JP2015122846A - 位置決め装置の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リニアエンコーダを用いないで軸ねじれ角を得て位置決め制御を行なう。【解決手段】負荷（ヘッドＬ）に搭載された第一の加速度センサ１３からの加速度情報１７を負荷側外乱オブザーバ１６に入力するとともに、加速度情報１７を２回積分（１９）して位置情報２０に変換し、そこからモータエンコーダ１１の位置情報２１を減算した値を軸ねじれ角１８として負荷側外乱オブザーバに入力し、負荷側外乱オブザーバ１６が負荷側の外乱を推定する。また、軸ねじれ角１８に軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックする。【選択図】図３
Description
本発明は電子部品実装装置等に代表される位置決め装置の制御に関するものである。
一般に、例えばＩＣ、抵抗、コンデンサ等の電子部品を基板に実装する装置として電子部品実装装置が知られている。この電子部品実装装置は、部品の搭載を行なうヘッドをＸＹ平面上で移動制御するガントリ型のＸＹ位置決め装置である。
例えばこの電子部品実装装置等に代表されるガントリ型のＸＹ位置決め装置は、回転型モータ＋ボールねじ又はタイミングベルトを用いた構成を備え、負荷（ヘッド）の位置決めを行なう。
特に精密位置決めの際には、例えば図１４に示すように負荷Ｌに沿わせてリニアエンコーダ３１を配置し、フルクローズド制御系を構成して位置決めを行なう位置決め装置が使用される。なお、一例としてモータＭの動力をボールねじ１２で伝達して負荷Ｌを移動させる機構を図示する。
例えばこの電子部品実装装置等に代表されるガントリ型のＸＹ位置決め装置は、回転型モータ＋ボールねじ又はタイミングベルトを用いた構成を備え、負荷（ヘッド）の位置決めを行なう。
特に精密位置決めの際には、例えば図１４に示すように負荷Ｌに沿わせてリニアエンコーダ３１を配置し、フルクローズド制御系を構成して位置決めを行なう位置決め装置が使用される。なお、一例としてモータＭの動力をボールねじ１２で伝達して負荷Ｌを移動させる機構を図示する。
一般の位置決め装置やマニピュレータ等は、図１５に示すようなモータＭ（慣性Ｊｍ）と負荷Ｌ（慣性Ｊｌ）を低剛性の弾性軸（図では、ばねＳ（ばね定数Ｋｆ））で結合した、図１６に示すような２慣性共振系と見なすことができる。これらは、特許文献１，２にも記載されるように共振比制御を用いて２慣性共振負荷の振動抑制と外乱抑圧制御を行なうことができる。なお、Ｊは慣性、θは回転角度、Ｔはトルク、Ｋｆはばね定数、添字ｍはモータ、ｌは負荷、disは外乱、reacは軸ねじれ反力を示す。
モータＭと負荷Ｌ間の機械剛性が低い場合、位置決め時に振動が発生する。振動は位置決めを妨げ、位置決め精度と位置決め時間を悪化させる。
この問題を解決する為、特許文献１には、リニアエンコーダとモータエンコーダとを利用して軸ねじれ角を測定し負荷側外乱オブザーバを構成することで、負荷側が受ける外乱を推定し補償を行うことが記載されている。
また、特許文献２には、上記のリニアエンコーダとモータエンコーダとに加えて、電子部品実装装置のヘッドに加速度センサを取り付けて負荷側外乱オブザーバを構成し、外乱を補償することが記載されている。
電子部品実装装置の場合、部品の搭載を行なうヘッドの位置決め精度が最終的な部品の搭載精度を決定する為、また電子部品実装装置に限らず一般的にも、加速度センサを用いて直接に負荷の加速度情報を入手して制御を行なうことは非常に効果的である。
モータＭと負荷Ｌ間の機械剛性が低い場合、位置決め時に振動が発生する。振動は位置決めを妨げ、位置決め精度と位置決め時間を悪化させる。
この問題を解決する為、特許文献１には、リニアエンコーダとモータエンコーダとを利用して軸ねじれ角を測定し負荷側外乱オブザーバを構成することで、負荷側が受ける外乱を推定し補償を行うことが記載されている。
また、特許文献２には、上記のリニアエンコーダとモータエンコーダとに加えて、電子部品実装装置のヘッドに加速度センサを取り付けて負荷側外乱オブザーバを構成し、外乱を補償することが記載されている。
電子部品実装装置の場合、部品の搭載を行なうヘッドの位置決め精度が最終的な部品の搭載精度を決定する為、また電子部品実装装置に限らず一般的にも、加速度センサを用いて直接に負荷の加速度情報を入手して制御を行なうことは非常に効果的である。
状態フィードバック制御やＨ∞制御は、制御系が複雑であったり計算量が膨大であることなどから、高速、高機能のＣＰＵが必要であったり、また現場での調整が困難である為に、実機への適用には問題がある。これに対して、共振比制御や外乱オブザーバは、比較的簡単な制御系から構成され、現場での調整も容易であり、実用性が高い。
しかしながら、コストダウンの目的の為、例えば図１７に示すようにリニアエンコーダを配置せず、モータＭ端に取り付けられたモータエンコーダ１１のみを用いるセミクローズド制御系で位置決めを行なう位置決め装置も多い。
特許文献１，２に記載の技術では、リニアエンコーダを用いて負荷側外乱オブザーバを構成するため、リニアエンコーダの無いセミクローズド制御の構成では、負荷側外乱オブザーバを構成することができなかった。
特許文献１，２に記載の技術では、リニアエンコーダを用いて負荷側外乱オブザーバを構成するため、リニアエンコーダの無いセミクローズド制御の構成では、負荷側外乱オブザーバを構成することができなかった。
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、リニアエンコーダを用いないで軸ねじれ角を得て位置決め制御を行なうことを課題とする。
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、共振負荷の振動を抑制すると共に外乱を抑制するための共振比制御手段と、負荷の変動を含む外乱を補償するための負荷側外乱オブザーバとを含み、該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までの逆システムを通してフィードバックする位置決め装置の制御装置において、
前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷に搭載された第一の加速度センサを用いて検出した加速度情報に基づき前記負荷側の外乱を推定することを特徴とする位置決め装置の制御装置である（第１、第２、第３実施形態参照）。
前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷に搭載された第一の加速度センサを用いて検出した加速度情報に基づき前記負荷側の外乱を推定することを特徴とする位置決め装置の制御装置である（第１、第２、第３実施形態参照）。
請求項２記載の発明は、前記第一の加速度センサからの加速度情報を前記負荷側外乱オブザーバに入力するとともに、前記第一の加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角として前記負荷側外乱オブザーバに入力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制御装置である（第１、第２実施形態参照）。
請求項３記載の発明は、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを含んで前記共振比制御手段が構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置である（第１実施形態参照）。
請求項４記載の発明は、前記共振比制御手段は、外乱オブザーバを含むとともに、前記第一の加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置である（第２実施形態参照）。
請求項５記載の発明は、前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、
前記負荷側外乱オブザーバは、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値に基づき前記負荷側の外乱を推定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制御装置である（第３実施形態参照）。
前記負荷側外乱オブザーバは、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値に基づき前記負荷側の外乱を推定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制御装置である（第３実施形態参照）。
請求項６記載の発明は、前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、
前記共振比制御手段は、外乱オブザーバを含むとともに、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置である（第３実施形態参照）。
前記共振比制御手段は、外乱オブザーバを含むとともに、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置である（第３実施形態参照）。
請求項７記載の発明は、規範モデルを用い、負荷に搭載された加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置である（第４実施形態参照）。
請求項８記載の発明は、規範モデルを用い、負荷に搭載された第一の加速度センサから加速度情報を得、前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置である（第４実施形態参照）。
請求項９記載の発明は、負荷に搭載された加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置である（第５実施形態参照）。
請求項１０記載の発明は、負荷に搭載された第一の加速度センサから加速度情報を得、前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置である（第５実施形態参照）。
本発明によれば、負荷に搭載された加速度センサから加速度情報を得ることができ、この加速度情報を変換して位置情報とすることで、リニアエンコーダを用いないで軸ねじれ角を得て位置決め制御を行なうことができ、具体的には、これらの加速度情報と軸ねじれ角とに基づき負荷側外乱オブザーバを機能させたり、軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックしたりする制御が可能となる。
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。以下、位置決め装置の中でも特に電子部品実装装置を例として説明を行なう。
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態の位置決め装置の制御装置につき図１及び図２を参照して説明する。第１実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図１に、ブロック線図を図２に示した。
セミクローズド制御の電子部品実装装置では、実際に部品の搭載を行うヘッド（負荷）Ｌの状態をモニタすることが出来ず、モータＭの端に取り付けられたモータエンコーダ１１の情報のみで制御を行なわなくてはならないので整定に限界がある。この状況よりもさらに整定の向上を図ろうとした場合、直にヘッドＬの情報を得ることが必要である。
近年のＭＥＭＳ（微小電気機械システムの略）技術の発達により、小型かつ高精度でありながら、１個で３軸（ＸＹＺ）方向の加速度を計測可能な加速度センサが開発されている。これらは、ゲーム機、携帯電話機、デジタルカメラ等に搭載され大量に使用されているため、比較的安価に入手することが可能である。
そこで、高価なリニアエンコーダの代わりに３軸加速度センサ１３をヘッドＬに搭載することで、各軸方向の加速度情報を元にした制御を実施し整定の改善を行なうこととする。
加速度センサ１３のヘッドＬへの搭載は、実際に部品の搭載を行なう吸着ノズル部に近いところに取り付けることが望ましい。
まず、本発明の第１実施形態の位置決め装置の制御装置につき図１及び図２を参照して説明する。第１実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図１に、ブロック線図を図２に示した。
セミクローズド制御の電子部品実装装置では、実際に部品の搭載を行うヘッド（負荷）Ｌの状態をモニタすることが出来ず、モータＭの端に取り付けられたモータエンコーダ１１の情報のみで制御を行なわなくてはならないので整定に限界がある。この状況よりもさらに整定の向上を図ろうとした場合、直にヘッドＬの情報を得ることが必要である。
近年のＭＥＭＳ（微小電気機械システムの略）技術の発達により、小型かつ高精度でありながら、１個で３軸（ＸＹＺ）方向の加速度を計測可能な加速度センサが開発されている。これらは、ゲーム機、携帯電話機、デジタルカメラ等に搭載され大量に使用されているため、比較的安価に入手することが可能である。
そこで、高価なリニアエンコーダの代わりに３軸加速度センサ１３をヘッドＬに搭載することで、各軸方向の加速度情報を元にした制御を実施し整定の改善を行なうこととする。
加速度センサ１３のヘッドＬへの搭載は、実際に部品の搭載を行なう吸着ノズル部に近いところに取り付けることが望ましい。
図１に示すように本実施形態の位置決め装置の制御装置は、外乱オブザーバ５０と軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を用いた共振比制御と、さらに負荷側外乱オブザーバ１６を用いて、共振負荷の振動抑制と外乱抑圧制御を実現する構成である。
なお、共振比制御手段は、外乱オブザーバ５０と軸ねじれ反力推定オブザーバ６０から構成される。
ヘッドＬに搭載した加速度センサ１３（第一の加速度センサ）から出力される加速度情報を元に負荷側外乱オブザーバ１６を構成する。負荷側外乱オブザーバ１６に入力される加速度は加速度センサ１３からの加速度情報１７を使用する。軸ねじれ角１８は、加速度センサ１３からの加速度情報１７を２回積分部１９で２回積分して位置情報２０に変換し、モータエンコーダ１１の位置情報２１から減算することで得られるので、その値を使用する。
なお、３軸（ＸＹＺ）加速度センサ１３の一つの軸（Ｘ軸とする）をヘッドＬの移動方向であるボールねじ１２の軸方向に平行にしてこの加速度センサ１３をヘッドＬに搭載する。ボールねじ１２のピッチが一定であることから、加速度センサ１３により得られたＸ方向の加速度をＸ軸回りの角加速度に変換したものを加速度情報１７とする。
なお、共振比制御手段は、外乱オブザーバ５０と軸ねじれ反力推定オブザーバ６０から構成される。
ヘッドＬに搭載した加速度センサ１３（第一の加速度センサ）から出力される加速度情報を元に負荷側外乱オブザーバ１６を構成する。負荷側外乱オブザーバ１６に入力される加速度は加速度センサ１３からの加速度情報１７を使用する。軸ねじれ角１８は、加速度センサ１３からの加速度情報１７を２回積分部１９で２回積分して位置情報２０に変換し、モータエンコーダ１１の位置情報２１から減算することで得られるので、その値を使用する。
なお、３軸（ＸＹＺ）加速度センサ１３の一つの軸（Ｘ軸とする）をヘッドＬの移動方向であるボールねじ１２の軸方向に平行にしてこの加速度センサ１３をヘッドＬに搭載する。ボールねじ１２のピッチが一定であることから、加速度センサ１３により得られたＸ方向の加速度をＸ軸回りの角加速度に変換したものを加速度情報１７とする。
図において、位置偏差演算器３２はモータエンコーダ１１から入力される位置フィードバック信号と位置指令の偏差を演算する。速度演算部３６はモータエンコーダ１１の出力から速度を演算する。速度偏差演算部３８は該速度演算部３６から入力される速度フィードバック信号と前記位置偏差演算器３２から入力される速度指令の偏差を演算する。また、４０は電流アンプである。
外乱オブザーバ５０及び軸ねじれ反力推定オブザーバ６０は、特許文献２に記載のものと同一であり、詳細な説明を省略する。外乱オブザーバ５０及び軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を用いて、２慣性共振系の振動抑制において有効である共振比制御系を構成する。外乱オブザーバゲインｇdisを大きく設定することにより、外乱トルクT disｍの影響が除去される。また、図においてｇreacは軸ねじれ反力推定オブザーバ６０に含まれる１次の低域フィルタ（ＬＰＦ）６２のカットオフ周波数であり、Ｋｒは軸ねじれ量フィードバックゲインであり、任意に設定することができる。
外乱オブザーバ５０及び軸ねじれ反力推定オブザーバ６０は、特許文献２に記載のものと同一であり、詳細な説明を省略する。外乱オブザーバ５０及び軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を用いて、２慣性共振系の振動抑制において有効である共振比制御系を構成する。外乱オブザーバゲインｇdisを大きく設定することにより、外乱トルクT disｍの影響が除去される。また、図においてｇreacは軸ねじれ反力推定オブザーバ６０に含まれる１次の低域フィルタ（ＬＰＦ）６２のカットオフ周波数であり、Ｋｒは軸ねじれ量フィードバックゲインであり、任意に設定することができる。
上記の構成により、リニアエンコーダを用いないで軸ねじれ角１８を得て負荷側外乱オブザーバ１６を構成することができる。負荷側外乱オブザーバ１６が入力された加速度情報１７と、軸ねじれ角１８とに基づき負荷側の外乱を推定する。すなわち、負荷側外乱オブザーバ１６は、ヘッドＬに搭載された加速度センサ１３が出力する値と、モータエンコーダ１１が出力する値とにもとづき負荷側の外乱を推定する。したがって、リニアエンコーダを必要としない。
負荷側外乱オブザーバ１６で推定した負荷への外乱情報２２は、位置指令まで逆システム８０を通してフィードバックして補償を行なう。
負荷側外乱オブザーバ１６内の軸ねじれ定数のノミナル値Ｋｆｎと負荷慣性のノミナル値Ｊｌｎと実際量のズレとを外乱として検出して補償を行なう為、共振周波数の固定を行なうロバスト制御系の実現が可能となる。
負荷側外乱オブザーバ１６で推定した負荷への外乱情報２２は、位置指令まで逆システム８０を通してフィードバックして補償を行なう。
負荷側外乱オブザーバ１６内の軸ねじれ定数のノミナル値Ｋｆｎと負荷慣性のノミナル値Ｊｌｎと実際量のズレとを外乱として検出して補償を行なう為、共振周波数の固定を行なうロバスト制御系の実現が可能となる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態の位置決め装置の制御装置につき図３及び図４を参照して説明する。第２実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図３に、ブロック線図を図４に示した。
上記第１実施形態では共振比制御を構成するのに軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を用いていたが、既にモータエンコーダ１１の位置情報２１と加速度センサ１３の加速度情報１７を２回積分して位置に変換した位置情報２０との差から演算した軸ねじれ角１８があるので、これをそのまま利用して共振比制御を構成する。
本実施形態では、軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を排し、軸ねじれ角１８に軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックし、その他は第１実施形態と同様とする。
このように軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を省略することが可能となり、ＣＰＵ等の演算部の演算負荷を減らすことが可能となる。
次に、本発明の第２実施形態の位置決め装置の制御装置につき図３及び図４を参照して説明する。第２実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図３に、ブロック線図を図４に示した。
上記第１実施形態では共振比制御を構成するのに軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を用いていたが、既にモータエンコーダ１１の位置情報２１と加速度センサ１３の加速度情報１７を２回積分して位置に変換した位置情報２０との差から演算した軸ねじれ角１８があるので、これをそのまま利用して共振比制御を構成する。
本実施形態では、軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を排し、軸ねじれ角１８に軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックし、その他は第１実施形態と同様とする。
このように軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を省略することが可能となり、ＣＰＵ等の演算部の演算負荷を減らすことが可能となる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態の位置決め装置の制御装置につき図５及び図６を参照して説明する。第３実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図５に、ブロック線図を図６に示した。
上記の通り、第１実施形態、第２実施形態では、ヘッドＬに加速度センサ１３を搭載し負荷側外乱オブザーバ１６を構成することにより、実際に部品の搭載を行なうヘッドＬの整定を改善することが可能となる。
しかし、第１実施形態、第２実施形態を電子部品実装装置に適用したにも関わらず、電子部品実装装置全体が振動をしている場合には、却って搭載精度が悪化する可能性がある。すなわち、電子部品実装装置全体が振動をしているのに、部品が搭載される基板２７は電子部品実装装置の架台上の基板搬送部２６に固定されている為、ヘッドＬの振動だけを抑制すると却って部品の搭載精度が悪化する可能性がある。
この問題を解消するために、第３実施形態は、第２の加速度センサ２３を電子部品実装装置の架台部（支持部）２４に設けた。電子部品実装装置の架台部（支持部）２４は、負荷としてのヘッドＬも支持している。そして、図５のブロック図の通り、加速度情報２５を制御系に取り込み、基板２７の振動の状態にヘッドＬの振動も合わせることができる。
なお、第２の加速度センサ２３を搭載する位置は基板２７に近いところが望ましい。
第３実施形態では、第２の加速度センサ２３を電子部品実装装置の架台部２４に搭載して電子部品実装装置の振動の加速度情報２５を検出する。
そして、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用して制御を行う。この結果、相対的に基板２７とヘッドＬとの位置決め精度を向上させることが可能となる。
本実施形態では、上記第２実施形態における負荷側外乱オブザーバ１６及び２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８とし、その他は第２実施形態と同様とする。なお、上記第１実施形態における負荷側外乱オブザーバ１６及び２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８として実施することも可能である。
次に、本発明の第３実施形態の位置決め装置の制御装置につき図５及び図６を参照して説明する。第３実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図５に、ブロック線図を図６に示した。
上記の通り、第１実施形態、第２実施形態では、ヘッドＬに加速度センサ１３を搭載し負荷側外乱オブザーバ１６を構成することにより、実際に部品の搭載を行なうヘッドＬの整定を改善することが可能となる。
しかし、第１実施形態、第２実施形態を電子部品実装装置に適用したにも関わらず、電子部品実装装置全体が振動をしている場合には、却って搭載精度が悪化する可能性がある。すなわち、電子部品実装装置全体が振動をしているのに、部品が搭載される基板２７は電子部品実装装置の架台上の基板搬送部２６に固定されている為、ヘッドＬの振動だけを抑制すると却って部品の搭載精度が悪化する可能性がある。
この問題を解消するために、第３実施形態は、第２の加速度センサ２３を電子部品実装装置の架台部（支持部）２４に設けた。電子部品実装装置の架台部（支持部）２４は、負荷としてのヘッドＬも支持している。そして、図５のブロック図の通り、加速度情報２５を制御系に取り込み、基板２７の振動の状態にヘッドＬの振動も合わせることができる。
なお、第２の加速度センサ２３を搭載する位置は基板２７に近いところが望ましい。
第３実施形態では、第２の加速度センサ２３を電子部品実装装置の架台部２４に搭載して電子部品実装装置の振動の加速度情報２５を検出する。
そして、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用して制御を行う。この結果、相対的に基板２７とヘッドＬとの位置決め精度を向上させることが可能となる。
本実施形態では、上記第２実施形態における負荷側外乱オブザーバ１６及び２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８とし、その他は第２実施形態と同様とする。なお、上記第１実施形態における負荷側外乱オブザーバ１６及び２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８として実施することも可能である。
〔第２実施形態のシミュレーション〕
本発明の効果を確認するため、上記第２実施形態（ブロック線図 図４）についてのシミュレーションを行なった。表１がシミュレーションに用いたパラメータ値である。
本発明の効果を確認するため、上記第２実施形態（ブロック線図 図４）についてのシミュレーションを行なった。表１がシミュレーションに用いたパラメータ値である。
外乱オブザーバゲインｇdisを０、軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを０、負荷側外乱オブザーバゲインｇｌを０とし、図７(a)に示す位置指令θcmdを与えた場合のシミュレーション結果を図７(b)〜(d)に示す。
モータＭの位置応答θｍ（図７(b)）、負荷の位置応答θｌ（図７(c)） 共に振動を生じており、位置指令θcmdと負荷位置応答θｌとの偏差（図７(d)）を見ても大きく振動していることが分かる。
これに対し、外乱オブザーバゲインｇdisを６０、軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを０．５、負荷側外乱オブザーバゲインｇｌを４８０とし、図８(a)に示す位置指令θcmdを与えた場合のシミュレーション結果は、図８(b)〜(d)に示すとおりとなった。なお、図７(a)と図８(a)は共通であり、ここでもシミュレーションに用いたパラメータ値は表１に示す通りである。
負荷位置応答θｌ（図８(c)）を見ると、オーバシュートはまだ少し残っているが、振動はきれいに抑制できていることが分かる。位置指令θcmdと負荷位置応答θｌとの偏差（図８(d)）を見ても、振動の抑制に大きな効果があることが確認できる。
モータＭの位置応答θｍ（図７(b)）、負荷の位置応答θｌ（図７(c)） 共に振動を生じており、位置指令θcmdと負荷位置応答θｌとの偏差（図７(d)）を見ても大きく振動していることが分かる。
これに対し、外乱オブザーバゲインｇdisを６０、軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを０．５、負荷側外乱オブザーバゲインｇｌを４８０とし、図８(a)に示す位置指令θcmdを与えた場合のシミュレーション結果は、図８(b)〜(d)に示すとおりとなった。なお、図７(a)と図８(a)は共通であり、ここでもシミュレーションに用いたパラメータ値は表１に示す通りである。
負荷位置応答θｌ（図８(c)）を見ると、オーバシュートはまだ少し残っているが、振動はきれいに抑制できていることが分かる。位置指令θcmdと負荷位置応答θｌとの偏差（図８(d)）を見ても、振動の抑制に大きな効果があることが確認できる。
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態の位置決め装置の制御装置につき図９から図１２を参照して説明する。第４実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック線図を図１０に示した。図９は比較例のブロック線図である。
次に、本発明の第４実施形態の位置決め装置の制御装置につき図９から図１２を参照して説明する。第４実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック線図を図１０に示した。図９は比較例のブロック線図である。
上記第１〜第３実施形態ではオブザーバ１６，５０，６０を用いた制御を採用したが、その他の制御についても加速度センサを用いた振動抑制の手法は有効である。
例として、規範モデルを用いた制御を対象とした場合について説明する（規範モデルを用いた制御については、「サーボモータの適応制御」 計測と制御 Vol. 32 (1993) No. 12 などを参照）。
図９は、規範モデル７０を用いた制御手法のブロック線図である。制御対象となるモータと負荷とを２慣性系の共振負荷としている。この場合のシミュレーション結果を図１１に示す。表２がシミュレーションに用いたパラメータ値である。
例として、規範モデルを用いた制御を対象とした場合について説明する（規範モデルを用いた制御については、「サーボモータの適応制御」 計測と制御 Vol. 32 (1993) No. 12 などを参照）。
図９は、規範モデル７０を用いた制御手法のブロック線図である。制御対象となるモータと負荷とを２慣性系の共振負荷としている。この場合のシミュレーション結果を図１１に示す。表２がシミュレーションに用いたパラメータ値である。
図１１に示す結果を見て分かる通り、負荷位置応答θｌ（図１１(c)）に大きな振動を生じてしまっている。
対策として、上記第１〜第３実施形態と同様に加速度センサの情報を元にした振動抑制の手法を実施する。
上記第２実施形態と同様に、ヘッドＬに搭載した加速度センサ１３の加速度情報１７を２回積分して位置に変換した位置情報２０と、モータエンコーダ１１の位置情報との差から演算した軸ねじれ角１８に、軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックすることで振動の抑制を行なう。図１０がそのブロック線図である。
この場合のシミュレーション結果を図１２に示す。なお、図１１(a)と図１２(a)は共通であり、ここでもシミュレーションに用いたパラメータ値は表２に示す通りである。
軸ねじれのフィードバックを実施しない場合（図１１）に比べて、図１２に示す通り振動をきれいに抑制することができ、良好な位置決めを実現できていることが分かる。
さらに、上記第３実施形態で採用した、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用した制御を行なうことも同様に効果がある。すなわち、図１０の２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８として実施することで、電子部品実装装置全体の振動に合わせたヘッドＬの振動抑制の効果がある。
対策として、上記第１〜第３実施形態と同様に加速度センサの情報を元にした振動抑制の手法を実施する。
上記第２実施形態と同様に、ヘッドＬに搭載した加速度センサ１３の加速度情報１７を２回積分して位置に変換した位置情報２０と、モータエンコーダ１１の位置情報との差から演算した軸ねじれ角１８に、軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックすることで振動の抑制を行なう。図１０がそのブロック線図である。
この場合のシミュレーション結果を図１２に示す。なお、図１１(a)と図１２(a)は共通であり、ここでもシミュレーションに用いたパラメータ値は表２に示す通りである。
軸ねじれのフィードバックを実施しない場合（図１１）に比べて、図１２に示す通り振動をきれいに抑制することができ、良好な位置決めを実現できていることが分かる。
さらに、上記第３実施形態で採用した、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用した制御を行なうことも同様に効果がある。すなわち、図１０の２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８として実施することで、電子部品実装装置全体の振動に合わせたヘッドＬの振動抑制の効果がある。
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態の位置決め装置の制御装置につき図１３を参照して説明する。第５実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図１３に示した。
上記第１〜第３実施形態の制御ではオブザーバ１６，５０，６０を用いた。上記第４実施形態の制御では規範モデル７０を用いた。これらを用いない位置決め装置の制御にあっても、上記第２実施形態と同様に、ヘッドＬに搭載した加速度センサ１３の加速度情報１７を２回積分して位置に変換した位置情報２０と、モータエンコーダ１１の位置情報２１との差から演算した軸ねじれ角１８に、軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックすることで振動の抑制を行なうことができる。図１３がそのブロック図である。
さらに、上記第３実施形態で採用した、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用した制御を行なうことも同様に効果がある。すなわち、図１３の２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８として実施することで、電子部品実装装置全体の振動に合わせたヘッドＬの振動抑制の効果がある。
次に、本発明の第５実施形態の位置決め装置の制御装置につき図１３を参照して説明する。第５実施形態に係る位置決め装置の制御装置のブロック図を図１３に示した。
上記第１〜第３実施形態の制御ではオブザーバ１６，５０，６０を用いた。上記第４実施形態の制御では規範モデル７０を用いた。これらを用いない位置決め装置の制御にあっても、上記第２実施形態と同様に、ヘッドＬに搭載した加速度センサ１３の加速度情報１７を２回積分して位置に変換した位置情報２０と、モータエンコーダ１１の位置情報２１との差から演算した軸ねじれ角１８に、軸ねじれ定数Ｋｆｎと軸ねじれ量フィードバックゲインＫｒを乗算してフィードバックすることで振動の抑制を行なうことができる。図１３がそのブロック図である。
さらに、上記第３実施形態で採用した、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用した制御を行なうことも同様に効果がある。すなわち、図１３の２回積分部１９に入力される情報を以上の加速度情報２８として実施することで、電子部品実装装置全体の振動に合わせたヘッドＬの振動抑制の効果がある。
〔その他の実施形態〕
図示した制御装置内で、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。
以上の第１〜第５実施形態では、例として電子部品実装装置を取り上げたが、その他の位置決め制御装置への適用も可能である。
また、例として１つの軸を制御する場合について説明したが、複数の軸制御に適用することも可能である。その場合、３軸加速度センサを用いることで、１個の加速度センサでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の制御系に適用することが可能である。
外乱オブザーバ５０のモータ慣性のノミナル値を実際のモータ慣性値より大きく設定しても良い。これにより、位相進み補償を達成し、２慣性共振系よりもさらに高次の振動極に対して安定化を図ることが可能となり、すべての共振極の安定化を達成することができる（特許登録第4860277号参照）。
負荷側外乱オブザーバ１６で推定した負荷への外乱情報２２をフィードバックする際の逆システム８０として、環境によりノイズが問題となる場合には、微分項を省略して０次項のみとした次式で表されるような逆システムを用いることでノイズの影響を低減することが可能である。
図示した制御装置内で、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。
以上の第１〜第５実施形態では、例として電子部品実装装置を取り上げたが、その他の位置決め制御装置への適用も可能である。
また、例として１つの軸を制御する場合について説明したが、複数の軸制御に適用することも可能である。その場合、３軸加速度センサを用いることで、１個の加速度センサでＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の制御系に適用することが可能である。
外乱オブザーバ５０のモータ慣性のノミナル値を実際のモータ慣性値より大きく設定しても良い。これにより、位相進み補償を達成し、２慣性共振系よりもさらに高次の振動極に対して安定化を図ることが可能となり、すべての共振極の安定化を達成することができる（特許登録第4860277号参照）。
負荷側外乱オブザーバ１６で推定した負荷への外乱情報２２をフィードバックする際の逆システム８０として、環境によりノイズが問題となる場合には、微分項を省略して０次項のみとした次式で表されるような逆システムを用いることでノイズの影響を低減することが可能である。
以上の第１〜第５実施形態では、位置フィードバック及び速度フィードバックを行っているが、加速度センサ１３で加速度情報１７を得ている。そこで、共振比制御、負荷側外乱オブザーバ等に加えて、加速度センサ１３の出力（加速度情報１７）をフィードバックする加速度フィードバック制御を併用することも可能である。
以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の効果がある。
上記第１〜第３実施形態によれば、ヘッドＬに取り付けた加速度センサ１３から出力される加速度信号１７を用いて、共振比制御と負荷側外乱オブザーバを構成することで、セミクローズド制御においてもヘッドＬの外乱の抑制と振動の抑制を実現することが可能となり、高精度での電子部品の搭載を達成できる。
以上の実施形態によれば、高価なリニアエンコーダの代わりに安価な加速度センサを用いることで大幅なコストダウンが可能である。
上記第２、第３実施形態によれば、加速度センサ１３の加速度情報１７を元に演算した軸ねじれ角１８を利用して共振比制御を構成することで、軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を省略することが可能となり、ＣＰＵ等の演算部の演算負荷を減らすことが可能となる。
上記第３実施形態によれば、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用して制御を行なうことにより、ヘッドＬの位置決めに対する架台部２４の振動の影響を相対的に抑えることが可能となる。即ち、電子部品の搭載精度の向上が可能である。
上記第１〜第３実施形態によれば、ヘッドＬに取り付けた加速度センサ１３から出力される加速度信号１７を用いて、共振比制御と負荷側外乱オブザーバを構成することで、セミクローズド制御においてもヘッドＬの外乱の抑制と振動の抑制を実現することが可能となり、高精度での電子部品の搭載を達成できる。
以上の実施形態によれば、高価なリニアエンコーダの代わりに安価な加速度センサを用いることで大幅なコストダウンが可能である。
上記第２、第３実施形態によれば、加速度センサ１３の加速度情報１７を元に演算した軸ねじれ角１８を利用して共振比制御を構成することで、軸ねじれ反力推定オブザーバ６０を省略することが可能となり、ＣＰＵ等の演算部の演算負荷を減らすことが可能となる。
上記第３実施形態によれば、ヘッドＬに搭載した第１の加速度センサ１３の加速度情報１７から、架台部２４に搭載した第２の加速度センサ２３の加速度情報２５を減算した加速度情報２８を利用して制御を行なうことにより、ヘッドＬの位置決めに対する架台部２４の振動の影響を相対的に抑えることが可能となる。即ち、電子部品の搭載精度の向上が可能である。
Ｌ 負荷（ヘッド）
Ｍ モータ
１１ モータエンコーダ
１３ 第一の加速度センサ
１６ 負荷側外乱オブザーバ
１８ 軸ねじれ角
２２ 外乱情報
２３ 第二の加速度センサ
２４ 架台部
２６ 基板搬送部
２７ 基板
Ｍ モータ
１１ モータエンコーダ
１３ 第一の加速度センサ
１６ 負荷側外乱オブザーバ
１８ 軸ねじれ角
２２ 外乱情報
２３ 第二の加速度センサ
２４ 架台部
２６ 基板搬送部
２７ 基板
Claims (10)
- 共振負荷の振動を抑制すると共に外乱を抑制するための共振比制御手段と、負荷の変動を含む外乱を補償するための負荷側外乱オブザーバとを含み、該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までの逆システムを通してフィードバックする位置決め装置の制御装置において、
前記負荷側外乱オブザーバは、前記負荷に搭載された第一の加速度センサを用いて検出した加速度情報に基づき前記負荷側の外乱を推定することを特徴とする位置決め装置の制御装置。 - 前記第一の加速度センサからの加速度情報を前記負荷側外乱オブザーバに入力するとともに、前記第一の加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角として前記負荷側外乱オブザーバに入力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制御装置。
- 外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを含んで前記共振比制御手段が構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置。
- 前記共振比制御手段は、外乱オブザーバを含むとともに、前記第一の加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置。
- 前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、
前記負荷側外乱オブザーバは、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値に基づき前記負荷側の外乱を推定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制御装置。 - 前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、
前記共振比制御手段は、外乱オブザーバを含むとともに、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置の制御装置。 - 規範モデルを用い、負荷に搭載された加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置。
- 規範モデルを用い、負荷に搭載された第一の加速度センサから加速度情報を得、前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置。
- 負荷に搭載された加速度センサからの加速度情報を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置。
- 負荷に搭載された第一の加速度センサから加速度情報を得、前記負荷を支持する支持部に搭載された第二の加速度センサから加速度情報を得、前記第一の加速度センサの加速度情報から前記第二の加速度センサの加速度情報を減算した値を位置情報に変換し、そこからモータエンコーダの位置情報を減算した値を軸ねじれ角とし、当該軸ねじれ角に軸ねじれ定数と軸ねじれ量フィードバックゲインを乗算してフィードバックすることを特徴とする位置決め装置の制御装置。
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Cited By (1)
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