JP3724948B2

JP3724948B2 - モータ類の位置制御時の加重制御方法

Info

Publication number: JP3724948B2
Application number: JP09861698A
Authority: JP
Inventors: 陽塩見; 修中尾; 信三江口; 健武田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2018-04-10
Also published as: JPH11296234A

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、サーボモータなどの各種モータ類を、指令トルクにより駆動して位置制御負荷を目標位置へ移動させて作業対象に当接させる位置制御時に、指令トルクによって前記位置制御負荷から作業対象へ与える加重の制御を行うモータ類の加重制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような位置制御および加重制御は高い位置精度および作業性が必要な、例えば電子部品を取り扱う技術分野で用いられている。
【０００３】
このような位置制御には、ベアＩＣチップを回路基板に装着したり実装したりするときの、電子部品を取り扱う吸着ノズルなどの位置制御、特に、電子部品の高さ寸法の違いに対応した装着高さの制御、あるいは、ベアＩＣチップの電極部に金属バンプを形成するときの、ボンディングツールの位置制御、特に金属線のボンディング位置への押しつけ高さの制御などがある。
【０００４】
加重制御には、コネクタ等の異形部品やそれぞれ加重の許容範囲の異なる電子部品を回路基板に装着したり、金属線をＩＣチップの電極部に押しつけた状態で超音波振動などによってそれを溶融させて溶着させた後、金属線を前記溶着部から引きちぎって前記電極部上にバンプを形成したりするとき、これらの作業を行う部品取り扱いツールやボンディングツールを作業対象である回路基板やＩＣチップなどに電子部品や金属線を押しつけさせる制御がある。
【０００５】
従来、このような位置制御および加重制御は、部品取り扱いツールやボンディングツールないしはこれらに連結されるネジ軸などの動作部材を、図６に示すような位置制御の対象、つまり位置制御負荷１ａ１とし、ＡＣサーボモータやボイスコイルモータ等のモータ１ａを駆動源として行われる。モータ１ａは、その時々に必要な方向および速度での移動、停止や当接、および当接時の加重を行わせるべき指令トルクＴｅを電流制御部としてのドライバ６ａに与えて駆動制御する。
【０００６】
位置制御は図７に示す位置決めコントロール部７ａの制御機能によって行われる。追値制御の場合、制御負荷１ａ１を目標位置に向かわせる指令位置ｂと位置検出部２ａで検出される現在位置ｃとの差分から位置制御部４ａで指令速度ｄを生成し、この指令速度ｄと速度検出部３ａで検出される現在速度ｅとの差分から速度制御部５ａで、前記指令位置ｂに到達させるために必要な指令トルクＴｅを生成する。指令トルクＴｅは制御のオン、オフスイッチ１０ａを介してドライバ６ａに与えられ、ドライバ６ａは受けた指令トルクＴｅに対応した出力電流によりモータ１ａを駆動して制御負荷１ａ１を位置制御し、これの連続で目標位置、例えば電子部品を装着する回路基板、あるいは金属バンプを形成するベアＩＣなどの図６に示すような作業対象１４ａに当接する位置に到達させる。
【０００７】
制御負荷１ａ１が作業対象１１ａに当接したときに現在速度が０になるのに対応して、速度制御部５ａから出力される指令トルクＴｅが増大する変化によって、あたり検出部８ａはその当接を検出する。あたり検出部８ａは当接を検出すると位置決めコントロール部７ａの制御を停止させて、加重コントロール部９ａを働かせる。加重コントロール部９ａは目標加重値に対応した所定の指令トルクＴｅ′をドライバ６ａに入力してモータ１ａがさらに駆動力を得て、作業対象１４ａに当接している制御負荷１ａ１をさらに押しつけ所定の加重が達成されるようにする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電子部品の微細化も手伝って、前記位置制御や加重制御のさらなる高精度化が望まれるなか、上記従来のような制御では、加重制御で特に精度不足を招き、十分な信頼性が得られなくなっている。
【０００９】
これにつき、本発明者等が種々に実験し検討を重ねたところ、精度不足に影響する要因は、図８の駆動電流と加重との関係で見られるようなモータＡ、Ｂ、Ｃごとの推力のバラツキ、指令トルクに対する電流制御部、つまりドライバ６ａでの出力電流のバラツキ、制御負荷１ａ１などの可動部の摩擦負荷のバラツキなどがある。また、前記金属バンプを形成するとき、図９に示すように、位置制御負荷１ａ１にて金属線を所定の加重状態で電極に当接させて加重する過程で、指令トルクＴｅを徐々に増大させていき、所定の加重状態で金属線の加重当接部が溶融されるのを待って、指令トルクＴｅを徐々に減少させていき最終的に解除する制御が行われるが、このように指令トルクを増大させていくときと、減少させていくときの加重特性の変化には図１０に示すようなヒステリシス特性があり、指令トルクＴｅを増大させていくときの変化特性Ｔｅ１ｎと、減少させていくときの変化特性Ｔｅ２ｎとの差も前記精度不足に影響する。上記従来の制御ではこれらに対応できていない。
【００１０】
本発明の目的は、上記のような新たな知見に基づき、実測した加重特性を制御に反映させた高精度な加重制御ができる信頼性の高いモータ類の位置制御時の加重制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するため、本発明のモータ類の加重制御方法は、モータ類を指令トルクにより駆動して、位置制御負荷を電子部品等の作業対象に当接させる際に、各種指令トルクと加重値を対応させたキャリブレーションテーブルから、目標の加重値に対応する指令トルクを選択し、選択した指令トルクにより加重制御を行うことを１つの特徴としている。
【００１２】
このように、モータ類の位置制御によって位置制御負荷が、作業対象に当接して以降、加重制御を行うのに、加重制御のための指令トルクを、用いるモータ類および位置制御対象などにて実測して得た、各種指令トルクとそれによる駆動時の加重特性結果を対応させたキャリブレーションテーブルから、目標の加重値に対応するものを選択して適用するので、モータから位置制御負荷に至るまでの、認識できる、できないに係わらないあらゆるバラツキ要素を含む実績データに基づき、目標通りの加重値が高精度に得られる。
【００１３】
キャリブレーションテーブルに、指令トルクを増大させていくときの加重特性に対応する第１の変化分のデータと、指令トルクを減少させていくときの加重特性に対応する第２の変化分のデータとを備え、指令トルクが増大するときの加重制御は第１の変化分のデータによって、指令トルクが減少するときの加重制御は第２の変化分のデータによって、それぞれ加重制御を行うようにすると、指令トルクを増大させていくときと、減少させていくときとの加重特性にヒステリシス特性があっても、指令トルクを増大させていく加重制御と、指令トルクを減少させていく加重制御とをそのようなヒステリシス特性の影響に対処したより正確な加重制御を達成することができる。
【００１７】
本発明のそれ以上の特徴は、以下の詳細な説明および図面によって明らかになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のモータ類の位置制御時の加重制御方法およびその装置に係る実施の形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。
【００１９】
本実施の形態の加重制御方法につき、図１に示す位置制御および加重制御を行う加重制御装置２１に基づき説明すると、ＡＣサーボモータなどの各種のモータ１を、指令トルクＴｅにより駆動して目標位置へ移動させて作業対象１４に位置制御負荷１ｂを当接させる位置制御時に、指令トルクＴｅによって前記位置制御負荷１ｂからこれが当接した作業対象１４へ与える加重の制御を行うのに、用いるモータ１および位置制御負荷１ｂなどにつき実測して得た、表１に示すような各種指令トルクＴｅ１〜Ｔｅｎそれぞれによる駆動時の加重特性結果Ｌ１〜Ｌｎを対応させたキャリブレーションテーブルＣＴ（図１）から、目標の加重値Ｌに対応する指令トルクＴｅを選択し、選択した指令トルクＴｅによりモータ１を駆動して加重制御を行う。モータ１の位置制御は、図２に示す位置制御手段２２によって従来と同様に行われればよい。しかし、別の方法であってもよい。
【００２０】
【表１】

【００２１】
図２に示す位置制御手段２２などによる位置制御においてその負荷１ｂが作業対象１４に当接して以降加重制御を行うのに、加重制御のための指令トルクＴｅを、前記のように用いるモータ１および位置制御負荷１ｂなどにつき実測して得た、各種指令トルクＴｅ１〜Ｔｅｎとそれによる駆動時の加重特性結果Ｌ１〜Ｌｎを対応させたキャリブレーションテーブルＣＴから、目標の加重値Ｌに対応するものを選択して適用するので、モータ１から位置制御負荷１ｂに至るまでの、認識できる、できないに係わらないあらゆるバラツキ要素を含む実績データに基づき、目標通りの加重値Ｌが高精度に達成される。
【００２２】
一方、キャリブレーションテーブルＣＴは、表２に示すように、指令トルクＴｅをＴｅ１１〜Ｔｅ１ｎへと増大させていくときの加重特性Ｌ１〜Ｌｎに対応する第１の変化分と、指令トルクをＴｅ２１〜Ｔｅ２ｎと減少させていくときの加重特性Ｌ１〜Ｌｎに対応する第２の変化分とも備え、指令トルクが増大するときの加重制御は第１の変化分のデータＴｅ１１〜Ｔｅ１ｎによって、指令トルクが減少するときの加重制御は第２の変化分のデータＴｅ２１〜Ｔｅ２ｎによって、それぞれ加重制御を行うようにする。
【００２３】
これにより、指令トルクを増大させていくときと、減少させていくときとの加重特性に記述したようなヒステリシス特性があっても、指令トルクを増大させていく加重制御と、指令トルクを減少させていく加重制御とをそのようなヒステリシス特性の影響に対処したより正確な加重制御を達成することができ、前記した金属バンプを形成するようなときの位置制御時の加重制御に好適である。
【００２４】
【表２】

【００２５】
表１、および表２に示すキャリブレーションテーブルＣＴの双方を備え選択使用するのが好適である。しかし、これに限られることはなくその一方を利用するだけでも有効である。
【００２６】
図１に示すモータ類の位置制御時の加重制御装置２１は、上記のような制御を行うため、モータ１を、指令トルクＴｅにより駆動して位置制御負荷１ｂを目標位置へ移動させて作業対象に当接させる位置制御手段２２に加え、指令トルクＴｅによってモータ１を駆動し、前記位置制御負荷１ｂからこれが当接した作業対象１４へ与える加重を制御する加重制御手段としての加重コントロール部９と、加重制御での目標の加重値を手入力または動作制御プログラムに従い自動で入力して設定する加重値設定手段２３と、前記のように用いるモータ１および位置制御負荷１ｂなどにて実測して得た、あるいはさらに、ヒステリシス特性をも実測した各種指令トルクＴｅとそれによる駆動時の加重特性結果を対応させたキャリブレーションテーブルＣＴから、設定された目標の加重値に対応する指令トルクＴｅを選択してこれを加重コントロール部９に与える指令トルク設定手段２４と、前記位置制御負荷１ｂを作業対象１４への当接を検出する当接検出手段であるあたり検出部８と、あたり検出部８による当接の検出があったときモータ１の制御を位置制御手段２２による位置制御から加重制御手段２１による加重制御に切り替える切換手段２５とを備え、上記のような方法を自動的に達成することができる。
【００２７】
位置制御手段２２は前記した従来例通りのものであり、位置制御負荷１ｂを作業対象１４に当接させる位置制御は位置決めコントロール部７の制御機能によって行われる。制御は追値制御である。加重値設定手段２３は加重コントロール部９への設定入力手段を示しているが、操作パネルや加重コントロール部９などの制御機器の内部あるいは外部の記憶手段に記憶した動作プログラムによって設定されるものであってもよい。指令トルク設定手段２４は加重コントロール部９の内部機能を利用したものでもよいが、外部機器を用いたものでもよい。切換手段２５はあたり検出部８の内部機能を利用したものでもよいが、外部機器を用いたものでもよい。さらに、図２に示す各機器は、作業機の動作制御を行うマイクロコンピュータの内部機能で代替できるし、それぞれ、独立の、あるいは各種に組合せ構成した部分的な機器とすることもできる。要は必要な機能が達成されればよい。
【００２８】
図１、図２に示す加重制御手段２１はさらに、キャリブレーションテーブルＣＴを格納した記憶手段としてのキャリブレーションデータテーブル記憶部１２を備え、指令トルク設定手段２４は設定された目標の加重値に対応した指令トルクＴｅをキャリブレーションデータテーブル記憶部１２に格納されたキャリブレーションテーブルＣＴから読みだし、指令トルクＴｅを設定する。これにより、その装置につき実測して得たキャリブレーションテーブルＣＴを一旦キャリブレーションデータテーブル記憶部１２に記憶しておけば、その後何らかの変化によりデータ変更が必要になるまで、その時々に必要な加重値の設定を行うだけで自動的に対応できる。
【００２９】
さらに、図１、図２に示す加重制御手段２１は、前記キャリブレーションデータテーブル記憶部１２に格納するキャリブレーションテーブルＣＴを自ら作成する機能を持つように、テーブル作成手段としてのキャリブレーションコントロール部１１と、作業機の実際の加重特性を検出するための圧力センサなどよりなる加重特性検出手段１３も備えている。キャリブレーションコントロール部１１は、駆動されるモータ１の位置制御負荷１ｂを加重特性検出手段１３に当接させて、そのときどきの圧力状態から前記駆動を行っている指令トルクＴｅに対応した加重特性Ｌを検出し、それらに対応する指令トルクＴｅと対をなしたキャリブレーションデータとしてキャリブレーションデータテーブル記憶部１２に記憶していき、キャリブレーションテーブルＣＴを作成する。これにより、キャリブレーションテーブルＣＴがこれを利用する作業機そのものの動作機能によって自動的に得られるので、人がいちいち試験操作してデータを収集し、データ設定するような必要がなく便利である。また、何らかの変化があったときや、定期的に、キャリブレーションテーブルＣＴを作成し直すことで、ときどきの変化に対応することが自動的に行える。
【００３０】
なお、加重特性検出手段１３は作業機の作業対象１４が位置決めされる近傍に固定的に設置しておいて、作業機のキャリブレーションテーブルＣＴ作成動作時に、位置制御負荷１ｂをそれに押し当てるようにすればよい。もっとも、加重特性検出手段１３は必要なときに必要な位置に移動されるようにもできる。
【００３１】
以上のようなキャリブレーションテーブルＣＴを活かすには、先ず、エンドユーザーでの作業機の使用が始まる前に、メーカー側で、あるいはエンドユーザーでの使用開始前に、図３に示すキャリブレーションテーブルＣＴの作成操作を行うのが好適である。作業機の動作プログラム中に動作初期だけ、あるいはその後も所定の稼働時間経過ごとや作業機の稼働開始ごとなど定期的に、あるいは所定の判断データに基づく自動的な判定信号や人為的な入力信号によって、キャリブレーションテーブルＣＴの作成操作が行われるようにするのが好適である。
【００３２】
キャリブレーションテーブルＣＴの作成操作は、図３に示すように上記のような指定トルクごとのキャリブレーション動作を必要回数行って、図４に示すような実際にモータ１を駆動したときの指令トルクＴｅと、そのときどきで検出された加重特性検出手段１３のロードセル出力とを収集して、キャリブレーションデータテーブルを作成する。次いで、これをキャリブレーションデータテーブル記憶部１２に記憶する。
【００３３】
これ以降作業機の使用が開始され、図５に示すようにまず位置制御手段２２により位置決め動作が行われ、目標位置に到達したかどうかのサーチ動作が行われる。具体的には、制御負荷１ｂを目標位置に向かわせる指令位置ｂと位置検出部２で検出される現在位置ｃとの差分から位置制御部４で速度指令ｄを生成し、この速度指令ｄと速度検出部３で検出される現在速度ｅとの差分から速度制御部５で、前記指令位置ｂに到達させるために必要な指令トルクＴｅを生成する。指令トルクＴｅは制御のオン、オフスイッチ１０を介してドライバを含む電流制御部６に与えられ、電流制御部６は受けた指令トルクＴｅに従いモータ１を駆動して制御負荷１ｂを位置制御し、目標位置、例えば電子部品を装着する回路基板、あるいは金属バンプを形成するベアＩＣなどの作業対象１４に当接する位置に到達させる。
【００３４】
目標位置に到達して位置制御負荷１ｂが作業対象１４に当接した当たりが検出されると、加重制御手段２１による加重制御に切り替わり、加重動作が行われる。具体的には、制御負荷１ｂが作業対象１４に当接したときに現在速度が０になるのに対応して、速度制御部５から出力される指令トルクＴｅが増大する変化によって、あたり検出部８がその当接を検出する。あたり検出部８が当接を検出すると位置決めコントロール部７の制御を停止させて、加重コントロール部９を働かせる。加重コントロール部９はその後の指令位置などの信号に基づいて所定の指令トルクＴｅ′を電流制御部６に入力しモータ１がさらなる駆動力を得て、位置制御負荷１ｂをそれが当接した作業対象１４にさらに押しつけて所定の加重状態が得られる。加重動作の終了によってリターン動作が行われる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のモータ類の位置制御時の加重制御方法およびその装置の１つの特徴によれば、モータから位置制御負荷に至るまでの、認識できる、できないに係わらないあらゆるバラツキ要素を含む実績データに基づき、目標通りの加重値が高精度に得られ、装置では特にそのような加重制御を自動的に達成することができる。
【００３６】
また、別の特徴によれば、指令トルクを増大させていくときと、減少させていくときとの加重特性にヒステリシス特性があっても、指令トルクを増大させていく加重制御と、指令トルクを減少させていく加重制御とをそのようなヒステリシス特性の影響に対処したより正確な加重制御を達成することができる。
【００３７】
また、装置のべつの特徴によれば、その装置につき実測して得たキャリブレーションテーブルＣＴを一旦記憶手段に記憶しておけば、その後何らかの変化によりデータ変更が必要になるまで、その時々に必要な加重値の設定を行うだけで自動的に対応できる。
【００３８】
さらに、別の特徴では、キャリブレーションテーブルＣＴがこれを利用する実機そのものの動作機能によって自動的に得られるので、人がいちいち試験操作してデータを収集し、データ設定するような必要がなく便利である。また、何らかの変化があったときや、定期的にキャリブレーションテーブルＣＴを作成し直し、そのときどきの変化に対応することが自動的に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な１つの実施の形態に係るモータ類の位置決め制御時の加重制御方法および装置を示す模式図である。
【図２】図１の方法および装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】図１の方法および装置でのキャリブレーション操作の一例を示すフローチャートである。
【図４】図３の操作において得られるキャリブレーションテーブルをグラフ化して示したグラフである。
【図５】図３の操作で得たキャリブレーションテーブルを利用した場合の位置決め制御およびそれに続く加重制御の一例を示すフローチャートである。
【図６】従来のモータ類の位置決め制御時の加重制御方法および装置を示す模式図である。
【図７】図６の方法および装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図８】モータごとの推力、および加重特性にバラツキのある状態を示すグラフである。
【図９】指令トルクを増減する加重制御状態の一例を示すグラフである。
【図１０】図９に示す加重制御において生じる加重特性のヒステリシス特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１モータ
１ｂ位置制御負荷
４位置制御部
５速度制御部
６電流制御部
７位置決めコントロール部
８あたり検出部
９加重コントロール部
１１キャリブレーションコントロール部
１２キャリブレーションデータテーブル記憶部
１３加重特性検出手段
１４作業対象
２１加重制御手段
２２位置制御手段
２３加重値設定手段
２４指令トルク設定手段
２５切換手段
Ｔｅ、Ｔｅ′ 指令トルク
Ｌ加重特性

Claims

モータ類を指令トルクにより駆動して、位置制御負荷を作業対象に当接させ、各種指令トルクと加重値を対応させたキャリブレーションテーブルから、目標の加重値に対応する指令トルクを選択し、選択した指令トルクにより加重制御を行うモータ類の加重制御方法において、キャリブレーションテーブルは、指令トルクを増大させていくときの加重特性に対応する第１の変化分のデータと、指令トルクを減少させていくときの加重特性に対応する第２の変化分のデータとを備え、指令トルクが増大するときの加重制御は第１の変化分のデータによって、指令トルクが減少するときの加重制御は第２の変化分のデータによって、それぞれ加重制御を行うモータ類の加重制御方法。