JP6820484B2 - 振動系の制御装置およびワーク搬送装置 - Google Patents

Description

本発明は、パーツフィーダや超音波モータ等の振動を利用した装置に適用され、安定・高効率にこれらを駆動させることを可能とした、振動系の制御装置およびワーク搬送装置に関する。

従来より、楕円振動パーツフィーダや進行波型のパーツフィーダ、超音波モータ等のように、複数の振動系を有し、それらを単一の周波数で駆動させることにより種々の機能を発揮する装置が知られている。ここで、複数の振動系とは、複数の構造物による振動系や、複数の振動方向を持つ振動系、同一の構造物の複数の振動モード、のいずれをも含んでいる。

このような装置では、搬送部を効率よく振動させるために、これら複数の振動系の共振周波数が近い値となるように設計・調整を行い、これらの共振周波数付近の周波数で駆動することが多い。また、複数の振動系うちの一つの振動系の共振周波数に応じて駆動周波数を調節する制御が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。

特許文献１は超音波モータの駆動回路を示しており、駆動状態に応じた電圧（駆動検出用の圧電素子から得られる電圧）と、圧電体への印加電圧（２つの電極のうちの一方への印加電圧）との位相差が、予め設定された位相差となるように駆動周波数を制御するように構成されている。

一方、特許文献２は楕円振動パーツフィーダの駆動制御装置を示しており、水平方向振動と垂直方向振動のいずれか一方の振幅が最大となるように出力周波数を設定するように構成されている。

特公平０７−２０２３号公報 特開平１１−２２７９２６号公報

しかしながら、本発明において対象としている楕円振動パーツフィーダや進行波型のパーツフィーダは、一般的に２つの振動系の共振周波数にずれがある。特に進行波型パーツフィーダでは、空間的位相が９０°ずれた２つの定在波モードを利用しているが、振動部が対称形状ではないことから共振周波数のずれが生じやすく、一致させるような調整は困難である。また、温度変化等によって共振周波数が変化する現象が確認されており、この場合には各振動系の共振周波数が同じように変化するとは限らず、ずれが大きくなることも考えられる。

このため、従来の一つの振動系の共振周波数に基づいて駆動周波数を調整する制御では、共振周波数のずれの影響によって装置全体の効率は最大とはならない。また、各振動系の振動の応答倍率の差が大きくなり、一部の振動系で必要な振幅を出すために過大な加振力が必要となる、一部の振動系で振幅が不足する、などの問題が生じることが考えられる。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、従来のように１つの振動系の共振周波数を追尾するのではなく、２つの振動系の共振周波数の間の、振動の応答倍率がほぼ等しくなる周波数で駆動するように制御を行うことで問題の解決を図った、振動系の制御装置およびワーク搬送装置を実現することを目的としている。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち、本発明に係る振動系の制御装置は、共振周波数の異なる２つの振動系を共通の駆動指令を通じて駆動する際に利用されるものであって、前記各振動系の振動の振幅を検出する振幅検出手段と、これらの振幅検出手段により検出された振幅を比較する比較手段と、前記比較手段を通じて得られる両振幅の偏差が０となるように前記駆動指令の周波数を追尾させる追尾手段とを具備することを特徴とする。

このような制御をすれば、２つの振動系を振幅のほぼ一致する周波数で駆動することができる。そして、その周波数は２つの振動系の共振周波数の間に位置することから、一つの振動系の共振周波数に基づいて駆動周波数を調整する制御に比べて、各振動系の振動の応答倍率の差が小さくなり、一部の振動系で必要な振幅を出すために過大な加振力が必要となったり、一部の振動系で振幅が不足することを防止して、装置全体を効率良く制御することが可能となる。さらに振幅の一致するところに制御するだけであるから、駆動指令と振動系の応答の間の位相差を利用して共振周波数を探索する場合等に比べて制御も簡単となる。

この場合、前記追尾手段は、前記比較手段を通じて得られる振幅の偏差に基づき少なくとも比例項および積分項を用いて制御量を算出する制御量算出部と、偏差の正負に応じた方向に前記制御量分だけ周波数を増減させる周波数調節器とを含むことが望ましい。

振幅が一致すれば周波数は調整されない。一方、振幅の偏差が大きくなるほど、振幅一致の周波数から外れるため、偏差に応じて周波数の調整量が大きくなる。そして、比例項と積分項を含んだ制御によって、迅速に目標値に到達させることができる。

また、前記２つの振動系の何れか一方に入力される駆動指令にゲインを乗じるゲイン乗算部と、当該振動系の振幅検出手段から検出される検出信号を前記ゲインで除するゲイン除算部とを備え、このゲイン除算部で除した検出信号が前記比較器に入力されるように構成することが好適である。

このようにすれば、本発明を楕円振動系のように振幅が比較的大きく異なる２つの振動系に適用したり、進行波パーツフィーダのように機械的な誤差を修正して振幅を一致させる目的に適用するなど、共通の駆動指令で２つの振動系を同一周波数のもとに適切な振幅で振らせることができる。しかも、振幅検出手段から検出される信号の一方をゲインで除して偏差を比較するため、２つの振動系に対してバランスのとれた周波数に調整することができる。

また、前記２つの振動系の何れか一方の振幅検出手段から検出される検出信号をゲインで除するゲイン除算部を備え、このゲイン除算部で除した検出信号が前記比較器に入力されるように構成することも好適である。

このように構成した場合、加振信号の大きさは２つの振動系で等しく、応答倍率が所定の比率となるような周波数で駆動されることで振幅比も所定の比率となる。この場合、振幅比の設定値によらず２つの振動系への加振信号の大きさを等しくできるため、ドライバ等の増幅器の動作が安定する。

そして、ワークを載置した状態で搬送する搬送部と、位相の異なる２つの定在波が合成されることにより前記搬送部をたわみ振動させるための進行波を発生させる進行波発生手段と、を備え、前記進行波発生手段の２つの定在波の生成に上記振動系の制御装置を適用して、ワーク搬送装置を構成することが好適である。

このようなワーク搬送装置であれば、２つの定在波から進行波を適切に生成して高効率の搬送を行うことが可能になる。

あるいは、ワークを載置した状態で搬送する搬送部と、搬送方向および搬送方向と交差し鉛直成分を含む方向の２つの振動が合成されることにより前記搬送部を楕円振動させる楕円振動発生手段と、を備え、前記楕円振動発生手段の２つの振動の生成に上記振動系の制御装置を適用して、ワーク搬送装置を構成することも好適である。

このようなワーク搬送装置であれば、２つの振動から楕円振動を適切に生成して、高効率の搬送を行うことが可能になる。

以上、説明した本発明によれば、パーツフィーダや超音波モータ等の振動を利用した装置に適用した場合に、安定・高効率にこれらを駆動させることを可能とする、新規有用な振動系の制御装置およびワーク搬送装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る振動系の制御装置を示すブロック図。 同実施形態における制御の概要を示すグラフ。 同実施形態における制御の概要を示すグラフ。 本発明に係るワーク搬送装置の構成例としてのパーツフィーダを示す図。 同パーツフィーダを構成するボウルフィーダに対する制御ブロック図。 同パーツフィーダを構成するリニアフィーダに対する制御ブロック図。 本発明の変形例を示す図１に対応したブロック図。 同変形例における制御の概要を示すグラフ。 本発明に係るワーク搬送装置の変形例を示す図。 本発明と対比される従来の制御の概要を示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１は本実施形態に係る振動系の制御装置Ｃをブロック図で示したものである。この制御装置Ｃは、第一、第二振動系１、２を持ち、各振動系１、２の共振周波数ｆ１、ｆ２が近い値にあるような振動部（１ｘ、２ｘ）を有する。このような共振周波数ｆ１、ｆ２が近い値にあるような振動系としては、例えば空間的位相差のある複数箇所を複数の振動モードで加振することによって進行波を発生させるパーツフィーダ等の超音波振動系や、ＸＺ方向あるいはＹＺ方向への振動を通じて楕円振動を発生させる平面搬送装置等のバネマスダンパ振動系などが挙げられる。

具体的には、第一、第二振動系１，２は、それぞれ第一、第二加振器１１、２１によって加振される。

第一、第二加振器１１、２１へは、発信器等の駆動指令生成部３で生成される、周波数可変で正弦波や矩形波などの周期信号が、第一、第二増幅器１２、２２で増幅されて入力される。駆動指令生成部３で生成する駆動指令の周波数は外部から可変とされる。また、増幅器１２、２２の増幅率は等しいものとする。第二加振器２１に関しては、第一振動系１を基準として第二振動系２に相対的な位相差を与えるべく、駆動指令生成部３からの周期信号を移相器４において位相をずらして第二増幅器２２で増幅したものが入力される。

すなわち、駆動指令生成部３からの周期信号は、第一増幅器１２に入力されるとともに、位相器４によって位相をずらして第二増幅器２２に入力される。

ここで、通常の制御であれば、駆動指令生成部３は第一振動系１の共振周波数ｆ１又は第２振動系２の共振周波数ｆ２の何れかの周波数で駆動指令を生成し、移相器４で９０°の位相差をつけて両振動系１、２を駆動するように構成される。

しかしながら、前述したように第一振動系１の共振周波数ｆ１で全体を駆動する制御は、第二振動系２においては共振周波数ｆ２から外れた駆動となるため、第一振動系１との間で応答倍率の差が大きくなり、第二振動系２で必要な振幅を出すために第二増幅器２２で過大な加振力が必要となったり、振幅が不足するなど、種々の問題が生じることが考えられる。これは、第二振動系２の共振周波数ｆ２で全体を駆動するようにした場合にも事情は同様である。

そこで本実施形態は、前記各振動系１、２の振動を検出する振動検出手段である第一振動検出器５１および第二振動検出器５２と、これらの振動検出器５１、５２が検出した振動信号から振幅を検出する振幅検出手段である第一振幅検出器６１および第二振幅検出器６２と、これらの振幅検出器６１、６２により検出された振幅を比較する比較手段たる差分器６３と、比較手段６３を通じて得られる両振幅の偏差が０となるように駆動指令生成部３における駆動指令の周波数を追尾させる追尾手段７とを設けている。

この場合、第一、第二の振動検出器５１、５２が検出するのは、第一、第二振動系１、２の振動部１ｘ、２ｘから取り出した変位信号同士、速度信号同士または加速度信号同士の何れかとされる。

追尾手段７は、差分器６３を通じて得られる振幅の偏差に基づき少なくとも比例項および積分項を用いて制御量Δｆを算出する制御量算出部たるＰＩ制御部７１と、偏差の正負に応じた方向に前記制御量Δｆ分だけ周波数ｆを増減させる周波数調節器７２とを含んで構成される。

例えば、図２に示すように、第一振動系１の共振周波数ｆ１よりも第二振動系２の共振周波数ｆ２が高いとした場合に、第二振幅検出器６２で検出される振幅Ａ２と第一振幅検出器６１で検出される振幅Ａ１との大小関係に応じて、下記のような周波数の変更を行う。

Ａ２＜Ａ１のとき（図２（ａ）参照）は、ｆ＝ｆ＋Δｆに変更する。
Ａ２＞Ａ１のとき（図２（ｂ）参照）は、ｆ＝ｆ−Δｆに変更する。

ΔｆはＰＩ制御部７２によって算出される制御量であり、両振動系１、２の振幅の偏差が大きいほど大きい値として算出される。

これにより、駆動指令生成部３が出力する駆動指令の周波数は、両振動系１、２の振幅の偏差を０にする方向、すなわち図３に示すように両振動系１、２の振幅を一致させるような周波数ｆ０に向かって修正される。

その際、この実施形態では、第二振動系２に入力される駆動指令にゲイン係数Ｋαを生じるゲイン乗算部８１と、当該第二振動系２の第二振幅検出手段５２から検出される検出信号を前記ゲイン係数Ｋαで除するゲイン除算部８２とを設け、このゲイン除算部８２で除した検出信号を差分器６３に入力している。

これにより、第一振動系１と第二振動系２の振幅比は１：Ｋａとなる。また、第二振幅検出器６２からの出力信号は１／Ｋα倍された後、第一振幅検出器６１の出力信号と比較される。そして、この偏差が０となるように駆動周波数が調節される。

このように構成すると、第二振動系２について指令信号がＫα倍されたあと振動検出値が１／Ｋα倍されているため、偏差の演算に用いられる信号ではこれらのゲインはキャンセルされる。そのため、応答倍率が等しくなる周波数において偏差が０となる。したがって、本実施形態の制御方法により、応答倍率が等しくなる周波数、つまり２つの共振周波数ｆ１、ｆ２の間の周波数ｆで駆動することができる。このような周波数ｆは２つの振動系１、２の共振周波数ｆ１、ｆ２のどちらにも近く、応答倍率が高いため、両振動系１、２を効率よく振動させることができる。また、共振周波数ｆ１、ｆ２の変化等が生じてもそれに対応して駆動周波数が自動調整されることになる。

このように、第一振動系１と第二振動系２との間で振動の応答倍率の差が小さくなることで、一方の振動系で過大な加振力が必要となるといった問題や、一方の振動系の振幅が不足するといった問題が解消される。また、一方の共振周波数で駆動するような場合と比べて、必要な電力は全体的に小さくなる。

さらに、駆動周波数が自動調整されるため、第一、第二振動系１、２の共振周波数ｆ１、ｆ２を手作業で模索するような手間がなくなる。すなわち、共振周波数を追尾するのに、位相差を検出したり周波数スイープを行うような必要がないため、検出回路が単純になり、制御が容易となる。

また、駆動周波数だけでなく、加振信号のゲインＫαによって第一振動系１と第二振動系２の振幅比が１：Ｋａに制御されるため、駆動状態が安定するとともに、適用対象に応じて積極的に振幅比を設定することができる。振幅を一定にする制御を並行して行う場合は、第一、第二振動系のどちらか一方の振幅検出信号を利用して制御すればよく、それによってもう一方の振動系の振幅も一定に制御されることになる。

また、追尾手段７は、差分器６３を通じて得られる振幅の偏差に基づき少なくとも比例項および積分項を用いて制御量を算出するＰＩ制御部７１と、偏差の正負に応じた方向に制御量Δｆ分だけ周波数を増減させる周波数調節器７２とを含んで構成されているため、振幅の偏差が大きくなるほど偏差に応じて周波数の調整量が大きくなる。そして、比例項と積分項を含んだ制御によって、迅速に目標値に到達させることができる。

以上において、例えば超音波モータや進行波型パーツフィーダのように、２つの振動モードの振幅が等しいことが望ましい場合は、Ｋａ＝１とする。

図３に示したものは、共振周波数ｆ１、ｆ２がずれた２つの振動系の周波数応答関数の例である。図からわかるように、等価質量や等価剛性といった振動特性が近く、かつ共振周波数が若干ずれたような２つの振動系では、応答倍率のグラフが交差する点がそれぞれの共振周波数の間に存在する。

そのため、本実施形態の構成は、構造上どうしても２つの振動系の共振周波数にずれが生じやすい進行波型パーツフィーダにおいて特に有効である。

図４は、本実施形態に係る振動系の制御装置Ｃが適用される一例としてのワーク搬送装置たるパーツフィーダＰＦを示している。このパーツフィーダＰＦは、投入されるワークを螺旋搬送部Ｔ１に沿って登坂させるボウルフィーダＢｆと、このボウルフィーダＢｆから排出されるワークに対し整列搬送部ｔ１で整列や方向判別等を行って適正姿勢のワークのみを通過させるとともに不適切なワークをリターン搬送部ｔ２を通じてボウルフィーダＢｆにリターンさせるリニアフィーダＬｆとから構成される。

このうちボウルフィーダＢｆは、図５に示すように、フィーダ本体底面の円環状の振動領域のうち、第一領域にあって０°モードで振動する第一振動系１の振動部１ｘ、および第二領域にあって９０°モードで振動する第二振動系の振動部２ｘに対して、圧電素子を用いた第一加振器１１および第二加振器２１を通じて加振することで、位相の異なる定在波が合成されることにより前記搬送部Ｔ１をたわみ振動させるための進行波を発生させる進行波発生手段ＢＺが構成されている。

そして、このボウルフィーダＢｆに上記制御装置Ｃを適用する場合、進行波発生手段ＢＺの第一、第二加振器１１、２１に図１及び図２に示した第一、第二増幅器１２、２２で増幅された周期信号が入力され、第一、第二振動系１（１ｘ）、２（２ｘ）の振動が第一、第二振動検出器５１、５２を通じて取り出されるように構成すればよい。図５において制御装置Ｃ（図１及び図２参照）の他の部分は省略してあり、構成及び制御方法は上記実施形態と同様である。

このようなパーツフィーダＰＦを駆動する場合、各加振部１ｘ、２ｘでの共振周波数ｆ１、ｆ２はぼほ同じとみて駆動するのが通例であり、振動部１ｘ、２ｘの底面に圧電素子を貼り付けると圧電素子の発熱によって複数の加振点での共振周波数が数％変化し、定在波比が低下して搬送効率が著しく損なわれる可能性があったが、制御装置Ｃを通じた制御によって、かかる課題を有効に解決することが可能となる。

一方、図４のリニアフィーダＬｆは、図６に示すように、フィーダ本体底面の長円状の振動領域のうち、第一領域にあって０°モードで振動する第一振動系１の振動部１ｘ、および第二領域にあって９０°モードで振動する第二振動系の振動部２ｘに対して、圧電素子を用いた第一加振器１１および第二加振器１２を通じて加振することで、位相の異なる定在波が合成されることにより前記搬送部ｔ１、ｔ２をたわみ振動させるための進行波を発生させる進行波発生手段ＬＺが構成されている。

そして、このリニアフィーダＬｆに上記制御装置Ｃを適用する場合も、進行波発生手段ＬＺに第一、第二加振器１１、２１に図１及び図２に示した第一、第二増幅器１２、２２で増幅された周期信号が入力され、第一、第二振動系１（１ｘ）、２（２ｘ）の振動が第一、第二振動検出器５１、５２を通じて取り出されるように構成すればよい。図６においても制御装置Ｃ（図１及び図２参照）の他の部分は省略してあり、構成及び制御方法は上記実施形態と同様である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、前記実施形態における制御量算出部にはＰＩ制御を用いたが、これに限らず２つの信号の大きさを一致させるような様々な制御手法を採用することができる。

また、ゲインＫαを第２増幅器２２ではなく第一増幅器１２への入力信号に与え、第二振幅検出器５２ではなく第一振幅検出器５１の出力信号にゲイン１／Ｋαを与えてもよい。この場合、第一、第二振動系１、２の振幅比はＫａ：１となる。

さらに、図７のような、第二増幅器２２への入力信号に対してゲインＫαを与えず、第二振幅検出器６２の出力信号のみをゲインＫαで除してもよい。この場合、加振信号の大きさは第一、第二振動系１、２で等しく、応答倍率の比が１：Ｋαとなるような周波数で駆動されることで振幅比が１：Ｋαとなる（図８参照）。この場合、振幅比の設定値に依らず２つの振動系への加振信号の大きさを等しくできるため、ドライバ（増幅器等）の動作が安定する。ただし、設定可能な増幅比の範囲は２つの振動系１、２の特性に依存する。したがって、２つの振動系１、２の共振周波数ｆ１、ｆ２が近く、どの周波数においても応答倍率の差が小さいような場合は、設定可能な振幅比の範囲は狭くなる傾向となる。

また、図９に示すものは、ワークを載置した状態で搬送する搬送部ｔｘと、搬送方向（Ｘ方向および／またはＹ方向）および搬送方向と交差し鉛直成分を含む方向（Ｚ方向）の２つの振動が合成されることにより搬送部ｔｘを楕円振動させる楕円振動発生手段Ｐｚとを備えたワーク搬送装置たる楕円振動パーツフィーダＰＦである。楕円振動発生手段Ｐｚは、第一板バネ１１ａを加振器（圧電素子）１１で加振することで搬送部ｔｘをＺ方向に振動させる第一振動系１と、第二板バネ２１ａを加振器（圧電素子）２１で加振することで搬送部ｔｘをＸ方向および／またはＹ方向に振動させる第二振動系２によって構成される。そして、この楕円振動発生手段Ｐｚの２つの振動系１、２のうち、第一振動系１の加振器１１を図１の第一増幅器１２を通じて加振し、第二振動系２の加振器２１を図１の第二増幅器２２を通じて加振し、それらの振動系１、２から振動検出器５１、５２を通じて取り出した振動の信号を図１の第一振幅検出器６１および第二振幅検出器６２に入力すれば、上記に準じて楕円振動を適切に制御することが可能になる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…第一振動系
２…第二振動系
７…追尾手段
５１…振動検出手段（第一振動検出器）
５２…振動検出手段（第二振動検出器）
６３…比較器（差分器）
７１…制御量算出部（ＰＩ制御部）
７２…周波数調節部
８１…ゲイン乗算部
８２…ゲイン除算部
ｆ１、ｆ２…共振周波数
ＢＺ、ＬＺ…進行波発生手段
Ｐｚ…楕円振動発生手段
ＰＦ…ワーク搬送装置（パーツフィーダ）
Ｔ１、ｔ１、ｔ２、ｔｘ…搬送部

Claims (6)

1. 共振周波数の異なる２つの振動系を共通の駆動指令を通じて駆動する際に利用される制御装置であって、
   前記各振動系の振動の振幅を検出する振幅検出手段と、これらの振幅検出手段により検出された振幅を比較する比較手段と、前記比較手段を通じて得られる両振幅の偏差が０となるように前記駆動指令の周波数を追尾させる追尾手段とを具備することを特徴とする振動系の制御装置。
2. 前記追尾手段は、前記比較手段を通じて得られる振幅の偏差に基づき少なくとも比例項および積分項を用いて制御量を算出する制御量算出部と、偏差の正負に応じた方向に前記制御量分だけ周波数を増減させる周波数調節器とを含む請求項１に記載の振動系の制御装置。
3. 前記２つの振動系の何れか一方に入力される駆動指令にゲインを乗じるゲイン乗算部と、当該振動系の振幅検出手段から検出される検出信号を前記ゲインで除するゲイン除算部とを備え、このゲイン除算部で除した検出信号が前記比較器に入力される請求項１又は２に記載の振動系の制御装置。
4. 前記２つの振動系の何れか一方の振幅検出手段から検出される検出信号をゲインで除するゲイン除算部を備え、このゲイン除算部で除した検出信号が前記比較器に入力される請求項１又は２に記載の振動系の制御装置。
5. ワークを載置した状態で搬送する搬送部と、位相の異なる２つの定在波が合成されることにより前記搬送部をたわみ振動させるための進行波を発生させる進行波発生手段と、を備え、前記進行波発生手段の２つの定在波の生成に請求項１乃至４の何れかに記載の振動系の制御装置が適用されることを特徴とするワーク搬送装置。
6. ワークを載置した状態で搬送する搬送部と、搬送方向および搬送方向と交差し鉛直成分を含む方向の２つの振動が合成されることにより前記搬送部を楕円振動させる楕円振動発生手段と、を備え、前記楕円振動発生手段の２つの振動の生成に請求項１乃至４の何れかに記載の振動系の制御装置が適用されることを特徴とするワーク搬送装置。
   
   
   

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