JP2631757B2

JP2631757B2 - 建設機械の掘削制御方法

Info

Publication number: JP2631757B2
Application number: JP13358090A
Authority: JP
Inventors: 尚暢森; 誠覚前; 憲彦林
Original assignee: Yutani Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kobelco Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1997-07-16
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JPH0427029A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、法面掘削（仕上げ）作業や水平押出し作
業のように、バケットを掘削面に対して一定の高さ位置
および姿勢に保ちながら移動させる掘削作業を繰返し行
うための油圧ショベルの掘削制御方法に関する。

従来の技術建設機械のうち油圧ショベルの掘削制御方法に関して
は、特開昭64−14430号にて開示されている。第５図
は、従来技術の掘削制御方法により作動される油圧ショ
ベルの外観図である。図において、１は油圧ショベル本
体の旋回体、２は旋回体１のフロント部に枢着されたブ
ーム、３はアーム、４はバケット、５はブームシリン
ダ、６はアームシリンダ、Ｏはブーム基端、Ａはブーム
先端、Ｂはアーム先端、θ_１はブーム２の対地角度（ブ
ーム角度と同じ）、α_２はブーム２に対するアーム３の
角度（アーム角度と同じ）、α_３はアーム３に対するバ
ケット４の角度（バケット角度と同じ）、βは掘削角
度、l₁はブーム基端Ｏからブーム先端Ａまでの距離（ブ
ーム長さ）、l₂はブーム先端Ａからアーム先端までの距
離（アーム長さ）、ｘは水平座標軸、ｙは垂直座標軸、
Ｇは掘削面である。なお、油圧ショベルが法面掘削を行
う場合における、アーム先端Ｂ位置の座標計算は、上記
座標軸x,yに対し掘削角度β分だけ回転した座標軸ｘ′,
y′に基づいて行われる。次に第６図は、従来技術の掘
削制御方法の基本実施例を示す制御をブロック図であ
る。第７図は、従来技術の実施例におけるコントローラ
C₀の機能ブロック図である。

次に、従来技術の掘削制御方法を第５図，第６図につ
いて述べる。まず、掘削動作時の操作手順は次の通りで
ある。

（イ）オペレータが手動によりバケット４を掘削面Ｇに
おける掘削開始地点（たとえば第５図の実線位置）にセ
ットする。

（ロ）この状態で初期姿勢設定スイッチ15をオンとし、
初期姿勢を記憶するとともに、掘削角度設定スイッチ13
により目標角度βを設定する。

（ハ）自動・手動切換スイッチ14を自動側にセットす
る。

（ニ）アームレバーを操作して自動掘削を開始し、バケ
ット４を第５図の矢印イ方向に移動させて第１回目の自
動掘削を行う。

（ホ）アームレバーを戻して第１回目の自動掘削を終了
する。

（ヘ）自動・手動切換スイッチ14を手動側に戻す。

（ト）オペレータが手動により、バケット４をおよその
初期姿勢に戻す。

（チ）再び、自動・手動きスイッチ14を自動側にセット
する。

（リ）自動復帰スイッチ16により、バケット位置および
姿勢を上記（ロ）項で記憶した初期姿勢に正確に合わせ
る。

（ヌ）上記（ニ）項および（ホ）項と同様にアームレバ
ーを操作して、第２回目の掘削動作を行う。

以下、（ヘ）項〜（ヌ）項の操作を繰返すことによ
り、繰返し掘削動作が行われる。

次に、上記掘削動作時におけるコントローラＣの機能
を第７図について述べる。コントローラＣは、アーム制
御ブロックC₁と、ブーム制御ブロックC₂と、バケット制
御ブロックC₃とから成り、上記繰返し掘削動作における
各回動動作時に、複数の時点ごとに各制御ブロックC₁,C
₂,C₃において、アーム，ブーム，バケットの各シリンダ
（6,5,7）に対する制御量が以下のようにして求められ
る。

（Ｉ）アーム制御ブロックC₁ このブロックC₁においては、アームレバー用パイロッ
ト圧検出器11または12によるアームレバー信号（速度指
令信号）に、演算手段20によって所定のゲインをかけて
基本制御量u₂₁を出し、これにアームリンク補正手段21
による補正を加えて、１次補正制御量u₂₂を求め、これ
にさらに非線形補償手段22により補正を加えた２次補正
制御量u₂をアームシリンダ油圧制御部17に対する制御量
として、出力するようにしている。それによりアーム３
は、アームレバー操作による指令速度に従って一定角速
度で手動制御される。

（II）ブーム制御ブロックC₂ このブロックC₂においては、一回の掘削動作中におけ
る各時点ごとにブーム角度，アーム角度用の両検出器8,
9による現在のブーム角度θ_１およびアーム角度α_２が
入力され、これら角度信号と、アーム制御ブロックC₂の
基本制御量u₂₁とに基づいて、ブームシリンダフィード
フォワード制御手段23により、アーム先端Ｂの高さ位置
（バケット高さ位置）y_bを一定に保つためのブームシリ
ンダフィードフォワード制御量u₁₁の演算が行われる。
また上記ブーム角度信号およびアーム角度信号から、実
際のアーム先端Ｂの高さ位置y_bが、座標演算手段24によ
り計算で求められる。なお座標軸（x,y）は図示しない
目標角度βにより座標軸ｘ′,y′に補正され、入力値θ
_１およびα_２も座標軸ｘ′,y′を対称とした値に補正さ
れたものとする。そしてこの演算値y_bと、アーム先端高
さ位置の目標値y_boとの偏差Δy_bから、比例積分手段25
によってフィードバック制御量u₁₂が演算される。ま
た、上記フィードバック制御量u₁₂は学習手段26に入力
される。この学習手段26においては、入力されたフィー
ドバック制御量u₁₂に学習ゲインをかけて学習値を求
め、この今回の学習値と前回同一時点での学習値とを加
算してその合計値を記憶（学習値を更新）するととも
に、記憶ずみの前回学習値を今回の学習制御量u₁₃とし
て出力する。こうして掘削動作ごとに各時点における学
習値を更新しながら、更新前の学習値u₁₃を、ブームシ
リンダフィードフォワード制御量u₁₁、フィードバック
制御量u₁₂に加えて基本制御量u₁₄を求める。この基本制
御量u₁₄に、ブームリンク補正手段27による補正（第１
次補正制御量u₁₅）、ブーム姿勢補正手段28による補正
（第２次補正制御量u₁₆）、非線形補償手段28による補
正を加えてブームシリンダ制御出力U₁が求められる。上
記のように掘削動作を繰返すごとに制御精度が向上され
るので、アーム先端Ｂがその高さを一定状態に保ちなが
ら、掘削面Ｇに沿って直線移動するようにブーム２が制
御される。

（III）バケット制御ブロックC₃ このブロックC₃においては、アーム制御ブロックC₁の
基本制御量u₂₁と、ブーム制御ブロックC₂の基本制御量u
₁₄とが取込まれ、バケットシリンダフィードフォワード
演算手段30により上記両制御量u₂₁,u₁₄に基づいて、バ
ケット対地角度θ_３を目標値θ₃₀と一致させる方向のバ
ケットシリンダフィードフォワード制御量u₃₁が演算さ
れる。一方、バケット角度検出器10によるバケット対地
角度θ_３の検出値と、バケット対地角度の目標値．θ₃₀
との偏差Δθ_３から、比例積分手段31によってフィード
バック制御量u₃₂を求める。また、このフィードバック
制御量u₃₂が学習手段32に入力され、上記ブーム制御ブ
ロックC₂の学習手段26と同様の処理によって学習制御量
u₃₃が出力される。そして、これらフィードフォワー
ド、フィードバック、学習各制御量u₃₁、u₃₂、u₃₃が加
算されて基本制御量u₃₄が求められ、これにバケットリ
ンク補正手段33による補正（１次補正制御量u₃₅）、お
よび非線形補正手段34による補正を加えてバケットシリ
ンダ制御出力u₃を求める。これによりバケット対地角度
θ_３が一定（目標値）に保たれる。

上記（Ｉ）アーム制御ブロックC₁,（II）ブーム制御
ブロックC₂,（III）バケット制御ブロックC₃の機能が組
合わせて発揮されることにより、制御偏差を効率よく改
善し、油圧ショベルの掘削制御を行うことができる。

次に油圧ショベルの平面掘削・整形制御装置に関して
は、特開昭61−270421号にて開示されている。この提案
（図示しない）では、ブーム回動速度制御部，バケット
回動速度制御部，バケット位置制御部，バケット角制御
部，ブーム操作レバーおよびバケット操作レバーによる
操作手順を備えており、作業者がブーム操作レバーを操
作して自動掘削に手動介入できるようにしている。

この発明の解決しようとする課題油圧ショベルの旋回対のフロント部には、ブーム，ア
ーム，バケットが順次回動自在に連結されている。そし
て上記ブーム，アーム，バケットの連結部には、結合ピ
ンが枢着されている。その結合ピンと軸受部との間に
は、結合ピンの着脱必要性および円滑な回動を行うため
に、若干の隙間を設けている。そのために上記連結部に
はそれぞれいわゆる機械的ガタが存在する。

しかし従来技術の掘削制御方法をそなえている油圧シ
ョベルでは、掘削作業時に上記機械的ガタにより生じる
掘削目標軌道面のずれを補正することができなかった。
オペレータは上記掘削面角度を修正するために、掘削制
御方法の制御を一旦中止して、掘削面角度の再設定を行
っていた。またその場合に、再設定すべき角度の正確な
値を決定する手段がないので、掘削精度誤差が発生し、
作業能率を低下させていた。

この発明は上記の課題を解決し、油圧ショベルの機械
的ガタにより生じる掘削目標軌道面のずれを補正できる
掘削制御方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段上記の課題を解決するために講じたこの発明の手段
は、イ．掘削面に対する従来技術の掘削制御方法において、
その制御での操作に使用しない操作レバーを、手動介入
にて操作することにより、所定のレバー操作に対し掘削
面に対する目標直線軌道の高さを補正演算するように
し、ロ．また所定のレバー操作に対し、目標直線軌道の角度
を補正演算するようにした。

作用イ．まずここで、目標直線軌道の高さ補正はブーム操作
で、角度補正はバケット操作で、制御開始はアーム操作
で行うものと設定する。

ブーム操作レバーを手動介入により操作すると、その
ブーム操作信号はコントローラの目標高さ演算手段に入
力される。目標高さ演算手段では上記ブーム操作信号に
より目標高さの演算を行い、その演算結果である目標高
さに基づいてブーム制御ブロックでブームシリンダ制御
出力を導出する。それにより、掘削面に対してアーム先
端が移動する目標直線軌道の高さを、繰返し掘削動作の
制御周期毎に変更することができる。

ロ．バケット操作レバーを手動介入により操作すると、
そのバケット操作信号はコントローラの目標角度演算手
段に入力される。目標角度演算手段では上記バケット操
作信号により目標角度の演算を行い、演算結果である目
標角度に基づいてブーム制御ブロックでブームシリンダ
制御出力を導出するとともに、バケット制御ブロックで
バケットシリンダ制御出力を導出する。それにより、目
標直線軌道の建設機械に対する角度を、所定の周期毎に
変更することができる。

実施例以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。第１図は、この発明の実施例におけるコントロー
ラC₀の制御ブロック図である。図において、従来技術と
同一構成要素を使用するものに対しては同符号を付す。
41はブーム操作レバー、42はバケット操作レバー、Ｃ′
_２はブーム制御ブロック、Ｃ′_３はバケット制御ブロッ
ク、35は目標角度演算手段、36はバケット対地角度演算
手段、37は目標高さ演算手段である。第２図は、この発
明の実施例におけるコントローラＣ′_０の機能を示すフ
ローチャートである。第３図は、この発明にかかる掘削
制御方法が適用される油圧ショベルを示す側面図であ
る。図において43は油圧ショベル本体の旋回体、44はブ
ーム45はアーム、46はバケット、47はアイドラリンク、
Ｏ′は旋回体43とブーム44基端との連結点、Ａ′はブー
ム44先端とアーム45基端との連結点、Ｂ′はアーム45先
端とバケット46基端との連結点（すなわちＢ′はアーム
先端と同じ点である）、Ｄはアーム45とアイドラリンク
47との連結点、48,49,50はそれぞれ連結点Ｏ′,A′,Dに
設けられた回動角度検出器である。第４図は、ブーム操
作レバー41を手動介入した場合のブーム操作の状態と、
アーム先端Ｂ′の高さｈとの関係を示す図表である。

次に、この発明にかかる掘削制御方法を第１図〜第４
図について述べる。ブーム操作レバー41によるブーム操
作信号i₁をコントローラＣ′_０の目標高さ演算手段37
に、またバケット操作レバー42によるバケット操作信号
i₂を目標角度演算手段35にそれぞれ入力できるように設
定し、ブーム操作レバー41を手動介入により操作したと
き掘削面Ｇ′に対する目標直線軌道ロ（第３図参照）の
高さｈを、繰返し掘削動作の制御周期毎に変更するよう
にし、またバケット操作レバー42を手動介入により操作
したとき目標直線軌道ロの油圧ショベル車体に対する角
度degを所定の周期毎に変更するようにした。

次に、この発明にかかる掘削制御方法の作用機能につ
いて述べる。まずここで、目標直線軌道の高さ補正はブ
ーム操作で、角度補正はバケット操作で、制御開始はア
ーム操作で行うものと設定する。ブーム操作レバー41を
手動介入により操作すると、そのブーム操作信号i₁はコ
ントローラＣ′_０の目標高さ演算手段37に入力される。
目標高さ演算手段37では上記ブーム操作信号i₁により目
標高さ（アーム先端高さ目標値y_b0と同じ）の演算を行
い、演算結果である目標高さ（y_b0）に基づいてブーム
制御ブロックＣ′_２でブームシリンダ制御出力ｕ′_１を
導出する。それにより、掘削面Ｇ′に対してアーム先端
Ｂ′が移動する目標直線軌道ロの高さ（y_b0）を、繰返
し掘削動作の制御周期毎に変更することができる。ま
た、バケット操作レバー42を手動介入により操作する
と、そのバケット操作信号i₂はコントローラＣ′_０の目
標角度演算手段35に入力される。目標角度演算手段35で
上記バケット操作信号i₂により目標角度βの演算を行
い、演算結果である目標角度βに基づいてブーム制御ブ
ロックＣ′２でブームシリンダ制御出力ｕ′_１を導出す
るとともに、バケット制御ブロックＣ′_３でバケットシ
リンダ制御出力ｕ′_３を導出する。それにより、目標直
線軌道ロの油圧ショベルに対する角度（β）を所定の周
期毎に変更することができる。

したがってオペレータがブーム上げ操作の手動介入を
行うと、第４図のように目標直線軌道ロの目標高さｈを
制御周期毎に寸法Δαずつ増加させ、またブーム下げ操
作の手動介入を行うと目標高さｈを寸法Δαずつ減算さ
せることができる。また、オペレレータがバケット掘削
の操作を行うと、直線軌道面の角度β（deg）を制御周
期毎に角度Δβずつ加算し、バケット放出の操作を行う
と、直線軌道面の角度degを制御周期毎に角度Δβずつ
減算してゆき、新しく更新された目標高さh,角度degに
対し制御演算を行い、バケット刃先の軌道を変更するこ
とができる。

発明の効果従来技術の掘削制御方法にそなえている油圧ショベル
では、掘削作業時にブーム，アーム，バケットの連結部
などに起因する機械的ガタにより生じる掘削目標軌道面
のずれを補正することができなかった。

しかしこの発明にかかる掘削制御方法では、ブーム操
作レバーの手動介入操作を行うことにより、掘削面に対
してアーム先端が移動する目標直線軌道の高さを、繰返
し掘削動作の制御周期毎に変更することができる。また
バケット操作レバーの手動介入操作を行うことにより、
目標直線軌道の油圧ショベルに対する角度を所定の周期
毎に変更することができる。

したがってこの発明にかかる掘削制御方法をそなえて
いる建設機械では掘削目標軌道面のずれを補正できるの
で、建設機械の機械的ガタに起因する掘削制御誤差を少
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例におけるコントローラの制御
ブロック部、第２図はこの発明の実施例におけるコント
ローラの機能を示すフローチャート、第３図はこの発明
にかかる掘削制御方法が適用される油圧ショベルを示す
側面図、第４図はブーム操作レバーを手動介入した場合
のブーム操作の状態とアーム先端高さとの関係を示す図
面、第５図は従来技術の掘削制御方法により作動される
油圧ショベルの外観図、第６図は従来技術の掘削制御方
法÷基本実施例を示す制御ブロック図、第７図は従来技
術の実施例におけるコントローラの機能ブロック図であ
る。 2,44……ブーム 3,45……アーム 4,46……バケット５……ブームシリンダ６……アームシリンダ７……バケットシリンダ 35……目標角度演算手段 36……バケット対地角度演算手段 37……目標高さ演算手段 41……ブーム操作レバー 42……アーム操作レバー C₀,C′_０……コントローラ C₁……アーム制御ブロック C₂,C′_２……ブーム制御ブロック C₃,C′_３……バケット制御ブロック

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ブーム，アーム，バケットのそれぞれ角度
位置を検出する位置検出手段と、ブーム，アーム，バケ
ットの各操作レバーの操作量を検出するレバー操作料検
出手段と、ブーム，アーム，バケットの各アクチュエー
タを作動させる作動手段と、掘削角度の目標値を設定す
る設定手段をそなえ、設定された操作レバー１本のみを
操作することにより上記バケットが掘削面に対して一定
の関係をもって移動するようにしている掘削制御方法に
おいて、上記制御での操作に使用しない操作レバーを、
手動介入にて操作することにより、所定のレバー操作に
対し掘削面に対する目標直線軌道の高さを補正演算する
ようにし、また所定のレバー操作に対し目標直線軌道の
角度を補正演算するようにしたことを特徴とする建設機
械の掘削制御方法。