KR102390758B1 - 부품 배치 장치 및 부품 배치 장치 구동 방법 - Google Patents

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데르 부르크 리차드 아드리아누스 요하네스 반
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아셈블레온 비.브이.
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Abstract

부품 배치 장치가 제공된다. 부품 배치 장치는 기계 프레임, 기계 프레임에 의해 지지된 서브프레임(subframe); 그리고 부품 픽업 유닛을 포함한다. 부품 픽업 유닛은 서브프레임에 대해 이동 가능하다. 부품 픽업 유닛은 제1 구동부에 의해 적어도 일 방향으로 이동 가능하다. 부품 배치 장치는, 서브프레임에 대한 이동 방향으로 부품 픽업 유닛이 이동하는 동안, 부품 픽업 유닛에 의해 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로 대응하도록, 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 제2 구동부에 의해 서브프레임에 대해 이동 가능한 이동식 카운터 매스(counter-mass)를 포함한다.

Description

부품 배치 장치 및 부품 배치 장치 구동 방법
본 출원은 2016년 9월 29일에 출원된 미국 가출원 제62/401,550호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 여기에 참조로 통합되어 있다.
본 발명은 부품을 픽업 위치로부터 픽업하고 기판 상의 원하는 위치에 부품을 배치하기 위해 사용되는 부품 배치 장치에 관한 것이다.
미국특허 제9,193,015 B2호는 예시적인 부품 배치 장치를 개시한다. 이러한 부품 배치는 바람직하게는 고속으로 그리고 정확하게 발생한다.
높은 속도를 얻기 위해서, 부품 픽업 유닛은 상대적으로 고속으로 픽업 위치로부터 이동된다. 유사한 방식으로, 부품 픽업 유닛은 기판 상의 원하는 위치 근처에서 빠르게 감속되거나, 즉, 상대적으로 높은 음의 가속(negative acceleration)으로 이동된다. 이러한 높은 가속은 픽업 위치로 복귀시에도 발생한다. 이러한 가속 때문에, 상대적으로 큰 반작용 힘이 부품 픽업 유닛에 의해 서브프레임에 가해진다. 서로들 사이에서의 이러한 반작용 힘은, 기계 프레임 및 기계 프레임에 의해 지지되는 가능성 있는 다른 서브프레임의 진동과 변형을 야기하고, 이에 다른 부품 픽업 유닛이 원하는 위치로 이동될 수 있는 정확도에 영향을 미친다. 이 효과를 동적 크로스토크(dynamic crosstalk)라고 하며, 이 용어는 하나의 부품 픽업 유닛의 동적 거동이 다른 부품 픽업 유닛의 위치 정확성에 미치는 영향을 의미하는 것으로 이해된다. 기계 프레임의 진동 및 변형은 부품 배치 장치의 근처에 마련된 다른 장치에 영향을 미칠 수 있다.
이러한 반작용 힘의 영향을 줄이기 위해서, 부품 픽업 유닛을 낮은 가속도로 이동시키는 것이 가능하다. 그러나, 이것은 단위 시단당 이동될 수 있는 부품수에 악영향을 미칠 것이다. 또 다른 가능성은 반작용의 힘이 더 흡수될 수 있도록, 기계 프레임을 보다 무겁고 단단하게 만드는 것이다. 그러나, 이것은 부품 배치 장치를 생산하고 사용하는데 상대적으로 비용이 많이 들게 할 것이다.
미국특허 제9,193,015 B2호에 따르면, 부품 배치 장치는 기계 프레임과 기계 프레임에 의해 지지된 각 서브프레임에 대해 이동 가능한 부품 픽업 유닛을 포함된다. 부품 픽업 유닛은 이동 방향으로 이동할 수 있다. 부품 배치 장치는, 서브프레임에 대한 이동 방향으로 부품 픽업 유닛이 이동하는 동안, 부품 픽업 유닛에 의해 서브 프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로 대응하는 목적으로, 실질적으로 서브프레임의 이동 방향에 의해 결정된 저항력을 가하기 위한 적어도 하나의 구동 유닛 뿐만 아니라, 실질적으로 이동 방향으로 서브프레임에 가해지는 저항력의 크기를 결정하기 위한 수단을 포함한다.
미국특허 제9,193,015 B2호의 구동 유닛은 두 부품을 포함하며, 서브프레임에는 구동 유닛의 제1 부품이 마련되고, 구동 유닛의 제1 부품과 협동하는 구동 유닛의 제2 부품은 기계 프레임으로부터 독립하여 세워지는 보조 프레임에 장착된다. 미국특허 제9,193,015 B2호에 따른 부품 배치 유닛의 단점은 보조 프리스탠딩(freestanding) 프레임을 활용한다는 것이다.
보조 프리스탠딩 프레임의 크기와 비용은 부품 픽업 유닛의 수에 의존한다. 단일 부품 픽업 유닛에 대한 이러한 프레임 비용은 상대적으로 높다. 모든 부품 픽업 유닛에 대해 하나의 공통 프레임이 만들어지면, 각 부품 픽업 유닛이 이러한 구동 유닛을 포함하는 경우에만 부품 픽업당 비용이 보다 낮다. 알려진 부품 배치 유닛의 융통성은 낮다.
본 발명의 예시적인 실시예는, 적어도 기계 프레임과 기계 프레임에 의해 지지된 서브프레임에 대해 이동 가능한 부품 픽업 유닛을 포함하는 부품 배치 장치에 관한 것이며, 부품 픽업 유닛은 적어도 하나의 방향으로 제1 구동부에 의해 이동될 수 있다. 본 발명은 또한 이러한 부품 배치 장치를 구동하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 부품 배치 장치 및 이러한 부품 배치 장치를 구동하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 부품 배치 유닛에 의해 가해진 반작용 힘은 기계 프레임에 전혀 또는 실질적으로 어떠한 영향을 미치지 않을 것이다.
본 발명의 어떤 예시적 실시예에 따라, 본 목적은 부품 배치 유닛에 의해 달성되며, 부품 배치 장치는, 서브프레임에 대한 이동 방향으로 부품 픽업 유닛이 이동하는 동안, 부품 픽업 유닛에 의해 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로 대응하도록, 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 제2 구동부에 의해 서브프레임에 대해 이동 가능한 이동식 카운터 매스(counter-mass)를 포함한다.
이동식 카운터 매스는 부품 픽업 유닛과 비교하여 반대 방향으로 가속 또는 감속하여 이동되어지며, 카운터-매스는 부품 픽업 유닛에 의해 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로(그리고 바람직하게는 완전히) 대응하는 반대 힘을 야기한다. 부품 픽업 유닛에 의해 픽업되는 부품의 중량이 부품 픽업 유닛의 중량에 비해 상대적으로 작기 때문에, 부품 픽업 유닛에 의해 놓여지는 다른 부품의 중량 차이는 카운터-매스의 원하는 중량에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않을 것이다.
카운터-매스와 부품 픽업 유닛은 서브 프레임에 대해 독립적으로 그리고 개별적으로 이동할 수 있기 때문에, 카운터-매스와 부품 픽업 유닛의 이동 제어는 상대적으로 쉽다.
카운터-매스의 사용의 다른 이점은 부품 배치 장치가 많은 부품 픽업 유닛을 포함하는 경우, 원하거나 필요하다면, 각 부품 픽업 유닛에 카운터-매스와 각 제2 구동부가 개별적으로 마련될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 부품 배치 장치의 일 실시예는, 카운터 매스를 구동하기 위한 제2 구동부에 의해 가해진 힘이, 카운터 매스와 부품 픽업 유닛이 이동하는 동안 부품 픽업 유닛을 구동하기 위한 제1 구동부에 의해 가해진 힘과 일치하는 것에 특징이 있다. 힘이 일치하기 때문에, 어떠한 토크 힘(또는 실질적 토크 힘)도 서브프레임으로 안내되지 않는다.
본 발명에 따른 부품 배치 장치의 일 실시예는, 부품 픽업 유닛의 질량 중심과 카운터 매스의 질량 중심을 통과하는 가상선이 부품 픽업 유닛과 카운터 매스가 이동하는 동안 이동 방향에 평행하게 연장되는 것에 특징이 있다. 부품 픽업 유닛과 카운터-매스가 동일 선을 따라 반대 방향으로 이동되기 때문에, 어떠한 토크 힘(또는 실질적 토크 힘)도 서브프레임으로 안내되지 않는다.
그러나 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 다른 실시예는, 부품 배치 장치가, 부품 픽업 유닛의 이동을 이동 방향으로 제어하기 위한 제어 신호를 전달하기 위한 제어 유닛을 포함하며, 제어 유닛에는, 카운터 매스의 원하는 위치를 계산하기 위한 셋포인트(setpoint)로서 부품 픽업 유닛의 실제 위치를 사용하기 위한 수단이 마련되는 것에 특징이 있다.
제어 유닛은 마스터-슬레이브(master-slave) 유닛으로서 기능을 할 수 있으며, 이에 의해 부품 픽업 유닛의 이동 제어는 마스터 제어이고, 이에 반해 카운터-매스의 이동 제어는 부품 픽업 유닛의 이동을 뒤따르는 슬레이브 제어이다.
그러나 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 다른 실시예는, 부품 픽업 유닛의 제1 구동부에 제어 유닛에 의해 제공되는 전류 명령(current command)이 카운터 매스의 제2 구동부에도 제공되는 것에 특징이 있다.
전류 명령 전달을 제공하는 것에 의해 마스터-슬레이브 제어의 동기화 정확성이 향상된다.
그러나 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 다른 실시예는, 부품 픽업 유닛과 카운터 매스를 위한 제1 구동부 및 제2 구동부가 리니어 모터를 포함하며, 각 리니어 모터에는 서브프레임에 의해 지지되는 리니어 스테이터(stator)가 마련되고, 영구 자석이 부품 픽업 유닛과 카운터 매스에 각각 위치되는 것에 특징이 있다. 이러한 리니어 모터에 의해, 부품 배치 유닛과 카운터-매스의 이동 제어가 각각 상대적으로 쉽다.
그러나 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 다른 실시예는, 부품 배치 장치가, 기계 프레임에 의해 지지된 대응 서브프레임에 대한 이동 방향으로 적어도 각각 독립적으로 이동 가능한 적어도 2개의 부품 픽업 유닛을 포함하며, 각 부품 픽업 유닛은 대응하는 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 이동 가능한 각 카운터-매스와 협동하는 것에 특징이 있다.
두 개 이상의 부품 픽업 유닛을 가지는 것에 의해, 각각 대응 카운터-매스, 동적 크로스토크(crosstalk)(이 용어는 다른 부품 픽업 유닛의 위치 정확성에 대한 하나의 부품 픽업 유닛의 동적 행동의 영향을 의미하는 것으로 이해됨)와 협력하는 것이 피해지거나 제한된다.
본 발명은 기계 프레임에 의해 지지되는 서브프레임에 대해 이동 가능한 부품 픽업 유닛 및 적어도 하나의 기계 프레임을 포함하는 부품 배치 장치 구동 방법에 관한 것이며, 부품 픽업 유닛은 제1 구동부에 의해 이동 방향으로 적어도 이동 가능하고, 부품 배치 장치는 이동식 카운터 매스를 포함하고, 이동식 카운터 매스는, 서브프레임에 대한 이동 방향으로 부품 픽업 유닛을 이동시키는 동안, 부품 픽업 유닛에 의해 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로 대응하도록, 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 제2 구동부에 의해 서브프레임에 대해 이동 가능하다.
이동식 카운터-매스는 부품 픽업 유닛과 비교하여 반대 방향으로 가속 또는 감속하여 이동되어져, 카운터-매스는 부품 픽업 유닛에 의해 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로(그리고 바람직하게는 완전히) 대응하는 반대 힘을 야기한다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예는, 부품 배치 장치가 이동 방향으로 부품 픽업 유닛의 이동을 제어하기 위한 제어 신호를 전달하는 제어 유닛을 포함하며, 부품 픽업 유닛의 실제 위치는 제어 유닛에 의해 카운터 매스의 위치를 계산하기 위한 셋포인트로서 사용되는 것에 특징이 있다.
제어 유닛은 마스터-슬레이브 유닛으로서 작동을 하며, 이에 의해 부품 픽업 유닛의 이동 제어는 마스터 제어, 그리고 카운터-매스의 이동 제어는 부품 픽업 유닛의 이동을 뒤따르는 슬레이브 제어이다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예는 부품 배치 장치의 구동을 위해 제어 유닛에 의해 제공되는 전류 명령이 카운터 매스의 구동에도 제공되는 것에 특징이 있다.
전류 명령 전달을 제공하는 것에 의해 마스터-슬레이브 제어의 동기화 정확성이 향상된다.
본 발명은 첨부 도면과 연결지어 읽을 때 다음의 상세 설명을 통해 잘 이해된다. 일반적인 관례에 따라, 도면의 다양한 특징은 크기 조정한 것이 아님을 강조한다. 이에 반해, 다양한 특징의 치수는 명확성을 위해 임의로 확대되거나 축소되어진다. 도면에는 다음 도면이 포함된다:
도 1은 종래 기술에 따른 부품 배치 장치의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 부품 배치 장치의 실시예의 정면 사시도이다.
도 3은 도 2에서 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 서브프레임의 단면도이며, 부품 배치 유닛과 카운터 매스(counter-mass)가 서로 가까이 위치된다.
도 4는 도 2에서 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 서브프레임의 단면도이며, 부품 배치 유닛과 카운터 매스가 떨어져서 위치된다.
도 5a, 도 5b는 도 2에 나타내어진 바와 같은 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 예시의 창의적 제어 유닛의 개략도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 부품 배치 장치와 도 2 내지 도 4 및 도 5a, 도 5b에 나타내어진 바와 같은 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 이동을 나타내는 도표이며; 그리고
도 7은 도 2 내지 도 4 및 도 5a, 도 5b에 나타내어진 바와 같은 본 발명에 따른 부품 배치 장치의 모터 힘을 나타내는 도표이다.
유사 부품은 도면에서 동일 부호로 나타내어져 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 부품 배치 장치(1)의 측면도이며, 부품 배치 장치는 기계 프레임(2), 기계 프레임(2)에 의해 지지된 서브프레임(subframe)(3) 및 서브프레임(3)에 대해 이동 가능한 부품 픽업 유닛(4)을 포함한다. 부품 픽업 유닛(4)은 적어도 화살표 P1으로 나타내어진 이동 방향 및 반대 방향으로 이동할 수 있다. 기계 프레임(2)은 지지부(5) 및 지지부(5)의 양측에 배치된 수직부(6)를 포함한다. 지지부(5)는 지지 다리(7)를 통해 베이스(8)에 지지된다. 기판(9)을 운반하기 위한 컨베이 장치(미도시)는 도면의 평면(plane)에 가로 방향으로 수직부(6) 사이에서 지지부(5) 상에 지지된다. 부품 픽업 유닛(4)은, 예를 들면 EP 1 937 050 A1로부터 알려진 예와 같이, 기판(9) 상의 픽업 부품을 픽업, 이동 및 후속 배치를 위해, 부품 픽업 위치(표시되지 않음)로부터 기판(9) 상의 원하는 위치로 일반적인 방법으로 이동할 수 있다. 서브프레임(3)에 대한 부품 픽업 유닛(4)의 이동은 모터에 의해 이루어지며, 모터는 원하는 가속도와 속도로 부품 픽업 유닛(4)을 이동시키기 위한 제어 유닛에 의해 제어된다. 부품 픽업 유닛(4)이 화살표 P1으로 나타내어진 방향으로 가속될 때, 모터는 화살표 P1으로 나타내어진 방향으로 부품 픽업 유닛(4)에 힘(F1)을 가한다. 이것은 서브프레임(3)에 마련된 부품 픽업 유닛(4)의 반작용 힘(F2)을 발생시키며, 반작용 힘(F2)은 힘(F1)과 크기는 동일하지만 방향은 반대이다. 반작용 힘(F2)은 서브프레임(3)을 통해 수직부(6)에 가해지며, 이 결과로서 수직부(6)는 화살표 P2로 나타내어진 방향으로 탄성적으로 구부려질 것이다. 굽힘 형상은 점선으로 도시되어진다. 굽힘 정도는 명확하게 하기 위해 확대하여 나타내어진다. 수직부(6)의 변형은 서브프레임(3)을 화살표 P1의 반대 방향으로 이동시킨다. 변하는 반작용 힘(F2)은 진동을 야기할 것이다. 일단 반작용 힘(F2)이 감소하면, 수직부(6)는 뒤로 구부려질 것이다. 부품 픽업 유닛(4)이 부품을 픽업하거나 배치하기 위해 정지될 때 반작용 힘(F2)이 제로(0)까지 감소할 것이기 때문에, 진동은 감소되며 반작용 힘(F2)에 의해 야기된 기계 프레임에서의 진동과 이동은 정지된 부품 픽업 유닛(4)에 의해 부품을 배치하는 동안 사실상 정확성에 영향을 미치지 않을 것이다.
그러나 제2 서브프레임(3)이 제1 서브프레임(3) 옆에 기계 프레임(2)이 있으면, 제2 서브프레임(3)에는 또한 제2 서브프레임(3)에 대해 이동 가능한 제2 부품 픽업 유닛(4)이 마련되며, 루프(10)(점선으로 도시됨)를 통한 변형과 진동이 루프(10)에 있는 부품의 상대적 위치에 영향을 미치기 때문에, 반작용 힘(F2)에 의해 야기된 기계 프레임(2)에서의 변형과 진동은, 제2 부품 픽업 유닛(4)에 의해 부품의 정확한 배치를 방해할 것이다. 결과적으로, 15마이크론 이하의 정확도로 제2 서브프레임의 부품 픽업 유닛(4)에 의한 부품의 정확한 배치는 일반적으로 가능하지 않다. 부품 픽업 유닛(4)이 제2 서브프레임 상에서 이동하는 동안 발생하는 반작용 힘이 제1 서브프레임의 부품 픽업 유닛(4)의 배치 정확성에 부정적 영향을 미칠 것이라는 것은 당연하다. 게다가, 반작용 힘(F2)에 의해 야기된 기계 프레임(2)에서의 변형과 진동은 부품 배치 장치(1)의 부근에 마련된 다른 장비에서의 진동을 야기할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 부품 배치 장치(11)의 실시예의 정면 사시도를 나타내며, 기계 프레임(1), 기계 프레임(12)에 의해 지지되는 기판용 컨베이 장치(13), 및 3개의 서브프레임(14)을 포함한다. 부품 배치 장치(11)는, 그 전방측에 마련되고, 교환 가능한 홀더(16)에 수용되는 복수의 부품 공급 장치(15)를 포함한다.
도 3 및 도 4는 부품 배치 장치(11)의 서브프레임(14)의 단면도를 나타낸다. 서브프레임(14)은 부품 픽업 유닛(18)(때때로 "부품 배치 유닛(18/18')"으로 지칭됨, 도 5a 및 도 5b 참조) 및 카운터-매스(19)(때때로 "카운터 매스 유닛(19/19')"으로 지칭됨, 도 5a 및 도 5b 참조)을 지지하는 긴 프로파일(17)을 포함한다. 부품 픽업 유닛(18)에는 그 하측(20)에 노즐(미도시)이 마련되며, 노즐에 의해서 부품이 픽업될 수 있다. 부품 픽업 유닛(18)에는 리니어 스테이터(22)와 반대되게 위치되어지는 영구 자석(21)이 마련되어 있다. 영구 자석(21)과 리니어 스테이터(22)가 제1 구동부(23)를 형성한다. 부품 픽업 유닛(18)은 제1 구동부(23)에 의해 화살표 P3로 나타내어진 방향, 그리고 반대 방향으로 이동할 수 있다.
카운터-매스(19)에는 리니어 스테이터(25)와 반대에 위치되어 있는 영구 자석(24)이 마련되어 있다. 영구 자석(24)과 리니어 스테이터(25)가 제2 구동부(26)를 형성한다. 제2 구동부(26)에 의해 카운터-매스(19)는 화살표 P4로 나타내어진 방향 및 반대 방향으로 이동할 수 있다. 화살표 P3 및 P4는 명확하게 나타내어지도록 반대 방향으로 연장되며, 부품 픽업 유닛(18)과 카운터-매스(19)가 반대 방향으로 항상 이동될 것이다.
카운터-매스(19)를 구동하기 위한 제2 구동부(26)에 의해 가해진 힘은, 카운터-매스(19)와 부품 픽업 유닛(18)이 화살표 P4, P3에 의해 나타내어진 바와 같은 방향으로, 또는 반대 방향으로 이동하는 동안, 부품 픽업 유닛(18)을 구동하기 위한 제1 구동부(23)에 의해 가해진 힘과 일치한다. 힘은 가상선(LF)을 따라 연장된다.
부품 픽업 유닛(18)의 질량 중심(C1)과 카운터-매스(19)의 질량 중심(C2)을 통과하는 가상선(LC)은 부품 픽업 유닛(18)과 카운터-매스(19)가 이동하는 동안 이동 방향(P3, P4)에 평행하게 연장된다.
도 3에서 부품 배치 유닛(18)과 카운터-매스(19)는 서로 가깝게 위치되어 있고, 이에 의해 부품 배치 유닛(18)은 가장 좌측 위치에 있고, 카운터-매스(19)는 가장 우측 위치에 있다. 도 4에서 부품 배치 유닛(18)과 카운터-매스(19)는 떨어져 있고, 이에 의해 부품 배치 유닛(18)은 가장 우측 위치에 있고 카운터-매스(19)는 가장 좌측 위치에 있다.
구동부(23, 26)의 리니어 모터의 반작용 힘은 모터 힘과 동일하지 않다고 이해하는 것이 중요하다. 내부 손실(예를 들면, 마찰, 댐핑(damping))로 인해, 서브프레임(14)에서의 반작용 힘이 가속력과 동일하다. 그래서, 아래 등식에서 나타내어진 바와 같이, 서브프레임(14)에서의 알짜 힘(Fnett)은 두 가속력의 차이이다.
Figure 112019053993519-pct00001
상기 등식에서: FY . acc는 부품 배치 유닛(18)의 가속에 의한 힘이고; FB,acc는 카운터-매스(19)의 가속에 의한 힘이고; FY,mot는 부품 배치 유닛(18)의 제1 구동부(23)의 모터 힘이고; FY,fric는 부품 배치 유닛(18)이 이동하는 동안 발생하는 마찰력이고; FB,mot는 카운터-매스(19)의 제2 구동부(26)의 모터 힘이며; 그리고 FB,fric는 카운터-매스(19)가 이동하는 동안 발생하는 마찰력이다.
Y-모터 힘이 전달된 간단한 공급이면(FB,mot = FY,mot), 로봇 프레임에서의 결과적인 힘은 내부 마찰 손실의 차이와 동일하다(Fnett = FB,fric - FY,fric). 마찰력은 원래 다르다(예를 들면, 두 개의 다른 메카니즘/구동 트레인(train)).
따라서, 이동(모터 힘은 아님)만이 동기화되어야만 하고, 이에 가속력이 동일하고 서브프레임(14)에서의 알짜 힘은 제로인 효과를 가진다.
보상의 정확성은 기계 프레임(12)에서의 결과적인 알짜 힘과 서브프레임(14)/기계 프레임(12)의 강성에 대한 비율에 의존한다. 예를 들면, 5.107 [N/m]의 프레임 강성과 1 마이크로미터 이하의 크로스 토크(cross talk)에 의해, 알짜 힘 에러는 5.107×10-6 = 50N 보다 더 작아야 한다.
부품 배치 유닛(18)과 카운터 매스(mass, 질량)(19)의 가속력이 동일한 경우, 두 기계 부품(18, 19)의 질량 중심은 정확히 동일 위치에 있다. 질량 중심이 이동하기 않기 때문에, 반작용 힘이 존재하지 않는다. 매우 낮은 강성 프레임일지라도, 이 개념은 유효할 것이다.
이에, 두 기계 부품(18, 19)의 질량 중심이 안정된 위치에 있기 때문에, 등식은 관계를 아래에 나타낸다.
Figure 112019053993519-pct00002
상기 등식에서: my는 부품 배치 유닛(18)의 질량이고; ypos는 부품 배치 유닛(18)의 위치이고; mb는 카운터-매스(19)의 질량이고; 그리고 bpos는 카운터-매스(19)의 위치이다.
카운터-매스(19)의 스트로크를 제한하기 위해, 카운터-매스(19)의 질량은 부품 배치 유닛(18)의 중심보다 크다. 카운터-매스(19)의 최대 스트로크는 아래 등식에 의해 나타내어진 바와 같이, 두 매스의 질량비에 의해 정의되어질 것이다.
Figure 112019053993519-pct00003
상기 등식에서: bstroke는 카운터-매스(19)의 스트로크이고; 그리고 ystroke는 부품 배치 유닛(18)의 스트로크이다.
일 예로서: my: ~10kg; ystroke: 750mm; 부품 배치 유닛(18)의 최대 가속: 25 m/s2; mb: ~50kg; bstroke: 150mm; 그리고 카운터-매스(19)의 최대 가속: 5m/s2이다.
게다가 두 개의 모터 힘이 일치하고, 그리고 카운터-매스(19)의 질량 중심과 부품 배치 유닛(18)의 질량 중심이 일치한 것은 중요하다. 이 상황에서는 기계 프레임(12)에 추가적인 변형을 야기할 수 있는 어떠한 방해 힘(동일한 모터 힘)과 어떠한 방해 토크도 없을 것이다.
또 다른 중요한 효과는 공장 바닥에 대한 반작용 힘이 없다는 것이다. 특히 바닥 진동에 매우 민감한 생산 설비가 부품 배치 장치(11)의 영역에 배치될 때, 카운터 매스 기술을 장착한 부품 배치 장치(11)는 바람직하게는 이 민감한 장비를 방해하지 않을 것이다.
부품 배치 장치(11)에 의해 노즐은 또한 X 방향으로 그리고 반대 방향으로 부품 배치 유닛(18)에서 이동할 수 있으며, Z 방향으로 그리고 반대 방향으로 그리고 PHI 방향에서 Z축을 중심으로 회전 가능하게 도면의 면에 수직하게 연장된다.
보통 기계 컨트롤러는, 예를 들면, 부품 배치 유닛(18)의 Y 방향으로의 이동 및 노즐의 X-, Z- 그리고 PHI 방향으로의 이동의 4개의 축을 제어할 수 있다. 또한 카운터-매스(19)의 Y 방향으로의 이동을 제어할 수 있도록, 부품 배치 장치(1)에는 제어 유닛(31/31')이 마련되어 있다(도 5a, 도 5b 참조).
특별히 도 5a를 참조하면, 제어 유닛(31)은 4개의 축을 제어할 수 있는 부품 배치 컨트롤러(32a)를 포함하여, 부품 배치 유닛(18)의 Y 방향 이동 및 노즐의 X-, Z- 그리고 PHI 방향으로 이동 가능하다. 도 5a에서, 하나의 방향(예를 들면, Y 방향)으로의 이동 제어만이 나타내어져 있다. 위치 셋포인트(60a)는 모션 궤도(60)(예를 들면, Y축을 따른 모션 궤도)로부터 부품 배치 컨트롤러(32a)까지 마련된다. 부품 배치 컨트롤러(32a)로부터, 전류 명령(33a)이 제1 구동부(13)에 보내어져서 (엔코더를 가지는) 부품 배치 유닛을 특정 위치로 이동시킨다. 이동하는 동안, 부품 배치 유닛(18)의 위치(예를 들면, Y 위치)는 (유닛(18)에 포함된) 엔코더에 의해 결정된다. 엔코더 위치(34)(예를 들면, Y축 엔코더 위치)는, 실제 위치와 원하는 위치 사이의 가능한 차이를 수정하기 위해, 부품 배치 컨트롤러(32a)와 제1 구동부(23)에 다시 보내어진다. 이것은 전형적인 마스터 제어 기능이다.
게다가, 도 5a에 나타내어진 바와 같이, 부품 배치 유닛(18)의 엔코더 위치(34)는 카운터 매스 배치 컨트롤러(32b)(마스터 슬레이브(master slave) 구성에서, 카운터 매스 슬레이브 축의 위치가 부품 배치 유닛 마스터 축의 실제 위치에 대응하는 곳)로 보내어진다. 엔코더 위치(36)(예를 들면, 카운터 매스의 Y축 엔코더 위치)는 카운터 매스 유닛(19)으로부터 제2 구동부(26)와 카운터 매스 배치 컨트롤러(32b)에 제공된다. 부품 배치 유닛(18)의 엔코더 위치(34)는 카운터 매스 배치 컨트롤러(32b)에 제공되는 마스터 셋포인트(60b)로서 역할을 한다. 제2 구동부(26)가 활성화되어 카운터 매스 유닛(19)을 특정 위치로 이동시킨다. 이동하는 동안, 카운터 매스 유닛(19)의 엔코더 위치(예를 들면, Y 위치)는 (카운터 매스 유닛(19)에 포함된) 엔코더에 의해 결정된다. 카운터 매스 유닛(19)의 엔코더 위치(36)는, 실제 위치와 원하는 위치 사이의 가능한 차이를 정정하기 위해, 제2 구동부(26)로 다시 보내어진다. 카운터 매스 유닛(19)의 제어는 부품 배치 유닛(18)의 제어에 의해 슬레이브로서 따른다.
마스터 및 슬레이브의 동기화 정확성을 향상시키기 위해, 전류 공급 전달 신호(37)를 제2 구동부(26)(슬레이브 구동)로 제공하기 위해 부품 배치 컨트롤러(32a)의 전류 명령(33a)을 사용할 수 있다.
도 5a, 도 5b에 나타내어진 마스터/슬레이브 구성과 반대로, 제어 유닛(31')을 포함하는, 여기에서 "동기화(synchronized)" 모션으로서 지칭되는 대체 구성이 도시되어 있으며, 양 모션 시스템(예를 들면, 부품 배치 컨트롤러(32')와 카운터 매스 배치 컨트롤러(32b'))은 동일한 (크기의) 위치 명령(예를 들면, 모션 궤적(60')으로부터의 위치 셋포인트(60a'))을 얻어 모션 시스템은 동기화되어 이동한다. 부품 배치 컨트롤러(32a')로부터, 전류 명령(33a')은 제1 구동부(23')에 보내어져 (엔코더를 가지는) 부품 배치 유닛을 특정 위치로 이동시킨다. 이동하는 동안, 부품 배치 유닛(18')의 위치(예를 들면, Y 위치)는 (유닛(18)에 포함된) 엔코더에 의해 결정된다. 엔코더 위치(34')(예를 들면, Y축 엔코더 위치)는, 실제 위치와 원하는 위치 사이의 가능한 차이를 정정하기 위해, 부품 배치 컨트롤러(32') 및 제1 구동부(23')로 다시 보내어진다. 카운터 매스 배치 컨트롤러(32b')로부터, 전류 명형(33b')이 제2 구동부(26')로 보내어져 (엔코더를 가지는) 카운터 매스 유닛을 특정 위치로 이동시킨다. 이동하는 동안, 카운터 매스 유닛(19')의 위치(예를 들면, Y 위치)는 (유닛(19')에 포함된) 엔코더에 의해서 결정된다. 엔코더 위치(36')(예를 들면, Y축 엔코더 위치)는, 실제 위치와 원하는 위치 사이의 가능한 차이를 정정하기 위해, 카운터 매스 배치 컨트롤러(32b')와 제2 구동부(26')로 다시 보내어진다.
도 5a에서의 제어 유닛(31)(또는 도 5b에서의 제어 유닛(31'))이 활성화될 수 있기 전에, 부품 배치 유닛(18)(또는 18')과 카운터 매스 유닛(19)(또는 19')은 바람직하게는 그들 초기 위치, 예를 들면, 도 3 또는 도 4에서 나타내어진 바와 같은 위치로 이동되어, 위치가 동기화된다.
이제 예시적인 사례 연구가 제공된다. 구체적으로, 부품 배치 장치(1)의 예시가 이제 주어진다. 예시적인 파라미터는, 기계 프레임(12) 질량: 1000kg; 기계 프레임(12) 고유 주파수: 35Hz; 서브프레임(14) 질량: 80kg; 서브프레임(14) 고유 주파수: 100Hz; 컨트롤러 셋팅 (기계에서, 밴드 폭 ~ 70Hz); 부품 배치 유닛(18) 질량: 15kg; 카운터-매스(19) 질량 - 부품 배치 유닛(18) 질량의 비(ratio): 5 [-]; 카운터-매스 유닛(19) 질량: 75kg; 카운터-매스(19) 오픈 루프(open loop) 컨트롤러 밴드 폭: 70Hz; 카운터 매스 컨트롤러: 마스터 - 슬레이브, 무전류 공급 전달(37); 부품 배치 유닛(18)의 스트로크: 300mm; 부품 배치 유닛(18)의 속도: 1.5 m/s; 그리고 부품 배치 유닛(18)의 가속도: 25m/s2; 부품 배치 유닛(18)의 저크(jerk): 2000m/s3를 포함한다.
도 6 및 도 7에는 상기 주어진 값에 기초한 연구 결과가 나타내어져 있다. 도 6에 나타내어진 바와 같이, 카운터 매스 유닛(19)이 없는 서브프레임(14)은 기계 프레임(12)에 대해 양 방향으로 14 마이크로미터 이상 이동된다("COMP OFF"). 카운터 매스 유닛(19)을 가진 서브프레임(14)은 기계 프레임(12)에 대해 양 방향으로 1 마이크로미터 이하 이동된다("COMP ON"). 변형은 가속도 프로파일과 유사하다.
이에, 프레임 변위는 14 마이크로미터에서 1 마이크로미터로 감소된다. 게다가, 전류 공급 전달(37)이 향상될 수 있으나, 로봇 변위가 이미 작기 때문에, 전류 공급 전달이 이 연구에서는 필요하지 않다(카운터 매스 - 축 제어 루프의 밴드 폭이 충분이 높음(70Hz)).
도 7에는 제1 및 제2 구동부(23, 26)의 모터 힘(F)이 나타내어져 있다. 알 수 있는 바와 같이 제1 구동부(23)의 모터 힘은 속도 종속부(댐핑)를 가진다. 모터 힘의 일부는 내부 구동 마찰/댐핑을 극복할 필요가 있다. 제2 구동부(26)의 모터 힘에서의 작은 오버슛(overshoot)은 손실 공급 전달(37)로 인해 발생하고, 이에 저크 위상(jerk phase) 동안 로봇 크로스 토크에서의 작은 리플(small ripple)을 초래한다.
또한 제어 유닛을 사용하는 것이 가능하며, 이에 의해 기계 컨트롤러(32)는 모든 이동을 직접적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 부품 배치 장치의 예시는 SMT(표면-장착식 기술(surface-mount technology))의 픽 앤 플레이스(pick and place) 기계; 다른 픽 앤 플레이스 기계; 반도체 다이 어태치(die attach) 기계; 열압축(thermocompression) 본딩 기계; 플립 칩(flip chip) 본딩 기계 등을 포함한다.
본 발명은 여기에서 특정 실시예를 참조하여 도시되고 설명되어 있지만, 본 발명은 나타내어진 상세 설명에 한정되지는 않는다. 오히려, 본 발명으로부터 벗어하지 않는 청구범위의 동등한 영역 및 범위 내에서 상세한 설명에 다양한 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 기계 프레임;
    상기 기계 프레임에 의해 지지된 서브프레임(subframe);
    상기 서브프레임에 대해 이동 가능하며, 적어도 이동 방향으로 제1 구동부에 의해 이동 가능한 부품 픽업(pickup) 유닛;
    상기 서브프레임에 대한 이동 방향으로 상기 부품 픽업 유닛이 이동하는 동안, 상기 부품 픽업 유닛에 의해 상기 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로 대응하도록, 상기 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 제2 구동부에 의해 상기 서브프레임에 대해 이동 가능한 이동식 카운터 매스(counter-mass);
    상기 부품 픽업 유닛의 이동을 이동 방향으로 제어하기 위해 상기 제1 구동부에 전류 명령(current command)을 보내는 부품 배치 컨트롤러를 포함하는 제어 유닛; 및
    상기 카운터 매스를 이동시키도록 상기 제2 구동부를 제어하기 위한 카운터 매스 배치 컨트롤러를 포함하고,
    상기 부품 배치 컨트롤러에 의해 제공되는 상기 전류 명령은, 상기 제2 구동부에도 제공되며,
    상기 카운터 매스 배치 컨트롤러에는, 상기 카운터 매스의 원하는 위치를 계산하기 위한 마스터 셋포인트(setpoint)로서 상기 부품 픽업 유닛의 실제 위치가 제공되는 부품 배치 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 카운터 매스를 구동하기 위한 상기 제2 구동부에 의해 가해진 힘은, 상기 카운터 매스와 상기 부품 픽업 유닛이 이동하는 동안 상기 부품 픽업 유닛을 구동하기 위한 상기 제1 구동부에 의해 가해진 힘과 일치하는 부품 배치 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 부품 픽업 유닛의 질량 중심과 상기 카운터 매스의 질량 중심을 통과하는 가상선이 상기 부품 픽업 유닛과 상기 카운터 매스가 이동하는 동안 이동 방향에 평행하게 연장되는 부품 배치 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 픽업 유닛과 상기 카운터 매스를 위한 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부는 리니어 모터를 포함하며, 각 리니어 모터에는 상기 서브프레임에 의해 지지되는 리니어 스테이터(stator)가 마련되고, 영구 자석은 상기 부품 픽업 유닛과 상기 카운터 매스에 각각 위치되는 부품 배치 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 배치 장치는, 상기 기계 프레임에 의해 지지되는 대응 서브프레임에 대한 이동 방향으로 적어도 각각 독립적으로 이동 가능한 적어도 2개의 부품 픽업 유닛을 포함하며,
    각 부품 픽업 유닛은 대응하는 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 이동 가능한 각 카운터 매스와 협동하는 부품 배치 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 배치 장치는 표면 장착식 기술의 픽 앤 플레이스(pick and place) 기계인 부품 배치 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 배치 장치는 픽 앤 플레이스 기계인 부품 배치 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 배치 장치는 반도체 다이 어태치(die attach) 기계인 부품 배치 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 배치 장치는 열압축(thermo compression) 본딩 기계인 부품 배치 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품 배치 장치는 플립 칩(flip chip) 본딩 기계인 부품 배치 장치.
  13. 기계 프레임에 의해 지지되는 서브프레임에 대해 이동 가능한 부품 픽업 유닛 및 적어도 하나의 기계 프레임을 포함하는 부품 배치 장치 구동 방법으로서,
    상기 부품 픽업 유닛은 제1 구동부에 의해 이동 방향으로 적어도 이동 가능하고,
    상기 부품 배치 장치는 이동식 카운터 매스를 포함하고, 상기 이동식 카운터 매스는, 상기 서브프레임에 대한 이동 방향으로 상기 부품 픽업 유닛을 이동시키는 동안, 상기 부품 픽업 유닛에 의해 상기 서브프레임에 가해진 반작용 힘에 적어도 부분적으로 대응하도록, 상기 부품 픽업 유닛의 이동 방향에 반대되는 방향으로 제2 구동부에 의해 상기 서브프레임에 대해 이동 가능하고,
    상기 부품 배치 장치는, 상기 부품 픽업 유닛의 이동을 이동 방향으로 제어하기 위해 상기 제1 구동부에 전류 명령(current command)을 보내는 부품 배치 컨트롤러를 포함하는 제어 유닛 및 상기 카운터 매스를 이동시키도록 상기 제2 구동부를 제어하기 위한 카운터 매스 배치 컨트롤러를 포함하고,
    상기 부품 배치 컨트롤러에 의해 제공되는 상기 전류 명령은, 상기 제2 구동부에도 제공되며,
    상기 카운터 매스 배치 컨트롤러에는, 상기 카운터 매스의 원하는 위치를 계산하기 위한 마스터 셋포인트(setpoint)로서 상기 부품 픽업 유닛의 실제 위치가 제공되는 부품 배치 장치 구동 방법
  14. 삭제
  15. 삭제
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