JP2011246225A

JP2011246225A - 振動式部品供給装置用制御装置

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Publication number: JP2011246225A
Application number: JP2010120445A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Suzuki; 邦彦鈴木
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: JP5795841B2

Abstract

【課題】振動式部品供給装置を大きな負荷変動等の外乱に対しても安定して振動するように制御する。
【解決手段】振動式部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧を制御する制御装置において、部品供給装置に取り付けた振動センサ７で得られた振動波形情報から位相情報を抽出し、この位相情報と発信回路１８の出力電圧波形の位相情報とを位相比較回路１９で比較して得られる位相差情報にオフセット量を加算して、この加算結果を補正信号として用いて発信回路１８で出力電圧の周波数を補正する回路を組み込むことにより、出力電圧の周波数を共振周波数からずらして、部品供給装置を常に安定領域で駆動できるようにしたのである。これにより、大きな外乱に対しても安定した振動を実現することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動式部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧を制御する制御装置に関する。

振動式部品供給装置（パーツフィーダ）は、駆動部から部品搬送部材に付与される振動により、部品搬送部材上の部品を搬送しながら整列させて次工程に供給するものである。その一例としてのボウルフィーダを図１に示す。このボウルフィーダ１は、内面に螺旋状の搬送路（図示省略）が形成されたボウル（部品搬送部材）２と、ボウル２が取り付けられる上部振動体３と、床上に設置される基台４と、上部振動体３と基台４とを連結する複数の板ばね５と、上部振動体３を振動させる駆動部（図示省略）とからなる。そして、板ばね５を利用した共振現象によって駆動部で発生させた振動の振幅を増幅し、この増幅された振動を上部振動体３を介してボウル２に付与することにより、ボウル２上の部品を搬送しながら整列させるようになっている。その駆動部は、電磁石と可動鉄心とからなるものが用いられているが、板ばねに直接接続される圧電素子を用いることもできる。

ところで、上記のようなパーツフィーダには、通常、部品搬送部材の振動が所望のものとなるように駆動部への印加電圧を制御する制御装置が組み込まれている。この制御装置は、例えば本発明の実施形態である図２に示すような全体回路６を備えている。そして、その全体回路６は、部品搬送部材に取り付けた振動センサ７から得られる振動波形情報に基づいて出力電圧を決定する制御回路８と、制御回路８に与える設定値等の操作や表示を行う操作・表示部９を有し、制御回路８で決定した出力電圧の信号をパーツフィーダの駆動部１０に送るようになっている。

ここで、従来の制御装置では、部品搬送部材の振動の周波数がその共振周波数となるように出力電圧を制御していることが多い（例えば、特許文献１、２参照）。これは、図８に示すように、共振周波数ｆ_０では少ない電流で振動の振幅を最も大きくすることができるからである。そして、共振周波数ｆ_０では出力周波数との位相差がゼロとなるので（図４参照）、これを利用して制御回路を構成している。例えば、図１０に示す例では、振動センサ７から位相抽出回路５１を介して得られる振動波形の位相情報と、出力周波数（出力電圧の周波数）を決める発信回路５２の出力電圧波形の位相情報とを位相比較回路５３で比較し、その位相差がゼロに近づくように発信回路５２で出力周波数を補正するフィードバック回路５４を組み込んでいる。

しかしながら、上述した共振周波数を常に追いかける制御方式では、図８に示した共振特性のピーク点（共振点）でパーツフィーダを駆動するように制御するため、下記のように、実際には振幅に関して最も不安定な共振点付近の領域で振動することになり、振動の振幅が安定しないという問題があった。

すなわち、図１０に示したような回路では、部品量の変動等、部品搬送部材の振動の振幅が大きく変わるような負荷変動があった場合、まず出力電圧の補正によって振幅の大きさを元に戻そうとする。これは、電圧に対してよりも周波数に対して部品搬送部材の振動振幅が大きく変わるため、電圧を変える方が制御を行いやすいからである。しかし、図９に示すように、電圧が変わると、共振点すなわち共振周波数もずれることが分かっている。そして、共振周波数が変わるとそれに合わせて出力周波数も補正されるが、周波数が変わると振幅の大きさも変わってしまうため、再度出力電圧の補正が必要になるという動作を繰り返し、振幅の大きさを安定させることができない状態となりやすかった。

また、共振点では最も振幅が大きくなるため、ゆっくりした速度（微小な振幅）で部品を送りたい場合は、振幅を補正する分解能が必要な補正量に対して粗くなり、目標振幅を適切に設定できなかったり、実際の振幅が目標値の上下を往復するという現象が生じ、振幅が特に不安定となることが多かった。これに対しては、コントローラの分解能を上げることにより安定化を図れるが、その場合には使用するマイクロプロセッサだけでなく回路全体の部品精度を上げなければならず、コストが大幅に上昇してしまう。

さらに、パーツフィーダの駆動を電磁石とこれに微小間隔をおいて対向する可動鉄心との間に作用する吸引力によって行っている場合、最も振幅が大きくなる共振周波数で駆動していると、負荷が軽くなったときに、振幅が大きくなりすぎて電磁石に可動鉄心が衝突し騒音等の問題が生じることがある。

一方、パーツフィーダにおいては、共振周波数よりもやや高い周波数帯に安定して駆動できる領域（以下「安定領域」と称する。）があることが知られているが（図８参照）、共振周波数は運転条件によって変化するため、共振周波数よりも高い周波数の目標値を設定してフィードバック制御を行うことはできなかった。このため、前述の共振周波数を追いかけるフィードバック回路がない場合は、通常、作業者が部品搬送状況を確認しながら経験によって手動で出力周波数を調整して、安定した振動が得られるようにしている。しかし、このように出力周波数を手動で調整する方法は、運転条件の変化により頻繁に調整作業を行う必要があるうえ、作業負荷も大きいという問題がある。

特公昭５２−４０１１８号公報特許第３４３９８２２号公報

本発明の課題は、振動式部品供給装置を大きな負荷変動等の外乱に対しても安定して振動するように制御することである。

上記の課題を解決するため、本発明は、振動式部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧を制御する全体回路を備え、前記全体回路の中に、前記部品供給装置の振動波形の位相と前記出力電圧の波形の位相とを比較し、その比較結果に基づいて出力電圧の周波数を補正する回路を組み込んだ振動式部品供給装置用制御装置において、前記振動波形と出力電圧波形の位相差から所定のオフセット量だけずらした補正信号を用いて、前記出力電圧の周波数の補正を行うようにした。

上記の構成とすることにより、部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧の周波数を共振周波数からずらして、部品供給装置を常に安定領域で駆動することができ、負荷変動等の外乱に対しても部品供給装置の振動の振幅を安定させることができる。

ここで、前記補正信号としては、前記振動波形と出力電圧波形の位相比較結果に前記オフセット量を加えたものを用いることができる。また、前記振動波形の位相に前記オフセット量を加えた後、その加算結果と前記出力電圧波形の位相とを比較した結果、あるいは前記出力電圧波形の位相に前記オフセット量を加えた後、その加算結果と前記振動波形の位相とを比較した結果を用いてもよい。

また、振動式部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧を制御する全体回路を備えた振動式部品供給装置用制御装置において、前記全体回路の中に、前記部品供給装置の振動波形と出力電圧波形の位相差をデジタルで演算し、その演算結果を出力電圧の周波数の周期で割って位相角で表し、この位相角に所定のオフセット量を加えた結果に基づいて出力電圧の周波数を補正する回路を組み込んだ構成を採用しても、上記構成と同様に、外乱に対して安定した振動を実現できる。

前記オフセット量の極性および設定値は、前記全体回路に設けた操作部から調整可能とすることが望ましい。

前記出力電圧波形に代えて出力電流波形を用いることもできる。

また、前記部品供給装置の振動波形を、その駆動部の負荷電流や負荷電力から演算して求めるようにすれば、部品供給装置から直接振動波形を得るための振動センサを不要とすることもできるが、このような回路にも上記のようなオフセット回路を応用することはできる。

本発明の振動式部品供給装置用制御装置は、上述したように、部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧の周波数を共振周波数からずらして、部品供給装置を常に安定領域で駆動できるようにしたものであるから、負荷変動等の外乱に対しても部品供給装置の振動の振幅を安定させることができる。

また、部品供給装置を共振周波数での振幅よりも小さい振幅で振動させることになるので、出力電圧の補正による振幅変化も緩やかになり、低速でも安定した部品搬送を実現できる。

本発明の制御装置が組み込まれるボウルフィーダの正面図第１実施形態の制御装置の全体回路のブロック線図図２の全体回路の主要部を示すブロック線図図３の回路の挙動を説明するグラフ図３の回路の調整方法を説明するグラフ図３の回路の変形例を示すブロック線図第２実施形態の制御装置の回路主要部を示すブロック線図一般的な振動体の共振特性を示すグラフ一般的な振動体の共振特性に及ぼす電圧の影響を示すグラフ従来の制御装置の回路主要部を示すブロック線図

以下、図１乃至図７に基づき本発明の実施形態を説明する。この振動式部品供給装置用制御装置は、図１に示した振動式部品供給装置（パーツフィーダ）としてのボウルフィーダ１に組み込まれ、図２に示した全体回路６により、ボウルフィーダ１に取り付けた振動センサ７から得られる振動波形情報に基づいてボウルフィーダ１の駆動部１０への印加電圧を制御するものである。ここで、ボウルフィーダ１および全体回路６の構成は前述の通りであるので、説明を省略する。

図３は前記全体回路６の主要部の詳細を示す。この回路主要部では、まずボウルフィーダ１のボウル２に取り付けられた振動センサ７からの振動波形情報が、信号増幅回路１１と第１のフィルタ１２を通って入力される。この入力信号の一つは、実行値演算回路１３を介して振幅の大きさ信号として振幅フィードバック回路１４に入る。振幅フィードバック回路１４では、実行値演算回路１３から送られてきた振幅の大きさと、全体回路６の操作・表示部９の振幅設定器１５で設定された振幅の大きさとの誤差を検出し、出力設定回路１６でその誤差をなくすように出力電圧の増減を行う。

一方、もう一つの入力信号は位相抽出回路１７によって位相情報が抽出され、この位相情報と出力周波数を決める発信回路１８の出力電圧波形の位相情報とが位相比較回路１９で比較され、２つの信号の位相差が得られる。この位相差情報は第２のフィルタ２０によって直流信号に変換され、この信号に操作・表示部９のオフセット設定器２１で設定されたオフセット量が加算されて、この加算結果が出力周波数の補正信号として発信回路１８に与えられる。発信回路１８では、与えられた補正信号に従って出力周波数を補正する。これにより、ボウルフィーダ１は常にボウル２の共振周波数からオフセット量分ずれた周波数で駆動されることになる。

すなわち、図４に示すように、振動波形情報から抽出された位相情報と出力電圧波形の位相情報とから得られる位相差をオフセット量αだけずらしたときには、ボウルフィーダ１が共振周波数ｆ_０からΔｆだけずれた周波数ｆ_１で駆動されるようになる。従って、この周波数ｆ_１が共振周波数ｆ_０よりやや高い安定領域に入るようにオフセット量αを設定することより、ボウルフィーダ１を安定して効率よく駆動できる。なお、適正なオフセット量は使用条件等によって変化するが、操作・表示部９のオフセット設定器２１で容易に調整することができる。

この制御装置は、上述したように、ボウルフィーダ１を常に共振周波数からずれた安定領域の周波数で駆動するようにしたので、負荷変動等の外乱によってボウル２の共振周波数がずれても、振動振幅の変動量を小さく抑えることができ、安定した制御を行うことができる。

さらに、共振周波数時の最大振幅で電磁石と可動鉄心とが接触するおそれがある場合にも、位相差のオフセット量を調整することにより、最大振幅を小さくして電磁石と可動鉄心の接触を確実に防止することができる。

一方、ボウルフィーダ１を微小振幅の領域で使用したい（部品を小さい速度で送りたい）場合は、オフセット量を大きくして振幅を小さくすることにより、出力電圧の補正による振幅変化を緩やかにして、安定した振動を実現することができる。

例えば、図５に示すように共振周波数ｆ_０での最大振幅がＡ_０であり、コントローラの調整が２００Ｖ出力で設定単位が１Ｖの場合、１Ｖあたりの振幅変化はＡ_０／２００となる。ここで、オフセット量を調整して、目標周波数を最大振幅Ａ_２がＡ_０の１／２となる周波数ｆ_２に設定すると、最大電圧は２００Ｖで変わらないので、１Ｖあたりの振幅変化がＡ_２／２００＝Ａ_０／４００となり、相対的に分解能を上げたことに等しくなる。このようにオフセット量を調整することにより、コストをかけてコントローラの分解能を上げなくても、設定振幅の値が小さいときの微調整が行いやすくなる。

また、出力周波数は、オフセット量の極性によって共振周波数より高い側にも低い側にもずらすことができる。従って、ボウルフィーダ１が負荷変動等の外乱の少ない条件で使用され、省電流を優先したい場合は、オフセット量の極性（位相の方向）を負にして、出力周波数を共振周波数ｆ_０より低い側にずらし、共振点よりも電流が低くなる領域でボウルフィーダ１を駆動すればよい（図８参照）。

図６は、図３に示した回路主要部のオフセット加算の位置を変えた変形例を示す。この変形例では、位相比較回路１９の前で振動波形の位相情報に対してオフセット量が加算されている。また、図示は省略するが、位相比較回路１９にフィードバックされる発信回路１８の出力電圧波形の位相情報にオフセット量を加算するように変形してもよい。

図７は、図３に示した回路主要部をデジタル化した第２の実施形態を示す。この実施形態では、増幅回路１２とフィルタ１３を通った振動波形情報がＡ／Ｄ変換されてから実行値演算回路１３と位相差演算回路２２に入るようになっている。位相差演算回路２２で得られる情報は２つの波形の時間差データなので、発信回路１８の周波数の周期で割ることによって１サイクルに対する位相角のデータとなり、周波数に依存しないデータに変換できる。この結果、オフセット量は周波数の高低によらず同じ角度データとして位相角の数値で直接設定でき分かりやすくなる。また、図３の第２フィルタ２０の代わりに、位相差の大きさに応じて周波数補正量を決める補正回路２３が発信回路１８の前に入っている。その他の部分の構成は第１実施形態と同じである。

なお、上述した各実施形態では、振動波形と出力電圧波形の位相を比較しているが、電圧波形と電流波形は位相がほぼ９０度ずれているので、出力電流波形または振動波形の位相を９０度ずらしてやれば、振動波形と出力電流波形を比較して各実施形態と同様に制御することができる。

また、ボウルフィーダ１の振動波形をその駆動部１０の負荷電流や負荷電力から演算して求めるようにすれば、振動センサ７を不要とすることができる。

また、本発明の制御装置は、上述したような電磁駆動式のボウルフィーダに限らず、直進フィーダや駆動部に圧電素子を用いた方式のパーツフィーダにももちろん組み込むことができる。

１ボウルフィーダ
２ボウル
３上部振動体
４基台
５板ばね

Claims

振動式部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧を制御する全体回路を備え、前記全体回路の中に、前記部品供給装置の振動波形の位相と前記出力電圧の波形の位相とを比較し、その比較結果に基づいて出力電圧の周波数を補正する回路を組み込んだ振動式部品供給装置用制御装置において、前記振動波形と出力電圧波形の位相差から所定のオフセット量だけずらした補正信号を用いて、前記出力電圧の周波数の補正を行うようにしたことを特徴とする振動式部品供給装置用制御装置。
前記振動波形と出力電圧波形の位相比較結果に前記オフセット量を加えたものを前記補正信号とすることを特徴とする請求項１に記載の振動式部品供給装置用制御装置。
前記振動波形の位相に前記オフセット量を加えた後、その加算結果と前記出力電圧波形の位相とを比較した結果を前記補正信号とすることを特徴とする請求項１に記載の振動式部品供給装置用制御装置。
前記出力電圧波形の位相に前記オフセット量を加えた後、その加算結果と前記振動波形の位相とを比較した結果を前記補正信号とすることを特徴とする請求項１に記載の振動式部品供給装置用制御装置。
振動式部品供給装置の駆動部に印加する出力電圧を制御する全体回路を備えた振動式部品供給装置用制御装置において、前記全体回路の中に、前記部品供給装置の振動波形と出力電圧波形の位相差をデジタルで演算し、その演算結果を出力電圧の周波数の周期で割って位相角で表し、この位相角に所定のオフセット量を加えた結果に基づいて出力電圧の周波数を補正する回路を組み込んだことを特徴とする振動式部品供給装置用制御装置。
前記オフセット量の極性および設定値を、前記全体回路に設けた操作部から調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の振動式部品供給装置用制御装置。
前記出力電圧波形に代えて出力電流波形を用いたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の振動式部品供給装置用制御装置。
前記部品供給装置の振動波形を、その駆動部の負荷電流または負荷電力から演算して求めることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の振動式部品供給装置用制御装置。