JP2019115918A - はんだ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出し、当該外力に基づいてはんだ付け作業を行う。【解決手段】固定部１１及び可動部１２を有するアクチュエータ１と、固定部１１に対する可動部１２の位置を検出する位置検出部４と、固定部１１の加速度を検出する加速度検出部５と、検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び検出された加速度に基づいてアクチュエータ１に対する駆動電流Ｉａを出力するアクチュエータ制御部６１と、電流指令値Ｉｒｐ、又は、検出された加速度及び出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部６２と、検出された外力Ｆ、及び検出された位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部６１を制御する作業制御部７とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、はんだ付け作業を行うはんだ付け装置に関する。

従来から、組立て、押付け又は研磨等の作業を行う作業装置では、産業用ロボット（以下、ロボットと称す）等が多く用いられている。このロボットには、アームの先端にハンド等のエンドエフェクタが取付けられており、物体（部品又はワーク）を把持することで作業を行う。

一方、ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体の寸法誤差又は把持位置誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置とが異なる場合、物体が他の物体と接触した際に大きな外力が発生し、物体に傷又は破損が発生する恐れがある。

その対策として、物体の位置誤差により発生する力を吸収する冶具（いわゆる「バッファ」）を別途設置する場合がある。しかしながら、このバッファは、物体の形状又は材料毎に要求される特性が異なるため、物体の種類の数だけ異なるバッファを用意する必要があり、都度設計となる。そのため、コストが増大し、且つ装置が大型化するという課題がある。

それに対し、ロボットとエンドエフェクタとの間に力センサを設置し、物体の接触時に過大な外力が発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力が発生しないようにする方法もある。この場合には、バッファが不要となる。しかしながら、力センサは高価である。

また、力センサを用いた場合には、以下に述べる理由により、作業時間の短縮が難しいという課題がある。

すなわち、物体が他の物体と接触する位置に誤差がある場合、接触時に過大な外力が発生したことを検出して停止指令を出すが、可動部が大きくて重く且つ減速機構を有するロボットは急には止まれない。
また、接触時に発生する外力は、慣性による衝撃力と接触時にロボットが発生している力との和となる。ここで、慣性による衝撃力は、物体及びロボット可動部の質量と移動速度との積に比例する。しかしながら、ロボットは大きくて重い機構を有しているため、慣性による衝撃力を小さくするためには、接触直前の移動速度を遅くする必要がある。

また、過大な外力が発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止し、物体を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、物体を他の物体に近づける速度を遅くせざるを得ない。

上記の理由により、物体が他の物体と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、物体を移送する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。

しかしながら、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられている。そのため、ロボットが急激に減速した場合には、エンドエフェクタの質量による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と物体の接触により発生する外力とを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。

また、力センサを用いた場合には、以下に述べる理由により、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題がある。

すなわち、組立て、押付け又は研磨等の作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。例えば、曲面をトレースしながら研磨を行う作業では、姿勢を連続して変化させる必要がある。
しかしながら、上記の通り、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられているため、ロボットの姿勢が水平ではない場合、力センサには重力加速度による影響でロボットの姿勢とエンドエフェクタの質量に応じた力が発生する。

一方、重力加速度の影響を補償する重力補償手段として、例えば特許文献１に開示された方法が挙げられる。この特許文献１では、予めオフラインで姿勢に応じた重力の影響により力覚センサに発生する力を学習しておく。そして、実際の作業時に発生する力から学習した力を差し引くことで、作業力を算出している。しかしながら、この方法では、物体が変わる度に学習を行う必要がある。また、学習は物体との接触前に行う必要があり、ロボットが連続して姿勢を変えるような場合には重力補償はできない。

なお上記では、可動部に加わる外力として、物体と他の物体とが接触した際に発生する力を示したが、これに限らず、エンドエフェクタと物体とが接触した際に発生する力についても同様である。

特開２０１２−１１５９１２号公報

上記の通り、ロボットと力センサを用いて組立て等の作業を行う場合、作業時間が長くなる。一方、作業時間を短くしようとすると物体を傷付け、押し潰し、接触を正しく検出できなくなる。また、重力補償をリアルタイムで行うことも難しい。このように、力センサを用いた場合には、ロボットが急激に加減速した場合又は姿勢が変更した場合に、外力を正しく検出できないという課題がある。この課題は、はんだ付け作業を行うはんだ付け装置においても同様であり、改善が求められている。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいてはんだ付け作業を行うことができるはんだ付け装置を提供することを目的としている。

この発明に係るはんだ付け装置は、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、固定部に対する可動部の位置を検出する位置検出部と、固定部の加速度を検出する加速度検出部と、位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び加速度検出部により検出された加速度に基づいてアクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、加速度検出部により検出された加速度及びアクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、外力検出部により検出された外力、及び位置検出部により検出された位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部を制御する作業制御部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、可動部が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいてはんだ付け作業を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係るはんだ付け装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における外力検出制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるゲイン調整部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における作業制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るはんだ付け装置によるはんだ付け作業の一例を示すフローチャートである。 図６Ａ〜図６Ｄは、この発明の実施の形態１に係るはんだ付け装置によるはんだ付け作業の一例を示す図である。 図７Ａ、図７Ｂは、図６に示すはんだ付け装置によるはんだ付け作業での動作を説明する図であり、図７Ａは外力Ｆを示す図であり、図７Ｂは可動部の速度を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るはんだ付け装置の構成例を示す図である。
はんだ付け装置は、はんだ付け対象である物体５０に対してはんだ付け作業を行う装置である。このはんだ付け装置は、図１に示すように、アクチュエータ１、はんだごて２、移動部３、位置検出部４、加速度検出部５、外力検出制御部６及び作業制御部７を備えている。また、外力検出制御部６は、アクチュエータ制御部６１及び外力検出部６２から構成される。

アクチュエータ１は、固定部１１、及び当該固定部１１に対して変位可能な可動部１２を有し、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで固定部１１に対して可動部１２を直動方向又は回転方向に変位可能とする。このアクチュエータ１は、移動部３に取付けられており、全体が移送され、また、姿勢が変更される。なお、可動部１２が複数方向の自由度を持ち、アクチュエータ１全体の移送及び姿勢の変更が不要である場合、移動部３はなくてもよい。以下では、移動部３を使用する場合を記述する。

はんだごて２は、可動部１２に取付けられ、物体５０に対してはんだ付けを行うためのこてである。なお、物体５０を移動する移動部があってもよい。

移動部３は、アクチュエータ１を移動（移送及び姿勢変更）する。図１では、移動部３として、先端にアクチュエータ１（固定部１１）が取付けられ、アクチュエータ１を移動可能なロボットを示している。

位置検出部４は、アクチュエータ１に設けられ、固定部１１に対する可動部１２の位置（相対位置）を検出する。この位置検出部４により検出された位置を示す信号（位置信号）は、アクチュエータ制御部６１に出力される。

加速度検出部５は、固定部１１に設けられ、固定部１１の加速度を検出する。この際、加速度検出部５は、固定部１１の重力加速度αｇ及び移動加速度α１のうちの一方、又は両方が加算された加速度（αｇ＋α１）を検出する。図２では、加速度検出部５が加速度（αｇ＋α１）を検出する場合を示している。この加速度検出部５により検出された加速度を示す信号（加速度信号）は、アクチュエータ制御部６１に出力される。

アクチュエータ制御部６１は、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲイン（ループゲイン）を調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部５により検出された加速度に基づいてアクチュエータ１に対する駆動電流Ｉａを出力する。

外力検出部６２は、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１２に加わる外力（反力）Ｆを検出する。
アクチュエータ制御部６１及び外力検出部６２の構成例については後述する。

作業制御部７は、はんだ付け装置によるはんだ付け作業を実現する。この際、作業制御部７は、外力検出部６２により検出された外力Ｆ、及び位置検出部４により検出された固定部１１に対する可動部１２の位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御することで、はんだ付け作業を実現する。なお、作業制御部７は、基準位置Ｐｒ又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部６１を制御する。また、作業制御部７は、外力Ｆ及び速度に加え、位置検出部４により検出された位置、加速度検出部５により検出された加速度、及び作業制御部７で管理している時間等も考慮して、上記はんだ付け作業を実現してもよい。この作業制御部７の構成例については後述する。

次に、外力検出制御部６の構成例について、図２を参照しながら説明する。なお図２では、アクチュエータ１、はんだごて２、位置検出部４及び加速度検出部５も図示している。
外力検出制御部６は、図２に示すように、位置速度変換部６３、減算器６４、ゲイン調整部６５、質量推定部６６、加速度補償部６７、加減算器６８、定電流制御部６９、及び外力検出部６２を有している。なお図２に示す外力検出制御部６において、外力検出部６２を除く機能部（位置速度変換部６３、減算器６４、ゲイン調整部６５、質量推定部６６、加速度補償部６７、加減算器６８及び定電流制御部６９）は、アクチュエータ制御部６１を構成する。

位置速度変換部６３は、位置検出部４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１１に対する可動部１２の速度（相対速度）を示す。この位置速度変換部６３により変換された速度を示す信号（速度信号）は、加減算器６８及び作業制御部７に出力される。

減算器６４は、基準位置Ｐｒから位置検出部４により検出された位置を減算する。この減算器６４による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部６５に出力される。

ゲイン調整部６５は、減算器６４による減算結果（位置偏差）に対してゲインを調整し、電流指令値Ｉｒｐを出力する。ゲインは、アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値であり、コンプライアンスは、バネ定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。また、ゲイン調整部６５において、上記位置偏差と電流指令値Ｉｒｐとの関係を示す関数は線形でもよいし非線形でもよい。このゲイン調整部６５は、図２，３に示すように、ループゲイン測定部６５１、ゲイン交点制御部６５２及び可変ゲイン調整部６５３を有している。

ループゲイン測定部６５１は、減算器６４から出力された信号のゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部６５１は、図３に示すように、減算器６４から出力された信号に、発振器６５４によりゲインが１倍（０ｄＢ）となるべき基準となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された基準となる周波数の正弦波を、加算器６５５を介して加算する。このループゲイン測定部６５１による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部６５２に出力される。

ゲイン交点制御部６５２は、図３に示すように、比較器６５６によりループゲイン測定部６５１による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部６５２による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部６５３に出力される。

可変ゲイン調整部６５３は、ゲイン交点制御部６５２により比較された振幅比の倍率が１となるように、当該振幅比の倍率の逆数を調整値とし、減算器６４から出力された信号のゲインを調整する。すなわち、可変ゲイン調整部６５３は、ループゲイン測定部６５１による正弦波の加算前の信号の振幅レベルＥａに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルＥｂが高い場合（Ｅａ＜Ｅｂ）には調整値を大きくし、当該正弦波の加算前の信号の振幅レベルＥａに対して当該正弦波の加算後の信号の振幅レベルＥｂが低い場合（Ｅａ＞Ｅｂ）には調整値を小さくすることで、ゲインが１倍となるように調整する。この可変ゲイン調整部６５３によりゲインが調整された信号は、加減算器６８に電流指令値Ｉｒｐとして出力される。また、可変ゲイン調整部６５３によるゲインの調整値を示す信号は、質量推定部６６に出力される。

なお、発振器６５４でゲインが１倍となるべき基準となる周波数の正弦波を加算するのは、ゲインが１倍となる周波数においてＥａ／Ｅｂ＝１となるため、Ｅａ／Ｅｂ＝１となるようにゲインを調整することで、ゲイン交点を常に１に維持できるためである。

また、減算器６４及びゲイン調整部６５は、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に基づく電流指令値Ｉｒｐを出力する位置制御手段（位相制御ループ）を構成する。

質量推定部６６は、可変ゲイン調整部６５３によるゲインの調整値から、可動部１２側の質量を推定する。すなわち、質量推定部６６は、ゲインの調整値の変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。ここで、可動部１２側の質量とは、可動部１２の質量Ｍ１とはんだごて２の質量Ｍ２とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２）である。
例えば、可動部１２側の質量が規定値の２倍になったとすると、ゲインはその逆数倍の１／２となっており、Ｅａ／Ｅｂ＝１／２となる。これに対して、ゲインを１倍とするため、可変ゲイン調整部６５３は２倍の調整値でゲインを調整する。そして、質量推定部６６は、この可変ゲイン調整部６５３の調整値から、可動部１２側の質量が規定値の２倍に変化したと推定できる。
この質量推定部６６により推定された質量を示す信号は、加速度補償部６７に出力される。

なお上記では、質量推定部６６により可動部１２側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部１２側の質量を取得してもよい。

加速度補償部６７は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを出力する。この加速度補償部６７は、乗算器６７１及び係数乗算部６７２を有している。

乗算器６７１は、加速度検出部５により検出された加速度と、質量推定部６６により推定された質量とを乗算する。この乗算器６７１による乗算結果を示す信号は、係数乗算部６７２及び外力検出部６２に出力される。

係数乗算部６７２は、乗算器６７１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。なお、Ｋｔは、アクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部６７２による乗算結果を示す信号は、加減算器６８に加速度補償値Ｉｒｃとして出力される。

加減算器６８は、ゲイン調整部６５から出力された電流指令値Ｉｒｐに対し、加速度補償部６７から出力された加速度補償値Ｉｒｃを加算し、位置速度変換部６３から出力された速度信号を減算する。この加減算器６８による加減算結果を示す信号は、定電流制御部６９に電流指令値Ｉｒとして出力される。

定電流制御部６９は、アクチュエータ１を駆動する駆動電流Ｉａを電流指令値Ｉｒに一致させるように制御する。この定電流制御部６９は、減算器６９１、駆動ドライバ６９２及び電流検出部６９３を有している。

減算器６９１は、加減算器６８から出力された電流指令値Ｉｒから、電流検出部６９３により検出された駆動電流Ｉａの電流値を減算する。この減算器６９１による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ６９２に出力される。

駆動ドライバ６９２は、減算器６９１による減算結果に応じた駆動電流Ｉａを発生する。この駆動ドライバ６９２により発生された駆動電流Ｉａは、電流検出部６９３を介してアクチュエータ１に出力される。

電流検出部６９３は、駆動ドライバ６９２により発生された駆動電流Ｉａの電流値を検出する。この電流検出部６９３により検出された電流値を示す信号は、減算器６９１に出力される。

外力検出部６２は、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１２に加わる外力Ｆを検出する。具体的には、外力検出部６２は、電流指令値Ｉｒｐ、又は、駆動電流Ｉａの電流値から加速度補償値Ｉｒｃを減算した結果に基づいて、可動部１２に加わる外力Ｆを検出する。なお、可動部１２に加わる外力Ｆとしては、はんだごて２が物体５０と接触した際に発生する力が挙げられる。また図２では、外力検出部６２が、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて可動部１２に加わる外力Ｆを検出する場合を示している。図２に示す外力検出部６２は、係数乗算部６２１、減算器６２２及び係数乗算部６２３を有している。

係数乗算部６２１は、加速度補償部６７の乗算器６７１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。この係数乗算部６２１による乗算結果を示す信号は、減算器６２２に出力される。

減算器６２２は、定電流制御部６９により発生された駆動電流Ｉａの電流値から、係数乗算部６２１による乗算結果を減算する。この減算器６２２による減算結果を示す信号は、係数乗算部６２３に出力される。

係数乗算部６２３は、減算器６２２による減算結果に係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。この係数乗算部６２３により得られた外力Ｆを示す信号は、作業制御部７に出力される。

なお、外力検出部６２が、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐに基づいて可動部１２に加わる外力Ｆを検出する場合には、係数乗算部を有する。この係数乗算部は、ゲイン調整部６５から出力された電流指令値Ｉｒｐに係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。そして、この係数乗算部により得られた外力Ｆを示す信号は、作業制御部７に出力される。

次に、作業制御部７の構成例について、図４を参照しながら説明する。
作業制御部７は、図４に示すように、移動制御部７１、接触制御部７２、接触力制御部７３及び離脱制御部７４を有している。

移動制御部７１は、はんだごて２が物体５０に近づくように、はんだごて２を物体５０の方向へ速度（第１の速度）Ｖ１で移動させる。なお、はんだごて２のこて先には、はんだが付けられている。

接触制御部７２は、移動制御部７１による処理後、はんだごて２が物体５０に力（第１の力）Ｆ１で接触するまで、はんだごて２を物体５０の方向へ速度（第２の速度）Ｖ２で移動させる。力Ｆ１は、はんだごて２が物体５０に当接したことを認識可能な力であり、はんだごて２、物体５０及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。また、速度Ｖ２は、速度Ｖ１よりも遅い速度である。

接触力制御部７３は、接触制御部７２による処理後、可動部１２に加わる外力Ｆに基づいて、はんだごて２の物体５０への接触力を制御する。この際、接触力制御部７３は、物体５０へのはんだ付けを実施可能な力（第２の力）Ｆ２を維持するように制御を行う。

離脱制御部７４は、接触力制御部７３による処理後、はんだごて２を物体５０から離すように、はんだごて２を速度（第３の速度）Ｖ３で移動させる。速度Ｖ３は、速度Ｖ１よりも遅い速度である。

次に、外力検出制御部６の動作原理について説明する。なお以下では、アクチュエータ１として、発生した推力がはんだごて２に直接伝わるダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用い、固定部１１に対して可動部１２を直動させるものとする。このアクチュエータ１は、定電流制御部６９が電流指令値Ｉｒに応じて発生した駆動電流Ｉａにより駆動する。

一方、位置検出部４は、固定部１１に対する可動部１２の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部６３は、位置検出部４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１１に対する可動部１２の速度を示す。

また、加速度検出部５は、固定部１１の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部５は、固定部１１の直動方向成分における移動加速度α１と、固定部１１の直動方向成分における重力加速度αｇとが加算された加速度（α１＋αｇ）を検出するものとする。

また、位置検出部４により検出された位置は、減算器６４で基準位置Ｐｒと比較され、その差分がゲイン調整部６５を介して電流指令値Ｉｒを構成する要素の一つである電流指令値Ｉｒｐとして加減算器６８に与えられる。

電流指令値Ｉｒは、電流指令値Ｉｒｐの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃで構成され、次式（１）で表される。
Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （１）

なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部６３からの速度信号をマイナーループとして加減算器６８のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。

また、ゲイン調整部６５では、位置制御ループのゲインを変えることで、アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。

ここで、駆動電流Ｉａに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時にはんだごて２から受ける反力Ｆ、重力加速度αｇ及び移動加速度α１により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ１はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Ｉａは、作業時にはんだごて２から受ける反力Ｆ、重力加速度αｇ及び移動加速度α１により発生する力に比例した値となる。なお、反力Ｆは、はんだごて２が物体５０に接触した際に発生する力である。

ここで、アクチュエータ１の駆動電流Ｉａ、作業時にはんだごて２から受ける反力Ｆ、固定部１１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部１１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部１２の質量Ｍ１、及び、はんだごて２の質量Ｍ２から、次式（２）の関係が成り立つ。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）
なお、Ｋｔはアクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。

また、式（２）において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを次式（３）のように設定する。
（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒｃ （３）

式（３）のように加速度補償値Ｉｒｃを設定した場合、式（２）からα１，αｇ，Ｍ１，Ｍ２の項が消え、次式（４）のように整理される。
Ｆ＝Ｋｔ・Ｉｒｐ （４）

このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを式（３）のように設定すると、作業時にはんだごて２から受ける反力Ｆと電流指令値Ｉｒｐは、比例関係になることがわかる。

これは、作業時にはんだごて２から受ける反力Ｆが零、つまりはんだごて２が物体５０と接触していない場合、基準位置Ｐｒと実際の位置の差分に基づく電流指令値Ｉｒｐも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、はんだごて２が物体５０と接触した際に生じる反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。

そして、式（４）には、固定部１１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部１１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部１２の質量Ｍ１、はんだごて２の質量Ｍ２の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動又は停止を行い移動加速度α１が発生した場合、及び、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度αｇが変化した場合でも、アクチュエータ１の可動部１２はゆれることなく反力Ｆを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。

なお、上述したように、はんだごて２が物体５０と急激に衝突する等して発生する反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。また、アクチュエータ１には、反力Ｆと拮抗するように誘導電流が発生するため、駆動電流Ｉａから反力Ｆを検出することもできる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Ｆに対する電流指令値Ｉｒｐの応答は一般的に速くない。一方、反力Ｆに対する駆動電流Ｉａの応答は、可動部１２が移動することにより発生する誘導電流によるものであるため、比較的速い。そこで、電流指令値Ｉｒｐを直接監視するのではなく、駆動電流Ｉａを監視することで反力Ｆの検出を行う。

ここで、式（２）は以下の通りである。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）

一方、駆動電流Ｉａは次式（５）で表せる。
Ｉａ＝Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （５）

よって、式（２），（５）から下式（６）が得られる。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）＝Ｋｔ・Ｉａ （６）

そして、式（６）の両辺から、式（３）の左辺である（（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２））を減算して整理すると、下式（７）が得られる。
Ｆ＝Ｋｔ・（Ｉａ−（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｋｔ） （７）

この式（７）に示されるように、駆動電流Ｉａから加速度補償値（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２）／Ｋｔを差し引いてトルク定数Ｋｔをかけることで、反力Ｆを求めることができる。

次に、外力検出制御部６による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、物体５０の寸法誤差等により、予めプログラムされた目標位置と実際の位置が異なる場合、はんだごて２が物体５０と接触した際に大きな力が発生し、はんだごて２又は物体５０に傷又は破損が発生する恐れがある。

その対策として、ロボットとはんだごて２との間に力センサを設置し、はんだごて２と物体５０との接触時に過大な外力Ｆが発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な外力Ｆが発生しないようにする方法が考えられる。

しかしながら、過大な外力Ｆが発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、物体５０を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、はんだごて２を物体５０に近付ける速度を遅くせざるを得ない。

上記の理由により、はんだごて２が物体５０と接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、はんだごて２を移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。

一方、実施の形態１では、ロボット（移動部３）の先端にアクチュエータ１を取付け、また、外力検出制御部６は、アクチュエータ１が急激に移動又は停止されて移動加速度α１が発生した場合、及び、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度αｇが変化した場合でも、可動部１２に加わる反力Ｆを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより物体５０を押し潰してしまうことはない。よって、はんだごて２を物体５０に近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。

また、ロボットとはんだごて２との間に力センサを設置した場合、ロボットが急激に減速すると、はんだごて２の質量Ｍ２による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力とはんだごて２の物体５０との接触することにより発生する外力Ｆとを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。

一方、外力検出制御部６では、アクチュエータ１が急激に加減速された場合でも正しく外力Ｆを検出でき、接触時にのみ外力Ｆを検出するため、アクチュエータ１の減速時間を長くする必要はない。

また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、はんだ付け作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、ロボットとはんだごて２との間に力センサを設置した場合には、ロボットの姿勢が水平ではないと、力センサには重力加速度αｇによる影響でロボットの姿勢とはんだごて２の質量Ｍ２に応じた力が発生する。

一方、外力検出制御部６では、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度αｇが変化した場合でも外力Ｆを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。

次に、作業制御部７の動作例について、図５〜７を参照しながら説明する。以下では、はんだ付け装置が、基板５１に対してはんだ付け作業を行う場合を示す。また、基板５１は作業台等に固定されているものとする。

そして、作業制御部７は、外力検出部６２により検出された外力Ｆ及び位置速度変換部６３により得られた速度等に基づいて、アクチュエータ制御部６１及び移動部３を制御することで、はんだ付け装置によるはんだ付け作業を実現する。なお、作業制御部７は、基準位置Ｐｒ又はゲインの変更を行うことでアクチュエータ制御部６１を制御する。ここで、ゲイン調整部６５は位置偏差に基づいて電流指令値Ｉｒｐを出力しているが、上記ゲインの変更とは、上記位置偏差と電流指令値Ｉｒｐとの関係を示す関数の変更を意味している。また、上記関数の変更には、関数の傾きの変更も含まれる。

また図７Ａにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は外力Ｆを示している。また図７Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は可動部１２の速度を示している。また、図７における符号ａははんだごて２の押付けによる外力Ｆの発生を示し、符号ｂははんだごて２の基板５１への接触検知を示し、符号ｃははんだごて２の基板５１からの離脱を示している。

はんだ付け装置によるはんだ付け作業では、まず、図５、図６Ａ，６Ｂに示すように、はんだごて２のこて先に糸はんだ５２が接触されてはんだが所定量付けられた後、移動制御部７１は、はんだごて２が基板５１に近づくように、はんだごて２を基板５１の方向へ速度Ｖ１で移動させる（ステップＳＴ１）。

次いで、図６Ｃに示すように、接触制御部７２は、はんだごて２が基板５１に力Ｆ１で接触するまで、はんだごて２を基板５１の方向へ速度Ｖ２で移動させる（ステップＳＴ２）。図７Ａに示すように、力Ｆ１は、はんだごて２が基板５１に当接したことを認識可能な力であり、はんだごて２、基板５１及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。また、速度Ｖ２は、速度Ｖ１よりも遅い速度である。

ここで、はんだ付け作業は、温度条件等の微妙な変化によって、はんだの溶融量及び状態が微妙に変化する。また、基板５１の板厚のばらつきは板厚に対して通常±１０％程度であり、板厚０．８ｍｍの場合には±０．１７ｍｍ程度のばらつきとなる。よって、従来のはんだ付け装置における繰り返し動作では、上記のような微妙な変化及びばらつきに対応できず、不良及び不具合が発生してしまう。例えば、はんだごて２を基板５１に当てる動作において、特定の条件で良好に調整された場合であっても、はんだの溶融量、状態、又は基板５１の板厚が変わると、はんだごて２の接触不良によりはんだが溶けない、又は、はんだごて２の押付け過ぎにより基板５１が損傷する等の不具合が生じる。
また、はんだ付け作業では、はんだごて２を基板５１に当てる際に、その速度が速いと、はんだの飛び散りが生じる恐れがある。

そこで、実施の形態１に係るはんだ付け装置では、外力検出部６２により外力Ｆの検出を行うことで、はんだごて２の基板５１への接触検知を行う。また、はんだごて２を基板５１の付近まで移動させる際には、速度をＶ１まで上げて素早く移動させ、はんだごて２を基板５１付近から基板５１に接触させる際には、速度をＶ２まで落として移動させる。
このように、外力検出及び速度制御を行うことで、はんだごて２を基板５１に当てる動作をより適切な状態に管理可能となる。

次いで、接触力制御部７３は、可動部１２に加わる外力Ｆに基づいて、はんだごて２の基板５１への接触力を制御する（ステップＳＴ３）。図７Ａでは、力Ｆ２ではんだごて２の基板５１への押付けを行い、はんだ付けを実施している。

次いで、一定時間経過後、図６Ｄに示すように、離脱制御部７４は、はんだごて２を基板５１から離すように、はんだごて２を速度Ｖ３で移動させる（ステップＳＴ４）。図７Ａに示すように、速度Ｖ３は、速度Ｖ１よりも遅い速度である。このように速度制御を行うことで、はんだの飛び散りを抑制できる。

以上の動作により、基板５１又はアクチュエータ１を壊さず、且つ作業速度を落とさずに、基板５１に対するはんだ付け作業が実施できる。

なお上記では、可動部１２を直動方向に変位可能とするアクチュエータ１を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、加速度検出部５が角加速度を検出可能であれば、可動部１２を回転方向に変位可能とするアクチュエータ１を用いることもできる。

また上記では、移動部３がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部３として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、固定部１１及び可動部１２を有するアクチュエータ１と、固定部１１に対する可動部１２の位置を検出する位置検出部４と、固定部１１の加速度を検出する加速度検出部５と、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値Ｉｒｐ及び加速度検出部５により検出された加速度に基づいてアクチュエータ１に対する駆動電流Ｉａを出力するアクチュエータ制御部６１と、アクチュエータ制御部６１において得られた電流指令値Ｉｒｐ、又は、加速度検出部５により検出された加速度及びアクチュエータ制御部６１により出力された駆動電流Ｉａの電流値に基づいて、可動部１２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部６２と、外力検出部６２により検出された外力Ｆ、及び位置検出部４により検出された位置から得られた速度に基づいて、アクチュエータ制御部６１を制御する作業制御部７とを備えたので、可動部１２が急激に加減速された場合又は姿勢が変更された場合でも可動部１２に加わる外力Ｆを正しく検出でき、当該外力Ｆに基づいてはんだ付け作業を行うことができる。また、はんだ付け作業を自動化しつつ、不良及び不具合の発生を低減可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ アクチュエータ
２ はんだごて
３ 移動部
４ 位置検出部
５ 加速度検出部
６ 外力検出制御部
７ 作業制御部
１１ 固定部
１２ 可動部
６１ アクチュエータ制御部
６２ 外力検出部
６３ 位置速度変換部
６４ 減算器
６５ ゲイン調整部
６６ 質量推定部
６７ 加速度補償部
６８ 加減算器
６９ 定電流制御部
７１ 移動制御部
７２ 接触制御部
７３ 接触力制御部
７４ 離脱制御部
５０ 物体
５１ 基板
５２ 糸はんだ
６２１ 係数乗算部
６２２ 減算器
６２３ 係数乗算部
６５１ ループゲイン測定部
６５２ ゲイン交点制御部
６５３ 可変ゲイン調整部
６５４ 発振器
６５５ 加算器
６５６ 比較器
６７１ 乗算器
６７２ 係数乗算部
６９１ 減算器
６９２ 駆動ドライバ
６９３ 電流検出部

Claims (5)

1. 固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、
   前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置検出部と、
   前記固定部の加速度を検出する加速度検出部と、
   前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対してゲインを調整し、当該調整結果である電流指令値及び前記加速度検出部により検出された加速度に基づいて前記アクチュエータに対する駆動電流を出力するアクチュエータ制御部と、
   前記アクチュエータ制御部において得られた電流指令値、又は、前記加速度検出部により検出された加速度及び前記アクチュエータ制御部により出力された駆動電流の電流値に基づいて、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、
   前記外力検出部により検出された外力、及び前記位置検出部により検出された位置から得られた速度に基づいて、前記アクチュエータ制御部を制御する作業制御部と
   を備えたはんだ付け装置。
2. 前記可動部に取付けられたはんだごてを備え、
   前記作業制御部は、
   前記はんだごてがはんだ付け対象である物体に近づくように、当該はんだごてを当該物体の方向へ第１の速度で移動させる移動制御部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載のはんだ付け装置。
3. 前記作業制御部は、
   前記移動制御部による処理後、前記はんだごてがはんだ付け対象である物体に第１の力で接触するまで、前記はんだごてを当該物体の方向へ、前記第１の速度より遅い第２の速度で移動させる接触制御部を有する
   ことを特徴とする請求項２記載のはんだ付け装置。
4. 前記作業制御部は、
   前記接触制御部による処理後、前記可動部に加わる外力に基づいて、前記はんだごてのはんだ付け対象である物体への接触力を制御する接触力制御部を有する
   ことを特徴とする請求項３記載のはんだ付け装置。
5. 前記作業制御部は、
   前記接触力制御部による処理後、前記はんだごてをはんだ付け対象である物体から離すように、当該はんだごてを前記第１の速度より遅い第３の速度で移動させる離脱制御部を有する
   ことを特徴とする請求項４記載のはんだ付け装置。

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