JP6671849B2 - ショベル、ショベルの制振方法 - Google Patents

Description

本発明は、ショベルに関する。

ショベルは、クローラと呼ばれる走行体、上部旋回体、走行体に対して上部旋回体を回転させる旋回装置、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントを備える。油圧ショベルでは、上部旋回体の動力、アームやブーム、バケットの動力として、油圧が利用される。

ショベルの車体は、作業中において、アタッチメントを介して地面や作業対象からの反力を受けて大きく振動する。従来のショベルには有効な除振（制振）機構は搭載されておらず、したがって一旦振動が生ずると、運転者（オペレータ）は振動が収まるまで作業を中断することを強いられていた。

また作業中の振動は、運転者に不快感を与えるばかりでなく、それが原因で、クローラの滑りなどが生ずるおそれもあるから安全性の観点からも望ましくない。

特開２００７−３０７９１７号公報 国際公開第０６／０３３４０１号パンフレット

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、制振機能を備えたショベルの提供にある。

本発明のある態様は、ショベルに関する。ショベルは、クローラと、クローラに対して旋回する上部旋回体と、上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、上部旋回体を基準としたピッチ軸周りの回転を検出するピッチング検出部と、ピッチング検出部が検出した回転にもとづいて、アタッチメントを制御する振動補正部と、を備える。

アタッチメントの姿勢を制御することで、ショベル全体の重心位置および／または慣性モーメントを変化させることができる。したがって、ピッチ軸周りの回転運動を監視し、それに応じてアタッチメントを制御することで、振動を抑制することができる。

ピッチング検出部は、上部旋回体を基準としたピッチ軸周りの角度を検出し、振動補正部は、角度に応じてアタッチメントを制御してもよい。

ピッチング検出部は、上部旋回体を基準としたピッチ軸周りの角速度を検出し、振動補正部は、角速度に応じてアタッチメントを制御してもよい。

ピッチング検出部は、上部旋回体を基準としたピッチ軸周りの角加速度を検出し、振動補正部は、角加速度に応じてアタッチメントを制御してもよい。

アタッチメントは、ブーム、アーム、バケットを含んでもよい。振動補正部は、バケットの位置が所定範囲に収まる拘束条件のもと、アタッチメントを制御してもよい。
これにより、除振制御のためにバケットが暴れるのを防止できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ショベルの振動を抑制できる。

実施の形態に係る建設機械の一例であるショベルの外観を示す斜視図である。 実施の形態に係るショベルの制振の原理を説明する図である。 実施の形態に係るショベルの制御ブロック図である。 ショベルの座標系を示す外観図である。 振動補正部のブロック図である。 図５の振動補正部を備えるショベルの動作を示す図である。 実施の形態に係るショベルの電気系統や油圧系統などのブロック図である。 第１の変形例に係る振動補正部のブロック図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル１の外観を示す斜視図である。ショベル１は、主としてクローラ（走行機構ともいう）２と、クローラ２の上部に旋回機構３を介して回動自在に搭載された上部旋回体（以下、単に旋回体ともいう）４とを備えている。

旋回体４には、ブーム５と、ブーム５の先端にリンク接続されたアーム６と、アーム６の先端にリンク接続されたバケット１０とが取り付けられている。バケット１０は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム５、アーム６、及びバケット１０は、アタッチメント１２と総称され、それぞれブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９によって油圧駆動される。また、旋回体４には、バケット１０の位置や励磁動作および釈放動作を操作する運転者を収容するための運転室４ａや、油圧を発生するためのエンジン１１といった動力源が設けられている。エンジン１１は、例えばディーゼルエンジンで構成される。

図２は、実施の形態に係るショベルの制振の原理を説明する図である。
ある任意の点４０を中心としたショベル１の振動を考える。その点４０を中心とした角度φを定義する。初期状態における車体の傾きφおよびアタッチメント１２の状態が、（i）で示される。

車体がアタッチメント１２からの反力により、ピッチ軸周りのモーメント（角運動量）をもち、傾きφが、(i)から（ii）に変化する場合を考える。このときショベル１は、アタッチメント１２の姿勢を、振動が小さくなる状態（ii）に変化させる。

より具体的には、旋回体４を基準としたピッチ軸（ｙ）周りの回転を検出する。そしてピッチ軸（ｙ）周りの回転に応じた振動をキャンセルするように、アタッチメント１２を制御する。なお、図２に示されるアタッチメント１２の姿勢は一例に過ぎない。

このショベル１によれば、アタッチメント１２の位置、姿勢を変化させることで、ショベル１の振動をキャンセルする方向に、ショベル１全体の重心位置４２を変化させ、および／または慣性モーメントを変化させることにより、振動を抑制できる。

なおショベル１は、バケット１０が実質的に変位しないように、言い換えればその座標（ｘ，ｙ，ｚ）が所定範囲に収まるという拘束条件のもと、アタッチメント１２を制御することが望ましい。ここでのバケット１０の位置ｘ，ｙ，ｚは、θ_３ではなく、旋回体４の所定箇所（たとえばブーム５の回転軸）を基準とした相対座標をいう。所定範囲は、除振制御を開始した時刻におけるバケット１０の位置を基準として定めてもよい。このような拘束条件を課すことにより、バケット１０の位置を大きく変化させることなく除振が可能となるため、バケット１０が暴れるのを防止できる。

上述の制振においてはさまざまな力学的な現象、メカニズムを利用することができる。たとえば、振動をキャンセルするように、アタッチメント１２によって逆方向の振動を発生して振動を抑えてもよい。

あるいは、ブランコとのアナロジーで説明される原理を用いてもよい。ブランコをこぐ場合、角速度が最大となる最下点のタイミングで立ち上がり、重心を高くする。また角速度がゼロとなる最上点（振動の両端）でしゃがみ、重心を低くする。この運動が繰り返されると、振幅が増幅される。実施の形態に係るショベル１においてはこれと逆の運動を行うことで、振動を減衰させることができる。

続いて、ショベル１のブロック図を説明する。図３は、実施の形態に係るショベル１の制御ブロック図である。ショベル１は、油圧アクチュエータ５００、駆動手段５０２、ピッチング検出部５０４、振動補正部５１０を備える。各ブロックの機能は、電気的または機械的、もしくはそれらの組み合わせによって実現されるものであり、各ブロックの構成および機能の実現方法は限定されない。

油圧アクチュエータ５００は、図１のアタッチメント１２を駆動するアクチュエータであり、具体的には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９を含む。実際には、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９の制御は独立に行われるが、ここでは簡略化してひとつの制御系として示す。

ここでショベル１の座標系を説明する。図４は、ショベル１の座標系を示す外観図である。旋回体４は、クローラ２に対して旋回軸周りに旋回する。旋回体４を基準として、ロール軸ｘ、ピッチ軸ｙ、ヨー軸ｚ（座標系ｘ、ｙ、ｚ）が定義される。旋回体４を基準としたピッチ軸（ｙ軸）周りの回転角度をθ_ｙ、角速度をω_ｙ、角加速度をω_ｙ’と定義する。

また、ブーム５、アーム６、バケット１０それぞれの位置を示す角度座標θ_１〜θ_３が定義される。θは、θ_１〜θ_３の組み合わせでありアタッチメント１２全体の位置（姿勢）を示すものとする。

図３に戻る。ピッチング検出部５０４は、旋回体４を基準とするピッチ軸Ｙ周りの回転を検出し、回転情報Ｓ１を出力する。回転情報Ｓ１は、角度θ_ｙ，角速度ω_ｙ、角加速度ω_ｙ’のいずれか、あるいはそれら任意の組み合わせであってもよい。ピッチング検出部５０４としてはジャイロセンサを利用してもよい。

振動補正部５１０は、回転情報Ｓ１を受け、ピッチング検出部５０４が検出した回転と、運転者の操作入力に応じたアタッチメント１２の制御値θ_ＣＮＴとにもとづいて、アタッチメント１２を制御する。制御値θ_ＣＮＴは、運転者によるブーム、アーム、バケットそれぞれの操作指令θ_ＣＮＴ１〜θ_ＣＮＴ３を含む。

振動補正部５１０は、制御値θ_ＣＮＴを受け、振動をキャンセルするように生成されるようにその値を補正し、補正後の制御値（指令値）θ_ＲＥＦを出力する。指令値θ_ＲＥＦも、ブーム軸（θ_１）、アーム軸（θ_２）、バケット軸（θ_３）それぞれに対応する値（θ_ＲＥＦ１，θ_ＲＥＦ２，θ_ＲＥＦ３）を含んでもよい。振動補正部５１０は、バケット１０の座標が所定範囲に含まれるように、指令値θ_ＲＥＦを生成することが好ましい。

駆動手段５０２は、振動補正部５１０が生成した指令値θ_ＲＥＦにもとづいて油圧アクチュエータ５００を制御する。

図５は、振動補正部５１０のブロック図である。振動補正部５１０の一部あるいは全部は、主としてＣＰＵなどの演算手段で構成することができる。
この構成例では、振動補正部５１０は、ショベル１の振動がキャンセルされるようにショベル１の重心のＸ座標、Ｚ座標を制御する。またこの例では、回転情報Ｓ１として角速度ω_ｙが利用される。

振動補正部５１０には、角速度ω_ｙを示す回転情報Ｓ１が入力される。重心演算部５１１は、回転情報Ｓ１にもとづき、振動がキャンセルされるようなショベル１の重心のＸ座標、Ｚ座標を演算する。

たとえば振動補正部５１０は、角速度ω_ｙに係数（ゲイン）Ｋ_ｘ，Ｋ_ｙを乗算する乗算器５１２，５１４と、乗算器５１２，５１４の出力を積分し、重心の目標値Ｘ_ＲＥＦ，Ｚ_ＲＥＦを生成する積分器５１６，５１８を含んでもよい。

変換部５２０は、ショベル１の重心位置が、座標Ｘ_ＲＥＦ，Ｚ_ＲＥＦとなるように、アタッチメント１２の位置を指示する指令値θ_ＲＥＦを生成する。制御値θ_ＣＮＴの生成は、３自由度（θ_１〜θ_３）を有するアタッチメント１２の機構の逆運動学にもとづいて行われる。変換部５２０には、運転者の操作入力θ_ＣＮＴ１〜θ_ＣＮＴ３が入力されており、変換部５２０は、θ_ＣＮＴ１〜θ_ＣＮＴ３からの変位が小さくなるように、指令値θ_ＲＥＦ１〜θ_ＲＥＦ３を生成してもよい。また変換部５２０は、バケット１０の位置が実質的に変化しないという拘束条件のもと、指令値θ_ＲＥＦ１〜θ_ＲＥＦ３を生成することが望ましい。

変換部５２０は、制振を行わないときには、操作指令θ_ＣＮＴ１〜θ_ＣＮＴ３を、そのまま指令値θ_ＲＥＦ１〜θ_ＲＥＦ３として出力すればよい。

駆動手段５０２は、アタッチメント１２の現在の状態を示すフィードバック値θ_ＦＢを生成するセンサ５３０を含む。駆動手段５０２は、フィードバック値θ_ＦＢが指令値θ_ＲＥＦに近づくように、アタッチメント１２のシリンダを制御する。

減算器５３２は、θ_ＲＥＦとθ_ＦＢの誤差Δθを生成する。乗算器５３４は、誤差Δθに係数Ｋを乗算することにより、速度指令ω_ＲＥＦを生成する。つまり図５の駆動手段５０２は、Ｐ制御を行っているものと理解される。当然ながら変換部５２０は、ＰＩ制御やＰＩＤ制御により、シリンダを制御してもよい。このフィードバック制御は、ブーム軸、アーム軸、バケット軸それぞれについて行われる。

以上が振動補正部５１０の構成例である。続いてその動作を説明する。
図６は、図５の振動補正部５１０を備えるショベル１の動作を示す図である。図６には、回転角θ_ｙ、角速度ω_ｙ、重心目標位置Ｘ_ＲＥＦ，Ｚ_ＲＥＦ、アタッチメント１２の状態θ_ＣＮＴが示される。回転角θ_ｙは、実線が除振制御を行わない場合、一点鎖線が除振制御を行ったときの波形である。

あるθ_ｙに振動が発生すると、ピッチング検出部５０４により角速度ω_ｙが検出される。重心演算部５１１は、重心の目標位置Ｘ_ＲＥＦ、Ｚ_ＲＥＦを演算する。変換部５２０は、重心が目標位置Ｘ_ＲＥＦ、Ｚ_ＲＥＦとなるように、指令値θ_ＲＥＦを生成する。図６では１次元で簡略化して示されるが、実際には制御値θ_ＲＥＦは３次元である。この制御により、振動θｙが一点鎖線で示すように抑制される。

続いて、ショベル１全体の構成を説明する。
図７は、実施の形態に係るショベル１の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図７では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。

機械式駆動部としてのエンジン１１は、油圧ポンプとしてメインポンプ１４及びパイロットポンプ１５に接続されている。メインポンプ１４には、高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。なお、油圧アクチュエータに油圧を供給する油圧回路は２系統設けられることがあり、その場合にはメインポンプ１４は２つの油圧ポンプを含む。本明細書では理解の容易化のため、メインポンプが１系統の場合を説明する。

メインポンプ１４には高圧油圧ライン１６を介してコントロールバルブ１７が接続されている。コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示したクローラ２を駆動するための走行油圧モータ２Ａ及び２Ｂの他、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

コントロールバルブ１７は、ショベル１における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ１７には、図１に示したクローラ２を駆動するための油圧モータ（走行油圧モータ）２Ａ及び２Ｂの他、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、及びバケットシリンダ９が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ１７は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。

また、旋回機構３を駆動するための旋回油圧モータ２１がコントロールバルブ１７に接続される。旋回油圧モータ２１は、旋回制御装置の油圧回路を介してコントロールバルブ１７に接続されるが、図７には旋回制御装置の油圧回路は示されず、簡略化されている。

パイロットポンプ１５には、パイロットライン２５を介して操作装置２６（操作手段）が接続されている。操作装置２６は、クローラ２、旋回機構３、ブーム５、アーム６、及びバケット１０を操作するための操作装置であり、運転者によって操作される。操作装置２６には、油圧ライン２７を介してコントロールバルブ１７が接続され、また、油圧ライン２８を介して圧力センサ２９が接続される。

操作装置２６は、パイロットライン２５を通じて供給される油圧（１次側の油圧）を運転者の操作量に応じた油圧（２次側の油圧）に変換して出力する。操作装置２６から出力される２次側の油圧は、油圧ライン２７を通じてコントロールバルブ１７に供給されるとともに、圧力センサ２９によって検出される。なお図７において油圧ライン２７は１本で描かれているが、実際には左走行油圧モータ、右走行油圧モータ、旋回それぞれの制御指令値の油圧ラインが存在する。

操作装置２６は、３つの入力装置２６Ａ〜２６Ｃを含む。入力装置２６Ａ〜２６Ｃはペダルもしくはレバーであり、入力装置２６Ａ〜２６Ｃは、油圧ライン２７及び２８を介して、コントロールバルブ１７及び圧力センサ２９にそれぞれ接続される。圧力センサ２９は、電気系の駆動制御を行うコントローラ３０に接続されている。本実施形態では、入力装置２６Ａが旋回操作レバーとして機能し、入力装置２６Ｂがアタッチメントの操作レバーとして機能する。入力装置２６Ｃは、走行用のレバーもしくはペダルである。

コントローラ３０は、ショベルの駆動制御を行う主制御部である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び内部メモリを含む演算処理装置で構成され、ＣＰＵが内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムを実行することにより実現される。

コントローラ３０は、ピッチング検出部５０４からの回転情報ω_ｙ、センサ５３０からのアタッチメント２３の位置情報θ_ＦＢ、圧力センサ２９からの操作指令θ_ＣＮＴが入力される。

このコントローラ３０には、図２の振動補正部５１０が実装され、アタッチメント１２の状態を指示する指令値θ_ＲＥＦをデジタル演算により生成する。さらにコントローラ３０には、図５に示す駆動手段５０２の一部が実装され、ブーム軸、アーム軸、バケット軸の速度指令値ω_ＲＥＦとして出力する。

パイロットライン２５は、切換弁３２を経て電磁比例弁３１に分岐する。電磁比例弁３１は、電気系統と油圧系統のインタフェースに相当する。電磁比例弁３１は、その斜板角度が電気的に制御可能であり、パイロットライン２５からの油圧を、コントローラ３０からの制御信号ω_ＲＥＦに応じた油圧に変換して出力する。電磁比例弁３１は、減圧比例弁であってもよい。実際には電磁比例弁３１は、アタッチメント１２の３軸ごとに設けられる。コントロールバルブ１７は電磁比例弁３１からの油圧ラインの圧力にもとづいて、ブームシリンダ７、アームシリンダ８、バケットシリンダ９を制御する。

以上がショベル１全体のブロック図である。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。

（第１変形例）
図８は、第１の変形例に係る振動補正部５１０ａのブロック図である。
この変形例においては、回転情報Ｓ１として角度θ_ｙが利用される。重心演算部５１１ａは、角度θ_ｙに係数Ｋ_ｘ，Ｋ_ｙを乗算し、重心の目標座標Ｘ_ＲＥＦ，Ｚ_ＲＥＦを生成する乗算器５１２ａ、５１４ａを含む。この構成例によっても、振動を抑制可能である。

（第２変形例）
重心演算部５１１は、角速度ω_ｙ、角度θ_ｙに代えて、角加速度ω_ｙ’にもとづいて重心のＸ座標、Ｚ座標を制御してもよい。

（第３変形例）
重心演算部５１１は、角速度ω_ｙ、角度θ_ｙ、角加速度ω_ｙ’の任意の組み合わせにもとづいて、重心座標を演算してもよい。この場合、角速度ω_ｙ、角度θ_ｙ、角加速度ω_ｙ’にもとづき計算される重心座標を合成すればよい。

（第４変形例）
振動補正部５１０は、重心演算部５１１に代えて、慣性モーメント演算部を備えてもよい。慣性モーメント演算部は、振動が抑制されるようにショベル１の慣性モーメントを制御する。この場合、変換部５２０は、慣性モーメント演算部が演算した慣性モーメントが得られるように、指令値θ_ＲＥＦを生成すればよい。

（第５変形例）
実施の形態では、油圧ショベルに即して説明をしたが、旋回に電動機を用いるハイブリッドショベルにも本発明は適用可能である。

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…ショベル、２…クローラ、２Ａ，２Ｂ…走行油圧モータ、３…旋回機構、４…旋回体、４ａ…運転室、５…ブーム、６…アーム、７…ブームシリンダ、８…アームシリンダ、９…バケットシリンダ、１０…バケット、１１…エンジン、１２…アタッチメント、１４…メインポンプ、１５…パイロットポンプ、１６…高圧油圧ライン、１７…コントロールバルブ、２１…旋回油圧モータ、２５…パイロットライン、２６…操作装置、２７，２８…油圧ライン、２９…圧力センサ、３０…コントローラ、３１…制御装置、４０…中心、４２…重心、５００…油圧アクチュエータ、５０２…駆動手段、５０４…ピッチング検出部、５１０…振動補正部、５１１…重心演算部、５１２，５１４…乗算器、５１６，５１８…積分器、５２０…変換部、５３０…センサ、Ｓ１…回転情報。

Claims (6)

1. クローラと、
   クローラに対して旋回する上部旋回体と、
   前記上部旋回体に取り付けられるアタッチメントと、
   ショベルに実際に生じている振動に起因するピッチ軸周りの回転運動を検出するピッチング検出部と、
   前記ピッチング検出部が検出した回転運動にもとづいて、前記ショベルに生じている振動をキャンセルするように、前記アタッチメントの位置または姿勢を制御して、前記ショベル全体の重心位置と慣性モーメントの少なくとも一方を変化させる振動補正部と、
   を備えることを特徴とするショベル。
2. 前記ピッチング検出部は、前記ピッチ軸周りの角度を検出し、
   前記振動補正部は、前記角度に応じて前記アタッチメントを制御することを特徴とする請求項１に記載のショベル。
3. 前記ピッチング検出部は、前記ピッチ軸周りの角速度を検出し、
   前記振動補正部は、前記角速度に応じて前記アタッチメントを制御することを特徴とする請求項１または２に記載のショベル。
4. 前記ピッチング検出部は、前記ピッチ軸周りの角加速度を検出し、
   前記振動補正部は、前記角加速度に応じて前記アタッチメントを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のショベル。
5. 前記アタッチメントは、ブーム、アーム、バケットを含み、
   前記振動補正部は、前記バケットの位置が所定範囲に収まる拘束条件のもと、前記アタッチメントを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のショベル。
6. クローラ、上部旋回体およびアタッチメントを備えるショベルの制振方法であって、
   前記ショベルに実際に生じている振動に起因するピッチ軸周りの回転運動を検出するステップと、
   前記ピッチ軸周りの回転運動をキャンセルするように、前記アタッチメントを制御して前記ショベル全体の重心位置および慣性モーメントの少なくとも一方を変化させるステップと、
   を備えることを特徴とする制振方法。

Images