JP2016120995A - Swing angle detection method and device of crane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、クレーンによる荷役作業中に発生する吊り荷の振れ角を検出するためのクレーンの振れ角検出方法及び装置に関する。 The present invention relates to a crane swing angle detection method and apparatus for detecting a swing angle of a suspended load generated during a cargo handling operation by a crane.
クレーンによる荷役作業においては、ロープに吊るした吊り荷を移動させるのに伴い、吊り荷に振れが発生する。吊り荷が目標の位置へ到達した際に吊り荷が振れていると、振れが収まるまでは正確な位置へ運搬物の揚げ降ろしを行うことができず、作業効率が低下する。また、発生する振れの角度や大きさによっては、吊り荷やロープが周辺の機械や構造物に干渉する場合もある。このため、吊り荷の振れはできる限り抑えることが望ましい。 In the cargo handling work by the crane, the suspended load is shaken as the suspended load suspended from the rope is moved. If the suspended load swings when the suspended load reaches the target position, the transported object cannot be lifted and lowered to an accurate position until the swing is settled, resulting in a reduction in work efficiency. Depending on the angle and magnitude of the generated deflection, suspended loads and ropes may interfere with surrounding machines and structures. For this reason, it is desirable to suppress the swing of the suspended load as much as possible.
振れを抑制するためには吊り荷の振れ角を正確に検出することが必要であり、振れ角検出のために種々の技術が提案されている。例えば、ロープの基部側の支点付近に、ロープに追従するロッドを取り付け、該ロッドの角度として吊り荷の振れ角を検出するものや、モーション(ジブ)の先端にロープを挟むフォークを介してポテンショメータを備えて吊り荷の振れ角を検出するものなどが提案されている(例えば、下記特許文献1、2参照)。しかしながら、こうした機械式の振れ角検出装置は、機器の付け外しに非常に手間がかかるうえ、機器とロープとの間に接触部や摺動部が多いために汚れが溜まりやすく、そのために検出精度が低下する懸念がある。また、吊り荷側に取り付けたマーカをモーション側の撮像装置で撮影し、画像処理によって振れ角を検出する光学式の装置も実用されているが(例えば、下記特許文献3参照)、やはり機器の設置に手間がかかるし、高価な機器類を要するのでコストも高くなる。また、天候や周辺の環境によっては撮影や画像処理が困難となり、振れ角の検出が正確にできない場合がある。
In order to suppress the shake, it is necessary to accurately detect the swing angle of the suspended load, and various techniques have been proposed for detecting the swing angle. For example, a rod that follows the rope is installed near the fulcrum on the base side of the rope and the swing angle of the suspended load is detected as the angle of the rod, or a potentiometer via a fork that sandwiches the rope at the tip of the motion (jib) Have been proposed that detect the deflection angle of a suspended load (see, for example,
こうした事情から、吊り荷の振れ角そのものを直接測定するのではなく、吊り荷の加速度や、ロープを繰り出すモータのトルク、吊り荷からモーションにかかる分力、ロープの支点の位置やロープの繰り出し長さ等、振れ角に関係する種々の数値を測定し、これらの測定値を基にカルマンフィルタやオブザーバを利用して振れ角を間接的に推定することが提案されている(例えば、下記特許文献4〜6参照)。
For this reason, the swing angle of the suspended load itself is not measured directly, but the acceleration of the suspended load, the torque of the motor that feeds the rope, the component force applied to the motion from the suspended load, the position of the fulcrum of the rope and the length of the rope It has been proposed to measure various numerical values related to the deflection angle and indirectly estimate the deflection angle using a Kalman filter or an observer based on these measurement values (for example,
しかしながら、これらの技術にもそれぞれ欠点はある。吊り荷の加速度を基に振れ角を推定する方式(上記特許文献4)では、吊り荷側に加速度計を付け外しする作業が煩雑で手間がかかる。モータトルクを利用する方式(上記特許文献5)では、モータの停止中に外乱によって吊り荷の振れが励起された場合には正確な振れ角を推定できない。台車にかかる分力から振れ角を推定する方式(上記特許文献6)は、基本的にクラブトロリ式のクレーンに用途が限定される。このため、より取扱が簡便で、外乱により励起された振れも検出でき、且つ種々のクレーンに適用可能な振れ角の検出方法が望まれている。 However, each of these techniques also has drawbacks. In the method of estimating the deflection angle based on the acceleration of the suspended load (Patent Document 4), the work of attaching and detaching the accelerometer to the suspended load side is complicated and troublesome. In the method using the motor torque (the above-mentioned Patent Document 5), an accurate swing angle cannot be estimated when a swing of a suspended load is excited by a disturbance while the motor is stopped. The method of estimating the deflection angle from the component force applied to the carriage (Patent Document 6) is basically limited to a club trolley crane. For this reason, there is a demand for a method of detecting a swing angle that is easier to handle, can detect a vibration excited by a disturbance, and can be applied to various cranes.
本発明は、斯かる実情に鑑み、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得るクレーンの振れ角検出方法及び装置を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention provides a crane swing angle detection method capable of suitably detecting a swing angle of a suspended load with a simple configuration and minimizing the labor and cost for attaching and detaching equipment. The device is to be provided.
本発明は、ロープにより吊り荷を吊り下げて動作するモーションと、前記ロープを駆動して前記吊り荷や前記モーションの動作を行うウインチドラムとを備えたクレーンの振れ角検出方法であって、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブに各々シーブ荷重検出器を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出することを特徴とするクレーンの振れ角検出方法にかかるものである。 The present invention is a method of detecting a swing angle of a crane including a motion that operates by suspending a suspended load with a rope, and a winch drum that operates the suspended load and the motion by driving the rope. A sheave load detector is attached to each of a plurality of sheaves provided in the middle of the rope to detect the tension of the rope, calculate an estimated deflection angle from the tension, and perform processing by the Kalman filter on the estimated deflection angle The present invention relates to a crane swing angle detection method characterized by calculating a predicted swing angle of a suspended load.
而して、このようにすれば、単純で安価な機構により、吊り荷の振れ角を精度良く予測することができる。 In this way, the swing angle of the suspended load can be accurately predicted by a simple and inexpensive mechanism.
本発明のクレーンの振れ角検出方法においては、前記モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリを備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計することができ、このようにすれば、単純な数式モデルで精度の高い振れ角予測値を得ることができる。 In the crane swing angle detection method of the present invention, a trolley crane having a girder or a trolley traversing on a boom is assumed as the motion, and the trolley crane is assumed to be a spring mass damper model. The Kalman filter can be designed for the defined mathematical model, and in this way, a highly accurate predicted deflection angle can be obtained with a simple mathematical model.
また、本発明のクレーンの振れ角検出方法においては、旋回体と、該旋回体に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブを備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計することができ、このようにすれば、単純な数式モデルで精度の高い振れ角予測値を得ることができる。 In the crane swing angle detection method of the present invention, a swing body and a jib crane provided with the jib as the motion attached to the swing body so as to be raised and lowered are set as targets for swing angle detection, and the jib crane is used as a spring mass. The Kalman filter can be designed for a mathematical model defined assuming a damper model, and in this way, a highly accurate deflection angle prediction value can be obtained with a simple mathematical model.
また、本発明は、ロープにより吊り荷を吊り下げて動作するモーションと、前記ロープを駆動して前記吊り荷や前記モーションの動作を行うウインチドラムとを備えたクレーンの振れ角検出装置であって、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブと、該シーブに各々取り付けられて前記ロープの張力を検出するシーブ荷重検出器と、前記ロープの張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出するよう構成された制御装置とを備えたことを特徴とするクレーンの振れ角検出装置にかかるものである。 Further, the present invention is a crane swing angle detection device including a motion that operates by suspending a suspended load with a rope, and a winch drum that drives the rope and performs the operation of the suspended load and the motion. A plurality of sheaves provided in the middle of the rope, a sheave load detector that is attached to each sheave and detects the tension of the rope, an estimated deflection angle is calculated from the tension of the rope, and the estimated deflection angle And a control device configured to calculate a predicted swing angle of a suspended load by performing a process using a Kalman filter.
本発明のクレーンの振れ角検出装置においては、前記モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリを備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計し、前記制御装置に実装することができる。 In the crane swing angle detection device of the present invention, it is assumed that a trolley crane having a trolley that traverses a girder or a boom as the motion is a target of swing angle detection, and the trolley crane is a spring mass damper model. The Kalman filter can be designed for the defined mathematical model and mounted on the control device.
また、本発明のクレーンの振れ角検出装置においては、旋回体と、該旋回体に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブを備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデルに対して前記カルマンフィルタを設計し、前記制御装置に実装することができる。 In the crane swing angle detection device of the present invention, a swing body and a jib crane provided with the jib as the motion attached to the swing body in a undulating manner are set as targets for swing angle detection, and the jib crane is used as a spring mass. The Kalman filter can be designed with respect to a mathematical model defined as a damper model, and can be implemented in the control device.
本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得るという優れた効果を奏し得る。 According to the crane swing angle detection method and apparatus of the present invention, the swing angle of a suspended load can be suitably detected with a simple configuration while minimizing the labor and cost for attaching and detaching equipment. The effects can be achieved.
図1〜図9は本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置を実施する形態の第一例を示すものである。本第一実施例においては、グラブバケット式アンローダに対して本発明を適用した場合を例示している。 FIGS. 1-9 shows the 1st example of the form which implements the swing angle detection method and apparatus of the crane of this invention. In the first embodiment, a case where the present invention is applied to a grab bucket unloader is illustrated.
グラブバケット式アンローダは、バラ物運搬船に積載された鉱石、石炭等のバラ物を荷揚げするために、岸壁に備えられる橋形クレーンの一種で、吊り荷を吊り下げるモーションとしてトロリを用いるトロリ式のクレーンである。図1に示したグラブバケット式アンローダは、海側の海脚1と陸側の陸脚2を有して岸壁上のレール3上を走行する機械本体4と、該機械本体4上部の陸側に設けられたガーダ5から海側へ張り出しピン6aを中心に俯仰が可能なブーム6と、該ブーム6及びガーダ5の長手方向に沿って横行するトロリ(モーション)7と、該トロリ7から吊下げられて昇降と開閉を行うようにした吊り荷としてのグラブバケット8とを有している。そして、前記ブーム6の海側に位置したトロリ7から開いた状態のグラブバケット8をバラ物運搬船9の上部開口9aから船内に吊り下げてバラ物上に載置し、グラブバケット8を閉じることによりバラ物を掴んだ後、グラブバケット8を上昇させ、続いて、トロリ7を陸側に横行させることによりグラブバケット8を陸側に移動させ、グラブバケット8が前記機械本体4に備えたホッパ10上に来たときに開くことによりバラ物をホッパ10内へ投入するようにしている。ホッパ10内に投入されたバラ物は、機械本体4に備えた機内コンベヤ11等により陸上の搬送コンベヤ12に供給されるようになっている。尚、図2中、13はアンローダを操作するオペレータが搭乗する移動運転室、14は機械本体4の上部の陸側端に設けられた機械室である。
A grab bucket type unloader is a type of bridge-type crane provided on the quay to unload roses such as ore and coal loaded on a bulk carrier. It is a crane. The grab bucket type unloader shown in FIG. 1 includes a
前述の如きグラブバケット式アンローダとしては、例えば、図2に示される如く、4本のウインチドラムを備え、該ウインチドラムの駆動により前記トロリ7を横行させると共にグラブバケット8を昇降・開閉させるようにした4ドラム式のアンローダがある。
As the grab bucket type unloader as described above, for example, as shown in FIG. 2, four winch drums are provided, and the
前記ウインチドラムとしての巻上ドラム15から繰り出した巻上ロープ16はガーダ5(図1参照)の陸側端部に設けたシーブ17を経てトロリ7上のシーブ18に導かれた後、下方に向けられて下端がグラブバケット8の一側(陸側)に固定されている。又、前記ウインチドラムとしての巻上ドラム15'から繰り出した巻上ロープ16'はブーム6(図1参照)の海側端部に設けたシーブ17'を経てトロリ7上のシーブ18'に導かれた後、下方に向けた下端がグラブバケット8の他側(海側)に固定されている。
The hoisting
又、前記ウインチドラムとしての開閉ドラム19から繰り出した開閉ロープ20はガーダ5(図1参照)の陸側端部に設けたシーブ21を経てトロリ7上のシーブ22に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット8のバケット本体8a,8aの連結部に取り付けた下部移動シーブ23と、タイロッド8bを介しピン連結により前記バケット本体8aを支持する上部フレーム8cに取り付けた上部固定シーブ24(図1参照)との間に複数回掛け回され、グラブバケット8の所要箇所に固定されている。一方、前記ウインチドラムとしての開閉ドラム19'から繰り出した開閉ロープ20'はブーム6(図1参照)の海側端部に設けたシーブ21'を経てトロリ7上のシーブ22'に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット8の下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図1参照)との間に複数回掛け回され、グラブバケット8の所要箇所に固定されている。
The open /
図2に示した4ドラム式のアンローダでは、巻上ドラム15,15'を停止した状態において、開閉ドラム19,19'により開閉ロープ20,20'を同時に繰り出すと、グラブバケット8の下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図1参照)の間隔が開いて前記グラブバケット8は開き、開閉ドラム19,19'により開閉ロープ20,20'を同時に巻き込むと、下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図1参照)の間隔が狭くなりグラブバケット8は閉じられる。
In the four-drum unloader shown in FIG. 2, when the hoisting
又、前記巻上ドラム15,15'により巻上ロープ16,16'を繰り出す操作と、開閉ドラム19,19'により開閉ロープ20,20'を繰り出す操作を同時に行うと、グラブバケット8は下降し、又、前記巻上ドラム15,15'により巻上ロープ16,16'を巻き込む操作と、開閉ドラム19,19'により開閉ロープ20,20'を巻き込む操作を同時に行うと、グラブバケット8は上昇する。
Further, if the operation of feeding the hoisting
一方、陸側のシーブ17,21からトロリ7上の陸側のシーブ18,22に巻上ロープ16及び開閉ロープ20を導いている巻上ドラム15及び開閉ドラム19の巻き込み操作と、海側のシーブ17',21'からトロリ7の海側のシーブ18',22'に巻上ロープ16'及び開閉ロープ20'を導いている巻上ドラム15'及び開閉ドラム19'の繰り出し操作を同時に行うと、トロリ7とグラブバケット8は陸側へ横行する。逆に、巻上ドラム15及び開閉ドラム19の繰り出し操作と、巻上ドラム15'及び開閉ドラム19'の巻き込み操作を同時に行うと、トロリ7及びグラブバケット8は海側へ横行する。即ち、巻上ドラム15,15'と開閉ドラム19,19'の操作によって、トロリ7及びグラブバケット8の横行を行わせることができる。
On the other hand, a winding operation of the hoisting
そして、本第一実施例においては、シーブ荷重検出器25を用いて検出した各ロープ(巻上ロープ16,16'及び開閉ロープ20,20')の張力に基づいて吊り荷(グラブバケット)8の振れ角を推定すると共に、吊り荷現状位置検出器26によって吊り荷8の現状位置を検出するようにしてある。
In the first embodiment, the suspended load (grab bucket) 8 is based on the tension of each rope (the hoisting
シーブ荷重検出器25は、前記巻上シーブ17,17'及び開閉シーブ21,21'に取り付けられたロードセル等の荷重センサであり、図3、図4に示す如く、前記4つのシーブにおいて検出された荷重を荷重信号25aとして制御装置27の振れ角算出部28に入力するようになっている。
The
吊り荷現状位置検出器26は、トロリ7を横行させると共にグラブバケット8を昇降・開閉させるためのロープ(巻上ロープ16,16'及び開閉ロープ20,20')を駆動するウインチドラム(巻上ドラム15,15'及び開閉ドラム19,19')のドラム回転数を計測するエンコーダ等の回転センサであり、計測したドラム回転数を回転数信号26aとして制御装置27の吊り荷現状位置計算部29に入力するようになっている。
The suspended load
制御装置27は、シーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aに基づいてグラブバケット(吊り荷)8の振れ角θを推定し、この振れ角θの推定値と、トロリ7の位置検出値や速度検出値、吊下ロープ長をカルマンフィルタに入力することで振れ角θを予測するようになっている。
The
また、移動運転室13に設けられたコントローラ30をオペレータが操作することにより、その操作信号30aがトロリ7への横行操作速度指令や横行目標位置指令として制御装置27に入力されるようになっている。
Further, when the operator operates the
制御装置27は、シーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aに基づいてグラブバケット8の振れ角θを推定し、推定した振れ角θと、吊り荷現状位置検出器26から入力される回転数信号26aから算出される吊り荷8の吊下ロープ長lやトロリ7の横行位置x等に基づいて振れ止めフィードバック制御速度指令を算出し、該振れ止めフィードバック制御速度指令をコントローラ30からの前記横行操作速度指令とに加味した振れ止め制御速度指令uを制御信号27aとして前記ウインチドラムのモータ31のインバータ32に対し出力するようになっている。インバータ32は、制御信号27aに基づいてモータ31を介し前記ウインチドラムの横行動作を制御する。
The
次に、上記本第一実施例における振れ角予測の詳細について、図3〜図9を参照して説明する。 Next, details of the deflection angle prediction in the first embodiment will be described with reference to FIGS.
制御装置27の吊り荷現状位置計算部29(図4参照)は、吊り荷現状位置検出器26から入力される回転数信号26aをもとに、モーション(トロリ7)の横行位置(位置検出値)xr、モーション(トロリ7)の横行速度(速度検出値)Vfb、及びモーション(トロリ7)から吊り荷(グラブバケット)8までの距離(吊下ロープ長検出値)lを算出する。このとき、トロリ7の横行速度はトロリ7の横行方向位置の微分値として算出することができる。
The suspended load current position calculation unit 29 (see FIG. 4) of the
次に、制御装置27の振れ角算出部28は、シーブ荷重検出器25から入力されるシーブ荷重信号25aをもとに、吊り荷8の振れ角θを推定する。具体的には、図5に示す如く、前記シーブ(巻上シーブ17,17'、開閉シーブ21,21')には、それぞれTm1、Tm2、Ta1、Ta2の張力がかかるが、これらの張力は、吊り荷8の推定振れ角θTに応じて変化する。すなわち、推定振れ角θTは、以下の通り、張力Tm1、Tm2、Ta1、Ta2を独立変数とした関数として算出できる。
θT=f(Tm1,Tm2,Ta1,Ta2)
Next, the deflection
θ T = f (T m1 , T m2 , T a1 , T a2 )
次に、制御装置27は、上記吊り荷現状位置計算部29で算出した位置検出値xr、速度検出値Vfb、吊下ロープ長検出値lと、上記振れ角算出部28で算出した推定振れ角θTをカルマンフィルタ33に入力する(図4参照)。このカルマンフィルタ33は、該カルマンフィルタ33の内部で定義するクレーンモデル34で吊り荷8の振れ角を予測し、この予測した振れ角を前記推定振れ角θTと比較して、その誤差分散が最小となるように推定し、振れ角についての最適な推定結果を返すシステム構成になっている。
Next, the
以下、カルマンフィルタ33の設計手順を説明する。カルマンフィルタ33を設計するためには、制御対象であるクレーン(本実施例の場合は、トロリ式クレーンの一種であるグラブバケット式アンローダ)の数式モデル(クレーンモデル)34を導出する必要がある。
Hereinafter, a design procedure of the
数式モデル34を導出する手順を説明する。上述のグラブバケット式アンローダのようなトロリ式のクレーンの場合、モーションであるトロリの運動については横行方向の運動のみを考慮すれば良いので、数式モデル34を導出するためのモデル定義を以下の通り仮定する。
a)ロープ質量は考慮しない。
b)モーション(トロリ7)は横行方向(x方向)の運動のみを考慮した、ばねマスダンパの1質点系モデルとする。
c)制御入力(振れ止め制御速度指令)uは直接トロリ7に作用する。
A procedure for deriving the
a) Rope mass is not considered.
b) The motion (trolley 7) is a one-mass system model of a spring mass damper considering only the movement in the transverse direction (x direction).
c) The control input (stabilization control speed command) u acts directly on the
以上の定義をもとに、トロリ式クレーンの数式モデル34を図6に示す通りに仮定する。主な記号の定義を以下に示す。
Based on the above definition, a
Mt:モーション(トロリ7)質量[kg]、Mo:吊り荷質量[kg]、l(t):吊下ロープ長[m]、u(t):制御入力[N]、xr(t):モーション(トロリ7)のx方向位置(横行位置)[m]、xo(t):吊り荷8のx方向位置[m]、yo(t):吊り荷8のy方向位置[m]、θ(t):吊り荷8の振れ角[rad]、kt:モーション(トロリ7)の等価的ばね定数[N/m]、ct:モーション(トロリ7)の等価的減衰係数[N・s/m]、Kpp:インバータ相当速度ゲイン、g:重力加速度[m/s2]、t:時間[s]である。尚、添字tはモーションであるトロリを、添字oは吊り荷を表す。
M t : motion (trolley 7) mass [kg], M o : suspended load mass [kg], l (t): suspended rope length [m], u (t): control input [N], x r ( t): x-direction position (transverse position) [m] of the motion (trolley 7), x o (t): x-direction position [m] of the suspended
トロリ7のもつ運動エネルギーTt、位置エネルギーVt、トロリ7にかかる外力Ptは以下の通りである。ここで、変数の上部に記したドット記号(・)は、その変数の導関数(時間による微分値)を表す。尚、ドット記号が二個付されている場合には、その変数の二次導関数を表す。
吊り荷8のもつ運動エネルギーTo、位置エネルギーVo、吊り荷8にかかる外力Poは以下の通りである。
上記[数1]、[数2]をラグランジュ方程式に当てはめて運動方程式を導出する。qiを一般化座標とすると、ラグランジュ方程式は以下の通りである。
上記[数3]より、以下の運動方程式が求まる。
Mは2×2の質量行列、Cは2×2の減衰行列、Kは2×2の剛性行列、Fは2×1の入力行列である。
From the above [Equation 3], the following equation of motion is obtained.
M is a 2 × 2 mass matrix, C is a 2 × 2 attenuation matrix, K is a 2 × 2 stiffness matrix, and F is a 2 × 1 input matrix.
さらに、状態量xを
として展開すると、状態方程式および出力方程式は以下の通りとなる。
, The state equation and output equation are as follows.
ここで、上記状態方程式は力入力であるが、実機においてはトロリ7はインバータ32を介した横行操作速度指令によって駆動される。そこで、インバータ32の速度制御ゲイン相当をKppとし、図7に示すブロック線図により速度制御を実現する。よって、上記[数6]の状態方程式は、以下の速度制御入力モデルの状態方程式で表現できる。
上記[数6]の出力方程式および[数7]の状態方程式に基づき、カルマンフィルタ33を設計する。カルマンフィルタ33の制御対象とするトロリ式クレーンは、[数6]および[数7]に共分散行列で定義されるプロセスノイズwおよび観測ノイズvを加味し、以下の状態方程式および出力方程式で与えられる。
プロセスノイズwは、数式モデルでシミュレートされる挙動と実際の挙動との誤差である。このプロセスノイズwの大きさを共分散行列Qで設定する。共分散行列Qの算出は、プロセスノイズwの各成分の標準偏差σwを設定することで行う。
尚、プロセスノイズの要因としては、風などの外乱、モデル化に伴う誤差、運動方程式を離散化することによる誤差、制御装置における計算誤差などが考えられる。 As factors of process noise, disturbances such as wind, errors due to modeling, errors due to discretization of motion equations, calculation errors in the control device, and the like can be considered.
観測ノイズvについても、その大きさを共分散行列Rで設定する。上記プロセスノイズwの場合と同様、共分散行列Rの算出は、観測ノイズvの各成分の標準偏差σvを設定することで行う。
尚、観測ノイズの要因としては、センサ固有の電気的なノイズやドリフト、1質点振り子振動以外のロープやその他機械の振動などが考えられる。 Note that the cause of the observation noise may be electrical noise or drift inherent to the sensor, rope other than the one-mass pendulum vibration, and other mechanical vibrations.
カルマンフィルタ33内部において実行される制御演算について、図8を参照しながら説明する。制御演算の実行にあたっては、まずステップS1として、上記プロセスノイズwと観測ノイズv、およびその共分散行列Q、Rについて、各成分の具体的な数値を設定する。これらの数値については、経験的に決定する。
A control calculation executed inside the
さらに、カルマンフィルタ33内部における数式モデル34の状態量
の初期値
および初期共分散CovX0を以下の通り設定する。ここで、ハット記号(^)は上記モデルを用いた予測値であることを表す。
Initial value of
And the initial covariance CovX 0 is set as follows: Here, the hat symbol (^) represents a predicted value using the above model.
次に、ステップS2として、上記クレーンモデル34([数8]参照)における係数行列の離散化を行い、離散化した係数行列At、Bt、Ctを算出する。尚、この演算における添字tは離散的な時間を表す。 Next, as step S2, the coefficient matrix in the crane model 34 (see [Equation 8]) is discretized, and the discretized coefficient matrices A t , B t , and C t are calculated. The subscript t in this calculation represents discrete time.
次に、ステップS3として、現時点(t時刻)における内部状態の推定結果から、Δt時間後(t+Δt時刻)における内部状態と観測値を予測する。尚、Δtは制御演算周期を表す。ここで、制御入力にはモーション(トロリ7)への横行操作速度指令Vrefではなく、モーション(トロリ7)の実際の速度であるセンサ検出値Vfbを用いる。初期演算時の内部状態としては上記[数12]の値を用いる。
さらに、ステップS4として、Δt時間後(t+Δt時刻)における内部状態と観測値の共分散を予測する。ここで、各共分散にはプロセスノイズ、観測ノイズが含まれるため、共分散の予測値は以下の通りとなる。
ステップS5として、内部状態の修正量の重みとなるカルマンゲインKt+Δtを算出する。このカルマンゲインは上記[数15]で算出した共分散から構成され、プロセスノイズを含む。
ステップS6として、内部状態を予測した観測値と、実際の観測値とから、内部状態の推定値を下記[数17]により更新する。ここで更新した推定値は、次の演算周期のステップS3において代入される。
さらにステップS7として、内部状態の共分散を以下の[数18]により更新する。ここで更新した推定値は、次の演算周期のステップS4において代入される。
ステップS7までの演算が終了したら、ステップS2に戻り、内部状態およびその共分散を修正しながらステップS2からS7までの工程を上記演算周期で繰り返す。これにより、吊り荷8の振れ角θをリアルタイムで正確に推定することができる。
When the calculation up to step S7 is completed, the process returns to step S2, and the steps from step S2 to S7 are repeated at the above calculation cycle while correcting the internal state and its covariance. Thereby, the deflection angle θ of the suspended
図9は、グラブバケット式アンローダの実験機において、上記工程により予測した吊り荷の振れ角のデータと、実際の振れ角のデータとを比較して示す線図である。尚、本比較検証実験に用いた実験機は、グラブバケット式アンローダの実機のサイズを縮小して製作したスケールダウン型のものである。一点鎖線で示されるのがシーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aに基づく推定振れ角θTであり、破線で示されるのが推定振れ角θTから上記カルマンフィルタ処理工程により予測した振れ角予測値
である。実線はシーブ荷重検出器(ロードセル)25とは別のセンサにより検出した振れ角を示しており、これを真値であると仮定することができる。破線で示される振れ角予測値は、実線で示される真値とよく適合していることがわかる。このように、本第一実施例においては、巻上シーブ17,17'や開閉シーブ21,21'にかかる張力から吊り荷8の振れ角を推定し、さらにカルマンフィルタ33による処理を行って吊り荷8の振れ角を予測しているので、単純で安価な機器により吊り荷8の振れ角を精度良く予測することができる。
FIG. 9 is a diagram showing comparison between the swing angle data predicted by the above process and the actual swing angle data in the grab bucket unloader experimental machine. The experimental machine used in this comparative verification experiment is a scale-down type manufactured by reducing the size of the actual grab bucket unloader. An estimated swing angle theta T is the is based on the
It is. A solid line indicates a deflection angle detected by a sensor different from the sheave load detector (load cell) 25, and this can be assumed to be a true value. It can be seen that the predicted deflection angle indicated by the broken line is well matched with the true value indicated by the solid line. Thus, in the first embodiment, the swing angle of the suspended
制御装置27は、上記工程により予測した吊り荷8の振れ角を用い、該振れ角予測値と、吊り荷現状位置検出器26から入力される回転数信号26aから算出される吊り荷8の吊下ロープ長lやトロリ7の横行位置x等とに基づいて振れ止めフィードバック制御速度指令を算出する。該振れ止めフィードバック制御速度指令は、例えば、吊り荷の吊下ロープ長lの変動に対応したゲインスケジュールH∞制御器を導出することによって算出することができる。算出した前記振れ止めフィードバック制御速度指令は、制御信号27aとして前記ウインチドラムのモータ31のインバータ32に対し出力される。インバータ32は、制御信号27aに基づいてモータ31を介し前記ウインチドラムの横行動作を制御する。
The
このように、上記本第一実施例においては、ロープ(巻上ロープ16,16'、開閉ロープ20,20')により吊り荷(グラブバケット)8を吊り下げて動作するモーション(トロリ)7と、前記ロープを駆動して吊り荷(グラブバケット)8やモーション(トロリ)7の動作を行うウインチドラム(巻上ドラム15,15'、開閉ドラム19,19')とを備えたクレーンの振れ角検出方法に関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ(巻上シーブ17,17'、開閉シーブ21,21')に各々シーブ荷重検出器25を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角θTを算出し、該推定振れ角θTに対してカルマンフィルタ33による処理を行って吊り荷(グラブバケット)8の振れ角予測値を算出するので、単純で安価な機構により、吊り荷(グラブバケット)8の振れ角を精度良く予測することができる。
Thus, in the first embodiment, the motion (trolley) 7 that operates by hanging the suspended load (grab bucket) 8 with the ropes (the hoisting
また、上記本第一実施例においては、モーションとしてガーダ5やブーム6上を横行するトロリ7を備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデル34に対してカルマンフィルタ33を設計しているので、単純な数式モデル34で精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
Further, in the first embodiment, it is assumed that a trolley crane having a
したがって、上記本第一実施例によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得る。 Therefore, according to the first embodiment, the swing angle of the suspended load can be suitably detected with a simple configuration while minimizing the labor and cost for attaching / detaching equipment and maintenance.
次に、本発明の第二実施例として、本発明を3ドラム式のグラブバケット式アンローダに適用した場合を説明する。 Next, a case where the present invention is applied to a three-drum grab bucket unloader will be described as a second embodiment of the present invention.
図10、図11は本発明を適用した3ドラム式のグラブバケット式アンローダを示すもので、基本的な構成は上記第一実施例の4ドラム式のグラブバケット式アンローダと同じである。 FIGS. 10 and 11 show a three-drum grab bucket unloader to which the present invention is applied. The basic configuration is the same as the four-drum grab bucket unloader of the first embodiment.
本第二実施例の場合、巻上ドラム35と開閉ドラム36によりグラブバケット8の巻上動作と開閉動作を行い、横行ドラム37によりトロリ7の横行動作を行うようになっている。すなわち、本第二実施例の3ドラム式のグラブバケット式アンローダは、トロリ7の横行とグラブバケット8の昇降および開閉に、巻上ドラム35、開閉ドラム36、横行ドラム37の合計3つのウインチドラムを用いる構成であり、各動作に専用の駆動ドラムを有する点で、上記第一実施例の4ドラム式のグラブバケット式アンローダとは異なる。
In the case of the second embodiment, the hoisting
本第二実施例におけるトロリ7とグラブバケット8の駆動の機構を、図11を参照しながら説明する。本第二実施例の3ドラム式のグラブバケット式アンローダは、トロリ7の他に、図示しないガーダと図示しないブームの長手方向に沿って走行し、ロープの張力を調整して弛みを防止する補助トロリ38を備えている。該補助トロリ38は、巻上ロープ調整シーブ39,39'、開閉ロープ調整シーブ40,40'、横行ロープ調整シーブ41,41'の合計6つのシーブを備え、それぞれのシーブにロープを巻き掛けられて図示しないガーダや図示しないブーム上を走行するようになっている。
A mechanism for driving the
巻上ドラム35からは2本の巻上ロープ42,42'が繰り出されており、巻上ロープ42は図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ43を介して補助トロリ38の巻上ロープ調整シーブ39に巻き掛けられ、さらにトロリ7上の吊下シーブ44に導かれた後、下方に向けられて下端がグラブバケット8の一側に固定されている。巻上ロープ42'は、図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ43'を介して補助トロリ38の巻上ロープ調整シーブ39'に巻き掛けられ、さらにトロリ7上の吊下シーブ44'に導かれた後、下方に向けられた下端がグラブバケット8の他側に固定される。
Two hoisting
開閉ドラム36からは2本の開閉ロープ45,45'が繰り出されており、開閉ロープ45は図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ46を介して補助トロリ38の開閉ロープ調整シーブ40に巻き掛けられ、さらにトロリ7上の吊下シーブ47に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット8の下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図10参照)との間に複数回掛け回され、グラブバケット8の所要箇所に固定されている。開閉ロープ45'は、図示しないガーダの適宜位置に設けられた固定シーブ46'を介して補助トロリ38の開閉ロープ調整シーブ40'に巻き掛けられ、さらにトロリ7上の吊下シーブ47'に導かれた後、下方に導かれてグラブバケット8の下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図10参照)との間に複数回掛け回され、グラブバケット8の所要箇所に固定されている。
Two open /
横行ドラム37からは、海側横行ロープ48,48'と陸側横行ロープ49,49'の合計4本のロープが繰り出されている。海側横行ロープ48は、図示しないブームの海側(図11中左側)端部に設けたシーブ50を介してトロリ7に導かれ、端部がトロリ7に固定されている。海側横行ロープ48'は、図示しないブームの海側端部に設けたシーブ50'を介してトロリ7に導かれ、端部がトロリ7に固定されている。
From the
陸側横行ロープ49は、図示しないガーダの陸側(図11中右側)端部に設けたシーブ51を介して補助トロリ38の横行ロープ調整シーブ41に導かれた後、図示しないガーダの陸側端部に再び導かれて端部を固定されている。陸側横行ロープ49'は、図示しないガーダの陸側端部に設けたシーブ51'を介して補助トロリ38の横行ロープ調整シーブ41'に導かれた後、図示しないガーダの陸側端部に再び導かれて端部を固定されている。
The land-
図11に示した3ドラム式のアンローダでは、巻上ドラム35、横行ドラム37を停止した状態において、開閉ドラム36により開閉ロープ45,45'を同時に繰り出すと、グラブバケット8の下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図10参照)の間隔が開いて前記グラブバケット8は開き、開閉ドラム36により開閉ロープ45,45'を同時に巻き込むと、下部移動シーブ23と上部固定シーブ24(図10参照)の間隔が狭くなりグラブバケット8は閉じられる。
In the three-drum unloader shown in FIG. 11, when the hoisting
また、横行ドラム37を停止した状態において、巻上ドラム35により巻上ロープ42,42'を繰り出す操作と、開閉ドラム36により開閉ロープ45,45'を繰り出す操作を同時に行うと、グラブバケット8は降下し、巻上ドラム35により巻上ロープ42,42'を巻き込む操作と、開閉ドラム36により開閉ロープ45,45'を巻き込む動作を同時に行うと、グラブバケット8は上昇する。
In addition, when the
巻上ドラム35により巻上ロープ42,42'を繰り出す操作と、開閉ドラム36により開閉ロープ45,45'を繰り出す操作と、横行ドラム37により海側横行ロープ48,48'を巻き込む操作を同時に行うと、トロリ7は海側に向かって横行する。このとき、横行ドラム37においては、海側横行ロープ48,48'が巻き込まれると同時に、陸側横行ロープ49,49'が繰り出される。そして、ロープの動きに合わせて補助トロリ38が図示しないガーダや図示しないブーム上を適宜横行動作することにより、巻上ロープ42,42'、開閉ロープ45,45'、海側横行ロープ48,48'、陸側横行ロープ49,49'の張力が調整され、弛みが防止される。
The operation of feeding the hoisting
巻上ドラム35により巻上ロープ42,42'を巻き込む操作と、開閉ドラム36により開閉ロープ45,45'を巻き込む操作と、横行ドラム37により海側横行ロープ48,48'を繰り出す操作を同時に行うと、トロリ7は陸側に向かって横行する。このとき、横行ドラム37においては、海側横行ロープ48,48'が繰り出されると同時に、陸側横行ロープ49,49'が巻き込まれる。この場合も、ロープの動きに合わせて補助トロリ38が図示しないガーダや図示しないブーム上を適宜横行動作することにより、巻上ロープ42,42'、開閉ロープ45,45'、海側横行ロープ48,48'、陸側横行ロープ49,49'の張力が調整され、弛みが防止される。
The operation of winding the hoisting
尚、図10、図11においては、説明の都合上、補助トロリ38の巻上ロープ調整シーブ39,39'、開閉ロープ調整シーブ40,40'、横行ロープ調整シーブ41,41'、図示しないガーダの固定シーブ43,43'、固定シーブ46,46'、トロリ7の吊下シーブ44,44'、吊下シーブ47,47'は別々の中心軸を有する形として図示しているが、実際の3ドラム式のアンローダにおいては、補助トロリ38の巻上ロープ調整シーブ39,39'と開閉ロープ調整シーブ40,40'と横行ロープ調整シーブ41,41'、図示しないガーダの固定シーブ43,43'と固定シーブ46,46'、トロリ7の吊下シーブ44,44'と吊下シーブ47,47'については、装置のレイアウトによっては、それぞれ中心軸を一致させるよう構成することもできる。
10 and 11, for convenience of explanation, the hoisting
そして、本第二実施例においては、シーブ荷重検出器25を用いて検出した巻上ロープ42,42'の張力に基づいて吊り荷(グラブバケット)8の振れ角を推定すると共に、吊り荷現状位置検出器26によって吊り荷8の現状位置を検出するようにしてある。
In the second embodiment, the swing angle of the suspended load (grab bucket) 8 is estimated on the basis of the tension of the hoisting
本第二実施例の場合、シーブ荷重検出器25は、巻上ロープ42,42の巻き掛けられた固定シーブ43,43'に取り付けたロードセル等の荷重センサであり、図10に示す如く、固定シーブ43,43'において検出された荷重を荷重信号25aとして制御装置27に入力するようになっている。
In the case of the second embodiment, the
また、本第二実施例の場合、吊り荷現状位置検出器26は、トロリ7を横行させると共にグラブバケット8を昇降・開閉させるためのロープ(巻上ロープ42,42'、開閉ロープ45,45'および海側横行ロープ48,48'、陸側横行ロープ49,49')を駆動するウインチドラム(巻上ドラム35、開閉ドラム36および横行ドラム37)のドラム回転数を計測するエンコーダ等の回転センサであり、計測したドラム回転数を回転数信号26aとして制御装置27に入力するようになっている。
In the case of the second embodiment, the hanging load
制御装置27は、上記第一実施例と同様、図4に示す如く、振れ角算出部28と吊り荷現状位置計算部29を備えており、シーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aに基づいてグラブバケット8の振れ角θを推定し、推定した振れ角θと、吊り荷現状位置検出器26から入力される回転数信号26aから算出される吊り荷8の吊下ロープ長lやトロリ7の横行位置x、およびコントローラ30からの横行操作速度指令等に基づいて振れ止めフィードバック制御速度指令を算出し、該振れ止めフィードバック制御速度指令を制御信号27aとして前記ウインチドラムのモータ31のインバータ32に対し出力するようになっている。インバータ32は、制御信号27aに基づいてモータ31を介し前記ウインチドラムの横行動作を制御する。
As shown in FIG. 4, the
本第二実施例においては、制御装置27の振れ角算出部28は、シーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aをもとに、吊り荷8の振れ角の推定を以下のようにして行う。図11に示す如く、巻上ロープ42,42'を巻き掛けられた固定シーブ43,43')には、それぞれTm1、Tm2の張力がかかる。これらの張力は、吊り荷8の振れ角に対応して変化するので、本第二実施例においては、Tm1、Tm2を独立変数とした関数として、吊り荷8の推定振れ角θTを算出する。すなわち、
θT=f(Tm1,Tm2)
と表せる。
In the second embodiment, the deflection
θ T = f (T m1 , T m2 )
It can be expressed.
制御装置27は、この振れ角相当検出値θTと、トロリ7の横行位置や速度、吊下ロープ長とをカルマンフィルタ33に入力し、吊り荷8の振れ角θを予測する。制御装置27の構成や、カルマンフィルタ33の設計要領等に関しては、上記第一実施例の場合と同様であるので省略する。カルマンフィルタの設計対象とする数式モデル34についても、上記第一実施例で定義したものと同様のばねマスダンパの1質点系モデルを用いることができる。尚、同様にばねマスダンパモデルを定義してカルマンフィルタを設計し、吊り荷の振れ角を予測する方法は、上記第一実施例や本第二実施例のアンローダに限らず、トロリ式のクレーンであれば種々の形式のクレーンに対して適用することができる。
The
このように、上記本第二実施例においては、ロープ(巻上ロープ42,42')により吊り荷(グラブバケット)8を吊り下げて動作するモーション(トロリ)7と、前記ロープを駆動して前記吊り荷(グラブバケット)8や前記モーション(トロリ)7の動作を行うウインチドラム(巻上ドラム35)とを備えたクレーンの振れ角検出方法に関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ(固定シーブ43,43')に各々シーブ荷重検出器25を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角θTを算出し、該推定振れ角θTに対してカルマンフィルタ33による処理を行って吊り荷(グラブバケット)8の振れ角予測値を算出するので、単純で安価な機構により、吊り荷8の振れ角を精度良く予測することができる。
As described above, in the second embodiment, the motion (trolley) 7 that operates by suspending the suspended load (grab bucket) 8 by the rope (the hoisting
また、上記本第二実施例においては、モーションとしてガーダやブーム上を横行するトロリ7を備えたトロリ式クレーンを振れ角検出の対象とし、前記トロリ式クレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデル34に対してカルマンフィルタ33を設計しているので、単純な数式モデル34で精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
In the second embodiment, a trolley crane having a
したがって、上記本第二実施例によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得る。 Therefore, according to the second embodiment, the swing angle of the suspended load can be suitably detected with a simple configuration while minimizing the labor and cost for attaching / detaching the equipment and maintenance.
次に、第三実施例として、本発明をジブクレーンに対して適用した場合を説明する。 Next, the case where this invention is applied with respect to a jib crane is demonstrated as a 3rd Example.
ジブクレーンは、モーションとしてジブを備えた形式のクレーンであり、例えば、図12に示す如く、鉛直に立設したタワー52と、該タワー52に対して鉛直軸を中心に旋回自在な旋回体53を備え、該旋回体53にジブ(モーション)54を起伏自在に取り付けた構成を備えてなる。旋回体53上のジブ54と反対側にはカウンターフレーム55が取り付けられ、該カウンターフレーム55にジブ54を起伏させるためのウインチドラムとしての起伏ドラム56,56'と、ジブ54の先端に吊るした吊り荷57を昇降させるためのウインチドラムとしての巻上ドラム58を備えている。
The jib crane is a crane of a type having a jib as a motion. For example, as shown in FIG. 12, a
旋回体53上には、さらにガイサポートフレーム59が立設されており、起伏ドラム56,56'や巻上ドラム58から、ガイサポートフレーム59の頂部、ジブ54の先端部、さらに吊り荷57にかけて、巻上ロープ60,60'、および起伏ロープ61が張り渡されている。62は旋回体53上に備えられた運転室である。
Further, a
ジブクレーンの一側(図12、図13における奥側)の起伏ドラム56から繰り出された巻上ロープ60は、図13に示す如く、ガイサポートフレーム59の頂部に設置された巻上シーブ63を介してジブ54の先端側へ導かれ、ジブ54の先端部に設置された巻上シーブ64に巻き掛けられて下方の吊り荷57へ向かう。
The hoisting
吊り荷57は、本第三実施例の場合、シーブ部57aを備えたフックである。シーブ部57aにはフック吊下ロープ65が巻き掛けられており、該フック吊下ロープ65の両端は、2つのフック吊下シーブ66,66'の中心軸に取り付けられ、前記2つのフック吊下シーブ66,66'により、フック吊下ロープ65を介して吊り荷であるフック57が吊下げ保持されるようになっている。
In the case of the third embodiment, the suspended
巻上シーブ64を経由して下方の吊り荷57へ向かった前記巻上ロープ60は、一方のフック吊下シーブ66に巻き掛けられた後、折り返して上方へ向かい、ジブ54の先端部に設置された巻上シーブ67に導かれた後、ガイサポートフレーム59の頂部に設置された巻上シーブ68に巻き掛けられて下方へ向かい、巻上ドラム58に巻き取られる。
The hoisting
一方、ジブクレーンの他側(図12、図13における手前側)の起伏ドラム56'から繰り出された巻上ロープ60'は、図13に示す如く、ガイサポートフレーム59の頂部に設置された巻上シーブ63'を介してジブ54の先端側へ導かれ、ジブ54の先端部に設置された巻上シーブ64'に巻き掛けられて下方のフック57へ向かう。巻上ロープ60'は、フック57を吊下げ保持する他方のフック吊下シーブ66'に巻き掛けられた後、折り返して上方へ向かい、ジブ54の先端部に設置された巻上シーブ67'に導かれた後、ガイサポートフレーム59の頂部に設置された巻上シーブ68'に巻き掛けられて下方へ向かい、巻上ドラム58に巻き取られる。
On the other hand, the hoisting
さらに、ガイサポートフレーム59の頂部とジブ54の先端の間の所定位置には、補助動滑車69,69'が配置されている。補助動滑車69,69'は、牽引ロープ70によってジブ54の先端側と接続されている。
Further, auxiliary
そして、起伏ドラム56から繰り出された起伏ロープ61が、ガイサポートフレーム59の頂部に設置された起伏シーブ71に巻き掛けられた後、ジブ54の先端側へ向かい、補助動滑車69,69'に順次巻き掛けられる。補助動滑車69,69'に巻き掛けられた起伏ロープ61は、折り返してガイサポートフレーム59の頂部に設置された起伏シーブ71'に巻き掛けられ、起伏ドラム56'に巻き取られる。ここで、起伏ロープ61の起伏ドラム56,56'への巻方向は、巻上ロープ60,60'の起伏ドラム56,56'への巻方向と逆になっている。
Then, after the hoisting
図12、図13に示したジブクレーンにおいて、起伏ドラム56,56'を停止した状態で、巻上ドラム58から巻上ロープ60,60'を繰り出す操作を行うと、フック57は降下する。逆に、起伏ドラム56,56'を停止した状態で、巻上ドラム58に巻上ロープ60,60'を巻き込む操作を行うと、フック57は上昇する。
In the jib crane shown in FIGS. 12 and 13, when the hoisting
巻上ドラム58を停止した状態で、起伏ドラム56,56'に起伏ロープ61を巻き込む動作を行うと、起伏ロープ61の巻き掛けられた補助動滑車69,69'がガイサポートフレーム59の頂部側へ引き寄せられ、補助動滑車69,69'と接続された牽引ロープ70から張力を受けてジブ54の先端部が起立する。逆に、巻上ドラム58を停止した状態で、起伏ドラム56,56'から起伏ロープ61を繰り出す動作を行うと、起伏ロープ61の巻き掛けられた補助動滑車69,69'がガイサポートフレーム59の頂部側からジブ54の先端側へ離れる方向に移動し、ジブ54は牽引ロープ70の張力に支えられながら倒れる方向に動作する。
When the hoisting
尚、上記したように、起伏ロープ61の起伏ドラム56,56'への巻方向は、巻上ロープ60,60'の起伏ドラム56,56'への巻方向と逆になっている。このため、起伏ロープ61が起伏ドラム56,56'へ巻き込まれるときには、同時に巻上ロープ60,60'が起伏ドラム56,56'から繰り出され、起伏ロープ61が起伏ドラム56,56'から繰り出されるときには、同時に巻上ロープ60,60'が起伏ドラム56,56'へ巻き込まれる。これにより、ジブ54の起伏に従って巻上ロープ60,60'の長さも変動するので、フック57の高さをあまり変えることなくジブ54の起伏動作を行うことができる。
As described above, the winding direction of the hoisting
尚、説明の都合上、巻上ロープ60,60'は別々のロープとして説明したが、ジブクレーンの構造によっては繋がった一本のロープとして構成することもできる。また、例えば、起伏ロープ61を起伏ドラム56に巻き取られるロープと起伏ドラム56'に巻き取られるロープの2本のロープとして構成しても良いし、例えば、巻上ロープ60、起伏ロープ61、巻上ロープ60'を繋がった一本のロープとして構成しても良い。
For convenience of explanation, the hoisting
シーブについても、ロープの経路上の所要箇所に、必要に応じて上記各シーブ(巻上シーブ63,63'、64,64'、67,67'、68,68'、起伏シーブ71,71')や補助動滑車69,69'とは別のシーブや動滑車を設け、該シーブや動滑車にロープを経由させることによって張力やロープ長を調整したり、モータトルクを分散させるよう構成しても良い。
As for the sheaves, the sheaves (rolling
そして、本第三実施例においては、シーブ荷重検出器25を用いて検出した巻上ロープ60,60'の張力から算出した値に基づいて吊り荷(フック)57の振れ角を推定すると共に、吊り荷現状位置検出器26によって吊り荷57の現状位置を検出し、且つ旋回角検出装置72によって旋回体53の旋回角を検出するようにしてある。
In the third embodiment, the swing angle of the suspended load (hook) 57 is estimated based on the value calculated from the tension of the hoisting
本第三実施例の場合、シーブ荷重検出器25は、ジブ54の先端部に備えた巻上シーブ64,64'及び巻上シーブ67,67'に取り付けられたロードセル等の荷重センサであり、図14、図15に示す如く、前記4つのシーブにおいて検出された荷重を荷重信号25aとして制御装置73の振れ角算出部74に入力するようになっている。
In the case of the third embodiment, the
吊り荷現状位置検出器26は、ジブ54を起伏させ、フック57を巻上させるためのロープ(巻上ロープ60,60'及び起伏ロープ61)を駆動するウインチドラム(起伏ドラム56,56'及び巻上ドラム58)のドラム回転数を計測するエンコーダ等の回転センサであり、計測したドラム回転数を回転数信号26aとして制御装置73の吊り荷現状位置計算部75に入力するようになっている。
The suspended load
旋回角検出装置72は、旋回体53のタワー52との接続部に取り付けられたエンコーダ等の回転センサであり、旋回体53のタワー52に対する旋回角を旋回角信号72aとして制御装置73の旋回角計算部76に入力するようになっている。
The turning
そして、運転室62に設けられたコントローラ77をオペレータが操作することにより、その操作信号77aが旋回体53への旋回速度指令やジブ54への起伏速度指令として制御装置73に入力されるようになっている。
Then, when the operator operates the
制御装置73は、シーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aに基づいて吊り荷(フック)57のジブ起伏方向(ジブ54から見た前後方向)の振れ角θおよびジブ旋回方向(ジブ54から見た左右方向)の振れ角ψを推定し、推定した振れ角θ、ψと、吊り荷現状位置検出器26から入力される回転数信号26aから算出される吊り荷57の吊下ロープ長lやジブ54の起伏角ν、旋回角検出装置72から入力される旋回角信号72aから算出されるジブ54の旋回角ζ、及びコントローラ77からの起伏速度操作指令DVrev、旋回速度操作指令RVrev等に基づき、吊り荷57のジブ起伏方向の振れ止めフィードバック制御速度指令と、吊り荷57のジブ旋回方向の振れ止めフィードバック制御速度指令とをそれぞれ算出する。前記ジブ起伏方向の振れ止めフィードバック制御速度指令は、制御信号73aとして前記ウインチドラムのモータ78のインバータ79に対し出力されるようになっている。前記ジブ旋回方向の振れ止めフィードバック制御速度指令は、制御信号73bとして旋回体53のモータ80のインバータ81に対し出力されるようになっている。インバータ79は、制御信号73aに基づいてモータ78を介して前記ウインチドラムの動作を制御し、インバータ81は、制御信号73bに基づいてモータ80を介して旋回体53の動作を制御する。
Based on the
次に、本第三実施例における振れ角予測について、図15を参照して説明する。 Next, the deflection angle prediction in the third embodiment will be described with reference to FIG.
制御装置73は、ジブ54への起伏速度指令入力DVrefに基づいてジブ54を起伏させるとともに、旋回体53への旋回速度入力RVrefに基づいて旋回体53をジブ54と一体に旋回させながら、吊り荷57のジブ起伏方向の推定振れ角θTおよびジブ旋回方向の推定振れ角ψTをもとに吊り荷57の振れ角を零に収束させるものである。
The
まず、制御装置69の吊り荷現状位置計算部71は、吊り荷現状位置検出器26から入力される回転数信号26aをもとに、ジブ54の起伏角ν、ジブ54の起伏速度DVfb、及びジブ54先端部から吊り荷(フック)57までの距離(吊下ロープ長検出値)lを算出する。このとき、ジブ54の起伏速度は起伏角の微分値として算出することができる。
First, the suspended load current
制御装置69の旋回角計算部72は、旋回角検出装置68から入力される旋回角信号68aをもとに、ジブ54の旋回角ζとジブ54の旋回速度RVfbを算出する。このとき、ジブ54の旋回速度は起伏角の微分値として算出することができる。
The turning
制御装置69の振れ角算出部70は、シーブ荷重検出器25から入力される荷重信号25aをもとに、吊り荷57のジブ起伏方向の振れ角θ及びジブ旋回方向の振れ角ψを推定する。具体的には、図13に示す如く、ジブ54先端部の4つのシーブ(巻上シーブ64,67,67',64')には、それぞれTm1、Tm2、Tm3、Tm4の張力がかかり、これらの張力は吊り荷57の振れ角に対応して変化する。すなわち、吊り荷のジブ起伏方向の振れ角θおよびジブ旋回方向の振れ角ψは前記張力を独立変数とした関数として求めることができ、各方向の振れ角推定値θ、ψは以下の式
θT=f(Tm1,Tm2,Tm3,Tm4)
ψT=f(Tm1,Tm2,Tm3,Tm4)
で表せる。
The deflection
ψ T = f (T m1 , T m2 , T m3 , T m4 )
It can be expressed as
次に、制御装置73は、上記吊り荷現状位置計算部75で算出したジブ起伏角νとジブ起伏速度DVfbと吊下ロープ長検出値l、および上記旋回角計算部76で算出したジブ旋回角ζとジブ旋回速度RVfbとともに、上記振れ角算出部74で算出した前記ジブ起伏方向の推定振れ角θTと前記ジブ旋回方向の推定振れ角ψTをカルマンフィルタ82に入力する(図15参照)。このカルマンフィルタ82は、該カルマンフィルタ82の内部で定義するクレーンモデル83で吊り荷57のジブ起伏方向の振れ角とジブ旋回方向の振れ角をそれぞれ予測し、この予測した振れ角を前記ジブ起伏方向の推定振れ角θT、前記ジブ旋回方向の推定振れ角ψTと比較して、その誤差分散が最小となるように推定し、振れ角についての最適な推定結果を返すシステム構成になっている。
Next, the
本第三実施例の場合、カルマンフィルタ82の制御対象である数式モデル83は、以下に説明する手順により導出される。まず、ジブクレーンの数式モデル83を導出されるためのモデル定義を、次の通り仮定する。
a)ロープ質量は考慮しない。
b)タワー52のねじり振動は、微小なものと考え無視する。
c)タワー52をx−y面内並進方向のみの1質点系のモデルとする。
d)ジブ54は剛体とする。
e)入力トルクは直接ジブ54先端に作用する。
In the case of the third embodiment, the
a) Rope mass is not considered.
b) The torsional vibration of the
c) The
d) The
e) The input torque acts directly on the tip of the
以上の定義をもとに、ジブクレーンの数式モデル83を図16に示す通りに仮定する。主な記号の定義を以下に示す。
Based on the above definition, a
DVref:起伏速度指令入力、RVref:旋回速度指令入力、x1:タワー上部のx方向絶対変位、y1:タワー上部のy方向絶対変位、ν:ジブ起伏角[rad]、θ:ジブ起伏方向(x軸方向)の吊り荷振れ角[rad]、ζ:ジブ旋回角[rad]、ψ:ジブ旋回方向(y軸方向)の吊り荷振れ角[rad]、Ωb:ガイサポートの水平面に対する角度[rad]、L:ジブ全長[m]、Rb:起伏ドラム半径、l:吊下ロープ長[m]、Lt:タワー高さ[m]、a:ジブ下端と原点の距離[m]、ab:ジブ下端とガイサポート上端との距離[m]、Wb:ジブ質量[kg]、Wo:吊り荷質量[kg]、Md:クレーンの等価質量[kg]、kt:クレーンの等価的ばね定数[N/m]、ct:クレーンの等価的減衰係数[N・s/m]、xr:タワー最上部の起伏方向(x軸方向)変位[m]、yr:タワー最上部の起伏方向と直角方向(y軸方向)変位[m]、g:重力加速度[m/s2]、t:時間[s]である。 DV ref : undulation speed command input, RV ref : turning speed command input, x 1 : absolute displacement in x direction at the top of the tower, y 1 : absolute displacement in y direction at the top of the tower, ν: jib undulation angle [rad], θ: jib Suspension load swing angle [rad] in the undulation direction (x-axis direction), ζ: Jib swing angle [rad], ψ: Suspension load swing angle [rad] in the jib swing direction (y-axis direction), Ω b : Guy support Angle relative to the horizontal plane [rad], L: full length of jib [m], R b : undulation drum radius, l: hanging rope length [m], L t : tower height [m], a: distance between jib lower end and origin [M], a b : distance between the jib lower end and the guy support upper end [m], W b : jib mass [kg], W o : suspended load mass [kg], M d : equivalent mass of the crane [kg], k t: equivalent spring constant of the crane [N / m], c t : crane equal Attenuation coefficient [N · s / m], x r: Tower top of relief direction (x-axis direction) displacement [m], y r: Tower top undulations direction perpendicular to the direction (y-axis direction) displacement [m ], G: gravitational acceleration [m / s 2 ], t: time [s].
前記ジブ型クレーンのクレーンモデル83は、第一実施例のトロリ式クレーンの場合と同様の状態空間表現形式で算出することができ、プロセスノイズwおよび観測ノイズvを加味して以下の状態方程式および出力方程式で表現できる。方程式の導出は、例えば上記特許文献2に記載されている過程と同様の過程による。
上記[数20]の状態方程式および出力方程式で表されるクレーンモデル83に対し、カルマンフィルタ82による処理を行って吊り荷57のジブ起伏方向の振れ角θおよびジブ旋回方向の振れ角ψを予測する。具体的には、プロセスノイズwと観測ノイズv、およびその共分散を設定し、上記第一実施例と同様に図8に示す工程に従って吊り荷57のジブ起伏方向の振れ角θおよびジブ旋回方向の振れ角ψを予測する。尚、詳細な計算手順については上記第一実施例と同様であるため省略する。
The
このように、上記本第三実施例においては、ロープ(巻上ロープ60,60')により吊り荷(フック)57を吊り下げて動作するモーション(ジブ)54と、前記ロープを駆動して吊り荷(フック)57やモーション(ジブ)54の動作を行うウインチドラム(起伏ドラム56,56'、巻上ドラム58)とを備えたクレーンの振れ角検出方法に関し、前記ロープの途中に備えられた複数のシーブ(巻上シーブ64,64'、67,67')に各々シーブ荷重検出器25を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角(ジブ起伏方向の振れ角θTおよびジブ旋回方向の振れ角ψT)を算出し、該推定振れ角θT、ψTに対してカルマンフィルタ82による処理を行って吊り荷(フック)57の振れ角予測値を算出するので、単純で安価な機構により、吊り荷(フック)57の振れ角を精度良く予測することができる。
Thus, in the third embodiment, a motion (jib) 54 that operates by suspending a suspended load (hook) 57 by ropes (winding
また、上記本第三実施例においては、旋回体53と、該旋回体53に対し起伏可能に取り付けた前記モーションとしてのジブ54を備えたジブクレーンを振れ角検出の対象とし、前記ジブクレーンをばねマスダンパモデルと仮定して定義した数式モデル83に対してカルマンフィルタ82を設計しているので、単純な数式モデル83で精度の高い振れ角予測値を得ることができる。
Further, in the third embodiment, a revolving
したがって、上記本第三実施例によれば、簡単な構成で、機器の付け外しやメンテナンスにかかる手間やコストを最小限にしながら、吊り荷の振れ角を好適に検出し得る。 Therefore, according to the third embodiment, the swing angle of the suspended load can be suitably detected with a simple configuration while minimizing the labor and cost for attaching and detaching the equipment.
尚、本発明のクレーンの振れ角検出方法及び装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The crane swing angle detection method and apparatus according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
5 ガーダ
6 ブーム
7 モーション(トロリ)
8 吊り荷(グラブバケット)
15,15' ウインチドラム(巻上ドラム)
16,16' ロープ(巻上ロープ)
17,17' シーブ(巻上シーブ)
19,19' ウインチドラム(開閉ドラム)
20,20' ロープ(開閉ロープ)
21,21' シーブ(開閉シーブ)
25 シーブ荷重検出器
27 制御装置
33 カルマンフィルタ
34 クレーンモデル(数式モデル)
35 ウインチドラム(巻上ドラム)
42,42' ロープ(巻上ロープ)
43,43' シーブ(固定シーブ)
54 モーション(ジブ)
56,56' ウインチドラム(起伏ドラム)
57 吊り荷(フック)
58 ウインチドラム(巻上ドラム)
60,60' ロープ(巻上ロープ)
64,64' シーブ(巻上シーブ)
67,67' シーブ(巻上シーブ)
73 制御装置
82 カルマンフィルタ
83 クレーンモデル(数式モデル)
5
8 Hanging load (grab bucket)
15,15 'winch drum (winding drum)
16, 16 'rope (winding rope)
17, 17 'sheave
19, 19 'winch drum (open / close drum)
20, 20 'rope (opening and closing rope)
21,21 'sheave (open and close sheave)
25
35 winch drum (winding drum)
42, 42 'rope (winding rope)
43, 43 'sheave (fixed sheave)
54 Motion (jib)
56,56 'winch drum (undulation drum)
57 Hanging load (hook)
58 Winch drum (winding drum)
60,60 'rope (winding rope)
64,64 'sheave
67, 67 'sheave (winding sheave)
73
Claims (6)
前記ロープの途中に備えられた複数のシーブに各々シーブ荷重検出器を取り付けて前記ロープの張力を検出し、該張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出することを特徴とするクレーンの振れ角検出方法。 A crane swing angle detection method comprising a motion that operates by suspending a suspended load with a rope, and a winch drum that operates the suspended load and the motion by driving the rope,
A sheave load detector is attached to each of a plurality of sheaves provided in the middle of the rope to detect the tension of the rope, calculate an estimated deflection angle from the tension, and process the estimated deflection angle by a Kalman filter. A crane swing angle detection method comprising calculating a predicted swing angle of a suspended load.
前記ロープの途中に備えられた複数のシーブと、
該シーブに各々取り付けられて前記ロープの張力を検出するシーブ荷重検出器と、
前記ロープの張力から推定振れ角を算出し、該推定振れ角に対してカルマンフィルタによる処理を行って吊り荷の振れ角予測値を算出するよう構成された制御装置と
を備えたことを特徴とするクレーンの振れ角検出装置。 A crane swing angle detection device comprising a motion that operates by suspending a suspended load with a rope, and a winch drum that operates the suspended load and the motion by driving the rope,
A plurality of sheaves provided in the middle of the rope;
A sheave load detector that is attached to each sheave and detects the tension of the rope;
A control device configured to calculate an estimated deflection angle from the rope tension, and to calculate a predicted deflection angle value of the suspended load by performing a process using the Kalman filter on the estimated deflection angle. Crane swing angle detection device.
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