本發(fā)明涉及一種通過液壓缸驅動工作組件的施工機械。

背景技術：

以下對現有的一般挖土機的動臂、斗桿及鏟斗的驅動控制方法進行說明。

若存在驅動鏟斗的操縱桿輸入，則鏟斗用液壓缸的閥的開口面積擴大。通過閥的開口面積擴大，工作油流入至液壓缸，液壓缸便動作。通過該液壓缸的動作，鏟斗被驅動。存在驅動斗桿及動臂的操縱桿輸入時的控制也同上。若操縱桿輸入較大，則閥的開口面積變大，流入至液壓缸的工作油的流量增加。作為其結果，液壓缸的速度和推力發(fā)生變化。

下述專利文獻1中公開有通過液壓馬達及與液壓馬達協同工作的電動機驅動動臂等結構體的作業(yè)機械。液壓馬達通過從液壓泵借助控制閥供給的工作油被驅動。

專利文獻1中公開的作業(yè)機械中，對基于決定結構體的動作量的遙控閥的操作量的速度指令進行基于液壓馬達的實際轉速的速度反饋控制和基于液壓馬達的吸入端口與排出端口的工作液壓力差的差壓反饋控制。通過進行該反饋控制，以吐出液壓馬達的實際轉速中所需量的工作油的方式進行控制閥的開度控制。其結果，能夠控制因工作油從安全閥溢出而引起的能量損失。

以往技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2012-127154號公報

技術實現要素：

發(fā)明要解決的技術課題

液壓泵的吐出流量與液壓缸的動作速度相對應。若增加液壓泵的吐出流量，則液壓缸的動作速度變快。當進行不對鏟斗等施加反作用力的動作例如定位動作時，優(yōu)選液壓缸的動作速度根據操作桿的操作量變化。

但是，在挖掘、平整地面等作業(yè)中，從地面向鏟斗(作用點)施加很大的反作用力。當存在可使安全閥打開那么大的反作用力時，即使增加液壓泵的吐出流量，液壓缸的動作速度也不會變快。因此，得不到與操作桿的操作量相應的液壓缸的動作速度。在這種情況下，優(yōu)選液壓缸所產生的推力根據操縱桿的操作量變化。

在現有方法中，根據操作桿的操作量來改變液壓缸的控制閥的開度，因此未必能夠獲得與操作量相應的動作速度和推力。因此導致作業(yè)性下降。為了獲得所希望的動作速度和推力，需要操作者對此很熟練。

本發(fā)明的目的在于，提供一種根據操作者的操作進行適當的控制，從而能夠抑制作業(yè)性下降的施工機械。

用于解決技術課題的手段

根據本發(fā)明的一觀點，提供一種施工機械，其具有：工作組件；液壓缸，驅動所述工作組件；液壓回路，向所述液壓缸供給工作油；壓力傳感器，測定供給至所述液壓缸的工作油的液壓；輸入裝置，由操作人員來操作；及控制裝置，包括對所述液壓缸進行推力控制的推力控制部，所述推力控制部進行如下工作：根據所述輸入裝置的操作量計算推力要求值；根據所述壓力傳感器的測定值求出在所述液壓缸產生的推力測定值；根據所述推力要求值與所述推力測定值的推力差量向所述推力差量變小的方向控制所述液壓回路。

發(fā)明效果

根據推力要求值與推力測定值的推力差量控制液壓回路，從而液壓缸的推力接近推力要求值。因此，即使在施加于作用點的反作用力很大的作業(yè)中，也能夠抑制作業(yè)性下降。

附圖說明

圖1為基于實施例的施工機械的側視圖。

圖2為基于實施例的施工機械的液壓回路及液壓控制系統(tǒng)的概要圖。

圖3為控制裝置、液壓回路及液壓缸的框圖。

圖4為動臂缸的概要圖。

圖5為基于其他實施例的施工機械的控制裝置、液壓回路及液壓缸的框圖。

圖6為基于又一實施例的施工機械的控制裝置、液壓回路及液壓缸的框圖。

圖7為動臂缸的概要圖。

圖8為基于又一實施例的施工機械的控制裝置、液壓回路及液壓缸的框圖。

圖9為動臂、斗桿、鏟斗的姿勢及姿勢傳感器的示意圖。

圖10a～圖10c為與基于又一實施例的施工機械的控制模式切換處理相關的功能及所參考的數據的框圖。

圖11為說明挖掘作業(yè)中的鏟斗的移動范圍的概要圖。

具體實施方式

參考圖1～圖4對基于實施例的施工機械進行說明。

圖1表示基于實施例的施工機械的側視圖。在下部行走體10經由回轉機構11能夠回轉地搭載上部回轉體12。在上部回轉體12連結有動臂13、斗桿15及鏟斗17等工作組件。工作組件通過動臂缸14、斗桿缸16及鏟斗缸18等液壓缸被液壓驅動。由動臂13、斗桿15及鏟斗17構成挖掘用的附加裝置。另外，除了挖掘用的附加裝置之外，還能夠連結粉碎用的附加裝置、磁力起重用的附加裝置等。

接著，參考圖2對基于本實施例的施工機械的液壓回路及液壓控制系統(tǒng)進行說明。圖2表示基于實施例的施工機械的液壓回路及液壓控制系統(tǒng)的概要圖。液壓回路向包括動臂缸14、斗桿缸16及鏟斗缸18的液壓缸供給工作油。此外，該液壓回路還向液壓馬達19、20及21供給工作油。液壓馬達19、20分別驅動下部行走體10(圖1)的2條鏈軌(履帶)。液壓馬達21使上部回轉體12(圖1)回轉。

液壓回路包括液壓泵26及控制閥25。液壓泵26通過引擎35被驅動。作為引擎35例如使用柴油引擎等內燃機。液壓泵26向控制閥25供給高壓的工作油。控制閥25中包括方向切換閥、流量調整閥等。每個致動器分別配備方向切換閥及流量調整閥。

動臂缸14的底部室及桿室分別經由液壓管路141及液壓管路142連接于控制閥25。斗桿缸16的底部室及桿室分別經由液壓管路161及液壓管路162連接于控制閥25。鏟斗缸18的底部室及桿室分別經由液壓管路181及液壓管路182連接于控制閥25。

壓力傳感器271、272測定分別供給至動臂缸14的底部室及桿室的工作油或從底部室及桿室排出的工作油的壓力。壓力傳感器273、274測定分別供給至斗桿缸16的底部室及桿室的工作油或從底部室及桿室排出的工作油的壓力。壓力傳感器275、276測定分別供給至鏟斗缸18的底部室及桿室的工作油或從底部室及桿室排出的工作油的壓力。壓力傳感器271～276的測定結果輸入至控制裝置30。

輸入裝置31包括由操作人員操作的操作桿311。輸入裝置31生成與操作桿311的操作量oa相應的先導壓或電信號。與操作量oa相應的先導壓或電信號輸入至控制裝置30。

控制裝置30根據從輸入裝置31輸入的操作量oa生成用于驅動包括動臂缸14、斗桿缸16及鏟斗缸18的液壓缸的指令值cv。與指令值cv相應的先導壓或電信號提供給控制閥25。也可以是向一部分控制閥25提供先導壓并向其他控制閥25提供電信號的結構。例如，可以是作為方向切換閥使用液壓式閥，作為流量調整閥使用電磁式閥。此外，控制裝置30根據操作量oa生成用于驅動液壓馬達19～21的指令值cv?？刂崎y25根據指令值cv而被控制，由此液壓缸及液壓馬達19～21動作。

接著，參考圖3及圖4對本實施例的施工機械中進行的液壓控制方法進行說明。

圖3表示控制裝置30、液壓回路40及液壓缸的框圖。圖3中，作為液壓缸示出動臂缸14。液壓回路40包括液壓泵26及控制閥25(圖2)。液壓回路40經由液壓管路141連接于動臂缸14的底部室，并經由另一液壓管路142連接于動臂缸14的桿室。對于斗桿缸16及鏟斗缸18(圖1、圖2)，也進行與動臂缸14相同的控制。

控制裝置30包括推力控制部301。推力控制部301包括推力要求值生成部3011、推力計算部3012及pi控制部3013。從輸入裝置31向推力要求值生成部3011輸入操作量oa。推力要求值生成部3011根據所輸入的操作量oa生成推力要求值tr。作為一例，推力要求值tr與操作量oa成比例。

用壓力傳感器271、272測定的壓力測定值p1、p2被輸入至推力計算部3012。其中一個壓力傳感器271測定動臂缸14的底部室內的工作油的壓力。另一個壓力傳感器272測定動臂缸14的桿室內的工作油的壓力。

推力計算部3012根據動臂缸14的底部室內及桿室內的工作油的壓力測定值p1、p2計算出動臂缸14的推力，并將計算結果作為推力測定值tm而進行輸出。

參考圖4對推力測定值tm的計算方法進行說明。將動臂缸14的底部室143的截面積表示為a1，將桿室144的截面積表示為a2。利用底部室143內的工作油的壓力測定值p1、桿室144內的工作油的壓力測定值p2，能夠以以下計算式求出推力測定值tm。

tm＝(p1×a1)-(p2×a2)

圖3所示的pi控制部3013根據推力要求值tr與推力測定值tm的差量(推力差量)向液壓回路40賦予指令值cv，使該差量變小。指令值cv例如與液壓回路40的流量調整閥的開口面積相對應。

液壓回路40被反饋控制成使推力要求值tr與推力測定值tm的推力差量變小，因此動臂缸14的推力接近與由操作人員進行的操作量oa相應的推力要求值tr。由于能夠產生操作人員所要求的推力，因此能夠提高調解在工作組件的作用點產生的力的作業(yè)例如挖掘作業(yè)等的作業(yè)性。

接著，參考圖5對基于另一實施例的施工機械進行說明。以下，對與圖1～圖4所示的實施例的不同點進行說明，對于相通的結構則省略說明。

圖5中示出控制裝置30、液壓回路40及液壓缸的框圖。圖3所示的實施例中，表示操作量oa的先導壓或電信號輸入至控制裝置30。圖5所示的實施例中，表示操作量oa的先導壓輸入至控制裝置30。

液壓回路40的一部分控制閥通過表示指令值cv的先導壓被驅動。另一部分控制閥通過表示操作量oa的先導壓被驅動。作為一例，方向切換閥通過表示操作量oa的先導壓被驅動，流量調整閥通過表示指令值cv的先導壓被驅動。

圖5所示的實施例中，同樣液壓回路40被控制成推力要求值tr與推力測定值tm的推力差量變小。因此，與圖1～圖4所示的實施例同樣，能夠使動臂缸14的推力接近與由操作人員進行的操作量oa相應的推力要求值tr。

接著，參考圖6對又一實施例進行說明。以下，對與圖1～圖4所示的實施例的不同點進行說明，對相通的結構則省略說明。

圖6中示出基于本實施例的施工機械的控制裝置30、液壓回路40及液壓缸的框圖。圖5中作為液壓缸示出動臂缸14。對于斗桿缸16及鏟斗缸18(圖1、圖2)也進行與動臂缸14相同的控制。

本實施例中，控制裝置30代替圖3所示的實施例的推力控制部301包括速度控制部302。在液壓管路141插入有流量傳感器281。流量傳感器281測定供給至動臂缸14的底部室或從底部室排出的工作油的流量。流量測定值q1輸入至控制裝置30。

速度控制部302包括速度要求值生成部3021、速度計算部3022及pi控制部3023。輸入裝置31中生成的操作量oa輸入至速度要求值生成部3021。速度要求值生成部3021根據操作量oa生成動作速度要求值vr。作為一例，動作速度要求值vr與操作量oa成比例。

用流量傳感器281測定的流量測定值q1輸入至速度計算部3022。速度計算部3022根據流量測定值q1計算動臂缸14的動作速度。計算出的動作速度作為動作速度測定值vm而輸出。

參考圖7對動作速度測定值vm的計算方法進行說明。將動臂缸14的底部室143的截面積表示為a1，將桿室144的截面積表示為a2。將流入至底部室143的工作油的流量表示為q1，將流入至桿室144的工作油的流量表示為q2。若將動臂缸14所延伸的方向的動作速度定義為正，則動作速度測定值vm能夠以以下計算式表示。

vm＝q1/a1＝-q2/a2

若獲取流入至底部室143的工作油的流量測定值q1及流入至桿室144的工作油的流量測定值q2中的一個，則能夠計算出動作速度測定值vm。圖6所示的實施例中，流量傳感器281測定流入至底部室143的工作油的流量，并輸出流量測定值q1。

pi控制部3023(圖6)根據動作速度要求值vr與動作速度測定值vm的差量(速度差量)向液壓回路40賦予指令值cv，使該差量變小。即，液壓回路40被反饋控制成使速度要求值vr與速度測定值vm的速度差量變小。指令值cv與從推力控制部301輸出的指令值cv具有同一個維度，例如與液壓回路40的流量調整閥的開口面積相對應。由此，流入至動臂缸14的工作油的流量被調整為使動臂缸14的動作速度與指令值cv一致。操作人員通過改變操作量oa，能夠以所希望的速度驅動工作組件。

接著，參考圖8～圖9對又一實施例進行說明。以下，對與圖1～圖4所示的實施例及圖6～圖7所示的實施例的不同點進行說明，對相通的結構則省略說明。本實施例中，作為液壓缸的控制模式準備有推力控制模式及速度控制模式，控制模式在兩者間切換。

圖8中示出控制裝置30、液壓回路40及液壓缸的框圖。圖8中，作為液壓缸示出動臂缸14。對于斗桿缸16及鏟斗缸18(圖1、圖2)，也進行與動臂缸14相同的控制。

姿勢傳感器29檢測施工機械的工作組件的姿勢。姿勢傳感器29的檢測結果輸入至控制裝置30。

參考圖9對姿勢傳感器29(圖8)進行說明。姿勢傳感器29包括3個角度傳感器291、292、293。角度傳感器291測定動臂13的仰角θ1。角度傳感器292測定動臂13與斗桿15所成的角度θ2。角度傳感器293測定斗桿15與鏟斗17所成的角度θ3。通過仰角θ1及角度θ2、θ3能夠指定包括動臂13、斗桿15及鏟斗17的工作組件的姿勢。

也可以代替角度傳感器291、292、293配置測定動臂缸14、斗桿缸16、及鏟斗缸18(圖1、圖2)的伸長量的傳感器。由各缸體的伸長量能夠指定仰角θ1及角度θ2、θ3。

圖8所示的控制裝置30包括推力控制部301、速度控制部302及控制模式切換部303。控制裝置30以推力控制模式與速度控制模式中的任一控制模式控制液壓缸。如參考圖3所說明的，推力控制部301以推力控制模式控制動臂缸14等液壓缸。如參考圖6所說明的，速度控制部302以速度控制模式控制動臂缸14等液壓缸?？刂颇Ｊ角袚Q部303進行推力控制模式與速度控制模式的切換。

接著，對控制模式切換部303的處理進行說明?？刂颇Ｊ角袚Q部303根據用姿勢傳感器29檢測出的工作組件的姿勢及動臂缸14、斗桿缸16、鏟斗缸18各自的推力求出施加于工作組件的作用點的反作用力。作用點例如相當于鏟斗17(圖1)的前端。若檢測到施加于工作組件的作用點的反作用力超過判定閾值，則控制模式切換部303將控制模式從速度控制模式切換為推力控制模式。若反作用力小于判定閾值，則將控制模式從推力控制模式恢復為速度控制模式。

接著，參考圖9對施加于作用點的反作用力的計算方法進行說明。重力、科氏力及基于動臂缸14、斗桿缸16、鏟斗缸18的推力作用于動臂13、斗桿15及鏟斗17。此外，來自地面的反作用力fc作用于鏟斗17的前端的作用點ap。作用于動臂13、斗桿15及鏟斗17的力及動臂13、斗桿15及鏟斗17的慣性力矩j1、j2、j3，利用仰角θ1、角度θ2、θ3解運動方程式，從而能夠求出反作用力fc。

圖8～圖9所示的實施例中，當作用于作用點ap的反作用力fc小于判定閾值時，液壓缸便被速度控制。即，以與輸入裝置31(圖8)的操作量oa相應的動作速度進行液壓缸的伸縮。因此，能夠容易進行工作組件的定位操作等。此外，若作用于作用點ap的反作用力fc超過判定閾值，則液壓缸便被推力控制。通過進行推力控制，能夠實現所需力量的挖掘等的作業(yè)性的提高。

由于能夠以與操作量oa相應的所希望的速度或推力使液壓缸動作，因此即使在由熟練度較低的操作人員進行作業(yè)的情況下，也能夠抑制作業(yè)性下降。

接著，參考圖10a～圖10c及圖11對又一實施例進行說明。以下，對與圖8～圖9所示的實施例的不同點進行說明，對相通的結構則省略說明。圖8～圖9所示的實施例中，根據作用于鏟斗17的前端的作用點ap(圖9)的反作用力fc的大小，進行了推力控制模式與速度控制模式的切換。本實施例中，根據其他物理量進行推力控制模式與速度控制模式的切換。

圖10a～圖10c中示出與控制模式切換處理相關的功能及所參考的數據的框圖。

圖10a所示的例子中，對動臂缸推力測定值、斗桿缸推力測定值及鏟斗缸推力測定值與這些缸體推力判定閾值進行比較，從而進行控制模式的切換。例如，當其中任一缸體的推力測定值超過判定閾值時，控制模式切換部303將控制模式從速度控制模式切換為推力控制模式。如圖4所示，這些缸體的推力測定值tm能夠根據底部室內的工作油的壓力測定值p1、桿室內的工作油的壓力測定值p2、底部室的截面積a1及桿室的截面積a2計算。即，缸體的推力測定值tm能夠根據壓力傳感器271～276的測定值求出。

挖掘作業(yè)中，將鏟斗17的前端放到挖掘對象物(例如地面)而施加負荷時(挖掘動作中)，缸體推力測定值變大。通過實際進行包括挖掘、吊起、回轉、廢土等一系列動作的挖掘作業(yè)，獲得各缸的推力測定值的時間變化，能夠確定用于判定挖土機是否處于挖掘動作中的各缸體的推力測定值的判定閾值。

圖10b所示的例子中，對液壓泵吐出壓測定值與吐出壓判定閾值進行比較，從而進行控制模式的切換。例如，當液壓泵吐出壓測定值超過判定閾值時，控制模式切換部303將控制模式從速度控制模式切換為推力控制模式。液壓泵吐出壓測定值能夠通過在液壓泵26(圖2)的輸出側液壓回路配置壓力傳感器來進行測定。

挖掘作業(yè)中，挖土機正進行挖掘動作時，由于產生很大的缸體推力，液壓泵吐出壓變大。通過實際進行挖掘作業(yè)并獲取液壓泵吐出壓的時間變化，能夠確定用于判定是否處于對挖掘對象物施加有負荷的狀態(tài)的吐出壓判定閾值。

圖10c所示的例子中，通過液壓泵吐出壓測定值與吐出壓判定閾值的比較結果及鏟斗位置計算值進行控制模式的切換。根據經驗可知，挖掘作業(yè)中對挖掘對象物施加有負荷時的鏟斗17位置(相對于上部回轉體12的相對位置)在某一特定區(qū)域內。

參考圖11對挖掘作業(yè)中鏟斗17的位置進行說明。鏟斗17的前端的作用點ap所移動的范圍能夠區(qū)分為挖掘動作區(qū)域50、深挖動作區(qū)域51、前端區(qū)域52、高空區(qū)域53、鄰近區(qū)域54等。向前方伸展動臂13、斗桿15時，作用點ap位于前端區(qū)域52內。向高空吊起鏟斗17時，作用點ap位于高空區(qū)域53內。朝向上部回轉體12收回鏟斗17時，作用點ap位于鄰近區(qū)域54內。鏟斗17的作用點ap位于前端區(qū)域52、高空區(qū)域53或鄰近區(qū)域54內時，通常不進行向挖掘對象物施加負荷的動作。

前端區(qū)域52與鄰近區(qū)域54之間，在低于高空區(qū)域53的位置定義有挖掘動作區(qū)域50。此外，在比與下部行走體10接觸的地面更深的位置定義有深挖動作區(qū)域51。鏟斗17的作用點ap位于挖掘動作區(qū)域50或深挖動作區(qū)域51內時，存在進行向挖掘對象物施加負荷的動作的可能性。

圖10c所示的例子中，作為控制模式的切換條件，不僅利用液壓泵吐出壓測定值，還利用鏟斗位置計算值。例如，計算出的鏟斗17的位置在前端區(qū)域52、高空區(qū)域53或鄰近區(qū)域54內時，即使液壓泵吐出壓測定值超過判定閾值，也不將控制模式切換為推力控制模式，而能夠進行維持速度控制模式的控制。如此，進行控制模式切換時，通過參考鏟斗17的位置，能夠進行更準確地反映操作人員的要求的動作。

圖8～圖9所示的實施例、圖10a～圖10c所示的實施例中，在控制模式的切換判定中，利用了施加于鏟斗17的反作用力、缸體推力、液壓泵吐出壓、鏟斗的位置等，但也能夠利用與挖土機的動作相關的其他數據。一般來講，為挖掘動作中時，將控制模式切換為推力控制模式，在其他情況即鏟斗17保持在空中時，只要將控制模式轉為速度控制模式即可。

圖8～圖9、圖10a～圖10c所示的實施例中，能夠根據挖土機的動作狀況以最佳的控制模式使挖土機動作。

以上，按照實施例對本發(fā)明進行了說明，但本發(fā)明并不限定于這些實施例。例如，本領域技術人員顯然會理解能夠進行各種變更、改進、組合等。

符號說明

10-下部行走體，11-回轉機構，12-上部回轉體，13-動臂，14-動臂缸，15-斗桿，16-斗桿缸，17-鏟斗，18-鏟斗缸，19、20、21-液壓馬達，25-控制閥，26-液壓泵，29-姿勢傳感器，30-控制裝置，31-輸入裝置，35-引擎，40-液壓回路，50-挖掘動作區(qū)域，51-深挖動作區(qū)域，52-前端區(qū)域，53-高空區(qū)域，54-鄰近區(qū)域，141、142、161、162、181、182-液壓管路，143-底部室，144-桿室，271、272、273、274、275、276-壓力傳感器，281-流量傳感器，291、292、293-角度傳感器，301-推力控制部，302-速度控制部，303-控制模式切換部，311-操作桿，3011-推力要求值生成部，3012-推力計算部，3013-pi控制部，3021-速度要求值生成部，3022-速度計算部，3023-pi控制部，ap-作用點，cv-指令值，fc-反作用力，j1-動臂的慣性力矩，j2-斗桿的慣性力矩，j3-鏟斗的慣性力矩，oa-操作量，p1-底部室內的工作油的壓力，p2-桿室內的工作油的壓力，q1-工作油的流量測定值，tm-推力測定值，tr-推力要求值，vm-動作速度測定值，vr-動作速度要求值。