JP6081827B2

JP6081827B2 - フォークリフトにおける電動荷役装置の制御システム

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Publication number: JP6081827B2
Application number: JP2013047432A
Authority: JP
Inventors: 後藤　直也; 直也後藤
Original assignee: ユニキャリア株式会社
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP2014172733A

Description

本発明は、フォークリフトにおける電動荷役装置の制御システムに関するものである。

フォークリフトの中には、その荷役装置が電動式のものがある。この電動荷役装置は、例えばフォークリフトの車体に取り付けられた外枠部材に昇降可能に案内される内枠部材の昇降機構として、ねじ式のものを採用したものである。具体的には、外枠部材に設けられた左右のねじ軸にローラねじ式のナット部材が螺合されるとともに、これら両ナット部材に内枠部材が連結されたもので、電動機にて左右のねじ軸を回転させて内枠部材を昇降させることにより、当該内枠部材に昇降可能に設けられたフォーク部を昇降させるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１６９２０５号公報

ところで、上述したように、電動荷役装置においても、フォーク部により保持された荷物の水平姿勢を維持する必要がある。すなわち、左右のねじ軸を同じ力および同じ高さで回転させる必要があり、このため、荷重センサ、位置センサなどが必要となり、どうしても、製造コストが高くつくという問題がある。

そこで、本発明は、電動機により荷物を昇降させる電動荷役装置においても、製造コストの低減化を図り得るフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システムは、荷物を保持する昇降体を２台の電動機によりそれぞれ駆動部材を介して昇降させるようにしたフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システムであって、
荷物を昇降させるための力指令値の１／２および昇降される昇降側部材の重量の１／２を加算して各駆動部材に与える付与力を求める付与力算出部と、この付与力算出部にて得られた付与力に基づき各電動機をそれぞれ駆動する２つの駆動制御手段とを具備し、
これら各駆動制御手段に、電動機に作用する外乱を推定する外乱推定器および電動機に作用する反力を推定する反力推定器を具備し、
さらに上記各駆動制御手段の反力推定器にて得られた反力の合計値を求めるとともに、この合計値から上記昇降側部材の重量を減算して荷物の重量を推定する荷重推定手段を具備したものである。

また、上記制御システムにおける荷重推定手段にて得られた荷重を重力加速度で除算することにより荷物の質量を求める荷物質量検出部を具備したものである。

上記電動荷役装置の構成によると、電動機により回転される駆動部材を制御する駆動制御手段に、外乱推定器および反力推定器を具備させるとともに、反力推定器から得られる推定反力を荷重推定手段に入力して、荷物重量である荷重または質量を推定するようにしたので、荷重センサを設ける必要がなく、また昇降体の姿勢制御についても、２台の電動機に等しいトルクが付与するように制御されるので、荷物の水平姿勢を維持するための位置センサも必要としない。すなわち、製造コストの低減化を図ることができる。

本発明の実施例に係る電動荷役装置が用いられるフォークリフトの外観を示す斜視図である。同フォークリフトの側面図である。同フォークリフトにおける昇降装置の要部断面図である。同フォークリフトにおける昇降装置の一部切欠平面図である。同フォークリフトの電動荷役装置の制御システムの全体ブロック図である。同制御システムの要部のブロック図である。

以下、本発明の実施例に係るフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システムについて説明する。
本実施例においては、フォークリフトがリーチ式フォークリフトである場合について説明するとともに、このリーチ式フォークリフトとしては、その前方に設けられる荷役装置の駆動源として電動機を用いたもの、言い換えれば、電動機によりねじ軸を回転させて内枠部材を昇降させることにより、フォーク部を昇降させるようにした２軸電動式のものについて説明する。

まず、この２軸電動式の荷役装置、すなわち電動荷役装置を具備するリーチ式フォークリフトの概略構成について説明する。
このリーチ式フォークリフトは、図１および図２に示すように、大きく分けて、運転席Ｅが設けられた後方の本体部２およびこの本体部２から前方に突出されるとともにガイド溝３ａを有しつまり断面が溝型状にされた左右一対のアウトリガー部（リーチ部ともいう）３を有する車両本体１と、この車両本体１のアウトリガー部３のガイド溝３ａに前後方向で移動可能（出退可能）に案内される電動荷役装置（以下、単に、荷役装置という）４とから構成されている。なお、本体部２に駆動用車輪６および転向用車輪７が、また左右のアウトリガー部３に案内用車輪８がそれぞれ設けられている。

また、上記荷役装置４は、両側面にアウトリガー部３の溝部３ａ内に移動可能に案内される前後一対の移動用ガイドローラ１１がそれぞれ設けられた移動体１２と、この移動体１２の前部に設けられたマスト体１３と、このマスト体１３に昇降自在に設けられるとともにその下部に荷物を保持し得る左右一対のフォーク部１５を有する昇降体（キャリッジともいう）１４と、移動体１２に設けられて上記昇降体１４を昇降させる昇降装置１６とから構成されている。

上記マスト体１３は、移動体１２に立設された左右一対の外支柱材２１およびこれら両外支柱材２１の上端部同士を連結する連結材２２からなる外枠部材２３と、これら各外支柱材２１に設けられた溝部に案内ローラ２４を介して昇降可能に案内される左右一対の内支柱材２５およびこれら両内支柱材２５同士を連結する連結材２６からなる内枠部材２７とから構成されている。また、昇降体１４は内枠部材２７の内支柱材２５に昇降可能に案内されるとともにチェーン２８を介して外枠部材２３の外支柱材２１に連結されており、またこのチェーン２８の途中は内枠部材２７の内支柱材２５側に設けられたスプロケット２９に噛合（または、シーブに巻装）されている。したがって、内枠部材２７が昇降装置１６により昇降されると、スプロケット２９に噛合されたチェーン２８を介して昇降体１４は、内枠部材２７に対して昇降するとともに外枠部材２１に対しても昇降することになる。

なお、上記昇降体１４は、内枠部材２７の左右の内支柱材２５に設けられたガイド溝２５ａ内に案内される案内ローラ３１を有する昇降部材３２により構成され、またこの昇降部材３２の前面側には荷物Ｎを保持するフォーク部１５が設けられている。

上記昇降装置１６は、上記内枠部材２７に設けられた昇降部材３６と、この昇降部材３６を昇降させる駆動装置３７とから構成されている。
上記駆動装置３７は、左右の各外支柱材２１に沿って鉛直方向で配置されるとともに、その上端部がスラスト軸受４１により鉛直軸心回りで回転自在に保持された円錐ローラ式のねじ軸４２と、各外支柱材２１の下部に設けられて上記ねじ軸４２を伝導手段４３を介してそれぞれ回転させる左右の減速機付の電動機４４と、上記左右のねじ軸４２に螺嵌された回転運動を直線運動に変換し得る円錐ローラねじ機構を有する円錐ローラ式ナット部材（ボールねじ機構におけるボールの替わりに円錐ローラを用いたものであり、以下、単にナット部材という）４５と、上記両電動機４４を制御する制御システム（後述する）とから構成されている。なお、上記伝導手段４３としては、例えば外支柱材２１に設けられたケーシング５１と、このケーシング５１内に配置されて電動機４４により回転される駆動側歯車５２と、同じくケーシング５１内に配置されて上記ねじ軸４２の下端にユニバーサル継手５３を介して連結されるとともに上記駆動側歯車５２に噛合された従動側歯車５４とから構成されている。勿論、従動側歯車５４は、軸受５５を介してケーシング５１に保持されている。

また、上記昇降部材３６は、上記駆動装置３７における左右のナット部材４５に下方から支持された支持部材４６と、この支持部材４６に緩衝部材４７を介して保持されるとともに上記内枠部材２７の内支柱材２５側に連結材４８を介して連結された保持部材４９とから構成されている。

上記緩衝部材４７は、支持部材４６に垂下して設けられた筒状材６１と、この筒状材６１内に配置されたばね材（例えば、皿ばね）６２によりその上端部が支持された筒状（または棒状）の連結材６３と、この連結材６３の下端部にばね材（例えば、皿ばね）６４を介して吊持されるとともに保持部材４９に連結された筒状の保持材６５とから構成されている。すなわち、内枠部材２７は、保持部材４９および緩衝部材４７を介して支持部材４６に連結されており、例えばフォーク部１５に衝撃などが作用した場合には、その衝撃力は緩衝部材４７により吸収される。

したがって、左右の電動機４４によりねじ軸４２を回転させてナット部材４５を昇降させることにより、支持部材４６、緩衝部材４７および保持部材４９を介して、内枠部材２７を昇降させることができる。この内枠部材２７が昇降すると、スプロケット２９が昇降するため、チェーン２８の端部に接続されている昇降体１４、つまりフォーク部１５が昇降することになる。

ところで、本発明の要旨は、フォークリフトの運転席Ｅに配置された操作レバーの操作により、電動機４４を駆動させて昇降体１４のフォーク部１５に保持された荷物Ｎの昇降を行う際に、つまり駆動力を制御する際に、荷重センサ、位置センサなどを用いることなく、フォーク部１５を、その水平姿勢を維持した状態で、スムーズに昇降させ得る制御システムを提供することにある。

具体的に言えば、電動機４４を制御する際に、制御システムにより、電動機４４に作用する外乱および昇降体１４に作用する反力を推定して、荷物Ｎを水平に保持し得るように電動機４４の制御を行うものであり、また得られた反力から荷物Ｎの重量Ｗおよび荷物Ｎの質量Ｍ［Ｗ／ｇ（重力加速度）］を求めるものである。なお、本実施例では、外乱としてはトルクを意味し、反力についてはトルクおよび力（推力）の両方を意味する。また、トルクとしての反力については「反作用トルク」と称するとともに、力としての反力についてはそのまま「反力」と称す。

以下、このフォークリフトにおける制御システムを、図５および図６に基づき説明する。
なお、フォーク部１５を昇降させるねじ軸４２は左右に配置されるとともにこれら各ねじ軸４２を回転させる電動機４４も左右に配置されており、またこれら各電動機４４を制御するねじ軸駆動制御手段（駆動制御手段の一例で、後述する）についても左右のねじ軸用として配置されている。したがって、以下においては、左右の部材を区別するのに、各部材を示す符号にＬとＲの添え字を付すものとする。また、外乱および反力については推定値が求められるが、図面上、推定値を明確に示す場合には、外乱および反力を示す符号の上に「ハット」の記号を付すが、明細書中では、その記号の前にアスタリスク「＊」の記号を付すものとする。

また、フォークリフトの制御システムとしては、フォークリフトの走行を制御するものと、荷物の昇降を制御するものとがあるが、本発明の要旨が荷物の昇降に関するものであるため、本実施例では、荷物の昇降を制御する部分について説明する。

この制御システムが適用されるフォークリフトは、上述したように、左右に配置された一対のねじ軸４２をそれぞれの電動機４４を回転させて荷物Ｎを昇降させるようにしたもので、特に、荷役用の操作レバーからの力指令値Ｆ_ｃｏｎおよびフォークリフト側で昇降する昇降側部材（例えば、昇降体、内枠部材、ナット部材など）の総重量（合計重量）Ｗ_０のそれぞれ半分（１／２）を、各ねじ軸４２に作用させるようにしたものである。

この制御システムには、図５に示すように、操作レバーからの力指令値Ｆ_ｃｏｎに荷物Ｎの推定荷重（後述するフィードバック値である）＊Ｗを減算部７１で減算して得られた力参照値Ｆ_ｒｅｆを入力するとともにその値を半分（１／２）にするための第１変換部（ゲイン変換部または除算部ともいえる）７２と、この第１変換部７２で得られた力指令値に、フォークリフトにおける昇降側部材の総重量Ｗ_０を入力するとともにこれを半分（１／２）にするための第２変換部（ゲイン変換部または除算部ともいえる）７３と、これら両変換部７２，７３で得られた値を加算して左右の各ねじ軸４２を回転させる各電動機４４への力指令値Ｆ_ｃｍｄＬ，Ｆ_ｃｍｄＲをそれぞれ求める加算部（ねじ軸に与える付与力を求める付与力算出部である）７４Ｌ，７４Ｒと、これら各加算部７４Ｌ，７４Ｒで得られた力指令値Ｆ_ｃｍｄＬ，Ｆ_ｃｍｄＲを入力するとともに外乱および反力を推定して電動機４４Ｌ，４４Ｒを制御するための左側ねじ軸駆動制御手段７５Ｌおよび右側ねじ軸駆動制御手段７５Ｒと、これら各ねじ軸駆動制御手段７５Ｌ，７５Ｒで得られた推定反力＊Ｆ_ｒｅｓＬ，＊Ｆ_ｒｅｓＲを入力して荷物Ｎの重量（以下、荷重という）Ｗを推定する荷重推定手段７６と、この荷重推定手段７６で得られた推定荷重＊Ｗを入力するとともに当該推定荷重＊Ｗをｇ（重力加速度）で除して荷物Ｎの推定質量＊Ｍを求める荷物質量検出部７７とが具備されている。なお、上記荷重推定手段７６で得られた推定荷重＊Ｗは減算部７１にフィードバックされる。

ここで、上記各ねじ軸駆動制御手段７５Ｌ，７５Ｒを図６に基づき説明する。
なお、左右のねじ軸駆動制御手段７５Ｌ，７５Ｒは同一構成であるため、一方に着目して説明する。そのため、ここでは、左右を区別するためのＬとＲの添え字を省略して説明する。

すなわち、ねじ軸駆動制御手段７５には、力指令値Ｆ_ｃｍｄを入力してトルク指令値τ_ｃｍｄに変換するトルク変換部８１と、このトルク変換部８１で得られたトルク指令値τ_ｃｍｄに反作用トルク推定オブザーバ（後述する）で得られる推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓを減算してフィードバックさせる減算部８２と、この減算部８２で得られたトルク参照値＊τ_ｒｅｆを入力して電流に変換するとともにこの電流指令値ｉ_ａを電動機４４の駆動部に出力する電流変換部８３と、この電流変換部８３で得られた電流値ｉ_ａに外乱オブザーバ（後述する）で得られる推定外乱＊τ_ｄｉｓをフィードバックさせて電動機４４に電流指令値ｉａを出力する減算部８４と、電動機４４に設けられて回転速度（角速度）ωおよび回転角θを出力する回転検出器（図示しないが、例えばロータリエンコーダが用いられる）と、上記電流指令値ｉ_ａおよび回転速度ωを入力して電動機４４に作用する外乱τ_ｄｉｓを推定する外乱オブザーバ（外乱推定器）８５と、同じく電流指令値ｉ_ａおよび回転速度ωを入力して電動機４４に作用する反作用トルクτ_ｒｅｓを推定する反作用トルク推定オブザーバ（反力推定器の一例である）８６とから構成されている。なお、図６のブロック図中、８７は制御対象としての電動機４４の部分を示しており、Ｋ_ｔは電流をトルクに変換するトルク定数、Ｊは電動機により駆動される全ての部材のイナーシャの合計を表している。なお、全ての部材としては、軸受４１、ねじ軸４２、ナット部材４５、駆動側歯車５２、ユニバーサル継手５３、従動側歯車５４、軸受５５などで、電動機４４によって昇降される部材を示しており、これらを纏めて駆動部材と呼ぶことができる。また、ｓはラプラス変換における微分器、１／ｓは同積分器を表している。

上記外乱オブザーバ８５で得られた推定外乱＊τ_ｄｉｓは電流変換部８８で電流に変換された後、減算部８４に入力（フィードバック）されて外乱の補償が行われる。また、反作用トルク推定オブザーバ８６で得られた推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓについても、減算部８２に入力（フィードバック）されて反力の補償が行われる。また、この推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓは、力変換部８９で推定反力＊Ｆ_ｒｅｓに変換された後、上記荷重推定手段７６に入力される。

ところで、上述した外乱オブザーバ８５および反作用トルク推定オブザーバ８６については、公知の技術であるため、簡単に説明しておく。
すなわち、外乱オブザーバ８５は、制御対象である電動機４４への入力である電流指令値ｉ_ａと電動機４４の速度応答値である角速度ωとを比較することにより外乱を推定し補償する制御アルゴリズムで、疑似微分のアルゴリズムが用いられるとともに雑音の低減化を図るためにローパスフィルタ９１が挿入されている。なお、この外乱オブザーバ８５を示す制御ブロック図中、Ｋ_ｔｎは公称トルク定数、Ｊ_ｎはＪの公称値、ｇ_ｄは外乱オブザーバ８５の極（フィルタゲイン）である。

また、反作用トルク推定オブザーバ８６は、外乱オブザーバ８５と同様に、制御対象である電動機４４への入力である電流指令値ｉ_ａと電動機４４の速度応答値である角速度ωとを比較するとともに摩擦による推定外乱＊τ_ｆｒｉｃを考慮することにより系に作用する反作用トルクを推定し補償する制御アルゴリズムで、疑似微分のアルゴリズムが用いられるとともに雑音の低減化を図るためにローパスフィルタ９２が挿入されている。なお、この反作用トルク推定オブザーバ８６を示す制御ブロック図中、Ｋ_ｔｎは公称トルク定数、Ｊ_ｎは全イナーシャ、ｇ_ｒは反作用トルク推定オブザーバ８４の極（フィルタゲイン）である。

ここで、上記ねじ軸駆動制御手段７５での作用について簡単に説明する。
すなわち、力指令値Ｆ_ｃｍｄがトルク変換部８１に入力されてトルク定数Ｋ_ＦＴが乗じられてトルク指令値τ_ｃｍｄが得られる。そして、減算部８２にて、上記トルク指令値τ_ｃｍｄから推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓが減算（フィードバック）されてトルク参照値τ_ｒｅｆが出力され、その後、電流変換部８３でゲイン（ｆ_ｃ／Ｋ_ｔｎ）が乗じられて電流に変換された後、減算部８４で推定外乱＊τ_ｄｉｓが減算（フィードバック）されて電流指令値ｉ_ａが求められ、この電流指令値ｉ_ａが電動機４４の駆動部に入力される。この電動機４４にはロータリエンコーダが設けられており、電動機４４での角速度ωが検出されている。

なお、外乱オブザーバ８５では、電流指令値ｉ_ａと電動機４４の角速度ωとに基づいて外乱τ_ｄｉｓが精度良く推定されるとともにこの推定外乱＊τ_ｄｉｓが電流変換部８８で電流に変換された後、減算部８４に入力（フィードバック）される。

また、反作用トルク推定オブザーバ８６では、電流指令値ｉ_ａと電動機４４の角速度ωおよび摩擦による推定外乱＊τ_ｆｒｉｃとに基づき反作用トルクτ_ｒｅｓが精度良く推定されるとともに、この推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓが減算部８２に入力（フィードバック）される。さらに、この推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓが荷重推定手段７６に入力されて、荷物Ｎの推定荷重＊Ｗが求められる。

この荷重推定手段７６では、左右のねじ軸駆動制御手段７５Ｌ，７５Ｒで得られた推定反力（＊Ｆ_ｒｅｓＬ，＊Ｆ_ｒｅｓＲ）の合計重量から昇降側部材の総重量Ｗ_０が減算されて、荷物Ｎの重さである荷重Ｗが推定される。なお、この推定荷重＊Ｗは減算部７１に入力（フィードバック）される。

次に、フォークリフトにおける荷物Ｎの昇降制御の全体について説明する。
荷役操作レバーが操作されると、操作に応じた力指令値＊Ｆ_ｃｏｎが出力され、第１変換部７２で１／２にされるとともに、この第１変換部７２で得られた１／２の力および第２変換部７３で求められた昇降側部材の重量Ｗ_０の１／２が、それぞれ加算部７４に入力されてその合計重量が、左右のねじ軸駆動制御手段７５への力指令値Ｆ_ｃｍｄＬ，Ｆ_ｃｍｄＲとして出力される。

そして、各ねじ軸駆動制御手段７５では、それぞれ外乱オブザーバ８５により推定外乱＊τ_ｄｉｓが求められて当該外乱を補償する制御が行われるとともに、反作用トルク推定オブザーバ８６により推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓが求められて当該反作用トルクを補償する制御が行われる。

また、これら左右の反作用トルク推定オブザーバ８６で求められた推定反作用トルク＊τ_ｒｅｓは力変換部８９で力（推力）に変換され、そしてこの変換された推定反力＊Ｆ_ｒｅｓは荷重推定手段７６に入力されて荷物Ｎの推定荷重＊Ｗが求められ、この推定荷重＊Ｗが減算部７１に入力されてフィードバック制御が行われる。

また、荷重推定手段７６で得られた推定荷重＊Ｗは荷物質量推定部７７に入力され、ここで、荷物Ｎの推定質量＊Ｍが求められる。
この荷物の質量を図示しない監視警報装置に入力することにより、荷物の許容質量がオーバしたときには、例えば警報が鳴らされる。

上述した電動荷役装置の構成によると、電動機４４により回転される左右のねじ軸４２の回転を制御するねじ軸駆動制御手段７５に、反力推定オブザーバ８５および反作用トルク推定オブザーバ８６を具備させるとともに、反作用トルク推定オブザーバ８６から得られる推定反力＊Ｆ_ｒｅｓを荷重推定手段７６に入力して、荷物の重量である荷重Ｗまたは質量Ｍを推定するようにしたので、荷重などを測定する力センサ、すなわち荷重センサを設ける必要がなく、またフォーク部１５の姿勢制御についても、左右の電動機４４に等しいトルクを付与するように制御されるので、荷物の水平姿勢を維持するための位置センサも必要としない。すなわち、製造コストの低減化を図ることができる。

ところで、上記実施例では、２台の電動機により左右のねじ軸をそれぞれ回転させて昇降体を昇降させるものとして説明したが、例えばねじ軸の替わりに、ワイヤーまたはチェーンなどを有する駆動部材を介して昇降体を昇降させるようにしてもよい。

１車両本体
２本体部
３アウトリガー部
４電動荷役装置
１２移動体
１３マスト体
１４昇降体
１５フォーク部
１６昇降装置
２１外支柱材
２３外内枠部材
２５内支柱材
２７内枠部材
３６昇降部材
３７昇降装置
４２ねじ軸
４５ナット部材
７１減算部
７２第１変換部
７３第２変換部
７４加算部
７５ねじ軸駆動制御手段
７６荷重推定手段
７７荷物質量推定部
８５外乱オブザーバ
８６反作用トルク推定オブザーバ

Claims

荷物を保持する昇降体を２台の電動機によりそれぞれ駆動部材を介して昇降させるようにしたフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システムであって、
荷物を昇降させるための力指令値の１／２および昇降される昇降側部材の重量の１／２を加算して各駆動部材に与える付与力を求める付与力算出部と、この付与力算出部にて得られた付与力に基づき各電動機をそれぞれ駆動する２つの駆動制御手段とを具備し、
これら各駆動制御手段に、電動機に作用する外乱を推定する外乱推定器および電動機に作用する反力を推定する反力推定器を具備し、
さらに上記各駆動制御手段の反力推定器にて得られた反力の合計値を求めるとともに、この合計値から上記昇降側部材の重量を減算して荷物の重量を推定する荷重推定手段を具備したことを特徴とするフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システム。
荷重推定手段にて得られた荷重を重力加速度で除算することにより荷物の質量を求める荷物質量検出部を具備したことを特徴とする請求項１に記載のフォークリフトにおける電動荷役装置の制御システム。