JP7485211B2 - 巻層数の推定装置及びクレーン - Google Patents

Description

本発明は、ウインチドラムに巻かれたワイヤロープの巻層数を推定する巻層数の推定装置と、この巻層数の推定装置を備えるクレーンに関する。

従来から、移動式クレーンでは、ウインチドラムに巻かれたワイヤロープの巻層数の違いから生じるウインチドラムの回転に対するワイヤロープの巻き取り長さの差異を制御に用いる装置が知られている。

このような装置として、例えば特許文献１には、巻胴部の回転軸方向におけるロープの巻き取り位置を正確に取得してガイドシーブを移動させることで、ロープの乱巻の発生を防止することができる、ロープ乱巻防止装置が開示されている。

特開２０２０－３３１１４号公報

ところで、特許文献１に開示された発明は、長さが既知のロープを用いることで、作業機の姿勢に応じたウインチドラムより先に繰出したロープ長さ（以下、「繰出しロープ長さ」と称する。）を求める。そして、特許文献１に開示された発明は、繰出しロープ長さに基づいて、ウインチドラムに巻かれたロープの巻層数を推定する。

しかしながら、特許文献１に開示された発明では、ロープを切断して短くしたり、規定長外のロープを用いたりすると、巻層数の推定を誤ってしまう可能性があった。

そこで、本発明の目的は、ウインチドラムに巻かれたロープの巻層数を精度よく推定できる、巻層数の推定装置を提供することである。

本発明に係る巻層数の推定装置の一態様は、
ブーム、ウインチドラム、及びウインチドラムに巻かれたワイヤロープを有するクレーンに搭載され、前記ワイヤロープの巻層数を推定する巻層数の推定装置であって、
ワイヤロープの繰出長を算出する算出部と、
ウインチドラムの回転量を検出する検出部と、
ブームの第１姿勢と第２姿勢との、ワイヤロープの繰出長の差、及び、ウインチドラムの回転量の差に基づいて、巻層数を推定する制御部と、を備える
巻層数の推定装置。

本発明に係るクレーンの一態様は、上述の巻層数の推定装置を備える。

本発明によれば、ウインチドラムに巻かれたロープの巻層数を精度よく推定できる、巻層数の推定装置を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係るラフテレーンクレーンの側面図である。 図２は、ウインチドラムの巻層数（層位置）と繰出位置の説明図である。 図３は、巻層数の推定装置のブロック図である。 図４は、巻層数の推定装置を用いた制御のフローチャートである。 図５は、回転量－繰出長の関係を示すグラフである。 図６は、探索処理について説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施形態に記載されている構成要素は例示であり、本発明の技術範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。以下の実施形態では、ラフテレーンクレーン１を例にして説明するが、これに限定されるものではなく、他の移動式クレーンにも広く本発明を適用できる。

（クレーンの全体構成）
本実施形態に係るラフテレーンクレーン１は、図１に示すように、走行機能を有する車両の本体部分となる走行体１０と、走行体１０の四隅に設けられたアウトリガ１１と、走行体１０に水平旋回可能に取り付けられた旋回台１２と、旋回台１２に立設されたブラケット１３（旋回フレームの上部）に取り付けられたブーム１４と、を備えている。

アウトリガ１１は、スライドシリンダを伸縮させることによって、走行体１０から幅方向外側にスライド張出／スライド格納可能である。又、アウトリガ１１は、ジャッキシリンダを伸縮させることによって走行体１０から上下方向にジャッキ張出／ジャッキ格納可能である。

旋回台１２は、旋回用モータの動力が伝達されるピニオンギヤを有している。このピニオンギヤが走行体１０に設けた円形状のギヤに噛み合うことで旋回軸を中心に回動する。旋回台１２は、前方右側に配置された運転席１８と、後方中央に配置されたブラケット１３と、後方下部に配置されたカウンタウェイト１９と、を有している。

ブーム１４は、基端ブーム１４１と、１つ又は複数の中間ブーム１４２と、先端ブーム１４３とが、入れ子式に組み合わされている。ブーム１４は、内部に配置された伸縮シリンダによって伸縮する。

最も外側の基端ブーム１４１は、基端部がブラケット１３に水平に設置された支持軸に回動自在に取り付けられている。基端ブーム１４１は、支持軸を回転中心として上下に起伏する。さらに、ブラケット１３と基端ブーム１４１の下面との間には、起伏シリンダ１５が架け渡されている。起伏シリンダ１５を伸縮することで、ブーム１４全体が起伏する。ブーム１４のブーム長ＬＢ及び起伏角θＢは、それぞれブーム長検出器５１１及びブーム起伏角検出器５１２によって計測される。計測されたブーム長ＬＢ及び起伏角θＢは、制御部としてのコントローラ６０に伝送される。

先端ブーム１４３の最先端のブームヘッド１４４にはシーブが配置されている。シーブには、ワイヤロープ１６が掛け回されている。ワイヤロープ１６の先端部には、フックブロック１７が吊下げられている。一方、ワイヤロープ１６の基端はウインチ４０に巻き回されており、ウインチ４０を回転させることでワイヤロープ１６及びフックブロック１７を巻上げ又は巻下げることができる。

また、ブームヘッド１４４には、フックブロック１７のブームヘッド１４４への衝突・巻込みを防止するための過巻検出スイッチ１４５が取り付けられている。過巻検出スイッチ１４５は、ブームヘッド１４４から所定の距離だけ離れた位置に吊り下げられている。そして、過巻検出スイッチ１４５は、過巻位置検出器５２によって監視されている。過巻検出スイッチ１４５のＯＮ／ＯＦＦ状態は、過巻位置検出器５２によりコントローラ６０に伝送される。

さらに、ブームヘッド１４４には、ジブ３０及びテンションロッド２０、２０を取り付けることができる。なお、図１では、ジブ３０が横抱き姿勢で格納された状態を示している。ジブ３０はブームヘッド１４４を延長するように（作業半径を拡大できるように）取付／取外可能である。

ジブ３０は、チルト用シリンダ（不図示）の伸縮によってブーム１４に対して折り曲げ可能であり、かつ、伸縮シリンダ（不図示）によって伸縮可能である。テンションロッド２０、２０は、ブームヘッド１４４とジブ３０の中間位置との間に架け渡されて、ジブ３０を上向きに引っ張る。ジブ３０のジブ長ＬＪ及び起伏角θＪは、それぞれジブ長検出器５１３及びジブ折曲角検出器５１４によって計測されてコントローラ６０に伝送される。

ウインチ４０は、図２に示すように、円筒形状のウインチドラム４１（巻胴部）と、ウインチドラム４１を回転させる駆動部としての油圧モータ及び減速機（不図示）と、から構成されている。ウインチドラム４１には、ワイヤロープ１６が巻き回されている。すなわち、ウインチドラム４１には、ワイヤロープ１６が何層か重ねられて整然と巻き回されている。そして、このワイヤロープ１６の重なった層数をＭ（Ｍは自然数）とし、横方向の位置（ドラム全幅を１とした場合の各層における巻取開始側のフランジ部分から現在の位置までの比）をロープ繰出位置をＮ（Ｎは小数）とする。

（制御系の構成）
次に、図３のブロック図を用いて、ラフテレーンクレーン１に搭載される巻層数の推定装置Ｓの制御系の構成について説明する。本実施形態の巻層数の推定装置Ｓは、図３に示すように、制御部としてのコントローラ６０を中心として構成されている。コントローラ６０は、ＣＰＵ、メモリ、ＲＯＭやＳＳＤなどを有する（マイクロ）コンピュータである。そして、制御部としてのコントローラ６０には、入力機器として姿勢検出器５１と、過巻位置検出器５２と、ドラム回転量検出器５３と、が接続されている。

姿勢検出器５１は、姿勢検出部の一例に該当し、例えば、ブーム長検出器５１１と、ブーム起伏角検出器５１２と、ジブ長検出器５１３と、ジブ折曲角検出器５１４と、から構成されている。そして、姿勢検出器５１によって検出されたブーム長ＬＢ、ブーム起伏角θＢ、ジブ長ＬＪ、及びジブ折曲角θＪは、コントローラ６０に伝送される。

コントローラ６０は、ロープ繰出長演算器６１と、演算イベント発生器６２と、勾配演算器６３と、補正量演算器６４と、ドラム回転量－繰出長テーブル６５と、対過巻位置繰出長演算器６６と、を機能部として有している。各機能部の具体的な機能については、次に説明する図４のフローチャートを用いて説明する。

（制御フロー）
次に、図４のフローチャートを用いて、巻層数の推定装置Ｓの制御フローについて説明する。

まず、過巻位置検出器５２は、過巻検出スイッチの状態を監視しており、演算イベント発生器６２では、スイッチの変化（ＯＮ―ＯＦＦ）をイベント（Ｅｔ）として出力する（ステップＳ１）。

姿勢検出器５１は、クレーンの姿勢（ＬＢ、θＢ、ＬＪ、θＪ）を検出する。そうすると、ロープ繰出長演算器６１は、姿勢検出値に基づいてロープ経路の幾何学的な関係からドラム側基準位置と過巻検出位置間のロープ長（Ｘ）を求める（ステップＳ２）。ロープ繰出長演算器６１は、ワイヤロープの繰出長（ロープ長（Ｘ））を算出する算出部の一例に該当する。なお、ロープ長（Ｘ）は、姿勢検出値をインデックスとしてテーブルから探索してもよい。

ドラム回転量検出器５３は、検出部の一例に該当し、規定姿勢（ブーム全縮、起伏全伏）の過巻位置にフックブロック１７が位置するときの出力値を０とした回転量φを出力する（ステップＳ３）。

次に、勾配演算器６３は、イベント発生時のロープ長（Ｘ）が、少なくとも最小値である組（Ｘ１、φ１）と最大値である組（Ｘ２、φ２）を記憶する（ステップＳ４）。なお、記憶は、最小最大の２点以上とし、その間の複数の点を記憶してもよい（図６（ａ））。

次に、補正量演算器６４は、イベント発生時の記憶点と、ドラム回転量―繰出長テーブル６５のカーブを一致させるための補正量（Δφａｄｊ）を決定する（ステップＳ５、図６（ｂ））。最大最小の２点の場合に、２分探索で補正量を求める手順については後述する。

次に、対過巻位置繰出長演算器６６は、ドラム回転検出量（φｄｅｔ）を補正（Δφａｄｊ）した回転量（φｄｅｔ＋Δφａｄｊ）の位置のドラム層数（図５の右側縦軸）を現在のドラム層数（Ｍ）として出力する（ステップＳ６）。

同時に、対過巻位置繰出長演算器６６は、Ｍとして決定したテーブルの同一層における比（同じ層数である平らな部分のエンコーダ幅と、左側のエッジ部分から現在の位置までの比）を、同一層におけるロープ繰出位置（Ｎ）とする（ステップＳ６）。

規定姿勢（ブーム全縮、起伏全伏）時のドラム側基準位置と過巻検出位置間のロープ長をＸ０としたとき、過巻検出位置基準のワイヤロープ全長Ｙ（ワイヤロープ繰出量Ｙ）は、以下のように表すことができる（ステップＳ７）。

（２分探索で補正量を求める手順）
次に、巻層数の推定装置Ｓのコントローラ６０における、２分探索で補正量を求める具体的な計算手順（図４のステップＳ５）について説明する。推定手順は、電投時、検出時、使用時の順に説明する。

（電投時）
（１）ドラム回転（横軸）に対する、繰出長（左縦軸）と層数（右縦軸）の関係をＲＯＭデータとして記憶する（図５参照）。このときのドラム層数は、物理的に巻取り可能な最大層数までとし、最大限巻き取った時点でのドラム回転エンコーダ値を０とする。
（２）ドラム回転量φは、規定姿勢（ブーム全縮、起伏全伏）で、フックが過巻検出スイッチ１４５を構成する過巻防止ウェイトの位置における検出量を０とした、操出側を正とするエンコーダ値とする。

（検出時）
（３）ロープ長（Ｘ）が最小状態での過巻検出信号の変化したタイミング（過巻／非過巻）でのドラム回転量φ１と、ロープ繰出長Ｘ１と、を記録する（第１姿勢）。ロープ繰出長Ｘ１は、起伏角度やブーム長さ、過巻ウェイトの設置位置などの作業機の姿勢に応じて算出する。複数本掛けの場合は、掛け数も反映させたものとする。
（４）過巻検出のタイミング（過巻／非過巻）における、ロープ長（Ｘ）が最大状態でのドラム回転量φ２と、ロープ繰出長Ｘ２と、を記録する（第２姿勢）。
（５）繰出長の差（ΔＸ＝Ｘ２－Ｘ１）と回転量の差（Δφ＝φ２－φ１）を計算する。
（６）ここで、図６（ｂ）を用いて、二分探索で補正量を求める方法を説明する。
探索の初期値として、ＲＯＭに登録された回転量の最小位置（φ＝０）をＰ１、ＲＯＭに登録された回転量の最大位置（φの最大値）をＰ２とする。Ｐ２位置から、回転量の差分（Δφ）だけ差し引いた位置をＰ３とする。
（７）Ｐ１とＰ３の中間点をＰ４とする。ＲＯＭのドラム回転量－繰出長テーブル６５から、Ｐ４位置からΔφ増加させたときの、繰出長の増分ΔＸ４を計算する。
（８）ΔＸ４と繰出長の差（ΔＸ＝Ｘ１－Ｘ２）を比較して、
ａ）ΔＸ４＞ΔＸのときは、Ｐ３の値をＰ４で更新する。
ｂ）ΔＸ４＜ΔＸのときは、Ｐ１の値をＰ４で更新する。一致（ΔＸ４≒ΔＸ）となるまで、ａ）－ｂ）を繰り返す。
（９）φｄｅｔ＋Δφａｄｊ＝φｒｏｍ
上記の関係となるように、ドラム回転検出量φｄｅｔが、ＲＯＭに登録されたドラム回転量－繰出長テーブル６５の回転量φｒｏｍとなるように、補正量Δφａｄｊを決定する。

（使用時）
（１０）
正確な層数を反映したロープ絶対繰出長として、過巻検出位置基準でのワイヤロープ全長Ｙ（ワイヤロープ繰出量Ｙ）、使用ドラム層位置Ｍ、使用層におけるロープ繰出位置の比Ｎを算出する。

（効果）
次に、実施例で説明した巻層数の推定装置Ｓの奏する効果を列挙して説明する。

（１）上述してきたように、巻層数の推定装置Ｓは、移動式クレーンのウインチドラム４１に巻かれたワイヤロープ１６の巻層数Ｍを推定する、巻層数の推定装置である。この巻層数の推定装置Ｓは、移動式クレーンのブーム１４の姿勢を検出する姿勢検出器５１と、ウインチドラム４１の回転量を検出するドラム回転量検出器５３と、ブーム１４及びウインチドラム４１を制御する制御部としてのコントローラ６０と、を備えている。コントローラ６０は、検出されたブーム１４の第１姿勢に基づいて計算したワイヤロープ１６の繰出長Ｘ１と検出されたウインチドラム４１の回転量φ１と、検出されたブーム１４の第２姿勢に基づいて計算したワイヤロープ１６の繰出長Ｘ２と検出されたウインチドラム４１の回転量φ２と、を記憶し、第１姿勢と第２姿勢の繰出長の差ΔＸ及び回転量の差Δφに基づいて、巻層数Ｍを推定するように構成されている。このような構成であれば、ワイヤロープ１６を切断したり、規定長外のワイヤロープ１６を用いたりしても、検出されたブーム１４の姿勢とウインチドラム４１の回転量φとに基づいて、巻層数Ｍを正確に推定して全長Ｙを正確に求めることができる。

すなわち、巻層数の推定装置Ｓによれば、巻層数Ｍを正確に検出することができるため、結果としてドラム回転量φからロープの全長Ｙを正確に求めることができる。さらに、正規のワイヤロープ１６を短く切断したときに生じる、ワイヤロープ１６をウインチドラム４１から全て繰り出してしまう異常な操作や、ウインチトルク不足となる想定以上の巻層数Ｍでの使用を規制することができる。

そして、巻層数の推定装置Ｓは、以下に示すように、補正量演算時のΔφの大きさによって異なる効果を奏する。
１）Δφが同一層の回転量より大きい場合
ＭとＮを正しく計算できるので、使用中の層（Ｍ）やロープ繰出位置（Ｎ）に基づいて、正しく全長Ｙを求めることができる。
２）Δφが同一層の回転量より小さい場合
ａ）Ｎ＝０（％）とすることで、
求めた繰出長が、実際に繰り出される量の上限値となるため、巻き下げ側の作業範囲制限時の規制値（巻下操作時に対象物に接触させない安全装置）として活用できる。
ｂ）Ｎ＝１００（％）とすることで、
求めた繰出長が、実際に繰り出される量の下限値となるため、巻き上げ側の作業範囲制限時の規制値（巻上操作時に対象物に接触させない安全装置）として活用できる。

（２）また、制御部としてのコントローラ６０は、ウインチドラム４１の回転量φとワイヤロープ１６の繰出長Ｘの関係（ドラム回転量－繰出長テーブル６５）を記録したデータ記録部ＲＯＭをさらに備え、記録された回転量φと繰出長Ｘの関係と、第１姿勢と第２姿勢の回転量の差Δφ及び繰出長の差ΔＸと、に基づいて、両者の変化率（ΔＸ１／Δφ）が一致する巻層数Ｍを推定するように構成されていることが好ましい。このようにして、上に凸のカーブを有する回転量φ－繰出長Ｘの関係から、変化率（勾配）ΔＸ／Δφが一致する位置の巻層数Ｍを探索することができる。

（３）さらに、フックブロック１７の過巻位置を検出する過巻位置検出器５２をさらに備え、制御部としてのコントローラ６０は、フックブロック１７が過巻位置にある状態をブーム１４の第１姿勢及び第２姿勢として検出し、検出されたブーム１４の第１姿勢及び第２姿勢に基づいてワイヤロープ１６の繰出長を計算するようになっていることが好ましい。このように過巻位置検出器５２を使用して第１姿勢及び第２姿勢を規定することで、第１姿勢及び第２姿勢のワイヤロープ１６の繰出長Ｘを幾何学計算によって正確に計算することができる。

（４）また、制御部としてのコントローラ６０は、ブーム１４の長さが最小となる全縮状態、かつ、ブーム１４の起伏角が最小となる全伏状態を、ブーム１４の第１姿勢とするようになっていることが好ましい。このように第１姿勢を選択することによって、第２姿勢との回転量の差Δφ及び繰出長の差ΔＸを大きくとることができる。したがって、巻層数Ｍの推定精度が向上する。

（５）そして、本実施形態の移動式クレーンとしてのラフテレーンクレーン１は、上述したいずれかの巻層数の推定装置Ｓを備えているため、巻層数Ｍを正確に推定して全長Ｙを正確に求めることができる。このため、地切り制御や荷下ろし制御を正確かつ安全に実施することができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、実施形態では、ウインチ４０として、説明したが、このウインチ４０は、主巻ウインチであってもよいし、補巻ウインチであってもよい。主巻ウインチの場合には、ワイヤロープ１６のワイヤロープ掛け数に応じて回転量φ－繰出長Ｘの関係を修正することができる。

また、実施形態では、姿勢に基づいて幾何学計算によってワイヤロープ１６の繰出長Ｘ１、Ｘ２を求める場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ワイヤロープ１６の繰出長Ｘ１、Ｘ２は、例えば巻き尺などによって実測したうえで手入力することも可能である。

さらに、実施形態では、繰出長Ｘが最小最大となる場合の変化率が、記憶された変化率と一致するように、巻層数Ｍや繰出位置Ｎなどを推定したが、これに限定されるものではない。例えば、過巻が検出されたタイミングで毎回に巻層数Ｍや繰出位置Ｎを推定し、複数の推定値（Ｍ、Ｎ）を用いて推定精度を向上させることもできる。

２０２１年４月２０日出願の特願２０２１－０７０８０５の日本出願に含まれる明細書、図面、および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

本発明は、種々のクレーンに適用可能である。

１ ラフテレーンクレーン
１０ 走行体
１１ アウトリガ
１２ 旋回台
１３ ブラケット
１４ ブーム
１４１ 基端ブーム
１４２ 中間ブーム
１４３ 先端ブーム
１４４ ブームヘッド
１５ 起伏シリンダ
１６ ワイヤ
１７ フック
１８ 運転席
１９ カウンタウェイト
２０ テンションロッド
３０ ジブ
４０ ウインチ
５１ 姿勢検出器
５１１ ブーム長検出器
５１２ ブーム起伏角検出器
５１３ ジブ長検出器
５１４ ジブ折曲角検出器
５２ 過巻位置検出器
５３ ドラム回転量検出器
６０ コントローラ
６１ ロープ繰出長演算器
６２ 演算イベント発生器
６３ 勾配演算器
６４ 補正量演算器
６５ ドラム回転量－繰出長テーブル
６６ 対過巻位置繰出長演算器
Ｓ 巻層数の推定装置
Ｘ ドラム側基準位置と過巻検出位置間のロープ長
Φ ドラム回転量

Claims (5)

1. ブーム、ウインチドラム、及び前記ウインチドラムに巻かれたワイヤロープを有するクレーンに搭載され、前記ワイヤロープの巻層数を推定する巻層数の推定装置であって、
   前記ワイヤロープの繰出長を算出する算出部と、
   前記ウインチドラムの回転量を検出する検出部と、
   前記ブームの第１姿勢と第２姿勢との、前記ワイヤロープの繰出長の差、及び、前記ウインチドラムの回転量の差に基づいて、前記巻層数を推定する制御部と、を備える
   巻層数の推定装置。
2. 制御部は、
   前記ウインチドラムの回転量と前記ワイヤロープの繰出長とを対応付けたドラム回転量－繰出長テーブルを記録したデータ記録部をさらに備え、
   前記ドラム回転量－繰出長テーブル、前記ワイヤロープの繰出長の差、及び前記ウインチドラムの回転量の差に基づいて、前記巻層数を推定する、請求項１に記載の巻層数の推定装置。
3. フックの過巻位置を検出する過巻位置検出器をさらに備え、
   前記第１姿勢及び前記第２姿勢はそれぞれ、前記ブームの姿勢が異なり、かつ、前記ワイヤロープに固定されたフックが過巻位置にある状態に対応する、請求項１に記載の巻層数の推定装置。
4. 前記第１姿勢は、前記ブームの全縮状態かつ全伏状態に対応する、請求項１に記載の巻層数の推定装置。
5. 請求項１に記載の巻層数の推定装置を備える、クレーン。

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