挖土机的控制方法及控制装置制造方法

挖土机的控制方法及控制装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种挖土机的控制方法及控制装置。本发明的实施例所涉及的挖土机的控制方法，通过向前后方向操作操纵杆(26B)，维持铲斗(6)的高度的同时执行铲斗(6)的X方向移动控制(平面位置控制)，或者通过向前后方向操作操纵杆(26A)，维持铲斗(6)的平面位置的同时执行铲斗(6)的Z方向移动控制即高度控制。
【专利说明】 挖土机的控制方法及控制装置

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种挖土机的控制方法及控制装置，更详细而言，涉及一种进行地面平整作业、斜坡整形作业等时的挖土机的控制方法及控制装置。

【背景技术】
[0002]以往，已知有可轻松进行地面平整作业的液压挖土机的挖掘轨迹控制装置(例如，参考专利文献I)。
[0003]该挖掘轨迹控制装置中，设定沿液压挖土机的前置附属装置的延伸方向水平延伸的作业允许区域，当斗杆前端销的轴心位置位于作业允许区域内时，允许斗杆及动臂的动作。另一方面，该挖掘轨迹控制装置中，在作业允许区域周围设定作业抑制区域，当斗杆前端销的轴心位置侵入作业抑制区域内时，禁止拉起斗杆、提升动臂及下降动臂中的任何动作。
[0004]由此，该挖掘轨迹控制装置使操作者可轻松进行沿着前置附属装置的延伸方向的直线式作业或地面平整作业。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开平8-277543号公报发明概要
[0008]发明要解决的技术课题
[0009]然而，在搭载专利文献I中记载的挖掘轨迹控制装置的液压挖土机中，操作者在移动斗杆及动臂时使用与各自相对应的单个操作杆。因此，操作者在直线式作业或地面平整作业中移动铲斗时需同时操作2个操作杆。因此，对于液压挖土机的操作不熟练的操作者而言，直线式作业或地面平整作业依然是较困难的作业，并不能说对于这种操作者的支援是充分的。
[0010]本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种使得能够更轻松地操作前置附属装置的挖土机的控制方法及控制装置。
[0011]用于解决技术课题的手段
[0012]为了实现上述目的，本发明的实施例所涉及的挖土机的控制方法中，通过一个操纵杆的操作，维持端部附属装置的高度的同时执行该端部附属装置的平面位置控制，或者维持所述端部附属装置的平面位置的同时执行所述端部附属装置的高度控制。
[0013]并且，本发明的实施例所涉及的挖土机的控制装置中，通过一个操纵杆的操作，维持端部附属装置的高度的同时执行该端部附属装置的平面位置控制，或者维持所述端部附属装置的平面位置的同时执行所述端部附属装置的高度控制。
[0014]发明效果
[0015]根据上述方法，本发明能够提供一种使得能够更轻松地操作前置附属装置的挖土机的控制方法及控制装置。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]图1是表示执行本发明的实施例所涉及控制方法的液压挖土机的侧视图。
[0017]图2是表示液压式挖土机的驱动系统的结构例的框图。
[0018]图3是本发明的实施例所涉及的控制方法中使用的三维直角坐标系的说明图。
[0019]图4是对XZ平面中的前置附属装置的动作进行说明的图。
[0020]图5是驾驶室内的驾驶席的俯视立体图。
[0021]图6是表示自动平整模式中进行了操纵杆操作时的处理流程的流程图。
[0022]图7是表示X方向移动控制的流程的框图(之一)。
[0023]图8是表示X方向移动控制的流程的框图(之二)。
[0024]图9是表示Z方向移动控制的流程的框图(之一)。
[0025]图10是表示Z方向移动控制的流程的框图(之二)。
[0026]图11是表示执行本发明的实施例所涉及的控制方法的混合式挖土机的驱动系统的结构例的框图。
[0027]图12是表示混合式挖土机的蓄电系统的结构例的框图。
[0028]图13是表示执行本发明的实施例所涉及的控制方法的混合式挖土机的驱动系统的其他结构例的框图。
[0029]图14是斜坡整形模式中使用的坐标系的说明图(之一)。
[0030]图15是斜坡整形模式中使用的坐标系的说明图(之二)。
[0031]图16是对斜坡整形模式中的前置附属装置的动作进行说明的图。

【具体实施方式】
[0032]图1是表示执行本发明的实施例所涉及的控制方法的液压式挖土机的侧视图。
[0033]在液压式挖土机的下部行走体I上经由回转机构2搭载有上部回转体3。上部回转体3上安装有作为操作体的动臂4。在动臂4的前端安装有作为操作体的斗杆5，在斗杆5的前端安装有作为操作体的端部附属装置即铲斗6。动臂4、斗杆5及铲斗6构成前置附属装置，分别由动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9液压驱动。上部回转体3上设置驾驶室10，且搭载有引擎等动力源。
[0034]图2是表示图1的液压式挖土机的驱动系统的结构例的框图。图2中，分别以双重线表示机械动力系统，以粗实线表示高压液压管路，以虚线表示先导管路，以细实线表示电力驱动/控制系统。
[0035]在作为机械式驱动部的引擎11的输出轴上，作为液压泵连接有主泵14及先导泵
15。主泵14上经由高压液压管路16连接有控制阀17。并且，主泵14为通过调节器14A控制泵的每一次旋转的吐出流量的可变容量型液压泵。
[0036]控制阀17为进行液压式挖土机中的液压系统的控制的液压控制装置。下部行走体I用液压马达IA(右用)及IB(左用)、动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9经由高压液压管路连接于控制阀17。并且，先导泵15上经由先导管路25连接有操作装置26。
[0037]操作装置26包括操纵杆26A、操纵杆26B及踏板26C。操纵杆26A、操纵杆26B及踏板26C经由液压管路27及28分别连接于控制阀17及压力传感器29。压力传感器29连接于进行电力系统的驱动控制的控制器30。
[0038]另外，本实施例中用于检测各操作体的姿势的姿势传感器安装于各操作体。具体而言，用于检测动臂4的倾斜角度的动臂角度传感器4S安装于动臂4的支承轴上。并且，用于检测斗杆5的开闭角度的斗杆角度传感器5S安装于斗杆5的支承轴上，用于检测铲斗6的开闭角度的铲斗角度传感器6S安装于铲斗6的支承轴上。动臂角度传感器4S将检测出的动臂角度提供至控制器30。并且，斗杆角度传感器5S将检测出的斗杆角度提供至控制器30，铲斗角度传感器6S将检测出的铲斗角度提供至控制器30。
[0039]控制器30为作为进行液压式挖土机的驱动控制的主控制部的挖土机控制装置。控制器30由包含CPU (Central Processing Unit)及内部存储器的运算处理装置构成,是通过CPU执行存储于内部存储器的驱动控制用程序来实现的装置。
[0040]接着，参考图3对本发明的实施例所涉及的控制方法中使用的三维直角坐标系进行说明。另外，图3的F3A为液压式挖土机的侧视图，图3的F3B为液压式挖土机的俯视图。
[0041]如F3A及F3B所示，三维直角坐标系的Z轴相当于液压式挖土机的回转轴PC，三维直角坐标系的原点O相当于回转轴PC与液压式挖土机的设置面的交点。
[0042]并且，与Z轴正交的X轴沿前置附属装置的延伸方向延伸，同样与Z轴正交的Y轴沿与前置附属装置的延伸方向垂直的方向延伸。即，X轴及Y轴与液压式挖土机的回转一同绕Z轴旋转。另外，液压式挖土机的回转角度Θ在如F3B所示的俯视观察时相对于X轴将逆时针反向作为正向。
[0043]并且,如F3A所示,动臂4相对于上部回转体3的安装位置以作为动臂旋转轴的动臂销的位置即动臂销位置Pl表示。同样地，斗杆5相对于动臂4的安装位置以作为斗杆旋转轴的斗杆销的位置即斗杆销位置P2表示。并且，铲斗6相对于斗杆5的安装位置以作为铲斗旋转轴的铲斗销的位置即铲斗销位置P3表示。而且，铲斗6的前端位置以铲斗前端位置P4表示。
[0044]并且，连结动臂销位置Pl与斗杆销位置P2的线段SGl的长度作为动臂长度以规定值L1表示，连结斗杆销位置P2与铲斗销位置P3的线段SG2的长度作为斗杆长度以规定值L2表示，连结铲斗销位置P3与铲斗前端位置P4的线段SG3的长度作为铲斗长度以规定值L3表不。
[0045]并且，形成于线段SGl与水平面之间的角度以地面角β !表示，形成于线段SG2与水平面之间的角度以地面角β2表示，形成于线段SG3与水平面之间的角度以地面角03表示。另外，以下，还将地面角βρ β2、@3分别称为动臂旋转角度、斗杆旋转角度、铲斗旋转角度。
[0046]其中，若将动臂销位置Pl的三维坐标设为(X、Y、Ζ) = (Hox,O, Hoz)，将铲斗前端位置Ρ4的三维坐标设为(Χ、Υ、Ζ) = (乂6、￥6、26)，则父6、26分别以公式⑴及公式⑵表示。另外，Xe及Ye表示端部附属装置的平面位置，Ze表示端部附属装置的高度。
[0047]Xe = Hqx+L^os β !+L2Cos β 2+L3cos β 3......(I)
[0048]Ze = H0JL1Sin β JL2Sin β 2+L3sin β 3......(2)
[0049]另外，Ye成为O。这是因为纟产斗前端位置Ρ4存在于XZ平面上。
[0050]并且，由于动臂销位置Pl的坐标值为固定值，因此只要确定地面角β3，则可单值确定铲斗前端位置P4的坐标值。同样地，只要确定地面角P1，则可单值确定斗杆销位置P2的坐标值，只要确定地面角^及β2，则可单值确定铲斗销位置P3的坐标的值。[0051 ] 接着，参考图4对动臂角度传感器4S、斗杆角度传感器5S及铲斗角度传感器6S各自的输出与动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度@2及铲斗旋转角度@3之间的关系进行说明。另外，图4是对XZ平面中的前置附属装置的动作进行说明的图。
[0052]如图4所示，动臂角度传感器4S设置于动臂销位置Pl，斗杆角度传感器5S设置于斗杆销位置Ρ2，铲斗角度传感器6S设置于铲斗销位置Ρ3。
[0053]并且，动臂角度传感器4S检测并输出形成于线段SGl与垂直线之间的角度Ci1。斗杆角度传感器5S检测并输出形成于线段SGl的延长线与线段SG2之间的角度α2。铲斗角度传感器6S检测并输出形成于线段SG2的延长线与线段SG3之间的角度α 3。另外，图4中，角度α:相对于线段SGl将逆时针方向作为正向。同样地,角度相对于线段SG2将逆时针方向作为正向，角度α3相对于线段SG3将逆时针方向作为正向。并且，图4中，动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度β2、铲斗旋转角度@3相对于与X轴平行线将逆时针方向作为正向。
[0054]从以上的关系，动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度β2、铲斗旋转角度@3利用角度Q1, α2> α3分别以公式(3)、公式⑷、公式(5)表示。
[0055]β ! = 90-α !......(3)
[0056]β 2 = β「α 2 = 90- α「α 2......(4)
[0057]β 3 = β 2— α 3 = 90— α「α 2_ Ct 3......(5)
[0058]另外，如上述，为动臂4、斗杆5、铲斗6相对于水平面的倾斜来表示。
[0059]由此，若使用公式(I)?公式(5)，只要确定角度αι、α2、α3，则可单值确定动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度β2、铲斗旋转角度β3，且可单值确定铲斗前端位置Ρ4的坐标值。同样地，只要确定角度Ci1，则可单值确定动臂旋转角度P1及斗杆销位置Ρ2的坐标值，只要确定角度α” Ci2，则可单值确定斗杆旋转角度β2及铲斗销位置Ρ3的坐标值。
[0060]另外，动臂角度传感器4S、斗杆角度传感器5S、铲斗角度传感器6S可直接检测动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度β2、铲斗旋转角度β3。此时，能够省略公式(3)?公式(5)的运算。
[0061]接着，参考图5对本发明的实施例所涉及的挖土机的控制方法中使用的操作装置26进行说明。另外，图5是驾驶室10内的驾驶席的俯视立体图，表示在驾驶席的左侧前方配置有操纵杆26Α并在驾驶席的右侧前方配置有操纵杆26Β的状态。并且，图5的F5A表示通常模式时的操纵杆设定，图5的F5B表示自动平整模式时的操纵杆设定。
[0062]具体而言，F5A的通常模式中，若向前方倾倒操纵杆26Α则斗杆5打开,若向后方倾倒操纵杆26Α则斗杆5关闭。并且，若向左侧倾倒操纵杆26Α则上部回转体3在俯视观察时向逆时针方向左回转，若向右侧倾倒操纵杆26Α则上部回转体3在俯视观察时向顺时针方向右回转。并且，若向前方倾倒操纵杆26Β则动臂4下降，若向后方倾倒操纵杆26Β则动臂4上升。并且，若向左侧倾倒操纵杆26Β则铲斗6关闭，若向右侧倾倒操纵杆26Β则铲斗6打开。
[0063]另一方面，F5B的自动平整模式中，若向前方倾倒操纵杆26Α，则动臂4及斗杆5中的至少一个进行动作，以便使铲斗前端位置Ρ4的X坐标及Y坐标的值不变的同时使Z坐标的值减少。另外，也可以是铲斗6移动。并且，若向后方倾倒操纵杆26A，则动臂4及铲斗5中的至少一个移动，以便使铲斗前端位置P4的X坐标及Y坐标的值不变的同时使Z坐标的值增大。另外，也可以是铲斗6移动。以下，将操纵杆26A向前后方向的操作，即将根据作为端部附属装置的铲斗6的Z方向操作而执行的控制作为“Z方向移动控制”或“高度控制”。另外，操纵杆26A向左右方向的操作与通常模式时相同。
[0064]并且，在F5B的自动平整模式中，若向前方倾倒操纵杆26B，则动臂4及斗杆5中的至少一个进行动作，以便使铲斗前端位置P4的Y坐标及Z坐标的值不变的同时使X坐标的值增大。另外，也可以是铲斗6移动。并且，若向后方倾倒操纵杆26B，则动臂4及斗杆5中的至少一个进行动作，以便使铲斗前端位置P4的Y坐标及Z坐标的值不变的同时使X坐标的值减少。另外，也可以是铲斗6移动。以下，将操纵杆26B向前后方向的操作，即将根据作为端部附属装置的铲斗6的X方向操作执行的控制作为“X方向移动控制”或“平面位置控制”。
[0065]并且，在F5B的自动平整模式中，若向左侧倾倒操纵杆26B，则铲斗旋转角度β 3增大，若向右侧倾倒操纵杆26Β，则铲斗旋转角度β 3减少。即，若向左侧倾倒操纵杆26Β，则铲斗6关闭，若向右侧倾倒操纵杆26Β，则铲斗6打开。如此，通过操纵杆26Β向左右方向的操作而带来的铲斗6的动作与通常模式时相同。然而，不同点在于，在通常模式中通过向铲斗缸9供给与操纵杆操作量对应的流量的工作油来移动铲斗6，而在自动平整模式中通过确定与操纵杆操作量对应的铲斗旋转角度β3的目标值来移动铲斗6。另外，自动平整模式中的控制的详细内容将进行后述。
[0066]如6是表示自动平整模式中进行操纵杆操作时的处理流程的流程图。
[0067]首先，控制器30判断在设置于驾驶室10内的驾驶席附近的模式切换开关中是否已选择自动平整模式(步骤Si)。
[0068]判断为已选择自动平整模式时(步骤SI的是)，控制器30检测操纵杆操作量(步骤 S2)。
[0069]具体而言，控制器30例如根据压力传感器29的输出检测操纵杆26Α、26Β的操作量。
[0070]之后，控制器30判断是否已进行X方向操作(步骤S3)。具体而言，控制器30判断是否已进行操纵杆26Β向前后方向的操作。
[0071]当判断为已进行X方向操作时(步骤S3的是)，控制器30执行X方向移动控制(平面位置控制)(步骤S4)。
[0072]判断为未进行X方向操作时(步骤S3的否)，控制器30判断是否已进行Z方向操作(步骤S5)。具体而言，控制器30判断是否已进行操纵杆26Α向前后方向的操作。
[0073]判断为已进行Z方向操作时(步骤S5的是)，控制器30执行Z方向移动控制(高度控制)(步骤S6)。
[0074]判断为未进行Z方向操作时(步骤S5的否)，控制器30判断是否已进行Θ方向操作(步骤S7)。具体而言，控制器30判断是否已进行操纵杆26Α向左右方向的操作。
[0075]判断为已进行Θ方向操作时(步骤S7的是)，控制器30执行回转动作(步骤S8)。
[0076]判断为未进行Θ方向操作时(步骤S7的否)，控制器30判断是否已进行β 3方向操作(步骤S9)。具体而言，控制器30判断是否已进行操纵杆26B向左右方向的操作。
[0077]判断为已进行β 3方向操作时(步骤S9的是)，控制器30执行铲斗开闭动作(步骤 S10)。
[0078]另外，图6所示的控制流程为执行X方向操作、Z方向操作、Θ方向操作及β 3方向操作中的一个的单独操作的情况，但也可同样适用于同时执行4个操作中的多个操作的复合操作的情况。例如，可同时执行X方向移动控制、Z方向移动控制、回转动作及铲斗开闭动作中的多个控制。
[0079]接着，参考图7及图8，对X方向移动控制(平面位置控制)的详细内容进行说明。另外，图7及图8是表示X方向移动控制的流程的框图。
[0080]若以操纵杆26Β进行X方向操作，则如图7所示，控制器30根据操纵杆26Β的X方向操作，对铲斗前端位置Ρ4的X轴方向上的位移进行开放式控制。具体而言，控制器30例如生成指令值Xer作为铲斗前端位置Ρ4的移动后的X坐标的值。更具体而言，控制器30利用X方向指令值生成部CX生成与操纵杆26Β的操纵杆操作量Lx相应的X方向指令值Xer。X方向指令值生成部CX例如使用预先登记的图表等，从操纵杆操作量Lx导出X方向指令值Xer。并且，X方向指令值生成部CX例如以如下方式生成值Xer，即操纵杆26B的操作量越大，铲斗前端位置P4的移动前的X坐标的值Xe与移动后的X坐标的值Xer之差AXe变得越大。另外，控制器30还可以以如下方式生成值Xer，即与操纵杆26B的操作量无关地使AXe成为恒定。并且，铲斗前端位置P4的Y坐标及Z坐标的值在移动前后不变。
[0081]之后，控制器30根据所生成的指令值Xer生成动臂旋转角度β 1、斗杆旋转角度β 2及伊斗旋转角度β 3各自的指令值β ιΓ> β 2r> β 3r。
[0082]具体而言，控制器30利用上述公式⑴及公式(2)生成指令值β ιΓ, β 2r、β 3r。如公式(I)及公式(2)所示,纟产斗前端位置P4的X坐标及Z坐标的值Xe、Ze为动臂旋转角度、斗杆旋转角度@2及铲斗旋转角度@3的函数。并且，对铲斗前端位置P4的移动后的Z坐标的值Zer直接使用当前值。因此，若将铲斗旋转角度@3的指令值β3Γ直接设为当前值，则对公式(I)的Xe代入所生成的指令值Xerjf β3直接代入当前值。并且，对公式(2)的Ze直接代入当前值，对β3也直接代入当前值。其结果，通过解包含2个未知数
β2的公式(I)及公式(2)的联立方程式，导出动臂旋转角度^及斗杆旋转角度β2的值。控制器30将这些导出的值作为指令值βιΓ、β2Γ。
[0083]之后，如图8所示，控制器30以动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度β2及铲斗旋转角度β 3各自的值成为所生成的指令值β f、β 2r、β 3r的方式使动臂4、斗杆5及铲斗6工作。另外，控制器30可利用公式(3)?公式(5)导出与指令值对应的指令值011.、a2r、a3r。并且，控制器30可以以动臂角度传感器4S、斗杆角度传感器5S、铲斗角度传感器6S的输出即角度a 1、α 2、α 3成为所导出的指令值α ιΓ、a 2r、a 3r的方式使动臂4、斗杆5及铲斗6工作。
[0084]具体而言，控制器30生成和动臂旋转角度β !的当前值与指令值β f之差Λ β i对应的动臂缸先导压指令。并且，对动臂电磁比例阀输出与动臂缸先导压指令对应的控制电流。动臂电磁比例阀在自动平整模式中，对动臂控制阀输出与和动臂缸先导压指令对应的控制电流相应的先导压。另外，动臂电磁比例阀在通常模式中，对动臂控制阀输出与操纵杆26B向前后方向的操作量相应的先导压。
[0085]之后，接收了来自动臂电磁比例阀的先导压的动臂控制阀以与先导压对应的流动方向及流量向动臂缸7供给由主泵14吐出的工作油。动臂缸7通过经由动臂控制阀供给的工作油伸缩。动臂角度传感器4S检测通过伸缩的动臂缸7动作的动臂4的角度alt)
[0086]之后，控制器30将动臂角度传感器4S检测出的角度Ci1代入到公式(3)来计算动臂旋转角度并且，反馈计算出的值作为生成动臂缸先导压指令时使用的动臂旋转角度P1的当前值。
[0087]另外，上述说明与基于指令值β ιΓ的动臂4的动作有关，但是能够同样适用于基于指令值β2Γ的斗杆5的动作及基于指令值β3ι.的铲斗6的动作。因此，对基于指令值β2Γ的斗杆5的动作及基于指令值β3Γ的铲斗6的动作的流程，省略其说明。
[0088]并且，如图7所示，控制器30使用泵吐出量导出部CP1、CP2、CP3从指令值β #、β 2r、β 3r导出泵吐出量。本实施例中，泵吐出量导出部CP1、CP2、CP3利用预先登记的图表等，从指令值βρ、β2Γ, β3ι.导出泵吐出量。对由泵吐出量导出部CP1、CP2、CP3导出的泵吐出量进行总计，并作为总计泵吐出量输入至泵流量运算部。泵流量运算部根据所输入的总计泵吐出量控制主泵14的吐出量。本实施例中，泵流量运算部通过根据总计泵吐出量变更主泵14的斜板偏转角来控制主泵14的吐出量。
[0089]其结果，控制部30能够通过执行动臂控制阀、斗杆控制阀、铲斗控制阀的开口控制及主泵14的吐出量的控制，对动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9分配适当量的工作油。
[0090]如此,控制器30将指令值Xer的生成、指令值及β3Γ的生成、主泵14的吐出量的控制以及基于角度传感器4S、5S、6S的输出的操作体4、5、6的反馈控制作为I个控制循环，并通过反复该控制循环来进行铲斗前端位置P4的X方向移动控制。
[0091]并且，上述说明中，作为铲斗旋转角度β3的指令值β3ι.，直接使用铲斗旋转角度β3的当前值。然而，可将根据斗杆旋转角度β2的值单值确定的值，例如在斗杆旋转角度β 2的值加上固定值的值用作铲斗旋转角度β 3的指令值β 3r。
[0092]并且，X方向移动控制中，使铲斗前端位置P4的Y坐标及Z坐标固定的同时对铲斗前端位置P4的X坐标的位移进行开放式控制。然而，也可使铲斗销位置P3的Y坐标及Z坐标固定的同时对铲斗销位置P3的X坐标的位移进行开放式控制。此时，省略指令值i33r的生成及铲斗6的控制。
[0093]接着，参考图9及图10，对Z方向移动控制(高度控制)的详细内容进行说明。另夕卜，图9及图10是表示Z方向移动控制流程的框图。
[0094]若以操纵杆26A进行Z方向操作，则如图9所示，控制器30根据操纵杆26A的Z方向操作对铲斗前端位置P4在Z轴方向上的位移进行开放式控制。具体而言，控制器30例如生成指令值Zer作为铲斗前端位置P4的移动后的Z坐标的值。更具体而言，控制器30利用Z方向指令值生成部CZ生成与操纵杆26A的操作量Lz相应的Z方向指令值Zer。Z方向指令值生成部CZ例如利用预先登记的图表等，从操纵杆操作量Lz导出Z方向指令值Zer0并且，Z方向指令值生成部CZ例如以如下方式生成值Zer，即操纵杆26A的操作量越大，使铲斗前端位置P4的移动前的Z坐标的值Ze与移动后的Z坐标的值Zer之差Λ Ze变得越大。另外，控制器30可以以如下方式生成值Zer，即与操纵杆26A的操作量无关地使AZe成为恒定。并且，伊斗前端位置P4的X坐标及Y坐标的值在移动前后不变。
[0095]之后，控制器30根据所生成的指令值Zer生成动臂旋转角度β 1、斗杆旋转角度β 2及伊斗旋转角度β 3各自的指令值β ιΓ> β 2r> β 3r。
[0096]具体而言，控制器30利用上述公式⑴及公式(2)生成指令值β ιΓ, β 2r、β 3r。如公式(I)及公式(2)所示,纟产斗前端位置P4的X坐标及Z坐标的值Xe、Ze为动臂旋转角度、斗杆旋转角度@2及铲斗旋转角度@3的函数。并且，对铲斗前端位置P4的移动后的X坐标的值Xer直接使用当前值。因此，若将铲斗旋转角度@3的指令值β3Γ直接设为当前值，则对公式(I)的Xe直接代入当前值，对β3也直接代入当前值。并且，对公式(2)的Ze代入所生成的指令值Zerjf β3直接代入当前值。其结果，通过解包含2个未知数β ρβ 2的公式(I)及公式(2)的联立方程式，导出动臂旋转角度β !及斗杆旋转角度β 2的值。控制器30将这些导出的值作为指令值β f、β 2r。
[0097]之后，如图10所示，控制器30以动臂旋转角度P1、斗杆旋转角度β2及铲斗旋转角度β3各自的值成为所生成的指令值βρ、β2Γ, β3ι.的方式，使动臂4、斗杆5及铲斗6动作。另外，对于动臂4、斗杆5及铲斗6的动作及主泵14的吐出量的控制，能够直接适用在X方向移动控制中说明的内容，因此在此省略其说明。
[0098]如此，控制器30将指令值Zer的生成、指令值及β3Γ的生成、主泵14的吐出量的控制以及基于角度传感器4S、5S、6S的输出的操作体4、5、6的反馈控制作为I个控制循环，并通过反复该控制循环来进行铲斗前端位置P4的Z方向移动控制。
[0099]并且，上述说明中，作为铲斗旋转角度β3的指令值β3ι.，直接使用铲斗旋转角度β3的当前值。然而，可将根据斗杆旋转角度β2的值单值确定的值，例如在斗杆旋转角度β 2的值加上固定值的值用作铲斗旋转角度β 3的指令值β 3r。
[0100]并且，Z方向移动控制中，使铲斗前端位置P4的X坐标及Y坐标固定的同时对铲斗前端位置P4的Z坐标的位移进行开放式控制。然而，也可使铲斗销位置P3的X坐标及Y坐标固定的同时对铲斗销位置P3的Z坐标的位移进行开放式控制。此时，省略指令值i33r的生成及铲斗6的控制。
[0101]如以上说明，本发明的实施例所涉及的挖土机的控制方法将操纵杆的操作量用于铲斗前端位置P4的位置控制上，而不是动臂缸7、斗杆缸8及铲斗缸9各自的伸缩控制。因此，本控制方法能够通过一个操纵杆的操作实现维持铲斗旋转角度β3以及铲斗前端位置Ρ4的X坐标及Y坐标的值的同时使Z坐标的值增减的动作。并且，能够通过一个操纵杆的操作实现维持铲斗旋转角度β 3以及铲斗前端位置Ρ4的Y坐标及Z坐标的值的同时使X坐标的值增减的动作
[0102]并且，本控制方法还能够将端部附属装置的平面位置与端部附属装置的高度作为铲斗销位置Ρ3，并将操纵杆操作量用于铲斗销位置Ρ3的位置控制。此时，本控制方法能够通过一个操纵杆的操作实现维持铲斗销位置Ρ3的X坐标及Y坐标的值的同时使Z坐标的值增减的动作。并且，能够通过一个操纵杆的操作实现维持铲斗销位置Ρ3的Y坐标及Z坐标的值的同时使X坐标的值增减的动作。此时，若将铲斗销位置Ρ3的三维坐标设为(Χ、Υ、Z) = (ΧΡ3+ΥΡ3+ΖΡ3)，则 Xp3、ZpjIij 以公式(6)及公式(J)表示。
[0103]Xp3 = Hm^L1COS β !+L2Cos β 2......(6)
[0104]Zp3 = H0JL1Sin β JL2Sin β 2......(7)
[0105]另外，ΥΡ3成为O。这是因为纟产斗销位置Ρ3存在于XZ平面上。
[0106]另外，此时，在X方向移动控制中不会从指令值Xer生成指令值β3Γ，在Z方向移动控制中不会从指令值Zer生成指令值β 3r。
[0107]接着，参考图11对执行本发明的实施例所涉及的控制方法的混合式挖土机进行说明。另外，图11是表示混合式挖土机的驱动系统的结构例的框图。图11中，以双重线表示机械动力系统，以粗实线表示高压液压管路，以虚线表示先导管路，以细实线表示电力驱动/控制系统。并且，图11的驱动系统中，具备电动发电机12、变速器13、逆变器18及蓄电系统120，并代替回转用液压马达21B而具备由逆变器20、回转用电动机21、分解器22、机械制动器23及回转减速器24构成的负载驱动系统，在这两点上与图2的驱动系统不同。但是，其他点上与图2的驱动系统共同。因此，省略共同点的说明，对不同点进行详细说明。
[0108]图11中，作为机械式驱动部的引擎11及作为还进行发电的辅助驱动部的电动发电机12分别连接于变速器13的2个输入轴。变速器13的输出轴上连接有作为液压泵的主泵14及先导泵15。
[0109]电动发电机12上经由逆变器18连接有包含作为蓄电器的电容器的蓄电系统(蓄电装置)120。
[0110]蓄电系统120配置于逆变器18与逆变器20之间。由此，在电动发电机12及回转用电动机21中的至少一个进行动力运行时，蓄电系统120供给动力运行所需的电力，并且在至少一个进行发电运行时，蓄电系统120将通过发电运行产生的电力作为电能来蓄积。
[0111]图12是表不蓄电系统120的结构例的框图。蓄电系统120包含作为蓄电器的电容器19、升降压转换器100及DC母线110。作为第2蓄电器的DC母线110控制作为第I蓄电器的电容器19与电动发电机12与回转用电动机21之间的电力授受。电容器19上设置有用于检测电容器电压值的电容器电压检测部112及用于检测电容器电流值的电容器电流检测部113。通过电容器电压检测部112及电容器电流检测部113检测的电容器电压值及电容器电流值供给至控制器30。并且，上述中作为蓄电器的例子示出了电容器19，但是可代替电容器19使用锂离子电池等能够充电的二次电池、锂离子电容器或能够进行电力授受的其他形式的电源作为蓄电器。
[0112]升降压转换器100根据电动发电机12及回转用电动机21的运行状态进行切换升压动作与降压动作的控制，以使DC母线电压值落在一定范围内。DC母线110配设于逆变器18、20与升降压转换器100之间，进行电容器19、电动发电机12、回转用电动机21之间的电力授受。
[0113]回到图11，逆变器20设置于回转用电动机21与蓄电系统120之间，根据来自控制器30的指令，对回转用电动机21进行运行控制。由此，逆变器20在回转用电动机21进行动力运行时从蓄电系统120向回转用电动机21供给所需电力。并且，在回转用电动机21进行发电运行时，将通过回转用电动机21发电的电力蓄电于蓄电系统120的电容器19。
[0114]回转用电动机21为能够进行动力运行及发电运行两者的电动机即可，其为了驱动上部回转体3的回转机构2而设置。动力运行时，通过减速器24放大回转用电动机21的旋转驱动力，上部回转体3被加减速控制而进行旋转运动。并且，发电运行时，上部回转体3的惯性旋转通过减速器24增加转速并传递至回转用电动机21，从而能够产生再生电力。其中，回转用电动机21为根据PWM(Pulse Width Modulat1n)控制信号通过逆变器20交流驱动的电动机。回转用电动机21例如能够由磁铁埋入型IPM马达构成。由此，能够产生更大的感应电动势，因此能够增大再生时通过回转用电动机21发电的电力。
[0115]另外，蓄电系统120的电容器19的充放电控制根据电容器19的充电状态、电动发电机12的运行状态(动力运行或发电运行)、回转用电动机21的运行状态(动力运行或再生运行)，通过控制器30进行。
[0116]分解器22为检测回转用电动机21的旋转轴21A的旋转位置及旋转角度的传感器。具体而言，分解器22通过检测回转用电动机21的旋转前的旋转轴21A的旋转位置与左旋转或右旋转后的旋转位置之差，从而检测旋转轴21A的旋转角度及旋转方向。通过检测回转用电动机21的旋转轴2IA的旋转角度及旋转方向，导出回转机构2的旋转角度及旋转方向。
[0117]机械制动器23为产生机械制动力的制动装置，机械地停止回转用电动机21的旋转轴21A。该机械制动器23通过电磁式开关切换制动/解除。该切换通过控制器30进行。
[0118]回转变速器24为对回转用电动机21的旋转轴21A的旋转进行减速并机械地传递至回转机构2的变速器。由此，动力运行时，能够对回转用电动机21的旋转力进行增力，从而向上部回转体3传递更大的旋转力。与此相反，再生运行时，能够对在上部回转体3中产生的旋转进行加速并机械地传递至回转用电动机21。
[0119]回转机构2能够在解除回转用电动机21的机械制动器23的状态下回转，由此，上部回转体3向左方向或右方向回转。
[0120]控制器30进行电动发电机12的运行控制(电动辅助运行或发电运行的切换)，并且进行通过驱动控制作为升降压控制部的升降压转换器100实现的电容器19的充放电控制。控制器30根据电容器19的充电状态、电动发电机12的运行状态(电动辅助运行或发电运行)及回转用电动机21的运行状态(动力运行或再生运行)，进行升降压转换器100的升压动作与降压动作的切换控制，由此进行电容器19的充放电控制。并且，控制器30还进行充电至电容器19的量(充电电流或充电电力)的控制。
[0121 ] 根据通过DC母线电压检测部111检测的DC母线电压值、通过电容器电压检测部112检测的电容器电压值及通过电容器电流检测部113检测的电容器电流值，进行该升降压转换器100的升压动作与降压动作的切换控制。
[0122]由作为辅助马达的电动发电机12发电的电力经由逆变器18供给至蓄电系统120的DC母线110，并经由升降压转换器100供给至电容器19。并且，回转用电动机21进行再生运行而生成的再生电力经由逆变器20供给至蓄电系统120的DC母线110，并经由升降压转换器100供给至电容器19。
[0123]接着，参考图13，对执行本发明的实施例所涉及的控制方法的混合式挖土机的其他例子进行说明。另外，图13是表示混合式挖土机的驱动系统的结构例的框图。图13中，以双重线表示机械动力系统，以粗实线表示高压液压管路，以虚线表示先导管路，以细实现表示电力驱动/控制系统。并且，图13的驱动系统中，代替引擎11及电动发电机12的2个输出轴经由变速器13连接于主泵14的结构(并联方式)，采用经由逆变器18A电驱动的泵用电动机400的输出轴连接于主泵14的结构(串联方式)，在这一点上与图11的驱动系统不同。但是，其他点上与图11的驱动系统共同。
[0124]本发明的实施例所涉及控制方法还能够适用于具有如以上的结构的混合式挖土机中。
[0125]接着，参考图14，对自动平整模式的一例即斜坡整形模式进行说明。另外，图14是斜坡整形模式中使用的坐标系的说明图，对应于图3的F3A。并且，斜坡整形模式时的操纵杆设定与图5的F5B所示的自动平整模式时的操纵杆设定相同。并且，图14中，使用包含与斜坡平行的U轴、与斜坡垂直的W轴的UVW三维直角坐标系，这一点与使用包含与水平面平行的X轴、与水平面垂直的Z轴的XYZ三维直角坐标系的图3的F3A不同，但是在其他点上共同。另外，斜坡角度Y1可在执行斜坡整形模式之前通过操作者经由斜坡角度输入部设定。并且，图14中，示出以向W轴方向上的负向即从挖土机观察时成为下坡的方式形成斜坡的情况。
[0126]其中，若将动臂销位置Pl的三维坐标设为(U、V、W) = (HciuIHciw),将铲斗前端位置P4的三维坐标系设为(U、V、W)=(化、￥6、16)，则化、胃6与上述公式(I)及公式(2)同样地，分别以公式(I)’及公式(2)’表示。另外，Ue及Ve表示端部附属装置在UV平面中的位置，We表示端部附属装置距UV平面的距离。
[0127]Ue = H0^L1Cos β / +L2Cos β 2，+L3Cos β 3，......(I)，
[0128]We = H0^L1Sin β / +L2Sin β 2，+L3Sin β 3，......(2)，
[0129]另外，Ve成为O。这是因为铲斗前端位置Ρ4存在于UW平面上。并且，角度β/为对地面角P1加上斜坡角度Y1的角度。同样地，β2’为对地面角β2加上斜坡角度Y1的角度，β3’为对地面角β3加上斜坡角度Y1的角度。
[0130]并且，若将铲斗销位置Ρ3的三维坐标设为(U、V、ff) = (Up3> Vp3> Wp3)，则UP3、WP3与上述公式(6)及公式(7)同样地，分别以公式(6)’及公式(7)’表示。
[0131]Up3 = H0^L1Cos β / +L2Cos β......(6)，
[0132]Wp3 = H0^L1Sin β / +L2Sian β 29......(7)，
[0133]斜坡整形模式中，若向前方倾倒操纵杆26Β，则动臂4、斗杆5及铲斗6中的至少一个进行动作，以便使铲斗前端位置Ρ4的V坐标的值Ve及W坐标的值We不变的同时使U坐标的值Ue增大。
[0134]并且，斜坡整形模式中，若向后方倾倒操纵杆26Β，则动臂4、斗杆5及铲斗6中的至少一个进行动作，以便使伊斗前端位置Ρ4的V坐标的值Ve及W坐标的值We不变的同时使U坐标的值Ue减少。
[0135]即，铲斗前端位置Ρ4根据操纵杆26Β向前后方向的操作(相当于图5的F5B的X方向操作，以下称为“U方向操作”)向U轴方向移动。并且，铲斗前端位置Ρ4根据操纵杆26Α向前后方向的操作(相当于图5的F5B的Z方向操作，以下称为“W方向操作”)向W轴方向移动。另外，还能够对UVW三维直角坐标系与XYZ三维直角坐标系进行组合来设定为如下，即控制器30根据操作者向前后方向对操纵杆26Β进行的操作，使铲斗前端位置Ρ4向U轴方向移动，并根据操作者向前后方向对操纵杆26Α进行的操作,使伊斗前端位置Ρ4向Z轴方向移动。
[0136]另外，将斜坡整形模式中根据这种操纵杆26Α、26Β向前后方向的操作，即作为端部附属装置的铲斗6的W方向操作、U方向操作执行的控制称为“斜坡位置控制”。并且，斜坡整形模式中根据操纵杆26Α向左右方向的操作及操纵杆26Β向左右方向的操作执行的控制与自动平整模式时相同。
[0137]通过如此，操作者能够利用作为自动平整模式中的X方向移动控制(平面位置控制)的一例的斜坡整形模式中的斜坡位置控制，轻松地实现铲斗6沿着所希望的斜坡的移动。
[0138]接着，参考图15及图16，对斜坡整形模式的另一例进行说明。另外，图15是斜坡整形模式中使用的坐标系的说明图，与图3的F3A对应。并且，图16是对XZ平面中的前置附属装置的动作进行说明的图，与图4对应。并且，进行斜坡整形模式时的操纵杆设定与图5的F5B所示的进行自动平整模式时的操纵杆设定相同。并且，图15、图16在图示了斜坡角度^与铲斗前端位置P4的变化这一点上与图3的F3A、图4不同，在其他点上共同。另夕卜，斜坡角度Y1能够在执行斜坡整形模式之前通过操作者设定。并且，图15、图16中，示出以向Z轴方向上的负向即从挖土机观察时成为下坡的方式形成斜坡的情况。
[0139]斜坡整形模式中，若向前方倾倒操纵杆26B，则动臂4、斗杆5及铲斗6中的至少一个进行动作，以便使铲斗前端位置P4的Y坐标的值Ye不变且角度Y I的斜坡SFl与铲斗前端位置P4之间的距离不变的同时使X坐标的值Xe增大。即，铲斗前端位置P4在与斜坡SFl平行的平面SF2上沿与Y轴垂直的方向且远离挖土机的方向移动。此时，Z坐标的值Ze在从挖土机观察时为上坡的斜坡的情况下增大，在从挖土机观察时为下坡的斜坡的情况下减小。另外，图15表不从挖土机观察时为下坡的斜坡SF1。
[0140]并且，斜坡整形模式中，若向后方倾倒操纵杆26B，则动臂4、斗杆5及铲斗6中的至少一个进行动作，以便使铲斗前端位置P4的Y坐标的值Ye不变且斜坡SFl与铲斗前端位置P4之间的距离不变的同时使X坐标的值Xe减少。即，铲斗前端位置P4在与斜坡SFl平行的平面SF2上沿与Y轴垂直的方向且靠近挖土机的方向移动。此时，Z坐标的值Ze在从挖土机观察时为上坡的斜坡的情况下减小，在从挖土机观察时为下坡的斜坡的情况下增大。
[0141]其中，若将当前时刻的铲斗前端位置P4的三维坐标设为(X、Y、Z) = (Xe,Ye,Ze),将移动后的铲斗前端位置Ρ4’的三维坐标设为(X、Y、Z) = (Xe’、Ye’、Ze’)，将X轴方向的移动量设为Λ Xe( = Xe’ -Xe)，则Z轴方向的移动量AZe( = Ze’_Ze)以公式⑶表示。
[0142]AZe= AXeXtany1......(8)
[0143]并且，斜坡整形模式中，可代替铲斗前端位置P4的位置控制，执行铲斗销位置P3的位置控制。此时，动臂4、斗杆5及铲斗6中的至少一个进行动作，以便使铲斗销位置P3的Y坐标的值Yp3不变且角度Y I的斜坡SFl与铲斗销位置P3之间的距离不变的同时使X坐标的值Xp3发生变化。即，铲斗销位置P3在与斜坡SFl平行的平面上沿与Y轴垂直的方向移动。
[0144]其中，若将当前时刻的铲斗销位置P3的三维坐标设为(X、Y、Z) = (Xp3> Yp3> Zp3)，将移动后的铲斗销位置P3’的三维坐标设为(X、Y、Z) = (Χρ3’、Υρ3’、Ζρ3’)，将X轴方向的移动量设为ΛΧρ3( = xp3’ -xp3)，则Z轴方向的移动量ΛΖρ3( = Zp3’ -Zp3)以公式(9)表示。
[0145]AZp3= AXp3Xtany1......(9)
[0146]另外，本实施例中，将斜坡整形模式中根据这种操纵杆26Β向前后方向的操作，即作为端部附属装置的铲斗6的X方向操作执行的控制称为“斜坡位置控制”。并且，斜坡整形模式中根据操纵杆26Α的操作及操纵杆26Β向左右方向的操作执行的控制与自动平整模式时相同。
[0147]通过如此，操作者能够利用作为自动平整模式中的X方向移动控制(平面位置控制)的一例的斜坡整形模式中的斜坡位置控制，轻松地实现铲斗6沿所希望的斜坡的移动。
[0148]以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但是本发明并不受限于上述实施例，在不脱离本发明范围内，可对上述实施例加以各种变形及置换。
[0149]例如，上述实施例中，作为端部附属装置使用了铲斗6，但是也可使用起重磁铁、破碎器等。
[0150]并且，本申请主张基于2012年6月8日申请的日本专利申请2012-131013号的优先权，并将该日本专利申请的所有内容通过参考援用于本申请中。
[0151]符号说明
[0152]1-下部行走体，IAUB-行走用液压马达，2-回转机构，3-上部回转体，4_动臂，4S-动臂角度传感器，5-斗杆，5S-斗杆角度传感器，6-铲斗，6S-铲斗角度传感器，7-动臂缸，8-斗杆缸，9-铲斗缸，10-驾驶室，11-引擎，12-电动发电机，13-变速器，14-主泵，14A-调节器，15-先导泵，16-高压液压管路，17-控制阀，18-逆变器，19-电容器，20-逆变器，21-回转用电动机，2IA-旋转轴，22-分解器，23-机械制动器，24-回转变速器，25-先导管路，26-操作装置，26A、26B-操纵杆，26C-踏板，27,28-液压管路，29-先导压传感器，30-控制器，100-升降压转换器，110-DC母线，Ill-DC母线电压检测部，112-电容器电压检测部，113-电容器电流检测部，120-蓄电系统，CP1、CP2、CP3-泵吐出量导出部，CX-X方向指令值生成部，CZ-Z方向指令值生成部。
【权利要求】
1.一种挖土机的控制方法，其中， 通过一个操纵杆的操作，一边维持端部附属装置的高度一边执行该端部附属装置的平面位置控制，或者一边维持所述端部附属装置的平面位置一边执行所述端部附属装置的高度控制。
2.根据权利要求1所述的挖土机的控制方法，其中， 在执行所述平面位置控制或所述高度控制时，维持所述端部附属装置相对于水平面的角度。
3.根据权利要求1或2所述的挖土机的控制方法，其中， 根据所述一个操纵杆的操作量，至少生成与操作体中的动臂及斗杆的动作相关的指令值。
4.根据权利要求1或2所述的挖土机的控制方法，其中， 通过另一个操纵杆的操作，独立调整所述端部附属装置相对于水平面的角度。
5.根据权利要求1或2所述的挖土机的控制方法，其中， 通过另一个操纵杆的操作，独立控制回转。
6.根据权利要求3所述的挖土机的控制方法，其中， 根据安装于各个所述操作体上的姿势传感器的输出，对各个所述操作体进行反馈控制。
7.根据权利要求1或2所述的挖土机的控制方法，其中， 通过所述一个操纵杆的操作，相对于与具有已设定的斜坡角度的斜坡平行的平面执行所述端部附属装置的平面位置控制或高度控制。
8.根据权利要求1或2所述的挖土机的控制方法，其中， 通过所述一个操纵杆的操作，相对于与具有已设定的斜坡角度的斜坡平行的平面执行所述端部附属装置的平面位置控制，并且通过其他操纵杆的操作，相对于与所述斜坡或水平面平行的平面执行所述端部附属装置的高度控制。
9.一种挖土机的控制装置，其中， 通过一个操纵杆的操作，一边维持端部附属装置的高度一边执行该端部附属装置的平面位置控制，或者一边维持所述端部附属装置的平面位置一边执行所述端部附属装置的高度控制。
10.根据权利要求9所述的挖土机的控制装置，其中， 在执行所述平面位置控制或所述高度控制时，维持所述端部附属装置相对于水平面的角度。
11.根据权利要求9或10所述的挖土机的控制装置，其中， 根据所述一个操纵杆的操作量，至少生成与操作体中的动臂及斗杆的动作相关的指令值。
12.根据权利要求9或10所述的挖土机的控制装置，其中， 通过另一个操纵杆的操作，独立调整所述端部附属装置相对于水平面的角度。
13.根据权利要求9或10所述的挖土机的控制装置，其中， 通过另一个操纵杆的操作，独立控制回转。
14.根据权利要求11所述的挖土机的控制装置。其中， 根据安装于各个所述操作体上的姿势传感器的输出，对各个所述操作体进行反馈控制。
15.根据权利要求9或10所述的挖土机的控制装置，其中， 通过所述一个操纵杆的操作，相对于与具有已设定的斜坡角度的斜坡平行的平面执行所述端部附属装置的平面位置控制或高度控制。
16.根据权利要求9或10所述的挖土机的控制装置，其中， 通过所述一个操纵杆的操作，相对于与具有已设定的斜坡角度的斜坡平行的平面执行所述端部附属装置的平面位置控制，并且通过其他操纵杆的操作，相对于与所述斜坡或水平面平行的平面执行所述端部附属装置的高度控制。
【文档编号】E02F3/43GK104246081SQ201380021230
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月8日
【发明者】吴春男 申请人:住友重机械工业株式会社