不利となるため、現実的でない。

一方、特許文献３には、旋回停止状態で掘削操作等によって旋回外力が発生した場合に、上部旋回体を停止状態に保持するための電動機制御を行う技術が開示されている。

この公知技術においては、旋回外力に対抗する力を発揮させて電動機速度が０になるように目標速度(０)と実際速度の偏差で速度フィードバック制御を行うか、位置の偏差を無くする位置フィードバック制御を行うとしている。
特開平１１−９３２１０号公報 特開２００１−１１８９７号公報 特開２００４−１１２８０５号公報

上記特許文献３には、速度フィードバック制御の具体的内容は明示されていない。

ただし、目的として、旋回電動機に、旋回外力に対抗するトルクであって旋回外力以上のトルクを発生させて同電動機の動きを止め、もし旋回外力が大きくて旋回体が動いた場合には、旋回外力が無くなった時点で電動機トルクによって原位置に戻すこと、すなわち、旋回電動機を制御開始時点の位置(その場)に保持することが明示されている。

従って、特許文献３に記載された公知技術においては、定常偏差を無くするための積分項を含むＰＩ制御を行うものと考えられる。

しかし、位置フィードバック制御やこのＰＩ制御によると、上記のように旋回外力が無くなったときに元に戻ろうとするトルクが発生し、このトルクによって上部旋回体が逆方向に動く『揺れ戻し』が生じる。

この『揺れ戻し』はオペレータの操作、意思とは無関係に起こるため、オペレータにとって操作性が悪くなり、機械周辺の作業者等にとっては危険となる。

そこで本発明は、電動機駆動方式において、旋回停止状態で旋回外力発生操作が行われたときに、油圧ブレーキに代わる停止保持力を発生させて上部旋回体の自然旋回を抑え、しかも外力が無くなったときの上部旋回体の揺れ戻しを防止することができる旋回式作業機械を提供するものである。

請求項１の発明は、下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体に取付けられた作業装置と、上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、上記下部走行体の走行動作を指令する走行操作、上記上部旋回体の旋回動作を指令する旋回操作、及び上記作業装置の作動を指令する作業操作を行うための走行、作業、旋回各操作手段と、上部旋回体を停止状態に保持するメカニカルブレーキとを備えた旋回式作業機械において、旋回操作以外の操作であって上部旋回体に旋回外力が発生する旋回外力発生操作を検出する検出手段と、上記旋回電動機及びメカニカルブレーキの作動を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、旋回停止状態で上記旋回外力発生操作が行われたときに、上記メカニカルブレーキをブレーキ解除状態とするとともに、上記旋回電動機に対し、上部旋回体をその位置に保持する保持トルク指令として、比例定数Ｋｐを用いた、
電動機トルク指令＝Ｋｐ×(０−電動機速度の検出値)
の式で表される比例項のみの０速度制御によるトルク指令を出力するように構成されたものである。

請求項２の発明は、請求項１の構成において、検出手段は走行操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたものである。

請求項３の発明は、請求項１の構成において、検出手段は走行ターン操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたものである。

請求項４の発明は、請求項１の構成において、検出手段は作業操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたものである。

請求項５の発明は、請求項４の構成において、起伏自在なブームの先端にアーム、このアームの先端にバケットがそれぞれ回動自在に取付けられて作業装置としての作業アタッチメントが構成され、検出手段はこの作業アタッチメントのアーム引き操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたものである。

本発明によると、旋回外力発生操作(請求項２では走行操作、請求項３では走行ターン操作、請求項４,５では作業操作)を検出し、旋回停止状態でこの旋回外力発生操作が行われたときに、制御手段により、メカニカルブレーキを解除するとともに、旋回電動機に保持トルクを発生させる構成としたから、旋回外力発生操作時に、メカニカルブレーキを保護しながら上部旋回体を停止状態に保持することができる。

この場合、メカニカルブレーキを解除し、保持トルのみによって停止保持作用を行うため、メカニカルブレーキの負担をさらに軽くし、同ブレーキの寿命を向上させることができる。

また本発明によると、上記制御は旋回外力が発生する操作時のみに行い、他の操作時には電動機に対して非通電状態を保つため、省エネルギー効果を維持することができる。とくに、請求項２〜５の発明では旋回外力が発生し易い走行操作時、掘削操作時のみに上記制御を行うため、この点の効果が大きい。

ところで、電動機を速度フィードバックループによって制御する場合、通常、特許文献３に記載されているように定常偏差を無くするための積分項を入れたＰＩ(比例積分)制御が採用される。

このＰＩ制御によると、速度０を目標とした場合、電動機トルク指令は次式となる。

電動機トルク指令＝Ｋｐ×(０−電動機速度(検出値))＋ＫｉΣ(０−電動機速度)
Ｋｐは比例定数、Ｋｉは積分定数、Σは過去の偏差の蓄積分である。

このＰＩ制御では、図４に示すように、外力トルクが作用すると、それ以上の電動機トルクを発生させて電動機の動きを止めようとするため、速度偏差のない状態(０速度状態)を実現できるメリットがある。

これは、最初に外力によって動かされたことによってΣ(０−電動機速度)の値が増加することによるもので、外力があり、かつ、速度偏差のない状態では、
外力トルク＝Ｋｉ×Σ(０−電動機速度)
の関係が成り立っている。

ところが、ここから外力が無くなっても、上記Ｋｉ×(０−電動機速度)により、図４中の丸囲い部分に示すように電動機トルクが残り、この残りトルクによって電動機が逆方向に加速してしまう。この動きは、電動機が逆方向に動くことでΣ(０−電動機速度)が０になるまで継続する。

つまり、たとえば図５のショベルにおいて、外力が無くなったときに上部旋回体２の『揺れ戻し』の動きが発生する。

この場合、電動機と上部旋回体２との間には旋回用減速機構(歯車機構)があり、この両者間の速比が大きいため、上部旋回体２の『揺れ戻し』は実際にはわずかであるが、この動きはオペレータの操作、意思とは無関係に起こるため、操作性の点で好ましくないだけでなく、機械周辺の作業者が機械の停止と同時に接近したときに、上記揺れ戻しによってバケット６と接触する等、危険となる。

これに対し、本発明によると、ＰＩ制御ではなく、比例項のみの０速度制御を行うため、上記の問題を解消することができる。

すなわち、比例項のみの０速度制御によると、比例定数をＫｐとして、
電動機トルク指令＝Kｐ×(０−電動機速度の検出値)…式(１)
となり、外力が作用した場合、図３に示すように外力とバランスする電動機トルクが発生するが、これによって電動機の動きを止めるまでには至らず、外力が無くなると同時に電動機トルクも無くなる(ＰＩ制御の場合のトルク残りが発生しない)。

従って、電動機は外力が作用している間、ごくわずかずつ回り続け、外力が無くなった時点でそのときの位置に停止する。つまり、ＰＩ制御の場合のようなオペレータが意図しない上部旋回体の『揺れ戻し』は発生しない。

なお、停止するまでの旋回角は、前述したように速比が大きいゆえ極々小さな値となり実用上何ら問題は無い。

これにより、操作性及び安全性を重視した制御を行うことができる。

実施形態ではショベルを適用対象として例にとっている。

図１は実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成を示す。図５を併用して説明する。

エンジン１０によって油圧ポンプ１１が駆動され、その吐出油がブーム、アーム、バケット各シリンダ７〜９、及び下部走行体１を走行駆動する左右の走行モータ１２,１３にコントロールバルブ１４(アクチュエータごとに設けられるが、ここでは一つのバルブブロックとして示す)を介して供給される。

また、エンジン１０には、増速機構１５を介して発電機１６が連結され、この発電機１６で作られた電力が、電圧及び電流を制御する制御器１７を介してバッテリ１８に蓄えられるとともに、インバータ１９を介して旋回電動機２０に加えられる。

これにより旋回電動機２０が回転し、その回転力が旋回用減速機構２１を介して上部旋回体２に伝えられて同旋回体２が左または右に旋回する。

旋回電動機２０は、旋回加速時にはインバータ制御されて発電機１６及びバッテリ１８の少なくとも一方の電力で電動機作用を行い、減速時にはインバータ制御されて発電機作用を行い、この回生発電によって生じた電力がバッテリ１８に蓄えられる。

旋回電動機２０の出力軸２０ａには、制御手段としてのコントローラ２２からのブレーキ／解除指令に基づいて作動するメカニカルブレーキ(ここでは電磁ブレーキを例示している)２３が設けられている。

このメカニカルブレーキ２３は、作動時に旋回電動機２０に機械的ブレーキ力を発生させ、上部旋回体２を停止状態に保つ働きをなす。

一方、操作手段として、ブーム、アーム、バケット各シリンダ７〜９及び左右の走行モータ１２,１３、それに旋回電動機２０のアクチュエータごとにレバー式の操作部(操作手段)２４〜２９が設けられている。以下、必要に応じてこれらをブーム操作部、アーム操作部、バケット操作部、左走行操作部、右走行操作部、旋回操作部という。

各操作部２４〜２９からの操作信号(非操作の信号を含む)は、コントローラ２２に送られ、旋回操作信号以外の操作信号に基づいてコントローラ２２からコントロールバルブ１４にそれぞれの操作方向と操作量に応じた作動指令信号が出力される。これにより、ブーム、アーム、バケット各シリンダ７〜９及び左右の走行モータ１２,１３が操作通りに作動制御される。

一方、旋回操作信号に基づいてコントローラ２２からインバータ１９に指令が出され、この指令に基づいて旋回電動機２０の加減速制御が行われる。

また、旋回電動機２０の速度(回転位置)を検出する手段としてエンコーダ３０が設けられ、このエンコーダ３０からの速度信号が他の操作信号とともにコントローラ２２に送られる。

コントローラ２２は、以上の各信号に基づき、
ａ) 旋回操作がないこと、
ｂ) アーム引き操作と走行操作の少なくとも一方、すなわち旋回外力発生操作があること
を条件として、旋回電動機２０(上部旋回体２)をその位置に保持するための０速度制御を行う。

これを図２のフローチャートを併用して説明する。

制御開始とともにステップＳ１で旋回操作無しか否かが判別され、ＮＯ(操作有り)の場合はステップＳ２でメカニカルブレーキ２３が解除されるとともに、ステップＳ３で旋回操作に応じた旋回電動機２０の制御が開始され、通常の旋回制御が行われる(ステップＳ４)。

ステップＳ１でＹＥＳ(旋回操作無し)の場合は、ステップＳ５でアーム引き操作(掘削操作)が無しか否かが判別され、無しのときはステップＳ６でさらに走行操作無しか否かが判別される。

走行操作も無い場合はステップＳ７に移り、結局、一切の操作が無いためメカニカルブレーキ２３を作動させ(ステップＳ７)、かつ、電動機制御を停止する(ステップＳ８)。

一方、ステップＳ５でＮＯ(アーム引き操作有り)の場合はステップＳ９でメカニカルブレーキ２３が解除された後、またステップＳ６でＮＯ(走行操作有り)の場合は直接、ステップＳ１０に移行し、旋回電動機２０の制御(比例項のみの０速度制御)が開始される。

この場合、エンコーダ３０で検出された電動機速度が読み込まれ(ステップＳ１１)、ステップＳ１２で前記式(１)に基づくトルクが演算されるとともにそのトルク指令が旋回電動機２０(インバータ１９)に向けて出力される。

このように、旋回停止状態で、旋回操作以外の操作であって上部旋回体２に旋回外力が発生する旋回外力発生操作、すなわち、アーム引きを伴う掘削操作と走行操作の少なくとも一方があったときに、旋回電動機２０に、上部旋回体２をその場に保持するためのトルクを発生させる構成としたから、旋回外力発生操作時にメカニカルブレーキ２３を保護しながら上部旋回体２を停止状態に保持することができる。

この場合、アーム引き操作時にはメカニカルブレーキ２３を解除するのは、走行操作時と比較して発生する旋回外力が小さく、しかも旋回外力が発生することをオペレータが想定したうえで操作を行う場合が多いことに基づく。

このブレーキ解除方式をとることにより、アーム引き操作時に必要な停止保持力を確保しながらメカニカルブレーキ２３の負担を無くすることができる。

これに対し、走行操作時にメカニカルブレーキ２３を解除しないのは、発生する旋回外力が大きく、しかも旋回することがオペレータの想定外である場合が多いことに基づく。

このブレーキ併用方式をとることにより、メカニカルブレーキ２３の負担を軽減しながら上部旋回体２を確実に停止保持することができる。

また、この旋回電動機２０の保持制御は非旋回操作時のすべてで行うのではなく、旋回外力が発生する操作時のみに行い、他の操作時には旋回電動機２０に対して非通電状態を保つため、省エネルギー効果を維持することができる。

しかも、電動機制御として、比例項のみの０速度制御、すなわち、前記のように外力が無くなったときに旋回電動機２０を元の位置に戻そうとする力が働くＰＩ制御ではなく、動いたその場に保持する制御を行うため、ＰＩ制御の場合に生じる上部旋回体の『揺れ戻し』を防止することができる。これにより、操作性及び安全性を高めることができる。

ところで、上記実施形態では走行操作時にはその内容に関係なく旋回電動機２０の保持制御を行う構成としたが、大きな旋回外力が発生し易いのはスピンターンやピボットターンといったターン操作時であるため、省エネルギー効果を高める観点から、走行操作のうちこのターン操作時のみに保持制御を行うようにしてもよい。

この場合、左右反対向きの走行操作によってスピンターンを検出し、左右片側停止、反対側走行の操作によってピボットターンを検出することができる。

一方、上記実施形態では、アーム引き操作時にはメカニカルブレーキ２３を解除し、走行操作時には同ブレーキ２３を解除しない構成としたが、両操作時ともメカニカルブレーキ２３を解除する構成をとってもよい。

また、旋回外力は、走行時及び掘削時に限らず、たとえばアーム押しを伴う作業操作時に生じる可能性がある一方で、アーム引き操作を伴う掘削操作時でも生じない可能性がある。

そこで、作業操作時及び走行操作時をすべて旋回外力発生操作ととらえる一方、この旋回外力発生操作を作業操作、アーム引きを伴う掘削操作、それ以外の作業操作、ターン操作、それ以外の走行操作等の複数の項目に分け、選択スイッチによって保持制御を行う作業項目をオペレータが任意に選択できるようにしてもよい。

本発明の実施形態にかかるショベルの駆動系及び制御系のブロック構成図である。 実施形態の作用を説明するためのフローチャートである。 比例項のみの０速度制御による外力トルク、電動機トルク、電動機速度の関係を示す図である。 ＰＩ制御による外力トルク、電動機トルク、電動機速度の関係を示す図である。 ショベルの側面図である。

１ 下部走行体
２ 上部旋回体
３ 作業アタッチメント(作業装置)
４ ブーム
５ アーム
６ バケット
２０ 旋回電動機
２２ 制御手段と検出手段を兼ねるコントローラ
２５ アーム操作手段と検出手段を兼ねるアーム操作部
２７,２８ 走行操作手段と検出手段を兼ねる左右の走行操作部
２９ 旋回操作手段と検出手段を兼ねる旋回操作部
３０ 旋回電動機の速度を検出するエンコーダ

Claims (5)

1. 下部走行体と、この下部走行体上に旋回自在に搭載された上部旋回体と、この上部旋回体に取付けられた作業装置と、上部旋回体を旋回駆動する旋回電動機と、上記下部走行体の走行動作を指令する走行操作、上記上部旋回体の旋回動作を指令する旋回操作、及び上記作業装置の作動を指令する作業操作を行うための走行、作業、旋回各操作手段と、上部旋回体を停止状態に保持するメカニカルブレーキとを備えた旋回式作業機械において、旋回操作以外の操作であって上部旋回体に旋回外力が発生する旋回外力発生操作を検出する検出手段と、上記旋回電動機及びメカニカルブレーキの作動を制御する制御手段とを具備し、この制御手段は、旋回停止状態で上記旋回外力発生操作が行われたときに、上記メカニカルブレーキをブレーキ解除状態とするとともに、上記旋回電動機に対し、上部旋回体をその位置に保持する保持トルク指令として、比例定数Ｋｐを用いた、
   電動機トルク指令＝Ｋｐ×(０−電動機速度の検出値)
   の式で表される比例項のみの０速度制御によるトルク指令を出力するように構成されたことを特徴とする旋回式作業機械。
2. 検出手段は走行操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
3. 検出手段は走行ターン操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
4. 検出手段は作業操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたことを特徴とする請求項１記載の旋回式作業機械。
5. 起伏自在なブームの先端にアーム、このアームの先端にバケットがそれぞれ回動自在に取付けられて作業装置としての作業アタッチメントが構成され、検出手段はこの作業アタッチメントのアーム引き操作を旋回外力発生操作として検出するように構成されたことを特徴とする請求項４記載の旋回式作業機械。

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