JPS62220619A - 積込機械の自動掘削装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業−にの利用分野〕 この発明は、ホイールローダ、ペイローダやトラクタシ
ョベル等の積込機械において、作業機アクチュエータを
負荷に応じてマイクロコンピュータ制御することにより
運転者の技術によらない効率良い掘削作業をなし得るよ
うにした積込機械の自動掘削装置に関する。

〔従来の技術〕

作業機アクチュエータとしてブームおよびバケットを有
するホイールローダ、ペイローダあるいはトラクタショ
ベル等の積込機械は、コンパクトで小回りがきき、しか
も購入価格が安い等の点で１−木作業現場、畜産分野、
園芸造園分野、除雪作業等の幅広い分野で使用されてい
る。

この種の積込機械においては、ブームシリンダによって
ブームを」１下に回動するとともにバケットシリンダに
よってバケットにチルトおよびダンプ動作を行なわせる
ようになっており、これらブームおよびバケットの回動
動作によって土砂等の掘削および積込作業を行なう。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、かかる積込機械の油圧回路には通常バケット
優先のタンデム回路が用いられ、またブームシリンダお
よびバケットシリンダを駆動する各切換バルブは流量固
定のオン・オフ制御が行なわれているため、ブームおよ
びバケットを同時操作することができず、各作業機アク
チュエータを１−手く切換えて能率良い掘削を行なうに
は極めて高疫な熟練を要し、この為、未熟な運転者では
、バケッ］・を水平方向に突込み過ぎで垂直抵抗が過大
になり車両後部が持ち上がる、バケットが早く−にかり
過ぎて掘削土ｍが不足する、あるいは負荷が過大となり
タイヤがスリップすること等が多くあり、運転者の運転
技術によって作業能率か大きく変化するという問題点が
ある。

この発明は−１，記実情に鑑みてなされたもので、現（
１：の主流である流は固定でかつ一方のアクチュエータ
の１１ｉ独操作しかできない油圧回路が搭載された積込
機械において、その構成をほとんど変えることなく、運
転者の技術に左右されずに常に所定上置の掘削を能率良
くなし得る積込機械の自動掘削装置を提供しようとする
ものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる問題点を解決するために、この発明では、バケッ
トに力１目つる掘削抵抗の水！［成分および垂直成分を
逐次算出する手段と、前記水・Ｐ掘削抵抗の１−限およ
び下限設定値と垂直掘削抵抗設定値とを設定する手段と
、前記算出した水平掘削抵抗か前記１−限設定値と下限
設定値との間にあって、前記算出した垂直掘削抵抗が同
垂直掘削抵抗の設定値より小なるときにのみ、ブームの
−１−げ回動を行ない、前記算出した垂ＩＩ″（掘削抵
抗が同垂直掘削抵抗の設定値より大となってから所定の
掘削終了時までの間にのみバケットのチルト駆動を行な
うべくブー　　３　　＝ 一方およびバケットを夫々駆動する各作業機バルブの切
替え制御を行なう制御手段とを具えるようにする。

〔作用〕

かかる構成によれば、水平掘削抵抗値に応じて、貫入走
行−貫入走行・ブーム上昇−貫入走行のサイクル動作が
行なわれ、その後垂直掘削抵抗値が所定の設定値より大
となった時点でバケットのチルト動が開始されることに
なる。

〔実施例〕

第２図は、この発明を適用するホイールローダの外観構
成例を示すものであり、このホイールローダには、バケ
ット１の回転角θ１を検出するバケット角センサ２、ブ
ーム３の回転角θ２を検出するブーム角センサ４、ブー
ムシリンダ５に供給する圧油の油圧Ｐａを検出する油圧
センサ６（第２図中には図示せず）、バケットシリンダ
７に供給する圧油の油圧Ｐｌ）を検出する油圧センサ８
（第２図中には図示せず）が設けられている。

これらバケット角センサ２、ブーム角センサ４、油圧セ
ンサ６および８の検出値θ１、θ２、ＰａおよびＰ　ｂ
は、第１図に示すようにマイクロコンピュータ１０に入
力される。マイクロコンピュータ１０においては、これ
ら検出値を用い掘削中にバケット１に加わる掘削抵抗の
水平成分Ｒｈおよび垂直成分Ｒｖを逐次計算し、自動掘
削モードのときこれら計算値ＲｈおよびＲｖに基づいて
油圧回路２０の駆動制御を行なう。

この油圧回路２０は、ブームシリンダ５を駆動するブー
ムコントロールバルブ２１、バケットシシリンダ７を駆
動するバケットコントロールバルブ２２、タンク２３、
作業機ポンプ２４、パイロットオペレートコン］・ロー
ル（ＰＯＣ）ポンプ２５、ブームコントロールバルブ２
１の切換え制御を行なうリフト用パイロット弁２６、バ
ケットコントロールバルブ２２の切換え制御を行なうチ
ルト用パイロット弁２７で構成される通常のＯＮ・ＯＦ
Ｆ制御形式のタンデム回路構成に、マイクロコンピュー
タ１０からの切替信号Ｓ１およびＳ２によって夫々作動
する切替弁３０および４０を追加するように１７だ。切
替弁３０はリフト用パイロット弁２６からブームコント
ロールバルブ２１の上側（あげがわ）リフトスプール２
８へのパイロット管路に配設されており、切替信号Ｓ１
が未入力のときにはパイロット弁２６と上側リフトスプ
ール２８とを接続するが、切替信号Ｓ１が入力されたと
きにはＰＯＣポンプ２５を−１−側リフトスプール２８
に直結する。切替弁４０はチルト用パイロット弁２７か
らバケットコントロールバルブ２２のチルト側ダンプス
プール２９へのパイロット管路に配設されており、切替
信号Ｓ２が未入力のときにはパイロット管２７とチルト
側ダンプスプール２９とを接続するが、切替信号Ｓ２が
人力されたときには、ＰＯＣポンプ２５をチルト側ダン
プスプール２９に直結する。これら切替信号Ｓ１および
Ｓ２はスイッチ１１の投入によって自動掘削モードが指
定された時、マイクロコンピュータ１０から入力される
。

ここで、かかる実施例構成による自動掘削動作を説明す
る前に、第３図および第４図に従って水・１人抵抗Ｒｈ
および垂直抵抗Ｒｖの導出方法の一例を説明する。

この方法では、入力情報として、バケット回転（ｆＪθ
１、ブーム回転角θ２、ブームシリンダ５に供給する圧
油の油圧Ｐａおよびバケットシリンダ７に供給する圧油
の油圧Ｐ　Ｉ）を用い、これら検出値を用いて水平抵抗
Ｒｈおよび垂直抵抗Ｒｖを導出する。

いま、ブームシリンダ５およびバケットシリンダ７の断
面積を夫々Ｓａ、Ｓｂとすると、各シリンダ５および７
のシリンダ力ＦａおよびＦ　ｂはＦａ　＝Ｐａ−８ａ　
　　　　　　　　−（１）Ｆｂ＝Ｐｂ　−８ｂ　　　　
　　　　　・・・（２）となる。

ここで、抵抗作用点ＰＤ　　（ＸＤ、ＹＤ）がバケット
１の同転（回転角θ１）に対応して第４図に示す如く変
移していくと仮定する。この第４図に示すグラフにおい
て、縦軸はバケットの底板の先端点と抵抗作用点ＰＤと
の間隔ＤＩ７、横軸はバケット回転角θ１であり、θｈ
　（固定値）はバケツ＝　　　７　　− ト１のサイドエツジ１ａが水平となる角度、Ｌｃはサイ
ドエツジ１ａの部分の長さである。

ここで、ピンｐｏを中心とするＸ−Ｙ座標を考え、バケ
ット１が回動前のときのピンＰ１の座標を夫々（Ｘ＋’
　、Ｙ＋’　）とすると、ブーム３か０２回転した後の
Ｐｌの座標（ＸＩ、Ｙｌ）はとなり、またバケットピン
Ｐ１とバケット底板先端点に関する図示間隔をｐｌ、バ
ケット底板とバケットのサイドエツジ１ａとのなす角を
ψとすると、バケット１およびブーム３が夫々θ１およ
びθ２回転した後のｐｎの座標（ＸＤ、Ｙｌ））は、Ｘ
Ｉ）−Ｘ１＋（１＋、ｃｏｓθ１−　Ｄ　Ｌ、ｃｏｓψ
−（４）ＹＤ＝Ｙ＋　十Ω＋−５ｉｎθ１−ＤＩ、−５
ｉｎ　ψ−＝　（５’）となり、第４図のグラフに基づ
き、θ１．θ２回転後のＰＤの座標を特定することがで
きる。

いま、ここで第３図図示の各寸法をＬｌ、Ｌ２゜Ｌ３．
Ｌ４．Ｌ５とし、ピンＰｏまわりのモーメントのつり合
いを考えると Ｒｖ−ＸＤ十Ｒ１１・ＹＤ−Ｆａ−Ｌ４−Ｆｌ）　　・
　Ｌ５　＝　０　　　　　　　　　　　　　　・・・　
（６）となり、またピンＰ１まわりのモーメントのつり
合いを考えると Ｒｖ・　（ＸＤ＋Ｘ１）−Ｒｈ・　（Ｙｌ−Ｙｌ））−
Ｆｂ’　　・Ｌ３＝０　　　　　　　・・・（７）とな
る。また か成立するため、これら（［ｉ）　（７）　（８）式を
解くことによりＲｈおよびＲｖを求めることができる。

次に、第５図に示すフローチャートを参照して、かかる
実施例構成による自動掘削動作を説明する。

オペレータは、自動掘削を行なう場合、自動掘削モート
スイッチ１１を投入した後、エンジンを始動し、ギヤを
例えば１速にし、盛」−に対して車両を走行させる（ス
テップ１００）。この最初の掘削段階においては、ブー
ム３およびバケット１を初期位置に停止］−させた状態
で車両を走行させる水平突込み（日入）掘削を行なう。

マイクロコンピユータ１０は、−１１記スイツチ】１の
没入を検知すると、バケット角センサ２、ブーム角セン
サ４、油圧センサ６および油圧センサ８の各検出値θ１
゜θ２．Ｐａおよびｐｂを取込み、これら検出値を用い
て先の第３図および第４図で説明した方法にしたがって
水平抵抗Ｒｈを演算する（ステップ１１０）。そして、
マイクロコンピュータ１０は、該算出した水平抵抗Ｒｈ
を予設定した水平抵抗の」１限設定値Ｒｈｕと比較しく
ステップ１２０）、Ｒｈ≦Ｒｈｕである場合はステップ
１００に戻り、ステップ１００、ステップ１１０の手順
を再び実行する。すなわち、掘削開始からＲｈか−１−
限設定値Ｒｈｕを超えるまでの間はブーム３およびバケ
ット１は回動しないで水平方向への突込み掘削を行なう
。

しかし、Ｒｈ＞Ｒｂｕとなったときには、マイクロコン
ピュータ１０は切替信号Ｓ１を出力することにより切替
弁３０を切替え、ＰＯＣポンプ２５の油圧をブームコン
トロールバルブ２１の」−側スプール２８へ送り、ブー
ムシリンダ５を上側（あげがわ）に駆動することにより
、ブーム３を上臂させる（ステップ１３０）。尚、自動
掘削モードのときに切替信号Ｓ１が人力されていない場
合、切替弁３０はパイロット弁２６側に接続されている
が、該パイロット弁２６のレバーが中立位置にあるので
、ブームコントロールバルブ２１のスプール２８へ油圧
が送られることはなく、この場合ブーム３は停止１−シ
ている。

次に、マイクロコンピュータ１０は再びセンサ２．４．
６および８の検出値θ１．θ２．ＰａおよびＰ　ｈを取
込み、これら検出値を用い前記＜６）（７）（８）式等
に従って水平抵抗Ｒｈおよび垂直抵抗Ｒｖを算出する（
ステップ１４０）。そして、マイクロコンピュータ１０
は今度は該算出した垂直抵抗Ｒｖを予め設定した垂直抵
抗設定値Ｒｖｓと比較する（ステップ１５０）。尚、垂
直抵抗設定値Ｒｖｓは、垂直抵抗Ｒｖによる前輪まわり
のモーメントを考えた場合、前輪からバケット重心まで
の距離の水弔成分がブーム３の回動に伴なってその長さ
が変化するため、前記垂直抵抗Ｒｖによる前輪まわりの
モーメントを一定とすべくバケットピンＰ１の高さｙ（
掘削開始時を０としたバケットピン高さ）に応じて第６
図に示す如く変化させる。

なお、第６図においてｙａは掘削終了ピン高さの設定値
である。

前述の比較の結果、ＲｖがＲｖｓに満たない場合（Ｒｖ
ｓ≧Ｒｖ）、マイクロコンピュータ１０は、今度は前記
算出した水平抵抗Ｒｈを予め設定した水平抵抗の下限設
定値Ｒｈｄと比較しくステップ１６０）　、Ｒｈ　＞Ｒ
ｈｄである場合は切替信号Ｓ１を出力して前記同様ブー
ムシリンダ５を−Ｌ側に駆動することによりブーム３を
」１昇させる（ステップ１３０）。そして、以後、ステ
ップ１５０およびステップ１６０の各比較の結果がＲｖ
≦ＲｖｓでかつＲｈ＞Ｒｈｄである限りマイクロコンピ
ュータ１０は切替信号Ｓ１を出力してブーム３の−に昇
動作を続行させる。

しかし、ステップ１６０における比較の結果がＲｂ≦Ｒ
１＋ｄとなった場合、マイクロコンピュータ１０は切替
信号Ｓ１の出力を停止し、ブーム３をＥ’−停＋Ｉ−す
る。車両は常に前進しているので、ブーム３の上昇を一
時停止１−するようにすれば、負荷による水平抵抗Ｒｈ
が増大するようになり、掘削」−計不足を防市すること
ができる。この場合、この後手順は再びステップ１００
に戻り、その後、算出した水平抵抗Ｒｈが水平抵抗の」
１限設定値Ｒｈｕを超えるまではブーム３の停止状態を
維持し、Ｒｈ＞Ｒｈｕとなった時点でブーム３は前記一
時停止位置からの上昇運動を再開する。

前記したブーム３の上昇駆動は、ステップ１５０におけ
る比較の結果かＲｙ＞Ｒｖｓとなった時点で終了する（
ステップ１８０）。マイクロコンピュータ１０はＲｖ＞
Ｒｖｓとなった場合、切替信号Ｓ１の出力を停止］二し
てブーム３の上昇駆動を終了するとともに今度は切替信
号Ｓ２を出力することにより切替弁４０を切替え、これ
によりＰＯＣポンプ２５の油圧をバケットコントロール
バルブ２２のチルト側スプール２９へ送り、バケットシ
リンダ７をチルト側に駆動することによりバケット１の
チルト動作を開始する（ステップ１９０）。そして、こ
の後マイクロコンピュータ１０は所定の掘削終了時まで
、前記１；ＩＪ　Ｍ信′−′３′Ｓ２を出力し続けるこ
とによりバケット１を所定角チルトさせた後、今回の掘
削動作を終了する（ステップ２００）。なお、掘削終了
時の検出方法としては、バケット１のサンドニッジ１ａ
が水平になった時点を掘削終了時とする方法、バケット
ピンＰ１の地−に高か所定高さとなった時点を掘削終了
時とする方法、バケットシリングのストロークエンドを
検出する方法等がある。

第７図は、かかる実施例によるバケットの軌跡例を示す
ものであり、状態（１）は掘削開始段階における討入走
行のみの状態（第５図ステップ１００．１１０，１２０
）を示し、状態（Ｉ［）はブームが１゛昇駆動されてい
る状態での貫入走行を示しく１３０，１４０，１５０，
１６０）、状態（ＩＩＩ）はブームか一時停止した状態
での貫入走行を示しくステップ１７０，１００，１１０
゜１２０）、状態（ＩＶ）はブームが上昇駆動されてい
る状態での貫入走行を示しくステップ１３０゜１４０．
１５０，１６０）、状態（Ｖ）はバケットがチルト駆動
されている状態での貫入走行を示している。

かかる実施例によれば、水平抵抗に関しては上限および
下限設定値ＲｈｕおよびＲ１旬を設定し、垂直抵抗に関
しては第６図に示すような設定値ＲＶＳを設定し、逐次
検出した水平抵抗Ｒｈと前記」１限および下限設定値と
の比較結果に応じて貫入走行−貫入走行・ブーム上昇−
貫入走行のサイクル制御を行なうとともに、その後垂直
抵抗の検出値Ｒｖが前記設定値ＲＶＳを超えた時点でブ
ームの−１−昇を終了しかつバケットのチルト動を開始
するような自動掘削を行なうようにしたので、タイヤス
リップ、掘削−に爪不足等の不具合が起こることなく、
常に所定はの土砂を自動掘削することができる。また、
この自動掘削制御によれば、作動させているアクチュエ
ータは、常にバケットシリンダおよびブームシリンダの
うちのいずれか一方であるので、現行の主流機種である
流量固定のタンデム回路構成の油圧回路が搭載された積
込機械の内＝　　　１５　　＝ 部構成を一部変更するのみで能率的な掘削をなし得る自
動掘削機械を実現することができる。

なお、−１−記実施例において、水平抵抗の上限および
下限設定値ＲｈｕおよびＲｈｄと垂直抵抗設定値Ｒｖと
を掘削が１回終了する毎に任意に変更できるような構成
としてもよい。

また、水平抵抗Ｒｈおよび垂直抵抗Ｒｖを求めるための
演算方法も、第３図および第４図を用いて説明した方法
に限るわけでなく、例えば他にロードセル等の荷重計に
よってバケットに加わる負荷を検出し、該検出値と水平
および垂直抵抗ＲｈおよびＲｖとの力のつり合いに括づ
きＲｈおよびＲｖを求めるようにしてもよい。

また、本発明を適用する積込機械もホイールローダに限
るわけでなく、他にペイローダ、トラクタショベル等、
作業機アクチュエータとしてブームおよびバケットを有
するもの全ての機械に適用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、（１）　Ｉ％
ｉｌ削抵抗に応じてブーム駆動およびバケット駆動を切
替え制御するようにしたので、掘削抵抗が過大になると
いったことがなくなりこれによりタイヤスリップを防１
１−シタイヤを長寿命化することができるとともに、掘
削効率を大幅に向」−させることができる （２）オペレータの経験および技術によらずに、常に均
一な土量を掘削することかできる（３）作動させている
アクチュエータは常にバケットおよびブームのうちのい
ずれか一方であるので、現在の主流であるタンデム回路
構成の積込機械に適用して好適である 等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例装置について全体的制御構
成例を示す概略図、第２図はホイールローダの外観的構
成および各センサの配設例を示す側面図、第３図は水平
・垂１１！７抵抗Ｒｈ、Ｒｖを求めるための演算例を説
明するための図、第４図は同演算例に用いる抵抗作用点
の設定移動軌跡の１例を示すグラフ、第５図は同実施例
装置の具体作用例を示すフローチャート、第６図は垂直
抵抗設定値Ｒｖｓとバケット高さｙとの関係を示すグラ
フ、第７図は本実施例装置によるバケット軌跡例を示す
図である。 １・・・バケツ！・、２・・・バケット角センサ、３・
・・ブーム、４・・・ブーム角センサ、５・・・ブーム
シリンダ、６．８・・・油圧センサ、７・・・バケット
シリンダ、１０・・・マイクロコンピュータ、２０・・
・油圧回路、２１・・・ブームコントロールバルブ、２
２・・・バケットコントロールバルブ、２３・・・タン
ク、２４・・・作業機ポンプ、２５・・・ＰＯＣポンプ
、２６・・・リフト用パイロット弁、２７・・・チルト
用パイロット弁、２８．２９・・・スプール、３０．４
０・・・切替弁。 第３図 θｈ　　　　　　θｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ブームおよびバケットを有する積込機械を走行させた状
   態でブームおよびバケットを自動的に駆動制御すること
   により掘削を行なう積込機械の自動掘削装置において、 バケットに加わる掘削抵抗の水平成分および垂直成分を
   逐次算出する手段と、 前記水平掘削抵抗の上限および下限設定値と垂直掘削抵
   抗設定値とを設定する手段と、 前記算出した水平掘削抵抗が前記上限設定値と下限設定
   値との間にあって、前記算出した垂直掘削抵抗が同垂直
   掘削抵抗の設定値より小なるときにのみ、ブームの上げ
   回動を行ない、前記算出した垂直掘削抵抗が同垂直掘削
   抵抗の設定値より大となってから所定の掘削終了時まで
   の間にのみバケットのチルト動を行なうべくブームおよ
   びバケットを夫々駆動する各作業機バルブの切替え制御
   を行なう切替制御手段とを具えた積込機械の自動掘削装
   置。