JP6257213B2

JP6257213B2 - 搬送装置

Info

Publication number: JP6257213B2
Application number: JP2013164101A
Authority: JP
Inventors: 龍太河野
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Material Handling Systems Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Material Handling Systems Co Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: JP2015030622A

Description

本発明は、倉庫や工場等で用いられる搬送装置に関する。

電子機器を製造する工場や、日用品や雑貨、食品等を扱う物流センターでは、物品の搬入、搬出、移動を自動で行う搬送装置が使用される。

図１は、スタッカクレーンを用いた搬送システム１ｒを示す図である。搬送システム１ｒは、搬送装置であるスタッカクレーン１０ｒと、スタッカクレーン１０ｒを制御する地上制御盤４０と、を備える。

スタッカクレーン１０ｒは、走行レール１２、走行台車１４、走行装置１６、マスト１８、昇降台２０、昇降装置２２、フォーク台２４、機上制御盤３０、光通信装置３２を備える。走行レール１２は、地上に設置されたラック６０に沿って敷設される。走行台車１４は、走行レール１２に沿って移動可能となっている。以下走行レール１２の方向をＸ、鉛直方向をＺ、横方向をＹとする。

走行装置１６は、地上制御盤４０からの制御指令にもとづいて、走行台車１４の走行を制御する。マスト１８は、走行台車１４上に設置されており、走行台車１４とともに走行レール１２に沿って移動する。昇降台２０は、マスト１８に対して上下方向（Ｚ方向）に昇降可能に取り付けられている。昇降装置２２は、地上制御盤４０からの制御指令にもとづいて昇降台２０の位置を変化させる。

フォーク台２４は、図示しない荷物をラック６０に置き、あるいはラックから荷物を取り出すために設けられ、昇降台２０上に、Ｙ方向に移動可能に取り付けられる。フォーク台２４も、地上制御盤４０からの制御指令にもとづいて制御される。その他、スタッカクレーン１０ｒは、図示しないカメラや各種センサを備える。

スタッカクレーン１０ｒおよび地上制御盤４０はそれぞれ、光通信装置３２、４２を備え、光通信によって地上制御盤４０からスタッカクレーン１０に対して制御指令を伝送可能となっている。光通信としては、ＲＳ２３２ＣあるいはＲＳ４２２などが使用されるのが一般的であった。光通信装置３２が受信した制御指令は、機上制御盤３０に入力され、機上制御盤３０は、地上制御盤４０からの制御指令にもとづいて、走行装置１６、昇降装置２２等を制御する。また、機上制御盤３０は、制御指令の受領のアクノリッジ、指令の完了の通知などを、光通信を介して地上制御盤４０に伝送可能となっている。

以上が搬送システム１ｒの全体の概要である。

図２は、本発明者が検討した比較技術に係るスタッカクレーン１０ｒの走行に関する制御ブロック図である。比較技術において、スタッカクレーン１０ｒは、地上制御盤４０からの制御指令として、速度指令値Vrefを受信する。速度指令値Vrefは、台形波や三角波などの予め定められた波形を有しており、その時間積分値が、走行台車１４の移動距離、つまり座標Ｘの目標値Xrefに対応する。

プラント５０６の入力はトルク指令値Tcomであり、その出力は走行台車１４の位置となる。プラント５０６は、走行用のモータを駆動するインバータと、走行用のモータと、を含むブロックに相当する。

エンコーダ５０８は、走行台車１４の速度を検出し、速度フィードバック値Vfbを生成する。減算器５０２は、速度指令値Vrefと速度フィードバック値Vfbの誤差を生成する。速度コントローラ５０４は、たとえばＰ（比例）コントローラ、ＰＩ（比例・積分）コントローラ、ＰＩＤ（比例・積分・微分）コントローラであり、誤差にもとづいて、トルク指令値Tcomを生成する。

測距計５１０は、走行台車１４の座標Ｘを検出する。速度コントローラ５０４は、その値が目標値Xrefに近づくと、クリープ速度にて走行台車１４を減速させ、目標位置にゆるやかに停車させる。

特開２００２−２７４６１１号公報

図２のスタッカクレーン１０ｒは、速度指令値Vrefにもとづいて位置が制御され、速度指令値Vrefの波形は予め定められた波形に制約される。かかる事情から、走行台車１４を目標位置Xrefに移動させるのに、長い時間がかかるという問題がある。

加えて、スタッカクレーン１０ｒにおいて、速度指令値Vrefが急激に変化したり、速度指令値Vrefの波形のスペクトルが、マスト１８を含む振動系の固有振動数を含む場合、マスト１８が振動してしまうという問題がある。この問題を解決するために、減算器５０２の前段に、速度指令値Vrefをフィルタリングするフィルタを挿入することも考えられるが、この場合、走行台車１４を目標位置Xrefに移動させるのに要する時間がさらに長くなるという問題がある。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、制震しつつ、高速移動が可能な搬送装置の提供にある。

本発明のある態様は、位置指令値を受け、走行台車の位置を位置指令値に応じて制御する搬送装置に関する。搬送装置は、モータを監視し、走行台車の現在の位置を示す第１位置検出値を生成するモータエンコーダと、位置指令値をフィルタリングするフィルタと、フィルタを経た位置指令値と第１位置検出値の誤差がゼロとなるように値が調節される速度指令値を生成する位置コントローラと、速度指令値と、モータエンコーダを利用して得られる現在の走行台車の速度を示す速度検出値と、の誤差がゼロとなるように値が調節されるトルク指令値を生成する速度コントローラと、トルク指令値にもとづいてモータを駆動する駆動部と、を備える。

この態様によると、搬送装置を制震しつつ、高速移動させることができる。

トルク指令値を入力、走行台車の位置を出力とする伝達関数をＰ_１、トルク指令値を入力、搬送装置の昇降台の位置を出力とする伝達関数をＰ_２、規範モデルをＭとするとき、フィルタの伝達関数G₁(s)はＰ_２ ^−１・Ｐ_１・Ｍであってもよい。
この態様によれば、振動を好適に抑制できる。

ある態様の搬送装置は、フィルタを経た位置指令値を微分して速度フィードフォワード値を生成し、速度フィードフォワード値を速度指令値に重畳する第１フィードフォワード部をさらに備えてもよい。
この態様によれば、振動を好適に抑制できる。

ある態様の搬送装置は、位置指令値に応じたトルクフィードフォワード値を生成し、トルクフィードフォワード値をトルク指令値に重畳する第２フィードフォワード部をさらに備えてもよい。
この態様によれば、振動を好適に抑制できる。

トルク指令値を入力、搬送装置の昇降台の位置を出力とする伝達関数をＰ_２、規範モデルをＭとするとき、第２フィードフォワード部は、位置検出値に伝達関数G₂(s)=P2^-1・Mを乗算して、トルクフィードフォワード値を生成してもよい。

ある態様の搬送装置は、モータエンコーダとは別に設けられ、走行台車の現在の位置を示す第２位置検出値を生成する測距計と、位置補正値を第１位置検出値に重畳するとともに、位置補正値が重畳された第１位置検出値が第２位置検出値と一致するように、位置補正値の値を調節する絶対位置補正部と、をさらに備えてもよい。
この態様によれば、モータエンコーダによる位置検出の精度が低い場合においても、高速かつ正確に位置制御を行うことができる。

伝達関数Ｐ１、Ｐ２の少なくとも一方は、搬送装置の状態に応じて適応的に変化してもよい。

本発明のある態様によれば、搬送装置の振動を抑制しつつ、高速移動が可能となる。

スタッカクレーンを用いた搬送システムを示す図である。本発明者が検討した比較技術に係るスタッカクレーンの走行に関する制御ブロック図である。実施の形態に係るスタッカクレーンの走行に関する制御ブロック図である。図４（ａ）は、図２のスタッカクレーンの動作波形図であり、図４（ｂ）は、図３のスタッカクレーンの動作波形図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

以下、実施の形態に係る搬送装置について、スタッカクレーンを例に説明する。
スタッカクレーン１０の全体構成については、図１を参照して説明した通りである。以下では、スタッカクレーン１０の走行制御系統について説明する。図３は、実施の形態に係るスタッカクレーン１０の走行に関する制御ブロック図である。

本実施の形態において、スタッカクレーン１０は、地上制御盤４０から送信された位置指令値Xrefが入力される点が、図２のスタッカクレーン１０ｒと異なっている。スタッカクレーン１０の機上制御盤３０は、走行台車１４の位置Xが位置指令値Vrefと一致するように、走行装置１６を制御する。

スタッカクレーン１０は、モータ１００ａ、駆動部１００ｂ、減算器１０２、位置コントローラ１０４、加減算器１０６、微分器１０８、速度コントローラ１１０、加算器１１２、モータエンコーダ１１４、測距計１１６、制震制御部１２０、絶対位置補正部１３０を備える。

駆動部１００ｂはたとえばインバータであり、トルク指令値Tcomにもとづいて走行用のモータ１００ａを駆動する。この制御系においては、駆動部１００ｂおよびモータ１００ａ、走行台車１４やマスト１８を含めた部分がプラント１００として扱われる。

このプラント１００は、スタッカクレーン１０の一部を、走行装置１６のモータ１００ａに対するトルク指令値Tcomを入力として、走行台車１４の位置X₁および昇降台２０の位置（振動）X₂を出力としてモデル化したものである。プラント１００は、モータ１００ａおよびモータを駆動する駆動部１００ｂの電気的特性と、走行台車１４やマスト１８等の機械的な特性にもとづいてモデル化される。

Ｐ_１は、トルク指令値Tcomを入力、走行台車１４の位置X₁を出力とする伝達関数であり、Ｐ_２は、トルク指令値Tcomを入力、昇降台２０の位置、つまりマスト１８の振動X₂を出力とする伝達関数である。たとえばスタッカクレーン１０の挙動は、２つの物体がバネを介して接続される二慣性モデルを用いて表すことができ、P₂は２階積分×共振として、P₁は、２階積分×反共振×共振として表すことができる。ただしスタッカクレーン１０を記述するモデルおよび伝達関数P₁、P₂は特に限定されず、その形式にかかわらず本発明の技術的範囲に含まれる。

スタッカクレーン１０には、（1）走行台車１４の位置X₁を短時間で目標位置Xrefに一致させる性能が要求される。これに加えてスタッカクレーン１０には、（2）マスト１８の振動X₂を低減する性能が要求される。

制震制御部１２０は、フィルタ１２２を含む。フィルタ１２２は、位置指令値Xrefに伝達関数G₁(s)=P₂ ^-1 P₁ Mを乗ずる。Mは規範モデルであり、たとえば２慣性系の場合、２次遅れの系で記述される。ただし規範モデルMも特に限定されるものではない。伝達関数G₁(s)は、規範モデル×反共振で表され、この場合、ノッチフィルタと位相進みフィルタの組み合わせで実現することができる。

第１フィードフォワード部１２４は、フィルタ１２２を経た位置指令値Xref'を微分し、速度フィードフォワード値Vffを生成し、速度フィードフォワード値Vffを速度指令値Vcomに重畳する。具体的には、速度フィードフォワード値Vffは後段の加減算器１０６によって速度指令値Vcomに加算される。

第２フィードフォワード部１２６は、位置指令値Xrefに伝達関数G₂(s)=P2^-1 Mを乗算して、トルクフィードフォワード値Tffを生成し、トルクフィードフォワード値Tffをトルク指令値Tcomに重畳する。伝達関数G₂(s)は、規範モデル×共振逆特性×２階疑似微分で表すことができる。具体的にはトルクフィードフォワード値Tffは後段の加算器１１２によって、トルク指令値Tcomに加算される。

加算器１２８は、フィルタ１２２を経た位置指令値Xref'に対して、後述する絶対位置補正部１３０により生成された位置補正値Xcを加算し、位置指令値Xref''を出力する。

制震制御部１２０を経た位置指令値Xref''は、減算器１０２に入力される。モータエンコーダ１１４は、モータの可動子の位置を検出し、現在の走行台車１４の位置X₁を示す第１位置検出値Xfb₁を生成する。減算器１０２は、位置指令値Xref''から第１位置検出値Xfb₁を減算し、それらの誤差dXを生成する。位置コントローラ１０４は、誤差dXがゼロとなるように、速度指令値Vcomを生成する。位置コントローラ１０４は、Ｐコントローラ、ＰＩコントローラ、あるいはＰＩＤコントローラなどで構成可能である。

微分器１０８は、第１位置検出値Xfb₁を微分し、走行台車１４の現在の速度検出値Vfbを生成する。加減算器１０６は、速度指令値Vcomから速度検出値Vfbを減算し、それらの誤差dVを生成する。さらに加減算器１０６は、速度指令値Vcomに制震制御部１２０により生成される速度フィードフォワード値Vffを加算する。

速度コントローラ１１０は、誤差dVがゼロになるようにトルク指令値Tcomを生成する。速度コントローラ１１０は、Ｐコントローラ、ＰＩコントローラ、あるいはＰＩＤコントローラなどで構成可能である。たとえば位置コントローラ１０４をＰコントローラ、速度コントローラ１１０をＰＩコントローラで構成してもよい。加算器１１２は、トルクフィードフォワード値Tffが加算されたトルク指令値Tcom'を、プラント１００に出力する。

以上がスタッカクレーン１０のメインのフィードバック／フィードフォワード制御に関する説明である。ここで、走行台車１４の車輪の空転、すべりなどが存在しない理想状態では、モータエンコーダ１１４によって検出された第１位置検出値Xfb₁と実際の位置X₁とは一致するが、現実的には、それらの間には誤差が発生する。絶対位置補正部１３０はこれらの誤差を補正するために設けられる。

測距計１１６は、モータエンコーダ１１４とは別に設けられた高精度な位置センサであり、位置X1を示す第２位置検出値Xfb2を生成する。この測距計１１６は、図２の測距計５１０に相当する。測距計１１６による第２位置検出値Xfb2の更新速度は、モータエンコーダ１１４よりも遅いことに留意されたい。絶対位置補正部１３０は、第２位置検出値Xfb2にもとづいて、位置補正値Xcを生成する。

絶対位置補正部１３０は、減算器１３２、ローパスフィルタ１３４、補正制御部１３６、積分器１３８、減算器１４０を備える。

減算器１４０は、モータエンコーダ１１４からの第１位置検出値Xfb₁から、絶対位置補正部１３０の出力である位置補正値Xcを減算し、第１位置検出値Xfb₁を補正する。絶対位置補正部１３０は、補正された第１位置検出値Xfb1'が測距計１１６からの第２位置検出値Xfb₂と一致するように、位置補正値Xcの値を調節する。

より具体的には、減算器１３２は、第１位置検出値Xfb1と第２位置検出値Xfb2の誤差dXfbを生成する。ローパスフィルタ１３４は、誤差dXfbの高周波成分を除去する。補正制御部１３６は、ローパスフィルタ１３４を経た誤差dXfbを受ける。補正制御部１３６は、Ｐ制御、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御などにより、補正値Ycを生成する。積分器１３８は、補正値Ycを積分し、位置補正値Xcを生成する。

以上がスタッカクレーン１０の構成である。続いてその動作を説明する。

スタッカクレーン１０は、メジャーループにおいて、走行台車１４の位置X₁が位置指令値Xrefと一致するようにフィードバックがかかる。そしてマイナーループにおいては、モータの速度Vfbが、メジャーループの制御に応じて生成された速度指令値Vcomと一致するように、モータのトルク指令値Tcomが調節される。

このスタッカクレーン１０の利点は、図２のスタッカクレーン１０ｒとの比較により明確となる。図４（ａ）は、図２のスタッカクレーン１０ｒの動作波形図である。スタッカクレーン１０ｒでは、速度指令値Vrefにもとづく位置制御を行うため、地上制御盤４０において、走行台車１４が所望の位置に移動するように速度指令値Vrefを生成することとなる。図４（ａ）では、台形の速度指令値Vrefにより位置制御する場合を示す。速度指令値Vrefの波形が制限されると、その積分値である位置Xの軌跡も制約されることとなる。このことが、位置Xを目標位置Xrefに一致させるのに要する制御時間Tcを長くしている。もし、図４（ａ）に一点鎖線で示す軌跡にしたがって位置制御ができれば、制御時間Tcを短縮できることが理解されよう。

加えて、図２のスタッカクレーン１０ｒでは、メジャーループにおける最終的な位置の調節は、測距計５１０からの更新速度が遅い位置検出値にもとづいて行われるため、制御時間Tcはさらに長いものとなる。

翻って図３のスタッカクレーン１０の動作を説明する。図４（ｂ）は、図３のスタッカクレーン１０の動作波形図である。図３のスタッカクレーン１０では、位置指令値Xrefを任意の波形にしたがって変化させることができる。図４（ｂ）には、位置指令値Xrefが、図４（ａ）の一点鎖線にしたがって変化させたときの様子が示される。図４（ａ）との対比から明らかなように、図３のスタッカクレーン１０によれば、制御時間Tcを短縮し、短時間で走行台車１４を位置決めすることが可能となる。

さらに、実施の形態に係るスタッカクレーン１０によれば、フィルタ１２２を設けたことにより、地上制御盤４０において生成された位置指令値Xrefが、プラント１００の固有振動数を含むような波形であったとしても、マストの振動を低減することができる。

また第１フィードフォワード部１２４を設け、速度フィードフォワードを行い、さらに第２フィードフォワード部１２６を設け、トルクフィードフォワードを行うことで、マストの振動の低減の効果を高めることができる。

加えて、実施の形態に係るスタッカクレーン１０では、メジャーループにおける位置制御を、高速であるが精度に劣るモータエンコーダ１１４の検出値Xfb₁を用いて行い、モータエンコーダ１１４の誤差を、高精度であるが低速な測距計１１６の検出値Xfb₂を用いて行っている。これにより、メジャーループに測距計５１０の検出値が利用される図２のスタッカクレーン１０ｒに比べて、高精度で高速な制御が可能となる。

以上、実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎない。また、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

搬送装置は、図１に図示する形式のスタッカクレーンには限定されず、仕分け台車、天井移載機、無人搬送車などであってもよい。

実施の形態では、モータエンコーダ１１４の第１位置検出値Xfb₁の誤差が無視し得ないものとして説明したが、その誤差が無視できる場合、つまり第１位置検出値Xfb1が正確な場合には、絶対位置補正部１３０を省略してもよい。

また実施の形態では、制震制御部１２０において、フィルタ１２２によるスペクトル整形と、フィードフォワードの併用により、マスト１８を制震する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば、フィルタ１２２のみを用いても良いし、フィルタ１２２と第１フィードフォワード部１２４の組み合わせ、フィルタ１２２と第２フィードフォワード部１２６の組み合わせを用いてもよい。あるいはマスト１８の振動が問題とならない場合には、制震制御部１２０全体を省略してもよい。

伝達関数P₁、P₂は、スタッカクレーン１０の状態、たとえば昇降台２０に搭載される荷物の重量や、昇降台２０の高さに応じて変化する。そこで、変形例においては、スタッカクレーン１０の状態に応じて、伝達関数P₁、P₂の少なくとも一方を適応的、動的に変化させてもよい。

１…搬送システム、１０…スタッカクレーン、１２…走行レール、１４…走行台車、１６…走行装置、１８…マスト、２０…昇降台、２２…昇降装置、２４…フォーク台、３０…機上制御盤、３２…光通信装置、４０…地上制御盤、１００…プラント、１０２…減算器、１０４…位置コントローラ、１０６…加減算器、１０８…微分器、１１０…速度コントローラ、１１２…加算器、１１４…モータエンコーダ、１１６…測距計、１２０…制震制御部、１２２…フィルタ、１２４…第１フィードフォワード部、１２６…第２フィードフォワード部、１２８…加算器、１３０…絶対位置補正部、１３２…減算器、１３４…ローパスフィルタ、１３６…補正制御部、１３８…積分器、１４０，５０２…減算器、５０４…速度コントローラ、５０６…プラント、５０８…エンコーダ、５１０…測距計。

Claims

荷物の搬送を行う走行台車を有し、位置指令値を受けて前記走行台車の位置を位置指令値に応じて制御する搬送装置であって、
前記走行台車を走行させるためのモータと、
前記モータを監視して前記走行台車の現在の位置を検出し、前記走行台車の現在の位置を示す第１位置検出値を生成するモータエンコーダと、
前記モータエンコーダとは別に設けられており、前記モータエンコーダよりも高精度に前記走行台車の現在の位置を検出して、前記走行台車の現在の位置を示す第２位置検出値を生成する測距計と、
位置補正値により補正した第１位置検出値が前記第２位置検出値と一致するように、前記位置補正値を調節する絶対位置補正部と、
前記位置指令値をフィルタリングするフィルタと、
前記フィルタを経た位置指令値をXref'、前記位置補正値をXc、前記第１位置検出値をXfb ₁ とするとき、Xref'+XcがXfb ₁ に近づくように値が調節される速度指令値を生成する位置コントローラと、
前記速度指令値と、前記モータエンコーダを利用して得られる前記走行台車の現在の速度を示す速度検出値と、の誤差がゼロとなるように値が調節されるトルク指令値を生成する速度コントローラと、
前記トルク指令値にもとづいて前記モータを駆動する駆動部と、
を備えることを特徴とする搬送装置。
前記搬送装置は、前記走行台車上に設置されているマストと、前記マストに対して上下方向に昇降可能に取り付けられている昇降台と、を有するスタッカクレーンであり、
前記トルク指令値を入力、前記走行台車の位置を出力とする伝達関数をＰ_１、前記トルク指令値を入力、前記昇降台の位置を出力とする伝達関数をＰ_２、規範モデルをＭとするとき、前記フィルタの伝達関数G₁(s)はＰ_２ ^−１・Ｐ_１・Ｍであることを特徴とする請求項１に記載の搬送装置。
前記フィルタを経た位置指令値を微分して速度フィードフォワード値を生成し、前記速度フィードフォワード値を前記速度指令値に重畳する第１フィードフォワード部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の搬送装置。
前記位置指令値に応じたトルクフィードフォワード値を生成し、前記トルクフィードフォワード値を前記トルク指令値に重畳する第２フィードフォワード部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の搬送装置。
前記トルク指令値を入力、前記昇降台の位置を出力とする伝達関数をＰ_２、規範モデルをＭとするとき、前記第２フィードフォワード部は、前記位置指令値に伝達関数G₂(s)=P2^-1・Mを乗算して、前記トルクフィードフォワード値を生成することを特徴とする請求項４に記載の搬送装置。
前記伝達関数Ｐ_１、Ｐ_２の少なくとも一方は、前記搬送装置の状態に応じて適応的に変化することを特徴とする請求項２に記載の搬送装置。