JPH08175791A - 建設機械のブーム旋回停止制御方法および装置 - Google Patents

建設機械のブーム旋回停止制御方法および装置

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JPH08175791A
JPH08175791A JP6325450A JP32545094A JPH08175791A JP H08175791 A JPH08175791 A JP H08175791A JP 6325450 A JP6325450 A JP 6325450A JP 32545094 A JP32545094 A JP 32545094A JP H08175791 A JPH08175791 A JP H08175791A
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boom
swing
angle
braking torque
braking
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JP6325450A
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English (en)
Inventor
Akira Tsutsui
昭 筒井
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C23/00—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/62—Constructional features or details
    • B66C23/84—Slewing gear

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Operation Control Of Excavators (AREA)
  • Jib Cranes (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ブームの停止時に荷振れを残さず、かつ制動
トルクの上限値を考慮しながら迅速にブームの旋回制動
及び停止を行う。 【構成】 制動開始後のア領域及びイ領域で、決められ
た上限値の旋回制動トルクでブームの旋回を制動した時
の吊り荷の振れ角と略同等の一定の振れ角γ1maxに実際
の吊り荷の振れ角を維持するようにブームの旋回制動ト
ルクを制御する。次のウ領域で、ブームの旋回が停止し
た時点で吊り荷の振れも停止するようにブームの旋回制
動トルクを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、クレーン等の建設機械
において、停止時に吊荷の振れを残すことなくブームの
旋回を制動、停止させるための方法および装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、クレーンにおいて、ブ―ムの停止
時に吊荷の振れを残すことなくブ―ムの旋回を自動的に
制動、停止させる方法としては、次のようなものが知ら
れている。
【０００３】１）ブームの目標停止位置近傍でクレーン
の非線形モデルを線形化し、このモデル式に基づき、最
適レギュレータの手法を用いてフィードバック制御系を
構成し、このフィードバック制御系により旋回停止と吊
り荷の振れ止めとの双方を同時制御する（特開昭６１−
３３４８７号公報）。
【０００４】２）吊荷の旋回半径、重量、ブ―ムの慣性
モ―メント、およびブ―ムの許容荷重からブ―ムの横曲
げ強度に基づく旋回角加速度の許容条件を算出した後、
一定の制動角加速度β＝−ωΩo／２ｎπ（Ωo は旋回
停止制御開始前のブ―ムの旋回角速度、ｎはβが上記許
容条件を満たす最大の自然数、ω＝√（ｇ／Ｌ）であ
り、ｇは重力角速度、Ｌは吊荷の振れ半径を示す。）が
得られる一定の制動トルクでブームの旋回を停止させる
（特開平４−１５３１９７号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】１）の方法では、目標
停止位置近傍でしかフィードバック制御を実行できない
ので、この目標停止位置近傍に至るまでの移動中に外乱
等の影響を受けた場合、これに対応できず、実際には目
標停止時点での吊り荷の振れを十分に抑制できなくなる
おそれがある。また、制動トルクの上限値については考
慮していないため、特に、ブームの横曲げ強度の関係か
ら制動トルクを制限しなければならない場合にこれに対
応できず、ブームに損傷を与えないための最大トルクを
超えるトルクでブーム旋回を過度に急制動してしまうお
それがある。
【０００６】２）の方法では、制動角加速度βが必ず−
ωΩo／２πの整数倍でなければならないので、実際に
は、許容条件を満たす最大の制動角加速度（許容角加速
度）よりも低い制動角加速度で制動しなければならない
場合がほとんどであり、その分、制動を開始してからブ
ーム旋回が完全に停止するまでの所要旋回角度量が大き
くなり、所要旋回時間も長くなる不都合がある。さら
に、完全停止するまでの制動中は常に吊り荷が振れてい
るので、安全を見越して、ブームの制動角加速度に１よ
りも大きい安全係数を乗じた値を吊り荷の制動角加速度
とみなして上記許容条件を算出しなければならず、その
分許容条件が厳しくなって制動トルクがさらに制限され
てしまう不都合がある。また、この方法は、制動開始時
に吊り荷が振れていないという理想的な前提の下で行う
オープンループの制御であり、吊り荷の振れ状態を検出
してフィードバック制御するものではないので、制動開
始時に吊り荷の振れがあったり、制動途中に風等が吹い
て吊り荷を振らせるといった外乱があった場合に、これ
に対応できないおそれもある。
【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、制動ト
ルクの上限値を考慮した安全かつ正確な制御で、吊り荷
の振れを残さず迅速にブームの旋回を停止させることが
できる建設機械のブーム旋回停止制御方法および装置を
提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、旋回駆動され
るブ―ムの所定位置に吊荷が吊下げられる建設機械のブ
ーム旋回停止制御方法であって、決められた上限値の旋
回制動トルクでブームの旋回を制動した時の吊り荷の振
れ角と略同等の一定の振れ角に実際の吊り荷の振れ角を
維持するようにブームの旋回制動トルクを制御する振れ
角制御動作を行った後、ブームの旋回が停止した時点で
吊り荷の振れも停止するようにブームの旋回制動トルク
を制御する停止制御動作を行うものである（請求項
１）。
【０００９】この方法では、例えば、上記振れ角制御動
作の実行によりブームの旋回角速度が一定以下となった
時点から上記停止制御動作を実行するようにすればよい
（請求項２）。
【００１０】上記旋回制動トルクの上限値は、例えばブ
ーム作業状態とブームの横曲げ強度に基づいて演算する
ことができる（請求項３）。
【００１１】また本発明は、旋回駆動されるブ―ムの所
定位置に吊荷が吊下げられる建設機械のブーム旋回停止
制御装置であって、上記吊り荷の振れ状態を検出する振
れ状態検出手段と、ブームの作業状態を検出する作業状
態検出手段と、決められた上限値の旋回制動トルクでブ
ームの旋回を制動した時の吊り荷の振れ角と略同等の一
定の振れ角を許容振れ角として設定する許容振れ角設定
手段と、旋回制動開始後作動し、上記振れ状態検出手段
で検出された振れ状態に基づき上記吊り荷の振れ角を上
記許容振れ角に維持するようにブームの旋回制動トルク
をフィードバック制御する振れ角制御手段と、この振れ
角制御手段の次に作動し、ブームの旋回が停止した時点
で吊り荷の振れが停止するようにブームの旋回制動トル
クを制御する停止制御手段とで構成したものである（請
求項４）。
【００１２】この装置では、上記振れ角制御手段による
制御によりブームの旋回角速度が一定以下となった時点
から上記停止制御手段が作動するように構成してもよい
（請求項５）。
【００１３】上記許容振れ角設定手段としては、上記作
業状態検出手段で検出されたブーム作業状態とブームの
横曲げ強度に基づいて上記制限値を演算するものが、好
適である（請求項６）。
【００１４】また、上記振れ角制御手段を、旋回制動開
始時点から作動し、上記吊り荷の振れ角を上記許容振れ
角に近づけるようにブームの旋回制動トルクをフィード
バック制御する第１振れ角制御手段と、この第１振れ角
制御手段と異なる制御パラメータを有し、この第１振れ
角制御手段の制御動作により実際の振れ角が上記許容振
れ角にほぼ到達した時点から作動して実際の振れ角を上
記許容振れ角に維持するようにブームの旋回制動トルク
をフィードバック制御する第２振れ角制御手段とを備え
たり（請求項７）、上記作業状態検出手段の検出結果に
基づき、上記振れ角制御手段により制御される実際のブ
ーム旋回制動トルクを常時上記上限値に抑えるための上
記フィードバック制御のパラメータを設定する制御パラ
メータ設定手段を備えたりすることにより（請求項
８）、後述のようなより優れた効果が得られる。
【００１５】
【作用】請求項１，４記載の方法及び装置によれば、ま
ず、決められた上限値の旋回制動トルクでブームの旋回
を制動した時の吊り荷の振れ角と略同等の一定の振れ角
（許容振れ角）に実際の吊り荷の振れ角を維持するよう
にブームの旋回制動トルクを制御するため、この振れ角
制御動作では、ブーム制動トルクの上限値を考慮しなが
ら素早くブーム旋回を制動し、かつ吊り荷については、
風等の外乱があっても振れ角を安定した状態に保つこと
ができる。従って、その後の停止制御動作、すなわち、
ブームの旋回が停止した時点で吊り荷の振れも停止させ
るような旋回制動トルクの制御動作を正確に行うことが
できる。
【００１６】特に、請求項３，６記載のように、ブーム
作業状態とブームの横曲げ強度に基づいて上記旋回制動
トルクの上限値を演算する場合、上記振れ角制御動作中
で振れ角が略一定に維持されている（すなわちブームに
対する吊り荷の相対速度がほぼ０とされている）ため、
吊り荷の制動角加速度をブームの制動角加速度とほぼ等
しいとみなすことができる。その分、ブームの横曲げ強
度に基づく旋回制動トルクの制限を緩めることができ、
より大きな制動トルクで素早く旋回制動することが可能
である。
【００１７】ここで、請求項２，５記載のように、上記
振れ角制御動作の実行によりブームの旋回角速度が一定
以下となった時点から上記停止制御動作を実行するよう
にすれば、この停止制御動作に入った時点から十分小さ
い旋回制動トルクでブームの旋回と吊り荷の振れとを停
止させることができる。
【００１８】さらに、請求項７記載の装置では、上記振
れ角制御手段を、旋回制動開始時点から作動し、上記吊
り荷の振れ角を上記許容振れ角に近づけるようにブーム
の旋回制動トルクをフィードバック制御する第１振れ角
制御手段と、この第１振れ角制御手段と異なる制御パラ
メータを有し、この第１振れ角制御手段の制御動作によ
り実際の振れ角が上記許容振れ角にほぼ到達した時点か
ら作動して実際の振れ角を上記許容振れ角に維持するよ
うにブームの旋回制動トルクをフィードバック制御する
第２振れ角制御手段とに分けているため、上記第１振れ
角制御手段では、吊り荷の振れ角を上記許容振れ角まで
一気に変化させていくための専用の制御パラメータをも
たせることができ、その分制動所要時間をより短縮でき
る。
【００１９】上記振れ角制御手段では、振れ角を許容振
れ角に維持するためのフィードバック制御でオーバーシ
ュートがあると、実際のブームの旋回制動トルクが上限
値を超えるおそれがあるが、このような振れ角制御だけ
でなく、請求項８記載のように、上記作業状態検出手段
の検出結果に基づき、上記振れ角制御手段により制御さ
れるブームの旋回制動トルクを常時上記上限値以下に抑
えるための上記フィードバック制御のパラメータを設定
するようにすれば、より確実に実際のブーム旋回トルク
を上記上限値以下に抑えることができる。
【００２０】
【実施例】本発明の一実施例を図面に基づいて説明す
る。
【００２１】図２に示すクレーン１０は、鉛直方向の旋
回軸１０１回りに旋回可能なブ―ムフット１０２を備
え、このブ―ムフット１０２に、Ｎ個のブ―ム部材Ｂ1
〜ＢNからなる伸縮可能なブ―ムＢが取付けられてい
る。このブ―ムＢは、水平方向の回動軸１０３を中心に
回動可能（起伏可能）に構成され、その先端部（ブ―ム
ポイント）にロ―プ１０４で吊荷Ｃが吊下げられてい
る。
【００２２】このクレーンには、図３に示されるよう
に、ブ―ム長センサ１２、ブ―ム角センサ１４、吊上荷
重センサ１５、ロ―プ長センサ１６、旋回角速度センサ
１７、振れ角センサ１８、コントローラ２０、および旋
回駆動用の油圧システム４０が設けられている。
【００２３】コントローラ２０は、コンピュータで構成
され、定格荷重メモリ２１、旋回半径算出手段２２、ブ
―ム慣性モ―メント算出手段２３、モーメント上限値算
出手段２４、吊上荷重算出手段２５、負荷慣性モ―メン
ト算出手段２６、許容振れ角２７、フィードバックゲイ
ン算出手段２８、旋回角度算出手段２９、振れ角速度算
出手段３０、制動トルク算出手段３１、及びモータ差圧
制御手段３２を備えている。
【００２４】旋回半径算出手段２２は、ブ―ム長センサ
１２およびブ―ム角センサ１４により各々検出されたブ
―ム長ＬB およびブ―ム角φに基づき吊荷Ｃの旋回半径
Ｒを算出するものである。
【００２５】ブ―ム慣性モ―メント算出手段２３は、上
記ブ―ム長ＬB およびブ―ム角φに基づいて、ブームＢ
全体の慣性モーメントＩBを算出するものである。
【００２６】モーメント上限値算出手段２４は、上記旋
回半径算出手段２２で算出された旋回半径Ｒと、上記ブ
―ム長ＬB とに基づき、定格荷重メモリ２１に記憶され
たデ―タから定格荷重Ｗo を算出し、かつ、この定格荷
重Ｗoに基づいて、旋回半径Ｒの関数であるモーメント
上限値（ブームフット１０２に作用するモーメントの上
限値）Ｎ(Ｒ)をブームＢの横曲げ強度の観点から演算す
るものである。
【００２７】吊上荷重算出手段２５は、吊上荷重センサ
１５により検出されたブ―ム倒伏用油圧シリンダの圧力
ｐと、上記旋回半径算出手段２２で算出された旋回半径
Ｒと、上記ブ―ム長ＬB とに基づき、実際の吊上荷重Ｗ
を算出するものである。
【００２８】負荷慣性モ―メント算出手段２６は、上記
吊上荷重算出手段２５で算出された吊上荷重Ｗと、上記
旋回半径Ｒとに基づき、旋回中心回りの負荷（吊荷Ｃ）
の慣性モ―メントＩw を算出するものである。
【００２９】許容振れ角算出手段２７は、上記負荷慣性
モ―メントＩw 、ブ―ム慣性モ―メントＩB 、定格荷重
Ｗo 、並びに上記モーメント上限値Ｎ(ｒ)から、ブ―ム
Ｂの横曲げ強度に基づくブームＢの最大許容角加速度β
Bmaxを算出すると共に、この最大許容角加速度βBmaxで
現状態のブームＢの旋回を制動した時の吊り荷の振れ角
（この実施例ではブーム半径方向から見たときの鉛直方
向に対するロープ１０４の傾斜角）γ1を演算し、これ
を許容振れ角γ1maxとして設定するものである。
【００３０】フィードバックゲイン算出手段（制御パラ
メータ設定手段）２８は、後記制動トルク算出手段３１
で制動トルクのフィードバック演算を行う際に用いられ
るフィードバックゲイン（制御パラメータ）を算出する
ものである。例えば、ＰＩＤ制御を適用する場合には、
比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインをそれぞれ演算す
る。
【００３１】旋回角度算出手段２９は、旋回角速度セン
サ１７により検出されるブームＢの旋回角速度ωを積分
演算することにより、実際のブームＢの旋回角度θを演
算するものであり、振れ角速度算出手段３０は、振れ角
センサ１８により検出される吊り荷Ｃの振れ角γ1に基
づいて、その時間変化率である振れ角速度ｄγ1／ｄｔ
を演算するものである。
【００３２】制動トルク算出手段３１は、図４に示すよ
うな第１制動トルク算出手段３１１、第２制動トルク算
出手段３１２、及び第３制動トルク算出手段３１３を備
えている。
【００３３】第１制動トルク算出手段（第１振れ角制御
手段）３１１は、旋回制動開始時点から作動し、現在の
吊り荷振れ角を上記許容振れ角算出手段２７で演算され
た許容振れ角γ1maxまで可及的速やかに変化させるため
の旋回制動トルクｕをリアルタイムでフィードバック演
算するものである。
【００３４】第２制動トルク算出手段（第２振れ角制御
手段）３１２は、実際の振れ角γ1が上記許容振れ角γ
1maxにほぼ到達した時点から作動し、実際の振れ角γ1
を上記許容振れ角γ1maxに維持するための旋回制動トル
クｕをリアルタイムでフィードバック演算するものであ
る。
【００３５】第３制動トルク算出手段（停止制御手段）
３１３は、前記旋回角速度センサ１７により検出される
旋回角速度ωが予め設定された切換設定角速度まで下が
った時点から作動し、所定の目標停止位置にブームＢを
停止させ、かつこの旋回停止時点で吊り荷Ｃの振れも停
止させるための旋回制動トルクｕをリアルタイムでフィ
ードバック演算するものである。
【００３６】ここで、前記フィードバックゲイン演算手
段２８は、各制御トルク算出手段３１１〜３１３で用い
られるフィードバックゲインとして、これら制御トルク
算出手段３１１〜３１３により演算される旋回制動トル
クがオーバーシュートして前記許容制動角加速度βBmax
に対応する旋回制動トルクを超えるのを防ぐ程度まで小
さいゲインを設定するように構成されている。
【００３７】なお、このフィードバックゲインの算出
は、予めブームの運転状態を複数の領域に分けて各領域
ごとにフィードバックゲインを設定、記憶しておき、実
際の運転時にその状態に応じて適当なフィードバックゲ
インを算出するようにしてもよいし、運転時にその運転
状態に応じてリアルタイムにフィードバックゲインを算
出するようにしてもよい。
【００３８】モータ差圧制御手段３２は、上記制動トル
ク算出手段３１で演算される制動トルクｕを得るために
必要な油圧モータの差圧を演算し、この差圧を実現する
ための制御信号を油圧システム４０に出力するものであ
る。油圧システム４０は、上記油圧モータのほか、油圧
ポンプや制御弁を具備し、上記制御信号によって油圧モ
ータの駆動トルク（すなわちブームＢの旋回駆動トル
ク）及び旋回方向が制御可能とされている。
【００３９】次に、このコントローラ２０が実際に行う
演算制御動作を図５のフローチャートに基づいて説明す
る。なお、以下の制御例では、予めブームＢの目標停止
位置が定められており、この目標停止位置でブームＢを
完全停止させるものを示すが、本発明では目標停止位置
が特に定められていなくてもよく、例えばオペレータか
ら停止指令操作が入力された時点より制動を開始して任
意の位置でブームＢを止めるものでもよい。
【００４０】図５において、まだブームＢの旋回制動を
行っていない通常旋回状態では、現在の旋回角速度ωか
ら必要旋回制動角度（すなわち旋回制動を開始してから
旋回停止するまでに必要な旋回角度）を算出し（ステッ
プＳ１）、さらに、残り旋回角度（現在の旋回位置から
上記目標停止位置までの旋回角度）を演算する（ステッ
プＳ２）。そして、この残り旋回角度が上記必要旋回制
動角度まで減少した時点より（ステップＳ３でＹＥ
Ｓ）、ブームＢの旋回制動を開始する。
【００４１】まず、旋回制動開始当初は（ステップＳ
４，Ｓ５でＹＥＳ）、第１制動トルク算出手段３１１が
作動し、フィードバック演算手段２８で演算された第１
制動トルク算出手段専用のフィードバックゲインに基づ
き、現在の吊り荷振れ角γ1を許容振れ角γ1maxまで一
気に変化させるための旋回制動トルクｕをフィードバッ
ク演算する。
【００４２】この算出旋回制動トルクｕに基づいて制御
信号が出力されることにより（ステップＳ９）、図１
（ａ）のア領域に示されるように、実際の吊り荷の振れ
角γ1が許容振れ角γ1maxまで迅速に変化する。そし
て、両者が等しくなった時点から（ステップＳ５でＮ
Ｏ）、第２制動トルク算出手段３２が作動する。
【００４３】この第２制動トルク算出手段３１２は、上
記第１制動トルク算出手段３１１に設定されたフィード
バックゲインと異なるフィードバックゲインに基づき、
現在の吊り荷振れ角γ1を許容振れ角γ1maxに維持する
ための旋回制動トルクｕをフィードバック演算する。こ
の制動トルクｕに基づいて制御信号が出力されることに
より（ステップＳ９）、ブームＢの横曲げ強度に基づく
許容条件を満足させながら、風等の外乱にかかわらず、
吊り荷振れ角γ1を略一定に保ちつつ旋回制動する制御
が実行される（図１（ａ）のイ領域）。
【００４４】そして、実際の旋回角速度ωが予め設定さ
れた切換設定角速度まで下がった時点から、第３制動ト
ルク算出手段３１３が作動する。この第３制動トルク算
出手段３１３は、フィードバック演算手段２８で演算さ
れたフィードバックゲインに基づき、ブームＢを前記目
標停止位置で停止させ、かつこの旋回停止時点で吊り荷
Ｃの振れをちょうど停止させるための旋回制動トルクｕ
をフィードバック演算する。この算出制動トルクｕに基
づいて制御信号が出力されることにより、吊り荷Ｃの振
れを残すことなく目標停止位置でブームＢの旋回が完全
停止される（図１（ａ）のウ領域；ステップＳ１０でＹ
ＥＳ）。
【００４５】以上のような方法及び装置によれば、次の
効果を得ることができる。
【００４６】まず、ブームの横曲げ強度に基づいて決
まる上限値の旋回制動トルクでブームの旋回を制動した
時の吊り荷の振れ角と略同等の許容振れ角γ1maxに実際
の吊り荷振れ角γ1を維持するようにブームＢの旋回制
動トルクｕを制御するため、この振れ角制御動作では、
ブーム横曲げ強度を考慮しながら素早くブーム旋回を制
動し、かつ吊り荷Ｃについては、風等の外乱があっても
振れ角を安定した状態に保つことができる。従って、旋
回角速度ωが一定以下となった停止制御動作、すなわ
ち、ブームの旋回が停止した時点で吊り荷Ｃの振れも停
止させるような制御動作を正確に行うことができる。
【００４７】ブーム作業状態とブームの横曲げ強度に
基づいて上記旋回制動トルクの上限値を演算する場合、
従来は、制動中も吊り荷Ｃが振れているために吊り荷Ｃ
の制動角加速度が把握できず、この吊り荷Ｃの制動角加
速度としてブームＢの制動角加速度に１よりも大きな安
全係数を乗じた値を設定しなければならず、その分許容
条件が厳しくなって旋回制動トルクの上限値が小さくな
る不都合が生じている。これに対し、上記実施例では、
上記振れ角制御動作中で振れ角γ1が略一定に維持され
ている（すなわちブームＢに対する吊り荷Ｃの相対速度
がほぼ０とされている）ため、吊り荷の制動角加速度を
ブームの制動角加速度と略同等とみなせ、その分、ブー
ムの横曲げ強度に基づく旋回制動トルクの制限を緩める
ことができ、より大きな制動トルクで素早く旋回制動す
ることが可能になる。
【００４８】振れ角制御に関し、まず、第２制動トル
ク算出手段３１２と異なる専用のフィードバックゲイン
をもつ第１の制動トルク算出手段３１１による制御で振
れ角γ1を上記許容振れ角γ1maxまで一気に近づけ、そ
の後上記第２制動トルク算出手段３１２による制御で振
れ角γ1を上記許容振れ角γ1maxに維持するようにして
いるので、制動開始当初から第２制動トルク算出手段３
１２のみで振れ角制御動作を行う場合よりも所要時間を
さらに短縮できる。
【００４９】制動トルク算出手段３１によるフィード
バック制御でオーバーシュートがあると、実際のブーム
の旋回制動トルクが上限値を超えるおそれがあるが、上
記実施例では、振れ角制御だけでなく、上記オーバーシ
ュートを防いで実際の制動角加速度を前記ブーム横曲げ
強度に基づいて演算される許容制動角加速度に抑える程
度まで十分小さいフィードバックゲインをブームＢの作
業状態に基づいて設定するようにしているので、過度の
制動トルクをかけることによるブームＢの破損等をより
確実に防止できる。
【００５０】参考として、上記制動トルク算出手段３
１、フィードバックゲイン算出手段２８、許容振れ角算
出手段２７等でなされる演算の原理を以下に説明する。
【００５１】§１．ブームＢの重心の速度 図６に示すように、互いに直交するＸ軸及びＹ軸を水平
面上にとり、Ｚ軸を鉛直軸とする。また、ブームＢの長
手方向に図７に示すξ軸をとり、これに直交する旋回周
方向にη軸をとる。なお、図６においてＭKはブームＢ
を除く上部旋回体の重心位置における質量、ｍは吊り荷
の重心位置における質量、ＭBOはブームＢの重心位置に
おける質量であり、αはブームＢとロープとのなす角
度、γは吊り荷Ｃの旋回方向の振れ角である。また、図
７においてＨKは旋回中心から上部旋回体重心までの距
離、ξBは旋回中心からブームトップまでの距離、ξBO
は旋回中心からブームＢの重心までの距離であり、θK
は上部旋回体の重心と旋回中心とを結ぶ線分とξ軸との
なす角である。
【００５２】ここで、ＸＹ座標系でのブームＢの重心位
置座標（ｘBO，ｙBO）は次式で定義される。
【００５３】
【数１】
【００５４】ここで、旋回時のブーム長ＬB及びブーム
角（起立角度）φが一定ならば、ξBOも一定であり、η
BOは常に０である。この条件を考慮すると、ＸＹ座標系
での各速度成分は次式で表される。
【００５５】
【数２】
【００５６】従って、ξη座標系でのブーム重心の各速
度成分は次式で表される。
【００５７】
【数３】
【００５８】§２．ブームＢを除く上部旋回体の重心の
速度 前記数１と同様にして、ＸＹ座標系でのブームＢを除く
上部旋回体の重心位置座標（ｘK，ｙK）は、次式で表さ
れる。
【００５９】
【数４】
【００６０】ここで、ξK＝−ＨKcosθK、ηK＝−ＨKsi
nθKであり、ＨK，θKは一定である。よって、ＸＹ座標
系における各速度成分は次式で与えられる。
【００６１】
【数５】
【００６２】従って、ξη座標系におけるブームを除く
上部旋回体の重心の各速度成分は次式のようになる。
【００６３】
【数６】
【００６４】§３．吊り荷Ｃの速度 ＸＹＺ座標系での吊り荷Ｃの重心位置座標は次式のよう
に定義される。
【００６５】
【数７】
【００６６】この数７の第１式および第２式を微分する
と、次式が得られる。
【００６７】
【数８】
【００６８】一方、ξη座標系での吊り荷Ｃの重心位置
座標である（ξm，ηm）は次式で与えられる。
【００６９】
【数９】
【００７０】ここで、ξB，Ｌは一定である。この数９
を微分すると、次式が得られる。
【００７１】
【数１０】
【００７２】この数１０と前記数８とから、ξη座標系
での吊り荷Ｃの重心の各速度成分が次のように得られ
る。
【００７３】
【数１１】
【００７４】この数１１及び前記数３及び数６によれ
ば、ブームＢの速度ＶB、ブームＢを除いた上部旋回体
の速度ＶK、吊り荷Ｃの速度Ｖm、の各速度の２乗の値は
次のようになる。
【００７５】
【数１２】
【００７６】§４．ラグランジュの運動方程式 上記数１２を用いれば、ラグランジュの運動方程式を構
成する各エネルギー（運動エネルギーＥ、位置エネルギ
ーＵ、及び損失エネルギーＤ）が次式で与えられる。
【００７７】
【数１３】
【００７８】一方、変数θを左右する外力は駆動トルク
ｕ、変数α，γを左右する外力は０であるので、これら
の変数について次のラグランジュの運動方程式を得るこ
とができる。
【００７９】
【数１４】
【００８０】この数１４に前記数１３を代入することに
より、系の運動方程式として次式を得ることができる。
【００８１】
【数１５】
【００８２】§５．第１制動トルク算出手段３１１及び
第２制動トルク算出手段３１２でのフィードバック演算
の原理 この第１制動トルク算出手段３１１の作動による振れ角
制御動作では、吊り荷の振れ状態を図８のように考える
ことで、旋回方向の吊り荷Ｃの振れに注目した数式モデ
ルになり、旋回時にブームの先端が描く軌跡近傍での吊
り荷Ｃの横振れを制御しやすいモデルとなる、ここで、
αは十分小さいと仮定し、図８に示すようにブームＢの
半径方向からみた吊り荷Ｃの振れ角をγ1とおいて、γ
≒π／２、α≒γ1と仮定すると、次式が得られる。
【００８３】
【数１６】
【００８４】
【数１７】
【００８５】そして、γ1<<１と仮定し、sin2γ1≒γ1 2
≒０とすると、各速度の２乗値は次のようになる。
【００８６】
【数１８】
【００８７】よって、各エネルギーの関係式は次式とな
る。
【００８８】
【数１９】
【００８９】一方、前記数１４に対応するラグランジュ
の運動方程式は、次式のようになる。
【００９０】
【数２０】
【００９１】この式に前記数１９を代入し、γ1<<１と
仮定して整理すると、次の運動方程式が得られる。
【００９２】
【数２１】
【００９３】この式を変形すると次式が得られる。
【００９４】
【数２２】
【００９５】ここで、ｑ＝［θ γ1］Tとおくと、上式
は次のようになる。
【００９６】
【数２３】
【００９７】この式の両辺をラプラス変換すると、次の
ようになる。
【００９８】
【数２４】
【００９９】よって、この系の伝達関数Ｐ1は次のよう
になる。
【０１００】
【数２５】
【０１０１】
【数２６】
【０１０２】この伝達関数Ｐ1に基づき、最適レギュレ
ータの手法を用いて、第１制動トルク算出手段３１１及
び第２制動トルク算出手段３１２で使用するフィードバ
ックゲインを設定すればよい。より具体的に、第１制動
トルク算出手段３１１については、吊り荷Ｃの振れ角を
可及的速やかに一定の許容振れ角γ1まで振らせるよう
な制動トルクを算出するように最適レギュレータの重み
を設定すればよく、第２制動トルク算出手段３１２につ
いては、吊り荷Ｃの振れ角を上記許容振れ角γ 1に維持
するのに適した制動トルクを算出するように最適レギュ
レータの重みを設定すればよい。
【０１０３】§６．第３制動トルク算出手段３１３での
フィードバック演算の原理 この第３制動トルク算出手段３１３の作動による停止制
御動作は、旋回角速度ωかがある程度低下して停止目標
位置に近づいた時点から開始され、ブームＢと吊り荷Ｃ
とを目標停止位置で振れなく停止させる動作である。す
なわち、この制御動作では、ブームＢを含む上部旋回体
と吊り荷Ｃの位置決めを目的とするため、これに適した
数式モデルを作成するのが好ましい。いま、図９に示す
ように、ブーム現在位置θから目標停止位置θPTまでの
残り旋回角度をθy1、吊り荷Ｃの現在位置から目標停止
位置θPTまでの角度をθy2とおくと、次式が得られる。
【０１０４】
【数２７】
【０１０５】この定義により、吊り荷Ｃの振れ情報と上
部旋回体の旋回角情報とが結合されているので、各位置
決め、特に吊り荷Ｃの位置決めを目的とした第３制動ト
ルク算出手段３１３の設計が容易になる。
【０１０６】このモデルにおいて、運動方程式は次のよ
うになる。
【０１０７】
【数２８】
【０１０８】この式は、次のように変形できる。
【０１０９】
【数２９】
【０１１０】ここで、ｑ＝［θy1 θy2］Tとおくと、
上式は次のようになる。
【０１１１】
【数３０】
【０１１２】この式に基づき、前記数２４，数２５と同
様にして伝達関数Ｐ1を求めると、次のようになる。
【０１１３】
【数３１】
【０１１４】この伝達関数Ｐ1に基づき、最適レギュレ
ータの手法を用いて、第３制動トルク算出手段３１３で
使用するフィードバックゲインを設定すればよい。より
具体的には、吊り荷Ｃの振れ角とブームＢの旋回角度
が、停止目標地点でオーバーシュートすることなく停止
するように最適レギュレータの重みを設定すればよい。
【０１１５】§７．ブームＢの横曲げ強度に基づく許容
条件 §１〜§６では、フィードバックゲイン算出手段２８で
のフィードバックゲイン設定のためのアルゴリズムを説
明しているが、さらに、このフィードバックゲイン算出
手段２８及び許容振れ角算出手段２７では、ブームＢの
横曲げ強度に基づく許容条件を考慮した演算が実行され
ることになる。そこで、このブーム横曲げ強度に基づく
許容振れ角γ1max及び許容制動角加速度βBmaxの演算原
理を以下に説明する。
【０１１６】一般に、クレーン１０のブ―ムＢおよびブ
―ムフット１０２は十分な強度を有しているが、ブ―ム
長ＬB が長くなると、旋回制動時に発生する慣性力に起
因してブ―ムＢに大きな横曲げ力が作用する。この横曲
げ力による強度的な負担はブ―ムフット１０２付近で最
大となるので、ここでは、旋回軸１０１回りのモ―メン
トに基づいて強度評価を行う。
【０１１７】具体的に、旋回トルクとブームの横曲げ強
度の制限の判定条件は、例えば次式により定義できる。
【０１１８】
【数３２】
【０１１９】ここで、特開平４−１５３１９７号公報に
示される従来技術では、ブーム旋回制動中も吊り荷Ｃが
周期的に振れているため、この吊り荷Ｃの旋回制動角加
速度βWとブームＢの旋回制動角加速度βBとを同一視で
きず、安全を見越すために１よりも大きな安全係数ｋW
（例えば3.0）を導入して、βW＝ｋWβBとおく必要があ
る。この式を数３２に代入して整理すると、次式を得る
ことができる。
【０１２０】
【数３３】
【０１２１】そして、この数３３を満たし、かつ次の数
３４の条件を満たすβBが、実際のブーム制動角加速度
として適用される。
【０１２２】
【数３４】
【０１２３】これに対して本発明の振れ角制御動作は、
振れ角γ1を一定に保つような制御動作であるため、こ
の動作中、βB≒０とみなすことができる。これを数３
２に代入して整理すると、次式を得ることができる。
【０１２４】
【数３５】
【０１２５】この数３５と前記数３３とを比べて明らか
なように、本発明では、前記安全係数ｋW（＞１）の導
入が不要である分、許容制動角加速度βBmaxをより大き
く設定でき、許容条件を緩めることができる。特に、上
記従来技術の場合は、許容制動角加速度βBmax以下であ
るという条件に加えて前記数３４の条件を満たす必要が
あり、実際に使用する制動角加速度はさらに小さくなる
が、本発明では、許容制動角加速度βBmaxとほぼ等しい
制動角加速度を安全に適用できる。これは、本発明によ
ればより大きなトルクで安全に制動できることを意味
し、より迅速に、またより小さな旋回角度でブームＢ及
び吊り荷Ｃを停止させることができることを意味してい
る。
【０１２６】前記許容振れ角演算手段２７において、上
記許容振れ角γ1maxは、上記許容制動角加速度βBmaxで
制動をかけたとした時の吊り荷Ｃの振れ角（この角度は
容易に演算できる。）γ1が設定され、このような許容
振れ角γ1maxを目標値として前記振れ角制御動作が実行
されることにより、ブームＢの迅速かつ安全な旋回制動
制御が実現される。
【０１２７】なお、この場合でも、用いられるフィード
バックゲインが過大でオーバーシュートすると、実際の
制動角加速度が上記許容制動角加速度βBmaxを上回るお
それもあるが、ここで、前記実施例のように、実際の制
動角加速度を必ず上記許容制動角加速度βBmax以下に抑
えることができる程度まで小さいフィードバックゲイン
を設定するように上記フィードバックゲイン算出手段２
８を構成すれば、制動の安全性をさらに高めることが可
能である。
【０１２８】＊シミュレーション結果 図１０及び図１１（ａ）〜（ｃ）は、前記実施例に示し
た第１制動トルク算出手段３１１を省略して第２制動ト
ルク算出手段３１２のみで本発明の振れ角制御手段を構
成した装置についての、シミュレーション結果を示した
ものである。この装置によれば、図１０に示すように、
吊り荷の振れを残さずに旋回停止させることができ、し
かも、図１１（ａ）に示すように、制動トルクを常時ほ
ぼ旋回駆動時のトルク（0.5kg・m）以下に抑えることが
可能となっている。
【０１２９】なお、本発明はこのような実施例に限定さ
れるものではなく、例として次のような態様を採ること
も可能である。
【０１３０】(1) 上記実施例では、上記許容制動角加速
度βBmaxで制動をかけたとした時の吊り荷Ｃの振れ角γ
1をそのまま許容振れ角γ1maxとして設定しているが、
安全を見越し、上記許容制動角加速度βBmaxよりも少し
だけ小さい振れ角を許容振れ角γ1maxとして設定するよ
うにしてもよい。
【０１３１】(2) 上記実施例では、ブームの横曲げ強度
に基づいて制動トルクの上限値を定めているが、旋回駆
動システム側に発生トルクの著しい制限がある場合に
は、これに基づいて上記上限値を定めるようにすればよ
い。
【０１３２】(3) 本発明において、振れ角制御動作から
停止制御動作へ切換える時点は、上記実施例のように旋
回角速度ωが一定以下になった時点に設定してもよい
し、目標停止位置までの旋回残り角度が一定以下になっ
た時点に設定してもよい。
【０１３３】(4) 本発明が適用される建設機械の種類は
問わず、旋回可能なブ―ムを備え、その所定位置に荷が
吊り下げられるものであればよい。
【０１３４】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば次の効果
を得ることができる。
【０１３５】請求項１，４記載の方法及び装置は、ま
ず、決められた上限値の旋回制動トルクでブームの旋回
を制動した時の吊り荷の振れ角と略同等の一定の振れ角
（許容振れ角）に実際の吊り荷の振れ角を維持する振れ
角制御動作をし、その後、ブームの旋回が停止した時点
で吊り荷の振れも停止させる停止制御動作をするもので
あるので、ブーム制動トルクの上限値を考慮しながら安
全にかつ素早くブーム旋回を制動し、かつ、風等の外乱
があってもブーム停止時の吊り荷の振れを抑制する停止
制御を正確に実行できる効果がある。
【０１３６】特に、請求項３，６記載のように、ブーム
作業状態とブームの横曲げ強度に基づいて上記旋回制動
トルクの上限値を演算する場合、上記振れ角制御動作中
で振れ角を略一定に維持しているために、吊り荷の制動
角加速度をブームの制動角加速度とほぼ等しいとみなす
ことができる。その分、ブームの横曲げ強度に基づく旋
回制動トルクの制限を緩めてより大きな制動トルクで素
早く旋回制動できる効果がある。
【０１３７】また、請求項２，５記載の方法及び装置で
は、上記振れ角制御動作の実行によりブームの旋回角速
度が一定以下となった時点から上記停止制御動作を実行
するようにしているので、この停止制御動作に入った時
点から十分小さい旋回制動トルクでブームの旋回と吊り
荷の振れとを停止させることができる。
【０１３８】さらに、請求項７記載の装置では、上記振
れ角制御手段を、旋回制動開始時点から作動し、上記吊
り荷の振れ角を上記許容振れ角に近づけるようにブーム
の旋回制動トルクをフィードバック制御する第１振れ角
制御手段と、この第１振れ角制御手段と異なる制御パラ
メータを有し、この第１振れ角制御手段の制御動作によ
り実際の振れ角が上記許容振れ角にほぼ到達した時点か
ら作動して実際の振れ角を上記許容振れ角に維持するよ
うにブームの旋回制動トルクをフィードバック制御する
第２振れ角制御手段とに分けているため、上記第１振れ
角制御手段では、第２振れ角制御手段と異なり、吊り荷
の振れ角を上記許容振れ角まで迅速に変化させるための
専用の制御パラメータをもたせることができ、その分制
動所要時間をより短縮できる効果がある。
【０１３９】さらに、請求項８記載のように、上記作業
状態検出手段の検出結果に基づき、上記振れ角制御手段
により制御されるブームの旋回制動トルクを常時上記上
限値以下に抑えるための上記フィードバック制御のパラ
メータを設定するようにすれば、オーバーシュートによ
り実際の制動角加速度が許容角加速度を超えるのをより
確実に防ぐことができ、旋回制動制御の安全性をさらに
高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明方法を実行した場合の吊り荷の
振れ角の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は従来方法を実
行した場合の吊り荷の振れ角の時間変化を示すグラフで
ある。
【図２】本発明の一実施例におけるクレーンの全体図で
ある。
【図３】上記クレーンに設けられたコントローラの機能
構成を示すブロック図である。
【図４】上記コントローラにおける制動トルク算出手段
の機能構成を示すブロック図である。
【図５】上記コントローラの行う制御動作を示すフロー
チャートである。
【図６】上記吊荷の振れ状態をＸＹＺ座標系に表したモ
デル図である。
【図７】上記吊荷の振れ状態をξη座標系に表したモデ
ル図である。
【図８】上記吊り荷の振れ角を示すモデル図である。
【図９】上記クレーンでのブームの現在位置及び目標停
止位置を示すモデル図である。
【図１０】本発明についてのシミュレーションにより得
られたブーム先端と吊り荷の旋回軌跡を示すグラフであ
る。
【図１１】（ａ）は上記シミュレーションにより得られ
たトルクの時間変化を示すグラフ、（ｂ）は上記シミュ
レーションにより得られた吊り荷振れ角の時間変化を示
すグラフ、（ｃ）は上記シミュレーションにより得られ
たブーム旋回角速度の時間変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ クレーン（建設機械） １０４ ロープ １２ ブーム長センサ（作業状態検出手段） １４ ブーム角センサ（作業状態検出手段） １５ 吊上荷重センサ（作業状態検出手段） １６ ロープ長センサ（作業状態検出手段） １７ 旋回角速度センサ（作業状態検出手段） １８ 振れ角センサ（作業状態検出手段） ２０ コントローラ ２２ 旋回半径算出手段（作業状態検出手段） ２７ 許容振れ角算出手段（制御パラメータ設定手段） ２８ フィードバックゲイン算出手段 ２９ 旋回角度算出手段（作業状態検出手段） ３０ 振れ角速度算出手段（作業状態検出手段） ３１ 制動トルク算出手段 ３１１ 第１制動トルク算出手段（第１振れ角制御手
段） ３１２ 第２制動トルク算出手段（第２振れ角制御手
段） ３１３ 第３制動トルク算出手段（停止制御手段） Ｂ ブーム Ｃ 吊荷

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 旋回駆動されるブ―ムの所定位置に吊荷
    が吊下げられる建設機械のブーム旋回停止制御方法であ
    って、決められた上限値の旋回制動トルクでブームの旋
    回を制動した時の吊り荷の振れ角と略同等の一定の振れ
    角に実際の吊り荷の振れ角を維持するようにブームの旋
    回制動トルクを制御する振れ角制御動作を行った後、ブ
    ームの旋回が停止した時点で吊り荷の振れも停止するよ
    うにブームの旋回制動トルクを制御する停止制御動作を
    行うことを特徴とする建設機械のブーム旋回停止制御方
    法。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の建設機械のブーム旋回停
    止制御方法において、上記振れ角制御動作の実行により
    ブームの旋回角速度が一定以下となった時点から上記停
    止制御動作を実行することを特徴とする建設機械のブー
    ム旋回停止制御方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の建設機械のブー
    ム旋回停止制御方法において、ブーム作業状態とブーム
    の横曲げ強度に基づいて上記旋回制動トルクの上限値を
    演算することを特徴とする建設機械のブーム旋回停止制
    御方法。
  4. 【請求項４】 旋回駆動されるブ―ムの所定位置に吊荷
    が吊下げられる建設機械のブーム旋回停止制御装置であ
    って、上記吊り荷の振れ状態を検出する振れ状態検出手
    段と、ブームの作業状態を検出する作業状態検出手段
    と、決められた上限値の旋回制動トルクでブームの旋回
    を制動した時の吊り荷の振れ角と略同等の一定の振れ角
    を許容振れ角として設定する許容振れ角設定手段と、旋
    回制動開始後作動し、上記振れ状態検出手段で検出され
    た振れ状態に基づき上記吊り荷の振れ角を上記許容振れ
    角に維持するようにブームの旋回制動トルクをフィード
    バック制御する振れ角制御手段と、この振れ角制御手段
    の次に作動し、ブームの旋回が停止した時点で吊り荷の
    振れが停止するようにブームの旋回制動トルクを制御す
    る停止制御手段とで構成したことを特徴とする建設機械
    のブーム旋回停止制御装置。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の建設機械のブーム旋回停
    止制御装置において、上記振れ角制御手段による制御に
    よりブームの旋回角速度が一定以下となった時点から上
    記停止制御手段が作動するように構成したことを特徴と
    する建設機械のブーム旋回停止制御装置。
  6. 【請求項６】 請求項４または５記載の建設機械のブー
    ム旋回停止制御装置において、上記作業状態検出手段で
    検出されたブーム作業状態とブームの横曲げ強度に基づ
    いて上記制限値を演算するように上記許容振れ角設定手
    段を構成したことを特徴とする建設機械のブーム旋回停
    止制御装置。
  7. 【請求項７】 請求項４〜６のいずれかに記載の建設機
    械のブーム旋回停止制御装置において、上記振れ角制御
    手段を、旋回制動開始時点から作動し、上記吊り荷の振
    れ角を上記許容振れ角に近づけるようにブームの旋回制
    動トルクをフィードバック制御する第１振れ角制御手段
    と、この第１振れ角制御手段と異なる制御パラメータを
    有し、この第１振れ角制御手段の制御動作により実際の
    振れ角が上記許容振れ角にほぼ到達した時点から作動し
    て実際の振れ角を上記許容振れ角に維持するようにブー
    ムの旋回制動トルクをフィードバック制御する第２振れ
    角制御手段とを備えたことを特徴とする建設機械のブー
    ム旋回停止制御装置。
  8. 【請求項８】 請求項４〜７のいずれかに記載の建設機
    械のブーム旋回停止制御装置において、上記作業状態検
    出手段の検出結果に基づき、上記振れ角制御手段により
    制御される実際のブーム旋回制動トルクを常時上記上限
    値に抑えるための上記フィードバック制御のパラメータ
    を設定する制御パラメータ設定手段を備えたことを特徴
    とする建設機械のブーム旋回停止制御装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8190334B2 (en) 2007-02-21 2012-05-29 Kobelco Construction Machinery Co., Ltd. Rotation control device and working machine therewith
KR101408020B1 (ko) * 2012-07-19 2014-06-18 한국기계연구원 운전자-제어장치의 협력 작업 시스템 및 이를 이용한 협력 작업 방법

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