JP5283312B2 - エアー式荷役機械及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷役物を昇降して移動するための荷役機械に関し、特にエアー式の駆動源によって昇降機構を動作させる荷役機械に関する。

図６は、従来の荷役機械の概略構成図である。
図６に示すように、荷役機械１０１の本体１０３の内部には空気圧シリンダ１２０（以下、「シリンダ」という）が配設され、シリンダ１２０のピストンロッド１２０ａの先端部には昇降機構１０５のアーム１０４がリンク機構で連結されている。
このリンク機構はアーム１０４の上昇下降動作時の力点となるとともに、アーム１０４は本体１０３内部で支持されこの支持部がアーム１０４の支点となっている。
さらにアーム１０４の先端部には操作グリップ１０９ａを備えた操作ボックス１０９とクランプ機構１０８が設けられ、これにより荷役物Ｑを把持できるようになっている。

シリンダ１２０にはエアー給排気制御回路１１０が接続配管され、操作ボックス１０９からの上昇・下降指令に応じて、エアー源１２１からシリンダ１２０へエアーの給排気処理を行うように構成されている。
この場合、例えば、操作グリップ１０９ａを上方向に操作すると、シリンダ１２０にはエアー給排気制御回路１１０を介してエアーが給気され、これによりシリンダ１２０にエアーが給気されると、シリンダ１２０のピストンロッド１２０ａは図中下方向に動作し、アーム１０４先端部のクランプ機構１０８で把持された荷役物Ｑは、てこの原理で上方向に移動する。

次に図７を使用して従来の荷役機械の回路動作について説明する。
図７において、操作ボックス１０９の上昇ボタン１０９ｂが押されると、制御回路１２４は同上昇ボタン１０９ｂの押下情報を読み取り、制御回路１２４の出力制御ポートｂをオンにする。

これにより、方向切換弁１２３ａが動作し、エアー源１２１→流量制御弁１２５ｂ→方向切換弁１２３ａ→方向切換弁１２３ｂ→シリンダ１２０へのエアー経路が形成されるのでエアーがシリンダ１２０に供給され、昇降機構１０５が上方向に動作する。
また、下降ボタン１０９ｃが押されると、制御回路１２４は下降ボタン１０９ｃの押下情報を読み取り、制御回路１２４の出力制御ポートａをオンにする。

出力制御ポートａがオンすると方向切換弁１２３ａが動作し、シリンダ１２０→方向切換弁１２３ｂ→方向切換弁１２３ａ→流量制御弁１２５ａ→消音器１２７へのエアー経路が形成されるのでシリンダ１２０内のエアーが消音器１２７から排気され、昇降機構１０５が下方向に動作する。

次にバランス制御モードにおける動作について説明する。
バランス制御モードに切り換える場合は、オペレータはまずクランプ機構１０８により荷役物Ｑを把持し、さらに前記上昇ボタン１０９ｂを操作し、荷役物Ｑを吊り上げて浮かした状態（地切り状態）に操作しておく必要がある。

この地切り状態では、圧力比例制御弁１２２の入力設定圧ポートには、地切りされた状態におけるシリンダ１２０内のエアー圧力が方向切換弁１２３ｃを介して入力される。

この状態において、操作ボックス１０９のバランスモード設定ボタン１０９ｄが押されると、制御回路１２４は、バランスモード設定ボタン１０９ｄの押下情報を読み取り制御回路１２４の出力制御ポートｃをオンにする。

出力ポートｃがオンすると、方向切換弁１２３ｃによってシリンダ１２０−圧力比例制御弁１２２間のエアー経路が遮断され、圧力比例制御弁１２２の入力設定圧ポートのエアー圧が保持されることになる。

この状態で制御回路１２４の出力ポートｄをオンすると、方向切換弁１２３ｂが圧力比例制御弁１２２側に切り換わり、圧力比例制御弁１２２−シリンダ１２０間のエアー経路が形成される。

バランス制御モードでは、把持されている荷役物Ｑ、操作ボックス１０９、又は荷役機械１０１のアーム１０４などを、直接手で持って自由に動かすことが可能になる。

次に、従来の荷役機械１０１の問題点を上昇ボタン１０９ｂを押して昇降機構１０５を上昇させる場合を例にとって説明する。
図７において、上昇ボタン１０９ｂが押されると、エアー源１２１→流量制御弁１２５ｂ→方向切換弁１２３ａ→方向切換弁１２３ｂ→シリンダ１２０への経路を経てエアーがシリンダ１２０に供給される。

このとき供給されるエアー流量は、供給側エアー源１２１のエアー圧とシリンダ１２０内エアー圧との圧力差、及び流量制御弁１２５ｂの有効断面積で決まる。なお、各ユニットを接続している配管は、同配管の有効断面積が流量制御弁１２５ｂの有効断面積に対して十分広いため、エアー流量に影響を与えないので無視できる。

このときの回路動作を、図８（ａ）の動作原理図で説明する。
供給側エアー源１２１のエアー圧をPo、シリンダ１２０内のエアー圧をPsとすると、シリンダ１２０に供給されるエアー量は、エアー源１２１とシリンダ１２０内のエアー圧の圧力差（Po−Ps）と流量制御弁１２５ａの有効断面積で決まる。

例えば、荷役機械１０１が荷役物Ｑを把持していないとき、即ちシリンダ１２０内のエアー圧Psが低く、エアー源１２１とシリンダ１２０内のエアー圧の圧力差が十分大きいときに、シリンダ１２０に供給されるエアー流量が適当な流量になるように流量制御弁１２５ａを調整したとする。

この状態で荷役機械１０１が重量の大きい荷役物Ｑを把持して吊り上げた場合、シリンダ１２０へ供給されるエアー流量は、この荷役物Ｑの吊り上げによりシリンダ１２０内のエアー圧が上昇し、結果としてエアー源１２１とシリンダ１２０間のエアー圧力差が小さくなるため、荷役物Ｑを把持していない場合よりも減少する。

すわなち、荷役物Ｑが把持していない状態（無負荷時）で、所望の速度で動かすように流量制御弁１２５ｂを調整した場合、重量の大きい荷役物Ｑを把持した状態では、所望の速度では動かすことができくなる。
この場合、把持した荷役物Ｑが重ければ重い程、動作速度は低下してしまうことになる。

その一方、重量の大きい荷役物Ｑを把持して上昇させたときに所望の速度になるように流量制御弁１２５ｂを調整した場合、シリンダ１２０に供給されるエアー流量が重量荷役物把持時より無負荷時において増えてしまうため、無負荷時は所望の速度を超えて高速で上昇してしまうことになる。

これに対し、把持する荷役物Ｑの重量によって動作速度が変わってしまう場合の対策として複数の速度調整弁を用意して、それらの速度調整弁を切り換えて制御する方法も考えられるが、そのような構成を採用した場合、複数の速度調整弁だけでなくこれらの速度調整弁の切換を行う制御回路、また速度調整弁を切り換えるタイミングを発するエアー圧力センサー等が必要になり回路が複雑になってしまう。

一方、下降時のときの動作原理図を図８（ｂ）に示す。
図８（ｂ）に示すように、下降時では、シリンダ１２０から排気されるエアー流量は、シリンダ１２０と大気圧間のエアー圧力差、及び流量制御弁１２５ａの有効断面積で決まる。

流量制御弁１２５ａの有効断面積を調整し固定した場合、消音器１２７から排気されるエアー流量は、把持しているとき荷役物Ｑの重量で決まるシリンダ１２０の内圧と、大気圧間のエアー圧力差によって決まるため、上昇時の場合と同様、荷役物Ｑの重量が変わると下降速度も変化してしまう。
上記の問題を解決するための技術として、例えば、特開２０００−１６９１００号公報に示されるものが知られている。

ここでは、エアーシリンダのピストンロッドにシリンダの動作速度を検出するための速度センサーを設け、荷役機械の動作速度が所望の指令速度に達しない場合は荷役機械の動作速度が指令速度に達するまでシリンダへのエアー供給量を増加させるような制御方式が提案されている。

この制御方式は、速度センサーを使用した所謂速度サーボ制御方式で、これによれば荷役物の重量を補正して荷役機械を動作させることが可能と考えられるが、高価な速度センサーが必要なこと、またそのセンサーをシリンダのピストンロッドへ取り付けなければならないこと、さらにエアー回路のサーボ制御は応答性が良くないため、制御が難しいなどの課題があると考えられる。
特開２０００−１６９１００号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、保持する荷役物の重量に関係なく、昇降機構を所望の速度で上昇及び下降動作させることができる荷役機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、上下方向に移動自在に構成され、所定の荷役物を保持して昇降させる昇降機構を、オペレータの操作部の操作により、所定のエアー源に接続された空気圧シリンダからなる駆動部によって駆動するエアー式荷役機械であって、前記空気圧シリンダ内のエアーの圧力を検出する圧力センサーと、前記エアー源から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整して出力する圧力調整出力手段と、前記圧力調整出力手段から出力されるエアーの流量を制御して前記空気圧シリンダに供給する流量制御手段とを有し、前記圧力調整出力手段と前記空気圧シリンダとの間で給排気を行う際、当該圧力調整出力手段から出力されるエアーの圧力を、前記操作部からの命令と、前記圧力センサーにて得られた前記空気圧シリンダ内のエアーの圧力のみに基づいて制御し、かつ、当該圧力調整出力手段から出力されるエアーの流量を前記流量制御手段によって所定の値に低下させて前記空気圧シリンダに供給するように構成されているエアー式荷役機械である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記圧力調整出力手段として、圧力比例制御弁を有する手段を用いるものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記流量制御手段として、流量可変の制御弁を有する手段を用いるものである。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の発明において、前記圧力調整出力手段と前記空気圧シリンダとを直接接続するように切換可能に構成されているものである。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項記載のエアー式荷役機械を制御する方法であって、前記空気圧シリンダに対して亜音速領域の流量のエアーが供給されるように、前記エアー式駆動部のエアーの圧力に対する前記圧力調整出力手段の出力エアー圧力を制御するものである。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記圧力調整出力手段の出力エアー圧力と、前記空気圧シリンダのエアーの圧力との絶対圧力比を用いて昇降機構の速度制御を行うものである。

本発明にあっては、空気圧シリンダ内のエアーの圧力を検出する圧力センサーを設け、圧力調整出力手段と空気圧シリンダとの間で給排気を行う際、圧力調整出力手段から出力されるエアーの圧力を、圧力センサーにて得られた空気圧シリンダ内のエアーの圧力のみに基づいて制御し、かつ、当該圧力調整出力手段から出力されるエアーの流量を流量制御手段によって所定の値に低下させて空気圧シリンダに供給するようにしたことから、クレーン制御モードにおいて、圧力調整出力手段から出力されるエアーの流量を低下させて亜音速領域の流量のエアーを空気圧シリンダに供給することが容易にできる。

その結果、本発明によれば、重量の大きい荷役物を保持して空気圧シリンダのエアー圧が上昇し、圧力調整出力手段の出力エアー圧との圧力差が小さくなった場合であっても、空気圧シリンダに対して十分な流量のエアーを供給することができ、しかも、無負荷時においては高速で昇降機構が動作する問題を回避することができる。

このように、本発明によれば、圧力調整出力手段の出力エアー圧力と、空気圧シリンダのエアーの圧力との絶対圧力比に応じて、荷役物の重量に関係なく、昇降機構を所望の速度で上昇及び下降動作させることが可能になる。

また、本発明においては、荷役物の重量にかかわらず所望の速度で上昇、下降動作させることができ、速度サーボ制御方式に比べて操作感が高く高性能の荷役機械を提供することができる。

さらに、本発明においては、圧力比例制御弁と空気圧シリンダ内のエアー圧の絶対圧力比を増減させることにより、上昇及び下降時に加減速カーブを持たせることができるため、急激な立ち上がり、停止動作による荷役機械の振動を抑えることが可能になる。

本発明において、圧力調整出力手段として、圧力比例制御弁を有する手段を用いる場合には、エアーの圧力を制御する回路から圧力調整出力手段に出力されるエアー圧力制御信号に比例したエアー圧を設定することができるというメリットがある。

また、流量制御手段として、流量可変の制御弁を有する手段を用いる場合には、空気圧シリンダに供給するエアーの量を容易に変更することができるので、エアー源−空気圧シリンダ間のエアー流量を調節し、荷役機械の動作速度を調整することが可能になる。

さらに、圧力調整出力手段と空気圧シリンダとを直接接続するように切換可能に構成すれば、バランス制御モード及びクレーン制御モードの両方を行うことができるので、例えば圧力比例制御弁等を共用して制御回路の共通化及び製品コストの低減が可能になる。

本発明によれば、保持する荷役物の重量に関係なく、昇降機構を所望の速度で上昇及び下降動作させることができる荷役機械を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る荷役機械の実施の形態の外観構成を示す概略図、図２は、同荷役機械の動作概念を示す概略構成図である。
図１に示すように、本実施の形態の荷役機械１は、鉛直に立設された支柱２を有し、この支柱２の上部に制御ボックス３が設けられている。

図２に示すように、この制御ボックス３内には、従来技術と同様の空気圧シリンダ２０が設けられている。この空気圧シリンダ２０は、後述するエアー制御系１０を介してエアー源２１に接続されている（以下、シリンダ２０という。）。

荷役機械１は、第１〜第３のアーム４ａ〜４ｃから構成されるアーム４を有する昇降機構５を備えている。ここで、第１のアーム４ａは、上下方向に所定の角度回動可能な状態で、てこを構成するように支持されシリンダ２０のピストンロッド２０ａによって駆動されるようになっている。
また、第１のアーム４ａは、支柱２の中心軸を中心にして水平方向に旋回するように支持されている。

第１のアーム４ａの先端部には、第２のアーム４ｂが、関節部６を介して常に水平状態を保持する状態で連結され、さらに、第２のアーム４ｂの先端部（下端部）には、鉛直方向に延びる第３のアーム４ｃが水平方向に回転可能な状態で連結されている。

第３のアーム４ｃの下端部には、例えばエアーの吸引により荷役物Ｑを保持（把持）するクランプ機構８が取り付けられている。このクランプ機構８は、図示しないクランプ／アンクランプスイッチを操作することによって荷役物Ｑをクランプし又はクランプを解除するように構成されている。
また、第３のアーム４ｃの下部には、操作グリップ９ａを有する操作ボックス９が取り付けられている。

図３は、本実施の形態のエアー制御系の構成を示すブロック図である。
図３に示すように、本実施の形態においては、エアー源２１から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整してシリンダ２０に出力する圧力比例制御弁（圧力調整出力手段）２２が、エアー源２１の後段に設けられている。

この圧力比例制御弁２２は、マイクロコンピュータ等を有する制御回路２４に接続され、制御回路２４からの命令により出力圧力を調整して所定の値に設定するように構成されている。

また、圧力比例制御弁２２の後段には、方向切換弁２３が設けられており、この方向切換弁２３は、上述した制御回路２４に接続されその動作が制御されるようになっている。

さらに、方向切換弁２３とシリンダ２０との間には、流量制御弁（流量制御手段）２５が設けられている。本実施の形態においては、制御回路２４からの命令によって方向切換弁２３の入出力ポートを切り換えて流量制御弁２５のオン、オフを行うように構成されている。

一方、シリンダ２０には、その内部のエアー圧、即ち負荷バランス圧を測定するためのエアー圧力センサー（圧力センサー）２６が設けられており、このエアー圧力センサー２６は、制御回路２４に接続されている。

一方、本実施の形態においては、操作ボックス９にバランスモード設定ボタン３０設けられ、このバランスモード設定ボタン３０は制御回路２４に接続されている。
さらに、オペレータから操作グリップ９ａに加えられた力を図示しない力センサで検出して制御回路２４に出力するように構成されている。

以下、本実施の形態の制御方法について説明する。
本実施の形態においては、荷役物Ｑ又はアーム４を直接持って動かすバランス制御モードと、操作グリップ９ａを操作してアーム４を動かすクレーン制御モードの２つの制御モードがある。

＜バランス制御モード＞
荷役物Ｑを吊り上げた状態でオペレータがバランスモード設定ボタン３０を押すことにより、制御回路２４は、まずシリンダ２０内のエアー圧をエアー圧力センサー２６によって読み込みその値を検出する。

次に、圧力比例制御弁２２の入力ポートの設定圧力を、先に読み込んだシリンダ２０内のエアー圧力と同じ値にするととともに、制御回路２４の出力制御ポートＡをオンにして方向切換弁２３の出力ポートをＧ側に切り換える。
バランス制御モードでは、圧力比例制御弁２２とシリンダ２０を流量制御弁２５を介さず直結されるようにする。

バランス制御モードにおいて、クランプ機構８で把持した荷役物Ｑにオペレータが力を加え上下方向に動かすと、シリンダ２０内のエアー圧は、設定されているバランス時のシリンダ内エアー圧から操作力によって変動することになるが、圧力比例制御弁２２によってシリンダ２０内の変動圧を給気又は排気等を行いこれを吸収することによってシリンダ２０内のエアー圧は常に一定に保たれるように制御される。

したがって、オペレータの操作によってシリンダ２０のピストンが動いた場合であっても、シリンダ２０内にはこの操作力に反発する力が発生しないため、荷役物Ｑは力を加えた方向に動くことになる。
このような動作原理によりバランス制御モード時においては、荷役機械１はオペレータの僅かな操作力により荷役物Ｑを自由に昇降させて搬送することができる。

＜クレーン制御モード＞
クレーン制御モードでは、制御回路２４の出力制御ポートＡをオフにするとともに、方向切換弁２３をポートＨ側に切り換え、圧力比例制御弁２２とシリンダ２０の間に流量制御弁２５が接続されるようにする。
このとき流量制御弁２５を介してシリンダ２０に給排気されるエアー流量について、図４に示す上昇及び下降時の動作原理図を用いて説明する。

上昇時のエアー流量は、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧をPp[MPa] 、シリンダ２０内のエアー圧をPs[MPa]、流量制御弁２５の有効断面積をS[ｍｍ²] 、供給されるエアーの温度をt[℃] とすると、上昇時の流量Qu[dm³/min] は下式で表すことができる。

イ）（Ps + 0.1）／（Pp + 0.1）≦ 0.528 ［チョーク流れの場合］
Qu = 120×S×(Pp+0.1)×｛273／(273 + t)｝^1/2 ・・・・・・・(１)
ロ）（Ps+0.1）／（Pp+0.1）＞0.528［亜音速流れの場合］
Qu=240×S×｛(Ps+0.1)×(Pp -Ps)｝^1/2×｛273／(273 +t)｝^1/2・・・・(２)

上式について説明すると、エアーを供給する側の圧力比例制御弁２２の出力エアー圧が、供給される側のエアー圧よりも十分高い場合すなわちチョーク流れの場合（絶対圧力で1/0.528=1.89倍以上）、(１)式が適用され、両エアー圧の圧力比が小さい場合すわなち亜音速流れの場合（1.89倍未満）、(２)式が適用される。

このような見方で従来の制御系を見てみると（図７、図８参照）、無負荷時シリンダ１２０内のエアー圧が低い場合、言い換えればエアーを供給する側のエアー源１２１とシリンダ１２０内のエアー圧の圧力差が十分確保できている場合は、(１)式のチョーク流れが適用されるが、重い荷役物Ｑを吊り上げてシリンダ１２０内のエアー圧が上昇した場合、供給側のエアー源１２１とシリンダ１２０内のエアー圧の圧力差を十分確保できなくなるため、(２)式の亜音速流れが適用され、エアー流量は同計算式で決まる値になる。

(２)式から理解されるように、エアー源１２１とシリンダ１２０内の圧力差（Po−Ps）が小さくなると流量Quも小さくなる。その結果、所望の動作速度に必要な量だけエアー流量を確保できなくなり、動作速度の低下を招く。

この対策として重量荷役物吊上げ時（亜音速流れ時）の流量を確保するため、流量制御弁１２５ａ、１２５ｂの有効断面積Sを大きくすることも考えられるが、この有効断面積Sを大きくした場合、(１)式によりチョーク流れ（無負荷時）のときのエアー流量が重量荷役物吊上げ時以上に大きくなってしまうため、無負荷時は所望の速度を超えて高速で昇降機構１０５が動作する問題が発生してしまう。
これに対し、本発明では、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧を制御して常に(２)式の亜音速流れの状態で回路を制御する制御方式を採用している。

本発明においては、昇降機構５が上昇するとき、シリンダ２０には(２)式で示される流量のエアーが供給されるが、シリンダ２０に供給されたエアーの流量Quは、シリンダ２０内のエアー圧Psによりシリンダ２０内の体積Vu[dm³/min] に圧縮される。

Vu = Qu × {0.1／(Ps + 0.1)} × {(273 + t)／273} ・・・・・・・(３)
(２)式のQu を(３)式に代入すると、
Vu = 240×S×｛(Ps + 0.1)×(Pp - Ps)｝^1/2×｛273／(273 + t)｝^1/2
× {0.1／(Ps + 0.1)} ×{(273 + t) ／273}
=240×S×0.1×｛(Ps+0.1)×(Pp -Ps)／(Ps + 0.1)²｝^1/2×｛273／(273 +t)｝^1/2×｛(273 +t) ／273｝
= 24×S ×［｛(Pp + 0.1)-(Ps + 0.1)｝／(Ps + 0.1)］^1/2×｛(273 + t)／273｝^1/2
= 24×S × ｛(Pp + 0.1)／(Ps + 0.1)-1｝^1/2 × ｛(273 + t)／273｝^1/2

ここで、温度による影響を無視すると、Vu は次式で表される。
Vu≒24 ×S ×｛(Pp + 0.1)／(Ps + 0.1)- 1｝^1/2 ・・・・・・・・・(４)

このように、シリンダ２０に供給されるエアー量は、(４)式で表すことができる。この(４)式は、シリンダ２０に供給されたエアー増量（体積／時間）が、流量制御弁２５の有効断面積Sと、供給側である圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比で決まることを示している。

したがって、流量制御弁２５の有効断面積Sを固定とすると、シリンダ２０に供給されるエアー増量は、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Psとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比を制御することにより、任意に設定することができる。

ここで、シリンダ２０内のエアー増量は、シリンダ２０のピストンロッド２０ａの受圧面積で除することにより、ピストンロッド２０ａの移動速度に相当する。
したがって、シリンダ２０のピストンロッド２０ａの移動速度すなわちピストンロッド２０ａにリンクされた昇降機構５の上昇速度は、流量制御弁２５の有効断面積Sを固定とした場合、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比を制御することにより、自由に制御することが可能になる。

図３に示すように、本実施の形態では、シリンダ２０の上昇制御時、エアー圧力センサー２６にて検出した結果に基づき、制御回路２４が、シリンダ２０内の圧力を常時モニタしており、したがって、本実施の形態では、例えば、モニタしているシリンダ２０内のエアー圧力Psと、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppの絶対圧力比が常に一定になるように制御する。

ここで、シリンダ２０内のエアー圧力Psと、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Pp（＝圧力比例制御弁２２の入力設定圧）の絶対圧力比をKuとすると、Kuは、次式で表すことができる。

Ku = (Pp + 0.1)／(Ps + 0.1)
Pp = Ku×(Ps + 0.1) - 0.1 ・・・・・・・・・(５)

絶対圧力比をKuに設定したときのシリンダ２０の上昇時の動作速度νu[mm/sec] は、ピストンロッド２０ａの受圧面積をSs[ mm ] とすると、(４)及び(５)式に基づき次式で表すことができる。

Vu＝60×νu×Ss／10⁶＝24×S×（Ku−１）^1/2
νu＝4×10⁵×S×（Ku −１）^1/2／Ss （但し、1.894＞Ku≧１ ）・・・・・・・(６)

(６)式は、流量制御弁２５の有効断面積Sを固定にした場合に、シリンダ２０の動作速度νuが、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比Kuを変えることにより任意に設定可能であることを示している。

また、(６)式から理解されるように、流量制御弁２５の有効断面積S及びシリンダ２０のピストンロッド２０ａの受圧面積を固定のものとすると、ピストンロッド２０ａの動作速度は、上記圧力比Kuだけで決まっており圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Pp及びシリンダ２０内のエアー圧Psに依存していない。

したがって、荷役物Ｑの吊り上げ時にシリンダ２０の内圧が増加した場合であっても、上記圧力比Kuを変えなければ、荷役物Ｑの重量の影響を受けることなく、所望の速度で昇降機構５を上昇させることが可能になる。

以上の説明は昇降機構５の上昇時の制御方法について説明したものであるが、本発明によれば、昇降機構５の下降時についても同様に制御することができる。
昇降機構５を下降させる場合には、制御回路２４は、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppをシリンダ２０内のエアー圧Psよりも低く設定する必要がある。

図４に示すように、昇降機構５下降時のエアーの流れは、シリンダ２０→流量制御弁２５→圧力比例制御弁２２の順になる。

したがって、下降時にシリンダ２０から排気するエアー流量Qdは、上記(４)式において圧力比例制御弁２２のエアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psを入れ代えた計算式で表すことができ、さらにシリンダ２０から排気されるエアー減量Vd（体積／時間）は、(７)式で表すことができる。

Vd≒ 24×S× ｛(Ps + 0.1)／(Pp + 0.1)−1｝^1/2 ・・・・・・・・・(７)

ここで、下降時の圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比をKd＝(Pp + 0.1)／(Ps + 0.1)）とすると、下降時の圧力比例制御弁２２の設定入力圧Ppは(８)式で表すことができる。

Kd＝(Pp + 0.1)／(Ps + 0.1)
Pp＝Kd×(Ps + 0.1) - 0.1・・・・・・・・・(８)

このときシリンダ２０に排気供給されるエアー減量Vd[dm³/min] 及び下降速度νd[mm/sec] は、上昇時と同様に算出すると式(９)で表すことができる。

Vd ≒ 24×S×｛(1／Kd)−1｝^1/2
νd ＝ 4×10⁵×S×｛(1／Kd)−1｝^1/2／Ss （但し、0.528＜Kd≦１ ）・・・(９)

(９)式は、圧力比例制御弁２２の設定入力圧を制御することにより、上昇時と同様、下降時も荷役物Ｑの重量の影響を受けることなくシリンダ２０を所望の速度で動作させることができることを示している。

また、(６)式及び(９)式は、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比Kdを変えることにより、上昇又は下降時の立ち上がり、停止動作時に加減速特性を持たせることができることを示している。

図５に、上昇時の圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧の絶対圧力比と動作速度の関係を示す。

図５に示すように、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧の絶対圧力比Kuを１に設定することにより、シリンダ２０へ給排気するエアー流量は０になり、昇降機構５を停止させておくことができる。
そして、この状態から、絶対圧力比Kuを徐々に大きくしていき、定速度状態では絶対圧力比Kuを最大にして固定する（但し、絶対圧力比Ku＜1.894）。

一方、減速時は絶対圧力比Kuを徐々に小さくしていき、停止時は絶対圧力比Kuを１にするよう制御する。このようにしてエアーの絶対圧力比Kuを変え加減速特性を持たせることにより、加速時及び減速・停止動作時の荷役機械の振動を抑えることができる。

ここで、制御回路２４へ動作速度指令を与える手段については、操作グリップ９ａに加えられた操作力を力センサーで読み取り、その操作力に応じた無段階の速度指令を与える方式のほか、例えば、ジョイスティックなどの可動式の操作レバーや、操作角に応じた無段階の速度指令を発行する方式のものを用いることができる。

また、操作ボックス９に上昇及び下降ボタン等を設け、同ボタンが押下されたときに予め決められた速度（一定速度）で昇降機構５が動作するように構成することも可能である。

以上述べたように本実施の形態の荷役機械１によれば、重量の大きい荷役物Ｑを把持してシリンダ２０のエアー圧が上昇し、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧との圧力差が小さくなった場合であっても、シリンダ２０に対して十分な流量のエアーを供給することができ、しかも、無負荷時において昇降機構５が高速動作することもない。

このように、本実施の形態によれば、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧力と、シリンダ２０のエアーの圧力との絶対圧力比に応じて、荷役物Ｑの重量に関係なく、昇降機構５を所望の速度で上昇及び下降動作させることができる。

また、本実施の形態によれば、速度サーボ制御方式、即ちシリンダのピストンロッドに速度センサーを設け速度センサからの速度情報によりシリンダの速度制御を行う方式に比べて操作感が高く高性能の荷役機械１を提供することができる。

さらに、本実施の形態によれば、圧力比例制御弁２２とシリンダ２０内のエアー圧の絶対圧力比を増減させることにより、上昇及び下降時に加減速カーブを持たせることができるため、急激な立ち上がり、停止動作による荷役機械１の振動を抑えることが可能になる。

さらにまた、本実施の形態においては、圧力比例制御弁２２とシリンダ２０とを直接接続するように切換可能に構成されているので、バランス制御モード及びクレーン制御モードの両方を行うことができ、これにより制御回路の共通化及び製品コストの低減が可能になる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施の形態では、圧力比例制御弁２２とシリンダ２０間に流量制御弁２５を介在させるように構成したが、本発明はこれに限られず、圧力比例制御弁２２とシリンダ２０の接続に、流量制御弁２５に代えて有効断面積が小さい配管を用いることも可能である。

この場合は、有効断面積を変えてエアー流量を調整することはできないが、流量制御弁２５を省略することができるので、構成の簡素化及びコストダウンを図ることができる。

また、上記実施の形態では、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの絶対圧力比を用いて昇降機構５の速度制御を行うようにしたが、圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧Psの圧力差を用いて制御を行うこともできる。

この場合、前記圧力差をΔPとすると、圧力比例制御弁２２の設定入力圧は、次式のようになる。
Pp＝Ps ± ΔP（＋：上昇時、−：下降時）

このような方法によっても、荷役物Ｑの重量に関係なく、この圧力差ΔPに応じて、昇降機構５を所望の速度で上昇及び下降動作させることができる。

なお、上記実施の形態で説明した絶対圧力比を用いた速度制御方法、また上記圧力差による制御方法以外にも圧力比例制御弁２２の出力エアー圧Ppとシリンダ２０内のエアー圧との間の関係を変えて制御を行うことが考えられるが、何れも本特許の範疇である。
この場合、上記絶対圧力比の二乗を一定となるように設定したり、上記圧力差の整数倍を一定に設定することが考えられる。

また、上記実施の形態では、アーム式の荷役機械を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、ベルト式タイプやアームとベルトを組み合わせたタイプの荷役機械、またホイストタイプの荷役機械にも容易に適用することができる。
さらに、本発明のエアー制御系はシンプルで制御も簡単のため、電気式回路、エアー式回路及びその組み合わせた回路で実現することができるものである。

本発明に係る荷役機械の実施の形態の外観構成を示す概略図である。 同荷役機械の動作概念を示す概略構成図である。 同荷役機械のエアー制御系の構成を示すブロック図である。 同荷役機械のエアー制御系の上昇時における動作原理図である。 圧力比例制御弁の出力エアー圧とシリンダ内のエアー圧の絶対圧力比と動作速度の関係を示す説明図である（上昇時）。 従来のエアー式荷役機械の動作概念を示す概略構成図である。 従来技術におけるエアー制御系の構成を示すブロック図である。 （ａ）：従来技術のエアー制御系の上昇時における動作原理図である。（ｂ）：従来技術のエアー制御系の下降時における動作原理図である。

１…荷役機械 ４…アーム ４ａ…第１のアーム、４ｂ…第２のアーム、４ｃ…第３のアーム、５…昇降機構、９…操作ボックス、９ａ…操作グリップ １０…エアー制御系 ２０…空気圧シリンダ ２１…エアー源 ２２…圧力比例制御弁（圧力調整出力手段） ２４…制御回路 ２５…流量制御弁（流量制御手段） ２６…エアー圧力センサー（圧力センサー） Ｑ…荷役物

Claims (6)

1. 上下方向に移動自在に構成され、所定の荷役物を保持して昇降させる昇降機構を、オペレータの操作部の操作により、所定のエアー源に接続された空気圧シリンダからなる駆動部によって駆動するエアー式荷役機械であって、
   前記空気圧シリンダ内のエアーの圧力を検出する圧力センサーと、
   前記エアー源から供給されるエアーの圧力を所定の圧力に調整して出力する圧力調整出力手段と、
   前記圧力調整出力手段から出力されるエアーの流量を制御して前記空気圧シリンダに供給する流量制御手段とを有し、
   前記圧力調整出力手段と前記空気圧シリンダとの間で給排気を行う際、当該圧力調整出力手段から出力されるエアーの圧力を、前記操作部からの命令と、前記圧力センサーにて得られた前記空気圧シリンダ内のエアーの圧力のみに基づいて制御し、かつ、当該圧力調整出力手段から出力されるエアーの流量を前記流量制御手段によって所定の値に低下させて前記空気圧シリンダに供給するように構成されているエアー式荷役機械。
2. 前記圧力調整出力手段として、圧力比例制御弁を有する手段を用いる請求項１記載のエアー式荷役機械。
3. 前記流量制御手段として、流量可変の制御弁を有する手段を用いる請求項１又は２のいずれか１項記載のエアー式荷役機械。
4. 前記圧力調整出力手段と前記空気圧シリンダとを直接接続するように切換可能に構成されている請求項１乃至３のいずれか１項記載のエアー式荷役機械。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載のエアー式荷役機械を制御する方法であって、
   前記空気圧シリンダに対して亜音速領域の流量のエアーが供給されるように、前記エアー式駆動部のエアーの圧力に対する前記圧力調整出力手段の出力エアー圧力を制御するエアー式荷役機械の制御方法。
6. 前記圧力調整出力手段の出力エアー圧力と、前記空気圧シリンダのエアーの圧力との絶対圧力比を用いて昇降機構の速度制御を行う請求項５記載のエアー式荷役機械の制御方法。

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