WO2013161036A1

WO2013161036A1 - パラレルリンク式部品実装装置

Info

Publication number: WO2013161036A1
Application number: PCT/JP2012/061229
Authority: WO
Inventors: 政利藤田
Original assignee: 富士機械製造株式会社
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31
Also published as: JP6161598B2; JPWO2013161036A1

Abstract

　ロータリヘッドを支持した実装ヘッドを高速かつ高精度に位置決めできるパラレルリンク式部品実装装置を提供する。　そのために、基台１１にパラレルリンク機構１５、１６、１７を介して支持される可動部材１２と、可動部材に固定された支持部材３０に鉛直軸線の回りに回転可能に支持され、吸着ノズル１４を回転かつ昇降可能に支持したロータリヘッド３２と、基台側に設けられたＲ軸サーボモータ６２によって回転駆動され、ロータリヘッドをインデックスする第１駆動軸５１と、基台側に設けられたθ軸サーボモータ７１によって回転駆動され、吸着ノズルを回転する第２駆動軸５３と、基台側に設けられたＺ軸サーボモータ７２によって回転駆動され、部品吸着位置に割出された吸着ノズルを昇降する第３駆動軸５５とを備えた。

Description

パラレルリンク式部品実装装置

　本発明は、部品の実装作業を高速かつ高精度に行い得るパラレルリンク式部品実装装置に関するものである。

　ロータリ型の実装ヘッドを備えた部品実装装置においては、例えば、特許文献１に記載されているように、円周上に複数の吸着ノズルを昇降かつ回転可能に保持したロータリヘッドが実装ヘッドにインデックス可能に設けられ、この実装ヘッドに、ロータリヘッドをインデックスするＲ軸モータ、吸着ノズルを昇降するＺ軸モータ、吸着ノズルを回転するθ軸モータがそれぞれ支持されている。この種の部品実装装置においては、一般に実装ヘッドが、Ｘ軸（あるいはＹ軸）方向に移動可能なＸ軸（あるいはＹ軸）スライドに装着され、このＸ軸（あるいはＹ軸）スライドがＹ軸（あるいはＸ軸）方向に移動可能なＹ軸（あるいはＸ軸）スライドに支持されている。そして、Ｘ軸およびＹ軸スライドの移動によって実装ヘッドをＸＹ平面内の任意の位置に移動させ、複数の吸着ノズルによって吸着した部品を回路基板上の定められた位置に順次実装するようになっている。

特開２００８－３１１４７６号公報

　しかしながら、特許文献１に記載されたような従来の部品実装装置においては、Ｒ軸モータ、Ｚ軸モータ、θ軸モータおよびＸ軸、Ｙ軸スライドによって可動部の重量が大きくなり、実装ヘッドを高速かつ高精度に位置決めするうえで限界を生ずる問題があった。

　本発明は、上記した問題を解決するためになされたもので、ロータリヘッドを支持した実装ヘッドを高速かつ高精度に位置決めできるパラレルリンク式部品実装装置を提供することを目的とするものである。

　上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、基台と、該基台にパラレルリンク機構を介して支持される可動部材と、前記パラレルリンク機構を駆動して前記可動部材を少なくともＸＹ平面内で移動させる複数のアクチュエータと、前記可動部材に固定された支持部材に鉛直軸線の回りに回転可能に支持されたロータリヘッドと、該ロータリヘッドの円周上にそれぞれ鉛直軸線の回りに回転可能かつ昇降可能に支持された複数の吸着ノズルと、前記基台側に設けられたＲ軸サーボモータによって回転駆動され、前記ロータリヘッドをインデックスする第１駆動軸と、前記基台側に設けられたθ軸サーボモータによって回転駆動され、前記吸着ノズルを回転する第２駆動軸と、前記基台側に設けられたＺ軸サーボモータによって回転駆動され、前記ロータリヘッドのインデックスによって部品吸着位置に割出された吸着ノズルを昇降する第３駆動軸とを備えたことである。

　上記した構成によれば、ロータリヘッドを含む実装ヘッドがパラレルリンク機構によってＸＹ平面内で移動されるようになっているとともに、ロータリヘッドをインデックスするＲ軸サーボモータ、吸着ノズルを回転および昇降するθ軸およびＺ軸サーボモータが基台側に設けられているので、可動部の重量の大幅な軽量化が可能となり、部品の実装作業を高速かつ高精度に行うことができる。

　請求項２に係る発明の特徴は、請求項１において、前記支持部材には、前記第１、第２および第３駆動軸の回転角を検出するエンコーダが設けられていることである。

　上記した構成によれば、エンコーダによって第１、第２および第３駆動軸の捩れを検出でき、これに基づいて各サーボモータの回転角を補正することにより、駆動軸の捩れに影響されることなく、ロータリヘッドのインデックスおよび吸着ノズルの回転および昇降を正確に行うことができる。

　請求項３に係る発明の特徴は、請求項１または請求項２において、前記Ｒ軸、θ軸およびＺ軸サーボモータは、前記基台にそれぞれ支持されていることである。

　上記した構成によれば、Ｒ軸、θ軸およびＺ軸サーボモータの重量すべてを基台１１で負担できるので、前記基台可動部のさらなる重量の軽量化を可能にできる。

本発明の実施の形態に係るパラレルリンク式部品実装装置の全体を示す概要図である。パラレルリンク機構を駆動するアクチュエータを示すパラレルリンク式部品実装装置の上面図である。パラレルリンク機構によって支持された実装ヘッドの構成を示す図である。サーボモータの回転を駆動軸に伝達する回転伝達機構を示す断面図である。パラレルリンク式部品実装装置を制御する制御装置を示すブロック図である。

　以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、パラレルリンク式部品実装装置１０の全体を示す概要図である。当該パラレルリンク式部品実装装置１０は、図略の固定フレームに支持される基台１１と、基台１１に対して３次元方向に移動可能な可動部材１２と、可動部材１２に支持され、部品を吸着する吸着ノズル１４を備えた実装ヘッド１３を有している。

　可動部材１２は、互いに並列配置された３組のリンク機構１５、１６、１７からなるパラレルリンク機構によって基台１１に支持されている。第１のリンク機構１５は、駆動リンク２１と受動リンク２２からなっており、駆動リンク２１の一端は、図２に示すように、基台１１上に設置された支持体２３に水平軸線の回りに回動可能に枢支されている。受動リンク２２の一端は、駆動リンク２１の回動軸線と平行な軸線の回りに回動可能に可動部材１２に枢支されている。駆動リンク２１と受動リンク２２の各他端は、ボールジョイント等の回転対偶２４を介して関節接続されている。

　基台１１上には、図２に示すように、第１のリンク機構１５の駆動リンク２１を駆動するアクチュエータ２５が設置されている。アクチュエータ２５は、一例として、駆動リンク２１の一端を支持する支持体２３に取付けられた位置制御用サーボモータ２６からなり、この位置制御用サーボモータ２６の回転により、駆動リンク２１が回動されるようになっている。他の２組の第２および第３のリンク機構１６、１７も、第１のリンク機構１５と同様に構成され、それぞれ位置制御用サーボモータ２６ａ、２６ｂを駆動源とするアクチュエータ２５を備えている。

　可動部材１２に支持された実装ヘッド１３には、図３に示すように、ヘッド本体としての支持部材３０が可動部材１２と一体的に設けられている。支持部材３０には、インデックス軸３１が回転可能に支持され、このインデックス軸３１の下端にロータリヘッド３２が取付けられている。

　ロータリヘッド３２の円周上には、複数のノズル軸３３がロータリヘッド３２の回転軸線と平行な方向に昇降可能かつ回転可能に保持され、これらノズル軸３３の各先端に、部品を吸着する吸着ノズル１４がそれぞれ装着されている。各ノズル軸３３は、図略のスプリングのばね力によって通常上昇端位置に保持されている。

　インデックス軸３１の上端には、インデックス軸３１の回転角を検出するエンコーダ３７が配設されている。インデックス軸３１上には、外周にギヤ３５を形成した回転体３６が回転のみ可能に支持されている。回転体３６に形成したギヤ３５は回転体３６の軸線方向に沿って所定長さに亘って形成され、このギヤ３５に、支持部材３０に鉛直軸線の回りに回転可能に支持された回転軸３８の下端に取付けられた駆動ギヤ３９が噛合されている。回転軸３８の上端には、回転軸３８の回転角を検出するエンコーダ４０が配設されている。回転体３６のギヤ３５には、各ノズル軸３３の上端に固定されたノズルギヤ４１がそれぞれ相対摺動可能に噛合されている。

　また、支持部材３０には、ボールねじ軸４３が鉛直軸線の回りに回転可能に支持され、このボールねじ軸４３に螺合するボールナット４４を固定したノズル作動部材４５が支持部材３０に上下移動のみ可能に支持されている。ノズル作動部材４５は、所定の角度位置にインデックスされたノズル軸３３の上端に当接して、ノズル軸３３をＺ軸方向の下方に押圧するようになっている。ボールねじ軸４３の上端には、ボールねじ軸４３の回転角を検出するエンコーダ４７が配設されている。

　インデックス軸３１の上端には、第１駆動軸５１がユニバーサルジョイント５２を介して連結され、第１駆動軸５１は基台１１に設けられた後述する第１回転駆動機構によって回転駆動されるようになっている。また、回転軸３８の上端には、第２駆動軸５３がユニバーサルジョイント５４を介して連結され、第２駆動軸５３は基台１１に設けられた後述する第２回転駆動機構によって回転駆動されるようになっている。さらに、ボールねじ軸４３の上端には、第３駆動軸５５がユニバーサルジョイント５６を介して連結され、第３駆動軸５５は基台１１に設けられた後述する第３回転駆動機構によって回転駆動されるようになっている。

　第１駆動軸５１を回転駆動する第１回転駆動機構６１は、図４に示すように、基台１１に設置されたエンコーダ付のＲ軸サーボモータ６２を駆動源としており、このＲ軸サーボモータ６２の回転が回転伝達機構６３を介して第１駆動軸５１に伝達されるようになっている。回転伝達機構６３は、基台１１に鉛直軸線の回りに回転可能に支持された第１回転筒６５と、第１回転筒６５内に重合配置され、第１回転筒６５に鉛直軸線と直交する第１水平軸線の回りに揺動可能に回転連結された第２回転筒６６と、第２回転筒６６内に重合　配置され、第２回転筒６６に第１水平軸線と直交する第２水平軸線の回りに揺動可能に回転連結された第３回転筒６７を有している。第３回転筒６７の内周には、第１駆動軸５１の上端部が相対摺動のみ可能に連結されている。

　第１回転筒６５の外周にはギヤ６８が形成され、このギヤ６８にＲ軸サーボモータ６２のモータ軸に取付けられたギヤ６９が噛合されている。これにより、Ｒ軸サーボモータ６２が回転されると、ギヤ６９、６８、第１回転筒６５、第２回転筒６６および第３回転筒６７を介して第１駆動軸５１が回転駆動されるようになっている。この際、可動部材１２のＸＹ平面内の移動による第１駆動軸５１の傾きは、第２回転筒６６および第３回転筒６７の揺動によって許容される。

　第２駆動軸５３および第３駆動軸５５を回転駆動する第２および第３の回転駆動機構も、図示省略したが、上記した第１の回転駆動機構６１と同様に構成されている。すなわち、第２および第３駆動軸５３、５５は、基台１１に設置されたエンコーダ付のθ軸サーボモータ７１およびＺ軸サーボモータ７２（図５参照）によってそれぞれ回転駆動される。

　図５は、部品実装装置１０を制御する制御装置８０を示し、制御装置８０は、ＣＰＵ８１，メモリ８２および入出力インターフェース８３などからなっている。入出力インターフェース８３には、位置制御用の３つのサーボモータ２６、Ｒ軸、θ軸およびＺ軸サーボモータ６２、７１、７２をそれぞれ制御するモータ制御回路ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＵ３、ＤＵＲ、ＤＵθ、ＤＵＺや、モニタやキーボードを備えた入出力装置８５等が接続されている。メモリ８２には、部品実装装置１０を制御するための制御プログラムや、可動部材１２の位置指令値に基づいて、各位置制御用サーボモータ２６、２６ａ、２６ｂの目標回転角を算出する座標変換プログラム等が格納されている。

　部品実装装置１０の下方には、図１に示すように、Ｙ方向に所定量離間して部品吸着位置Ｐ１と部品実装位置Ｐ２が配設されている。部品吸着位置Ｐ１には、部品を部品供給位置Ｐ１１に順次供給する複数のパーツフィーダ９０がＸ方向に並設されている。部品実装位置Ｐ２には、搬送コンベア９１によってＸ方向に搬送される回路基板９２が位置決めされるようになっている。なお、図１において、９３は吸着ノズル１４によって吸着された部品を下方より撮像する部品カメラである。

　次に、上記した構成の部品実装装置１０によって、部品を回路基板９２に実装する動作について説明する。制御装置８０からの指令に基づいて、位置制御用の３つのサーボモータ２６、２６ａ、２６ｂが制御され、実装ヘッド１３がＸＹ平面内で移動されて部品吸着位置Ｐ１の所定の位置に位置決めされる。

　しかる後、制御装置８０により、Ｚ軸サーボモータ７２が正転されることにより、回転伝達機構および第２駆動軸５３を介してボールねじ軸４３が回転される。これによって、ボールナット４４を介してノズル作動部材４５が下降され、ノズル軸３３とともに吸着ノズル１４がスプリングの付勢力に抗して押下げられる。その状態で、吸着ノズル１４に負圧が供給され、部品供給位置Ｐ１１に供給された部品が吸着ノズル１４によって吸着される。その後、Ｚ軸サーボモータ７２が逆転されることにより、ノズル作動部材４５が上昇され、吸着ノズル１４がスプリングの付勢力により上昇される。

　次いで、Ｒ軸サーボモータ６２が所定角度回転されることにより、上記したノズル軸３３に隣接するノズル軸３３が部品供給位置Ｐ１１に割出され、Ｚ軸サーボモータ７２が正転されることにより、吸着ノズル１４が下降されて部品を吸着する。このような動作を繰り返すことにより、ロータリヘッド３２に保持された複数の吸着ノズル１４に部品がそれぞれ吸着される。

　この際、ロータリヘッド３２を回転するに必要な駆動トルクにより、第１駆動軸５１に捩れが生ずると、Ｒ軸サーボモータ６２を指令値通りに回転しても、ロータリヘッド３２を目標とする角度位置に制御することができなくなる。しかしながら、Ｒ軸サーボモータ６２の回転角を検出するエンコーダと、インデックス軸３１の回転角を検出するエンコーダ３７の偏差に基づいて、第１駆動軸５１の捩れを演算することができるので、その偏差に応じてＲ軸サーボモータ６２の回転角を補正することにより、ロータリヘッド３２を第１駆動軸５１の捩れに影響されることなく、正確な角度位置にインデックスできるようになる。

　第２および第３駆動軸５３、５５についても、エンコーダ４０、４７の出力に基づいて、θ軸サーボモータ７１およびＺ軸サーボモータ７２の回転角を補正することができ、第２および第３駆動軸５３、５５の捩れに影響されることなく、ノズル軸３３の回転および昇降を正確に行えるようにしている。

　このようにして、ロータリヘッド３２に保持された複数の吸着ノズル１４に部品がそれぞれ吸着されると、続いて、制御装置８０からの指令に基づいて、位置制御用の３つのサーボモータ２６、２６ａ、２６ｂによって可動部材１２が位置制御され、実装ヘッド１３が部品吸着位置Ｐ１側から部品実装位置Ｐ２側に移動され、所定の吸着ノズル１４が回路基板９２上の所定の位置に位置決めされる。

　この際、実装ヘッド１３が部品吸着位置Ｐ１から部品実装位置Ｐ２に移動される途中で、複数の吸着ノズル１４に吸着された部品の吸着状態が、部品カメラ９３によって撮像され、吸着ノズル１４に対する部品の角度ずれが認識される。そして、部品が回路基板９２に実装される際に、角度ずれに応じて、制御装置８０によりθ軸サーボモータ７１が回転される。θ軸サーボモータ７１の回転により、回転伝達機構、第２駆動軸５３およびギヤ３９、３５を介してノズル軸３３が回転（自転）され、吸着ノズル１４に対する部品の角度ずれが補正される。

　吸着ノズル１４が回路基板９２上の所定位置に位置決めされると、制御装置８０により、Ｚ軸サーボモータ７２が正転され、回転伝達機構および第２駆動軸５３を介してボールねじ軸４３が正転される。これによって、ボールナット４４を介してノズル作動部材４５が下降され、ノズル軸３３が下降されて吸着ノズル１４に吸着した部品を回路基板９２に実装する。その後、Ｚ軸サーボモータ７２の逆転により、ノズル軸３３および吸着ノズル１４が上昇される。

　次いで、位置制御用サーボモータ２６、２６ａ、２６ｂを制御して、次の部品を吸着している吸着ノズル１４を回路基板９２上の所定の位置に位置決めし、その状態で、上記したと同様にＺ軸サーボモータ７２によって吸着ノズル１４を下降し、部品を回路基板９２に実装する。このようにして、ロータリヘッド３２に保持された複数の吸着ノズル１４に吸着された部品が順次回路基板９２の定められた位置に実装される。

　上記した実施の形態によれば、円周上に複数の吸着ノズル１４を備えたロータリヘッド３２を備えた実装ヘッド１３が、パラレルリンク機構によってＸＹ平面内で移動されるようになっているとともに、ロータリヘッド３２をインデックスするＲ軸サーボモータ６２、吸着ノズル１４を回転および昇降するθ軸およびＺ軸サーボモータ７１、７２が基台１１側に設けられている。これにより、Ｒ軸、θ軸およびＺ軸サーボモータ６２、７１、７２を駆動源とする回転駆動機構の重量のすべてを基台１１で負担することができ、パラレルリンク機構の軽量化と相俟って、可動部材１２に支持された可動部の重量の大幅な軽量化が可能となり、部品の実装作業を高速かつ高精度に行うことができる。

　上記した実施の形態においては、インデックス軸３１、回転軸３８およびボールねじ軸４３の各回転角を検出するエンコーダ３７、４０、４７を用いて、第１、第２および第３駆動軸５１、５３、５５の捩れによるロータリヘッド３２の回転角、ノズル軸３３の回転角および昇降量の各誤差を補正できるようにしたが、第１、第２および第３駆動軸５１、５３、５５の捩れの影響が小さい場合には、エンコーダ３７、４０、４７を省略することができる。

　上記した実施の形態においては、基台１１を固定のフレームに支持した例について述べたが、吸着ノズル１４によって部品を吸着する部品吸着位置Ｐ１と部品を回路基板９２に実装する部品実装位置Ｐ２とが、例えばＹ方向に離れている場合には、基台１１を部品吸着位置Ｐ１と部品実装位置Ｐ２との間でＹ方向に直線移動可能な可動フレームに支持するようにしてもよい。これによれば、吸着ノズル１４によって部品を吸着する場合には、基台１１を支持した可動フレームを部品吸着位置Ｐ１側に移動させ、吸着ノズル１４に吸着した部品を回路基板９２に実装する場合には、可動フレームを部品実装位置Ｐ２側に移動させることにより、パラレルリンク機構を大型にすることなく、部品の吸着および実装を行うことが可能になる。

　また、上記した実施の形態においては、Ｒ軸サーボモータ６２、θ軸サーボモータ７１およびＺ軸サーボモータ７２を基台１１上に設けた例について述べたが、これらサーボモータ６２、７１、７２を、基台１１に支持されたパラレルリンク機構の駆動リンク２１上に設けてもよく、この場合においても、Ｒ軸サーボモータ６２、θ軸サーボモータ７１およびＺ軸サーボモータ７２の重量が基台１１側で負担できるので、可動部の軽量化を妨げることがない。

　斯様に、本発明は実施の形態で述べた構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の形態を採り得るものである。

　１０…部品実装装置、１１…基台、１２…可動部材、１３…実装ヘッド、１４…吸着ノズル、１５、１６、１７…リンク機構、２１…駆動リンク、２２…受動リンク、２４…回転対偶、２５…アクチュエータ、２６、２６ａ、２６ｂ…位置制御用サーボモータ、３０…支持部材、３２…ロータリヘッド、３３…ノズル軸、３７、４０、４７…エンコーダ、５１、５２、５３…駆動軸、６２…Ｒ軸サーボモータ、７１…θ軸サーボモータ、７２…Ｚ軸サーボモータ、８０…制御装置、９２…回路基板、Ｐ１…部品吸着位置、Ｐ２…部品実装位置、Ｐ１１…部品供給位置。

Claims

　基台と、
　該基台にパラレルリンク機構を介して支持される可動部材と、
　前記パラレルリンク機構を駆動して前記可動部材を少なくともＸＹ平面内で移動させる複数のアクチュエータと、
　前記可動部材に固定された支持部材に鉛直軸線の回りに回転可能に支持されたロータリヘッドと、
　該ロータリヘッドの円周上にそれぞれ鉛直軸線の回りに回転可能かつ昇降可能に支持された複数の吸着ノズルと、
　前記基台側に設けられたＲ軸サーボモータによって回転駆動され、前記ロータリヘッドをインデックスする第１駆動軸と、
　前記基台側に設けられたθ軸サーボモータによって回転駆動され、前記吸着ノズルを回転する第２駆動軸と、
　前記基台側に設けられたＺ軸サーボモータによって回転駆動され、前記ロータリヘッドのインデックスによって部品吸着位置に割出された吸着ノズルを昇降する第３駆動軸と、
を備えたことを特徴とするパラレルリンク式部品実装装置。
　請求項１において、前記支持部材には、前記第１、第２および第３駆動軸の各回転角を検出するエンコーダがそれぞれ設けられているパラレルリンク式部品実装装置。
　請求項１または請求項２において、前記Ｒ軸、θ軸およびＺ軸サーボモータは、前記基台にそれぞれ支持されているパラレルリンク式部品実装装置。