JP5689329B2 - ピッチ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータを駆動源として可動体を所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動するピッチ駆動装置に関する発明である。

この種のピッチ駆動装置としては、例えば、部品実装機のロータリー型（リボルバー型）の装着ヘッドを回転方向にピッチ駆動するようにしたものがある（特許文献１参照）。ロータリー型の装着ヘッドは、その下面側に複数本の吸着ノズルを円周方向に所定ピッチで配列し、フィーダから供給される部品を吸着ノズルで吸着する毎に、装着ヘッドを回転方向に吸着ノズルの配列ピッチ角度分（動作ピッチ分）だけピッチ駆動して、次の吸着ノズルでフィーダから供給される部品を吸着するという動作を繰り返して、複数本の吸着ノズルにそれぞれ部品を吸着させた後、該装着ヘッドを回路基板上へ移動させて、回路基板への部品の実装と装着ヘッドのピッチ駆動とを交互に繰り返して部品実装基板を生産するようにしている。

従って、生産性を高めるには、装着ヘッドのピッチ駆動を高速化する必要があるが、ピッチ駆動の高速化に伴って装着ヘッドがＸ軸方向に振動してしまい、部品吸着位置の精度が低下したり、部品実装位置の精度が低下してしまう。この原因は、装着ヘッドのピッチ駆動時の反力が該装着ヘッドを支持するＸ軸スライド機構の支持部分に作用して、その支持部分が振動しやすい方向であるＸ軸方向に振動して、その固有振動数で共振してしまうためと思われる。

特開平９−８４９７号公報 特開２００５−３１７６７７号公報 特開２０１０−４６８９号公報 特開２０１０−２０４８７８号公報

従来は、上述したピッチ駆動による装着ヘッドの振動を低減するために、図７に示すように、ピッチ駆動の加速・減速の勾配を緩やかにすることで対応しているが、ピッチ駆動の加速・減速の勾配を緩やかにすると、ピッチ駆動の時間が延びて生産性が低下してしまう。

また、高度な制御アルゴリズムを用いて生成した速度指令に特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を施して振動を低減する技術があるが（特許文献２〜４参照）、フィルタの遅れによりピッチ駆動の時間が延びたり、コントローラの演算処理能力を高速化する必要があり、コストアップするという欠点がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ピッチ駆動による可動体の振動を低減する機能を、ピッチ駆動の高速化とコントローラの演算負荷軽減の要求を満たしながら実現できるピッチ駆動装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、モータを駆動源として可動体を所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動するピッチ駆動装置において、前記ピッチ駆動の速度指令プロファイルとして速度上昇を性能限界より低い速度で制限した台形波状の速度指令プロファイルを用いて前記可動体をピッチ駆動することでピッチ駆動による可動体の支持部分の振動エネルギを減衰させることを第１の特徴とし、更に、前記台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令は、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて、前記可動体の振動周波数のうちの該可動体の支持部分の固有振動数の周波数帯の振幅を低減するように設定されていることを第２の特徴とするものである。このようにすれば、ピッチ駆動の加速・減速の勾配を緩やかにして可動体の振動を低減する場合と比較して、これと同程度の振動低減効果を得ながら、ピッチ駆動の時間が延びることを抑制できると共に、特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を施す場合とは異なり、複雑な制御アルゴリズムが不要であり、ピッチ駆動の高速化とコントローラの演算負荷軽減の要求を満たしながら、ピッチ駆動による可動体の振動を低減できる。

この場合、請求項１に係る発明では、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令は、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて、可動体の振動周波数のうちの該可動体の支持部分の固有振動数の周波数帯の振幅を低減するように設定されている。後述するように、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を変化させることで振動エネルギを減衰させる周波数帯を変化させることができるため、減衰させる可動体の支持部分の固有振動数の周波数帯に応じて台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を設定すれば、可動体の振動を効果的に低減できる。

本発明は、請求項２のように、Ｘ軸スライド機構に回転可能に可動体を支持し、モータによって前記可動体を回転方向にピッチ駆動する機器（例えばロータリーヘッド型の部品実装機等）に適用しても良く、この場合は、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を、可動体の支持部分のＸ軸方向の振動エネルギが減衰するように設定すると良い。要するに、Ｘ軸スライド機構に回転可能に可動体を支持させる構成のものでは、ピッチ駆動時の反力によって可動体がＸ軸方向に振動しやすいため、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を可動体の支持部分のＸ軸方向の振動エネルギが減衰するように設定すれば、ピッチ駆動による可動体の振動を確実に低減できる。

ところで、毎回、一定の動作ピッチでピッチ駆動する場合は、毎回、一定の速度指令プロファイルでピッチ駆動すれば良い。この場合は、請求項３のように、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて予め台形波状の速度指令プロファイルを算出して、それを記憶手段に記憶しておくようにすれば良い。このようにすれば、制御を一層簡単化できて、コントローラの演算負荷を軽減できる。

また、請求項４のように、ピッチ駆動の動作ピッチが複数種類存在する場合は、予め各動作ピッチ毎に算出した複数種類の台形波状の速度指令プロファイルを記憶手段に記憶しておき、ピッチ駆動時に前記記憶手段に記憶されている複数種類の台形波状の速度指令プロファイルの中から今回の動作ピッチに対応する台形波状の速度指令プロファイルを選択して可動体をピッチ駆動するようにすれば良い。このようにすれば、ピッチ駆動の動作ピッチが複数種類存在する場合でも、複雑な制御アルゴリズムを使用せずにピッチ駆動することができ、コントローラの演算負荷を軽減できる。

また、請求項５のように、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて台形波状の速度指令プロファイルを算出する演算手段を備え、前記演算手段により算出した台形波状の速度指令プロファイルを用いて可動体をピッチ駆動するようにしても良い。このようにすれば、ピッチ駆動の動作ピッチが頻繁に変化しても、その動作ピッチに合った台形波状の速度指令プロファイルを自動的に作成できる。

本発明は、可動体を回転方向にピッチ駆動するものに限定されず、請求項６のように、第１のＸ軸スライド機構に第２のＸ軸スライド機構を介して可動体を支持し、モータによって前記第２のＸ軸スライド機構を駆動して可動体をＸ軸方向に所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動する構成のものにも適用できる。この場合は、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を、可動体を支持する第２のＸ軸スライド機構のＸ軸方向の振動エネルギが減衰するように設定すれば良い。このようにすれば、可動体をＸ軸方向にピッチ駆動する構成のものにおいても、ピッチ駆動による可動体の振動を低減する機能を、ピッチ駆動の高速化とコントローラの演算負荷軽減の要求を満たしながら実現できる。

図１は本発明の実施例１におけるモジュール型部品実装システムの構成を示す斜視図である。 図２は装着ヘッドをＸ−Ｙ軸方向に移動させるＸ−Ｙ軸移動装置を示す斜視図である。 図３はＸ軸スライド機構の第２Ｘ軸スライドに対する装着ヘッドの組付構造を示す斜視図である。 図４はＸ軸スライド機構の構成を示す横断面図である。 図５はＹ軸スライド機構とＸ軸スライド機構の構成を説明する斜視図である。 図６は実施例１の装着ヘッドの振動発生メカニズムを説明する図である。 図７は実施例１の速度指令プロファイルを従来の速度指令プロファイルと対比して説明する図である。 図８は従来の三角波状の速度指令プロファイルでピッチ駆動した場合の振幅スペクトルの一例を示す図である。 図９は実施例１の台形波状の速度指令プロファイルでピッチ駆動した場合の振幅スペクトルの一例を示す図である。 図１０は実施例２の部品実装機の装着ヘッドの振動発生メカニズムを説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した２つの実施例１，２を説明する。

本発明をモジュール型部品実装システムに適用して具体化した実施例１を図１乃至図９を用いて説明する。
まず、図１に基づいてモジュール型部品実装システムの構成を説明する。
モジュール型部品実装システムのベース台１１上に、回路基板の搬送方向に隣接して複数台のロータリーヘッド型（リボルバーヘッド型）の実装機モジュール１２（部品実装機）が入れ替え可能に整列配置されている。各実装機モジュール１２は、本体ベッド１３上に、テープフィーダ等のフィーダ１４、回路基板搬送装置１５、部品撮像装置１６、部品装着装置１７等を搭載して構成され、上部フレーム１８の前面部には、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ等の表示装置１９と、操作キー等の操作部２０とが設けられている。各実装機モジュール１２の回路基板搬送装置１５によって回路基板を順次搬送して部品装着装置１７によって回路基板に部品を実装する。

次に、図２乃至図５に基づいて部品装着装置１７の構成を説明する。
ここで、図２は装着ヘッド２２（可動体）をＸ−Ｙ軸方向に移動させるＸ−Ｙ軸移動装置を示す斜視図、図３はＸ軸スライド機構２３の第２Ｘ軸スライド４２に対する装着ヘッド２２の組付構造を示す斜視図、図４はＸ軸スライド機構２３の構成を示す横断面図、図５はＹ軸スライド機構２４とＸ軸スライド機構２３の構成を説明する斜視図である。

図２及び図３に示すように、部品装着装置１７は、複数本の吸着ノズル２１を交換可能に保持するロータリー型（リボルバー型）の装着ヘッド２２と、この装着ヘッド２２を基板の搬送方向（以下この方向を「Ｘ軸方向」と定義する）に移動させるＸ軸スライド機構２３と、このＸ軸スライド機構２３を装着ヘッド２２と共にＹ軸方向（基板の搬送方向と直交する方向）に移動させるＹ軸スライド機構２４と、部品吸着動作時や装着動作時に装着ヘッド２２の吸着ノズル２１を昇降させるノズル昇降機構５３等から構成されている。

Ｙ軸スライド機構２４は、実装機モジュール１２の上部フレーム１８側に取り付けられたＹ軸モータ３１によってＹ軸ボールねじ３２を回転駆動することで、Ｙ軸スライド３３をＹ軸ガイド３４に沿ってＹ軸方向にスライドさせるように構成されている（図５参照）。 一方、図４及び図５に示すように、Ｘ軸スライド機構２３は、２つのＸ軸スライド４１，４２を組み合わせた２段式のスライド機構であり、第１Ｘ軸スライド４１をＸ軸方向に案内する第１ガイド４３と第１Ｘ軸モータ４４を、Ｙ軸スライド３３に垂直に固定された支持板３３ａに取り付けて、この第１Ｘ軸モータ４４によって第１Ｘ軸ボールねじ４５を回転駆動することで、第１Ｘ軸スライド４１を第１ガイド４３に沿ってＸ軸方向にスライドさせるように構成されている。そして、第２Ｘ軸スライド４２をＸ軸方向に案内する第２ガイド４６と第２Ｘ軸モータ４７を第１Ｘ軸スライド４１に取り付けて、この第２Ｘ軸モータ４７によって第２Ｘ軸ボールねじ４８を回転駆動することで、第２Ｘ軸スライド４２を第２ガイド４６に沿ってＸ軸方向にスライドさせるように構成されている。

図３に示すように、装着ヘッド２２は、第２Ｘ軸スライド４２に固定された支持ブラケット５１に回転可能に組み付けられ、ヘッド回転用のモータ５４によって該装着ヘッド２２の中心軸の回りを吸着ノズル２１の配列ピッチ角度ずつ間欠的に回転する（ピッチ駆動する）ように構成されている。この装着ヘッド２２には、吸着ノズル２１を保持する複数本のノズルホルダ５５が上下方向（Ｚ方向）に昇降可能に組み付けられ、部品吸着・装着動作時には、所定の部品吸着・装着ステーションに位置する１本のノズルホルダ５５（吸着ノズル２１）がノズル昇降モータ５２（Ｚ軸モータ）を駆動源とするノズル昇降機構５３によって昇降される。

以上説明したＸ軸スライド機構２３、Ｙ軸スライド機構２４、ノズル昇降機構５３を駆動する第１Ｘ軸モータ４４、第２Ｘ軸モータ４７、Ｙ軸モータ３１、ノズル昇降モータ５２（Ｚ軸モータ）及びヘッド回転用のモータ５４は、実装機モジュール１２の制御部（コントローラ）によって制御される。

実装機モジュール１２の稼働中は、フィーダ１４から供給される部品を吸着ノズル２１で吸着する毎に、装着ヘッド２２を回転方向に吸着ノズル２１の配列ピッチ角度分（動作ピッチ分）だけピッチ駆動して、次の吸着ノズル２１でフィーダ１４から供給される部品を吸着するという動作を繰り返して、複数本の吸着ノズル２１にそれぞれ部品を吸着させた後、該装着ヘッド２２を回路基板上へ移動させて、回路基板への部品の実装と装着ヘッド２２のピッチ駆動とを交互に繰り返して部品実装基板を生産する。

従って、生産性を高めるには、装着ヘッド２２のピッチ駆動を高速化する必要があるが、ピッチ駆動の高速化に伴って装着ヘッド２２全体がＸ軸方向に振動してしまい、部品吸着位置の精度が低下したり、部品実装位置の精度が低下してしまう。この原因は、図６に示すように、装着ヘッド２２は、Ｘ軸スライド機構２３に回転可能に支持され、その支持部分の弾性がばね要素となるため、装着ヘッド２２のピッチ駆動時の反力が装着ヘッド２２の支持部分に作用して、その支持部分のばね要素が振動しやすい方向であるＸ軸方向に振動して、その固有振動数で共振してしまうためと思われる。

従来は、上述したピッチ駆動による装着ヘッド２２の振動を低減するために、図７に示すように、ピッチ駆動の加速・減速の勾配を緩やかにすることで対応しているが、ピッチ駆動の加速・減速の勾配を緩やかにすると、ピッチ駆動の時間が延びて生産性が低下してしまう。また、高度な制御アルゴリズムを用いて生成した速度指令に特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を施して振動を低減する技術があるが、この場合は、フィルタの遅れによりピッチ駆動の時間が延びたり、実装機モジュール１２の制御部（コントローラ）の演算処理能力を高速化する必要があり、コストアップするという欠点がある。

そこで、本実施例１では、図７に示すように、ピッチ駆動の速度指令プロファイルとして、速度上昇を性能限界より低い速度で制限した台形波状の速度指令プロファイルを用いて装着ヘッド２２をピッチ駆動することで、ピッチ駆動による装着ヘッド２２の支持部分のＸ軸方向の振動エネルギを減衰して、装着ヘッド２２の振動振幅を低減する。

ここで、図８は、従来の三角波状の速度指令プロファイルでピッチ駆動した場合の振幅スペクトルの一例を示し、図９は、本実施例１の台形波状の速度指令プロファイルでピッチ駆動した場合の振幅スペクトルの一例を示している。図８（従来）の振幅スペクトルと図９（本実施例１）の振幅スペクトルと対比すると、本実施例１では、台形波状の速度指令プロファイルを用いることで特定の周波数帯の振動エネルギを減衰して振幅を低減する効果が得られることが分かる。振動エネルギを減衰させる周波数帯は、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令によって変化させることができる。従って、減衰させる特定の周波数帯に応じて台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を設定すれば良い。例えば、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令を高くすると、減衰する周波数帯が高くなる方に移動する。減衰させる特定の周波数帯は、装着ヘッド２２の支持部分の固有振動数に合わせて設定すれば良く、これにより、装着ヘッド２２の振動振幅を効果的に低減できる。

一般に、装着ヘッド２２の吸着ノズル２１の配列ピッチ角度（ピッチ駆動の動作ピッチ）は一定であるため、毎回、一定の動作ピッチでピッチ駆動する。この場合は、毎回、一定の速度指令プロファイルでピッチ駆動すれば良いため、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて予め台形波状の速度指令プロファイルを算出して、それを実装機モジュール１２の制御部の記憶手段に記憶しておくようにすれば良い。このようにすれば、制御が簡単になり、実装機モジュール１２の制御部の演算負荷を軽減できる。

また、例えば、各吸着ノズル２１に吸着する部品のサイズが大きく、隣接する吸着ノズル２１に吸着する部品どうしが干渉する場合は、部品が干渉する吸着ノズル２１を使用せず、部品が干渉しない吸着ノズル２１のみに部品を吸着するようにしている。このような場合は、使用しない吸着ノズル２１を飛ばして１回のピッチ駆動で複数動作ピッチ分回転させるため、ピッチ駆動の動作ピッチが複数種類存在することになる。このような場合は、予め各動作ピッチ毎に算出した複数種類の台形波状の速度指令プロファイルを記憶手段に記憶しておき、ピッチ駆動時に前記記憶手段に記憶されている複数種類の台形波状の速度指令プロファイルの中から今回の動作ピッチに対応する台形波状の速度指令プロファイルを選択して装着ヘッド２２をピッチ駆動するようにすれば良い。このようにすれば、ピッチ駆動の動作ピッチが複数種類存在する場合でも、複雑な制御アルゴリズムを使用せずにピッチ駆動することができ、実装機モジュール１２の制御部の演算負荷を軽減できる。

また、実装機モジュール１２の制御部の演算能力に余裕がある場合は、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて台形波状の速度指令プロファイルを算出するプログラム（演算手段）を搭載し、実装機モジュール１２の制御部によって算出した台形波状の速度指令プロファイルを用いて装着ヘッド２２をピッチ駆動するようにしても良い。このようにすれば、ピッチ駆動の動作ピッチが頻繁に変化しても、その動作ピッチに合った台形波状の速度指令プロファイルを自動的に作成できる。

以上説明した本実施例１では、装着ヘッド２２のピッチ駆動の速度指令プロファイルとして、速度上昇を性能限界より低い速度で制限した台形波状の速度指令プロファイルを用いて装着ヘッド２２をピッチ駆動することでピッチ駆動による装着ヘッド２２の支持部分の振動エネルギを減衰するようにしたので、図７に示すように、ピッチ駆動の加速・減速の勾配を緩やかにして装着ヘッド２２の振動を低減する場合と比較して、これと同程度の振動低減効果を得ながら、ピッチ駆動の時間が延びることを抑制できると共に、特定の周波数成分を除去するフィルタ処理を施す場合とは異なり、複雑な制御アルゴリズムが不要であり、ピッチ駆動の高速化とコントローラの演算負荷軽減の要求を満たしながら、ピッチ駆動による装着ヘッド２２の振動を低減できる。

上記実施例１は、本発明をロータリーヘッド型の部品実装機に適用し、装着ヘッド２２に保持させた各吸着ノズル２１の位置を目標停止位置として装着ヘッド２２をピッチ駆動する実施例であるが、図１０に示す本発明の実施例２では、第１のＸ軸スライド機構６１に第２のＸ軸スライド機構６２を介して装着ヘッド等の可動体６３を支持し、モータ（図示せず）によって第２のＸ軸スライド機構６２を駆動して可動体６３をＸ軸方向にピッチ駆動し、可動体６３をＸ軸方向に所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動するようにしている。この構成のものにも、本発明を適用でき、ピッチ駆動の速度指令プロファイルとして、速度上昇を性能限界より低い速度で制限した台形波状の速度指令プロファイルを用いて可動体６３をピッチ駆動することで、可動体６３を支持する第２のＸ軸スライド機構６２のＸ軸方向の振動エネルギを減衰するようにすれば良い。

本実施例２でも、台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令は、ピッチ駆動による可動体６３（第２のＸ軸スライド機構６２）の振動周波数のうちの特定の周波数帯の振幅を低減するように設定すると良い。減衰させる特定の周波数帯は、可動体６３を支持する第２のＸ軸スライド機構６２の固有振動数に合わせて設定すれば良く、これにより、可動体６３の振動振幅を効果的に低減できる。その他の事項は、前記実施例１と同じである。

尚、本発明は、部品実装機に限定されず、可動体を所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動するピッチ駆動装置を搭載した様々な機器に適用して実施できる等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

１１…ベース台、１２…実装機モジュール（部品実装機）、１４…フィーダ、１５…回路基板搬送装置、１６…部品撮像装置、１７…部品装着装置、２１…吸着ノズル、２２…装着ヘッド（可動体）、２３…Ｘ軸スライド機構、２４…Ｙ軸スライド機構、３１…Ｙ軸モータ、３３…Ｙ軸スライド、４１…第１Ｘ軸スライド、４２…第２Ｘ軸スライド、４４…第１Ｘ軸モータ、４７…第２Ｘ軸モータ、５４…ヘッド回転用のモータ、５５…ノズルホルダ、５２…ノズル昇降モータ、５３…ノズル昇降機構、６１…第１のＸ軸スライド機構、６２…第２のＸ軸スライド機構、６３…可動体

Claims (6)

1. モータを駆動源として可動体を所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動するピッチ駆動装置において、
   前記ピッチ駆動の速度指令プロファイルとして速度上昇を性能限界より低い速度で制限した台形波状の速度指令プロファイルを用いて前記可動体をピッチ駆動することでピッチ駆動による前記可動体の支持部分の振動エネルギを減衰させるピッチ駆動装置であり、
   前記台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令は、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて、前記可動体の振動周波数のうちの該可動体の支持部分の固有振動数の周波数帯の振幅を低減するように設定されていることを特徴とするピッチ駆動装置。
2. 前記可動体は、Ｘ軸スライド機構に回転可能に支持され、
   前記モータは、前記可動体を回転方向にピッチ駆動し、
   前記台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令は、前記可動体の支持部分のＸ軸方向の振動エネルギを減衰させるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のピッチ駆動装置。
3. 前記台形波状の速度指令プロファイルは、ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて予め算出され、記憶手段に記憶されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のピッチ駆動装置。
4. ピッチ駆動の動作ピッチが複数種類存在し、予め各動作ピッチ毎に算出された複数種類の台形波状の速度指令プロファイルが前記記憶手段に記憶され、ピッチ駆動時に前記記憶手段に記憶されている前記複数種類の台形波状の速度指令プロファイルの中から今回の動作ピッチに対応する台形波状の速度指令プロファイルを選択して前記可動体をピッチ駆動することを特徴とする請求項３に記載のピッチ駆動装置。
5. ピッチ駆動の動作ピッチに基づいて前記台形波状の速度指令プロファイルを算出する演算手段を備え、前記演算手段により算出した前記台形波状の速度指令プロファイルを用いて前記可動体をピッチ駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載のピッチ駆動装置。
6. 前記可動体は、第１のＸ軸スライド機構に第２のＸ軸スライド機構を介して支持され、 前記モータは、前記第２のＸ軸スライド機構を駆動して前記可動体をＸ軸方向に所定間隔で設定された複数の目標停止位置間でピッチ駆動し、
   前記台形波状の速度指令プロファイルの最高速度指令は、前記可動体を支持する前記第２のＸ軸スライド機構のＸ軸方向の振動エネルギを減衰するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のピッチ駆動装置。

Images