JP2006336805A - 作業機械の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータ応答性、コスト、騒音の発生および制御の容易性を改善できる作業機械の制御装置を提供する。
【解決手段】電動・発電機４の回転軸に一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータ６の回転軸を連結し、可変容量型ポンプ・モータ６の吐出口6dおよび吸込口6sと、流体圧シリンダＦの２つのポートとの間を、閉回路７により接続する。この閉回路７中に、４個の電磁比例流量制御弁8a，8b，8c，8dを組合わせてブリッジ回路を構成するように接続した方向制御および流量制御用の制御弁８を設ける。流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに接続した通路7cと、ロッド室Frに接続した通路7dは、外部パイロット方式リリーフ弁９，10を介して、吸込側のチェック弁12と、タンク13との間の通路に連通接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータを有する作業機械の制御装置に関するものである。

油圧ポンプなどの流体圧ポンプを電動機で駆動する電動機駆動方式の流体圧回路では、エネルギの効率的な利用の観点から、例えば油圧ショベルのブームシリンダなどのように流体圧シリンダを荷重により収縮させる際に位置エネルギを回生するため、従来技術として図３に示された制御回路がある（例えば、特許文献１参照）。

この図３において、正逆転可能な電動・発電機19により駆動される定容量型の流体圧ポンプ・モータ20のポンプ吐出口が、ブームシリンダなどの流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに接続され、電動・発電機19により定容量型の流体圧ポンプ・モータ20とともに駆動される可変容量型の流体圧ポンプ・モータ21のポンプ吐出口が流体圧シリンダＦのロッド室Frに接続されている。定容量型の流体圧ポンプ・モータ20および可変容量型の流体圧ポンプ・モータ21の各ポンプ吸込口は、タンク22に接続されている。

定容量型の流体圧ポンプ・モータ20は、その回転速度に応じた吐出流量を制御し、流体圧ポンプ・モータ20の回転速度を制御する制御器23の入力部には、操作器24が接続され、出力部には、電動・発電機19の回転速度を制御する電動・発電機制御器25が接続され、この電動・発電機制御器25には、バッテリ26がバッテリ制御器27を介し接続されている。

そして、操作器24を操作すると、その操作信号に応じて制御器23から回転指令が出力され、電動・発電機制御器25を介して電動・発電機19の回転速度が制御される。

電動・発電機19が正転回転すると、流体圧ポンプ・モータ20から流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに圧力流体が供給され、シリンダ伸長動作がなされる。

一方、電動・発電機19が逆転回転すると、流体圧ポンプ・モータ20がモータとして作用し、流体圧シリンダＦのピストンに作用する荷重により、そのヘッド室Fhから押出された圧力流体によって流体圧ポンプ・モータ20が駆動され、電動・発電機19が発電作用し、電動・発電機制御器25およびバッテリ制御器27を介して、バッテリ26に電力が充電され、アクチュエータ負荷の位置エネルギが回収される。このとき、流体圧ポンプ・モータ21は斜板制御されてロッド室Frがバキュームにならないように作動流体を供給する。
特開２００３−７４５１８号公報（第２頁、図２）

この従来の作業機械の制御装置では、
・電動・発電機19と流体圧ポンプ・モータ20，21の慣性モーメントが大きいため応答性が悪く、急激にシリンダ伸縮を切り換えるなどのアクチュエータ切換動作に追従できない。

・２台の流体圧ポンプ・モータ20，21が必要となり、コストが高くなる。

・電動・発電機19が流体圧シリンダＦの作動速度や作動方向によって頻繁に変化するので、唸り音などの耳障りな騒音が発生する場合がある。

・流体圧シリンダＦの作動方向、作動速度および負荷によって、電動・発電機19の回転方向、回転速度および電流を細かく制御する必要があり、制御が複雑で調整が難しい。

・流体圧ポンプ・モータ21の斜板で流体圧シリンダＦの速度を制御するので、微操作の調整が難しい。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、アクチュエータ応答性、コスト、騒音の発生および制御の容易性を改善できる作業機械の制御装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、電動機および発電機として機能する電動・発電機と、この電動・発電機により駆動され流体圧ポンプおよび流体圧モータとして機能する一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータと、この可変容量型ポンプ・モータの吐出口および吸込口と流体圧アクチュエータの２つのポートとの間を接続する閉回路と、この閉回路中に設けられた方向制御および流量制御用の制御弁とを具備した作業機械の制御装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の作業機械の制御装置における流体圧アクチュエータが、ヘッド室とロッド室とを区画形成する片ロッド型ピストンを有する流体圧シリンダであり、閉回路の吸込側にチェック弁を介して接続されたタンクと、流体圧シリンダのヘッド室およびロッド室に接続された２つの通路内の圧力をそれぞれ高圧に設定するとともに相互に反対側の通路から導かれる外部パイロット圧により低圧に設定することで流体圧シリンダへの過剰供給流量および流体圧シリンダからの過剰排出流量をタンクに排出する外部パイロット方式リリーフ弁とを具備したものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の作業機械の制御装置における制御弁として、４個の電磁比例流量制御弁がブリッジ回路を構成するように接続されたものである。

請求項１記載の発明によれば、可変容量型ポンプ・モータの吐出口および吸込口と流体圧アクチュエータの２つのポートとの間を閉回路により接続して、この閉回路中に設けられた方向制御および流量制御用の制御弁により流体圧アクチュエータを制御するので、従来の２つのポンプ・モータを用いる場合に比較して、１つの可変容量型ポンプ・モータおよび制御弁によって流体圧アクチュエータの作動方向および作動速度を応答性良く制御でき、制御が簡単で、コストダウンを図ることができる。また、流体圧アクチュエータが荷重などにより作動されるときは、一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータを流体圧モータとして作動させて、従来システムと同様に電動・発電機を駆動して動力を回生できる。このとき、電動・発電機は、可変容量型ポンプ・モータを一定方向に回転する方式であるから、この電動・発電機の制御が容易になり、また、電動・発電機を一定回転速度で駆動するので、回転変動による唸り音などの耳障りな騒音を軽減できる。

請求項２記載の発明によれば、閉回路において、その吸込側にチェック弁を介してタンクを接続し、外部パイロット方式リリーフ弁により、流体圧シリンダの２つのポートに接続された２つの通路をそれぞれ高圧に設定するとともに、相互に反対側の通路から導かれる外部パイロット圧により低圧に設定することで、流体圧シリンダへの過剰供給流量および流体圧シリンダからの過剰排出流量をタンクに排出するので、流体圧シリンダが片ロッド型ピストンを有するものであっても、可変容量型ポンプ・モータの吸込圧が負圧になることを防止できる。

請求項３記載の発明によれば、可変容量型ポンプ・モータと流体圧アクチュエータの間に、４個の電磁比例流量制御弁がブリッジ回路を構成するように接続された制御弁を設けたので、これらの電磁比例流量制御弁により微操作域の制御を容易にできる。

以下、本発明を図１および図２に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。なお、作動流体は油を用い、流体圧は油圧とする。

図２は、本発明に係る作業機械としてのハイブリッド式油圧ショベルＡを示し、この油圧ショベルＡは、機体Ｂ上に、キャブＣおよび動力装置Ｄとともに作業装置Ｅが設けられ、この作業装置Ｅには、流体圧アクチュエータとしてのブームシリンダなどの流体圧シリンダＦが設けられている。

図１は、ハイブリッド式油圧ショベルＡに搭載された余剰動力回生型の制御回路を示し、１は動力装置Ｄに設けられたエンジンであり、このエンジン１によって駆動される発電機２には、発電機２の電流を制御する発電機制御器３が接続され、さらに電動機および発電機として機能する電動・発電機４が、この電動・発電機４を制御する電動・発電機制御器５を介し接続されている。

また、電動・発電機４の回転軸には、流体圧ポンプおよび流体圧モータとして機能する一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータ６の回転軸が連結され、この可変容量型ポンプ・モータ６を電動・発電機４で駆動する。この可変容量型ポンプ・モータ６は、容量可変用の斜板を有し、この斜板の傾転角を制御する斜板制御器6aを備えている。

可変容量型ポンプ・モータ６の吐出口6dおよび吸込口6sと、流体圧シリンダＦの２つのポートとの間は、閉回路７により接続されている。この閉回路７は、可変容量型ポンプ・モータ６の吐出口6dに接続された通路7aと、吸込口6sに接続された通路7bと、流体圧シリンダＦの２つのポートにそれぞれ接続された通路7c，7dとにより形成されている。流体圧シリンダＦは、ヘッド室Fhとロッド室Frとを区画形成する片ロッド型ピストンＰを有する。

閉回路７中には、方向制御および流量制御用の制御弁８が設けられている。この制御弁８は、４個の電磁比例流量制御弁8a，8b，8c，8dを組合わせてブリッジ回路を構成するように接続したものである。要するに、可変容量型ポンプ・モータ６の吐出口6dおよび吸込口6sに、ブリッジ回路の制御弁８を介し、流体圧シリンダＦのヘッド室Fhおよびロッド室Frが配管接続されている。

ブリッジ回路は、可変容量型ポンプ・モータ６の吐出口6dには、ポンプ吐出流体を方向制御および流量制御する２個の電磁比例流量制御弁8a，8bの入力ポートが接続され、可変容量型ポンプ・モータ６の吸込口6sには、戻り流体を方向制御および流量制御する２個の電磁比例流量制御弁8c，8dの出力ポートが接続され、さらに、電磁比例流量制御弁8a，8c間がブームシリンダなどの流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに連通接続され、電磁比例流量制御弁8b，8d間が流体圧シリンダＦのロッド室Frに連通接続されている。

この流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに接続された通路7cと、ロッド室Frに接続された通路7dは、外部パイロット方式リリーフ弁９，10を介して、吸込側のチェック弁12と、タンク13との間の通路に連通接続されている。このタンク13の内部は、大気圧に、または大気圧以上に加圧され、チェック弁12を介して閉回路７の吸込側に接続されている。

外部パイロット方式リリーフ弁９，10は、流体圧シリンダＦのヘッド室Fhおよびロッド室Frに接続された２つの通路7c，7d内の圧力をそれぞれ高圧に設定するとともに、相互に反対側の通路7d，7cからパイロット通路9p，10pを経て導かれる外部パイロット圧により低圧に設定することで、流体圧シリンダＦへの過剰供給流量および流体圧シリンダＦからの過剰排出流量をタンク13に排出するものである。

すなわち、流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに外部パイロット方式リリーフ弁９を接続し、この外部パイロット方式リリーフ弁９の出力ポートをタンク13に導くとともに、ロッド室Frのロッド圧をパイロット通路9pを経て外部パイロット方式リリーフ弁９のパイロットポートに導く。また、流体圧シリンダＦのロッド室Frに外部パイロット方式リリーフ弁10を接続し、この外部パイロット方式リリーフ弁10の出力ポートをタンク13に導くとともに、ヘッド室Fhのヘッド圧をパイロット通路10pを経て外部パイロット方式リリーフ弁10のパイロットポートに導く。

また、図１に示された流体圧回路を制御する制御器14の入力部には、ハイブリッド式油圧ショベルＡのキャブＣ内に運転席とともに設置された操作レバーなどの操作器15と、可変容量型ポンプ・モータ６のポンプ吐出圧力を検出する圧力検出器16とが接続され、また、制御器14の出力部は、電動・発電機制御器５、斜板制御器6aおよび電磁比例流量制御弁8a，8b，8c，8dの各ソレノイドに接続されている。

さらに、発電機制御器３および電動・発電機制御器５の電力ラインは、蓄電器としてのバッテリ17に、バッテリ制御器18を介して接続されている。

次に、図１に示された実施の形態の作用を説明する。

(1) シリンダ伸び操作
操作器15をシリンダ伸び側に操作すると、操作信号および圧力検出器16の吐出圧力信号に基づき制御器14でポンプ・モータ斜板制御演算が行われ、制御器14の出力によって斜板制御器6aを介し可変容量型ポンプ・モータ６の斜板の傾転角が制御され、これにより可変容量型ポンプ・モータ６からの吐出流量が制御される。同時に、制御器14の出力によって電磁比例流量制御弁8a、8dの開度が制御される。したがって、可変容量型ポンプ・モータ６から吐出された作動流体は電磁比例流量制御弁8aを経て流体圧シリンダＦのヘッド室Fhに供給される。

一方、流体圧シリンダＦのロッド室Fr内の流体は、電磁比例流量制御弁8dを経て可変容量型ポンプ・モータ６の吸込口6sに戻る。このとき、流体圧シリンダＦの受圧面積の差により戻り側の流量が少ないため、可変容量型ポンプ・モータ６の吸込側は流量不足となるので、タンク13からチェック弁12を介して可変容量型ポンプ・モータ６の吸込口6sに作動流体が補充される。

(2) シリンダ縮み操作
操作器15をシリンダ縮み側に操作すると、この操作器15からの操作信号および圧力検出器16の信号に基づき制御器14でポンプ・モータ斜板制御演算が行われ、制御器14の出力によって可変容量型ポンプ・モータ６の斜板が制御される。同時に、制御器14の出力によって電磁比例流量制御弁8b、8cの開度が制御される。

したがって、可変容量型ポンプ・モータ６から吐出された作動流体は、電磁比例流量制御弁8bを経て流体圧シリンダＦのロッド室Frに供給される。このとき、外部パイロット方式リリーフ弁10には、流体圧シリンダＦのヘッド室Fhの圧力がパイロット通路10pを経て外部パイロット圧として作用しているので、外部パイロット方式リリーフ弁10は、この外部パイロット圧により低圧に設定され、流体圧シリンダＦの片ロッド型ピストンＰの受圧面積の差によりロッド室Frへ過剰に供給された過剰供給流量は外部パイロット方式リリーフ弁10からタンク13に戻される。

一方、流体圧シリンダＦのヘッド室Fhから押出された圧力流体は、電磁比例流量制御弁8cを経て可変容量型ポンプ・モータ６の吸込口6sに戻る。このとき、流体圧シリンダＦの片ロッド型ピストンＰに荷重が作用していると、この片ロッド型ピストンＰの下側に位置するヘッド室Fhは高圧になるので、可変容量型ポンプ・モータ６は、モータとして作用し、電動・発電機４を発電機として駆動する。電動・発電機４により発電された電力は、電動・発電機制御器５からバッテリ制御器18を介してバッテリ17に充電される。

また、油圧ショベルなどで作業装置Ｅを地面に押し付けて、機体Ｂを持上げる場合は、ブームシリンダなどの流体圧シリンダＦのヘッド室Fhの圧力が下がるので、外部パイロット方式リリーフ弁10は本来の高圧に設定される。一方、外部パイロット方式リリーフ弁９は、ロッド室Frに圧力が立つのでパイロット通路9pを経た外部パイロット圧により低圧に設定される。したがって、片ロッド型ピストンＰの受圧面積の差により可変容量型ポンプ・モータ６の吸込流量よりヘッド室Fhから過剰に排出された過剰排出流量は、外部パイロット方式リリーフ弁９からタンク13に戻される。

次に、図１に示された実施の形態の効果を説明する。

可変容量型ポンプ・モータ６の吐出口6dおよび吸込口6sと流体圧シリンダＦの２つのポートとの間を閉回路７により接続して、この閉回路７中に設けられた方向制御および流量制御用の制御弁８により流体圧シリンダＦを制御するので、従来の２つの流体圧ポンプ・モータ20，21を用いる場合に比較して、１つの可変容量型ポンプ・モータ６および制御弁８によって流体圧シリンダＦの伸縮方向および伸縮速度を応答性良く制御でき、制御が簡単で、コストダウンを図ることができる。

また、流体圧シリンダＦが荷重などにより縮み作動されるときは、一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータ６を流体圧モータとして作動させて、従来システムと同様に電動・発電機４を駆動して動力を回生できる。

このとき、電動・発電機４は、可変容量型ポンプ・モータ６を一方方向に回転するので、この電動・発電機４の制御が容易になり、また、電動・発電機４を一定回転速度で駆動するので、回転変動による唸り音などの耳障りな騒音を軽減できる。

さらに、閉回路７において、その吸込側にチェック弁12を介してタンク13を接続し、外部パイロット方式リリーフ弁９，10により、流体圧シリンダＦの２つのポートに接続された２つの通路7c，7dをそれぞれ高圧に設定するとともに、相互に反対側の通路7d，7cからパイロット通路9p，10pを経て導かれる外部パイロット圧により低圧に設定することで、流体圧シリンダＦへの過剰供給流量および流体圧シリンダＦからの過剰排出流量をタンク13に排出するので、流体圧シリンダＦが片ロッド型ピストンＰを有するものであっても、タンク13を採用しているので、可変容量型ポンプ・モータ６の吸込圧が負圧になることを防止できる。

また、可変容量型ポンプ・モータ６と流体圧シリンダＦとの間に、４個の電磁比例流量制御弁8a，8b，8c，8dがブリッジ回路を構成するように接続された制御弁８を設けているので、これらの電磁比例流量制御弁8a，8b，8c，8dにより微操作域の制御を容易にできる。

なお、本発明は、油圧ショベル以外の他の作業機械にも利用可能であるとともに、図１に示されたようなエンジン１を搭載したハイブリッド式油圧ショベルＡに限られるものではない。すなわち、バッテリ17や燃料電池（図示せず）などの蓄電器のみにより電動・発電機４を介して可変容量型ポンプ・モータ６を駆動する電池式作業機械にも利用可能である。

本発明に係る作業機械の制御装置の一実施の形態を示す回路図である。 同上制御装置を備えた作業機械の側面図である。 従来の作業機械の制御装置を示す回路図である。

符号の説明

４ 電動・発電機
６ 可変容量型ポンプ・モータ
７ 閉回路
８ 制御弁
8a，8b，8c，8d 電磁比例流量制御弁
９，10 外部パイロット方式リリーフ弁
12 チェック弁
13 タンク
Ｆ 流体圧アクチュエータとしての流体圧シリンダ
Ｐ 片ロッド型ピストン

Claims (3)

1. 電動機および発電機として機能する電動・発電機と、
   この電動・発電機により駆動され流体圧ポンプおよび流体圧モータとして機能する一定方向回転方式の可変容量型ポンプ・モータと、
   この可変容量型ポンプ・モータの吐出口および吸込口と流体圧アクチュエータの２つのポートとの間を接続する閉回路と、
   この閉回路中に設けられた方向制御および流量制御用の制御弁と
   を具備したことを特徴とする作業機械の制御装置。
2. 流体圧アクチュエータは、ヘッド室とロッド室とを区画形成する片ロッド型ピストンを有する流体圧シリンダであり、
   閉回路の吸込側にチェック弁を介して接続されたタンクと、
   流体圧シリンダのヘッド室およびロッド室に接続された２つの通路内の圧力をそれぞれ高圧に設定するとともに相互に反対側の通路から導かれる外部パイロット圧により低圧に設定することで流体圧シリンダへの過剰供給流量および流体圧シリンダからの過剰排出流量をタンクに排出する外部パイロット方式リリーフ弁と
   を具備したことを特徴とする請求項１記載の作業機械の制御装置。
3. 制御弁は、
   ４個の電磁比例流量制御弁がブリッジ回路を構成するように接続されたものである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の作業機械の制御装置。

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