JPH0789691A - 荷役機械における吊荷の振れ角検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 荷役機械において、劣悪な環境条件の影響を
受けることなく、随時、吊荷の振れ角を安定して検出
し、自動運転化の制御に供することができるようにする
こと。 【構成】 複数の測定点を有して吊荷の重量Ｗを計量す
る計量手段１８を備えて吊下げた前記吊荷を移動させる
荷役機械１０において、前記吊荷の振れに基づき発生す
る移動方向の分力Ｆ₁ を前記各測定点に対する垂直方向
の荷重変化値として前記計量手段１８により検出し、検
出されたこの荷重変化値と計量された前記吊荷の重量Ｗ
とを関連付けて演算処理することにより前記吊荷の振れ
角θを検出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、ゴミ焼却工場
用のバケットクレーン、鉄鋼用天井クレーン、アンロー
ダ等のような荷役機械における吊荷の振れ角検出方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、天井クレーン、アンローダ等の
荷役機械において、自動運転化しようとする場合、吊荷
をロープにより吊下げている関係上、自動振れ止め対策
は必要不可欠である。例えば、天井クレーンにおいて、
天井クレーンが横行又は走行を開始すると、吊荷はクレ
ーンとは同一の動きとはならず、クレーンが移動した直
後は吊荷は移動せずクレーンが移動開始した後、しばら
く経ってから移動を開始する。この時の吊荷の動きは、
クレーンの移動開始後に、しばらく経ってからロープに
よって引っ張られるようにして動く。次いで、クレーン
の移動方向に吊荷を振り子と見立てた場合と同様な動
き、即ち、自由振動を開始する。この振動幅の大きさ
は、クレーンの加・減速度が大きければ大きいほど、大
きくなる。また、吊荷を振り子の自由振動と見做した時
の振動の周期Ｔ〔ｓｅｃ〕は、振り子（吊荷）の長さを
Ｌ〔ｍ〕、重力の加速度をｇ（＝９．８ｍ／ｓｅｃ²）
とすると、 Ｔ＝２π√（Ｌ／ｇ） ……………………(１） で示されることがよく知られている。

【０００３】ここに、クレーンの移動動作には必然的に
加速・減速動作が伴うため、吊荷に振れを発生させずに
この吊荷を移動させることは理論上不可能であるが、荷
役機械の自動運転において、重要なことは、目標地点に
到達した時には吊荷の振れ角がゼロ（０）になっている
ことである。当然、走行中はある一定角のままか、又
は、垂直状態にあるのが望ましい。

【０００４】例えば、ゴミ焼却工場におけるバケットク
レーンの自動運転においては、ピット内のゴミをバケッ
トで掴んだ後、巻上げ・横行・走行させてホッパ上へ移
動させ、ホッパ真上でバケットを開いてゴミを投入する
作業を繰返すことになるので、目標地点（＝ホッパ真
上）でバケットが振れているとゴミをホッパ内に確実に
投入できなくなってしまうからである。

【０００５】このような点を考慮し、目標地点で吊荷の
振れ角をゼロにするための手法として、大別すると、次
のような２通りの方法がある。

【０００６】第１の方法は、クレーンの加・減速を吊荷
の振動周期に合わせて行うようにする方法である。図６
はこの方法を説明するためのシミュレーション例を示す
もので、同図（ａ)に示すように巻上げ動作を行った
後、同図(ｂ)に示すような加・減速を伴う横行動作、及
び、同図(ｃ)に示すような加・減速を伴う走行動作を行
わせる場合の横行振れ角、走行振れ角の振動周期を同図
(ｄ)(ｅ)に示したものである。このシミュレーション例
では、横行・走行ともに加速完了時には振れ角がゼロと
なっており、減速完了時においても振れ角はゼロとなっ
ている。なお、このシミュレーション例では、横行の加
・減速動作は振動周期に合わせた時間とし、走行の加・
減速動作は振動周期の２倍なる時間としている。

【０００７】このような第１の方法は、簡単な方法にし
て理想的とも云える振れ止め制御を実現し得るが、初期
角がゼロであることを必須条件とし、実際的な方法とは
云えないものである。これは、実際の荷役においては初
期角を常にゼロとすることが困難な場合があるからであ
る。例えば、ゴミ焼却工場におけるバケットクレーンで
はピット内のゴミ山にバケットが着地した後で掴み動作
に入るが、ゴミ山が崩れた場合にはクレーンの真下にバ
ケットが着地しても実際に巻上げを開始する段階では、
バケットの位置がずれてしまい、結果的には初期角がゼ
ロでなくなることがあるからである。

【０００８】第２の方法は、このような欠点を解消した
ものであり、ファジィコントローラを利用して、実際の
振れ角を検出して振れ止め制御を行うようにしたもので
ある。図７はこの方法を略図的に示すものであり、吊荷
１を吊下げながらレール２に沿って駆動モータ３により
移動（横行又は走行）するトロリ４から、ロープ長、振
れ角、クレーン（トロリ４）の現在位置等の情報をフィ
ードバックさせ、目標位置情報と演算器５で演算してフ
ァジィコントローラ６に入力させ、目標位置での振れ角
がゼロとなるように、ＶＶＶＦ７を通して駆動モータ３
を動作制御、即ち、加・減速制御を行うようにしたもの
である。

【０００９】ここに、振れ角の検出は、例えば振れ角検
出用巻上げロープとカメラとの組合せにより直接的に検
出するものや、画像処理により間接的に検出するものが
ある。何れにしても、吊荷１の振れ角を常に検出して吊
荷１の振れ止めを行う、所謂フィードバック制御であ
り、第１の方法に比べて有効な制御法といえる。つま
り、第２の方法によれば、加速開始時に初期角がゼロで
なく振れがあっても、加速完了後に定速状態に入った時
には振れ止め制御により振れをゼロとし得るとともに減
速時に振れが発生しても停止時に振れ角をフィードバッ
クさせることにより正確に振れ止め制御し得るものであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】第２の方法中に示され
るような吊荷の振れ角検出方法として、カメラを利用す
る方法は、一般工場における天井クレーンでは効果を上
げている。特に、最近の半導体カメラは分解能が高く、
１°未満の僅かな振れ角であっても検出可能となってき
ている。

【００１１】ところが、このような手法は、環境条件に
よる適用性が問題になることがある。例えば、ゴミ焼却
工場ではホッパ上でバケットを開いてゴミを撹拌する
時、掴んだゴミを一定高さまで巻上げた後、バケットを
開いてゴミを落下させるが、この際、多量の粉塵が舞い
上がってしまう。このような悪い環境条件に曝されると
カメラによる光学的検出手段によっては振れ角に検出誤
差を生じ得るとともに、振れ角の検出そのものが不可能
になってしまうこともある。

【００１２】よって、多量の粉塵が発生するゴミ焼却工
場のような劣悪なる環境条件下においても、このような
環境条件に左右されることなく、吊荷の振れ角を安定し
て検出でき、自動振れ止め制御に供することができる吊
荷の振れ角度検出方法の確立が待望されている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】複数の測定点を有して吊
荷の重量を計量する計量手段を備えて吊下げた前記吊荷
を移動させる荷役機械において、前記吊荷の振れに基づ
き発生する移動方向の分力を前記各測定点に対する垂直
方向の荷重変化値として前記計量手段により検出し、検
出されたこの荷重変化値と計量された前記吊荷の重量と
を関連付けて演算処理することにより前記吊荷の振れ角
を検出するようにした。

【００１４】

【作用】荷役機械を移動させると吊荷に振れが発生し、
吊荷の重量によってその移動方向に分力が発生する。こ
の分力は、当該荷役機械に一般的に標準装備されている
計量手段においては各測定点で必ず鉛直方向の荷重変化
をもたらすように作用するので、荷重変化値を検出する
ことにより分力に換算し得る。そこで、当該荷役機械が
備えている計量手段をそのまま用いることにより構造的
な変更を要することなく荷重変化値を検出して吊荷の重
量と関連付けた演算処理を行うだけで、環境に影響され
ることなく、吊荷の振れ角を算出し得るものとなり、自
動運転を確立するための適正な自動振れ止め制御に供す
ることができる。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図５に基づい
て説明する。本実施例は、荷役機械として、例えばゴミ
焼却工場用のバケットクレーン１０に適用したものであ
り、その基本構成の概略を図２及び図３により説明す
る。図２は横行台車１１の概略平面図を示し、図３は横
行台車１１の概略側面図を示し、例えば、２本の横行レ
ール１２に沿って、図中、左右方向（図２に示すＸ方
向）に横行移動し得るように構成されている。ここに、
この横行台車１１はゴミを掴むために開閉自在なバケッ
ト（吊荷）１３を吊下げたもので、巻上げ支持用ロープ
１４を介して巻上げ動作を行うための巻上げドラム１５
（この他、巻上げモータ、ブレーキ等の巻上げ機構、及
び、電気制御装置を含む）と、開閉用ロープ１６を介し
てバケット１３の開閉動作を行うための開閉ドラム（こ
の他、開閉モータ、ブレーキ等の開閉機構、及び、電気
制御装置を含む）１７とを搭載している。

【００１６】しかして、本実施例の対象とするゴミ焼却
工場用のバケットクレーン１０の場合、吊荷荷重を計量
するためのロードセル（計量手段）１８を必ず備えてい
る。これは、ゴミ焼却量を管理するため、ホッパへのゴ
ミ投入時にゴミ重量を計量するためである。つまり、ゴ
ミをホッパへ投入する時、ゴミの計量を行った後で、バ
ケット１３を開いてゴミをホッパに投入するように運営
している。

【００１７】ここに、ロードセル１８は例えば横行台車
１１上の前後左右の４隅に測定点を持つようにＬＣ₁₁，
ＬＣ₁₂，ＬＣ₂₁，ＬＣ₂₂で示す如く４個配設されてい
る。ロードセル１８上には秤量台１９が載せられてお
り、バケット１３の重量を支えるドラム１５，１７の位
置はこれらのロードセル１８より必ず上部にあり、秤量
台１９を介して４個所のロードセル１８に計測すべき荷
重が掛かるように構成されている。

【００１８】本実施例では、このようにロードセル１８
を必須とするバケットクレーン１０の構成をそのまま利
用してバケット１３の振れ角を検出するようにしたもの
である。

【００１９】まず、図３において横行台車１１が右方向
に移動すると、図４に示すようにバケット１３に振れ角
θなる振れが発生する。このような振れが発生すると、
図１に示す如く、バケット重量Ｗが偏荷重として掛かる
ため、横行方向に分力Ｆ₁ が発生する。なお、図１では
本発明を理論的に説明するため、荷重Ｗが荷重受点で１
本のロープだけで支えられているものとし、荷重Ｗが振
れた時にこの荷重Ｗの振れにより移動方向に発生する分
力をＦ₁ として示すものである。

【００２０】この時、バケット重量を支えるドラム１
５，１７は、一般的には、ロードセル１８より上部に存
在しているため、横行方向の分力Ｆ₁ は、ロードセル１
８に対しては必ず垂直荷重（鉛直荷重）が下向き方向に
Ｆ₂ として、上向き方向にＦ₃として作用する。

【００２１】即ち、図１に示すように、分力Ｆ₁ の作用
点（荷重受点）と秤量面との間の長さをＬ₁ 、静止時の
荷重中心から対象とするロードセル１８の測定点までの
長さをＬ₂ ，Ｌ₃ 、測定点における垂直荷重作用値をＦ
₂ ，Ｆ₃ とすると、 Ｆ₁×Ｌ₁＝（Ｆ₂×Ｌ₂)＋(Ｆ₃×Ｌ₃） より Ｆ₁＝｛(Ｆ₂×Ｌ₂)＋(Ｆ₃×Ｌ₃)｝／Ｌ₁ となる。また、振れ角θと分力Ｆ₁ ，重量Ｗとの関係
は、 sinθ＝Ｆ₁／Ｗ であるので、垂直荷重作用値Ｆ₂ ，Ｆ₃ を検出して、
(２)式 θ＝sin~¹（Ｆ₁／Ｗ） ＝sin~¹〔(１／Ｗ）×｛(Ｆ₂×Ｌ₂)＋(Ｆ₃×Ｌ₃)｝／Ｌ₁〕 ……(２) の演算を行うことにより、容易に振れ角θを演算するこ
とができる。

【００２２】(２)式の計算式は、図１に示す如く、荷重
Ｗが１本のロープだけで支えられているものとして理論
的に計算しているが、現実的には、図３や図４に示した
ように、２本（又は２組）のロープ１４，１６で巻上げ
られるが、各ロープ１４，１６は等張力で巻上げられる
ように制御が行われるため、図３及び図４において、荷
重受点は、常に両ドラム１５，１７間の中心位置にある
ものとして計算しても、大きな誤差は生じない。

【００２３】もっとも、両ドラム１５，１７の間隔が大
きい時には、ロープ１４，１６の長力差を電流等により
検出し、Ｌ₂ 及びＬ₃ に関して各々補正演算を行うよう
にすれば、より正確に振れ角θを求めることができる。

【００２４】例えば、バケット重量Ｗ＝３０００〔ｋ
ｇ〕，Ｌ₁ ＝６００〔ｍｍ〕，Ｌ₂ ＝Ｌ₃ ＝８００〔ｍ
ｍ〕とした場合において、バケット１３が図４に示した
ように振れたときの横行分力Ｆ₁ 〔ｋｇ〕とロードセル
１８に掛かる垂直荷重作用値Ｆ₂ ＋Ｆ₃ 〔ｋｇ〕とは表
１に示すような関係にあり、(２)式に基づき振れ角θを
算出できるものとなる。つまり、表１はバケット重量Ｗ
と各ロードセル１８に掛かる垂直荷重作用値、即ち、垂
直方向の荷重変化値が分かれば、振れ角θを容易に演算
できることを示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】ちなみに、このような振れ角θの検出（算
出）においては吊荷の重量（バケット荷重Ｗ）が正確な
値であることが重要であるが、本例のようなゴミ焼却工
場用のバケットクレーン１０の例では、バケット１３が
ゴミを掴んで地切りさせる時、一旦停止又は停止に近い
状態で計量を行う（掴み量が過少の場合には掴み直しを
行う）ため、コントローラは正確な重量を常に把握して
いるので、特別な処理等を行わなくても全く支障のない
ものである。また、昨今のロードセルは、極く標準的に
１／１０００の分解能を有しており、表１に示す垂直荷
重作用値を容易に検出できる。

【００２７】ここに、最近のコントローラであれば演算
処理速度が極めて高速であるので、上記の(２)式のよう
な計算はミリ秒単位で演算可能であり、ゴミ処理用のバ
ケットクレーン１０の制御には何ら支障なく適用できる
ものである（他のクレーンの場合にも支障なく適用でき
る）。より実際的に考えた場合には、クレーンの自動運
転は、最近の産業用マイクロコントローラによって実施
されているので、本例の場合であれば、振れ角検出のた
めにクレーンの設計等には何ら影響を及ぼすことなく、
コントローラにおいて振れ角検出用ソフトウエアは前記
関係式のみで簡単に対応できるものとなる。

【００２８】なお、上記説明は、横行方向の振れ角θの
検出について説明したが、複数のロードセル１８につい
て図２中に示すＹ方向の重量偏差を使用すれば、走行方
向の振れ角も同様に検出可能である。

【００２９】振れ角検出後の制御は、従来と同様のフィ
ードバックによる振れ止め制御等により、振れ角θがゼ
ロとなるように加・減速制御が行われる。

【００３０】ところで、上記のような振れ角θの算出に
おいて、厳密に考えた場合、横行台車１１の加・減速時
に、横行台車１１の自重により移動方向前後に位置する
ロードセル１８の荷重計測のバランスが変化する点も考
慮する必要がある。例えば、図５に示すように横行台車
１１が右方向に移動している時、横行台車１１本体の重
心Ｇ点には左側に向けて力Ｆ₄ が発生する。この力Ｆ₄
は長さＬ₄ を腕とする回転トルクを発生させるため、移
動方向前後に位置する各々のロードセル１８にはＦ₅ ，
Ｆ₆ なる力が加わり、各々ロードセル１８はこの成分も
計測してしまう。ここに、これらの力Ｆ₄ ，Ｆ₅ ，Ｆ₆
は、横行台車１１の自重と各腕の長さＬ₄ ，Ｌ₅ ，Ｌ₆
と加・減速度の関係で、前述した振れ角算出の場合に準
じて Ｆ₄×Ｌ₄＝（Ｆ₅×Ｌ₅)＋(Ｆ₆×Ｌ₆） に基づき計算することができる。よって、この結果を振
れ角θを算出する過程における補正値として加味すれ
ば、横行台車１１の自重に基づく振れ角θの検出誤差を
極めて小さなものとすることができる。

【００３１】なお、本実施例は一例としてゴミ焼却工場
用のバケットクレーン１０への適用例として説明した
が、これに限らず、計量手段を備えた荷役機械であれ
ば、環境条件の劣悪な場所で使用される、例えば、鉄鋼
用天井クレーン、アンローダ等にも同様に適用し得るの
はもちろんである。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、上述したように、複数の測定
点を有して吊荷の重量を計量する計量手段を備えて吊下
げた前記吊荷を移動させる荷役機械において、荷役機械
を移動させると吊荷に振れが発生し、吊荷の重量によっ
てその移動方向に分力が発生し、この分力は、当該荷役
機械に一般的に標準装備されている計量手段においては
各測定点で必ず鉛直方向の荷重変化をもたらすように作
用することから、その荷重変化値を検出することにより
分力に換算し得る点に着目し、前記吊荷の振れに基づき
発生する分力を前記各測定点に対する垂直方向の荷重変
化値として既存の計量手段により検出し、検出されたこ
の荷重変化値と計量された前記吊荷の重量とを関連付け
て演算処理することにより前記吊荷の振れ角を検出する
ようにしたので、カメラ等の特別な検出機構を付加する
ことなく、計量手段を備えた一般的な荷役機械構造のま
まにして、かつ、塵埃、その他の劣悪な環境条件に影響
されることもなく、吊荷の振れ角を随時安定して検出で
き、荷役機械の自動運転を確立するための適正な自動振
れ止め制御に供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を理論的に説明するため要部
を拡大して示す概略正面図である。

【図２】バケットクレーンの横行台車部を示す概略平面
図である。

【図３】バケットクレーンの基本構成を示す概略正面図
である。

【図４】その移動時の様子を示す概略正面図である。

【図５】自重問題を説明するための概略正面図である。

【図６】第１の従来例のシミュレーション例を示すタイ
ミングチャートである。

【図７】第２の従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０ 荷役機械 １３ 吊荷 １８ 計量手段 θ 振れ角 Ｆ₁ 分力 Ｗ 吊荷の重量

フロントページの続き (72)発明者 加藤 誠之 東京都千代田区神田小川町１丁目２番地 富士電機テクノエンジニアリング株式会社 内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の測定点を有して吊荷の重量を計量
   する計量手段を備えて吊下げた前記吊荷を移動させる荷
   役機械において、前記吊荷の振れに基づき発生する移動
   方向の分力を前記各測定点に対する垂直方向の荷重変化
   値として前記計量手段により検出し、検出されたこの荷
   重変化値と計量された前記吊荷の重量とを関連付けて演
   算処理することにより前記吊荷の振れ角を検出するよう
   にしたことを特徴とする荷役機械における吊荷の振れ角
   検出方法。