JP3126034B2 - クレーンの装荷要素および積荷の制御方法および装置 - Google Patents

クレーンの装荷要素および積荷の制御方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、クレーンの装荷要素およびこれに取り付け
られた積荷の揺れおよびスキューを減衰し、これを水平
方向およびスキュー方向に精密位置決めする請求の範囲
第１項の前段に記載の方法、ならびに請求の範囲第９項
の前段に記載の制御装置に関するものである。
クレーンのロープ懸垂式装荷要素および積荷は、クレ
ーンを加速もしくは減速すると揺れ易い。コンテナクレ
ーンの装荷要素の揺れは、クレーンがコンテナを比較的
高い精度で積み置くことができる必要があるので、とく
に有害となる。
上述のタイプの方法および装置は、例えばフィンラン
ド特許出願第943 401号により知られている。この装置
では、クレーンの制御は、モータおよびブレーキを備え
た３つの機械的に相互連結された制御機構を有する機構
ビームから成る制御装置によって行なわれる。この機構
ビームの最も外側のモータは２連のロープドラムを有
し、これらに対して常に２本の補助ロープが連結され
て、一方の補助ロープがロープドラムから解き出される
と、他方の補助ロープがそれに巻き付けられるようにし
ている。揺れが減衰され、ロープが一方のドラムから他
方へ巻き取られると、機構ビームが水平方向に移動でき
るようになる。この機構ビームはさらに横方向に第３の
制御機構によって移動させることができ、第３の制御機
構は、機構ビームの中央部に配置され、伝動装置を介し
て機構ビームに、補助ロープへの直接連結なくして連結
されている。
上述の特許出願に開示されている制御装置は、主とし
て機械的に実現され、全移動方向が機械的に互いに拘束
される。
発明の開示 本発明は、クレーンの装荷要素および積荷の制御方法
と装置を改良して、これを機械的に簡素化し、それぞれ
の補助ロープの制御を独立に制御しつつ、以前より正確
かつ信頼的に制御できるようにし、これによって装荷要
素の制御を最大限にすることを目的とする。
これは、請求の範囲第１項の特徴段に記載の事項を特
徴とする本発明の制御方法によって、また請求の範囲第
９項の特徴段に記載の事項を特徴とする本発明の制御装
置によって達成される。
本発明は、機械的に独立した４つの同一な制御機構の
使用を基本にし、その制御は完全に電気的に行なわれ
る。この制御は、それぞれの補助ロープの計量情報、お
よび補助ロープもしくはドラムへ連結されているモータ
の回転速度に基づいている。ロープドラムには常に充分
な長さのロープが蓄えられ、これによって、補助ロープ
および巻上げロープの様々な配置を補償する。それぞれ
の補助ロープへ加わる力は、制御論理回路によって与え
られる命令に従って調節されて、装荷要素およびそれに
懸垂された積荷が揺れるのを防止する。揺れの減衰およ
び積荷の精密位置決めはともに、制御装置およびその制
御論理回路によって実現することができる。上述の機械
的に簡易な方式はしたがって、電気制御システムによっ
て達成される。
本発明の主たる特徴は、計量センサによる補助ロープ
のロープ力の測定、および回転速度計によるモータの回
転速度の測定である。これらの測定値に基づいて、モー
タ制御装置ごとの目標値が算出される。
本発明によれば、それぞれの制御論理回路は、所望の
ロープ力を達成し維持する力制御装置、回転速度に基づ
いてロープドラムおよびモータのシャフトのスキューを
相殺する速度制御装置、ならびに力フィードバックのモ
メント基準値に及ぼす影響を補償する所望のロープ力の
フィードフォワード制御器を有している。このセンサ装
置こそ、本発明と上述の測定値を用いないフィンランド
特許出願第943 401号の方式との間の主たる相違点であ
る。
これら制御装置は望ましくは、P/PD型制御装置であ
り、これは、PID（PID＝比例＋積分＋微分）制御装置の
特殊なタイプである。これら制御装置は、実験に基づい
て、もしくは系のダイナミックモデルによって調整する
ことができる（制御装置のパラメータを選択することが
できる）。
図面の簡単な説明 次に添付図面を参照して、好ましい実施例によって本
発明をより詳細に説明する。
第１図は、本発明による制御装置の全体構成を示す図
である。
第２図は、制御装置の制御機構を示す図である。
第３図は、それぞれの制御機構、およびそれに接続さ
れた制御論理回路の作動原理の概略図である。
発明の詳細な説明 第１図はクレーン１、およびクレーンの装荷要素３か
ら懸垂されている積荷２、例えばコンテナを示す。装荷
要素３は４本の巻上げロープ４〜７により支持され、こ
れらのロープは、装荷要素３の上方に互いに間隔を置い
て配された第１および第２の巻上げドラム８および９に
取り付けられている。
巻上げロープ４の一方の端部はクレーンフレーム10へ
点11で取り付けられ、そこからその巻上げロープ４は、
装荷要素３の第１の隅のシーブ12へ延び、次いで第１の
巻上げドラム８の一方の側まで戻る。巻上げロープ５の
一方の端部はクレーンフレーム10に点13で取り付けら
れ、そこから巻上げロープ５は、装荷要素３の第２の隅
のシーブ14へ延び、次いで第１の巻上げドラム８の他端
部まで戻る。
同様に、巻上げロープ６の一方の端部はクレーンフレ
ーム10に点15で取り付けられ、そこから巻上げロープ６
は、装荷要素３の第３の隅のシーブ16へ延び、次いで第
２の巻上げドラム９の一方の端部まで戻る。巻上げロー
プ７の一方の端部は、クレーンフレーム10に点17で取り
付けられ、そこから巻上げロープ７は、装荷要素３の第
４の隅のシーブ18へ延び、次いで巻上げロープ９の他方
の端部まで戻る。
巻上げロープ４〜７の巻上げドラム８および９からの
方向は、別個の傾斜した補助ロープを備えた制御装置に
よって揺れの減衰が実現するので、垂直に下向きにする
ことができる。次に、この制御装置を説明する。
クレーンに装着された制御装置は、装荷要素３の揺れ
を両水平方向Ｘ−Ｘ′およびＺ−Ｚ′で減衰する。ま
た、装荷要素のスキューも減衰する。さらに、この制御
装置は精密位置決めにも用い、すなわち装荷要素３を短
距離にわたって両水平方向に移動させるために、また装
荷要素を時計方向（CW）および反時計方向（CCW）に僅
かな角度でスキューさせることもできる。
この制御装置は４つの同一の制御機構19〜22を有し、
これらは、巻上げドラム８および９の間の空間の中央部
でクレーンフレーム10に、例えば１つの機構が矩形のそ
れぞれの角に配されるような矩形構造で保持されてい
る。しかし、制御機構19〜22を対称に配置する必要はな
い。それは、非対称であることが事前に分かっていれ
ば、以下に説明する制御システムによってこれを考慮す
ることができるからである。原則として、制御機構19〜
22はこのように任意の四角形のそれぞれの角に配するこ
とができる。この制御システムによって、所望のロープ
力を適切に選択することで制御を行なうことができ、こ
れによって配置の非対称を補償することができる。フィ
ンランド特許出願第943 401号に開示された装置に関す
る問題点は、制御機構を特定の位置に非常に正確に配置
する必要があり、そのため他の点でレイアウトが複雑に
なることである。レイアウトについて制御機構により設
定される条件のため、例えば運転室をクレーンのトロリ
ーに配置することが困難になる。
それぞれの制御機構（第２図参照）は、伝動装置24を
介して電動モータ25へ連結されたロープドラム23と、機
構19〜22および装荷要素３の間にあって、垂直方向に対
して傾斜した４本の補助ロープ26〜29とを有している。
ロープドラム23は制御装置にとって非常に重要なもので
ある。ある長さの補助ロープ26〜29がそれに収容され、
これらのロープは、以下に説明する制御システムによっ
て所望の緊張状態に保たれる。補助ロープ26〜29をロー
プドラム23へ収容することによってロープの伸びを自動
的に補償する。したがって、ロープの伸びに関しては、
一定の間隔の別個の装置もしくは目盛りを必要としな
い。
制御装置はさらに、巻上げドラム８および９の中央部
に補助ロープ26〜29用の４本のロープ溝部を有してい
る。巻上げドラム８および９とロープ溝部には、従来の
ロープ溝を施すか、もしくは、例えばフィンランド特許
出願第943 401号に記載のものと同様にしてもよい。
補助ロープ26の一方の端部は、第１の巻上げドラム８
の第１のロープ溝部へ取り付けられている。そこからこ
のロープは、装荷要素３の第１の端部の中央に配置され
ているシーブ30へ延びて下り、次いで第１の機構19のロ
ープドラムまで戻る。
補助ロープ27の一方の端部は、第１の巻上げドラム８
の第２のロープ溝部に取り付けられている。そこからこ
のロープは、装荷要素３の第１の端部の中央に配されて
いるシーブ31へ延びて下り、次いで第２の機構20のロー
プドラムまで戻る。
補助ロープ28の一方の端部は、第２の巻上げドラム９
の第１のロープ溝部に取り付けられている。そこからこ
のロープは、装荷要素の第２の端部の中央に配されてい
るシーブ33へ延びて下り、次いで第３の機構21のロープ
ドラムまで戻る。
補助ロープ29の一方の端部は、第２の巻上げドラム９
の第２のロープ溝部に取り付けられている。そこからこ
のロープは、装荷要素の第２の端部の中央に配されてい
るシーブ33へ延びて下り、次いで第４の機構22のロープ
ドラムまで戻る。
それぞれの制御機構19〜22はさらに、補助ロープのロ
ープ力を計量するセンサ34、ロープドラム23もしくはモ
ータ25の回転速度を計測する回転速度計35、およびモー
タ25の回転速度（ｎ、第３図）もしくはモーメントを無
断階調節するモータ制御装置36（第３図）を有している
（第２図参照）。モータ25が交流モータである場合、モ
ータ制御装置36は、例えばインバータもしくは周波数コ
ンバータにしてよい。同様に、例えば直流モータ、直流
アクチュエータもしくは液圧式アクチュエータを用いる
ことができることは当然であり、以下に説明する制御シ
ステムはアクチュエータの選択に何の制限も加えない。
本制御装置はさらに、それぞれの機構19〜22へ接続さ
れそれらに作用する４つの同一の制御論理回路Ｃ（第３
図）を有している。各ロープドラム23の回転速度および
各補助ロープ26〜29の計量情報に基づいて、制御論理回
路Ｃは、補助ロープ26〜29へ加わる力（Ｆ、第３図）を
制御して、装荷要素３が揺れるのを防止している。
第３図から分かるように、各制御論理回路Ｃは、所望
のロープ力を達成し維持する力制御装置C2、ロープドラ
ム23およびモータ25のシャフトのスキューを相殺する速
度制御装置C3、ならびに力フィードバックがモーメント
基準値MCに及ぼす影響を補償する所望のロープ力のフィ
ードフォワード制御装置C1を有している。第３図におけ
る添字ｉは、それぞれの場合に４つの同一機構、すなち
モータ25、モータ制御装置36、計量センサ34および回転
速度計35を含む機構19〜22のうちの１つに接続される制
御論理回路Ｃと、使用するに関連する変数を示す。
力制御装置C2は望ましくは、増幅部および微分部を有
するPD制御装置であり、Ｐ部は低速に調整して、所望の
ロープ力を平衡状態にて実現し、Ｄ部はモーメント基準
値MCを動的状態に変化させるのに用いる。速度制御装置
C3は、望ましくはＰ制御装置であり、これは、増幅部を
有し、高速に調整して、動的状態に充分に強く反応する
ようにする。
補助ロープ26〜29が対称に配置されている場合、装荷
要素３の揺れおよびスキューを減衰する際に、同じ目標
値を各補助ロープ26〜29に加わる力F1に与えることがで
きる。したがって、平衡状態ではF1＝Firefであり、す
なわちすべてのロープ力F1が等しくなり、ロープドラム
23の回転速度n1はゼロになる。
補助ロープが非対称懸垂の場合、力F1に対して設定さ
れる任意の等しくない目標値は、それらの力F1の水平分
力が互いに補償し合うようにする。
小さな移動運動または精密位置決めを水平方向および
スキュー方向に行なう場合、等しくない目標値を補助ロ
ープ26〜29に加わる力F1に与える。そこで、補助ロープ
26〜29の非対称な力によって装荷要素３が所望の方向に
動く。
補助ロープ26〜29の所望の緊張力Firefは、大きい負
荷の場合より小さい負荷の場合の方が緊張レベルが低く
なるように選択することができる。こうして、機構およ
びモータはできる限り少なく負荷される。その結果とし
て生じる利点は、モータの温度が比較的低く保たれ、機
構の使用寿命が延長されることである。さらに、減衰特
性を利用しない場合、所望の緊張力を選択して、補助ロ
ープ26〜29を緊張状態に保つのみで、積荷２および装荷
要素３の動きに影響を及ぼさないようにすることができ
る。
さらに、補助ロープ26〜29の所望の緊張力Firefを選
択して、公知の妨害作用（移動運動の加速）を事前に考
慮することができる。したがって、事前に（たとえばト
ロリーの移動運動が始まる時に）ロープの力によって
（加速方向において前方にある補助ロープ26〜29を緊張
させることによって）妨害に備えることができる。妨害
が発生した時、装荷要素３および積荷２を揺れなしに安
定に保つことができる。
制御論理回路Ｃの制御シーケンスはモータ25のモーメ
ントにすることができ、これは、ベクトル制御式モータ
制御装置36のモーメント基準値MCによって直接に実現さ
れるか、もしくはスカラ制御式モータ制御装置36に対す
る周波数基準として、フィードバックを利用することに
よって、所望のモーメントが確実に実現されるようにす
る。モーメント制御は、制御装置の他の部分の同じ機器
および同じ計算装置によって実現することができる。換
言すれば、装置には何の改修も必要としない。
制御装置Ｃのパラメータの値は、吊り上げ高さおよび
荷重の関数として算出される。パラメータの調整は、実
験に基づき、もしくはシステムのダイナミックモデルに
よって計算される。
制御システムは、浮動小数点演算を用いたプログラム
可能な論理回路（PLC）によって実現することができ
る。測定信号の濾波は、電気的に、あるいはソフトウエ
アによって実現することができる。
本発明の方法は、制御機構19〜22のモータ25を制御
し、装荷要素３の揺れを入手可能な測定データに基づい
て直接、防止するという意味で有効である。機構19〜22
および制御論理回路Ｃは独立した装置を形成している。
そのため、揺れの減衰がクレーン内の他の機械装置の作
動に影響を及ぼすことは、全くない。言い換えれば、吊
り上げ運動および移動運動は制御機構19〜22の作動から
独立している。
本発明が上述の実施例に限定されることはなく、添付
の請求の範囲内で改変できることは当業者に明らかであ
る。したがって、揺れを制御する装置がクレーンに装着
されるという定義はまた、その装置をクレーンのトロリ
ーに装着することも意味している。本発明をコンテナク
レーン以外の他のクレーンに適用することはまた、上述
の補助ロープ装置をこれに実現できる限り、可能であ
り。上述の制御装置に加えて、制御機構を他の種類のシ
ステム、例えば離散モデルに基づいたシステムによって
制御することもでき、その場合、妨害の予測を最適に行
うことができる。離散モデルを基本としたシステムの場
合、力制御装置と速度制御装置を分けることはできる
が、これらは構造上、P/PD制御装置ではない。さらに、
注目すべきは、本発明によって、空の装荷要素３を制御
機構によって補助ロープ26〜29から懸垂することが可能
になり、これによって、吊り上げ機構の保守操作は、装
荷要素３を保守操作のために降ろす別個の土台を用いず
に行なうことができることである。
フロントページの続き (72)発明者 ソルサ、 ティモ フィンランド共和国 エフアイエヌ− 05400 ヨケラ、テタアンティエ ２シ ー 13 (56)参考文献 特開 平７−157281（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−80387（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B66C 13/22

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】クレーン（１）の巻上げドラム（８、９）
    から巻上げロープ（４〜７）によって懸垂された装荷要
    素（３）、および該装荷要素（３）に取り付けられた積
    荷（２）の制御方法であって、該制御とは、制御装置を
    用いた前記装荷要素（３）の水平方向（X,X′、Ｚ、
    Ｚ′）の揺れおよびスキューの減衰と、それらの水平方
    向およびスキュー方向（CW、CCW）の精密位置決めとを
    称し、前記制御装置は、該クレーンに装着されモータ
    （25）が設けられた制御機構（19〜22）と、該制御機構
    および該装荷要素（３）の間にある４本の補助ロープ
    （26〜29）とを含み、該方法は、ロープドラム（23）を
    設けた４つの同一の機構（19〜22）、ロープ力を計量す
    る装置（34）、回転速度計（35）、およびモータ制御装
    置（36）を前記制御機構（19〜22）が用いることによっ
    て前記補助ロープを動かすことにより前記装荷要素
    （３）を制御することを含み、前記４つの機構（19〜2
    2）の各々は、１本の補助ロープ（26〜29）と４つの同
    一の制御論理回路（Ｃ）に連結されて、該制御論理回路
    は、それぞれの機構（19〜22）に接続され、前記補助ロ
    ープに及ぼす力（Ｆ）をモータ（25）により制御して前
    記装荷要素（３）が揺れるのを防止するクレーンの装荷
    要素および積荷の制御方法において、前記モータ（25）
    は、各ロープドラム（23）の回転速度（ｎ）および各補
    助ロープ（26〜29）の計量情報に基づいて制御論理回路
    （Ｃ）によって制御され、該制御論理回路は、所望のロ
    ープ力（Ｆ）を達成し維持する力制御装置（C2）、前記
    ロープドラム（23）およびモータ（25）シャフトのスキ
    ューを相殺する速度制御装置（C3）、ならびに力のフィ
    ードバックがモーメント基準値（MC）に与える影響を補
    償する所望のロープ力（Ｆ）のフィードフォワード制御
    装置（C1）を含むことを特徴とするクレーンの装荷要素
    および積荷の制御方法。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項記載の方法において、前
    記装荷要素（３）の揺れおよびスキューの減衰中に、そ
    れぞれ対称に配置された補助ロープ（26〜29）に及ぼす
    力に同一の目標値を与え、これによって、すべてのロー
    プ力（Ｆ）を等しくし、前記ロープドラム（23）の回転
    速度（ｎ）をゼロすることを特徴とする制御方法。
  3. 【請求項３】請求の範囲第１項記載の方法において、前
    記装荷要素（３）の揺れおよびスキューの減衰中に、ロ
    ープ力の水平分力（Ｆ）が互いに補償し合うような等し
    くない目標値を、非対称に配列された補助ロープ（26〜
    29）に及ぼす力（Ｆ）に与え、これによってロープ力
    （Ｆ）が前記積荷および装荷要素（３）を平衡位置に保
    ち、前記ロープドラム（23）の回転速度（ｎ）をゼロに
    することを特徴とする制御方法。
  4. 【請求項４】請求の範囲第１項記載の方法において、水
    平方向およびスキュー方向（CW、CCW）に短に移動運動
    中もしくは精密位置決め中に、前記補助ロープ（26〜2
    9）に及ぼす力（Ｆ）へ等しくない目標値を与え、これ
    によって前記補助ロープ（26〜29）の非対称の力が前記
    装荷要素（３）を所望の方向に移動させることを特徴と
    する制御方法。
  5. 【請求項５】請求の範囲第１項記載の方法において、前
    記補助ロープ（26〜29）へ及ぼす力（Ｆ）に関する目標
    値は、予測制御の原理に従って決められ、これによって
    前記ロープ力に関する目標値を系のダイナミックモデル
    によって算出して、既知の妨害要因、代表的には前記ク
    レーンの移動運動の加速を解消することができることを
    特徴とする制御方法。
  6. 【請求項６】請求の範囲第１項記載の方法において、前
    記モータのモーメント（MC）を前記制御論理回路（Ｃ）
    の制御に用い、該モーメントは、ベクトル制御式モータ
    制御装置のモーメント制御によって直接、実現されるこ
    とを特徴とする制御方法。
  7. 【請求項７】請求の範囲第１項記載の方法において、前
    記モータのモーメント（MC）を前記制御論理回路（Ｃ）
    の制御に用い、該モーメントは、スカラ制御式モータ制
    御装置に対する周波数基準として実現され、力のフィー
    ドバックを用いて所望のモーメントを確実に実現するこ
    とを特徴とする制御方法。
  8. 【請求項８】請求の範囲第１項記載の方法において、前
    記制御論理回路（Ｃ）のパラメータの調整は系のダイナ
    ミックモデルによって算出されることを特徴とする制御
    方法。
  9. 【請求項９】クレーン（１）の巻上げドラム（８、９）
    から巻上げロープ（４〜７）によって懸垂された装荷要
    素（３）、および該装荷要素（３）に取り付けられた積
    荷（２）の制御装置であって、該制御とは、前記装荷要
    素（３）の水平方向（X,X′、Ｚ、Ｚ′）の揺れおよび
    スキューの減衰と、それらの水平方向およびスキュー方
    向（CW、CCW）の精密位置決めとを称し、前記制御装置
    は、該クレーンに装着されモータ（25）が設けられた制
    御機構（19〜22）と、該制御機構および該装荷要素
    （３）の間にある４本の補助ロープ（26〜29）とを含
    み、これによって該補助ロープを前記制御機構により動
    かすことによって前記装荷要素（３）を制御し、該制御
    装置は、ロープドラム（23）を備えた４つの同一の機構
    （19〜22）、ロープ力を計量する装置（34）、回転速度
    計（35）、およびモータ制御装置（36）を含み、前記４
    つの機構（19〜22）の各々は、１本の補助ロープ（26〜
    29）と４つの同一の制御論理回路（Ｃ）に連結されて、
    該制御論理回路は、それぞれの機構（19〜22）に接続さ
    れ、前記モータ（25）を制御して前記装荷要素（３）が
    揺れるのを防止するクレーンの装荷要素および積荷の制
    御装置において、各制御論理回路（Ｃ）は、所望のロー
    プ力（Ｆ）を達成し維持する力制御装置（C2）、前記ロ
    ープドラム（23）および前記モータ（25）のシャフトの
    スキューを相殺する速度制御装置（C3）、ならびに力の
    フィードバックがモーメント基準値（MC）に与える影響
    を補償する所望のロープ力（Ｆ）のフィードフォワード
    制御装置（C1）を含み、前記制御論理回路（Ｃ）を用い
    て、各ロープドラム（23）の回転速度（ｎ）および各補
    助ロープ（26〜29）の計量情報に基づいて前記モータを
    制御することを特徴とするクレーンの装荷要素および積
    荷の制御装置。
  10. 【請求項１０】請求の範囲第９項記載の装荷要素および
    積荷の装置において、前記力制御装置（C2）は、増幅部
    および微分部を含むPD制御装置であり、そのＰ部を低速
    に調整して所望のロープ力を平衡状態で実現し、そのＤ
    部を用いて前記モーメント基準値（MC）を動的状態にお
    いて変更し、前記速度制御装置（C3）はＰ制御装置であ
    り、該Ｐ制御装置は増幅部を含み、高速に調整して充分
    に強く動的状態に反応することを特徴とする装荷要素お
    よび積荷の制御装置。
  11. 【請求項１１】請求の範囲第９項記載の装荷要素および
    積荷の装置において、ある長さの補助ロープ（26〜29）
    が各ロープドラム（23）に収納されて、該補助ロープの
    延び、ならびに該補助ロープおよび巻上げロープ（４〜
    ７）の様々な配置を補償することを特徴とする装荷要素
    および積荷の制御装置。
  12. 【請求項１２】請求の範囲第９項記載の装荷要素および
    積荷の装置において、空の装荷要素（３）を前記補助ロ
    ープ（26〜29）から前記制御機構（19〜22）によって懸
    垂して、保守操作を別個の支持なしに行なえることを特
    徴とする装荷要素および積荷の制御装置。
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