工作台的定位控制装置.pdf

本发明提供一种工作台的定位控制装置，在使用4个支撑单元来对移动工作台的定位进行4轴控制的情况下，使基于其中的3个轴的定位控制非同步地先行进行，在此期间，以剩余的1个轴进行转矩控制，在基于3个轴的定位将要完成前或刚刚完成后，将该剩余的1个轴切换到定位控制来最终定位到目标位置。

1.  一种工作台的定位控制装置，利用设置在工作台台座上的至少4个支撑单元，相对于工作台台座水平地、并且可以绕各支撑单元的支撑点转动地支撑移动工作台，这些支撑单元通过将对应的电动机的轴旋转分别转换成直线驱动，来使上述移动工作台相对于上述工作台台座沿着X方向、Y方向、θ方向相对移动，从而将上述移动工作台定位到目标位置，其特征在于，
根据从当前放置的上述移动工作台的基准面上的任意指定位置相对于目标位置的偏移量的测定值计算出的、用于提供X、Y以及θ方向的移动指令的各电动机的轴移动目标值，非同步地同时开始基于任意的3个电动机的定位控制，分别单独地控制对应的3个支撑单元的移动速度，在该3个电动机全部达到对应的轴移动目标值的时间点，结束基于3个轴的定位控制，
另一方面，在上述3个电动机进行定位控制的期间，使剩余的电动机以转矩控制进行驱动，以向基于上述3个轴的定位方向提供辅助力，在全部的上述3个轴的定位控制将要结束前或刚刚结束后，从转矩控制切换到定位控制来进行驱动，直到与自己的轴移动目标值一致为止。

2.  根据权利要求1所述的工作台的定位控制装置，其特征在于，在使用5个以上的支撑单元来支撑移动工作台的情况下，最初进行定位控制的任意3个电动机以外的、从转矩控制切换到定位控制来使用的多个电动机在其定位控制时相互非同步地进行驱动。

工作台的定位控制装置
技术领域
本发明涉及适用于高精细电子部件的加工和组装装置的、进行工作台的精密定位的、基于多轴控制的工作台的定位控制装置。
背景技术
在高精细的电路基板上组装或形成电子部件、或者对形成为板状的高精细的电子部件进行加工、或者进行它们的计测的情况下，需要事先设定电路基板或板状部件的位置。为此进行的定位是通过将电路基板或板状电子部件设置在水平的移动工作台上并对该工作台进行驱动控制来进行的。以往，作为该工作台的定位方法，例如公开在专利文献1中。该方法使用3个具有进行线性驱动的轴的支撑单元，将正方形的移动工作台支撑在角部的底面附近的3个部位上并维持成水平，使用电动机使这些支撑单元的各个驱动轴旋转，使3个部位的支撑点分别移动，从而决定移动工作台的位置。在该情况下，利用3轴XYθ控制，其中，移动工作台例如以2个轴沿着水平面的X方向移动、以剩余的1个轴沿着与X方向成直角的水平面上的Y方向移动、并且伴随此时的3个轴的运动而沿着θ方向转动。
近年来，伴随电路基板和板状电子部件的大型化而要求大型的移动工作台。在对这样的大型的移动工作台应用了基于上述3轴XYθ控制的方法的情况下，移动工作台的定位精度存在的问题是，相对于基于2轴控制的X方向，在仅1轴控制的Y方向上，特别在从驱动轴离开的位置上劣化。其原因在于，在Y方向上仅以1个轴定位并且保持移动工作台，所以在工作台的位置从驱动轴离开时，该工作台部分的刚性与该距离对应地变低，所以会受到由于支撑单元的结构引起的问题的影响。
另外，在专利文献2中公开了用于解决由于上述3轴XYθ控制方法引起的机械刚性问题的方法。该方法是如下的4轴XYθ控制方法：利用配置在工作台台座上的4个支撑单元，与基准面平行且可相对移动地支撑移动工作台，并利用4个线性驱动单元分别对这些支撑单元进行直线驱动来使移动工作台相对工作台台座进行相对移动。而且，在该方法中，计算出对移动工作台的基准面上的任意指定位置提供的、与X、Y以及θ方向的移动指令对应的4个线性驱动单元的轴移动目标值，使4个支撑单元的移动速度与轴移动目标值成比例地同时驱动4个线性驱动单元，以使4个支撑单元的移动开始时间点以及结束时间点一致，并使移动工作台向目标位置移动。此时的定位具有按照4个轴的移动距离使4个轴以同步速度动作的特征。
但是，在上述该控制方法中，使4个支撑单元的移动速度与轴移动目标值成比例地同时驱动4个线性驱动单元，以使4个支撑单元的移动开始时间点以及结束时间点一致，所以4个轴间的动作量比率在计算值和实际机器中的移动量上必须正确地一致，为此，要求复杂的控制。另外，对于线性驱动单元(脉冲控制电动机)中的1个脉冲以下的速度控制，存在难以在各轴间正确地进行比例、同步控制的问题。另外，由于计算误差、机械误差、分辨率误差等而易于发生各轴间的冲突等，在进行高速移动的情况下，由于控制计算的高速化、分辨率的高度化等，在控制中存在限制。即，在专利文献2的4轴XYθ控制方法的情况下，虽然可以补偿某种程度的机械刚性，但难以以高速动作来进行高精度的定位。
专利文献1：日本特许第2700050号公报
专利文献2：日本特许第3604686号公报
发明内容
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种工作台的定位控制装置，可以在通过XYθ控制来对大型的移动工作台进行定位时补偿机械刚性，并且可以以高速动作进行高精度的定位。
本发明的工作台的定位控制装置利用设置在工作台台座上的至少4个支撑单元，相对于工作台台座水平地、并且可以绕各支撑单元的支撑点转动地支撑移动工作台，这些支撑单元通过将对应的电动机的轴旋转分别转换成直线驱动，来使移动工作台相对于工作台台座沿着X方向、Y方向、θ方向相对移动，从而将移动工作台定位到目标位置，其中，根据从当前放置的移动工作台的基准面上的任意指定位置相对于目标位置的偏移量的测定值计算出的、用于提供X、Y以及θ方向的移动指令的各电动机的轴移动目标值，非同步地同时开始基于任意的3个电动机的定位控制，分别单独地控制对应的3个支撑单元的移动速度，在该3个电动机全部达到对应的轴移动目标值的时间点，结束基于3个轴的定位控制，另一方面，在3个电动机进行定位控制的期间，使剩余的电动机以转矩控制进行驱动，以向基于3个轴的定位方向提供辅助力，在全部的3个轴的定位控制将要结束前或刚刚结束后，从转矩控制切换到定位控制来进行驱动，直到与自己的轴移动目标值一致为止。
根据本发明，仅利用从当前位置到目标位置的移动距离的值来进行控制，且不对控制速度进行同步控制，所以控制方法实现了简略化，并且，不会发生由于计算误差、机械组装误差、电动机控制分辨率误差等引起的各轴间的冲突等，具有可以以平滑的动作来进行位置控制的效果。另外，不会发生由于复杂的计算处理、计算误差、驱动动作定时延迟而引起的轴间的冲突力，所以可以以高速动作进行高精度的定位。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的工作台的定位控制装置的结构的部分剖开平面图。
图2是示出本发明的实施方式1的支撑单元的结构的平面图和正面图。
图3是示出为了计算出本发明的实施方式1的电动机的移动量而使移动工作台沿着X方向移动了微小量的状态的说明图。
图4是示出为了计算出本发明的实施方式1的电动机的移动量而使移动工作台沿着Y方向移动了微小量的状态的说明图。
图5是示出为了计算出本发明的实施方式1的电动机的移动量而使移动工作台沿着θ方向移动了微小量的状态的说明图。
图6是示出本发明的实施方式1的移动工作台的定位动作前的状态的说明图。
图7是示出本发明的实施方式1的移动工作台的定位动作的最初的移动控制状态的说明图。
图8是示出本发明的实施方式1的移动工作台的定位状态的说明图。
图9是示出进行本发明的实施方式1的定位控制的电动机的驱动控制装置的结构的框图。
图10是示出本发明的实施方式2的工作台的定位控制装置的结构例的部分剖开平面图。
图11是示出本发明的实施方式2的工作台的定位控制装置的其它结构例的部分剖开平面图。
具体实施方式
以下，为了更详细地说明本发明，根据附图对用于实施本发明的最佳方式进行说明。
实施方式1
图1是示出本发明的实施方式1的工作台的定位控制装置的结构的部分剖开平面图。本实施方式1说明使用4个轴来对移动工作台进行XYθ控制的例子。
移动工作台10具有均匀的平面的基准面，由设置在工作台台座20上的4个支撑单元30在4个部位的支撑点A、B、C、D处进行支撑，以使基准面始终水平。支撑单元30具有绕轴37转动的转动部件38，通过将转动部件38的外缘嵌入设置在移动工作台10上的孔11中，来可转动地支撑移动工作台10。4个支撑单元30的驱动控制由各自的电动机M1～M4进行。
图2示出支撑单元30的详细结构，但支撑单元30是与上述专利文献1以及专利文献2中使用的单元基本相同的结构，是在该领域中一般的结构。如图2(a)所示，支撑单元30具备如箭头所示沿着X(水平横)方向、Y(水平纵)方向、θ(水平转动)方向使转动部件38运动的机构。因此，支撑单元30具备由第1引导轨31和第1引导件32构成的第1直线移动机构。第1引导轨31具有直线状地延伸的预定的长度，固定在与移动工作台10的基准面10a平行的工作台台座20的上面。第1引导件32设置成横跨该第1引导轨31而进行滑动。该第1引导件32在上面具备螺帽体56。螺帽体56与以与第1引导轨31平行地延伸的形式配置在上面的、由滚珠螺杆或滑动螺杆等构成的进给螺杆55螺合，并具有将进给螺杆55的旋转转换成第1引导件32的线性动作的功能。进给螺杆55经由滚珠螺杆等耦合器53与由设置在工作台台座20上的伺服电动机构成的位置控制用的电动机51(相当于M1～M4)的输出轴51a连结，在电动机51的作用下旋转。
另外，支撑单元30具备由第2引导轨34和第2引导件35构成的第2直线移动机构。第2引导轨34具有直线状地延伸的预定的长度，与移动工作台10的基准面10a平行且与第1引导轨31具有直角关系，通过在中央处固定于螺帽体56的上部或一体形成而被支撑。第2引导件35设置成横跨第2引导轨34而进行滑动。因此，第2引导件35具有相对于第1引导件32的运动方向成直角的运动方向。另外，第2引导件35在其上部固定支撑沿着相对于移动工作台10的基准面10a垂直的方向延伸的轴37的下端部。在轴37的上端部，转动部件38经由滚珠轴承在外轮上设置成可相对于轴37自由旋转。
支撑单元30如上述那样构成，所以轴中心相当于各个支撑点A、B、C、D的轴37在受到位置控制用的电动机51的旋转时，通过第1直线移动机构，例如沿着X方向移动，另外，在受到了其它支撑单元引起的移动工作台10的Y方向的运动的情况下，通过第2直线移动机构，沿着Y方向移动。此时，在由于移动工作台10的运动而使扭转方向的力作用在轴37上的情况下，通过转动部件38绕轴37旋转而使该力逃逸。因此，如果通过各自的位置控制用的电动机的旋转来控制多个支撑单元的运动，则可以由此进行移动工作台10的期望的定位。在本发明中，位置控制用的电动机51(相当于M1～M4)为伺服电动机，使用具有位置控制和转矩控制的动作模式，并可以切换该动作模式来运转的带编码器51b的位置控制电动机(例如MRJ2S三菱电机株式会社制)。
在图1中，移动工作台10由4个支撑单元的支撑点(A、B、C、D)支撑，并使用电动机M1～M4的4个轴来进行控制，但在进行各电动机的驱动控制时，需要预先根据与移动工作台10的移动量的关系求出基于各电动机的移动量。因此，如图3至图5中说明的那样，使移动工作台10沿着X(横向)、Y(纵向)、θ(旋转方向)个别地移动微小量，并对此时的工作台的各移动量进行测定。然后，将提供了该移动量的各电动机的移动量根据其编码器的输出来算出。在该情况下，作为对工作台的移动量进行测定的装置，使用在图3中分别设置在标示于移动工作台的4个角上的+记号的例如2个上部的预定位置处的显微镜照相机。然后，根据在图像坐标上最初拍摄的+记号的位置和在移动后拍摄的+记号的位置，通过图像处理来求出移动距离。
首先，如图3所示，使移动工作台10沿着X方向移动微小量ΔXT，将根据此时编码器的输出求出的各电动机的移动量设为下述的值。
M1的移动量＝ΔXM1X  (1)
M2的移动量＝ΔXM2X  (2)
M3的移动量＝ΔYM3X  (3)
M4的移动量＝ΔYM4X  (4)
接下来，如图4所示，使移动工作台10沿着Y方向移动微小量ΔYT，将根据此时编码器的输出求出的各电动机的移动量设为下述的值。
M1的移动量＝ΔXM1Y  (5)
M2的移动量＝ΔXM2Y  (6)
M3的移动量＝ΔYM3Y  (7)
M4的移动量＝ΔYM4Y  (8)
接下来，如图5所示，使移动工作台10沿着θ方向移动微小量ΔθT，将根据此时编码器的输出求出的各电动机的移动量设为下述的值。
M1的移动量＝ΔXM1θ(9)
M2的移动量＝ΔXM2θ(10)
M3的移动量＝ΔYM3θ(11)
M4的移动量＝ΔYM4θ(12)
根据上述式(1)～(12)的数据，使用下述的式(13)～(16)计算出使移动工作台10向移动量ΔX(横向)、ΔY(纵向)以及Δθ(旋转方向)的位置进行了移动时的各电动机的移动量。
M1的移动量＝ΔX·ΔXM1X/ΔXT+ΔY·ΔXM1Y/ΔYT+Δθ·ΔXM1θ/ΔθT  (13)
M2的移动量＝ΔX·ΔXM2X/ΔXT+ΔY·ΔXM2Y/ΔYT+Δθ·ΔXM2θ/ΔθT  (14)
M3的移动量＝ΔX·ΔXM3X/ΔXT+ΔY·ΔXM3Y/ΔYT+Δθ·ΔXM3θ/ΔθT  (15)
M4的移动量＝ΔX·ΔXM4X/ΔXT+ΔY·ΔXM4Y/ΔYT+Δθ·ΔXM4θ/ΔθT  (16)
在上述的计算方法中的定位动作中，由于形成还吸收了实际机器中的组装误差的控制值，所以与以设计理论值进行控制的情况相比，可以更正确地进行定位。
接下来，对进行移动工作台10的定位的方法进行说明。
在图6中，设当前移动工作台10位于用实线表示的位置。即，位于相对于用双点虚线在下面示出的工作台10b的位置(定位的目标位置)偏移的位置。如上述那样利用显微镜照相机来测定得到移动工作台10的基准面10a上的任意的指定位置(例如2个+标记)相对于目标位置的X、Y以及θ方向的偏移量。接下来，使用式(13)～式(16)，根据上述测定值分别计算出用于提供X、Y以及θ方向的移动指令的4个电动机M1～M4的轴移动目标值。
接下来，同时开始基于4个电动机M1～M4中的3个电动机、例如电动机M1、M3、M4的3个轴的先行进行的定位控制。另一方面，剩余的电动机M2利用转矩控制被驱动。在基于电动机M1、M3、M4的定位控制中，按照3个轴的轴移动目标值，使3个轴以非同步速度分别动作，分别单独地控制对应的3个支撑单元30的移动速度，使电动机M1、M3、M4动作，直到与轴移动目标值一致为止。因此，在该情况下，虽然3个支撑单元30的移动开始时间点一致，但结束时间点不同。另一方面，在该期间，剩余的电动机M2以转矩控制来动作，所以对自己的轴进行驱动，以向基于上述3个轴的定位方向提供辅助力，由与其对应的支撑单元30进行移动工作台10的定位。其结果，移动工作台10的位置成为图7所示那样的状态。
接下来，在图7中的移动工作台10的位置状态中，进行了转矩控制的电动机M2侧的移动工作台10的角部的位置相对于目标偏移。对于该偏移量ΔST，在电动机M1的支撑单元由于引导轨等而在Y方向上存在间隙ΔSM时，根据引导轨的引导件的长度LM、从与电动机M1相关的支撑点A到电动机M2侧的角部为止的距离LT，式(17)成立。
ΔST＝ΔSM×LT/LM  (17)
此处，在LT相对于LM大的情况下，由于该比例值，ΔST被放大从而变得无法忽视。
因此，为了大幅度地缩小偏移量ΔST并将移动工作台10如图8所示定位到目标位置，进行基于电动机M2的定位控制。此时的电动机M2的轴的移动量成为前面通过式(14)计算出的轴移动目标值和在转矩控制时根据电动机M2的编码器的输出脉冲数求出的值之差。电动机M2进行驱动，直到使支撑单元30的移动速度与上述差的移动量成比例地达到轴移动目标值为止，由此将移动工作台10设定到目标位置。另外，将电动机M2的驱动变更成定位控制的时间点设为基于上述电动机M1、M3、M4的3个轴的定位将要完成之前或刚刚完成之后。
图9示出用于进行上述定位控制的电动机M1～M4的驱动控制装置的结构。
控制部100具备CPU部101、控制脉冲发生部102、编码器脉冲计数器103以及输入输出部104。控制脉冲发生器102是由CPU部101根据程序来控制、发生每个电动机的定位控制脉冲s1的单元。但是，在每个电动机的定位控制脉冲s1中，使用相互没有同步关系的脉冲。编码器脉冲计数器103是对电动机M1～M4的各编码器51b所发生的脉冲s2分别进行计数、计算电动机的控制位置的单元。输入输出部104是按照来自CPU部101的指令向电动机驱动器201～204的对应的驱动器输出切换定位控制和转矩控制的运转的运转切换信号s3的单元。电动机驱动器201～204是向预定的电动机输出基于定位控制脉冲s1的电动机驱动信号s4，驱动各电动机来进行定位控制，并且根据运转切换信号s3将指定的电动机设定成转矩控制的单元。在电动机M1～M4中，如上所述，使用作为伺服电动机的、可以切换定位控制和转矩控制来运转的带编码器51b的位置控制电动机。
在图9中，如上所述，在基于3个电动机M1、M3、M4的最初的定位控制时，向电动机驱动器202提供依照来自CPU部101的指令的运转切换信号s3，电动机驱动器202仅将电动机M2切换成转矩控制的运转。此时，控制脉冲发生器102将由CPU部101根据程序指定的定位控制脉冲s1提供给对应的电动机驱动器201、203、204。因此，各电动机驱动器201、203、204向对应的电动机M1、M3、M4提供各自的电动机驱动信号s4，驱动电动机M1、M3、M4来进行定位控制。而被切换成转矩控制的运转的电动机驱动器202在电动机M1、M3、M4进行定位控制的驱动的期间，使电动机M2处于转矩控制的驱动状态。
电动机M1～M4在利用定位控制的驱动中，向编码器脉冲计数器103提供从各个编码器51b发生的脉冲s2。编码器脉冲计数器103对各自的脉冲s2进行计数来计算出各电动机的控制位置并提供给CPU部101。CPU部101在其中电动机M1、M3、M4的控制位置达到各自的轴移动目标值的情况下，使来自控制脉冲发生器102的、与电动机M1、M3、M4对应的定位控制脉冲s1的发生停止。另外，CPU部101在电动机M1、M3、M4的控制位置成为将要达到各自的轴移动目标值之前的值、或者达到了轴移动目标值的情况(图7的状态时)下，切断从输入输出部104向电动机驱动器202提供的运转切换信号s3，向电动机驱动器202提供针对电动机M2的定位控制脉冲s1。由此，电动机M2从转矩控制切换，而进行定位控制。在该定位控制的期间，编码器脉冲计数器103根据从电动机M2的编码器51b发生的脉冲s2计算出其控制位置。CPU部101在M2的控制位置达到了轴移动目标值的情况下，使来自控制脉冲发生器102的、与电动机M2对应的定位控制脉冲s1的发生停止，结束定位控制(图8的状态)。
这样，根据本实施方式1，在使用4个支撑单元来对移动工作台的定位进行4轴控制的情况下，使基于其中的3个轴的定位控制非同步地先行进行，在此期间，以剩余的1个轴进行转矩控制，在基于3个轴的定位将要完成前或刚刚完成后，将该剩余的1个轴切换到定位控制来最终定位到目标位置。因此，仅利用从当前位置到目标位置的移动距离的值来进行控制，且不对控制速度进行同步控制，所以控制方法实现了简略化，并且，不会发生由于计算误差、机械组装误差、电动机控制分辨率误差等引起的各轴间的冲突等，具有可以以平滑的动作来进行位置控制的效果。另外，不会发生由于复杂的计算处理、计算误差、驱动动作定时延迟而引起的轴间的冲突力，所以可以进行高速动作。
实施方式2
图10是示出本发明的实施方式2的工作台的定位控制装置的结构的部分剖开平面图。该例子示出使用6个支撑单元30的支撑点A～F来支撑矩形的移动工作台10，并由电动机M21～M26进行6轴控制的情况。在该控制方法中，在例如使用3个电动机M21、M25、M26进行了最初的定位控制的情况下，在此期间，其它电动机M22、M23、M24进行转矩控制，在电动机M21、M25、M26的定位控制将要完成前或刚刚完成后，使用其它电动机M22、M23、M24来进行定位控制。该电动机M22、M23、M24的定位控制时的动作也同时开始，且互相非同步地进行。
另外，图11示出使用6个支撑点来支撑并进行6轴控制的其它例子。在该例子中，使用G～L这6个支撑点来支撑正六角形的移动工作台10，使用具有与正六角形的各边平行的轴的电动机M31～M36来进行控制。在该控制方法中，在例如使用3个电动机M31、M32、M34来进行了最初的定位控制的情况下，在此期间，其它电动机M33、M35、M36进行转矩控制，在电动机M31、M32、M34的定位控制将要完成前或刚刚完成后，使用其它电动机M33、M35、M36来进行定位控制即可。
根据本实施方式2，与上述实施方式1的例子相比，在使用更大面积的移动工作台并提高工作台的位置刚性的情况下是有效的。
产业上的可利用性
这样，本发明的工作台的定位控制装置可以提高进行了大型基板的精密对位、大型工作台中的精密对位后的机械刚性，并且可以进行施加有高负载的工作台的定位，所以适用于预期今后增加的、在一张大型基板上进行多个精密加工或组装的产业装置。