JP6008979B2 - 作業機器および部品実装機 - Google Patents

Description

本発明は、作業部材が延伸動作して作業対象物に当接し所定の作業を施す方式の作業機器、およびこの方式の作業機器の範疇に含まれる部品実装機に関する。

多数の部品が実装された基板を生産する設備として、はんだ印刷機、部品実装機、基板検査機、リフロー機などがあり、これらを基板搬送装置で連結して基板生産ラインを構築することが一般的になっている。このうち部品実装機は、基板搬送装置、部品供給装置、および部品移載装置を備えて、基板に部品を装着する。部品移載装置は、直交２軸方向に駆動される実装ヘッドおよびノズルホルダと、ノズルホルダに保持されて下方に延伸動作する装着ノズルとを備えている。装着ノズルは、負圧を利用して先端の吸着部に部品を吸着し、延伸動作して部品を基板に当接させつつ吸着を解除して装着する。部品装着作業を短時間で終了するためには装着ノズルの延伸速度を高速化するのが好ましいが、反面で部品が基板に当接するときの衝撃荷重が増加して作業信頼性が低下する。部品装着作業の短時間化と作業信頼性の確保とを両立させるための技術が、特許文献１を始めとして多数開示されている。

特許文献１の電子部品実装方法は、電子部品の厚みや基板の反りなどによる変動誤差を減算した目標位置まで吸着ノズル（装着ノズル）を下降させ、目標位置から吸着ノズルの下降速度を減速して基板に接近させ、電子部品の基板への衝突を検出すると吸着ノズルの下降を止めて吸着を解除する。これにより、衝撃による電子部品の破損をなくし、電子部品と基板の実装位置との確実な接合が実現できる、と記載されている。

特許第４１７２９０２号公報

ところで、近年の部品実装機への要求として、スマートフォンに代表される最終製品の小型化への対応が挙げられる。具体的には、部品が著しく小形化および薄形化しており、低背チップコンデンサや極薄ウェハからなる集積回路部品（ＩＣ、ＬＳＩなど）を実装できることが要求されている。これらの部品では、装着時に許容される衝撃荷重や位置誤差が従来よりも厳しくなっており、従来技術に頼っていては部品を破損させたり、装着位置精度が低下したりするおそれがある。

この点で、特許文献１の技術は、装着ノズルの下降の途中で減速して衝撃荷重を低減できる点は好ましいが、装着ノズルが振動するという弊害が発生する。つまり、装着ノズルの下降速度が著変するときに発生する反力で装着ノズルが振動してしまい、装着位置精度が低下する。特に、部品が基板に当接する直前まで装着ノズルを高速で延伸動作させると、装着の直前で大きな減速が必要になり、必然的に大きな反力が発生して好ましくない。このように、従来技術の延長で単純に装着ノズルの延伸速度や加速度、減速度を大きくすることは許容されない。

この種の問題点は、部品実装機に限定されず、作業部材が延伸動作して作業対象物に当接し所定の作業を施す方式の作業機器では共通になっている。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、作業部材の延伸速度を高速化して作業時間を短縮化し、作業部材が作業対象物に当接するときの衝撃荷重を低減しつつ作業位置精度を確保できる作業機器を提供することを解決すべき課題とする。さらには、低背部品や極薄部品に対しても部品装着時間を短縮化し、部品が基板に当接するときの衝撃荷重を低減しつつ装着位置精度を確保できる部品実装機を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する請求項１に係る作業機器の発明は、基体部材と、前記基体部材に延伸可能に保持され、前記基体部材の基準位置から延伸動作して、位置決めされた作業対象物に作業位置で当接して所定の作業を施す作業部材と、駆動パワーを出力して前記作業部材の延伸動作を駆動する駆動部と、前記駆動部の駆動パワーを制御することにより、前記作業部材の現在位置および延伸速度の少なくとも一方を可変に制御する作業制御部と、を備えた作業機器であって、前記作業制御部は、前記作業部材が前記基準位置から前記作業位置まで延伸するストローク長さの途中に切替位置を設定し、前記基準位置から前記切替位置までの粗動駆動領域および前記切替位置から前記作業位置までの低速駆動領域を設定する切替設定手段と、前記粗動駆動領域内で前記作業部材の延伸速度を高速に制御しつつ、前記作業部材が延伸動作するときの反力によって前記作業部材および前記基体部材の少なくとも一方に発生する振動を抑制する粗動制御手段と、前記低速駆動領域内で前記作業部材の延伸速度を低速に制御しつつ、前記作業部材が前記所定の作業に適した許容速度以下となってから前記作業位置まで延伸するように制御する低速制御手段と、前記作業部材が前記切替位置を通過するときに、前記作業部材の延伸速度および加速度が滑らかに変化するように調整する切替調整手段とを有する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の作業機器において、前記粗動制御手段は、前記作業部材および前記基体部材の構造に依存して定まる前記振動の固有周波数に基づき、前記駆動部の駆動パワーのうちで前記固有周波数を含んだ周波数成分を選択的に減衰させる制振フィルタ手段を含む。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の作業機器において、前記切替調整手段は、前記作業部材が前記切替位置を通過するときの前記延伸速度および前記加速度を前記粗動制御手段から前記低速制御手段へ受け渡す切替値をあらかじめ設定し、前記粗動制御手段は、前記作業部材が前記切替位置を通過するときの前記延伸速度および前記加速度が前記切替値に一致するように制御する終端状態制御手段またはリニアマトリクスインイコーリティ手段を含む。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の作業機器において、前記切替調整手段は、前記作業部材が前記切替位置を通過するときの前記延伸速度を前記許容速度以下に設定する。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の作業機器において、前記作業制御部は、前記切替設定手段、前記粗動制御手段、前記低速制御手段、および前記切替調整手段により決定されて、前記作業部材が延伸動作を開始した後の経過時間と前記作業部材の前記現在位置との関係を示す位置指令プロファイル、および、前記経過時間と前記作業部材の前記延伸速度との関係を示す速度指令プロファイルの少なくとも一方をあらかじめ演算して保持し制御に用いる事前演算手段をさらに有する。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の作業機器は、基板を位置決め保持する基板保持装置と、複数の部品を供給する部品供給装置と、前記部品供給装置から前記部品を吸着して保持された基板に装着する装着ノズル、前記装着ノズルを延伸動作可能に保持するノズルホルダ、および前記装着ノズルの延伸動作を駆動するノズル駆動機構を有する部品移載装置と、を備えた部品実装機であり、前記基体部材は前記ノズルホルダであり、前記作業部材は前記装着ノズルであり、前記駆動部は前記ノズル駆動機構であり、前記所定の作業は、前記作業対象物を前記保持された基板とし、前記作業位置を前記基板の表面として、前記装着ノズルが前記位置決めされた基板の表面に当接して前記部品を装着する部品装着作業である。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の部品実装機において、前記切替設定手段は、前記部品の種類によって異なる部品高さ寸法および前記位置決めされた基板の変形の少なくとも一方に依存して変化する前記ストローク長さを考慮し、前記ストローク長さが最小となるときの作業位置に前記切替位置を設定する。

請求項１に係る作業機器の発明では、作業部材が基準位置から作業位置まで延伸するストローク長さの途中に切替位置を設定して粗動駆動領域と低速駆動領域とに区分し、粗動駆動領域内で作業部材を高速に制御しつつ振動を抑制し、低速駆動領域内で作業部材を低速に制御しつつ許容速度以下となってから作業対象物に当接させ、作業部材が切替位置を通過するときの延伸速度および加速度が滑らかに変化するように調整する。したがって、作業部材の平均的な延伸速度が高速化して、作業時間を短縮化できる。また、作業対象物に当接するときに作業部材の延伸速度は許容速度以下となっているので、衝撃荷重が低減され、所定の作業が適正に行われる。さらに、粗動駆動領域では作業部材の振動が抑制され、加えて、切替位置では延伸速度および加速度が滑らかに変化して発生する反力はわずかであるので、振動の影響を受けずに作業位置精度を確保できる。

請求項２に係る発明では、粗動制御手段は、駆動部の駆動パワーのうちで振動の固有周波数を含んだ周波数成分を選択的に減衰させる制振フィルタ手段を含んでいる。したがって、作業部材を高速で延伸動作させても、固有周波数を含んだ周波数成分の振動が抑制され、振動を顕著に抑制して作業位置精度を一層確実にできる。

請求項３に係る発明では、切替調整手段は切替位置における延伸速度および加速度の切替値をあらかじめ設定し、粗動制御手段は切替値を実現する終端状態制御手段またはリニアマトリクスインイコーリティ手段を含んでいる。したがって、切替位置で制御方法が変更されても延伸速度および加速度が不連続にならずに過大な反力が発生せず、振動を顕著に抑制して作業位置精度を一層確実にできる。

請求項４に係る発明では、切替調整手段は、作業部材が切替位置を通過するときの延伸速度を許容速度以下に設定する。したがって、この後に作業部材が作業対象物に当接するときの延伸速度は必ず許容速度以下となり、確実に衝撃荷重が低減される。

請求項５に係る発明では、事前演算手段は、位置指令プロファイルおよび速度指令プロファイルの少なくとも一方をあらかじめ演算して保持し制御に用いることもできる。これによれば、作業部材が延伸動作を開始した後にプロファイルを求める演算の必要がなく、演算処理に起因した制御の遅れが生じない。また、プロファイルを目標値に設定し、作業部材の位置または速度を実測してフィードバック制御することが容易になる。これにより、高精度な動作制御を行える。

請求項６に係る部品実装機の発明では、装着ノズルによる部品装着作業において顕著な効果が発生する。すなわち、許容される衝撃荷重や位置誤差が従来よりも厳しい低背部品や極薄部品に対しても、粗動駆動領域内での高速延伸動作により部品装着時間を短縮化できる。また、部品が基板に当接するときの衝撃荷重を低減できるので、部品装着作業が適正に行われて、部品を損傷するおそれが生じない。さらには、装着ノズルの振動が抑制されるので、部品の装着位置精度を確保できる。

請求項７に係る発明では、部品高さ寸法および基板の変形の少なくとも一方に依存して変化するストローク長さを考慮し、ストローク長さが最小となるときの作業位置に切替位置を設定する。これにより、最小限の低速駆動領域を確保して、ストローク長さの大部分を粗動駆動領域に設定できるので、装着ノズルの平均的な延伸速度を最大化して部品装着時間を最短化できる。

実施形態の部品実装機の全体構成を示した斜視図である。 実施形態の部品実装機の部品移載装置が部品装着作業に入る直前の状態を模式的に示す側方視図である。 作業制御部の制御機能を表す機能ブロック図である。 位置指令プロファイルを微分して求めた速度指令プロファイルを示した図である。 位置指令部の演算処理内容を示すフローチャートの図である。 ３種類の制振フィルタ手段の周波数特性、ならびにそれら全てを組み合わせて使用したときの総合周波数特性を例示した図である。 位置制御部６２およびトルク制御部の制振フィルタ手段の効果を確認する基礎実験の方法を説明する波形の図である。 トルク制御部の制振フィルタ手段の作用を例示説明する周波数スペクトル図である。 制振フィルタ手段の効果を確認する基礎実験の結果を示す波形の図である。

本発明の実施形態の部品実装機１について、図１〜図９を参考にして説明する。部品実装機１は、作業部材が延伸動作して作業対象物に当接し所定の作業を施す方式の作業機器の範疇に含まれている。図１は、実施形態の部品実装機１の全体構成を示した斜視図である。図１には共通ベース９０上に並設された２台の部品実装機１が示されている。部品実装機１は、基板搬送装置２、部品供給装置３、部品移載装置４、部品カメラ５、および図略の制御コンピュータなどが機台９１に組み付けられて構成されている（符号は右手前側の部品実装機１のみに付してある）。図１の右上のＸＹＺ座標軸に示されるように、部品実装機１の水平幅方向（図１の紙面左上から右下に向かう方向）をＸ軸方向、部品実装機１の水平長手方向（図１の紙面右上から左下に向かう方向）をＹ軸方向、鉛直高さ方向をＺ軸方向とする。

基板搬送装置２は、部品実装機１の長手方向の中間辺りに設けられている。基板搬送装置２は、第１搬送装置２１および第２搬送装置２２が並設された、いわゆるダブルコンベアタイプの装置である。基板搬送装置２は、２枚の基板Ｋを並行操作してＸ軸方向に搬入し位置決めし搬出する。第１および第２搬送装置２１、２２はそれぞれ、機台９１上に離隔してＸ軸方向に平行に並設された一対のコンベアレール（符号略）を有している。各コンベアレールは、搬送経路を形成しており、コンベアベルト（図示省略）が輪転可能に装架されている。コンベアベルトは、輪転することにより載置された基板Ｋを搬送する。第１および第２搬送装置２１、２２はそれぞれ、部品実装位置まで搬送された基板Ｋを機台９１側から押し上げて位置決め保持する基板保持装置（図示省略）を有している。

部品供給装置３は、フィーダ方式の装置である。部品供給装置３は、部品実装機１の長手方向の前部（図１の左前側）に設けられている。部品供給装置３は、機台９１上に複数のカセット式フィーダ３１がＸ軸方向に並設されて構成されている。各カセット式フィーダ３１は、機台９１に離脱可能に取り付けられた本体３２と、本体３２の後部（部品実装機１の前側）に回転可能かつ着脱可能に装着された供給リール３３と、本体３２の先端（部品実装機１の中央寄り）に設けられた部品供給部３４とを備えている。供給リール３３は部品を供給する媒体である。供給リール３３には、多数の部品を一定の間隔で保持したキャリアテープ（図示省略）が巻回されている。このキャリアテープの先端が部品供給部３４まで引き出され、キャリアテープごとに異なる部品が供給される。

部品移載装置４は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能ないわゆるＸＹロボットタイプの装置である。部品移載装置４は、部品実装機１の長手方向の後部（図１の右奥側）から前部の部品供給装置３の上方にかけて配設されている。部品移載装置４は、ヘッド駆動機構４１（図１では大部分を省略）、部品実装ヘッド４５などにより構成されている。ヘッド駆動機構４１は、部品実装ヘッド４５をＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動する。

部品実装ヘッド４５の下方には、ノズルホルダ４６が設けられている。ノズルホルダ４６は、負圧を利用して部品を吸着および装着する装着ノズル４７を複数個下向きに保持している。部品実装ヘッド４５は、Ｚ軸の回りにノズルホルダ４６を回転駆動するＲ軸回転駆動機構（図示省略）を有している。さらに、部品実装ヘッド４５は、選択した装着ノズル４７をＺ軸方向に延伸動作および縮退動作させるＺ軸駆動機構４９（符号は図３示）、および選択した装着ノズル４７をＺ軸の回りに回転駆動するθ軸回転駆動機構（図示省略）を有している。Ｚ軸駆動機構４９は、駆動源にサーボモータが用いられており、サーボアンプ６７（図３示）から出力される駆動電流Ｉによって駆動される。

部品カメラ５は、部品移載装置４の装着ノズル４７が部品を吸着したときの状態を撮像する装置である。部品カメラ５は、部品供給装置３の部品供給部３４付近の機台９１上に配設されている。図略の制御コンピュータは、基板搬送装置２、部品供給装置３、部品移載装置４、および部品カメラ５と通信ケーブルによって接続されている。制御コンピュータは、各装置２〜５から必要な情報を入手して演算や判定などを行い、適宜指令を発して各装置２〜５の動作を制御する。オペレータが制御コンピュータから出力された情報を確認し、さらには必要な操作や設定を行うために、上部のカバー９２の前側上部に表示操作装置９３が配設されている。

実施形態の部品実装機１において、部品の吸着から装着に至る一連の作業は次のように行われる。すなわち、まず、部品移載装置４のヘッド駆動機構４１は、装着する部品Ｐが供給されるカセット式フィーダ３１の部品供給部３４の上方まで部品実装ヘッド４５を移動する。次に、Ｚ軸駆動機構４９が動作して、装着ノズル４７は基準位置から下向きに延伸動作する。装着ノズル４７は、負圧を利用して下方の吸着部４８で部品Ｐを吸着し、縮退動作して基準位置に戻る。装着ノズル４７が縮退動作した後あるいは縮退動作中に、ヘッド駆動機構４１は、部品カメラ５の上方まで部品実装ヘッド４５を移動する。部品カメラ５は、装着ノズル４７が部品を吸着している状態を撮像し、撮像データに基づいて当該の部品を装着してよいか否かを判定する。

殆どの場合は当該の部品を装着してもよく、ヘッド駆動機構４１は、位置決めされた基板Ｋの上方まで部品実装ヘッド４５を移動する。次に、部品移載装置４は、部品装着作業に入る。図２は、実施形態の部品実装機１の部品移載装置４が部品装着作業に入る直前の状態を模式的に示す側方視図である。図２では、説明を簡易にするためにノズルホルダ４６に保持された複数個の装着ノズル４７のうち１個のみが図示されている。装着ノズル４７のＺ軸方向の位置Ｚは、基準位置Ｚ０となっている。なお、実施形態の説明では、装着ノズル４７の位置Ｚを吸着している部品Ｐの下端位置で表す。また、基板Ｋは変形しておらず、その表面が規定の位置ｈＮに保持された状態が例示されている。図２において、部品Ｐの下端と基板Ｋの表面との距離ＬＮがストローク長さＬとなる。つまり、装着ノズル４７がストローク長さＬＮだけ下方に延伸動作すると、部品Ｐが基板Ｋの表面に当接して装着される。

ノズルホルダ４６は本発明の基体部材に相当し、装着ノズル４７は本発明の作業部材に相当し、Ｚ軸駆動機構４９は本発明の駆動部に相当する。また、部品装着作業は本発明の所定の作業に相当し、基板Ｋは本発明の作業対象物に相当し、部品Ｐが基板Ｋの表面に当接したときの装着ノズル４７の位置Ｚが本発明の作業位置Ｚ２に相当する。

図２で、基板Ｋに変形が生じていると、例えば、基板Ｋの上反りで表面は位置ｈＨまで上昇し、基板Ｋの下反りで表面は位置ｈＬまで下降する。これに対応して、作業位置Ｚ２が変化し、ストローク長さＬは最小値ＬＨから最大値ＬＬまで変化する。また、ストローク長さＬは、部品Ｐの部品高さ寸法ｈＰにも依存して変化する。

部品Ｐが基板Ｋの表面に当接する際の衝撃荷重の影響を和らげるために、装着ノズル４７には図略の弾性構造が採用されている。すなわち、装着ノズル４７は、ノズルホルダ４６から延伸動作するノズル本体部と、ノズル本体部に弾性部材を介して保持され部品Ｐを吸着するノズル先端部とで構成されている。このため、Ｚ軸駆動機構４９がストローク長さＬを超えてノズル本体部を延伸動作させると、部品Ｐが基板Ｋに当接した以降は弾性部材が変形する。この作用により、基板Ｋに過大な荷重は作用せず、破損することはない。

従来技術において、装着作業時間を短縮化するために装着ノズル４７の延伸速度を増加させると、大きな加減速が必要になる。すると、装着ノズル４７が延伸動作するときの反力により、装着ノズル４７およびノズルホルダ４６に振動が発生する。ここで、図１に示されるように、装着ノズル４７およびノズルホルダ４６は、部品実装ヘッド４５を介してヘッド駆動機構４１に片持ち支持されている。したがって、装着ノズル４７は、概ねＹＺ平面内でピッチング振動する。これにより、装着ノズル４７の先端の吸着部４８がＹ軸方向およびＺ軸方向に振動してしまい、装着位置精度が低下する。

この装着位置精度の低下を抑制するため、本実施形態では、部品装着作業を制御する制御コンピュータに作業制御部６を設ける。図３は、作業制御部６の制御機能を表す機能ブロック図である。作業制御部６は、Ｚ軸駆動機構４９の駆動パワー（トルク）をフィードフォワード制御するとともに、装着ノズル４７の現在位置Ｚを位置指令Ｚｃｄと照らし合わせてフィードバック制御する。図示されるように、作業制御部６は、位置指令部６１、位置制御部６２、トルク制御部６３、およびフィードバック制御部６４などで構成されている。位置指令部６１は、本発明の切替設定手段６１１、切替調整手段６１２、および終端状態制御手段６１３を含んでいる。位置制御部６２は、本発明の制振フィルタ手段を含んでいる。トルク制御部６３は、トルク変換手段６３１および本発明の制振フィルタ手段６３２を含んでいる。

作業制御部６は、装着ノズル４７が延伸動作を開始した後の経過時間ｔと装着ノズル４７の現在位置Ｚとの関係を示す位置指令プロファイルＺｐｒを演算によって求め、これを保持して制御に用いる。図４は、位置指令プロファイルＺｐｒを微分して求めた速度指令プロファイルを示した図である。速度指令プロファイルは、実際には作業制御部６の制御に用いられないが、制御内容を分かりやすく説明するために例示する。

図４で、横軸は装着ノズル４７が延伸動作を開始した後の経過時間ｔを示し、縦軸は装着ノズル４７の延伸速度Ｖを示している。図４のポイントＺ０、Ｚ１、Ｚ２はそれぞれ、図２で装着ノズル４７の現在位置Ｚが基準位置Ｚ０、切替位置Ｚ１、および作業位置Ｚ２であることに対応している（前述したように現在位置Ｚは部品Ｐの下端位置で表す）。時刻ｔ０からｔ１までの間は後述の粗動駆動領域ＬＨに相当し、時刻ｔ１からｔ２までの間は後述の低速駆動領域ＬＳに相当する。

作業制御部６の位置指令部６１は、具体的には図５に示される演算処理手順にしたがって位置指令プロファイルＺｐｒを作成する。図５は、位置指令部６１の演算処理内容を示すフローチャートの図である。図５のステップＳ１で、位置指令部６１の切替設定手段６１１は、装着ノズル４７が延伸動作するストローク長さＬ＝ＬＬを設定する。このとき、切替設定手段６１１は、部品Ｐの部品高さ寸法ｈＰを考慮し、かつストローク長さＬが最大値ＬＬになる基板Ｋの下降した位置ｈＬまでを考慮する。また、切替設定手段６１１は、ストローク長さＬが最小値ＬＨとなるときの作業位置に切替位置を設定する。具体的には、図２で基板Ｋの上反りの上限の位置ｈＨが切替位置Ｚ１となる。これにより、基準位置Ｚ０から切替位置Ｚ１までの粗動駆動領域ＬＨ（最小値ＬＨと同じ）、および切替位置Ｚ１から作業位置Ｚ２までの低速駆動領域ＬＳが設定される。図２には、基板Ｋの表面が規定の位置ｈＮに保持されたときの低速駆動領域ＬＳが例示されている。

次のステップＳ２で、位置指令部６１は、粗動駆動領域ＬＨで装着ノズル４７が延伸動作するときの初期条件および終端条件を設定する。位置指令部６１は、装着ノズル４７が基準位置Ｚ０から延伸し始めるときの初期条件として、位置Ｚ＝基準位置Ｚ０、速度Ｖ＝０、加速度Ａ＝０を設定する。また、位置指令部６１の切替調整手段６１２は、装着ノズル４７が切替位置Ｚ１を通過するときの終端条件として、位置Ｚ＝切替位置Ｚ１、速度Ｖ＝低速度ＶＬ、加速度Ａ＝０を設定する。低速度ＶＬは、部品Ｐに発生する衝撃荷重が十分に小さく抑制されて部品装着作業に適した速度Ｖａｖ以下とし、低背部品や極薄部品に対しても許容される速度とする。

次のステップＳ３で、位置指令部６１は、装着ノズル４７が粗動駆動領域ＬＨの移動に要する目標移動時間Ｔｍを設定する。ここで、装着ノズル４７の延伸動作の制御は、作業制御部６の制御周期Ｔｓの間隔で行われる。したがって、制御ステップ数ｎを次式で演算することができる。
制御ステップ数ｎ＝（目標移動時間Ｔｍ／制御周期Ｔｓ）

次のステップＳ４で、位置指令部６１の終端状態制御手段６１３は、粗動駆動領域ＬＨで制御周期Ｔｓごとに必要となるトルク値を演算する。制御周期Ｔｓ間隔のｎ個のトルク値を時系列的に並べたものがトルク指令プロファイルである。終端状態制御手段６１３は、前述した初期条件、終端条件および制御ステップ数ｎを満足しかつフィードフォワード制御を行えるトルク指令プロファイルを演算する数学的演算手法である。なお、演算に用いる装着ノズル４７の質量（慣性の大きさ）やＺ軸駆動機構４９のサーボモータの特性などは、あらかじめ終端状態制御手段６１３に保持されている。

終端状態制御手段６１３の詳細については、例えば、電気学会論文誌Ｄ部門第１２９巻第９号「終端状態制御によるガルバノスキャナのナノスケールサーボ制御」の論文に開示されている。また、終端状態制御手段６１３に代えて、類似する別の数学的演算手法である公知のリニアマトリクスインイコーリティ手段（ＬＭＩ手段、Linear Matrix Inequality 手段）を用いるようにしてもよい。

次のステップＳ５で、位置指令部６１は、得られたトルク指令プロファイルを変換して粗動駆動領域ＬＨの位置指令プロファイルを生成する。この変換演算は、基本的には慣性の除算と２階の時間積分演算によって行う。

次のステップＳ６で、位置指令部６１は、切替位置Ｚ１における速度Ｖ＝低速度ＶＬ、および加速度Ａ＝０が滑らかに変化する条件で、低速駆動領域ＬＳで制御周期Ｔｓごとの位置指令を演算する。制御周期Ｔｓ間隔の位置指令を時系列的に並べたものが低速駆動領域ＬＳの位置指令プロファイルになる。例えば、低速駆動領域ＬＳ内で常に加速度Ａ＝０とすれば、装着ノズル４７が低速度ＶＬで等速延伸動作を続ける位置指令プロファイルが得られる。

最後のステップＳ７では、粗動駆動領域ＬＨおよび低速駆動領域ＬＳの位置指令プロファイルをつなぎ合わせて全体の位置指令プロファイルＺｐｒを作成する。位置指令部６１は、全体の位置指令プロファイルＺｐｒを位置制御部６２およびトルク制御部６３に出力する。位置指令部６１は、装着する部品Ｐが定まった時点で、あらかじめ上述した演算を行って位置指令プロファイルＺｐｒを求め保持しておくことができる。つまり、位置指令部６１は、本発明の事前演算手段とすることができる。

位置制御部６２は、位置指令部６１から受け取った位置指令プロファイルＺｐｒに基づき、制振フィルタ手段を用いて、制御周期Ｔｓごとに必要となる位置指令Ｚｃｄを逐次演算する。位置制御部６２の制振フィルタ手段は、装着ノズル４７、ノズルホルダ４６、および実装ヘッド４５などの構造に依存して定まる振動の固有周波数に基づき、位置指令プロファイルＺｐｒに含まれる固有周波数を含んだ周波数成分を選択的に減衰させる。振動の固有周波数は、例えば、実測によって求めることができる。制振フィルタ手段は、制御周期Ｔｓごとにフィルタ処理に相当する所定の演算を行って位置指令Ｚｃｄを求める。位置指令Ｚｃｄは、制御周期Ｔｓごとの制御ステップでフィードバック制御部６４の制御目標値となる量である。位置制御部６２は、位置指令Ｚｃｄを制御周期Ｔｓの間隔で加算器６５に出力する。

一方、トルク制御部６３は、位置指令部６１から受け取った位置指令プロファイルＺｐｒに基づいて、トルク変換およびフィードフォワードトルク指令ＴＱ１の生成を行う。まず、トルク制御部６３のトルク変換手段６３１は、位置指令プロファイルＺｐｒを変換して制御周期Ｔｓごとのトルクの原指令値を演算する。この変換演算は、基本的には慣性の積算と２階の時間微分演算によって行う。

次に、トルク制御部６３の制振フィルタ手段６３２は、位置制御部６２の制振フィルタ手段と同様の演算手法により、Ｚ軸駆動機構４９の駆動パワー（トルク）のうちで固有周波数を含んだ周波数成分を選択的に減衰させる。制振フィルタ手段６３２には、トルク変換手段６３１から粗動駆動領域ＬＨのトルクの原指令値が時系列的に順番に入力される。制振フィルタ手段６３２は、制御周期Ｔｓごとにフィルタ処理に相当する所定の演算を行ってフィードフォワードトルク指令ＴＱ１を求め、制御周期Ｔｓごとに加算器６６に出力する。したがって、フィードフォワードトルク指令ＴＱ１の時系列的な変化は、トルクの原指令値の時系列な変化にフィルタ処理を施したものとなる。

なお、低速駆動領域ＬＳでも、必要に応じて制振フィルタ手段を用いるようにすることができる。

位置制御部６２およびトルク制御部６３の制振フィルタ手段６３２は、具体的には、ディジタル演算方式のノッチフィルタ（帯域除去フィルタ）で実現されている。図６は、３種類の制振フィルタ手段Ｆ１〜Ｆ３の周波数特性、ならびにそれら全てを組み合わせて使用したときの総合周波数特性Ｆｔｏｔを例示した図である。これらの例に限定されず、前述した振動の固有周波数に合わせて、位置制御部６２およびトルク制御部６３の制振フィルタ手段６３２のフィルタ特性を適宜設計することができる。また、制振フィルタ手段６３２は、ノッチフィルタに限定されず、ローパスフィルタやハイパスフィルタなどを適宜組み合わせて構成してもよい。

図３に戻り、フィードバック制御部６４は、位置波形をリアルタイムで高精度に実現するための手段である。図示されるように、Ｚ軸駆動機構４９に駆動された装着ノズル４７の現在位置Ｚが実測され、現在位置Ｚの情報は減算器６５の負側端子にフィードバック入力されている。そして、減算器６５の正側端子には位置制御部６２から出力された位置指令Ｚｃｄが入力されている。減算器６５は、位置指令Ｚｃｄから現在位置Ｚを減算して位置誤差ΔＺを求め、フィードバック制御部６４に入力する。

フィードバック制御部６４には、例えば、公知の比例積分微分制御や比例積分制御などを用いることができる。フィードバック制御部６４は、位置誤差ΔＺを低減するフィードバックトルク指令ＴＱ２を演算して加算器６６に入力する。また、加算器６６には、トルク制御部６３からフィードフォワードトルク指令ＴＱ１が入力されている。加算器６６は、フィードフォワードトルク指令ＴＱ１とフィードバックトルク指令ＴＱ２とを加算することで、位置誤差ΔＺを低減しつつ所望する加速度Ａを得るための最終トルク指令ＴＱ３を演算し、サーボアンプ６７に入力する。

サーボアンプ６７は、あらかじめ設定されたモータ特性を保持している。モータ特性は、Ｚ軸駆動機構４９に用いられたサーボモータのトルクと駆動電流との関係を表すものである。サーボアンプ６７は、モータ特性に基づいて最終トルク指令ＴＱ３から駆動電流Ｉを演算し、実際の駆動電流Ｉをサーボモータに出力する。

図４の速度指令プロファイルに戻り、作業制御部６は、時刻ｔ０に装着ノズル４７の基準位置Ｚ０からの延伸動作を開始し、その後は延伸速度Ｖを急激に加速して高速に制御する。装着ノズル４７が切替位置Ｚ１に近づく少し前に、作業制御部６は、装着ノズル４７の延伸速度Ｖを急激に減速して許容速度Ｖａｖ程度まで減速し、以降は減速を徐々に緩める。これにより、時刻ｔ１に装着ノズル４７が切替位置Ｚ１を通過するとき、延伸速度Ｖは許容速度Ｖａｖ以下の低速度ＶＬとなる。

また、切替位置Ｚ１において、延伸速度Ｖを低速度ＶＬで一定とし、加速度Ａをゼロにできる。このため、装着ノズル４７が切替位置Ｚ１を通過した以降に、延伸速度Ｖが許容速度Ｖａｖを超過することは生じ得ない。したがって、仮に作業位置Ｚ２が基板Ｋの反ったときの位置ｈＨ〜ｈＬの範囲内で変化していても、部品Ｐが基板Ｋに当接する時の延伸速度Ｖは、確実に許容速度Ｖａｖ以下になる。

本実施形態において、粗動制御手段および低速制御手段は、位置指令部６１、位置制御部６２、およびトルク制御部６３に分散して含まれている。

次に、制振フィルタ手段６３２の作用および効果について説明する。図７は、位置制御部６２およびトルク制御部６３の制振フィルタ手段６３２の効果を確認する基礎実験の方法を説明する波形の図である。図７で、横軸は時間ｔを示し、縦軸は装着ノズル４７の位置Ｚを示している。基礎実験では、装着ノズル４７を基準位置Ｚ０から切替位置Ｚ１まで延伸動作させて停止させる場合を想定して、位置指令部６１で位置指令プロファイルＷ１を作成した。この位置指令プロファイルＷ１を位置制御部６２およびトルク制御部６３に入力し、総合周波数特性Ｆｔｏｔを有する制振フィルタ手段６３２を適用した。

図７の破線のグラフは、位置指令プロファイルＷ１を示している。また、図７の実線のグラフは、位置制御部６２で制振フィルタ手段を適用して求めた位置指令の波形Ｗ２を示している。制振フィルタ手段を適用しても、位置指令の波形Ｗ２の傾きは位置指令プロファイＷ１から著変しておらず、切替位置Ｚ１に近づくと少しだけ傾きが緩くなっている。つまり、粗動駆動領域ＬＨで装着ノズル４７に指令される延伸速度Ｖは著変しない。なお、ディジタル演算上で位置指令の波形Ｗ２は位置指令プロファイＷ１よりも時間的に遅れるが、遅延量は小さいため支障ない。

また、図８は、トルク制御部６３の制振フィルタ手段６３２の作用を例示説明する周波数スペクトル図である。図８で、横軸は周波数ｆを示し、縦軸はトルクの周波数成分の大きさを示している。破線のグラフは、位置指令プロファイルＷ１を変換したトルクの原指令値が有する周波数スペクトルＷ３を示している。また、実線のグラフは、制振フィルタ手段６３２を適用した後のフィードフォワードトルク指令ＴＱ１が有する周波数スペクトルＷ４を示している。図８の例では、総合周波数特性Ｆｔｏｔの制振フィルタ手段６３２を適用することで、トルクの原指令値の低周波成分が大きく減衰されている。このように、制振フィルタ手段６３２では、振動の固有周波数を含んだ周波数成分を選択的に減衰させることができる。

図９は、制振フィルタ手段６３２の効果を確認する基礎実験の結果を示す波形の図である。図９で、横軸は時間ｔを示し、縦軸は装着ノズル４７の位置Ｚの実測値を示しており、図７と比較して切替位置Ｚ１付近を拡大している。破線のグラフは、図７の位置指令プロファイＷ１に基づく位置制御を行ったとき、すなわち制振フィルタ手段６３２を適用しなかったときの装着ノズル４７の位置Ｚの実測値Ｗ５を示している。また、実線のグラフは、図７の位置波形Ｗ２に基づく位置制御を行ったとき、すなわち制振フィルタ手段６３２を適用したときの装着ノズル４７の位置Ｚの実測値Ｗ６を示している。

破線のグラフおよび実線のグラフは、時刻ｔ１以降で切替位置Ｚ１を中央として上下に振動している。ここで、実線の実測値Ｗ６の振幅は、破線の実測値Ｗ５の振幅の半分以下になっている。つまり、制振フィルタ手段６３２を適用することで、装着ノズル４７の振動を抑制できる。

実施形態の部品実装機１では、作業制御部６は、装着ノズル４７が基準位置Ｚ０から作業位置Ｚ２まで延伸するストローク長さＬＮの途中に切替位置Ｚ１を設定して粗動駆動領域ＬＨと低速駆動領域ＬＳとに区分する。さらに、作業制御部６は、粗動駆動領域ＬＨ内で装着ノズル４７を高速に制御しつつ振動を抑制し、低速駆動領域ＬＳ内で装着ノズル４７を低速ＶＬに制御しつつ許容速度Ｖａｖ以下となってから部品Ｐを基板Ｋに当接させる。さらに、作業制御部６は、装着ノズル４７が切替位置Ｚ１を通過するときの延伸速度Ｖおよび加速度Ａが滑らかに変化するように調整する。したがって、装着ノズル４７の平均的な延伸速度が高速化して、部品装着時間を短縮化できる。

また、装着ノズル４７が切替位置Ｚ１を通過するときの延伸速度Ｖが許容速度Ｖａｖ以下の低速度ＶＬであるので、部品Ｐが基板Ｋに当接するときの延伸速度Ｖは確実に許容速度Ｖａｖ以下となる。これにより、部品Ｐに発生する衝撃荷重が低減され、許容される衝撃荷重や位置誤差が従来よりも厳しい低背部品や極薄部品に対しても部品装着作業が適正に行われる。さらに、粗動駆動領域ＬＨでは、制振フィルタ手段６３２により装着ノズル４７の固有周波数を含んだ周波数成分の振動が顕著に抑制される。加えて、切替位置Ｚ１では、延伸速度Ｖおよび加速度Ａが滑らかに変化して発生する反力はわずかであるので、振動の影響を受けずに作業位置精度を一層確実にできる。

また、位置指令プロファイルＺｐｒをあらかじめ演算して保持し制御に用いることのできる位置指令部６１を備えている。したがって、装着ノズル４７が延伸動作を開始した後に位置指令プロファイルＺｐｒを求める演算の必要がなく、演算処理に起因した制御の遅れが生じない。また、位置指令プロファイルＺｐｒを制御目標値に設定し、装着ノズル４７の現在位置Ｚを実測してフィードバック制御するフィードバック制御部６４を備えている。これらの総合的な作用で、高精度な動作制御を行える。

なお、図４に示される速度指令プロファイルは一例であって。速度指令プロファイルや位置指令プロファイルＺｐｒには様々な形態を適用できる。また、実施形態で説明した終端制御手段や制振フィルタ手段も、適宜変更することができる。本発明は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

１：部品実装機（作業機器）
２：基板搬送装置 ３：部品供給装置
４：部品移載装置
４１：ヘッド駆動機構 ４５：部品実装ヘッド
４６：ノズルホルダ（基体部材）
４７：装着ノズル（作業部材）
４９：Ｚ軸駆動機構（駆動部）
５：部品カメラ
６：作業制御部
６１：位置指令部（事前演算手段）
６１１：切替設定手段 ６１２：切替調整手段
６１３：終端状態制御手段 ６２：位置制御部
６３：トルク制御部 ６３１：トルク変換手段
６３２：制振フィルタ手段 ６４：フィードバック制御部
６７：サーボアンプ
Ｋ：基板（作業対象物） Ｐ：部品
Ｚ０：基準位置 Ｚ１：切替位置 Ｚ２：作業位置
ＬＮ、ＬＬ：ストローク長さ
ＬＨ：粗動駆動領域 ＬＳ：低速駆動領域

Claims (7)

1. 基体部材と、
   前記基体部材に延伸可能に保持され、前記基体部材の基準位置から延伸動作して、位置決めされた作業対象物に作業位置で当接して所定の作業を施す作業部材と、
   駆動パワーを出力して前記作業部材の延伸動作を駆動する駆動部と、
   前記駆動部の駆動パワーを制御することにより、前記作業部材の現在位置および延伸速度の少なくとも一方を可変に制御する作業制御部と、を備えた作業機器であって、
   前記作業制御部は、
   前記作業部材が前記基準位置から前記作業位置まで延伸するストローク長さの途中に切替位置を設定し、前記基準位置から前記切替位置までの粗動駆動領域および前記切替位置から前記作業位置までの低速駆動領域を設定する切替設定手段と、
   前記粗動駆動領域内で前記作業部材の延伸速度を高速に制御しつつ、前記作業部材が延伸動作するときの反力によって前記作業部材および前記基体部材の少なくとも一方に発生する振動を抑制する粗動制御手段と、
   前記低速駆動領域内で前記作業部材の延伸速度を低速に制御しつつ、前記作業部材が前記所定の作業に適した許容速度以下となってから前記作業位置まで延伸するように制御する低速制御手段と、
   前記作業部材が前記切替位置を通過するときに、前記作業部材の延伸速度および加速度が滑らかに変化するように調整する切替調整手段とを有する作業機器。
2. 請求項１に記載の作業機器において、
   前記粗動制御手段は、前記作業部材および前記基体部材の構造に依存して定まる前記振動の固有周波数に基づき、前記駆動部の駆動パワーのうちで前記固有周波数を含んだ周波数成分を選択的に減衰させる制振フィルタ手段を含む作業機器。
3. 請求項１または２に記載の作業機器において、
   前記切替調整手段は、前記作業部材が前記切替位置を通過するときの前記延伸速度および前記加速度を前記粗動制御手段から前記低速制御手段へ受け渡す切替値をあらかじめ設定し、
   前記粗動制御手段は、前記作業部材が前記切替位置を通過するときの前記延伸速度および前記加速度が前記切替値に一致するように制御する終端状態制御手段またはリニアマトリクスインイコーリティ手段を含む作業機器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の作業機器において、
   前記切替調整手段は、前記作業部材が前記切替位置を通過するときの前記延伸速度を前記許容速度以下に設定する作業機器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の作業機器において、
   前記作業制御部は、前記切替設定手段、前記粗動制御手段、前記低速制御手段、および前記切替調整手段により決定されて、前記作業部材が延伸動作を開始した後の経過時間と前記作業部材の前記現在位置との関係を示す位置指令プロファイル、および、前記経過時間と前記作業部材の前記延伸速度との関係を示す速度指令プロファイルの少なくとも一方をあらかじめ演算して保持し制御に用いる事前演算手段をさらに有する作業機器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の作業機器は、基板を位置決め保持する基板保持装置と、複数の部品を供給する部品供給装置と、前記部品供給装置から前記部品を吸着して保持された基板に装着する装着ノズル、前記装着ノズルを延伸動作可能に保持するノズルホルダ、および前記装着ノズルの延伸動作を駆動するノズル駆動機構を有する部品移載装置と、を備えた部品実装機であり、
   前記基体部材は前記ノズルホルダであり、前記作業部材は前記装着ノズルであり、前記駆動部は前記ノズル駆動機構であり、
   前記所定の作業は、前記作業対象物を前記保持された基板とし、前記作業位置を前記基板の表面として、前記装着ノズルが前記位置決めされた基板の表面に当接して前記部品を装着する部品装着作業である部品実装機。
7. 請求項６に記載の部品実装機において、
   前記切替設定手段は、前記部品の種類によって異なる部品高さ寸法および前記位置決めされた基板の変形の少なくとも一方に依存して変化する前記ストローク長さを考慮し、前記ストローク長さが最小となるときの作業位置に前記切替位置を設定する部品実装機。

Images