JP5725657B2

JP5725657B2 - 生産機械

Info

Publication number: JP5725657B2
Application number: JP2011152673A
Authority: JP
Inventors: 啓祐名桐; 政利藤田; 良永田
Original assignee: Fuji Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: EP2734023A1; JP2013021103A; CN103703877A; EP2734023B1; EP2734023A4; CN103703877B; WO2013008518A1

Description

本発明は、アクチュエータで可動体を加圧対象物に衝突するまで移動させて該加圧対象物に対する該可動体の加圧力を制御する機能を備えた生産機械に関する発明である。

例えば、部品実装機においては、吸着ノズルに部品を吸着して回路基板上に該部品を実装する際に、吸着ノズルで部品を回路基板に軽く加圧して実装するようにしている。この場合、生産性を高めるには吸着ノズル（装着ヘッド）の駆動速度を高速化する必要があるが、高速化するほど、吸着ノズルに吸着した部品が回路基板に衝突したときの衝撃力が大きくなって部品が損傷する可能性があるため、衝撃力を緩和する必要がある。

また、圧入（挿入）部品を孔に圧入（挿入）する部品組立機においても、圧入（挿入）部品を保持して孔に圧入（挿入）する組立ヘッドの駆動速度を高速化すると、圧入部品が孔の周縁に衝突したときの衝撃力が大きくなって圧入部品や孔の周縁部が損傷する可能性があるため、衝撃力を緩和する必要がある。

一般に、衝撃力を緩和する場合は、特許文献１（特開２００４−３３８０６７号公報）や特許文献２（特開平７−２４９８９６号公報）に記載されているように、衝撃力を緩和するショックアブソーバやダンパ部材を設けたものが多い。

特開２００４−３３８０６７号公報特開平７−２４９８９６号公報

しかし、上記特許文献１，２のように、ショックアブソーバやダンパ部材によって衝撃力を緩和する手法では、衝撃力が許容値以下に緩和されるまでに、ある程度の時間がかかったり、共振したりする可能性があり、駆動速度の高速化に限界がある。

そこで、本発明者らは、アクチュエータを用いて衝撃力を緩和するシステムを研究しているが、衝撃力の振動は高周波振動となるため、制御の処理が高周波振動に追従できなくなり、衝撃力を応答良く緩和することができないばかりか、衝撃力の影響で加圧対象物に対する可動体の加圧力も安定しないという問題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を応答良く緩和して、加圧対象物に対する可動体の加圧力を安定させることができる生産機械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、アクチュエータで可動体を加圧対象物に衝突するまで移動させて該加圧対象物に対する該可動体の加圧力を制御する機能を備えた生産機械において、前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータと、前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段と、前記衝撃力検出手段の出力信号から低周波帯域の信号成分を抽出する低周波帯域信号抽出手段と、前記低周波信号抽出手段で抽出した低周波帯域の信号成分と加圧力指令との偏差が小さくなるように前記メインアクチュエータの駆動力を制御する駆動力フィードバック制御手段と、前記衝撃力検出手段の出力信号から高周波帯域の信号成分を抽出する高周波帯域信号抽出手段と、前記高周波信号抽出手段で抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するように前記衝撃緩和アクチュエータの駆動力を制御する衝撃緩和制御手段とを備えた構成としたものである。

この構成によれば、可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を衝撃力検出手段により検出し、衝撃力検出手段の出力信号から低周波帯域信号抽出手段により抽出し、抽出した低周波帯域の信号成分と加圧力指令との偏差が小さくなるようにアクチュエータの駆動力を駆動力フィードバック制御手段により制御する。つまり、衝撃力検出手段の出力信号から低周波帯域の信号成分を抽出することで衝撃力の大きさを抽出し、アクチュエータ１３の駆動力（加圧対象物に対する可動体の加圧力）を加圧力指令に一致させるようにフィードバック制御するものである。これと同時に、衝撃力検出手段の出力信号から高周波帯域信号抽出手段により抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて衝撃力を緩和するように衝撃緩和アクチュエータの駆動力を制御することで、可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を応答良く緩和して、加圧対象物に対する可動体の加圧力を安定させることができる。

この場合、請求項２のように、衝撃緩和アクチュエータ及び衝撃力検出手段は、１つの圧電素子により構成しても良い。１つの圧電素子の圧電効果と逆圧電効果を利用すれば、１つの圧電素子をセルフセンシングアクチュエータとして用いて、衝撃緩和アクチュエータと衝撃力検出手段の両方の機能を１つの圧電素子で実現でき、低コスト化及び省スペース化も実現できる利点がある。

或は、請求項３のように、衝撃緩和アクチュエータ及び衝撃力検出手段をそれぞれ別の圧電素子により構成して、可動体の駆動方向に直列に設け、前記衝撃力検出手段を構成する圧電素子が加圧対象物との衝突による歪みを検出した瞬間に、前記衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子が歪みの方向とは反対方向に変形するように該圧電素子の駆動電圧を制御するようにしても良い。

或は、請求項４のように、衝撃緩和アクチュエータ及び衝撃力検出手段をそれぞれ別の圧電素子により構成すると共に、前記衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子にはカウンターマスを取り付け、前記衝撃力検出手段を構成する圧電素子が加圧対象物との衝突による歪みを検出した瞬間に、前記衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子の駆動電圧を前記カウンターマスが衝撃力を緩和する方向に移動するように制御するようにしても良い。

尚、上記請求項３，４に係る発明においては、低周波帯域信号抽出手段、高周波信号抽出手段及び駆動力フィードバック制御手段を省略した構成としても良いし、請求項１に係る発明と同様、低周波帯域信号抽出手段、高周波信号抽出手段及び駆動力フィードバック制御手段を備えた構成としても良い。

図１は本発明の実施例１の生産機械の制御システムの構成を示すブロック図である。図２は本発明の実施例２の生産機械の制御システムの構成を示すブロック図である。図３は本発明の実施例３の生産機械の制御システムの構成を示すブロック図である。図４は本発明に関連する参考例としての実施例４の生産機械の制御システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。

本発明の実施例１を図１に基づいて説明する。
本実施例１の生産機械は、例えば、部品実装機、部品組立機等であり、部品実装機の場合は、吸着ノズルに部品を吸着して回路基板上に該部品を実装する際に、吸着ノズルで部品を回路基板に軽く加圧して実装する動作を本実施例１の制御システムによって制御する。部品組立機の場合は、圧入（挿入）部品を保持して孔に圧入（挿入）する動作を本実施例１の制御システムによって制御する。

生産機械の可動体１１は、軸１２にスライド可能に支持され、アクチュエータ１３によって駆動される。可動体１１を駆動するアクチュエータ１３は、サーボモータ、ステップモータ等のモータ、リニアモータ等により構成されている。可動体１１の移動方向の所定位置には、加圧対象物１４が設置されている。

可動体１１には、その先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力が加わる位置に圧電素子１５が取り付けられている。この圧電素子１５は、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータとして機能すると共に、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段としても機能する。すなわち、圧電素子１５は、圧電効果と逆圧電効果を利用することで、衝撃緩和アクチュエータと衝撃力検出手段の両方の機能を実現するセルフセンシングアクチュエータとして用いられている。

アクチュエータ１３の駆動制御系には、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの圧電素子１５の出力信号（衝撃力の検出信号）から低周波帯域の信号成分を抽出する低周波帯域信号抽出フィルタ１６（低周波帯域信号抽出手段）と、この低周波帯域信号抽出フィルタ１６で抽出した低周波帯域の信号成分と加圧力指令との偏差が小さくなるようにアクチュエータ１３の駆動力（加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力）をフィードバック制御するフィードバック制御部１７（駆動力フィードバック制御手段）とが設けられている。圧電素子１５の出力信号（衝撃力の検出信号）から低周波帯域信号抽出フィルタ１６で低周波帯域の信号成分を抽出することで、可動体１１の先端部１１ａに加わる衝撃力の大きさを抽出し、フィードバック制御部１７によってアクチュエータ１３の駆動力（加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力）を加圧力指令に一致させるようにフィードバック制御する。

一方、衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子１５の駆動制御系には、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの圧電素子１５の出力信号（衝撃力の検出信号）から高周波帯域の信号成分を抽出する高周波帯域信号抽出フィルタ１８（高周波帯域信号抽出手段）と、この高周波帯域信号抽出フィルタ１８で抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するように圧電素子１５の駆動電圧（衝撃緩和アクチュエータの駆動力）を制御する衝撃緩和制御部１９（衝撃緩和制御手段）とが設けられている。

衝撃緩和制御部１９は、高周波帯域信号抽出フィルタ１８で抽出した高周波帯域の信号成分と逆位相の波形の駆動信号を生成して、この駆動信号で圧電素子１５の駆動電圧を変化させることで、可動体１１の先端部１１ａに加わる衝撃力を緩和するように圧電素子１５の駆動電圧を変化させて、可動体１１の先端部１１ａに加わる衝撃力を緩和する。この衝撃緩和制御部１９は、ディジタル回路で構成しても良いが、圧電素子１５の振動の周波数が高いために、ディジタル処理が振動周波数に十分に追従できない場合は、アナログ回路で構成すると良い。

以上説明した本実施例１では、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの圧電素子１５の出力信号（衝撃力の検出信号）から低周波帯域信号抽出フィルタ１６で低周波帯域の信号成分を抽出することで、可動体１１の先端部１１ａに加わる衝撃力の大きさを抽出し、フィードバック制御部１７によってアクチュエータ１３の駆動力（加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力）を加圧力指令に一致させるようにフィードバック制御すると共に、圧電素子１５の出力信号（衝撃力の検出信号）から高周波帯域信号抽出フィルタ１８で抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するように圧電素子１５の駆動電圧（衝撃緩和アクチュエータの駆動力）を衝撃緩和制御部１９によって制御するため、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を応答良く緩和して、加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力を安定させることができる。

しかも、本実施例１では、１つの圧電素子１５で、衝撃緩和アクチュエータと衝撃力検出手段の両方の機能を実現しているため、低コスト化及び省スペース化も実現できる利点がある。

上記実施例１では、１つの圧電素子１５で、衝撃緩和アクチュエータと衝撃力検出手段の両方の機能を実現するように構成したが、図２に示す本発明の実施例２では、可動体１１の先端部１１ａに、加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータを構成する衝撃緩和用の圧電素子２１と、加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段を構成する衝撃力検出用の圧電素子２２とを可動体１１の駆動方向に直列に設け、衝撃力検出用の圧電素子２２が加圧対象物１４との衝突による歪みを検出した瞬間に、衝撃緩和用の圧電素子２１を歪みの方向とは反対方向に変形させるように該圧電素子２１の駆動電圧を制御する。

これを実現するために、衝撃緩和用の圧電素子２１の駆動制御系は、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力検出用の圧電素子２２の出力信号（衝撃力の検出信号）から高周波帯域の信号成分を抽出する高周波帯域信号抽出フィルタ１８（高周波帯域信号抽出手段）と、この高周波帯域信号抽出フィルタ１８で抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するように衝撃緩和用の圧電素子２１の駆動電圧を制御する衝撃緩和制御部１９（衝撃緩和制御手段）とから構成すれば良い。その他の事項は、前記実施例１と同じであり、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図３に示す本発明の実施例３では、可動体１１の先端部１１ａには、加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段を構成する衝撃力検出用の圧電素子２３のみが設けられ、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータを構成する衝撃緩和用の圧電素子２４は、可動体１１の先端部１１ａの周囲に位置するように可動体１１に取り付けられ、この衝撃緩和用の圧電素子２４には、カウンターマス２５が取り付けられている。衝撃緩和用の圧電素子２４とカウンターマス２５は、それぞれリング状に形成されたものであっても良いし、複数個のものであっても良く、要は、可動体１１の中心線に関してカウンターマス２５の荷重が均等に可動体１１に作用するように設ければ良い。

本実施例３では、衝撃力検出用の圧電素子２３が加圧対象物１４との衝突による歪みを検出した瞬間に、衝撃緩和用の圧電素子２４の駆動電圧をカウンターマス２５が衝撃力を緩和する方向に移動するように制御する。

これを実現するために、衝撃緩和用の圧電素子２３の駆動制御系は、可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力検出用の圧電素子２３の出力信号（衝撃力の検出信号）から高周波帯域の信号成分を抽出する高周波帯域信号抽出フィルタ１８（高周波帯域信号抽出手段）と、この高周波帯域信号抽出フィルタ１８で抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したときの衝撃力を緩和するように衝撃緩和用の圧電素子２４の駆動電圧を制御する衝撃緩和制御部１９（衝撃緩和制御手段）とから構成すれば良い。その他の事項は、前記実施例１と同じであり、同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

図４に示す本発明に関連する参考例としての実施例４では、可動体１１を駆動するアクチュエータ１３の駆動制御系には、位置指令に基づいてアクチュエータ１３を駆動して可動体１１の位置を制御する位置制御を実行する位置制御部３１（位置制御手段）と、加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力が加圧力指令と一致するようにアクチュエータ１３を制御する加圧力制御を実行する加圧力制御部３２（加圧力制御手段）と、アクチュエータ１３の制御方式を位置制御部３１による位置制御と加圧力制御部３２による加圧力制御との間で切り換える制御方式切換部３３（制御方式切換手段）とが設けられている。

可動体１１には、その先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突したことを検出する衝突検出手段を構成する衝突検出用の圧電素子３４が設けられ、この圧電素子３４の出力信号が衝突検出部３５に入力される。可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突して圧電素子３４の出力信号が変化した瞬間に、衝突検出部３５から衝突検出信号が制御方式切換部３３へ出力される。衝突検出部３５から衝突検出信号が出力される前（衝突が検出される前）は、制御方式切換部３３が位置制御部３１の位置制御信号をアクチュエータ１３へ出力する状態に維持されて、可動体１１の位置が位置指令と一致するようにアクチュエータ１３が駆動され、衝突検出部３５から衝突検出信号が出力された瞬間（衝突が検出された瞬間）に、制御方式切換部３３が加圧力制御部３２の加圧力制御信号をアクチュエータ１３へ出力する状態に切り換えられて、加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力が加圧力指令と一致するようにアクチュエータ１３が駆動される。

以上説明した本実施例４によれば、位置制御により可動体１１の先端部１１ａが加圧対象物１４に衝突した瞬間に、位置制御から加圧力制御に切り換えることができるため、位置制御により可動体１１の駆動速度を高速化しながら、衝突後は加圧力制御により衝撃力を効果的に緩和して、加圧対象物１４に対する可動体１１の加圧力を安定させることができる。

尚、上記実施例４は、前述した実施例１〜３のいずれかと組み合わせて実施しても良い。
その他、本発明は、可動体１１の構造等を適宜変更して実施しても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できることは言うまでもない。

１１…可動体、１３…アクチュエータ、１４…加圧対象物、１５…圧電素子（衝撃緩和アクチュエータ，衝撃力検出手段）、１６…低周波帯域信号抽出フィルタ（低周波帯域信号抽出手段）、１７…フィードバック制御部（駆動力フィードバック制御手段）、１８…高周波帯域信号抽出フィルタ（高周波帯域信号抽出手段）、１９…衝撃緩和制御部（衝撃緩和制御手段）、２１…衝撃緩和用の圧電素子（衝撃緩和アクチュエータ）、２２…衝撃力検出用の圧電素子（衝撃力検出手段）、２３…衝撃力検出用の圧電素子（衝撃力検出手段）、２４…衝撃緩和用の圧電素子（衝撃緩和アクチュエータ）、２５…カウンターマス、３１…位置制御部（位置制御手段）、３２…加圧力制御部（加圧力制御手段）、３３…制御方式切換部（制御方式切換手段）、３４…衝突検出用の圧電素子（衝突検出手段）、３５…衝突検出部

Claims

アクチュエータで可動体を加圧対象物に衝突するまで移動させて該加圧対象物に対する該可動体の加圧力を制御する機能を備えた生産機械において、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータと、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段と、
前記衝撃力検出手段の出力信号から低周波帯域の信号成分を抽出する低周波帯域信号抽出手段と、
前記低周波信号抽出手段で抽出した低周波帯域の信号成分と加圧力指令との偏差が小さくなるように前記メインアクチュエータの駆動力を制御する駆動力フィードバック制御手段と、
前記衝撃力検出手段の出力信号から高周波帯域の信号成分を抽出する高周波帯域信号抽出手段と、
前記高周波信号抽出手段で抽出した高周波帯域の信号成分に基づいて前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するように前記衝撃緩和アクチュエータの駆動力を制御する衝撃緩和制御手段と
を備えていることを特徴とする生産機械。
前記衝撃緩和アクチュエータ及び前記衝撃力検出手段は、１つの圧電素子により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の生産機械。
アクチュエータで可動体を加圧対象物に衝突するまで移動させて該加圧対象物に対する該可動体の加圧力を制御する機能を備えた生産機械において、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータと、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段と、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するように前記衝撃緩和アクチュエータの駆動力を制御する衝撃緩和制御手段とを備え、
前記衝撃緩和アクチュエータ及び前記衝撃力検出手段は、それぞれ別の圧電素子により構成されていると共に、前記可動体の駆動方向に直列に設けられ、
前記衝撃緩和制御手段は、前記衝撃力検出手段を構成する圧電素子が加圧対象物との衝突による歪みを検出した瞬間に、前記衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子が前記歪みの方向とは反対方向に変形するように該圧電素子の駆動電圧を制御することを特徴とする生産機械。
アクチュエータで可動体を加圧対象物に衝突するまで移動させて該加圧対象物に対する該可動体の加圧力を制御する機能を備えた生産機械において、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するために用いる衝撃緩和アクチュエータと、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を検出する衝撃力検出手段と、
前記可動体が加圧対象物に衝突したときの衝撃力を緩和するように前記衝撃緩和アクチュエータの駆動力を制御する衝撃緩和制御手段とを備え、
前記衝撃緩和アクチュエータ及び前記衝撃力検出手段は、それぞれ別の圧電素子により構成されていると共に、前記衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子にはカウンターマスが取り付けられ、
前記衝撃緩和制御手段は、前記衝撃力検出手段を構成する圧電素子が加圧対象物との衝突による歪みを検出した瞬間に、前記衝撃緩和アクチュエータを構成する圧電素子の駆動電圧を前記カウンターマスが衝撃力を緩和する方向に移動するように制御することを特徴とする生産機械。