CN109693914B - 振动系统的控制装置以及工件搬送装置 - Google Patents

Abstract

提供一种应用于零件送料机、超声波电动机等利用振动的装置中的、能够稳定且高效率地对这些装置进行驱动的振动系统的控制装置以及工件搬送装置。在通过共同的驱动指令对多个振动系统(1、2)进行驱动时利用该控制装置，振动系统(1、2)各自具有共振频率(f1、f2)，该控制装置具备：目标频率设定单元(31)，其将目标频率(fm)设定在各振动系统的共振频率(f1、f2)之间；以及追踪单元(32)，其使驱动指令的频率(fv)追踪该目标频率设定单元(31)所设定的目标频率(fm)。

Description

振动系统的控制装置以及工件搬送装置

技术领域

本发明涉及一种能够应用在零件送料机、超声波电动机等利用振动的装置的、能够稳定且高效率地驱动这些装置的振动系统的控制装置以及工件搬送装置。

背景技术

以往，存在如椭圆振动零件送料机、超声波电动机等那样的具有多个振动系统并且以单一的频率对这些振动系统进行驱动由此发挥各种功能的装置。在此，多个振动系统也包括基于多个构造物的振动系统、有多个振动方向的振动系统以及同一构造物的多个振动模式中的任一种。

在这样的装置中，为了高效地进行振动，很多情况下以使该多个振动系统的共振频率成为接近的值的方式进行设计、调整，并以这些共振频率附近的频率进行驱动。另外，提出有如下控制：根据多个振动系统中的一个振动系统的共振频率来调节驱动频率(例如参照专利文献1、2)。

专利文献1示出超声波电动机的驱动电路，构成为对驱动频率进行控制以使与驱动状态相应的电压(从驱动检测用的压电元件获得的电压)同对压电体施加的电压(对两个电极中的一方施加的电压)之间的相位差成为预先设定的相位差。

另一方面，专利文献2示出椭圆振动零件送料机的驱动控制装置，构成为以使水平方向振动和垂直方向振动中的任一方的振幅为最大的方式来设定输出频率。

专利文献1：日本特公平07-2023号公报

专利文献2：日本特开平11-227926号公报

发明内容

发明要解决的问题

但是，如图12所示，各振动系统的共振频率并不是严格地保持一致，而是存在有偏差。另外，还能够考虑到，在因温度变化等而共振频率发生变化的情况下，并不限于各振动系统的共振频率相同地变化，而是偏差变大。

因此，在以往的基于一个振动系统的共振频率来对驱动频率进行调整的控制中，因共振频率的偏差的影响而装置整体的效率没有最大化。另外考虑会产生以下等各种问题：各振动系统的振动的响应倍率的差变大；在一部分振动系统中为了产生所需要的振幅而需要过大的激振力；在一部分振动系统中振幅不足。

本发明的目的在于有效地解决这些技术问题。

用于解决问题的方案

本发明为了解决所述技术问题，采取如下技术手段。

即，本发明所涉及的振动系统的控制装置是在通过共同的驱动指令对多个振动系统进行驱动时利用的控制装置，其特征在于，各所述振动系统各自具有共振频率，所述控制装置具备：目标频率设定单元，其将目标频率设定在各所述振动系统的共振频率之间；以及追踪单元，其使所述驱动指令的频率追踪所述目标频率设定单元所设定的目标频率。

根据这样的结构，不偏向于一部分共振频率，能够以整体上取得平衡的频率来对各振动系统进行驱动。而且，即使在振动系统的共振频率因温度等而发生变化的情况下，也能够以追踪该变化的频率来对振动系统进行驱动。

在该情况下，优选为，所述目标频率设定单元以使各所述振动系统的相位与所述驱动指令的相位之间成为规定的相位关系的方式来设定所述目标频率，所述追踪单元进行使所述驱动指令的频率成为所述目标频率的反馈控制。

这样，如果通过相位来设定目标频率，则不需要探寻共振频率，因此能够不中断驱动地持续进行控制。

具体来讲，期望的是，所述目标频率设定单元具备：针对各振动系统设定的相位差设定器；相位差检测器，其检测在各振动系统中检测出的相位与所述驱动指令的相位之间的相位差；以及加法器，其将各所述振动系统各自的设定相位差与所述检测相位差之间的偏差进行合计，所述控制装置基于由该加法器进行加法运算得到的合成偏差来生成所述驱动指令。

根据这样的结构，使用相位而不需要探寻共振频率，因此能够使控制装置的结构简单化。

并且，优选为，在各所述振动系统中，所述相位差检测器将所述驱动指令的信号与来自所述振动检测器的检测信号相乘来取出直流成分并对其进行标准化(日文：正規化)，由此检测相位差。

根据这样的结构，不需要以过零检测等那样高的分辨率进行采样，因此能够可靠地检测相位关系(∴取出直流成分并进行标准化的效果)。根据这样的结构，即使在各振动系统中振幅不同的情况下，也能够去除其影响地进行可靠的相位差检测。

另外，优选为，所述目标频率设定单元检测各振动系统的共振频率并将目标频率设定在各振动系统的共振频率之间，所述追踪单元进行使所述驱动指令的频率成为所述目标频率的反馈控制。

根据这样的结构，即使在例如相位检测困难的对象物中，也能够不根据相位而通过振动频率来比较简单地设定目标频率。

而且，如果将以上的控制装置应用于具备搬送部和行波产生单元的工件搬送装置并利用所述控制装置来控制该工件搬送装置的行波产生单元，则能够高效率地发挥稳定的搬送能力，其中，所述工件搬送装置的所述搬送部以载置工件的状态来搬送工件，所述行波产生单元通过将相位不同的驻波进行合成来产生用于使所述搬送部进行弯曲振动的行波。

发明的效果

以上，根据所说明的本发明，能够提供一种在应用于零件送料机、超声波电动机等利用振动的装置的情况下能够稳定且高效率地驱动这些装置的、新型的有用的振动系统的控制装置以及工件搬送装置。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的振动系统的控制装置的框图。

图2是具体地示出图1的一部分的框图。

图3是更具体的示出图2的一部分的框图。

图4是示出多个振动系统中的共振频率与驱动指令所涉及的频率之间的关系的伯德图。

图5是用于对该实施方式中的目标频率进行说明的与图4的一部分对应的伯德图。

图6是用于对该实施方式中的没有进行标准化的情况下的问题进行说明的比较图。

图7是示出本发明所涉及的振动系统的控制装置的变形例的图。

图8是示出本发明所涉及的振动系统的控制装置的其它变形例的图。

图9是示出作为本发明所涉及的工件搬送装置的结构例的零件送料机的图。

图10是针对构成该零件送料机的振动盘送料机(bowl feeder)的控制框图。

图11是针对构成该零件送料机的直进式送料机(linear feeder)的控制框图。

图12是用于对与本发明相对比的以往的控制进行说明的图。

附图标记说明

1：第一振动系统；2：第二振动系统；15：第一相位差检测器；25：第二相位差检测器；30：加法器；31：目标频率设定单元；32：追踪单元(驱动指令生成部)；31A1：第一相位差设定器；32B1：第二相位差设定器；C：振动系统的控制装置；f1、f2：共振频率；fm：目标频率；T1、t1、t2：搬送部；BZ、LZ：行波产生单元；PF：工件搬送装置(零件送料机)。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的一个实施方式。

图1用框图来示出本实施方式所涉及的振动系统的控制装置C。该控制装置C包括第一、第二振动系统1、2，并且具有各振动系统1、2的共振频率f1、f2为接近的值那样的振动部(1x、2x)。作为这样的共振频率f1、f2为接近的值那样的振动系统，例如能够列举出通过对在空间上存在相位差的多个部位以多个振动模式进行激振来产生行波的零件送料机等超声波振动系统、通过XYZ方向上的振动来产生椭圆振动的平面搬送装置等的弹簧质量阻尼器(Spring mass damper)振动系统等。

具体来讲，第一、第二振动系统1、2各自被第一、第二激振器11、21进行激振。

由振荡器等驱动指令生成部32a生成的频率可变的正弦波、矩形波等周期信号被第一、第二放大器12、22放大后被输入到第一、第二激振器11、21。关于第二激振器21，为了提供以第一振动系统1为基准的相对的相位差，将来自驱动指令生成部32的周期信号在移相器23中进行相位偏移并被第二放大器22放大后输入到第二激振器21。

即，来自驱动指令生成部32的周期信号被输入到第一放大器12，并且被移相器23进行相位偏移后输入到第二放大器22。

在此，如果是通常的控制，则以下的结构是通常例子：在检测第一振动系统1的振动波形的位置处设置第一振动检测器14，并且设置第一相位差检测器15并输入由驱动指令生成部32生成的周期信号和由第一振动检测器14检测的信号，以使此处的该相位差Δφ1为90°的方式来由目标频率设定单元31对频率进行调整并对驱动指令生成部32进行控制。同时，构成为将该驱动频率在移相器23中发生相位变化后对第二振动系统2进行驱动。

但是，如前述那样，在以第一振动系统1的共振频率f1对整体进行驱动的控制中，由于在第二振动系统2中成为偏离共振频率f2的驱动，因此考虑会发生以下等各种问题：与第一振动系统1之间响应倍率之差变大；第二振动系统2为了产生所需要的振幅而需要由第二放大器22产生过大的激振力；振幅不足。这在以第二振动系统2的共振频率f2对整体进行驱动的情况下也是同样的情形。

因此，在本实施方式中，在第二振动系统2侧，也在检测该第二振动系统2的振动波形的位置处设置第二振动检测器24，并且设置第二相位差检测器25并输入由驱动指令生成部32生成并由移相器23进行了相位调整后的周期信号以及由第二驱动检测器24检测的信号来检测相位差Δφ2，将该相位差与前述的第一相位差检测器15的相位差一并输入到目标频率设定单元31。

目标频率设定单元(频率调整器)31根据第一、第二相位差检测器15、25的输出Δφ1、Δφ2来将第一振动系统1和第二振动系统2的共振频率f1、f2的频率作为目标频率fm，来对由驱动指令生成部32生成的驱动指令的频率fv进行调节。

这样，在对驱动指令的频率fv进行调节时，目标频率设定单元31使用多个振动系统1、2各自的指令-响应间相位差来设定频率。而且，将驱动指令生成部32作为追踪单元，使驱动频率fv追踪该目标频率fm。

关于目标频率设定单元31和追踪单元32，更具体来讲是采用图2那样的结构。

目标频率设定单元31具备第一、第二相位差设定器31A1、31B1，利用减法器30a、30b来分别求出与第一、第二相位差检测器15、25的输出信号之间的偏差。能够通过调整增益调整部31A2、31B2来针对各个偏差调整权重。

而且，将利用加法器30c对第一、第二偏差信号进行合计得到的信号(以下称为合成偏差)作为成为驱动指令的基础的反馈信号，从目标频率设定单元31输出该反馈信号。

作为本发明的追踪单元的驱动指令生成部32被输入反馈信号，为了使驱动指令的驱动频率fv追踪中间频率fm，利用PI控制器32a来自动调节振荡器32b(VCO：VoltageControlled Oscillator，电压控制振荡器)的频率，并输出驱动指令。

关于相位差检测器15、25，采用图3那样的结构。

即，在该相位差检测器15、25中设置振幅检测器15a、25a，所述振幅检测器15a、25a用于根据由第一、第二振动检测器14、24检测出的信号来检测振动振幅。另外，利用乘法器15b、25b将向振动系统1、2输入的周期信号与由振动检测器14、24检测出的信号相乘，并通过低通滤波器15c、25c来将高频成分截止。在其后设置除法器15d、25d，将来自低通滤波器15c、25c的输出信号除以来自振幅检测器15a、25a的输出信号来进行标准化。

当像这样来构成并例如设为增益调节器31A2、32A2的增益分别为1、且第一相位差设定器31A1和第二相位差设定器31B1的设定均为-90°时，第一偏差Δφ1和第二偏差Δφ2为一方变大时另一方变小的关系，结果是，驱动指令的频率稳定于第一偏差Δφ1为0的频率与第二偏差Δφ2为0的频率之间的频率。也就是说，能够以对第一振动系统1而言最佳的频率f与对第二振动系统2而言最佳的频率f之间的频率fm、即取得平衡的频率来对第一振动系统1和第二振动系统2进行驱动。

为了对其进行说明，以下以单纯的弹簧质量阻尼器系统来表示第一、第二振动系统1、2，关于振动检测器14、24以检测振动位移那样的装置为例，考虑以第一、第二振动系统1、2各自的共振频率f1、f2之间的频率进行驱动。

将第一、第二相位差设定器31A1、31B1中的设定值设为-90°。也就是说，设定为各自在共振频率下偏差为0。该情况下，某个频率下的偏差Δφ1(＝-90°-φ1)和Δφ2(＝-90°-φ2)为图4所示那样的值。基于该图，Δφ1与Δφ2的大小相等且符号相反那样的频率fm存在于两个振动系统1、2的共振频率f1、f2之间。因而，如果将驱动指令的频率fv调整为合成偏差Δφ1+Δφ2为0那样的频率，则能够以两个共振频率f1、f2之间的频率fm进行驱动(参照图5)。此时，图4中的驱动频率fv稳定在第一振动系统的共振频率f1与第二振动系统的共振频率f2的中间频率fm附近。

上述的目标频率设定单元31自动设定这样的频率，并通过追踪单元32来使驱动频率fv追踪该目标频率fm。此外，如果利用增益调节器31A2、31B2调整针对两个偏差的增益，则也能够进行按比例分配的设定，使得以虽然存在于两个共振频率f1、f2之间但与一方的共振频率f1(f2)更接近的频率进行驱动。

在此，叙述将相位差检测器15、25设为图3那样的结构的情况下的作用。

当将第一、第二驱动指令信号分别设为cosωt、cos(ωt-φe)，将由第一、第二振动检测器14、24输出的位移的检测信号设为v1cos(ωt+φ1)、v2cos(ωt-φe+φ2)时，将驱动指令信号与检测信号相乘所得到的信号为以下那样。

【数1】

cos ωt×v₁cos(ωt+φ₁)＝v₁(cos² ωt cosφ₁-cosωt sinωt sinφ₁)

…(1)

【数2】

cos(ωt-φ_e)×v₂ cos(ωt-φ_e+φ₂)＝v₂(cos²(ωt-φ_e)cosφ₂-cos(ωt-φ_e)sinωt sinφ₂)

…(2)

当通过低通滤波器15c、25c来仅取出直流成分时，分别成为(1/2)v1cosφ1、(1/2)v2cosφ2。进一步在除法器15d、25d中进行标准化，由此得到不取决于v1、v2的与cosφ1、cosφ2成比例的信号。cosφ1、cosφ2分别在共振频率f1、f2下为0，在共振频率f1、f2附近在1～-1范围内单调变化。因而，如果将目标频率fm调整为使得cosφA+cosφB＝0，则能够以两个振动系统1、2的共振频率f1、f2之间(中间附近)的频率进行驱动。

相反地，考虑不进行标准化的情况下，也就是说考虑控制为使v1cosφ1+v2cosφ2为0的情况。两个振动系统的振动振幅v1、v2在各自的共振频率下取最大值，因此v1cosφ1和v2cosφ2不是单调的变化。图6是绘制出v1cosφ1、v2cosφ2、v1cosφ1+v2cosφ2的曲线图。v1cosφ1+v2cosφ2除了共振频率f1、f2的中间的频率fm以外还存在为0的点，另外值的变化的方向(曲线的斜率)根据频率而不同。因此，以与共振频率的中间值fm相偏离的频率进行驱动容易使控制变得不稳定(驱动频率与目标值相偏离而发散)。通过进行标准化来解决这样的问题，控制变得容易。

通过以上，根据本实施方式所涉及的振动系统的控制装置C，在第一振动系统1与第二振动系统2之间振动的响应倍率的差变小，不易产生在一方的振动系统1(2)中需要过大的激振力的问题、一方的振动系统1(2)的振幅不足之类的问题。

另外，与以一方的共振频率f1(f2)对整体进行驱动的情况相比，能够得到如下优点：所需要的电力整体上变小；由于能够自动调整频率因而不再有探寻第一、第二振动系统1、2的共振频率f1、f2那样的麻烦。

以上，说明了本发明的一个实施方式，但是各部的具体的结构并不仅限定于上述的实施方式。

例如，即使在振动系统为三个以上的情况下，通过针对各个系统使用对所输出的偏差信号进行合计得到的信号来进行控制，也不会偏向于一部分共振频率，而能够以整体上取得平衡的频率来进行驱动。

另外，在上述实施方式中，对于第一、第二相位差检测器15、25的输出，分别在第一、第二相位差设定器31A1、31B1中取与设定值的偏差，但也可以是，如图7所示，对于将第一、第二相位差检测器15、25的输出进行合计得到信号，在相位差设定器131a中取与设定值的偏差。在该情况下，相位差设定器为一个即可。

另外，在上述实施方式中使用了PI控制，但是不限于此，能够采用使合成偏差成为0那样的各种控制方法。

另外，利用振动检测器检测的也可以是振动位移、振动速度、振动加速度中的任一个。

另外，也可以是，控制为不是利用共振频率而是利用从共振频率偏移规定量的频率进行驱动。为此，只要调整相位差设定器31A1、31B1的设定相位差即可。

另外，输入到相位差检测器15、25的驱动指令只要是相位差相同的信号即可，可以是任意级的信号。例如，在图2等中，对第一相位差检测器15输入来自振荡器32的输出信号，但是也可以对第一相位差检测器15输入来自第一放大器12的输出信号。

另外，在本发明中，仅叙述了驱动频率的控制方法，但是也能够考虑与将各振动系统的振幅保持为设定的大小的恒定振幅控制等一起使用。在该情况下，通过将振幅保持为固定能够进行更加稳定的驱动。另外，在图3那样的结构的情况下，也能够将使用了标准化的振幅检测器的输出信号用于恒定振幅控制。

另外，也可以如图8所示那样，构成为由第一、第二频率检测器215、225检测各振动系统的共振频率并输入到目标频率设定单元231，通过频率差设定器231a来设定目标频率fm，追踪单元232构成为进行使驱动指令的频率fv成为目标频率fm的反馈控制。

这样，在能够以最大振幅大致相等为前提的情况下，即使不根据相位也能够通过振动频率来比较简单地设定目标频率。

如果使用以上那样的控制装置C来通过共同的驱动指令对配置于在空间上存在相位差的多个部位处的彼此之间具有相位差地被进行激振的多个振动系统进行驱动、由此以在履带上产生行波的方式构成工件搬送装置，则能够防止行波比的下降，来以高效率使装置运转。

即，在使用行波来搬送工件的情况下，与其它装置相比，特别地谋求以使驱动频率成为接近共振频率的值的方式进行设计、调整。但是，使用行波的搬送中的频带区域为高频(例：超声波)，因此在以往的控制方法中响应赶不上。也就是说，难以实现效率良好的控制。

另外，作为这种使用行波的搬送装置的驱动源，使用压电体的情况多，但是存在以下可能性：因施加于压电体的电压的影响而压电体本身成为热源，从而招致温度变化等。因此，因该温度变化等引起的共振频率的变化所导致的偏移变大，无法将装置整体的效率提高至最大限。因此，通过应用本发明，能够高效率地发挥稳定的搬送能力。

图9示出作为工件搬送装置的一例的零件送料机PF。该零件送料机PF由振动盘送料机Bf和直进式送料机Lf构成，该振动盘送料机Bf使所投入的工件沿着螺旋搬送部T1上坡，该直进式送料机Lf对从该振动盘送料机Bf排出的工件进行排列搬送部t1的排列、方向判别等，仅使正确姿态的工件通过，并且使不适当的工件通过返回搬送部t2来返回到振动盘送料机Bf。

其中的振动盘送料机Bf如图10所示，构成有行波产生单元BZ，该行波产生单元BZ对送料机主体底面的圆环状的振动区域中的、处于第一区域的以0°模式振动的第一振动系统1的振动部1x、以及处于第二区域的以90°模式振动的第二振动系统的振动部2x，通过使用压电元件的第一激振器11和第二激振器12进行激振，由此通过将相位不同的驻波进行合成来产生用于使所述搬送部T1进行弯曲振动的行波。而且，在将所述控制装置C应用于该振动盘送料机Bf的情况下，只要构成为将由图1等中也示出的第一、第二放大器12、22进行了放大的周期信号输入到行波产生单元BZ的第一、第二激振器11、21，通过第一、第二振动检测器14、24来取出第一、第二振动系统1(1x)、2(2x)的振动即可。在图10中省略了控制装置C(参照图1)的其它部分，控制方法与上述实施方式相同。在该情况下，控制装置C也能够代替图1的结构而采用图6、图7的结构。

在对这样的零件送料机PF进行驱动的情况下，视为各激振部1x、2x的共振频率大致相同来进行驱动是通常例子，且存在以下的可能性：当在振动部1x、2x的底面贴附压电元件时，因压电元件的发热而多个激振点的共振频率有百分之几的变化，从而驻波比降低而搬送效率显著减损，但是，通过控制装置C的控制，能够有效地解决所述技术问题。

另一方面，图9的直进式送料机Lf如图11所示，构成有行波产生单元LZ，该行波产生单元LZ对送料机主体底面的长圆状的振动区域中的、处于第一区域的以0°模式振动的第一振动系统1的振动部1x、以及处于第二区域的以90°模式振动的第二振动系统的振动部2x，通过使用压电元件的第一激振器11和第二激振器12进行激振，由此通过将相位不同的驻波进行合成来产生用于使所述搬送部t1、t2进行弯曲振动的行波。而且，在将上述控制装置C应用于该直进式送料机Lf的情况下也是，只要构成为将由图1等中也示出的第一、第二放大器12、22进行了放大的周期信号输入到行波产生单元LZ的第一、第二激振器11、21，通过第一、第二振动检测器14、24来取出第一、第二振动系统1(1x)、2(2x)的振动即可。在图11中省略了控制装置C(参照图1)的其它部分，控制方法与上述实施方式相同。在该情况下，控制装置C也能够代替图1的结构而采用图6、图7的结构。

这样也能够实现与上述同样的作用效果。

另外，即使使用以上那样的控制装置来构成对在XYZ方向上进行动作的多个振动系统在共同的驱动指令下以具有所需要的相位差的方式来进行驱动由此在XY平面内对平面状的搬送部上的工件进行搬送的工件搬送装置，也能够高效率地发挥稳定的搬送能力。

关于其它结构，也能够在不超出本发明的主旨的范围内进行各种变形。

Claims (6)

1.一种振动系统的控制装置，是在通过共同的驱动指令对多个振动系统进行驱动时利用的控制装置，其特征在于，

各所述振动系统各自具有共振频率，

所述控制装置具备：

目标频率设定单元，其将目标频率设定在各所述振动系统的共振频率之间；以及

追踪单元，其使所述驱动指令的频率追踪所述目标频率设定单元所设定的目标频率，

其中，所述目标频率设定单元以使各所述振动系统的相位与所述驱动指令的相位之间成为规定的相位关系的方式来设定所述目标频率，所述目标频率设定单元具备：针对各振动系统设定的相位差设定器；以及相位差检测器，其检测在各振动系统中检测出的相位与所述驱动指令的相位之间的相位差，所述目标频率设定单元基于所述各振动系统的设定相位差与检测出的所述相位差之间的偏差来生成所述驱动指令。

2.根据权利要求1所述的振动系统的控制装置，其特征在于，

所述追踪单元进行使所述驱动指令的频率成为所述目标频率的反馈控制。

3.根据权利要求2所述的振动系统的控制装置，其特征在于，

所述目标频率设定单元具备加法器，该加法器将所述偏差进行合计，

所述控制装置基于由该加法器进行加法运算得到的合成偏差来生成所述驱动指令。

4.根据权利要求3所述的振动系统的控制装置，其特征在于，

在各所述振动系统中，所述相位差检测器将所述驱动指令与来自用于检测各所述振动系统的振动的振动检测器的检测信号相乘来取出直流成分并对其进行标准化，由此检测相位差。

5.根据权利要求1所述的振动系统的控制装置，其特征在于，

所述目标频率设定单元检测各所述振动系统的共振频率并将目标频率设定在各所述振动系统的共振频率之间，所述追踪单元进行使所述驱动指令的频率成为所述目标频率的反馈控制。

6.一种工件搬送装置，其特征在于，具备：搬送部，其以载置工件的状态来搬送工件；以及行波产生单元，其通过将相位不同的驻波进行合成来产生用于使所述搬送部进行弯曲振动的行波，其中，根据权利要求1至5中的任一项所述的振动系统的控制装置被应用于所述行波产生单元。

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