JP5642326B2 - クレーン又はバガーで吊り荷ロープに吊り下げられている吊り荷を自動的に積み替える方法 - Google Patents

Description

本発明は、吊り荷の揺動を減衰するコンピューター制御のコントロール装置及び軌道設定装置を有し、クレーン又はバガーの吊り荷ロープに吊り下げられている吊り荷を自動的に積み替える方法に関するものである。

本発明は、ロープに吊された吊り荷の動きを少なくとも３つの自由度で許容するクレーンやバガーでの吊り荷揺動減衰装置を含んでいる。この種のクレーン又はバガーは車台に搭載可能な旋回装置を有しており、その旋回装置がクレーン又はバガーを回転させる役割をする。さらに、クレーンジブを水平にしたり傾けたりするための傾斜装置が備えられている。そして、クレーン又はバガーには、ロープに吊り下げられている吊り荷を上昇ないし下降するための巻き上げ装置が含まれる。この種のクレーン又はバガーは種々の形態で使用されている。ここでの例として、港湾移動クレーン、船上クレーン、沿岸クレーン、キャタピラクレーン、あるいはロープバガーが挙げられる。

この種のクレーン又はバガーを使ってロープに吊されている吊り荷を積み替えるときに、一方ではクレーン又はバガーの動き自体、しかし又、例えば風のような外部的な障害要因に帰する揺動が発生する。そして既に、吊り荷クレーンでの振り子揺動を抑えるために過去に努力がなされている。

例えば、特許文献１は、水平面で移動可能なロープ吊り下げ点にロープを使って吊り下げられた吊り荷の振り子運動を、少なくとも１つの水平座標で自動的に抑えるための配置について記載しており、その座標系でロープ吊り下げ点の速度が、吊り荷ロープの垂直に対する操作角度から導き出される量に関係して、制御回路により水平面で調整される。

特許文献２は、ロープを使ってクレーンのトロリーに吊り下げられている吊り荷の振り子揺動を抑える配置を示しており、その駆動には回転数装置及び経路コントロール装置が備えられ、トロリーの動き及び吊り荷の揺動が目標地点で丁度ゼロになるように、揺動時間を考慮してトロリーの走る経路の前半の間でトロリーを加速し、この経路の後半部分の間に減速する制御配置が付いている。

特許文献３では、加速する又はブレーキをかける時間の間に、吊り下げられている吊り荷の加速のとき又はブレーキ時に発生する揺動を抑制して、吊り荷キャリアの動きを自動的に制御するための巻き上げ装置に取り付ける装置が公開されている。基礎となる考えは簡単な数学的な振り子に基づいている。トロリー質量及び吊り荷質量が、動きを計算するために算入されていない。トロリー駆動又はブリッジ駆動でのクーロン速度比例摩擦は考慮されない。

荷重体をできるだけ早く定位置から目的地に運ぶことを可能にするために、特許文献４は、惰性走行する間に同じ速度で走行トロリー及び吊り荷キャリアを移動しそして最短時間で揺動減衰を達成するように、コンピューターを使って走行トロリー駆動モーターの回転数を制御することを提案している。特許文献４で公開されているコンピューターは、走行トロリーと荷重体により形成され減衰していない２質量揺動系に適用される微分方程式を解くためのコンピュータープログラムに従って作動するが、そのときトロリー駆動又はブリッジ駆動でのクーロン速度比例摩擦は考慮されない。

特許文献５で公開された方法では、出発点と目的点の間で全経路の半分を残した後に揺動の振幅が常に丁度ゼロであるように、経路上で目的点間の速度を選ぶ。

特許文献６で公開された吊り荷振り子揺動を減衰する方法は、通常の速度・位置コントロールを含んでいる。

特許文献７は、振り子運動する吊り荷を調整制御する方法を取り扱っており、そのとき第一制御回路において、吊り荷の理論的位置と実際の位置間の偏差をうみ出す。これを導き出し、修正係数を乗じそして可動キャリアの理論的位置に加える。第二制御回路において可動キャリアの理論的位置を実際の位置と比較し、定数を掛けそして可動キャリアの理論的速度に加える。

特許文献８は、ロープに吊り下げられている吊り荷を巻き上げる巻き上げ装置の電気走行駆動装置を制御する方法を取り扱っており、力学に基づいて説明される方程式が、クレーントロリーの目標速度変化をうみ出して速度及び電流コントロール装置に与える。さらに位置コントロール装置に関するコンピューター装置を荷重用にも拡張することができる。

特許文献１、特許文献６及び特許文献７で公開された制御方法は、吊り荷の振り子運動を減衰するためにロープ角度センサーを必要とする。特許文献８による拡張実施例においても、同様にこのセンサーが必要である。このロープ角度センサーが著しくコスト高の原因となるので、このセンサーがなくても吊り荷の振り子運動を打ち消すことができれば利点がある。

基本バージョンでの特許文献８の方法は、同様に少なくともクレーントロリーの速度を必要とする。特許文献２でも吊り荷振り子運動減衰のために多数のセンサーが必要である。そして特許文献２では、少なくともクレーントロリーの回転数と位置測定を行わなければならない。

特許文献５も、追加のセンサーとして少なくともトロリー又はブリッジの位置を必要とする。

この方法の代替として、例えば特許文献３及び特許文献４で公開された別の取り組みが提案しているのは、吊り荷の振り子運動を抑制するために、システムの根底となる微分方程式を解き、これに基づいてシステムに対する制御方法を調べることであり、そのとき特許文献３の場合にはロープ長さ、特許文献４の場合にはロープ長さと吊り荷質量を測定する。しかしながらこのシステムでは、粘着摩擦及び速度に比例する摩擦のクレーンシステムでは無視すべきでない摩擦の影響が考慮されない。また特許文献８も摩擦項及び減衰項を考慮していない。

吊り荷ロープに吊り下げられている吊り荷を積み替えするためのものであって、吊り荷を少なくとも３つの運動自由度に亘って動かすことができるクレーン又はバガーを、移動の間にアクティブに出現する吊り荷の振り子運動を減衰することができ、そして吊り荷を正確に規定の軌道に案内することができるように更に改善するために、既に申請者は自己の特許文献９において、吊り荷の振り子運動を減衰するためにクレーン又はバガーにコンピューター制御のコントロール装置を設けることを提案しており、その装置は軌道設定モジュール（以下においては短く軌道設定装置と言う）、求心力打ち消し装置、そして少なくとも旋回装置用のコンピューター制御コントロール装置、起伏装置用のコンピューター制御コントロール装置、巻き上げ装置用のコンピューター制御コントロール装置を有している。

吊り荷を積み替えるときには、クレーン又はバガー例えば港湾移動クレーンを使って、二つの目標点をできるだけ迅速にそして正確な位置に結ぶことが不可欠である。目標点の１つは荷下ろしすべき対象にあり、他の点は積み込む対象にある。十分に自動化された吊り荷の積み替えは、いわゆるティーチイン運転と呼ばれる。
独国特許出願公開第１２７８０７９号明細書 独国特許出願公開第２０２２７４５号明細書 独国特許出願公開第３２１０４５０号明細書 独国特許出願公開第３２２８３０２号明細書 独国特許出願公開第３７１０４９２号明細書 独国特許出願公開第３９３３５２７号明細書 独国特許出願公開第６９１１９９１３号明細書 独国特許出願公開第４４０２５６３号明細書 独国特許出願公開第１００６４１８２号明細書

本発明の課題は、クレーン又はバガー特に港湾移動クレーン用のいわゆるティーチイン運転の積み替えの方法を得ることである。

解決手段は、請求項１に記載の発明の特徴の組み合わせから得られる。

本発明の特別な構成は、従属請求項に記載の発明から得られる。

全自動の軌道設定装置は、港湾移動クレーン用のアクティブな吊り荷振り子運動減衰システムに組み込まれている。そのとき、作業空間にある２点を何回も往き来するというクレーン運転者に対する要求が、全自動運転の開発のための出発点としての役割をしている。図１で示すように、この二つの点は運転者により定義される。手動レバーにより前もって決めた方向に従って、二つの点のうちの１つを目標点として規定する。目標は、目標点をできるだけ迅速にそして正確な位置で結び、そして吊り荷揺動を最小にすることである。さらに手動レバー信号により、旋回装置及び起伏装置に対する目標速度を規定する。それによりクレーン運転者は、全自動運転でも港湾移動クレーンに関してコントロールを維持する。特定の定角軌道に結びつけられることなく吊り荷が全作業空間で自由に動けるので、作業空間にある障害を迂回することができる。そのときアクティブの吊り荷振り子運動減衰システムが、上記特許文献９に記載されているように、吊り荷揺動を最小化するために働く。作業空間を離れることが必要なら、クレーン運転者は該当するボタンを操作しなければならない。この運転モードいわゆるティーチイン運転により高い積み替え能力が発揮され、そしてクレーン運転者に対する要求が最小化される。その他に全自動運転状態にあるクレーンは、手動レバー信号をクレーン制御のために利用しそして吊り荷揺動の最小化のためにアクティブの吊り荷振り子運動減衰が働く半自動運転にあるときと類似して働く。それにより、クレーンの動的な挙動がクレーン運転者にとって計算可能で慣れたままに留まる。

本発明の更なる詳細と利点を、以下において図を使って説明する。

クレーンのコントロールは、下方においた揺動減衰装置（特許文献９）により実現される。旋回装置及び起伏装置のための部分構造は、基本的に定角軌道発生装置、トラブル監視装置、そしてフィードフォワード制御装置でできている（図２参照）。全自動運転では、手動レバー信号ψD_zielとr_AlZielだけでなく作業空間におけるスタート／目標点も利用される。この情報を使って、吊り荷速度用の変容参考信号が回転方向及びラジアル方向で計算される。軌道設定装置では参考信号から目標定角軌道をつくりだし、それが旋回装置及び起伏装置用のコンピューター制御コントロール装置でフィードフォワード制御して油圧駆動用に該当する制御電圧に変換される。

図１で示すように、作業空間においてクレーン運転者により決められた二つの点がψ_{D_} ^-r _Al平面に投射される。それを使って吊り荷の目標位置を要素ψ_{D_Ziel}とr_{Al_Ziel}に分けることができる。図２は、旋回装置と起伏装置用のコンピューター制御コントロール装置において、この要素を考慮していることを示している。手動レバーの各操作に従いクレーン運転者の右ないし左にある目標位置を目標点として規定し、さきほど挙げた要素に分ける。

−旋回装置用の全自動軌道設定装置の構造と機能方法−
全自動軌道設定装置のベースとなる考えは、目標位置ψ_{D_Ziel}までに残っている回転範囲及び必要なブレーキ距離に従って減少された手動レバー信号を変容させることである。クレーン運転者による手動レバーの操作時に、まず軌道プランナー内で設けられたランプを使って加速する。残っている回転範囲が減速のために必要な回転角より大きいなら、前もって与えられた最高速度で動くステップとなる。他方で、回転範囲が相当して小さい場合は、加速ステップが直接にブレーキステップに繋がる。図３で示しているように、まず残っている範囲を目標位置と実際位置間の差異により決める必要がある。減速を始めなければならない正しいタイミングを見つけるために、必要なブレーキ距離が算入される。回転方向に従って、残っている回転範囲及びブレーキ距離間の差異がまさに正しい減速タイミングに対してマイナス又はプラスになる。目標位置への移動時における港湾移動クレーンの挙動を改善するために、簡略化された手動レバー信号ψ_Dzielredは減速時点に達したときに初めてゼロにセットされるのではなく、適切な照合表を介してこのタイミングに近接時に既に減少される。

図４で示しているように、まずブロック“手動レバー信号の変化”において、減少された手動レバー信号ψ_Dzielredの正負符号を使って回転方向が決められる。ロープ長さ変化に対して全自動軌道設定装置を強力なものにするために、本来の減速タイミングに達する前に既にクレーンにブレーキをかける。そのとき位置偏差とブレーキ距離間の差異を、照合表を介して０と１の間の係数に変換する。目標角度に達するためにブレーキを掛け始めなければならない回転角である減速タイミングまでの隔たりが２５°以上である場合には、減少された手動レバー信号は１で判定され、そして軌道設定装置内で目標定角軌道に変換される。隔たりが小さくなると手動レバー信号は非線形で減少する。信号diffDWがマイナスになると、減少手動レバー信号をウエイト付けする係数はゼロになり、それにより減速タイミングに達する。

旋回装置用のコンピューター制御コントロール装置は位置との繋がりを有していない、すなわち回転角ψ_Dがフィードバックされないので、位置偏差をフィードバックするPコントロール装置を設けている。しかしながら、Pコントロール装置の設定量は、目標点を通り過ぎたときのみスイッチが入れられる（図５参照）。それにより、ｔ→∞に対してのみ目標角度の達成が保証される。Pコントロール装置の増幅は、手動レバー信号の絶対値によりウエイト付けされている固定の係数P_Factorを使って決められる。手動レバー信号は、−１〜１で規準化されている。それによりPコントロール装置がシステムの力学に適合する。

ブレーキ距離を計算するために基礎は、コントロールされた部分システム、旋回装置の状態空間モデルを一般的な解が形成する。状態方程式の解は、均一解と部分解の二つの部分に分かれる。そのとき部分解は旋回装置に対して、方程式（１）で示した関係により近似することができる。ブレーキ距離の第一部分ψ_Dbrems1は、測定した回転速度ψ_Dと最大加速度ψ^..D_maxを考慮することにより計算される。

ブレーキ距離の第二部分ψ_Dbrems2は、コントロールされた部分システム、旋回装置の均一解を計算することから得られる。

コントロールされた部分システム、旋回装置の均一解
旋回装置用に設けられた接線方向の吊り荷揺動減衰装置は、クレーンで回転方向に打ち消す動きをもたらす。極の位置により決まる状態コントロールの運動は、旋回装置で必要なブレーキ距離に著しい影響を及ぼす。コントロールされたシステムを操作するときに得られる旋回角度を決めるために、このシステムの均一解を計算する。方程式（２）で示す均一解を使って、初期状態を測定することにより全ての状態を決められる。

そのときA _R はコントロールされたシステムのシステムマトリックスである。四つの状態、すなわち旋回角度、旋回角速度、接線ロープ角度、接線ロープ角速度、及び油圧循環のプロポーショナルバルブの制御電圧を入力として使って、下記に対する入力ベクトルと状態ベクトルが得られる。

この定義を使えば、旋回装置の状態空間は次のようになる。
a=l_A*cos(ψ_A)/l_S及びb=K_VD*2*π/i_D*V_MD*T_Dを使って

そのとき、l_Aはジブ長さ、l_Sはフリーの振り子長さ、i_Dは変換割合、V_MDは油圧モーターの吸引容量、T_Dは油圧駆動の減速時間、K_VDはポンプの移送電流と制御電圧間の比例常数、ψ_Aはジブの傾斜角度である。システムの出力は吊り荷の荷下ろしである。それにより出力マトリックスC _Dは下記により得られる。

コントロールされたシステムを操作するときに得られる旋回角度を計算するために、方程式（２）を第一状態(ψ_D)に対して解く必要がある。そのためにまずコントロールされたシステムのシステムマトリックスを、前もって決めた極により要素を決めるフィードバックマトリックスK=[0 k₂ k₃ k₄]を使って計算する。（方程式（６））。四つの極の内の１つにゼロが与えられており、それにより旋回装置のコンピューター制御コントロール装置は位置との繋がりを有していないので、フィードバックマトリックスの第一増幅はゼロである。

そして転移マトリックスΦ=e ^AR(t-t0)を計算しｔ→∞に対する限界値を考慮すると、下記の第一行の要素が得られる。

コントロールされた部分システム、旋回装置の残るゼロではない３つの極は、l₁,l₂,l₃により記号化される。

方程式（２）及び転移マトリックスの要素を使って、回転角度に対するコントロールされたシステムの均一解が決められる。方程式（８）で関係を示している。

この計算により、全自動軌道設定装置での旋回装置コントロールの動的特性を考慮することが可能である。回転角度ψ_Dhomは動的に計算され、ブレーキ距離の追加部分ψ_Dbrems2として解釈される。それにより、目標点への正しい移動を導く定角軌道をつくりだすことが可能である。

−起伏装置用の全自動軌道設定装置の構造と機能方法−
旋回装置コントロールとは対照的に、起伏装置ではジブの傾斜角度ψ_Aはフィードバックされる。それにより、位置接続のあるコンピューター制御コントロール装置を付けることにより、ｔ→∞に対する規定位置に到達することが保証され、そして全自動軌道設定装置が本質的に簡略化される（図６を参照）。旋回装置軌道設定装置に類似してブロック“手動レバー信号の変化”において、目標位置に到達するために起伏装置の動きを正しいタイミングまで減速するように減少手動レバー信号r_ALZielredを合わせる。全自動運転においてつくられたラジアル方向の変容目標速度の経過は、図２で示されるように軌道設定装置において目標定角軌道r _Alrefに変換される。

そのとき減速時点t_Verzogerungは、目標半径と必要なブレーキ経路に対する偏差間の差異の符号を、方向に従って評価することにより得られる（図７を参照）。位置決め精度を向上し過剰揺動を最小化するために、加えていわゆる接近徐行範囲が導入される。この範囲において最大速度の５％が規定される。タイミングt_Kriechは、図６に記載されたパラメーターd_{Kriech_WW}を使って決められる。位置偏差とブレーキ距離の差異によりパラメーターを加減することにより、符号を方向に従う評価を使ってタイミングt_Kriechを得る。

減速接近タイミングt_Kriechは、いつ減少手動レバー信号を規定の最高速度から最高速度の５％に変化させるかを決める基準の役割をする。それにより図８で概略的に示した変容手動レバー信号の経過を得る。

起伏装置のブレーキ距離は、ラジアル方向でジブの実際の速度及び最高加速度を算入して以下のように決められる。

起伏装置のコンピューター制御コントロール装置は位置が決まっているので、システムの均一解の形式でコントロールされたシステムの力学を考慮すること、及びPコントロール装置を介してフィードバックされる位置偏差は不可欠ではない。

クレーンの投影図である。 旋回装置及び起伏装置のための部分構造を示すブロック図である。 全自動旋回装置軌道設定装置の構造を示すブロック図である。 旋回装置用のレバー信号変容の構造を示すブロック図である。 方向により決まるＰ循環を示すブロック図である。 全自動起伏装置軌道設定装置の構造を示すブロック図である。 起伏装置用のレバー信号変容の構造を示すブロック図である。 つくられた目標速度の経過例を示すグラフである。

Claims (3)

1. クレーン又はバガーを旋回させるための旋回装置と、
   ジブを水平にしたり傾けたりするための起伏装置と、
   ロープに吊り下げられている吊り荷を上昇ないし下降させるための巻き上げ装置と、
   上記旋回装置と上記起伏装置とを操作する手動レバーと、
   吊り荷の振り子運動を減衰するために軌道設定装置、障害監視装置及びフィードフォワード制御装置を有するコンピューター制御のコントロール装置とを備え、
   クレーン又はバガーの吊り荷ロープに吊られている吊り荷を積み替える方法であって、
   クレーン又はバガーの運転者が二つの点を選択することによる作業空間を決定するステップと、
   上記運転者が手動レバーを使って方向を指定することにより、二つの点の１つを目標点とし、他方をスタート点として決定するステップと、
   特定の軌道に結びつけられることなく上記吊り荷を上記作業空間内の全体で移動させる上記手動レバーの信号により、上記旋回装置及び起伏装置用に目標速度を規定し、上記吊り荷の振り子運動を減衰するためのコンピューター制御のコントロール装置が、上記吊り荷の振り子運動を減衰するステップとを含み、
   上記吊り荷の目標点は、上記コンピューター制御のコントロール装置で処理される旋回装置ないし起伏装置用の要素に分割され、全自動の軌道設定装置において、上記吊り荷の実際位置と上記目標点とから該目標点までに残る範囲を決定し、減速を始めなければならない正しいタイミングを見つけるための必要なブレーキ距離を算入し、自動的にブレーキをかけるように上記手動レバーの信号を変容させる
   ことを特徴とする方法。
2. 手動レバー信号だけでなく作業空間における上記スタート点又は上記目標点も判読し、
   この情報に基づいて変容した吊り荷速度用の参考信号を、回転方向及びラジアル方向で計算し、
   そのとき軌道設定装置で参考信号から目標定角軌道をつくりだし、
   旋回装置と起伏装置用の上記コントロール装置内で、駆動装置用に対応する制御電圧に変換する
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 減速時に安全範囲として、起伏装置を最高速度から最高速度よりも若干遅くするいわゆる減速接近範囲を設けている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

Images