JPH0212707B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、複数のロボツトアームを有し、高度
な組立作業、ハンドリング等に汎用的に応用され
る直交座標型のロボツトに関するものである。

従来、この種の直交座標型ロボツトのアーム駆
動用送り機構はパルスモータあるいは回転形のサ
ーボモータ等で構成されていた。このような送り
機構でロボツトアームを駆動する場合は、モータ
の回転運動をラツクとピニオン又はボールねじ等
の伝達機構を介して直線運動に変換する必要があ
つたため次のような問題点があつた。まずラツク
とピニオン機構は、バツクラツシユを含むため、
本質的に高精度な位置決めが困難であつた。

又、ボールねじ送り機構は、ロボツトアームが
単数の場合には比較的構造が簡単であるが、独立
に動作する複数のロボツトアームを有する直交座
標型ロボツトを構成しようとした場合には、ロボ
ツトアームの本数と同数の完全に独立した送りね
じ機構を各駆動軸に具備する必要があるため、ロ
ボツトアーム送り機構が非常に複雑になる欠点が
あつた。そこで長いストロークを高速で駆動し、
サーボコントロールして高精度に位置決めするこ
とが可能で、モータの移動体がそれ自体直線的な
動作をするリニアモータによる新たな駆動機構を
用いようと考えるに至つた。

従来、広い意味ではこうした発想がなかつたわ
けではないが、かかる目的に使用し得るリニアモ
ータとして現実に知られていたのは第１図に示す
方式のものであつた。第１図において、厚み方向
に着磁された永久磁石片１はボビン４の長さとほ
ぼ同等の幅を有し、磁極を交互に逆向して２つの
外側ヨーク２の各々片面に配置されていた。永久
磁石片１は同極種が対向して中心ヨーク３をはさ
む如く配置されていた。

ボビン４は、中心ヨーク３に挿入され、コイル
５、コイル６がボビン４の外周に巻かれていた。
コイル５、コイル６の巻幅は永久磁石片１の幅の
ほぼ半分で、永久磁石片１の磁極切換線を避ける
如く電流印加するコイルを選択して所要出力を得
ていた。

しかしこのような構造においては、高出力を得
ようとした場合、永久磁石片１の分割幅が長くな
り、磁束７が中心ヨーク３、外側ヨーク２で過密
となるために、磁気飽和を防ぐためには外側ヨー
ク２、中心ヨーク３の肉厚を厚くする必要があつ
た。従つて磁気回路の外形寸法が大きくなり、重
量も重いものとなつていた。特にリニアモータを
Ｘ−Ｙ軸の動作をする機構に組入みＸ軸がＹ軸を
含んで駆動しようとする場合には、Ｘ軸にとつて
Ｙ軸の磁気回路の重量が非常に負荷となり、また
装置も大形化するために、実用的なＸ−Ｙ駆動機
構が達成しにくかつた。さらにまた、従来のリニ
アモータに於いてはコイル５とコイル６の境界部
の幅と磁極の切換わり部に生ずる磁束の変化領域
９の幅との関係に特別の考慮がなされていなかつ
たため、電流印加しているコイル５又はコイル６
の一部磁束の変化領域に入ることがあつた。

従つて、リニアモータの力定数が不均一にな
り、特性のばらつきを生ずることとなり、サーボ
コントロールする際のサーボゲインの調整設定が
煩雑になる等々の欠点を生じていた。

一方、直交座標型ロボツトの制御システムとし
ては、従来、一つの中央処理用コンピユータによ
つて集中制御する方式が一般的であつた。この方
式はマルチタスク制御方式のオペレーテイングシ
ステムと称されているもので、複数の駆動軸を独
立に動作させ、各駆動軸を単純な台形速度プロフ
アイルで駆動し、ロボツトアームの始点と終点の
位置のみを必要とする場合には比較的多数の駆動
軸を集中制御することが可能な利点があつた。し
かし各駆動軸を滑らかに加減速するために近似サ
イン波形の速度プロフアイルで駆動したり、ある
いは軌跡制御をしてロボツトアームの動作経路を
規定しようとする場合には、１つの中央処理用コ
ンピユータで処理しきれなくなり、高度な組立作
業を対象とする直交座標型ロボツトの制御システ
ムとしては不向きであつた。

本発明はこれらの欠点を除去するため、直交座
標型ロボツトのＸ−Ｙ軸にリニアモータによる駆
動方式を用いるにあたり、リニアモータの磁気回
路の永久磁石片の分割幅を短くし、かつ１相あた
りのムービングコイルを分割して巻き、巻き方向
を巻き区間毎に逆向きにすることによつて磁気回
路を軽量、小型化して実用的なものにするととも
に、制御システムにおいては直交座標型ロボツト
にマスタスレーブ方式の制御システムを用い、滑
らかに軸を駆動し得るようにし、ロボツトアーム
の軌跡制御を可能にしたものである。

本発明によれば、Ｘ−Ｙ軸駆動用リニアモー
タ、Ｘ軸移動アーム、Ｙ軸移動アーム、位置検出
装置、ロボツトハンド、制御システムとから成る
直交座標型ロボツトにおいて、 (1) Ｘ−Ｙ軸駆動用リニアモータは、細かく分割
され厚み方向に着磁された永久磁石片の磁極を
交互に逆向きにして外側ヨークの片面に配置し
永久磁石片の同極種が対向して中心ヨークをは
さむ如く配置しかつサイドヨークで２つの外側
ヨークの端部を連結した磁気回路と、中空で非
磁性体のボビン外周に前記磁気回路の磁極切換
わり部で生ずる磁束の変化領域の幅にほぼ等し
い幅の分離板を前記永久磁石片の幅を二分割し
た間隔で配置しかつ分離板の間のコイル巻区間
に２相のコイルを１区間毎交互に巻きかつ各相
のコイルは区間毎に巻方向を逆にして巻かれて
いるムービングコイルとから構成されており、 (2) Ｙ軸移動アールは、前記リニアモータをＹ軸
方向に平行に配置したＹ軸用リニアモータのム
ービングコイルと結合されムービングコイルを
案内してＹ軸方向に駆動される如くガイドされ
て構成されており、 (3) Ｘ軸移動アームは、前記リニアモータ２つを
Ｘ軸方向に平行にしてＹ軸の両側に各々１つ配
置しＸ軸用リニアモータの２つのムービングコ
イルと前記Ｙ軸用リニアモータの磁気回路の両
端を結合した構造で複数のＸ軸移動アームのム
ービングコイルが１対のＸ軸用リニアモータの
磁気回路を共通に使用して構成されており、 (4) 位置検出装置は、非接触光学式スケールを用
い、Ｙ軸方向にはＹ軸に平行に配置されたスケ
ールと前記Ｙ軸移動アームに固定されかつスケ
ールと非接触で対向するセンサが各々合１対配
置され、Ｘ軸方向にはＸ軸移動アームに固定さ
れた複数のセンサがＸ軸に平行に配置されたＸ
軸用スケールに対向して配置され、前記Ｘ軸用
リニアモータ磁気回路と同様、１つのＸ軸用ス
ケールを複数のセンサが共通に使用する如く構
成されており、 (5) 制御システムは、各軸制御用のスレーブコン
ピユータ及びロボツトハンドを含んでアプリケ
ーシヨン機器制御用のスレーブコンピユータが
総括制御用のマスタコンピユータに結合され、
各々のハンド単位に構成されたマスタスレーブ
システムは複数のハンドが独立作業や共同作業
をするべくマスタコンピユータ間で情報を交換
する方式で構成されている、 ことを特徴とする直交座標型ロボツトが得られ
る。

以下、本発明による直交座標型ロボツトを図面
に従つて説明する。まず第３図、第４図、第５
図、第６図で本発明による直交座標型ロボツトの
Ｘ−Ｙ軸駆動に用いたリニアモータについて説明
する。

第３図において厚み方向に着磁された永久磁石
片１０は磁極の方向が１片毎に変化するように配
置して外側ヨーク１１に接着等で固定されてい
る。永久磁石片１０が固定された２ケの外側ヨー
ク１１は永久磁石片１０の同極種が対向する如く
中心ヨーク１２の両側に配置されている。

磁束１７は永久磁石片１０の分割幅に比例して
中心ヨーク１２、及び外側ヨーク１１で過密とな
るため永久磁石片１０の分割幅を細かくして中心
ヨーク１２及び外側ヨーク１１の板厚を薄くして
いる。中心ヨーク１２には中空のボビン１３が挿
入され永久磁石片１０あるいは中心ヨーク１２に
接触することなく長手方向に移動可能である。ボ
ビン１３には分割板１４が永久磁石の分割幅の半
分のピツチで固定されている。分割板１４の幅は
第４図に示す磁束の変化領域１９の幅と等しいか
あるいはやや広くしてある。分割板１４にはさま
れたコイル巻区間にはコイル１５、コイル１６が
巻かれている。

本考案によるムービングコイルのコイルの巻き
方は、コイルの巻区間を１区間だけ使用するので
はなく、各相のコイルについて、コイル巻区間の
数区間を有列にして使用する方式である。コイル
の巻方の詳細を第５図に示す。コイル１５は、ボ
ビン１３の端部から見て奇数番のコイル巻区間で
巻区間毎に巻方向を逆にして直列に巻かれてい
る。一方、コイル１６は、同様に見て偶数番のコ
イル巻区間で巻区間毎に巻方向を逆にして直列に
巻かれている。

第６図にコイル１５、コイル１６を記号で表わ
し構成を簡略化して示した。

このリニアモータを動作させるには、従来の駆
動方式同様、永久磁石片１０の磁極切換わり点を
検出するセンサでコイル１５あるいはコイル１６
と磁極との位相関係を検出し、一定磁束中に位置
するコイルを選択してコイル１５とコイル１６を
順次切換えながら駆動する。

以上のような構成になつているため、リニアモ
ータの要求出力に応じて磁気回路の断面寸法を変
えることなく各種出力のリニアモータが可能であ
る。例えば高出力のリニアモータを得る場合に
も、細かく分割して多数のコイル巻区間を直列に
接続することにより磁気回路１０の一定磁束中に
位置するコイル１５又はコイル１６の面積を広く
することが可能であり、しかも永久磁石片１０の
分割幅は変えることなく短いままで良い。従つて
磁気回路の中心ヨーク１２、外側ヨーク１１の断
面形状を大きくする必要がなく、高出力のリニア
モータを小型、軽量に得ることが可能である。

又、永久磁石片１０の磁極切換部の磁束変化領
域１９とボビンの分離板１４の幅を等しくするこ
とによつて選択したコイルが磁束の変化領域１９
に入ることはなく、力定数が一定となり、サーボ
コントロールして位置決め制御、速度制御する場
合に調整のしやすい安定したリニアモータが得ら
れる。

第７図は本発明の直交座標型ロボツトの一実施
例についてその主要構造を抜き出して示した斜視
図である。

第７図において、Ｙ軸移動アーム２０は前記リ
ニアモータの磁気回路２１をＹ軸方向に平行に配
置したＹ軸用リニアモータのボビン２５と結合さ
れ、ボビン２５を案内してＹ軸方向にＹ軸ガイド
シヤフト２２でガイドされている。Ｙ軸移動アー
ム２０の位置はＹ軸に平行に配置されたＹ軸用ス
ケール２４に対向し、かつＹ軸移動アーム２０に
固定されたセンサ２３で検出している。検出装置
は非接触の光学式で、Ｙ軸の原点はスケール２４
に刻まれており、センサ２３で位置の信号と共に
原点の検出が可能である。Ｙ軸リニアモータの磁
気回路２１の両側にはＸ軸用のリニアモータがＹ
軸と直交して配置され、Ｘ軸用リニアモータのボ
ビン２６と結合されている。又、Ｘ軸のボビン２
６はＸ軸移動アーム２７に固定され、Ｘ軸のガイ
ドシヤフト２８でガイドされている。Ｘ軸の位置
はＸ軸リニアモータの磁気回路３０と平行に配置
されたＸ軸のスケール３１に対向し、かつＸ軸移
動アーム２７に固定されたセンサ２９で検出して
いる。Ｘ軸の位置検出装置は非接触の光学式で、
Ｘ軸の原点はスケール３１に刻まれており、セン
サ２９で位置の信号と共に原点の検出が可能であ
る。Ｙ軸の移動アーム２０にはＺ軸、Ｏ軸のアー
ムを設けてあり、さらに付加してロボツトハンド
３２を取付けたりあるいは移動アーム２０に直接
ロボツトハンド３２を取付ける等、応用装置に応
じてビツドロツクに各種の構成をすることが可能
である。

本発明による直交座標型ロボツトは、以上に示
した如く構成されているので、複数のロボツトハ
ンドを構成する場合にもＸ軸用リニアモータの磁
気回路３０とスケール３１及びＸ軸のガイドシヤ
フト２８を共用することができ、構造が単純な利
点る有する。

次に制御部のシステムを第８図、第９図で説明
する。

本発明による直交座標型ロボツトは、各ハンド
単位にマスタスレーブ形式のシステムを形成し、
制御システムもユニツト化することができる。

第８図において、第１のロボツトハンドを総合
的に制御するためのマスタコンピユータ３３に、
Ｘ軸制御用コンピユータとして、スレーブコンピ
ユータ３４が結合し、Ｘ軸ドライブ回路３５を介
してＸ軸リニアモータ３６を制御している。Ｙ軸
についても同様にでき、Ｙ軸制御用のスレーブコ
ンピユータ３７がマスタコンピユータ３３に結合
されＹ軸ドライブ回路３８を介してＹ軸リニアモ
ータ３９を制御している。又、ロボツトハンドを
含めてアプリケーシヨン機器の制御は、アプリケ
ーシヨン制御用のスレーブコンピユータ４０がマ
スタコンピユータ３３に結合され、アプリケーシ
ヨンドライブ回路４１を介して各種アプリケーシ
ヨン機器４２を制御している。さらにＺ軸、Ｏ軸
を追加した場合も同様なマスタスレーブ形式の制
御ユニツトを付加することができる。この様にス
レーブ制御部４３とマスタコンピユータ３３が各
ハンド単位にユニツト化できるため、複数のハン
ドでロボツトを構成した場合は同様なマスタコン
ピユータ４４，４６及びスレーブ制御部４５，４
７を各々のハンド単位に付加し、マスタコンピユ
ータ３３，４４，４６を相互に結合する構成にで
きる。マスタコンピユータ３３，４４，４６及び
スレーブコンピユータ３４，３７，４０は各々小
型のマイクロコンピユータ程度の機能で足り、マ
スタコンピユータ３３，４４，４６からは各々ス
レーブ制御部４３，４５，４７に対し位置指令デ
ータと動作モードが指令される。動作モードとし
ては軌跡動作あるいは２点間の位置制御動作等の
各種のモード指令が用意され、スレーブ制御部４
３，４５，４７はこの指令を受けて各軸を演算制
御し、各々の軸の状態をマスタコンピユータ３
３，４４，４６にデータ転送する。又、マスタコ
ンピユータ３３，４４，４６の間では互いに独立
動作、共動動作等の動作モードの指令を送受して
いる。

第９図は、第８図に示す制御方式の複数のマス
タコンピユータ３３，４４，４６を１つのマスタ
コンピユータ４８で集中的に総括する方式の制御
システムを示した例であり、比較的ハンドの数が
少い場合は第９図に示すような制御システムを用
いることが可能である。

以上の説明からも明らかな如く、本発明による
直交座標型ロボツトは、軽量、小型、で長いスト
ロークを得られるリニアモータを採用し得るよう
にしたことによつて従来実現されていなかつた優
れたＸ−Ｙ駆動機構を達成し、高速、高精度にロ
ボツトハンドをＸ−Ｙ平面の任意の位置に位置決
めすることが可能となり、かつその構造は複数の
ロボツトハンドの構成においても単純で、しかも
ビルドブロツク式に機能追加することが容易な柔
軟性を備えている。

又、制御システムに於ても直交座標型ロボツト
にマスタスレーブ方式の制御システムを採用する
ことにより、滑らかな駆動や軌跡制御を可能とし
た。さらに制御システムを各ハンド単位でユニツ
ト化することが容易なため、機構部と同様、ビル
ドブロツク式に制御システムを構成できるので複
数のロボツトハンドを多様に制御することが容易
である。

このように本発明による直交座標型ロボツト
は、複数のロボツトハンドを独立動作や共同動作
させることが可能で、高度な組立作業、検査作業
に応用して優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のリニアモータの方式を示す断面
図、第２図は従来の方式のリニアモータの磁束波
形を示す図、第３図は本発明によるリニアモータ
の方式を示す断面図、第４図は本発明によるリニ
アモータの磁束波形を示す図、第５図は本発明に
よるリニアモータのコイルの巻き方を示す断面
図、第６図は本発明によるコイルの構成を簡単に
示した図、第７図は本発明による直交座標型ロボ
ツトの一実施例を示す斜視図、第８図、第９図は
本発明による制御システムの一実施例を示すブロ
ツク図である。 図において、１，１０は永久磁石片、２，１１
は外側ヨーク、３，１２は中心ヨーク、４，１３
はボビン、５，６，１５，１６はコイル、１４は
分離板、７，１７は磁束の流れ、８，１８はサイ
ドヨーク、９，１９は磁束の変化領域、２０はＹ
軸移動アーム、２１，３０は磁気回路、２２はＹ
軸ガイドシヤフト、２３，２９はセンサ、２４，
３１はスケール、２５，２６はボビン、２７はＸ
軸移動アーム、２８はＸ軸ガイドシヤフト、３２
はロボツトハンド、３３，４４，４６，４８はマ
スタコンピユータ、３４，３７，４０はスレーブ
コンピユータ、３５はＸ軸ドライブ回路、３６は
Ｘ軸リニアモータ、３８はＹ軸ドライブ回路、３
９はＹ軸リニアモータ、４１はアプリケーシヨン
ドライブ回路、４２はアプリケーシヨン機器、４
３，４５，４７はスレーブ制御部、を各々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｘ−Ｙ軸駆動用リニアモータ、Ｘ軸移動アー
   ム、Ｙ軸移動アーム、位置検出装置、ロボツトハ
   ンド、制御システム、とを備えて構成された直交
   座標型ロボツトにおいて、 (1) Ｘ−Ｙ軸駆動用リニアモータは、細かく分割
   され厚み方向に着磁された永久磁石片の磁極を
   交互に逆向きにして外側ヨークの片面に配置し
   永久磁石片の同極種が対向して中心ヨークをは
   さむ如く配置しかつサイドヨークで２つの外側
   コークの端部を連結した磁気回路と、中空で非
   磁性体のボビン外周に前記磁気回路の磁極切換
   わり部で生ずる磁束の変化領域の幅にほぼ等し
   い幅の分離板を前記永久磁石片の幅を二分割し
   た間隔で配置しかつ分離板の間のコイル巻区間
   に２相のコイルを１区間毎交互に巻きかつ各相
   のコイルは区間毎に巻方向を逆にして巻かれて
   いるムービングコイルとから構成されており、 (2) Ｙ軸移動アームは、前記リニアモータをＹ軸
   方向に平行に配置したＹ軸用リニアモータのム
   ービングコイルと結合されムービングコイルを
   案内してＹ軸方向に駆動される如くガイドされ
   て構成されており、 (3) Ｘ軸移動アームは、前記リニアモータ２つを
   Ｘ軸方向に平行にしてＹ軸の両側に各々１つ配
   置しＸ軸用リニアモータの２つのムービングコ
   イルと前記Ｙ軸用リニアモータの磁気回路の両
   端を結合した構造で複数のＸ軸移動アームのム
   ービングコイルが１対のＸ軸用リニアモータの
   磁気回路を共通に使用して構成されており、 (4) 位置検出装置は、非接触光学式スケールを用
   い、Ｙ軸方向にはＹ軸に平行に配置されたスケ
   ールと前記Ｙ軸移動アームに固定されかつスケ
   ールと非接触で対向するセンサが各々１対配置
   され、Ｘ軸方向にはＸ軸移動アームに固定され
   た複数のセンサがＸ軸に平行に配置されたＸ軸
   用スケールに対向して配置され、前記Ｘ軸用リ
   ニアモータ磁気回路と同様、１つのＸ軸用スケ
   ールを複数のセンサが共通に使用する如く構成
   されており、 (5) 制御システムは、各軸制御用のスレーブコン
   ピユータ及びロボツトハンドを含んでアプリケ
   ーシヨン機器制御用のスレーブコンピユータが
   総括制御用のマスタコンピユータに結合され、
   各々のハンド単位に構成されたマスタスレーブ
   システムは複数のハンドが独立作業や共同作業
   をするべくマスタコンピユータ間で情報を交換
   する方式で構成されている、 ことを特徴とする直交座標型ロボツト。