JP5511316B2

JP5511316B2 - ショベルの旋回制御装置

Info

Publication number: JP5511316B2
Application number: JP2009252243A
Authority: JP
Inventors: 公則佐野
Original assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Sumitomo SHI Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2029-11-02
Also published as: JP2011094451A

Description

本発明は、建設機械の旋回制御装置に関するものであり、特に、旋回の速度指令に加速度制限を持たせることで起動時のショックを小さくするともに該加速度制限を多段階に切換えることで作業効率の低下を抑え得るようにした建設機械の旋回制御装置に関するものである。

従来、例えば、次のような電動旋回式作業機械の旋回制御装置が知られている。この従来技術は、作業機械としてのショベルにおける上部旋回体を旋回駆動する電動機と、旋回指令を出す旋回操作レバーと、前記電動機の回転速度を旋回操作レバーの操作量に応じた目標速度に制御する旋回制御部とを備え、該旋回制御部はオペレータによって操作される旋回加速度設定手段を有し、この旋回加速度設定手段によって設定された加速度をもって前記電動機を前記目標速度に向けて速度制御するように構成されている。そして、オペレータは旋回加速度設定手段部分での操作指令により旋回加速度を、そのオペレータの意思で、オペレータが望むタイミングと大きさで設定し変更することが可能となっている。このため、例えば荷積み作業時に、二地点間の距離とオペレータが望む旋回所要時間、オペレータの好み等に応じて最適の加速度をもって旋回させることができる（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来技術として、例えば、次のような建設機械のアーム駆動用制御装置が知られている。この従来技術は、ショベルカーのアームを動かす動力として電動機を用い、この電動機の回転をインバータで制御するようにしたアーム駆動用制御装置であって、操作レバーの操作指令値を入力し該操作指令値の変化量及びその正・負の極性から加速状態か減速状態を判断する加減速判断処理部と、加速状態時用時定数と減速状態時用時定数とが各別に設定され前記加減速判断処理部の判断信号に応じて前記加速状態時用時定数又は減速状態時用時定数を選択する選択部とを備え、選択された時定数信号を前記インバータにおけるフィルタ部に出力するように構成されている。そして、アーム旋回速度の加速時と減速時の応答速度を別々に設定できるようにして、作業性、安全性を向上させるようにしている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−６８１９７号公報特開２００９−６８２４５号公報

特許文献１に記載の従来技術においては、旋回加速度をオペレータの意思で、オペレータが望むタイミングと大きさで設定し変更するようにしたものであり、旋回の速度指令（出力）に加速度制限を持たせるとともに該加速度制限を多段階に切換えるようにしたという技術とは異なるものである。

また、特許文献２に記載の従来技術においては、アーム旋回速度の加速時と減速時の応答速度を別々に設定できるようにしたものであり、上記と同様に、旋回の速度指令（出力）に加速度制限を持たせるとともに該加速度制限を多段階に切換えるようにしたという技術とは異なるものである。

そこで、旋回の速度指令に加速度制限を持たせることで、起動時のバックラッシュによるショックを小さくし、また加減速時におけるキャブの振動を抑えて乗り心地を良好にするとともに旋回機構の耐用寿命を高め、加速度制限を途中で切換え加速度を大きくすることで、旋回動作が遅くなるのを防止して作業効率の低下を抑えるとともに最高速度近くでは加速度を小さくして失速感を解消し、減速始めに加速度の絶対値を小さくし途中で加速度を大きくするように切換えることで旋回の流れを少なくするとともに停止寸前では加速度を絶対値の小さな値にすることで停止のショックと揺れ戻しが大きくなるのを解消するために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、
キャブが搭載された旋回体の旋回を電動モータで速度制御を行うようにしたショベルの旋回制御装置において、
前記旋回の電動モータでの速度指令は、オペレータが操作する操作レバーの操作量に応じて生成された旋回の速度指令によって行う制御手段を有するとともに、
前記制御手段は、
加速状態時に複数の速度増加分から前記速度指令に対応する速度増分を選択して多段に切換える加速処理系と、減速状態時に複数の速度増加分から前記速度指令に対応する速度増分を選択して多段に切換える減速処理系とを内蔵し、
前記選択された速度増分が、前記速度増分に加算、若しくは、減算されて速度指令出力を出力するショベルの旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、電動モータは油圧モータに比べて速度指令に対する応答性がよい。このような電動モータ制御の旋回体において、旋回の速度指令に加速度制限を持たせるとともに該加速度制限を多段階に切換えるようにしたことで、加減速時のショックが低減する。また、起動時には加速度を小さくし、その後、加速度を適宜に大きくするように多段階に切換えることで作業効率の低下が抑えられる。

請求項２記載の発明は、上記速度指令における加速度の制限は、上記制御手段からの速度指令出力によって切換えるようにした請求項１記載のショベルの旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、制御手段には、加減速領域が複数段設定され、この複数段の加減速領域ごとに制限すべき加速度が予め設定されている。制御手段からの速度指令出力がいずれの段の加減速領域の速度指令出力に対応するかによって、制限すべき加速度が切換えられる。

請求項３記載の発明は、上記速度指令における加速度の制限は、上記旋回体の旋回実速度によって切換えるようにした請求項１記載のショベルの旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、前記のように、制御手段には、加減速領域が複数段設定され、この複数段の加減速領域ごとに制限すべき加速度が予め設定されている。制御手段からの速度指令出力と旋回体の旋回実速度とが等しい場合において、該旋回体の旋回実速度即ち制御手段からの速度指令出力がいずれの段の加減速領域の速度指令出力に対応するかによって、制限すべき加速度が切換えられる。

請求項４記載の発明は、上記速度指令における加速度の制限の切換えに、ヒステリシスを持たせたことを特徴とする請求項１，２又は３記載のショベルの旋回制御装置を提供する。

この構成によれば、切換え時における加速度の単位時間当りの変化量が小さく抑えられて加減速時のショック等が一層低減する。

請求項１記載の発明は、加速度制限を多段階に切換えるようにしたことで、加減速時のショックが低減し、キャブの振動が抑えられて乗り心地が良好になるとともに旋回機構の耐用寿命を高めることができる。また旋回動作が過度に遅くなるのが防止されて作業効率の低下を抑えることができ、最高速度近くでは加速度を小さくすることで失速感を解消することができる。さらに、減速始めには加速度の絶対値を小さくし途中で加速度を大きくするように切換えることで旋回の流れを少なくすることができるとともに停止寸前では加速度を絶対値の小さな値にすることで停止のショックと揺れ戻しが大きくなるのを解消することができるという利点がある。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加えてさらに、制限すべき加速度を確実かつ、容易に切換えることができるという利点がある。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の効果に加えてさらに、制御手段からの速度指令出力と旋回体の旋回実速度とが等しい場合において、制限すべき加速度を確実に切換えることができるという利点がある。

請求項４記載の発明は、切換え時における加速度の単位時間当りの変化量を小さく抑えることができて加減速時のショック等を一層低減することができるという利点がある。

図は本発明の実施例に係る建設機械の旋回制御装置を示すものである。
コントローラのブロック図。旋回体の加減速制御時に加速度制限が多段階に切換えられた速度指令出力の波形例を示す図。コントローラによる旋回体の加減速制御例を説明するためのフローチャート。速度指令入力に伴う基本的な速度指令出力を説明するための図であり、（ａ）はステップ状に操作された操作レバーによる速度指令入力例を示す波形図、（ｂ）は加速度制限が多段階に切換えられた速度指令出力例を示す波形図。

本発明は、旋回の速度指令に加速度制限を持たせることで、起動時のバックラッシュによるショックを小さくし、また加減速時におけるキャブの振動を抑えて乗り心地を良好にするとともに旋回機構の耐用寿命を高め、加速度制限を途中で切換え加速度を大きくすることで、旋回作業が遅くなるのを防止して作業効率の低下を抑えるとともに最高速度近くでは加速度を小さくして失速感を解消し、減速始めに加速度の絶対値を小さくし途中で加速度を大きくするょうに切替えることで旋回の流れを少なくするとともに停止寸前では加速度を絶対値の小さな値にすることで停止のショックと揺れ戻しが大きくなるのを解消するという目的を達成するために、キャブが搭載された旋回体の旋回を電動モータで速度制御を行うようにしたショベルの旋回制御装置において、前記旋回の電動モータでの速度指令は、オペレータが操作する操作レバーの操作量に応じて生成された旋回の速度指令によって行われ、且つ、該速度指令は、加速度の制限を多段階に切換える制御手段を具備させることにより実現した。

以下、本発明の好適な実施例を図１乃至図４を参照して説明する。まず、図４の（ａ）、（ｂ）を用いて、本実施例における基本的な速度指令出力例を説明する。図４（ａ）は、操作レバーがステップ状に操作された場合の速度指令入力の波形例を示しており、後述するコントローラは、このような速度指令入力に基づいて所要の処理を実行することで、基本的に図４（ｂ）に示すような加速度制限が多段階に切換えられた速度指令出力を行う。

即ち、コントローラは、起動から速度ａまでの区間１ａでは加速度１で加速し、速度ｂまでの区間２ａでは加速度２で加速し、最高速度までの区間３ａでは加速度３で加速する各速度指令を出力する。一方、減速時には、最高速度から速度ｄまでの区間４ａでは加速度４で加速し、速度ｅまでの区間５ａでは加速度５で減速し、停止までの区間６ａでは加速度６で減速する各速度指令を出力する。このように、油圧モータに比べて速度指令に対する応答性のよい電動モータによる旋回体の制御において、速度指令出力に加速度制限を持たせるとともに該加速度制限を多段階に切換えることで、加減速時のショックの低減を図るとともに、作業効率の低下を抑える等の作用、効果を図っている。

次いで、図１及び図２を用いて、制御手段としてのコントローラ１１の構成を説明する。コントローラ１１には、操作レバー１２の操作による速度指令が入力する入力ポート１３と、図示しない電動モータ側に速度指令を出力する出力ポート１４とが備えられ、該入力ポート１３と出力ポート１４との間に、加速時の信号を処理する加速処理系１５Ａ、減速時の信号を処理する減速処理系１５Ｂ及び加減速無しの場合の加減速無し系１５Ｃの三つの処理系が内蔵されている。

前記加速処理系１５Ａは、入力ポート１３に、加速状態時にオンに転じるスイッチａ₁を介して加速処理部１６が接続され、該加速処理部１６が前記と同様に加速状態時にオンに転じるスイッチａ₂を介して出力ポート１４に接続されている。該加速処理部１６には、図２の波形図にも示すように、１段目加速領域でオンに転じるスイッチａ₃を介して速度増分（加速度）１を入力し、２段目加速領域でオンに転じるスイッチａ₄を介して速度増分２を入力する速度増分入力線１７が接続されている。

前記減速処理系１５Ｂは、入力ポート１３に、減速状態時にオンに転じるスイッチａ₅を介して減速処理部１８が接続され、該減速処理部１８が前記と同様に減速状態時にオンに転じるスイッチａ₆を介して出力ポート１４に接続されている。該減速処理部１８には、図２の波形図にも示すように、２段目減速領域でオンに転じるスイッチａ₇を介して速度増分（加速度）４を入力し、１段目減速領域でオンに転じるスイッチａ₈を介して速度増分３を入力する速度増分入力線１９が接続されている。

前記加減速無し系１５Ｃは、速度指令入力がそのまま速度指令出力となるため、入力ポート１３と出力ポート１４との間に、加減速無し時にオンに転じるスイッチａ₉のみが接続されている。コントローラ１１には、上記加速処理系１５Ａ、減速処理系１５Ｂ及び加減速無し系１５Ｃの他に、本実施例の旋回制御を実行する上において必要な図示しない制御処理系が内蔵されている。

次に、上述のように構成されたコントローラ１１による旋回体の制御作用を、図３のフローチャート及び図１、図２を用いて説明する。操作レバー１２の操作により速度指令がコントローラ１１に入力されて旋回体の旋回駆動がスタートすると、この速度指令入力から、まずステップＳ１で加速状態であるか否かが判断される。加速状態の判断は、現在速度指令入力と前回速度指令入力の差（現在速度指令入力−前回速度指令入力）が正の加速状態と判断される。加速状態と判断されると（ステップＳ１のＹｅｓ）、コントローラ１１におけるスイッチａ₁、ａ₂がオンに転じるとともに、ステップＳ２で速度指令入力と現在速度（旋回実速度）との大・小が比較され、速度指令入力が現在速度よりも大きい（速度指令入力＞現在速度）と（ステップＳ２のＹｅｓ）、さらにステップＳ３で、その現在速度と速度指令出力との大・小が比較される。

ステップＳ３で現在速度が速度指令出力よりも大きい（現在速度＞速度指令出力）と（ステップＳ３のＹｅｓ）、ステップＳ４で速度指令出力初期値が現在速度とされ、ステップＳ５で、その速度指令出力が２段目加速領域の速度指令出力以下であるか否か（速度指令出力≦２段目加速領域）の判断が行われる。また、前記ステップＳ２で速度指令入力が現在速度よりも小さいか又は等しい場合（速度指令入力≦現在速度）（ステップＳ２のＮｏ）、及び前記ステップＳ３で現在速度が速度指令出力よりも小さいか又は等しい場合（現在速度≦速度指令出力）（ステップＳ３のＮｏ）にもステップＳ５で、その速度指令出力が２段目加速領域の速度指令出力以下であるか否かの判断が行われる。

ステップＳ５の判断で、速度指令出力が２段目加速領域の速度指令出力以下の場合は１段目加速領域であると判断され、ステップＳ６で速度指令入力と速度指令出力に速度増分１を加算したものとの大・小が判断される。このステップＳ６で速度指令入力が速度指令出力に速度増分１を加算したものより大きい（速度指令入力＞速度指令出力＋速度増分１）と判断されると（ステップＳ６のＹｅｓ）、ステップＳ７で、加速処理部１６の加速処理により速度指令出力が、その速度指令出力に速度増分１を加算（速度指令出力＋速度増分１）したものに切換えられて速度増分（加速度）は速度増分１の大きさに制限される。前記ステップＳ６で速度指令入力が速度指令出力に速度増分１を加算したものよりより小さいと判断されると（ステップＳ６のＮｏ）、ステップＳ８で、加速度制限は行われずに速度指令入力がそのまま速度指令出力となる。

また、ステップＳ５の判断で、速度指令出力が２段目加速領域の速度指令出力以上の場合は２段目加速領域であると判断され、ステップＳ９で速度指令入力と速度指令出力に速度増分２を加算したもとの大・小が判断される。このステップＳ９で速度指令入力が速度指令出力に速度増分２を加算したものより大きい（速度指令入力＞速度指令出力＋速度増分２）と判断されると（ステップＳ９のＹｅｓ）、ステップＳ１０で、加速処理部１６の加速処理により速度指令出力が、その速度指令出力に速度増分２を加算（速度指令出力＋速度増分２）したものに切換えられて速度増分（加速度）は速度増分２の大きさに制限される。前記ステップＳ９で速度指令入力が速度指令出力に速度増分２を加算したものよりより小さいと判断されると（ステップＳ９のＮｏ）、ステップＳ１１で、加速度制限は行われずに速度指令入力がそのまま速度指令出力となる。

前記ステップＳ１の加速状態であるか否かの判断において、加速状態以外と判断されたときは（ステップＳ１のＮｏ）、ステップＳ１２で減速状態であるか否かが判断される。減速状態の判断は、前回速度指令入力と現在速度指令入力の差（前回速度指令入力−現在速度指令入力）が負の場合に減速状態と判断される。減速状態と判断されると（ステップＳ１２のＹｅｓ）、コントローラ１１におけるスイッチａ₅、ａ₆がオンに転じるとともに、ステップＳ１３で速度指令入力と現在速度との大・小が比較され、速度指令入力が現在速度よりも小さい（速度指令入力＜現在速度）と（ステップＳ１３のＹｅｓ）、さらにステップＳ１４で、その現在速度と速度指令出力との大・小が比較される。

ステップＳ１４で現在速度が速度指令出力よりも小さい（現在速度＜速度指令出力）と（ステップＳ１４のＹｅｓ）、ステップＳ１５で速度指令出力初期値が現在速度とされ、ステップＳ１６で、その速度指令出力が２段目減速領域の速度指令出力以下であるか否か（速度指令出力≦２段目減速領域）の判断が行われる。また、前記ステップＳ１３で速度指令入力が現在速度よりも大きいか又は等しい場合（速度指令入力≧現在速度）（ステップＳ１３のＮｏ）、及び前記ステップＳ１４で現在速度が速度指令出力よりも大きいか又は等しい場合（現在速度≧速度指令出力）（ステップＳ１４のＮｏ）にもステップＳ１６で、その速度指令出力が２段目減速領域の速度指令出力以下であるか否かの判断が行われる。

ステップＳ１６の判断で、速度指令出力が２段目減速領域の速度指令出力以上（速度指令出力≧２段目減速領域）の場合は２段目減速領域であると判断され、ステップＳ１７で速度指令入力と速度指令出力から速度増分４を減算したもとの大・小が判断される。このステップＳ１７で速度指令入力が速度指令出力から速度増分４を減算したものより小さい（速度指令入力＜速度指令出力−速度増分４）と判断されると（ステップＳ１７のＹｅｓ）、ステップＳ１８で、減速処理部１８の減速処理により速度指令出力が、その速度指令出力から速度増分４を減算（速度指令出力−速度増分４）したものに切換えられて速度増分（加速度）は速度増分４の大きさに制限される。前記ステップＳ１７で速度指令入力が速度指令出力から速度増分４を減算したものよりより大きいと判断されると（ステップＳ１７のＮｏ）、ステップＳ１９で加速度制限は行われずに速度指令入力がそのまま速度指令出力となる。

また、ステップＳ１６の判断で、速度指令出力が２段目減速領域の速度指令出力以下（速度指令出力≦２段目減速領域）の場合は１段目減速領域であると判断され、ステップＳ２０で速度指令入力と速度指令出力から速度増分３を減算したものとの大・小が判断される。このステップＳ２０で速度指令入力が速度指令出力から速度増分３を減算したものより小さい（速度指令入力＜速度指令出力−速度増分３）と判断されると（ステップＳ２０のＹｅｓ）、ステップＳ２１で、減速処理部１８の減速処理により速度指令出力が、その速度指令出力から速度増分３を減算（速度指令出力−速度増分３）したものに切換えられて速度増分（加速度）は速度増分３の大きさに制限される。前記ステップＳ２０で速度指令入力が速度指令出力から速度増分３を減算したものより大きいと判断されると（ステップＳ２０のＮｏ）、ステップＳ２２で加速度制限は行われずに速度指令入力がそのまま速度指令出力となる。

前記ステップＳ１２の減速状態であるか否かの判断において、加減速無しと判断されたときは（ステップＳ１２のＮｏ）、コントローラ１１におけるスイッチａ₉がオンに転じるとともにステップＳ２３で速度指令入力がそのまま速度指令出力となる。

そして、上記のような速度指令出力における加速度制限の処理において、例えば加速度状態時の加速度が１段目減速領域の速度増分１から２段目減速領域の速度増分２（速度増分１＜速度増分２）に切換るような場合に、ヒステリシスを持たせておくと、切換え時における速度増分２（加速度）の単位時間当りの変化量が小さく抑えられて加減速時のショック等が一層低減する。

上述したように、本実施例に係る建設機械の旋回制御装置においては、加速度制限を多段階に切換えるようにしたことで、加減速時のショックが低減し、キャブの振動が抑えられて乗り心地が良好になるとともに旋回機構の耐用寿命を高めることができる。また旋回動作が過度に遅くなるのが防止されて作業効率の低下を抑えることができる。

減速始めには加速度の絶対値を小さくし途中で加速度を大きくするように切換えることで旋回の流れを少なくすることができるとともに停止寸前では加速度を絶対値の小さな値にすることで停止のショックと揺れ戻しが大きくなるのを解消することができる。

加速度制限の切換えにヒステリシスを持たせたことで切換え時における加速度の単位時間当りの変化量を小さく抑えることができて加減速時のショック等を一層低減することができる。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

起動時のバックラッシュによるショックを小さくするとともに旋回機構の耐用寿命を高め、さらには作業効率の低下を抑えることが不可欠な電動モータ駆動の旋回機構を備えた建設機械に広く適用することが可能である。

１１コントローラ（制御手段）
１２操作レバー
１３入力ポート
１４出力ポート
１５Ａ加速処理系
１５Ｂ減速処理系
１５Ｃ加減速無し系
１６加速処理部
１７速度増分入力線
１８減速処理部
１９速度増分入力線

Claims

キャブが搭載された旋回体の旋回を電動モータで速度制御を行うようにしたショベルの旋回制御装置において、
前記旋回の電動モータでの速度指令は、オペレータが操作する操作レバーの操作量に応じて生成された旋回の速度指令によって行う制御手段を有するとともに、
前記制御手段は、
加速状態時に複数の速度増加分から前記速度指令に対応する速度増分を選択して多段に切換える加速処理系と、減速状態時に複数の速度増加分から前記速度指令に対応する速度増分を選択して多段に切換える減速処理系とを内蔵し、
前記選択された速度増分が、前記速度増分に加算、若しくは、減算されて速度指令出力を出力するショベルの旋回制御装置。
上記速度指令における加速度の制限は、上記制御手段からの速度指令出力によって切換えるようにしたことを特徴とする請求項１記載のショベルの旋回制御装置。
上記速度指令における加速度の制限は、上記旋回体の旋回実速度によって切換えるようにしたことを特徴とする請求項１記載のショベルの旋回制御装置。
上記速度指令における加速度の制限の切換えに、ヒステリシスを持たせたことを特徴とする請求項１，２又は３記載のショベルの旋回制御装置。