JP2010284070A - 位置決め装置の同期防振制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ軸と負荷間をボールねじやタイミングベルト等の負荷位置によりバネ定数が大きく変化する機構で接続した位置決め装置に負荷側外乱オブザーバを適用した場合においても、バネ定数の変化の影響を受けない精度の高い負荷側外乱の推定を可能とし、外乱に対する高いロバスト性を持たせて、振動抑制と同期制御を実現可能する。
【解決手段】モータ軸と負荷間を弾性体で接続した、負荷位置によりバネ定数Ｋｆが大きく変化する位置決め装置において、負荷側の軸ねじれ角を測定し、軸ねじれ角と負荷の加速度に基づいて構成した負荷側外乱オブザーバ４０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を通してフィードバックする際に、負荷側外乱オブザーバ内のバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nを負荷位置により変える。
【選択図】図３

Description

本発明は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られるガントリ型ＸＹ位置決め装置に用いるのに好適な、モータ軸と負荷間をボールねじやタイミングベルト等の軸ねじれを持つ弾性体で接続した位置決め装置の同期防振制御装置に関する。

従来のガントリ型ＸＹ位置決め装置は、図１（Ａ）（全体図）、（Ｂ）（略示平面図）、（Ｃ）（略示側面図）に電子部品搭載装置の一例を示す通り、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（以下ＹＬ軸、ＹＲ軸）を持ち、その上に設置されたＸ軸駆動部（Ｘ軸）でＸ方向への移動を行なう構成をとる。図において、７は、Ｘ軸１２のＹＬ軸９側をＹ方向に駆動するためのモータ（ＹＬ軸モータと称する）、８は、同じくＸ軸１２のＹＲ軸１０側をＹ方向に駆動するためのモータ（ＹＲ軸モータと称する）、１１は、Ｘ軸１２上の搭載ヘッド１５をＸ方向に駆動するためのモータ（Ｘ軸モータと称する）である。

Ｘ軸、Ｙ軸の駆動には、回転型モータＭ＋ボールねじＢ又はタイミングベルトや、リニアモータが使用される。図において、Ｃはカップリング、Ｅはリニアエンコーダである。

このような位置決め装置における共振系の振動抑制と外乱抑圧制御を行う技術として、発明者は既に特許文献１において、図２に示すような、負荷側外乱オブザーバ４０を用いた同期防振制御装置を提案した。この装置は、負荷側外乱オブザーバ４０の働きにより、外乱に対するロバスト性を持つ為、振動抑制と同期制御を実現することができる。図において、２０は、特許文献１の図７に示されるような外乱オブザーバ、３０は、同じく特許文献１の図８に示されるような軸ねじれ反力推定オブザーバ、５０は逆システムである。

特開２００７−２３６１８５号公報（図６〜８）

図１のようなガントリ型の位置決め装置を制御する場合、特許文献１の同期防振制御装置を適用することで、Ｘ軸（上側の軸）の位置の変化により与えられる外乱の影響を受けずに左右のＹ軸（ＹＬ軸、ＹＲ軸。下側の軸）は高いロバスト性を保ち、同期制御を行なうことが可能となることは特許文献１に記載した通りである。しかしながら、前記位置決め装置には、次のような場合において改良点を持つことが分かった。

モータ軸と負荷間をボールねじやタイミングベルト等の弾性体で接続した位置決め装置で位置決めを行なう場合、負荷が移動したときに負荷の位置によって剛性が変化する。即ち、モータ軸の自己の負荷位置によって、共振周波数の変化が生じる。

以下、図３に示すボールねじＢを例として説明を行なう。位置決め制御を行ない負荷（ナットＮ）の位置が変化すると、ボールねじＢの剛性、即ちバネ定数の値も変化する。負荷の位置によるバネ定数は、次式で計算することができる。

Ｋｆ＝ＡＥＬ／ａｂ …（１）
Ａ＝（π／４）ｄ₁ ² …（２）
ここで、Ｋｆ：バネ定数（Ｎ／ｍｍ）、Ａ：ねじ軸断面積（ｍｍ²）、Ｅ：ヤング率（２．０６×１０⁵ Ｎ／ｍｍ²）、Ｌ：ボールねじ長（ｍｍ）、ａ，ｂ（＝Ｌ−ａ）：負荷位置（ボールねじのナットＮ位置）までの長さ（ｍｍ）、ｄ₁：ねじ軸半径（ｍｍ）である。

図３での演算例の場合、表１及び図４に示す如く、負荷の位置により、ボールねじのバネ定数は３倍近くも変化することが分かる。

負荷側外乱オブザーバ４０は、図２に示す通り、モータ軸と負荷部との軸ねじれ量θ_tと負荷部の加速度ｄ²θ_l／ｄｔ²の２つの情報から外乱を推定して補償を行なう。負荷側外乱オブザーバ内４０のバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nは一定（固定に設定）の為、ボールねじの剛性Ｋｆが大きく変動すると、見かけ上θ_tが変動したように判断される。負荷の振動の情報はｄ²θ_l／ｄｔ²に含まれるが、ｄ²θ_l／ｄｔ²の変動がθ_tの変動（レベルが大）に埋もれてしまう。よって、負荷側外乱オブザーバ４０を負荷の振動抑制や外乱抑圧を目的として適用する場合の効果が低減してしまうという問題が生じる。

また、剛性の変化についてもバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nに固定しようと働くが、バネ定数が３倍近くも変化する場合には補償しきることは困難である。この場合、外乱を推定した補償量が大きく変動する為、電流指令が過大や過小となるおそれがある。

従来の方式では、以上のような問題点が残る。

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、モータ軸と負荷間をボールねじやタイミングベルト等の負荷の位置によりバネ定数が大きく変化する機構で接続した位置決め装置に負荷側外乱オブザーバを適用した場合においても、バネ定数の変化の影響を受けない精度の高い負荷側外乱の推定を可能とし、外乱に対する高いロバスト性を持たせて、振動抑制と同期制御を実現可能とすることを課題とする。

本発明は、モータ軸と負荷間を弾性体で接続した、負荷位置によりバネ定数が大きく変化する位置決め装置において、負荷側の軸ねじれ角を測定し、軸ねじれ角と負荷の加速度に基づいて構成した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フィードバックする際に、負荷側外乱オブザーバ内のバネ定数ノミナル値を負荷位置により変えるようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記負荷側外乱オブザーバ内のバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nを、次式により演算することができる。

Ｋｆ_n＝ＡＥＬ／ａｂ
ここで、Ａ：ねじ軸断面積（ｍｍ²）、Ｅ：ヤング率（２．０６×１０⁵ Ｎ／ｍｍ²）、Ｌ：ボールねじ長（ｍｍ）、ａ，ｂ（＝Ｌ−ａ）：負荷位置（ボールねじのナット位置）までの長さ（ｍｍ）である。

本発明によれば、モータ軸と負荷間をボールねじやタイミングベルト等の負荷の位置によりバネ定数が大きく変化する機構で接続した位置決め装置に負荷側外乱オブザーバを適用した場合においても、バネ定数の変化の影響を受けない精度の高い負荷側外乱の推定が可能となる。従って、負荷側外乱に対するロバスト性を保ち、容易に振動抑制と同期制御を実現することができる。

本発明の適用対象の一つである電子部品搭載装置の一例の（Ａ）全体図、（Ｂ）略図平面図、（Ｃ）略示側面図 特許文献１に記載された制御装置を示すブロック図 本発明の原理を説明するための、ボールねじでのバネ定数の演算式を示す図 同じく演算結果の一例を示す図 本発明に係る同期防止制御装置の第１実施形態のブロック図 負荷が端部にある場合の本発明におけるシミュレーション結果を示す図 負荷が端部にある場合の従来例におけるシミュレーション結果を示す図 負荷が中央部にある場合の本発明におけるシミュレーション結果を示す図 負荷が中央部にある場合の従来例におけるシミュレーション結果を示す図 本発明に係る同期防止制御装置の第２実施形態のブロック図 同じく第３実施形態のブロック図 本発明の適用対象の一つである電子部品搭載装置の他の例の略示平面図 図１２の例における搭載ヘッドの制御系を示す図 図１２の例における３慣性共振系を示す図 同じくブロック線図 本発明に係る同期防止制御装置の第３実施形態のブロック図 第３実施形態の従来例によるシミュレーション結果を示す図 第３実施形態の本発明によるシミュレーション結果を示す図 本発明に係る同期防止制御装置の第４実施形態のブロック図

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実施形態に係るＹ軸１軸（片側）分の同期防振制御装置の全体のブロック図を図５に示す。

本制御装置では、特許文献１と同様の外乱オブザーバ２０により、モータに作用する各種外乱の影響を除去することができ、ロバストな加速度制御系を構築することができる。また、特許文献１と同様の軸ねじれ反力推定オブザーバ３０を用いることにより、モータは軸ねじれ反力を除去し、負荷側の影響を受けないロバストな制御系を構築することができる。さらに、リニアエンコーダ等を備えて負荷側の軸ねじれ角が測定できる場合、軸ねじれ角と負荷の先端加速度に基づいて特許文献１と同様の負荷側外乱オブザーバ４０を構成することにより、負荷側に印加される外乱及びパラメータ変動による外乱を合計した全負荷側外乱を推定することが可能となる。これらは既に特許文献１において提案したとおりである。

今回はこれらに、モータ軸の自己の負荷位置により、負荷側外乱オブザーバ４０内のバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nを補正するためのバネ定数演算部６０を付加する。

以下、ボールねじを例として説明を行なう。

図３で示した通り、負荷の位置を元にして、（１）式からバネ定数Ｋｆを演算することができる。そこで、バネ定数演算部６０で演算したバネ定数Ｋｆを、負荷側外乱オブザーバ４０内のバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nに代入して用いる。負荷位置が変化する度、若しくは負荷側外乱オブザーバ４０の演算周期の度に、演算したバネ定数をＫｆ_nとして用いることにより、バネ定数の変化の影響を受けない精度の高い負荷側外乱の推定が可能となる。即ち、負荷側外乱に対するロバスト性を保ち、容易に振動抑制と同期制御を実現することができる。

第１実施形態の制御の有効性を確認する為、シミュレーションを行なった。シミュレーションに使用したパラメータを表２に示す。

図６、図７は、図４の両端部分のように、剛性が高くバネ定数が大きい場合（Ｋｆ＝２５００）に、本発明の実施例としてノミナル値を調整してバネ定数Ｋｆとノミナル値Ｋｆ_nを等しくした（Ｋｆ_n＝Ｋｆ＝２５００）場合（図６）と、従来例としてバネ定数Ｋｆとノミナル値Ｋｆ_nが異なる（Ｋｆ_n＝１００）場合（図７）のシミュレーション結果を比較して示す。図から明らかなように、図６の方が図７より整定部分の振幅が小さいことがわかる。

図８、図９は、図４の中央部分のように、剛性が低くバネ定数が小さい場合（Ｋｆ＝１００）に、本発明の実施例としてノミナル値を調整してバネ定数Ｋｆとノミナル値Ｋｆ_nを等しくした（Ｋｆ_n＝Ｋｆ＝１００）場合（図８）と、従来例としてバネ定数Ｋｆとノミナル値Ｋｆ_nが異なる（Ｋｆ_n＝２５００）場合（図９）のシミュレーション結果を比較して示す。この場合も、図８の方が、図９より整定部分の振幅が小さいことがわかる。

なお図５の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、前記説明では、演算式を用いてバネ定数を演算する方式について述べたが、図１０に示す第２実施形態のように、予め実測若しくは演算しておいたバネ定数値をテーブル化して記憶部６２内に登録しておき、負荷の位置を元にバネ定数値を記憶部６２から読み出して、負荷側外乱オブザーバ４０内のバネ定数ノミナル値を補正しても良い。

又、前記説明では、ボールねじを用いた場合について述べたが、同じく負荷が移動したときに負荷の位置によって剛性（バネ定数）が変化するタイミングベルト等を用いた場合にも本発明は適用できる。

又、前記説明では、単軸での制御を例として述べたが、並列する２軸それぞれに適用することで高い精度の並列同期防振制御を実現することができる。

また、図１１に示す第３実施形態のように、発明者が特願２００８−２５３５９６（本件出願時未公開）で提案した、駆動軸の両端のモータの制御を、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に本発明を適用した場合にも効果が高い。図８のバネ定数演算部６０は、第２実施形態のバネ定数記憶部６２であっても良い。

前記実施形態では、図１に示した如く、Ｘ軸（上側の軸）１２にモータ１個（Ｘ軸モータ１１）、左右のＹ軸（ＹＬ軸９、ＹＲ軸１０。下側の軸）それぞれにモータ１個ずつ（ＹＬ軸モータ７、ＹＲ軸モータ８）を取り付け、計３個のモータ１１、７、８で各ボールねじを駆動し搭載ヘッド１５を移動する構成の位置決め装置について説明した。

ここでは新たに、制御する対象（搭載ヘッド１５）をＸＹ軸がそれぞれモータ１個で駆動する、いわゆる片持ちの構成の位置決め装置を考える。図１２に示す通り、Ｙ軸９、１０はＹＲ軸１０側のみモータ８でボールねじ８Ｂを駆動し、ＹＬ軸９側はガイドのみとなり駆動系は持たない。

ＹＲ軸モータ８から見た場合、搭載ヘッドの制御系は図１３に示すような、Ｙ軸ボールねじ８ＢにＸ軸ボールねじ１１Ｂを継いだ形の弾性体の負荷となるため、図１４、図１５に示すような３慣性共振系負荷と見なすことができる。ＹＬ軸９側は駆動系を持たない為、言うなればフラフラした状態であり、ＹＲ軸側のモータ８のみで左右軸の同期を保つ制御を行なう必要がある。しかし、前記実施形態での各軸毎にモータ１個を取り付けて駆動する場合に比べて、剛性が低く、高次の共振を含む特性を持つ為、より振動的となり、左右軸の精度の高い同期位置決め制御が難しくなる。

よって、これまでの２慣性共振系負荷用の制御装置では適切な補償を行なうことはできないので、制御対象を３慣性共振系負荷としてモデリングを行ない、３慣性共振系負荷用の制御装置を構成して制御を行なう必要がある。

図１６に３慣性共振系負荷を制御する為の本発明の第４実施形態の制御装置の構成と、それにバネ定数の補正手段を適用する場合のブロック線図を示す。

図５に示した第１実施形態と同様に、Ｘ軸負荷とＹ軸負荷の位置情報を元に、Ｘ軸とＹ軸それぞれのバネ定数の変化を前出（１）式に基づいて計算して、Ｘ軸とＹ軸それぞれの負荷側外乱オブザーバ４０Ｘ、４０Ｙ内のバネ定数ノミナル値、Ｋ_ｆ１ｎ、Ｋ_ｆ２ｎを補償する。図において、５０ＸはＸ軸側逆システム、５０ＹはＹ軸側逆システム、６０ＸはＸ軸側バネ定数演算部、６０ＹはＹ軸側バネ定数演算部である。

上記の補償を行なうことで、ＸＹ軸をそれぞれモータ１個で駆動する片持ちの構成の位置決め装置においても、外乱に対する高いロバスト性を持つことが可能となる為、効果的な振動抑制制御を実現することができる。

上記の手法の効果を、シミュレーションを用いて確認した。シミュレーションに使用したパラメータを表３に示す。

バネ定数とノミナル値が異なる場合（図１７）に比べて、バネ定数とノミナル値を合わせた場合（図１８、ノミナル値を補償した場合に相当）の方が、オーバシュートの振幅が小さく、振動の収束も早いことが分かる。

更に第５実施形態として、第２実施形態と同様に、図１９に示す如く、予め実測若しくは演算しておいたバネ定数値をテーブル化して記憶部６２Ｘ、６２Ｙ内に登録しておき、負荷の位置を元にバネ定数値を記憶部６２Ｘ、６２Ｙから読み出して、負荷側外乱オブザーバ４０Ｘ、４０Ｙ内のバネ定数ノミナル値を補正する手段を用いることも可能である。

以上の制御手法を用いることで、片持ちの構成の位置決め装置においても効果的な振動抑制制御が可能となる為、装置のコストダウンや軽量化が可能となる。

１５…搭載ヘッド
２０…外乱オブザーバ
３０…軸ねじれ反力推定オブザーバ
４０、４０Ｘ、４０Ｙ…負荷側外乱オブザーバ
５０、５０Ｘ、５０Ｙ…逆システム
６０、６０Ｘ、６０Ｙ…バネ定数演算部
６２、６２Ｘ、６２Ｙ…バネ定数記憶部

Claims (2)

1. モータ軸と負荷間を弾性体で接続した、負荷位置によりバネ定数が大きく変化する位置決め装置において、
   負荷側の軸ねじれ角を測定し、軸ねじれ角と負荷の加速度に基づいて構成した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フィードバックする際に、
   負荷側外乱オブザーバ内のバネ定数ノミナル値を負荷位置により変えることを特徴とする位置決め装置の同期防振制御装置。
2. 前記負荷側外乱オブザーバ内のバネ定数ノミナル値Ｋｆ_nを、次式
   Ｋｆ_n＝ＡＥＬ／ａｂ
   （ここで、Ａ：ねじ軸断面積（ｍｍ²）、Ｅ：ヤング率（２．０６×１０⁵ Ｎ／ｍｍ²）、Ｌ：ボールねじ長（ｍｍ）、ａ，ｂ（＝Ｌ−ａ）：負荷位置（ボールねじのナット位置）までの長さ（ｍｍ））
   により演算することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置の同期防振制御装置。