TWI769301B - 振動系統之控制裝置及工件搬送裝置 - Google Patents

振動系統之控制裝置及工件搬送裝置 Download PDF

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Abstract

[課題]提供一種適用於零件進給器或利用超音波馬達等的振動的裝置，可使該等安定且高效率驅動的振動系統之控制裝置。 　　[解決手段]本發明之振動系統之控制裝置係被利用在將共振頻率不同而為(f1、f2)的2個振動系統(1、2)透過共通的驅動指令進行驅動之時者，其具備：檢測各振動系統(1、2)的振動的振幅的第一振幅檢測器(61)及第二振幅檢測器(62)；將藉由該等振幅檢測手段(61、62)被檢測出的振幅進行比較的差分器(63)；及以透過差分器(63)所得的兩振幅的偏差成為0的方式對驅動指令的頻率(f)進行追跡的追跡手段(7)。

Description

振動系統之控制裝置及工件搬送裝置
本發明係關於適用在利用零件進給器或超音波馬達等的振動的裝置，且可安定且高效率地使該等驅動的振動系統之控制裝置及工件搬送裝置。
自以往以來，已知如橢圓振動零件進給器或行進波型的零件進給器、超音波馬達等般，具有複數振動系統，且以單一頻率使該等驅動，藉此發揮各種功能的裝置。在此，複數振動系統係指亦包含藉由複數構造物所得之振動系統、或具有複數振動方向的振動系統、同一構造物的複數振動模式的任一者。
在如上所示之裝置中，為了使搬送部效率佳地振動，大多以該等複數振動系統的共振頻率成為接近的值的方式進行設計、調整，以該等共振頻率附近的頻率進行驅動。此外，已提出按照複數振動系統中的一個振動系統的共振頻率來調節驅動頻率的控制(參照例如專利文獻1、2)。
專利文獻1係顯示超音波馬達的驅動電路，構成為：以按照驅動狀態的電壓(由驅動檢測用的壓電元件所得的電壓)、與對壓電體的施加電壓(對2個電極之中的其中一方的施加電壓)的相位差成為預先設定的相位差的方式控制驅動頻率。
另一方面，專利文獻2係顯示橢圓振動零件進給器的驅動控制裝置，構成為：以水平方向振動與垂直方向振動之任一方的振幅成為最大的方式設定輸出頻率。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特公平07-2023號公報 　　[專利文獻2]日本特開平11-227926號公報
但是，在本發明中作為對象的橢圓振動零件進給器或行進波型的零件進給器，一般而言在2個振動系統的共振頻率有偏移。尤其在行進波型零件進給器中係利用空間的相位偏移90°的2個駐波模式，但是由於振動部非為對稱形狀，因此容易發生共振頻率的偏移，難以進行使其相一致的調整。此外，確認出共振頻率依溫度變化等而變化的現象，此時考慮並不一定各振動系統的共振頻率以成為相同的方式產生變化，偏移會變大。
因此，在根據習知的一個振動系統的共振頻率來調整驅動頻率的控制中，因共振頻率的偏移的影響，裝置全體的效率並不會成為最大。此外，各振動系統的振動的響應倍率的差變大，被認為會發生為了在一部分振動系統出現所需振幅而必須要有過大的加振力、或在一部分振動系統中振幅不足等問題。
本發明係著重在如上所示之課題而完成者，目的在實現並非如習知般追跡1個振動系統的共振頻率，藉由以2個振動系統的共振頻率之間的振動的響應倍率成為大致相等的頻率進行驅動的方式進行控制來達成問題的解決的振動系統之控制裝置及工件搬送裝置。
為解決該課題，本發明係採取如下所示之手段者。
亦即，本發明之振動系統之控制裝置係被利用在將共振頻率不同的2個振動系統透過共通的驅動指令進行驅動之時的控制裝置，其特徵為：具備有：檢測前述各振動系統的振動的振幅的振幅檢測手段；將藉由該等振幅檢測手段被檢測出的振幅進行比較的比較手段；及以透過前述比較手段所得的兩振幅的偏差成為0的方式對前述驅動指令的頻率進行追跡的追跡手段。
若進行如上所示之控制，可將2個振動系統以振幅大致相一致的頻率進行驅動。接著，該頻率係位於2個振動系統的共振頻率之間，因此與根據一個振動系統的共振頻率來調整驅動頻率的控制相比，各振動系統的振 動的響應倍率的差變小，防止為了在一部分振動系統中出現所需振幅而必須要有過大的加振力、或在一部分的振動系統中振幅不足的情形，可效率佳地控制裝置全體。此外，僅在振幅相一致之處進行控制，因此與利用驅動指令與振動系統的響應之間的相位差來探索共振頻率的情形等相比，控制亦較為簡單。
此時，較佳為前述追跡手段係包含：根據透過前述比較手段所得的振幅的偏差，至少使用比例項及積分項，算出控制量的控制量算出部；及以對應偏差之正負的方向，以前述控制量份使頻率作增減的頻率調節器。
若振幅相一致，頻率並未被調整。另一方面，振幅的偏差愈大，愈偏離振幅一致的頻率，因此頻率的調整量按照偏差而變大。接著，藉由包含比例項與積分項的控制，可迅速到達目標值。
此外，較適為具備有：對被輸入至前述2個振動系統的任一方的驅動指令乘以增益的增益乘算部；及將由該振動系統的振幅檢測手段所被檢測的檢測訊號除以前述增益的增益除算部，在該增益除算部所除算出的檢測訊號被輸入至前述比較手段。
如上所示，可將本發明適用在如橢圓振動系統般振幅相對較大不同的2個振動系統、或如行進波零件進給器般修正機械上的誤差而使振幅相一致的目的等，以共通的驅動指令，使2個振動系統根據同一頻率而以適當振幅振動。而且，由於將由振幅檢測手段所被檢測的訊號 的一方除以增益來比較偏差，因此對於2個振動系統，可調整成取得平衡的頻率。
此外，亦較適為：具備有：將由前述2個振動系統之任一方的振幅檢測手段所被檢測的檢測訊號除以增益的增益除算部，在該增益除算部所除算出的檢測訊號被輸入至前述比較手段。
若構成為如上所示，加振訊號的大小在2個振動系統中為相等，且以響應倍率成為預定比率的頻率予以驅動，藉此振幅比亦成為預定的比率。此時，不取決於振幅比的設定值而可使對2個振動系統的加振訊號的大小相等，因此驅動器等放大器的動作安定。
接著，較適為具備有：在載置工件的狀態下進行搬送的搬送部；及藉由相位不同的2個駐波予以合成，使用以使前述搬送部進行撓曲振動的行進波發生的行進波發生手段，在前述行進波發生手段的2個駐波的生成適用上述振動系統之控制裝置，來構成工件搬送裝置。
若為如上所示之工件搬送裝置，由2個駐波適當生成行進波，可進行高效率的搬送。
或者，亦較適為具備有：在載置工件的狀態下進行搬送的搬送部；及藉由包含搬送方向及與搬送方向呈交叉的鉛直成分的方向的2個振動予以合成，使前述搬送部進行橢圓振動的橢圓振動發生手段，在前述橢圓振動發生手段的2個振動的生成適用上述振動系統之控制裝置，來構成工件搬送裝置。
若為如上所示之工件搬送裝置，由2個振動適當生成橢圓振動，可進行高效率的搬送。
藉由以上說明的本發明，可提供若適用於零件進給器或利用超音波馬達等的振動的裝置時，可使該等安定且高效率驅動的新穎有用的振動系統之控制裝置及工件搬送裝置。
以下參照圖示，說明本發明之一實施形態。
圖1係以區塊圖顯示本實施形態之振動系統之控制裝置C者。該控制裝置C係具有：第一、第二振動系統1、2，且具有各振動系統1、2的共振頻率f1、f2位於接近的值的振動部(1x、2x)。以如上所示之共振頻率f1、f2位於接近的值的振動系統而言，列舉例如：將具有空間上的相位差的複數部位以複數振動模式進行加振，藉此使行進波發生的零件進給器等超音波振動系統、或透過朝向XZ方向或YZ方向的振動而發生橢圓振動的平面搬送裝置等的彈簧質量阻尼器振動系統等。
具體而言，第一、第二振動系統1、2係分別藉由第一、第二加振器11、21予以加振。
對於第一、第二加振器11、21，在發訊器等驅動指令生成部3所生成之頻率可變且為正弦波或矩形波等周期訊號在第一、第二放大器12、22被放大而予以輸入。在驅動指令生成部3生成的驅動指令的頻率係由外部形成為可變。此外，放大器12、22的放大率係假設為相等者。關於第二加振器21，為了將第一振動系統1作為基準而對第二振動系統2供予相對的相位差，被輸入將來自驅動指令生成部3的周期訊號在移相器4中錯開相位而在第二放大器22放大者。
亦即，來自驅動指令生成部3的周期訊號係被輸入至第一放大器12，並且藉由相位器4錯開相位而被輸入至第二放大器22。
在此，若為一般的控制，驅動指令生成部3係構成為：以第一振動系統1的共振頻率f1或第2振動系統2的共振頻率f2的任何頻率，生成驅動指令，以移相器4附加90°的相位差來驅動兩振動系統1、2。
但是，如前所述，以第一振動系統1的共振頻率f1驅動全體的控制，在第二振動系統2中係形成為不在共振頻率f2的驅動，因此在與第一振動系統1之間，響應倍率的差變大，被認為會發生為了在第二振動系統2出現所需振幅而在第二放大器22必須要有過大的加振力、或振幅不足等各種問題。此在以第二振動系統2的共振頻率f2驅動全體的情形下，情況亦同。
因此，本實施形態係設有：檢測前述各振動系統1、2的振動之作為振動檢測手段的第一振動檢測器51及第二振動檢測器52；由該等振動檢測器51、52所檢測到的振動訊號檢測振幅之作為振幅檢測手段的第一振幅檢測器61及第二振幅檢測器62；將藉由該等振幅檢測器61、62所檢測到的振幅進行比較之作為比較手段的差分器63；及以透過比較手段63所得的兩振幅的偏差成為0的方式，對驅動指令生成部3中的驅動指令的頻率進行追跡的追跡手段7。
此時，第一、第二振動檢測器51、52進行檢測的是：由第一、第二振動系統1、2的振動部1x、2x所取出的位移訊號彼此、速度訊號彼此或加速度訊號彼此的任意者。
追跡手段7係構成為包含：根據透過差分器63所得的振幅的偏差，至少使用比例項及積分項，算出控制量Δf之作為控制量算出部的PI控制部71；及以對應偏差之正負的方向，以前述控制量Δf份，使頻率f作增減的頻率調節器72。
例如，如圖2所示，若假設為相較於第一振動系統1的共振頻率f1，第二振動系統2的共振頻率f2為較高時，按照在第二振幅檢測器62所被檢測的振幅A2與在第一振幅檢測器61所被檢測的振幅A1的大小關係，進行如下所述之頻率的變更。
A2<A1之時(參照圖2(a))係變更為f=f+Δf。
A2>A1之時(參照圖2(b))係變更為f=f-Δf。
Δf係藉由PI控制部71所算出的控制量，被算出為兩振動系統1、2的振幅的偏差愈大則愈大的值。
藉此，驅動指令生成部3所輸出的驅動指令的頻率係朝向將兩振動系統1、2的振幅的偏差形成為0的方向，亦即如圖3所示，使兩振動系統1、2的振幅相一致的頻率f0予以修正。
此時，在本實施形態中係設置：在被輸入至第二振動系統2的驅動指令產生增益係數Kα的增益乘算部 81；及將由該第二振動系統2的第二振幅檢測手段52所被檢測的檢測訊號除以前述增益係數Kα的增益除算部82，將在該增益除算部82所進行除算的檢測訊號輸入至差分器63。
藉此，第一振動系統1與第二振動系統2的振幅比係成為1：Ka。此外，來自第二振幅檢測器62的輸出訊號係在形成為1/Kα倍之後，與第一振幅檢測器61的輸出訊號進行比較。接著，以該偏差成為0的方式調節驅動頻率。
若構成為如上所示，針對第二振動系統2，在指令訊號形成為Kα倍之後，振動檢測值形成為1/Kα倍，因此在被使用在偏差的運算的訊號中，該等增益係被取消。因此，在響應倍率成為相等的頻率中，偏差成為0。因此，藉由本實施形態的控制方法，可以響應倍率成為相等的頻率，亦即2個共振頻率f1、f2之間的頻率f進行驅動。如上所示之頻率f係均接近2個振動系統1、2的共振頻率f1、f2的任一者，響應倍率高，因此可使兩振動系統1、2效率佳地振動。此外，即使發生共振頻率f1、f2的變化等，亦對應此而自動調整驅動頻率。
如上所示，在第一振動系統1與第二振動系統2之間，振動的響應倍率的差變小，藉此解決在一方的振動系統必須要有過大的加振力的問題、或一方的振動系統的振幅不足等問題。此外，與以一方的共振頻率進行驅動的情形相比，所需電力全體變小。
此外，由於驅動頻率被自動調整，以手工作業摸索第一、第二振動系統1、2的共振頻率f1、f2的勞力會消失。亦即，在追跡共振頻率時，不需要檢測相位差或進行頻率掃描，因此檢測電路較為單純，且控制較為容易。
此外，不僅驅動頻率，藉由加振訊號的增益Kα，第一振動系統1與第二振動系統2的振幅比被控制為1：Ka，因此驅動狀態安定，並且可按照適用對象來積極地設定振幅比。若並行進行將振幅設為一定的控制，若利用第一、第二振動系統的任一方的振幅檢測訊號來進行控制即可，藉此另一方的振動系統的振幅亦被控制為一定。
此外，追跡手段7係構成為包含：根據透過差分器63所得的振幅的偏差，至少使用比例項及積分項來算出控制量的PI控制部71；及以按照偏差之正負的方向，以控制量Δf份，使頻率作增減的頻率調節器72，因此振幅的偏差愈大，按照偏差，頻率的調整量愈大。接著，藉由包含比例項與積分項的控制，可使其迅速到達目標值。
以上，例如超音波馬達或行進波型零件進給器般，若期望2個振動模式的振幅相等時，係設為Ka=1。
圖3所示的是共振頻率f1、f2呈偏移的2個振動系統的頻率響應函數之例。由圖可知，在等效質量或等效剛性等振動特性接近，而且共振頻率稍微偏移的2個振動系統中，響應倍率的圖表呈交叉的點存在於各個的共振頻率之間。
因此，本實施形態的構成係在構造上無論如何均容易在2個振動系統的共振頻率發生偏移的行進波型零件進給器中尤其有效。
圖4係顯示作為適用本實施形態之振動系統之控制裝置C之一例之作為工件搬送裝置的零件進給器PF。該零件進給器PF係由以下構成：使所被投入的工件沿著螺旋搬送部T1攀登的碗型進給器Bf；及對由該碗型進給器Bf被排出的工件，在整列搬送部t1進行整列或方向判別等而僅使適當姿勢的工件通過，並且使不適當的工件透過返回搬送部t2而返回至碗型進給器Bf的線性進給器Lf。
其中，碗型進給器Bf係如圖5所示，構成：在進給器本體底面的圓環狀的振動區域之中，對於處於第一區域而以0°模式進行振動的第一振動系統1的振動部1x、及處於第二區域而以90°模式進行振動的第二振動系統的振動部2x，透過使用壓電元件的第一加振器11及第二加振器21進行加振，藉此藉由相位不同的駐波被合成，使用以使前述搬送部T1進行撓曲振動的行進波發生的行進波發生手段BZ。
接著，若在該碗型進給器Bf適用上述控制裝置C，若構成為：在行進波發生手段BZ的第一、第二加振器11、21被輸入在圖1及圖2所示之第一、第二放大器12、22被放大的周期訊號，第一、第二振動系統1(1x)、2(2x)的振動透過第一、第二振動檢測器51、52而被取出即可。在圖5中省略控制裝置C(參照圖1及圖2)的其他部分，構成及控制方法係與上述實施形態相同。
若驅動如上所示之零件進給器PF，在各加振部1x、2x的共振頻率f1、f2係視為大致相同來進行驅動為慣例，若在振動部1x、2x的底面黏貼壓電元件，因壓電元件發熱，在複數加振點的共振頻率改變數%，駐波比降低而有搬送效率明顯受損的可能性，但是藉由透過控制裝置C的控制，可有效解決該課題。
另一方面，圖4的線性進給器Lf係如圖6所示，構成：在進給器本體底面的長圓狀的振動區域之中，對於處於第一區域而以0°模式進行振動的第一振動系統1的振動部1x、及處於第二區域而以90°模式進行振動的第二振動系統的振動部2x，透過使用壓電元件的第一加振器11及第二加振器12進行加振，藉此藉由相位不同的駐波被合成，使用以使前述搬送部t1、t2進行撓曲振動的行進波發生的行進波發生手段LZ。
接著，若在該線性進給器Lf適用上述控制裝置C，亦若構成為：在行進波發生手段LZ，在第一、第二加振器11、21被輸人在圖1及圖2所示之第一、第二放大器12、22被放大的周期訊號，第一、第二振動系統1(1x)、2(2x)的振動透過第一、第二振動檢測器51、52而被取出即可。在圖6中亦省略控制裝置C(參照圖1及圖2)的其他部分，構成及控制方法係與上述實施形態相同。
以上說明本發明之一實施形態，但是各部的具體構成並非為僅限定於上述之實施形態者。
例如，在前述實施形態中的控制量算出部係使用PI控制，但是不限於此，可採用如使2個訊號的大小相一致般的各種控制手法。
此外，亦可將增益Kα供予至第一放大器12而非第2放大器22的輸入訊號，且對第一振幅檢測器51而非第二振幅檢測器52的輸出訊號供予增益1/Kα。此時，第一、第二振動系統1、2的振幅比係成為Ka：1。
此外，亦可對如圖7所示之對第二放大器22的輸入訊號，未供予增益Kα，而僅將第二振幅檢測器62的輸出訊號除以增益Kα。此時，加振訊號的大小係在第一、第二振動系統1、2為相等，以響應倍率的比成為1：Kα的頻率予以驅動，藉此振幅比成為1：Kα(參照圖8)。此時，由於可不取決於振幅比的設定值而使對2個振動系統的加振訊號的大小相等，因此驅動器(放大器等)的動作安定。但是，可設定的放大比的範圍係取決於2個振動系統1、2的特性。因此，若2個振動系統1、2的共振頻率f1、f2接近，且在任何頻率，響應倍率的差均小時，可設定的振幅比的範圍係成為變窄的傾向。
此外，圖9所示的是一種作為工件搬送裝置的橢圓振動零件進給器PF，其係具備有：在載置工件的狀態下進行搬送的搬送部tx；藉由包含搬送方向(X方向及/或Y方向)、及與搬送方向呈交叉的鉛直成分的方向(Z方向)的2個振動被合成，藉此使搬送部tx進行橢圓振動的橢圓振動發生手段Pz。橢圓振動發生手段Pz係藉由：將第一板狀彈簧11a以加振器(壓電元件)11進行加振，藉此使搬送部tx以Z方向進行振動的第一振動系統1；及將第二板狀彈簧21a以加振器(壓電元件)21進行加振，藉此使搬送部tx以X方向及/或Y方向進行振動的第二振動系統2所構成。接著，在該橢圓振動發生手段Pz的2個振動系統1、2之中，將第一振動系統1的加振器11透過圖1的第一放大器12進行加振，將第二振動系統2的加振器21透過圖1的第二放大器22進行加振，若將由該等振動系統1、2透過振動檢測器51、52而取出的振動的訊號輸入至圖1的第一振幅檢測器61及第二振幅檢測器62，即可依據上述而適當控制橢圓振動。
其他構成亦可在不脫離本發明之主旨的範圍內作各種變形。
1:第一振動系統
1x、2x:振動部
2:第二振動系統
3:驅動指令生成部
4:移相器
7:追跡手段
11:第一加振器
11a:第一板狀彈簧
12:第一放大器
21:第二加振器
21a:第二板狀彈簧
22:第二放大器
51:振動檢測手段(第一振動檢測器)
52:振動檢測手段(第二振動檢測器)
61:第一振幅檢測器
62:第二振幅檢測器
63:比較手段(差分器)
71:控制量算出部(PI控制部)
72:頻率調節器
81:增益乘算部
82:增益除算部
f:頻率
f1、f2:共振頻率
BZ、LZ:行進波發生手段
Pz:橢圓振動發生手段
PF:工件搬送裝置(零件進給器)
T1、t1、t2、tx:搬送部
A1、A2:振幅
C:控制裝置
Δf:控制量
Bf:碗型進給器
BZ:行進波發生手段
Lf:線性進給器
LZ:行進波發生手段
圖1係顯示本發明之一實施形態之振動系統的控制裝置的區塊圖。
圖2係顯示同實施形態中的控制的概要的圖表。
圖3係顯示同實施形態中的控制的概要的圖表。
圖4係顯示作為本發明之工件搬送裝置的構成例的零件進給器的圖。
圖5係對構成同零件進給器的碗型進給器的控制區塊圖。
圖6係對構成同零件進給器的線性進給器的控制區塊圖。
圖7係顯示本發明之變形例之對應圖1的區塊圖。
圖8係顯示同變形例中的控制的概要的圖表。
圖9係顯示本發明之工件搬送裝置的變形例的圖。
圖10係顯示與本發明作對比的習知的控制的概要的圖表。
1‧‧‧第一振動系統
1x、2x‧‧‧振動部
2‧‧‧第二振動系統
3‧‧‧驅動指令生成部
4‧‧‧移相器
7‧‧‧追跡手段
11‧‧‧第一加振器
12‧‧‧第一放大器
21‧‧‧第二加振器
22‧‧‧第二放大器
51‧‧‧振動檢測手段(第一振動檢測器)
52‧‧‧振動檢測手段(第二振動檢測器)
61‧‧‧第一振幅檢測器
62‧‧‧第二振幅檢測器
63‧‧‧比較器(差分器)
71‧‧‧控制量算出部(PI控制部)
72‧‧‧頻率調節部
81‧‧‧增益乘算部
82‧‧‧增益除算部
C‧‧‧控制裝置

Claims (6)

  1. 一種振動系統之控制裝置，其係被利用在將共振頻率不同的2個振動系統透過共通的驅動指令進行驅動之時的控制裝置，其特徵為：具備有：檢測前述各振動系統的振動的振幅的振幅檢測手段；將藉由該等振幅檢測手段被檢測出的振幅進行比較的比較手段；及以透過前述比較手段所得的兩振幅的偏差成為0的方式對前述驅動指令的頻率進行追跡的追跡手段。
  2. 如申請專利範圍第1項之振動系統之控制裝置，其中，前述追跡手段係包含：根據透過前述比較手段所得的振幅的偏差，至少使用比例項及積分項，算出控制量的控制量算出部；及以對應偏差之正負的方向，以前述控制量份使頻率作增減的頻率調節器。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之振動系統之控制裝置，其中，具備有：對被輸入至前述2個振動系統的任一方的驅動指令乘以增益的增益乘算部；及將由該振動系統的振幅檢測手段所被檢測的檢測訊號除以前述增益的增益除算部，在該增益除算部所除算出的檢測訊號被輸入至前述比較手段。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之振動系統之控制裝置，其中，具備有：將由前述2個振動系統之任一方的振幅檢測手段所被檢測的檢測訊號除以增益的增益除算部，在該增益除算部所除算出的檢測訊號被輸入至前述比較手段。
  5. 一種工件搬送裝置，其特徵為：具備有：在載置工件的狀態下進行搬送的搬送部；及藉由相位不同的2個駐波予以合成，使用以使前述搬送部進行撓曲振動的行進波發生的行進波發生手段，在前述行進波發生手段的2個駐波的生成適用如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之振動系統之控制裝置。
  6. 一種工件搬送裝置，其特徵為：具備有：在載置工件的狀態下進行搬送的搬送部；及藉由包含搬送方向及與搬送方向呈交叉的鉛直成分的方向的2個振動予以合成，使前述搬送部進行橢圓振動的橢圓振動發生手段，在前述橢圓振動發生手段的2個振動的生成適用如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之振動系統之控制裝置。
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