JP2006192558A - テーブル装置及びその制御方法 - Google Patents

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勝彦 横井
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潤也 磯谷
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Abstract

【課題】 より簡易な構成で、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができるテーブル装置及びその制御方法を提供する。
【解決手段】 ベッド部2で平行に配置された第1テーブル3及び第2テーブル4は、リニアモータ15,16に具備された可動部19〜22の駆動に応じて、ガイドレール13,14に沿って縦方向(Y方向)へ各々移動する。その上方に配置されたメインテーブル5は、第1テーブル3及び第2テーブル4の各々の面に形成されたメインガイドレール33,43に連結されている。リニアエンコーダ61〜64により取得された現在位置に基づいて、各可動部19〜22を駆動すべき推力が算出される。第1テーブル3及び第2テーブル4がその推力に基づいて移動されるのに応じて、メインテーブル5が平面上の目的位置に移動される。
【選択図】 図2

Description

本発明は、テーブルを平面上の任意の位置に移動させるテーブル装置及びその制御方法に関し、詳細には、ワークに対する機械加工に使用される工作機械や計測対象物の形状を計測する計測器などの精密機器に用いられ、ワークなどの位置決め対象物を目標位置に移動させるテーブル装置及びその制御方法に関する。
従来、ベッド上面において、サブテーブル上にメインテーブルを配置して、サブテーブルとメインテーブルの両方をY方向に移動させる一方、メインテーブルをX方向に移動させることで、メインテーブルを平面上の任意の位置に移動させるXY位置決めテーブルが、一般的に知られている。
ところで、このようなXY位置決めテーブルが用いられる加工機は、従来は振動を抑制するために機械の剛性を向上させる大型化・重量化が進められてきたが、近年では加工対象が小さくなるにつれて切断時の負荷が小さくなっている。かかる動向から、現在では、より小型・軽量・高速な加工機が求められており、さらに精密加工を可能とするために振動が少ない加工機が求められている。
そのため、従来のXY位置決めテーブルでは、テーブルやアクチュエータが積層されているので、装置全体が高くかつ重くなってしまう問題が知られている。さらに、ベッド上面からテーブル面までの高さが大きいと、テーブル面からのモーメントが大きくなり、大きな振動が発生することが知られている。これは、最上段のメインテーブルにもアクチュエータが具備されているためにメインテーブルの重量が増加し、テーブルが高速で往復移動すると重心位置が大きく変化することに起因するものである。
そこで、設置台上において、第一テーブルの上に第二テーブルが積層され、第一テーブルを第一方向に移動させる第一アクチュエータと、第二テーブルを第二方向へ移動させる第二アクチュエータとが、各移動軸が所定の角度をなすように配置され、さらに第二アクチュエータ及び第二テーブルに摺動手段が設けられたテーブル装置が知られている。このテーブル装置は、上記の構成によって、積層構造によって筐体が高くなるのを防止して、高速駆動性や高応答性を改善することを目的としたものである(例えば、特許文献1,2参照)。
また、ベッド上に複数のアクチュエータを平行配置し、アクチュエータの推力をテーブルの移動方向に変換するための案内溝を、テーブルの下面にアクチュエータ軸に対して所定の角度で形成し、アクチュエータをそれぞれ制御して案内スライドを移動させることで、テーブルを所定の位置に移動させるXY位置決めテーブルが知られている。このXY位置決めテーブルは、上記の構成によって、装置自体の厚みを薄くし、かつ部材の配置等が比較的自由に選定できることを目的としたものである(例えば、特許文献3参照)。
特開平10−34463号公報 特開平10−34464号公報 特許第3216166号公報
しかしながら、特許文献1,2に記載の発明では、第二アクチュエータの駆動方向(移動軸の方向)に加えられる推力を、第二テーブルを移動させるべき第二方向へ変換するための摺動手段が必要となり、装置自体の構成が複雑になるとともに、テーブルが重くなるという問題があった。さらに、第二アクチュエータと第二テーブルとを摺動手段を介して連結するには、第一テーブルに所定の範囲を占める貫通孔を形成する必要があるところ、この貫通孔が第二テーブルの移動範囲を決定することになる。そのため、この貫通孔を小さく形成すると第二テーブルの移動範囲が狭くなってしまう一方、この貫通孔を大きく形成すると第一テーブルの剛性及び強度が低下する問題があった。
また、特許文献3に記載の発明では、アクチュエータの位置制御をその指令位置に対して実際の移動位置がずれない理想状態で実行できるのであれば、正確なテーブルの移動制御を実現できる。しかしながら、現実には、アクチュエータの指令位置に対する実際の移動位置に偏差(ずれ量)が生じる。そして、複数のアクチュエータで一つのテーブルを駆動すると、この偏差(ずれ量)に比例して大きな反力が各アクチュエータに負荷されることになる。すると、各アクチュエータはこの反力に対抗するために、より大きな推力を出力してしまい、ついには過負荷アラームにより停止してしまうという問題があった。
なお、このような問題に対しては、案内スライドに隙間(ガタ)を形成して偏差(ずれ量)を吸収することで、アクチュエータへの反力を軽減させることが考えられる。しかしながら、高速移動中に発生する偏差(ずれ量)と停止時に発生する偏差(ずれ量)とでは差が大きいため、大きな偏差(ずれ量)に合わせて大きな隙間(ガタ)を形成すると、かえって位置決め精度が悪化してしまう。
さらに、従来のXY位置決めテーブルには、アクチュエータが発熱源となってテーブルを熱膨張させてしまい、送り精度を悪化させてしまう問題があった。この問題を解決するには、水や空気などによる冷却機構をアクチュエータに具備させることが考えられるが、かかる場合には装置自体の構成が複雑となり、また製造単価が増大してしまう。そして、特許文献1乃至3に記載の発明は、この問題を解決するものではない。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、より簡易な構成で、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができるテーブル装置及びその制御方法の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明のテーブル装置は、ベッドにおいて第1の方向に移動可能に配置された第1テーブル及び第2テーブルと、前記第1テーブルを前記第1の方向に移動させる第1駆動手段と、前記第2テーブルを前記第1の方向に移動させる第2駆動手段と、前記第1テーブル及び前記第2テーブルに配置され、該第1テーブル及び該第2テーブルに連結されるメインテーブルと、前記第1テーブル及び前記メインテーブルの間隙に配置され、該第1テーブル及び該メインテーブルを連結し、かつ該メインテーブルを前記第1の方向とは異なる第2の方向に摺動可能に支持する第1連結部材と、前記第2テーブル及び前記メインテーブルの間隙に配置され、該第2テーブル及び該メインテーブルを連結し、かつ該メインテーブルを前記第2の方向に対して傾斜した第3の方向に摺動可能に支持する第2連結部材と、前記メインテーブルを平面上の目的位置まで移動させるのに必要な前記第1テーブル及び前記第2テーブルへの推力を算出する推力算出手段と、前記第1テーブル及び前記第2テーブルへの推力に基づいて、前記第1駆動手段及び前記第2駆動手段を各々駆動させる移動制御手段とを備えている。
また、請求項2に係る発明のテーブル装置は、請求項1に記載の発明の構成に加え、前記推力算出手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルを前記第1の方向に移動させることで、前記メインテーブルを該第1の方向に移動させ、かつ該第1テーブル及び該第2テーブルの間隔を調整することで、該メインテーブルを該第1の方向と異なる方向に移動させるように、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を算出することを特徴とする。
また、請求項3に係る発明のテーブル装置は、請求項2に記載の発明の構成に加え、前記移動制御手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルを移動させながら、該第1テーブル及び該第2テーブルの間隔を調整することで、前記メインテーブルを前記第1の方向及び該第1の方向と直交する方向とは異なる方向に移動させることを特徴とする。
また、請求項4に係る発明のテーブル装置は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記第1連結部材は、前記第1テーブルに設けられ、前記第2の方向に配置された第1ガイド部と、前記メインテーブルに設けられ、前記第1ガイド部に摺動可能に係合される第1係合部とから構成され、前記第2連結部材は、前記第2テーブルに設けられ、前記第3の方向に配置された第2ガイド部と、前記メインテーブルに設けられ、前記第2ガイド部に摺動可能に係合される第2係合部とから構成されたことを特徴とする。
また、請求項5に係る発明のテーブル装置は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記第1テーブルの現在位置を検出する第1位置検出手段と、前記第2テーブルの現在位置を検出する第2位置検出手段とを備え、前記推力算出手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの現在位置に基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする。
また、請求項6に係る発明のテーブル装置は、請求項5に記載の発明の構成に加え、前記ベッドに設けられ、前記第1の方向に配置されたベースガイドを備え、前記第1駆動手段は、前記第1テーブルを前記ベースガイドに沿って移動させる第1可動部であり、前記第2駆動手段は、前記第2テーブルを前記ベースガイドに沿って移動させる第2可動部であることを特徴とする。
また、請求項7に係る発明のテーブル装置は、請求項6に記載の発明の構成に加え、前記第1位置検出手段は、前記第1可動部の現在位置を検出する第1エンコーダであり、前記第2位置検出手段は、前記第2可動部の現在位置を検出する第2エンコーダであり、前記推力算出手段は、前記第1エンコーダにより検出された現在位置に基づいて前記第1テーブルの現在位置を特定し、かつ前記第2エンコーダにより検出された現在位置に基づいて前記第2テーブルの現在位置を特定することを特徴とする。
また、請求項8に係る発明のテーブル装置は、請求項1乃至7のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記推力算出手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの平面上の傾きに基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする。
また、請求項9に係る発明のテーブル装置の制御方法は、第1の方向に移動可能な第1テーブル及び第2テーブルを各々駆動して、該第1テーブル及び該第2テーブルに連結されたメインテーブルを、平面上の任意の目的位置に移動させるテーブル装置の制御方法であって、前記メインテーブルの目的位置を取得する目的位置取得工程と、前記第1テーブル及び前記第2テーブルを前記第1の方向に移動させることで、前記メインテーブルを該第1の方向に移動させ、かつ該第1テーブル及び該第2テーブルの間隔を調整することで、該メインテーブルを該第1の方向と異なる方向に移動させるようにして、該メインテーブルを前記目的位置まで移動させるのに必要な該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を算出する推力算出工程と、前記第1テーブル及び前記第2テーブルへの推力に基づいて、前記第1テーブルを移動させる第1駆動手段、及び前記第2テーブルを移動させる第2駆動手段を駆動させる移動制御工程とを備えている。
また、請求項10に係る発明のテーブル装置の制御方法は、請求項9に記載の発明の構成に加え、前記第1テーブルの現在位置を検出する第1位置検出手段と前記第2テーブルの現在位置を検出する第2位置検出手段とから、該第1テーブル及び該第2テーブルの現在位置を取得する現在位置取得工程を備え、前記推力算出工程では、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの現在位置に基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする。
また、請求項11に係る発明のテーブル装置の制御方法は、請求項9又は10に記載の発明の構成に加え、前記推力算出工程では、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの平面上の傾きに基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする。
請求項1に係る発明のテーブル装置では、ベッドに配置された第1テーブル及び第2テーブルについて、第1の方向への移動をそれぞれ制御することで、第1テーブル及び第2テーブルに連結されたメインテーブルを平面上の目的位置まで移動させる構成とした。よって、第1の方向とは異なる方向にメインテーブルを移動させるためのアクチュエータを具備させる必要がないため、メインテーブルを軽くし、ベッドからメインテーブルまでの高さを小さくして、横揺れ振動の発生を抑制することができる。また、第1の方向とは異なる方向へのストロークを小さくすることがなく、より広い移動エリアを確保することができる。また、アクチュエータの冷却機構を設けていなくても、優れた送り精度を実現することができる。すなわち、より簡易な構成で、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項2に係る発明のテーブル装置では、請求項1に記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルについて第1の方向への移動をそれぞれ制御することで、メインテーブルを第1の方向に移動させ、かつメインテーブルを第1の方向と異なる方向に移動させる。よって、第1テーブル及び第2テーブルについて、それぞれの第1の方向への推力を制御するだけで、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項3に係る発明のテーブル装置では、請求項2に記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルを同時に移動させながら、第1テーブル及び第2テーブルの間隔を調整する。よって、第1テーブル及び第2テーブルについて、それぞれの第1の方向への推力を制御するだけで、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項4に係る発明のテーブル装置では、請求項1乃至3のいずれかに記載の発明の効果に加え、第1連結部材は、第1係合部が第1ガイド部に摺動可能に係合されて構成され、第2連結部材は、第2係合部が第2ガイド部に摺動可能に係合されて構成される。よって、第1テーブル及び第2テーブルの移動に伴って、第1連結部材及び第2連結部材を介してメインテーブルが移動するようにすることができる。
また、請求項5に係る発明のテーブル装置では、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルの現在位置に基づいて、第1テーブル及び第2テーブルへの推力が補正される。よって、アクチュエータの指令位置に対する実際の移動位置に偏差(ずれ量)が生じた場合でも、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項6に係る発明のテーブル装置では、請求項5に記載の発明の効果に加え、ベッドに設けられた共通のベースガイドに沿って、第1テーブル及び第2テーブルがそれぞれ可動部によって移動される。よって、テーブルごとにベースガイドを設ける必要がなく、より簡易な構成のテーブル装置を実現できる。
また、請求項7に係る発明のテーブル装置では、請求項6に記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルの位置は、それぞれエンコーダにより検出される。よって、確実に第1テーブル及び第2テーブルの位置を特定でき、正確にテーブルの移動制御を行うことができる。
また、請求項8に係る発明のテーブル装置では、請求項1乃至7のいずれかに記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルの平面上の傾きに基づいて、第1テーブル及び第2テーブルへの推力が補正される。よって、テーブル装置自体や各テーブルに傾きが生じている場合であっても、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項9に係る発明のテーブル装置の制御方法では、ベッドに配置された第1テーブル及び第2テーブルについて、第1の方向への移動をそれぞれ制御することで、第1テーブル及び第2テーブルに連結されたメインテーブルを平面上の目的位置まで移動させる構成とした。よって、第1の方向とは異なる方向にメインテーブルを移動させるためのアクチュエータをメインテーブルに具備させる必要がないため、メインテーブルを軽くすることができ、テーブルからメインテーブルの高さを小さくすることができる。また、第1の方向のストロークを小さくすることなく、第1の方向とは異なる方向への装置の幅長を小さくすることができる。また、アクチュエータの冷却機構を設けることなく、優れた送り精度を実現することができる。すなわち、より簡易な構成で、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項10に係る発明のテーブル装置の制御方法では、請求項9に記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルの現在位置に基づいて、第1テーブル及び第2テーブルへの推力が補正される。よって、アクチュエータの指令位置に対する実際の移動位置に偏差(ずれ量)が生じた場合でも、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、請求項11に係る発明のテーブル装置の制御方法では、請求項9又は10に記載の発明の効果に加え、第1テーブル及び第2テーブルの平面上の傾きに基づいて、第1テーブル及び第2テーブルへの推力が補正される。よって、テーブル装置自体や各テーブルに傾きが生じている場合であっても、メインテーブルを平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
以下、本発明を具体化したテーブル装置1の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係るテーブル装置1は、工作機械や計測器等の精密機器に用いられ、位置決め対象物を目標位置に移動させるXY位置決めテーブルである。図1は、テーブル装置1の外観斜視図である。図2は、テーブル装置1の組立部品の分解斜視図である。
まず、本実施形態に係るテーブル装置1の全体構成について説明する。図1に示すように、本実施形態のテーブル装置1は、リニアガイドやリニアモータなどの駆動機構が配置されたベッド部2の上方に、同一平面上で2つの分離したテーブルである第1テーブル3及び第2テーブル4が平行して並ぶように設けられ、さらにその上には、第1テーブル3及び第2テーブル4の各々に連結され、移動対象物が載置されるメインテーブル5が設けられた積層構造をなす。
なお、本実施形態のテーブル装置1を構成する各種基板(後述のベッド基部10や各種テーブル基板30,40,50)は、構造材を保持できる材質で形成した非可撓性の板状部材であり、本実施形態では鉄などの金属材料を用いる。また、各部材を一体に固定する場合には、任意の固定用ボルトや接着剤などを用いればよいが、本実施形態では図示しない六角穴付用ボルトで連結固定しているものとする。また、本実施形態ではベッド部2の長手方向(縦方向)をY方向とし、ベッド部2の短手方向(横方向)をX方向として、説明をする。
次に、本実施形態に係るテーブル装置1の各部の構成について説明する。図2に示すように、ベッド部2は、テーブル装置1の筐体底面をなすベッド基部10の表面(上面)に、第1リニアガイド11,第2リニアガイド12,第1ガイドレール13,第2ガイドレール14,第1リニアモータ15,第2リニアモータ16が設けられている。
ベッド基部10は、縦方向(Y方向)を長手方向とする平面視長方形の板状基板である。第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12は、ベッド基部10の長縁部の各々において、ベッド部2の縦方向(Y方向)に平行に設けられた直方体状をなす部材である。第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12は、両者が一対をなして、第1テーブル3及び第2テーブル4をベッド部2の上方に支持する。そして、第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12の上端面には、その上端面に沿って上方に突出した凸状部材である第1ガイドレール13及び第2ガイドレール14が、各々形成されている。すなわち、第1ガイドレール13及び第2ガイドレール14は、第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12の上端面で、ベッド部2の縦方向(Y方向)に平行に設けられた2つのレール状部材である。第1ガイドレール13には、後述の第1テーブル左連結部31と第2テーブル左連結部41とが、当該第1ガイドレール13に沿って摺動可能に係合される。同様に、第2ガイドレール14には、後述の第1テーブル右連結部32と第2テーブル右連結部42とが、当該第2ガイドレール14に沿って摺動可能に係合される。
第1リニアモータ15及び第2リニアモータ16は、電磁力により可動部をシャフトに沿って直動させるリニアシャフトモータである。第1リニアモータ15及び第2リニアモータ16は、それぞれ第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12に沿って、かつベッド基部10の重心側に設けられている。
第1リニアモータ15は、第1リニアシャフト17,第1左可動部19,第2左可動部21,第1シャフト支持部23を備えている。第1左可動部19及び第2左可動部21の2つの可動部は、電磁気コイルを内蔵した箱型形状をなし、その断面中心に第1リニアシャフト17を挿嵌可能な貫通孔が形成されている。第1リニアシャフト17は、マグネットを内蔵した円筒状のステンレス管であり、ベッド部2の縦方向(Y方向)と平行に配置されている。第1リニアシャフト17の両端部には、第1リニアシャフト17を支持する第1シャフト支持部23が設けられている。そして、第1リニアシャフト17が挿嵌された第1左可動部19及び第2左可動部21は、それぞれ後述のサーボアンプに制御されて、第1リニアシャフト17に沿って縦方向(Y方向)に直動可能となっている。
なお、第2リニアモータ16の構成は、第1リニアモータ15と同様であり、第2リニアシャフト18,第1右可動部20,第2右可動部22,第1シャフト支持部24を備えている。
そして、ベッド部2の上には、第1テーブル3及び第2テーブル4の2つの均等な横長テーブルが、横方向(X方向)に平行に並んで載置される。第1テーブル3は、横方向(X方向)を長手方向とする平面視長方形の板状基板である第1テーブル基板30に、第1テーブル左連結部31,第1テーブル右連結部32,第1メインガイドレール33,第1左リニアエンコーダ61,第1右リニアエンコーダ62を備えている。
第1テーブル左連結部31及び第1テーブル右連結部32は、第1テーブル基板30の下面において、それぞれ長手方向(横方向)の両端縁部に設けられており、下方向に開口したコの字型の断面形状を有する凹状部材であり、各々の凹部はY方向に沿って平行に形成されている。また、第1メインガイドレール33は、第1テーブル基板30の上面において、上方に突出した直線状のレール状部材である。第1メインガイドレール33は、縦方向(Y方向)とは異なる方向に向けて形成されていればよいが、本実施形態では横方向(X方向)に対して30°傾斜するように形成されている。なお、第1メインガイドレール33には、後述の第1メインテーブル連結部51が、当該第1メインガイドレール33に沿って摺動可能に係合される。また、第1左リニアエンコーダ61及び第1右リニアエンコーダ62は、第1テーブル基板30の下面において、図示外のリニアスケールを読み取って現在位置を計測するためのリニアエンコーダである。第1左リニアエンコーダ61及び第1右リニアエンコーダ62は、それぞれ第1テーブル左連結部31,第1テーブル右連結部32の近傍であって、第1テーブル基板30の重心側に設けられている。
なお、第2テーブル4の構成は、第1テーブル3と同様であり、第2テーブル基板40に、第2テーブル左連結部41,第2テーブル右連結部42,第2メインガイドレール43,第2左リニアエンコーダ63,第2右リニアエンコーダ64を備えている。しかしながら、第2メインガイドレール43は、第1メインガイドレール33とは異なる方向へ直線状に形成されており、本実施形態では、第1メインガイドレール33とは反対方向に、横方向(X方向に対して)に対して30°傾斜するように形成されている。
そして、第1テーブル3をベッド部2に載置する場合は、第1テーブル3の長手方向が横方向(X方向)と平行になるように、第1テーブル3を第1左可動部19及び第1右可動部20の上面に固定する。また、第1テーブル左連結部31及び第1テーブル右連結部32の間隔幅は、第1ガイドレール13及び第2ガイドレール14の間隔幅と均等となっており、第1テーブル左連結部31を第1ガイドレール13に係合させ、第1テーブル右連結部32を第2ガイドレール14に係合させる。これにより、第1左可動部19が第1リニアシャフト17に沿って直動し、第1右可動部20が第2リニアシャフト18に沿って直動すると、第1テーブル3も第1ガイドレール13及び第2ガイドレール14に沿って縦方向(Y方向)に直動する。なお、第1テーブル3をベッド部2に載置させると、第1左リニアエンコーダ61が第1左可動部19と第1ガイドレール13の間隙に位置し、第1右リニアエンコーダ62が第1右可動部20と第2ガイドレール14の間隙に位置する。そして、各リニアエンコーダ61,62は、ベッド部2の各々の直下にあたる位置で、縦方向(Y方向)と平行に形成されているリニアスケール(図示外)を読んで、現在位置を計測することができる。
また、第2テーブル4をベッド部2に載置する場合も、同様にして、第2テーブル4を第2左可動部21及び第2右可動部22の上面に固定し、第2テーブル左連結部41を第1ガイドレール13に係合させ、第2テーブル右連結部42を第2ガイドレール14に係合させる。これにより、第2左可動部21及び第2右可動部22が直動すると、第2テーブル4も縦方向(Y方向)に直動する。なお、第2左リニアエンコーダ63は、第1左リニアエンコーダ61と同一のリニアスケール(図示外)を読む一方、第2右リニアエンコーダ64は、第1右リニアエンコーダ62と同一のリニアスケール(図示外)を読むことになる。
そして、第1テーブル3と第2テーブル4の上には、移動対象物が載置される縦長テーブルであるメインテーブル5が載置される。メインテーブル5は、縦方向(Y方向)を長手方向とする平面視長方形の板状基板であるメインテーブル基板50に、第1メインテーブル連結部51と第2メインテーブル連結部52を備えている。そして、メインテーブル基板50の上面が、移動対象物の載置スペースとして機能する。
第1メインテーブル連結部51及び第2メインテーブル連結部52は、メインテーブル基板50の下面に設けられており、下方向に開口したコの字型の断面形状を有する凹状部材である。第1メインテーブル連結部51は、その凹部が第1メインガイドレール33と同一方向、すなわち横方向(X方向に対して)に対して30°傾斜するように形成されている。また、第2メインテーブル連結部52は、その凹部が第2メインガイドレール43と同一方向、すなわち第1メインガイドレール33とは反対方向に、横方向(X方向)に対して30°傾斜するように形成されている。
そして、メインテーブル5を第1テーブル3及び第2テーブル4に載置する場合は、メインテーブル5の長手方向が縦方向(Y方向)と平行になるように、第1メインテーブル連結部51を第1メインガイドレール33に係合させ、第2メインテーブル連結部52を第2メインガイドレール43に係合させる。すると、第1メインテーブル連結部51及び第2メインテーブル連結部52の間隔は一定幅で固定されているから、メインテーブル5はその長手方向が縦方向(Y方向)と平行した状態を維持しながら、第1メインガイドレール33又は第2メインガイドレール43に沿って直動可能である。
次に、本実施形態に係るテーブル装置1の位置決め動作について説明する。図3は、メインテーブル5をベッド平面上の中央に移動させた場合の、テーブル装置1の概略平面図である。図4は、メインテーブル5をベッド平面上の左側に移動させた場合の、テーブル装置1の概略平面図である。図5は、メインテーブル5をベッド平面上の右側に移動させた場合の、テーブル装置1の概略平面図である。なお、理解を容易にするために、図3乃至図5では、説明に必要な構成のみを図示している。
本実施形態のテーブル装置1では、第1テーブル3と第2テーブル4との各々の縦方向(Y方向)への推力を制御することで、メインテーブル5をベッド平面上の任意の位置に移動させる。以下では動作原理の説明のため、メインテーブル5の縦方向(Y方向)への移動と、横方向(X方向)への移動とを分けて説明する。
まず、メインテーブル5を縦方向(Y方向)に移動させる場合を説明する。図3に示すように、メインテーブル5を上方向(+Y方向)に移動させる場合、第1テーブル3及び第2テーブル4を同時に上方向(+Y方向)に移動させる。このとき、第1テーブル3の移動量と第2テーブル4の移動量が等しければ、メインテーブル5は横方向(X方向)に移動することなく、両者の移動量と同じだけ縦方向(Y方向)に移動する。メインテーブル5を下方向(−Y方向)に移動させる場合も同様である。このように、第1テーブル3及び第2テーブル4の移動に応じて、メインテーブル5を任意に縦方向(Y方向)に移動させることができる。
次に、メインテーブル5を横方向(X方向)に移動させる場合を説明する。図3乃至図5に示すように、第1メインテーブル連結部51及び第2メインテーブル連結部52の間隔幅は一定である一方、両者が摺動可能に係合される第1メインガイドレール33及び第2メインガイドレール43の間隔幅は、図3の左方向(−X方向)に行くほど大きくなり、右方向(+X方向)に行くほど小さくなる。さらに、第1メインガイドレール33及び第2メインガイドレール43は、横方向(X方向)に対して対称となるように30°傾いている。よって、メインテーブル5を第1メインガイドレール33に沿って一定距離だけX方向に移動した場合におけるY方向への移動量と、メインテーブル5を第2メインガイドレール43に沿って一定距離だけX方向に移動した場合におけるY方向への移動量とは、その絶対値が等しい。以上のことから、第1テーブル3と第2テーブル4とを同じ移動量で、互いが近づくように移動させ、又は互いが遠ざかるように移動させれば、メインテーブル5をY方向に移動させることなく、X方向にのみ平行移動させることができる。
図3に示すように、本実施形態のテーブル装置1では、第1メインテーブル連結部51が第1メインガイドレール33の中心に位置している場合(第2メインテーブル連結部52が第2メインガイドレール43の中心に位置している場合)、メインテーブル5の重心が、ベッド平面上の中心を通る縦方向(Y方向)への平行線上に位置する。そして、図4に示すように、第1テーブル3を下方向(−Y方向)に、第2テーブル4を上方向(+Y方向)に、それぞれ同じ移動量で移動させると、メインテーブル5が左方向(−X方向)に平行移動する。また、図5に示すように、第1テーブル3を上方向(+Y方向)に、第2テーブル4を下方向(−Y方向)に、それぞれ同じ移動量で移動させると、メインテーブル5が右方向(+X方向)に平行移動する。このように、第1テーブル3及び第2テーブル4の間隔幅を調整することで、メインテーブル5を任意に横方向(X方向)に移動させることができる。
以上、本実施形態に係るテーブル装置1の位置決め動作の原理について説明したが、実際にはメインテーブル5の現在位置と目的位置とに基づいて、縦方向(Y方向)への移動と横方向(X方向)の移動とを区別することなく、メインテーブル5を目的位置に移動させるのに必要な第1テーブル3及び第2テーブル4への推力が算出されて、この推力に基づいてリニアモータ15,16が駆動される。
次に、本実施形態に係るテーブル装置1の電気的構成について説明する。図6は、テーブル装置1の電気的構成を示すブロック図である。図7は、制御部100の電気的構成を示すブロック図である。
図6に示すように、テーブル装置1では、第1テーブル3に設けられた第1左リニアエンコーダ61及び第1右リニアエンコーダ62が、それぞれテーブル装置1の動作制御を司る制御部100に接続されており、同様に、第2テーブル4に設けられた第2左リニアエンコーダ63及び第2右リニアエンコーダ64も、制御部100に各々接続されている。一方、制御部100は、第1テーブル3に設けられた第1左可動部19及び第1右可動部20を各々駆動させる第1左サーボアンプ71及び第1右サーボアンプ72と接続されており、同様に、第2テーブル4に設けられた第2左可動部21及び第2右可動部22を各々駆動させる第2左サーボアンプ73及び第2右サーボアンプ74と接続されている。なお、第1左可動部19及び第2左可動部21はともに第1リニアモータ15に設けられ、第1右可動部20及び第2右可動部22はともに第2リニアモータ16に設けられているが、各可動部は制御部100によって各々独立に制御される。
このような構成のテーブル装置1では、第1左リニアエンコーダ61より計測された現在位置Y11と、第1右リニアエンコーダ62より計測された現在位置Y12と、第2左リニアエンコーダ63より計測された現在位置Y21と、第2右リニアエンコーダ64より計測された現在位置Y22とが、それぞれ制御部100に入力される。制御部100では、各リニアエンコーダの現在位置Y11〜Y22に基づいて、ベッド平面上の目的位置へメインテーブル5を移動させるために必要な推力F11〜F22が算出される。そして、第1左可動部19に付与すべき推力F11が第1左サーボアンプ71に入力され、第1左サーボアンプ71が推力F11に基づいて第1左可動部19を駆動させる。同様にして、第1右サーボアンプ72が推力F12に基づいて第1右可動部20を駆動させ、第2左サーボアンプ73が推力F21に基づいて第2左可動部21を駆動させ、第2右サーボアンプ74が推力F22に基づいて第2右可動部22を駆動させる。
図7に示すように、制御部100は、座標変換回路200,X位置制御回路110,Y位置制御回路120,θT1位置制御回路130,θT2位置制御回路140,推力変換回路300を備えている。
座標変換回路200は、各リニアエンコーダ61〜64から入力された現在位置Y11〜Y22を、メインテーブル5のX位置についてのフィードバック量Xfbk,メインテーブル5のY位置についてのフィードバック量Yfbk,第1テーブル3の水平面における横方向(X方向)からの傾きθT1についてのフィードバック量θT1fbk,第2テーブル4の水平面における横方向(X方向)からの傾きθT2についてのフィードバック量θT2fbkに、各々変換して出力するための電気回路である。この座標変換回路200は座標変換行列Aに基づいて実行されるが、この座標変換行列Aについての詳細は後述する。
X位置制御回路110は、メインテーブル5のX方向への目的位置Xrefと、座標変換回路200から出力されるフィードバック量Xfbkとに基づいて、メインテーブル5のX方向への位置制御を実行するための機構である。X位置制御回路110は、X位置指令値記憶部111,PID補償器112,FF補償器113,入力推力推定フィルタ114,ローパスフィルタ115が、電気的に接続された構成をなす。ユーザなどにより指示されたベッド平面上のX方向への目的位置を示す位置指令値Xrefが、X位置指令値記憶部111に記憶されている。このような構成により、X位置制御回路110では、位置指令値Xrefとフィードバック量Xfbkとに基づいて、メインテーブル5のX方向への操作量として推力FXが算出されて、この推力FXが推力変換回路300に出力される。
Y位置制御回路120は、メインテーブル5のY方向への目的位置Yrefと、座標変換回路200から出力されるフィードバック量Yfbkとに基づいて、メインテーブル5のY方向への位置制御を実行するための機構である。Y位置制御回路120も、X位置制御回路110と同様に、Y位置指令値記憶部121,PID補償器122,FF補償器123,入力推力推定フィルタ124,ローパスフィルタ125が、電気的に接続された構成をなす。ユーザなどにより指示されたベッド平面上のY方向への目的位置を示す位置指令値Yrefが、Y位置指令値記憶部121に記憶されている。このような構成により、Y位置制御回路120では、位置指令値Yrefとフィードバック量Yfbkとに基づいて、メインテーブル5のY方向への操作量として推力FYが算出されて、この推力FYが推力変換回路300に出力される。
ところで、テーブル装置1は、理論上は第1テーブル3(第2テーブル4)の長手方向が横方向(X方向)に対して平行をなし、縦方向(Y方向)に対して垂直に平行移動するように設計されているが、実際にテーブル装置1を実装させると、ごく微量ながら第1テーブル3(第2テーブル4)の長手方向が横方向(X方向)に対して傾きθが生じる。そこで、本実施形態では、第1テーブル3の水平面における横方向(X方向)からの傾きθT1と、第2テーブル4の水平面における横方向(X方向)からの傾きθT2についても、θT1位置制御回路130及びθT2位置制御回路140でその位置制御を行っている。
θT1位置制御回路130は、第1テーブル3の傾きθT1refと、座標変換回路200から出力されるフィードバック量θT1fbkとに基づいて、第1テーブル3の傾きθT1に関する位置補正を実行するための機構である。θT1位置制御回路130も、X位置制御回路110と同様に、θT1位置指令値記憶部131,PID補償器132,FF補償器133,入力推力推定フィルタ134,ローパスフィルタ135が、電気的に接続された構成をなす。なお、設計者の実験結果や実装後のテストなどに基づいて設定された第1テーブル3の傾きθT1を補正する位置指令値θT1refが、θT1位置指令値記憶部131にあらかじめ記憶されている。このような構成により、θT1位置制御回路130では、位置指令値θT1refとフィードバック量θT1fbkとに基づき、第1テーブル3の傾きθT1を補正するための操作量として推力FθT1が算出され、この推力FθT1が推力変換回路300に出力される。
θT2位置制御回路140は、第2テーブル4の傾きθT2refと、座標変換回路200から出力されるフィードバック量θT2fbkとに基づいて、第2テーブル4の傾きθT2に関する位置補正を実行するための機構である。θT2位置制御回路140も、X位置制御回路110と同様に、θT2位置指令値記憶部141,PID補償器142,FF補償器143,入力推力推定フィルタ144,ローパスフィルタ145が、電気的に接続された構成をなす。なお、設計者の実験結果や実装後のテストなどに基づいて設定された第2テーブル4の傾きθT2を補正する位置指令値θT2refが、θT2位置指令値記憶部141にあらかじめ記憶されている。このような構成により、θT2位置制御回路140では、位置指令値θT2refとフィードバック量θT2fbkとに基づき、第2テーブル4の傾きθT2を補正するための操作量として推力FθT2が算出され、この推力FθT2が推力変換回路300に出力される。
推力変換回路300は、各位置制御回路110,120,130,140から出力された推力FX,FY,FθT1,FθT2を、各可動部19〜22を各々駆動させる推力F11〜F22に変換して出力するための電気回路である。この推力変換回路300は推力変換行列Fに基づいて実行されるが、この推力変換行列Fについての詳細は後述する。
次に、本実施形態に係るテーブル装置1で実行される移動制御について説明する。図8は、テーブル装置1のメイン処理を示すフローチャートである。このメイン処理は、テーブル装置1に電源が投入されると、制御部100において実行される。
なお、メイン処理が実行される前提として、X位置指令値記憶部111には、メイン処理開始時のX目的位値(例えば、X=0)が位置指令値Xrefとして設定され、Y位置指令値記憶部121には、メイン処理開始時のY目的位値(例えば、Y=0)が位置指令値Yrefとして設定されている。また、先述したように、θT1位置指令値記憶部131には第1テーブル3の傾きθT1を補正する位置指令値θT1refが設定され、θT2位置指令値記憶部141には第2テーブル4の傾きθT2を補正する位置指令値θT2refが設定されている。なお、位置指令値Xref,Yrefは、ユーザなどによって他の目的位置が入力された場合、その入力された値に更新される。
図8に示すように、テーブル装置1のメイン処理では、まず各可動部19〜22の配置データLM11,LM12,LM21,LM22が読み込まれて推力変換行列Fが算出され、この推力変換行列Fが推力変換回路300に設定される(S1)。すなわち、制御部100に設けられた記憶領域(図示外)には、各可動部19〜22の配置位置を示す配置データLM11,LM12,LM21,LM22があらかじめ記憶されており、これらに基づいて推力変換回路300で実行される推力変換行列Fが設定される。
さらに、各リニアエンコーダ61〜64のそれぞれの配置データE11,E12,E21,E22が読み込まれて座標変換行列Aが算出され、この推力変換行列Aが座標変換回路200に設定される(S3)。すなわち、制御部100に設けられた記憶領域(図示外)には、各リニアエンコーダ61〜64の配置位置を示す配置データE11,E12,E21,E22があらかじめ記憶されており、これらに基づいて座標変換回路200で実行される座標変換行列Aが設定される。
このように、本実施形態では、メイン処理が実行されるごとに推力変換行列F及び座標変換行列Aが計算及び設定されるが(S1,S3)、各可動部19〜22や各リニアエンコーダ61〜64の配置位置が変動することがなければ、あらかじめ固定の推力変換行列F及び座標変換行列Aが設定されるようにしてもよい。
次に、各位置制御回路110,120,130,140において、各位置指令値Xref,Yref,θT1ref,θT2refに基づいて、各推力FX,FY,FθT1,FθT2が算出される(S5)。すなわち、各位置指令値記憶部111,121,131,141に各々設定されている位置指令値Xref,Yref,θT1ref,θT2refに基づいて、メイン処理開始時の初期動作を指示する各推力FX,FY,FθT1,FθT2が算出される。例えば、X位置制御回路110では、X位置指令値記憶部111に記憶されている位置指令値Xrefに基づき、メインテーブル5のX方向への移動動作を指示する推力FXが算出される。
次に、推力変換回路300において、各推力FX,FY,FθT1,FθT2に基づいて、推力F11,F12,F21,F22が算出される(S7)。すなわち、位置制御回路110,120,130,140から各々出力された推力FX,FY,FθT1,FθT2が、各可動部19〜22ごとの移動動作を指示する推力F11,F12,F21,F22に変換される。
次に、各サーボアンプ71〜74に各推力F11,F12,F21,F22が入力され、各可動部19〜22が駆動される(S9)。すなわち、推力変換回路300から出力された各推力F11,F12,F21,F22が各々対応するサーボアンプ71〜74に入力される。そして、各サーボアンプ71〜74では、入力された各推力F11,F12,F21,F22に基づいて、それぞれに対応する可動部19〜22を駆動させる。例えば、推力F11はサーボアンプ71に入力され、サーボアンプ71はこの推力F11に基づいて第1左可動部19を駆動させる。
次に、座標変換回路200において、リニアエンコーダ61〜64の現在位値Y11,Y12,Y21,Y22に基づいて、フィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkが算出される(S11)。すなわち、座標変換回路200では、各リニアエンコーダ61〜64で計測された現在位置Y11,Y12,Y21,Y22が入力されて、メインテーブル5の移動制御を補正するためのフィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkに変換される。
次に、各位置制御回路110,120,130,140において、各位置指令値Xref,Yref,θT1ref,θT2refと、各フィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkとに基づいて、各推力FX,FY,FθT1,FθT2が算出される(S13)。すなわち、各位置指令値記憶部111,121,131,141に設定されている位置指令値Xref,Yref,θT1ref,θT2refと、座標変換回路200から出力された各フィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkとに基づいて、メインテーブル5の移動動作を指示する各推力FX,FY,FθT1,FθT2が算出される。
例えば、X位置制御回路110では、X位置指令値記憶部111に記憶されている位置指令値Xrefと、入力されたフィードバック量Xfbkとに基づいて、次のように推力FXが算出される。まず、位置指令値Xrefとフィードバック量Xfbkの差をPID補償器112に入力し、位置指令値XrefをFF補償器113に入力する。次に、推力FXと位置フィードバック値Xfbkの差を、外乱オブザーバ(入力推力推定フィルタ114及びローパスフィルタ115)で計算する。そして、PID補償器112及びFF補償器113の両出力の和と、外乱オブザーバの出力との差を算出し、この値を新たな推力FXとして出力する。なお、上記のような演算処理は公知技術であるから、詳細は省略する(例えば、特許第3312297号などを参照)。
その後、S7に戻り、推力変換回路300では、S13で算出された推力FX,FY,FθT1,FθT2に基づいて、新たな推力F11,F12,F21,F22が算出される。そして、この値に基づいて各駆動部19〜22が再び駆動され、メインテーブル5が移動される。このようにメイン処理(図8)は繰り返し実行されて、ベッド平面上の目的位置に達するまでメインテーブル5の移動が実行され、目的位置に到達するとメインテーブル5は停止する。一方、ユーザなどによって他の目的位置が入力された場合、位置指令値記憶部111,121に記憶されている位置指令値Xref,Yrefが更新されて、再びメインテーブル5がその目的位置に向けて移動することになる。
次に、本実施形態に係るテーブル装置1で用いられる推力変換行列F及び座標変換行列Aについて説明する。図9及び図10は、テーブル装置1の制御原理を説明するための理論平面図である。
図9に示すように、第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12の中心線上にY軸があり、第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12と直交する線上にX軸があり、ベッド平面上におけるY軸の下端部を原点Oとする平面上において、第1テーブル3に具備された第1左リニアエンコーダ61及び第1右リニアエンコーダ62の各座標位置は、各々で計測された座標位置E11(X,Y11),E12(X,Y12)とする。同様に、第2テーブル4に具備された第2左リニアエンコーダ63及び第2右リニアエンコーダ64の各座標位置は、各々で計測された座標位置E21(X,Y21)、E22(X,Y22)とする。また、本実施形態のテーブル装置1では、第1テーブル3及び第2テーブル4が水平面上で斜め方向に傾いているものとし、第1テーブル3及び第2テーブル4のX軸に対する傾き角度を、それぞれ傾きθT1,θT2とする。
そして、第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12の間隔幅をスパンLとし、座標位置E11,E12を通る直線が第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12と交わる点をそれぞれELG11(−L/2,YLG11),ELG12(L/2,YLG12)とする。同様に、座標位置E21,E22を通る直線が第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12と交わる点をそれぞれELG21(−L/2,YLG21),ELG22(L/2,YLG22)とする。
すると、YLG11,YLG12,YLG21,YLG22は、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
また、テーブルの傾きθT1,θT2は、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
しかしながら、実際にはテーブルの傾きθT1,θT2は非常に小さな値であり、θ≪1の場合にはtanθ≒θとなるため、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
そして、座標位置E11,E12を通る直線がY軸と交わる点をE1(0,Y)とし、座標位置E21,E22を通る直線がY軸と交わる点をE2(0,Y)とする。このとき、第1テーブル3及び第2テーブル4の各重心位置Y,Yは、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
次に、図10に示すように、メインテーブル5に固定されている第1メインテーブル連結部51及び第2メインテーブル連結部52との間隔幅であるサドル間距離2Pとする。そして、第1テーブル3上に形成された第1メインガイドレール33のX軸に対する傾き角度αとし、第2テーブル4上に形成された第2メインガイドレール43のX軸に対する傾き角度αとする。このとき、メインテーブル5の重心位置(X,Y)は、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
ここで、左リニアエンコーダ61,63の位置Xと右リニアエンコーダ62,64の位置Xは、固定位置であるから定数である。同様に、角度αと角度αは、メインガイドレール33,43の設置角度が固定であるため定数である。さらに、サドル間距離2Pは、メインテーブル5に固定されたメインテーブル連結部51,52のサドルピッチであるため定数である。一方、Y11,Y12,Y21,Y22は、各リニアエンコーダ61〜64により計測される値であるため変数である。
本実施形態のテーブル装置1の制御系では、メインテーブル5の重心位置(X,Y)と、第1テーブル3の傾きθT1及び第2テーブル3の傾きθT2とを制御する。フィードバック制御系に返されるフィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkは、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
そして、上記数式をXfbk,Yfbkに関して定数項を移動させると、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
すなわち、Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkはY11,Y12,Y21,Y22で記述できるため、上記数式は以下に示す行列で表すことができる。そして、定数a11〜a44からなる行列が、先述の座標変換回路200で実行される座標変換行列Aである。
Figure 2006192558
この座標変換行列Aにより、各リニアエンコーダ61〜64で計測された現在位置Y11,Y12,Y21,Y22が、フィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkに変換されて、各位置制御回路110,120,130,140に入力される。各位置制御回路110,120,130,140では、操作量として推力FX,FY,FθT1,FθT2が算出されることになる(図7参照)。
ところで、各推力FX,FY,FθT1,FθT2は、あくまでメインテーブル5のX方向及びY方向の移動制御と、各テーブル3,4の傾き補正のための移動制御を行うためのものであるから、これらを4つの可動部19〜22を各々駆動させる推力F11,F12,F21,F22に変換する必要がある。そのための推力変換行列Fは、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
推力変換行列Fは、先述の推力変換回路300で実行される。この推力変換行列Fにより、推力FX,FY,FθT1,FθT2が4つの可動部19〜22を各々駆動させる推力F11,F12,F21,F22に変換されて、それぞれ対応するサーボアンプ71〜74に出力される(図7参照)。各サーボアンプ71〜74は、推力F11,F12,F21,F22に応じて各可動部19〜22を駆動させ、第1テーブル3及び第2テーブル4をそれぞれ縦方向(Y方向)に移動させる(図6参照)。
ここで、座標変換行列A及び推力変換行列Fの関係について説明する。推力変換行列Fは、座標変換行列Aから算出することができるが、その方法は各部材の位置関係などによって異なる。
まず、各可動部19〜22が各々対応するリニアエンコーダ61〜64と同一直線上に存在している場合における、推力変換行列Fの算出方法について説明する。すなわち、第1左可動部19の位置が第1左リニアエンコーダ61と一致し、第1右可動部20の位置が第1右リニアエンコーダ62と一致し、第2左可動部21の位置が第2左リニアエンコーダ63と一致し、第2右可動部22の位置が第2右リニアエンコーダ64と一致するものとする。
この場合、各可動部19〜22の推力F11,F12,F21,F22によって、各リニアエンコーダ61〜64に計測される現在位置Y11,Y12,Y21,Y22がそれぞれ直接変化することになる。よって、以下のように、推力変換行列Fを座標変換行列Aの逆行列A−1として求めることができる。
Figure 2006192558
次に、各可動部19〜22が各々対応するリニアエンコーダ61〜64と同一直線上に存在していない場合における、推力変換行列Fの算出方法について説明する。すなわち、各可動部19〜22の位置が各々対応するリニアエンコーダ61〜64の位置と一致していない場合は、各リニアエンコーダ61〜64に計測された現在位置Y11,Y12,Y21,Y22との位置関係により、各可動部19〜22の位置LM11,LM12,LM21,LM22を特定することができる。よって、各リニアエンコーダ61〜64に計測された現在位置Y11,Y12,Y21,Y22を、各可動部19〜22の位置LM11,LM12,LM21,LM22に置き換えてフィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkに変換する変換行列Bを、あらかじめ求めておけばよい。
この場合も、以下に示すように、推力変換行列Fは変換行列Bの逆行列B−1(逆行列A−1)として求めることができる。
Figure 2006192558
ここで、一例として具体的な数値を示して、座標変換行列A及び推力変換行列Fの算出方法を説明する。但し、左可動部19,21が第1リニアガイド11と同一直線状にあり、右可動部20,22が第2リニアガイド12と同一直線状にあるものとする。また、第1リニアガイド11及び第2リニアガイド12のスパンL=1(単位長さ)とする。また、角度α=α=45°とする。そして、各可動部19〜22の位置が各々対応するリニアエンコーダ61〜64の位置と一致しているものとする。
このようなテーブル装置1では、座標位置E11,E12,E21,E22は、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
フィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkは、以下のように表すことができる。
Figure 2006192558
上記数式は以下に示す行列で表すことができる。そして、定数からなる行列Cが、先述の座標変換回路200で実行される座標変換行列Aとなる。
Figure 2006192558
一方、以下に示すように、変換行列Cの逆行列C−1を算出すれば、これが先述の推力変換回路300で実行される推力変換行列Fとなる。
Figure 2006192558
推力変換回路300では、以下に示すように推力変換行列F(逆行列C−1)に基づいて、推力FX,FY,FθT1,FθT2を推力F11,F12,F21,F22に変換することができる。
Figure 2006192558
上記の算出方法からも明らかなように、本実施形態のテーブル装置1では、座標変換回路200及び推力変換回路300で実行される制御マトリクス(座標変換行列Aと推力変換行列F)を最適化することで、テーブル装置1の各部材の配置を任意に設定したとしても容易に対応することができ、かつメインテーブル5の位置を正確に制御できると同時に、第1テーブル3及び第2テーブル4の回転(ヨーイング)の制御も可能となっている。
このように、本実施形態のテーブル装置1では、座標変換回路200において、各リニアエンコーダ61〜64で計測された現在位置Y11,Y12,Y21,Y22がフィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkに変換される。次に、各位置制御回路110,120,130,140において、ベッド平面上の目的位置やテーブルの傾きとフィードバック量Xfbk,Yfbk,θT1fbk,θT2fbkとに基づいて、推力FX,FY,FθT1,FθT2が算出される。次に、推力変換回路300において、推力FX,FY,FθT1,FθT2が推力F11,F12,F21,F22に変換される。そして、各サーボアンプ71〜74では、推力F11,F12,F21,F22に基づいて各可動部19〜22が駆動される。これら上記の移動制御が、メイン処理(図8)として起動中に繰り返し実行され、ベッド平面上の目的位置に達するまでメインテーブル5が移動制御される。
以上、本実施形態のテーブル装置1によれば、ベッド上方に配置された第1テーブル3及び第2テーブル4について、縦方向(Y方向)への移動をそれぞれ制御することで、第1テーブル3及び第2テーブル4に連結されたメインテーブル5をベッド平面上の目的位置まで移動させる構成とした。よって、第1テーブル3及び第2テーブル4の縦方向(Y方向)への推力を制御するだけで、メインテーブル5を平面上の任意の位置に正確に移動させることができる。
また、第1テーブル3及び第2テーブル4の間隔幅を調整してメインテーブル5を横方向(X方向)に移動させるため、メインテーブル5を横方向(X方向)に移動させるためのアクチュエータを具備させる必要がない。そのため、従来よりもメインテーブル5を軽くし、かつベッド上面からメインテーブル5の高さを小さくして、横揺れ振動の発生を抑制することができる。そして、メインテーブル5の横方向(X方向)へのストロークを小さくすることなく、メインテーブル5の移動エリアをより広くすることができる。さらに、アクチュエータの冷却機構を設けなくても優れた送り精度を実現することができる。
また、第1テーブル3及び第2テーブル4を独立して制御するので、メインテーブル5の高速移動中に偏差(ずれ量)が生じても、アクチュエータに大きな反力がかかることはない。すなわち、偏差(ずれ量)が発生すると位置決め精度に悪影響を及ぼすところ、アクチュエータに大きな反力が負荷されることがないため、制御技術によって偏差(ずれ量)の発生を最低限に抑制し、メインテーブル5の移動精度を向上させることができる。
また、リニアエンコーダ61〜64で計測された現在位置Y11,Y12,Y21,Y22に基づいて、各可動部19〜22の推力F11,F12,F21,F22が補正される。よって、アクチュエータの指令位置に対する実際の移動位置に偏差(ずれ量)が生じた場合でも、メインテーブル5を正確に移動させることができる。しかも、第1テーブル3及び第2テーブル4の平面上の傾きθに関しても、各可動部19〜22の推力F11,F12,F21,F22が補正されるので、各テーブルに傾きが生じている場合でも、メインテーブル5を正確に移動させることができる。
また、ベッドの上面に設けられた共通のリニアガイド11,12に沿って、第1テーブル3及び第2テーブル4がそれぞれリニアモータ15,16によって移動される。よって、各テーブル3,4ごとに個別のリニアガイドを設ける必要がなく、より簡易な構成のテーブル装置1を実現できる。しかも、テーブル装置1は、リニアモータ15,16やリニアエンコーダ61〜64などを実装したリニア駆動方式であるため、より確実に第1テーブル3及び第2テーブル4の位置を特定でき、また各種振動を低減することができるので、正確なメインテーブル5の移動制御を行うことができる。
ところで、上記実施形態において、第1左可動部19及び第1右可動部20が本発明の「第1駆動手段」に相当し、第2左可動部21及び第2右可動部22が本発明の「第2駆動手段」に相当する。また、第1メインガイドレール33及び第1メインテーブル連結部51が本発明の「第1連結部材」に相当し、第1メインガイドレール33が本発明の「第1ガイド部」に相当し、第1メインテーブル連結部51が本発明の「第1係合部」に相当する。また、第2メインガイドレール43及び第2メインテーブル連結部52が本発明の「第2連結部材」に相当し、第2メインガイドレール43が本発明の「第2ガイド部」に相当し、第2メインテーブル連結部52が本発明の「第2係合部」に相当する。また、制御部100が本発明の「推力算出手段」に相当し、サーボアンプ71〜74が本発明の「移動制御手段」に相当する。
そして、テーブル装置1の縦方向(Y方向)が本発明の「第1の方向」に相当し、第1メインガイドレール33が形成された方向が本発明の「第2の方向」に相当し、第2メインガイドレール43が形成された方向が本発明の「第3の方向」に相当し、テーブル装置1の横方向(X方向)が本発明の「第1の方向と異なる方向」に相当する。
そして、第1左リニアエンコーダ61及び第1右リニアエンコーダ62が本発明の「第1位置検出手段」及び「第1エンコーダ」に相当し、第2左リニアエンコーダ63及び第2右リニアエンコーダ64が本発明の「第2位置検出手段」及び「第2エンコーダ」に相当し、第1ガイドレール13及び第2ガイドレール14が本発明の「ベースガイド」に相当する。また、第1左可動部19及び第1右可動部20が本発明の「第1可動部」に相当し、第2左可動部21及び第2右可動部22が本発明の「第2可動部」に相当する。
さらに、図8のメイン処理において、ユーザにより入力された目的位置の取得が本発明の「目的位置取得工程」に相当し、S5,7,11,13が本発明の「推力算出工程」に相当し、S9が本発明の「移動制御工程」に相当する。また、S11におけるリニアエンコーダの現在位置の取得が本発明の「現在位置取得工程」に相当する。
なお、本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能なことはいうまでもない。図11及び図12は、テーブル装置1の他の概略平面図である。なお、理解を容易にするために、図11及び図12は説明に必要な構成のみを図示している。
テーブル装置1においては、リニアモータやリニアエンコーダなどの各種部材を、任意の位置に、任意の数量で配置することができる。例えば、本実施形態では、第1テーブル3及び第2テーブル4を移動させるのに、ガイドレール13,14の2本のガイドレールを用いているが、ベッド部2に1本のガイドレールのみを設けて、このガイドレールに沿って第1テーブル3及び第2テーブル4を移動させてもよい。この場合は、第1テーブル3及び第2テーブル4に、それぞれ1つのテーブル連結部を設ければ足りる。また、第1テーブル3及び第2テーブル4はガイドレール13,14を共用する必要はなく、各テーブルごとに専用のガイドレールを設けてもよい。
また、メインガイドレール33,43は、第1テーブル3及び第2テーブル4の移動方向以外であって、両者が平行にならないのであれば、それぞれ任意の取付け角度で形成することができる。図11に示すように、第1メインガイドレール33を横方向(X方向)に平行に設ける一方、第2メインガイドレール43を横方向(X方向)に対して45°傾斜するように設けてもよい。また、図12に示すように、第1メインガイドレール33を横方向(X方向)に対して22.5°傾斜するように設ける一方、第2メインガイドレール43を第1メインガイドレール33とは反対側に、横方向(X方向)に対して22.5°傾斜するように設けてもよい。
さらに、本実施形態では、第1リニアモータ15,第2リニアモータ16の2本のリニアモータを使用しているが、1本のリニアモータで駆動してもよい。また、第1テーブル3及び第2テーブル4を駆動させる手段は、リニアモータ15,16に限定されず、例えば、ボールネジにアクチュエータを組み合わせた駆動機構などを用いてもよい。また、現在位置を検出する手段はリニアエンコーダ61〜64に限定されず、例えば、ロータリエンコーダなどの他の位置検出手段を用いてもよい。
本発明のテーブル装置及びその制御方法は、工作機械や計測器などの精密機器に用いられ、位置決め対象物を目標位置に移動させるテーブル装置などとして利用できる。
テーブル装置1の外観斜視図である。 テーブル装置1の組立部品の分解斜視図である。 メインテーブル5をベッド平面上の中央に移動させた場合の、テーブル装置1の概略平面図である。 メインテーブル5をベッド平面上の左側に移動させた場合の、テーブル装置1の概略平面図である。 メインテーブル5をベッド平面上の右側に移動させた場合の、テーブル装置1の概略平面図である。 テーブル装置1の電気的構成を示すブロック図である。 制御部100の電気的構成を示すブロック図である。 テーブル装置1のメイン処理を示すフローチャートである。 テーブル装置1の制御原理を説明するための理論平面図である。 テーブル装置1の制御原理を説明するための理論平面図である。 テーブル装置1の他の概略平面図である。 テーブル装置1の他の概略平面図である。
符号の説明
1 テーブル装置
2 ベッド部
3 第1テーブル
4 第2テーブル
5 メインテーブル
10 ベッド基部
11 第1リニアガイド
12 第2リニアガイド
13 第1ガイドレール
14 第2ガイドレール
15 第1リニアモータ
16 第2リニアモータ
17 第1リニアシャフト
18 第2リニアシャフト
19 第1左可動部
20 第1右可動部
21 第2左可動部
22 第2右可動部
23 第1シャフト支持部
24 第2シャフト支持部
30 第1テーブル基板
31 第1テーブル左連結部
32 第1テーブル右連結部
33 第1メインガイドレール
40 第2テーブル基板
41 第2テーブル左連結部
42 第2テーブル右連結部
43 第2メインガイドレール
50 メインテーブル基板
51 第1メインテーブル連結部
52 第2メインテーブル連結部
61 第1左リニアエンコーダ
62 第1右リニアエンコーダ
63 第2左リニアエンコーダ
64 第2右リニアエンコーダ
71 第1左サーボアンプ
72 第1右サーボアンプ
73 第2左サーボアンプ
74 第2右サーボアンプ
100 制御部
110 X位置制御回路
120 Y位置制御回路
130 θT1位置制御回路
140 θT2位置制御回路
200 座標変換回路
300 推力変換回路

Claims (11)

  1. ベッドにおいて第1の方向に移動可能に配置された第1テーブル及び第2テーブルと、
    前記第1テーブルを前記第1の方向に移動させる第1駆動手段と、
    前記第2テーブルを前記第1の方向に移動させる第2駆動手段と、
    前記第1テーブル及び前記第2テーブルに配置され、該第1テーブル及び該第2テーブルに連結されるメインテーブルと、
    前記第1テーブル及び前記メインテーブルの間隙に配置され、該第1テーブル及び該メインテーブルを連結し、かつ該メインテーブルを前記第1の方向とは異なる第2の方向に摺動可能に支持する第1連結部材と、
    前記第2テーブル及び前記メインテーブルの間隙に配置され、該第2テーブル及び該メインテーブルを連結し、かつ該メインテーブルを前記第2の方向に対して傾斜した第3の方向に摺動可能に支持する第2連結部材と、
    前記メインテーブルを平面上の目的位置まで移動させるのに必要な前記第1テーブル及び前記第2テーブルへの推力を算出する推力算出手段と、
    前記第1テーブル及び前記第2テーブルへの推力に基づいて、前記第1駆動手段及び前記第2駆動手段を各々駆動させる移動制御手段と
    を備えたことを特徴とするテーブル装置。
  2. 前記推力算出手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルを前記第1の方向に移動させることで、前記メインテーブルを該第1の方向に移動させ、かつ該第1テーブル及び該第2テーブルの間隔を調整することで、該メインテーブルを該第1の方向と異なる方向に移動させるように、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を算出することを特徴とする請求項1に記載のテーブル装置。
  3. 前記移動制御手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルを移動させながら、該第1テーブル及び該第2テーブルの間隔を調整することで、前記メインテーブルを前記第1の方向及び該第1の方向と直交する方向とは異なる方向に移動させることを特徴とする請求項2に記載のテーブル装置。
  4. 前記第1連結部材は、
    前記第1テーブルに設けられ、前記第2の方向に配置された第1ガイド部と、
    前記メインテーブルに設けられ、前記第1ガイド部に摺動可能に係合される第1係合部とから構成され、
    前記第2連結部材は、
    前記第2テーブルに設けられ、前記第3の方向に配置された第2ガイド部と、
    前記メインテーブルに設けられ、前記第2ガイド部に摺動可能に係合される第2係合部とから構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のテーブル装置。
  5. 前記第1テーブルの現在位置を検出する第1位置検出手段と、
    前記第2テーブルの現在位置を検出する第2位置検出手段とを備え、
    前記推力算出手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの現在位置に基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のテーブル装置。
  6. 前記ベッドに設けられ、前記第1の方向に配置されたベースガイドを備え、
    前記第1駆動手段は、前記第1テーブルを前記ベースガイドに沿って移動させる第1可動部であり、
    前記第2駆動手段は、前記第2テーブルを前記ベースガイドに沿って移動させる第2可動部であることを特徴とする請求項5に記載のテーブル装置。
  7. 前記第1位置検出手段は、前記第1可動部の現在位置を検出する第1エンコーダであり、
    前記第2位置検出手段は、前記第2可動部の現在位置を検出する第2エンコーダであり、
    前記推力算出手段は、前記第1エンコーダにより検出された現在位置に基づいて前記第1テーブルの現在位置を特定し、かつ前記第2エンコーダにより検出された現在位置に基づいて前記第2テーブルの現在位置を特定することを特徴とする請求項6に記載のテーブル装置。
  8. 前記推力算出手段は、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの平面上の傾きに基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正す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テーブル装置。
  9. 第1の方向に移動可能な第1テーブル及び第2テーブルを各々駆動して、該第1テーブル及び該第2テーブルに連結されたメインテーブルを、平面上の任意の目的位置に移動させるテーブル装置の制御方法であって、
    前記メインテーブルの目的位置を取得する目的位置取得工程と、
    前記第1テーブル及び前記第2テーブルを前記第1の方向に移動させることで、前記メインテーブルを該第1の方向に移動させ、かつ該第1テーブル及び該第2テーブルの間隔を調整することで、該メインテーブルを該第1の方向と異なる方向に移動させるようにして、該メインテーブルを前記目的位置まで移動させるのに必要な該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を算出する推力算出工程と、
    前記第1テーブル及び前記第2テーブルへの推力に基づいて、前記第1テーブルを移動させる第1駆動手段、及び前記第2テーブルを移動させる第2駆動手段を駆動させる移動制御工程と
    を備えたことを特徴とするテーブル装置の制御方法。
  10. 前記第1テーブルの現在位置を検出する第1位置検出手段と前記第2テーブルの現在位置を検出する第2位置検出手段とから、該第1テーブル及び該第2テーブルの現在位置を取得する現在位置取得工程を備え、
    前記推力算出工程では、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの現在位置に基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする請求項9に記載のテーブル装置の制御方法。
  11. 前記推力算出工程では、前記第1テーブル及び前記第2テーブルの平面上の傾きに基づいて、該第1テーブル及び該第2テーブルへの推力を補正することを特徴とする請求項9又は10に記載のテーブル装置の制御方法。
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