JP4689372B2 - スタッカクレーンの走行駆動制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、液晶や半導体関連のウエーハカセット、ガラスカセット等を保管するクリーンルーム内で運用する低発塵のスタッカクレーンの走行駆動制御方法に関し、特に、マスト上部の振動を抑制することができるスタッカクレーンの走行駆動制御方法に関するものである。
クリーンルーム内に設置する自動倉庫内にスタッカクレーンを配置する場合、通常はフロアの床面から天井までの範囲内で保管や搬送を行うことから、上下方向の移動距離は比較的短い数ｍの範囲内であり、このため、スタッカクレーンのマスト下部のみに走行駆動装置を設置して走行レール上を移動するようにしている。
一方、複数階のフロア間を連結し、スタッカクレーンの昇降移動範囲を２フロア以上に拡張した自動倉庫の場合は、従来のように、スタッカクレーンのマスト下部のみに走行駆動装置を設置して走行方向の駆動を行うと、片端支持の弾性体の運動と同様に、スタッカクレーンのマストはその形状や材料特性で決まる弾性体として振る舞い、マストの上部が振動する。
マスト上部の振動を抑えるために、マスト上部を下部の走行駆動装置と同様に駆動すれば振動を抑制できるが、上部の駆動力を大きくすると、その駆動に必用な機械部分の質量のために振動が増加し、また、駆動力を大きくすることでマスト上部での発塵が増加する。このため、上部駆動の機械系質量は軽くし、小さな駆動力で振動を抑制することが望ましい。
本発明は、上記従来のスタッカクレーンが有する問題点に鑑み、マスト上部の上部走行駆動装置の負荷を減じて、この上部走行駆動装置に起因する振動や発塵を抑えながら、マスト上部の振動を抑制することができるスタッカクレーンの走行駆動制御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、本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法は、スタッカクレーンのマストの上部と下部とにそれぞれ上部走行駆動装置と下部走行駆動装置とを設け、下部走行駆動装置でスタッカクレーンの走行及び位置制御を行うとともに、該下部走行駆動装置の速度信号に基づいて上部走行駆動装置を駆動し、該上部走行駆動装置でマストの振動抑制を行うようにしたスタッカクレーンの走行駆動制御方法であって、下記式１において、比例定数ｎ １ を調整して発生トルクＴの絶対値が最小になるように、上部走行駆動装置の入力感度を調整するとともに、比例定数ｎ ２ を調整して発生トルクＴが最大になるように、上部走行駆動装置の制御ゲインや応答を調整するようにしたことを特徴とする。
Ｔ＝−ｎ１ＶＰ＋ｎ２Δｖ−ｃ ・・・（１）
Ｔ 上部駆動モータの発生トルク
ｎ１ 比例定数
ｎ２ 比例定数
ＶＰ 下部駆動モータの走行速度
Δｖ 下部駆動モータと上部駆動モータの速度差
ｃ 定数
Ｔ＝−ｎ１ＶＰ＋ｎ２Δｖ−ｃ ・・・（１）
Ｔ 上部駆動モータの発生トルク
ｎ１ 比例定数
ｎ２ 比例定数
ＶＰ 下部駆動モータの走行速度
Δｖ 下部駆動モータと上部駆動モータの速度差
ｃ 定数
この場合において、上部走行駆動装置の速度制御を、積分要素を含めない比例制御系により行うようにすることができる。
本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法によれば、スタッカクレーンのマストの上部と下部とにそれぞれ上部走行駆動装置と下部走行駆動装置とを設け、下部走行駆動装置でスタッカクレーンの走行及び位置制御を行うとともに、該下部走行駆動装置の速度信号に基づいて上部走行駆動装置を駆動し、該上部走行駆動装置でマストの振動抑制を行うことから、マスト上部の上部走行駆動装置の負荷を減じて、この上部走行駆動装置に起因する振動や発塵を抑えながら、マスト上部の振動を抑制することができる。
そして、上記式１において、比例定数ｎ
１
を調整して発生トルクＴの絶対値が最小になるように、上部走行駆動装置の入力感度を調整するとともに、比例定数ｎ
２
を調整して発生トルクＴが最大になるように、上部走行駆動装置の制御ゲインや応答を調整するようにすることにより、上下の走行駆動装置の定常的な速度誤差の影響を回避することができる。
また、上部走行駆動装置の速度制御を、積分要素を含めない比例制御系により行うようにすることにより、走行駆動装置にスリップが生じた場合の影響を回避することができる。
また、上部走行駆動装置の上部駆動モータの出力容量を、下部走行駆動装置の下部駆動モータの出力容量の１／５以下にすることにより、上部走行駆動装置に起因する振動や発塵を抑えることができる。
また、マストの上部に、上部走行駆動装置から発生する微粉塵を除去する手段を備えることにより、ストッカ内のクリーン度を損なうことがないようにすることができる。
以下、本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法を適用するスタッカクレーンの一実施例を示す。
本実施例のスタッカクレーンは、スタッカクレーンのマスト１の上部と下部とにそれぞれ上部走行駆動装置２と下部走行駆動装置３とを設け、下部走行駆動装置３でスタッカクレーンの走行及び位置制御を行うとともに、該下部走行駆動装置３の速度信号に基づいて上部走行駆動装置２を駆動し、該上部走行駆動装置２でマスト１の振動抑制を行うようにしている。
本実施例のスタッカクレーンは、スタッカクレーンのマスト１の上部と下部とにそれぞれ上部走行駆動装置２と下部走行駆動装置３とを設け、下部走行駆動装置３でスタッカクレーンの走行及び位置制御を行うとともに、該下部走行駆動装置３の速度信号に基づいて上部走行駆動装置２を駆動し、該上部走行駆動装置２でマスト１の振動抑制を行うようにしている。
下部走行駆動装置３は、床側の走行レール４の上を走行する下部駆動輪３１と、該下部駆動輪３１を駆動する下部駆動モータ３２とを走行台車５に備えている。
また、上部走行駆動装置２は、天井側の支持レール６に沿って走行する上部駆動輪２１と、該上部駆動輪２１を駆動する上部駆動モータ２２とをマスト１の上部に備えている。
また、上部走行駆動装置２は、天井側の支持レール６に沿って走行する上部駆動輪２１と、該上部駆動輪２１を駆動する上部駆動モータ２２とをマスト１の上部に備えている。
クレーンの昇降体７は、２本のマスト１に沿って上下移動し、走行台車５に固定した昇降モータ（図示省略）の巻上げドラム７１によりワイヤ７２を介して昇降する。ワイヤ７２はマスト１の上部に取り付けたシーブ７３により牽引方向を反転する。
このような構成のスタッカクレーンは、マスト１の剛性が小さく、マスト１の長さが長くなれば上部が振動を起こす。この力学モデルを簡略化すれば、図２に示すように、下部走行体３０と上部走行体２０をバネ１０で連結したものとみなせる。
下部走行体３０と上部走行体２０を全く同等のものとして扱うのであれば、上下の走行体２０、３０を同一に制御すればよいが、その場合、上部走行駆動装置２のモータや減速機が下部走行駆動装置３と同程度に大型化する。
また、上部走行駆動装置２は、走行中に常に駆動力を発生するため、気流を天井から床方向にダウンフローで流すクリーンルーム環境では好ましくない発塵が増加する。
また、上部走行駆動装置２は、走行中に常に駆動力を発生するため、気流を天井から床方向にダウンフローで流すクリーンルーム環境では好ましくない発塵が増加する。
これに対し、本実施例では、制御装置１１から下部走行駆動装置３の下部駆動モータ３２に速度指令１２を指令するとともに、応答遅れを含む実際の下部駆動モータ３２の速度信号１３（速度帰還信号）を、上部走行駆動装置２の上部駆動モータ２２の回転指令（速度指令）として与えるようにする。
上下の駆動モータ２２、３２の速度差と上部駆動モータ２２の発生トルクとの関係を、図３（ａ）に示す。
速度差が増大するにつれて発生トルクが増加するが、これには２つの要因が作用する。
１つは、上下の走行駆動装置２、３の定常的な速度誤差、例えば、磨耗による車輪系の相違などにより速度差により、上部駆動モータ２２にブレーキ力が生じる現象である。
もう１つは、マスト上部の振動による過渡的な速度差による発生トルクで、このトルクにより振動を減衰させることを示している。
速度差が増大するにつれて発生トルクが増加するが、これには２つの要因が作用する。
１つは、上下の走行駆動装置２、３の定常的な速度誤差、例えば、磨耗による車輪系の相違などにより速度差により、上部駆動モータ２２にブレーキ力が生じる現象である。
もう１つは、マスト上部の振動による過渡的な速度差による発生トルクで、このトルクにより振動を減衰させることを示している。
下部駆動モータ３２による走行速度とトルクの関係は、図３（ｂ）に示すように、速度比例の成分をもつ。これは駆動輪や減速機内の潤滑の粘性抵抗が支配要因となる。
この関係を一般化すると、
Ｔ＝−ｎ１ＶＰ＋ｎ２Δｖ−ｃ ・・・（１）
Ｔ 上部駆動モータの発生トルク
ｎ１ 比例定数
ｎ２ 比例定数
ＶＰ 下部駆動モータの走行速度
Δｖ 下部駆動モータと上部駆動モータの速度差
ｃ 定数
と表すことができる。
Ｔ＝−ｎ１ＶＰ＋ｎ２Δｖ−ｃ ・・・（１）
Ｔ 上部駆動モータの発生トルク
ｎ１ 比例定数
ｎ２ 比例定数
ＶＰ 下部駆動モータの走行速度
Δｖ 下部駆動モータと上部駆動モータの速度差
ｃ 定数
と表すことができる。
ここで、比例定数ｎ１に着目すると、下部駆動モータ３２の走行速度に無関係に上部駆動モータ２２がトルクを発生すれば、定常的な力は発生せず、上部駆動輪２１は支持レール６に接しているだけで力がないため磨耗による発塵が極めて少なくなる。したがって、比例定数ｎ１を調整して発生トルクＴの絶対値が最小になるように、上部走行駆動装置２の入力感度を調整する。
また、比例定数ｎ２に着目すれば、マスト１の振動により速度差が生じた場合に、振動を抑制するトルク、すなわち、減衰力を発生するため、比例定数ｎ２を調整して発生トルクＴが最大になるように、上部走行駆動装置２の制御ゲインや応答を安定に動作する範囲で調整する。
なお、下部走行駆動装置３の調整は、上部走行駆動装置２を接続しない状態で最適な制御性が得られるように調整するのは、従来と同じである。
本実施例では、上部走行駆動装置２は速度制御系の比例制御系で実現し、速度制御に積分要素は入れない。
支持レール６を走行する上部走行駆動装置２で駆動輪のスリップが生じる場合、又は制御系に内在する誤差の累積により上部走行駆動装置２の停止位置が狂う可能性のある場合には、積分系は好ましくないが、レールと車輪がラックとピニオンギア等で駆動され、上下の制御系でスリップが生じない場合には積分系を入れることも可能である。
支持レール６を走行する上部走行駆動装置２で駆動輪のスリップが生じる場合、又は制御系に内在する誤差の累積により上部走行駆動装置２の停止位置が狂う可能性のある場合には、積分系は好ましくないが、レールと車輪がラックとピニオンギア等で駆動され、上下の制御系でスリップが生じない場合には積分系を入れることも可能である。
そして、本実施例においては、上部走行駆動装置２の上部駆動モータ２２は、専らマスト１の振動の抑制を行うことを目的とするものであるため、下部走行駆動装置３の下部駆動モータ３２よりもはるかに出力容量の小さいモータを使用することで足りる。
具体的には、下部走行駆動装置３の下部駆動モータ３２の出力容量が１１ｋＷの場合、上部走行駆動装置２の上部駆動モータ２２の出力容量は１．５ｋＷ（下部走行駆動装置３の下部駆動モータ３２の出力容量の約１／７）にでき、上部走行駆動装置２に起因する振動や発塵を抑えることができる。
具体的には、下部走行駆動装置３の下部駆動モータ３２の出力容量が１１ｋＷの場合、上部走行駆動装置２の上部駆動モータ２２の出力容量は１．５ｋＷ（下部走行駆動装置３の下部駆動モータ３２の出力容量の約１／７）にでき、上部走行駆動装置２に起因する振動や発塵を抑えることができる。
次に、図４〜図６に、本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法を適用するスタッカクレーンのより具体的な一実施例を示す。
このスタッカクレーンは、液晶製造工場等の床面等に配設した走行レール４に沿って走行可能とし、かつ速度及び停止位置を制御できるようにした下部走行駆動装置３を備えた走行台車５の上部に、所要長、特に限定されるものではないが、例えば、８ｍ〜１０ｍ程度の長さを有するマスト１を直接取り付け、このマスト１に昇降体７を昇降可能に取り付けるとともに、該昇降体７に伸縮式の移載用アーム７０ａを備えた移載機７０を搭載して構成するようにしている。
この移載機７０の移載用アーム７０ａは、走行台車５の走行方向に沿ってその両側部に配設したストッカ８に向かって伸張できるように構成されている。
そして、移載用アーム７０ａを、出没及び／又は旋回するようにすることにより、カセットＫを移載用アーム７０ａから多段式としたストッカ８の棚８１、８２、８３、８ｎのいずれかへ、或いは反対にストッカのいずれかの棚からこの移載用アーム７０ａへと簡易に、確実に移載できるようにする。
このスタッカクレーンは、液晶製造工場等の床面等に配設した走行レール４に沿って走行可能とし、かつ速度及び停止位置を制御できるようにした下部走行駆動装置３を備えた走行台車５の上部に、所要長、特に限定されるものではないが、例えば、８ｍ〜１０ｍ程度の長さを有するマスト１を直接取り付け、このマスト１に昇降体７を昇降可能に取り付けるとともに、該昇降体７に伸縮式の移載用アーム７０ａを備えた移載機７０を搭載して構成するようにしている。
この移載機７０の移載用アーム７０ａは、走行台車５の走行方向に沿ってその両側部に配設したストッカ８に向かって伸張できるように構成されている。
そして、移載用アーム７０ａを、出没及び／又は旋回するようにすることにより、カセットＫを移載用アーム７０ａから多段式としたストッカ８の棚８１、８２、８３、８ｎのいずれかへ、或いは反対にストッカのいずれかの棚からこの移載用アーム７０ａへと簡易に、確実に移載できるようにする。
この走行台車５に備えられた下部走行駆動装置３は、特に限定されるものではないが、例えば、図１に示すように、走行台車５の前後位置において、平行して敷設される２本の走行レール４の頂面に接触し、かつ走行台車５の全荷重を支持するようにした複数の下部駆動輪３１を転動可能にして支持するとともに、いずれかの走行レール４の両側面と対峙し、かつ走行レール４の両側面を挟持するようにガイド車輪３３を配設し、これにより、走行台車５が走行レール４に沿って安全に、かつ高速で走行できるようにする。
なお、走行レール４の頂面にて支持され、走行台車全体の荷重を走行可能に支持する下部駆動輪３１のうち、いずれか１つ或いは複数を走行駆動装置としての下部駆動モータ３２にて回転駆動するようにすることができる。
また、走行台車５の上部に取り付けるマスト１は、特に限定されるものではないが、１本柱の形状とすることも或いはフレーム状のものとすることもでき、これは移載するカセットＫの荷重などにより適宜設定するようにする。
なお、マスト１の長さ（高さ）は、スタッカの最上段の棚へのカセットＫの移載を可能とするものとする。
なお、マスト１の長さ（高さ）は、スタッカの最上段の棚へのカセットＫの移載を可能とするものとする。
また、この走行台車５の走行、停止時に、マスト１の上部が許容範囲以上に振れることがなく安定して走行、停止（静止）することができるように、マスト１の上部に上部走行駆動装置２を備える。
この上部走行駆動装置２は、マスト１の上部に敷設した支持レール６を覆うようにケーシング２３を配設し、このケーシング２３内に、支持レール６の両側から挟持するように接触させた上部駆動輪２１ａ、２１ｂを配設し、このいずれか１方の上部駆動輪２１ａ及び／又は双方の上部駆動輪２１ａ、２１ｂを、マスト１の揺動防止を行うようにする上部駆動モータ２２にて制御駆動するように構成する。
また、上部駆動モータ２２及び支持レール６と接触して駆動する上部駆動輪２１ａ、２１ｂにより発生する微粉塵を除去するために、ケーシング２３には、高性能フィルタ（ＨＥＰＡフィルタ）２５を備えた排気ファン２４を取り付け、これにより上部走行駆動装置２より排出される排気によってもストッカ８内のクリーン度を損なうことがないようにする。
なお、支持レール６は、走行台車５の走行方向に伴ってマスト１が移動する軌跡の上方位置で、前記走行レール４と上下に平行するように敷設する。
そして、走行台車５の下部に配設して主として下部駆動モータ３２の出力容量を大に、上部駆動輪２１ａ、２１ｂのいずれか１つ及び／又は２つを駆動する上部駆動モータ２２の出力容量を小とし、その比率は、特に限定されるものではないが、例えば、５：１〜１０：１程度とすることにより、上部走行駆動装置２に起因する振動や発塵を抑えることができる。
また、図５に示すように、下部走行駆動装置３に内包する下部駆動モータ３２と、上部走行駆動装置２に内包する上部駆動モータ２２とを、サーボドライバ９を介して電気的に接続する。
このサーボドライバ９には上部駆動モータ速度制御回路Ａを備え、下部駆動モータ３２により走行駆動されるスタッカの速度信号Ｘと、上部駆動モータ２２からの速度信号Ｙｈとを与えるようにする。そしてこのスタッカの速度信号Ｘと上部駆動モータ２２からの速度信号Ｙｈとの両信号からの速度差Δｖにより、上部駆動モータ速度制御回路Ａにて上部駆動モータ出力トルク指令を、式（１）で示すトルクＴとして上部駆動モータ２２に与えて上部の振動抑制を行うようにする。
このサーボドライバ９には上部駆動モータ速度制御回路Ａを備え、下部駆動モータ３２により走行駆動されるスタッカの速度信号Ｘと、上部駆動モータ２２からの速度信号Ｙｈとを与えるようにする。そしてこのスタッカの速度信号Ｘと上部駆動モータ２２からの速度信号Ｙｈとの両信号からの速度差Δｖにより、上部駆動モータ速度制御回路Ａにて上部駆動モータ出力トルク指令を、式（１）で示すトルクＴとして上部駆動モータ２２に与えて上部の振動抑制を行うようにする。
次に、このスタッカクレーンの動作について説明する。
下部駆動モータ３２を駆動することにより走行台車５を走行させた場合、図６に示すように、マスト１も追従して走行するようになる。このとき、マスト１の上部に取り付けた上部駆動輪２１ａ、２１ｂが、上部駆動モータ２２により制御されていないと、走行台車５の走行速度と、カセットＫを搭載したマスト１の上部の速度に差が生じるようになり（通常、マスト１の上部の速度が走行台車５の走行速度よりも遅くなり）、図６の破線に示すように、マスト１の上部は走行台車５の走行方向と反対方向の後方へ傾く（後傾する）ように揺動する。
また、走行台車５が停止した場合、マスト１の上部は慣性によって直ちに静止せず、走行台車５の走行時と反対方向の走行台車５の走行方向と同じ方向の前方へ傾く（前傾する）ように揺動する。
下部駆動モータ３２を駆動することにより走行台車５を走行させた場合、図６に示すように、マスト１も追従して走行するようになる。このとき、マスト１の上部に取り付けた上部駆動輪２１ａ、２１ｂが、上部駆動モータ２２により制御されていないと、走行台車５の走行速度と、カセットＫを搭載したマスト１の上部の速度に差が生じるようになり（通常、マスト１の上部の速度が走行台車５の走行速度よりも遅くなり）、図６の破線に示すように、マスト１の上部は走行台車５の走行方向と反対方向の後方へ傾く（後傾する）ように揺動する。
また、走行台車５が停止した場合、マスト１の上部は慣性によって直ちに静止せず、走行台車５の走行時と反対方向の走行台車５の走行方向と同じ方向の前方へ傾く（前傾する）ように揺動する。
これに対して、下部駆動モータ３２と上部駆動モータ２２とがサーボドライバ９を介して電気的に接続され、上部駆動モータ２２の速度制御をするようにすることにより、走行台車５の走行時、下部駆動モータ３２からの走行台車５（スタッカ）の速度信号Ｘを、サーボドライバ９に投入するとともに、上部駆動モータ２２からの速度信号Ｙｈも投入され、この速度差Δｖが検出され、これらにより上部駆動モータ速度制御回路Ａより上部駆動モータ出力トルク指令を上部駆動モータ２２に与えて、上部駆動モータ２２の回転を制御するようにし、走行台車５の走行速度と、マスト１の上部の速度とを一致させることができ、これにより、マスト１の進行方向に対して前後方向の振れＤＦをなくすことができる。
かくして、本実施例のスタッカクレーンは、スタッカクレーンのマスト１の上部と下部とにそれぞれ上部走行駆動装置２と下部走行駆動装置３とを設け、下部走行駆動装置３でスタッカクレーンの走行及び位置制御を行うとともに、該下部走行駆動装置３の速度信号に基づいて上部走行駆動装置２を駆動し、該上部走行駆動装置２でマスト１の振動抑制を行うことから、マスト上部の上部走行駆動装置２の負荷を減じて、この上部走行駆動装置２に起因する振動や発塵を抑えながら、マスト上部の振動を抑制することができる。
以上、本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法について、スタッカクレーンの実施例に基づいて説明したが、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、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。
本発明のスタッカクレーンの走行駆動制御方法は、マスト上部の上部走行駆動装置の負荷を減じて、この上部走行駆動装置に起因する振動や発塵を抑えながら、マスト上部の振動を抑制するという特性を有していることから、マストが長いスタッカクレーンの用途に好適に用いることができる。
１ マスト
２ 上部走行駆動装置
２１ 上部駆動輪
２２ 上部駆動モータ
３ 下部走行駆動装置
３１ 下部駆動輪
３２ 下部駆動モータ
４ 走行レール
５ 走行台車
６ 支持レール
７ 昇降体
７０ 移載機
７１ 巻上げドラム
７２ ワイヤ
７３ シーブ
８ ストッカ
９ サーボドライバ
１０ バネ
１１ 制御装置
１２ 速度指令
１３ 速度信号
２０ 上部走行体
３０ 下部走行体
２ 上部走行駆動装置
２１ 上部駆動輪
２２ 上部駆動モータ
３ 下部走行駆動装置
３１ 下部駆動輪
３２ 下部駆動モータ
４ 走行レール
５ 走行台車
６ 支持レール
７ 昇降体
７０ 移載機
７１ 巻上げドラム
７２ ワイヤ
７３ シーブ
８ ストッカ
９ サーボドライバ
１０ バネ
１１ 制御装置
１２ 速度指令
１３ 速度信号
２０ 上部走行体
３０ 下部走行体
Claims (2)
- スタッカクレーンのマストの上部と下部とにそれぞれ上部走行駆動装置と下部走行駆動装置とを設け、下部走行駆動装置でスタッカクレーンの走行及び位置制御を行うとともに、該下部走行駆動装置の速度信号に基づいて上部走行駆動装置を駆動し、該上部走行駆動装置でマストの振動抑制を行うようにしたスタッカクレーンの走行駆動制御方法であって、下記式１において、比例定数ｎ １ を調整して発生トルクＴの絶対値が最小になるように、上部走行駆動装置の入力感度を調整するとともに、比例定数ｎ ２ を調整して発生トルクＴが最大になるように、上部走行駆動装置の制御ゲインや応答を調整するようにしたことを特徴とするスタッカクレーンの走行駆動制御方法。
Ｔ＝−ｎ１ＶＰ＋ｎ２Δｖ−ｃ ・・・（１）
Ｔ 上部駆動モータの発生トルク
ｎ１ 比例定数
ｎ２ 比例定数
ＶＰ 下部駆動モータの走行速度
Δｖ 下部駆動モータと上部駆動モータの速度差
ｃ 定数 - 上部走行駆動装置の速度制御を、積分要素を含めない比例制御系により行うようにしたことを特徴とする請求項１記載のスタッカクレーンの走行駆動制御方法。
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