JP2014188671A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークピースを加工するための、あるいは一平面内に構成部品を配置するための門構造式の位置決め装置に関し、押圧力が高いにもかかわらず、機能部材の正確な位置決めが可能となる位置決め装置を提供することである。
【解決手段】Ｚ方向で工具（２）の上方に配置された強化フレーム（３）が、横桁（ＦＹ）を変形させることなく、支持部（４）を用いてプロセス力（Ｆ）をＸ軸キャリッジ（ＬＸ１，ＬＸ２）に加えることにより解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ワークピースを加工するための、あるいは一平面内に構成部品を配置するための位置決め装置に関する。このような位置決め装置は、例えば電気構成部品を回路基板上に配置するか、あるいは平坦なワークピースを工具で加工するのに使用される。

特許文献１からは、門構造式の位置決め装置が知られており、この位置決め装置にあっては、二つの平行なリニア案内部の間に横桁が可動に支承されており、この横桁上には別のリニア案内部を用いて機能要素が可動に支承されているので、この機能要素は二つの平行なリニア案内部の間の平面内で自由に位置決めされている。機能要素としては例えば
ピックアンドプレース機械のグラブ、レーザーマシニングセンタ、あるいは座標測定機械のタッチプローブ装置が問題になる。取上げた特許文献１は、特にこのような位置決め装置のできる限り正確な位置決めに取組んでいる。その理由は機能要素の正確な位置決めが極めて重要である場合が多いことにある。

特許文献２もこのような門構造式の位置決め装置に取組んでいる。これは様々な理由から調整技術的に簡単に制御できない。従って、位置決め装置を調整するための装置が開示されており、この装置によりとくに正確な位置決めが可能である。

しかし横桁にそって案内され、かつワークピースの上方で位置決めされる機能要素が、枠ピースに大きな力をかける際に、これにより位置決め装置の構成要素が変形する恐れがある。門構造式により生じる大きなレバーのために、すでに小さい変形によりワークピースにおける、位置精度に関して高い要求でもって使用することにとって容認できない、工具の作用点の調整不良が著しくなる。このような用途に関する実施例は、電子部品が熱と温度により回路基板と接続される熱圧着である。この目的で、５００Ｎまでの力が必要である。他方では、このようなかつ比較可能な用途に必要とされる位置決め精度は、ミクロンの領域あるいはそれ以下においては稀有ではない。

欧州特許第２０６６９９６号明細書 独国特許出願公開第１０２００９００８９００号明細書

従って本発明の課題は、押圧力が高いにもかかわらず、機能部材の位置決めが可能となる、門構造式の位置決め装置を提供することである。

この課題は、請求項１による装置により解決される。この装置の有利な詳細事項は、請求項１の従属請求項から明らかである。

門構造式の位置決め装置には、各々１つずつのＸ軸キャリッジをＸ方向で可動に保持する一体化されたリニア機構を備えた二つの平行なリニア案内部、および両Ｘ軸キャリッジと接続している横桁であって、この横桁が一体化されたリニア機構によりＹ軸キャリッジをＸ方向に対して垂直なＹ方向で可動に保持する横桁を備えていることが記載されている。位置決め装置は、さらに工具ホルダであって、この工具ホルダがＹ軸キャリッジの近くでＸ方向とＹ方向に対して垂直なＺ方向に案内されており、かつＸ−Ｙ平面に配置されたワークピースを加工するための工具を担持する工具ホルダを備えており、工具はＸ方向にずれた状態で横桁のすぐ横に配置されている。Ｚ方向で工具の上方に配置された強化フレーム（Ｋｒａｆｔｒａｈｍｅｎ）は、工具に作用するプロセス力（Ｐｒｏｚｅｓｓｋｒａｆｔ）をキャリッジに加える。

さらに、実際に不利な工具の配設により横桁の側方では、横桁を変形させ、それにより工具の位置決め精度を低下させるトルクが生じないことを強化フレームは配慮している。

プロセス力は、強化フレームと工具ホルダの間で作用する空圧シリンダにより加えられ、Ｘ方向における工具ホルダでの空圧シリンダの作用点は、工具でのプロセス力の作用点に対してずれている。このようにして、工具ホルダにおいては的を絞った状態で、工具ホルダの非対称性により生じるトルクと反対方向に作用するトルクを生じさせるので、この処理によっても位置決めの精度は高められる。

本発明の他の長所および詳細は、図に基づいた弧となる実施形態の以下の記載から明らかである。

従来技術による門構造式の位置決め装置を示す図である。 押圧力が大きい場合の、従来技術で発生した問題を示す図である。 本発明の第一の実施例を示す図である。 本発明の第二の実施例を示す図である。 特に正確な位置決めが可能となる、本発明の有利な構成を示す図である。

図１には従来技術による門構造式の位置決め装置が示してある。Ｘ方向では、二つのＸ軸キャリッジＬＸ１，ＬＸ２をＸ方向で可動に保持する一体化されたリニア駆動機構を備えた二つのリニア案内部ＦＸ１，ＦＸ２が互いに平行に配置されている。両キャリッジＬＸ１，ＬＸ２には、位置決め装置の門状フレームの横桁ＦＹを形成するリニア案内部が固定されている。この横桁ＦＹはＸ方向で両リニア案内部ＦＸ１とＦＸ２の間の作動領域にわたり位置決めすることができる。

リニア案内部ＦＹには、Ｙ軸キャリッジＬＹが可動に案内されており、このＹ軸キャリッジは別のリニア駆動機構により両リニア案内部ＦＸ１とＦＸ２の間Ｙ方向で位置決めすることができる。リニア案内部ＦＸ１，ＦＸ２及びＦＹにおける駆動機構の適切な制御により、Ｙ軸キャリッジは両リニア案内部ＦＸ１とＦＸ２の間の作業領域にわたり自由に位置決めすることができる。

Ｙ軸キャリッジＬＹは、一体化された駆動機構を備えた別のリニア案内部を担持しており、この別のリニア案内部は、Ｚ軸キャリッジＬＺをＸ方向とＹ方向に広がる加工平面に垂直にむいたＺ方向で可動に保持している。

従って、Ｚ軸キャリッジＬＺに固定された工具ホルダ１とこの工具ホルダにより支持された工具ホルダ２は、三つの空間方向Ｘ，Ｙ及びＺすべてに位置決め可能である。工具２とは、例えば電子部品を取上げ、この電子部品を作業領域内に置かれた回路基板上に載置するグリッパである。この目的に必要な力Ｆは、Ｚ軸キャリッジを駆動することにより加えられる。Ｚ軸キャリッジはＸ方向に移動された状態で横桁ＦＹの側方に配置されているので、この垂直の力ＦはＺ方向にトルクを横桁ＦＹに生じさせる。

“Ｘ方向に移動されて”の表示法は、ここではそしてこのあとの記載ではＸＹ平面における（ここでは横桁ＦＹとＺ軸キャリッジＬＺの）二つの要素の投影のＸ方向での間隔を指す。

図１では破線により力のループが描いてあり、この力のループはＸＹ平面に配置されたワークピース上に工具２を載置する際に、位置決め装置の構成要素に負荷をかける。認められるように、横桁ＦＹはこの力のループの構成要素であり、これは力が大きいと短所になる。

図２には図１の位置決め装置の断面図が示してある。断面はＸＺ平面にあり、Ｚ軸キャリッジＬＺを通って延びている。例えば回路基板上に部品を熱電気式で接合する際に生じるおそれがある大きなプロセス力により、位置決め装置の極めて非対称な構造のために大きなトルクが発生し、このトルクは門状フレームの横桁ＦＹを曲げて駄目にし、工具２は
歪んでしまう恐れがある。この歪は工具２の破線の矢印によって示してある。熱圧着の場合、さらにこの歪みにより配置すべき部品は傾いてしまい、これによって部品と回路基板の間に要求される高い平行度は失われてしまう恐れがある。

このトルクを防止するための簡単な解決手段は、プロセス力Ｆに対して対称な位置決め装置の構造であろう。しかしこのように対称な構造を不可能にする要求が与えられることがある。このようにして、リニア案内部ＬＸ１，ＬＸ２が第一の工具２にできるだけ近くに取付けられる必要がある第二の工具を備えた第二の横桁を担持することが必要不可欠である。工具はどちらもこの目標を達成するために、図１と２に示したように各横桁に配置されている。

従って図３には第一の実施例として従来の位置決め装置の変形が示してある。

別の強化フレーム３を使用する。この強化フレーム３は門状フレームの横桁ＦＹに対して平行に延びている。しかし、Ｘ−Ｙ加工平面でのその投影は、（横桁ＦＹの投影のように）プロセス力Ｆの作用点のように広くなく、この作用点に実質的により近くに、すなわち理想的な方法ではＺ方向にこの作用点の上方にある。この強化フレーム３には空圧シリンダ５の一方の端部が支持されており、この空圧シリンダの他方の端部は、工具ホルダと接続している。この空圧シリンダ５はプロセス力Ｆの最大の部分を加え、このプロセス力は、強化フレームにより収容され、かつ支柱４を介してキャリッジＬＸ１とＬＸ２に加えられる。従ってプロセス力Ｆは横桁ＦＹによって収容される必要はない。プロセス力Ｆに関して、機構の非対称は問題にならず、あるいは少なくともはっきりと減っている。同じようにこれにより邪魔をするトルクと工具２の結果として生じる歪も問題にならないか、あるいは少なくともはっきりと減っている。

工具ホルダ１がＹ方向に可動であるように、強化フレーム３はその下側に案内部を備えている。空圧シリンダ５はこの案内部のキャリッジ６に固定されている。従ってさらに工具ホルダ１は駆動されるＹ軸キャリッジＬＹによりＹ方向に位置決めできる。工具ホルダ１はＺ方向においてＺ軸キャリッジのリニア駆動機構により位置決めされるが、この必要とされる高いプロセス力Ｆは、工具２を載置した後にワークピースに空圧シリンダ５によって加えられる。このプロセス力Ｆは強化フレーム３により収容されるので、プロセス力はＺ軸キャリッジＬＺのリニア駆動機構に負荷をかけない。

プロセス力Ｆを収容できるように、強化フレーム３はＺ方向である程度の剛性を必要とするが、強化フレームは完全に剛性である必要はない。その理由は、ある程度の撓みを空圧シリンダ５により取除き、プロセス力を撓みに左右されずに調節することができることにある。多くの応用において、作業領域はＺ方向で（例えばすでに作業領域内に配置された部品との衝突を避けるために）確かに２〜３ｃｍに達するが、部品を力により載置する必要がある領域は、例えば２〜３ｍｍの領域内では実質的により小さい。空圧シリンダはこのような用途に確かに向いている。その理由は、その力がＺ方向での位置に依存しておらず、シリンダ内で制御している圧力にのみ依存していることにある。

図３にも工具に負荷をかける際に作用する力のループが示してある。図１と比べると明らかなように、横桁ＦＹはこの力のループのもはや一部ではない。図２で説明し、特に邪魔をするように作用するトルクとそれに関係した歪みはもはや生じない。

始めに引用した特許文献２に詳しく説明したように、門状フレームの横桁ＦＹと両方の平行なリニア案内部ＦＸ１，ＦＸ２の間におけるある程度の可撓性が必要である。その理由は、平行に走行する二つのＸ軸キャリッジＬＸ１，ＬＸ２は決して正確に同一には制御できないことにある。この目的で、横桁ＦＹに適した交差点は、例えば彎曲ジョイント（Ｂｉｅｇｅｇｅｌｅｎｋ）の様式で設けることができる。第一の実施例の短所は、この必要な可撓性が硬化フレームにとっても構造的に考慮されねばならず、これにより解決手段のための費用が上がる。

従って図４の第二の実施例において、強化フレーム３のための多少別の解決手段を提案している。ここでもプロセス力はプロセス力Ｆの作用点の上方に配置された強化フレーム３により収容される。板状の支持部４’により、強化フレーム３は横桁ＦＹに直接固定されている。強化フレーム３には、Ｘ方向にＸ軸キャリッジＬＸ１，ＬＸ２のちょっとした異なる位置決めを両方とも調節するための固有の解決手段は不要である。もっとも、Ｘ軸キャリッジに対する横桁ＦＹの交差点は、プロセス力Ｆを完全に収容しなければならず、その理由で、対応するように第一の実施例よりも堅固に構成しなければならない。

それに加えて、別の横桁７が両支持板４’に接続している。別の横桁は機構のより高い剛性を備えており、かつ同時にその第一の固有周波数を高める。

図４においても、作用する力のループを示してある。ここでは強化フレーム３は支持板４’を介して横桁ＦＹの両端部と接続しているので、強化フレームは力のループの構成要素である。しかし力および同時にトルクは、両端部で完全にあるいはＸ軸キャリッジＬＸ１，ＬＸ２に対する交差点で作用するので（不利な場合のトルクは横桁の中央で作用する従来技術とは対照的に）、横桁ＦＹとＸ軸のキャリッジＬＸ１及びＬＸ２の間に設けられた適度に堅固なジョイントにより、横桁ＦＹをトルクにより変形させることなく、力はキャリッジＬＸ１，ＬＸ２に完全にかかる。

強化フレーム３が工具２の望ましくない歪みの大きな部分を阻止できることが実験とシミュレーションでわかった。しかし工具ホルダ自体の非対称性により、硬化ホルダ３により矯正できない小さな歪みは保持されたままである。

図５には工具ホルダ１と工具２と空圧シリンダ５が示してある。空圧シリンダは二つのジョイント８を用いて一方では工具ホルダ１と、他方では硬化ホルダ３に案内されるキャリッジ６と接続している。工具ホルダ１は一方の側ではＺ方向のためのＺ軸キャリッジＬＺと接続しており、対向する側では先に説明したように第二の工具における工具２にできるだけ近い位置決めが可能となるべきなので、工具ホルダ１はプロセス力Ｆの方向に対して非対称に構成されている。この非対称性により、図５で破線で示してあり、小さいが邪魔をする工具２の歪みが生じるトルクが発生する。

角度Ｗだけ傾斜した空圧シリンダ５の配設により、およびそれによりＸ方向における小さい値だけずれた、工具ホルダ２での空圧シリンダ５の力の作用点により、工具ホルダ１の非対称性により前もって発生したトルクに真直ぐ逆向きに作用するトルクが生じることが認められる。作用点のズレにより生じたこのトルクは、図５においてはアーチ形の矢印で示してある。この領域で作用する互いに向かい合ってずれた力は双方とも同様に記入してある。

特殊な機械では、３°の角度Ｗにより、ワークピースＷの所望でない歪みを完全に矯正するか、あるいは少なくとも邪魔しない程度まで抑えることができることがわかった。その際に、この最適化はＺ方向での小さい作業領域にだけ適用される。先に説明したように、このことは例えば回路基板を装着する場合に問題にならない。その理由は、Ｚ軸の移動領域が大きいにもかかわらず、問題の力は右側の小さい領域内でだけ生じる、すなわち部品を載置する際に回路基板上に生じるにすぎない。

この角度Ｗは必要とされる最大のプロセス力Ｆと別のフレームフレーム条件に依存しているので、角度Ｗは調節可能であることをさらに提案する。このことは、その補助により下側のジョイント８がＸ方向に水平方向に移動できる単純な機構により可能にできる。工具２にＺ方向で最大のプロセス力Ｆがかかり、その際に多次元センサを用いて作用点に生じる力の方向を測定する際に、（Ｘ方向あるいはＹ方向での）水平方向の力がすべてなくなるまで、角度Ｗを手作業で変えることができ、トルクは工具ホルダ１に影響を与えない。

図５に示した空圧シリンダ５の傾斜部が、図３と４の両実施例で組込みできると有利である。

工具ホルダ１の非対称性により生じるトルクと逆方向に作用させるために、Ｘ方向でプロセス力Ｆの方向に対してずれる工具ホルダ２での空圧シリンダ５の力の作用点を維持する別の可能性は、空圧シリンダ５を確かにプロセス力Ｆに対して平行に保持するが、例えば上側のジョイント８を図５ではＸ方向にずらすことにより、Ｘ方向にずらすことにあるので、上側のジョイントはＸＹ平面に対して下側のジョイント８の上方にある。空圧シリンダ５はＸ−Ｙ平面に垂直に起立しているが、にプロセス力Ｆに対してはＸ方向にずれているので、工具ホルダ１上では、工具ホルダ１の非対称性により生じるトルクと逆方向に作用するトルクが作用する。

この代替え的な空圧シリンダ５の姿勢も、図３と４に示した実施例の双方によっても使用できる。

１ 工具ホルダ
２ 工具
３ 強化フレーム
４ 支持部
４’ 支持部
５ 空圧シリンダ
ＬＸ１ Ｘ軸キャリッジ
ＬＸ２ Ｘ軸キャリッジ
ＦＸ１ リニア案内部
ＦＸ２ リニア案内部
ＦＹ 横桁
ＬＹ Ｙ軸キャリッジ
Ｆ プロセス力
Ｗ 角度

Claims (9)

1. 門構造式の位置決め装置であって、
   各々１つずつのＸ軸キャリッジ（ＬＸ１，ＬＸ２）をＸ方向で可動に保持する一体化されたリニア機構を備えた二つの平行なリニア案内部（ＦＸ１，ＦＸ２）、および両Ｘ軸キャリッジ（ＬＸ１，ＬＸ２）と接続している横桁（ＦＹ）であって、この横桁が一体化されたリニア機構によりＹ軸キャリッジ（ＬＹ）をＸ方向に対して垂直なＹ方向で可動に保持する横桁（ＦＹ）、および工具ホルダ（１）であって、この工具ホルダがＹ軸キャリッジ（ＬＹ）の近くでＸ方向とＹ方向に対して垂直なＺ方向に案内されており、かつＸ−Ｙ平面に配置されたワークピースを加工するための工具（２）を担持する工具ホルダ（１）を備えており、
   工具（２）がＸ方向にずれた状態で横桁（ＦＹ）のすぐ横に配置されている位置決め装置において、
   Ｚ方向で工具（２）の上方に配置された強化フレーム（３）が、工具（２）に作用するプロセス力（Ｆ）をキャリッジ（ＬＸ１，ＬＸ２）に加えることを特徴とする位置決め装置。
2. 横桁（ＦＹ）を変形させることなく、強化フレーム（３）が、Ｘ軸キャリッジ（ＬＸ１，ＬＸ２）へ支持部（４）を用いてプロセス力（Ｆ）を加えることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 強化フレーム（３）が、支持部（４）によりＸ軸キャリッジ（ＬＸ１，ＬＸ２）に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 強化フレーム（３）が、支持部（４’）により横桁（ＦＹ）の端部に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
5. プロセス力（Ｆ）が、強化フレーム（３）と工具ホルダ（１）の間で作用する空圧シリンダ（５）により加えられ、工具ホルダ（１）における空圧シリンダ（５）の作用点が、工具（２）におけるプロセス力（Ｆ）の作用点に対してＸ方向にずれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の装置。
6. 工具ホルダ（１）における空圧シリンダ（５）の作用点と工具（２）におけるプロセス力（Ｆ）の作用点の間のＸ方向でのずれ量が、プロセス力（Ｆ）がＺ方向で工具（２）に当たる際に、力全てがＸ方向あるいはＹ方向になくなるように選定されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 工具ホルダ（１）における空圧シリンダ（５）の作用点と工具（２）におけるプロセス力（Ｆ）の作用点の間のＸ方向でのずれ量が、空圧シリンダ（５）の傾斜により角度（Ｗ）だけＺ方向に生じていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
8. 工具ホルダ（１）における空圧シリンダ（５）の作用点と工具（２）におけるプロセス力（Ｆ）の作用点の間のＸ方向でのずれ量が、空圧シリンダ（５）の配設によりＺ方向に対して平行であるが、Ｘ方向にはプロセス力（Ｆ）にたいしてずれて生じることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
9. 工具ホルダ（１）における空圧シリンダ（５）の作用点と工具（２）におけるプロセス力（Ｆ）の作用点の間のＸ方向でのずれ量が、調節可能であるように構成されていることを特徴とする請求項５〜８のいずれか一つに記載の装置。

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