KR20130018664A - 외란억제 하중제어장치 - Google Patents

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오사무 가나자와
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후지쿠라 고무 코교 가부시끼가이샤
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Abstract

리니어 모터 병용 실린더로부터 출력되는 실측 하중치를 목표 하중치로 양호하게 추종시켜 외란에 대한 응답성을 높이는 동시에, 리니어 모터의 발열을 억제할 수 있는 외란억제 하중제어장치를 제공한다. 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부는, 리니어 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호와 실측 하중치 신호의 계차신호로부터 에어 실린더장치의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내고, 이 저주파 계차신호에 기초하여 에어 실린더장치로 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 에어 실린더장치 하중제어부; 및 상기 계차신호로부터 리니어 모터의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내고, 이 고주파 계차신호에 기초하여 리니어 모터로 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 리니어 모터 하중제어부; 를 갖는다.

Description

외란억제 하중제어장치{DISTURBANCE SUPPRESSION LOAD CONTROL DEVICE}
본 발명은, 가공대상물에 대해 하중을 실으면서 가공을 행하는 가공장치(예를 들어, 연마장치, 초음파 용착장치, 본더)에 장착되는 외란억제 하중제어장치에 관한 것이다.
외란억제 하중제어장치는, 가공대상물에 대해 하중을 실으면서 가공을 행하는 가공장치(예를 들어, 연마장치, 초음파 용착장치, 본더)에 장착되고, 가공장치 측의 외란 요소(예를 들면 모터의 진동)의 영향을 억제하여 가공대상물에 대하여 목표 하중치를 계속 싣는 것에 의해 가공정밀도의 향상을 꾀하는 것이다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 가공구(연삭 휠)를 상하이동시키는 압압 이동수단으로써의 리니어 모터와, 가공구(연삭 휠)를 탄성적으로 지지하는 쿠션으로써의 에어 실린더장치를 갖고, 리니어 모터에 공급되는 전류의 검출결과에 기초하여 리니어 모터를 제어하는 장치가 개시되어 있다. 이에 대해, 본 출원인은, 에어 실린더장치와 리니어 모터에서 동일한 가동부를 이동시키는 것에 의해 가공대상물에 하중을 실어, 이른바 리니어 모터 병용 실린더를 탑재한 외란억제 하중제어장치를 개발중이다. 이 외란억제 하중제어장치는, 에어 실린더장치가 가공대상물에 대해 목표 하중치 부근의 비교적 큰 하중을 싣고, 리니어 모터가 가공장치 측의 외란 요소의 영향을 캔슬하기 위한 비교적 작은 하중을 실으며, 리니어 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호와 실측 하중치 신호의 계차신호에 기초하여 생성한 동일한 하중 부가지시 신호를 에어 실린더장치와 리니어 모터로 보내는 것에 의해, 에어 실린더장치와 리니어 모터의 출력하중을 제어하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특개 2005-66761호 공보
그러나, 본 발명자의 그 후의 연구에 의해, 에어 실린더장치와 리니어 모터로 동일한 하중 부가지시 신호를 보내면, 다음과 같은 문제가 생기는 것이 분명하게 되어 왔다. 즉, 에어 실린더장치와 리니어 모터는 동일한 하중 부가지시 신호에 대하여 각각 전력으로 반응하려고 하지만, 양자의 반응속도가 전혀 다르기(에어 실린더장치는 반응이 늦고, 리니어 모터는 빠르기) 때문에, 리니어 모터 병용 실린더로부터 출력되는 실측 하중치가 목표 하중치로 양호하게 추종해 갈 수 없고, 외란에 대한 응답성이 낮다. 또, 리니어 모터에 저주파 대역의 직류성분의 신호전압이 실리기 때문에 리니어 모터가 발열하기 쉽고, 이 발열은 에어 실린더장치가 하중 부가지시 신호에 반응할 때까지 계속되기 때문에, 분위기 온도에 악영향을 주어 정밀한 가공을 할 수 없게 될 우려가 있다.
본 발명은, 이상의 문제의식에 기초하여, 리니어 모터 병용 실린더로부터 출력되는 실측 하중치를 목표 하중치로 양호하게 추종시켜 외란에 대한 응답성을 높이는 것과 동시에, 리니어 모터의 발열을 억제할 수 있는 외란억제 하중제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는, 에어 실린더장치가 저주파수 대역의 하중 부가지시 신호에 대하여 반응이 쉽고(고주파수 대역의 하중 부가지시 신호에 대하여 반응하기 어렵고), 리니어 모터가 고주파수 대역의 하중 부가지시 신호에 대하여 반응하기 쉽다(저주파수 대역의 하중 부가지시 신호에 대하여 반응하기 어렵다)는 점에 착안하여, 개별의 제어계로부터, 에어 실린더장치에 대하여 저주파수 대역의 하중 부가지시 신호를 보내고, 리니어 모터에 대하여 고주파수 대역의 하중 부가지시 신호를 보내도록 하면, 에어 실린더장치와 리니어 모터가 각각의 하중 부가지시 신호에 빠르게 반응하므로, 리니어 모터 병용 실린더로부터 출력되는 실측 하중치를 목표 하중치로 양호하게 추종시켜 외란에 대한 응답성을 높이는 것과 동시에, 리니어 모터의 발열을 누를 수 있다는 결론에 달하여 본 발명을 하기에 이르렀다.
즉, 본 발명의 외란억제 하중제어장치는, 동일한 하중 부가대상물에 대하여 비교적 큰 하중을 부가하는 에어 실린더장치와, 비교적 작은 하중을 부가하는 리니어 모터를 갖는 리니어 모터 병용 실린더; 및 상기 리니어 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호와 실측 하중치 신호의 계차신호에 기초하여, 상기 에어 실린더장치와 리니어 모터의 출력 하중치를 제어하는 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부; 를 갖고, 상기 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부는, 상기 계차신호로부터 상기 에어 실린더장치의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내, 이 저주파 계차신호에 기초하여 상기 에어 실린더장치에 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 에어 실린더장치 하중제어부; 및 상기 계차신호로부터 상기 리니어 모터의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내고, 이 고주파 계차신호에 기초하여 상기 리니어 모터로 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 리니어 모터 하중제어부; 를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 외란억제 하중제어장치는, 그 한 양태에서는, 상기 에어 실린더장치 하중제어부가, 식(1)에서 규정된 제어규칙에 기초하여, 상기 에어 실린더장치로 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내고, 상기 리니어 모터 하중제어부가, 식(2)에서 규정된 제어규칙에 기초하여, 상기 리니어 모터로 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보낸다.
Figure pct00001
(1)
단, Kp: 비례 게인, f I: 적분시간, f D: 미분시간, f LPI: 로우 패스 필터의 컷오프 주파수, s: 플러스 연산자이다.
Figure pct00002
(2)
단, Kp: 비례 게인, f I: 적분시간, f D: 미분시간, f LP2: 로우 패스 필터의 컷오프 주파수, f HP1: 하이 패스 필터의 컷오프 주파수, s: 플러스 연산자이다.
이 양태는, 식(1), (2)의 제어규칙 중에서 하중 부가지시 신호의 주파수 대역을 나누는(필터링하는) 것이며, 에어 실린더장치 하중제어부와 리니어 모터 하중제어부로 분기한 계차신호에 기초하여 각각의 제어부에서 제어연산을 행하고, 그 제어지령값으로 필터링을 실행한다.
본 발명의 외란억제 하중제어장치는, 다른 양태에서는, 동일한 하중 부가대상물에 대하여 비교적 큰 하중을 부가하는 에어 실린더장치와, 비교적 작은 하중을 부가하는 리니어 모터를 갖는 리니어 모터 병용 실린더; 및 상기 리니어 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호와 실측 하중치 신호의 계차신호에 기초하여, 상기 에어 실린더장치와 리니어 모터의 출력 하중치를 제어하는 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부;를 갖고, 상기 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부는, 상기 계차신호로부터 상기 에어 실린더장치의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내는 로우 패스 필터와, 이 로우 패스 필터에서 골라낸 저주파 계차신호에 기초하여 상기 에어 실린더장치에 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 에어 실린더장치 하중제어부;및 상기 계차신호로부터 상기 리니어 모터의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내는 밴드 패스 필터와, 이 밴드 패스 필터에서 골라낸 고주파 계차신호에 기초하여 상기 리니어 모터에 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 리니어 모터 하중제어부;를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
이 양태에서는, 물리적인 필터 회로(로우 패스 필터, 밴드 패스 필터)에서 하중 부가지시 신호의 주파수 대역을 나누는 것이다.
상기 리니어 모터는, 가공장치에 고정되는 고정부로부터 그 고정부에 하중 부하방향으로 이동가능하게 지지된 가동부에 접촉하지 않은 상태로 하중을 부가하는 보이스 코일 모터로 할 수 있다.
상기 보이스 코일 모터를, 상기 고정부에 설치된 코일과, 상기 가동부에 설치된 자기회로로부터 구성하고, 상기 자기회로에 의해 형성된 자기장 안에서 상기 코일로 전류를 흘리는 것에 의해 상기 고정부에 대해 상기 가동부를 하중 부하방향으로 진동시킬 수 있다.
상기 자기회로는, 상기 가동부의 일부를 이루는 유저통상의 아우터 요크와, 그 아우터 요크의 저부에 지지된 마그넷과, 그 마그넷에 지지된 인너 요크로부터 구성할 수 있다.
본 발명의 외란억제 하중제어장치에 의하면, 리니어 모터 병용 실린더로부터 출력되는 실측 하중치를 목표 하중치로 양호하게 추종시켜 외란에 대해 응답성을 높이는 동시에, 리니어 모터의 발열을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 관계된 외란억제 하중제어장치를 연마장치에 장착한 상태를 도시하는 개념도,
도 2는 외란억제 하중제어장치의 평면도,
도 3은 도 2의 III-III선을 따르는 단면도,
도 4는 외란억제 하중제어장치의 측면도,
도 5는 도 4의 V-V선을 따르는 단면도,
도 6은 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부에 의한 제어동작을 설명하기 위한 블록도,
도 7은 보이스 코일 모터 병용 실린더의 목표 하중신호의 신호파형을 도시하는 도,
도 8은 보이스 코일 모터 병용 실린더의 이상적인 하중치 신호의 신호파형을 도시하는 도,
도 9는 보이스 코일 모터 병용 실린더의 실측 하중치 신호의 신호파형을 도시하는 도,
도 10은 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호의 신호파형을 도시하는 도,
도 11은 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호의 신호파형을 도시하는 도,
도 12는 목표 하중치 추종특성을 계측하기 위한 도 6에 대응하는 블록도,
도 13은 목표 하중치 추종특성의 측정결과를 도시하는 제 1의 도,
도 14는 목표 하중치 추종특성의 측정결과를 도시하는 제 2의 도,
도 15는 목표 하중치 추종특성의 측정결과를 도시하는 제 3의 도, 및
도 16은 본 발명의 다른 실시형태에 관계된 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부에 의한 제어동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1 내지 도 11을 이용하여, 본 발명의 외란억제 하중제어장치(100)를 연마장치(가공장치)(200)에 장착한 실시형태를 설명한다. 도 1에서 도시하는 바와 같이, 외란억제 하중제어장치(100)는, 연마장치(200)에 고정된 고정부(110)와, 이 고정부(110)에 상하방향(하중 부하방향)으로 이동가능하게 지지된 가동부(120)를 갖는다. 가동부(120)는, 상가동부(121)와 하가동부(122)를 가이드 로드(123)에서 결합하고 있으며, 이 가이드 로드(123)가 고정부(110)의 내부를 안내되는 것에 의해 가동부(120)가 고정부(110)에 대하여 상하방향으로 이동한다. 도 2 내지 도 5에서 도시하는 가동부(120)의 하가동부(122)의 하면(122a)에는, 도 1에서 도시하는 로드셀(하중 센서)(300)을 거쳐, 연마베드(410)와 이 연마베드(410)를 회전시키는 연마 모터(420)로 이루어지는 연마베드유닛(400)이 접속된다. 도 2 내지 도 5에서는, 로드셀(300) 및 연마베드유닛(400)의 도시를 생략하고 있다.
도 1, 도 3, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 고정부(110)와 상가동부(122)의 사이에는 고정압력실(124)이 형성되고, 고정부(110)와 하가동부(122)의 사이에는 가변압력실(125)이 형성되어 있다. 고정압력실(124)에는, 가동부(120)를 위쪽을 향해 들어올리는 듯한 고정압이 항상 계속 가해진다. 가변압력실(125)에는, 가동부(120)를 아래쪽을 향해 밀어붙일 때의 밀어붙임 하중을 조절하기 위한 변동압이 가해진다. 고정부(110) 및 가동부(120) 및 고정압력실(124) 및 가변압력실(125)에 의해, 하중 부가대상물인 연마대상물(W)에 대해 목표 하중치 근방의 비교적 큰 하중을 싣는 롤링 다이어프램식의 에어 실린더장치(130)가 구성된다.
도 3, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 고정부(110)의 하단부(110a)로부터는 통상(원통상)의 필름부재(111)가 아래쪽으로 늘어난 상태로 나와 있으며, 이 필름부재(111)의 외주면에 코일(보이스 코일)(112)이 상하방향으로 권회되고 있다. 가동부(120)의 하가동부(122)는 유저통상의 아우터 요크(126)를 갖고, 이 아우터 요크(126)의 저부(126a)의 중앙부에 마그넷(127)이 지지되어 있으며, 게다가 이 마그넷(127)의 상부에 인너 요크(128)가 지지되어 있다. 인너 요크(128)는, 고정부(110) 측의 필름부재(111)에 둘러싸여 지지되어 있다. 아우터 요크(126)와 인너 요크(128)의 사이에 형성된 공간(갭)에는, 마그넷(127)에 의한 자기장이 형성된다(아우터 요크(126)와 마그넷(127)과 인너 요크(128)가 자기회로를 구성한다).
고정부(110) 측의 코일(112)에는 도시하지 않은 전기배선이 접속되어 있으며(가동부(120) 측에 전기배선은 불필요), 이 전기배선을 통해 자기장 안에서 코일(112)로 전류를 흘리면, 아우터 요크(126)와 마그넷(127)과 인너 요크(128)가 일체가 되어 진동하고, 그 결과, 가동부(120)가 고정부(110)에 대하여 상하방향(하중 부하방향)으로 진동한다. 고정부(110) 측의 코일(112), 및 가동부(120) 측의 아우터 요크(126)와 마그넷(127)과 인너 요크(128)(자기회로)에 의해, 고정부(110)에서부터 가동부(120)로 접촉하지 않은 상태로 하중을 부가하는 보이스 코일 모터(VCM)(리니어 모터)(140)가 구성된다. 보이스 코일 모터(140)는, 하중 부가대상물인 연마대상물(W)에 대해, 연마장치(200) 또는 연마베드유닛(400) 측의 외란요소(예를 들어 연마 모터(420)의 회전)의 영향을 캔슬하기 위한 비교적 작은 하중을 싣는다.
보이스 코일 모터(140)의 전자력이 유효하게 작용하기 위해서는, 이하의 조건식(3)의 관계를 만족하는 것이 필요하다.
(3) α
Figure pct00003
β－ｒ
단,
α: 고정부(110), 상가동부(121) 및 고정압력실(124)에 의해 구성되는 실린더부를 상실린더부로 규정하고, 고정부(110), 하가동부(122) 및 가변압력실(125)에 의해 구성되는 실린더부를 하실린더부로 규정했을 때, 상실린더부의 실린더 스트로크(α1)와 하실린더부의 실린더 스트로크(α2)의 총합,
β: 인너 요크(128)의 상하방향의 높이,
ｒ: 코일(112)의 상하방향의 권회 높이이다.
도 1에서는, 개념도인 관계상, 하가동부(122)와 로드셀(300) 사이에 보이스 코일 모터(140)가 개재되어 있는 것처럼 그리고 있지만, 실제로는 도 3, 도 5를 이용하여 설명한 것처럼, 고정부(110) 측의 코일(112), 및 가동부(120) 측의 아우터 요크(126)와 마그넷(127)과 인너 요크(128)(전기회로)에 의해 보이스 코일 모터(140)가 구성된다.
보이스 코일 모터 병용 실린더(리니어 모터 병용 실린더)(150)는, 에어 실린더장치(130)와 보이스 코일 모터(140)를 병렬하게 접속하여 이루어지고, 에어 실린더장치(130)의 출력하중과 보이스 코일 모터(140)의 출력 하중의 총계가 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 출력 하중으로 된다. 로드셀(300)은, 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 출력 하중(실측 하중치)을 측정한다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 외란억제 하중제어장치(100)는, 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(리니어 모터 병용 실린더 하중제어부)(160)를 갖고 있다. 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(160)는 연마장치(200)로부터 입력한 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 목표 하중치 신호(a)와, 로드셀(300)로부터 입력한 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 실측 하중치 신호(b)와의 계차신호에 기초하여, 에어 실린더장치(130)와 보이스 코일 모터(140)의 출력 하중치를 제어한다. 에어 실린더장치(130)로의 제어지령은, 도시하지 않은 서보밸브(SV)를 거쳐 행한다.
보다 구체적으로는, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(160)는, 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 목표 하중치 신호(a)와 실측 하중치 신호(b)의 계차신호(c)가 각각 입력하는 에어 실린더장치 하중제어부(170) 및 보이스 코일 모터 하중제어부(리니어 모터 하중제어부)(180)를 갖고 있다. 또, 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(160)는, 식(1)의 제어규칙을 기억한 에어 실린더장치 제어규칙기억부(171)와, 식(2)의 제어규칙을 기억한 보이스 코일 모터 제어규칙기억부(리니어 모터 제어규칙기억부)(181)를 갖고 있다.
Figure pct00004
단, Kp: 비례 게인, f I: 적분시간, f D: 미분시간, f LPI: 로우 패스 필터의 컷오프 주파수, s: 플러스 연산자이다.
Figure pct00005
단, Kp: 비례 게인, f I: 적분시간, f D: 미분시간, f LP2: 로우 패스 필터의 컷오프 주파수, f HP1: 하이 패스 필터의 컷오프 주파수, s: 플러스 연산자이다.
에어 실린더장치 하중제어부(170)는, 수학식(1)의 제어규칙을 기억한 에어 실린더장치 제어규칙기억부(171)를 참조하여, 입력한 계차신호(c)로부터 에어 실린더장치(130)의 목표 하중치 신호(a)에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)를 생성하고, 이 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)를 에어 실린더장치(130)로 보낸다.
보이스 코일 모터 하중제어부(180)는, 수학식(2)의 제어규칙을 기억한 보이스 코일 모터 제어규칙기억부(181)를 참조하여, 입력한 계차신호(c)로부터 보이스 코일 모터(140)의 목표 하중치(a)에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호)(e)를 생성하고, 이 보이스 코일 모터용 최적하중 지시신호(e)를 보이스 코일 모터(140)로 보낸다.
이상 구성의 외란억제 하중제어장치(100)는, 다음과 같이 동작한다. 먼저, 연마장치(200)로부터 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(160)에, 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)에 일정치의 하중(여기에서는 10N)을 출력시킬 취지의 목표 하중치 신호(a)(도 7)를 입력한다. 이 목표 하중치 신호(a)를 받은 에어 실린더장치 하중제어부(170)와 보이스 코일 모터 하중제어부(180)는, 에어 실린더장치(130)와 보이스 코일 모터(140)를 구동시켜, 하중 부가대상물인 연마대상물(W)에 대해 목표 하중치인 10N에 달할 때까지 서서히 하중을 실어간다. 이 하중치 신호의 신호파형은, 이상적으로는, 도 8에서 도시하는 바와 같은 직선파형인 것이 바람직하다. 그러나 실제로는, 연마장치(200) 또는 연마베드유닛(400) 측의 외란요소(예를 들어 연마 모터(420)의 회전)의 영향에 의해, 도 9에서 도시하는 바와 같은 외란 성분이 혼재한 실측 하중치 신호(b)가 로드셀(300)에서 측정된다. 연마장치(200)로부터의 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 목표 하중치 신호(a)와 로드셀(300)로부터의 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)의 실측 하중치 신호(b)와의 계차신호(c)는, 실측 하중치가 10N에 달한 후도 계속해서, 에어 실린더장치 하중제어부(170)와 보이스 코일 모터 하중제어부(180)로 분기하여 입력된다.
에어 실린더장치 하중제어부(170)는, 에어 실린더장치 제어규칙기억부(171)를 참조하여, 입력한 계차신호(c)로부터 에어 실린더장치(130)의 목표 하중치 신호(a)에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내어 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)(도 10)를 생성하고, 이 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)를 에어 실린더장치(130)로 보낸다.
동시에, 보이스 코일 모터 하중제어부(180)는, 보이스 코일 모터 제어규칙기억부(181)를 참조하여, 입력한 계차신호(c)로부터 보이스 코일 모터(140)의 목표 하중치(a)에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내어 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)(도 11)를 생성하고, 이 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)를 보이스 코일 모터(140)로 보낸다. 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)로부터는, 예를 들어 50Hz-660Hz와 같은 초고주파 대역의 성분도 제거된다.
에어 실린더장치(130)는 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)에 빠르게 반응하여, 연마대상물(W)에 대해 목표 하중치인 10N의 하중을 출력한다. 동시에, 보이스 코일 모터(140)는 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)에 빠르게 반응하고, 연마대상물(W)에 대해 실측 하중치 신호(b)의 외란 성분을 캔슬하는 미소한 하중을 출력한다. 그 결과, 실측 하중치를 목표 하중치로 항상 양호하게 추종시킬 수 있고(실측 하중치 신호(b)의 신호파형을 도 8에서 도시하는 이상파형에 접근할 수 있고), 비약적인 외란 제어효과를 얻을 수 있다. 또, 에어 실린더장치(130)가 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)에 반응하는 타이밍과 보이스 코일 모터(140)가 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)에 반응하는 타이밍에 차이가 없고, 보이스 코일 모터(140)에 저주파 대역의 직류성분의 신호전압이 실리는 일이 없기 때문에, 보이스 코일 모터(140)의 발열을 최소한으로 억제할 수 있고, 정밀한 연마가공을 실행할 수 있다.
본 발명자는, 도 12에서 도시하는 바와 같이, 도 6의 블록도에 있어서 신호의 입출력 가장자리에 FFT 애널라이저(500)를 접속하고, 목표 하중치 신호로써, 개시주파수 0.1Hz, 종료주파수 60Hz, 스위프 시간 300s, 가진 진폭 0.6Np-p(±0.3N)의 사인 스위프 신호를 입력하고, 목표 하중치에 대한 실측 하중치(제어 하중치)의 주파수 전달관계를 FFT 애널라이저(500)에서 계측했다. 도 13 내지 도 15는 그 측정 결과를 도시하고 있다.
도 13(A)에서 도시하는 바와 같이, 목표 하중치 신호의 신호파형과 실측 하중치 신호의 신호파형의 진폭의 비(게인)로 비교하면, 50Hz 정도의 높은 주파수 대역까지, 실측 하중치가 목표 하중치로 양호하게 추종시키고 있는 것을 알 수 있다. 도 13(B)에서 도시하는 바와 같이, 목표 하중치 신호의 신호파형과 실측 하중치 신호의 신호파형의 위상차로 비교하면, 50Hz 정도의 높은 고주파 대역까지, 실측 하중치 신호의 신호파형이 목표 하중치 신호의 신호파형에 대하여 위상차 45°의 범위 내에서 추종하고 있는 것을 알 수 있다.
도 14(A), (B), (C)는 각각, 목표 하중치 신호의 주파수를 1Hz, 10Hz, 50Hz로 변화시켰을 때의 실측 하중치(제어 하중치)를 도시하고 있다. 그 결과, 어느 주파수라도, 실측 하중치가 목표 하중치로 양호하게 추종하고 있으며, 실측 하중치 신호의 신호파형이 목표 하중치 신호의 신호파형에 대하여 위상차 45°의 범위 내에서 추종하고 있는 것을 알 수 있다.
도 15(A), (B), (C)는 각각, 목표 하중치 신호를 DC신호에서 1N, 5N, 10N으로 변화시켰을 때의 실측 하중치(제어 하중치)를 도시하고 있다. 그 결과, 어느 목표 하중치라도, 목표 하중치 ±0.005N의 범위 내에서 실측 하중치가 목표 하중치로 추종하고 있는 것을 알 수 있다.
도 16은, 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(160)의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 이 실시형태에서는, 도 6의 에어 실린더장치 제어규칙기억부(171)에 기억된 제어규칙을 물리적인 필터회로인 로우 패스 필터(172)에서 실현하고, 에어 실린더장치 하중제어부(170)로부터 에어 실린더장치(130)로 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호(d)를 보내고, 동시에, 도 6의 보이스 코일 모터 제어규칙기억부(181)에 기억된 제어규칙을 물리적인 필터회로인 밴드 패스 필터(182)에서 실현하고, 보이스 코일 모터 하중제어부(180)로부터 보이스 코일 모터(140)로 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)를 보낸다. 밴드 패스 필터(182)는, 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(e)로부터 예를 들어 50Hz-60Hz와 같은 초고주파 대역의 성분을 제거하도록 설계되어 있다.
이상의 실시형태에서는, 외란억제 하중제어장치(100)를 연마장치(200)에 사용한 경우를 예시하여 설명했지만, 가공대상물에 대해 하중을 실으면서 가공을 행하는 가공장치라면, 초음파 용착장치, 본더 등에도 동시에 적용할 수 있다.
이상의 실시형태에서는, 롤링 다이어프램식의 에어 실린더장치(130)를 예시하여 설명했지만, 에어 실린더장치는, 패킹식, 메탈가이드식, 에어 베어링식 등을 사용해도 좋다.
이상의 실시형태에서는, 리니어 모터로써 보이스 코일 모터(140)를 사용한 경우를 예시하여 설명했지만, 보이스 코일 모터(140)를 대신하여, 리니어 유도모터, 리니어 동기모터, 리니어 직류모터, 리니어 스테핑모터 등을 사용하는 것도 가능하다.
이상의 실시형태에서는, 로드셀(300)을 하가동부(122)의 하면(122a)에 배치한 경우를 예시하여 설명했지만, 로드셀의 위치는 이것에 한정되지 않는다. 로드셀은, 보이스 코일 모터 병용 실린더(150)로부터 연마대상물(W)에 실리는 실측 하중치를 측정할 수 있는 위치에 있으면 좋고, 예를 들어, 연마대상물(W)의 연마면과 반대측면에 로드셀을 배치해도 좋다.
본 발명에 의한 외란억제 하중제어장치는, 가공대상물에 대해 하중을 실으면서 가공을 행하는 가공장치(예를 들어, 연마장치, 초음파 용착장치, 본더)에 이용할 수 있다.
100 : 외란억제 하중제어장치 110 : 고정부
111 : 필름부재 112 : 코일(보이스 코일)
120 : 가동부 121 : 상가동부
122 : 하가동부 123 : 가이드로드
124 : 고정압력실 125 : 가변압력실
126 : 아우터 요크(자기회로) 127 : 마그넷(자기회로)
128 : 인너 요크(자기회로) 130 : 에어 실린더장치
140 : 보이스 코일 모터(VCM)(리니어 모터)
150 : 보이스 코일 모터 병용 실린더(리니어 모터 병용 실린더)
160 : 보이스 코일 모터 병용 실린더 하중제어부(리니어 모터 병용 실린더 하중제어부)
170 : 에어 실린더장치 하중제어부
171 : 에어 실린더장치 제어규칙기억부
172 : 로우 패스 필터
180 : 보이스 코일 모터 하중제어부(리니어 모터 하중제어부)
181 : 보이스 코일 모터 제어규칙기억부(리니어 모터 제어규칙기억부)
182 : 밴드 패스 필터
200 : 연마장치(가공장치)
300 : 로드셀(하중 센서)
400 : 연마베드유닛
410 : 연마베드
420 : 연마 모터
500 : FFT 애널라이저
a : 보이스 코일 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호
b : 보이스 코일 모터 병용 실린더의 실측 하중치 신호
c : 계차신호
d : 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호
e : 보이스 코일 모터용 최적하중 부가지시 신호(리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호)
W : 연마대상물(하중 부가대상물)

Claims (6)

  1. 동일한 하중 부가대상물에 대해 비교적 큰 하중을 부가하는 에어 실린더장치와, 비교적 작은 하중을 부가하는 리니어 모터를 갖는 리니어 모터 병용 실린더; 및
    상기 리니어 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호와 실측 하중치 신호의 계차신호에 기초하여, 상기 에어 실린더장치와 리니어 모터의 출력 하중치를 제어하는 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부; 를 갖고,
    상기 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부는,
    상기 계차신호로부터 상기 에어 실린더장치의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내고, 이 저주파 계차신호에 기초하여 상기 에어 실린더장치로 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 에어 실린더장치 하중제어부; 및
    상기 계차신호로부터 상기 리니어 모터의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내고, 이 고주파 계차신호에 기초하여 상기 리니어 모터로 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 리니어 모터 하중제어부;
    를 갖는 것을 특징으로 하는 외란억제 하중제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 에어 실린더장치 하중제어부는, 식(1)에서 규정되는 제어규칙에 기초하여, 상기 에어 실린더장치로 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내고, 상기 리니어 모터 하중제어부는, 식(2)에서 규정되는 제어규칙에 기초하여, 상기 리니어 모터로 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 외란억제 하중제어장치.
    Figure pct00006
    (1)
    단, Kp: 비례 게인, f I: 적분시간, f D: 미분시간, f LPI: 로우 패스 필터의 컷오프 주파수, s: 플러스 연산자이다.
    Figure pct00007
    (2)
    단, Kp: 비례 게인, f I: 적분시간, f D: 미분시간, f LP2: 로우 패스 필터의 컷오프 주파수, f HP1: 하이 패스 필터의 컷오프 주파수, s: 플러스 연산자이다.
  3. 동일한 하중 부가대상물에 대해 비교적 큰 하중을 부가하는 에어 실린더장치와, 비교적 작은 하중을 부가하는 리니어 모터를 갖는 리니어 모터 병용 실린더; 및
    상기 리니어 모터 병용 실린더의 목표 하중치 신호와 실측 하중치 신호의 계차신호에 기초하여, 상기 에어 실린더장치와 리니어 모터의 출력 하중치를 제어하는 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부; 를 갖고,
    상기 리니어 모터 병용 실린더 하중제어부는,
    상기 계차신호로부터 상기 에어 실린더장치의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 저주파수 대역을 골라내는 로우 패스 필터와, 이 로우 패스 필터에서 골라낸 저주파 계차신호에 기초하여 상기 에어 실린더장치에 에어 실린더장치용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 에어 실린더장치 하중제어부; 및
    상기 계차신호로부터 상기 리니어 모터의 목표 하중치 신호에 대한 추종특성이 우수한 고주파수 대역을 골라내는 밴드 패스 필터와, 이 밴드 패스 필터에서 골라낸 고주파 계차신호에 기초하여 상기 리니어 모터로 리니어 모터용 최적하중 부가지시 신호를 보내는 리니어 모터 하중제어부; 를 갖는 것을 특징으로 하는 외란억제 하중제어장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리니어 모터는, 가공장치에 고정되는 고정부에서부터 그 고정부에 하중 부하방향으로 이동가능하게 지지된 가동부에 접촉하지 않은 상태로 하중을 부가하는 보이스 코일 모터인 것을 특징으로 하는 외란억제 하중제어장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 보이스 코일 모터는, 상기 고정부에 설치된 코일과, 상기 가동부에 설치된 전기회로로 이루어져 있으며, 상기 전기회로에 의해 형성된 자기장 안으로 상기 코일 전류를 흘리는 것에 의해 상기 고정부에 대하여 상기 가동부를 하중 부하방향으로 진동시키는 것을 특징으로 하는 외란억제 하중제어장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 자기회로는, 상기 가동부의 일부를 이루는 유저통상의 아우터 요크와, 그 아우터 요크의 저부에 지지된 마그넷과, 그 마그넷에 지지된 인너 요크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 외란억제 하중제어장치.
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