JP2006062825A

JP2006062825A - クレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法

Info

Publication number: JP2006062825A
Application number: JP2004247772A
Authority: JP
Inventors: Harumasa Yamamoto; 治正山本
Original assignee: Hitachi Kiden Kogyo Ltd
Current assignee: Hitachi Kiden Kogyo Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2006-03-09

Abstract

【課題】揚程が長く、悪環境で使用されるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を正確に検出することができるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法を提供すること。
【解決手段】グラブバケット５の本体部６の対角方向に、ｘｙｚ３軸方向の加速度を検出できる２組の加速度センサＳ１、Ｓ２をそれぞれ配置し、これら２組の加速度センサＳ１、Ｓ２を使用して、クレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を検出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、クレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法に関し、特に、清掃工場で稼動するごみクレーン等のように、揚程が長く、悪環境で使用されるクレーンの振れ止め制御や自動運転の安全確保のために好適に用いることができるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法に関するものである。

従来、クレーンの振れ止め制御は、主巻上げロープとグラブ相対角度を検出し、これによって振れ角、捻れ角信号を生成し、これに基づいて振れ止め制御を行っていた。
その一例として、本件出願人の出願に係る特許文献１に記載されるようなクレーンの吊具振れ角及び捻れ検出装置がある。
このクレーンの吊具振れ角及び捻れ検出装置は、クレーンの吊具中央上方に設けた吊具側シーブと、クレーンのトロリに取り付けられた２方向に回転可能な手段を備えたセンサベースと、センサベースに配置したクレーンの横行方向及び走行方向の傾斜角を検出する２台の傾斜計と、一端をセンサベースの下端に接続し、吊具側シーブとトロリ側シーブを介して他端を２台の巻取装置にてガイドロープを巻き取るようにして荷の振れと荷の捻れを検出するものである。
しかしながら、主巻上げロープのほかに振れ角検出のための細い検出用ガイドロープを設置することは、悪環境で使用するごみクレーンでは、検出用ガイドロープに搬送物であるごみ類が絡まったり付着し、ガイドロープの切断が発生するため困難で、この方式は実施することができない。
また、検出用ガイドロープによる角度検出では、２０〜３０メートル以上の揚程を有するごみクレーンでは制御したいグラブバケット先端の振幅に対し、グラブバケットの振子の長さに反比例して検出する振れ角が小さくなり、制御に必要な精度を得られないという問題があった。
特開平７−８１８７７号公報

本発明は、上記従来のクレーンが有する問題点に鑑み、揚程が長く、悪環境で使用されるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を正確に検出することができるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法は、吊り具の本体部の対角方向に、ｘｙｚ３軸方向の加速度を検出できる２組の加速度センサをそれぞれ配置し、該２組の加速度センサを使用して、クレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を検出するようにしたことを特徴とする。

この場合において、前記加速度センサを、パッケージ化された２軸分のセンサを２個組み合わせることにより構成するようにすることができる。

本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法によれば、吊り具の本体部の対角方向に、ｘｙｚ３軸方向の加速度を検出できる２組の加速度センサをそれぞれ配置するようにしているので、揚程が長く、悪環境で使用されるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を正確に検出することができる。

また、前記加速度センサを、パッケージ化された２軸分のセンサを２個組み合わせて構成するようにすることにより、加速度センサを容易かつ安価に構成することができる。

以下、本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法の実施の形態を、図面に基づいて説明する。

図１〜図４に、本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法を実施するごみクレーンの一例を示す。

このごみクレーンは、図１にその概略構成を示すように、例えば、１０〜３０メートルあるいはそれ以上の揚程Ｌを有し、クレーンでクレーンガーダ１上を横行するグラブ２上の主巻上げドラム３に巻装した主巻上げロープ４によって、吊り具としてのグラブバケット５を懸垂するようにしている。

グラブバケットは、図２〜図３に示すように、２本の主巻上げロープ４で懸垂するグラブバケット５の本体部６の対角方向にｘｙｚ３軸方向の加速度を検出できる加速度センサＳ１、Ｓ２をそれぞれ配置する。

そして、例えば、油圧開閉式のグラブバケットでは、グラブバケット側に油圧ポンプを駆動するモータとその制御線をグラブ２から配線するため、通常、キャプタイヤケーブル（図示省略）を懸垂し、グラブ２側で巻上げ位置の変化に追従するよう、定トルクでケーブルリールにキャプタイヤケーブルを巻き取る方法が採用されるが、加速度センサＳ１、Ｓ２の信号や電源はこのキャプタイヤケーブルを介して地上の制御装置に伝送されたり、供給されるようにする。

なお、加速度センサＳ１、Ｓ２の信号の伝送方法は、上記の有線に限定されるものではなく、グラブバケット５（あるいはフック）の適宜位置に電池等の電源と無線送信機を設置し、地上に設置した受信機に無線で信号を伝送するようにすることも可能である。
この方法では、ワイヤーロープの長さ、揚程の影響を受けず、また、風等の外乱による影響も受けないため、港湾のコンテナクレーン等、屋外クレーンにも応用できる。

加速度センサＳ１、Ｓ２としては、サーボ傾斜計やサーボ加速度計等の静止加速度から数Ｈｚまでの周波数帯域まで応答する加速度センサを好適に用いることができる。
また、２軸分のセンサが１つのＩＣパッケージに格納された半導体プロセスを応用したセンサ（例えば、米国ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ社製のＡＤＬＸ２０２型センサ）をそれぞれ２個ずつ組み合わせることで、加速度センサを容易かつ安価に構成することができる。
加速度センサを使用する利点として、検出用ロープ等、悪環境に露出する部分がなく、センサ部分を防塵、防水処理した密閉箱に収納できるため、環境の悪いごみクレーンでも安定した性能を維持することができる。
なお、手動クレーン等で捻れ発生時には運転者が操作を中止できるクレーンの振れ止めでは、加速度センサＳ１、Ｓ２を１セットだけ使用し、振れ角を検出することも可能である。
この場合、加速度センサＳ１、Ｓ２は、例えば、フックシーブの中心に近い場所に配置することが望ましく、これにより、フック部の２次振動の影響を低減し、荷の振れだけを検出することができる。

図４に振れ止め制御のフロー図の一例を示す。
センサＳ１、Ｓ２の信号と、モータ制御に使用するエンコーダの信号とを使用し、振れ角を演算する。
まず、エンコーダの速度信号を微分することにより、クレーンガーダ１又はグラブ２の水平加速度αを得る。
センサＳ１、Ｓ２の信号からエンコーダによる水平加速度αを減算し、相対加速度を使用することで、等速運動中、あるいは静止状態での振れ止めだけでなく、加減速中の振れ止めにも対応することができる。

以下、振れ止め制御の原理について説明する。
グラブバケットを単振子として考えると、その運動はｘ軸方向、ｙ軸方向に分解すると次のようになる。
（ｄθ_ｘ ^２／ｄｔ^２）＋（ｇ／Ｌ）θ_ｘ＝−（ａ_ｘ／Ｌ）・・・（１）
（ｄθ_ｙ ^２／ｄｔ^２）＋（ｇ／Ｌ）θ_ｙ＝−（ａ_ｙ／Ｌ）・・・（２）
ここで、ａ_ｘ：ｘ軸方向の走行加速度
ａ_ｙ：ｙ軸方向の走行加速度
θ_ｘ：ｘ軸方向のグラブバケット振れ角
θ_ｙ：ｙ軸方向のグラブバケット振れ角
ｇ：重力の加速度
である。
ｘ軸、ｙ軸方向の方向は、クレーンでは、それぞれガーダの走行方向、グラブの横行方向とする。
グラブバケットの位置に着目するとその変位は次のようになる。
（ｄｘ^２／ｄｔ^２）＝（ｄθ_ｘ ^２／ｄｔ^２）Ｌ・・・（３）
（ｄｙ^２／ｄｔ^２）＝（ｄθ_ｙ ^２／ｄｔ^２）Ｌ・・・（４）
これにより、グラブバケットの位置で加速度を検出すると振れ角を求めることができる。
加速度センサＳ１、Ｓ２を、図２〜図３に示すように、２本の主巻上げロープ４で懸垂するグラブバケット５の本体部６の対角方向にそれぞれ配置する。
ここで、Ｓ_１（ｘ）：センサＳ１のｘ方向加速度
Ｓ_１（ｙ）：センサＳ１のｙ方向加速度
Ｓ_１（ｚ）：センサＳ１のｚ方向加速度
Ｓ_２（ｘ）：センサＳ２のｘ方向加速度
Ｓ_２（ｙ）：センサＳ２のｙ方向加速度
Ｓ_２（ｚ）：センサＳ２のｚ方向加速度
とする。なお、ｚ方向はグラブバケットの巻下げ方向とする。
（３）式、（４）式は、
θ_ｘ＝１／Ｌ∬Ｓ_１（ｘ）ｄｔ又は θ_ｘ＝１／Ｌ∬Ｓ_２（ｘ）ｄｔ・・・（５）
θ_ｙ＝１／Ｌ∬Ｓ_１（ｙ）ｄｔ又は θ_ｙ＝１／Ｌ∬Ｓ_２（ｙ）ｄｔ・・・（６）
加速度センサＳ１、Ｓ２の信号を２階積分することで振れ角を得る。
振れ止め制御では、振れ角信号の微分信号を内部的に使用するが、これは加速度センサＳ１、Ｓ２の信号を２階積分する過程の１階積分で得ることができる。

上記の場合の信号状態を図５〜図６に示す。
ｘ軸方向の振れについては、加速度センサＳ１、Ｓ２のｘ方向の信号が出力され、ｙ軸方向の振れについては加速度センサＳ１、Ｓ２のｙ方向の信号が出力される。
ｚ軸方向については、グラブバケット５の遠心力成分が振れに同期して重畳するが、微少であるため省略する。ｚ軸方向は重力加速度が出力される。
この場合、加速度センサＳ１、Ｓ２の信号は、２つの加速度センサＳ１、Ｓ２の信号の平均をとって振れ止め制御に使用するほか、いずれか一方の信号を使用することもできる。

ごみクレーンの自動運転では、傾斜した面からグラブバケット５を巻き上げる際、地切時にグラブバケット５が捻れることがある。グラブバケット５の捻れが大きい時に巻き上げると主巻上げロープ４が主巻上げドラム３に正しく巻き取られず、乱巻き現象を生じることがあり危険である。
この捻れの検出は、加速度センサＳ１、Ｓ２のｘ方向成分、ｙ方向成分に逆相信号として検出できる。
図７に示すように、加速度センサＳ１、Ｓ２をグラブバケット５の中心から角度εだけオフセットした位置に取り付けたとき、捻れの加速度は加速度センサＳ１、Ｓ２のｘ成分、ｙ成分にそれぞれｓｉｎε、ｃｏｓεで分配される。この分配比は加速度センサＳ１、Ｓ２の配置に固有の値となる。
グラブバケット５の捻れも上部固定の単振動モデルとして記述できるので、
ψ＝（ｋ／ｓｉｎε）∬｛Ｓ_１（ｘ）−Ｓ_２（ｘ）｝ｄｔ・・・（７）
又は
ψ＝（ｋ／ｃｏｓε）∬｛Ｓ_１（ｙ）−Ｓ_２（ｙ）｝ｄｔ・・・（８）
ここで、ｋ：ワイヤーロープの捻れ剛性により決まる定数
である。
通常、ごみクレーンでは、捻れ方向を止めるためのアクチュエータを持たないため、捻れ角を正確に検出することは意味をなさない。
捻れ振動は単振動であるため、（７）式、（８）式のように積分した信号と積分する前の加速度センサＳ１、Ｓ２の出力信号は相似形であるため、捻れ検出では積分しない加速度センサＳ１、Ｓ２の差信号のみで捻れを検出できる。
Ｓ_１（ｘ）−Ｓ_２（ｘ）∝（ｄψ^２／ｄｔ^２）・・・（９）
Ｓ_１（ｙ）−Ｓ_２（ｙ）∝（ｄψ^２／ｄｔ^２）・・・（１０）
すなわち、積分形の（７）式、（８）式でも、原信号の（９）式、（１０）式でも、単振動の波形は正弦波形となる。
ｘ方向の信号を使うか、ｙ方向の信号を使うかは加速度センサＳ１、Ｓ２の配置により使いやすい方を選択する。
中心からの角度εが小さい場合、ｙ方向のセンサ信号の捻れの余弦成分が出力されるため、信号が正弦成分のｘ方向信号よりも大きく使いやすい。

また、ごみクレーンではグラブバケット５の着地時に急斜面あるいは段差のある場所に着地した時にグラブバケット５が転倒する危険性がある。
グラブバケット５の転倒は、図８〜図９に示すように、ｘ方向の転倒は、加速度センサＳ１、Ｓ２のｘ方向、ｙ方向の成分に転倒角φ_ｘの正弦成分、余弦成分が分配される。
Ｓ_１（ｘ）＝ｇｓｉｎφ_ｘ又はＳ_２（ｘ）＝ｇｓｉｎφ_ｘ・・・（１１）
Ｓ_１（ｚ）＝ｇｃｏｓφ_ｘ又はＳ_２（ｚ）＝ｇｃｏｓφ_ｘ・・・（１２）
同様に、ｙ方向の転倒は、
Ｓ_１（ｙ）＝ｇｓｉｎφ_ｙ又はＳ_２（ｘ）＝ｇｓｉｎφ_ｙ・・・（１３）
Ｓ_１（ｚ）＝ｇｃｏｓφ_ｙ又はＳ_２（ｚ）＝ｇｃｏｓφ_ｙ・・・（１４）
ここで、φ_ｘ：グラブバケットのｘ方向の転倒角
φ_ｙ：グラブバケットのｙ方向の転倒角
である。
これらを纏めて表１に記載する。

このように、本実施例によると、２組のｘｙｚ３軸方向の加速度を検出できる加速度センサを使用することにより、クレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を正確に検出することができる。

以上、本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法について、ごみクレーンを例に説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、例えば、ごみクレーン以外の他のクレーンにも適用できるものであって、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法は、揚程が長く、悪環境で使用されるクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を正確に検出することができることから、ごみクレーンの用途に好適に用いることができるほか、例えば、港湾のコンテナクレーン等の屋外で使用される大形クレーン等の用途にも好適に用いることができる。

本発明のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法を実施するクレーンの一例を示す説明図である。同グラブバケットの斜視図である。同グラブバケットを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。振れ止め制御のフロー図である。加速度センサの信号状態を示す説明図である。加速度センサの信号状態を示す説明図である。加速度センサの信号状態を示す説明図である。加速度センサの信号状態を示す説明図である。加速度センサの信号状態を示す説明図である。

符号の説明

１クレーンガーダ
２グラブ
３主巻上げドラム
４主巻上げロープ
５グラブバケット（吊り具）
６グラブバケットの本体部
Ｓ１加速度センサ
Ｓ２加速度センサ

Claims

吊り具の本体部の対角方向に、ｘｙｚ３軸方向の加速度を検出できる２組の加速度センサをそれぞれ配置し、該２組の加速度センサを使用して、クレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角を検出するようにしたことを特徴とするクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法。
前記加速度センサを、パッケージ化された２軸分のセンサを２個組み合わせて構成するようにしたことを特徴とする請求項１記載のクレーンの振れ角、捻れ角及び転倒角の検出方法。