【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は土木作業機械であ“る油圧ショベルの制御装置
に関し、更に詳述すれば、設定角に基づく自動直線掘削
制御の開始直後の制御性の改善を図った油圧ショベルの
自動掘削制御装置に関する。
〔従来技術〕
土木作業当に用いられる油圧ショベルは、通常は３つの
作業腕、即ち本体に枢着されたブーム、該ブーム先端に
枢着されたアーム及び該アーム先端に枢着されたバケッ
トを有し、それぞれを油圧シリンダにまり回動操作して
掘削作業を行うものであるが、その操作は複雑であり、
特に地山を一定角度に直線掘削するには熟練を必要とす
る。このため、設定された掘削角にて地山を自動的に直
線掘削するように、ブーム、アーム及びパンケノトを統
一的に制御して自動的に直線掘削作業を行い得る自動掘
削制御装置が種々開発されている。
しかし、たとえば特開昭５８−１６４８３０に開示され
ているような従来のこの種装置では、掘削開始時にパケ
ット先端が必要以上に地山を深く掘削してしまうという
問題点があった。 この原因としては、掘削時にはパケ
ット等の作業腕に慣性が作用し、一方バケント、アーム
等を回動させるための各油圧シリンダに急激に圧油が供
給されるため油圧配管の膨張、作動油の圧縮等の現象が
発生し、更には制御系の追随遅れ等もあって、パケット
、アーム等の回動量が理論通りには制御されなくなるた
めと考えられる。
〔発明の目的〕
本発明は上述の如き事情に鑑みてなされたものであり、
自動直線掘削の開始時には直ちに所定掘削速度にて掘削
を開始するのではなく、所定の掘削速度となるまで徐々
に掘削速度を上昇させることとし、更にこの間において
制御誤差が許容範囲以上となった場合には、制御誤差が
許容範囲以下となるまで、掘削速度の上昇を一旦停止す
ることにより、自動直線掘削開始時のパケット、アーム
等の慣性の作用、油圧配管の膨張、作動油の圧縮等の制
御系の追随遅れ等に起因する￥ｉＪ御誤差の解消を図っ
た油圧ショベルの自動掘削制御装置の提供を目的とする
。
〔発明の構成〕
本発明に係る油圧ショベルの自動掘削制御装置は、自動
掘削の開始時から所定期間に亘って作業腕の掘削動作速
度を漸増する手段と、前記期間において、予め設定され
た掘削線からの誤差が所定範囲を超えた場合には作業腕
の掘削動作速度の増加を一旦停止する手段とを具備する
ことを特徴とする。
〔実施例〕
以下、本発明をその実施例を示す図面に基づいて詳述す
る。
第１図は本発明に係る自動掘削制御装置を装備した油圧
ショベルの略示外観図であって、走行移動装置であるク
ローラ１を装備したシャーシ（図示せず）に支持された
旋回体２の適所にブーム１１が上下方向への回動自在に
支持されており、ブーム１１の先端にはアーム１２が上
下方向への回動自在に支持され、更にアーム１２の先端
にはパケット１３がやはり上下方向への回動自在に支持
されていて、それぞれを油圧シリンダｌｌａ 、 １２
ａ及び１３ａにより作動させて掘削作業を行うように構
成されている。また、ブーム１１の回動中心０点、アー
ム１２の回動中心Ｂ点及びパケット１３の回動中心Ｃ点
にはそれぞれ後述する回動角検出装置としてのポテンシ
ョメータ２１．２２及び２３が取付けられている。
第２図は本発明装置の電気回路のブロック図である。２
１．２２及び２３はそれぞれ０点、Ｂ点・及び０点に設
置されていてブーム１１の機体に対する回動角、アーム
１２のブームト１に対する回動角及びパケット１３のア
ーム１２に対する回動角をそれぞれ検出するポテンショ
メータ、２４．２５及び２６はとそれぞれブーム１１、
アーム１２及びパケット１３の操作レバ１１ｃ 、 １
２ｃ及び１３ｃの***作量をそれぞれ検出するポテンシ
ョメータ、２７は掘削角設定のポテンショメータ、２８
はブーム１１の圧力を検出する圧力針であって、それぞ
れの出力はアナログ−デジタル変換器２９を介して演算
装置３１へ入力される。演算装置３１はマイクロコンピ
ュータを利用しており、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ、入出
力インターフェース等から構成れさており、スイッチ３
０の操作指令に基づき前述の各ポテンショメータ２１〜
２７及び油圧計２８からの入力を演算処理し、その結果
に基づきブーム１１、アーム１２及びパケット１３を作
動させるための制御信号をデジタル−アナログ変換器３
２、増幅器３４．３５．３６を介して油圧シリンダｌｌ
ａ 、 １２ａ及び１３ａの伸縮制御回路（例えば油圧
シリンダ１１ａ。
１２ａ及び１３ａの油圧回路に介在する電磁方向制御弁
の駆動回路） ｌｌｂ 、 １２ｂ及び１３ｂへ出力す
る。 “表示装置３３は掘削角設定器２７により設定さ
れた掘削角、あるいはオペレータに対する支持の表示を
行う。
スイッチ３０は掘削作業の自動・手動の選択を行うスイ
ッチであり、これが投入操作された場合には掘削角設定
器２７により設定された掘削角による自動掘削が可能と
なり、投入操作されない場合には操作レバｌｌｃ 、
１２ｃ及び１３ｃの操作によりブーム１１、アーム１２
及びパケット１３の手動操作が行われる。
なお、自動掘削時にはブーム操作レバｌｌｃを前方、又
は後方に傾倒操作すれば、自動掘削の開始及びその方向
（作業腕の戻し、又は掘−１１１，）を指示することが
でき、またその際の傾倒操作量（角度）に応じて掘削速
度Ｖβが設定される。
次に以上のように構成された本発明装置による自動直線
掘削の制御について、演算装置３１の処理内容を示す第
３図の機能ブロック図及び各作業腕の回動中心Ｂ、Ｃ，
Ｄ等の座標位置関係を示す第４図の説明図に従って説明
する。なお、演算装置３１の処理は第４図に示す如く、
ブーム１１の回動中心Ｏを原点とし、この原点０を通る
水平線をＸ軸、同鉛直線をＹ軸とするＸ −Ｙ座標系に
て行われるが、第４図において各記号は以下の如く定義
されているものとする。
α：Ｙ軸に対する線分ＯＢのなずブーム角β：線分ＯＢ
に介する線分ＢＣのなずアーム角γ：線分ＢＣに対する
線分ＣＤのなすパケット角
Ｄ：バケット１３の刃先点
Ｇ：掘削仕上げ面、ただし法面角θはクローラ−の接地
面との交差角
Ｇ′：バケット刃先点りを掘削仕上面Ｇに沿って直線移
動させる際のバヶ７）枢支点Ｃの予定移動軌跡
１１ ：ブーム長、ＯＢの長さ
Ｉ１２ ：アーム長、ＢＣの長さ
ｂ：バケット枢支点Ｃの予定移動！ＩＬ跡Ｇ′とＹ軸と
の交点から原点０までの距離
まず、自動直線掘削を開始するに当っては、オペレータ
は各操作レバＩｌｃ 、 １２ｃ 、 １３ｃを手動操
作してブームＩＬアーム１２、バケット１３を回動させ
てそれぞれ第４図に実線にて示す作業開始位置に設定し
た後、スイッチ３０を投入操作し、更に掘削角設定器２
７により掘削角θの設定を行う。なお、以下の説明は掘
削各θを＋６０° （第４図に示す角θ−＋６０°）に
設定した場合について説明を行う。
演算装置３１は設定掘削角θを読み込んだ後、制御モー
ドの判定を行う。
この制御モードとは、前述の特開昭５８−１６４８３０
の発明に係るものであり、以下の如き考え方に基づいて
ブームＩＩおよびアーム１２の制御を第１及び第２モー
ドに分けている。即ち、ブーム１１及びアーム１２を回
動させて、たとえば法面角６０°の直線掘削をする場合
のブーム角α及びアーム角βそれぞれの必要操作角の関
係を第５図に示すように第４図に実線にて示した作業開
始位置からアーム１２をアーム角βが８０°程度となる
まで下方へ回動させた一点鎖線にて示す範囲までの初期
作業領域においてはアーム角βを大きく変化させてもブ
ーム角αの変化はわずかであり、逆にアーム１２を更に
下方へ回動させて掘削を行う二点鎖線にて示す範囲まで
の後期作業領域においては、ブーム角αの変化は大であ
るが、アーム角βの変化はわずかである。
従って、ブーム１１又はアーム１２の内の必要操作角の
多い方を主制御対象とし、操作角の少ない方をそれに追
随制御させれば、掘削効率の向上が図れるため、演算装
置３１はブーム１１又はアーム１２のいずれを王制ソ１
１対象とするかの判断を制御モードの判定として行うも
のである。
以下、第４．５図に（ａｌを付して示した範囲のアーム
１２を主制御対象とする制御モードを第１モード、同じ
り（ｂ）を付した範囲のブーム１１を主制御対象とする
制御モードを第２モードという。
制御モードの判定は下記（１１式により行われる。
α。＋β０＋θ≦２００° ・・・ｉｌｌただし、α。
：現状のブーム角
β０ ；現状のアーム角
２００：θ＝６０°の場合の制御モード変換点（第５図
の２点）として
められた設計上の値
上記（１１式が成立する場合には前記第３図に図示する
如く論理スイッチ９１が非作動、即ち論理スイチ９１内
の各常開接点が開路、各常閉接点が閉路されて、アーム
１２が主制御対象となる第１モードとなり、逆に前記＋
１１式が非成立の場合には論理スイッチ９１が作動、即
ち論理スイッチ９１内の各常開接点が閉路、各常閉接点
が開路されてブーム１１が制御対象となる第２モードと
なる。
前述した如く通電の直線掘削では掘削開始当初は、まず
アーム１２が主制御対象となる第１モードの制御が行わ
れるため論理スイッチ９１は非作動、即ち第３図に図示
しである状態となっている。
演算装置３１は、現状のブーム角α０、アーム角β０ブ
ーム長ＩＩＩ、アーム長７！２を読み込み下記（２）式
により変動係数Ｘをめる。
そして、この変動係数Ｘを基に下記（３）式にてブーム
１１の制御量Ｙｌｌ’、（４１式にてアーム１２の制御
量ＹＬ２′をめる。
この場合、初期作業領域における第１モードでは、ブー
ム角αの変化割合ｄαは比較的小さく、逆にアーム角β
の変化割合ｄＩｊは比較的大であるから、変動係数Ｘは
比較的大きい値となり、従ってアーム１２の制御量Ｙ１
２′は１に近い値となり、これは実際にはアーみ１２を
比較的早く作動させる信号となり、一方、ブーム１１の
制御ＩＹｕ’は零に近い値となるため、これは実際には
ブーム１１を比較的遅く作動させる信号となる。
一方、演算装置３１は上述のブーム１１及びアーム１２
の制御量ＹｉＩ’、ＹＬ２’を演算すると同時に、従動
制御されるブーム１１又はアーム１２の制御量、即ち偏
角Δβ、Δαをめる演算を行う。これは上述した如く、
たとえば第１モードにおいて従動制御されるブーム１１
０制御量Ｙ１．′は０に近い値となっているため、計算
上のブーム角α１と実測された現状のブーム角α０との
偏差Δαを制御量とするものである。なお、第２モード
ではアーム１１が従動制御されるが、この場合には計算
上のアーム角β１と現状のアーム角β。との偏差Δβが
制御量となる。
従動制御量Δα及びΔβはそれぞれ下記（４）、（５）
式及び＋６１． Ｔｅ１式にてまる。
（以 下□余 白）
Δ６＝。。−α、 ・・・（５）
）
Ｉ！ま
ただし、 ５＝７−θ
ｈｇ＝ｂｃｏｓθ
Δβ＝β０−βｌ ・・・（７）
上記（４）〜（７）式中α１．β□はそれぞれプニム１
１及びア□−ム１２が制御量Ｙ１１ ’ ｒ ＹＩ２”
”の制御をされた場合に、パケット１３の枢支点Ｃをそ
の予定軌跡Ｇ′上に位置させるためのブーム角α及びア
ーム角βであり、これらと現状のブーム角α。及びアー
ム角β。との偏差Δα、Δβ、即ち必要操作句である。
このようにしてめちれたブーム角α及びアーム角βの偏
差Δα、Δβは前述の論理スイッチ９１こて制御モード
に応じて、即ち前記（１１式％式％
す（成立する第１モードのアーム１２が主動制御される
初期作業領域ではブーム角αの偏差Δαが従動呉差εと
して、逆に前記（ｉ）式が非成立となる第２七−ドのブ
ーム１１が主動制御される後期作業領域ではアーム角β
の偏差Δハク従動誤差・として選 ４Ｒされる。
制御回路３１はこの従動誤差εを下記（２１） 。
（２２）式により比較判断して自動直線掘削制御の開始
時に本発明の特徴たる作業腕の作動速度の漸増を行う。
゛
ｌ ｇ ｌ ＞Ｃｓｐ −（２１）
１ε ｌ ＜ Ｃｓｔ ・・・ （２２）ただし、Ｃｓ
ｔ≦Ｃｓｐ
この作業腕の作動速度の漸増制御は自動掘削の開始時に
のみ行われるものであり、前述したブーム１１の制御量
Ｙ、、’、アーム１２の制御量Ｙ１２′が演算されると
同時に、演算装置３１はブーム操作レバｌｌｃ Ｏ）操
作量ＶＺを読み取り、速度指示信号変換テーブル９２に
従って自動掘削時の掘削速度指示信号Ｖｒに変換する。
変換テーブル９２は、現在のブーム操作レバＩｌｃ操作
量ＶＺを中心として上下両側に所定範囲の不感帯域を設
定してあり、この不感帯域を超えてブーム操作レバＩｌ
ｃ ｌＪ＜操作されると不感帯域を超えた操作量ＶＪに
比例して掘削速度指示信号Ｖｒに変換するものである。
そして、この掘削速度指示信号Ｖｒは掘削開始速度制御
部９３に与えられている。この掘削開始速度制御分９３
は一種の遅延回路であり、その出力Ｖｒ’は、自動掘削
開始時には零であり、この後一定勾配で漸増して所定時
間Ｔ経過後に入力Ｖｒと等しくなり、以後は入力Ｖｒを
直接出力するものである。
更に掘削開始速度制御部９３はその出力Ｖｒ’の漸増期
間中に前述の従動誤差εが所定値以上となった場合に出
力Ｖｒ’の漸増が一旦停止されるようになっている。即
ち、制御回路３Ｉは前述のく２１）（２２）式により従
動誤差εの絶対値１ε１を所定上限値Ｃｓｐと比較し、
この結果従動誤差εの絶対値１ε１が所定上限Ｃｓｐよ
り大となった場合には掘削開始速度制御部９３の出力信
号Ｖｒ’の漸増を一旦停止した上、一定出力に維持する
。そしてやがて従動誤差εの絶対値１８１が所定上限Ｃ
ｓρよりやや低い値の所定値Ｃｓｔ以下となると、それ
まで一定に維持されていた掘削開始速度制御部９３の出
力信号Ｖｒ’の漸増が再開されるものである。
このような自動掘削開始時の制御方法とすることにより
、自動掘削の開始直後からの全速でのアーム１２（又は
ブーム１１）の作動は回避され、更に従動誤差εが所定
値以上となった場合には、従動誤差εが所定値以下とな
るまで掘削速度の上昇は停止される。
このようにして掘削開始速度制御部９３から出力された
掘削速度指示信号Ｖｒ’はブーム１１の制御量Ｙ１１′
、アームＩ２の制御量Ｙ１２′がそれぞれ乗ぜられた後
、定数Ｃ１，Ｃ２（共に油圧回路、電気回路等の特性に
より定められる設計上の定数）がそれぞれ乗ぜられて主
動制御信号Ｙｌｌ＋Ｙ１２としてブームＩｆ及びアーム
１２の伸縮制御回路Ｉｌｂ。
１２ｂに出力される。
一方、従動誤差εは前述の如く掘削開始直後制０１１部
９３に与えられる他に、定数にαが乗しられてブーム１
１の従動制御信号にα・εとされてブーム１１の伸縮制
御回路１１ｂへ、また定数にβが乗ぜらさてアーム１２
従動制御信号にβ・εとされてアーム１２の伸縮制御回
路１２ｂへ送られる。ところで、それぞれの定数にα、
Ｋβは、アーム１２が主動制御される第１モードでは、
Ｋαにはゲイン（入力信号に対する出力信号の比）Ｋｓ
が、ＫβにはＫｍが代入され、一方ブーム１１が主動制
御される第２モート°ではにαにはゲインＫｍが、Ｋβ
にはゲイＫｓが代入されるようになっており、主動制御
ａ１１例のゲインとなるＫｍ比較的零に近い小さい値を
、従動制御側のゲインとなるＫＳは比較的１に近い大き
な値を採っている。
従って、掘削開始直後のアーム１２が主動制御ささる第
１モードの初期作業領域においては、アーム１２の伸縮
制御回路１２ｂに与えられる制御信号Ｙ １２に重畳さ
れる従動制御信号にβ・εは比較的小さいため、アーム
１２の制御は制御信号ＹＩ２に主として支配され、−力
差動制御されるブーム１１の伸縮制御回路１１ｂに与え
られる制御信号Ｙ１１は小さい −値であり、これに重
畳される従動制御信号にα・εは比較的大なる値となっ
ているため、ブーム１１の制御は従動制御信号にα・ε
に主として支配される。
このようにして、通常の自動直線掘削の開始当初に行わ
れるアーム１２を主動、ブーム１１を従動制御とする初
期作業領域における第１モードの制ｆｉｌでは、掘削作
業が進行すると、やがて第４図に２点鎖線にて示した作
業領域の変換点、即し第５図の２点に至る。この場合に
は前記（１）式は不成立となって制御モードの判定結果
は第２モードとなり、論理スイッチ９１が作動して書く
密閉接点は閉路、各常閉接点は回路する。
一方、後期作業領域では第２モードの制御が行われるが
、この場合には、ブーム角αの変化割合ｄαは比較的大
、アーム角βの変化割合ｄβは比較的小であるから、前
記（１）式の変動係数Ｘは１から次第に０に近い値へと
変化するため、アーム１２の制御量はＹＩ２′はＯに近
付き、ブーム１１の制御量Ｙ１１′は逆に無限大に近付
いていく。従ってブーム１１の伸縮制御回路１１ｂには
この制御量Ｙｌｌ′に掘削速度指示信号Ｖｒ’及び定数
ＣＩを乗じた主動制御信号Ｙ１１が与えられ、一方、ア
ーム１１の伸縮制御回路１２ｂには零に近付いてゆく制
御量Ｙ１２′に掘削速度指示信号Ｖｒ’及び定数０２を
乗じた主動制御信号Ｙ１２が与えられる。
ところで、この第２モードの制御では、論理スイッチ９
１の作動により、従動誤差εに乗ぜられる定数が変換さ
れ、主動制御されるブーム１１の伸縮制御回路１１ｂに
は従動誤差Ｃに比較的零に近い定数Ｋｓを乗じた従動制
御信号にα・εが与えられ、従動制御されるアーム１２
の伸縮制御回路１２ｂには従動誤差εに比較的大きいゲ
インＫｍを乗じた従動制御信号にβ・εが与えられる。
従って後期作業領域における第２モードの制御では、主
動制御されるブーム１１の制御は従動制御信号にα・ε
に比して比較的大であり速度指示信号Ｖｒに近付いてゆ
く主動制御信号Ｙｕに主として支配され、アーム１２の
制御は比較的小であり且つ零に近付いてゆ（主動制御信
号Ｙ１２に比して比較的大である従動制御信号にβ・ε
に主として支配される。
ところで、ブーム角α及びアーム角βの偏差Δα及びΔ
βは積分回路９４及び９５にも与えられて積分されてい
る。これら両積分回路９４及び９５の出力値ΣΔα及び
ΣΔβは、前述の論理スイッチ９１により、アーム１２
が主動制御される第１モードにおいては従動制御される
ブーム１１のブーム角αの偏差の積分値ΣΔαに所定に
定数に２が乗ぜられた後、ブーム１１の伸縮制御回路ｌ
ｌｂに与えられ、逆にブーム１１が主動制御される第２
モードにおいては、従動制御されるアーム１２のアーム
角βの偏差の積分値ΣΔβに所定の定数に３が乗ぜられ
た後、゛アーム１２の伸縮制御回路１２ｂに与えられる
ようになワている。
従って、従動誤差εが大となればなる程、従動制御され
るブーム１１又はアーム１２は従動制御の速度が大とな
るため、ブーム角αの偏差Δα又はアーム角βの偏差Δ
βが解消される方向に迅速に制“御されることとなる。
次にパケット１３の刃先点りを、アーム１２、ブーム１
１の制御に拘わらず掘削仕上面Ｇに沿って直線移動させ
るための補償制御について説明する。これは、ブーム１
１及びアーム１２の回動に拘わらずパケット刃先点りの
対掘削面角、換言すればパケット枢支点Ｃと掘削仕上面
Ｇａの間の垂直距離を、一定に保持するためのものであ
り、下記（１０）、（１１）、（１２）式により行われ
る。
φ０＝π−（αθ＋β０＋Ｔｏ ＞ −・・ｏｔ＋＋φ
＝π−（α１＋β＋＋ｒ＋）’・・・（１１）Δφ＝φ
０−φ ・・・（１２）
上記０１Ｉ１式は現状のブーム角α０、アーム角β。、
パケット角γ０からまるパケット１３の制御量であり、
上記（１１）式はブーム１１、アーム１２、パケット１
３の制御により必要となるパケット１３０制御量であり
、上記（１２）・式の両者の差Δφがパケット１３の実
際の制御量となる。このパケット１３の実際の制御量Δ
φに制御速度を指示する定数に１を乗じて、更に設計上
の定数０３を加算した値Ｙ１３がパケット１３の制御信
号としてその伸縮制御回路１３ｂに与えられる。
なお、ブーム１１が上昇方向に回動される際にブーｍｕ
の上側の圧力を検出する油圧計２８の検出信号ｐｂは、
所定の定数に４を乗ぜられた後、ブームｌｉの上昇方向
への回動の際にはスイッチ９６が作動することにより、
ブーム１１の伸縮制御回路１１ｂに与えられる。
従って、ブーム１１の上昇に際しては、ブーム１１の重
量等を補償することになり、ブーム１１の重量 □等に
よる制御感差は防止される。
〔効果〕
以上詳述した如く、本発明に係る油圧ショベルの自動制
御装置においては、自動掘削の開始特には作業腕の作動
速度を指示する信号の出力を逐次増強して掘削速度を次
第に加速する構成とし、また予定掘削線との制御誤差が
許容値以上となった場合には、制御誤差が許容値以内と
なるまで、その制御信号の増強を停止して掘削速度を一
定とするため、自動掘削開始時における作動油の急激な
供給に起因するブーム、アーム等の慣性の影響、油圧配
管の膨張、作動油の収縮等により惹起される過剰な掘削
は回避される。更に所定時間経過後は、掘削速度は直接
的に制御されるため、非電事態が発生した場合等には、
急速操作が可能である。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a control device for a hydraulic excavator, which is a civil engineering work machine, and more specifically, the present invention relates to a control device for a hydraulic excavator, which is a civil engineering work machine, and more specifically, to a control device immediately after starting automatic straight excavation control based on a set angle. This invention relates to an automatic excavation control device for a hydraulic excavator with improved performance. [Prior art] Hydraulic excavators used for civil engineering work usually have three working arms: a boom pivotally attached to the main body, and a boom pivoted at the tip of the boom. The machine has an arm attached to the excavator and a bucket pivotally attached to the tip of the arm, and excavation work is performed by rotating each of the arms in a hydraulic cylinder, but the operation is complicated.
In particular, skill is required to excavate the ground in a straight line at a certain angle. For this reason, various automatic excavation control devices have been developed that can automatically perform straight-line excavation work by controlling the boom, arm, and punch in a unified manner so that the ground is automatically excavated in a straight line at a set excavation angle. has been done. However, a conventional device of this type, such as that disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-164830, has a problem in that the tip of the packet excavates the ground deeper than necessary at the start of excavation. The cause of this is that during excavation, inertia acts on the working arms of the packet, etc., and on the other hand, pressure oil is suddenly supplied to each hydraulic cylinder for rotating the bucket, arm, etc., which causes the expansion of the hydraulic piping and the loss of hydraulic oil. It is thought that this is because phenomena such as compression occur, and there is also a delay in tracking the control system, so that the amount of rotation of the packet, arm, etc. cannot be controlled as theoretically. [Object of the invention] The present invention has been made in view of the above circumstances, and
When starting automatic straight excavation, instead of immediately starting excavation at a predetermined excavation speed, the excavation speed is gradually increased until the predetermined excavation speed is reached, and if the control error exceeds the allowable range during this time. By temporarily stopping the increase in excavation speed until the control error falls below the allowable range, the effect of inertia of the packet, arm, etc. at the start of automatic straight excavation, expansion of hydraulic piping, compression of hydraulic oil, etc. The object of the present invention is to provide an automatic excavation control device for a hydraulic excavator that eliminates ¥iJ errors caused by tracking delays in the control system. [Structure of the Invention] The automatic excavation control device for a hydraulic excavator according to the present invention includes means for gradually increasing the excavation speed of the working arm over a predetermined period from the start of automatic excavation, and a means for gradually increasing the excavation speed of the working arm over a predetermined period from the start of automatic excavation, and The present invention is characterized by comprising means for temporarily stopping the increase in the digging operation speed of the working arm when the error from the line exceeds a predetermined range. [Example] Hereinafter, the present invention will be described in detail based on drawings showing examples thereof. FIG. 1 is a schematic external view of a hydraulic excavator equipped with an automatic excavation control device according to the present invention, in which a rotating body 2 is supported by a chassis (not shown) equipped with a crawler 1, which is a traveling moving device. A boom 11 is supported at a suitable location so as to be freely rotatable in the vertical direction, an arm 12 is supported at the tip of the boom 11 so as to be freely rotatable in the vertical direction, and a packet 13 is also supported at the tip of the arm 12 so as to be rotatable in the vertical direction. The hydraulic cylinders lla and 12 are respectively supported so as to be rotatable in the directions.
a and 13a to perform excavation work. Further, potentiometers 21, 22 and 23 are attached to the rotation center 0 point of the boom 11, the rotation center B point of the arm 12, and the rotation center C point of the packet 13, respectively, as rotation angle detection devices to be described later. There is. FIG. 2 is a block diagram of the electrical circuit of the device of the present invention. 2
1.22 and 23 are installed at the 0 point, B point, and 0 point, respectively, and determine the rotation angle of the boom 11 with respect to the aircraft body, the rotation angle of the arm 12 with respect to the boom 1, and the rotation angle of the packet 13 with respect to the arm 12. The potentiometers 24, 25 and 26 respectively detect the boom 11,
Operation lever 11c of arm 12 and packet 13, 1
2c and 13c are potentiometers for detecting the manipulated variables, 27 is a potentiometer for setting the excavation angle, 28
are pressure needles that detect the pressure of the boom 11, and their respective outputs are input to the arithmetic unit 31 via an analog-to-digital converter 29. The arithmetic device 31 uses a microcomputer and is composed of RAM, ROM, CPU, input/output interface, etc.
Each of the aforementioned potentiometers 21 to 21 based on the operation command of
27 and the oil pressure gauge 28, and based on the results, control signals for operating the boom 11, arm 12, and packet 13 are sent to the digital-to-analog converter 3.
2. Hydraulic cylinder ll through amplifier 34.35.36
a, 12a and 13a expansion control circuit (for example, hydraulic cylinder 11a; drive circuit for an electromagnetic directional control valve interposed in the hydraulic circuit of 12a and 13a) llb, 12b and 13b. The display device 33 displays the excavation angle set by the excavation angle setting device 27 or the support for the operator. The switch 30 is a switch for selecting automatic or manual excavation work, and when it is turned on, enables automatic excavation according to the excavation angle set by the excavation angle setting device 27, and when the input operation is not performed, the operation lever llc,
Boom 11 and arm 12 are activated by operating 12c and 13c.
and manual manipulation of the packet 13 is performed. During automatic excavation, by tilting the boom operation lever llc forward or backward, you can instruct the start of automatic excavation and its direction (returning the working arm or digging-111), and also The excavation speed Vβ is set according to the tilting operation amount (angle). Next, regarding the control of automatic straight excavation by the apparatus of the present invention configured as described above, the functional block diagram of FIG.
This will be explained with reference to the explanatory diagram of FIG. 4 showing the coordinate positional relationship of D, etc. Note that the processing of the arithmetic unit 31 is as shown in FIG.
The rotation is performed using an X-Y coordinate system with the rotation center O of the boom 11 as the origin, the horizontal line passing through the origin 0 as the X axis, and the vertical line as the Y axis. In Fig. 4, each symbol is as follows. Assume that it is defined. α: Naz boom angle of line segment OB with respect to the Y axis β: Line segment OB
Arm angle γ of line segment BC between line segment BC: Packet angle D formed by line segment CD with respect to line segment BC: Cutting edge point G of bucket 13: Finished excavation surface, however, the slope angle θ is the intersection with the ground plane of the crawler Angle G': Bracket when moving the bucket cutting edge in a straight line along the finished excavation surface G 7) Planned movement locus of pivot point C 11: Boom length, OB length I12: Arm length, BC length b: Scheduled movement of bucket pivot point C! Distance from the intersection of the IL trace G' and the Y axis to the origin 0 First, to start automatic straight excavation, the operator manually operates each operating lever Ilc, 12c, 13c to adjust the distance between the boom IL arm 12 and the bucket. 13 and set them to the work start positions indicated by solid lines in FIG.
7 to set the excavation angle θ. Note that the following explanation will be given for the case where each excavation θ is set to +60° (angle θ−+60° shown in FIG. 4). After reading the set excavation angle θ, the calculation device 31 determines the control mode. This control mode refers to the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-164830.
According to the invention, control of boom II and arm 12 is divided into first and second modes based on the following idea. That is, when the boom 11 and the arm 12 are rotated to perform linear excavation with a slope angle of 60°, for example, the relationship between the required operating angles of the boom angle α and the arm angle β is as shown in FIG. In the initial work area from the work start position shown by the solid line in the figure to the range shown by the dashed-dotted line, in which the arm 12 is rotated downward until the arm angle β becomes about 80°, the arm angle β is largely changed. However, the change in the boom angle α is small; on the other hand, in the later work area up to the range shown by the two-dot chain line, where the arm 12 is rotated further downward to excavate, the change in the boom angle α is large. However, the change in arm angle β is slight. Therefore, if the boom 11 or the arm 12 with a larger required operating angle is the main control target, and the one with a smaller operating angle is controlled accordingly, excavation efficiency can be improved. Which of arm 12 is monarchy so 1
The determination as to whether or not the control mode is targeted is made as a control mode determination. Below, in Fig. 4.5, the first mode is the control mode in which the arm 12 in the range marked with (al) is the main control object, and the control mode in which the boom 11 in the range marked (b) is the main control object. The control mode in which the = 60°, the design value determined as the control mode conversion point (two points in Figure 5) In other words, each normally open contact in the logic switch 91 is opened, each normally closed contact is closed, and the arm 12 becomes the first mode which is the main control target, and conversely, the above +
If Equation 11 is not satisfied, the logic switch 91 is activated, that is, each normally open contact in the logic switch 91 is closed, each normally closed contact is opened, and the boom 11 becomes the second mode to be controlled. As mentioned above, in energized linear excavation, at the beginning of excavation, first mode control is performed in which the arm 12 is the main control object, so the logic switch 91 is inactive, that is, in the state shown in FIG. 3. ing. The calculation device 31 reads the current boom angle α0, arm angle β0, boom length III, and arm length 7!2 and calculates the coefficient of variation X using the following equation (2). Then, based on this coefficient of variation Then, the rate of change dα of the boom angle α is relatively small, and conversely, the rate of change dα of the boom angle α is
Since the rate of change dIj is relatively large, the coefficient of variation X is a relatively large value, and therefore the control amount Y1
2' will be a value close to 1, which will actually be a signal to operate the armature 12 relatively quickly, while the control IYu' of the boom 11 will be a value close to zero, so this will actually be a signal that activates the armature 12 relatively quickly. This is a signal that activates relatively slowly. On the other hand, the arithmetic device 31 operates on the boom 11 and the arm 12 described above.
At the same time as calculating the control amounts YiI' and YL2', calculations are also performed to calculate the control amounts of the boom 11 or arm 12 to be slave-controlled, that is, the deflection angles Δβ and Δα. As mentioned above, this
For example, the boom 11 is slave-controlled in the first mode.
0 control amount Y1. ' has a value close to 0, so the deviation Δα between the calculated boom angle α1 and the actually measured current boom angle α0 is used as the control amount. Note that in the second mode, the arm 11 is driven and controlled, but in this case, the calculated arm angle β1 and the current arm angle β. The deviation Δβ from that is the control amount. The driven control amounts Δα and Δβ are shown below (4) and (5), respectively.
Formula and +61. It is determined by Te1 type. (□Margin below) Δ6=. . -α, ... (5) ) I! Also, 5=7-θ hg=bcosθ Δβ=β0-βl (7) In the above formulas (4) to (7), α1. β□ is each punim 1
1 and arm 12 are the control amount Y11' r YI2''
These are the boom angle α and the arm angle β for positioning the pivot point C of the packet 13 on its planned trajectory G' when the control is performed as follows.These and the current boom angle α and arm angle β. The deviations Δα and Δβ from the boom angle α and the arm angle β, that is, the required operation phrases.The deviations Δα and Δβ of the boom angle α and arm angle (Formula 11% Formula % (holds true) In the initial work area where the arm 12 in the first mode is under active control, the deviation Δα of the boom angle α becomes the driven force difference ε, and conversely, the above equation (i) does not hold. In the latter work area where the boom 11 of the 2nd seventh door is actively controlled, the arm angle β
The deviation ΔH is selected as the driven error 4R. The control circuit 31 calculates this driven error ε as shown below (21). Comparative judgment is made using equation (22), and the operating speed of the working arm, which is a feature of the present invention, is gradually increased at the start of automatic linear excavation control.゛l g l > Csp − (21) 1ε l < Cst... (22) However, Cs
t≦Csp This gradual increase control of the operating speed of the working arm is performed only at the start of automatic excavation, and is performed at the same time as the aforementioned control amounts Y, ,', and control amount Y12' of the boom 12 are calculated. , the arithmetic unit 31 reads the operation amount VZ of the boom operation lever (llcO), and converts it into an excavation speed instruction signal Vr during automatic excavation according to the speed instruction signal conversion table 92. In the conversion table 92, a dead band in a predetermined range is set on both sides above and below the current boom operating lever Ilc operation amount VZ, and beyond this dead band, the boom operating lever Ilc is changed.
When c lJ is operated, it is converted into an excavation speed instruction signal Vr in proportion to the operation amount VJ that exceeds the dead band. This excavation speed instruction signal Vr is given to the excavation start speed control section 93. This excavation start speed control minute 93
is a type of delay circuit, and its output Vr' is zero at the start of automatic excavation, after which it gradually increases at a constant slope and becomes equal to the input Vr after a predetermined time T has elapsed, and thereafter outputs the input Vr directly. It is. Further, the excavation start speed control section 93 is configured such that the gradual increase in the output Vr' is once stopped when the aforementioned driven error ε becomes equal to or greater than a predetermined value during the period in which the output Vr' is gradually increased. That is, the control circuit 3I compares the absolute value 1ε1 of the driven error ε with the predetermined upper limit value Csp using the above-mentioned equations (21) and (22),
As a result, when the absolute value 1ε1 of the driven error ε becomes larger than the predetermined upper limit Csp, the gradual increase in the output signal Vr' of the excavation start speed control section 93 is temporarily stopped, and the output is maintained at a constant level. Eventually, the absolute value 181 of the driven error ε reaches the predetermined upper limit C
When the value becomes equal to or less than a predetermined value Cst, which is a value slightly lower than sρ, the gradual increase in the output signal Vr' of the excavation start speed control section 93, which had been maintained constant until then, is resumed. By adopting such a control method at the start of automatic excavation, operation of the arm 12 (or boom 11) at full speed immediately after the start of automatic excavation is avoided, and furthermore, when the driven error ε exceeds a predetermined value In this case, the increase in excavation speed is stopped until the driven error ε becomes equal to or less than a predetermined value. The excavation speed instruction signal Vr' outputted from the excavation start speed control section 93 in this way is the control amount Y11' of the boom 11.
, are multiplied by the control amount Y12' of arm I2, respectively, and then multiplied by constants C1 and C2 (both are design constants determined by the characteristics of the hydraulic circuit, electric circuit, etc.), and the boom If and Extension/contraction control circuit Ilb for arm 12. 12b. On the other hand, the driven error ε is given to the control unit 011 93 immediately after the start of excavation as described above, and is also given to the boom 1 by multiplying the constant by α.
The follower control signal of 1 is set as α and ε and sent to the boom 11 telescopic control circuit 11b, and the constant is multiplied by β and then sent to the arm 12.
The follower control signals are converted into β and ε and sent to the extension/contraction control circuit 12b of the arm 12. By the way, for each constant α,
In the first mode in which the arm 12 is actively controlled, Kβ is:
Kα is the gain (ratio of output signal to input signal) Ks
However, Km is substituted for Kβ, and on the other hand, in the second motor ° where the boom 11 is actively controlled, the gain Km is substituted for α, and Kβ
The gain Ks is substituted into , and Km, which is the gain of the active control a11 example, is set to a small value relatively close to zero, and KS, which is the gain of the driven control side, is set to a large value relatively close to 1. ing. Therefore, in the initial work area of the first mode where the arm 12 is under active control immediately after the start of excavation, β and ε are compared with the control signal Y12 superimposed on the control signal Y12 given to the extension control circuit 12b of the arm 12. Since the target is small, the control of the arm 12 is mainly controlled by the control signal YI2, and the control signal Y11 given to the extension/contraction control circuit 11b of the boom 11, which is controlled by force differential, has a small value, and the driven signal YI2 is superimposed on this. Since the control signal α and ε are relatively large values, the control of the boom 11 is based on the driven control signal α and ε.
mainly controlled by. In this way, in the first mode of control in the initial work area where the arm 12 is under active control and the boom 11 is under control, which is performed at the beginning of normal automatic linear excavation, as the excavation work progresses, the control shown in FIG. The conversion point of the work area shown by the two-dot chain line, that is, the two points in FIG. 5 is reached. In this case, the above-mentioned equation (1) does not hold, and the control mode determination result becomes the second mode, and the logic switch 91 operates to close the sealed contact and to make each normally closed contact circuit. On the other hand, in the latter work area, the second mode of control is performed, but in this case, the rate of change dα of the boom angle α is relatively large and the rate of change dβ of the arm angle β is relatively small, so the above ( 1) Since the variation coefficient X in the equation gradually changes from 1 to a value close to 0, the control amount YI2' of the arm 12 approaches O, and the control amount Y11' of the boom 11 approaches infinity. . Therefore, the telescopic control circuit 11b of the boom 11 is given an active control signal Y11 obtained by multiplying this control amount Yll' by the excavation speed instruction signal Vr' and the constant CI, while the telescopic control circuit 12b of the arm 11 is given An active control signal Y12 is given by multiplying the control amount Y12' by an excavation speed instruction signal Vr' and a constant 02. By the way, in this second mode of control, the logic switch 9
1, the constant by which the driven error ε is multiplied is converted, and the expansion/contraction control circuit 11b of the boom 11 which is under main control has a driven control signal obtained by multiplying the driven error C by a constant Ks, which is relatively close to zero, and α・ε is given and the arm 12 is driven and controlled.
The expansion/contraction control circuit 12b is provided with a driven control signal β·ε obtained by multiplying the driven error ε by a relatively large gain Km. Therefore, in the second mode of control in the latter working area, the control of the boom 11 which is under main control is based on the slave control signal α and ε.
The arm 12 is controlled mainly by the active control signal Yu, which is relatively large compared to the speed instruction signal Vr and approaches the speed instruction signal Vr, and the control of the arm 12 is relatively small and approaches zero (compared to the active control signal Y12). β・ε for the driven control signal, which is relatively large.
mainly controlled by. By the way, the deviations Δα and Δ of boom angle α and arm angle β
β is also provided to integration circuits 94 and 95 for integration. The output values ΣΔα and ΣΔβ of these two integrating circuits 94 and 95 are controlled by the above-mentioned logic switch 91 in the arm 12.
In the first mode in which the boom 11 is under active control, the integral value ΣΔα of the deviation of the boom angle α of the boom 11 under slave control is multiplied by a predetermined constant of 2, and then the telescopic control circuit l of the boom 11 is
lb, and conversely the boom 11 is actively controlled.
In the mode, the integrated value ΣΔβ of the deviation of the arm angle β of the arm 12 which is subject to slave control is multiplied by 3 by a predetermined constant, and then applied to the extension/contraction control circuit 12b of the arm 12. Therefore, the larger the driven error ε becomes, the faster the speed of the driven control of the boom 11 or arm 12 becomes.
The blade edge of the packet 13 is controlled quickly in the direction in which β is eliminated. Next, the sharpness of the cutting edge of the packet 13 is
Compensation control for linearly moving along the excavated finished surface G regardless of the control in step 1 will be explained. This is boom 1
1 and the rotation of the arm 12, the angle of the packet cutting edge with respect to the excavation surface, in other words, the vertical distance between the packet pivot point C and the finished excavation surface Ga, is maintained constant, and is as follows. This is performed using equations (10), (11), and (12). φ0=π−(αθ+β0+To > −・・ot++φ
=π−(α1+β++r+)'...(11)Δφ=φ
0-φ...(12) The above formula 01I1 is the current boom angle α0 and arm angle β. ,
It is the control amount of packet 13 formed from packet angle γ0,
The above formula (11) is boom 11, arm 12, packet 1
This is the control amount of the packet 130 required by the control of No. 3, and the difference Δφ between both equations (12) and Equation (12) above is the actual control amount of the packet 13. The actual control amount Δ of this packet 13
A value Y13 obtained by multiplying φ by a constant indicating the control speed and further adding a designed constant 03 is given to the expansion/contraction control circuit 13b as a control signal of the packet 13. Note that when the boom 11 is rotated in the upward direction, the boom mu
The detection signal pb of the oil pressure gauge 28 that detects the upper pressure of
After the predetermined constant is multiplied by 4, the switch 96 is activated when the boom li is rotated in the upward direction.
It is applied to the expansion/contraction control circuit 11b of the boom 11. Therefore, when the boom 11 is raised, the weight of the boom 11, etc. is compensated for, and differences in control sensitivity due to the weight, etc. of the boom 11 are prevented. [Effects] As detailed above, in the automatic control device for a hydraulic excavator according to the present invention, the output of the signal instructing the start of automatic excavation, particularly the operating speed of the working arm, is sequentially increased to gradually accelerate the excavation speed. In addition, if the control error with the planned excavation line exceeds the allowable value, the control signal will stop increasing and the excavation speed will remain constant until the control error is within the allowable value. Excessive excavation caused by the influence of inertia of the boom, arm, etc. caused by the sudden supply of hydraulic oil at the start of excavation, expansion of hydraulic piping, contraction of hydraulic oil, etc. is avoided. Furthermore, the excavation speed is directly controlled after a predetermined period of time has elapsed, so in the event of a power outage, etc.
Rapid operation is possible.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
図面は本発明の実施例を示すものであり、第１図は本発
明装置を装備した油圧ショベルの略示外観図、第２図は
本発明装置の構成を示すグロック図、第３図は演算装置
の処理内容を示す機能グロック図、第４図は座標系の説
明図、第５図は制御モードの判定基準を示すグラフであ
る。
１１・・・ブーム １２・・・アーム １３・・・ハケ
ソト ３１・・・演算装置 ９２・・・速度指示信号変
換テーブル ９３・・・掘削開始速度制御部 ０・・・
ブーム回動中心 Ｂ・・・アーム回動中心 Ｃ・・・パ
ケット回動中心 Ｄ・・・ハケソト刃先
特 許 出願人 株式会社多田野鉄工所代理人 弁理士
河 野 登 夫The drawings show an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a schematic external view of a hydraulic excavator equipped with the device of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the device of the present invention, and FIG. 3 is a calculation diagram. FIG. 4 is a functional block diagram showing processing contents of the apparatus, FIG. 4 is an explanatory diagram of a coordinate system, and FIG. 5 is a graph showing control mode determination criteria. DESCRIPTION OF SYMBOLS 11... Boom 12... Arm 13... Brushing machine 31... Arithmetic unit 92... Speed instruction signal conversion table 93... Excavation start speed control section 0...
Boom rotation center B...Arm rotation center C...Packet rotation center D...Brush cutting edge patent Applicant Tadano Iron Works Co., Ltd. Agent Patent attorney Noboru Kono