JP7162574B2 - 制御装置および周波数特性の同定方法 - Google Patents

Description

本発明は、可動部の制御を行う制御装置および周波数特性の同定方法に関する。

電子部品実装機、半導体製造装置などの産業機械では、サーボモータ、リニアモータなどのアクチュエータの駆動により、実装ヘッドなどの可動部を目標位置に移動させる位置決め制御が行われている。また、産業機械には、ワークの形状のばらつき、ワークの変形、装置自体の熱膨張などによって発生する位置決め制御の位置誤差を抑制するために、可動部にカメラが取り付けられる場合がある。産業機械は、カメラが撮影した撮影画像を画像処理することによって得られた、可動部の位置と目標位置との相対位置に基づいて、位置誤差を補正することができる。

また、産業機械の位置決め制御のさらなる高速化および高精度化を実現するために、カメラの撮影画像に基づいて制御対象の機械系の周波数特性を同定する方法が知られている。カメラ撮影の露光時間および画像データの転送時間などの制約により、カメラ撮影の撮影周期は、アクチュエータの制御周期と比較して大きくせざるを得ない。このため、カメラの撮影画像に基づいて制御対象の機械系の周波数特性を同定する方法を用いて位置決め制御を行う場合、カメラ撮影の撮影周期のサンプリング周波数に基づいて算出されるナイキスト周波数以上の周波数帯域の周波数特性を得ることが困難となり、制御に必要な周波数特性を得ることができない場合がある。特許文献１では、制御対象の機械系を２慣性系に近似し、アクチュエータからのフィードバック値を用いて、ナイキスト周波数以上の周波数帯域を含む周波数帯域における機械系の周波数特性を同定する方法が開示されている。

特開２０１７－００４０３３号公報

しかしながら、制御対象の低剛性部位の質量が小さい場合など、制御対象の振動特性がアクチュエータのフィードバック値に反映されにくい制御対象である場合、特許文献１に記載される方法の適用が困難である場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、アクチュエータのフィードバック値を用いることなくナイキスト周波数よりも高い周波数の周波数特性を同定することができる制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる制御装置は、可動部と、可動部の移動に伴って目標物との相対位置が変化し、目標物の静止画像および目標物の動画像を取得するカメラと、を有する機械系を制御する制御装置であって、カメラの撮影周期に基づくナイキスト周波数よりも高い周波数帯域を含む加振周波数を算出して出力する加振周波数算出部と、加振周波数に基づき加振指令を生成して出力する加振指令生成部と、加振指令に基づき可動部の駆動制御を行う駆動部と、機械系の時間応答および周波数特性の特徴を表す機械系応答特徴量の探索値と加振指令と静止画像とに基づき、カメラの露光時間中の相対位置の変化とカメラのセンサ特性とをシミュレーションすることで模擬動画像を生成する模擬動画像生成部と、動画像と模擬動画像とを比較することで、動画像と模擬動画像との誤差である動画像誤差を算出する動画像比較部と、探索値を変更し、変更された探索値のそれぞれに対応する動画像誤差を取得し、複数の動画像誤差を用いて動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を探索する探索部と、加振周波数と最適値とに基づき、機械系の周波数特性を算出する周波数特性算出部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータのフィードバック値を用いることなくナイキスト周波数よりも高い周波数の周波数特性を同定することができる制御装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態にかかる制御装置の構成を示す模式図 実施の形態にかかる制御装置の第１の状態を示す図 実施の形態にかかる制御装置の第２の状態を示す図 実施の形態にかかる制御装置の第３の状態を示す図 実施の形態にかかる制御装置の機能ブロックを示す図 実施の形態にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態にかかる模擬動画像生成部の内部構成の一例を示すブロック図 実施の形態にかかる校正マークの静止画像の一例を示す図 実施の形態にかかる模擬動画像の第１の時刻のときの第１の画像を示す図 実施の形態にかかる模擬動画像の第２の時刻のときの第２の画像を示す図 実施の形態にかかる模擬動画像の第３の時刻のときの第３の画像を示す図 実施の形態にかかるフィルタの各ピクセル座標のフィルタ係数を図示した一例を示す図 実施の形態にかかる制御装置が位置決め制御をするときのデータの流れを示す図 実施の形態にかかる制御装置のＸ軸の周波数特性の同定の手順を示すフローチャート 実施の形態にかかる動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量を算出する詳細な動作の一例を示すフローチャート 実施の形態にかかる複数の加振データから算出した機械系の周波数特性の一例を示す第１の図 実施の形態にかかる複数の加振データから算出した機械系の周波数特性の一例を示す第２の図

以下に、本発明の実施の形態にかかる制御装置および周波数特性の同定方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかる制御装置１０の構成を示す模式図である。制御装置１０は、制御部１と制御部１の制御対象である機械系２とで構成される。本実施の形態では、機械系２は、電子部品を基板上に実装する電子部品実装機である。機械系２は、Ｘ軸モータ２００と、Ｙ軸モータ２０１と、可動部となるヘッド部２０３と、カメラ２０２と、吸着ノズル２０４と、プリント基板搬送機構２０５と、を有する。Ｘ軸およびＹ軸は、水平方向に広がる平面内で互いに直交する軸であり、Ｚ軸は、鉛直方向の軸である。

Ｘ軸モータ２００およびＹ軸モータ２０１は、ヘッド部２０３の位置を変化させるアクチュエータである。なお、図１ではＸ軸モータ２００とＹ軸モータ２０１はリニアモータを想定しているが、回転型のサーボモータとボールねじとを組み合わせるなど、他の直動機構を用いてもよい。

カメラ２０２は、ヘッド部２０３に固定されており、ヘッド部２０３の移動に伴って移動する。また、カメラ２０２は、視野内の静止画像および動画像である撮影画像を取得する。

ヘッド部２０３は、電子部品を実装する実装ヘッドであり、Ｘ軸モータ２００およびＹ軸モータ２０１によって、プリント基板２０６の表面と平行に移動させられる。ヘッド部２０３は、吸着ノズル２０４を用いて、電子部品を保持したり、電子部品をプリント基板２０６上に載置したりする。

プリント基板搬送機構２０５は、プリント基板２０６を搬送する。プリント基板搬送機構２０５の表面には、あらかじめ定められた形状の校正マーク２０９が形成されている。校正マーク２０９は目標物である。カメラ２０２は、ヘッド部２０３の移動に伴って校正マーク２０９との相対位置が変化し、カメラ２０２の視野内の校正マーク２０９の静止画像および校正マーク２０９の動画像を取得する。

図２は、実施の形態にかかる制御装置１０の第１の状態を示す図である。図３は、実施の形態にかかる制御装置１０の第２の状態を示す図である。図４は、実施の形態にかかる制御装置１０の第３の状態を示す図である。図２～４では、ヘッド部２０３の吸着ノズル２０４が電子部品２０８を吸着してから、目標実装位置２０７に電子部品２０８を配置するまでの動作を説明する。図２～４では、カメラ２０２の視野領域をＶとして示す。また、図２～４では吸着ノズル２０４の中心軸をＣとして示す。目標実装位置２０７は、例えば、はんだ付け用の銅箔つまり、ランドの位置であり、図２～４において斜線で示される。図２～４では、制御装置１０は、ランドの位置を画像処理によって計測し、後述するデフォルト目標位置Ｐ０がランドの位置と一致するようにデフォルト目標位置Ｐ０の位置を修正する。

図２は、ヘッド部２０３の位置決め制御中において、目標実装位置２０７がカメラ２０２の視野領域Ｖ内に含まれていない状態を示している。この場合、制御部１は、プリント基板２０６の設計データに基づいてあらかじめ設定された電子部品２０８の位置であるデフォルト目標位置Ｐ０を用いてヘッド部２０３の位置決め制御を行う。しかし、プリント基板２０６の歪み、機械系２の熱膨張などにより誤差が生じ、本来、電子部品２０８を配置すべき位置である目標実装位置２０７がデフォルト目標位置Ｐ０と一致しない場合がある。このような場合、ヘッド部２０３をデフォルト目標位置Ｐ０に位置決めした状態で電子部品２０８をプリント基板２０６に配置すると、目標実装位置２０７とずれた位置に電子部品２０８を配置してしまうこととなる。

ここで、本実施の形態では、制御装置１０は、目標実装位置２０７とデフォルト目標位置Ｐ０との誤差を補正しながら位置決め制御を行う。図３に示すように、ヘッド部２０３の位置決め制御を続けていくと、目標実装位置２０７がカメラ２０２の視野領域Ｖに入ってくる。カメラ２０２が目標実装位置２０７を視野領域Ｖ内に捉えると、制御部１は、画像処理により算出した吸着ノズル２０４と目標実装位置２０７との間の相対位置に基づき、目標実装位置２０７とデフォルト目標位置Ｐ０との誤差を補正しながら位置決め制御を行う。このような制御を行うことにより最終的に、図４に示すように吸着ノズル２０４の中心軸Ｃと目標実装位置２０７の中心位置とを一致させることができ、位置決め制御が完了する。

ここで、機械系２のヘッド部２０３、吸着ノズル２０４などの各機械要素は有限の剛性を有している、つまり低剛性部位である。このため、ヘッド部２０３を高加速度で駆動すると、ヘッド部２０３、吸着ノズル２０４などに振動が発生し、これらが制御装置１０の位置決めの高速化を阻害する要因となる場合がある。画像処理によって算出した吸着ノズル２０４と目標実装位置２０７との間の相対位置を用いたフィードバック制御によって振動を抑制できればよいが、カメラ２０２の撮影の露光時間、カメラ２０２の画像データの転送時間などの制約により画像フィードバックの制御周期を高速化することは困難である。このため、画像フィードバックで振動を抑制することができる振動周波数は、画像フィードバックの制御周期から定まるナイキスト周波数よりも低い周波数に限られる。

ここで、本実施の形態では、制御装置１０は、あらかじめ撮影した校正マーク２０９の静止画像と動画像とに基づき、機械系２の周波数特性を同定する。周波数特性を同定するときに用いる動画像は、機械系２をＸ軸モータ２００またはＹ軸モータ２０１で加振しながら一定周期で校正マーク２０９を連続撮影することで得た動画像である。制御装置１０は、この同定結果に基づいたフィードフォワード制御により機械系２の振動を抑制した位置決め制御を行う。

図５は、実施の形態にかかる制御装置１０の機能ブロックを示す図である。制御部１は、加振周波数算出部１０１と、加振指令生成部１０２と、Ｘ軸駆動部１０３と、Ｙ軸駆動部１０４と、探索部１０５と、模擬動画像生成部１０６と、動画像比較部１０７と、周波数特性算出部１０８と、振動パラメータ算出部１０９と、位置決め指令生成部１１０と、を備える。Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４は駆動部である。

加振周波数算出部１０１は、あらかじめ設定された加振周波数の上下限値と、後述する周波数特性の同定の手順に基づき、ヘッド部２０３を駆動させる加振周波数を算出し、加振周波数を加振指令生成部１０２に出力する。ヘッド部２０３を駆動させる加振周波数は、カメラ２０２の撮影周期に基づくナイキスト周波数よりも高い周波数帯域を含む。加振指令生成部１０２は、加振周波数算出部１０１が出力した加振周波数の正弦波に基づく加振指令を生成し、Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４に出力する。Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４は、加振指令にＸ軸モータ２００およびＹ軸モータ２０１が追従するように、Ｘ軸モータ２００およびＹ軸モータ２０１のフィードフォワード制御およびフィードバック制御を実行することでヘッド部２０３の駆動制御を行う。

探索部１０５は、機械系２の時間応答および機械系２の周波数特性の特徴を表す量である機械系応答特徴量を後述する方法を用いて探索することにより機械系応答特徴量の最適値を算出する。また、探索部１０５は、模擬動画像生成部１０６に機械系応答特徴量の探索値を、周波数特性算出部１０８に機械系応答特徴量の最適値をそれぞれ出力する。機械系応答特徴量の探索値は、探索部１０５によって変更される。本実施の形態では、機械系応答特徴量として、加振周波数における機械系２の周波数特性のゲインと位相との組を用いる。本実施の形態では、機械系２を正弦波で加振しているため、制御対象の特性をゲインと位相だけでパラメトライズすることができる。また、探索部１０５は、カメラ２０２が撮影した動画像を取得する。機械系応答特徴量の探索値および機械系応答特徴量の最適値の算出方法の詳細については後述する。

模擬動画像生成部１０６は、機械系応答特徴量の探索値と、加振指令と、校正マーク２０９の静止画像とを用いて、露光時間中のカメラ２０２と校正マーク２０９との相対位置の変化、およびカメラ２０２のセンサ特性を後述の方法でシミュレーションする。このようにすることで、模擬動画像生成部１０６は、機械系２を加振しながらカメラ２０２で校正マーク２０９を連続撮影した結果を模擬した模擬動画像を生成する。模擬動画像生成部１０６の詳細な動作については後述する。

動画像比較部１０７は、機械系２を加振しながら校正マーク２０９を一定周期で連続撮影することで得た実際の動画像と、模擬動画像生成部１０６が出力した模擬動画像とを比較する。また、動画像比較部１０７は、実際の動画像と模擬動画像との誤差を表す量である動画像誤差、および動画像誤差の機械系応答特徴量に関する勾配を、探索部１０５に出力する。動画像誤差の算出方法は、例えば、同一時刻の画像同士の画素ごとに輝度値の差分を算出し、これらを２乗した量の全時刻および全ピクセルの合計値を動画像誤差とすることが挙げられる。または、輝度値の差分の２乗和の代わりに、輝度値の絶対値の和を使用することも可能である。

周波数特性算出部１０８は、加振周波数算出部１０１が出力した加振周波数と、探索部１０５が出力した機械系応答特徴量の最適値を用いて、加振周波数と加振周波数に対応した機械系応答特徴量の組を加振データとしてメモリに保存する。加振データを保存するメモリは、周波数特性算出部１０８に設けられていてもよいし、周波数特性算出部１０８の外部に設けられていてもよい。また、周波数特性算出部１０８は、後述する同定手順の最後のステップにおいて、複数の加振データを用いて機械系２の周波数特性を算出する。

振動パラメータ算出部１０９は、周波数特性算出部１０８が算出した機械系２の周波数特性に基づき、機械系２の振動パラメータを算出する。位置決め指令生成部１１０は、振動パラメータ算出部１０９が算出した振動パラメータに基づき、機械系２の振動を抑制した、ヘッド部２０３を目標実装位置２０７に移動させるために用いる指令である位置決め指令を生成する。また、位置決め指令生成部１１０は、生成した位置決め指令をＸ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４に出力する。

本実施の形態にかかる制御部１のハードウェア構成について説明する。加振周波数算出部１０１、加振指令生成部１０２、Ｘ軸駆動部１０３、Ｙ軸駆動部１０４、探索部１０５、模擬動画像生成部１０６、動画像比較部１０７、周波数特性算出部１０８、振動パラメータ算出部１０９、および位置決め指令生成部１１０は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。

本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央演算装置）を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリなどが該当する。図６は、実施の形態にかかる制御回路４００の構成例を示す図である。処理回路が、専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

図６に示すように、制御回路４００は、ＣＰＵであるプロセッサ４００ａと、メモリ４００ｂとを備える。図６に示す制御回路４００により実現される場合、プロセッサ４００ａがメモリ４００ｂに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ４００ｂは、プロセッサ４００ａが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。

図７は、実施の形態にかかる模擬動画像生成部１０６の内部構成の一例を示すブロック図である。模擬動画像生成部１０６は、予測値算出部３０１と、フィルタ算出部３０２と、移動画像生成部３０３と、を備える。

予測値算出部３０１は、加振指令と機械系応答特徴量とに基づき各時刻のカメラ２０２と校正マーク２０９との相対位置の予測値を算出する。相対位置の予測値は、カメラ２０２の各撮影周期におけるカメラ２０２の露光時間ごとに算出される。ここで、機械系２のＸ軸方向の周波数特性を取得するための加振方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸モータ２００を振幅Ａ、加振周波数ωである加振指令ｕ_ｘ（ｔ）で駆動させる場合、加振指令ｕ_ｘ（ｔ）の時間関数は、式（１）で表すことができる。

また、機械系応答特徴量のゲインをＧ、位相をφとすると、カメラ２０２と校正マーク２０９との相対位置ｘ（ｔ）の予測値ｈａｔ（ｘ（ｔ））は、式（２）で表すことができる。なお、本明細書の文中において、ハット付の関数をｈａｔ（関数）と表す。

フィルタ算出部３０２は、予測値算出部３０１が出力した相対位置の予測値ｈａｔ（ｘ（ｔ））に基づき、カメラ２０２の各撮影周期における校正マーク２０９の平行移動と被写体ぶれを表すフィルタを算出する。ここで、ｋ番目の撮影周期の露光開始時刻をＴ_１ ^ｋ、露光終了時刻をＴ_２ ^ｋ、露光時間をＴ_ｅ、Ｘ軸の画像１ピクセルあたりの長さをΔＸとする。このとき、ｋ番目の撮影における校正マーク２０９の平行移動と被写体ぶれを表すフィルタＦ^ｋのピクセル座標Ｘにおけるフィルタ係数の算出式の一例は、式（３）のようになる。

式（３）は、相対位置の予測値ｈａｔ（ｘ（ｔ））をピクセル単位に変換した量でオフセットさせたデルタ関数を時刻［Ｔ_１ ^ｋ，Ｔ_２ ^ｋ］で積分したのち、周囲の±１／２ピクセルの範囲で平均をとったものである。なお、加振方向がＹ軸方向である場合は、式（１）～（３）のＸ軸に関する定数および変数を、Ｙ軸に関する定数および変数に置き換えればよい。

移動画像生成部３０３は、静止画像にフィルタＦ^ｋを作用させることでカメラ２０２の各撮影周期における校正マーク２０９の平行移動と被写体ぶれを伴った画像を生成する。具体的には、移動画像生成部３０３は、フィルタ算出部３０２が出力した各撮影周期のフィルタＦ^ｋと校正マーク２０９の静止画像との畳み込み和を算出することでカメラ２０２の各撮影周期における校正マーク２０９の平行移動と被写体ぶれを伴った画像を生成し、生成した各撮影周期の画像をまとめることで模擬動画像を生成し、生成した模擬動画像を動画像比較部１０７に出力する。

図８は、実施の形態にかかる校正マーク２０９の静止画像の一例を示す図である。図８では、校正マーク２０９は、十字の形をしているが十字の形に限定されない。図９は、実施の形態にかかる模擬動画像の第１の時刻のときの第１の画像を示す図である。図１０は、実施の形態にかかる模擬動画像の第２の時刻のときの第２の画像を示す図である。図１１は、実施の形態にかかる模擬動画像の第３の時刻のときの第３の画像を示す図である。第１の画像、第２の画像、および第３の画像は、それぞれ移動画像生成部３０３が校正マーク２０９とフィルタＦ^ｋとを用いて生成した模擬動画像の、ある時刻における画像の一例である。例えば、第１の画像は模擬動画像の時刻［Ｔ_１ ^ｋ，Ｔ_２ ^ｋ］における画像である。

図１２は、実施の形態にかかるフィルタＦ^ｋの各ピクセル座標のフィルタ係数を図示した一例を示す図である。図１２において、フィルタ係数がゼロのピクセルは黒く描画されている。また、図１２において、フィルタ係数がゼロでないピクセルは、フィルタ係数の大きさに応じて明るく、つまり白く描画されている。第１の画像、第２の画像、および第３の画像は、それぞれ校正マーク２０９と、図１２に示すフィルタＦ^ｋとの畳み込み和を算出することで得ることができる。これらの動作を行うことで、模擬動画像生成部１０６は、機械系応答特徴量が与えられたときのカメラ２０２と校正マーク２０９との相対位置の時間応答を算出し、この時間応答に基づいて校正マーク２０９の平行移動と、被写体ぶれと、を考慮した模擬動画像を生成することができる。

図１３は、実施の形態にかかる制御装置１０が位置決め制御をするときのデータの流れを示す図である。図５では、加振指令生成部１０２が出力した加振指令が、Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４に入力されていた。図１３では、位置決め指令生成部１１０が出力した位置決め指令が、Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４に入力されている。つまり、Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４に入力されるデータは、機械系２を加振するときと位置決め制御をするときで異なる。

位置決め指令生成部１１０が位置決め指令を算出する方法について説明する。位置決め指令生成部１１０は、振動パラメータとして例えば、機械系２の機械特性を２慣性系で表した場合のＸ軸の反共振周波数ω_ｘと、機械系２の機械特性を２慣性系で表した場合のＹ軸の反共振周波数ω_ｙと、Ｘ軸の減衰係数ζ_ｘと、Ｙ軸の減衰係数ζ_ｙと、を用いる。これらの計４つのパラメータを振動パラメータに選んだ場合、機械系２の振動を抑制した位置決め指令は、式（４）に基づいて算出することができる。

ここで、ｒ_ｘ（ｔ）およびｒ_ｙ（ｔ）は振動抑制前の位置決め指令を、ｕ_ｘ（ｔ）およびｕ_ｙ（ｔ）は振動抑制後の位置決め指令をそれぞれ表している。また、Ｌ[・]はラプラス変換を表す。ｓはラプラス演算子を表す。Ｍ_ｘ（ｓ）およびＭ_ｙ（ｓ）は、あらかじめ設定されたＸ軸およびＹ軸の指令フィルタの伝達関数をそれぞれ表す。

制御装置１０が機械系２の周波数特性を同定する手順について説明する。図１４は、実施の形態にかかる制御装置１０のＸ軸の周波数特性の同定の手順を示すフローチャートである。なお、Ｙ軸の周波数特性の同定の手順は、図１４においてＸ軸がＹ軸に書き換えられたフローチャートと同じ手順である。

位置決め指令生成部１１０は、Ｘ軸駆動部１０３およびＹ軸駆動部１０４を介してＸ軸モータ２００およびＹ軸モータ２０１の位置決め制御を行うことで、カメラ２０２を校正マーク２０９の上方まで移動させる（ステップＳ１）。カメラ２０２は、模擬動画像生成部１０６に入力させるための、校正マーク２０９の静止画像を撮影する（ステップＳ２）。このとき、カメラ２０２は、１回撮影した静止画像を模擬動画像生成部１０６に出力してもよいし、静止画像を複数回撮影し、これらを平均化した画像を模擬動画像生成部１０６に出力してもよい。平均化した画像を用いることで、模擬動画像生成部１０６は、撮影画像に含まれるノイズの影響を低減して模擬動画像を生成することができる。

加振周波数算出部１０１は、あらかじめ設定された加振周波数の下限値を現在値にすることで初期化を行う（ステップＳ３）。なお、加振周波数算出部１０１は、加振周波数の下限値ではなく、あらかじめ設定された加振周波数の上限値を現在値にすることで初期化を行ってもよい。加振指令生成部１０２は、加振周波数算出部１０１によって設定された加振周波数の現在値と、あらかじめ設定された指令振幅とに基づき加振指令を生成し、Ｘ軸駆動部１０３を介してＸ軸モータ２００を駆動することで、ヘッド部２０３のＸ軸方向の加振動作を開始する（ステップＳ４）。

カメラ２０２は、あらかじめ定められた撮影周期、露光時間、および撮影回数に基づき校正マーク２０９の動画像を撮影する（ステップＳ５）。このとき、ステップＳ４による加振動作が開始してから十分に時間が経過した後に撮影を開始することが望ましい。ステップＳ４の動作から十分に時間が経過した後に撮影を開始することで、加振動作開始時のヘッド部２０３の過渡的な応答の影響を排除することができる。あらかじめ定められた撮影回数の撮影が完了した後、加振指令生成部１０２は加振指令の生成を停止することで、ヘッド部２０３のＸ軸方向の加振動作を終了する（ステップＳ６）。

制御部１は、探索部１０５と、模擬動画像生成部１０６と、動画像比較部１０７と、を連携させることで、動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を算出する（ステップＳ７）。動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を算出する詳細な方法については後述する。ステップＳ７によって動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を算出した後、周波数特性算出部１０８は、加振周波数算出部１０１が出力した加振周波数と、探索部１０５が出力した機械系応答特徴量の最適値と、の組を加振データとしてメモリに保存する（ステップＳ８）。

加振周波数算出部１０１は、加振周波数の現在値が上限値に達しているか確認する（ステップＳ９）。加振周波数の現在値が上限値に達していない場合（ステップＳ９，Ｎｏ）、あらかじめ設定された加振周波数のステップ幅に基づいて加振周波数の現在値を更新し（ステップＳ１０）、ステップＳ４に戻る。なお、ステップＳ３で、あらかじめ設定された加振周波数の上限値を現在値にすることで初期化を行っていた場合、加振周波数算出部１０１は、加振周波数の現在値が下限値に達しているか確認する。加振周波数の現在値が上限値に達している場合（ステップＳ９，Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に進み、周波数特性算出部１０８は、これまでにメモリに保存した複数の加振データに基づき、機械系２の周波数特性を算出する（ステップＳ１１）。振動パラメータ算出部１０９は、周波数特性算出部１０８がステップＳ１１で算出した機械系２の周波数特性に基づき、機械系２の振動を抑制する位置決め制御のための振動パラメータを算出し（ステップＳ１２）、一連の同定手順を終了する。振動パラメータの算出方法は、例えば、ステップＳ１１で算出した機械系２の周波数特性のゲインがピーク値をとる周波数に基づいて算出してもよいし、フィッティングによって求めた周波数特性の伝達関数のパラメータに基づいて算出してもよい。

図１５は、実施の形態にかかる動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量を算出する詳細な動作の一例を示すフローチャートである。図１４のステップＳ７の詳細な動作について説明する。探索部１０５は、機械系応答特徴量の探索値の初期値を設定する（ステップＳ７１）。探索値の初期値の設定方法としては、直前の加振周波数における機械系応答特徴量の最適値を使用する、あらかじめ設定された固定値を使用する、乱数を使って初期値を算出するなどの方法を用いることができる。

模擬動画像生成部１０６は、探索部１０５が設定した機械系応答特徴量の探索値に基づき、校正マーク２０９の平行移動と被写体ぶれと、を模擬した模擬動画像を生成する（ステップＳ７２）。動画像比較部１０７は、ステップＳ７２で生成した模擬動画像と、ステップＳ５で撮影した実際の動画像とを比較することで、動画像誤差の機械系応答特徴量に関する勾配を算出する（ステップＳ７３）。探索部１０５は、ステップＳ７３で算出した動画像誤差の勾配のノルムがあらかじめ設定された規定値よりも小さいか確認する（ステップＳ７４）。勾配のノルムが規定値以上である場合（ステップＳ７４，Ｎｏ）、探索部１０５は、勾配に基づき、動画像誤差が小さくなるよう機械系応答特徴量の探索値を変更し（ステップＳ７５）、ステップＳ７２に戻る。動画像誤差の勾配のノルムがあらかじめ設定された規定値よりも小さい場合（ステップＳ７４，Ｙｅｓ）、探索部１０５は、機械系応答特徴量の最適化算出を終了し、機械系応答特徴量の探索値を機械系応答特徴量の最適値として出力する（ステップＳ７６）。つまり、ステップＳ７２からＳ７５では、探索部１０５は、探索値を変更し、変更された探索値のそれぞれに対応する動画像誤差を取得し、複数の動画像誤差を用いて動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を探索している。

なお、図１５では、動画像誤差の勾配に基づいて動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量を算出する方法のフローチャートを示しているが、動画像誤差を最小化する方法は、図１５に示される方法に限らず、粒子群最適化（ＰＳＯ：Particle Swarm Optimization）、またはベイズ最適化等の評価関数の勾配を使用しない最適化アルゴリズムを用いることも可能である。これらのアルゴリズムを採用した場合、動画像比較部１０７は、動画像誤差の勾配ではなく動画像誤差を出力するように構成される。また、探索部１０５は、動画像誤差を用いて機械系応答特徴量の最適値を算出する。

図１６は、実施の形態にかかる複数の加振データから算出した機械系２の周波数特性の一例を示す第１の図である。図１６では、縦軸をゲイン［ｄＢ］、横軸を周波数［Ｈｚ］で示す。図１６では、実線を周波数特性、丸を加振データで示す。図１７は、実施の形態にかかる複数の加振データから算出した機械系２の周波数特性の一例を示す第２の図である。図１７では、縦軸を位相［ｄｅｇ］、横軸を周波数［Ｈｚ］で示す。図１７では、周波数特性を実線で、加振データを丸で示す。このように、機械系２の周波数特性の求め方は、図１６および図１７のように加振データを関数近似して求めてもよいし、周波数特性の伝達関数をあらかじめ仮定し伝達関数のパラメータをフィッティングにより求めてもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、制御装置１０は、カメラ２０２の露光時間中にヘッド部２０３が動くことによって生じる撮影画像の被写体ぶれを考慮しながら加振動作中の撮影画像をシミュレーションする。また、制御装置１０は、アクチュエータのフィードバック値を用いずシミュレーション結果と実際の撮影画像との比較に基づいて機械系２の周波数特性を同定することができる。このため、制御装置１０は、撮影周期から定まるナイキスト周波数、または有限の露光時間によって生じる被写体ぶれによる画像処理の誤差の制限を受けずに、機械系２の周波数特性の同定を行うことができる。つまり、制御装置１０は、高い周波数帯域の周波数特性を、画像処理を用いて同定し、機械系２の振動を抑制する位置決め制御系を構成することにより、位置決め制御を高速および高精度化することができる。また、制御装置１０は、カメラ撮影の撮影周期から定まるナイキスト周波数よりも高い周波数帯域を含む周波数特性を同定することができるため、ナイキスト周波数よりも高い周波数の振動を抑制することができる。

本実施の形態では、制御装置１０がヘッド部２０３を正弦波で加振するため、機械系２の応答波形も正弦波となる。したがって、機械系２の機械系応答特徴量としてゲインと位相という２つの情報が同定できればよく、この２つの情報を同定できれば、ナイキスト周波数以下のサンプリングからナイキスト周波数以上の周波数特性を同定できる。また、制御装置１０は、探索部１０５と動画像比較部１０７とを備え、動画像誤差が最小となるような機械系応答特徴量を探索することで、制御対象の機械系応答特徴量を同定することができる。また、模擬動画像生成部１０６を備えることにより、カメラ２０２の露光中の被写体の動きによる撮影画像のぶれを考慮することができる。このため、制御装置１０は、被写体ぶれが無視できないような高い周波数帯域の同定を精度よく行うことができる。

また、制御装置１０が、振動パラメータ算出部１０９と、位置決め指令生成部１１０とを備えることで、動画像のフレームレートから定まるナイキスト周波数よりも高い周波数の機械振動を抑制するようなサーボ制御をフィードフォワード制御により実現することができる。また、制御装置１０は、予測値算出部３０１と、フィルタ算出部３０２と、移動画像生成部３０３とを備える。このため、制御装置１０は、機械系応答特徴量の探索値と加振指令とから、カメラ２０２と校正マーク２０９との相対位置の時間応答を予測し、この時間応答から校正マーク２０９の平行移動と被写体ぶれと、を伴った画像を計算することで、動画撮影のシミュレーションを行うことができる。

なお、本実施の形態では、位置決め制御を行う制御装置１０を用いて周波数特性の同定方法について説明したが、本発明の周波数特性の同定方法は、軌跡制御装置、ロール・ツー・ロール方式の機械系など、位置決め制御以外のモーション制御装置の同定にも適用可能である。また、本実施の形態では、カメラ２０２がヘッド部２０３に設置されている制御装置１０について説明したが、本発明は、カメラ２０２ではなく校正マーク２０９がヘッド部２０３に設置されており、校正マーク２０９の移動に伴ってカメラ２０２と校正マーク２０９との相対位置が変化するように構成されている制御装置に適用することも可能である。

また、本実施の形態では、機械系応答特徴量として、加振周波数における機械系２の周波数特性のゲインと位相との組を用いていたが、これ以外にも、例えば、ゲインと位相とを表す複素数値を用いることも可能である。この場合、式（２）において、ゲインＧを複素数値の絶対値とし、位相φを複素数値の偏角として、相対位置の予測値の時間関数を算出すればよい。この機械系応答特徴量を用いることにより、位相の±２πｎの周期性によって機械系応答特徴量の最適値が一意に定まらない問題を回避することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 制御部、２ 機械系、１０ 制御装置、１０１ 加振周波数算出部、１０２ 加振指令生成部、１０３ Ｘ軸駆動部、１０４ Ｙ軸駆動部、１０５ 探索部、１０６ 模擬動画像生成部、１０７ 動画像比較部、１０８ 周波数特性算出部、１０９ 振動パラメータ算出部、１１０ 位置決め指令生成部、２００ Ｘ軸モータ、２０１ Ｙ軸モータ、２０２ カメラ、２０３ ヘッド部、２０４ 吸着ノズル、２０５ プリント基板搬送機構、２０６ プリント基板、２０７ 目標実装位置、２０８ 電子部品、２０９ 校正マーク、３０１ 予測値算出部、３０２ フィルタ算出部、３０３ 移動画像生成部、４００ 制御回路、４００ａ プロセッサ、４００ｂ メモリ。

Claims (8)

1. 可動部と、前記可動部の移動に伴って目標物との相対位置が変化し、前記目標物の静止画像および前記目標物の動画像を取得するカメラと、を有する機械系を制御する制御装置であって、
   前記カメラの撮影周期に基づくナイキスト周波数よりも高い周波数帯域を含む加振周波数を算出して出力する加振周波数算出部と、
   前記加振周波数に基づき加振指令を生成して出力する加振指令生成部と、
   前記加振指令に基づき前記可動部の駆動制御を行う駆動部と、
   前記機械系の時間応答および周波数特性の特徴を表す機械系応答特徴量の探索値と前記加振指令と前記静止画像とに基づき、前記カメラの露光時間中の前記相対位置の変化と前記カメラのセンサ特性とをシミュレーションすることで模擬動画像を生成する模擬動画像生成部と、
   前記動画像と前記模擬動画像とを比較することで、前記動画像と前記模擬動画像との誤差である動画像誤差を算出する動画像比較部と、
   前記探索値を変更し、変更された前記探索値のそれぞれに対応する前記動画像誤差を取得し、複数の前記動画像誤差を用いて前記動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を探索する探索部と、
   前記加振周波数と前記最適値とに基づき、前記機械系の周波数特性を算出する周波数特性算出部と、
   を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記動画像比較部は、
   前記動画像誤差の勾配を算出し、
   前記探索部は、
   前記勾配を用いて前記最適値を探索することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記探索部は、
   勾配法、ベイズ最適化または粒子群最適化を用いて前記最適値を探索することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
4. 前記周波数特性に基づき前記機械系の振動パラメータを算出する振動パラメータ算出部と、
   前記振動パラメータに基づき前記機械系の振動を抑制した位置決め指令を生成して前記駆動部に出力する位置決め指令生成部と、
   を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の制御装置。
5. 前記模擬動画像生成部は、
   前記加振指令と前記機械系応答特徴量に基づき前記カメラの各撮影周期における前記カメラの露光時間中の各時刻の前記相対位置の予測値を算出する予測値算出部と、
   前記相対位置の予測値に基づき前記カメラの各撮影周期における前記目標物の平行移動と被写体ぶれを表すフィルタを算出するフィルタ算出部と、
   前記静止画像に前記フィルタを作用させることで前記カメラの各撮影周期における前記目標物の平行移動と被写体ぶれを伴った画像を生成する移動画像生成部と、
   を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の制御装置。
6. 前記機械系応答特徴量は、
   前記加振周波数における前記機械系の周波数特性のゲインと位相との組であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の制御装置。
7. 前記機械系応答特徴量は、
   複素数値であり、
   前記複素数値の絶対値は、
   前記加振周波数における前記機械系の周波数特性のゲインに相当し、
   前記複素数値の偏角は、
   前記加振周波数における前記機械系の周波数特性の位相に相当することを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の制御装置。
8. 可動部と、前記可動部の移動に伴って目標物との相対位置が変化し、前記目標物の静止画像および前記目標物の動画像を取得するカメラと、を有する機械系を制御する制御装置において、
   前記カメラが前記目標物の静止画像を取得する第１のステップと、
   前記カメラが前記目標物の動画像を取得する第２のステップと、
   前記カメラの撮影周期に基づくナイキスト周波数よりも高い周波数帯域を含む加振周波数を算出して出力する第３のステップと、
   前記加振周波数に基づき加振指令を生成して出力する第４のステップと、
   前記加振指令に基づき前記可動部の駆動制御を行う第５のステップと、
   前記機械系の時間応答および周波数特性の特徴を表す機械系応答特徴量の探索値と前記加振指令と前記静止画像とに基づき、前記カメラの露光時間中の前記相対位置の変化と前記カメラのセンサ特性とをシミュレーションすることで模擬動画像を生成する第６のステップと、
   前記動画像と前記模擬動画像とを比較することで、前記動画像と前記模擬動画像との誤差である動画像誤差の勾配を算出する第７のステップと、
   前記探索値を変更し、変更された前記探索値のそれぞれに対応する前記動画像誤差を取得し、複数の前記動画像誤差を用いて前記動画像誤差を最小化する機械系応答特徴量の最適値を探索する第８のステップと、
   前記加振周波数と前記最適値とに基づき、前記機械系の周波数特性を算出する第９のステップと、
   を含むことを特徴とする周波数特性の同定方法。

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