JP5824206B2

JP5824206B2 - 吊荷旋回装置

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Publication number: JP5824206B2
Application number: JP2010259950A
Authority: JP
Inventors: 政臣和田; 今岡　静男; 静男今岡; 聡天下井; 敦庸菅野; 耕二佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-11-22
Also published as: JP2012111570A

Description

本発明は、クレーンで吊り下げた吊荷を旋回させる吊荷旋回装置に関する。

従来、高所における吊荷の吊り下ろし作業は、吊荷に直接取り付けられた介錯ロープ又は棒によって周囲の作業者が人力で吊荷を旋回させて、下方の障害物と接触しないようにして行っていた。しかしこの作業は吊荷が重量物の場合、また高所作業である場合など作業者の安全を十分に確保できないという問題があった。そこで吊荷と共に吊荷旋回装置をクレーンで吊り下げて吊荷を旋回させていたが、吊荷の旋回時に装置自身が反力を受けてしまい、吊荷が揺動して吊り下ろし作業が遅延したり、安全性を確保できないという問題があった。このような吊荷の反力を解消するため、ジャイロ装置を旋回装置に組み込んだ特許文献１、２の吊荷旋回装置が開示されている。

特開平９−８６８６８号公報特開昭６２−４６８９４号公報

特許文献１，２のような装置によれば、吊荷の旋回時に生じる反力をジャイロモーメントで受けて抑制することができる。しかしながら、いずれの装置もジャイロ効果を発生するためには、ジャイロ装置を構成するフライホイールが高速回転を維持しなければならないため、フライホイールを駆動させるモーターの消費電力が大きくなるという問題がある。

また吊荷の旋回作業によっては、反力を抑制するためのジャイロモーメントを発生させなくても吊荷を揺動させることなく旋回させることができる場合があり、このような場合に消費電力の無駄が生じていた。
そこで本発明は消費電力を低減することができる吊荷旋回装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため本発明の吊荷旋回装置は、クレーンで吊り下げた吊荷の鉛直線上に取り付け可能なジャイロアクチュエータと前記吊荷の旋回フックと、前記旋回フックを介して前記吊荷を水平方向に旋回する旋回手段を駆動させて生じた加速トルクが装置にかかる反力と想定して、反力抑制に必要なジャイロモーメント（Ｍ）、フライホイールの慣性モーメント（Ｉ_Ｐ）、フライホイール角速度（Ω）、ジンバル角速度

、任意調整係数（ｋ）とし、次式に基づいて前記ジャイロモーメントを計算し、

前記ジャイロモーメントを発生させる前記ジャイロアクチュエータのフライホイールの角速度に変更する制御部と、を備えたことを特徴としている。

本発明の吊荷旋回装置は、ケーシングと、前記ケーシング内に前記クレーンの鉛直線上に吊り下げた旋回フックで吊荷を旋回させる旋回手段と、前記鉛直線上であって、前記旋回フックの上方に前記吊荷の旋回によって生じるクレーンロープの捻れを抑制するジャイロアクチュエータと、前記旋回手段を駆動させて生じた加速トルクを検出するトルクセンサーと、前記加速トルクが装置にかかる反力と想定して、反力抑制に必要なジャイロモーメント（Ｍ）、フライホイールの慣性モーメント（Ｉ_Ｐ）、フライホイール角速度（Ω）、ジンバル角速度

この場合において、前記ケーシングの旋回軸角度検出値を検出するジャイロセンサーを備え、前記旋回軸角度検出値が０であるとき、前記フライホイールを停止させるとよい。これにより装置全体の消費電力を低減することができる。

また前記制御部と有線又は無線通信回線により接続して、旋回手段を駆動する任意の加速時間パターンを選択可能なコントローラを備えているとよい。
上記構成により装置全体の消費電力を低減することができる。

また前記ケーシングと前記クレーンロープの間に止め具を設けているとよい。
上記構成により、クレーンロープから吊り下げられたケーシングの自由回転を拘束することができるため、より安定して装置に生じる反力を抑制することができる。

また前記旋回手段は、前記クレーンの鉛直線上に旋回フックを直に旋回させる旋回モーターを備えているとよい。
上記構成により、装置構成の平面スペースを簡略化して、旋回フックを直接旋回させることができる。従って、吊荷の吊り下ろし場所が狭隘な場所であっても吊り下ろすことができる。

上記構成による本発明の吊荷旋回装置によれば、吊荷の旋回時に発生するクレーンロープ、吊荷旋回装置の反力を抑制し、装置全体の消費電力を低減することができる。

本発明はコントローラにより、任意の加速時間と旋回速度を選択することができ、吊荷の慣性モーメントに応じて選択できるようになっている。また、加速トルクが小さく装置自体が揺れない場合は地軸回り角度検出センサーにより、フライホイールは自動停止したままで旋回させることができる。これにより、吊荷の慣性モーメントに応じて装置の消費電力を低減することができると共に、吊荷旋回時の加速トルクによる装置自体の地軸回りの揺れを軽減させることができる。

本発明の吊荷旋回装置の構成概略を示す斜視図である。吊荷旋回装置の正面の断面図である。吊荷旋回装置の側面の断面図である。吊荷旋回装置の平面図である。コントローラの説明図である。吊荷旋回装置のフローチャートである。吊荷旋回装置の動作説明図である。本発明の吊荷旋回装置の変形例の説明図である。

本発明の吊荷旋回装置の実施形態を添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
図１は本発明の吊荷旋回装置の構成概略を示す斜視図である。図２は吊荷旋回装置の正面の断面図である。図３は吊荷旋回装置の側面の断面図である。図４は吊荷旋回装置の平面図である。図１に示すように本発明の吊荷旋回装置１０は、ケーシング２０と、ジャイロアクチュエータ３０と、旋回手段４０、制御部５０を主な基本構成としている。

まず始めにクレーンフック１２の構成について説明する。クレーンフック１２は、吊荷旋回装置１０を吊り下げ可能なフックであり、フック端部をシーブブロック１４と回転自在に接続させている。シーブブロック１４はクレーンロープ１６を複数回掛け渡した滑車である。シーブブロック１４はクレーンロープ１６を掛け渡す面を円盤状に形成し、側面を平面状に形成している。本実施形態のシーブブロック１４は一例として２つの溝を形成してクレーンロープ１６を２回掛け渡している。

ケーシング２０は、クレーンフック１２に吊り下げることができるようにクレーンフック支持ピン２２とサポート２４を上面に形成している。サポート２４は略Ｕ字型に形成し、一対の自由端（側辺）をケーシング２０の上面から鉛直方向に突出形成している。サポート２４はプレーンフック支持ピン２２を水平方向に挿入可能な貫通孔２６を備えている。このような構成によりサポート２４の自由端からクレーンフック１２を挿入し、貫通孔２６にクレーンフック支持ピン２２を挿入して着脱可能に締結することにより、ケーシング２０上にクレーンフック１２を固定することができる。またケーシング２０は箱状に形成され、内部にジャイロアクチュエータ３０と、旋回手段４０と、制御部５０を備えている。ケーシング２０の上面であって、クレーンロープ１６の鉛直軸上となる位置には、地軸回り角度検出センサー２８を取り付けている。地軸回り角度検出センサー２８は、クレーンロープ１６の鉛直軸（Ｚ軸方向）を中心として、ケーシング２０が水平方向に旋回する角度を検出可能に構成している。またケーシング２０の側面には、通信手段となる無線受信機２９を取り付けている。無線受信機２９は後述するコントローラ６０からの操作信号を受信可能とし、電気的に接続させた制御部５０に受信した操作信号を出力可能に構成している。

ジャイロアクチュエータ３０は、フライホイール３２と、ジンバル３４と、フライホイールモーター３６と、カウンタウェイト３７と、ストッパー３８とを主な基本構成としている。

フライホイール３２は、Ｙ軸方向の回転軸（不図示）を中心として高速回転可能に構成している。フライホイール３２の回転軸（Ｙ軸方向）の中心はクレーンロープ１６の鉛直線上（Ｚ軸方向）と一致するように取り付けている。フライホイール３２のＸ軸方向の回転はジンバル３４によって支持されている。ジンバル３４の側面のプレート３３であって、Ｙ軸方向の回転軸の軸線上にはフライホイール３２を高速回転させるフライホイールモーター３６が接続している。またフライホイール３２を中心としてフライホイールモーター３６の反対側にはカウンタウェイト３７を取り付けている。カウンタウェイト３７は、フライホイール３２の高速回転を妨げないようにフライホイール３２のバランスを調整するものである。

ジンバル３４は、ケーシング２０の上面から下方へ延出された一対の軸受け台３５によって支持されている。
ストッパー３８は、フライホイール３２のジンバル３４の回転軸を０座標とする鉛直面（図１のＺＸ平面）に対して水平軸から±４５°の範囲で回転するように制限する位置に取り付けられている。即ちストッパー３８の先端とプレート３３の側面が接触することにより、ジンバル３４が±４５°よりも大きく傾斜することがない。

旋回手段４０は、旋回フック４２と、旋回モーター４４と、旋回ギア４６とを主な基本構成としている。旋回フック４２はケーシング２０の下面であって、水平方向（ＸＹ平面）に旋回する旋回中心軸がクレーンロープ１６の鉛直軸上と一致するように取り付けている。旋回フック４２の一端は吊荷の吊り下げロープを吊り下げ可能に形成し、他端は旋回ギア４６の中心に取り付けている。旋回ギア４６は側方に取り付けられた旋回モーター４４のピニオンと噛み合わせている。このような構成による旋回手段４０は、旋回フック４２に吊り下げた吊荷をクレーンロープ１６の鉛直軸上（図１のＺ軸方向）を中心として平面方向（図１のＸＹ平面）に旋回させることができる。

また旋回モーター４４は内部にトルクセンサー４５を備えている。トルクセンサー４５は、後述する制御部５０と電気的に接続し、旋回モーター４４の加速トルクを検出して、測定値を制御部５０へ出力するように構成している。

本発明の吊荷旋回装置１０は、クレーンロープ１６の鉛直軸上に地軸回り角度検出センサー２８と、ジャイロアクチュエータ３０と、旋回フック４２を上から順に取り付けた構成となる。

制御部５０は、地軸回り角度検出センサー２８と、旋回モーター４４及びトルクセンサー４５と、フライホイールモーター３６と、無線受信機２９と電気的に接続している。制御部５０は、無線受信機２９を介して後述するコントローラ６０の操作信号に基づいて、旋回モーター４４を任意の加速時間パターンで可動させることができる。またトルクセンサー４５の加速トルクの測定値に基づいてフライホイールモーター３６の回転数をフィードバック制御することができる。さらに地軸回り角度検出センサー２８の旋回軸角度検出値が０のとき、フライホイールモーター３６を回転停止させるようにフィードバック制御することができる。

本発明の吊荷旋回装置１０は、旋回時の旋回モーター４４による反力を小さくするためにコントローラ６０で任意に旋回における加速時間と旋回速度を調整できる構成としている。

ここで吊荷旋回時における旋回モーター４４から生じる装置への反力の関係を次式のように表すことができる。

をそれぞれ示している。

本発明では装置の消費電力の低減の観点から、反力を抑制するためのジャイロモーメントを発生させるフライホイール３２の回転数をなるべく抑えることが望ましい。そこで、数式１の旋回速度Ｎを小さく設定し、加速時間Ｔを大きくすることで装置への反力Ｆを小さくする必要がある。

具体的には、吊荷の慣性モーメントが大きい大型モジュールや長尺配管などの場合、旋回時における装置自体への反力が大きくなるため、吊荷の旋回時間が遅く、加速時間が長いパターンを選択することで、旋回時にかかる反力（加速トルク）を小さくすることができる。これにより、吊荷の旋回時の加速トルクによる装置自体の地軸回りの揺れを軽減させることができる。

一方、吊荷の慣性モーメントが小さい小型モジュールや小径配管などの場合には、慣性モーメントが小さいので、吊荷の旋回速度は速く、加速時間が短いパターンを選択することができる。これにより、吊荷の旋回時の加速トルクによる装置自体の地軸回りの揺れを軽減させることができる。

図５はコントローラの説明図である。コントローラ６０は作業者が吊荷旋回装置１０の周辺から無線受信機２９を通じて操作可能に構成されている。なおコントローラ６０は有線による電気通信回線を通じて制御部５０に操作信号を出力する構成とすることもできる。コントローラ６０の操作パネルには、フライホイール回転ボタン６１、フライホイール停止ボタン６２、吊荷正転時の加速時間パターン１〜３ボタン６３，６５，６７、吊荷逆転時の加速時間パターン１〜３ボタン６４，６６，６８が形成されている。フライホイール回転ボタン６１はフライホイールモーター３６を可動させてフライホイール３２を所定の回転速度まで回転させる操作ボタンであり、フライホイール停止ボタン６２はフライホイールモーター３６及びフライホイール３２を停止させる操作ボタンである。

このような構成によりコントローラ６０によって、予め設定された任意の加速時間の加速時間パターンを吊荷の慣性モーメントに応じて選択できるようになっている。このとき加速時間パターンを選択すると同時に旋回速度を連動させるように構成（前述のように、旋回時間を遅くかつ加速時間が長いパターンと、旋回時間を速くかつ加速時間が短いパターンの組み合わせなど）することができる。あるいはまた加速時間と旋回速度のパターンをそれぞれ独立の操作ボタンで制御するように構成することもできる。

反力受け板７０は、ケーシング２０のサポート２４を中心にして対称に形成された一対の部材である。反力受け板７０は対向する一対の面の間でシーブブロック１４の側面を挟持するように構成している。具体的に反力受け板７０は、サポート２４を中心にして同一直線上に形成されたレール（不図示）上を図４中の矢印Ａに示すようにスライド可能に形成している。このような構成により、クレーンフック１２をケーシングに取り付ける際には、予め反力受け板７０の間を離間させた状態で、サポート２４の貫通孔２６にクレーンフック支持ピン２２を挿入してケーシング２０上にクレーンフック１２を固定する。そして一対の反力受け板７０をサポート２４側（中心側）にスライド移動させて、シーブブロック１４の側面を反力受け板７０の対向する一対の面で挟持した状態で固定することができる。

上記構成による本発明の吊荷旋回装置の作用について以下説明する。図６は吊荷旋回装置のフローチャートである。図７は吊荷旋回装置の動作説明図である。
クレーンフックに吊荷旋回装置及び吊荷を吊り下げた状態であって、吊荷を旋回する前にコントローラ６０のフライホイール回転ボタンを操作して、フライホイールモーター３６を駆動しフライホイール３２を回転させる（ステップ１）。

フライホイール３２が最高回転速度に到達する（ステップ２）。
次に旋回モーターを駆動させる（ステップ３）。
吊荷正転時又は逆転時の加速時間パターン１〜３を選択する（ステップ４）。
旋回モーターを駆動させるとモーターの加速トルクによって装置自身に旋回軸周りの図７中の矢印Iに示すような反力が生じる。旋回モーター４４の加速トルクをトルクセンサー４５により検出する（ステップ５）。
吊荷旋回装置の旋回軸回りの旋回軸角度を検出する地軸回り角度検出センサー２８により検出し、旋回軸角度が０°であるか否かを判定する（ステップ６）。

旋回軸角度が０°でない場合、フライホイール３２の最適速度を計算する（ステップ７）。
具体的には旋回モーターの負荷トルクがそのまま装置自身にかかる反力としてかかると想定して数式１に基づく計算を行うことで反力抑制に必要なジャイロモーメントを発生させるフライホイールの最適な回転数を決定する。

ステップ７による計算結果に基づいて、フライホイール３２の回転速度を変更するフィードバック制御を行う（ステップ８）。これによりフライホイールの回転数を必要最小限に抑えることができる。
吊荷８０が図７の矢印IIに示すようにクレーンロープの鉛直線上を回転中心として旋回する（ステップ９）。

このときジャイロアクチュエータ３０のフライホイール３２は回転した状態を保っており、装置自身が地軸回りに揺れたときに、ベアリング構造となっているジンバル３４によって、フライホイール３２がジャイロ効果により図７の矢印IIIに示すように傾斜する（ステップ１０）。

フライホイール３２がジャイロ効果により傾斜することで、反力（矢印I）を抑制するための図７の矢印IVに示すような地軸回りのジャイロモーメントが発生する（ステップ１１）。

これにより装置自身の地軸回りの揺動を抑制することができる（ステップ１２）。
任意の位置に吊荷８０を旋回させた後停止させる（ステップ１３）。
フライホイール３２の回転を停止させる（ステップ１４）。

一方、吊荷の慣性モーメントが小さく、吊荷旋回時に装置自身の揺れが小さい場合は、常時フライホイール３２はフライホイールモーター３６とそのカウンタウェイト３７によって地軸に対して平行な状態で静止して旋回軸角度が０°となる。この場合にはフライホイール３２の回転を停止させるため、フライホイールモーター３６を停止させる信号を制御部５０からフライホイールモーター３６に出力するフィードバック制御を実行する（ステップ１５）。

吊荷８０が図７の矢印IIに示すようにクレーンロープの鉛直線上を回転中心として旋回する（ステップ１６）。
任意の位置に吊荷８０を旋回させた後停止させる（ステップ１７）。
このように本発明の吊荷旋回装置によれば、ジャイロ効果を発生するにフライホイールモーター３６を常に高速回転させる必要がなくなり、装置全体の消費電力を低減することができる。

図８は本発明の吊荷旋回装置の変形例の説明図である。
変形例の吊荷旋回装置１００は、図１に示す旋回ギアの構成を省略して、図示のように旋回モーター４４０の回転軸がクレーンロープ１６の鉛直線及び旋回フック４２の旋回中心と一致するように取り付けている。このような構成の旋回モーター４４０によれば、装置構成の平面スペースを簡略化して、旋回フック４２を直接旋回させることができる。従って、吊荷の吊り下ろし場所が狭隘な場所であっても吊り下ろすことができる。

１０、１００………吊荷旋回装置、１２………クレーンフック、１４………シーブブロック、１６………クレーンロープ、２０………ケーシング、２２………クレーンフック支持ピン、２４………サポート、２６………貫通孔、２８………地軸回り角度検出センサー、２９………無線受信機、３０………ジャイロアクチュエータ、３２………フライホイール、３３………プレート、３４………ジンバル、３５………軸受け台、３６………フライホイールモーター、３７………カウンタウェイト、３８………ストッパー、４０………旋回手段、４２………旋回フック、４４，４４０………旋回モーター、４５………トルクセンサー、４６………旋回ギア、５０………制御部、６０………コントローラ、６１………フライホイール回転ボタン、６２………フライホイール停止ボタン、６３………吊荷正転時の加速時間パターン１ボタン、６４………吊荷逆転時の加速時間パターン１ボタン、６５………吊荷正転時の加速時間パターン２ボタン、６６………吊荷逆転時の加速時間パターン２ボタン、６７………吊荷正転時の加速時間パターン３ボタン、６８………吊荷逆転時の加速時間パターン３ボタン、７０………反力受け板、８０………吊荷。

Claims

クレーンで吊り下げた吊荷の鉛直線上に取り付け可能なジャイロアクチュエータと前記吊荷の旋回フックと、
前記旋回フックを介して前記吊荷を水平方向に旋回する旋回手段を駆動させて生じた加速トルクが装置にかかる反力と想定して、反力抑制に必要なジャイロモーメント（Ｍ）、フライホイールの慣性モーメント（Ｉ_Ｐ）、フライホイール角速度（Ω）、ジンバル角速度

、任意調整係数（ｋ）とし、次式に基づいて前記ジャイロモーメントを計算し、

前記ジャイロモーメントを発生させる前記ジャイロアクチュエータのフライホイールの角速度に変更する制御部と、
を備えたことを特徴とする吊荷旋回装置。
ケーシングと、
前記ケーシング内に前記クレーンの鉛直線上に吊り下げた旋回フックで吊荷を旋回させる旋回手段と、
前記鉛直線上であって、前記旋回フックの上方に前記吊荷の旋回によって生じるクレーンロープの捻れを抑制するジャイロアクチュエータと、
前記旋回手段を駆動させて生じた加速トルクを検出するトルクセンサーと、
前記加速トルクが装置にかかる反力と想定して、反力抑制に必要なジャイロモーメント（Ｍ）、フライホイールの慣性モーメント（Ｉ_Ｐ）、フライホイール角速度（Ω）、ジンバル角速度

、任意調整係数（ｋ）とし、次式に基づいて前記ジャイロモーメントを計算し、

前記ジャイロモーメントを発生させる前記ジャイロアクチュエータのフライホイールの角速度に変更する制御部と、
を備えたことを特徴とする吊荷旋回装置。
前記ケーシングの旋回軸角度検出値を検出するジャイロセンサーを備え、前記旋回軸角度検出値が０であるとき、前記フライホイールを停止させることを特徴とする請求項２に記載の吊荷旋回装置。
前記制御部と有線又は無線通信回線により接続して、旋回手段を駆動する任意の加速時間パターンを選択可能なコントローラを備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の吊荷旋回装置。
前記ケーシングと前記クレーンロープの間に止め具を設けたことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の吊荷旋回装置。
前記旋回手段は、前記クレーンの鉛直線上に旋回フックを直に旋回させる旋回モーターを備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の吊荷旋回装置。