JP4405310B2 - 部品装着装置 - Google Patents
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Description
従来、電子部品等の部品を回路基板等の基板上に装着する部品装着装置として、部品を吸着保持する吸着ユニットを複数個備え、部品の同時吸着等を行う装着ヘッドを備えたもの等、種々の形態のものが提案され実用に供されている。このような装着ヘッドとしては、例えば、図40に示すような、吸着ノズル1を装着するノズルユニット2を一列或いは多列状に配列した横列型の部品移載ヘッド3(特許文献1参照)や、円環状にノズルユニットを配置したロータリー型の部品装着ヘッド等が多く採用されている。
また、ロータリー型の部品装着ヘッドと同様に、図41に示すように、複数の吸着ノズル1を放射状に配置した部品移載ヘッド7を回転させて、所望の吸着ノズル1に切り替える構成(特許文献3参照)や、複数の吸着ノズルを円弧状に配置したリボルバ型の部品移載ヘッドの構成も知られている(特許文献4参照)。
また、このヘッドには、吸着ノズルに吸着保持された電子部品の吸着姿勢を検出するカメラが設けられている。このカメラを用いて、部品の向きを所定方向に回転させてから(例えば90゜回転や180゜回転等)基板へ装着する場合、カメラによる吸着姿勢の確認後に部品の回転を行うため、この回転動作による部品の位置ずれが生じることがある。この部品の位置ずれは、回転動作の回転中心と吸着ノズルの中心軸との位置ずれ等の機構的な寸法誤差や、経時的な温度変化等の環境条件の変化に伴う誤差等によって発生する。これにより、正確な部品装着が行えないことがあった。
(1)チップ部品、異形部品等の異種部品に対する装着が同時に対応可能で、且つ高速な部品装着を可能とし、いかなる生産形態にも高速且つ高効率で対応可能にすること。
(2)部品移載ヘッドの構成を小型で簡素のままに、吸着ノズル交換のための動作時間を最小限にしてタクトアップを図ること。
(3)吸着ノズルを交換する必要のある機種切り替え時であっても、短時間で正確な交換作業が行えるようにすること。
(4)部品供給部から吸着ノズルに吸着保持した部品を基板上に装着するまでの部品装着動作の円滑化を図ること。
(1)複数配列された該部品供給位置からそれぞれ部品を供給する部品供給部と、該部品供給部から供給される部品を吸着ノズルに吸着保持する複数のノズルユニットを有する部品移載ヘッドとを備え、該部品移載ヘッドを基板上の装着位置に相対移動させて、前記吸着保持された部品を基板上に装着する部品装着装置であって、前記部品移載ヘッドが、前記吸着ノズルをサブヘッド回転軸を中心とする円周状に該吸着ノズルの部品吸着側を前記円周の外側に向けて前記複数のノズルユニットを配置したサブヘッドと、該サブヘッドを前記回転軸回りに回転駆動する回転駆動手段と、を有するヘッドユニットを複数具備し、前記サブヘッドが、前記ヘッドユニット内に前記サブヘッド回転軸を前記部品供給部の部品供給位置の配列方向に沿う方向にして配置されていることを特徴とする部品装着装置。
(4)前記ヘッドユニットが、前記部品移載ヘッドに対して着脱自在に装着されることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項記載の部品装着装置。
(7)前記ノズルユニットのそれぞれに設けられ、前記ノズルユニットの吸着ノズルを回転駆動するノズル回転駆動手段と、前記ノズル回転駆動手段への回転駆動指令を、前記サブヘッドの下端位置及び前記サブヘッド上端位置における前記サブヘッド回転方向手前側の所定回転角内でそれぞれ出力するノズル回転制御手段とを備えたことを特徴とする(6)記載の部品装着装置。
図1は本発明に係る部品装着装置の概略構成を示す平面図、図2は部品装着装置における部品移載ヘッドの動きを説明する平面図である。
部品装着装置100は、基台11と、この基台11上に複数(図では一例として2つ)の部品装着ステージ13a,13bを備えている。基台11は、その中央に、回路基板15を所定位置に支持する基板固定部17を備えており、この基板固定部17は、回路基板15を所定の部品装着動作位置(図1に示す部品装着装置の略中央)に搬入して位置決めする基板搬送部19を有する。基板搬送部19は、一対のプーリ21a,21bの間に巻回された搬送ベルト23を有する固定側搬送レール24aと、この固定側搬送レール24aに対してレール間幅を可変に平行移動自在に配置された可動側搬送レール24bとを有する。各搬送レール24a,24bの搬送ベルト23を駆動することで、基台11の側部に設けられたローダ25から送り込まれる回路基板15を、この搬送ベルト23に載置させて搬送し、回路基板15を基板固定部17の所定位置へ搬入する。
また、部品装着ステージ13は、部品供給部35の所定の部品供給位置33で電子部品を保持してこの電子部品を回路基板15に装着する部品移載ヘッド37を備えている。この部品移載ヘッド37は、XYロボット39に支持されており、このXYロボット39は、部品移載ヘッド37を、図1中のXY方向へ移動させて部品供給位置33や回路基板15の上方に移動させる。
図3は部品移載ヘッドの外観斜視図、図4は部品移載ヘッドを構成するヘッドユニットの斜視図、図5は吸着ノズルが取り付けられたリボルバ型サブヘッドの要部拡大斜視図、図6はヘッドユニットの一部分解斜視図、図7はヘッドユニットの一側部側から視た側面図、図8はヘッドユニットの他側部側から視た側面図、図9は撮像部の構造を説明する要部断面図である。
そして、これらリボルバ型サブヘッド67、サブヘッド回転モータ69、押し下げ機構71及び撮像部73は、縦断面視でL字状となるヘッドユニット外枠75に組み付けられている。
これらノズルユニット77は、その先端部に吸着ノズル65のチャック機構79を有し、このチャック機構79により、電子部品を吸着させて保持する吸着ノズル65を着脱自在に保持している。
ノズルユニット77は、その基端部側に、中心軸であるθ軸を中心として吸着ノズル65を回動させるノズル回転駆動手段としてのθ軸モータ81を備えており、一方の側面(図5では手前側の側面)には、カムフォロア83が突出して設けてある。そして、これらノズルユニット77は、フランジ部78に固定されたガイドレール80に、サブヘッド67の径方向へ移動可能に支持されている。
カム溝87には、サブヘッド67の各ノズルユニット77に設けられたカムフォロア83が転動可能に配置されており、サブヘッド67がR軸を中心として回転することにより、カムフォロア83がカム溝87内を案内されつつ移動する。
ノズル昇降駆動アーム95は、他端部にも切り欠き部101が形成されており、この切り欠き部101には、回転案内板85の一側部にて上下方向へ移動可能に支持された昇降用ロッド103の下端に設けられたロッド下端ピン105が係合されている。
昇降用ロッド103は、図4に示すように、その上端部が、連結アーム107に連結されている。この連結アーム107は、サブヘッド67の上方に設けられたノズル昇降用モータ109の回転軸に固定されている。
そして、この撮像部73は、照明部111によって照明された電子部品の画像を撮像素子121にて電気信号からなる撮像信号に変換して出力し、吸着ノズル65に吸着された電子部品の姿勢を検出する。
このメカニカルバルブ131は、吸着ノズル65に電子部品を着脱させるためのバルブである。
図11はリボルバ型サブヘッドの正面図、図12はメカニカルバルブ及びノズルユニットにおける流路を説明する要部断面図、図12はメカニカルバルブにおける流路の切り換えを説明する断面図、図14はメカニカルバルブの流路構成を説明する等価回路図である。
メカニカルバルブ131は、第1ポートI、第2ポートII、第3ポートIII、第4ポートIV及び第5ポートVを有している。そして、パイプ139は、メカニカルバルブ131の第1ポートIに接続されている。
また、メカニカルバルブ131は、シリンダ室151に対して第1ポートI、第2ポートII、第3ポートIIIを連通させる流路157、159、161を有している。
ここで、流路157は、スプール153の摺動に関わらず、常に環状流路155に連通されている。また、流路159は、スプール153が下方に配置されているときのみ環状流路155に連通され、流路161は、スプール153が上方に配置されているときのみ環状流路155に連通される。
第2ポートIIは、フランジ部78に形成されて真空引きされている負圧流路167に連通されており、常に負圧とされている。この負圧流路167は、各ノズルユニット77のメカニカルバルブ131に対応して、フランジ部78に、放射状に形成されている。また、第3ポートIII、第4ポートIV、第5ポートVは、メカニカルバルブ131の表面側にて開口されている。
ここで、この給気ユニット169は、第3ポートIIIを常に正圧とするとともに、第4ポートIVあるいは第5ポートVのいずれか一方を正圧とする。
図15はリボルバ型サブヘッド及びその周辺部分における断面図、図16はサブヘッド回転モータの断面図(a)及び正面図(b)、図17はフランジ部の負圧流路を示す正面図、図18は制御回路基板の構成図である。
各ノズルユニット77を支持するフランジ部78には、その中心に、回転筒部181が形成されており、この回転筒部181がサブヘッド回転モータ69に固定され、このサブヘッド回転モータ69が固定されたヘッドユニット外枠75に支持されている。
また、Oリング217同士の間における連結筒211の外周には、開口部219を覆うフィルタ221が設けられている。連結筒211は、その先端部に雌ねじが形成されており、この雌ねじには、蓋部材223が螺合されて気密状態に閉鎖されている。
そして、上記連結筒211内が真空ポンプを作動させることにより減圧されると、この連結筒211内と連通されているフランジ部78のそれぞれの負圧流路167内が負圧とされる。負圧流路167は、図17に示すように、フランジ部40内で放射状に形成されている。
スリップリング225の給電軸227と受電筒229との間には、図示しない摺動接点が設けられており、給電軸227と受電筒229との間にて、信号及び駆動電力の授受が行われる。なお、給電線231は、連結筒211内を通り、この連結筒211の後端側における側部から引き出されている。なお、この連結筒211からの給電線231の引き出し部分は気密されている。
この制御回路基板241には、各ノズルユニット77に対応する電力スイッチ243と回転制御素子245とが装着されている。また、この制御回路基板241には、内周側の2カ所にサーボ切替回路247が設けられており、これらサーボ切替回路247にスリップリング225の受電筒229が電気的に接続されている。そして、これらサーボ切替回路247に、4つのノズルユニット77に対応する分の電力スイッチ243及び回転制御素子245が電気的に接続されている。
図19は吸着ノズルを説明する部品移載ヘッドのサブヘッド部分における正面図、図20は吸着ノズルの詳細構造を説明する断面図、図21は吸着ノズルの先端部の部品装着部分を説明する平面図、図22は図21のQ−Q断面を示す概略横断面図、図23は吸着ノズルの動きを説明する吸着ノズルの概略断面図である。
そして、このストッパ253を突出させて、円周最下位置のノズルユニット77に装着された吸着ノズル65のフランジ255へ係合させ、吸着ノズル65をθ軸方向へ変位させることにより、吸着ノズル65の先端形状を変更させて吸着する電子部品のサイズを2段階に変化させる。
第1ノズル263は、円筒状の第2ノズル265内に摺動可能に層通されている。第1ノズル263は、その中心にエア通路267を有し、このエア通路267は、ノズルユニット77のモータシャフト133のエア通路135と連通される。また、第2ノズル265は、その外周に、前述したフランジ255を有している。
これら孔部279には、係合玉281が入れられており、さらに、嵌合溝277には、環状バネ283が装着されている。これにより、係合玉281は、環状バネ283によって内周方向へ付勢され、一部が第2ノズル265の内周面から突出される。
そして、これら第2ノズル265の内周面から突出される係合玉281が、第1ノズル263の第1係合溝273あるいは第2係合溝275のいずれかに嵌合し、第1ノズル263に対して第2ノズル265が保持される。
まず、図23(a)に示すように、中・大型部品吸着状態の吸着ノズル65に対してストッパ253が突出され、図23(b)に示すように、フランジ255よりも先端側にストッパ253が配置される。
この状態にて、吸着ノズル65がθ軸に沿って先端方向へ移動されると、図23(c)に示すように、係合玉281が第1係合溝273から外され、第1ノズル263に対して第2ノズル265が後方に移動される。
このようにすると、係合玉281が第2係合溝275から外され、第1ノズル263に対して第2ノズル265が前方に移動され、係合玉281が第1係合溝273に係合し、小型部品ノズル269及び中・大型部品ノズル271の先端部が面一とされて開口部285a、287aが開口した中・大型部品吸着状態とされる。
ここで、図24に、部品の吸装着前に吸着ノズル65の先端形状を変更させ、吸着可能な電子部品のサイズを変化させるタイムチャートを示した。
リボルバ型サブヘッド67の回転は、45゜ピッチでして形成してあるが、各部の動作は複数が同時になされる。具体的には、切り替え用のストッパ253はR軸の回転によりインデックス移動する吸着ノズルが、45゜刻みの位置よりも15゜手前から繰り出しを開始している。そして、ストッパ253を繰り出した状態で、Z軸が下方に駆動され、吸着ノズル65の先端形状を変更する。その後、吸着ノズル65は基準高さに下降され、部品の吸装着位置にて、吸装着高さにまで下降される。そして、吸着ノズル65を上昇させて基準高さに達したときに、R軸のインデックス回転を再開する。
図26に示すように、小型部品吸着状態と中・大型部品吸着状態との切り替えを行うためのフランジ255を2枚形成しても良い。そして、このように2枚のフランジ255を形成した場合、これらフランジ255間にストッパ253を差し込んで、吸着ノズル65を先端あるいは後端側へ移動させることにより、第1ノズル263に対して第2ノズル265を容易に移動させて小型部品吸着状態と中・大型部品吸着状態の切り替えを行うことができる。
図27は第1ヘッドユニット及び第2ヘッドユニットを備えた部品移載ヘッドの正面図及び断面図、図28は第1ヘッドユニット及び第2ヘッドユニットのリボルバ型サブヘッドの概略斜視図である。
図27に示すように、部品移載ヘッド37を構成する第1ヘッドユニット61及び第2ヘッドユニット63は、取り付け板291に着脱可能に取り付けられている。取り付け板291は、XYロボット39を構成するX軸ビーム43に支持されたもので、X軸ビーム43のレール293に沿ってX方向へ移動可能とされている。
さらに、取り付け板291には、その上端部に、タグ読み書き部299が取り付けられ、これらタグ読み書き部299が第1ヘッドユニット61及び第2ヘッドユニット63のメモリタグ297の対向位置に配置されている。
この記録されている第1ヘッドユニット61及び第2ヘッドユニット63の情報としては、ヘッドユニット61、63の動作時間等の稼働履歴、リボルバ型サブヘッド67の大きさ等のタイプ、ノズルユニット77に装着された吸着ノズル65の種類及び組み合わせ、さらには、吸着ノズル65の相対位置等のデータからなるキャリブレーションデータ、ヘッドユニット61、63を構成する各部品の品番や型番等からなるパーツリストがある。
また、生産開始後は、稼働時間がメモリタグ297に書き込まれるとともに、さらに、寿命に達した部品や故障等の不具合を生じた部品の品番や型番が表示部に表示される。
図28に示すものは、各第1ヘッドユニット61及び第2ヘッドユニット63のリボルバ型サブヘッド67に、メモリタグ297を取り付けたものである。そして、このようにリボルバ型サブヘッド67に取り付けたそれぞれのメモリタグ297に対して一つの読み書き部299が情報の読み取り、書き込みを行うようにしている。
つまり、このように、二つのメモリタグ297に対して一つの読み書き部299によって情報の読み取り、書き込みを行うようにすれば、構造の簡略化が図られる。
図29は部品装着装置100の制御系を示すブロック図である。
図に示すように、この部品装着装置100は、制御部301を備えている。
この制御部301には、基板搬送部19、部品供給部35及びXYロボット39が接続されており、制御部301は、これら基板搬送部19、部品供給部35及びXYロボット39に制御信号を送信してそれぞれの駆動を制御する。
さらに、制御部301には、部品移載ヘッド37の駆動機構等にも接続されている。
さらに、この制御部301には、例えば、エアーの漏れ等を検出する各機構部等に設けられた各種センサ303が接続されており、それぞれのセンサ303からの検出信号が入力される。
部品装着装置100は、基板搬送部19によって基板固定部17に回路基板15が送り込まれると、この回路基板15への電子部品の装着動作を開始する。
装着動作が開始されると、部品移載ヘッド37は、XYロボット39によって所定の電子部品を吸着ノズル65に吸着させるべく、吸着させる電子部品の部品供給位置33の上方へ移動する。
以降は、リボルバ型サブヘッド67がサブヘッド回転モータ69によって順次回転され、吸着ノズル65に吸着している電子部品が回路基板15の所定の装着位置に順次装着される。
なお、制御部301は、認識部51からの検出データに基づいて、吸着している電子部品に不具合があると判断した場合は、XYロボット39を駆動させて部品移載ヘッド37を廃棄トレイ52上へ移動させ、吸着ノズル65に吸着している電子部品を廃棄トレイ52へ廃棄させる。
そして、この撮像部73からの撮像データは、制御部301に送信され、この制御部301が、電子部品の姿勢のズレを演算し、回路基板15へ装着する前にθ軸モータ81を駆動させてズレを補正する。
図31はR軸回転後に部品移載ヘッドが目標位置に到達した場合の部品移載ヘッドの動きを示す説明図である。
部品移載ヘッド37は、サブヘッド回転モータ69によるR軸周りの回転、ノズル昇降用モータ109によるZ軸(θ軸方向)への移動及びXYロボット39によるXY方向への移動のタイミングが、図に示すようにされている。
XY方向への移動がR軸の回転終了前に完了していない場合、電子部品の吸着あるいは装着のため、吸装着高さに吸着ノズル65を移動させるタイミングは、部品移載ヘッドの移動完了後であって、少なくとも吸着ノズル65がZ軸方向下方へ移動されて電子部品の吸着あるいは装着を行う時点の前後20msでは、R軸とXYロボット39の駆動は停止される。
図33はノズルユニットのθ軸モータへの電力供給のタイミングを示す概略正面図、図34はノズルユニットの動作を示す説明図である。
図33に示すように、リボルバ型サブヘッド67では、各ノズルユニット77のサーボモータであるθ軸モータ81への電力供給が、円周最下位置の手前45°から円周最下位置まで及び円周最上位置の手間45°から円周最上位置までの範囲にて行われる。これにより、リボルバ型サブヘッド67の各ノズルユニット77への電力供給を大幅に削減することができ、接点数に限度があるスリップリング225による給電を行うことができる。
図34に示すように、制御部301(図29参照)は、吸装着側のサーボON区間内に入ったノズルユニット77のθ軸モータ81を駆動させて、撮像部73の撮像データから演算した補正データに基づいてθ軸周りのズレの補正を行う。なお、このズレ補正は、吸着ノズル65がZ軸方向最下点に達して電子部品の装着を行う以前に終了される。
これにより、電子部品の回路基板15への装着時には、ズレが確実に補正された状態となり、円滑かつ確実な装着を行うことができる。
なお、制御部301は、認識部53からの検出データに基づくXY方向へのズレの補正も同時に行う。
制御部301は、吸着ノズル65に吸着した電子部品が、その向きを合わせるべく回転させる必要がある場合に、撮像部73による認識側のサーボON区間内に入ったノズルユニット77のθ軸モータ81を駆動させて、この電子部品が撮像部73により撮影される前に回転させておく。
そして、このように、撮像部73によって電子部品を撮影してθ軸回りの位置ズレの検出を行う前に、既に、電子部品を回転させておくことにより、位置ズレ検出後に回転させることによるズレの発生を防止することができる。
図35,図36は、吸着ノズル65への部品吸着動作と、吸着された部品の基板上への装着動作のタイムシーケンスを各軸毎に示した一例である。このように、部品供給部35で各軸の吸着ノズルに部品をそれぞれ順次吸着し、基板上の部品装着位置へ移動する。そして、部品装着位置で、吸着保持された部品を順次基板上に装着する。この動作はあくまでも一例であって、装着する部品や生産形態に応じて最適なシーケンスに適宜変更して部品の吸装着動作がなされる。
例えば、図37(a)に示すものは、リボルバ型サブヘッド67の一方を小型の吸着ノズル65が装着可能なものとし、他方を大型の吸着ノズル65が装着可能なものとした例であり、また、図37(b)に示すものは、リボルバ型サブヘッド67の両方を、小型の吸着ノズル65が装着可能なものとした例である。
また、異なる大きさの電子部品を同時に吸着可能なパーツフィーダ31の配列を複数列セットすれば、パーツフィーダ31による電子部品の供給を待たずに、その配列間において、図38における(a)→(b)→(c)のように、部品移載ヘッド37を部品供給位置33に沿って移動させることにより、それぞれのリボルバ型サブヘッド67の吸着ノズル65への異なる大きさの電子部品の吸着を迅速に行うことができる。
ここで、第1ヘッドユニット61あるいは第2ヘッドユニット63を交換する場合について、第1ヘッドユニット61の交換を例にとって、図39に示すフローチャート図に沿って説明する。
生産形態の変更等により、第1ヘッドユニット61を他の種類のものに交換する場合は、取り付け板291に装着されている第1ヘッドユニット61を取り外し、次いで、以降の生産形態に適合した第1ヘッドユニット61を取り付け板291に装着する(ステップS1)。
そして、このタグ読み書き部299にて読み取られた第1ヘッドユニット61の情報は、制御部301に送信される。
そして、この制御部301では、その情報のうち、吸着ノズル65の相対位置等のデータからなるキャリブレーションデータにより、各吸着ノズル65の位置補正を行い、部品装着による生産を開始する(ステップS3)。
特に、吸着ノズル65を円弧状に装着した構造であるので、ヘッドの構成を小型で簡素のままに、吸着ノズル65の交換のための動作時間を最小限にしてタクトアップを図ることができる。
さらに、チップ部品、異形部品等の各種電子部品に対して同時に対応可能とすることができ、いかなる生産形態にも高速且つ高効率で対応可能とすることができる。
また、リボルバ型サブヘッド67を交換する機種切り替え時においても、メモリタグ297からの情報により吸着ノズル65等の位置の補正を行うことができ、改めてキャリブレーション動作を行うことを不要とすることができる。
さらに、タグ読み書き部299が、複数のメモリタグ297に対して情報の読み書きを行う構造とすれば、構造の簡略化を図ることができ、これに伴い、コストを低減させることができる。
33 部品供給位置
35 部品供給部
37 部品移載ヘッド
65 吸着ノズル
67 リボルバ型サブヘッド(サブヘッド)
73 撮像部
100 部品装着装置
251 ノズルサイズ変更機構
269 小型部品ノズル
271 中・大型部品ノズル
297 メモリタグ
299 タグ読み書き部
301 制御部
Claims (2)
- 複数配列された部品供給位置からそれぞれ部品を供給する部品供給部と、該部品供給部から供給される部品を吸着ノズルに吸着保持する複数のノズルユニットを有する部品移載ヘッドとを備え、該部品移載ヘッドを基板上の装着位置に相対移動させて、前記吸着保持された部品を基板上に装着する部品装着装置であって、
前記部品移載ヘッドが、前記吸着ノズルをサブヘッド回転軸を中心とする円周状に該吸着ノズルの部品吸着側を前記円周の外側に向けて前記複数のノズルユニットを配置したサブヘッドと、該サブヘッドを前記回転軸回りに回転駆動する回転駆動手段と、前記サブヘッドの前記吸着ノズルに吸着保持した部品の姿勢を検出し、前記サブヘッドの上端に位置した吸着ノズルに吸着保持された部品を撮像する撮像部と、を有するヘッドユニットを複数具備し、
前記サブヘッドが、前記ヘッドユニット内に前記サブヘッド回転軸を前記部品供給部の部品供給位置の配列方向に沿う方向にして配置され、
前記部品装着装置はさらに、
前記ノズルユニットのそれぞれに設けられ、前記ノズルユニットの吸着ノズルを回転駆動するノズル回転駆動手段と、
前記ノズル回転駆動手段への回転駆動指令を、前記サブヘッドの下端位置及び前記サブヘッド上端位置における前記サブヘッド回転方向手前側の所定回転角内でそれぞれ出力するノズル回転制御手段とを備えていることを特徴とする部品装着装置。 - 前記ノズル回転制御手段が、前記サブヘッドの上端側の吸着ノズルに対して、前記基板への装着方向が予め設定された方向となるように前記吸着ノズルに吸着保持された部品を回転させる回転駆動指令を出力し、前記サブヘッドの下端側の吸着ノズルに対して、前記撮像部による撮像結果に基づいて前記吸着保持された部品の吸着姿勢を補正する回転駆動指令を出力することを特徴とする請求項1記載の部品装着装置。
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