JP7613732B2 - Backlash prevention structure for electric winding device - Google Patents
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Description
この発明は、モータの回転方向を正逆に切り替えることで吊り荷を昇降する電動巻上げ装置において、吊り荷の降下中にバックラッシュ現象が起きることを防止する構造に関する。 This invention relates to a structure that prevents backlash from occurring during the descent of a suspended load in an electric hoisting device that raises and lowers a suspended load by switching the rotation direction of a motor between forward and reverse.
モータの回転方向を正逆に切り替えて吊り荷を昇降する電動巻上げ機において、モータを逆転して吊り荷を降下しているとき、ドラムから繰り出されるロープが弛むとバックラッシュ現象が起こる。つまり、吊り荷の降下速度よりもロープの繰出し速度が勝ると、吊り荷とドラムの間でロープが弛み、この弛んだ部分が逆転中のドラムに絡んだり、もつれたりしてしまう。こうしたバックラッシュ現象を防止するものとして、特許文献1には、モータの逆転駆動中、ロープの張力検出部からの検出信号に応じて、ロープの張力が所定の閾値以上の場合にはドラムが逆回転される一方、ロープの張力が所定の閾値を下回る場合にはドラムが逆回転されないようにモータを制御する装置が開示されている。
In an electric hoist that raises and lowers a load by switching the rotation direction of the motor between forward and reverse, a backlash phenomenon occurs when the rope being paid out from the drum slackens when the motor is reversed to lower the load. In other words, if the payout speed of the rope is faster than the descent speed of the load, the rope slackens between the load and the drum, and this slack portion becomes tangled or entangled in the drum during reversal of rotation. To prevent this backlash phenomenon,
他方、特許文献2には、モータの逆転駆動中、ドラムの繰出し方向の回転速度が、駆動ギアに噛合する従動ギアの回転速度を上回れば、従動ギアが送りネジ機構によって摩擦板を押圧する方向に移動してブレーキ力を発生させ、これにより吊り荷をモータの逆転速度で降下させるようにしたメカニカルブレーキ付き巻上げ機が開示されている。
On the other hand,
特許文献1の装置は、バックラッシュ現象を防止するために、ロープの張力検出部(張力センサ)やモータの制御部を備えるなど、ほぼその全てを電子制御に頼っている。したがって、この種装置の多くが屋外で使用されることに鑑みると、防水・防塵措置が必須であり、また、電子回路は温度の影響を受けやすいことから、酷暑地や極寒地で使用することを想定して断熱措置も必要となり、コスト高を招く。さらに、張力検出部は、使用するロープなどの牽引部材の素材や太さ等に対応したものでなくてはならず、また閾値もドラムの回転特性等に応じて設定する必要があるなど、初期設定に手間を要し、汎用性に乏しい。なお、特許文献1では、クラッチやトルクリミッター(ドラグ装置)を設けることは、装置全体の大重量化や大型化、コストアップを招くとして、その使用を否定している。
The device in
一方、特許文献2の巻上げ機は、メカニカルブレーキによって吊り荷の降下速度がモータの回転速度に同期するから、本来的にバックラッシュ現象が起こりにくい。しかしながら、吊り荷が着地したと同時にモータの逆転を停止しなければ、そのままロープが繰り出されてしまい、バックラッシュ現象は免れない。
On the other hand, the hoist in
この点、近年ではドローンを利用した荷物の配送サービスが実現しつつある。つまり、ドローンに巻上げ機を搭載して荷を空輸しようというものであり、これが実現すれば、陸路が整備されていない僻地への物資の配送や、買い物が不便な年寄り等に対しても機動的な配送が可能となる。なお、このサービスでは、荷を引き渡すのに際して、最終的には受取人が吊り荷をロープ等から外すとしても、受取人がドローンはもちろん、巻上げ機を操作することはできない。このため、受取人が荷を受け取るまでの操作は、自ずとドローンのオペレータが行うことになる。具体的には、ドローンが目的地に到着したら、安全な高さでドローンをホバリングさせつつ、巻上げ機のモータを逆転駆動して吊り荷を降下させ、吊り荷が着地すればモータを止めるといった作業をオペレータが行うことになる。しかしながら、こうした作業を空撮用のカメラモニターで確認しながら行ったとしても、上空からの確認では、オペレータが吊り荷の着地を正確に把握することは困難である。したがって、吊り荷の着地とモータの停止にタイムラグが生じやすく、バックラッシュ現象も起こりやすいといった課題がある。そもそも、目的地上空でドローンをホバリングさせながらモータを逆転し、カメラモニターを確認しながら吊り荷の着地と同時にモータを停止するといった作業を完全に遂行するには、それに見合った訓練や、専用オペレータの育成が必要になるなど、従来の巻上げ機をそのままの利用したのでは解決できない課題も多い。 In this regard, a drone-based parcel delivery service is becoming a reality in recent years. In other words, the idea is to equip a drone with a hoist and transport the parcel by air. If this is realized, it will be possible to deliver goods to remote areas where land routes are not well developed, and to elderly people who find it difficult to go shopping. In this service, even if the recipient finally detaches the suspended load from the rope when handing over the load, the recipient cannot operate the drone or the hoist. Therefore, the drone operator will naturally perform the operations until the recipient receives the load. Specifically, when the drone arrives at the destination, the operator will hover the drone at a safe height, drive the motor of the hoist in reverse to lower the suspended load, and stop the motor when the suspended load lands. However, even if such operations are performed while checking with an aerial camera monitor, it is difficult for the operator to accurately grasp the landing of the suspended load when checking from the sky. Therefore, there is a problem that a time lag is likely to occur between the landing of the suspended load and the stopping of the motor, and the backlash phenomenon is also likely to occur. To begin with, in order to perfectly carry out tasks such as reversing the motor while hovering the drone above the destination and stopping the motor as soon as the suspended load lands while checking the camera monitor, appropriate training and the training of dedicated operators are required, and there are many issues that cannot be resolved by simply using conventional winches.
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電子制御によらず、吊り荷が着地するなどしてドラムが無負荷となったと同時に当該ドラムの回転を停止して、バックラッシュ現象を防止することができる電動巻上げ装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide an electric hoisting device that can prevent the backlash phenomenon by stopping the rotation of the drum as soon as the drum becomes unloaded, for example when the suspended load lands, without relying on electronic control.
上述した目的を達成するために本発明では、モータの回転方向を正逆に切り替えることによりドラムに巻回した吊り荷を昇降可能とした電動巻上げ機において、前記ドラムの回転中心に挿通した支軸上に前記モータの回転と同期して正逆に回転可能に設けた爪車と、前記ドラムに設けた爪とでラチェットが構成され、当該ラチェットは、前記吊り荷による前記ドラムの繰出し方向の負荷トルクによって前記爪が前記爪車に噛合することで当該爪車を介して前記モータの動力が前記ドラムに伝達可能となる一方、前記負荷トルクが一定以下となれば前記爪が前記爪車との噛合を外れて当該爪車が空転することで前記ドラムに対する前記モータの動力の伝達が遮断されるという手段を用いた。当該手段によれば、吊り荷を宙吊りするなどしてドラムに繰出し方向の負荷トルクが作用している限り、ラチェットが噛合してモータの動力を正逆ともドラムに伝達し、吊り荷を昇降させることができる。これに対して、吊り荷を取り付ける前や、降下中に吊り荷が着地するなどしてドラムに作用する負荷トルクが一定以下となれば、ラチェットは噛合せず、爪車が空転可能な状態となり、ドラムに対するモータ動力の伝達が遮断される。したがって、モータを逆転して吊り荷の降下中に、吊り荷が着地したり、人が吊り荷を持ち上げたりすると、モータはそのまま逆転を続けるが、爪の噛合が外れることによって爪車は逆転方向に空転し、ドラムへの動力伝達が遮断されることによって、それ以降はドラムの回転が停止してロープが繰り出されることがないため、バックラッシュ現象も起きない。なお、爪車に対して爪の噛合が外れる負荷トルクの上限をどの程度に設定するかは自由であるが、少なくとも負荷トルクがゼロとなれば爪を爪車に噛合させないことが必要である。 In order to achieve the above object, the present invention uses a means in which, in an electric hoist capable of raising and lowering a load wound on a drum by switching the rotation direction of the motor between forward and reverse, a ratchet is formed by a ratchet wheel mounted on a support shaft inserted through the rotation center of the drum so that it can rotate forward and reverse in sync with the rotation of the motor, and a pawl mounted on the drum, and the ratchet uses a means in which the pawl engages with the ratchet wheel due to the load torque in the payout direction of the drum caused by the load, thereby enabling the power of the motor to be transmitted to the drum via the ratchet wheel, while when the load torque falls below a certain level, the pawl disengages from the ratchet wheel and the ratchet wheel spins freely, cutting off the transmission of the power of the motor to the drum. With this means, as long as a load torque in the payout direction is acting on the drum, such as by suspending a load in mid-air, the ratchet engages to transmit the power of the motor to the drum in both forward and reverse directions, allowing the load to be raised and lowered. In contrast, if the load torque acting on the drum falls below a certain level before a load is attached or if the load lands during descent, the ratchet will not engage, the ratchet will be able to spin freely, and the transmission of motor power to the drum will be cut off. Therefore, if the load lands or a person lifts the load while the motor is rotating in reverse to lower it, the motor will continue to rotate in reverse, but the ratchet will disengage and the ratchet will spin freely in the reverse direction, cutting off the transmission of power to the drum, which will stop the drum from rotating and prevent the rope from being paid out, so no backlash will occur. It is possible to set the upper limit of the load torque at which the ratchet will disengage from the ratchet, but it is necessary that the ratchet not engage with the ratchet at least when the load torque becomes zero.
一方、前記ラチェットは、前記爪を噛合方向に弾性付勢するバネを有することが好ましい。ドラムに負荷トルクが作用するときの爪と爪車の噛合状態が保持され、確実にモータ動力により吊り荷を昇降させることができるからである。 On the other hand, it is preferable that the ratchet has a spring that elastically biases the pawl in the direction of engagement. This is because the engagement state between the pawl and the ratchet wheel is maintained when a load torque acts on the drum, and the suspended load can be reliably raised and lowered by the motor power.
なお、前記モータの動力を減速ギア機構・制動機構の順で前記ドラムに伝達し、前記ラチェットを最終のモータ動力伝達手段とすることが好ましい。減速ギア機構によってモータのトルクが増大され、また、制動機構によって吊り荷の降下速度を減速したり、吊り荷を一定高さに保持したりすることができるようになるからである。 It is preferable to transmit the power of the motor to the drum via a reduction gear mechanism and a braking mechanism in that order, with the ratchet being the final motor power transmission means. This is because the reduction gear mechanism increases the torque of the motor, and the braking mechanism makes it possible to slow down the descent speed of the suspended load and to hold the suspended load at a constant height.
具体的に前記制動機構は、前記モータと正逆に回転可能に接続されるネジ軸と、該ネジ軸上にライニングを介してクラッチ板と摩擦板を交互に配列してなるクラッチと、前記ネジ軸の前記ドラムと前記クラッチの間に前記クラッチ側に向かって締め込まれるように螺合され、当該締め込み時の推力により前記クラッチ板と前記摩擦板とを前記ライニングにより摩擦接合可能な押圧用ナット部を備えてなり、前記ネジ軸は前記ドラムの前記支軸に前記押圧用ナット部が螺合する雄ネジ部を形成してなると共に、前記押圧用ナット部は前記爪車に前記雄ネジに螺合する雌ネジを設けてなることが好ましい。当該手段によれば、モータやドラムの回転運動は何れも、ドラムの支軸をネジ軸とした送りネジ機構によって、爪車で構成した押圧用ナット部が前記ネジ軸を左右にネジ推進してクラッチと接離する直線的な往復運動に変換される。こうした押圧用ナット部(爪車)の往復運動中、クラッチを押圧する推力の有無によって、クラッチによるブレーキ力の有無が決定する。即ち、クラッチは、モータを巻上げ方向に回転させた場合は、これと連動して回転するネジ軸によって押圧用ナット部が締め込まれることで当該クラッチが接続され、モータと減速ギア機構の駆動系トルクをドラムに伝達するように作用するが、モータの停止中は、吊り荷による負荷トルクによってドラムが繰り出し方向に回転するのと連動して、このときも押圧用ナット部が締め込まれることで、吊り荷を一定高さに保持するブレーキ力を発揮し、いわゆるブレーキクラッチとして機能する。一方、モータを吊り荷の繰出し方向に回転させた場合は、ネジ軸(ドラムの支軸)が巻上げ時とは逆向きに回転することにより、押圧用ナット部(爪車)がクラッチに対する締め込みとは反対の緩み方向に変位してブレーキ力が解除され、ドラムが自由回転可能な状態となることで、吊り荷自身の重量によって吊り荷が降下する。さらに、当該降下中にドラムの回転速度、即ち押圧用ナット部(爪車)の降下方向の回転速度が、モータの繰出し方向の回転速度、即ちネジ軸(ドラムの支軸)の繰出し方向の回転速度を超えると、押圧用ナット部(爪車)の降下方向の回転が優勢となって、当該押圧用ナット部(爪車)が再び締め込まれ、その推力によってブレーキ力が回復する。したがって、モータの繰出し方向の回転トルクで吊り荷を降下させることでき、以後、押圧用ナット部(爪車)とネジ軸(ドラムの支軸)との回転差に応じて、ブレーキ力の解除と回復を繰り返して、モータを停止するまで吊り荷を降下させることができるため、吊り荷の降下中のバックラッシュ現象が防止される。 Specifically, the braking mechanism comprises a screw shaft connected to the motor so as to be rotatable forward and reverse, a clutch in which clutch plates and friction plates are alternately arranged on the screw shaft via a lining, and a pressing nut part that is screwed between the drum and the clutch of the screw shaft so as to be tightened toward the clutch side and that can frictionally join the clutch plates and the friction plates with the lining by the thrust force generated when the screwing is performed. It is preferable that the screw shaft is formed with a male thread part into which the pressing nut part is screwed on the support shaft of the drum, and the pressing nut part is provided with a female thread on the ratchet wheel that is screwed into the male thread. According to this means, the rotational motion of the motor and the drum is converted into a linear reciprocating motion in which the pressing nut part composed of a ratchet wheel screws the screw shaft left and right to contact and separate from the clutch by a feed screw mechanism with the support shaft of the drum as the screw shaft. During the reciprocating motion of the pressing nut part (ratchet wheel), the presence or absence of a braking force by the clutch is determined by the presence or absence of a thrust force pressing the clutch. That is, when the motor is rotated in the hoisting direction, the pressing nut portion is tightened by the screw shaft which rotates in conjunction with the motor, and the clutch is engaged to transmit the torque of the drive system of the motor and reduction gear mechanism to the drum, but when the motor is stopped, the pressing nut portion is also tightened in conjunction with the rotation of the drum in the payout direction due to the load torque of the load, thereby exerting a braking force to hold the load at a constant height, and functions as a so-called brake clutch. On the other hand, when the motor is rotated in the payout direction of the load, the screw shaft (drum support shaft) rotates in the opposite direction to that during hoisting, displacing the pressing nut portion (ratchet wheel) in the loosening direction opposite to the tightening of the clutch, releasing the braking force, and the drum becomes free to rotate, causing the load to descend due to its own weight. Furthermore, if the rotational speed of the drum during the descent, i.e., the rotational speed of the pressing nut part (rake wheel) in the descending direction, exceeds the rotational speed of the motor in the payout direction, i.e., the rotational speed of the screw shaft (drum support shaft) in the payout direction, the rotation of the pressing nut part (rake wheel) in the descending direction becomes dominant, the pressing nut part (rake wheel) is tightened again, and the braking force is restored by the thrust. Therefore, the load can be lowered by the rotational torque in the payout direction of the motor, and thereafter, the braking force is repeatedly released and restored depending on the rotational difference between the pressing nut part (rake wheel) and the screw shaft (drum support shaft), and the load can be lowered until the motor is stopped, preventing the backlash phenomenon during the descent of the load.
さらにクラッチは、複数組のクラッチ板・ライニング・摩擦板からなる多板クラッチで構成され、当該組数を変更可能とすることで前記吊り荷の重量に応じたブレーキ力を得ることが好ましい。モータと減速ギア機構からなる駆動系が同じ構成(出力トルク)であれば、クラッチ側への締め込み時の押圧用ナット部(爪車)の推力は一定となるため、多板クラッチの組数を変更するだけで、吊り荷の重量に見合ったブレーキ力が得られるからである。これは、モータの停止中に吊り荷を一定高さに保持するときに特に有効であり、例えば、3組の多板クラッチにより30kgの吊り荷を保持するブレーキ力が得られるとすれば、5組の多板クラッチでは50kgの吊り荷を保持することができるようになる。 Furthermore, it is preferable that the clutch is composed of a multi-plate clutch consisting of multiple sets of clutch plates, linings, and friction plates, and that the number of sets can be changed to obtain a braking force according to the weight of the load. If the drive system consisting of the motor and reduction gear mechanism has the same configuration (output torque), the thrust of the pressing nut part (ratchet wheel) when tightened to the clutch side will be constant, so simply changing the number of sets of the multi-plate clutch will provide a braking force that matches the weight of the load. This is particularly effective when holding the load at a constant height while the motor is stopped; for example, if three sets of multi-plate clutches can provide a braking force to hold a 30 kg load, five sets of multi-plate clutches will be able to hold a 50 kg load.
また、前記ネジ軸(ドラムの支軸)上に前記押圧用ナット部(爪車)と対峙してクラッチの受け部を備えると共に、この受け部はラチェットにより常時逆転を規制するという手段では、押圧用ナット部が逆転により締め込まれたとしても、受け部はラチェットが効いてその方向には共回りせず、回転停止の状態で押圧用ナット部の推力を受圧する。したがって、モータの停止中、押圧用ナット部のクラッチ側への推力を前記受け部が受圧することで、クラッチを完全に摩擦接合状態として、吊り荷を一定高さに保持可能なブレーキ力を確実に得ることができる。また、モータを巻上げ方向に作動しているときも、受け部の逆回転規制によってドラムの降下方向の回転が規制され、吊り荷が落下するトラブルを防止することができる。 In addition, by providing a clutch receiving portion facing the pressing nut portion (ratchet wheel) on the screw shaft (drum support shaft) and constantly restricting reverse rotation with a ratchet, even if the pressing nut portion is tightened by reverse rotation, the ratchet works and the receiving portion does not rotate in that direction, and receives the thrust of the pressing nut portion while the rotation is stopped. Therefore, when the motor is stopped, the thrust of the pressing nut portion toward the clutch is received by the receiving portion, so that the clutch is completely frictionally connected and a braking force capable of holding the load at a constant height can be reliably obtained. Also, even when the motor is operating in the hoisting direction, the rotation of the drum in the downward direction is restricted by the restriction of reverse rotation of the receiving portion, preventing the load from falling.
さらに、モータの停止時において、当該モータと減速ギア機構を合わせた回転抵抗として示される駆動系の静的摩擦トルクを、ドラム側の負荷トルクと釣り合うように設定するという手段では、モータが電磁ブレーキ等のブレーキを備えていなくとも、モータの停止中、ドラムから吊り荷が繰り出されることなく、吊り荷を一定高さに保持可能なブレーキ力を維持させることができる。また、前記モータの停止中に、仮に、前記ドラム側に前記ブレーキ力を超過する荷重が作用したときは、前記静的摩擦トルクを超えて前記駆動系の逆転が許容される。したがって、超過荷重による巻上げ装置への衝撃等を緩和することができる。これは、例えば本装置をドローンに搭載して荷の配送システムを構築した場合に有効で、その配送中に吊り荷が木に引っかかったとしても、ドローンへの衝撃を緩和するのに役立つ。一方、モータの逆転駆動による吊り荷の降下中、ドラム側の負荷トルクが一定以下となったとき、押圧用ナット部は、前記クラッチから締め込みに対する反作用を受けて前記締め込みが緩まり、前記クラッチを切断するという手段では、吊り荷が着地するなどして負荷トルクが一定以下となれば、押圧用ナット部の緩みによりクラッチが切れた状態となる。そして、一度緩んだ押圧用ナット部はネジ軸と共転することになり、そのままモータを逆転し続けたとしても、クラッチが切れた状態が継続する。したがって、本発明では、押圧用ナット部のラチェットが空転する以外、吊り荷の着地と同時にクラッチが切断されることで、より確実にバックラッシュ現象を防止することができる。 Furthermore, by setting the static friction torque of the drive system, which is the rotational resistance of the motor and the reduction gear mechanism, to be balanced with the load torque on the drum side when the motor is stopped, even if the motor does not have an electromagnetic brake or other brake, the load will not be let out from the drum while the motor is stopped, and a braking force capable of holding the load at a constant height can be maintained. Also, if a load that exceeds the braking force acts on the drum while the motor is stopped, the static friction torque is exceeded and the drive system is allowed to rotate in reverse. Therefore, it is possible to mitigate impacts on the hoisting device caused by excessive loads. This is effective, for example, when this device is installed on a drone to build a load delivery system, and helps to mitigate impacts on the drone even if the load gets caught on a tree during delivery. On the other hand, when the load torque on the drum side falls below a certain level while the motor is rotating in the reverse direction, the pressing nut receives a reaction from the clutch against the tightening, loosening the tightening, and disengaging the clutch. If the load torque falls below a certain level due to the load landing, the pressing nut loosens and the clutch is disengaged. Once loosened, the pressing nut rotates together with the screw shaft, and the clutch remains disengaged even if the motor continues to rotate in the reverse direction. Therefore, in this invention, the backlash phenomenon can be more reliably prevented by disengaging the clutch at the same time as the load lands, other than the ratchet of the pressing nut rotating freely.
さらにまた、前記減速ギア機構は、平歯車のみで構成することもできるが、少なくとも一部を遊星歯車で構成することが好ましい。必要なトルクを得ながら、減速ギア機構をより小型化・軽量化することができるからである。 Furthermore, although the reduction gear mechanism can be composed of only spur gears, it is preferable to compose at least a part of it with planetary gears. This is because the reduction gear mechanism can be made smaller and lighter while still obtaining the necessary torque.
なお、本発明の電動巻上げ装置は、工場や倉庫、建設現場などの一般的な荷役に限らず、あらゆる荷役分野で利用することができる。また、本装置をドローンに搭載すれば、陸路が整備されていない僻地に対しても手軽に荷を配送することができるようになるなど、その可能性は無限となる。 The electric hoisting device of the present invention can be used in all loading and unloading fields, not just general loading and unloading in factories, warehouses, and construction sites. Furthermore, if this device is mounted on a drone, it will be possible to easily deliver cargo to remote areas where land routes are not available, and the possibilities are endless.
本発明によれば、ドラムに対するモータの動力伝達系に、ドラムに作用する負荷トルクが一定以下となれば爪の爪車に対する噛合が外れるラチェットを設けたので、モータを停止しなくても、吊り荷が着地するなどしてドラムが無負荷となったと同時に当該ドラムの回転が停止するので、確実にバックラッシュ現象を防止することができる。また、電子的な制御によらず、機構的にバックラッシュ現象を防止するため、電子回路を異物や熱から保護する措置が不要となり、コストを下げることができるうえ、ロープの素材や太さ等に応じた初期設定も不要となり、汎用性が高い電動巻上げ装置を提供することができる。 According to the present invention, a ratchet is provided in the power transmission system of the motor for the drum, which disengages the claw from the ratchet wheel when the load torque acting on the drum falls below a certain level. This means that the rotation of the drum stops as soon as the drum is unloaded, for example when the suspended load lands, without the need to stop the motor, thereby reliably preventing backlash. In addition, because backlash is prevented mechanically rather than electronically, measures to protect the electronic circuit from foreign objects and heat are not required, reducing costs, and initial settings according to the rope material, thickness, etc. are not required, making it possible to provide a highly versatile electric hoisting device.
以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に従って説明する。図1は本発明の一実施形態に係る電動巻上げ装置の全体斜視図であって、1はモータ、2はドラムである。ドラム2にはロープ3を巻掛けており(図面上、右側から見て左巻き)、その先端に吊り荷Wを固定している。4はレベルワンダーであって、ドラム2と連動して回転するトラバースカム5上を左右に往復動することで、ロープ3をドラム2に均一に巻掛けるものである。そして、端子6に接続したコントローラ(図示せず)によってモータ1の作動・停止、及び回転方向を正逆に切り替えることで、ドラム2を正逆に回転させて吊り荷Wを昇降したり、吊り荷Wを一定高さに保持したりする。
A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the attached drawings. FIG. 1 is an overall perspective view of an electric hoisting device according to one embodiment of the present invention, in which 1 is a motor and 2 is a drum. A
本装置は、4枚の平行するプレート状のフレームF1~4間に、モータ1やドラム2を始め、減速ギア機構及び制動機構を組み付けている。このうち減速ギア機構は、図2・3に示すように、モータ1側から二組の遊星歯車7・8、平歯車からなる二つの伝達ギア9・10、伝達ギア9・10よりも大径な平歯車からなる出力ギア11によって構成されている。このうち最終の出力ギア11は、ドラム2の回転中心に挿通した支軸12の一端(図面上、右端)に一体的に固定している。なお、説明の便宜上、各ギア7~11の歯は図示を省略している。
In this device, the
こうした減速ギア機構によってモータ1のトルクを増大したうえで、制動機構を介して、ドラム2に伝達するところ、本実施形態の制動機構は、ドラム2の支軸12をネジ軸とした送りネジ機構と、多板クラッチとで構成されている。
The torque of the
このうち送りネジ機構は、図4によく示されるように、支軸12の片側一部に雄ネジ部12aを形成してネジ軸を構成すると共に、その雄ネジ部12aには押圧用ナット部13を螺合してなる。したがって、支軸12が回転すれば、押圧用ナット部13がネジ推進によって支軸12の回転方向に従った方向に支軸12上を左右に往復動する。また、支軸12の回転停止中(モータ1の停止中と同義)も、押圧用ナット部13はドラム2が吊り荷Wの荷重によって繰出し方向に回転するのと連動して回転し、支軸12をネジ推進する。
As shown in Figure 4, the feed screw mechanism is formed by forming a
制動機構の一構成を担う多板クラッチは、図4に示したように、ライニング15を介してクラッチ板14と摩擦板16を複数組、支軸12上に交互に配列してなる。このうちクラッチ板14は、図5・6に示すように、その外周2カ所に設けた凸起14aを受け部17の収容筒部に形成した切欠き17aに嵌合している。一方、摩擦板16は、その中心孔16aを押圧用ナット部13の軸基部13aと合致する角軸状として、押圧用ナット部13と共転可能としている。なお、この実施形態では、ライニング15を5枚とした多板クラッチとしているが、組数をより多くすることで、初期のブレーキ力を増大させることができる。
The multi-plate clutch, which constitutes one component of the braking mechanism, is made up of multiple sets of
そして、上記多板クラッチは、支軸12上で押圧用ナット部13と対峙する受け部17(の上記収容筒部)に収容している。受け部17は、図5・6に示したように、これを爪車とする第一のラチェット18を構成しており、受け部17に形成した歯17bに爪18aが噛合することによって、受け部17の逆転を常時規制している。したがって、押圧用ナット部13が吊り荷Wの繰出し方向に回転した場合でも受け部17は逆転しない。なお、爪18aは、図1に示したように、フレームF1・F2間に軸支したピン18bによって回動可能に枢支している。
The multi-plate clutch is housed in the receiving portion 17 (the housing cylinder portion) that faces the
一方、送りネジ機構における押圧用ナット部13は、図5・6に示したように、これを爪車とする第二のラチェット19を構成している。第二のラチェット19における爪19aは、ドラム2の端面凹部2aに回転可能に枢支しており、板バネ19bによって、常時、押圧用ナット部13に形成した歯13bに噛合するように付勢している。そして、この第二のラチェット19は、図7に示したように、モータ1の正転駆動により押圧用ナット部13が吊り荷Wの巻上げ方向に回転(正転R1)するときに、その歯13bに爪19aが噛合するもので、ドラム2側から見ると、ドラム2が吊り荷Wによる負荷トルクで繰出し方向に回転(逆転R2)しようとするときに、爪19aが歯13bに噛合する。このため、ドラム2に吊り荷Wを巻回している限り、その負荷トルクによって爪19aが歯13bに噛合して、ドラム2と押圧用ナット部13が正逆に一体回転することになるが、ドラム2側の負荷トルクが一定以下となれば、当該噛合が外れて、ドラム2へのモータ動力の伝達が遮断される。つまり、当該押圧ナット部13は本実施形態においてモータ1の動力をドラム2に伝達する最終伝達手段とされており、後述するように、本発明のバックラッシュ防止構造を構成している。なお、この実施形態では、ドラム2を押圧用ナット部13側に弾性的に付勢しているため(図3のコイルスプリング20)、押圧用ナット部13が支軸12上を往復する間もドラム2が追従することで、第二ラチェット19の噛合が外れることがない。
On the other hand, the
次に、この電動巻上げ装置の動作を図4にしたがって説明する。ここで各方向を整理しておくと、この実施形態では、ドラム2に対してロープ3を左巻きに巻掛けているので、これを基準として、以下の動作説明では、吊り荷Wを上昇させるためにロープ3を巻き上げる回転方向(左回り)を正転R1とし、吊り荷Wを降下させるためにロープ3を繰出す回転方向(右回り)を逆転R2とする。また、送りネジ機構における支軸12と押圧用ナット部13は左ネジ(逆ネジ)によって螺合しているものとして、押圧用ナット部13が相対的な正転R1によるネジ推進で支軸12上をクラッチ側に変位する締め込み方向(図面上、右方向)を順方向S1とし、反対に押圧用ナット部13がクラッチから離間する緩み方向を逆方向S2とする。
Next, the operation of this electric hoisting device will be described with reference to Figure 4. To clarify the directions, in this embodiment, the
今、モータ1の停止中にロープ3に吊り荷Wを固定(宙吊り)すると、その重量によってドラム2は逆転R2しようとする。ドラム2が逆転R2しようとすると、その逆転トルク(負荷トルク)は第二のラチェット19を介して押圧用ナット部13に伝達され、押圧用ナット部13が逆転R2する。押圧用ナット部13が逆転R2すると、押圧用ナット部13は回転停止状態にある支軸12を左ネジ作用によって順方向S1に変位し、クラッチを押圧するように締め込まれる。このとき押圧用ナット部13はドラム2の逆転R2トルクに見合った推力によってクラッチを押圧する。こうした押圧用ナット部13の推力により、クラッチにおけるクラッチ板14と摩擦板16がライニング15により摩擦接合してブレーキ力が得られる。この間、受け部17にもクラッチを介して押圧用ナット部13の逆転R2トルク(引いてはドラム2側の負荷トルク)が伝達されるが、受け部17は第一のラチェット18によって逆転R2が規制されているため、押圧用ナット部13だけが逆転R2することになり、設定されたブレーキ力が得られるまで押圧用ナット部13を確実に締め込むことができる。以降、ドラム2に吊り荷Wの荷重(負荷トルク)が作用している限り、上記推力に見合ったブレーキ力によって吊り荷Wを一定高さに保持し続けることができる。
Now, if a load W is fixed (suspended) to the
なお、この実施形態では、モータ1の停止中、モータ1と減速ギア機構を合わせた回転抵抗として示される駆動系の静的摩擦トルクを、静止状態にある吊り荷Wを含んだドラム2側の負荷トルクと釣り合うように設定している。このため、吊り荷Wが予定重量である限り、押圧用ナット部13の推力及びクラッチのブレーキ力は一定に維持され、吊り荷Wを上述のように一定高さで保持することができる。これに対して、ドラム2側に設定ブレーキ力を超える超過荷重が作用すれば駆動系の逆転が許容される。このように超過荷重によって駆動系が逆転R2することで、装置側への衝撃を緩和することができる。
In this embodiment, while the
ここまで吊り荷Wを一定高さに保持することを重点に説明したが、これは特に、本装置をドローンに搭載した荷物の配送するシステムで有効だからである。つまり、ドローンを用いた配送システムでは、ドローンをホバリングさせた状態で吊り荷を固定すると共に、その場(定位置)で資材等を昇降する通常の荷役作業とは異なり、無人飛行による配送過程があり、この間、モータを停止した状態で吊り荷を確実に保持(宙吊り)する必要があるからである。また、配送中に外力(風圧や荷の引っかかり)でブレーキ力を超える超過荷重が生じた場合には、これを吸収する必要もある。そこで、本発明では、上述のように、駆動系の静的摩擦トルクをドラム側の負荷トルクを制動機構を介して釣り合うように設定することによって、こうした課題に対応しているのである。 Up to this point, we have focused on maintaining the load W at a constant height, because this is particularly effective in a system for delivering cargo in which the device is mounted on a drone. In other words, in a delivery system using a drone, unlike normal loading and unloading operations in which the load is fixed while the drone is hovering and materials are raised and lowered on the spot (at a fixed position), there is a delivery process by unmanned flight, during which the load must be securely held (suspended in mid-air) with the motor stopped. Also, if an excess load that exceeds the braking force occurs due to an external force (wind pressure or the load getting caught) during delivery, it is necessary to absorb this. Therefore, in the present invention, as described above, these issues are addressed by setting the static friction torque of the drive system to balance the load torque on the drum side via a braking mechanism.
続いて、吊り荷Wの昇降動作を説明する。まず吊り荷Wを上昇させるには、モータ1を正転駆動する。モータ1の正転駆動力によって、二組の遊星歯車7・8、平歯車からなる二つの伝達ギア9・10を介して最終の出力ギア11が正転R1し、該出力ギア11と一体化された支軸12も正転R1する。支軸12が正転R1すると、押圧用ナット部13は左ネジの送りネジ作用によって支軸12上を順方向S1に変位する。ただし、吊り荷Wを宙吊りに固定した段階で、押圧用ナット部13は既に完全に締め込まれているため、支軸12と共転可能な状態にあり、モータ1の始動後、ほぼ時間差なく押圧用ナット部13が正転R1する。こうした押圧用ナット部13の正転R1トルクは第二のラチェット19を介してドラム2に伝達され、吊り荷Wを巻き上げるのである。この間、クラッチはクラッチ板14と摩擦板16がライニング15による完全な摩擦接合状態にあるため、確実に駆動系側の巻上げトルクによって吊り荷Wを巻き上げることができる。また、受け部17は第一のラチェット18によって逆転R2が規制されているから、吊り荷Wの上昇中に万一、ドラム2が逆転R2しようとしてもこれが規制され、モータ1等の駆動系が逆転R2することもなく、吊り荷Wの落下事故を防止することができる。
Next, the lifting and lowering operation of the load W will be explained. First, to raise the load W, the
なお、この巻上げ動作は、吊り荷Wの宙吊り状態から開始することが必須ではなく、吊り荷Wを地面においた状態で巻上げを開始することも当然可能である。この場合、押圧用ナット部13がクラッチ板16から離間して位置していたとしても(言い換えれば、押圧用ナット部13が緩まっており、ブレーキ力がゼロの状態であったとしても)、モータ1を正転駆動すれば、上述したのと同じ要領で吊り荷Wを巻き上げることができる。また、巻上げ途中でモータ1を停止した場合も、同じブレーキ力を得て、吊り荷Wを一定高さに保持することができる。
It is not essential that this hoisting operation starts with the load W suspended in mid-air; it is of course also possible to start hoisting with the load W on the ground. In this case, even if the
一方、吊り荷Wを降下させるには、モータ1を逆転駆動する。モータ1を逆転駆動すれば、二組の遊星歯車7・8、平歯車からなる二つの伝達ギア9・10を介して最終の出力ギア11が逆転R2する。これにより出力ギア11と一体化された支軸12が逆転R2する。支軸12が逆転R2すると、今度は押圧用ナット部13が支軸12を逆方向S2に変位して締め込みが緩み、クラッチに対する推力を失う。このようにしてクラッチ板14と摩擦板16のライニング15に対する摩擦接合力も喪失され、ブレーキ力が解除される。その後、ドラム2は逆転R2方向にフリー回転可能な状態となり、吊り荷Wは自然落下によって降下する。
On the other hand, to lower the load W, the
ただし、吊り荷Wの降下速度はほぼ一定に保たれる。なぜなら、吊り荷Wの降下速度が駆動系の繰出し速度を超えようとすると、ドラム2の逆転R2の回転速度(押圧用ナット部13の逆転R2の回転速度と同義)が、支軸12の逆転R2の回転速度(駆動系の逆転R2の回転速度と同義)を上回ることになって、相対的に押圧用ナット部13の逆転R2が優勢となる。すると、みかけ上、押圧用ナット部13が当該速度差に見合った分だけ単独で逆転R2することになるので、支軸12を順方向S1に締め込まれ、クラッチに対する推力を得て、再びブレーキ力が回復する。したがって、モータ1の逆転駆動中は、駆動系の逆転R2速度によって吊り荷Wを降下させることができるのである。
However, the descent speed of the load W is kept almost constant. This is because, if the descent speed of the load W exceeds the payout speed of the drive system, the reverse rotation R2 speed of the drum 2 (synonymous with the reverse rotation R2 speed of the pressing nut part 13) will exceed the reverse rotation R2 speed of the support shaft 12 (synonymous with the reverse rotation R2 speed of the drive system), and the reverse rotation R2 of the
そして、最終段階では、吊り荷Wが着地したのを見計らってモータ1を停止することで一連の動作が完了する。ここで、モータ1を停止するタイミングが吊り荷Wの着地から遅れた場合、通常であれば、ドラム2からロープ3が必要以上に繰出されてバックラッシュ現象(釣りで言うところの糸ふけによるラインの絡まり)が起きる。しかし、本実施形態では、吊り荷Wが着地することでドラム2が無負荷となれば、その瞬間に、押圧用ナット部13が緩む。つまり、それまで押圧用ナット部13はドラム2側の負荷トルクによってクラッチ側に締め込まれているが、これと同時に、クラッチからは緩み方向の反作用を受けている。したがって、負荷トルクがゼロとなれば、クラッチからの反作用によって押圧用ナット部13が瞬時に緩むのである。このようにして押圧用ナット部13が緩むとクラッチのブレーキ力も解除され(クラッチが切れ)、以降、モータ1を逆転R2駆動し続けても、押圧用ナット部13は緩んだ状態のまま支軸12と共回りするだけで、クラッチが切れていることからモータ1の動力はドラム2には伝達されず、ドラム2からロープ3が繰り出されることもないため、バックラッシュ現象が起きることがない。さらに、ドラム2が無負荷となれば、第二のラチェット19の爪19aを歯19bに噛合させる逆転R2方向の成分がなくなるため、押圧用ナット部13だけが逆転R2方向に空転することになる。したがって、吊り荷Wの着地後、モータ1を停止するタイミングが遅れたとしても、吊り荷Wの着地と同時に押圧用ナット部13が空転することでドラム2の逆転R2が停止し、ロープ3が余分に繰り出されないことから、バックラッシュ現象も防止することができる。つまり、本実施形態では、吊り荷Wの降下中、ドラム2側の負荷トルクが一定以下となれば、押圧用ナット部13の緩みによるクラッチ切断と、第二のラチェット19の噛合解除の二つの手段によって、確実にバックラッシュ現象を防止しているのである。ただし、本発明において必要なことは、少なくとも第二のラチェット19による手段を採用することである。
In the final stage, the
以上、本実施形態の電動巻上げ装置によれば、制動機構(送りネジ機構とクラッチ)がドラム2の支軸12上に全て集約されているので、装置の小型化と軽量化に寄与する。また、クラッチのアクチュエータである送りネジ機構の押圧用ナット部13は、減速ギア機構における種々ギアと噛合関係にないため、ブレーキ力の解除・回復時に減速ギア機構の噛合部に無理な力がかからず、耐久性が高まる。
As described above, according to the electric winding device of this embodiment, the braking mechanism (feed screw mechanism and clutch) is all concentrated on the
なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されない。その一つとして、バックラッシュ現象を防止する第二のラチェット19の爪車を、送りネジ機構の押圧用ナット部13で構成することで、当該バックラッシュ防止構造と制動機構を集約できたが、これら爪車と押圧用ナット部13は別々の部材で構成することも可能であり、上述した制動機構そのものを省略することも可能であり、この場合、第二のラチェット19の爪車を支軸上で往復動させることなく、モータの回転と同期するように正逆に回転可能に設ければ済む。
The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment. As one example, the ratchet wheel of the
また、減速ギア機構の一部を二組の遊星歯車7・8で構成したが、遊星歯車は一組であってもよく、また全てを平歯車によって減速ギア機構を構成することも可能であり、軽量な荷を対象とするなら、減速ギア機構そのものを省略することも可能である。極論的には、図8に示すように、減速ギア機構と制動機構の何れをも省略してモータ21に第二ラチェット22の爪車22aを直結すると共に、これとドラム23に設けた爪22bとを噛合可能として、バックラッシ防止構造を構成することも可能である。
In addition, while part of the reduction gear mechanism is constructed from two sets of
本発明は、一般的な荷役分野に限らず、ドローンに搭載することで、手軽且つ機動的に荷を空輸する配送サービスにも利用することができる。 The present invention is not limited to general cargo handling applications; by mounting it on a drone, it can also be used for delivery services that transport cargo by air easily and swiftly.
1 モータ
2 ドラム
3 ロープ
4 レベルワインダー
5 トラバースカム
6 接続端子
7・8 遊星歯車
9・10 伝達ギア
11 出力ギア
12 支軸(ネジ軸)
12a 雄ネジ部
13 押圧用ナット部
14 クラッチ板
15 ライニング
16 摩擦板
17 受け部
18 第一のラチェット
19 第二のラチェット
W 吊り荷
F1~F4 フレーム
1
12a
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