JP3749870B2 - 設定作業域内に工具を位置決めする装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１に発明の上位概念として規定したように、互いに平行に第１の座標方向に延在していて夫々１つの案内キャリッジを長手方向に移動調整可能に支承した２本の案内が設けられており、前記の両案内キャリッジが、工具を支持して第２の座標方向にも前記工具の運動を可能にする支持構造によって連結されている形式の、設定作業域内に工具を位置決めする装置に関する。
【０００２】
なお本明細書で云う「工具」とは、最も一般的な意味合いで解することができ、設定位置において機械式又は非機械式の機能を果たすのに適したあらゆるエレメント、例えばグラブ或いはセンサを表わすものとする。
【０００３】
【従来の技術】
原則として二次元的な位置決め系は、Ｔ形構造又はＨ形構造として実現される。その場合１つの門形架構は１つのモータ又は２つのモータによってＸ軸方向に動かされ、かつ該門形架構上に可動配置されていて工具を支持するキャリッジは、別のモータによってＹ軸方向で位置決めされる。その場合比較的大きな質量が動かされねばならない。達成できる加速は比較的小さいので、このような位置決め系の作業速度は当然比較的小さくなる。
【０００４】
プリント配線基板に構成素子を自動的に実装する場合に、例えば実装ヘッドの形の工具は大きな速度で作業域全体にわたって運動する必要がある。しかし前述の形式の位置決め系は、より高い生産速度を得ようとする要望をもはや満たすことができない。
【０００５】
Ｘ軸及びＹ軸の両座標方向に加えて、第３の座標方向すなわちＺ軸方向での工具の昇降運動及び該Ｚ軸を中心とする角度φ分の回動が必要になる場合があり、従ってこの２つの機能は、付加的な構成群によって実現されねばならず、その結果、運動質量は更に増大し、かつ、Ｔ形構造又はＨ形構造の場合には、何れにしても構造域よりも小さい作業域が、場合によっては侵害されることになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、前述の従来技術に基づいて公知になっている装置を改良して、場合によっては必要になる全ての機能、つまり三次元座標系における位置決め及び１つの軸線を中心とする角度調整を付加的な構成群なしに果たすことができ、しかも運動質量をできるだけ小さくする一方、構造域に対して作業域をできるだけ大きくすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明の構成手段は、請求項１の特徴部に記載したように、支持構造が、第３座標軸の方向に対して夫々平行な第１のジョイント軸及び第２のジョイント軸を中心として可動に案内キャリッジに連結されておりかつ２本の連結リンクから成っており、両連結リンクが、前記の第１及び第２のジョイント軸に対して平行な第３のジョイント軸によって互いに連結されており、前記第３のジョイント軸に対して共軸に前記支持構造が、工具を支持する回転ストロークスピンドルを備え、該回転ストロークスピンドルが、前記第３座標軸の方向に直線的に調整可能でありかつこの直線的調整とは無関係に前記第３のジョイント軸を中心として回転角度だけ調整可能であり、しかも前記回転ストロークスピンドルが、位置決め装置の作業域を案内の構造域を超えて拡大させるように、前記案内の長手方向で両側へ向かって振れ可能に構成されている点にある。
【０００８】
本発明は、その構成に当たって、先願で提案した２つの案内キャリッジから成る５点ジョイント式伝動機構を採用するものであり、前記２つの案内キャリッジは、作業域の両側で平行に延在する２つの案内に沿って調整移動可能であり、かつ２本の連結リンクから成る連結体によって互いに連結されており、戦記の両連結リンクは、互いに平行な軸線を有する３つの回転ジョイントによって、前記の両案内キャリッジに連結されていると共に相互にも連結されている。付加的な特徴として、両連結リンクを連結する回転ジョイントの領域内には、工具を支持する１本の回転ストロークスピンドルが配置されている。この構造は、比較的僅かな運動質量でもって実現され、かつ、第３のジョイント軸の領域に回転ストロークスピンドルを配置したことによって、工具のＺ軸方向の運動のため、及び該Ｚ軸を中心とする工具の回動のために、多質量の付加的構成群を付設する必要が省かれる。前記の両連結リンクを連結するジョイント点は、両案内の長手方向で両方の側へ向かって振れさせることができるので、作業域は一方又は他方の側へ向かって構造域を凌駕してそれ以上に及ぶことができる。
【０００９】
本発明の有利な構成手段は従属請求項に記載されている。
【００１０】
請求項２に記載した構成によって、両案内の領域を超えて両連結リンクをＹ軸方向で外向きに振れさせることが可能になり、ひいては装置の構造域に対比して作業域を両側に拡張することが可能になる。両連結リンクは等しい長さをもって構成されるのが有利である。
【００１１】
請求項３及び請求項４に記載した構成手段によって、運動質量を更に低減させることが可能になる。
【００１２】
請求項５に記載した本発明の構成手段によって、工具の回転運動を発生させるための第２の調整モータと回転ストロークスピンドルとの間の伝動接続部は同時に工具の平行案内のために役立つ。
【００１３】
請求項９及び請求項１０に記載したリニアモータの使用によって、運動質量は更に低減されかつ作業速度が改善される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。
【００１５】
位置決め装置１は、作業域２に対応配設されていて、互いに平行かつ水平に、第１座標軸Ｘの方向に延在する２条の案内３，４を有している。各案内３，４に沿って案内キャリッジ５，６（図２）が可動である。両案内キャリッジ５，６は、互いに独自にＸ軸方向に調整移動可能であり、このために例えばベルト駆動装置７，８が使用され、該ベルト駆動装置は調整モータ９，１０を介して駆動可能である。両案内キャリッジ５，６は、作業域２を横切って（シンボリックに図示した）工具１１（例えばプリント配線基板に構成素子を実装するための実装ヘッド）を支持する総体的に符号１２で示した支持構造によって連結されており、該支持構造１２は、案内キャリッジ５，６の調整移動に関連して工具１１を、水平方向のＸ軸座標とＹ軸座標によって特定された位置へ移送するのに適している。
【００１６】
支持構造１２は、案内キャリッジ５ではＺ軸座標に対して平行に延びる鉛直方向の第１のジョイント軸１３を介して、かつ案内キャリッジ６では前記ジョイント軸に対して平行な第２のジョイント軸１４を中心として旋回可能に支承されている。前記支持構造１２は２つの連結リンク１５，１６から成り、両連結リンクは、前記の第１及び第２のジョイント軸１３，１４に対して平行な第３のジョイント軸１７を介して可動に互いに連結されている。両連結リンク１５，１６の長さは等しく、かつ、第３のジョイント軸１７を作業域２の全幅にわたって運動させ得るように設計されている。両連結リンク１５，１６の運動平面は鉛直方向で見て、両案内３，４の所要空間に対して隔ててずらされているので、両連結リンクは、案内３，４を超えて外向きに旋回することができ、ひいては作業域をＹ軸方向で拡張することができる。この作業域拡張状況が図１Ａに破線で図示されている。但しこの場合、両ジョイント軸１３，１４は新たな位置１３′，１４′へ調整移動されたものとする。
【００１７】
図１Ｂから判るように、両ジョイント軸１３，１４は、図１Ａに示した位置１３′，１４′を超えて運動させられ、ひいては完全に揺動することができ、これによって作業域はＸ軸方向で見て、図１Ａに示したように左手に向かってではなく、右手に向かっても変位されているので、全体的に見て本位置決め装置によって、装置の構造域に対比して大きな作業域が可能になる。図１Ｂでは、両ジョイント軸１３，１４の変化した位置は符号１３″，１４″で示されている。
【００１８】
本発明の位置決め装置１は例えば運動機構的に見れば、２つの案内キャリッジ５，６並びに３つのジョイント軸１３，１４，１７を有する５点ジョイント式伝動機構を形成している。案内キャリッジ５，６は夫々駆動されており、かつ、図示を省いた架台に沿って定位に支承されている。回転ストロークスピンドル１８或いは、回転ストロークスピンドル１８の代わりに配置された作業プラットフォームは、両連結リンク１５，１６の一方に固着されている。制御技術の点から見れば、グラブを第３のジョイント軸１７に正確に沿って連結リンク１５，１６間に配置するように、作業プラットフォームもしくは回転ストロークスピンドル１８を構成するのが最も簡単である。
【００１９】
本発明の位置決め装置１を制御するためには、数学的な等式を使用することが可能である。この場合第１に、等式内に２つの根項を含む逆運動問題（inverses kinematisches Problem＝IKP）が生じる。更にまた等式内に１つの根項を含む直接運動問題（direktes kinematisches Problem＝DKP）が生じる。従って各数式のＩＫＰについては４つの解が、またＤＫＰについては２つの解が生じる。ＩＫＰの夫々２つの解は、例えば図３に略示した本発明の位置決め装置１の個々のエレメント１３，１４〜１７の配置並びにその作業空間のように、ＤＫＰの解の１つと一義的に相関関係にあり、かつただＩＫＰの残りの２つの解は、図４Ａ及び図４Ｂに本発明の位置決め装置１の過渡的形状として示したように、異なったＤＫＰの解を有する部分解に分割されねばならないので、究極的には本発明の位置決め装置１の構造について６つの可能形状が生じる。各作業形状又は過渡的形状におけるジョイント軸１３，１４，１７の変化位置は、図３〜図６において符号１３，１４，１７；１３′，１４′，１７′；１３″，１４″，１７″；１３″′，１４″′，１７″′で示されている。
【００２０】
従ってＩＫＰの１つの解からＩＫＰの第２の解への推移（ＩＫＰ変換）、すなわち１つの作業形状から過渡的形状への変換は、図５Ａ及び図５Ｂから判るように、ＩＫＰ変換については４つの変換が可能であるので、区別されねばならない。他面において２つの過渡的形状間の移行、すなわちＤＫＰの１つの解からＤＫＰの別の解への変換（ＤＫＰ変換）が存在し、このＤＫＰ変換については図６から判るように２つの変換が可能である。
【００２１】
ＩＫＰ変換は第１タイプの１つの特異点を通って、つまり本発明の位置決め装置１の１つの構造位置を通って誘導され、その場合、作業プラットフォーム又は回転ストロークスピンドル１８を動かすことなしに一方の駆動装置、つまり調整モータ９又は１０は運動させることできる。位置決め装置１の構造はＩＫＰ変換の場合、いかなる時点においても運動的に特定されているので、位置決め装置１の駆動装置を制御するためには、変化された数式、すなわち例えば別の正負記号をもった等式をＩＫＰの解のために使用し、かつ第１タイプの特異点の周辺域において駆動装置９，１０だけを制御すればよく、その場合ＩＫＰを算定する必要はない。
【００２２】
これに対してＤＫＰ変換は、第２タイプの１つの特異点を通って、つまり位置決め装置１の１つの構造位置を通って誘導され、その場合、１つの駆動装置すなわち一方の調整モータ９又は１０は運動を惹起させることなしに作業プラットフォーム又は回転ストロークスピンドル１８を動かすことが可能である。この位置では位置決め装置１は運動的に特定不足であるので、この運動的に特定不足な部位を確実にかつ一義的な運動で通過できるようにするために制御手段も構造上の手段も共に講じる必要がある。
【００２３】
位置決め装置１に構造上の手段を講じることなしに、ＤＫＰ変換を動的に実施することも可能である。但しこの場合は確実な運転は必ずしも保証されていない。これに関して確実な運転を保証するために少なくとも１つのセンサ（図示せず）を設ける必要があり、該センサの信号は制御装置によって評価され、かつ該信号に基づいて、位置決め装置１が目下どのような形状に在るかが検知される。
【００２４】
ＤＫＰ変換の構造上の解決手段として、少なくとも４つの手掛かりが可能である。
【００２５】
第１に、（従来は受動的な）ジョイント軸１３，１４，１７の１つに、正常運転ではアイドリングで連動する付加的な駆動装置を設けることが可能である。ＤＫＰ変換の領域で、つまり第１タイプの１つの特異点を通過する際に、案内キャリッジ５，６の一方の駆動装置、つまり調整モータ９又は１０がアイドリングに切換えられ、かつ付加的な駆動装置（図示せず）が、第２タイプの特異点を通って位置決め装置１を通過運動させる。この小さな低速運動のために、付加的な駆動装置はそれ相応に小形に設計され、これによって付加的な質量が減少される。
【００２６】
他面において、残りの連結リンクの運動に影響を及ぼすことなしに１つの連結リンクを２ストローク分だけ拡張することも可能である。２ストローク分の拡張は、５点ジョイント式伝動装置を、７点ジョイント式伝動装置にする。しかし付加的なジョイントの１つが例えばブレーキを介してブロッキングされると、６点ジョイント式伝動装置が生じ、この規定の運動のためには、ただ１つの駆動装置が必要になるにすぎない。２ストロークは構造的に例えば１本の循環ベルトによって実現される。この循環ベルト又は、該循環ベルトを案内する２本の変向案内ローラの１本が制動されると、位置決め装置は、ただ１つの駆動装置の使用の下でＤＫＰ変換によって運動することができる。
【００２７】
更に第２のタイプの特異点を通過する際に、力の導入を介して位置決め装置１に優先方向を印加することも可能である。この力はこの場合、能動的に導入できるばかりでなく、また受動的に、例えば捩りばねを介して駆動装置に近いジョイント軸１３，１４，１７の１つに、或いは引張りばねを介して、案内キャリッジ５又は６と所属の連結リンク１５又は１６との間に導入することもできる。ＤＫＰ変換はこの場合、駆動装置つまり調整モータ９又は１０の遮断によって作動することができる。しかしながらこの場合、ＤＫＰ変換のために必要な時間は、一義的に特定したり予告したりすることができない。またＤＫＰ変換による推移は、特にばね作用が方位づけられていることに基づいて、１方向にしか可能でない。従って作業域形状間の推移も１方向にのみ可能である。
【００２８】
また第２のタイプの特異点を動的に通過することは、ＤＫＰ変換の一義的な通過を一層フレキシブルにすることができる。作業プラットフォームもしくは回転ストロークスピンドル１８が１つの推移形状から第２の推移形状へ移行できるようにするために、旋回法則に基づいて一方の駆動装置９又は１０は無質量に保持されねばならない。すなわち位置決め装置１は、駆動装置に近い少なくとも一方のジョイント軸１３又は１４に接触する力を検知できるセンサ装置を有している。センサ装置の信号を評価することによって、一方のジョイント軸１３又は１４に接する前記の力は、ＤＫＰ変換域のために零に制御される。これによって、付加的な駆動装置を使用することなしに、第２タイプの特異点を一義的に通過することが可能になる。更にまたこの通過は、方向に関わり無く実施することができる。
【００２９】
また工具１１の位置を第３の座標軸Ｚの方向にも、かつ該Ｚ軸に対する角度位置φにも調整できるようにするために、第３のジョイント軸１７に対して共軸に１本の回転ストロークスピンドル１８が、案内３，４との衝突を排除するように配置されている。
【００３０】
回転ストロークスピンドル１８におけるＺ軸方向の運動は、回転ストロークスピンドル１８をそれ自体公知のボール案内ねじ溝式スピンドルとして構成することによって発生することができ、その場合機械的な駆動は、案内キャリッジ５によって支持された調整モータ１９によって行われ、該調整モータの調整運動は、伝動接続部、例えばベルト伝動装置を介して行われ、該ベルト伝動装置は、連結リンク１５内に完全収納されているので、目視することはできない。しかし又、鉛直方向に可動のスピンドル及び該スピンドルを案内するエレメントを、リニアモータのエレメントとして構成することも可能であり、これによって調整モータ１９及び、該調整モータに配設された伝動接続部を省くことが可能になり、ただこの場合は給電線及び制御導線を連結リンク１５を通して配線することが必要である。
【００３１】
回転角度φにわたる回転ストロークスピンドル１８の運動のために、案内キャリッジ６上に搭載された調整モータ２１が使用され、該調整モータは伝動接続部、例えば同じくベルト伝動装置を介して回転ストロークスピンドル１８に連結されている。前記伝動接続部は連結リンク１６内に収納されており、かつ、調整モータ２１の調整運動を角度正しく回転ストロークスピンドル１８に伝達するように構成されている。これによって三次元座標系Ｘ，Ｙ，Ｚにおける工具位置の調整移動中に、調整モータ２１によって付加的な角度調整を行わない限り、工具１１が常にそれ自体に対して平行変位することが保証されている。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】連結リンクの第１の起点位置及び中間位置で示した本発明の位置決め装置の概略的な平面図である。
【図１Ｂ】完全に振れた状態にある連結リンクの第２起点位置の概略平面図である。
【図２】一部破断して示した本発明の位置決め装置の斜視図である。
【図３】本発明の装置の２つの異なった作業形状の概略図である。
【図４Ａ】本発明の装置の過渡的形状の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａとは異なった過渡的形状の概略図である。
【図５Ａ】第１タイプの特異点における本発明の装置の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａとは異なった特異点における本発明の装置の概略図である。
【図６】第２タイプの２つの異なった特異点における本発明の概略図である。
【符号の説明】
１ 位置決め装置、 ２ 作業域、 ３，４ 案内、 ５，６ 案内キャリッジ、 ７，８ ベルト駆動装置、 ９，１０ 調整モータ、 １１工具、 １２ 支持構造、 １３ 第１のジョイント軸、 １４ 第２のジョイント軸、 １５，１６ 連結リンク、 １７ 第３のジョイント軸、 １８ 回転ストロークスピンドル、 １９ 調整モータ、 ２１ 調整モータ

Claims (10)

1. 互いに平行に第１の座標方向（Ｘ）に延在していて夫々１つの案内キャリッジ（５，６）を長手方向に移動調整可能に支承した２本の案内（３，４）が設けられており、前記の両案内キャリッジ（５，６）が、工具（１１）を支持して第２の座標方向（Ｙ）にも前記工具（１１）の運動を可能にする支持構造（１２）によって連結されている、設定作業域（２）内に工具（１１）を位置決めする装置であって、支持構造（１２）が、第３座標軸（Ｚ）の方向に対して夫々平行な第１のジョイント軸（１３）及び第２のジョイント軸（１４）を中心として可動に案内キャリッジ（５，６）に連結されておりかつ２本の連結リンク（１５，１６）から成っており、両連結リンクが、前記の第１及び第２のジョイント軸（１３，１４）に対して平行な第３のジョイント軸（１７）によって互いに連結されており、前記第３のジョイント軸（１７）に対して共軸に前記支持構造（１２）が、工具（１１）を支持する工具支持体（１８）を備え、該工具支持体が、前記第３座標軸（Ｚ）の方向に直線的に調整可能でありかつこの直線的調整とは無関係に前記第３のジョイント軸（１７）を中心として回転角度（φ）だけ調整可能であり、しかも前記工具支持体（１８）が、前記案内（３，４）の長手方向で両側へ向かって振れ可能に構成されている形式のものにおいて、
   連結リンク（１５，１６）の運動平面が、案内（３，４）が占める所要空間に対して鉛直方向（Ｚ）で見てずらされていて、連結リンク（１５，１６）の長さが、両案内（３，４）の互いの間隔よりも大きく形成されており、これにより第３のジョイント軸（１７）が案内（３，４）を超えて外方に向かって旋回可能であり、これにより位置決め装置（１）の作業域が案内（３，４）の構造域を超えて拡大されていることを特徴とする、設定作業域内に工具を位置決めする装置。
2. 一方の案内キャリッジ（５）上に、回転ストロークスピンドル（１８）の線運動のために設けた第１の調整モータ（１９）が配置されており、該調整モータの出力部が、前記一方の案内キャリッジ（５）に支承された連結リンク（１５）に沿った伝動接続部を介して、回転ストロークスピンドル（１８）に連結されている、請求項１記載の装置。
3. 他方の案内キャリッジ（６）上に、回転ストロークスピンドル（１８）の角度運動のために設けた第２の調整モータ（２１）が配置されており、該調整モータの出力部が、前記他方の案内キャリッジ（６）に支承された連結リンク（１６）に沿った伝動接続部を介して、回転ストロークスピンドル（１８）に連結されている、請求項１または２記載の装置。
4. 第２の調整モータ（２１）と回転ストロークスピンドル（１８）との間の伝動接続部が、角度正しく運動を伝達するように構成されている、請求項３記載の装置。
5. 伝動接続部がベルト伝動装置である、請求項２から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 伝動接続部が連結リンク（１５，１６）内にカプセル状に収納されている、請求項２から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 回転ストロークスピンドル（１８）が、ボール案内ねじ溝式スピンドルから成っている、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 各案内（３，４）及びこの各案内に対応配設された案内キャリッジ（５，６）が１つのリニアモータを形成している、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 回転ストロークスピンドル（１８）の鉛直方向に可動のスピンドル部分と、該スピンドル部分に対応配設された案内部分が、１つのリニアモータを形成している、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 両連結リンク（１５，１６）が等しい長さを有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。

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