JP2010088193A - ガントリ型ｘｙ位置決め装置の同期防振制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各軸の両端にある一対のモータで一個の負荷を共通に駆動し、一つのエンコーダを共通に使用する構成においても、負荷側外乱オブザーバを含む仮想モード制御を適用可能とする。
【解決手段】駆動軸の両端のモータの制御に、２次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する仮想モード制御を行なうことにより、和動軸において位置サーボを、差動軸において偏差量抑圧の為の位置レギュレータをそれぞれ構成して２軸同期制御を行なう際に、リニアエンコーダ１６の信号を和動モードのリニアエンコーダ信号と見なし、軸ねじれ角と負荷の加速度に基づいて和動モード専用の負荷側外乱オブザーバ４２を構成し、前記和動モード専用の負荷側外乱オブザーバにて推定した負荷側の外乱を、負荷側外乱から位置指令値までの逆システム５０を通して和動モード側にフィードバックする一方、差動モードには負荷側外乱オブザーバの制御系を構成しない。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガントリ型ＸＹ位置決め装置の同期防振制御装置に係り、特に、電子部品搭載装置等に用いるのに好適な、ガントリ型ＸＹ位置決め装置の同期防振制御装置に関する。

例えば、電子部品搭載装置に用いられる従来のガントリ型ＸＹ位置決め装置は、図１に例示する如く、Ｙ方向への移動に左右１対の平行に配置されたＹ軸駆動部（ＹＬ軸９Ｌ、ＹＲ軸９Ｒ）を持ち、その上に設置されたＸ軸駆動部（Ｘ軸１２）でＸ方向への移動を行なう構成をとる。図において、７はＹ軸モータ、８はタイミングベルト、１１はＸ軸モータ、１５は、Ｘ軸１２上に保持された、Ｚ方向（上下方向）に移動自在な搭載ヘッドである。

Ｘ軸、Ｙ軸の駆動には、回転型モータ＋タイミングベルト（チェーン）又はボールねじ等が使用される。各軸は、指令発生部より各モータ制御部に受けた指令に基づき、モータ制御をして位置決めが行なわれる。

このような位置決め装置において、高速・高加速の位置決めを図るべく、出願人は、特許文献１で、各軸が、図２にＸ軸の要部構成を示す如く、それぞれ両端に駆動用のモータ１１Ｌ、１１Ｒを備え、各軸一対のモータが、各軸毎に備える一本のリニアエンコーダ（図示省略）を共通に使用することを提案している。図において、１３はタイミングベルトである。

ところで、前記のようなガントリ型ＸＹ型位置決め装置では、左右１対のＹ軸は、両軸が同期して移動することが必要である。

図１の構成では、ＹＬ軸９Ｌ側の１個のモータ７でＸ軸１２をＹ方向に駆動する。この場合、軸の一端（ＹＬ軸９Ｌ）のみが駆動され、他端（ＹＲ軸９Ｒ）は直動軸受でガイドしているだけであるので、いわば片持構造となっている。その為、負荷の重量バランスが悪く、また制御系の剛性が低いので、制御ゲインを上げることが難しく、高速、高加速での位置決めには適していない。

このような問題点を解決するべく、特許文献１のようにＹＬ軸とＹＲ軸の両方にモータを設けたガントリ型ＸＹ位置決め装置で位置決めを行なう場合、Ｘ軸１２上の負荷（搭載ヘッド１５）の位置が移動することによって、両側に設けられたＹＬ軸モータとＹＲ軸モータが受ける負荷のバランスが変化することが原因となり、左右のＹ軸で偏差が発生してしまい、位置決め精度や位置決め時間に悪影響を与えるという問題点を生じていた。

発明者らは、この問題点を防ぐ為の一手法として、特許文献２を既に提案した。これは、その図２０に対応する図３に示す如く、左右のＹ軸に掛かる負荷が変動した場合にも、仮想モード制御や負荷側外乱オブザーバ４０等を用いてロバスト制御を行なうという手法であり、軸の同期防振制御に効果が高い。図３において、２０は、外乱を抑制するための外乱オブザーバ、５０は逆システムである。

特許第３５１０９１２号公報 特開２００７−２３６１８５号公報（図７、図２０）

図２に例示したような、各軸の両端にある一対のモータ１１Ｌ、１１Ｒで１個の負荷（搭載ヘッド１５）を共通に駆動し、１本のリニアエンコーダを共通に使用する構成に特許文献２の手法を適用しようとする場合、和動モード側と差動モード側にリニアエンコーダの信号を分配して与えることが考えられる。しかし、このリニアエンコーダの信号は、各軸の両端にある一対のモータで１個の負荷を共通に駆動するものなので、差動モードの情報を含んでいない。その為、図３に示されるような負荷側外乱オブザーバ４０を用いた和動モードと差動モードの制御系を構成することはできず、十分な効果を得ることができないという問題点を有していた。

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、各軸の両端にある一対のモータで一個の負荷を共通に駆動し、１つのリニアエンコーダを共通に使用する構成においても、負荷側外乱オブザーバを含む仮想モード制御を適用可能とすることを課題とする。

本発明は、駆動軸１個に１つのリニアエンコーダを設け、１個の駆動軸の両端のモータには同一のリニアエンコーダ信号を分配する構成のガントリ型ＸＹ位置決め装置において、駆動軸の両端のモータの制御に、２次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する仮想モード制御を行なうことにより、和動軸において位置サーボを、差動軸において偏差量抑圧の為の位置レギュレータをそれぞれ構成して２軸同期制御を行なう際に、リニアエンコーダの信号を和動モードのリニアエンコーダ信号と見なし、軸ねじれ角と負荷の加速度に基づいて和動モード専用の負荷側外乱オブザーバを構成し、前記和動モード専用の負荷側外乱オブザーバにて推定した負荷側の外乱を、負荷側外乱から位置指令値までの逆システムを通して和動モード側にフィードバックする一方、差動モードには負荷側外乱オブザーバの制御系を構成しないことにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、図２に例示したような、軸の両端にある一対のモータで一個の負荷を共通に駆動し、１つのリニアエンコーダを共通に使用する構成においても、特許文献２で提案したような、負荷側外乱オブザーバを適用した仮想モード制御を行うことが可能となる。ここで、２つのモータで１つのリニアエンコーダを用いているので、コストの低減が可能である。又、差動モード側の負荷側外乱オブザーバを省略できるので、演算の量を減らすことが可能であり、計算機の負担を減らすことができる。

更に、和動モード負荷側外乱オブザーバを適用することにより、負荷の移動による負荷質量の変動、軸に印加される外乱、剛性などのパラメータ変動により生じる外乱をまとめて補償することが可能となる。即ち、負荷がどの位置にある場合においても、あたかも軸の中央部に固定されているかのように扱うことができ、また、負荷の移動により軸が受ける外乱に対してもロバスト性を持つ為、容易に同期制御を実現することが可能となる。外乱オブザーバに基づいた制御法であるため、振動抑制効果を持ちながらロバスト性の確保も達成できる。

又、軸の両側のモータを仮想モード制御に基づいて、和と差のモードに分解して制御を行なうことにより、仮想和動軸において位置サーボ、仮想差動軸において両側モータの偏差量抑圧の為の位置レギュレータをそれぞれ構成することが可能となる。

又、本提案の制御手法は、状態フィードバック制御やＨ∞制御に比べて制御系が簡単で、演算量も少ないため、高価なＣＰＵ等を使用する必要がない。更に、設計や調整も容易である。

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、図４に示す如く、Ｘ軸１２の両端に一対のモータ１１Ｌ、１１Ｒを備え、タイミングベルト（図示省略）により搭載ヘッド１５を駆動する構成において、特許文献２で提案した、負荷側外乱オブザーバを含む仮想モード制御を適用するため、負荷側外乱オブザーバとして、図５に示す如く、共通で使用しているリニアエンコーダ１６の信号を用いた和動モード専用の負荷側外乱オブザーバ４２を構成する。即ち、リニアエンコーダ１６の信号は、特許文献２の仮想モード制御で言うところの和動モードの信号と見なすことができる（特許文献２の構成では、左右のモータ重心位置にある負荷を並進方向に制御していることに相当する）。

そして、この和動モード専用の負荷側外乱オブザーバ４２で検出した外乱推定値を、特許文献２と同様の逆システム５０を介して、仮想モード内の和動モード側にのみフィードバックしてやる制御系を構成することによって、特許文献２と同様の同期防振制御効果を得ることが可能となる。この場合、差動モード側の負荷側外乱オブザーバは不要であるので設けない。

図４において、７Ｌ、７Ｒは左右のＹ軸モータ、８Ｌ、８Ｒは左右のＹ軸タイミングベルトであり、図５において、θ^ｃｏｍ _ｃｍｄは和動モード位置指令、θ_ｍ ^ｃｏｍは同じく和動モードモータエンコーダ値、θ^ｄiｆ _ｃｍｄは差動モード位置指令、θ_ｍ ^ｄｉｆは同じく差動モードモータエンコーダ値、Ｋ_ｐは位置ゲイン、θｌは負荷位置、Ｋ_ｒは軸ねじれ反力のフィードバックゲイン、Ｋ_ｖは速度ゲイン、Ｔ^＊ｃｏｍ _ｒｅａｃは和動モードねじれ反力、Ｔ^{＊ｒｅａｃ} _ｄｉｆは差動モードねじれ反力、Ｊ_ｍはモータ慣性、Ｋ_ｔはトルク定数、Ｉ^ｒｅｆはモータ電流参照値、Ｔ_ｄｉｓｍは外乱、Ｔ_ｒｅａｃはねじれ反力、Ｋｆは軸剛性、Ｊ_ｌは負荷側の慣性、Ｔ^＊ａｌｌ _ｄｉｓｌは和動モード負荷側外乱推定値、θ_ｌｃは和動モードリニアエンコーダ値である。

このようにして、この和動モード専用の負荷側外乱オブザーバ４２を用いて仮想モード制御系を構成することで、負荷の移動による軸両端のモータが受ける負荷質量の変動、軸に印加される外乱、剛性などのパラメータ変動により生じる外乱をまとめて補償することが可能となる。即ち、負荷が軸上のどの位置にある場合においても、あたかも軸の中央部に固定されているかのように扱うことができ、また、外乱に対してもロバスト性を持つ為、容易に同期制御を実現することが可能となる。

以下、図５に示した和動モード負荷側外乱オブザーバ４２を用いた同期防振制御装置のブロック図を参照して、更に詳細に説明する。

軸の両端のモータについて、特許文献２と同様に仮想モード制御系を構成する。ブロック図の上側が和動モードの制御系、下側が差動モードの制御系である。

ここに負荷側外乱オブザーバを適用するが、先に説明したように１つの駆動軸にリニアエンコーダは１本であり、駆動軸の両端のモータにリニアエンコーダの信号を分岐して与え、共通に用いているので、図６に示すような和動モード専用の負荷側外乱オブザーバ４２を構成し、和動モード制御系に用いる。

先に述べたように、図４の構成では、左右のモータ１１Ｌ、１１Ｒの重心位置にある負荷（搭載ヘッド１５）を並進方向に制御していることに相当する為、図３における和動モードでの制御と見なすことが可能である。即ち、和動モード専用の負荷側外乱オブザーバ４２を構成することが可能であり、仮想モード制御系の和動モード側に適用することができる。

言い換えると、図６内に記した和動モードリニアエンコーダ値は、両側のモータで共通に用いるリニアエンコーダの値そのものであり、それがそのまま和動モードでの値を意味する。従って、図４の構成では差動モードのリニアエンコーダ値は存在しない。

図６に示す通り、和動モード負荷側外乱推定値は、

として、和動モード負荷側外乱オブザーバ４２内で推定できる。

外乱推定値は和動モードの推定値である為、負荷側外乱から位置指令までの逆システム５０を通して和動モード側にフィードバックする。オブザーバゲインｇｌを大きく設定することにより、負荷側に加わる外乱の影響を除去することが可能となる。

軸の両側のモータを仮想モード制御に基づいて、和と差のモードに分解して制御を行なうことにより、和動軸において位置サーボ、差動軸において両側モータの偏差量抑圧の為の位置レギュレータをそれぞれ構成することが可能となる。この場合、差動モードの位置指令を０として、軸の両側のモータの偏差を抑えて、高いレベルの同期制御を行なうことができる。

以上説明した和動モード負荷側外乱オブザーバ４２を採用した同期防振制御を用いることによって、図４の構成においても、負荷の移動に関わらず負荷側をノミナル化して共振周波数を固定することが可能となり、同期の確保及び高精度な防振位置決め制御を実現することが可能となる。

なお、図５に示した制御装置のブロック図では、速度演算部にＰ制御を用いているが、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御を用いても良い。

又、第１実施形態では、左右のＹ軸が、それぞれ１個モータとされていたが、Ｘ軸だけでなく、図７に示す第２実施形態のように、左右のＹ軸９Ｌ、９Ｒの前後両側にも、それぞれモータ（７ＬＦ、７ＬＲ）（７ＲＦ、７ＲＲ）を設けて、和動モード負荷側外乱オブザーバを適用した仮想モード制御系を構成し、特許文献２での負荷側外乱オブザーバを適用した仮想モード制御を構成することも可能である。図において、８Ｌ、８Ｒは、左右のＹ軸９Ｌ、９Ｒのタイミングベルト、１０Ｌ、１０Ｒは、同じくリニアエンコーダである。

なお、前記実施形態においては、本発明が、電子部品搭載装置のガントリ型ＸＹ位置決め装置に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、ガントリ型ＸＹ位置決め装置一般に同様に適用できることは明らかである。

又、エンコーダもリニアエンコーダに限定されず、ロータリエンコーダであっても良い。

電子部品搭載装置における従来のガントリ型ＸＹ位置決め装置の構成を示す斜視図 従来のガントリ型ＸＹ位置決め装置のＸ軸駆動部の他の例を示す斜視図 特許文献２で提案した同期防振制御装置の構成を示すブロック図 本発明の第１実施形態が適用される電子部品搭載装置のガントリ型ＸＹ位置決め装置の構成を示す斜視図 第１実施形態におけるＸ軸駆動部の同期防振制御装置の構成を示すブロック図 前記同期防振制御装置中の和動モード負荷側外乱オブザーバの構成を示すブロック図 本発明の第２実施形態が適用される電子部品搭載装置のガントリ型ＸＹ位置決め装置の構成を示す斜視図

符号の説明

７、７Ｌ、７Ｒ、７ＬＦ、７ＬＲ、７ＲＦ、７ＲＲ…Ｙ軸モータ
８、８Ｌ、８Ｒ、１３…タイミングベルト
９Ｌ、９Ｒ…Ｙ軸
１０Ｌ、１０Ｒ、１６…リニアエンコーダ
１２…Ｘ軸
１１、１１Ｌ、１１Ｒ…Ｘ軸モータ
１５…搭載ヘッド

Claims (1)

1. 駆動軸１個に１つのリニアエンコーダを設け、１個の駆動軸の両端のモータには同一のリニアエンコーダ信号を分配する構成のガントリ型ＸＹ位置決め装置において、
   駆動軸の両端のモータの制御に、２次アダマール行列に基づいて和動モードと差動モードに分解する仮想モード制御を行なうことにより、和動軸において位置サーボを、差動軸において偏差量抑圧の為の位置レギュレータをそれぞれ構成して２軸同期制御を行なう際に、
   リニアエンコーダの信号を和動モードのリニアエンコーダ信号と見なし、軸ねじれ角と負荷の加速度に基づいて和動モード専用の負荷側外乱オブザーバを構成し、前記和動モード専用の負荷側外乱オブザーバにて推定した負荷側の外乱を、負荷側外乱から位置指令値までの逆システムを通して和動モード側にフィードバックする一方、
   差動モードには負荷側外乱オブザーバの制御系を構成しないことを特徴とする、ガントリ型ＸＹ位置決め装置の同期防振制御装置。

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