JP6257213B2 - 搬送装置 - Google Patents

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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、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、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 −1・P・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、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。
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X 1 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 (6)

  1. 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。
  2. 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、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、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 −1・P・Mであることを特徴とする請求項1に記載の搬送装置。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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、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。
  6. 前記伝達関数P、P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。
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