JP2004332890A

JP2004332890A - 上下動補償機能付巻上げ装置

Info

Publication number: JP2004332890A
Application number: JP2003132660A
Authority: JP
Inventors: Shuji Ueki; 修次植木; Koji Kano; 耕治叶; Hirofumi Doi; 裕文土井; Shogo Miyajima; 省吾宮島; Susumu Hirano; 進平野; Kenzo Hasegawa; 堅三長谷川; Michio Ikezu; 三智男池津; Hiroshi Sato; 佐藤　　寛
Original assignee: TSURUMI PRECISION INSTR; TSURUMI SEIKI KK; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Daiichi Electric Co Ltd
Current assignee: TSURUMI PRECISION INSTR; TSURUMI SEIKI KK; Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Daiichi Electric Co Ltd
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25
Also published as: US7775383B2; US7681748B2; US20090166309A1; US20050242332A1

Abstract

【課題】巻上げ装置の小型化が図れ、エネルギーを節減できるようにする。
【解決手段】巻上げ装置１０は、巻上げ機３０と制御部３２とを有している。巻上げ機３０は、正逆回転可能な油圧モータ４２によってワイヤ１４を巻回したドラム１２を回転する。油圧モータ４２は、油圧ポンプ４４から作動油が供給される。油圧ポンプ４４は、二方向吐出固定容量型であって、サーボモータ４６によって回転させられる。制御部３２の加速度・変位変換器３４は、加速度センサ２４の出力信号から、ワイヤ吊下げ点の上下方向の変動方向と変動速度とを求める。制御部３２は、ワイヤ１４の繰り出し速度または巻上げ速度指令Ｖｉ、加速度センサ２４の検出信号、ワイヤ速度センサ２６の検出信号に基づいて、船体のヒービングに伴うワイヤ吊下げ点の上下動を相殺するワイヤ１４の繰り出し速度または巻上げ速度に応じたサーボモータ４６の駆動制御信号を出力する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下動補償機能付巻上げ装置に係り、特にワイヤに吊り下げた物に対する船舶の波による上下動による影響を除去する上下動補償機能付巻上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海洋観測の一般的な測定に、塩分濃度・水温・水深を同時に測定し、これらの垂直分布および水平分布データから海域を立体的に把握することが行なわれている。このデータを採取する装置として、ＣＴＤ（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｅｐｔｈ）観測装置がある。この観測装置は、船上から海中にウィンチで吊り下げられて一定の深度に保った状態で、ＣＴＤを観測したり、あるいは一定の速度で観測装置を上昇または下降させながら測定を行なう場合がある。この他にも、船上の吊上げ装置を用いて、例えば作業ロボットを海中の一定深度に保持したまま作業を行なったり、あるいは船上から吊り下げたカメラを一定深度に保持し、海底の構造物や海底の地形などを観測する場合がある。
【０００３】
このような場合、船体が波によって上下動すると、観測装置などの機材も船体の上下動に従って上下動し、正確かつ迅速な観測や作業を行なうことができない。従って、船体から吊り下げた観測装置や機器を一定深度に保持したり、一定の速度で昇降させる必要があり、特許文献１にはそのためのヒービング補償型クレーンが開示されている。
【０００４】
図４は、特許文献１に記載のヒービング補償型クレーンの概略図である。図４に示すように、船体１の上に設置されたクレーンシステム２は、ウィンチ３からクレーンブーム４を通じてワイヤ５が繰り出されており、ワイヤ５の先端に観測装置６が吊り下げられている。また、クレーンブーム４の先端部には、加速度計７が設置されている。この加速度計７は、船体１が上下動することによるクレーンブーム４の先端の上下動を検知するものであり、その検出信号はクレーンシステム２の図示しないシリンダ制御部に送られる。これにより、シリンダ制御部は、船体１が波により上下動（ヒービング）したときに、シリンダ８のロッドを伸縮させ、クレーンブーム４の先端の上下動を相殺して、ワイヤ５に吊り下げられた海中の観測装置６の深度を一定に保持する。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５３−１６２９２公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなクレーンシステム２は次のような問題がある。前記クレーンシステム２を構成するクレーンブーム４は、大型重量物であるため、クレーンブーム４を上下動させるために大型のシリンダを必要とし、大きなエネルギーを消費してコストがかかってしまう。また、クレーンブーム４は、大型重量物であるため、これを波による上下動に合わせて高速に上下動させることが困難で、船体１の上下動に充分に追従できずに応答性が悪い。
【０００７】
さらに、前記ＣＴＤ観測装置によるデータ観測において、観測装置を一定速度で上昇または下降させながら観測する場合がある。特許文献１に記載のヒービング補償型クレーンは、波により船体１が上下動した場合でも、吊り荷を一定の速度で吊上げまたは吊り下ろすことには対応していない。
本発明の目的は、上記問題点を解決するため、小型化が図れ、エネルギーを節減できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、応答性を向上させることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る上下動補償機能付巻上げ装置は、ワイヤを巻回したドラムを回転させる正逆回転可能な液圧モータと、この液圧モータに作動油を供給する液圧ポンプと、この液圧ポンプを回転駆動する電動機と、前記ドラムから引き出されて垂下された前記ワイヤの吊下げ点の上下動を検出する上下動センサと、この上下動センサの検出信号に基づいて、前記液圧ポンプの吐出量を制御して前記ワイヤを繰り出しまたは巻き上げ、前記ワイヤに作用する前記吊下げ点の上下動の影響を除去する制御部と、を有することを特徴としている。
また、前記制御部は、前記上下動センサの検出信号に基づいて前記液圧ポンプの吐出量を制御し、与えられた前記ワイヤの繰り出し速度または巻上げ速度を保持することを特徴としている。
【０００９】
そして、前記液圧ポンプは、二方向吐出固定容量型であり、前記電動機は、正逆回転可能なサーボモータであって、前記制御部は、前記サーボモータを介して前記液圧ポンプの作動油の吐出量と吐出方向とを制御するように構成することができる。さらに、前記液圧ポンプは、二方向吐出可変容量型であり、前記制御部は、前記液圧ポンプを制御して作動油の吐出量と吐出方向を制御するように構成してもよい。
【００１０】
【作用】
このようになっている本発明は、液圧ポンプの作動液の吐出量を制御してワイヤの繰り出しまたは巻き上げを行ない、ワイヤ吊下げ点の上下動の影響を除去するようにしている。したがって、大型重量物であるクレーンブームなどを上下動させる必要がなく、装置全体を小型にすることができるとともに、消費エネルギーを節減することができる。しかも、本発明は、大型構造物を上下動させずに、ワイヤの繰り出しまたは巻き上げを行なうようにしているため、ワイヤの吊下げ点の上下動に容易に追従してワイヤを繰り出し、巻き上げが可能で、応答性を向上することができる。このため、ワイヤに吊り下げた観測装置や機器などを高精度で一定の深度に保持することが可能で、一定深度におけるＣＴＤの測定や作業を正確、迅速に行なうことができる。
【００１１】
また、本発明は、液圧ポンプの吐出量を制御して与えられたワイヤの繰り出し速度、巻上げ速度を保持するようにしてあるため、観測装置などを船体の上下動（ヒービング）に関係なく、一定の速度で吊り上げたり吊り下ろしたりすることができ、深さ方向におけるＣＴＤの測定を正確、迅速に行なうことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る上下動補償機能付巻上げ装置の実施形態を添付の図面に従って詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る上下動補償機能付巻上げ装置の説明図である。図２において、巻上げ装置１０は、船体１の甲板に巻上げ機を構成しているドラム１２が回転自在に設置してある。ドラム１２には、ワイヤ１４が巻回してある。ワイヤ１４の先端は、ガイドローラ１６を介してブーム１８の先端に回転自在に取り付けた滑車２０に導かれ、滑車２０から垂下してある。そして、ワイヤ１４の先端には、ＣＴＤ測定装置などの機材２２が吊り下げてある。また、ワイヤ１４の吊下げ点となる滑車２０と同位置には、上下動センサである加速度センサ２４が設けてある。この加速度センサ２４は、波による船体１の上下動（ヒービング）に伴う滑車２０の上下動を検出し、後述する制御部に検出信号を入力する。
【００１３】
さらに、ドラム１２と滑車２０との間には、ロータリエンコーダなどからなるワイヤ速度センサ２６が設けてある。ワイヤ速度センサ２６は、ドラム１２が正逆方向に回転してワイヤ１４を矢印２８のように繰り出し、または巻き上げたときに、ワイヤ１４の繰り出し速度または巻上げ速度を検出して制御部に入力する。なお、ブーム１８は、甲板に固定して設けた固定ブームであっても、先端が上下方向に揺動する可動ブームであってもよい。
【００１４】
巻上げ装置１０は、図１に示したように、ワイヤ１４を繰り出し、巻き上げる巻上げ機３０と、巻上げ機３０を制御する制御部３２とを備えている。制御部３２は、加速度・変位変換器３４、第１加算器３６、第２加算器３８およびサーボ増幅器４０を有する。加速度・変位変換器３４は、加速度センサ２４が出力する加速度検出信号を積分して滑車２０の上下の変動方向および変動速度、変動変位を求めることができるようになっており、これをフィードバック信号Ａｆとし第２加算器３８に送出する。
【００１５】
第１加算器３６には、ワイヤ１４の繰り出し速度、または巻上げ速度の速度指令Ｖｉが入力される。また、第１加算器３６には、ワイヤ速度センサ２６の検出信号Ｖｆがフィードバック信号として入力される。第１加算器３６は、ＶｉとＶｆとの差を求めて第２加算器３８に入力する。第２加算器３８は、第１加算器３６の出力信号と、加速度・変位変換器３４の出力する滑車２０の上下動の変動変位信号Ａｆとの差を求め、サーボ増幅器４０に出力する。サーボ増幅器４０は、速度指令Ｖｉが得られるように巻上げ機３０の駆動制御信号を出力する。なお、この他にも、変位信号をフィードバックする代わりに変動速度信号又は変動加速度信号をフィードバックする方法もある。
【００１６】
一方、巻上げ機３０は、ワイヤ１４を巻回したドラム１２と、ドラム１２に直結されてドラム１２を正逆回転させる油圧モータ（液圧モータ）４２と、油圧モータ４２に作動油を供給する液圧ポンプである二方向吐出固定容量型油圧ポンプ４４と、油圧ポンプ４４を回転させるサーボモータ４６とを主な構成要素としている。サーボモータ４６は、正逆回転可能になっており、サーボモータ４６の回転方向と回転速度とが変化することにより、油圧ポンプ４４の作動油の吐出方向と吐出量とが変化する。また、油圧ポンプ４４は、一方の吐出口が管路４８を介して油圧モータ４２の一方の流入口に直結してあり、他方の吐出口が管路５０を介して油圧モータ４２の他方の流入口に直結してある。そして、油圧ポンプ４４と油圧モータ４２と管路４８、５０とは、閉回路を形成している。また、サーボモータ４６は、図示しないモータ駆動回路に接続されており、このモータ駆動回路がサーボ増幅器４０の出力信号に基づいて、サーボモータ４６の回転方向と回転速度とを制御する。
【００１７】
なお、管路４８と管路５０との間には、管路５２が設けてある。この管路５２には、一対のチェック弁５４、５６が対抗するように配設してある。これらのチェック弁５４、５６は、油圧ポンプ４４および油圧モータ４２の内部漏れによるドレン流出分を補うためのもので、両者の間が管路５８を介してオイルタンク６０に接続されている。また、油圧ポンプ４６と油圧モータ４２とは、固定減速比を持った減速機を構成している。
【００１８】
このようになっている第１実施形態の巻上げ装置１０は、船体１が波によって上下方向に変動（ヒービング）すると、それに伴ってブーム１８の先端に設けた滑車２０も上下動する。そこで、ワイヤ１４に吊り下げた機材２２を一定深度に保持する制御は、次のようにして行なわれる。
【００１９】
制御部３２の第１加算器３６には、機材２２を一定の深度に保持するため、速度指令Ｖｉ＝０を入力する。ブーム１８の先端部に設けた加速度センサ２４は、ワイヤ１４の吊下げ点である滑車２０の上下動に伴ってその加速度を検出し、検出信号を制御部３２の加速度・変位変換器３４に入力する。加速度・変位変換器３４は、滑車２０の上下動の変動方向と変動速度を求め、これをフィードバック信号Ａｆとして第２加算器３８に出力する。第２加算器３８は、第１加算器３６の出力と加速度・変位変換器３４の出力したフィードバック信号Ａｆとの差を求めてサーボ増幅器４０に送出する。サーボ増幅器４０は、滑車２０の上下動を相殺できるようなワイヤ１４の繰り出し速度または巻上げ速度に対応した制御信号を、図示しないモータ駆動回路に出力する。すなわち、サーボ増幅器４０は、例えば滑車２０が上方に変動した場合、その変動速度に応じた速度でワイヤ１４を繰り出すことができる制御信号がモータ駆動回路に出力する。
【００２０】
モータ駆動回路は、サーボ増幅器４０の出力信号に応じて例えば正方向に回転し、油圧ポンプ４４の作動油の吐出方向と吐出量とを制御する。これにより、作動油が油圧モータ４２に供給され、油圧モータ４２が正方向に回転してドラム１２を回転させる。ワイヤ１４は、ドラム１２の回転速度にほぼ比例した速度で繰り出される。ワイヤ速度センサ２６は、ワイヤ１４の繰り出し速度Ｖｆを検出して制御部３２の第１加算器３６にフィードバック信号として入力する。そして、前記したように第２加算器３８は、第１加算器３６と加速度・変位変換器３４との出力信号に基づく二重フィードバック信号をサーボ増幅器４０に出力する。サーボ増幅器４０は、ワイヤ速度センサ２６の速度検出信号Ｖｆが加速度・変位変換器３４の求めた速度と一致するようにサーボモータ４６の駆動制御信号を出力する。これにより、ワイヤ１４に吊り下げた機材２２に作用する滑車２０の上下動の影響が除去され、Ｖｉ＝０、すなわち機材２２が一定深度に保持される。ブーム１８の先端（滑車２０）が下方に変動する場合も、同様にしてワイヤ１４の巻上げ制御が行なわれ、ワイヤ１４に吊り下げた機材２２を設定された所定の深度に保持する。
【００２１】
なお、一般に、電動機であるサーボモータ４６の回転速度は、１５００〜２０００ｒｐｍ程度であって、ドラム１２の回転速度より非常に大きいために減速する必要がある。そこで、例えば、油圧ポンプ４４の１回転当たりの作動油の吐出量を１０ｍＬとし、油圧モータ４２の１回転当たりの必要作動油の量を２００ｍＬとすると、減速費が２０：１となり、油圧モータ４２の出力トルクを大きくすることができる。
【００２２】
これにより、ワイヤ１４に吊り下げられた機材２２は、滑車２０が波などによって上下動した場合であっても、その影響が除去されて一定の深度に保持される。しかも、実施形態の巻上げ装置１０は、クレーンブームなどの大型構造物を作動させないため、小型にすることができるとともに、消費エネルギーを少なくすることができ、迅速なワイヤ１４の繰り出し、巻き取りが可能で応答速度を向上することができる。したがって、ＣＴＤの測定などをより正確、迅速に行なうことができる。
【００２３】
一方、例えばワイヤ１４を繰り出して機材２２を一定の速度Ｖ_０で下降させる場合、制御部３２の第１加算器３６にＶｉ＝Ｖ_０が与えられる。また、ワイヤ速度センサ２６は、ワイヤ１４の繰り出し速度Ｖｆを検出して第１加算器３６に入力する。第１加算器３６は、Ｖ_０−Ｖｆを求めて第２加算器３８に入力する。第２加算器３８は、第１加算器３６の出力信号と、加速度・変位変換器３４が加速度センサ２４の検出信号から求めた滑車２０の変動方向および変動変位のフィードバック信号Ａｆとの差を求めて、サーボ増幅器４０に入力する。なお、この他にも、変位信号をフィードバックする代わりに変動速度信号又は変動加速度信号をフィードバックする方法もある。サーボ増幅器４０は、機材２２の下降速度がＶ_０となるワイヤ１４の繰り出し速度Ｖが得られるサーボモータ４６の回転方向、回転速度に応じた制御信号をモータ駆動回路に与える。これにより、サーボモータ４６は、例えば滑車２０が波により上方に変動する場合、ワイヤ１４の繰り出し速度がＶ_０より大きくなるように駆動され、滑車２０が下方に変動する場合、繰り出し速度がＶ_０より小さくなるように駆動される。したがって、ワイヤ１４に吊り下げた機材２２の下降速度を所定のＶ_０に保持することができる。機材２２を一定速度で引き上げる場合も同様に制御される。また、ワイヤ１４の繰り出し量、巻上げ量は、ワイヤ速度センサ２６の出力信号を積分することにより求められる。あるいは、ワイヤ速度センサ２６が線長計であった場合は、その出力を微分し、速度信号に変換してから第１加算器３６へ加えてもよい。
【００２４】
なお、前記第１実施形態においては、ワイヤ１４の吊下げ点である滑車２０の上下動を検出するのに加速度センサ２４を用いた場合について説明したが、滑車２０の上下動の検出は、全地球測位システム（ＧＰＳ）やジャイロなど、上下動を検出できるものであれば何でもよい。また、前記実施形態においては、油圧ポンプ４４が固定容量型である場合について説明したが、油圧ポンプ４４を可変容量ポンプとしてもよい。これにより、油圧ポンプと油圧モータとによって構成される減速機の減速比を可変にすることができる。また、油圧ポンプの作動油の吐出方向を一方向とし、三方弁などによって油圧モータ４２への作動油の供給を切替え、油圧モータ４２を正逆回転させるようにしてもよい。さらに、ワイヤ１４に吊り下げる機材２２は、作業ロボットやテレビカメラなどであってもよい。
【００２５】
図３は、第２実施形態の説明図である。この第２実施形態に係る巻上げ装置７０は、巻上げ機の構造が図１に示した巻上げ機３０と異なっている。すなわち、第２実施形態の巻上げ機７２は、液圧ポンプが二方向吐出可変容量型油圧ポンプ７４によって構成され、電動機が常に一方向に一定回転速度で回転している汎用の誘導モータ７６によって構成してある。そして、二方向吐出可変容量型油圧ポンプ７４は、本実施形態の場合、斜板ポンプから構成してあって、図示しないポンプ制御部に接続されている。このポンプ制御部は、制御部３２のサーボ増幅器４０Ａの出力信号に基づいて、斜板の傾斜方向と傾斜角度とを制御し、斜板ポンプ７４の作動油の吐出方向と吐出量とを制御する。また、斜板ポンプ７４と油圧モータ４２とは、管路４８、５０によって直結されており、可変減速比を有する減速機、すなわち無断変速機を構成している。
【００２６】
このようになっている第２実施形態の巻上げ装置７０は、誘導モータ７６が一方向に一定回転速度で常時回転し、斜板ポンプ７４を一定回転速度で一方向に回転する。そして、制御部３２を構成しているサーボ増幅器４０Ａが、第２加算器３８の出力信号に基づいて、必要とするワイヤ１４の繰り出し速度または巻上げ速度が得られる斜板ポンプ７４の作動油の吐出方向と吐出量とに応じた信号を出力する。サーボ増幅器４０Ａの出力信号は、ポンプ制御部に与えられ、ポンプ制御部が斜板ポンプ７４の斜板の傾斜方向と傾斜角度とを制御する。これにより、斜板ポンプ７４から作動油が油圧モータ４２に供給され、油圧モータ４２が正方向または逆方向に回転し、船体１のヒービングに伴う滑車２０の上下動を相殺するようにワイヤ１４の繰り出し、巻き上げを行なう。したがって、第２実施形態における巻上げ装置７０においても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第２実施形態においては、斜板ポンプ７４の斜板の傾斜方向、傾斜角度によって作動油の吐出方向、吐出量を変えることができ、電動機を小型にすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、船体のヒービングに応じてワイヤを繰り出し、または巻き上げるようにしているため、装置の小型化が図れて消費エネルギーの節減ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る上下動補償機能付巻上げ装置の詳細説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る上下動補償機能付巻上げ装置の概略説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る上下動補償機能付巻上げ装置の詳細説明図である。
【図４】従来のヒービング補償クレーンの概略説明図である。
【符号の説明】
１………船体、１０、７０………上下動補償機能付巻上げ装置（巻上げ装置）、１２………ドラム、１４………ワイヤ、２０………ワイヤ吊下げ点（滑車）、２２………機材、２４………上下動センサ（加速度センサ）、２６………ワイヤ速度センサ、３０、７２………巻上げ機、３２………制御部、４２………液圧モータ（油圧モータ）、４４、７４………液圧ポンプ（二方向吐出固定容量型油圧ポンプ、二方向吐出可変容量型油圧ポンプ）、４６、７６………電動機（サーボモータ、誘導モータ）。

Claims

ワイヤを巻回したドラムを回転させる正逆回転可能な液圧モータと、
この液圧モータに作動油を供給する液圧ポンプと、
この液圧ポンプを回転駆動する電動機と、
前記ドラムから引き出されて垂下された前記ワイヤの吊下げ点の上下動を検出する上下動センサと、
この上下動センサの検出信号に基づいて、前記液圧ポンプの吐出量を制御して前記ワイヤを繰り出しまたは巻き上げ、前記ワイヤに作用する前記吊下げ点の上下動の影響を除去する制御部と、
を有することを特徴とする上下動補償機能付巻上げ装置
請求項１に記載の上下動補償機能付巻上げ装置において、
前記制御部は、前記上下動センサの検出信号に基づいて前記液圧ポンプの吐出量を制御し、与えられた前記ワイヤの繰り出し速度または巻上げ速度を保持することを特徴とする請求項１記載の上下動補償機能付巻上げ装置。
請求項１または請求項２に記載の上下動補償機能付巻上げ装置において、
前記液圧ポンプは、二方向吐出固定容量型であり、
前記電動機は、正逆回転可能なサーボモータであって、
前記制御部は、前記サーボモータを介して前記液圧ポンプの作動油の吐出量と吐出方向とを制御する、
ことを特徴とする上下動補償機能付巻上げ装置。
請求項１または請求項２に記載の上下動補償機能付巻上げ装置において、
前記液圧ポンプは、二方向吐出可変容量型であり、
前記制御部は、前記液圧ポンプを制御して作動油の吐出量と吐出方向を制御する、
ことを特徴とする上下動補償機能付巻上げ装置。