JP3138069B2

JP3138069B2 - 電子部品装着装置における位置制御装置

Info

Publication number: JP3138069B2
Application number: JP04202063A
Authority: JP
Inventors: 昌彦橋本; 仁夫富樫; 明阪口
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1992-07-29
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 2001-02-26
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JPH0653696A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体チップ等の電子
部品をプリント基板等の装着面上の所定位置に自動的に
装着するための電子部品装着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、プリント基板上の所定位置に電子
部品を自動的に表面実装する装置は、電子部品を真空吸
着するための吸着ヘッド機構を具え、該吸着ヘッド機構
は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の移動制御が可能な往復装
置に取り付けられている。

【０００３】上記表面実装装置を用いた表面実装におい
ては、先ず吸着ヘッド機構を電子部品供給装置の部品供
給位置へ移動させて、吸着ノズルによって電子部品を真
空吸着し、その後、該電子部品をプリント基板の上方位
置まで移動させ、更に、該吸着ヘッド機構を降下せしめ
て、電子部品をプリント基板表面の所定位置に設置す
る。

【０００４】そして、電子部品がプリント基板に接触し
た時点で、更に吸着ヘッド機構を下方へ駆動して、電子
部品を基板表面の接着層或いは半田ペースト層へ押し付
け、該電子部品をプリント基板に固定或いは仮固定す
る。

【０００５】その後、吸着ヘッド機構を部品供給装置上
へ復帰せしめて、次の電子部品の表面実装動作に移行す
るのである。

【０００６】ところで、従来の表面実装装置において
は、吸着ヘッド機構の水平面上の移動、即ちＸ軸及びＹ
軸方向の移動は、２つのモータを具えたＸ−Ｙテーブル
機構の駆動によって行なわれている。

【０００７】又、吸着ヘッド機構の昇降動作は、カム機
構をモータにより駆動することによって行なわれてい
る。該カム機構は、部品供給装置上の電子部品に吸着ノ
ズルを押し当てる際、及び、吸着した電子部品をプリン
ト基板に押し付ける際、電子部品に過度の衝撃力や加圧
力が作用しない様、カム曲線が設計されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の部品装
着装置においては、吸着ヘッド機構を位置決めするため
の上記３つのモータの制御系は、夫々吸着ヘッド機構の
現在位置の検出に基づく一般的なフィードバック制御系
によって構成されているため、遅れ時間の発生は避ける
ことが出来ず、現在位置が目標位置に到達するまでに時
間がかかる問題があった。特に部品装着装置における位
置決め時間は、生産能率に直接に影響を及ぼすこととな
る。

【０００９】本発明の目的は、吸着ヘッド機構の位置決
め時間を短縮出来る電子部品装着装置における位置制御
装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る電子部品装着
装置における位置制御装置は、往復装置の駆動による吸
着ヘッド機構の目標位置を設定する手段と、吸着ヘッド
機構の現在位置と前記目標位置の偏差に応じて、往復装
置に対する制御信号を作成する位置制御手段と、前記目
標位置設定手段と位置制御手段の間に直列に介装され、
前記位置制御手段の伝達関数とは逆数関係の伝達関数を
有する補償手段とを具えている。

【００１１】又、前記補償手段の伝達関数を決定するべ
く、補償手段から出力される制御入力と位置制御手段か
ら出力される位置出力のサンプリングデータに基づい
て、位置制御手段の伝達関数のパラメータを推定する手
段を具えることが出来る。

【００１２】

【作用】上記装置において、吸着ヘッド機構に対する目
標位置の指令は補償手段を経た後、位置制御手段へ入力
され、該位置制御手段において、吸着ヘッド機構の現在
位置に応じた位置出力が検出されると共に、補償手段か
らの制御入力と前記位置出力との偏差に基づくフィード
バック制御が行なわれる。

【００１３】この際、補償手段の伝達関数は、位置制御
手段の伝達関数とは逆数関係に設定されているから、補
償手段に含まれる進み要素と、位置制御手段に含まれる
遅れ要素とが互いに相殺し、補償手段を含む全体の制御
系からは、目標値指令に対して殆ど遅れの無い位置出力
が得られる。

【００１４】位置制御手段の伝達関数のパラメータを推
定する手段を具えた場合、補償手段から出力される制御
入力と、位置制御手段から出力される位置出力がサンプ
リングされ、該サンプリングデータに最小２乗法が適用
されて、前記パラメータが推定される。そして、前記推
定パラメータによって規定される伝達関数の逆数をとる
ことにより、補償手段の伝達関数が決定される。

【００１５】

【発明の効果】本発明に係る部品装着装置における位置
制御装置によれば、吸着ヘッド機構の位置決め時間を短
縮することが出来、これによって生産能率を上げること
が可能となる。

【００１６】

【実施例】本発明の一実施例につき、図面に沿って詳述
する。図２乃至図６は、本発明を実施すべき電子部品表
面実装装置の具体的な構成を示しており、先ず該装置の
メカニズムについて説明する。

【００１７】図２に示す如く表面実装装置(２)は、機台
上に、プリント基板(31)を搬送するための一対のコンベ
ヤ(32)(33)を具えると共に、電子部品を載置するための
部品トレイ(30)を具え、更にコンベヤ(32)(33)を挟んで
両側には、テープ(38)に収容された電子部品を１ピッチ
ずつ送るテープフィーダユニット(37)と、電子部品を縦
積みした状態で収納する部品マガジン(39)を配置してい
る。

【００１８】電子部品を吸着保持するための吸着ヘッド
機構(４)をＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動させるＸ−Ｙテ
ーブルは、機台上にＹ軸方向へ架設された一対のＹ軸方
向ガイド体(35)(36)と、該ガイド体に摺動可能に係合し
Ｙ軸方向に駆動されるＸ軸方向ガイド体(34)とを具え、
吸着ヘッド機構(４)は、Ｘ軸方向ガイド体(34)上にＸ軸
方向へ往復駆動可能に取り付けられている。

【００１９】吸着ヘッド機構(４)は、図３に示す如くＸ
軸方向ガイド体(34)上にヘッド昇降機構(５)を介して保
持されている。ヘッド昇降機構(５)は、Ｘ軸方向ガイド
体(34)に対して摺動可能に係合したＺ軸方向ガイド体(5
3)を具え、該Ｚ軸方向ガイド体(53)には、一対の軸受(5
5)(56)によって垂直に支持されたボールねじ(52)が配置
されている。該ボールねじ(52)には、Ｚ軸方向ガイド体
(53)に摺動可能に係合して上下動を案内された昇降ブロ
ック(54)が螺合している。

【００２０】ボールねじ(52)の上端部には、Ｚ軸方向ガ
イド体(53)上に設置されたモータ(51)が連結されてい
る。又、昇降ブロック(54)には、吸着ヘッド機構(４)に
突設した支持アーム(40)が固定されている。

【００２１】従って、モータ(51)の駆動によってボール
ねじ(52)が回転すると、ねじ推力によって昇降ブロック
(54)が昇降駆動され、これに伴って吸着ヘッド機構(４)
が昇降することになる。

【００２２】吸着ヘッド機構(４)は、図４に示す如く支
持アーム(40)に軸受(401)(402)を介して垂直に支持され
た外筒(44)を具え、該外筒(44)の内部に内筒(45)が配置
され、外筒(44)に対して軸方向の移動が可能で且つ相対
回転不能に係合している。

【００２３】内筒(45)の中央孔(46)は図示省略する真空
ポンプに連繋している。又、内筒(45)の下端部には、吸
着ノズル(41)を挟圧保持する一対の挟圧アーム(42)(42)
が取り付けられている。

【００２４】外筒(44)の下端部に一体に設けたドラム部
材(49)の開口端面には、図５に示す如き円板状のバネ板
部材(61)が外周部にてねじ止め固定され、該バネ板部材
(61)の内周部は、内筒(45)にねじ止め固定されている。
又、バネ板部材(61)の表面にストレインゲージ(62)(62)
が貼着され、電子部品を基板上へ押し付ける際の加圧力
を測定するための圧力センサー(６)を構成している。

【００２５】前記一対の挟圧アーム(42)(42)は、図６の
如く内筒(45)の下端部に枢支連結され、両アーム間にス
プリング(43)が張設されている。これによって、吸着ノ
ズル(41)は、両挟圧アーム(42)(42)によって着脱可能に
挟圧保持され、保持された状態で、ノズル孔は内筒(45)
の中央孔(46)と連通することになる。

【００２６】尚、図４の如く、外筒(44)にはタイミング
ベルト(48)によって駆動されるプーリ(47)が取り付けら
れており、図示省略する駆動機構によって外筒(44)を所
定角度だけ回転させて、吸着ノズル(41)に保持した電子
部品(３)の向きを任意に変えることが可能となってい
る。

【００２７】上記表面実装装置(２)は、図７に示すマイ
クロコンピュータ(１)によって動作が制御されている。
即ち、吸着ヘッド機構(４)をＸ軸方向及びＹ軸方向へ移
動させる前述のＸ−Ｙテーブルは、Ｘ軸方向への駆動を
担うモータ(21)及びＹ軸方向の駆動を担うモータ(22)を
具え、両モータ(21)(22)へ夫々Ｄ／Ａ変換器(14)(16)及
びドライバー(15)(17)を経てモータ制御信号が送られ
て、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置が制御される。

【００２８】尚、Ｘ−ＹテーブルもＺ軸方向の駆動機構
と同様に、Ｘ軸とＹ軸の夫々について、ボールねじによ
る往復装置を具え、前記モータ(21)(22)の回転がボール
ねじによって往復移動に変換される。

【００２９】又、吸着ヘッド機構(４)をＺ軸方向へ移動
させるための昇降駆動用モータ(51)に対しては、Ｄ／Ａ
変換器(11)及びドライバー(12)を経て、目標位置に応じ
たモータ制御信号が送られて、Ｚ軸方向の位置が制御さ
れる。

【００３０】電子部品が基板表面に接触した後は、圧力
センサー(６)の出力信号がＡ／Ｄ変換器(13)を介してマ
イクロコンピュータ(１)へ供給される。これに応じてマ
イクロコンピュータ(１)がモータ制御信号を作成し、該
信号はＤ／Ａ変換器(11)及びドライバー(12)を経てモー
タ(51)へ送られて、加圧力の制御が行なわれる。

【００３１】尚、上記各モータ(21)(22)(51)にはロータ
リエンコーダ(図示省略)が内蔵されており、該エンコー
ダ出力が、後述の位置信号としてマイクロコンピュータ
(１)へフィードバックされている。

【００３２】図１は、本発明におけるＸ軸、Ｙ軸及びＺ
軸の夫々についての制御ブロックを示している。前記マ
イクロコンピュータから出力された目標位置指令Ｘｒ
は、補償要素(94)を介して位置制御系(９)へ入力され、
該位置制御系(９)において、位置出力が検知されると共
に、補償要素(94)からの制御入力Ｘｒ′と位置出力Ｘと
の偏差が算出される。

【００３３】上記偏差は、所定のゲインＫｐ(91)が乗じ
られた後、速度制御系(92)へ入力される。該速度制御系
(92)は、前記のＸ軸、Ｙ軸或いはＺ軸方向の往復装置、
各往復装置の動力源であるモータ等から構成されるもの
である。速度制御系(92)からの速度信号は、積分要素(9
3)を経て位置信号Ｘに変換されて、フィードバック信号
となる。

【００３４】上記補償要素(94)は、位置制御系(９)の伝
達関数Ｇ(ｓ)とは逆数関係を有する伝達関数１／Ｇ(ｓ)
を有している。従って、位置制御系(９)の遅れ時間に相
当する時間だけ、予め補償要素(94)によって時間軸が進
められることになり、位置制御系(９)からは、目標位置
指令Ｘｒに対して遅れの無い位置出力Ｘが得られるので
ある。

【００３５】図８は速度制御系(92)の制御ブロックを示
しており、ここで、ｍはモータ等の可動部の慣性モーメ
ント、ｃは可動部に作用する粘性摩擦係数、Ｋｖ_P及び
Ｋｖ_Iは夫々速度制御ループの比例ゲイン及び積分ゲイ
ン、Ｋｐは位置制御ループのゲインを表わしている。

【００３６】この場合、速度制御系(92)の閉ループ特性
Ｇ1(ｓ)は下記数１で表わされる。

【００３７】

【数１】

【００３８】従って、位置制御系(９)全体の伝達関数Ｇ
(ｓ)及びその逆伝達関数１／Ｇ(ｓ)は下記数２及び数３
によって表わされる。

【００３９】

【数２】

【数３】

【００４０】従って、図１に示す補償要素(94)として、
上記数３で表わされる伝達関数を設定すれば、位置制御
系(９)についての入力信号と出力信号を一致させること
が出来、これによって制御遅れを零にすることが出来
る。

【００４１】補償要素(94)の伝達関数を決定するには、
先ず位置制御系(９)の伝達関数を求める必要がある。そ
こで本実施例では、図９に示す如くパラメータ推定器(9
5)を装備し、該パラメータ推定器(95)に対して、補償要
素(94)から出力される制御入力Ｘｒ′のサンプリングデ
ータと、位置制御系(９)から出力される位置出力Ｘのサ
ンプリングデータを入力する。

【００４２】パラメータ推定器(95)は、上記のサンプリ
ングデータに対して逐次最小２乗法を適用して、伝達関
数のパラメータｍ、ｃ、Ｋｖ_P、Ｋｖ_I、及びＫｐを同定
するものである。

【００４３】図１０は、逐次最小２乗法によるパラメー
タの同定手続きを表わしている。先ず、各パラメータの
推定値に初期値を設定し(Ｓ１)、その後、位置制御系に
ついての入出力データを読み込む(Ｓ２)。

【００４４】続いて、最小２乗法を適用して、誤差が最
小となるパラメータを求めて、推定値を修正する(Ｓ
３)。次に、修正された推定値を前記数３に代入して、
逆伝達関数を算出する(Ｓ４)。ここで、前記数２及び数
３で示される連続関数としての伝達関数は、離散時間系
の伝達関数に変換して、パラメータの推定を行なう。

【００４５】その後、上記ステップＳ２に戻って、入出
力データに基づくパラメータの推定計算を繰り返すので
ある。

【００４６】上記計算の繰返しによって推定値の精度は
徐々に上がり、一定時間経過後には、現実の速度制御系
(９)が有する伝達関数のパラメータに可及的に接近した
推定値が得られ、該推定値に基づいて算出された逆伝達
関数を補償要素(94)として設定すれば、目標位置指令に
対して殆ど遅れの無い位置出力が得られる。

【００４７】即ち、吸着ヘッド機構は、Ｘ軸、Ｙ軸及び
Ｚ軸の夫々について、目標位置指令に遅れることなく追
随して移動する。これに伴って、吸着ノズルに保持され
た電子部品は、プリント基板上の目標位置へ向かって迅
速に移動し、所定位置に装着されるのである。

【００４８】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。例えば上記実施例では、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ
軸の夫々について、逆伝達関数による補償を施している
が、この内、任意の１軸或いは２軸のみに、逆伝達関数
による補償を施すことも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る位置制御装置の制御ブロック図で
ある。

【図２】表面実装装置の外観を示す斜視図である。

【図３】ヘッド昇降機構に取り付けられた吸着ヘッド機
構の外観を示す斜視図である。

【図４】吸着ヘッド機構の断面図である。

【図５】圧力センサーの構成を示す一部破断斜視図であ
る。

【図６】吸着ヘッド機構のノズル部の拡大断面図であ
る。

【図７】表面実装装置におけるモータ駆動系を示すブロ
ック図である。

【図８】位置制御系の制御ブロック図である。

【図９】パラメータ推定器を具えた制御系全体の制御ブ
ロック図である。

【図１０】パラメータの推定手続きを示すフローチャー
トである。

【符号の説明】 (１) マイクロコンピュータ (２) 表面実装装置 (３) 電子部品 (４) 吸着ヘッド機構 (41) 吸着ノズル (５) ヘッド昇降機構 (51) モータ (９) 位置制御系 (92) 速度制御系 (94) 補償要素

フロントページの続き (56)参考文献特開平３−203296（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−251218（ＪＰ，Ａ) 特開平２−21303（ＪＰ，Ａ) 特開平４−158401（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−143106（ＪＰ，Ａ) 特開平４−323706（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−168098（ＪＰ，Ａ) 特開平２−234499（ＪＰ，Ａ) 実開昭64−37099（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 13/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子部品を吸着保持すべき吸着ヘッド機
構と、該吸着ヘッド機構を往復移動させる往復装置とを
具えた電子部品装着装置において、往復装置の駆動による吸着ヘッド機構の目標位置を設定
する手段と、吸着ヘッド機構の現在位置と前記目標位置の偏差に応じ
て、往復装置に対する制御信号を作成する位置制御手段
と、前記目標位置設定手段と位置制御手段の間に直列に介装
され、前記位置制御手段の伝達関数とは逆数関係の伝達
関数を有する補償手段とを具えたことを特徴とする電子
部品装着装置における位置制御装置。
【請求項２】補償手段から出力される制御入力のサン
プリングデータと、位置制御手段から出力される位置出
力のサンプリングデータとに基づいて、位置制御手段の
伝達関数のパラメータを推定する手段を具え、推定され
たパラメータから補償手段の伝達関数のパラメータが決
定される請求項１に記載の位置制御装置。