JP6923273B2 - Soldering equipment - Google Patents
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Description
この発明は、はんだ付け作業を行うはんだ付け装置に関する。 The present invention relates to a soldering apparatus that performs a soldering operation.
従来から、組立て、押付け又は研磨等の作業を行う作業装置では、産業用ロボット(以下、ロボットと称す)等が多く用いられている。このロボットには、アームの先端にハンド等のエンドエフェクタが取付けられており、物体(部品又はワーク)を把持することで作業を行う。 Conventionally, industrial robots (hereinafter referred to as robots) and the like are often used in work devices that perform operations such as assembly, pressing, and polishing. An end effector such as a hand is attached to the tip of the arm of this robot, and the work is performed by grasping an object (part or work).
一方、ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体の寸法誤差又は把持位置誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置とが異なる場合、物体が他の物体と接触した際に大きな外力が発生し、物体に傷又は破損が発生する恐れがある。 On the other hand, the movement of the robot is generally controlled by position control. Therefore, if the preset target position and the actual position are different due to the dimensional error or gripping position error of the object, a large external force is generated when the object comes into contact with another object, and the object is scratched or damaged. It may occur.
その対策として、物体の位置誤差により発生する力を吸収する冶具(いわゆる「バッファ」)を別途設置する場合がある。しかしながら、このバッファは、物体の形状又は材料毎に要求される特性が異なるため、物体の種類の数だけ異なるバッファを用意する必要があり、都度設計となる。そのため、コストが増大し、且つ装置が大型化するという課題がある。 As a countermeasure, a jig (so-called "buffer") that absorbs the force generated by the position error of the object may be installed separately. However, since the characteristics required for this buffer differ depending on the shape or material of the object, it is necessary to prepare buffers that differ by the number of types of the object, and the buffer is designed each time. Therefore, there is a problem that the cost increases and the size of the device increases.
それに対し、ロボットとエンドエフェクタとの間に力センサを設置し、物体の接触時に過大な外力が発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力が発生しないようにする方法もある。この場合には、バッファが不要となる。しかしながら、力センサは高価である。 On the other hand, a method of installing a force sensor between the robot and the end effector and feeding back the detection result of the force sensor to the robot when an excessive external force is likely to be generated when an object comes into contact with the robot to prevent the excessive external force from being generated. There is also. In this case, no buffer is needed. However, force sensors are expensive.
また、力センサを用いた場合には、以下に述べる理由により、作業時間の短縮が難しいという課題がある。 Further, when the force sensor is used, there is a problem that it is difficult to shorten the working time for the reasons described below.
すなわち、物体が他の物体と接触する位置に誤差がある場合、接触時に過大な外力が発生したことを検出して停止指令を出すが、可動部が大きくて重く且つ減速機構を有するロボットは急には止まれない。
また、接触時に発生する外力は、慣性による衝撃力と接触時にロボットが発生している力との和となる。ここで、慣性による衝撃力は、物体及びロボット可動部の質量と移動速度との積に比例する。しかしながら、ロボットは大きくて重い機構を有しているため、慣性による衝撃力を小さくするためには、接触直前の移動速度を遅くする必要がある。
That is, when there is an error in the position where an object comes into contact with another object, a stop command is issued by detecting that an excessive external force is generated at the time of contact, but a robot having a large and heavy moving part and a deceleration mechanism is sudden. I can't stop.
Further, the external force generated at the time of contact is the sum of the impact force due to inertia and the force generated by the robot at the time of contact. Here, the impact force due to inertia is proportional to the product of the mass of the moving part of the object and the robot and the moving speed. However, since the robot has a large and heavy mechanism, it is necessary to slow down the moving speed immediately before contact in order to reduce the impact force due to inertia.
また、過大な外力が発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止し、物体を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、物体を他の物体に近づける速度を遅くせざるを得ない。 In addition, the robot does not stop suddenly even if it detects that an excessive external force has been generated and issues a stop command, so even if the robot suddenly decelerates from the time when the stop command is issued, it will stop at a position deviated from the contact position. , Crushes the object. And since the amount of excess position is proportional to the moving speed, the speed at which an object approaches another object must be slowed down.
上記の理由により、物体が他の物体と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、物体を移送する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。 For the above reasons, it is necessary to sufficiently slow down the moving speed of the robot in the area where the object may come into contact with other objects. However, in order to shorten the cycle time, it is necessary to increase the speed of transferring the object. As a result, the speed drops sharply in the vicinity of the contact area.
しかしながら、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられている。そのため、ロボットが急激に減速した場合には、エンドエフェクタの質量による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と物体の接触により発生する外力とを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。
However, the end effector is attached to the tip of the force sensor. Therefore, when the robot suddenly decelerates, a force proportional to the acceleration in the negative direction is generated in the force sensor due to the influence of the mass of the end effector.
However, it is difficult to distinguish between the force proportional to the acceleration and the external force generated by the contact of an object, and in order to distinguish between them, the deceleration time of the robot must be significantly lengthened.
また、力センサを用いた場合には、以下に述べる理由により、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題がある。 Further, when a force sensor is used, there is a problem that it is difficult to compensate for the influence of gravity in real time for the reasons described below.
すなわち、組立て、押付け又は研磨等の作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。例えば、曲面をトレースしながら研磨を行う作業では、姿勢を連続して変化させる必要がある。
しかしながら、上記の通り、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられているため、ロボットの姿勢が水平ではない場合、力センサには重力加速度による影響でロボットの姿勢とエンドエフェクタの質量に応じた力が発生する。
That is, the posture that the robot can take when performing work such as assembly, pressing, or polishing is not always constant, and is often changed according to the work state. For example, in the work of polishing while tracing a curved surface, it is necessary to continuously change the posture.
However, as described above, since the end effector is attached to the tip of the force sensor, if the robot's posture is not horizontal, the force sensor will be affected by the gravitational acceleration and the force will correspond to the robot's posture and the mass of the end effector. Occurs.
一方、重力加速度の影響を補償する重力補償手段として、例えば特許文献1に開示された方法が挙げられる。この特許文献1では、予めオフラインで姿勢に応じた重力の影響により力覚センサに発生する力を学習しておく。そして、実際の作業時に発生する力から学習した力を差し引くことで、作業力を算出している。しかしながら、この方法では、物体が変わる度に学習を行う必要がある。また、学習は物体との接触前に行う必要があり、ロボットが連続して姿勢を変えるような場合には重力補償はできない。
On the other hand, as a gravity compensating means for compensating for the influence of gravitational acceleration, for example, the method disclosed in
なお上記では、可動部に加わる外力として、物体と他の物体とが接触した際に発生する力を示したが、これに限らず、エンドエフェクタと物体とが接触した際に発生する力についても同様である。 In the above, the force generated when an object and another object come into contact with each other is shown as the external force applied to the moving part, but the force is not limited to this, and the force generated when the end effector and the object come into contact with each other is also included. The same is true.
上記の通り、ロボットと力センサを用いて組立て等の作業を行う場合、作業時間が長くなる。一方、作業時間を短くしようとすると物体を傷付け、押し潰し、接触を正しく検出できなくなる。また、重力補償をリアルタイムで行うことも難しい。このように、力センサを用いた場合には、ロボットが急激に加減速した場合又は姿勢が変更した場合に、外力を正しく検出できないという課題がある。この課題は、はんだ付け作業を行うはんだ付け装置においても同様であり、改善が求められている。 As described above, when performing work such as assembly using a robot and a force sensor, the work time becomes long. On the other hand, if the working time is shortened, the object will be damaged and crushed, and the contact cannot be detected correctly. It is also difficult to perform gravity compensation in real time. As described above, when the force sensor is used, there is a problem that the external force cannot be correctly detected when the robot suddenly accelerates or decelerates or the posture is changed. This problem is the same in the soldering apparatus that performs the soldering work, and improvement is required.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいてはんだ付け作業を行うことができるはんだ付け装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can correctly detect an external force applied to a moving part even when the moving part is suddenly accelerated or decelerated or the posture is changed, and the external force can be applied to the external force. It is an object of the present invention to provide a soldering apparatus capable of performing soldering work based on the above.
この発明に係るはんだ付け装置は、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、固定部に対する可動部の位置を検出する位置検出部と、固定部の加速度を検出する加速度検出部と、位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び加速度検出部により検出された加速度に基づいてアクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、加速度検出部により検出された加速度及びアクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、外力検出部により検出された外力、及び位置検出部により検出された位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部を制御する作業制御部とを備えたことを特徴とする。 The soldering apparatus according to the present invention detects a fixed portion, an actuator having a movable portion that can be displaced with respect to the fixed portion, a position detecting portion that detects the position of the movable portion with respect to the fixed portion, and an acceleration of the fixed portion. The gain is adjusted with respect to the difference between the acceleration detection unit and the position detected by the position detection unit and the reference position, and the actuator is subjected to the current command value which is the adjustment result and the acceleration detected by the acceleration detection unit. The movable unit is based on the actuator control unit that outputs the drive current and the current command value obtained by the actuator control unit, or the current value of the acceleration detected by the acceleration detection unit and the drive current output by the actuator control unit. It is provided with an external force detection unit that detects the external force applied to the actuator, an external force detected by the external force detection unit, and a work control unit that controls the actuator control unit based on the speed obtained from the position detected by the position detection unit. It is characterized by that.
この発明によれば、上記のように構成したので、可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいてはんだ付け作業を行うことができる。 According to the present invention, since the structure is as described above, the external force applied to the movable part can be correctly detected even when the movable part is suddenly accelerated or decelerated or the posture is changed, and the soldering operation is performed based on the external force. It can be performed.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るはんだ付け装置の構成例を示す図である。
はんだ付け装置は、はんだ付け対象である物体50に対してはんだ付け作業を行う装置である。このはんだ付け装置は、図1に示すように、アクチュエータ1、はんだごて2、移動部3、位置検出部4、加速度検出部5、外力検出制御部6及び作業制御部7を備えている。また、外力検出制御部6は、アクチュエータ制御部61及び外力検出部62から構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a soldering apparatus according to a first embodiment of the present invention.
The soldering device is a device that performs soldering work on an object 50 to be soldered. As shown in FIG. 1, this soldering apparatus includes an
アクチュエータ1は、固定部11、及び当該固定部11に対して変位可能な可動部12を有し、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで固定部11に対して可動部12を直動方向又は回転方向に変位可能とする。このアクチュエータ1は、移動部3に取付けられており、全体が移送され、また、姿勢が変更される。なお、可動部12が複数方向の自由度を持ち、アクチュエータ1全体の移送及び姿勢の変更が不要である場合、移動部3はなくてもよい。以下では、移動部3を使用する場合を記述する。
The
はんだごて2は、可動部12に取付けられ、物体50に対してはんだ付けを行うためのこてである。なお、物体50を移動する移動部があってもよい。
The
移動部3は、アクチュエータ1を移動(移送及び姿勢変更)する。図1では、移動部3として、先端にアクチュエータ1(固定部11)が取付けられ、アクチュエータ1を移動可能なロボットを示している。
The moving
位置検出部4は、アクチュエータ1に設けられ、固定部11に対する可動部12の位置(相対位置)を検出する。この位置検出部4により検出された位置を示す信号(位置信号)は、アクチュエータ制御部61に出力される。
The
加速度検出部5は、固定部11に設けられ、固定部11の加速度を検出する。この際、加速度検出部5は、固定部11の重力加速度αg及び移動加速度α1のうちの一方、又は両方が加算された加速度(αg+α1)を検出する。図2では、加速度検出部5が加速度(αg+α1)を検出する場合を示している。この加速度検出部5により検出された加速度を示す信号(加速度信号)は、アクチュエータ制御部61に出力される。
The
アクチュエータ制御部61は、位置検出部4により検出された位置と基準位置Prとの差分に対してゲイン(ループゲイン)を調整し、当該調整結果である電流指令値Irp及び加速度検出部5により検出された加速度に基づいてアクチュエータ1に対する駆動電流Iaを出力する。
The
外力検出部62は、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irp、又は、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて、可動部12に加わる外力(反力)Fを検出する。
アクチュエータ制御部61及び外力検出部62の構成例については後述する。
The external
A configuration example of the
作業制御部7は、はんだ付け装置によるはんだ付け作業を実現する。この際、作業制御部7は、外力検出部62により検出された外力F、及び位置検出部4により検出された固定部11に対する可動部12の位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部61及び移動部3を制御することで、はんだ付け作業を実現する。なお、作業制御部7は、基準位置Pr又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部61を制御する。また、作業制御部7は、外力F及び速度に加え、位置検出部4により検出された位置、加速度検出部5により検出された加速度、及び作業制御部7で管理している時間等も考慮して、上記はんだ付け作業を実現してもよい。この作業制御部7の構成例については後述する。
The
次に、外力検出制御部6の構成例について、図2を参照しながら説明する。なお図2では、アクチュエータ1、はんだごて2、位置検出部4及び加速度検出部5も図示している。
外力検出制御部6は、図2に示すように、位置速度変換部63、減算器64、ゲイン調整部65、質量推定部66、加速度補償部67、加減算器68、定電流制御部69、及び外力検出部62を有している。なお図2に示す外力検出制御部6において、外力検出部62を除く機能部(位置速度変換部63、減算器64、ゲイン調整部65、質量推定部66、加速度補償部67、加減算器68及び定電流制御部69)は、アクチュエータ制御部61を構成する。
Next, a configuration example of the external force
As shown in FIG. 2, the external force
位置速度変換部63は、位置検出部4により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部11に対する可動部12の速度(相対速度)を示す。この位置速度変換部63により変換された速度を示す信号(速度信号)は、加減算器68及び作業制御部7に出力される。
The position /
減算器64は、基準位置Prから位置検出部4により検出された位置を減算する。この減算器64による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部65に出力される。
The
ゲイン調整部65は、減算器64による減算結果(位置偏差)に対してゲインを調整し、電流指令値Irpを出力する。ゲインは、アクチュエータ1におけるコンプライアンスの値であり、コンプライアンスは、バネ定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。また、ゲイン調整部65において、上記位置偏差と電流指令値Irpとの関係を示す関数は線形でもよいし非線形でもよい。このゲイン調整部65は、図2,3に示すように、ループゲイン測定部651、ゲイン交点制御部652及び可変ゲイン調整部653を有している。
The
ループゲイン測定部651は、減算器64から出力された信号のゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部651は、図3に示すように、減算器64から出力された信号に、発振器654によりゲインが1倍(0dB)となるべき基準となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された基準となる周波数の正弦波を、加算器655を介して加算する。このループゲイン測定部651による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部652に出力される。
The loop
ゲイン交点制御部652は、図3に示すように、比較器656によりループゲイン測定部651による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部652による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部653に出力される。
As shown in FIG. 3, the gain
可変ゲイン調整部653は、ゲイン交点制御部652により比較された振幅比の倍率が1となるように、当該振幅比の倍率の逆数を調整値とし、減算器64から出力された信号のゲインを調整する。すなわち、可変ゲイン調整部653は、ループゲイン測定部651による正弦波の加算前の信号の振幅レベルEaに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルEbが高い場合(Ea<Eb)には調整値を大きくし、当該正弦波の加算前の信号の振幅レベルEaに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルEbが低い場合(Ea>Eb)には調整値を小さくすることで、ゲインが1倍となるように調整する。この可変ゲイン調整部653によりゲインが調整された信号は、加減算器68に電流指令値Irpとして出力される。また、可変ゲイン調整部653によるゲインの調整値を示す信号は、質量推定部66に出力される。
The variable
なお、発振器654でゲインが1倍となるべき基準となる周波数の正弦波を加算するのは、ゲインが1倍となる周波数においてEa/Eb=1となるため、Ea/Eb=1となるようにゲインを調整することで、ゲイン交点を常に1に維持できるためである。
It should be noted that adding the sine wave of the reference frequency at which the gain should be multiplied by the
また、減算器64及びゲイン調整部65は、位置検出部4により検出された位置と基準位置Prとの差分に基づく電流指令値Irpを出力する位置制御手段(位相制御ループ)を構成する。
Further, the
質量推定部66は、可変ゲイン調整部653によるゲインの調整値から、可動部12側の質量を推定する。すなわち、質量推定部66は、ゲインの調整値の変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。ここで、可動部12側の質量とは、可動部12の質量M1とはんだごて2の質量M2とが加算された質量(M1+M2)である。
例えば、可動部12側の質量が規定値の2倍になったとすると、ゲインはその逆数倍の1/2となっており、Ea/Eb=1/2となる。これに対して、ゲインを1倍とするため、可変ゲイン調整部653は2倍の調整値でゲインを調整する。そして、質量推定部66は、この可変ゲイン調整部653の調整値から、可動部12側の質量が規定値の2倍に変化したと推定できる。
この質量推定部66により推定された質量を示す信号は、加速度補償部67に出力される。
The
For example, if the mass on the
A signal indicating the mass estimated by the
なお上記では、質量推定部66により可動部12側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部12側の質量を取得してもよい。
In the above, the case where the mass on the
加速度補償部67は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircを出力する。この加速度補償部67は、乗算器671及び係数乗算部672を有している。
The
乗算器671は、加速度検出部5により検出された加速度と、質量推定部66により推定された質量とを乗算する。この乗算器671による乗算結果を示す信号は、係数乗算部672及び外力検出部62に出力される。
The
係数乗算部672は、乗算器671による乗算結果に係数(1/Kt)を乗算する。なお、Ktは、アクチュエータ1が発生する推力と駆動電流Iaとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部672による乗算結果を示す信号は、加減算器68に加速度補償値Ircとして出力される。
The
加減算器68は、ゲイン調整部65から出力された電流指令値Irpに対し、加速度補償部67から出力された加速度補償値Ircを加算し、位置速度変換部63から出力された速度信号を減算する。この加減算器68による加減算結果を示す信号は、定電流制御部69に電流指令値Irとして出力される。
The addition /
定電流制御部69は、アクチュエータ1を駆動する駆動電流Iaを電流指令値Irに一致させるように制御する。この定電流制御部69は、減算器691、駆動ドライバ692及び電流検出部693を有している。
The constant
減算器691は、加減算器68から出力された電流指令値Irから、電流検出部693により検出された駆動電流Iaの電流値を減算する。この減算器691による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ692に出力される。
The
駆動ドライバ692は、減算器691による減算結果に応じた駆動電流Iaを発生する。この駆動ドライバ692により発生された駆動電流Iaは、電流検出部693を介してアクチュエータ1に出力される。
The
電流検出部693は、駆動ドライバ692により発生された駆動電流Iaの電流値を検出する。この電流検出部693により検出された電流値を示す信号は、減算器691に出力される。
The
外力検出部62は、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irp、又は、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する。具体的には、外力検出部62は、電流指令値Irp、又は、駆動電流Iaの電流値から加速度補償値Ircを減算した結果に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する。なお、可動部12に加わる外力Fとしては、はんだごて2が物体50と接触した際に発生する力が挙げられる。また図2では、外力検出部62が、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて可動部12に加わる外力Fを検出する場合を示している。図2に示す外力検出部62は、係数乗算部621、減算器622及び係数乗算部623を有している。
The external
係数乗算部621は、加速度補償部67の乗算器671による乗算結果に係数(1/Kt)を乗算する。この係数乗算部621による乗算結果を示す信号は、減算器622に出力される。
The coefficient multiplication unit 621 multiplies the multiplication result by the
減算器622は、定電流制御部69により発生された駆動電流Iaの電流値から、係数乗算部621による乗算結果を減算する。この減算器622による減算結果を示す信号は、係数乗算部623に出力される。
The
係数乗算部623は、減算器622による減算結果に係数(Kt)を乗算することで、外力Fを得る。この係数乗算部623により得られた外力Fを示す信号は、作業制御部7に出力される。
The coefficient multiplication unit 623 obtains an external force F by multiplying the subtraction result by the
なお、外力検出部62が、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irpに基づいて可動部12に加わる外力Fを検出する場合には、係数乗算部を有する。この係数乗算部は、ゲイン調整部65から出力された電流指令値Irpに係数(Kt)を乗算することで、外力Fを得る。そして、この係数乗算部により得られた外力Fを示す信号は、作業制御部7に出力される。
When the external
次に、作業制御部7の構成例について、図4を参照しながら説明する。
作業制御部7は、図4に示すように、移動制御部71、接触制御部72、接触力制御部73及び離脱制御部74を有している。
Next, a configuration example of the
As shown in FIG. 4, the
移動制御部71は、はんだごて2が物体50に近づくように、はんだごて2を物体50の方向へ速度(第1の速度)V1で移動させる。なお、はんだごて2のこて先には、はんだが付けられている。
The
接触制御部72は、移動制御部71による処理後、はんだごて2が物体50に力(第1の力)F1で接触するまで、はんだごて2を物体50の方向へ速度(第2の速度)V2で移動させる。力F1は、はんだごて2が物体50に当接したことを認識可能な力であり、はんだごて2、物体50及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。また、速度V2は、速度V1よりも遅い速度である。
After the processing by the
接触力制御部73は、接触制御部72による処理後、可動部12に加わる外力Fに基づいて、はんだごて2の物体50への接触力を制御する。この際、接触力制御部73は、物体50へのはんだ付けを実施可能な力(第2の力)F2を維持するように制御を行う。
The contact
離脱制御部74は、接触力制御部73による処理後、はんだごて2を物体50から離すように、はんだごて2を速度(第3の速度)V3で移動させる。速度V3は、速度V1よりも遅い速度である。
The
次に、外力検出制御部6の動作原理について説明する。なお以下では、アクチュエータ1として、発生した推力がはんだごて2に直接伝わるダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用い、固定部11に対して可動部12を直動させるものとする。このアクチュエータ1は、定電流制御部69が電流指令値Irに応じて発生した駆動電流Iaにより駆動する。
Next, the operating principle of the external force
一方、位置検出部4は、固定部11に対する可動部12の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部63は、位置検出部4により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部11に対する可動部12の速度を示す。
On the other hand, the
Further, the position /
また、加速度検出部5は、固定部11の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部5は、固定部11の直動方向成分における移動加速度α1と、固定部11の直動方向成分における重力加速度αgとが加算された加速度(α1+αg)を検出するものとする。
Further, the
また、位置検出部4により検出された位置は、減算器64で基準位置Prと比較され、その差分がゲイン調整部65を介して電流指令値Irを構成する要素の一つである電流指令値Irpとして加減算器68に与えられる。
Further, the position detected by the
電流指令値Irは、電流指令値Irpの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircで構成され、次式(1)で表される。
Ir=Irp+Irc (1)
The current command value Ir is composed of the current command value Irp and the acceleration compensation value Irc for correcting the disturbance torque, and is represented by the following equation (1).
Ir = Irp + Irc (1)
なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部63からの速度信号をマイナーループとして加減算器68のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。
If the position is simply fed back, the control system becomes unstable. Therefore, in reality, the speed signal from the position /
また、ゲイン調整部65では、位置制御ループのゲインを変えることで、アクチュエータ1におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。
Further, in the
ここで、駆動電流Iaに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時にはんだごて2から受ける反力F、重力加速度αg及び移動加速度α1により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ1はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Iaは、作業時にはんだごて2から受ける反力F、重力加速度αg及び移動加速度α1により発生する力に比例した値となる。なお、反力Fは、はんだごて2が物体50に接触した際に発生する力である。
Here, focusing on the drive current Ia, the current value becomes zero when there is no disturbance torque, but the current value also changes in proportion to the disturbance torque.
As general disturbance torque, reaction force F received from the
ここで、アクチュエータ1の駆動電流Ia、作業時にはんだごて2から受ける反力F、固定部11の直動方向成分における移動加速度α1、固定部11の直動方向成分における重力加速度αg、可動部12の質量M1、及び、はんだごて2の質量M2から、次式(2)の関係が成り立つ。
F+(α1+αg)・(M1+M2)=Kt・Ir=Kt・(Irp+Irc)
(2)
なお、Ktはアクチュエータ1が発生する推力と駆動電流Iaとの比を表したトルク定数である。
Here, the drive current Ia of the
F + (α1 + αg) ・ (M1 + M2) = Kt ・ Ir = Kt ・ (Irp + Irc)
(2)
Kt is a torque constant representing the ratio of the thrust generated by the
また、式(2)において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircを次式(3)のように設定する。
(α1+αg)・(M1+M2)=Kt・Irc (3)
Further, in the equation (2), the acceleration compensation value Irc for correcting the disturbance torque is set as in the following equation (3).
(Α1 + αg) · (M1 + M2) = Kt · Irc (3)
式(3)のように加速度補償値Ircを設定した場合、式(2)からα1,αg,M1,M2の項が消え、次式(4)のように整理される。
F=Kt・Irp (4)
When the acceleration compensation value Irc is set as in the equation (3), the terms α1, αg, M1, and M2 disappear from the equation (2), and the terms are arranged as in the following equation (4).
F = Kt · Irp (4)
このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ircを式(3)のように設定すると、作業時にはんだごて2から受ける反力Fと電流指令値Irpは、比例関係になることがわかる。
In this way, if the acceleration compensation value Irc for correcting the disturbance torque is set as in the equation (3), the reaction force F received from the
これは、作業時にはんだごて2から受ける反力Fが零、つまりはんだごて2が物体50と接触していない場合、基準位置Prと実際の位置の差分に基づく電流指令値Irpも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、はんだごて2が物体50と接触した際に生じる反力Fは、電流指令値Irpを監視することで知ることができる。
This is because the reaction force F received from the
Then, the reaction force F generated when the
そして、式(4)には、固定部11の直動方向成分における移動加速度α1、固定部11の直動方向成分における重力加速度αg、可動部12の質量M1、はんだごて2の質量M2の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動又は停止を行い移動加速度α1が発生した場合、及び、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度αgが変化した場合でも、アクチュエータ1の可動部12はゆれることなく反力Fを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。
Then, in the equation (4), the moving acceleration α1 in the linear motion component of the fixed portion 11, the gravitational acceleration α g in the linear motion component of the fixed portion 11, the mass M1 of the
That is, even when the robot suddenly moves or stops and a moving acceleration α1 is generated, or when the robot continuously changes its posture and the gravitational acceleration αg changes, the
And the compliance value can be set freely.
なお、上述したように、はんだごて2が物体50と急激に衝突する等して発生する反力Fは、電流指令値Irpを監視することで知ることができる。また、アクチュエータ1には、反力Fと拮抗するように誘導電流が発生するため、駆動電流Iaから反力Fを検出することもできる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Fに対する電流指令値Irpの応答は一般的に速くない。一方、反力Fに対する駆動電流Iaの応答は、可動部12が移動することにより発生する誘導電流によるものであるため、比較的速い。そこで、電流指令値Irpを直接監視するのではなく、駆動電流Iaを監視することで反力Fの検出を行う。
As described above, the reaction force F generated when the
However, in the position control loop, the response of the current command value Irp to the reaction force F is generally not fast. On the other hand, the response of the drive current Ia to the reaction force F is relatively fast because it is due to the induced current generated by the movement of the
ここで、式(2)は以下の通りである。
F+(α1+αg)・(M1+M2)=Kt・Ir=Kt・(Irp+Irc)
(2)
Here, the equation (2) is as follows.
F + (α1 + αg) ・ (M1 + M2) = Kt ・ Ir = Kt ・ (Irp + Irc)
(2)
一方、駆動電流Iaは次式(5)で表せる。
Ia=Ir=Irp+Irc (5)
On the other hand, the drive current Ia can be expressed by the following equation (5).
Ia = Ir = Irp + Irc (5)
よって、式(2),(5)から下式(6)が得られる。
F+(α1+αg)・(M1+M2)=Kt・Ia (6)
Therefore, the following equation (6) can be obtained from the equations (2) and (5).
F + (α1 + αg) ・ (M1 + M2) = Kt ・ Ia (6)
そして、式(6)の両辺から、式(3)の左辺である((α1+αg)・(M1+M2))を減算して整理すると、下式(7)が得られる。
F=Kt・(Ia−(α1+αg)・(M1+M2)/Kt) (7)
Then, the following equation (7) is obtained by subtracting ((α1 + αg) · (M1 + M2)), which is the left side of the equation (3), from both sides of the equation (6).
F = Kt · (Ia- (α1 + αg) · (M1 + M2) / Kt) (7)
この式(7)に示されるように、駆動電流Iaから加速度補償値(α1+αg)・(M1+M2)/Ktを差し引いてトルク定数Ktをかけることで、反力Fを求めることができる。 As shown in this equation (7), the reaction force F can be obtained by subtracting the acceleration compensation value (α1 + αg) · (M1 + M2) / Kt from the drive current Ia and multiplying it by the torque constant Kt.
次に、外力検出制御部6による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体50の寸法誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置が異なる場合、はんだごて2が物体50と接触した際に大きな力が発生し、はんだごて2又は物体50に傷又は破損が発生する恐れがある。
Next, the effect of the external force
The movement of the robot is generally controlled by position control. Therefore, if the target position programmed in advance and the actual position are different due to a dimensional error of the object 50 or the like, a large force is generated when the
その対策として、ロボットとはんだごて2との間に力センサを設置し、はんだごて2と物体50との接触時に過大な外力Fが発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力Fが発生しないようにする方法が考えられる。
As a countermeasure, a force sensor is installed between the robot and the
しかしながら、過大な外力Fが発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、物体50を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、はんだごて2を物体50に近付ける速度を遅くせざるを得ない。
However, even if an excessive external force F is detected and a stop command is issued, the robot does not stop suddenly. Therefore, even if the robot suddenly decelerates from the time when the stop command is issued, the robot stops at a position deviated from the contact position. And crush the object 50. Since the amount of excess position is proportional to the moving speed, the speed at which the
上記の理由により、はんだごて2が物体50と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、はんだごて2を移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。
For the above reasons, it is necessary to sufficiently slow down the moving speed of the robot in the region where the
一方、実施の形態1では、ロボット(移動部3)の先端にアクチュエータ1を取付け、また、外力検出制御部6は、アクチュエータ1が急激に移動又は停止されて移動加速度α1が発生した場合、及び、アクチュエータ1の姿勢が変更されて重力加速度αgが変化した場合でも、可動部12に加わる反力Fを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより物体50を押し潰してしまうことはない。よって、はんだごて2を物体50に近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。
On the other hand, in the first embodiment, the
また、ロボットとはんだごて2との間に力センサを設置した場合、ロボットが急激に減速すると、はんだごて2の質量M2による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力とはんだごて2の物体50との接触することにより発生する外力Fとを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。
Further, when a force sensor is installed between the robot and the
However, it is difficult to distinguish between the force proportional to the acceleration and the external force F generated by the contact of the
一方、外力検出制御部6では、アクチュエータ1が急激に加減速された場合でも正しく外力Fを検出でき、接触時にのみ外力Fを検出するため、アクチュエータ1の減速時間を長くする必要はない。
On the other hand, the external force
また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、はんだ付け作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、ロボットとはんだごて2との間に力センサを設置した場合には、ロボットの姿勢が水平ではないと、力センサには重力加速度αgによる影響でロボットの姿勢とはんだごて2の質量M2に応じた力が発生する。
Further, when a force sensor is used, there is a problem that it is difficult to compensate for the influence of gravity in real time.
That is, the posture that the robot can take when performing the soldering work is not always constant, and is often changed according to the state of the work.
However, when a force sensor is installed between the robot and the
一方、外力検出制御部6では、アクチュエータ1の姿勢が変更されて重力加速度αgが変化した場合でも外力Fを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。
On the other hand, the external force
次に、作業制御部7の動作例について、図5〜7を参照しながら説明する。以下では、はんだ付け装置が、基板51に対してはんだ付け作業を行う場合を示す。また、基板51は作業台等に固定されているものとする。
Next, an operation example of the
そして、作業制御部7は、外力検出部62により検出された外力F及び位置速度変換部63により得られた速度等に基づいて、アクチュエータ制御部61及び移動部3を制御することで、はんだ付け装置によるはんだ付け作業を実現する。なお、作業制御部7は、基準位置Pr又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部61を制御する。ここで、ゲイン調整部65は位置偏差に基づいて電流指令値Irpを出力しているが、上記ゲインの変更とは、上記位置偏差と電流指令値Irpとの関係を示す関数の変更を意味している。また、上記関数の変更には、関数の傾きの変更も含まれる。
Then, the
また図7Aにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は外力Fを示している。また図7Bにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は可動部12の速度を示している。また、図7における符号aははんだごて2の押付けによる外力Fの発生を示し、符号bははんだごて2の基板51への接触検知を示し、符号cははんだごて2の基板51からの離脱を示している。
Further, in FIG. 7A, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents external force F. Further, in FIG. 7B, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the speed of the
はんだ付け装置によるはんだ付け作業では、まず、図5、図6A,6Bに示すように、はんだごて2のこて先に糸はんだ52が接触されてはんだが所定量付けられた後、移動制御部71は、はんだごて2が基板51に近づくように、はんだごて2を基板51の方向へ速度V1で移動させる(ステップST1)。
In the soldering work by the soldering device, first, as shown in FIGS. 5, 6A and 6B, the
次いで、図6Cに示すように、接触制御部72は、はんだごて2が基板51に力F1で接触するまで、はんだごて2を基板51の方向へ速度V2で移動させる(ステップST2)。図7Aに示すように、力F1は、はんだごて2が基板51に当接したことを認識可能な力であり、はんだごて2、基板51及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。また、速度V2は、速度V1よりも遅い速度である。
Next, as shown in FIG. 6C, the
ここで、はんだ付け作業は、温度条件等の微妙な変化によって、はんだの溶融量及び状態が微妙に変化する。また、基板51の板厚のばらつきは板厚に対して通常±10%程度であり、板厚0.8mmの場合には±0.17mm程度のばらつきとなる。よって、従来のはんだ付け装置における繰り返し動作では、上記のような微妙な変化及びばらつきに対応できず、不良及び不具合が発生してしまう。例えば、はんだごて2を基板51に当てる動作において、特定の条件で良好に調整された場合であっても、はんだの溶融量、状態、又は基板51の板厚が変わると、はんだごて2の接触不良によりはんだが溶けない、又は、はんだごて2の押付け過ぎにより基板51が損傷する等の不具合が生じる。
また、はんだ付け作業では、はんだごて2を基板51に当てる際に、その速度が速いと、はんだの飛び散りが生じる恐れがある。
Here, in the soldering work, the amount of melted solder and the state of the solder are slightly changed due to a slight change in temperature conditions and the like. Further, the variation in the plate thickness of the
Further, in the soldering work, when the
そこで、実施の形態1に係るはんだ付け装置では、外力検出部62により外力Fの検出を行うことで、はんだごて2の基板51への接触検知を行う。また、はんだごて2を基板51の付近まで移動させる際には、速度をV1まで上げて素早く移動させ、はんだごて2を基板51付近から基板51に接触させる際には、速度をV2まで落として移動させる。
このように、外力検出及び速度制御を行うことで、はんだごて2を基板51に当てる動作をより適切な状態に管理可能となる。
Therefore, in the soldering apparatus according to the first embodiment, the external
By detecting the external force and controlling the speed in this way, it is possible to manage the operation of applying the
次いで、接触力制御部73は、可動部12に加わる外力Fに基づいて、はんだごて2の基板51への接触力を制御する(ステップST3)。図7Aでは、力F2ではんだごて2の基板51への押付けを行い、はんだ付けを実施している。
Next, the contact
次いで、一定時間経過後、図6Dに示すように、離脱制御部74は、はんだごて2を基板51から離すように、はんだごて2を速度V3で移動させる(ステップST4)。図7Aに示すように、速度V3は、速度V1よりも遅い速度である。このように速度制御を行うことで、はんだの飛び散りを抑制できる。
Then, after a lapse of a certain period of time, as shown in FIG. 6D, the
以上の動作により、基板51又はアクチュエータ1を壊さず、且つ作業速度を落とさずに、基板51に対するはんだ付け作業が実施できる。
By the above operation, the soldering work to the
なお上記では、可動部12を直動方向に変位可能とするアクチュエータ1を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、加速度検出部5が角加速度を検出可能であれば、可動部12を回転方向に変位可能とするアクチュエータ1を用いることもできる。
In the above, the case where the
また上記では、移動部3がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部3として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。
Further, in the above, the case where the moving
以上のように、この実施の形態1によれば、固定部11及び可動部12を有するアクチュエータ1と、固定部11に対する可動部12の位置を検出する位置検出部4と、固定部11の加速度を検出する加速度検出部5と、位置検出部4により検出された位置と基準位置Prとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Irp及び加速度検出部5により検出された加速度に基づいてアクチュエータ1に対する駆動電流Iaを出力するアクチュエータ制御部61と、アクチュエータ制御部61において得られた電流指令値Irp、又は、加速度検出部5により検出された加速度及びアクチュエータ制御部61により出力された駆動電流Iaの電流値に基づいて、可動部12に加わる外力Fを検出する外力検出部62と、外力検出部62により検出された外力F、及び位置検出部4により検出された位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部61を制御する作業制御部7とを備えたので、可動部12が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部12に加わる外力Fを正しく検出でき、当該外力Fに基づいてはんだ付け作業を行うことができる。また、はんだ付け作業を自動化しつつ、不良及び不具合の発生を低減可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, it is possible to modify any component of the embodiment or omit any component of the embodiment within the scope of the invention.
1 アクチュエータ
2 はんだごて
3 移動部
4 位置検出部
5 加速度検出部
6 外力検出制御部
7 作業制御部
11 固定部
12 可動部
61 アクチュエータ制御部
62 外力検出部
63 位置速度変換部
64 減算器
65 ゲイン調整部
66 質量推定部
67 加速度補償部
68 加減算器
69 定電流制御部
71 移動制御部
72 接触制御部
73 接触力制御部
74 離脱制御部
50 物体
51 基板
52 糸はんだ
621 係数乗算部
622 減算器
623 係数乗算部
651 ループゲイン測定部
652 ゲイン交点制御部
653 可変ゲイン調整部
654 発振器
655 加算器
656 比較器
671 乗算器
672 係数乗算部
691 減算器
692 駆動ドライバ
693 電流検出部
1
Claims (5)
前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置検出部と、
前記固定部の加速度を検出する加速度検出部と、
前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び前記加速度検出部により検出された加速度に基づいて前記アクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、
前記アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、前記加速度検出部により検出された加速度及び前記アクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、
前記外力検出部により検出された外力、及び前記位置検出部により検出された位置から得られた速度に基づいて、前記アクチュエータ制御部を制御する作業制御部と
を備えたはんだ付け装置。 An actuator having a fixed portion and a movable portion that can be displaced with respect to the fixed portion,
A position detection unit that detects the position of the movable portion with respect to the fixed portion,
An acceleration detection unit that detects the acceleration of the fixed unit and
The gain is adjusted with respect to the difference between the position detected by the position detection unit and the reference position, and the drive current for the actuator is calculated based on the current command value which is the adjustment result and the acceleration detected by the acceleration detection unit. Actuator control unit to output and
The external force applied to the movable portion is detected based on the current command value obtained by the actuator control unit, the acceleration detected by the acceleration detection unit, and the current value of the drive current output by the actuator control unit. External force detector and
A soldering device including a work control unit that controls an actuator control unit based on an external force detected by the external force detection unit and a speed obtained from a position detected by the position detection unit.
前記作業制御部は、
前記はんだごてがはんだ付け対象である物体に近づくように、当該はんだごてを当該物体の方向へ第1の速度で移動させる移動制御部を有する
ことを特徴とする請求項1記載のはんだ付け装置。 With a soldering iron attached to the moving part,
The work control unit
The soldering according to claim 1, further comprising a movement control unit that moves the soldering iron in the direction of the object at a first speed so that the soldering iron approaches an object to be soldered. Device.
前記移動制御部による処理後、前記はんだごてがはんだ付け対象である物体に第1の力で接触するまで、前記はんだごてを当該物体の方向へ、前記第1の速度より遅い第2の速度で移動させる接触制御部を有する
ことを特徴とする請求項2記載のはんだ付け装置。 The work control unit
After the processing by the movement control unit, the soldering iron is moved toward the object in the direction of the object until the soldering iron comes into contact with the object to be soldered by the first force. The soldering apparatus according to claim 2, further comprising a contact control unit that moves at a high speed.
前記接触制御部による処理後、前記可動部に加わる外力に基づいて、前記はんだごてのはんだ付け対象である物体への接触力を制御する接触力制御部を有する
ことを特徴とする請求項3記載のはんだ付け装置。 The work control unit
3. The third aspect of the present invention is to have a contact force control unit that controls the contact force of the soldering iron to an object to be soldered based on an external force applied to the movable portion after processing by the contact control unit. The soldering equipment described.
前記接触力制御部による処理後、前記はんだごてをはんだ付け対象である物体から離すように、当該はんだごてを前記第1の速度より遅い第3の速度で移動させる離脱制御部を有する
ことを特徴とする請求項4記載のはんだ付け装置。 The work control unit
Having a detachment control unit that moves the soldering iron at a third speed slower than the first speed so as to separate the soldering iron from the object to be soldered after the processing by the contact force control unit. 4. The soldering apparatus according to claim 4.
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