JP2018159210A

JP2018159210A - ショベル

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Publication number: JP2018159210A
Application number: JP2017056005A
Authority: JP
Inventors: 春男呉; Chunnan Wu; 裕介佐野; Yusuke Sano; 孔康井辻; Yoshiyasu Itsuji
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2017-03-22
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-03-22
Also published as: JP6878073B2

Abstract

【課題】スプールストロークセンサを用いることなく油圧シリンダを高精度に制御できるショベルを提供すること。【解決手段】本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体１と、下部走行体１に搭載される上部旋回体３と、上部旋回体３に取り付けられたアタッチメントと、アタッチメントを動作させるブームシリンダ７と、上部旋回体３に搭載されるメインポンプ１４と、メインポンプ１４からブームシリンダ７へ流れる作動油の流量を制御するスプール型のブーム用制御弁１７Ａと、ブーム用制御弁１７Ａの変位を制御するコントローラ３０とを備える。コントローラ３０は、ブーム用制御弁１７Ａを通過する作動油の流量推定値と、ブームシリンダ７に流入する作動油の流量推定値とに基づいてブーム用制御弁１７Ａの変位をフィードバック制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、油圧シリンダで駆動されるアタッチメントを備えたショベルに関する。

油圧シリンダで駆動されるアタッチメントを備えたショベルが知られている（特許文献１参照。）。このショベルは、目標掘削地形にバケットの刃先が侵入するのを抑制するようにブームシリンダの伸縮を自動制御する。ブームシリンダにはスプール型の制御弁を通じて作動油が供給される。ブームシリンダの伸縮を自動制御する場合、制御弁のスプールは、操作者による操作とは無関係に生成されるパイロット圧によって制御される。このパイロット圧は、スプールの移動量を検出するスプールストロークセンサの検出値に基づき、目標通りのスプールの移動量を実現できるように制御される。ブームシリンダの自動制御を高精度に行うためである。

特許５９９０６４２号公報

しかしながら、特許文献１のショベルは、スプールストロークセンサを用いるため、制御弁の周囲の構造が複雑になってしまう。

そのため、スプールストロークセンサを用いることなく油圧シリンダを高精度に制御できるショベルを提供することが望ましい。

本発明の実施例に係るショベルは、下部走行体と、前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、前記アタッチメントを動作させる油圧シリンダと、前記上部旋回体に搭載される油圧ポンプと、前記油圧ポンプから前記油圧シリンダへ流れる作動油の流量を制御するスプール型の制御弁と、前記制御弁の変位を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記制御弁を通過する作動油の流量推定値と、前記油圧シリンダに流入する作動油の流量推定値とに基づいて前記制御弁の変位をフィードバック制御する。

上述の手段により、スプールストロークセンサを用いることなく油圧シリンダを高精度に制御できるショベルを提供できる。

本発明の実施例に係るショベルの側面図である。図１のショベルの駆動系の構成例を示す図である。調整機構が取り付けられた操作装置の構成例を示す図である。アタッチメント自動制御処理の一例を示す制御フロー図である。予め設定された動作パターンに従って掘削動作を実行する掘削アタッチメントの様子を示すショベルの側面図である。掘削アタッチメントの動きに関するパラメータの関係を示す図である。アタッチメント自動制御処理の別の一例を示す制御フロー図である。

図１は、本発明が適用される建設機械としてのショベル（掘削機）を示す側面図である。ショベルの下部走行体１には、旋回機構２を介して上部旋回体３が搭載されている。上部旋回体３にはブーム４が取り付けられている。ブーム４の先端にはアーム５が取り付けられ、アーム５の先端にはエンドアタッチメントとしてのバケット６が取り付けられている。作業要素としてのブーム４、アーム５、及びバケット６は、アタッチメントの一例である掘削アタッチメントを構成し、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によりそれぞれ油圧駆動される。

ブーム４にはブーム角度センサＳ１が取り付けられ、アーム５にはアーム角度センサＳ２が取り付けられ、バケット６にはバケット角度センサＳ３が取り付けられている。また、上部旋回体３には機体傾斜センサＳ４及び旋回角速度センサＳ５が取り付けられている。

ブーム角度センサＳ１は、上部旋回体３に対するブーム４の回動角度であるブーム角度を取得するセンサである。ブーム角度センサＳ１は、例えば、ブームフートピン回りのブーム４の回転角度を検出する回転角度センサ、ブームシリンダ７のストローク量（ブームストローク量）を検出するシリンダストロークセンサ、ブーム４の傾斜角度を検出する傾斜（加速度）センサ等を含む。加速度センサとジャイロセンサの組み合わせであってもよい。ブーム４に対するアーム５の回動角度であるアーム角度を検出するアーム角度センサ、及び、アーム５に対するバケット６の回動角度であるバケット角度を検出するバケット角度センサについても同様である。

機体傾斜センサＳ４は水平面に対する上部旋回体３の傾斜（機体傾斜角度）を検出する。本実施例では、機体傾斜センサＳ４は上部旋回体３の前後軸及び左右軸回りの傾斜角度を検出する加速度センサである。上部旋回体３の前後軸及び左右軸は、例えば、互いに直交してショベルの旋回軸上の一点であるショベル中心点を通る。

旋回角速度センサＳ５は、上部旋回体３の旋回角速度を検出する。本実施例では、ジャイロセンサである。レゾルバ、ロータリエンコーダ等であってもよい。

ブームシリンダ７にはブームロッド圧センサＳ６ａ、ブームボトム圧センサＳ６ｂ、及び、ブームシリンダストロークセンサＳ７が取り付けられている。アームシリンダ８にはアームロッド圧センサＳ６ｃ、アームボトム圧センサＳ６ｄ、及び、アームシリンダストロークセンサＳ８が取り付けられている。バケットシリンダ９にはバケットロッド圧センサＳ６ｅ、バケットボトム圧センサＳ６ｆ、及び、バケットシリンダストロークセンサＳ９が取り付けられている。

ブームロッド圧センサＳ６ａはブームシリンダ７のロッド側油室の圧力（以下、「ブームロッド圧」とする。）を検出し、ブームボトム圧センサＳ６ｂはブームシリンダ７のボトム側油室の圧力（以下、「ブームボトム圧」とする。）を検出する。アームロッド圧センサＳ６ｃはアームシリンダ８のロッド側油室の圧力（以下、「アームロッド圧」とする。）を検出し、アームボトム圧センサＳ６ｄはアームシリンダ８のボトム側油室の圧力（以下、「アームボトム圧」とする。）を検出する。バケットロッド圧センサＳ６ｅはバケットシリンダ９のロッド側油室の圧力（以下、「バケットロッド圧」とする。）を検出し、バケットボトム圧センサＳ６ｆはバケットシリンダ９のボトム側油室の圧力（以下、「バケットボトム圧」とする。）を検出する。

上部旋回体３には、運転室としてのキャビン１０が設けられ且つエンジン１１等の動力源が搭載されている。

図２は、図１のショベルの駆動系の構成例を示すブロック図であり、機械的動力伝達ライン、作動油ライン、パイロットライン、電気制御ラインをそれぞれ二重線、太実線、破線、点線で示す。

ショベルの駆動系は、主に、エンジン１１、レギュレータ１３、メインポンプ１４、パイロットポンプ１５、コントロールバルブ１７、操作装置２６、吐出圧センサ２８、操作圧センサ２９、コントローラ３０、情報取得装置４０等を含む。

エンジン１１は、ショベルの駆動源である。本実施例では、エンジン１１は、例えば、所定の回転数を維持するように動作する内燃機関としてのディーゼルエンジンである。また、エンジン１１の出力軸は、メインポンプ１４及びパイロットポンプ１５の入力軸に連結される。

メインポンプ１４は、作動油ラインを介して作動油をコントロールバルブ１７に供給するための装置であり、例えば、斜板式可変容量型油圧ポンプである。

レギュレータ１３は、メインポンプ１４の吐出量を制御するための装置である。本実施例では、レギュレータ１３は、例えば、メインポンプ１４の吐出圧、コントローラ３０からの指令電流等に応じてメインポンプ１４の斜板傾転角を調節することによってメインポンプ１４の吐出量を制御する。

パイロットポンプ１５は、パイロットラインを介して操作装置２６を含む各種油圧制御機器に作動油を供給する装置であり、例えば、固定容量型油圧ポンプである。

コントロールバルブ１７は、ショベルにおける油圧システムを制御する油圧制御装置である。具体的には、コントロールバルブ１７は、メインポンプ１４が吐出する作動油の流れを制御する複数のスプール型の制御弁を含む。例えば、ブーム用制御弁１７Ａ、アーム用制御弁１７Ｂ、バケット用制御弁１７Ｃ、左走行モータ用制御弁１７Ｄ、右走行モータ用制御弁１７Ｅ、旋回用制御弁１７Ｆを含む。そして、コントロールバルブ１７は、それら制御弁を通じ、メインポンプ１４が吐出する作動油を１又は複数の油圧アクチュエータに選択的に供給する。それら制御弁は、メインポンプ１４からセンターバイパス管路を通って作動油タンクに流れる作動油の流量、メインポンプ１４から油圧アクチュエータに流れる作動油の流量、及び、油圧アクチュエータから作動油タンクに流れる作動油の流量を制御する。油圧アクチュエータは、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、左側走行油圧モータ１Ｌ、右側走行油圧モータ１Ｒ、及び旋回油圧モータ２Ａを含む。

操作装置２６は、操作者が油圧アクチュエータの操作のために用いる装置である。本実施例では、操作装置２６は、キャビン１０内に設置され、パイロットポンプ１５が吐出する作動油をパイロットライン経由で油圧アクチュエータのそれぞれに対応する制御弁のパイロットポートに供給する。パイロットポートのそれぞれに供給される作動油の圧力（以下、「パイロット圧」とする。）は、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダルの操作方向及び操作量に応じた圧力である。

吐出圧センサ２８は、メインポンプ１４が吐出する作動油の圧力を検出する圧力センサである。本実施例では、吐出圧センサ２８は、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。

操作圧センサ２９は、操作装置２６に対する操作内容を検出するための圧力センサである。本実施例では、操作圧センサ２９は、例えば、油圧アクチュエータのそれぞれに対応する操作装置２６のレバー又はペダルの操作方向及び操作量を圧力の形で検出し、検出した値をコントローラ３０に対して出力する。操作装置２６の操作内容は、圧力センサ以外の他のセンサを用いて検出されてもよい。

情報取得装置４０はショベルに関する情報を検出する。本実施例では、情報取得装置４０は、ブーム角度センサＳ１、アーム角度センサＳ２、バケット角度センサＳ３、機体傾斜センサＳ４、旋回角速度センサＳ５、ブームロッド圧センサＳ６ａ、ブームボトム圧センサＳ６ｂ、アームロッド圧センサＳ６ｃ、アームボトム圧センサＳ６ｄ、バケットロッド圧センサＳ６ｅ、バケットボトム圧センサＳ６ｆ、ブームシリンダストロークセンサＳ７、アームシリンダストロークセンサＳ８、バケットシリンダストロークセンサＳ９、吐出圧センサ２８、及び、操作圧センサ２９のうち少なくとも１つを含む。情報取得装置４０は、例えば、掘削アタッチメントに関する情報として、ブーム角度、アーム角度、バケット角度、機体傾斜角度、旋回角速度、ブームロッド圧、ブームボトム圧、アームロッド圧、アームボトム圧、バケットロッド圧、バケットボトム圧、ブームストローク量、アームストローク量、バケットストローク量、メインポンプ１４の吐出圧、及び、操作装置２６の操作圧のうちの少なくとも１つを取得する。

コントローラ３０は、ショベルを制御するための制御装置である。本実施例では、コントローラ３０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＮＶＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えたコンピュータで構成される。また、コントローラ３０は、アタッチメント制御部３１に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭにロードし、対応する処理をＣＰＵに実行させる。

アタッチメント制御部３１は、アタッチメントの動きを制御する機能要素である。基本的に、アタッチメントは、複数の操作装置２６のそれぞれに対する操作に応じて動く。一方で、アタッチメント制御部３１は、操作装置２６に対する操作の有無にかかわらず、アタッチメントを動かすことができる。

例えば、掘削アタッチメントは、基本的に、操作装置２６としてのブーム操作レバー、アーム操作レバー、及びバケット操作レバーのそれぞれに対する操作に応じて動く。一方で、アタッチメント制御部３１は、例えば、ブーム操作レバー、アーム操作レバー、及びバケット操作レバーのそれぞれに対する操作の有無にかかわらず、予め設定された動作パターンに従って掘削アタッチメントを動かすことができる。

動作パターンは、例えば、ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、及び、バケットシリンダ流入量のそれぞれの時系列データ（目標値）の組み合わせで表される。時系列データ（目標値）の組み合わせは、例えば、１秒刻みに設定されている。ブームシリンダ流入量は、ブーム用制御弁１７Ａを通ってブームシリンダ７に流入する作動油の流量である。アームシリンダ流入量は、アーム用制御弁１７Ｂを通ってアームシリンダ８に流入する作動油の流量である。バケットシリンダ流入量は、バケット用制御弁１７Ｃを通ってバケットシリンダ９に流入する作動油の流量である。この場合、将来のある時点における掘削アタッチメントの姿勢は、その時点に至るまでのブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、及び、バケットシリンダ流入量のそれぞれの推移で決まる。動作パターンは、ブームストローク量、アームストローク量、及び、バケットストローク量のそれぞれの時系列データ（目標値）の組み合わせで表されていてもよい。この場合、ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、バケットシリンダ流入量は、ブームストローク量、アームストローク量、バケットストローク量から算出される。或いは、動作パターンは、ブームシリンダ伸縮速度、アームシリンダ伸縮速度、及び、バケットシリンダ伸縮速度のそれぞれの時系列データ（目標値）の組み合わせで表されていてもよい。この場合、ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、バケットシリンダ流入量は、ブームシリンダ伸縮速度、アームシリンダ伸縮速度、バケットシリンダ伸縮速度から算出される。

本実施例では、ブーム操作レバーとバケット操作レバーは別個独立の操作レバーとして説明されているが、物理的には同じ１つの操作レバーであり傾倒方向のみが異なるものであってもよい。アーム操作レバーと旋回操作レバーの関係についても同様である。

次に、図３を参照し、掘削アタッチメントの自動制御を実現する制御機構の一例について説明する。図３は、制御機構５０が取り付けられた操作装置２６としてのアーム操作レバー２６Ａの構成例を示す図である。以下の説明は、制御機構５０が取り付けられた他の操作レバーについても同様に適用される。例えば、ブーム用制御弁１７Ａを移動させるための制御機構５０が取り付けられたブーム操作レバー、バケット用制御弁１７Ｃを移動させるための制御機構５０が取り付けられたバケット操作レバー等についても同様に適用される。

制御機構５０は、アーム用制御弁１７Ｂのスプール位置を調整する機構であり、主に電磁弁５１、電磁弁５２Ｌ、電磁弁５２Ｒ等を含む。

電磁弁５１は、パイロットポンプ１５とアーム操作レバー２６Ａとを繋ぐ管路に配置される電磁比例減圧弁であり、コントローラ３０からの制御電流に応じてその開口面積を増減させる。

電磁弁５２Ｌは、アーム操作レバー２６Ａとアーム用制御弁１７Ｂの左側パイロットポート１７Ｌとを接続する管路Ｃ１に配置される電磁切替弁であり、コントローラ３０からの指令に応じてその弁位置を切り替える。管路Ｃ１は、管路Ｃ１１及び管路Ｃ１２を含む。電磁弁５２Ｌは第１弁位置と第２弁位置とを有する。第１弁位置は、管路Ｃ１１と管路Ｃ１２とを連通させ、且つ、管路Ｃ３と管路Ｃ１２との連通を遮断する。第２弁位置は、管路Ｃ１１と管路Ｃ１２との連通を遮断し、且つ、管路Ｃ３と管路Ｃ１２とを連通させる。管路Ｃ１１はアーム操作レバー２６Ａと電磁弁５２Ｌとを接続する。管路Ｃ１２は電磁弁５２Ｌとアーム用制御弁１７Ｂの左側パイロットポート１７Ｌとを接続する。管路Ｃ３は電磁弁５１と電磁弁５２Ｌとを接続する。

電磁弁５２Ｒは、アーム操作レバー２６Ａとアーム用制御弁１７Ｂの右側パイロットポート１７Ｒとを接続する管路Ｃ２に配置される電磁切替弁であり、コントローラ３０からの指令に応じてその弁位置を切り替える。管路Ｃ２は、管路Ｃ２１及び管路Ｃ２２を含む。電磁弁５２Ｒは第１弁位置と第２弁位置とを有する。第１弁位置は、管路Ｃ２１と管路Ｃ２２とを連通させ、且つ、管路Ｃ４と管路Ｃ２２との連通を遮断する。第２弁位置は、管路Ｃ２１と管路Ｃ２２との連通を遮断し、且つ、管路Ｃ４と管路Ｃ２２とを連通させる。管路Ｃ２１はアーム操作レバー２６Ａと電磁弁５２Ｒとを接続する。管路Ｃ２２は電磁弁５２Ｒとアーム用制御弁１７Ｂの右側パイロットポート１７Ｒとを接続する。管路Ｃ４は電磁弁５１と電磁弁５２Ｒとを接続する。

アーム操作レバー２６Ａは、閉じ方向に傾けられると管路Ｃ１内の作動油の圧力を増大させ、開き方向に傾けられると管路Ｃ２内の作動油の圧力を増大させる。管路Ｃ１内の作動油の圧力であるアーム閉じパイロット圧は、操作圧センサ２９の一例であるアーム閉じパイロット圧センサ２９Ｌによって検出される。管路Ｃ２内の作動油の圧力であるアーム開きパイロット圧は、操作圧センサ２９の一例であるアーム開きパイロット圧センサ２９Ｒによって検出される。アーム閉じパイロット圧が増大するとスプール弁としてのアーム用制御弁１７Ｂが右方向に移動してメインポンプ１４とアームシリンダ８のボトム側油室とを連通させてアームシリンダ８を伸張させる。アーム開きパイロット圧が増大するとアーム用制御弁１７Ｂが左方向に移動してメインポンプ１４とアームシリンダ８のロッド側油室とを連通させてアームシリンダ８を収縮させる。

アタッチメント制御部３１は、アームシリンダ８を自動的に伸張させる場合、電磁弁５１に対してスプール制御指令（電流指令）を出力し、且つ、電磁弁５２Ｌに対して開指令を出力する。スプール制御指令を受けた電磁弁５１は、そのスプール制御指令に応じた開口面積を実現するように動作する。開指令を受けた電磁弁５２Ｌは第２弁位置に切り替わり、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を管路Ｃ１２に流入させる。

同様に、アタッチメント制御部３１は、アームシリンダ８を自動的に収縮させる場合、電磁弁５１に対してスプール制御指令を出力し、且つ、電磁弁５２Ｒに対して開指令を出力する。スプール制御指令を受けた電磁弁５１は、そのスプール制御指令に応じた開口面積を実現するように動作する。開指令を受けた電磁弁５２Ｒは第２弁位置に切り替わり、パイロットポンプ１５が吐出する作動油を管路Ｃ２２に流入させる。

このように、アタッチメント制御部３１は、例えば、予め設定された動作パターンを参照してスプール制御指令を生成し、アーム用制御弁１７Ｂのスプール位置（変位）を制御する。アーム用制御弁１７Ｂは、例えば、動作パターンを構成するアームシリンダ流入量を実現するように動作する。

また、アタッチメント制御部３１は、制御弁をモデル化した推定器として機能する。アタッチメント制御部３１は、例えば、情報取得装置４０の出力に基づき、制御弁（ここではアーム用制御弁１７Ｂ）を通過する作動油の流量の推定値（第１流量推定値Ｑ_１）を導き出す。例えば、式（１）を用いて第１流量推定値Ｑａ_１を導き出す。

ｃは流量係数を表し、Ａ_１は制御弁の開口面積を表し、ρは作動油の密度を表し、ΔＰは制御弁の前後の圧力差を表す。ｃ及びρは予め記憶されている値である。ΔＰは、例えば、吐出圧センサ２８の検出値と油圧シリンダのロッド圧センサ又はボトム圧センサの検出値との差として導き出される。具体的には、アーム５を閉じる場合、吐出圧センサ２８の検出値とアームボトム圧センサＳ６ｄの検出値との差として導き出される。また、アーム５を開く場合、吐出圧センサ２８の検出値とアームロッド圧センサＳ６ｃの検出値との差として導き出される。制御弁の開口面積Ａ_１は、スプール制御指令によって決まる値である。

また、アタッチメント制御部３１は、情報取得装置４０の出力に基づき、油圧シリンダ（ここではアームシリンダ８）に流入する作動油の流量の推定値（第２流量推定値Ｑ_２）を導き出す。例えば、式（２）を用いて第２流量推定値Ｑ_２を導き出す。

ｖは油圧シリンダ（ここではアームシリンダ８）の伸縮速度を表し、Ａ_２は油圧シリンダ内のピストンの受圧面積を表す。Ａ_２は予め記憶されている値である。ｖは、例えば、油圧シリンダストロークセンサ（ここではアームシリンダストロークセンサＳ８）の出力から導き出される。

アタッチメント制御部３１は、式（１）で算出した第１流量推定値Ｑ_１と、式（２）で算出した第２流量推定値Ｑ_２との差に基づいてスプール制御指令を補正する。この差は、制御弁（アーム用制御弁１７Ｂ）の実際の開口面積が目標値としての開口面積Ａ_１と一致していないことに起因すると考えられるためである。そのため、アタッチメント制御部３１は、Ｑ_１とＱ_２の差が小さくなるようにスプール制御指令を補正する。例えば、Ｑ_１がＱ_２より大きい場合、制御弁の実際の開口面積が小さくなるようにスプール制御指令を補正する。反対に、Ｑ_１がＱ_２より小さい場合、制御弁の実際の開口面積が大きくなるようにスプール制御指令を補正する。

次に、図４を参照し、アタッチメント制御部３１が掘削アタッチメントを自動制御する際の処理（以下、「アタッチメント自動制御処理」とする。）の一例について説明する。図４は、アタッチメント自動制御処理の一例を示す制御フロー図である。アタッチメント制御部３１は、所定周期で繰り返しこの処理を実行する。

最初に、アタッチメント制御部３１は、スプール制御指令を生成する（ステップＳＴ１）。本実施例では、アタッチメント制御部３１は、ＮＶＲＡＭ等に記憶された動作パターンを参照してスプール制御指令を生成する。そして、生成したスプール制御指令を制御機構５０の電磁弁５１に対して出力する。アタッチメント制御部３１は、例えば、動作パターンを構成する油圧シリンダ流入量（ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、及び、バケットシリンダ流入量）のそれぞれからスプール制御指令を生成する。油圧シリンダ流入量とスプール制御指令との対応関係は、例えば、ＮＶＲＡＭ等に予め記憶されている。そして、ブーム操作レバー、アーム操作レバー、及び、バケット操作レバーのそれぞれに取り付けられた制御機構５０の電磁弁５１に対してスプール制御指令を別々に供給する。スプール制御指令は、例えば、所望の開口面積Ａ_１をもたらすための電流指令である。図４の「Ａ_１'」は、開口面積Ａ_１をもたらすための電流指令を意味する。

スプール制御指令が電磁弁５１に対して出力されると、各油圧シリンダに対応する制御弁のスプールが変位する（ステップＳＴ２）。本実施例では、ブーム用制御弁１７Ａ、アーム用制御弁１７Ｂ、バケット用制御弁１７Ｃのそれぞれにおけるスプールが変位する。ブーム用制御弁１７Ａ、アーム用制御弁１７Ｂ、バケット用制御弁１７Ｃのそれぞれは、所望の開口面積Ａ_１をもたらすように変位する。

制御弁が変位すると、制御弁を通過する作動油の流量、すなわち、油圧シリンダに流入する作動油の流量が生成される（ステップＳＴ３）。本実施例では、スプール制御指令に応じて変位したスプールによって形成される開口を通ってブームシリンダ７、アームシリンダ８、及び、バケットシリンダ９のそれぞれに流入する作動油の流量が生成される。

油圧シリンダに作動油が流入すると、油圧シリンダは伸縮する（ステップＳＴ４）。本実施例では、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のそれぞれが、作動油の流入量に応じた速度ｖで伸縮する。

そして、アタッチメント制御部３１は、スプール制御指令を補正する（ステップＳＴ５）。本実施例では、アタッチメント制御部３１は、上述の式（１）で算出される第１流量推定値Ｑ_１と、式（２）で算出される第２流量推定値Ｑ_２とに基づいて制御弁に関するスプール制御指令を補正する。図４の「Ａ_１"」は、開口面積Ａ_１をもたらすための補正後の電流指令を表す。具体的には、ブーム用制御弁１７Ａ、アーム用制御弁１７Ｂ、及び、バケット用制御弁１７Ｃのそれぞれに関するスプール制御指令を補正する。

このように、アタッチメント制御部３１は、制御弁を通過する流量、すなわち、油圧シリンダに流入する流量をフィードバックして制御弁のスプール変位（開口面積）を制御する。そのため、アタッチメント制御部３１は、制御弁の実際のスプール変位（開口面積）をより正確に目標値に合わせることができ、油圧シリンダに流入する作動油の実際の流量をより正確に目標値に合わせることができる。その結果、アタッチメント制御部３１は、例えば、バケット６の姿勢、及び、バケット６の爪先Ｐｅの位置をより正確に制御することができる。或いは、予め設定された動作パターンに沿って掘削アタッチメントをより正確に動作させることができる。すなわち、作業効率及び目標面（掘削動作によって形成される地面の目標形状）に対する仕上げ精度を向上させることができる。また、スプールストロークセンサが不要のため、製造コストを低減させることができる。

次に、図５を参照し、アタッチメント制御部３１によるスプール制御指令に対する補正の効果について説明する。図５は、予め設定された動作パターンに従って掘削動作を実行する掘削アタッチメントの様子を示すショベルの側面図である。図５（Ａ）は掘削動作の比較的早い段階を示し、図５（Ｂ）は掘削動作の比較的遅い段階を示す。図５の例では、動作パターンは、ブームストローク量、アームストローク量、及び、バケットストローク量のそれぞれの時系列データ（目標値）の組み合わせで表されている。図５（Ａ）の状態から図５（Ｂ）の状態に推移する際に、ブームストローク量は値ＤＡ１から複数の値を経て値ＤＡ２に変化し、アームストローク量は値ＤＢ１から複数の値を経て値ＤＢ２に変化し、バケットストローク量は値ＤＣ１から複数の値を経て値ＤＣ２に変化する。

図５（Ａ）の破線ＴＰは、スプール制御指令に対する補正を行いながら、予め設定された動作パターンに従って掘削アタッチメントを動かした場合にバケット６の爪先Ｐｅが通る軌跡を示す。この軌跡は、図５（Ｂ）に示すように、掘削動作後の地面（目標面）と一致している。

図５（Ａ）の点線ＴＰａは、スプール制御指令に対する補正を行わない場合、すなわち、各制御弁を通過する作動油の流量を所望の流量に一致させることができない場合にバケット６の爪先Ｐｅが通る軌跡を示す。この軌跡は、図５（Ｂ）に示すように、掘削動作後の地面（目標面）と一致していない。スプール制御指令に対する補正が行われない場合、各制御弁を通過する作動油の流量、すなわち、各油圧シリンダに流入する作動油の流量は、外乱の影響を受けて所望の流量から逸脱してしまうためである。外乱は、例えば、制御弁内の通路における圧力損失、パイロット圧とスプール変位との間の非線形特性及びヒステリシス特性、作動油の流体力、スプールの摺動摩擦、バケット６の爪先Ｐｅに作用する掘削反力Ｆ（白色矢印参照。）等に関する外乱を含む。

このように、アタッチメント制御部３１は、スプール制御指令に対する補正を行うことで、各制御弁を通過する作動油の流量が所望の流量から逸脱してしまうのを防止できる。その結果、動作パターンに従って掘削アタッチメントを正確に動作させることができる。

次に、図６を参照し、掘削アタッチメントの動きに関するパラメータの関係について説明する。図６は、掘削アタッチメントの動きに関するパラメータの関係を示す図である。

図６に示すように、ある時点におけるバケット６の爪先Ｐｅの位置座標（Ｘｔ、Ｙｔ、Ｚｔ）が決まると、その時点におけるブームストローク量、アームストローク量、及び、バケットストローク量が一意に決まる。これは、その時点におけるブーム角度、アーム角度、及び、バケット角度が一意に決まることを意味する。

そして、任意の２つの時点のそれぞれにおけるブームストローク量、アームストローク量、及び、バケットストローク量が決まると、それら２つの時点間のブームシリンダ伸張速度、アームシリンダ伸張速度、及び、バケットシリンダ伸張速度が一意に決まる。

更に、ブームシリンダ伸張速度、アームシリンダ伸張速度、及び、バケットシリンダ伸張速度が決まると、ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、及び、バケットシリンダ流入量が一意に決まる。

そして、ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、及び、バケットシリンダ流入量が決まると、ブーム用制御弁１７Ａのスプール変位（開口面積）、アーム用制御弁１７Ｂのスプール変位（開口面積）、及び、バケット用制御弁１７Ｃのスプール変位（開口面積）が一意に決まる。

従って、アタッチメント制御部３１は、ブーム用制御弁１７Ａ、アーム用制御弁１７Ｂ、及び、バケット用制御弁１７Ｃのそれぞれのスプール変位（開口面積）を高精度に制御することで、バケット６の爪先Ｐｅの位置を高精度に制御できる。

次に、図７を参照し、アタッチメント自動制御処理の別の一例について説明する。図７は、アタッチメント自動制御処理の別の一例を示す制御フロー図である。アタッチメント制御部３１は、所定周期で繰り返しこの処理を実行する。図７の制御フロー図は、ステップＳＴ１の前段にステップＳＴ１１及びステップＳＴ１２を有し、ステップＳＴ４の後段にステップＳＴ１３を有する点で、図４の制御フロー図と相違する。一方、ステップＳＴ１〜ステップＳＴ５を有する点で図４の制御フロー図と共通する。そのため、共通部分の説明を省略し、相違部分を詳説する。

最初に、アタッチメント制御部３１は、変位指令を生成する（ステップＳＴ１１）。変位指令は、掘削アタッチメントの所定部位の変位に関する指令であり、例えば、バケット６の爪先Ｐｅの変位量及び変位方向に関する指令である。本実施例では、変位指令は、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のそれぞれの変位（伸縮）の大きさを表す変位目標値である。アタッチメント制御部３１は、ＮＶＲＡＭ等に記憶された動作パターンを参照して変位指令を生成する。アタッチメント制御部３１は、例えば、動作パターンを構成する油圧シリンダ伸縮速度（ブームシリンダ伸縮速度、アームシリンダ伸縮速度、及び、バケットシリンダ伸縮速度）のそれぞれから変位指令を生成する。

その後、アタッチメント制御部３１は、油圧シリンダ流入量の目標値を算出する（ステップＳＴ１２）。本実施例では、アタッチメント制御部３１は、ステップＳＴ１１で生成した変位指令としての変位目標値と、シリンダストロークセンサの検出値に基づいて導き出される実変位との差を算出し、その差に基づいて油圧シリンダ流入量（ブームシリンダ流入量、アームシリンダ流入量、及び、バケットシリンダ流入量）の目標値を算出する。油圧シリンダ流入量の目標値は、変位目標値が実変位よりも大きいほど大きくなるように算出される。

その後、アタッチメント制御部３１は、図４を参照して説明したように、油圧シリンダ流入量からスプール制御指令を生成し、且つ、第１流量推定値Ｑ_１及び第２流量推定値Ｑ_２を用いてスプール制御指令を補正しながら、油圧シリンダを伸縮させる（ステップＳＴ１〜ステップＳＴ５）。

その後、アタッチメント制御部３１は、油圧シリンダの変位を算出する（ステップＳＴ１３）。本実施例では、シリンダストロークセンサの検出値に基づいて導き出された油圧シリンダ伸縮速度を積分（積算）して油圧シリンダの変位を算出する。算出された変位は、油圧シリンダの実変位としてステップＳＴ１２にフィードバックされる。

このように、アタッチメント制御部３１は、フィードバック制御を二重ループにしたカスケード制御を実行する。具体的には、制御弁を通過する流量、及び、油圧シリンダに流入する流量をフィードバックして制御弁のスプール変位（開口面積）を制御し、更に、油圧シリンダの実変位をフィードバックして掘削アタッチメントの所定部位の変位を制御する。そのため、アタッチメント制御部３１は、制御弁のスプール変位（開口面積）をより正確に目標値に合わせることができ、油圧シリンダに流入する作動油の流量をより正確に目標値に合わせることができる。また、掘削アタッチメントの所定部位の変位をより正確に目標値に合わせることができる。その結果、アタッチメント制御部３１は、例えば、バケット６の姿勢、及び、バケット６の爪先Ｐｅの位置をより正確に制御することができる。或いは、予め設定された動作パターンに沿って掘削アタッチメントをより正確に動作させることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、アタッチメント自動制御処理は、油圧パイロット式のスプール型の制御弁を備えたショベルで実行されている。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。アタッチメント自動制御処理は、例えば、電磁式のスプール型の制御弁を備えたショベルで実行されてもよい。この場合、スプール制御指令は、電磁式のスプール型の制御弁に直接供給される。

また、上述の実施例では、アタッチメント自動制御処理は、掘削アタッチメントを全自動で動作させるために実行されている。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。アタッチメント自動制御処理は、例えば、掘削アタッチメントを半自動で動作させるために実行されてもよい。アタッチメント自動制御処理は、例えば、整地作業等のために操作者がアーム閉じ操作を行っているときに、バケット６の爪先Ｐｅが目標面（水平面）に沿って移動するようブーム４を自動的に上昇させる際に実行されてもよい。この場合、動作パターンを構成するブームシリンダ流入量（目標値）は、例えば、アーム操作レバー２６Ａに関する操作圧センサ２９の検出値、アームシリンダストロークセンサＳ８の検出値等から導き出される。

１・・・下部走行体１Ｌ・・・左側走行油圧モータ１Ｒ・・・右側走行油圧モータ２・・・旋回機構２Ａ・・・旋回油圧モータ３・・・上部旋回体４・・・ブーム５・・・アーム６・・・バケット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・・・キャビン１１・・・エンジン１３・・・レギュレータ１４・・・メインポンプ１５・・・パイロットポンプ１７・・・コントロールバルブ１７Ａ・・・ブーム用制御弁１７Ｂ・・・アーム用制御弁１７Ｃ・・・バケット用制御弁１７Ｄ・・・左走行モータ用制御弁１７Ｅ・・・右走行モータ用制御弁１７Ｆ・・・旋回用制御弁１７Ｌ・・・左側パイロットポート１７Ｒ・・・右側パイロットポート２６・・・操作装置２６Ａ・・・アーム操作レバー２８・・・吐出圧センサ２９・・・操作圧センサ２９Ｌ、２９Ｒ・・・パイロット圧センサ３０・・・コントローラ３１・・・アタッチメント制御部５０・・・制御機構５１、５２Ｌ、５２Ｒ・・・電磁弁Ｃ１〜Ｃ４、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２・・・管路

Claims

下部走行体と、
前記下部走行体に搭載される上部旋回体と、
前記上部旋回体に取り付けられたアタッチメントと、
前記アタッチメントを動作させる油圧シリンダと、
前記上部旋回体に搭載される油圧ポンプと、
前記油圧ポンプから前記油圧シリンダへ流れる作動油の流量を制御するスプール型の制御弁と、
前記制御弁の変位を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記制御弁を通過する作動油の流量推定値と、前記油圧シリンダに流入する作動油の流量推定値とに基づいて前記制御弁の変位をフィードバック制御する、
ショベル。
前記制御装置は、前記制御弁をモデル化した推定器である、
請求項１に記載のショベル。
前記制御装置は、前記制御弁の前後の圧力差に基づいて前記制御弁を通過する作動油の流量を推定する、
請求項１又は２に記載のショベル。
前記制御装置は、前記油圧シリンダの動きに基づいて前記油圧シリンダに流入する作動油の流量を推定する、
請求項１乃至３の何れか一項に記載のショベル。
前記制御装置は、前記制御弁を通過する作動油の流量推定値と前記油圧シリンダに流入する作動油の流量推定値との差に基づいて前記制御弁の変位をフィードバック制御する、
請求項１乃至４の何れか一項に記載のショベル。