JPWO2020065699A1 - 移動体位置決め制御装置及び部品実装機 - Google Patents

Abstract

実装ヘッド等の移動体を移動させる移動体移動装置を制御対象とし、前記移動体の位置を検出する位置検出部（４５，４６）の検出信号をフィードバックして前記移動体の位置を位置指令に一致させるように前記移動体移動装置を制御するフィードバック補償器（５６）を備える。更に、位置検出部の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタ（５２）と、前記バンドパスフィルタを通過した所定の周波数帯域の信号成分に所定のゲインを乗算して振動補償信号に変換する乗算器（５３）とを備え、前記位置検出部の検出信号を前記振動補償信号で補正してフィードバックするように構成する。

Description

本明細書は、実装ヘッド等の移動体の位置を位置指令に一致させるようにフィードバック制御するフィードバック補償器を備えた移動体位置決め制御装置及び部品実装機に関する技術を開示したものである。

この種の移動体位置決め制御装置は、移動体の位置をエンコーダ等の位置検出部で検出して、その検出値と位置指令との偏差をフィードバック補償器に入力し、当該偏差を小さくするように駆動源となるモータをＰＩＤ制御等によりフィードバック制御するようにしている。更に、制御対象に外乱（外部から振動）が入力される環境下で使用する移動体位置決め制御装置においては、特許文献１（特開２０００−３３０６４２号公報）に記載されているように、制御対象に入力される外乱を補償するための外乱オブザーバを設け、フィードバック補償器から制御対象に出力される制御信号（操作量）を外乱オブザーバによって補正することで外乱を補償するようにしたものがある。

特開２０００−３３０６４２号公報

一般に、外乱オブザーバは、制御対象を詳細にモデル化した上で、その制御対象に入力される外乱を推定するため、以下のような欠点があった。

（１）制御対象の詳細なモデル化によって外乱オブザーバの構造が複雑になり、演算処理負荷が増大する。特に、移動体移動装置が搭載された機械を設置した建物の床面等の構造物の強度が十分でない場合には、機械の稼働時に機械の振動によって建物の床面等の構造物も振動して機械を揺らすため、外乱オブザーバの構造が益々複雑になる。

（２）制御対象を詳細にモデル化することが困難な場合もある。

（３）外乱オブザーバは、外乱推定にローパスフィルタ等の遅れ要素を含むため、外乱推定に応答遅れがあり、位置決め制御性能の向上に限界がある。

上記課題を解決するために、移動体を移動させる移動体移動装置を制御対象とし、前記移動体の位置を検出する位置検出部の検出信号をフィードバックして前記移動体の位置を位置指令に一致させるように前記移動体移動装置を制御するフィードバック補償器を備えた移動体位置決め制御装置において、前記位置検出部の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した前記所定の周波数帯域の信号成分に所定のゲインを乗算して振動補償信号に変換する乗算器とを備え、前記位置検出部の検出信号を前記振動補償信号で補正してフィードバックするように構成したものである。或は、前記位置指令と前記前記位置検出部の検出信号との偏差を前記振動補償信号で補正して前記フィードバック補償器に入力するように構成しても良い。

いずれの構成でも、位置検出部の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを通過した前記所定の周波数帯域の信号成分に所定のゲインを乗算して振動補償信号に変換する乗算器を用いて外乱（振動）を補償する構成であるため、従来のような複雑な構造の外乱オブザーバを用いることなく、簡単な構成で外乱を補償することができる。しかも、バンドパスフィルタは中心周波数に対して遅れがないため、ローパスフィルタ等の遅れ要素を持つ従来の外乱オブザーバとは異なり、外乱推定に応答遅れがなく、位置決め制御性能の向上も期待できる。

図１は実施例１における部品実装機全体の構成を概略的に示す斜視図である。 図２は部品実装機の制御系の構成を示すブロック図である。 図３は実施例１の外乱補償付きフィードバック制御系の構成を示すブロック図である。 図４はバンドパスフィルタのフィルタ係数及び補償ゲインを同定するフィルタ係数／補償ゲイン同定プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 図５は実施例１の外乱補償がある場合の位置決め制御の残留振動の波形と外乱補償がない場合の位置決め制御の残留振動の波形を比較して示すタイムチャートである。 図６は実施例２の外乱補償付きフィードバック制御系の構成を示すブロック図である。

以下、本明細書に開示する２つの実施例１，２を説明する。

部品実装機１１に適用した実施例１を図１乃至図５に基づいて説明する。
まず、図１に基づいて部品実装機１１の構成を説明する。

部品実装機１１には、部品を供給する部品供給装置１２が着脱可能にセットされる。部品実装機１１にセットする部品供給装置１２は、トレイフィーダ、テープフィーダ、バルクフィーダ、スティックフィーダ等のいずれであっても良く、勿論、複数種類のフィーダを混載するようにしても良い。部品実装機１１には、回路基板（図示せず）を搬送するコンベア１３と、部品供給装置１２によって供給される部品をピックアップして回路基板に実装する実装ヘッド１４（移動体）と、この実装ヘッド１４をＸ方向（回路基板の搬送方向）とその直角方向であるＹ方向に移動させる実装ヘッド移動装置１５（移動体移動装置）と、交換用の吸着ノズル（図示せず）を載置するノズルステーション１６等が設けられている。

図示はしないが、本実施例１の実装ヘッド１４は、部品供給装置１２によって供給される部品を吸着する複数本の吸着ノズルを円筒型の回転体の外周部に保持した回転型の実装ヘッドである。この実装ヘッド１４には、前記円筒型の回転体をその中心のＲ軸（鉛直軸）の周りを回転させて前記複数本の吸着ノズルをＲ軸の周りを旋回させるＲ軸モータ２０（図２参照）と、各吸着ノズルを回転（自転）させて各吸着ノズルの角度（吸着した部品の角度）を修正するＱ軸モータ２１（図２参照）と、所定位置に旋回した吸着ノズルを下降／上昇させるＺ軸モータ２２（図２参照）が設けられている。部品吸着動作時や部品実装動作時には、Ｚ軸モータ２２によってＺ軸スライド２４（図１参照）を下降／上昇させることで、吸着ノズルを下降／上昇させるようになっている。

部品実装機１１には、実装ヘッド１４の各吸着ノズルに吸着した部品を下方から撮像する部品撮像用のカメラ１７が設けられている。また、実装ヘッド１４には、回路基板の基準位置マーク等を撮像するマーク撮像用のカメラ１８が設けられている。

実装ヘッド移動装置１５は、Ｘ軸モータ２５を駆動源とするＸ軸スライド装置２６と、Ｙ軸リニアモータ２７を駆動源とするＹ軸スライド装置２８とから構成されている。Ｘ軸スライド装置２６は、Ｘ軸モータ２５でＸ軸ボールねじ２９を回転させて、実装ヘッド１４が取り付けられたＸ軸スライド（図示せず）をＸ軸ガイド３０に沿ってＸ方向に移動させる。Ｘ軸ガイド３０は、Ｙ軸スライド装置２８のＹ軸ガイド３１にＹ方向にスライド可能に支持され、且つ、Ｙ軸リニアモータ２７の可動子３３に取り付けられたＹ軸スライド３２に、Ｘ軸ガイド３０が連結されている。これにより、Ｙ軸リニアモータ２７によってＸ軸スライド装置２６がＹ軸ガイド３１に沿ってＹ方向に移動されるようになっている。Ｙ軸リニアモータ２７の固定子３４には、可動子３３を挟んで対向する２列の磁石の列がＹ方向に平行に延びるように設けられている。

Ｘ軸スライド装置２６とＹ軸スライド装置２８には、実装ヘッド１４のＸ，Ｙ方向の位置（Ｘ，Ｙ座標）を検出する手段として、エンコーダやリニアスケール等のＸ，Ｙ方向位置検出部４５，４６（図２参照）が設けられている。

部品実装機１１の制御装置４１は、１台又は複数台のコンピュータ（ＣＰＵ）を主体として構成され、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力装置４２と、ＬＣＤ、ＥＬ、ＣＲＴ等の表示装置４３と、部品実装機１１の各機能の動作を制御する各種制御プログラムや制御パラメータ等の各種データを記憶保持するハードディスク装置、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性の記憶装置４４等が接続されている。

部品実装機１１の制御装置４１（移動体位置決め制御装置）は、部品実装機１１の稼働中（生産中）に、実装ヘッド移動装置１５のＸ軸モータ２５とＹ軸リニアモータ２７の動作を制御して、実装ヘッド１４を部品供給装置１２側の部品吸着位置と部品撮像用のカメラ１７の上方の部品撮像位置と回路基板上の部品実装位置との間を移動させて部品吸着動作と部品撮像動作と部品実装動作を実行する。本実施例１では、実装ヘッド移動装置１５のＸ軸モータ２５とＹ軸リニアモータ２７は、例えばサーボモータにより構成され、実装ヘッド１４の位置をＸ，Ｙ方向位置検出部４５，４６で検出しながら実装ヘッド１４を指令位置まで移動させるようにＸ軸モータ２５とＹ軸リニアモータ２７がフィードバック制御される。

この場合、部品実装機１１を設置した建物の床面等の構造物の強度が十分でない場合には、部品実装機１１の稼働時に部品実装機１１の振動によって建物の床面等の構造物も振動して部品実装機１１を揺らすため、制御対象である実装ヘッド移動装置１５に入力される外乱は、部品実装機１１自身の振動に加え、建物の床面等の構造物の振動も含まれる。このような外乱を外乱オブザーバで補償しようとすると、外乱オブザーバの構造が複雑になり、部品実装機１１の制御装置４１の演算処理負荷が増大する。しかも、外乱オブザーバは、外乱推定にローパスフィルタ等の遅れ要素を含むため、外乱推定に応答遅れがあり、位置決め制御性能の向上に限界がある。

そこで、本実施例１では、部品実装機１１の制御装置４１が実装ヘッド１４の位置を位置指令に一致させるように実装ヘッド移動装置１５をフィードバック制御する際に、図３に示す外乱補償付きフィードバック制御系５１を用いて部品実装機１１の振動とそれが設置された建物の床面等の構造物の振動を含む外乱を補償して実装ヘッド移動装置１５をフィードバック制御する。

この場合、実装ヘッド移動装置１５は、Ｘ軸スライド装置２６とＹ軸スライド装置２８とから構成されているため、実装ヘッド１４のＸ方向の位置をフィードバック制御する場合には、実装ヘッド１４のＸ方向の位置を検出するＸ方向位置検出部４５の検出信号をフィードバックし、一方、実装ヘッド１４のＹ方向の位置をフィードバック制御する場合には、実装ヘッド１４のＹ方向の位置を検出するＹ方向位置検出部４６の検出信号をフィードバックする。従って、外乱補償付きフィードバック制御系５１は、Ｘ方向の外乱補償付きフィードバック制御系５１とＹ方向の外乱補償付きフィードバック制御系５１とが設けられている。

各フィードバック制御系５１は、外乱を補償するために、位置検出部４５又は４６の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタ５２と、このバンドパスフィルタ５２を通過した前記所定の周波数帯域の信号成分に所定の補償ゲインＫを乗算して振動補償信号に変換する乗算器５３とを備える。ここで、バンドパスフィルタ５２の通過周波数帯域（前記所定の周波数帯域）は、部品実装機１１とそれが設置された建物の床面等の構造物との共振周波数を含むように設定されている。好ましくは、バンドパスフィルタ５２の中心周波数が上記共振周波数とほぼ一致するように設定すると良い。また、補償ゲインＫは、バンドパスフィルタ５２で抽出した信号の振動成分とフィードバックする位置検出部４５又は４６の検出信号の振動成分の振幅を合わせるための係数である。

各フィードバック制御系５１は、フィードバックされる位置検出部４５又は４６の検出信号と、乗算器５３で変換された振動補償信号とを加算器５４で加算することで、位置検出部４５又は４６の検出信号を振動補償信号で補正し、位置指令と補正後の検出信号との偏差を比較器５５で演算してフィードバック補償器５６に入力する。このフィードバック補償器５６は、位置指令と補正後の検出信号との偏差を小さくする（０に近付ける）ようにＰＩＤ制御又はＰＩ制御等により制御信号（操作量）を演算して実装ヘッド移動装置１５（Ｘ軸スライド装置２６又はＹ軸スライド装置２８）に出力する。これにより、各フィードバック制御系５１は、外乱を補償しながら、位置検出部４５又は４６で検出した実装ヘッド１４の位置を位置指令に一致させるように実装ヘッド移動装置１５のＸ軸スライド装置２６又はＹ軸スライド装置２８をフィードバック制御する。

各フィードバック制御系５１のバンドパスフィルタ５２、乗算器５３、加算器５４、比較器５５及びフィードバック補償器５６としての機能は、部品実装機１１の制御装置４１が実行するフィードバック制御プログラム（図示せず）によって実現される。

更に、本実施例１では、部品実装機１１の制御装置４１は、部品実装機１１を建物の床面等の構造物に設置して部品実装機１１を試運転するときに、記憶装置４４に記憶された図４のフィルタ係数／補償ゲイン同定プログラムを実行することで、バンドパスフィルタ５２の伝達関数の係数（フィルタ係数）及び乗算器５３の補償ゲインＫを同定して、それらを記憶装置４４に記憶する。これにより、部品実装機１１の設置現場でフィードバック制御系５１のバンドパスフィルタ５２と乗算器５３が自動的に作成されてフィードバック制御系５１が使用可能な状態となる。

次に、部品実装機１１の制御装置４１が実行する図４のフィルタ特性／補償ゲイン同定プログラムの処理内容を説明する。部品実装機１１の制御装置４１は、本プログラムを起動すると、まず、ステップ１０１で、位置検出部４５，４６の検出信号を所定のサンプリング周期で読み込んでその検出信号の振動の波形を実装ヘッド１４の振動の波形として測定する［振動測定部としての機能］。この後、ステップ１０２に進み、測定した検出信号の振動の波形をＦＦＴ（高速フーリエ変換）等で解析して実装ヘッド１４の振動周波数を同定する［振動周波数同定部としての機能］。

この後、ステップ１０３に進み、上記ステップ１０２で同定した実装ヘッド１４の振動の減衰特性を表す減衰係数を半値幅法等で同定する［減衰系数同定部としての機能］。この後、ステップ１０４に進み、上記ステップ１０２及び１０３で同定された実装ヘッド１４の振動周波数及び減衰係数を用いてバンドパスフィルタ５２の伝達関数の係数（フィルタ係数）を同定してバンドパスフィルタ５２を作成する［バンドパスフィルタ作成部としての機能］。

この後、ステップ１０５に進み、バンドパスフィルタ５２を通過した所定の周波数帯域の信号成分と前記ステップ１０１で測定した残留振動とを比較して、その比較結果に基づいて残留振動が小さくなるように補償ゲインＫを最小二乗法等で同定して［ゲイン同定部としての機能］、本プログラムを終了する。

本発明者は、本実施例１の外乱補償付きフィードバック制御系５１による外乱補償効果を確認するために、本実施例１の外乱補償付きフィードバック制御系５１による外乱補償ありの場合と、外乱補償なしの場合について、フィードバック制御により実装ヘッド１４を指令位置に位置決めしたときの実装ヘッド１４の残留振動（実装ヘッド１４の位置と指令位置との偏差の振動）の波形を測定したので、その測定結果を図５に示している。この図５の測定データから、本実施例１の外乱補償付きフィードバック制御系５１を使用すれば、外乱補償がない場合と比較して、実装ヘッド１４の残留振動が十分に抑えられて実装ヘッド１４が指令位置に精度良く位置決めされることが確認された。

以上説明した本実施例１では、位置検出部４５，４６の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタ５２と、このバンドパスフィルタ５２を通過した前記所定の周波数帯域の信号成分に補償ゲインＫを乗算して振動補償信号に変換する乗算器５３を用いて外乱（振動）を補償する構成であるため、従来のような複雑な構造の外乱オブザーバを用いることなく、簡単な構成で外乱を補償することができ、部品実装機１１の制御装置４１の演算処理負荷を軽減できる。しかも、バンドパスフィルタ５２は中心周波数に対して遅れがないため、ローパスフィルタ等の遅れ要素を持つ従来の外乱オブザーバとは異なり、外乱推定に応答遅れがなく、位置決め制御性能の向上も期待できる。

しかも、部品実装機１１の制御装置４１は、図４のフィルタ係数／補償ゲイン同定プログラムを実行する機能を備えているため、部品実装機１１を建物の床面等の構造物に設置して部品実装機１１を試運転するときに、図４のフィルタ係数／補償ゲイン同定プログラムを実行することで、部品実装機１１の設置現場でバンドパスフィルタ５２のフィルタ係数と乗算器５３の補償ゲインＫを自動的に同定することができ、部品実装機１１の設置現場に対応した適切なバンドパスフィルタ５２と乗算器５３を作成できる利点もある。

次に、図６を用いて実施例２を説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一の部分については同一符号を付して説明を省略又は簡略化し、主として異なる部分について説明する。

前記実施例１では、バンドパスフィルタ５２及び乗算器５３で生成した振動補償信号でフィードバック信号（位置検出部４５，４６の検出信号）を補正することで外乱を補償するようにしたが、図６に示す実施例２では、位置指令とフィードバック信号（位置検出部４５，４６の検出信号）との偏差を、バンドパスフィルタ５２及び乗算器５３で生成した振動補償信号で補正してフィードバック補償器５６に入力するように構成している。従って、本実施例２では、前記実施例１の加算器５４を廃止し、その代わりに、フィードバック補償器５６と制御対象の実装ヘッド移動装置１５との間に、バンドパスフィルタ５２及び乗算器５３で生成した振動補償信号を、位置指令とフィードバック信号（位置検出部４５，４６の検出信号）との偏差に加算する加算器５７を設けている。

以上のように構成した本実施例２においても、前記実施例２と同様の効果を得ることができる。

［その他の実施例］
制御対象は、実装ヘッド移動装置１５に限定されず、例えば、実装ヘッド１４の回転位置（回転角度）を制御するＲ軸軸駆動機構、各吸着ノズルの角度を制御するＱ軸軸駆動機構等、部品実装機１１の他の移動体移動装置を制御対象としても良い。或は、部品実装機１１に限定されず、移動体位置決め制御装置を搭載した様々な生産装置における移動体移動装置を制御対象としても良い。

また、部品実装機１１の制御装置４１は、図４のフィルタ係数／補償ゲイン同定プログラムを実行する機能を省略しても良い。この場合、図４のフィルタ係数／補償ゲイン同定プログラムの各ステップ１０１〜１０５で行う作業と同等の作業を、部品実装機１１の設置現場で作業者が適宜の測定器具を使用して行うようにしても良い。

その他、本発明は、前記各実施例に限定されず、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても良いことは勿論である。

１１…部品実装機、１４…実装ヘッド（移動体）、１５…実装ヘッド移動装置（移動体移動装置）、２５…Ｘ軸モータ、２６…Ｘ軸スライド装置（移動体移動装置）、２７…Ｙ軸リニアモータ、２８…Ｙ軸スライド装置（移動体移動装置）、４１…制御装置（移動体位置決め制御装置）、４５…Ｘ方向位置検出部、４６…Ｙ方向位置検出部、５１…外乱補償付きフィードバック制御系、５２…バンドパスフィルタ、５３…乗算器、５４…加算器、５５…比較器、５６…フィードバック補償器、５７…加算器

Claims (8)

1. 移動体を移動させる移動体移動装置を制御対象とし、前記移動体の位置を検出する位置検出部の検出信号をフィードバックして前記移動体の位置を位置指令に一致させるように前記移動体移動装置を制御するフィードバック補償器を備えた移動体位置決め制御装置において、
   前記位置検出部の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタを通過した前記所定の周波数帯域の信号成分に所定のゲインを乗算して振動補償信号に変換する乗算器とを備え、
   前記位置検出部の検出信号を前記振動補償信号で補正してフィードバックするように構成されている、移動体位置決め制御装置。
2. 移動体を移動させる移動体移動装置を制御対象とし、前記移動体の位置を検出する位置検出部の検出信号をフィードバックして前記移動体の位置を位置指令に一致させるように前記移動体移動装置を制御するフィードバック補償器を備えた移動体位置決め制御装置において、
   前記位置検出部の検出信号のうちの外乱の振動周波数帯域に相当する所定の周波数帯域の信号成分を通過させるバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタを通過した前記所定の周波数帯域の信号成分に所定のゲインを乗算して振動補償信号に変換する乗算器とを備え、
   前記位置指令と前記前記位置検出部の検出信号との偏差を前記振動補償信号で補正して前記フィードバック補償器に入力するように構成されている、移動体位置決め制御装置。
3. 前記所定の周波数帯域は、前記移動体移動装置が搭載された機械とその機械が設置された構造物との共振周波数を含むように設定されている、請求項１又は２に記載の移動体位置決め制御装置。
4. 前記位置検出部の検出信号を所定のサンプリング周期で読み込んで前記移動体の振動の波形を測定する振動測定部と、
   前記振動測定部で測定した前記移動体の振動の波形を解析してその振動周波数を同定する振動周波数同定部と、
   前記移動体の振動の減衰特性を表す減衰系数を同定する減衰系数同定部と、
   前記振動周波数同定部及び前記減衰系数同定部で同定された前記振動周波数及び前記減衰系数を用いて前記バンドパスフィルタの伝達関数の係数を同定して前記バンドパスフィルタを作成するバンドパスフィルタ作成部と
   を備える、請求項３に記載の移動体位置決め制御装置。
5. 前記バンドパスフィルタを通過した前記所定の周波数帯域の信号成分と前記振動測定部で測定した残留振動とを比較してその比較結果に基づいて前記残留振動が小さくなるように前記所定のゲインを同定するゲイン同定部を備える、請求項４に記載の移動体位置決め制御装置。
6. 前記移動体移動装置は、前記移動体を前後左右方向であるＸＹ方向に移動させるように構成されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の移動体位置決め制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の移動体位置決め制御装置が搭載されている、部品実装機。
8. 前記移動体は、部品供給装置から供給される電子部品をピックアップして回路基板に実装する実装ヘッドである、請求項７に記載の部品実装機。

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