JP2009032871A - ヘッド駆動装置、マウンタ及びディスペンサ - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータで駆動する軸を連続高速運転する場合に発生する過熱保護に対するアラームに対して、トルクを低めに抑えた速度や加速度で運転して性能を発揮できなかった従来技術に対し、過熱保護に拘らず高速運転できるようにして、タクトを向上し、製品の性能向上を図る。
【解決手段】生産プログラムに設定された経路に従って、ヘッド１３、５２を駆動するためのヘッド駆動装置において、ヘッド駆動用モータ３６の実効負荷率に応じて、トルク使用レベルを区分する手段と、区分されたトルク使用レベルに応じて、ヘッド駆動用モータ３６への速度や加速度の指令を制限する手段と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、生産プログラムに設定された経路に従って、ヘッドを駆動するためのヘッド駆動装置、マウンタ及びディスペンサに係り、特に、高速運転を可能にし、タクトを向上することが可能なヘッド駆動装置、該ヘッド駆動装置を用いたマウンタ及びディスペンサに関する。

電子部品を部品供給装置から吸着して基板に搭載するためのマウンタや、部品仮止め用の接着剤を基板上に塗布するためのディスペンサにおいては、搭載ヘッドや塗布ヘッド（以下ヘッドと総称する）の軸を如何に速く動かすかが、製品性能に直結している。

製品のタクト仕様を決定する際は、タクト時間を個々の軸の動作時間に配分し、該当軸は、移動ストロークに応じて配分された時間で動作できる速度、加速度を計算する。次に、モータが背負う重量と、計算された最大加速度により、マージンを含めてモータの容量を決定する。モータ容量が決定されると、対応できるサーボアンプが決定される。

これらの過程で、マージンに対し配慮すべき点がある。即ち、モータやサーボアンプは、指令の最大加速度に対応する最大出力トルクを超えて運転しないのは当然であるが、例えば最大出力の７０％で使う場合でも、指令が単位時間内に連続したときの過熱に対する保護を考慮しなくてはならない。一般的に、この単位時間内の発熱に対する保護は、サーボアンプ内部に、使用されたトルクと時間の積に対する保護回路として組み入れられている。

これに対し、使う側の立場では、モータやサーボアンプに指令を出すに際し、単位時間のトルクを考慮して制御するのは難しく、単純に最大出力以下の指令であれば過熱保護エラーにならないで欲しい所である。しかし現実には、運転パターンにより過熱保護エラーが発生し、加速度や速度等を抑えれば、過熱保護エラーは出なくなる一方で、タクト仕様を満足できなくなる状況になってしまう。

一般的にサーボアンプは、サーボアンプ自身やサーボモータを過熱や過電流から保護するために、過剰なトルクに対し制限をかけている。その保護は２種類あり、「一つの指令に対する保護」と、「一定の時間内の複数の指令に対する保護」に分類される。

「一つの指令に対する保護」の例をあげると、「急激な加減速や過負荷で発生した過電流から主回路のパワートランジスタ等を保護するために、クランプ回路によりトルクに制限をかける方法」や、「過剰な偏差をアラームにする」等がある（特許文献１、２参照）。

一方、「一定の時間内の複数の指令に対する保護」は、モータやサーボアンプの過熱を保護することを目的とし、電流の大きさと流れた時間の積を移動平均的に累積する時定数を持つフィルタを用意し、この出力に上限を設けて保護している（特許文献３参照）。

一般的に、これらの保護にかかると過負荷の警告やエラーが発生する。

一方、このサーボアンプを利用する側にとっては、指令は何時でも自由なタイミングで出したい。しかし、同じプロファイルの指令を出したにも拘らず、場合によって過負荷のエラーになったり、ならなかったりでは、使う側にとって不便である。そのため、現実的には、何時でもどのようなタイミングで指令を出してもエラーにならないように、速度や加速度を下げたプロファイルで指令を出しているのが現状である。しかし、これでは、折角の性能を生かし切れない。

サーボアンプ側で上記２種類の保護を回避するには、次のような方法がある。

（１）出力の大きいサーボモータに変える。
（２）速度や加速度を下げる。
（３）指令と指令の間の時間を所定の時間空ける保証をする。

特開平８−１５６６号公報 特開２００５−４４２３０号公報 特開２００２−７８３７８号公報

しかしながら、（１）の方法では、コストアップ、重量増大、再評価が必要等の問題があり、（２）、（３）の方法では、タクトが低下するという問題がある。

更に、マウンタやディスペンサは、生産プログラム別に指令の数、指令の時間間隔、又は、加減速のプロファイル（移動プロファイル）が異なる。又、単位時間内にトルクを必要とする指令が集中する動作パターンであったり、そうでなかったりする。

しかしながら、過負荷エラーが発生しやすい評価用の連続運転を例にとると、指令間の休止時間が無く、連続で一定の単位時間内に高速プロファイルの指令が出されることは、実際の生産プログラムでは極めて稀であり、他の軸が動く時間があるため、同一軸にする指令間の時間間隔には、必ず休止時間が存在している。

従って、評価用の連続運転でサーボアンプの保護にかからないように決定された速度や加速度は、性能を犠牲にした過剰な安全優先の速度や加速度になっている。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、サーボモータて駆動する軸を連続高速運転する場合に発生する過熱保護に対するアラームに対して、トルクを低めに抑えた速度や加速度で運転して性能を発揮できなかった従来技術に対し、高速プロファイルで指令を出してタクトを向上させ、それでもサーボアンプの保護にかからないようにして、本来の性能を引き出すことを課題とする。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、生産プログラムに設定された経路に従って、ヘッドを駆動するためのヘッド駆動装置において、ヘッド駆動用モータの実効負荷率に応じて、トルク使用レベルを区分する手段と、区分されたトルク使用レベルに応じて、ヘッド駆動用モータへの速度や加速度の指令を制限する手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

更に、前記実効負荷率を、単位時間内に出力された指令の部分や、各指令の速度、加速度、減速度に応じて、トルク使用率として推定する手段を備えることができる。

本発明は又、部品供給装置から部品を吸着して基板に搭載するための搭載ヘッドが、前記のヘッド駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするマウンタを提供するものである。

又、部品を接着するための接着剤を基板に塗布するための塗布ヘッドが、前記のヘッド駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするディスペンサを提供するものである。

本発明によれば、高速の移動プロファイルで指令を出すことが可能となり、タクトが向上して、マウンタやディスペンサ等の製品の性能が向上する。

図１に効果例をグラフで示す。図は、時間（単位は秒）と共に変動するトルク使用率を示している。ここでトルク使用率とは、一部のサーボアンプから出力される実効負荷率と同義語であり、サーボアンプから現在情報として出力されるものを実効負荷率とし、速度、加減速等から推定したものをトルク使用率として、出所の相違を区分する目的で使い分けている。

トルク使用率は、一定の時間に使用されたトルク量を率で示す。本明細書の中では、一定の時間を１５秒としている。例えば、一指令の加速時にトルクピークが３００％を超え、定速移動でトルクが２０％まで下降し、減速時に回生による逆向きトルクが−２００％だと仮定し、指令完了まで０．５秒とすると、トルク使用率は１５秒間に使用されたトルク量であるため、一つの指令だけだと１０％以下である。仮に同じ指令が１秒間隔に１５秒間出力されると、トルク使用率は３０％程度となる。指令を１５秒間、間隔を空けずに出すと、トルク使用率は１００％程度まで上昇する。又、定速区間が無い指令（三角指令）を１５秒間、間隔を空けずに出すと、トルク使用率は例えば１３０％に設定された閾値を超え、過負荷アラームが出される。

図１のグラフは、多数の異なる移動プロファイルの指令を不定間隔で出力する実際の生産プログラムの動作パターンの例であり、３通りの制御方法で運転した例を示す。

一点鎖線Ａは、性能を引き出すために加速度を上げて運転した例であり、運転中に単位時間あたりのトルク使用率が１３０％の閾値を超え、エラーになって過負荷アラームが発生している。一つ一つの指令は、モータの容量を越えたトルクではないので、もしエラーにならなければ、モータ性能を引き出した最良の例である。

破線Ｂは、運転中に単位時間あたりのトルク使用率が１３０％を超えないように、全ての指令の速度、加速度を抑えた例である。しかしエラーが出ないことと引き換えに、速度や加速度を抑えたため、タクト性能を犠牲にしている従来技術の例である。

実線Ｃは、本発明を実施した場合の例であり、トルク使用率が１２０％未満では、性能を引き出した一点鎖線Ａと重なっている。これは、１２０％未満の場合は、一点鎖線Ａと同様に、モータ性能を引き出した最良の例であることを意味している。一方、１２０％を超える部分ではトルク使用率が抑えられており、過負荷アラームになっていない。それだけでなく、１２５％を超える部分では、速度、加速度を抑えた破線Ｂをも下回っており、過熱予防効果もある。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、本発明を、図２（全体図）及び図３（ヘッド部分の拡大図）に示す如く、電子部品を部品供給部１４から吸着してプリント基板１０に搭載するマウンタ（実装機とも称する）１に適用したものである。

このマウンタ１では、搭載ヘッド１３を、Ｘ軸移動機構１１及びＹ軸移動機構１２により、部品供給部（例えばテープ式のパーツフィーダ）１４へＸＹ軸移動させ、吸着ノズル１３ａをＺ軸モータ１３ｂ（図３参照）により下降させて部品を吸着した後、搭載ヘッド１３を基板１０上の部品を搭載すべく指定された位置へＸＹ軸移動させ、吸着ノズル１３ａを下降させて部品を搭載している。

その際、基板１０の位置ずれがあるので、基板１０が搭載位置に搬送されたときに、搭載ヘッド１３をＸＹ軸移動させて、搭載ヘッド１３に搭載された基板認識カメラ１７を基板１０に形成された基板位置認識上の基板マーク上の位置に移動させ、該基板マークを撮像し、その画像に基づいて基板１０の位置を認識して、基板１０の位置ずれを補正している。又、部品を吸着した後に搭載ヘッド１３を部品認識カメラ１６上に移動し、同カメラ１６により吸着された部品を撮像し、その画像に基づいて部品の吸着位置ずれと角度ずれを認識し、その結果に基づいて、基板１０との部品搭載位置を補正することにより、高精度な部品搭載を行っている。

図において、１３ｃは、吸着ノズル１３ｂを回動して、部品の吸着角度ずれを補正するためのθ軸モータ、１５は基板搬送路、１８はモニタ、１９は、装置全体の制御と画像処理を行なう制御部、２０は、吸着ノズル１３ａの下側で部品の姿勢を認識するためのレーザ認識装置である。

第１実施形態における本発明に係る部分の詳細な構成を図４に示す。部品を吸着・搭載する移動可能な搭載ヘッド１３は、Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ軸等の複数の軸で移動可能となるが、ここでは、そのうちＸ軸をモデルにして構成を示している。

本発明の制御を実行するソフトウェアは、ホストコントローラ３０に存在する。このホストコントローラ３０は、軸を移動する場合、移動先の座標、速度、加速度、減速度、加減速カーブ種別等の移動プロファイルをサーボアンプコントローラ３２に与える。サーボアンプコントローラ３２は、その指令を時間当りの指令パレスとしてサーボアンプ３４に出力する。サーボアンプ３４は、サーボモータ３６に設けられたロータリエンコーダ３８からの位置フィードバック（Ｆ／Ｂ）と、機械端エンコーダとしてのリニアエンコーダ４０の検出器４２から戻される位置フィードバック（Ｆ／Ｂ）を入力とし、与えられたゲイン情報（図では省略）に基づき、位置ループ、速度ループ、電流ループのフィードバック制御を行ない、サーボモータ３６に電流指令を与える。又、サーボアンプ３４が運転中の現在情報、一例をあげると現在位置、現在電流値、実効負荷率は、サーボアンプコントローラ３２を経由して、ホストコントローラ３０からも読み込むことができる。なお、サーボアンプの種類によっては、実効負荷率の情報が無いタイプもある。

図５、図６、図８は、本発明に係る制御の手順を示す流れ図であり、図４のホストコントローラ３０内に存在する。

図５は、速度、加速度、減速度、加速度カーブ等の移動プロファイルを決定する手順で、現在のトルク使用レベルに応じて、一旦求めた移動プロファイルを修正する。

具体的には、まずステップ１００で、移動先の座標と、要求された高速、中速、低速等の速度の区分に応じて移動プロファイルを仮決定する。

次いでステップ１１０で、サーボアンプ３４のタイプを判定する。サーボアンプ３４から実効負荷率が読めるタイプの場合は、ステップ１２０に進み、図６に示す周期起動処理を行なう。

この周期起動処理では、実効負荷率の前回値と今回値を比較して、トルク使用レベルを更新する。

具体的には、図６のステップ２００で、サーボアンプ３４から現在の実効負荷率（＝トルク使用率）を取得し、ステップ２１０で、トルク使用レベルを更新する。即ち、実効負荷率の値と、上昇／下降に応じてサーボアンプ３４の実効負荷率から、ホストコンピュータ３０側が扱うトルク使用レベルを更新する。

トルク使用レベルには、例えば１〜４の４段階があり、レベル４が過負荷アラームの危険度が最も高いレベルであることを示す。例えば、実効負荷率が１２０％未満の場合はトルク使用レベル０、実効負荷率が１２０％以上、１２５％未満の範囲にあり、上昇中の場合はレベル２、下降中の場合はレベル１、実効負荷率が１２５％を超える場合で、上昇中はレベル４、下降中はレベル３とすることができる。

トルク使用率とレベルの関係の一例を図７に示す。

一方、ステップ１１０で実効負荷率が読めないタイプのサーボアンプ３４であると判定された場合には、ステップ１３０に進み、図８に示す実効負荷率予測処理を行なう。この実効負荷率予測処理では、現在から過去１５秒間に出力された使用トルク使用率を求め、実効負荷率の代用とする。指令が出ていない場合はトルク負荷率を０とし、指令が出ているところでは、速度、加速度、減速度に応じて所定のトルク負荷率を与え、１５秒間の移動平均でトルク使用率を算出する。

この実効負荷予測処理で使用されるデータを図９に示す。作業データは、図９（Ａ）に示す如く、前回値領域と今回値領域の２つの領域を持つ。各領域は、例えば１ミリ秒の時間を１配列として、１５秒間で１５０，０００配列を持つ。今回値領域に格納される値はトルク負荷率であり、指令を出す時点で、その指令の加速、定速度、減速の各時間に応じた配列領域に、指令の加速度、速度、減速度に応じた所定のテーブルから平均トルク負荷率がセットされる。前回値領域に格納される値は１５秒分のトルク負荷率であり、指令が発生する都度、一指令分のトルク負荷率が今回値領域からコピーされ、この領域で１５秒間の平均トルクを求める。

今回値と前回値の更新に際しては、図９（Ｂ）に示す如く、指令を出す前に今回値領域を作成し、それを前回値領域の最後に追加して、トコロテン式に、１５秒分に配列を更新する。

ここで今回値は、図９（Ｃ）に示す如く、（１）前回の指令から今回の指令までの指令が出ていない時間（図では１０秒＝１００００ミリ秒）、（２）今回の指令で加速する時間（図では１００ミリ秒）、（３）今回の指令で定速区間の時間（図では３００ミリ秒）、（４）今回の指令で減速する時間（図では２００ミリ秒）の４種類の区分に分けられる。

このような作業データを用いて、図８の処理を行なう。

具体的には、まず、ステップ３００で、前回の指令完了時間から今回の指令までの経過時間Ｔ１を算出する。

次いでステップ３１０で、今回の指令に対し、移動距離、加速度、減速度、最高速度、加減速カーブ種別から、加速時間Ｔacl、定速時間Ｔcns、減速時間Ｔdslを算出する。

次いでステップ３２０に進み、ステップ３００で算出した経過時間Ｔ１をミリ秒単位に変換し、図１０に示す如く、「今回実効負荷予測領域」の配列添字［０］から［Ｔ１−１」までを０でクリアする。ここで０は、使用したトルク負荷が０であり、Ｔ１の時間、トルクが使われなかったことを意味する。

次いでステップ３３０に進み、ステップ３１０で算出したＴacl、Ｔcns、Ｔdslをミリ秒単位に換算し、図１１に示す如く、「今回実効負荷予測領域」の加速区間の配列［Ｔ１］〜［Ｔ１＋Ｔacl−１］に、加速度に応じた所定のトルク負荷率を、定速区間の配列［Ｔ１＋Ｔacl］〜［Ｔ１＋Ｔacl＋Ｔcns−1］に、速度に応じた所定のトルク負荷率を、減速区間の配列［Ｔ１＋Ｔacl＋Ｔcns］〜［Ｔ１＋Ｔacl＋Ｔcns＋Ｔdsl−１］に、減速度に応じた所定のトルク負荷率を設定する。

ここで所定のトルク負荷率は、実測に基づくトルクとして、加速テーブル、定速テーブル、減速テーブルが別途用意されており、それらから検索してプールされる。例えば、加速テーブルと減速テーブルは、０．１Ｇ単位にトルク平均負荷率が格納されている。又、定速テーブルには、０．１ｍ／Ｓ刻みに平均負荷率が格納されている。なお、格納されているトルク負荷率は、加速中は大きく、定速になると慣性のために大幅に低くなり、減速時は回生により逆向きのトルクが発生するが、その絶対値は加速中より小さくなるようにされている。

次いでステップ３４０に進み、図１２に示す如く、「前回実効負荷率予測領域」の配列［Ｔ１＋Ｔacl＋Ｔcns＋Ｔdsl］以降の配列群を、先頭配列［０］へシフトするようにコピーし、「今回実効負荷率予測領域」の先頭から［Ｔ１＋Ｔacl＋Ｔcns＋Ｔdsl］までを、「前回実効負荷率予測領域」の配列［Ｔ１＋Ｔacl＋Ｔcns＋Ｔdsl］以降にコピーする。

次いでステップ３５０に進み、図１３に示す如く、「前回実効負荷率予測領域」の１５秒間の平均を求め、トルク使用率（＝予測実効負荷率）とする。

次いでステップ３６０に進み、図６のステップ２１０と同様にして、トルク使用レベルを更新する。

図６に示した周期起動処理又は図８に示した実効負荷率予測処理終了後、図５のステップ１４０に戻り、トルク使用レベルが０か判定する。トルク使用レベルが０でない場合には、ステップ１５０に進み、トルク使用レベルに応じて、ステップ１００で仮決定した移動プロファイルを修正して最終決定する。

具体的には、ステップ１００で仮決定した移動プロファイルを１００％とし、トルク使用レベルに応じて、次表のように加速度と速度を減じる。

ステップ１５０終了後、又は、ステップ１４０の判定結果が正の場合は、ステップ１６０に進み、最終決定された移動プロファイルをサーボアンプコントローラ３２に出力して、処理を終了する。

次に、図１４を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を、ディスペンサ５０の塗布ヘッド５２の制御に適用したものである。

前記塗布ヘッド５２は、プリント基板１０に対してＸ方向及びＹ方向に相対移動可能な、Ｘ軸移動機構５４及びＹ軸移動機構５６を備えた位置決め機構に搭載されており、本発明は、この位置決め機構の制御に適用される。

前記塗布ヘッド５２は、図１５に詳細に示す如く、接着剤６２が充填されたシリンジ６０と、該シリンジ６０の下方先端に接続されて用いられる、プリント基板１０上に接着剤６２を塗布するためのノズル７０を備えている。

前記ノズル７０は、ボディ部７２と、ニードル部７４と、塗布ヘッド５２に固定するためのフランジ部７６と、ノードル部７４先端の突出口の高さを決定するためのストッパ部７８とを備えている。

該ノズル７０をシリンジ６０の下方先端に取付けた状態で、シリンジ６２に詰められた接着剤６２を、例えば空気圧で加圧することにより、接着剤６２がノズル７０を経由して、プリント基板１０上の決められた位置に自動的に塗布される。

位置決め制御の内容は、第１実施形態と実質的に同じであるので、説明は省略する。

前記実施形態においては、単位時間内に出力された指令の有無や、各指令の速度、加速度、減速度に応じて実効負荷率を推定するようにしていたが、実効負荷率を推定する方法は、これに限定されず、１５秒という処理時間や、１ミリ秒単位の配列というデータ構成も、実施形態に限定されない。

なお、前記実施形態においては、本発明がマウンタやディスペンサに適用されていたが、本発明の適用対象は、これらに限定されない。

従来例と本発明の実施例におけるトルク変位を比較して示す図 本発明が適用されるマウンタの全体構成を示す斜視図 同じく搭載ヘッド部分の拡大図 本発明に係る部分の詳細構成を示すブロック図 同じく移動プロファイル決定の手順を示す流れ図 同じく周期起動処理の手順を示す流れ図 同じくトルク使用レベルの一例を示す図 同じく実効負荷率予測処理の手順を示す流れ図 前記実効負荷率予測処理で使用される作業データを示す図 前記実効負荷率予測処理のステップ３２０を説明する図 同じくステップ３３０を説明する図 同じくステップ３４０を説明する図 同じくステップ３５０を説明する図 本発明に係る第２実施形態が適用されるディスペンサの全体構成を示す斜視図 同じく塗布ヘッド周辺を示す拡大図

符号の説明

１…マウンタ
１０…プリント基板
１１…Ｘ軸移動機構
１２…Ｙ軸移動機構
１３…搭載ヘッド
１３ａ…吸着ノズル
１３ｂ…Ｚ軸モータ
１３ｃ…θ軸モータ
３０…ホストコントローラ
３２…サーボアンプコントローラ
３４…サーボアンプ
３６…サーボモータ
３８…ロータリエンコーダ
４０…リニアエンコーダ
４２…検出器
５０…ディスペンサ
５２…塗布ヘッド
５４…Ｘ軸移動機構
５６…Ｙ軸移動機構
６０…シリンジ
６２…接着剤

Claims (4)

1. 生産プログラムに設定された経路に従って、ヘッドを駆動するためのヘッド駆動装置において、
   ヘッド駆動用モータの実効負荷率に応じて、トルク使用レベルを区分する手段と、
   区分されたトルク使用レベルに応じて、ヘッド駆動用モータへの速度や加速度の指令を制限する手段と、
   を備えたことを特徴とするヘッド駆動装置。
2. 前記実効負荷率を、単位時間内に出力された指令の有無や、各指令の速度、加速度、減速度に応じて、トルク使用率として推定する手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載のヘッド駆動装置。
3. 部品供給装置から部品を吸着して基板に搭載するための搭載ヘッドが、請求項１又は２に記載のヘッド駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするマウンタ。
4. 部品を接着するための接着剤を基板に塗布するための塗布ヘッドが、請求項１又は２に記載のヘッド駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするディスペンサ。

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