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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-13
(45)【発行日】2024-02-21
(54)【発明の名称】ブームの先端位置の予測システム
(51)【国際特許分類】
   B66C 13/22 20060101AFI20240214BHJP
   B66C 23/82 20060101ALI20240214BHJP
【FI】
B66C13/22 W
B66C23/82 F
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2020046413
(22)【出願日】2020-03-17
(65)【公開番号】P2021147131
(43)【公開日】2021-09-27
【審査請求日】2022-12-01
(73)【特許権者】
【識別番号】000148759
【氏名又は名称】株式会社タダノ
(74)【代理人】
【識別番号】110001793
【氏名又は名称】弁理士法人パテントボックス
(72)【発明者】
【氏名】南 佳成
【審査官】太田 義典
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-020890(JP,A)
【文献】特開2010-235249(JP,A)
【文献】特開平01-167199(JP,A)
【文献】特開2011-063346(JP,A)
【文献】特開平10-017273(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B66C 13/00-15/06
B66C 19/00-23/94
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
起伏自在に構成されるブームと、
前記ブームを起伏させる起伏シリンダと、
前記起伏シリンダの圧力を計測する圧力計測器と、
ワイヤを介して吊荷を巻上/巻下げるウインチと、
前記ワイヤの長さを計測するワイヤ長さ計測器と、
前記起伏シリンダ及び前記ウインチを制御する制御部であって、前記圧力計測器によって計測された前記起伏シリンダの圧力と、前記ワイヤ長さ計測器によって計測された前記ワイヤの長さと、に基づいて、前記ブームの先端位置を予測するようにされている、制御部と、
備え、
前記制御部は、前記ブームを上方向及び/又は下方向に起伏移動させ、前記起伏シリンダの圧力、及び、前記ワイヤの長さ、の経時変化に基づいて、前記ブームの先端位置を予測するようにされている、ブームの先端位置の予測システム。
【請求項2】
前記ワイヤ長さ計測器は、前記ウインチの回転数を計測する回転数計測器と、前記ブームの姿勢を計測する姿勢計測器と、から構成される、請求項1に記載されたブームの先端位置の予測システム。
【請求項3】
前記制御部は、前記ブームを上方向及び/又は下方向に起伏移動させた際に、式(1)によって間接的に算定される仮想摩擦力|ΔFsinφ|が最小となる時点において、前記ブームの先端位置が前記吊荷の真上に位置していると判定するようにされている、請求項1に記載されたブームの先端位置の予測システム。
【数1】
(式(1)において、Tはワイヤの張力、γはウインチ回転速度、θ は初期の起伏角、θ(ドット)は起伏角速度、Lはブーム長さ、k、k’はワイヤの伸び係数、をそれぞれ表している。)
【請求項4】
前記制御部は、前記ウインチによって前記ワイヤの巻上げを開始して、前記起伏シリンダの圧力が所定の閾値以上となった状態を初期状態とし、前記初期状態を基準として、前記ブームを上方向及び/又は下方向に起伏移動させるようにされている、請求項1又は請求項3に記載されたブームの先端位置の予測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、移動式クレーンを含む楊重装置に適用可能な、ブームの先端位置の予測システム、及び、ブームの先端位置の予測方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、ブームを備えたクレーンにおいて、地面から吊荷を吊り上げる際に、すなわち吊荷を地切りする際に、ブームに生じるたわみによって作業半径が増大することによって、吊荷が水平方向に振れる「荷振れ」が問題となっている(図1参照)。
【0003】
地切りの際の荷振れを防止することを目的として、例えば、特許文献1に記載された鉛直地切り制御装置は、エンジン回転数センサによってエンジンの回転数を検出し、ブームの起仰作動をエンジン回転数に応じた値に補正するように構成されている。このような構成によって、エンジン回転数の変化を加味した正確な地切り制御を実施できる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開平8-188379号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1を含む従来の地切り制御装置は、ブームの先端位置が吊荷の真上に位置しているか否かについて検出する手段を備えていなかった。したがって、ブームの先端位置が吊荷の真上からずれた状態で地切りして荷振れするおそれがあった。
【0006】
そこで、本発明は、ブームの先端位置を予測することができる、ブームの先端位置の予測システム、及び、ブームの先端位置の予測方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記目的を達成するために、本発明のブームの先端位置の予測システムは、起伏自在に構成されるブームと、前記ブームを起伏させる起伏シリンダと、前記起伏シリンダの圧力を計測する圧力計測器と、ワイヤを介して吊荷を巻上/巻下げるウインチと、前記ワイヤの長さを計測するワイヤ長さ計測器と、前記起伏シリンダ及び前記ウインチを制御する制御部であって、前記圧力計測器によって計測された前記起伏シリンダの圧力と、前記長さ計測器によって計測された前記ワイヤの長さと、に基づいて、前記ブームの先端位置を予測するようにされている、制御部と、を備え、前記制御部は、前記ブームを上方向及び/又は下方向に起伏移動させ、前記起伏シリンダの圧力、及び、前記ワイヤの長さ、の経時変化に基づいて、前記ブームの先端位置を予測するようにされている
【0008】
また、本発明のブームの先端位置の予測方法は、ブームの先端位置の予測方法であって、ブームを上方向及び/又は下方向に起伏移動させるステップと、起伏シリンダの圧力を計測するステップと、ワイヤの長さを計測するステップと、前記起伏シリンダの圧力と前記ワイヤの長さとに基づいて前記ブームの先端位置を予測するステップと、を備えている。
【発明の効果】
【0009】
このように、本発明のブームの先端位置の予測システムは、ブームと、起伏シリンダと、圧力計測器と、ウインチと、ワイヤ長さ計測器と、起伏シリンダの圧力と、ワイヤの長さと、に基づいて、ブームの先端位置を予測するようにされている制御部と、を備えている。このような構成によれば、既存のセンサ類を用いて、簡易な構成によってブームの先端位置を予測できる。
【0010】
また、本発明のブームの先端位置の予測方法は、ブームの先端位置の予測方法であって、ブームを上方向及び/又は下方向に起伏移動させるステップと、起伏シリンダの圧力を計測するステップと、ワイヤの長さを計測するステップと、起伏シリンダの圧力とワイヤの長さとに基づいてブームの先端位置を予測するステップと、を備えている。このような構成によれば、既存のセンサ類を用いて、簡易な構成によってブームの先端位置を予測できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】吊荷の荷振れについて説明する説明図である。
図2】移動式クレーンの側面図である。
図3】ブームの先端位置の予測システムのブロック図である。
図4】張力(起伏シリンダの圧力の関数)とワイヤの長さに基づく仮想摩擦力の演算手法について説明する説明図である。
図5】ブームの先端位置の予測システムのフローチャートである。
図6】ブームの先端位置の予測システムの作用について説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る実施例について図面を参照して説明する。ただし、以下の実施例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。
【実施例
【0013】
本実施例では、移動式クレーンとしては、例えば、ラフテレーンクレーン、オールテレーンクレーン、トラッククレーン等が挙げられる。以下、本実施例に係る作業車両としてラフテレーンクレーンを例に説明するが、他の移動式クレーンにも、本発明に係る制御装置を適用することができる。さらに、本発明は、移動式クレーンだけでなく、他のワイヤを用いた楊重装置にも適用可能である。
【0014】
(移動式クレーンの構成)
まず、図2の側面図を用いて、移動式クレーンの構成について説明する。本実施例のラフテレーンクレーン1は、図2に示すように、走行機能を有する車両の本体部分となる車体10と、車体10の四隅に設けられたアウトリガ11,・・・と、車体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の後方に取り付けられたブーム14と、を備えている。
【0015】
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、車体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とともに、ジャッキシリンダを伸縮させることによって車体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。
【0016】
旋回台12は、旋回モータ61の動力が伝達されるピニオンギヤを有しており、このピニオンギヤが車体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、右前方に配置された操縦席18と、後方に配置されたカウンタウェイト19と、を有している。
【0017】
さらに、旋回台12の後方には、ワイヤ16を巻上/巻下げるためのウインチ13が配置されている。ウインチ13は、ウインチモータ64を正方向/逆方向に回転させることによって、巻上げ方向(巻き取る方向)/巻下げ方向(繰り出す方向)の2方向に回転するようになっている。
【0018】
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とによって入れ子式に構成されており、内部に配置された伸縮シリンダ63によって伸縮できるようになっている。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、シーブにワイヤ16が掛け回されてフック17が吊下げられている。
【0019】
基端ブーム141の付け根部は、旋回台12に設置された支持軸に回動自在に取り付けられており、支持軸を回転中心として上下に起伏できるようになっている。そして、旋回台12と基端ブーム141の下面との間には、起伏シリンダ62が架け渡されており、起伏シリンダ62を伸縮することでブーム14全体を起伏することができるようになっている。
【0020】
(制御系の構成)
次に、図3のブロック図を用いて、本実施例のブームの先端位置の予測システムSの制御系の構成について説明する。ブームの先端位置の予測システムSは、制御部としてのコントローラ40を中心として構成されている。コントローラ40は、入力ポート、出力ポート、演算装置などを有する汎用のマイクロコンピュータである。コントローラ40は、操作レバー51~54(旋回レバー51、起伏レバー52、伸縮レバー53、ウインチレバー54)からの操作信号を受けて、図示しない制御バルブを介してアクチュエータ61~64(旋回モータ61、起伏シリンダ62、伸縮シリンダ63、ウインチモータ64)を制御する。
【0021】
さらに、本実施例のコントローラ40には、ブームの先端位置の予測を開始するための開始スイッチ20と、起伏シリンダ62の圧力を計測する圧力計測器21と、ワイヤの長さを計測するワイヤ長さ計測器としての回転数計測器22及び姿勢計測器23と、が入力系統として接続されている。
【0022】
開始スイッチ20は、「ブーム14の先端位置の予測制御」の開始(又は停止)を指示する入力機器であり、例えば、ラフテレーンクレーン1の安全装置に付加する構成とすることが可能である。開始スイッチ20は、操縦席18に配置されることが好ましい。なお、この開始スイッチ20として、地切り制御を開始するための地切り開始スイッチ(不図示)を兼用することもできる。すなわち、地切り制御の初期段階で本発明を実施することも可能である。
【0023】
圧力計測器21は、ブーム14に作用する荷重を計測する計測機器であり、起伏シリンダ62に取り付けられて、起伏シリンダ62の内部に作用する作動油の油圧を計測する圧力計である。圧力計測器21によって計測された圧力信号は、コントローラ40に伝送される。そして、後述する図4に示すように、コントローラ40において、圧力計測器21によって計測された圧力に基づいて式(3)の左辺の張力の項が計算される。
【0024】
ワイヤ長さ計測器(22、23)は、ウインチ13の回転数を計測する回転数計測器22と、ブーム14の姿勢を計測する姿勢計測器23と、から構成される。そして、後述する図4に示すように、コントローラ40において、回転数計測器22によって計測された回転数(回転速度)γと、姿勢計測器23によって計測された起伏角θ及び起伏角速度θ(ドット)と、に基づいて、式(3)の右辺の第一項及び第二項のワイヤ長さの変化に基づく項が計算される。
【0025】
回転数計測器22は、ウインチ(ドラム)13の回転軸近傍に設置されて、ウインチ(ドラム)13の回転数(回転速度)を計測する。回転数計測器22によって計測された回転数(回転速度)は、コントローラ40に伝送されて、ウインチ巻上げ速度、及び、ワイヤ長さの計算に利用される。
【0026】
姿勢計測器23は、ブーム14の姿勢を計測する計測機器であり、ブーム14の起伏角度を計測する起伏角度計23aと、起伏角速度を計測する起伏角速度計23bと、から構成される。具体的には、起伏角度計23aとしては、ポテンショメータを用いることができる。また、起伏角速度計23bとしては、起伏シリンダ15に取り付けられたストロークセンサを用いることができる。起伏角度計23aによって計測された起伏角度信号、及び、起伏角速度計23bによって計測された起伏角速度信号は、コントローラ40に伝送される。
【0027】
コントローラ40は、ブーム14及びウインチ13の作動を制御する制御部であり、開始スイッチ20がONにされることでウインチ13を巻上げて吊荷を地切りする準備工程として、又は、地切り動作の初期工程として、ブーム14の先端位置を予測する。コントローラ40は、圧力計測器21によって計測された起伏シリンダ62の圧力(p)と、長さ計測器(22、23)によって計測されたワイヤの長さと、に基づいて、ブームの先端位置を予測するようにされている。
【0028】
具体的に言うと、コントローラ40は、図4に示すように、機能部として、ブーム14を上方向及び/又は下方向に起伏移動させる移動機能部40aと、ブーム14の先端位置が吊荷の真上に位置しているか否かを判定する判定機能部40bと、を有している。
【0029】
移動機能部40aは、まず、ウインチ13によってワイヤ16の巻上げを開始して、起伏シリンダ62の圧力が所定の閾値以上となった状態を初期状態とする。そして、移動機能部40aは、初期状態を基準として、ブーム14を所定の角度幅で、上方向及び/又は下方向に起伏移動させるようにされている。
【0030】
判定機能部40bは、図4に示す関係に基づいて、ブーム14を上方向及び/又は下方向に起伏移動させた際に、起伏シリンダ62の圧力、及び、ワイヤ16の長さ、の経時変化に基づいて、ブーム14の先端位置を予測するようにされている。より具体的に言うと、起伏シリンダ62の圧力、及び、ワイヤ16の長さ、の経時変化に基づいて間接的に算定される仮想摩擦力が最小となる時点において、ブーム14の先端位置が吊荷の真上に位置していると判定するようにされている。
【0031】
つまり、図4の式(4)を用いて、ΔFsinφの経時的な変化に基づいて最小値を探索し、最小値となった状態が吊荷の真上にブーム14の先端位置が位置しているものと判定する。図4において、Tはワイヤの張力、γはウインチ回転速度、θは起伏角、θ(ドット)は起伏角速度、Lはブーム長さ、k、k’はワイヤの伸び係数、をそれぞれ表している。
【0032】
(フローチャート)
次に、図5のフローチャートを用いて、本実施例のブームの先端位置の予測制御の流れについて説明する。
【0033】
はじめに、オペレータが開始スイッチ20を押すことで、ブームの先端位置の予測制御が開始される(ステップS1)。そうすると、自動的にウインチ13の巻上げが開始される(ステップS2)。すなわち、コントローラ40は、ウインチモータ64に巻上げを指令する。次に、ウインチ13の巻上げと同時に、圧力計測器21によって起伏シリンダ62の圧力が計測される(ステップS3)。計測された圧力は、コントローラ40に伝送される。
【0034】
そして、コントローラ40は、伝送された起伏シリンダ62の圧力に基づいて、張力を計算し、所定の張力以上となっているか否かを判定する(ステップS4)。そして、所定の張力以上となっていれば、ウインチ13を停止する(ステップS5)。所定の張力未満となっていれば、ステップS2へ戻ってウインチ13の巻上げを継続する。この状態を初期状態とする。ここまでの制御によって、ワイヤ16に所定の張力が発生した状態となっている。
【0035】
次に、コントローラ40の移動機能部40aは、初期状態を基準として、ブーム14を所定の角度範囲で起伏上げ/起伏下げさせる(ステップS6)。すなわち、移動機能部40aは、起伏シリンダ62に初期状態を基準として所定の角度幅で少しずつ起伏上げと起伏下げを指令・実施することで、吊荷の真上にブーム14の先端位置が位置する状態を探索する。
【0036】
そして、ブーム14の起伏上げ/起伏下げと同時に、圧力計測器21によって起伏シリンダ62の圧力が計測される(ステップS7)。計測された圧力は、コントローラ40に伝送される。次に、コントローラ40の判定機能部40bは、図4の式(4)に基づいて、(仮想)摩擦力を計算する(S8)。すなわち、起伏シリンダ62の圧力、及び、ワイヤ16の長さ、の経時変化に基づいて間接的に(仮想)摩擦力を計算する。
【0037】
次に、判定機能部40bは、計算された摩擦力が最小値となっているか否かを判定する(ステップS9)。そして、摩擦力が最小値であれば(ステップS9のYES)、この時点の起伏角度を記憶する(ステップS10)。一方、摩擦力が最小値でなければ(ステップS9のNO)、ステップS6に戻る。そして、ステップS6~ステップS10を所定の角度範囲で繰り返すことによって、所定の角度範囲において摩擦力が最小値を示す起伏角度を探索・決定する。
【0038】
最後に、摩擦力が最小値になっている位置まで、ブーム14を起伏上げ又は起伏下げることによって、ブーム14の先端位置を吊荷の真上に位置させて(ステップS11)、処理を終了する。
【0039】
(先端位置の判定)
次に、図6のグラフを用いて、本実施例のブームの先端位置の判定手法の概念について説明する。前述したように、本実施例では、コントローラ40の判定機能部40bは、起伏シリンダ62の圧力、及び、ワイヤ16の長さ、の経時変化に基づいて間接的に算定される仮想摩擦力が最小となる時点において、ブーム14の先端位置が吊荷の真上に位置していると判定するようにされている。
【0040】
例えば、吊荷の真上にブーム14の先端位置が位置している場合には、図6の実線に示すように、同時刻における張力Tは相対的に小さくなるとともに、その分だけ地切りする時刻は遅くなる。一方、吊荷の真上からずれた位置にブーム14の先端位置が位置している場合には、図6の一点鎖線に示すように、同時刻における張力Tは相対的に大きくなるとともに、その分だけ地切りする時刻は早くなる。
【0041】
(効果)
次に、本実施例のブームの先端位置の予測システムSの奏する効果を列挙して説明する。
【0042】
(1)上述してきたように、本実施例のブームの先端位置の予測システムSは、起伏自在に構成されるブーム14と、ブーム14を起伏させる起伏シリンダ62と、起伏シリンダ62の圧力を計測する圧力計測器21と、ワイヤ16を介して吊荷を巻上/巻下げるウインチ13と、ワイヤ16の長さを計測するワイヤ長さ計測器(22、23)と、起伏シリンダ62及びウインチ13を制御する制御部としてのコントローラ40であって、圧力計測器21によって計測された起伏シリンダ62の圧力と、長さ計測器(22、23)によって計測されたワイヤ16の長さと、に基づいて、ブーム14の先端位置を予測するようにされている、コントローラ40と、を備えている。このような構成によれば、既存のセンサ類を用いて、簡易な構成によってブームの先端位置を予測できる。
【0043】
つまり、圧力計測器21や長さ計測器(回転数計測器22及び姿勢計測器23)は、既存の作業機に搭載されているところ、これらの計測器を用いてブーム14の先端位置の微調整を含む地切り作業を効率よく実施することが可能となる。すなわち、地切り作業において、荷振れなく高速に吊荷を持ち上げることができる。さらに、地切り判定も容易になるため、全体の作業時間が短縮される。また、扱うパラメータ数が少ないため、試験調整工数の短縮にもつながる。
【0044】
(2)また、ワイヤ長さ計測器は、ウインチ13の回転数を計測する回転数計測器22と、ブーム14の姿勢を計測する姿勢計測器23と、から構成されることが好ましい。なお、姿勢計測器23は、ブーム14の起伏角度を計測する起伏角度計23aと、起伏角速度を計測する起伏角速度計23bと、から構成されることが好ましい。
【0045】
(3)さらに、コントローラ40は、ブーム14を上方向及び/又は下方向に起伏移動させ、起伏シリンダ62の圧力、及び、ワイヤ16の長さ、の経時変化に基づいて、ブーム14の先端位置を予測するようにされている。このように構成すれば、あらかじめ複雑な計算を実施しておくことなく、作業現場において直接、簡単、かつ、正確にブーム14の先端位置を予測できる。
【0046】
(4)また、コントローラ40は、ブーム14を上方向及び/又は下方向に起伏移動させた際に、間接的に算定される仮想摩擦力が最小となる時点において、ブーム14の先端位置が吊荷の真上に位置していると判定するようにされていることが好ましい。このように構成することで、計測値に基づいて、正確にブーム14の先端位置が吊荷の真上に位置することを予測できる。
【0047】
(5)さらに、コントローラ40は、ウインチ13によってワイヤ16の巻上げを開始して、起伏シリンダ62の圧力が所定の閾値以上となった状態を初期状態とし、この初期状態を基準として、ブーム14を上方向及び/又は下方向に起伏移動させるようにされていることが好ましい。このように構成すれば、先端位置の予測制御においてブーム14を起伏移動させた際に、意図せずに地切りしてしまうことを防止できる。
【0048】
(6)また、本実施例のブームの先端位置の予測方法は、ブーム14を上方向及び/又は下方向に起伏移動させるステップと、起伏シリンダ62の圧力を計測するステップと、ワイヤ16の長さを計測するステップと、起伏シリンダ62の圧力とワイヤ16の長さとに基づいてブームの先端位置を予測するステップと、を備えている。このような構成であれば、既存のセンサ類を用いて、簡易な工程によってブームの先端位置を予測できる。
【0049】
以上、図面を参照して、本発明の実施例を詳述してきたが、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。
【0050】
例えば、実施例では特に説明しなかったが、ウインチ13としてメインウインチを使用して地切りする場合でも、サブウインチを使用して地切りする場合でも、本発明のブームの先端位置の予測システムSを適用することができる。
【0051】
また、実施例では、ブーム14を起伏上げ/下げさせて吊荷の真上の位置を探索するものとして説明したが、これに限定されるものではなく、さらに追加してブームヘッド144に搭載されているシーブにロードセルを貼設して、荷重の方向(すなわち、ワイヤ16が伸びる方向)を計測することも可能である。
【符号の説明】
【0052】
S:ブームの先端位置の予測システム;
1:ラフテレーンクレーン; 10:車体; 12:旋回台;
13:ウインチ; 14:ブーム; 16:ワイヤ; 17:フック;
20:開始スイッチ;21:圧力計測器;
22:回転数計測器(ワイヤ長さ計測器の一部);
23:姿勢計測器(ワイヤ長さ計測器の一部);
40:コントローラ;
51:旋回レバー; 52:起伏レバー;
53:伸縮レバー; 54:ウインチレバー;
61:旋回モータ; 62:起伏シリンダ;
63:伸縮シリンダ; 64:ウインチモータ
図1
図2
図3
図4
図5
図6