JP5174356B2 - マウンタのタンデム駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、１つの可動部材を、両端に配置された２つのサーボモータにより駆動されるベルトを用いて１つの軸上で駆動するためのタンデム装置、マウンタ及びディスペンサ等に係り、特に、ベルトによるタンデム駆動であっても、高速移動時の減速停止直後の微振動を抑えて整定時間を短くすると共に、低速移動時の加速後の定速域を安定させることが可能なタンデム駆動装置、該タンデム駆動装置を用いたマウンタ及びディスペンサに関する。

電子部品を部品供給装置から吸着して基板に搭載するためのマウンタや、部品仮止め用の接着剤を基板上に塗布するためのディスペンサにおいては、搭載ヘッドや塗布ヘッドをいかに速く動かすかが製品性能に直結している。

そのため、特許文献１乃至５において、１つの可動部材を、その両側に配置された２つのサーボモータにより駆動される単一または一対のボールねじを用いて、１つの軸上で駆動するタンデム駆動装置が提案されている。

一般的にタンデムを組んだ機構では、（Ａ）相互のモータの影響、（Ｂ）外乱要因（機械振動、重力、摩擦、その機械特有の機構に依存するもの）、（Ｃ）左右の負荷の変動に応じたモータの推力、を考慮する必要がある。

ここで、（Ａ）の相互のモータの影響とは、互いに異なるトルクを出している場合、綱引き状態になることである。即ち、一方が強く引けば、他方がそれを戻そうとして次にトルクを増加させ、それを繰り返す可能性がある。又、トルクの違いにより左右に推力の相違が生じている場合、速度が速い側のモータから見ると、遅い側のモータは負荷になることがある。

又、（Ｂ）の外乱要因の最大のものは、例えばＸ軸にとっては、Ｙ軸移動時にヘッドに加わる振動が最大の外乱になる。

又、（Ｃ）の左右の負荷の変動とは、特にベルト駆動の場合に顕著である。即ち、ベルトの剛性にもよるが、基本的にボールねじと違いベルトには伸縮がある。伸縮は、モータからヘッドまでのベルト長が長ければ長いほど大きくなる。即ち、ヘッド位置が左のモータに近い場合は左のモータはベルト長が短く、右のモータから見るとベルト長が長くなり、左右で負荷が均等ではなくなる。

仮にこれらを何も考慮にいれずに、２つのモータに同一の指令を与えると、速度や加速度の変化点等において左右のモータにトルク差（＝位置偏差若しくは、これに対応する電流指令の溜まりパルスの差）が発生する場合がある。ここで、トルクに差が出るのは、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の要因により、左右の負荷がいつも均一ではないためである。この左右のトルク差は、極端な場合は、ハンチングや発振する現象となる場合があり、発振しないまでも、整定するまでに時間がかかる要因となる。

このような問題点を解決するべく、特許文献１では、（Ｃ）に関して、Ｙ軸駆動用の一対のボールねじにより駆動されるＸ軸上の負荷の位置検出値に応じてゲインが変化する可変ゲイン速度アンプをＹ軸駆動用に用いることが記載されている。

又、特許文献２には、２つのモータに対し、一方側は、位置と速度をフィードバックするサーボ制御を行ない、他方側は、重力オフセット等のオフセットトルクがかかっている分を打ち消すトルク制御を行なうことが記載されている。

又、特許文献３には、コントローラから入力された位置指令に基づき、モデルトルク情報、モデル速度情報、モデル位置情報を生成して位相補償をした信号を、サーボアンプのトルク指令に帰還する同期制御装置が記載されている。

又、特許文献４には、モータ速度差を元に左右モータが遅れないようにモータを同期運転するモータ制御技術が記載されている。

又、特許文献５には、ボールねじの両端にサーボモータを駆動連結し、この両サーボモータを相互に同期駆動して送りねじを両端駆動することが記載されている。

又、特許文献６には、第１モータ及び第２モータ間の動作ずれを補償する軸ずれ補償速度指令を作成して、第１速度指令及び第２速度指令を補償することが記載されている。

特開平４−１９７０９５号公報 特開平７−１１０７１４号公報 特開２００３−３４５４４２号公報 特開２００４−３１０２６１号公報 特開平１０−８６０２７号公報 特開２００５−２６９７５８号公報

しかしながら、従来技術は、いずれも、ボールねじ駆動系を用いており、ベルトを使用したメカ的な機構に依存する要因を解決するものではなかった。

特に、２つのモータを制御する２つのサーボアンプを同じフィードバック制御の条件で制御し、それぞれのモータに対して電流操作量を決めた場合、２つのモータが相互に干渉することが原因して、次のような問題点があった。

（１）ヘッドが２つのモータから均等な距離にある場合は整定時間が短いが、片側に寄ると整定時間が長くなる。

（２）それぞれのサーボアンプが指令を受け、加減速を電流指令としてモータを回転させるが、減速停止直後はサーボアンプの電流操作量が小さくなるため、対向するモータの干渉の影響を受け易くなる。干渉を受けると、それぞれのサーボアンプに溜まりパルスの差異（＝モータに流れる電流の差異）が生じ、微小な振動を発生する場合がある。この振動を抑えるため積分比例定数を大きくすると、滑らかな操作量により微振動に効果がある反面、引き換えに整定する時間が長くなる。

（３）制御速度が極端に遅い場合、対向するモータの影響により２つのサーボアンプに溜まりパルスの相違が発生する。その結果、加速後の整定を定速域で安定した速度が得られない。

上記（１）乃至（３）の問題は、２つのサーボアンプに同じ制御条件を与えて個々に運転し、相互に影響する局面で自動調整を持たないことによるものであり、個別の制御では、微振動を抑えるため積分比例定数で操作量を滑らかにする代償に整定時間が長くなっていた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、ベルトによるタンデム駆動であっても、高速移動時の減速停止直後の微振動を抑えて整定時間を短くすると共に、低速移動時の加速後の定速域を安定させることを課題とする。

本発明は、１つの可動部材を、両端に配置された２つのモータにより駆動されるベルトを用いて、１つの軸上で駆動するためのタンデム駆動装置において、前記可動部材の移動エリア別、移動ストローク別、速度別に、各モータのサーボアンプに対しゲインパラメータを切り替えるゲイン切替手段と、各可動部材の移動エリア別、移動ストローク別、速度別に、各サーボアンプに対しフィードバック制御方式を切り替えるフィードバック切替手段と、２つのサーボアンプに対し、異なるゲインパラメータや異なるフィードバック制御方式を動的に与えて、高速移動時の減速停止直後の位置や低速移動時の定速域の速度の整定を速くする制御手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

又、動作停止直後、所定の時間が経過するまで２つのサーボアンプの溜まりパルス差とフィードバック電流値差をサンプリングし、所定の閾値を超えた場合、片側のサーボアンプの電流を絞って目標位置への整定を速くすることができる。

又、２つのサーボアンプに異なるトルク上限値を与えて目標位置への整定を速くすることができる。

本発明は、又、部品を部品供給装置から吸着して基板に搭載するためのヘッドが、前記のタンデム駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするマウンタを提供するものである。

又、部品を接着するための接着剤を基板に塗布するためのヘッドが、前記のタンデム駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするディスペンサを提供するものである。

本発明によれば、可動部材の移動エリア別、移動速度別、速度別に、２つのサーボアンプが同調する適正なゲインを与えることによって、（１）の問題を解決し、移動停止直後に２つのサーボアンプ別にフィードバック制御方式を切り換えることによって、（２）の相互干渉の問題を解決し、又、同時に、（３）の問題を解決することができる。

整定時間が短くなると、生産設備であるマウンタやディスペンサの動作時間の短縮となり、その製品の性能を向上することができる。又、安定した定速を保証することは、各種センサを使用し、その上をスキャンする場合や、移動するヘッドに組み付けられた部品を認識するセンサでヘッド移動中に部品を認識する場合に、ヘッドの振動を低減して、精度面の効果が得られる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、本発明を、図１（全体図）及び図２（ヘッド部分の拡大図）に示す如く、電子部品を部品供給部１４から吸着してプリント基板１０に搭載するマウンタ（実装機とも称する）１に適用したものである。

このマウンタ１では、搭載ヘッド１３を、Ｘ軸移動機構１１及びＹ軸移動機構１２により、部品供給部（例えばテープ式のパーツフィーダ）１４へＸＹ軸移動させ、吸着ノズル１３ａをＺ軸モータ１３ｂ（図２参照）により下降させて部品を吸着した後、搭載ヘッド１３を基板１０上の部品を搭載すべく指定された位置へＸＹ軸移動させ、吸着ノズル１３ａを下降させて部品を搭載している。

その際、基板１０の位置ずれがあるので、基板１０が搭載位置に搬送されたときに、搭載ヘッド１３をＸＹ軸移動させて、搭載ヘッド１３に搭載された基板認識カメラ１７を基板１０に形成された基板位置認識用の基板マーク上の位置に移動させ、該基板マークを撮像し、その画像に基づいて基板１０の位置を認識して、基板１０の位置ずれを補正している。又、部品を吸着した後に搭載ヘッド１３を、部品認識カメラ１６上に移動し、同カメラ１６により吸着された部品を撮像し、その画像に基づいて部品の吸着位置ずれと角度ずれを認識し、その認識結果に基づいて、基板上での部品搭載位置を補正することにより、高精度な部品搭載を行なっている。

図において、１３ｃは、吸着ノズル１３ｂを回動して、部品の吸着角度ずれを補正するためのθ軸モータ、１５は基板搬送路、１８はモニタ、１９は、装置全体の制御と画像処理等を行なう制御部、２０は、吸着ノズル１３ａの下側で部品の姿勢を認識するためのレーザ認識装置である。

第１実施形態における本発明に係る部分の詳細な構成を図３に示す。図において、部品を吸着・搭載する移動可能な搭載ヘッド１３は、２つのモータ２１、３１がプーリ２３、２５、３３、３５とベルト２４、３４を介して両端に接続されたベルト４１により駆動される。モータ２１、３１は、それぞれロータリエンコーダと一体になっており、ロータリエンコーダの出力２２、３２は、マスタ側とスレーブ側のサーボアンプ２６、３６に、それぞれフィードバックされている。又、ヘッド１３の移動範囲に沿って、リニアエンコーダ４２が設けられており、その検出器４３からもサーボアンプ２６、３６にフィードバックされている。

コントローラ４５には、本発明の中心をなす切替制御ソフトウェア４６が実装されており、２つのサーボアンプ２６、３６に対して、切替え機構４８、４９による制御の切替えを動的に行なっている。このダイナミックな切替えは、位置指令パルス４７がサーボアンプ２６、３６にわたり、モータ２１、３１に対して指令電流として出力されている間と、指令位置近傍に到着したタイミングで行なわれる。図中実線は指令系を示し、破線は切替制御系を示す。又、一点鎖線はフィードバック情報を示す。

前記コントローラ４５に内蔵されているエリア別サーボアンプ制御テーブルの一例を図４に示す。このテーブルには、サーボアンプを制御するゲインパラメータや、サーボアンプのフィードバック制御方式を定めたＩＤデータが、多次元の配列で収められている。索引方法は、移動プロファイルである、移動先座標、速度を基に行なう。まず移動プロファイルの移動先（Ｘ，Ｙ）の座標から、テーブルのどのエリアであるか検索する。次に、現在座標と移動先の差分であるストロークから、該当するストロークを検索する。更に、速度で検索する。検索された配列要素内には、マスタ軸とスレーブ軸の制御要素であるゲイン情報と、制御方式や切替情報が収容されている。

サーボアンプのフィードバック制御方式切替情報には、「ＰＩＤ制御」、「ＰＩ制御」、「Ｐ制御」、「ＰＩＤ＋電流監視によるトルク制限」等の情報を、マスタ軸、スレーブ軸別に持っている。ここでマスタ軸は、図３のサーボアンプ２６、スレーブ軸は同じくサーボアンプ３６に相当する。

操作量Ｍは、例えば次式により決定される。

Ｍ＝Ｋｐ・ｅ＋Ｋｉ・（１／Ｔｉ）・∫edt＋Ｋｄ・Ｔｄ・（ｄｅ／ｄｔ）…（１）
ここで、ｅ：偏差（エラー）
Ｋｐ：比例制御の比例定数
Ｋｉ：積分制御の比例定数
Ｋｄ：微分制御の比例定数
Ｔｉ：積分時間
Ｔｄ：微分時間
ｔ：時間

第一項のＫｐ・ｅは比例制御、第二項のＫｉ・（１／Ｔｉ）・∫edtは積分制御、第三項のＫｄ・Ｔｄ・（ｄｅ／ｄｔ）は微分制御の操作量である。

次に、図５を参照して、本発明による切替制御の手順を説明する。

まずステップ１００で、動作プロファイルから、ゲインと制御の切替方法を取得する。具体的には、移動先の座標から、図４のテーブルのどのエリアかを検索する。次に、現在座標と移動先の差分であるストロークから、該当するストロークを検索する。次に、速度別の配列を検索し、その配列要素内に格納されているマスタ軸とスレーブ軸のゲイン切替情報と、サーボアンプのフィードバック制御方式切替情報を取得する。

次いでステップ１０１に進み、取得したゲインパラメータ群（位置ゲイン、速度ゲイン他）を、マスタ、スレーブそれぞれのサーボアンプ２６、３６に個別に設定して、ゲイン切替えを行なう。

次いでステップ１０２に進み、テーブルから取得した「指令出力中」用の制御種別を、マスタ、スレーブそれぞれのサーボアンプに切替える。具体的には、取得したサーボアンプ制御情報のうち、「指令出力中」用のＩＤ値に応じ、サーボアンプの制御を切替える。サーボアンプは、フィードバック制御のＩＤ値に応じ、マスタ軸、スレーブ軸別々に、「ＰＩＤ制御」、「ＰＩ制御」、「Ｐ制御」のいずれかに切り替わる。

次いでステップ１０３に進み、取得したサーボアンプ制御情報が、「ＰＩＤ＋電流監視によるトルク制限」か否かを判定する。

判定結果が正であり、「電流監視によるトルク制限」の場合は、ステップ１０４に進み、図６に示す監視スレッドを起動させる。

次いでステップ１０５に進み、指定された移動プロファイルで指令を出す。これによりヘッド１３が動き出す。

次いでステップ１０６に進み、移動動作の完了を待つ。移動中はここでは何もせず、完了の割り込みを待つ。

次いでステップ１０７に進み、ステップ１００で取得したサーボアンプ制御の後、「指令出力完了」用の値にサーボアンプの制御を切替える。サーボアンプは、フィードバック制御のＩＤ値に応じ、マスタ軸、スレーブ軸別々に、「ＰＩＤ制御」、「ＰＩ制御」、「Ｐ制御」のいずれかに切り替わる。

一方、ステップ１０４で電流監視スレッドが起動された場合には、図６のステップ２００に進み、マスタ、スレーブ両アンプのフィードバック電流値と溜まりパルスの差分を周期的にサンプリングする。

具体的には、マスタ軸のサーボアンプ２６からのフィードバック情報として、サーボアンプ２６の出力２７から電流値と溜まりパルスを読み込んで、サンプリングデータとして保存する。同様に、スレーブ軸のサーボアンプ３６からも電流値と溜まりパルスを読み込んで、サンプリングデータとして保存する。更に、マスタ、スレーブそれぞれの電流値の差分、溜まりパルスの差分も、サンプリングデータ内に保存する。

次いでステップ２０１に進み、サンプリングされたマスタ、スレーブそれぞれの電流値の差分、溜まりパルスの差分を所定周期毎に更新すると共に、それぞれの差分値を前回値と比較して微分値を求め、同時に移動平均値（積分値）を求める。

次いでステップ２０２に進み、加速が完了し、定速域に達したか否かを判定する。

ステップ２０２で定速域に達したと判定された場合には、ステップ２０３に進み、ステップ２０１で求めた積分値と微分値の両者が所定の閾値を超えた場合は、変位の大きい側のサーボアンプに対しトルクを制限し、モータへの電流を絞る。この制御は、通常行なわれないが、超低速移動時にのみ行なわれる。

ステップ２０３終了後、ステップ２００に戻る。

一方、ステップ２０２の判定結果が否である場合は、ステップ２０４に進み、減速が完了したか（＝動作完了）判定する。

ステップ２０４の判定結果が正である場合は、ステップ２０５に進み、図４中の制御監視タイミングを経過した時点で、ステップ２００でサンプリングしたマスタ、スレーブそれぞれの電流値の差分、溜まりパルスの差分をチェックし、所定の閾値を越えた場合には、スレーブ側のサーボアンプ３６に対してトルクを制限してスレーブ側モータ３１への電流値を絞る。

図７に本発明の効果を示す。時刻ｔ₀で目標位置に許容範囲内で到達してインポジショ
ンとなった後の時刻ｔ₁で本発明による切替制御を行なったところ、溜まりパルスの差が
少なくなることが確認できた。

次に図８を参照して本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を、ディスペンサ５０の塗布ヘッド５２の制御に適用したものである。

前記塗布ヘッド５２は、プリント基板１０に対してＸ方向及びＹ方向に相対移動可能な、Ｘ軸移動機構５４及びＹ軸移動機構５６を具えた位置決め機構に搭載されており、本発明は、この位置決め機構の制御に適用される。

前記塗布ヘッド５２は、図９に詳細に示す如く、接着剤６２が充填されたシリンジ６０と、該シリンジ６０の下方先端に接続されて用いられる、プリント基板１０上に接着剤６２を吐出するためのノズル７０を備えている。

前記ノズル７０は、ボディ部７２と、ニードル部７４と、塗布ヘッド５２に固定するためのフランジ部７６と、ニードル部７４先端の吐出口の高さを決定するためのストッパ部７８とを備えている。

該ノズル７０をシリンジ６０の下方先端に取り付けた状態で、シリンジ６０に詰められた接着剤６２を、例えば空気圧で加圧することにより、接着剤６２がノズル７０を経由して、プリント基板１０上の決められた位置に自動的に塗布される。

位置決め制御の内容は第１実施形態と実質的に同じであるので、説明は省略する。

なお、前記実施形態においては、本発明がマウンタやディスペンサに適用されていたが、本発明の適用対象は、これらに限定されない。

本発明の第１実施形態が適用されるマウンタの全体構成を示す斜視図 同じく搭載ヘッドの詳細を示す斜視図 第１実施形態のタンデム駆動装置の構成を示すブロック図 本発明に係る制御データの構造の概略を示す図 同じく切り替え制御の手順を示す流れ図 同じく電流監視スレッドの手順を示す流れ図 本発明の効果を示すタイムチャート 本発明の第２実施形態が適用されるディスペンサの全体構成を示す斜視図 同じく塗布ヘッドの詳細を示す断面図

符号の説明

１…マウンタ
１１、５４…Ｘ軸移動機構
１２、５６…Ｙ軸移動機構
１３…搭載ヘッド
２１、３１…モータ／ロータリエンコーダ
２５、３５…プーリ
２６、３６…サーボアンプ
４１…ベルト
４２…リニアエンコーダ
４３…エンコーダ検出器
４５…コントローラ
４６…切替制御ソフトウェア
４８、４９…切替機構
５０…ディスペンサ
５２…塗布ヘッド

Claims (5)

1. １つの可動部材を、両端に配置された２つのモータにより駆動されるベルトを用いて、１つの軸上で駆動するためのタンデム駆動装置において、
   前記可動部材の移動エリア別、移動ストローク別、速度別に、各モータのサーボアンプに対しゲインパラメータを切り替えるゲイン切替手段と、
   各可動部材の移動エリア別、移動ストローク別、速度別に、各サーボアンプに対しフィードバック制御方式を切り替えるフィードバック切替手段と、
   ２つのサーボアンプに対し、異なるゲインパラメータや異なるフィードバック制御方式を動的に与えて、高速移動時の減速停止直後の位置や低速移動時の定速域の速度の整定を速くする制御手段と、
   を備えたことを特徴とするタンデム駆動装置。
2. 動作停止直後、所定の時間が経過するまで２つのサーボアンプの溜まりパルス差とフィードバック電流値差をサンプリングし、所定の閾値を超えた場合、片側のサーボアンプの電流を絞って目標位置への整定を速くすることを特徴とする請求項１に記載のタンデム駆動装置。
3. ２つのサーボアンプに異なるトルク上限値を与えて目標位置への整定を速くすることを特徴とする請求項１又は２に記載のタンデム駆動装置。
4. 部品を部品供給装置から吸着して基板に搭載するためのヘッドが、請求項１乃至３のいずれかに記載のタンデム駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするマウンタ。
5. 部品を接着するための接着剤を基板に塗布するためのヘッドが、請求項１乃至３のいずれかに記載のタンデム駆動装置を用いて駆動されることを特徴とするディスペンサ。

Images