JP2007018439A - ガントリ型ｘｙ位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の移動パターンにおいて最適な位置決め制御を行うことのできるガントリ型ＸＹ位置決め装置を提供する。
【解決手段】 Ｘ軸フレーム１６のＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上の位置及び移動対象１８のＸ軸上の位置を制御することにより、該移動対象１８をＸ−Ｙ平面内で移動・位置決め可能としたガントリ型ＸＹ位置決め装置ＧＰ３において、前記Ｘ軸フレーム１６のＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上の位置を制御するためのＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの制御系内に、Ｘ軸フレーム１６上での移動対象１８の移動等に起因してＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂが受ける外乱トルク相当分を推定するオブザーバ演算部８０Ａ、８０Ｂを備え、該オブザーバ演算部８０Ａ、８０Ｂでの推定値Ｔｅに基づいて、Ｙ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの駆動指令値Ｉｔｐ（Ｉｔ）を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品の実装装置等において用いられるガントリ型ＸＹ位置決め装置に関する。

電子部品を基板に実装するための移載ヘッドや、切削加工等を行うための工具を、ＸＹ平面の所定の位置に移動・位置決めするためのＸＹ位置決め装置が広く活用されている。この種のＸＹ位置決め装置の一例として、ガントリ型（門型）のＸＹ位置決め装置が、例えば、特許文献１において開示されている。

このガントリ型ＸＹ位置決め装置ＧＰ１は、図５に示されるように、平行に配置された一対のＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ及びＸ軸フレーム１６を備える。Ｘ軸フレーム１６は、その両端部１６Ａ、１６ＢがＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上に跨った状態で架設されている。Ｘ軸フレーム１６には、移動対象である移載ヘッド１８がスライド自在に組み込まれている。Ｘ軸フレーム１６のＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上の位置、及び移載ヘッド１８のＸ軸フレーム１６上の位置を制御することにより、該移載ヘッド１８をＸ−Ｙ平面内で移動・位置決めできるようになっている。

この位置決め装置ＧＰ１は、一対のＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを備え、このＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを介してＸ軸フレーム１６のＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上の位置を制御している。また、この位置決め装置ＧＰ１は、Ｘ軸フレーム１６の端部にＸ軸モータ２２を備え、このＸ軸モータ２２を介して移載ヘッド（移動対象）１８のＸ軸フレーム１６上の位置を制御している。

図５の例においては、移載ヘッド１８の駆動にあたって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向とも、回転型のＸ軸モータ２２及びＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを備え、これらのモータ２２、２０Ａ、２０Ｂとタイミングベルト２６Ａ〜２６Ｅとを組み合わせるようにしているが、タイミングベルト２６Ａ〜２６Ｅの代わりにボールねじを使用したり、回転型のモータの代わりにリニアモータを使用したりすることもある。

Ｘ軸フレーム１６の両端部１６Ａ、１６Ｂは、Ｙ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上で同期して駆動されなければならない。この具体的な制御に当たっては、一対のＹ軸フレーム１４Ａ、１４ＢのそれぞれにおいてＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを独立して制御する全軸式の制御方式と、一方のみに着目して精密な制御を行わせ、他方をこれに従属させるマスタ・スレーブ式の制御方式とがある。

しかしながら、この位置決め装置ＧＰ１によって位置決めを行う場合、両Ｙ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂの受ける負荷のバランスが微妙に変化することから、両Ｙ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの動きに偏差が発生し、位置決め精度や位置決め時間に悪影響を与えるという問題があった。

これを防ぐ手法として特許文献２に記載された技術が知られている。

図６を用いてこの技術を簡単に説明すると、この特許文献２に係るガントリ型ＸＹ位置決め装置ＧＰ２では、指令パルス発生部５１によって発生された指令パルスが偏差カウンタ５２、５３に入力されると、Ｙ軸モータ５７、５８が動作し、偏差カウンタ５２、５３には偏差Ａ、Ｂが貯まるようになっている。この偏差Ａ、Ｂが等しければ一対のＹ軸間の偏差は零となるが、偏差Ａ、Ｂが異なった値となると、位置偏差補償装置５６で偏差Ａ、Ｂの差を積分し、符号の異なる補償値Ｋ１、Ｋ２を算出して偏差Ａ、Ｂに加算し、速度指令Ｒ１、Ｒ２を得る。速度指令Ｒ１、Ｒ２は速度アンプ５４、５５において増幅され、これによりモータ５７、５８を駆動すると、左右Ｙ軸フレーム５９、６０間における位置偏差が積分補償され、定常偏差が零となって該両軸間の位置偏差が解消され得る制御ができる。

ここにおいて、速度アンプ５４、５５は、可変ゲインアンプとされ、位置検出器６４で検出した移動対象６３のＸ軸フレーム６２上の位置に応じて、そのゲインが調整されるようになっている。この結果、移動対象６３のＸ軸フレーム６２上の位置に起因して実質的な速度ループゲインが変化するのが防止される。

特願２００３−１４０７５１号 特許第３１２５０１５号公報

しかしながら、この特許文献２にて提案された技術では、図７に示されるように、単にＸ軸上の移動対象（負荷）の「位置」を検出し、両Ｙ軸に掛かる静的なイナーシャ値に基づいて各軸の速度ループゲインを変更するものであったため、移動対象がＸ軸上で加速あるいは減速した場合には対応し切れないという問題があった。

実際の位置決め時において、目標とする座標が現時点の座標とＸ軸、Ｙ軸共ずれていれば、移動対象は、当然にＸ軸上を移動しながらＹ軸方向に駆動される。移動速度はずれに依存し、大きくずれていれば、それだけ高い加減速度で移動することになる。加減速度が異なれば、各Ｙ軸モータの受ける影響も異なる。

このため、単純に、移動対象の「Ｘ軸上の位置」に依存して速度ループゲインを切り換えるだけでは、種々の移動パターンに対して常に最適な補償をするのは困難であるというのが実状であった。

本発明は、このような従来の問題を解消するためになされたもので、移動対象の静的、動的の影響を総合的に考慮し、種々の移動パターンにおいて最適な位置決め制御を行うことのできるガントリ型ＸＹ位置決め装置を提供することをその課題としている。

本発明は、平行に配置された一対のＹ軸フレームと、両端部が該Ｙ軸フレーム上に跨って架設されたＸ軸フレームとを備え、該Ｘ軸フレームの前記Ｙ軸フレーム上の位置及び移動対象のＸ軸上の位置を制御することにより、該移動対象をＸ−Ｙ平面内で移動・位置決め可能としたガントリ型ＸＹ位置決め装置において、該Ｘ軸フレームの前記Ｙ軸フレーム上の位置を制御するためのＹ軸モータの制御系内に、前記Ｘ軸フレーム上での前記移動対象の移動等に起因して前記Ｙ軸モータが受ける外乱トルク相当分を推定するオブザーバ演算部を備え、該オブザーバ演算部での推定値に基づいて前記Ｙ軸モータの駆動指令値を補正することにより、上記課題を解決したものである。

本発明では、各Ｙ軸モータに移動対象のＸ軸方向位置や加減速の影響が及ぶ程度は、結果として、各Ｙ軸モータに掛かる外乱トルクの大小として把握できることに着目した。この知見に基づき、本発明では、Ｙ軸モータの制御系内にオブザーバ演算部を設けてＹ軸モータが受けるこの外乱トルク相当分を推定し、この推定値に基づいてＹ軸モータの駆動指令値を補正するようにしている。そのため、移動対象がＸ軸上のいかなる位置においていかなる加減速をしながら位置決めされる場合でも、常に最適な位置決め制御ができる。

なお、本発明においては、前記外乱トルク相当分の推定値に基づいて、具体的にどのようにしてＹ軸モータの駆動指令値を補正するかについては、特に限定されないが、前記Ｙ軸モータの制御系が、該Ｙ軸モータの速度指令値を生成する速度制御部を備える場合には、この外乱トルク相当分の推定値に基づいて、該速度制御部における速度指令ゲインを可変とすることによって前記補正を行うようにするとよい。

又、本発明では、前記外乱トルク相当分の推定値を、前記Ｙ軸モータの制御系の所定の加算点において加算することによって前記補正を行うようにしてもよい。この場合、前記トルク外乱相当分の推定値に基づいて、前記速度制御部における速度指令ゲインを可変とする補正を併用するようにすると一層よい。

本発明は、基本的には、一対のＹ軸フレームのそれぞれにおいてＹ軸モータを独立して制御する全軸式の制御方式にも、また、一方のみに着目して精密な制御を行わせ、他方をこれに従属させるマスタ・スレーブ式の制御方式にも適応可能である。しかし、本発明は、これを全軸式の制御方式に適用し、前記補正が、前記一対のＹ軸フレームにおけるそれぞれのＹ軸モータにおいて独立してなされるようにすると、一層顕著な作用が得られる。

本発明によれば、移動対象の静的、動的の影響を総合的に考慮し、種々の移動パターンにおいて常に最適な位置決めを行うことができる。

以下図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。

図１を参照して、本実施形態では、本発明を先に説明したような電子部品の実装装置に係るガントリ型のＸＹ位置決め装置ＧＰ３に適用している。但し、本実施形態においては、Ｙ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの回転出力を（タイミングベルトを介してではなく）ボールネジ３０Ａ、３０Ｂを介してＸ軸フレーム１６の両端部１６Ａ、１６Ｂに伝達するようにしている。

即ち、図１の右側部分に示されるように、このガントリ型ＸＹ位置決め装置ＧＰ３も、平行に配置された一対のＹ軸フレーム１４及びＸ軸フレーム１６を備える。なお、説明の便宜上、以降、図１の上側のＹ軸系に対して符号の末尾にＡを、下側のＹ軸系に対して符号の末尾にＢを付すことで、各Ｙ軸系を適宜に区別することとする。Ｘ軸フレーム１６は、その両端部１６Ａ、１６ＢがＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上に跨った状態で架設されており、該Ｘ軸フレーム１６には移動対象である移載ヘッド１８がスライド自在に組み込まれている。

また、この位置決め装置ＧＰ３は、一対のＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを備え、このＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを介してＸ軸フレーム１６のＹ軸フレーム１４Ａ、１４Ｂ上の位置を制御している。更に、この位置決め装置ＧＰ３は、Ｘ軸フレーム１６の端部にＸ軸モータ２２を備え、このＸ軸モータ２２を介して移載ヘッド（移動対象）１８のＸ軸フレーム１６上の位置を制御している。これにより、該移載ヘッド１８はＸ−Ｙ平面内で自在に移動・位置決めできる。この点は、既に説明した従来例と同様である。

しかし、図１の左側部分に示されるように、この実施形態におけるＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの制御系Ｃは、移載ヘッド１８の種々の移動パターンにおいて最適な位置決め制御を行うために、次のような構成とされている。

即ち、この制御系Ｃは、位置指令部７０、位置制御部７２Ａ、７２Ｂ、可変ゲインの速度制御部７４Ａ、７４Ｂ、サーボアンプ部７６Ａ、７６Ｂ、速度検出部７８Ａ、７８Ｂを備え、更に、オブザーバ部８０Ａ、８０Ｂを備える。

前記位置指令部７０では、移載ヘッド１８を駆動・位置決めするための目標位置Ｐｔを指令する。前記位置制御部７２Ａ、７２Ｂは、加算点８２Ａ、８２Ｂにおいて演算された目標位置Ｐｔと実検出位置Ｐｄとの位置偏差Ｄｐに基づいて目標速度指令値Ｖｔを生成する。前記速度制御部７４Ａ、７４Ｂは、加算点８４Ａ、８４Ｂにおいて演算された目標速度指令値Ｖｔとエンコーダ３２Ａ、３２Ｂ側からフィードバックされてくる（エンコーダ信号Ｐｄをもとに速度検出部７８Ａ、７８Ｂで算出された）実速度ωとの速度偏差Ｄｖに基づいて、目標電流指令値Ｉｔを演算する。なお、速度偏差Ｄｖから目標電流指令値Ｉｔの演算に当たっては、そのゲインＧｖが適時に変更されるようになっている（後述）。前記サーボアンプ部７６Ａ、７６Ｂは、目標電流指令値Ｉｔを、Ｙ軸モータ２０Ａ、２０Ｂを駆動し得る大きさＩｔｐに増幅する。前記速度検出部７８Ａ、７８Ｂは、エンコーダ３２Ａ、３２Ｂの実検出位置Ｐｄの時間変化からＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの実速度ωを算出する。

ここで、オブザーバ部８０Ａ、８０Ｂの構成について詳細に説明する。

オブザーバ部８０Ａ、８０Ｂは、Ｘ軸フレーム１６上での移載ヘッド（移動対象）１８の移動等に起因して前記Ｙ軸モータ２０Ａ、２０Ｂが受ける外乱トルク相当分を推定する。図２にそのＡ系列分（８０Ａ）の構成を示す。

本実施形態に係るオブザーバ部８０Ａでは、目標電流指令値ＩｔとＹ軸モータ２０Ａのフィードバック実速度ωとを入力要素とし、これに対し、トルク定数ノミナル値Ｋｔｎとモータイナーシャノミナル値Ｊｍｎを用いて逆演算することで外乱トルク相当分の推定値Ｔｅを得るようにしている。なお、図２のブロック内の伝達関数における符号ｓはラプラス演算子、ｇは、オブザーバゲイン（ローパスゲイン）を示している。また、ブロック８６Ａは、ローパスフィルタの機能を果たしている。

図２に示すブロック線図は、微分要素を含むため、実際には、これと等価である図３に示されるようなブロック線図を用いて外乱トルク相当分の推定値Ｔｅの推定演算を行なう。なお、Ｂ系列においても、Ａ系列のオブザーバ部８０Ａと全く同様のオブザーバ部８０Ｂが備えられている。

図１に戻って、オブザーバ部８０Ａ、８０Ｂで演算された外乱トルク相当分の推定値Ｔｅは、速度制御部７４Ａ、７４Ｂに入力され、速度ループゲイン（速度指令ゲイン）Ｇｖの調整・変更に利用される。推定値Ｔｅの値が増加した場合には、速度ループゲインＧｖは高く設定され、一方、推定値Ｔｅの値が減少した場合には、速度ループゲインＧｖは低く設定される。なお、実際にゲインを調整する際には、予め実験的に求めておいた推定値ＴｅとゲインＧｖとの対応を、Ｔｅ−Ｇｖテーブルとして用意しておき、推定値Ｔｅに応じてゲインＧｖを切り換えるようにするのが実用的である。

次に、この実施形態に係るガントリ型ＸＹ位置決め装置ＧＰ３の作用を、便宜上、そのＡ系列に着目して説明する。

位置指令部７０からの目標位置Ｐｔとエンコーダ３２Ａからの実検出位置Ｐｄとの位置偏差Ｄｐが、加算点８２Ａにおいて算出されると、位置制御部７２Ａにおいて目標速度指令値Ｖｔが求められる。この目標速度指令値Ｖｔは、加算点８４Ａにおいて、エンコーダ３２Ａ、速度検出部７８Ａを介してフィードバックされてくるＹ軸モータ２０Ａの実速度ωと比較され、その偏差Ｄｖが速度制御部７４Ａに入力される。この結果、比例制御と積分制御とが併用された形で目標電流指令値Ｉｔが生成される。Ｙ軸モータ２０Ａは、電流値の大小に応じてトルクが増減するものであるため、この目標電流指令値Ｉｔは、Ｙ軸モータ２０Ａに対する目標トルク指令に相当する。その後、目標電流指令値Ｉｔは、サーボアンプ部７６Ａによって電流値Ｉｔｐに増幅され、Ｙ軸モータ２０Ａが駆動される。

ここで、オブザーバ部８０Ａ内にて、実際にモータ２０Ａに発生したと推定される外乱トルク相当分の推定値Ｔｅを求め、この情報をゲイン切換信号として速度制御部７４Ａに伝達する。

速度制御部７４Ａ、７４Ｂでは、推定値Ｔｅの値に応じ、該推定値Ｔｅが増加した場合（外乱トルクが増大したと推定された場合）には、Ｔｅ−Ｇｖテーブルより、速度ループゲインＧｖを高く設定してより高めの目標速度指令値Ｖｔを生成し、Ｙ軸モータ２０Ａの発生トルクを高める。

一方、推定値Ｔｅの値が減少した場合（外乱トルクが減少したと推定された場合）には、速度ループゲインＧｖを低く設定してより低めの目標速度指令値Ｖｔを生成し、Ｙ軸モータ２０Ａの発生トルクを低める。

この実施形態では、推定値Ｔｅに基づいて速度ループゲインＧｖを調整・変更しているようにしているため、簡易で且つ応答性の良い補正ができる。

全く同様の作用がＢ系列のＹ軸モータ２０Ｂに対してもなされる。

これにより、移載ヘッド１８のＸ軸フレーム１６上の位置や移動の際の加減速等に起因して各Ｙ軸モータ２０Ａ、２０Ｂに係る外乱トルクの影響を効果的に相殺した制御を行うことができるようになり、最適な位置決め制御が可能となる。

なお、上記実施形態においては、Ｙ軸モータ端のエンコーダによる制御を例として説明したが、リニヤエンコーダを使用したフルクローズド制御での適用も当然可能である。

また、上記実施形態においては、オブザーバ部で演算した外乱トルク相当分の推定値を、速度制御部でのゲイン調整に利用した例が示されていたが、本発明においては、この推定値を具体的にどのように利用してＹ軸モータの駆動指令値の補正に反映させるかに関しては、特にこの例に限定されず、要は、結果としてＹ軸モータの最終的な駆動指令値（上記実施形態の場合はＩｔｐ）が調整・変更されればよい。例えば、この推定値を利用して、位置制御部７２Ａ、７２Ｂでの比例ゲインを変更してもよく、また、サーボアンプ部７６Ａ、７６Ｂでの電流増幅のゲインを変更するようにしてもよい。

更には、例えば、図４に示されるように、オブザーバゲイン（ローパスゲイン）ｇを充分に高くすることが可能なガントリ型ＸＹ位置決め装置ＧＰ４の場合には、この推定値を、何れかの加算点（図示の例では加算点９０Ａ、９０Ｂ）に制御信号として加算するような構成を採用してもよい。この場合には、推定値をよりきめ細かにＹ軸モータ２０Ａ、２０Ｂの制御に反映させることができる。

本発明は、上記実施形態に例示されるように、これを全軸式の制御方式に適用し、推定値による補正が、一対のＹ軸モータのそれぞれに対して独立してなされるように構成したときに特に顕著な作用が得られる。しかしながら、本発明の適用対象は、必ずしも全軸式の制御方式を採用している位置決め装置のみに限定されるわけではなく、一方のＹ軸モータのみに着目して精密な制御を行わせ、他方をこれに従属させるマスタ・スレーブ式の制御方式に適用しても「マスタ側で外乱トルクの増減の相殺された制御ができるようになる」という点で、相応の効果が得られる。また、各軸の制御干渉がないという点では、むしろマスタ・スレーブ式の制御方式の方が優れていることから、適用対象によっては充分有益な効果が得られる。

電子部品を基板に実装するための移載ヘッドや、切削加工等を行うための工具を、ＸＹ平面の所定の位置に移動・位置決めするための、ガントリ型のＸＹ位置決め装置に広く適用できる。

本発明の一実施形態に係るガントリ型ＸＹ位置決め装置の全体構成を模式的に示すブロック図 同装置のオブザーバ部の構成を示すブロック図 図２のオブザーバ部と等価のブロック図 本発明の他の実施形態に係るガントリ型ＸＹ位置決め装置の全体構成を模式的に示す図１相当のブロック図 特許文献１に記載のガントリ型ＸＹ位置決め装置の全体構成を示す斜視図 特許文献２に記載のガントリ型ＸＹ位置決め装置の全体構成を模式的に示すブロック図 図６の装置において用いられているモータのイナーシャ特性を示すグラフ

符号の説明

１４Ａ、１４Ｂ…Ｙ軸フレーム
１６…Ｘ軸フレーム
１６Ａ、１６Ｂ…両端部
１８…移載ヘッド（移動対象）
２０Ａ、２０Ｂ…Ｙ軸モータ
２２…Ｘ軸モータ
３０Ａ、３０Ｂ…ボールねじ
３２Ａ、３２Ｂ…エンコーダ
７０…位置指令部
７２Ａ、７２Ｂ…位置制御部
７４Ａ、７４Ｂ…可変ゲイン速度制御部
７６Ａ、７６Ｂ…サーボアンプ部
７８Ａ、７８Ｂ…速度検出部
８０Ａ、８０Ｂ…オブザーバ部

Claims (4)

1. 平行に配置された一対のＹ軸フレームと、両端部が該Ｙ軸フレーム上に跨って架設されたＸ軸フレームとを備え、該Ｘ軸フレームの前記Ｙ軸フレーム上の位置及び移動対象のＸ軸上の位置を制御することにより、該移動対象をＸ−Ｙ平面内で移動・位置決め可能としたガントリ型ＸＹ位置決め装置において、
   前記Ｘ軸フレームの前記Ｙ軸フレーム上の位置を制御するためのＹ軸モータの制御系内に、前記Ｘ軸フレーム上での前記移動対象の移動等に起因して前記Ｙ軸モータが受ける外乱トルク相当分を推定するオブザーバ演算部を備え、
   該オブザーバ演算部での推定値に基づいて前記Ｙ軸モータの駆動指令値を補正する
   ことを特徴とするガントリ型ＸＹ位置決め装置。
2. 前記Ｙ軸モータの制御系は、前記Ｙ軸モータの速度指令値を生成する速度制御部を備え、前記外乱トルク相当分の推定値に基づいて、該速度制御部における速度指令ゲインを可変とすることによって前記補正を行うことを特徴とする、請求項１に記載のガントリ型ＸＹ位置決め装置。
3. 前記外乱トルク相当分の推定値を、前記Ｙ軸モータの制御系の所定の加算点において加算することによって前記補正を行うことを特徴とする、請求項１または２に記載のガントリ型ＸＹ位置決め装置。
4. 前記補正が、前記一対のＹ軸フレームにおけるそれぞれのＹ軸モータにおいて独立してなされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のガントリ型ＸＹ位置決め装置。

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