JP3954210B2 - 直線方向駆動機構の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板に電子部品を実装する実装機等に装備される直線方向駆動機構の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、作業用部材を保持する可動フレームをモータにより送りねじを介して所定方向に移動させるようにした直線方向駆動機構は各種分野の機械に装備されており、例えばこの種の直線方向駆動機構を備えた機械としてプリント基板に電子部品を実装する実装機がある。
【０００３】
図９は従来の一般的な実装機の構造を模式的に示しており、この図に示す実装機は、Ｘ軸方向に延びて両端部が実装機本体上の一対のガイドレールａ，ｂに支持されることによりＹ軸方向に移動可能となった可動フレームｃと、この可動フレームｃにＸ軸方向に移動可能に支持された作業用部材としてのヘッドユニットｄとを備え、このヘッドユニットｄにより部品供給部から電子部品をピックアップして、プリント基板上に装着するようになっている。
【０００４】
この実装機において上記可動フレームｃを駆動する機構は、可動フレームｃの一端側下方（一方のガイドレールａ側）に配置されたＹ軸方向のボールねじ軸（送りねじ）ｅと、このボールねじ軸ｅに連結されたサーボモータｆとを備え、可動フレームｃの一端側に設けられたナット部分に上記ボールねじ軸ｅが螺合しており、ボールねじ軸ｅがサーボモータｆにより駆動されて回転することにより可動フレームｃがＹ軸方向に移動するようになっている。サーボモータｆにはエンコーダｇが設けられており、サーボモータｆ及びエンコーダｇは図外の制御ユニットに接続され、制御ユニットによりサーボモータｆの駆動が制御されるようになっている。
【０００５】
このように可動フレームｃの一端側に送りねじが連結された片側駆動による場合、可動フレームｃが目的位置へ移動して減速停止する際、可動フレームｃの一端側（駆動側；ボールねじ軸ｅに連結されている側）と他端側（従動側）の動きは図１０のようになる。すなわち、可動フレームｃの駆動側及び従動側ではそれぞれ目的位置Ｏ １ ，Ｏ ２ に達してからも残留振動が生じ、特に可動フレームｃのたわみ等によって従動側の残留振動が大きく、かつ長く続く。そして、プリント基板への部品装着の際にこの残留振動が充分に減衰する前に装着を行なうと実装精度が低下し、実装精度を確保するために可動フレームｃが目的位置に達してからも残留振動が充分に減衰するまで待機するようにすると、実装作業の能率低下を招く。
【０００６】
また、可動フレームの駆動機構の他の例としては、ボールねじ軸及びこれを駆動するサーボモータを一対ずつ設け、可動フレームの両端部を同時に駆動するようにした両側駆動タイプのものもあるが、このように両側駆動でも、単に各サーボモータを個別に制御するだけでは、後にも詳述するように残留振動を充分に抑制することが難しい（図１１参照）。
【０００７】
このため、例えば特開平６−２９６０９７号公報に示されるように、Ｘテーブル（可動フレーム）の両端部に設けた一対の送りナットと、その各送りナットに螺合する一対の送りねじと、この一対の送りねじを個別に駆動する一対のモータとからなる両側駆動タイプの駆動機構を備えた実装機において、上記一対のモータに対する制御系統に協調動作制御部を設けて、Ｘテーブルの振動の抑制を図るようにしたものが提案されている。
【０００８】
すなわち、この実装機の制御系統は、上記各モータをそれぞれ駆動する一対のサーボドライバと、各モータに設けられたエンコーダからの信号及び目標位置情報等に基づき、上記各サーボドライバに対してそれぞれ速度指令を送出する一対の速度指令部と、各エンコーダからの信号から求めた上記一対の送りナットの各加速度を比較し、それに応じて上記一対の速度指令部に補正信号を出力する協調動作制御部とを有し、上記各加速度の差をなくすように速度指令を補正している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示された実装機によると、一対のサーボドライバに対し、一対の速度指令部から個別に速度指令を送出するようにしつつ、その速度指令を上記各加速度の差に応じて補正するようにしているため、サーボドライバ及び速度指令部がそれぞれ一対ずつ必要である等、制御系統の構成が複雑になる。また、上記速度指令が補正されると、それに応じた電流指令値の変化等を経てモータの供給電流が間接的に補正制御されることとなるので、制御の応答性が悪化し易い。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、可動フレームに対する駆動系統を一対のモータを用いた両側駆動タイプとするとともに、その一対のモータの駆動を調整して可動フレームの振動を抑制するように制御することができ、しかも、制御系統を比較的簡単な構成とし、かつ、振動抑制のための補正制御を応答性良く行なうことができる直線方向駆動機構の制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定方向に延びるガイドに支持されて直線的に移動可能となった可動フレームと、この可動フレームに保持された作業用部材と、上記可動フレームの移動方向と直交する方向の両端部に設けられたナット部分に螺合する一対の送りねじと、この各送りねじを個別に駆動する一対のモータと、この一対のモータの駆動電流をそれぞれ制御する一対の電流制御手段とを備えた直線方向駆動機構の制御装置であって、上記各モータの駆動状態を検出して位置及び速度に関係するデータを与える一対の検出手段と、位置指令値と一方のモータの位置との比較に基づいて速度指令値を求める両モータに共通の速度指令発生手段と、この速度指令値と一方のモータの速度との比較に基づき電流指令値を求め、その電流指令値を上記一対の電流制御手段に対してそれぞれ出力する両モータに共通の電流指令発生手段と、上記各検出手段の各出力に基づいて上記一対のモータの速度差を演算する演算手段と、この演算手段により演算された速度差に応じ、上記各電流制御手段に与える電流指令値に偏差をもたせるように補正する電流指令補正手段とを備えたものである。
【００１２】
この装置によると、上記可動フレームが一対のモータで送りねじを介して駆動され、この一対のモータが上記両モータに共通の速度指令発生手段、両モータに共通の電流指令発生手段及び一対の電流制御手段により制御されるとともに、一対のモータに速度差が生じたとき、それに応じて電流指令値が補正されることにより上記速度差を減少させるようにモータ駆動電流が調整される。これにより上記可動フレームの振動が抑制される。とくに、制御系統が比較的簡単な構成でありながら、上記速度差に応じたモータ駆動電流の調整が応答性良く行なわれ、可動フレームの摺動抑制効果が高められる。
【００１３】
上記直線方向駆動機構は例えばプリント基板に電子部品を実装するための実装機に装備されるものであり、この場合、作業用部材として、部品吸着用のノズルを有して部品供給部から電子部品をピックアップするヘッドユニットを備え、このヘッドユニットが可動フレームにＸ軸方向に移動可能に保持され、この可動フレームが実装機本体にＹ軸方向に移動可能に支持されるとともに、この可動フレームのＸ軸方向両端部に設けられたナット部分に螺合する一対の送りねじが互いに平行にＹ軸方向に延びるように配置され、この一対の送りねじが一対のモータでそれぞれ駆動されるようになっている。
【００１４】
このように本発明を実装機に適用した場合、プリント基板への電子部品の装着に際し、可動フレームの減速停止時の振動が抑制され、可動フレームが静止するまでの時間が短縮されることから、実装精度の向上及びタクトタイムの短縮に有効となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１および図２は本発明が適用される直線方向駆動機構を備えた機械の一例として実装機を示している。これらの図において、実装機本体の基台１上には、プリント基板搬送用のコンベア２が配置され、プリント基板３がこのコンベア２上を搬送されて所定の基板設置位置で停止されるようになっている。上記コンベア２の側方には、部品供給部４が配置されている。この部品供給部４は電子部品を供給するためのフィーダーを備え、例えば多数列のテープフィーダー４ａを備えている。
【００１７】
また、上記基台１の上方には作業用部材としてのヘッドユニット５が装備されている。このヘッドユニット５は、部品供給部４から電子部品をピックアップしてプリント基板３に装着するものであり、１乃至複数の吸着ノズル６を有するとともに、この吸着ノズル６を昇降させるＺ軸駆動機構（図示せず）及び吸着ノズル６を回転させるＲ軸駆動機構（図示せず）等を具備している。
【００１８】
このヘッドユニット５は可動フレーム１１にＸ軸方向（コンベア２の方向）に移動可能に保持されており、可動フレーム１１は実装機本体にＹ軸方向（水平面上でＸ軸と直交する方向）に移動可能に支持されている。そして、可動フレーム１１のＹ軸方向の移動とこの可動フレーム１１に対するヘッドユニット５のＸ軸方向の移動とにより、ヘッドユニット５が実装機本体に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能となり、部品供給部４とプリント基板３が位置する部品装着部とにわたって移動することができるようになっている。
【００１９】
すなわち、上記基台１上にはＹ軸方向に延びる一対の直線状のガイド７，８がＸ軸方向に所定距離をおいて配設されており、このガイド７，８に上記可動フレーム１１のＸ軸方向両端部が、ガイド７，８に沿って移動し得るように支持されている。上記可動フレーム１１はＸ軸方向に長く形成され、この可動フレーム１１に、Ｘ軸方向のガイド部材１３と、Ｘ軸方向の送りねじであるボールねじ軸１４と、このボールねじ軸１４を駆動するＸ軸サーボモータ１５とが配設され、上記ガイド部材１３にヘッドユニット５が移動可能に保持されるとともに、このヘッドユニット５に設けられたナット部分（図示せず）が上記ボールねじ軸１４に螺合している。そして、上記ボールねじ軸１４がＸ軸サーボモータ１５により駆動されて回転するに伴い、ヘッドユニット５がＸ軸方向に移動するようになっている。１６はＸ軸サーボモータ１５に付設されたエンコーダである。
【００２０】
また、上記可動フレーム１１を駆動する機構としては、Ｙ軸方向の送りねじとこれを駆動するモータが一対ずつ設けられている。すなわち、図３の模式図にも示すように、Ｙ軸方向の送りねじである一対のボールねじ軸１７，１８が、可動フレーム１１の両端部の下方でガイド７，８の近傍に位置し、互いに平行にＹ軸方向に延びるように配置されている。この各ボールねじ軸１７，１８は可動フレーム１１の両端部に設けられたナット部分１９，２０に螺合している。そして、一対のＹ軸サーボモータ２１，２２が上記各ボールねじ軸１７，１８にカップリング２３，２４を介して接続されている。
【００２１】
上記各Ｙ軸サーボモータ２１，２２にはそれぞれ、各モータの駆動状態を検出して位置及び速度に関係するデータを与える検出手段としてのエンコーダ２５，２６が付設されている。上記各Ｙ軸サーボモータ２１，２２及びエンコーダ２５，２６は制御ユニット３０に接続されている。
【００２２】
上記両Ｙ軸サーボモータ２１，２２に対する制御系統の構成を、図４によって説明する。なお、以下の説明の中では、両Ｙ軸サーボモータ２１，２２のうちの一方を第１モータ２１、他方を第２モータ２２と呼ぶ。
【００２３】
図４に示す制御系統は、上記制御ユニット３０内に位置指令発生手段３１、速度指令発生手段３２、電流指令発生手段３３、第１，第２の電流制御手段３４，３５、速度差演算手段３６及び電流指令補正手段３７を備えている。また、上記制御ユニット３０に対し、上記各エンコーダ２５，２６からは各モータ２１，２２の回転速度の検出信号が送られるようになっている。
【００２４】
上記位置指令発生手段３１は、可動フレーム１１の移動先までの距離に応じて設定される制御パターンに従い、一定微小時間毎に目標位置を求めて位置指令値を出力する。上記速度指令発生手段３２は、上記位置指令値θO と、第１モータ２１に付設されたエンコーダ２５から出力される速度検出値を積分することにより得られる位置検出値θ1 とを比較し、現実の位置を指令された位置に近づけるように速度を調整すべく、両者の差に応じた速度指令値ωO を出力する。上記電流指令発生手段３３は、上記速度指令値ωO とエンコーダ２５から出力される速度検出値ω1 とを比較し、現実の速度を指令された速度に近づけるようにモータ駆動電流を調整すべく、両者の差に応じた電流指令値ｉO を出力する。
【００２５】
また、上記各電流制御手段３４，３５はそれぞれ電流指令値に応じて各モータ２１，２２の駆動電流を制御する。この電流制御の詳細については図示を省略するが、例えば、実際にモータに供給される電流を検出し、その電流検出値と電流指令値とを比較して両者を一致させるようにモータへの電流供給をコントロールするといった電流フィードバック制御を行なう。
【００２６】
この場合に、第１電流制御手段３４は電流指令発生手段３３から与えられる電流指令値ｉO1（＝ｉO ）に応じて第１モータ２１の駆動電流を制御するが、第２電流制御手段３５は電流指令補正手段３７により補正された電流指令値ｉO2に応じて第２モータ２２の駆動電流を制御する。
【００２７】
上記速度差演算手段３６は、第１モータ２１に付設されたエンコーダ２５から出力される速度検出値ω1 と第２モータ２２に付設されたエンコーダ２６から出力される速度検出値ω2 との差である速度差Δωを演算する。また、電流指令補正手段３７は、速度差演算手段３６により演算された速度差Δωに応じ、上記各電流制御部に与える電流指令値に偏差を持たせるように、第２電流制御部に与える電流指令値を補正する。
【００２８】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図８を参照しつつ説明する。
【００２９】
図５は一対のモータを用いて負荷（ヘッドユニット等）を駆動する場合の、各モータと負荷とからなる３慣性系のモデルを示している。また、図６はこのような３慣性系をブロック線図で示している。
【００３０】
これらの図に示す符号は、
Ｔe1：第１モータの発生トルク
Ｔe2：第２モータの発生トルク
Ｔf1：第１モータによる軸トルク
Ｔf2：第２モータによる軸トルク
ＴL ：外乱トルク
ＪM1：第１モータのイナーシャ
ＪM2：第２モータのイナーシャ
ＪL ：負荷のイナーシャ
θ1 ：第１モータの変位
θ2 ：第２モータの変位
θL ：負荷の変位
ω1 ：第１モータの速度
ω2 ：第２モータの速度
ωL ：負荷の速度
ＫF1：第１モータ・負荷間のばね定数
ＫF2：第２モータ・負荷間のばね定数
ＣF1：第１モータ・負荷間の粘性摩擦係数
ＣF2：第２モータ・負荷間の粘性摩擦係数
ｓ：ラプラス演算子
である。
【００３１】
これらの図に示すように、第１モータ２１の発生トルクＴe1と軸トルクＴf1との差と、第１モータ２１のイナーシャＪM1とにより、第１モータ２１の速度ω1 が定まり、同様に第２モータ２２の発生トルクＴe2と軸トルクＴf2との差と、第２モータ２２のイナーシャＪM2とにより、第２モータ２２の速度ω2 が定まる。また、負荷（可動フレーム１１及びヘッドユニット５）には第１，第２モータ２１，２２による各軸トルクＴf1，Ｔf2と外乱トルクＴL とが作用し、これらのトルクＴf1，Ｔf2，ＴLと負荷のイナーシャＪL とにより、負荷の速度ωL が定まる。
【００３２】
そして、第１モータ２１による軸トルクＴf1は、第１モータ２１の速度ω1 と負荷の速度ωL との差と、第１モータ・負荷間のバネ定数ＫF1及び粘性摩擦係数ＣF1によって定まる。同様に、第２モータ２２による軸トルクＴf2は、第２モータ２２の速度ω2 と負荷の速度ωL との差と、第２モータ・負荷間のバネ定数ＫF2及び粘性摩擦係数ＣF2によって定まる。
【００３３】
従って、第１，第２モータ２１，２２が同一諸元のもので、かつ発生トルクＴe1，Ｔe2を同一にしたとしても、可動フレーム１１におけるヘッドユニット５の位置等によって第１モータ・負荷間と第２モータ・負荷間とでバネ定数ＫF1，ＫF2や粘性摩擦係数ＣF1，ＣF2が異なると、軸トルクＴf1，Ｔf2が変るために各モータ２１，２２の速度ω1 ，ω2 に差が生じ、この他にモータのイナーシャ等のばらつきによっても各モータ２１，２２の速度ω1 ，ω2 に差が生じる。
【００３４】
図７は、図６に示すような慣性系のブロック図に、図４に示した制御系統による制御を加えたブロック図を示している。
【００３５】
この図のように、上記制御系統では、速度指令手段３２により位置指令値θO と位置検出値θ1 との差に所定の位置ループゲインＫPPが掛けられて速度指令値ωO が演算され、電流指令手段３３により上記速度指令値ωO と速度検出値ω1 と差に基づき速度ループ比例ゲインＫSP及び速度ループ積分ゲインＫSIを用いた換算が行なわれて電流指令値ｉO が与えられる。そして、第１電流制御手段３４に電流指令値ｉO1（＝ｉO ）が与えられ、この電流指令値ｉO1に第１モータ２１のトルク定数ＫT1を掛けた値が第１モータ２１の発生トルクＴe1となる。
【００３６】
一方、電流指令補正手段３７により、上記第１，第２モータ２１，２２の速度差Δωに所定のゲインＫrmが掛けられることで電流指令補正値ΔｉO が演算され、この電流指令補正値ΔｉO が上記電流指令値ｉO に加算されることで第２電流制御手段３４に対する電流指令値ｉO2が求められる。この電流指令値ｉO2に第２モータ２２のトルク定数ＫT2を掛けた値が第２モータ２２の発生トルクＴe2となる。
【００３７】
こうして、上記速度差Δωに応じて第２モータ２２の電流及び発生トルクが調整され、例えば第２モータ２２の速度ω2 が第１モータの速度ω1 より小さいとき（上記速度差Δωが正のとき）は第２モータ２２の電流及び発生トルクが大きくなるように調整されることにより、両モータ２１，２２の速度差Δωが減少するように制御される。
【００３８】
このような制御が行なわれることにより、可動フレーム１１が目的位置まで移動して減速停止する際、可動フレーム１１の一端側（第１モータ２１により駆動される側）と他端側（第２モータ２２により駆動される側）の動きは図８のようになり、従来と比べて残留振動が大幅に減少し、目標位置Ｏ1，Ｏ2に収束して静止するまでの時間が大幅に短縮される。
【００３９】
つまり、前述のように従来の一般的構造である片側駆動タイプの場合、可動フレームのたわみなどにより図１０に示すように残留振動が大きくなり、静止までに長時間を要する。また、駆動系統を両側駆動タイプとしても図４中に示す速度差演算手段３６及び電流指令補正手段３７が設けられていなければ、モータ・負荷間のバネ定数ＫF1，ＫF2や粘性摩擦係数ＣF1，ＣF2の相違等によって両モータ２１，２２に速度差が生じ、これにより可動フレーム１１の両端の位置に相対変位が生じるため残留振動が充分に抑制されない。これに対し、上記速度差演算手段３６及び補正手段３７を備えた本発明の装置では、両モータ２１，２２の速度差が是正されることにより、効果的に残留振動が抑制される。
【００４０】
また、本発明の装置では、両モータ２１，２２の速度差Δωに応じて補正を行ない、かつ、電流指令発生手段３３で電流指令値を求めた後に補正することにより、一対のモータ２１，２２に対して速度指令発生手段３２や電流指令発生手段３３は共通にし、電流制御手段３４，３５のみ各モータ２１，２２に対して個別に設けているので、前述の特開平６−２９６０９７号公報に示されるように加速度の差を演算するとともに速度指令発生手段及びサーボドライバを各モータに対し個別に設けたものと比べ、制御系統の構成が簡単になる。また、上記速度差Δωに応じ、モータの駆動電流を定める電流指令値を直接補正しているので、上記公報に示されるように速度指令値を補正するものと比べ、制御の応答性が向上される。
【００４１】
なお、本発明の装置は、上記実施形態に示す実装機に限らず、直交ロボット等にも適用し得るものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、作業用部材を保持する可動フレームの駆動を、一対のモータで一対の送りねじを介して行なうようにし、この一対のモータを速度指令発生手段、電流指令発生手段及び一対の電流制御手段により制御するとともに、一対のモータの速度差を演算する演算手段と、この演算手段により演算された速度差に応じ、上記各電流制御部に与える電流指令値に偏差をもたせるように補正する電流指令補正手段とを備えているため、制御系統を比較的簡単な構成としながら、上記速度が生じたときに応答性良くモータ駆動電流の補正制御を行なうことができ、これにより、可動フレームの減速停止時等における振動抑制効果を高めることができる。
【００４３】
とくに、プリント基板に電子部品を実装するための実装機に適用した場合、実装精度の向上及びタクトタイムの短縮を図ることかできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される実装機の一例を示す概略平面図である。
【図２】上記実装機のヘッドユニットが支持されている部分の正面図である。
【図３】上記実装機における可動フレーム駆動部分の模式図である。
【図４】制御系統の構成を示すブロック図である。
【図５】慣性系のモデルを示す説明図である。
【図６】上記慣性系のブロック図である。
【図７】上記慣性系に図４の制御系統による制御を加えたブロック図である。
【図８】可動フレームが減速停止する際の可動フレームの両端部の動きを示すグラフである。
【図９】従来の一般的な実装機の可動フレーム駆動部分の模式図である。
【図１０】図９に示す従来の一般的構造による場合の可動フレーム減速停止時の動きを示すグラフである。
【図１１】他の従来構造による場合の可動フレーム減速停止時の動きを示すグラフである。
【符号の説明】
５ ヘッドユニット
１１ 可動フレーム
１７，１８ ボールねじ軸
２１，２２ サーボモータ
２５，２６ エンコーダ
３０ 制御ユニット
３２ 速度指令発生手段
３３ 電流指令発生手段
３４ 電流制御手段
３６ 速度差演算手段
３７ 電流指令補正手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板に電子部品を実装する実装機等に装備される直線方向駆動機構の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、作業用部材を保持する可動フレームをモータにより送りねじを介して所定方向に移動させるようにした直線方向駆動機構は各種分野の機械に装備されており、例えばこの種の直線方向駆動機構を備えた機械としてプリント基板に電子部品を実装する実装機がある。
【０００３】
図９は従来の一般的な実装機の構造を模式的に示しており、この図に示す実装機は、Ｘ軸方向に延びて両端部が実装機本体上の一対のガイドレールａ，ｂに支持されることによりＹ軸方向に移動可能となった可動フレームｃと、この可動フレームｃにＸ軸方向に移動可能に支持された作業用部材としてのヘッドユニットｄとを備え、このヘッドユニットｄにより部品供給部から電子部品をピックアップして、プリント基板上に装着するようになっている。
【０００４】
この実装機において上記可動フレームｃを駆動する機構は、可動フレームｃの一端側下方（一方のガイドレールａ側）に配置されたＹ軸方向のボールねじ軸（送りねじ）ｅと、このボールねじ軸ｅに連結されたサーボモータｆとを備え、可動フレームｃの一端側に設けられたナット部分に上記ボールねじ軸ｅが螺合しており、ボールねじ軸ｅがサーボモータｆにより駆動されて回転することにより可動フレームｃがＹ軸方向に移動するようになっている。サーボモータｆにはエンコーダｇが設けられており、サーボモータｆ及びエンコーダｇは図外の制御ユニットに接続され、制御ユニットによりサーボモータｆの駆動が制御されるようになっている。
【０００５】
このように可動フレームｃの一端側に送りねじが連結された片側駆動による場合、可動フレームｃが目的位置へ移動して減速停止する際、可動フレームｃの一端側（駆動側；ボールねじ軸ｅに連結されている側）と他端側（従動側）の動きは図１０のようになる。すなわち、可動フレームｃの駆動側及び従動側ではそれぞれ目的位置Ｏ １ ，Ｏ ２ に達してからも残留振動が生じ、特に可動フレームｃのたわみ等によって従動側の残留振動が大きく、かつ長く続く。そして、プリント基板への部品装着の際にこの残留振動が充分に減衰する前に装着を行なうと実装精度が低下し、実装精度を確保するために可動フレームｃが目的位置に達してからも残留振動が充分に減衰するまで待機するようにすると、実装作業の能率低下を招く。
【０００６】
また、可動フレームの駆動機構の他の例としては、ボールねじ軸及びこれを駆動するサーボモータを一対ずつ設け、可動フレームの両端部を同時に駆動するようにした両側駆動タイプのものもあるが、このように両側駆動でも、単に各サーボモータを個別に制御するだけでは、後にも詳述するように残留振動を充分に抑制することが難しい（図１１参照）。
【０００７】
このため、例えば特開平６−２９６０９７号公報に示されるように、Ｘテーブル（可動フレーム）の両端部に設けた一対の送りナットと、その各送りナットに螺合する一対の送りねじと、この一対の送りねじを個別に駆動する一対のモータとからなる両側駆動タイプの駆動機構を備えた実装機において、上記一対のモータに対する制御系統に協調動作制御部を設けて、Ｘテーブルの振動の抑制を図るようにしたものが提案されている。
【０００８】
すなわち、この実装機の制御系統は、上記各モータをそれぞれ駆動する一対のサーボドライバと、各モータに設けられたエンコーダからの信号及び目標位置情報等に基づき、上記各サーボドライバに対してそれぞれ速度指令を送出する一対の速度指令部と、各エンコーダからの信号から求めた上記一対の送りナットの各加速度を比較し、それに応じて上記一対の速度指令部に補正信号を出力する協調動作制御部とを有し、上記各加速度の差をなくすように速度指令を補正している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報に示された実装機によると、一対のサーボドライバに対し、一対の速度指令部から個別に速度指令を送出するようにしつつ、その速度指令を上記各加速度の差に応じて補正するようにしているため、サーボドライバ及び速度指令部がそれぞれ一対ずつ必要である等、制御系統の構成が複雑になる。また、上記速度指令が補正されると、それに応じた電流指令値の変化等を経てモータの供給電流が間接的に補正制御されることとなるので、制御の応答性が悪化し易い。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑み、可動フレームに対する駆動系統を一対のモータを用いた両側駆動タイプとするとともに、その一対のモータの駆動を調整して可動フレームの振動を抑制するように制御することができ、しかも、制御系統を比較的簡単な構成とし、かつ、振動抑制のための補正制御を応答性良く行なうことができる直線方向駆動機構の制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定方向に延びるガイドに支持されて直線的に移動可能となった可動フレームと、この可動フレームに保持された作業用部材と、上記可動フレームの移動方向と直交する方向の両端部に設けられたナット部分に螺合する一対の送りねじと、この各送りねじを個別に駆動する一対のモータと、この一対のモータの駆動電流をそれぞれ制御する一対の電流制御手段とを備えた直線方向駆動機構の制御装置であって、上記各モータの駆動状態を検出して位置及び速度に関係するデータを与える一対の検出手段と、位置指令値と一方のモータの位置との比較に基づいて速度指令値を求める両モータに共通の速度指令発生手段と、この速度指令値と一方のモータの速度との比較に基づき電流指令値を求め、その電流指令値を上記一対の電流制御手段に対してそれぞれ出力する両モータに共通の電流指令発生手段と、上記各検出手段の各出力に基づいて上記一対のモータの速度差を演算する演算手段と、この演算手段により演算された速度差に応じ、上記各電流制御手段に与える電流指令値に偏差をもたせるように補正する電流指令補正手段とを備えたものである。
【００１２】
この装置によると、上記可動フレームが一対のモータで送りねじを介して駆動され、この一対のモータが上記両モータに共通の速度指令発生手段、両モータに共通の電流指令発生手段及び一対の電流制御手段により制御されるとともに、一対のモータに速度差が生じたとき、それに応じて電流指令値が補正されることにより上記速度差を減少させるようにモータ駆動電流が調整される。これにより上記可動フレームの振動が抑制される。とくに、制御系統が比較的簡単な構成でありながら、上記速度差に応じたモータ駆動電流の調整が応答性良く行なわれ、可動フレームの摺動抑制効果が高められる。
【００１３】
上記直線方向駆動機構は例えばプリント基板に電子部品を実装するための実装機に装備されるものであり、この場合、作業用部材として、部品吸着用のノズルを有して部品供給部から電子部品をピックアップするヘッドユニットを備え、このヘッドユニットが可動フレームにＸ軸方向に移動可能に保持され、この可動フレームが実装機本体にＹ軸方向に移動可能に支持されるとともに、この可動フレームのＸ軸方向両端部に設けられたナット部分に螺合する一対の送りねじが互いに平行にＹ軸方向に延びるように配置され、この一対の送りねじが一対のモータでそれぞれ駆動されるようになっている。
【００１４】
このように本発明を実装機に適用した場合、プリント基板への電子部品の装着に際し、可動フレームの減速停止時の振動が抑制され、可動フレームが静止するまでの時間が短縮されることから、実装精度の向上及びタクトタイムの短縮に有効となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１および図２は本発明が適用される直線方向駆動機構を備えた機械の一例として実装機を示している。これらの図において、実装機本体の基台１上には、プリント基板搬送用のコンベア２が配置され、プリント基板３がこのコンベア２上を搬送されて所定の基板設置位置で停止されるようになっている。上記コンベア２の側方には、部品供給部４が配置されている。この部品供給部４は電子部品を供給するためのフィーダーを備え、例えば多数列のテープフィーダー４ａを備えている。
【００１７】
また、上記基台１の上方には作業用部材としてのヘッドユニット５が装備されている。このヘッドユニット５は、部品供給部４から電子部品をピックアップしてプリント基板３に装着するものであり、１乃至複数の吸着ノズル６を有するとともに、この吸着ノズル６を昇降させるＺ軸駆動機構（図示せず）及び吸着ノズル６を回転させるＲ軸駆動機構（図示せず）等を具備している。
【００１８】
このヘッドユニット５は可動フレーム１１にＸ軸方向（コンベア２の方向）に移動可能に保持されており、可動フレーム１１は実装機本体にＹ軸方向（水平面上でＸ軸と直交する方向）に移動可能に支持されている。そして、可動フレーム１１のＹ軸方向の移動とこの可動フレーム１１に対するヘッドユニット５のＸ軸方向の移動とにより、ヘッドユニット５が実装機本体に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能となり、部品供給部４とプリント基板３が位置する部品装着部とにわたって移動することができるようになっている。
【００１９】
すなわち、上記基台１上にはＹ軸方向に延びる一対の直線状のガイド７，８がＸ軸方向に所定距離をおいて配設されており、このガイド７，８に上記可動フレーム１１のＸ軸方向両端部が、ガイド７，８に沿って移動し得るように支持されている。上記可動フレーム１１はＸ軸方向に長く形成され、この可動フレーム１１に、Ｘ軸方向のガイド部材１３と、Ｘ軸方向の送りねじであるボールねじ軸１４と、このボールねじ軸１４を駆動するＸ軸サーボモータ１５とが配設され、上記ガイド部材１３にヘッドユニット５が移動可能に保持されるとともに、このヘッドユニット５に設けられたナット部分（図示せず）が上記ボールねじ軸１４に螺合している。そして、上記ボールねじ軸１４がＸ軸サーボモータ１５により駆動されて回転するに伴い、ヘッドユニット５がＸ軸方向に移動するようになっている。１６はＸ軸サーボモータ１５に付設されたエンコーダである。
【００２０】
また、上記可動フレーム１１を駆動する機構としては、Ｙ軸方向の送りねじとこれを駆動するモータが一対ずつ設けられている。すなわち、図３の模式図にも示すように、Ｙ軸方向の送りねじである一対のボールねじ軸１７，１８が、可動フレーム１１の両端部の下方でガイド７，８の近傍に位置し、互いに平行にＹ軸方向に延びるように配置されている。この各ボールねじ軸１７，１８は可動フレーム１１の両端部に設けられたナット部分１９，２０に螺合している。そして、一対のＹ軸サーボモータ２１，２２が上記各ボールねじ軸１７，１８にカップリング２３，２４を介して接続されている。
【００２１】
上記各Ｙ軸サーボモータ２１，２２にはそれぞれ、各モータの駆動状態を検出して位置及び速度に関係するデータを与える検出手段としてのエンコーダ２５，２６が付設されている。上記各Ｙ軸サーボモータ２１，２２及びエンコーダ２５，２６は制御ユニット３０に接続されている。
【００２２】
上記両Ｙ軸サーボモータ２１，２２に対する制御系統の構成を、図４によって説明する。なお、以下の説明の中では、両Ｙ軸サーボモータ２１，２２のうちの一方を第１モータ２１、他方を第２モータ２２と呼ぶ。
【００２３】
図４に示す制御系統は、上記制御ユニット３０内に位置指令発生手段３１、速度指令発生手段３２、電流指令発生手段３３、第１，第２の電流制御手段３４，３５、速度差演算手段３６及び電流指令補正手段３７を備えている。また、上記制御ユニット３０に対し、上記各エンコーダ２５，２６からは各モータ２１，２２の回転速度の検出信号が送られるようになっている。
【００２４】
上記位置指令発生手段３１は、可動フレーム１１の移動先までの距離に応じて設定される制御パターンに従い、一定微小時間毎に目標位置を求めて位置指令値を出力する。上記速度指令発生手段３２は、上記位置指令値θO と、第１モータ２１に付設されたエンコーダ２５から出力される速度検出値を積分することにより得られる位置検出値θ1 とを比較し、現実の位置を指令された位置に近づけるように速度を調整すべく、両者の差に応じた速度指令値ωO を出力する。上記電流指令発生手段３３は、上記速度指令値ωO とエンコーダ２５から出力される速度検出値ω1 とを比較し、現実の速度を指令された速度に近づけるようにモータ駆動電流を調整すべく、両者の差に応じた電流指令値ｉO を出力する。
【００２５】
また、上記各電流制御手段３４，３５はそれぞれ電流指令値に応じて各モータ２１，２２の駆動電流を制御する。この電流制御の詳細については図示を省略するが、例えば、実際にモータに供給される電流を検出し、その電流検出値と電流指令値とを比較して両者を一致させるようにモータへの電流供給をコントロールするといった電流フィードバック制御を行なう。
【００２６】
この場合に、第１電流制御手段３４は電流指令発生手段３３から与えられる電流指令値ｉO1（＝ｉO ）に応じて第１モータ２１の駆動電流を制御するが、第２電流制御手段３５は電流指令補正手段３７により補正された電流指令値ｉO2に応じて第２モータ２２の駆動電流を制御する。
【００２７】
上記速度差演算手段３６は、第１モータ２１に付設されたエンコーダ２５から出力される速度検出値ω1 と第２モータ２２に付設されたエンコーダ２６から出力される速度検出値ω2 との差である速度差Δωを演算する。また、電流指令補正手段３７は、速度差演算手段３６により演算された速度差Δωに応じ、上記各電流制御部に与える電流指令値に偏差を持たせるように、第２電流制御部に与える電流指令値を補正する。
【００２８】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図８を参照しつつ説明する。
【００２９】
図５は一対のモータを用いて負荷（ヘッドユニット等）を駆動する場合の、各モータと負荷とからなる３慣性系のモデルを示している。また、図６はこのような３慣性系をブロック線図で示している。
【００３０】
これらの図に示す符号は、
Ｔe1：第１モータの発生トルク
Ｔe2：第２モータの発生トルク
Ｔf1：第１モータによる軸トルク
Ｔf2：第２モータによる軸トルク
ＴL ：外乱トルク
ＪM1：第１モータのイナーシャ
ＪM2：第２モータのイナーシャ
ＪL ：負荷のイナーシャ
θ1 ：第１モータの変位
θ2 ：第２モータの変位
θL ：負荷の変位
ω1 ：第１モータの速度
ω2 ：第２モータの速度
ωL ：負荷の速度
ＫF1：第１モータ・負荷間のばね定数
ＫF2：第２モータ・負荷間のばね定数
ＣF1：第１モータ・負荷間の粘性摩擦係数
ＣF2：第２モータ・負荷間の粘性摩擦係数
ｓ：ラプラス演算子
である。
【００３１】
これらの図に示すように、第１モータ２１の発生トルクＴe1と軸トルクＴf1との差と、第１モータ２１のイナーシャＪM1とにより、第１モータ２１の速度ω1 が定まり、同様に第２モータ２２の発生トルクＴe2と軸トルクＴf2との差と、第２モータ２２のイナーシャＪM2とにより、第２モータ２２の速度ω2 が定まる。また、負荷（可動フレーム１１及びヘッドユニット５）には第１，第２モータ２１，２２による各軸トルクＴf1，Ｔf2と外乱トルクＴL とが作用し、これらのトルクＴf1，Ｔf2，ＴLと負荷のイナーシャＪL とにより、負荷の速度ωL が定まる。
【００３２】
そして、第１モータ２１による軸トルクＴf1は、第１モータ２１の速度ω1 と負荷の速度ωL との差と、第１モータ・負荷間のバネ定数ＫF1及び粘性摩擦係数ＣF1によって定まる。同様に、第２モータ２２による軸トルクＴf2は、第２モータ２２の速度ω2 と負荷の速度ωL との差と、第２モータ・負荷間のバネ定数ＫF2及び粘性摩擦係数ＣF2によって定まる。
【００３３】
従って、第１，第２モータ２１，２２が同一諸元のもので、かつ発生トルクＴe1，Ｔe2を同一にしたとしても、可動フレーム１１におけるヘッドユニット５の位置等によって第１モータ・負荷間と第２モータ・負荷間とでバネ定数ＫF1，ＫF2や粘性摩擦係数ＣF1，ＣF2が異なると、軸トルクＴf1，Ｔf2が変るために各モータ２１，２２の速度ω1 ，ω2 に差が生じ、この他にモータのイナーシャ等のばらつきによっても各モータ２１，２２の速度ω1 ，ω2 に差が生じる。
【００３４】
図７は、図６に示すような慣性系のブロック図に、図４に示した制御系統による制御を加えたブロック図を示している。
【００３５】
この図のように、上記制御系統では、速度指令手段３２により位置指令値θO と位置検出値θ1 との差に所定の位置ループゲインＫPPが掛けられて速度指令値ωO が演算され、電流指令手段３３により上記速度指令値ωO と速度検出値ω1 と差に基づき速度ループ比例ゲインＫSP及び速度ループ積分ゲインＫSIを用いた換算が行なわれて電流指令値ｉO が与えられる。そして、第１電流制御手段３４に電流指令値ｉO1（＝ｉO ）が与えられ、この電流指令値ｉO1に第１モータ２１のトルク定数ＫT1を掛けた値が第１モータ２１の発生トルクＴe1となる。
【００３６】
一方、電流指令補正手段３７により、上記第１，第２モータ２１，２２の速度差Δωに所定のゲインＫrmが掛けられることで電流指令補正値ΔｉO が演算され、この電流指令補正値ΔｉO が上記電流指令値ｉO に加算されることで第２電流制御手段３４に対する電流指令値ｉO2が求められる。この電流指令値ｉO2に第２モータ２２のトルク定数ＫT2を掛けた値が第２モータ２２の発生トルクＴe2となる。
【００３７】
こうして、上記速度差Δωに応じて第２モータ２２の電流及び発生トルクが調整され、例えば第２モータ２２の速度ω2 が第１モータの速度ω1 より小さいとき（上記速度差Δωが正のとき）は第２モータ２２の電流及び発生トルクが大きくなるように調整されることにより、両モータ２１，２２の速度差Δωが減少するように制御される。
【００３８】
このような制御が行なわれることにより、可動フレーム１１が目的位置まで移動して減速停止する際、可動フレーム１１の一端側（第１モータ２１により駆動される側）と他端側（第２モータ２２により駆動される側）の動きは図８のようになり、従来と比べて残留振動が大幅に減少し、目標位置Ｏ1，Ｏ2に収束して静止するまでの時間が大幅に短縮される。
【００３９】
つまり、前述のように従来の一般的構造である片側駆動タイプの場合、可動フレームのたわみなどにより図１０に示すように残留振動が大きくなり、静止までに長時間を要する。また、駆動系統を両側駆動タイプとしても図４中に示す速度差演算手段３６及び電流指令補正手段３７が設けられていなければ、モータ・負荷間のバネ定数ＫF1，ＫF2や粘性摩擦係数ＣF1，ＣF2の相違等によって両モータ２１，２２に速度差が生じ、これにより可動フレーム１１の両端の位置に相対変位が生じるため残留振動が充分に抑制されない。これに対し、上記速度差演算手段３６及び補正手段３７を備えた本発明の装置では、両モータ２１，２２の速度差が是正されることにより、効果的に残留振動が抑制される。
【００４０】
また、本発明の装置では、両モータ２１，２２の速度差Δωに応じて補正を行ない、かつ、電流指令発生手段３３で電流指令値を求めた後に補正することにより、一対のモータ２１，２２に対して速度指令発生手段３２や電流指令発生手段３３は共通にし、電流制御手段３４，３５のみ各モータ２１，２２に対して個別に設けているので、前述の特開平６−２９６０９７号公報に示されるように加速度の差を演算するとともに速度指令発生手段及びサーボドライバを各モータに対し個別に設けたものと比べ、制御系統の構成が簡単になる。また、上記速度差Δωに応じ、モータの駆動電流を定める電流指令値を直接補正しているので、上記公報に示されるように速度指令値を補正するものと比べ、制御の応答性が向上される。
【００４１】
なお、本発明の装置は、上記実施形態に示す実装機に限らず、直交ロボット等にも適用し得るものである。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、作業用部材を保持する可動フレームの駆動を、一対のモータで一対の送りねじを介して行なうようにし、この一対のモータを速度指令発生手段、電流指令発生手段及び一対の電流制御手段により制御するとともに、一対のモータの速度差を演算する演算手段と、この演算手段により演算された速度差に応じ、上記各電流制御部に与える電流指令値に偏差をもたせるように補正する電流指令補正手段とを備えているため、制御系統を比較的簡単な構成としながら、上記速度が生じたときに応答性良くモータ駆動電流の補正制御を行なうことができ、これにより、可動フレームの減速停止時等における振動抑制効果を高めることができる。
【００４３】
とくに、プリント基板に電子部品を実装するための実装機に適用した場合、実装精度の向上及びタクトタイムの短縮を図ることかできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される実装機の一例を示す概略平面図である。
【図２】上記実装機のヘッドユニットが支持されている部分の正面図である。
【図３】上記実装機における可動フレーム駆動部分の模式図である。
【図４】制御系統の構成を示すブロック図である。
【図５】慣性系のモデルを示す説明図である。
【図６】上記慣性系のブロック図である。
【図７】上記慣性系に図４の制御系統による制御を加えたブロック図である。
【図８】可動フレームが減速停止する際の可動フレームの両端部の動きを示すグラフである。
【図９】従来の一般的な実装機の可動フレーム駆動部分の模式図である。
【図１０】図９に示す従来の一般的構造による場合の可動フレーム減速停止時の動きを示すグラフである。
【図１１】他の従来構造による場合の可動フレーム減速停止時の動きを示すグラフである。
【符号の説明】
５ ヘッドユニット
１１ 可動フレーム
１７，１８ ボールねじ軸
２１，２２ サーボモータ
２５，２６ エンコーダ
３０ 制御ユニット
３２ 速度指令発生手段
３３ 電流指令発生手段
３４ 電流制御手段
３６ 速度差演算手段
３７ 電流指令補正手段
Claims (2)
- 所定方向に延びるガイドに支持されて直線的に移動可能となった可動フレームと、この可動フレームに保持された作業用部材と、上記可動フレームの移動方向と直交する方向の両端部に設けられたナット部分に螺合する一対の送りねじと、この各送りねじを個別に駆動する一対のモータと、この一対のモータの駆動電流をそれぞれ制御する一対の電流制御手段とを備えた直線方向駆動機構の制御装置であって、上記各モータの駆動状態を検出して位置及び速度に関係するデータを与える一対の検出手段と、位置指令値と一方のモータの位置との比較に基づいて速度指令値を求める両モータに共通の速度指令発生手段と、この速度指令値と一方のモータの速度との比較に基づき電流指令値を求め、その電流指令値を上記一対の電流制御手段に対してそれぞれ出力する両モータに共通の電流指令発生手段と、上記各検出手段の各出力に基づいて上記一対のモータの速度差を演算する演算手段と、この演算手段により演算された速度差に応じ、上記各電流制御手段に与える電流指令値に偏差をもたせるように補正する電流指令補正手段とを備えたことを特徴とする直線方向駆動機構の制御装置。
- 直線方向駆動機構はプリント基板に電子部品を実装するための実装機に装備されるものであって、作業用部材として、部品吸着用のノズルを有して部品供給部から電子部品をピックアップするヘッドユニットを備え、このヘッドユニットが可動フレームにＸ軸方向に移動可能に保持され、この可動フレームが実装機本体にＹ軸方向に移動可能に支持されるとともに、この可動フレームのＸ軸方向両端部に設けられたナット部分に螺合する一対の送りねじが互いに平行にＹ軸方向に延びるように配置され、この一対の送りねじが一対のモータでそれぞれ駆動されるようになっている請求項１記載の直線方向駆動機構の制御装置。
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