JP3604686B1 - 4軸XYθテーブルとその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
この4軸XYθテーブルでは、移動テーブルの4個の支持手段が、リニア駆動手段により駆動される第1直動機構と、これに所定の角度を持つ第2直動機構と、回動機構とを有する。また、第1直動機構がX方向に駆動される2個の支持手段の回動機構軸線とテーブル基準面との交点同士を結ぶ直線と、第1直動機構がY方向に駆動される2個の支持手段に係わる同様の直線が所定の角度で交わる。また、その制御方法では、移動テーブル上の任意位置に対するXYθ方向の移動指令に応じて4個のリニア駆動手段の移動目標値を計算し、リニア駆動手段を各々の移動目標値に比例する移動速度で同時駆動を行う。
【選択図】 図2
Description
類似の実用されている他の3軸XYθテーブルをも含めてその大半のメカニズムは、図12(右側の図は平面図で、左下側の図は部分的側面図である)に示すように、テーブル台座上に配置されX軸かY軸に平行な駆動軸を持ちテーブル台座上に配置された3個の支持手段によって移動テーブルが支持され、3個の駆動軸によってX方向、Y方向に移動、かつθ方向に回動するものである。
移動テーブルを支持する3個の支持手段は、各々、直動案内手段とこれに案内される直動部材の組からなる直動機構が直交するように組合わされ、さらに回動案内手段とこれに案内されて回動可能な回動部材からなる回動機構が付加されたいわゆるXYθ可動ユニットである。
各々の支持手段のうち、2個の支持手段はテーブル台座側の直動機構がX軸方向に移動可能なように移動テーブルのX軸に略平行な2辺の近辺に配置され、他の1個の支持手段はテーブル台座側の直動機構がY軸方向に移動可能なように移動テーブルのY軸に略平行な1辺に近い位置に配置され、テーブル台座側の3個の直動機構の直動部材は、それぞれテーブル台座に設置されたサーボモータとこの出力軸に連結されたボールネジ機構からなる回転直動変換駆動装置によって必要な方向に必要量だけ移動され、結果として移動テーブルがXYθ方向の移動を行う。
この3軸XYθテーブルの代表的な機種群のテーブル台座に対する移動テーブルの移動可能範囲は、XおよびY方向±10mm以内、テーブルサイズ800mm×800mm程度以下である。これらは移動テーブル上に載ったワークの指定位置に対する粗位置合わせ後の精密位置合わせ等に用いられる。
また一方で、3軸XYθテーブルが、例えばテーブル上にワークを載せそのワーク上の特定位置の計測あるいは加工をするアプリケーションにおいて、Y方向駆動軸から離れた位置にテーブルに垂直に近い(垂直にかけたつもりが垂直から微妙にずれている)負荷がかかったときに、テーブルメカニズムのY方向剛性が低いことにより、そのY方向水平分力で動いてはならない位置計測点あるいは加工点が不本意に動かされるというような問題があった。
また、第2の効果は、3(=2+1)軸に対して1軸駆動軸を加え4(=2+2)軸としたことにより、例えば移動テーブルに搭載されたワーク上の任意の指定位置の計測あるいは加工をするアプリケーションにおいて、従来駆動軸のなかった第4軸の位置にテーブルに垂直に近い方向から(垂直にかけたつもりが垂直から微妙にずれて)負荷された場合に、1軸不足しているために駆動軸から離れた位置ほど剛性が低くなることによってその負荷の水平方向分力で動いてはならない位置計測点あるいは加工点が不本意に動かされるというような従来3軸XYθテーブルで起こっていた問題が解消できることにある。
さらに以上の効果の相乗効果として、位置決め精度あるいは位置決め剛性(サーボ剛性と言ってもよい)の観点から見た場合の、移動テーブルに載せられるワークのサイズの制限、あるいは計測又は加工位置に対する制限が少なくなる。すなわち4個の駆動軸を移動テーブルの外周近辺且つできるだけお互いの距離が遠くなる位置にバランスよく置くことにより、外周近辺においては位置決め精度あるいは位置決め剛性は必要な数値を確保でき、移動テーブルの内側は外周近辺より更に高い位置決め精度と位置決め剛性がバランスよく得られることから、昨今の非常にサイズの大きい液晶装置部品、プラズマディスプレイ装置用部品、回路基盤等の生産工程での画像認識技術を使った位置の微調整あるいはその後の加工等に使用されるXYθテーブルのサイズ、性能を格段に向上させ、従来の生産技術上の障害を取り払うことができるもので、その他のテーブルでワークの位置決めをする用途を含めて本発明の産業上の寄与は非常に大きなものがある。
各支持手段30の構造は、以下のごとくである。
図3にその側面図を示すように、テーブル台座20上の移動テーブル10の基準面10a(仮に説明を単純にするため、移動テーブルの上面が均一な平面とし、これを基準面として以降説明する)に平行な面に第1直動案内手段31が固定され、その上に第1直動部材32がまたがり第1直動案内手段31によって案内されて直動する。第1直動案内部材31と第1直動部材32を合わせて、第1直動機構33と呼ぶ。第1直動機構33は、ボールあるいはコロ等の組み込まれたリニア軸受を持ついわゆるリニアモ−ションメカニズムである。
第1直動部材32上に第2直動案内手段34が、その案内方向線が第1直動機構33の直動方向線に対して直角をなし、移動テーブル基準面11に平行となるように固定され、その上に第2直動部材35がまたがり第2直動案内手段34によって案内されて直動する。第2直動案内手段34と第2直動部材35を合わせて、第2直動機構36と呼ぶ。第2直動機構36も、第1直動機構33と同様のリニアモーションメカニズムである。
第2直動部材35上には回動案内手段37(回動案内軸取付け部37aと回動案内軸37bとボールベアリング内輪およびボールベアリング内輪抜け止め部37cからなる)が、その回動案内軸37bの中心線が移動テーブル基準面10aに対して垂直になるように固定され、ボールベアリングのボールと外輪からなる回動部材38を回動自在に案内している。この外輪が、移動テーブル10にこの外輪の把持手段として配設された穴に嵌め合わせられて把持される。抜け止め機構は図示を省略してある。以上、第1直動案内手段31から回動機構39までを支持手段30と呼ぶ。
図2には、回動案内手段37bの中心線が第2直動機構の直動中心線と交差するように描かれているが、必ずしもその必要はなく該直動中心線と移動テーブル基準面に平行ないかなる方向に一定距離離れていても機構学的に等価であるため構わない。
ナット56が第1直動部材32に回動不能に結合されており、モータ51の回転によってナット56すなわち第1直動部材32が直動する。
このリニア駆動手段50が第1直動部材32を駆動するメカニズムは、その駆動方向に対して当然のことながら剛性が高く、位置決め時も高い剛性で第1直動部材32を保持する。
また、移動テーブル基準面10aを含む面に平行な仮想面をXY座標面とし、図上左下で示すように矢印方向にXおよびY座標の方向をとる。
なお、図においては、移動前の移動テーブル10の各辺がX座標軸あるいはY座標軸に平行に描かれているが、その必然性はなくどのような状態でも構わない。
まず、直線ABと直線CDが直交する(同義であるが、A回動案内軸(37b)とB回動案内軸(37b)の双方を含む平面とC回動案内軸(37b)とD回動案内軸(37b)の双方を含む平面が相互に垂直かつXY座標面とも垂直となる)ように点A,C,B,Dを配置する。移動テーブル10上に点A、B、C、Dに対応する回動部材38の各々が回動自在に嵌合把持される。次に、A第1直動機構(36)とB第1直動機構(36)の直動方向線をX軸に平行に、かつC第1直動機構(36)とD第1直動機構(36)の直動方向線をY軸に平行になるようにリニア駆動手段50のA組、C組、B組、D組を配置する。
なお、この機構の動作の概略は以下のごとくである。
移動テーブル10に配置された点A、B,C,Dは、第1直動部材32上に固定されその移動方向に対し直角な方向に配置された第2直動案内手段34に沿って動く第2直動部材35の上に載っていることから、リニア駆動手段50即ちこれに連結された第1直動機構33の動きによって移動テーブル10が回動を伴う移動をしようとすると4個のそれぞれの第2直動部材35が適宜第2直動案内手段34に沿って逃げの動きをし、4個のリニア駆動手段50の適切な駆動制御によって移動テーブル10は移動可能となる。
テーブル制御装置101は上位のシステム制御装置からの指令に基づき4軸XYθテーブルのメカニズムの駆動を司る制御装置である。
システム制御装置102は、4軸XYθテーブルが組み込まれるシステム(例えば、4軸XYθテーブルにロードされるワークの位置、姿勢を測定する光学式読取装置、光学式読取装置の結果でワークの位置、姿勢を変更する、あるいはワークに部品を取付ける、加工を施す等の特定の仕事をする、更にはワークをアンロードする等の生産システム)の制御を司る。
テーブル制御装置101は、システム制御装置102から4軸XYθテーブルの移動テーブル10の位置と角度の変更指令(例えば、移動目標量ΔX、ΔY、Δθ)を受け、4軸の駆動軸(リニア駆動手段A、B、C、D)50の駆動条件(軸移動目標値、駆動速度等)を計算し、それに基づいて駆動軸50を駆動制御する。
テーブル制御装置は計算・制御機能を持った専用のサーボ制御装置である。
このサーボ制御装置は、パーソナルコンピュータとモータドライバを持ったサーボ制御装置でも、また他の形態のものでもよい。またシステム制御装置がこの機能を併せ持ってもよい。
まず与えられた被移動点P(X、Y)とその移動目標値(ΔX、ΔY、Δθ、以降、テーブル移動目標値と呼ぶ)と点A、B、C、Dの現座標(Xa、Xb、Yc、Yd)および支持手段30を構成する第1直動機構33、第2直動機構36、回動機構39および移動テーブル10の相互の位置角度関係諸元、から、4軸のリニア駆動手段50各々の最終変位(軸移動目標値で、点A、B、C、Dに対応する各々の軸に対して矢印の方向にそれぞれΔXa、ΔXb、ΔYc、ΔYd)を幾何学的に計算する。
次に、各々のリニア駆動手段50を後述の制御方式によって軸移動目標値分駆動制御し、移動テーブルをテーブル移動目標値の量だけ動かす。
(1)従来の3軸XYθテーブルの制御方法
従来の3軸XYθテーブル、例えばDリニア駆動手段(50)とD支持手段(30)がないテーブルの場合には、移動テーブル10に対して上記の移動を行うときには、一般的にテーブル移動目標値(ΔX、ΔY、Δθ)を細分化しその積み重ねで移動を実行する。すなわち「ΔX=ΔX1+ΔX2+・・・・+ΔXn、ΔY=ΔY1+ΔY2+・・・・+ΔYn、Δθ=Δθ1+Δθ2+・・・・+Δθn」のようにn分割し(必ずしも等分割ではない)、細分化された各々のテーブル移動目標値(ΔXi、ΔYi、Δθi ここに、i=1、2、・・・・、n)に対して3軸のリニア駆動手段50各々の細分化された軸移動目標値(ΔXai、ΔXbi、ΔYci ここに、i=1、2、・・・・、n)を計算(一義的に決まる)で求め、その結果得られたi=1〜nに対応する細分化された軸移動目標値分の移動を積み重ねることによって最終移動目標を達成する。
テーブル移動目標値(ΔX、ΔY、Δθ)に対してA、B、C点それぞれの軸移動目標値(ΔXa、ΔXb、ΔYc)の移動を達成する過程でのリニア駆動手段50のそれぞれの制御は、次のようになる。各々の支持手段30が、第1直動機構33に対して直交する第2直動機構36、および第2直動機構36と移動テーブル10との間の回動機構39をもち自由度があることから、上記の細分化された各々のテーブル移動目標値(ΔXi、ΔYi、Δθi ここに、i=1、2、・・・・、n)に対して計算された3軸のリニア駆動手段50各々の細分化された軸移動目標値(ΔXai、ΔXbi、ΔYci ここに、i=1、2、・・・・、n)の移動は機構的にこじりを発生して動かなくなるということなくスムーズになされることはもちろん、P点の移動経路がどのようであろうが第2直動機構36が可動範囲を超えない限りにおいては問題なく移動可能である。また、各駆動軸の軸移動目標値への到達時間もばらばらでも問題なく、しかも上記nの値についても必ずしも複数である必要はなく単数であっても問題ない。このことは機構学的に明白なことである。
従って、現実の各駆動軸の制御方法は、許されるコストとテーブル移動の応答速度仕様によって各軸一定速度送り、軸ごとに速度を変える等々各種選択でき比較的容易である。
一方、4軸XYθテーブルの場合には、移動テーブルに対して前記のテーブル移動目標値移動を行うときには、3軸XYθテーブルの一般的な制御方法の場合と同様に、テーブル移動目標値(ΔX、ΔY、Δθ)を細分化しその積み重ねで移動を実行する。すなわちΔX=ΔX1+ΔX2+・・・・+ΔXn、ΔY=ΔY1+ΔY2+・・・・+ΔYn、Δθ=Δθ1+Δθ2+・・・・+Δθnのようにn分割し、細分化された各々のテーブル移動目標値(ΔXi、ΔYi、Δθi ここに、i=1、2、・・・・、n)に対して、4軸のリニア駆動手段50各々の細分化された軸移動目標値(ΔXai、ΔXbi、ΔYci、ΔYdi ここに、i=1、2、・・・・、n)を計算する。軸移動目標値は一義的には決まらずいろいろな解の組合せが存在する。どのような過程で解の組合せを決めるかが問題となる。たとえ、どれかの組合せに決めたとしても、その解の組合せで、i=1〜nに対応する細分化された軸移動目標値分の移動を積み重ねることによって最終移動目標を達成しようとしても、各軸の移動速度を細分化された移動ごとに制御する、あるいは細分化の仕方によっては移動の途中においても駆動速度を細かく変更調整をしながら制御しなければならず、現実の制御は困難性を増す。また、制御装置のコストアップも問題となる。
他の方法として、リニア駆動手段3軸までの各々の細分化された軸移動目標値(ΔXai、ΔXbi、ΔYci ここに、i=1、2、・・・・、n)は上記3軸XYθテーブルの場合での説明の通りかなり自由に選択できる。そのときの第4軸の細分化された軸移動目標値は、第4軸のリニア駆動手段がなく他の3軸と同様の支持手段だけが具備されているとした場合に、3軸の軸移動目標値が決まれば支持手段30の第1直動機構33に対する第2直動機構36と回動機構39の自然の逃げ動作を伴って必然的に決まる値として1個のみ計算で求まる。
この場合においては、3軸の制御は比較的容易にできるが、第4軸の制御は強制的に複雑かつ迅速性が要求されるものとなる。すなわち、第1〜第3軸までの現実の動きを常時把握してそれに合わせるように第4軸を制御しなければならない。したがって、上記(2)の4軸XYθテーブルの制御方法を厳密に実行しようとすると、現実の制御の困難性と装置のコストアップが問題となる。
尚、比例定数kは4個のリニア駆動手段50が軸移動目標値ΔXa、ΔXb、ΔYc、ΔYdを移動する間同じ値をとり続ける必要はなく、各軸移動目標値を細分化された各軸移動目標値(ΔXai、ΔXbi、ΔYci ここに、i=1、2、・・・・、n)に対応した移動区間ごとに変えても構わない。現実にはモータの加速および減速区間においては、各軸の速度は、理論的には瞬間ごとに各軸の軸移動目標値に比例する値(比例定数kは刻々変わる)になるように制御されなければならない。
この制御方法は、実現可能な方法の一つとして、各駆動軸50のモータ51をパルス列で駆動制御する形式のサーボモータとした場合に、各駆動軸50のモータ51に供給するパルスレートを各駆動軸50の軸移動目標値に比例させることを厳守しながらパルスレートを所定のパターンで徐々に変化させることで可能である。
現実の位置決め制御においては、各リニア駆動手段50のモータ51に速度・時間関係を台形パターンにするいわゆる台形駆動を適用する例がほとんどであり、加減速時のパルスレートの変化のさせ方については、一般によく使われるS字曲線あるいは等加速度(速度が直線的に増減)による方法等があるが、各駆動軸(モータ)の等速時の速度と加減速時の速度を各駆動軸50の軸移動目標値に比例するように駆動する。当然加速の終了の時間と減速の開始の時間は各駆動軸間で一致する。ただ、加速時と減速時における速度の比例関係が制御精度の関係から各駆動軸間で少しずれることが起こり得るが、そのずれはテーブルメカニズムの遊びと弾力性の中で吸収できる程度に抑えることが必要である。 また、この種のテーブルは移動速度に高速性を要求しないケースが多く、低速で動かす限りにおいては、比較的制御はしやすい。
図4は、4個の駆動軸50によって移動する移動テーブル10の座標系と関連する点の移動を示す図で、本発明の理論を説明するための座標関連図である。
移動テーブル10の移動には影響されない基準位置の直交座標系Σbの座標軸bX、bY上に、移動テーブル10と連結する4個の回動機構39の中心位置A、B、C、Dの内のA、C、Dを配置し、B点だけは、座標軸上になければならないことを証明するために敢えて座標軸から離れた位置に配置してある。A点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材32までを含む)をU軸(軸移動方向線は、bX軸に平行)、B点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材32までを含む)をR軸(軸移動方向線は、bX軸に平行)、C点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材32までを含む)をV軸(軸移動方向線は、bY軸に平行)、D点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材32までを含む)をW軸(軸移動方向線は、bY軸に平行)とする。
図4および以下の理論展開の中でコマ位置と称しているのは、回動機構39の位置(正確には回動機構39の中心位置)を意味している。また、時間tのV軸、W軸、R軸のコマ位置は図示を省略している。
以上の前提で、最初にU軸、V軸、W軸の3軸について議論を進める。
尚、以下の説明においては説明の都合上各コマの移動を、各コマは相対的な位置関係を保ちながら移動テーブルと共に移動することから、座標系の移動という考え方で説明してある。従って移動テーブル10の移動には影響されない基準位置の座標系ΣbがΣs、Σm、Σeの位置へと移動するような表現になっているところがあるが、これはΣbの位置にあった移動テーブル10が自身の位置の表現手段として座標系Σbの影を背負ってそれぞれの座標系の位置まで移動すると言う意味であり、Σbそのものが移動するということではない。
また、上記の配置は、別の見方をすれば、直交座標系Σbの座標軸bX、bYは任意に配置したものであるから、この配置は、単に、U軸とR軸に対応する第2直動機構36が平行で、V軸とW軸に対応する第2直動機構36が平行で、かつ平行な第2直動機構36の移動方向線の組同士がなす角度が直角であることに他ならない。
つぎに、実施例1にある形態において、bX軸とbY軸が直交せず任意の角度で交差する斜交座標系の場合について説明する。
より具体的には、実施例1の図2に対応する図である図5に示すように、bX軸とbY軸が角度αで交わっており、点Aおよび点Bの属する第1直動機構33の移動方向はX軸(bX軸と同義)に平行で、点Cと点Dの属する第1直動機構33の移動方向はY軸(bY軸と同義)に平行な配置となっている。各支持機構の第1直動機構33と第2直動機構36の組合せは角度αで交差し、点Aと点Bに属する第2直動機構36はY軸に平行、点Cと点Dに属する第2直動機構36はX軸に平行な配置になっている。この場合も実施例1と同様な制御方法をとることによって4軸のスムーズな協調動作が可能となる。
図6は、4個の駆動軸50によって移動する移動テーブル10の座標系と関連する点の移動を示す座標関連図である。
移動テーブルの移動には影響されない基準位置の斜交座標系Σbの座標軸bX、bY上に、移動テーブル10と連結する4個の回動機構39の中心位置A、B、C、Dの内のA、C、Dを配置し、B点だけは、座標軸上になければならないことを証明するために敢えて座標軸から離れた位置に配置してある。A点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材までを含む)をU軸(軸移動方向線は、bX軸に平行)、B点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材までを含む)をR軸(軸移動方向線は、bX軸に平行)、C点を駆動する駆動軸50(モータから第1直動部材までを含む)をV軸(軸移動方向線は、bY軸に平行)、D点を駆動する駆動軸50をW軸(bY軸に平行)とする。
また、上記の配置は、別の見方をすれば、斜交座標系Σbの座標軸bX、bYは任意に配置したものであるから、この配置は、単に、U軸とR軸が平行で、V軸とW軸が平行で、かつ前者2軸と後者2軸のなす角度が任意な所定斜交角度であることに他ならない。
図7および図8によって、本実施例のテーブルを説明する。図7は実施例1の場合の図2に相当するもので、移動テーブル10よりテーブル台座20側にある部分の平面図である。
実施例1との違いの第1は、4個の支持手段40を構成する各々の第1直動機構43とリニア駆動手段50が電動シリンダから成ること(表向き一体に見えるが、敢えて分ければ、リニア駆動手段50はモータ51と送りねじ55とナット56であり、第1直動機構43は電動シリンダのハウジング52とハウジング52に案内されナット56と連結する出力軸51aである)、違いの第2は回動機構49が第1直動機構43と第2直動機構46の間に置かれており第2直動案内手段44が移動テーブル10上に固定されていることである。結果として、違いの第3は移動テーブル10を支持する支持手段40の構成状態である。
更に詳しくは、図8に支持手段40の近辺の側面図を示すように、電動シリンダは、モータ51、モータに連結されたボールねじあるいはすべりねじ等から成る送りねじ(図示なし)、送りねじに螺合するナット(図示なし)、ナットに連結された出力軸(第1直動部材)42、蓋部52aおよび胴体部52bから成る外形が略直方体のハウジング52、その内部に配置され軸受(図示なし)その他の摺動案内(図示なし)等から成る第1直動案内手段41(図示なし。これは、実施例1の第1直動案内手段31に相当する)からなる。出力軸51a(第1直動部材42)はナット56もろとも回転不能にその軸方向のみ摺動自在にハウジング52(第1直動案内手段41)により案内されており、実施例1の第1直動部材32に相当する。
電動シリンダは、モータ51が回転すると送りねじ55と出力軸51a(第1直動部材42)は移動テーブル10に平行に直線運動を行う回転・直動変換機構である。この第1直動案内手段41はハウジング52もろともテーブル台座20に固定されている。
第1直動部材(出力軸)42の先端には、回動部材48の回動案内手段47が固定され、回動部材48の一端はその中心軸線が移動テーブル10に垂直な回動案内軸47bに軸受(図示省略)を介して回動可能に嵌合し、回動部材48の他端は、第2直動案内手段44にまたがり該第2直動案内手段44の案内方向に直動自在な第2直動部材45に固定されている。第2直動案内手段44は移動テーブル10に固定されている。
即ち、支持手段40は、第1直動案内手段41(ハウジング52)と第1直動部材42からなる第1直動機構43、第1直動機構43に固着された回動案内手段47と回動部材48からなる回動機構49、および移動テーブル10に固着される第2直動案内手段と回動部材48に固定された第2直動部材45からなる第2直動機構46から構成されている。
尚、リニア駆動手段50と第1直動機構43が電動シリンダとなっているが、必ずしも電動シリンダにこだわる必要はなく実施例1のような形態でも構わない。
また、第2直動機構46の直動方向線は、移動テーブル10の基準面10aに平行になるように、移動テーブル10の裏側に配設されている。移動テーブル10が移動して、結果点PがP’へ移動(X方向へΔX、Y方向へΔY)しΔθ回転した状態は破線で示してある。
また、4個の第1直動機構(電動シリンダ)43のうち、2個(AおよびB位置に対応)は移動テーブル10の対向する外周2辺に近い位置で直動方向線がお互いに平行かつ直交XY座標系のX座標軸に平行になるように、他の2個(CおよびD位置に対応)は他の外周2辺に近い位置でその直動方向線がお互いに平行かつY座標軸に平行になるようにテーブル台座上に配設され、結果として当然、お互いに平行な2個の直動方向線の組同士は直交している。
4個のリニア駆動手段50即ち第1直動機構43個々の動きによって第1直動部材42上に固定されている点A、B、C、Dがそれぞれの点が対応する回動部材48を押し引きすることによって第2直動案内手段44を押し引きして移動テーブル10を移動・回動するが、その過程で4個のそれぞれの第2直動部材45に対して第2直動案内手段44が適宜すべり(逃げの動きをし)、4個のリニア駆動手段50の適切な駆動制御によって移動テーブル10はスムーズに移動・回動する。
つぎに、本実施例2に類似の好ましい他の実施構造として、4個の回動案内軸47bの軸線とそれぞれに対応する第2直動案内手段44の直動案内方向軸線が交わるようにする形態がある。この場合には、回動部材48は、図7あるいは図8にあるような移動テーブル基準面10aに平行な方向に腕長さのある形状ではなく、図9に示すような回動案内軸47bに嵌る部分の上方軸線上に第2直動案内手段44に直動可能に嵌る第2直動部材45がその直動軸線を一致させるがごとく配置される。
この構造の利点は、回動案内軸47bに対して第2直動部材45より上方からの負荷による曲げモーメントが働かないことであり、テーブルの剛性を向上できることである。
即ち、テーブル移動目標値(ΔX、ΔY、Δθ)に対して計算で決まる各リニア駆動手段50の軸移動目標値ΔXa、ΔXb、ΔYc、ΔYdに各々の移動速度(Vxa、Vxb、Vyc、Vyd)を比例させて、移動の開始時点と終了時点を合わせるように各駆動軸50を同時並行で駆動するものである。すなわち、比例定数をkとして、Vxa=k・ΔXa、Vxb=k・ΔXb、Vyc=k・ΔYc、Vyd=k・ΔYdとなるように同時駆動をするものである。kは、移動時間の逆数である。
尚、この場合も実施例1に関連するメカニズムの制御の場合と同じく、比例定数kは4個のリニア駆動手段50が軸移動目標値ΔXa、ΔXb、ΔYc、ΔYdを移動する間同じ値をとり続ける必要はなく、各軸移動目標値を細分化された各軸移動目標値(ΔXai、ΔXbi、ΔYci ここに、i=1、2、・・・・、n)に対応した移動区間ごとに変えても構わない。現実にはモータの加速および減速区間においては、各軸の速度は、理論的には瞬間ごとに各軸の軸移動目標値に比例する値(比例定数kは刻々変わる)になるように制御されなければならない。
図10は、U軸、R軸、V軸、W軸の4個の駆動軸50によって移動する移動テーブル10の座標系と関連する点の移動を示す座標関連図である。
本図においては、移動テーブルの移動に影響されない基準位置の斜交座標系Σbの座標軸bX、bY上に、第1直動部材42に固定された4個の回動機構39の回動中心位置A、B、C、Dを配置し、A点を駆動する駆動軸50をU軸(移動方向線は、bX軸に平行)、B点を駆動する駆動軸50をR軸(移動方向線は、bX軸に平行)、C点を駆動する駆動軸50をV軸(移動方向線は、bY軸に平行)、D点を駆動する駆動軸50をW軸(移動方向線は、bY軸に平行)とする。
この条件で各駆動軸50が4軸協調動作をし、この制御方式が可能となる条件を導出する。
条件の第1は、4個の第1直動機構43のうち、2個の第1直動機構43の直動方向線が互いに平行で、他の2個の第1直動機構43の直動方向線も互いに平行で、お互いに平行な直動方向線の組同士が直交することである。
条件の第2は、4個の第2直動機構46のうち、2個の第2直動機構46の直動方向線が互いに平行で、他の2個の第2直動機構46の直動方向線も互いに平行で、お互いに平行な直動方向線の組同士が直交することである。
ただし、上記の第2直動機構46の配置に関して、当然のことながら、直動方向線が一致する場合も平行のうちに含める。
以上の条件が満足されていれば、第1直動機構43と第2直動機構46の相対的角度関係は任意である。
この場合も、実施例1の場合と同様に、各コマあるいは第2直動案内手段44の移動テーブル10上の位置の自由度がテーブル全体の位置決め精度向上に寄与する。
ただしこのときは、回動案内軸47bと回動部材48を中心とするリンク機構等が上記説明と等価に適正に設計できていることが前提となる。
この特別な場合の構造は、以下にその例を述べるように、第1直動機構43と回動機構49と第2直動機構46からなる支持手段40に代わる第2の支持手段を持ち込み、第1直動機構43と回動機構49と第2直動機構46からなる支持手段は移動テーブル10の移動のためのメカニズムの役割を担う移動手段となるときに採用可能な構造である。
また、回動案内軸と穴からなる回動機構である必要もない。回動中心線を軸として回動案内手段と回動部材が相対的に回動する回動機構であれば他のものでもよい。
一方、原点復帰は単純な制御で迅速に行われるべきであり、実質的で簡易な方法が望ましい。
その第1の方法は、原点復帰の際には4軸のモータ51のうちの1軸をサーボオフにして外力によって自由に回転可能な状態にし、残りの3軸で目標位置を原点にして原点復帰動作を行い、サーボオフにしてあったモータ51については現在位置を原点とする方法である。第4軸は、サーボオフにしてあることから、モータの無通電時の負荷のみで、支持手段の逃げ動作を伴って自動的についてくる。ただしこの場合は、第4軸が駆動されていない状況であり、第4軸の位置を決める方向には剛性の低い状態であるので、3軸の場合の位置決め動作時の精度が悪いことの裏返しで、原点復帰したあとに第4軸についてはロストモーションがそのまま残ることがあり得る。
11 把持手段
20 テーブル台座
30、40 支持手段
31、41 第1直動案内手段
32、42 第1直動部材
33、43 第1直動機構
34、44 第2直動案内手段
35、45 第2直動部材
36、46 第2直動機構
37、47 回動案内手段
37a、47a 回動案内取付け部
37b、47b 回動案内軸
37c ボールベアリング内輪および関連部品
38、48 回動部材
39、49 回動機構
50 リニア駆動手段(駆動軸)
51 モータ
51a 出力軸
52 把持ブロックまたはハウジング
52a 蓋部
52b 胴体部
53 カップリング
54 ねじ支持機構
55 送りねじ
56 ナット
101 テーブル制御装置
102 システム制御装置
Claims (20)
- 移動テーブルと、
テーブル台座と、
前記移動テーブルをテーブル基準面に平行に前記テーブル台座に対して相対移動可能に支持する4個の支持手段と、
前記支持手段をそれぞれ直線駆動し、前記テーブル台座に対し前記移動テーブルを相対移動させる4個のリニア駆動手段と、
前記移動テーブルのテーブル基準面上の任意の指定位置に対して与えられたX、Yおよびθ方向の移動指令に対応する4個の前記リニア駆動手段の軸移動目標値を計算し、4個の前記支持手段の移動開始時点および終了時点を一致させるように、4個の前記支持手段の移動速度を前記軸移動目標値に比例させて4個の前記リニア駆動手段を同時に駆動し、前記移動テーブルを目標位置に移動させる制御装置と、
を備えることを特徴とする4軸XYθテーブル。 - 前記制御装置は、目標位置に到達するまでの間、前記リニア駆動手段の前記移動速度を前記軸移動目標値に比例させながら、前記移動速度を所定のパターンに従って変化させることを特徴とする請求項1に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記支持手段は、それぞれ
第1直動部材、および前記テーブル台座に固定され該第1直動部材を直線的に案内する第1直動案内手段からなる第1直動機構と、
第2直動部材、および前記第1直動部材上に固定され該第2直動部材を直線的に案内する第2直動案内手段からなる第2直動機構と、
回動部材、前記第2直動部材上に固定され該回動部材を前記テーブル基準面に対して平行に該回動部材を回動可能に案内する回動案内手段、および前記移動テーブル上の所定の位置に配置され前記回動部材を回動自在に把持する把持手段からなる回動機構を有し、
前記リニア駆動手段は、前記支持手段各々の第1直動機構の直動部材をそれぞれ直線駆動し、
4個の前記支持手段は、4個の前記支持手段の内の第1の組としての2個の前記支持手段についての前記第2直動機構の直動方向が互いに平行となり、かつ、第2の組としての他の2個の前記支持手段についての前記第2直動機構の直動方向が互いに平行となり、かつ、前記第1の組における前記第2直動機構の直動方向と前記第2の組における前記第2直動機構の直動方向とのなす角度が所定角度αとなるように配設され、
4個の前記支持手段における4個の前記把持手段は、前記第1の組における2個の前記把持手段の中心同士を結ぶ直線と前記第2の組における2個の前記把持手段の中心同士を結ぶ直線とのなす角度が前記所定角度αに等しくなるように配設されることを特徴とする請求項1又は2に記載の4軸XYθテーブル。 - 4個の前記支持手段に対応する4個の前記第1直動機構は、前記第1の組に属する2個の前記支持手段における2個の前記第1直動機構同士が平行となり、かつ前記第2の組に属する2個の前記支持手段における2個の前記第1直動機構同士が平行となり、かつ前記第1の組に対応する前記第1直動機構と前記第2の組に対応する前記第1直動機構とのなす角度が、前記所定角度αと等しくなるように配置されることを特徴とする請求項3に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記所定角度αが、90°であることを特徴とする請求項3または4に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記回動案内手段の中心線が前記第2直動機構の直動中心線と交差することを特徴とする請求項3または4に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記支持手段は、それぞれ
第1直動部材、および前記テーブル台座に固定され該第1直動部材を直線的に案内する第1直動案内手段からなる第1直動機構と、
第2直動部材、および前記移動テーブルに固定され該第2直動部材を直線的に案内する第2直動案内手段からなる第2直動機構と、
前記第2直動案内手段に沿って前記第2直動部材と一体となって移動可能な回動部材、および前記第1直動部材上に固定され該回動部材を前記テーブル基準面に対して平行に該回動部材を回動可能に案内する回動案内手段からなる回動機構とを有し、
4個の前記リニア駆動手段は、4個の前記支持手段の前記第1直動部材をそれぞれ直線駆動し、
4個の前記支持手段は、4個の前記支持手段の内の第1の組としての2個の前記支持手段について2個の前記第2直動機構の直動方向線が互いに一致するか平行となり、かつ、第2の組としての他の2個の前記支持手段について2個の前記第2直動機構の直動方向線が互いに一致するか平行となり、かつ、前記第1の組における前記第2直動機構の直動方向と前記第2の組における前記第2直動機構の直動方向とのなす角度が直角となるように配設され、
4個の前記第1直動機構は、前記第1の組における2個の前記第1直動機構の直動方向が平行となり、かつ、前記第2の組における2個の前記第1直動機構の直動方向が平行となり、かつ、前記第1の組における前記第1直動機構の直動方向と前記第2の組における前記第1直動機構の直動方向のなす角度が直角となるように配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の4軸XYθテーブル。 - 前記支持手段は、それぞれ、前記移動テーブルを前記テーブル台座に対して相対移動させる移動手段と該テーブル台座に対して前記移動テーブルをテーブル基準面に平行に相対移動させるために前記移動テーブルと前記テーブル台座の間に介在する第2支持手段を備え、
前記移動手段は、
第1直動部材、および前記テーブル台座に配置され該第1直動部材を直線的に案内する第1直動案内手段からなる第1直動機構と、
第2直動部材、および前記移動テーブルに配置され該第2直動部材を直線的に案内する第2直動案内手段からなる第2直動機構と、
前記第2直動案内手段に沿って前記第2直動部材と一体となって移動可能な回動部材、および前記第1直動部材上に固定され該回動部材を前記テーブル基準面に対して平行に該回動部材を回動可能に案内する回動案内手段からなる回動機構とを有し、
4個の前記リニア駆動手段は、4個の前記移動手段の前記第1直動部材をそれぞれ直線駆動し、
4個の前記移動手段は、4個の前記移動手段の内の第1の組としての2個の前記移動手段について2個の前記第2直動機構の直動方向線が互いに一致するか平行となり、かつ、第2の組としての他の2個の前記移動手段について2個の前記第2直動機構の直動方向線が互いに一致するか平行となり、かつ、前記第1の組における前記第2直動機構の直動方向と前記第2の組における前記第2直動機構の直動方向とのなす角度が直角となるように配設され、
4個の前記第1直動機構は、前記第1の組における2個の前記第1直動機構の直動方向が平行となり、かつ、前記第2の組における2個の前記第1直動機構の直動方向が平行となり、かつ、前記第1の組における前記第1直動機構の直動方向と前記第2の組における前記第1直動機構の直動方向のなす角度が直角となるように配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の4軸XYθテーブル。 - 前記回動案内手段の中心線が前記第2直動機構の直動中心線と交差することを特徴とする請求項7または8に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記リニア駆動手段は、位置制御可能なモータと該モータに連結され該モータによる回転運動を直線運動に変換する回転・直動変換駆動機構とを有することを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の4軸XYθテーブル。
- 4軸の前記モータのうちの少なくとも1軸の前記モータと前記回転・直動変換駆動機構との間がクラッチ機構を介して連結され、
前記制御装置は、原点復帰の際には、4軸の前記モータのうち、1軸の前記モータについて前記クラッチ機構により前記モータと前記回転・直動変換駆動機構とを切断し、残りの3軸の前記モータで原点復帰動作を行わせ、前期3軸の前記モータによる原点復帰動作を完了した後に第4軸の前記モータにより原点復帰調整処理を行うことを特徴とする請求項10に記載の4軸XYθテーブル。 - 前記制御装置は、原点復帰の際には、4軸の前記モータのうち、1軸の前記モータをサーボオフにして外力によって自由に回転可能な状態にし、残りの3軸の前記モータで原点復帰動作を行わせ、前記3軸の前記モータによる原点復帰動作を完了した後に第4軸の前記モータにより原点復帰調整処理を行うことを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の4軸XYθテーブル。
- 前記制御装置は、原点復帰調整処理として、サーボオフにしていた1個の前記モータの現在位置を原点とすることを特徴とする請求項12に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記制御装置は、原点復帰調整処理として、サーボオフにしていた1軸の前記モータの位置に対してロストモーションの半分量の補正を加えた位置を原点とすることを特徴とする請求項12に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記モータの1回転以内の絶対位置を得るためのチャンネルを有するエンコーダを該モータに備え、
前記制御装置は、原点復帰調整処理として、前記エンコーダの中の前記モータの1回転以内の絶対位置を得るためのチャンネルを使用して、サーボオフにしていた前記モータの位置に対して絶対原点の位置を探し出し、この位置を原点とすることを特徴とする請求項12に記載の4軸XYθテーブル。 - 前記モータの1回転以内の絶対位置を得るためのチャンネルを有するエンコーダを該モータに備え、
前記制御装置は、原点復帰調整処理として、サーボオフにしていた前記モータの位置に対してロストモーションの半分量の補正を加え、さらに前記エンコーダの中の前記モータの1回転以内の絶対位置を得るためのチャンネルを使用して絶対原点の位置を探し出し、この位置を原点とすることを特徴とする請求項12に記載の4軸XYθテーブル。 - 前記制御装置は、原点復帰調整処理として、サーボオフにしていた1個の前記リニア駆動手段の絶対位置を検知するためのエンコーダを使用して絶対原点の位置を探し出し、この位置を原点とすることを特徴とする請求項12に記載の4軸XYθテーブル。
- 前記制御装置は、原点復帰調整処理として、サーボオフにしていた1個の前記リニア駆動手段の位置に対してロスとモーションの半分量の補正を加え、さらに前記リニア駆動手段の絶対位置を検知するためのエンコーダを使用して絶対原点の位置を探し出し、この位置を原点とすることを特徴とする請求項12に記載の4軸XYθテーブル。
- 移動テーブルと、テーブル台座と、該テーブル台座に配置され前記移動テーブルをテーブル基準面に平行にかつ相対移動可能に支持する4個の支持手段と、前記支持手段をそれぞれ直線駆動し、前記テーブル台座に対し前記移動テーブルを相対移動させる4個のリニア駆動手段とを備える4軸XYθテーブルの制御方法であって、
前記移動テーブルのテーブル基準面上の任意の指定位置に対して与えられたX、Yおよびθ方向の移動指令に対応する4個の前記リニア駆動手段の軸移動目標値を計算し、4個の前記支持手段の移動開始時点および終了時点を一致させるように、4個の前記支持手段の移動速度を前記軸移動目標値に比例させて4個の前記リニア駆動手段を同時に駆動し、前記移動テーブルを目標位置に移動させることを特徴とする4軸XYθテーブルの制御方法。 - 前記目標位置に到達するまでの間、前記リニア駆動手段の前記移動速度を前記軸移動目標値に比例させながら、前記移動速度を所定のパターンに従って変化させることを特徴とする請求項19に記載の4軸XYθテーブルの制御方法。
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