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KR102858277B1 - 제조 장치, 제어 방법 및 기록 매체 - Google Patents

제조 장치, 제어 방법 및 기록 매체

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KR102858277B1
KR102858277B1 KR1020237020893A KR20237020893A KR102858277B1 KR 102858277 B1 KR102858277 B1 KR 102858277B1 KR 1020237020893 A KR1020237020893 A KR 1020237020893A KR 20237020893 A KR20237020893 A KR 20237020893A KR 102858277 B1 KR102858277 B1 KR 102858277B1
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KR
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displacement
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control command
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아츠시 오가와
유키오 이나메
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오므론 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

제조 장치는 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구와, 스테이지 기구를 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러는 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 제1 워크와 제2 워크가 평행하게 되도록 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 제1 지령 생성부와, 액추에이터에 제2 워크가 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 모델 구성부와, 액추에이터가 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제2 지령 생성부와, 스프링 정수와 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제3 지령 생성부를 포함한다.

Description

제조 장치, 제어 방법 및 기록 매체
본 발명은 제조 장치, 그 제조 장치에서의 제어 방법 및 그 제조 장치를 제어하기 위한 제어 프로그램에 관한 것이다.
물체와 물체가 접촉할 때에 생기는 운동 에너지를 감쇠 또는 제어하기 위한 기구로서 스프링이나 고무 등의 탄성체, 댐퍼(예를 들면 오일 댐퍼), 에어 실린더 등의 다양한 구성이 제안 및 실용화되어 있다. 또한, 각종 센서에 의한 센싱 결과를 이용한 제어를 채용하는 구성도 존재한다.
스프링이나 고무를 이용한 기구는 조립되는 스프링이나 고무의 물리적인 특성에 의존하여 운동 에너지를 감쇠시키는 성능이 정해진다. 댐퍼에 관해서는 사이즈나 오리피스 지름 등에 의존하여 운동 에너지를 감쇠시키는 성능이 정해진다. 에어 실린더는 사이즈나 에어압 등에 의존하여 운동 에너지를 감쇠시키는 성능이 정해진다. 이들의 기계적인 구성은 자중(自重) 이하의 힘이 제어할 수 없는 대상에 응한 설계 및 기구가 필요, 위치 정밀도가 낮은 등의 과제가 있다.
또한, 에어나 모터 등으로 구동되는 액추에이터(예를 들면 실린더)를 센서에 의한 센싱 결과에 의거하여 제어하는 구성도 존재한다. 이와 같은 전기적인 구성으로서는 이하와 같은 선행 기술이 있다.
예를 들면 일본 특개2006-074987호 공보(특허 문헌 1)는 차륜 지지 어셈블리상에 지지된 차량 보디에 전달되는 힘을 상당히 감소시키는 것을 용이하게 하도록 거친 표면에 걸쳐 이동하는 차량 차륜 지지 어셈블리로부터의 에너지를 능동적으로 흡수하고, 또는 그 어셈블리에 에너지를 인가하기 위한 경로에 따른 전형적으로는 선형의 제어 가능한 역원을 개시한다.
일본 특개2006-125633호 공보(특허 문헌 2)는 탑승물 내에서 실설비를 능동적으로 현가하기 위한 방법을 개시한다. 개시된 방법은 제어 신호를 이 제어 신호에 대한 실설비의 응답에 의해 지시되는 실설비의 특성과, 기준 설비의 특성과의 차에 의거하여 변경하는 것을 포함한다.
일본 특표2013-521443호 공보(특허 문헌 3)는 기준 프레임에 대해 보디의 포지션을 제어하도록 구성된 액티브 진동 억제 디바이스를 개시한다.
특허 문헌 1: 일본 특개2006-074987호 공보 특허 문헌 2: 일본 특개2006-125633호 공보 특허 문헌 3: 일본 특표2013-521443호 공보
상술한 바와 같은 전기적인 액추에이터는 제어 로직 등의 구성이 복잡화할 수 있다. 예를 들면 액추에이터와 기계적으로 접촉하는 물체의 특성 등을 고려하여 제어 로직을 구성할 필요가 있고, 또한, 제어 로직에 포함되는 파라미터가 다수 존재하면 튜닝에도 수고가 든다.
본 발명의 하나의 목적은 제어 로직의 구성이나 설비 설계를 위한 시뮬레이션 등을 용이하게 행할 수 있는 액추에이터 및 액추에이터를 포함하는 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 예에 따르는 제조 장치는 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구와, 스테이지 기구를 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 스테이지 기구는 모터에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터를 포함한다. 컨트롤러는 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 제1 워크와 제2 워크가 평행하게 되도록 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 제1 지령 생성부와, 액추에이터에 제2 워크가 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 모델 구성부와, 액추에이터가 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제2 지령 생성부와, 스프링 정수를 결정하는 결정부와, 스프링 정수와 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제3 지령 생성부를 포함한다.
이 구성에 의하면 외부로부터의 하중을 적절하게 받아내어 제1 워크와 제2 워크가 접촉할 때에 발생하는 과대한 하중을 완화할 수 있음과 함께, 제1 워크와 제2 워크의 사이에 소정의 하중을 줄 수 있다.
컨트롤러는 제2 지령 생성부 및 제3 지령 생성부 중 어느 쪽의 제어 지령을 유효화 하는지를 선택하는 선택부를 더 포함하고 있어도 좋다. 이 구성에 의하면 외부로부터의 하중을 적절하게 받아내어 물체와 물체가 접촉할 때에 발생하는 과대한 하중을 완화하고, 또는 포인트 로드의 발생을 억제하는 거동과, 액추에이터로부터 이상적인 스프링의 거동에 따르는 하중을 발생시키는 거동을 선택적으로 실행할 수 있다.
선택부는 제2 지령 생성부로부터의 제어 지령을 유효화하고 있을 때에 소정의 전환 조건이 충족되면 제3 지령 생성부로부터의 제어 지령을 유효화해도 좋다. 이 구성에 의하면 제2 지령 생성부로부터의 제어 지령에 따라 액추에이터에 주어진 하중을 완화하는 동작을 행한 후에, 액추에이터로부터 소정의 하중을 발생한다는 동작을 실현할 수 있다.
전환 조건은 액추에이터에 외부로부터의 하중이 주어지고 나서의 경과 시간에 의거해도 좋다. 이 구성에 의하면 예를 들면 액추에이터가 동작을 시작하고 나서 소정 시간만큼 경과한 경우에 거동을 전환하는 제어를 실현할 수 있다.
전환 조건은 액추에이터에 생기고 있는 변위에 의거해도 좋다. 이 구성에 의하면 액추에이터가 소정량만큼 수축한 경우에 거동을 전환하는 제어를 실현할 수 있다.
제2 지령 생성부는 모터의 목표 위치를 지정하는 위치 지령을 제어 지령으로서 출력하고, 제3 지령 생성부는 모터가 발생해야 할 토오크를 지정하는 토오크 지령을 제어 지령으로서 출력하도록 하여도 좋다. 이 구성에 의하면 제2 지령 생성부가 액추에이터의 위치를 제어함으로써, 이상적인 스프링의 거동을 실현할 수 있다. 또한, 제3 지령 생성부가 모터가 발생해야 할 토오크를 제어함으로써, 이상적인 스프링의 거동에 따라 액추에이터가 발생하는 하중을 제어할 수 있다.
모델 구성부는 액추에이터에 외부로부터 소정의 하중이 주어지면 물리 모델을 구성해도 좋다. 이 구성에 의하면 외부로부터 소정의 하중이 주어질 때까지는 정지한 상태를 유지하면서 외부로부터 소정의 하중이 주어지면 스프링으로서의 거동을 시작할 수 있다.
본 발명의 다른 예에 따르면 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구의 제어 방법이 제공된다. 스테이지 기구는 모터에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터를 포함한다. 제어 방법은 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 제1 워크와 제2 워크가 평행하게 되도록 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 스텝과, 액추에이터에 제2 워크가 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 스텝과, 액추에이터가 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝과, 스프링 정수를 결정하는 스텝과, 스프링 정수와 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝을 포함한다.
본 발명의 또 다른 예에 따르면 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구를 제어하기 위한 제어 프로그램이 제공된다. 스테이지 기구는 모터에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터를 포함한다. 제어 프로그램은 컴퓨터에, 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 제1 워크와 제2 워크가 평행하게 되도록 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 스텝과, 액추에이터에 제2 워크가 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 스텝과, 액추에이터가 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝과, 스프링 정수를 결정하는 스텝과, 스프링 정수와 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝을 실행시킨다.
본 발명의 어느 국면에 의하면 제어 로직의 구성이나 설비 설계를 위한 시뮬레이션 등을 용이하게 행할 수 있는 액추에이터 및 액추에이터를 포함하는 제조 장치를 실현할 수 있다.
도 1은 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템의 주요부를 도시하는 모식도.
도 2는 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템의 변형례의 주요부를 도시하는 모식도.
도 3은 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템을 구성하는 액추에이터의 거동을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템을 구성하는 컨트롤러의 하드웨어 구성례를 도시하는 모식도.
도 5는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터가 충격 완화 동작을 행하는 워크 반송 시스템의 모식도.
도 6은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터의 충격 완화 동작에 관한 물리적 관점에서 거동을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터에 의한 충격 완화 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도.
도 8은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터의 탄성력 발생 동작을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터에 의한 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도.
도 10은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터를 이용한 물체간의 접촉에 의한 충격력의 발생을 억제하기 위한 처리를 설명하기 위한 도면.
도 11은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터에 의한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도.
도 12는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터에 의한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작에 관한 처리 순서의 한 예를 도시하는 플로우차트.
도 13은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터를 복수 포함하는 1자유도의 스테이지 기구의 예를 도시하는 모식도.
도 14는 도 13(A)에 도시하는 스테이지 기구에 의한 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도.
도 15는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터를 복수 포함하는 다자유도(多自由度)의 스테이지 기구의 예를 도시하는 모식도.
도 16은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터를 이용한 어플리케이션의 한 예를 도시하는 모식도.
도 17은 도 16에 도시하는 조립 장치에서의 처리 순서를 도시하는 플로우차트.
본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중의 동일 또는 상당 부분에 관해서는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
삭제
우선, 본 발명이 적용되는 장면의 한 예에 관해 설명한다.
도 1은 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)의 주요부를 도시하는 모식도이다. 도 1을 참조하면 구동 시스템(1)은 액추에이터(2) 및 구동 장치(4)를 포함한다.
액추에이터(2)는 모터(18)에 의해 구동되어 변위(도 1에 도시하는 예에서는 지면 상하방향의 변위)가 생긴다. 액추에이터(2)로서는 모터에 의해 구동되는 어떤 구성을 채용해도 좋지만 예를 들면 볼 나사나 리니어 액추에이터 등을 이용할 수 있다. 이하의 설명에서는 한 예로서 볼 나사를 주체로 하는 액추에이터(2)에 적용한 경우에 관해 설명한다.
보다 구체적으로는 액추에이터(2)는 내부에 공간을 갖는 본체부(10)와, 본체부(10)의 내부에 형성되어 있는 나사 홈과 계합하는 로드(12)와, 로드(12)의 선단에 마련된 선단부(14)와, 로드(12)와 모터(18)를 기계적으로 결합하는 연결 부재(16)와, 모터(18)의 회전수 또는 회전각을 검출하는 인코더(20)를 포함한다. 인코더(20)는 모터(18)와 기계적으로 접속되어, 액추에이터(2)의 변위를 검출하게 된다.
구동 장치(4)는 모터(18)에 전력을 공급하여 구동하는 드라이버(42)와, 인코더(20)에 의한 검출 신호를 받아, 드라이버(42)에 제어 지령을 주는 컨트롤러(40)를 포함한다.
도 1에는 하나의 액추에이터(2)로 이루어지는 구동 시스템(1)의 예를 나타내지만 복수의 액추에이터(2)를 포함하는 구성을 실현할 수도 있다.
도 2는 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)의 변형례의 주요부를 도시하는 모식도이다. 도 2를 참조하면 구동 시스템(1)은 3개의 액추에이터(2)를 갖고 있다. 구동 장치(4)는 각각의 액추에이터(2)에 대응하는 3개의 드라이버(42)와, 3개의 액추에이터(2)를 통괄적으로 제어하는 컨트롤러(40)를 포함한다.
또한, 구동 시스템(1)에 포함되는 액추에이터(2)의 수에 관해서는 특히 제한은 없고, 적용되는 어플리케이션에 응하여 적절한 대수를 설정하면 좋다. 예를 들면 임의의 워크를 단일한 액추에이터(2)로 지지할 수 있는 경우에는 액추에이터(2)는 1대면 좋다. 또한, 대형의 워크에 관해서는 워크를 지지하기 위한 부재를 복수의 액추에이터(2)로 구동하도록 구성해도 좋다.
설명의 편의상, 컨트롤러(40)와 드라이버(42)를 각각 독립한 구성 요소로서 그리고 있는데 컨트롤러(40)와 드라이버(42)를 독립한 장치로서 실장해도 좋고, 양자를 일체화한 장치로서 실장해도 좋다.
도 3은 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)을 구성하는 액추에이터(2)의 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)에서는 스프링의 이상적인 거동이 되도록 액추에이터(2)를 제어한다. 스프링의 이상적인 거동이란 예를 들면 도 3(A)에 도시하는 바와 같이, 외력이 주어지지 않는 상태에서 자연 길이(X0)를 갖는 스프링을 상정한다.
이 스프링이 길이(X1)(=X0+△X1)까지 신장되면 원래의 자연 길이(X0)로 돌아오려고 하는 방향으로 복원력(F1)이 발생한다. 복원력(F1)은 원래의 자연 길이(X0)로부터의 신장분(△X1)에 비례하게 된다. 한편, 이 스프링이 길이(X2)(=X0-△X2)까지 수축되면 원래의 자연 길이(X0)로 돌아오려고 하는 방향으로 복원력(F2)이 발생한다. 복원력(F2)은 원래의 자연 길이(X0)로부터의 수축분(△X2)에 비례하게 된다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)에서는 말하자면 물리적인 스프링을 모터(18)의 제어로 실현한다. 실현되는 스프링은 실질적으로 이상적인 거동(물리식에 따르는 거동)을 나타내기 때문에 단순한 물리 모델을 이용한 제어 로직의 구성이나 설비 설계를 위한 시뮬레이션 등을 용이하게 행할 수 있다.
본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)보다 상세한 동작례에 관해서는 후술한다.
<B. 컨트롤러(40)의 하드웨어 구성례>
다음에, 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)을 구성하는 컨트롤러(40)의 하드웨어 구성례에 관해 설명한다.
도 4는 본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)을 구성하는 컨트롤러(40)의 하드웨어 구성례를 도시하는 모식도이다. 도 4를 참조하면 컨트롤러(40)는 일종의 컴퓨터이고, 주요한 하드웨어 컴포넌트로서 프로세서(402)와, 주(主)메모리(404)와, 입출력부(406)와, 스토리지(408)를 포함한다.
프로세서(402)는 전형적으로는 CPU(Central Processing Unit)나 MPU(Micro-Processing Unit) 등으로 구성되고, 스토리지(408)에 격납된 시스템 프로그램(410) 및 제어 프로그램(412)을 판독하여 주메모리(404)에 전개하여 실행함으로써, 후술하는 바와 같은 액추에이터(2)의 거동을 제어하기 위한 제어 연산을 실현한다.
입출력부(406)는 컨트롤러(40)와 외부 장치 사이의 신호의 송수신을 담당한다. 도 4에 도시하는 예에서는 입출력부(406)는 인코더(20)로부터의 검출 신호를 수신함과 함께, 드라이버(42)에 대해 제어 지령을 송신한다.
스토리지(408)는 전형적으로는 SSD(Solid State Disk)나 프레시 메모리 등으로 구성되고, 기본적인 처리를 실현하기 위한 시스템 프로그램(410)과, 제어 프로그램(412)이 격납된다.
도 4에는 프로세서(402)가 프로그램을 실행함으로써 필요한 처리가 제공되는 구성례를 나타냈지만 이들의 제공되는 처리의 일부 또는 전부를 전용의 하드웨어 회로(예를 들면 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 또는 FPGA(Field-Programmable Gate Array) 등)를 이용하여 실장해도 좋다.
<C. 충격 완화 동작>
다음에, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 충격 완화 동작에 관해 설명한다. 충격 완화 동작에서는 액추에이터(2)는 주어지는 하중에 응하여 패시브로 동작한다.
도 5는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)가 충격 완화 동작을 행하는 워크 반송 시스템(100)의 모식도이다. 도 5를 참조하여 한 예로서 로봇(120)의 선단에 마련된 엔드 이펙터(122)에 의해 흡착된 워크(W)가 스테이지 기구(110)상에 배치되는 경우를 나타낸다. 스테이지 기구(110)는 베이스부(112)와 플레이트(114)를 포함한다. 베이스부(112)와 플레이트(114)의 사이는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)를 통하여 기계적으로 접속된다. 또한, 도 5에는 이해를 용이하게 하기 위해, 액추에이터(2)를 스프링으로서 그리고 있다.
도 5에 도시하는 바와 같은 워크 반송 시스템(100)에서, 워크(W)가 배치된 때에 워크(W)를 받아내는 스테이지 기구(110)가 움직이지 않으면 워크(W)는 말하자면 플레이트(114)와 충돌하여 멈추게 된다. 즉, 워크(W)는 충돌 전후에서 이동 속도가 크게 변화하기 때문에 이동 속도의 변화에 수반하는 가속도의 변화에 의해, 워크(W)에 대해 스테이지 기구(110)로부터 큰 하중(충격력)이 가해지게 된다.
또한, 스테이지 기구(110)가 워크(W)에 따라 움직였다고 하여도, 워크(W)와 플레이트(114)와의 접촉면적이 작으면 워크(W)의 접촉부위에 큰 하중이 주어지게 된다. 이와 같은 현상은 포인트 로드 또는 하중 집중이라고도 칭해진다.
도 5에 도시하는 바와 같이, 물체와 물체가 접촉할 때에 발생하는 과대한 하중(충격력)을 완화하고, 또는 포인트 로드의 발생을 억제하기 위해, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)는 충격 완화 동작을 행한다.
충격 완화 동작에서는 외력을 받은 때의 스프링의 거동, 즉 외력에 상당하는 복원력이 발생하는 변위에 상당하는 위치(즉, 균형 위치)까지 수축 또는 신장한다. 이와 같은 수축 또는 신장의 거동은 실질적으로 이상적인 물리 거동인 물리 모델에 따른다.
도 6은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 충격 완화 동작에 관한 물리적 관점에서 거동을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면 스프링으로서 행동하는 액추에이터(2)에 하중이 주어지지 않은 상태(자연 길이 상태(50))에 대해, 플레이트(114)가 부착됨으로써, 플레이트(114)의 질량(M1)이 액추에이터(2)에 주어진다. 액추에이터(2)는 플레이트(114)의 질량(M1)의 하중을 받아, 소정의 길이(△Xb)만큼 짧아진 위치(균형 위치)에서 평형 상태가 된다(균형 상태(52)). 이때, 액추에이터(2)의 길이는 Xb라고 한다.
본 실시의 형태에서는 균형 위치를 기준으로 하여 스프링으로서의 거동이 산출된다. 예를 들면 액추에이터(2)에 대해 하중(F)이 주어지면 균형 위치로부터 소정의 길이(△X)만큼 짧아진 위치(하중(F) 발생시의 위치)에서 평형 상태가 된다(하중 평형 상태(54)). 이때, 액추에이터(2)의 길이는 X라고 한다.
이와 같은 균형 상태(52)로부터의 무너짐에 응하여 스프링으로서의 거동이 결정된다. 여기서, 설명의 편의상, 가장 단순한 물리 모델로서 단진동 모델을 상정한다. 균형 위치를 기준으로 하여 스프링으로서의 거동을 생각하면 액추에이터(2)의 스프링 정수를 K(미리 임의로 설정 가능하다)라고 하면 스프링의 단진동의 주기(T)=2π√(M1/K)가 된다. 또한, 각주파수(ω)=2π/T=√(K/M1)가 된다.
즉, 어떠한 하중(F)이 액추에이터(2)에 주어지면 주어진 하중(F)의 크기에 응한 진폭(A1)으로, 액추에이터(2)는 단진동을 시작하게 된다. 액추에이터(2)에 의한 단진동에 관한 각 값은 이하와 같이 된다.
변위(△X)=A1×sin(ωt)
속도(V)=A1×ω×cos(ωt)
가속도(a)=A1×ω2×sin(ωt)=-ω2△X
후술하는 바와 같이, 액추에이터(2)에 물체가 부착된 상태(균형 상태(52))를 기준으로 한 변위(△X)에 의거하여 물리 모델 등이 결정된다.
본 실시의 형태에 관한 구동 시스템(1)에서는 스프링의 거동을 나타내는 물리 모델을 이용하여 액추에이터(2)에서 스프링의 거동을 재현한다. 물리 모델로서는 상술한 바와 같은 단진동 모델이라도 좋고, 플레이트(114)의 질량(M1) 등을 나타내는 질량(매스)의 요소를 포함하는 모델이라도 좋고, 감쇠(덤핑)의 요소를 포함하는 모델이라도 좋다. 이들의 물리 모델은 스프링에 관한 운동 방정식(F=K×X+M×V 등)에 따라 결정되어도 좋다.
도 7은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)에 의한 충격 완화 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도이다. 도 7을 참조하면 컨트롤러(40)는 물리 모델(420)과, 특성 추정부(422)와, 각(角)주파수 설정부(424)와, 위치 지령 생성부(426)을 포함한다.
물리 모델(420)은 스프링으로서의 거동을 실현하기 위한 모델이다. 도 7에는 한 예로서 단진동 모델을 나타낸다. 이 경우, 물리 모델(420)은 변위(△X(t))=A1×sin(ωt)에 따라 임의의 시간(t)에서의 변위를 산출한다.
특성 추정부(422)는 액추에이터(2)에 외부로부터의 하중이 주어짐으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델(420)을 구성하는 모델 구성부에 상당한다. 보다 구체적으로는 특성 추정부(422)는 인코더(20)로부터의 검출 신호에 의거하여 물리 모델(420)에 포함되는 파라미터(도 7에 도시하는 예에서는 진폭(A1))를 추정한다. 추정되는 파라미터는 물리 모델(420)에 반영된다. 물리 모델(420)은 임의의 하중(F)이 액추에이터(2)에 주어짐으로써 생기는 변화에 의거하여 특성(파라미터)이 결정된다.
예를 들면 물리 모델(420)이 단진동 모델인 경우에는 임의의 하중(F)이 액추에이터(2)에 주어진 직후의 위치 변화(속도)에 의거하여 물리 모델(420)의 진폭(A1)을 산출할 수 있다.
이와 같이, 특성 추정부(422)는 액추에이터(2)의 변위의 시간적 변화(속도, 가속도, 가가속도 등)에 의거하여 물리 모델(420)의 파라미터를 추정한다. 추정되는 파라미터는 물리 모델(420)에 응하여 적절히 결정된다. 예를 들면 스프링 정수나 덤핑 정수를 결정해도 좋다. 이와 같이, 액추에이터(2)에 유의한 변위가 생긴 경우에 물리 모델의 파라미터가 추정되기 때문에 물리 모델(420)은 외부로부터 액추에이터(2)에 주어지는 소정의 하중에 응한 특성을 갖게 된다.
각주파수 설정부(424)는 액추에이터(2)에 부착되는 물체(도 5 및 도 6에 도시하는 예에서는 플레이트(114))의 질량(M1) 및 미리 설정되는 스프링 정수(K)에 의거하여 물리 모델(420)의 각주파수(ω)를 설정한다. 보다 구체적으로는 각주파수 설정부(424)는 미리 설정되는 스프링 정수(K) 및 기지의 질량(M1)에 의거하여 각주파수(ω)를 설정한다. 상술한 바와 같이, 각주파수(ω)=2π/T=√(K/M1)로서 산출된다.
위치 지령 생성부(426)는 액추에이터(2)가 물리 모델(420)에 따르는 변위가 생기도록 제어 지령을 생성한다. 보다 구체적으로는 위치 지령 생성부(426)는 물리 모델(420)에 따라 산출되는 변위(△X)에 의거하여 각 제어 주기에서의 제어 지령(위치 지령 또는 변위 지령)을 생성하고, 드라이버(42)에 출력한다. 즉, 위치 지령 생성부(426)는 모터(18)의 목표 위치를 지정하는 위치 지령을 제어 지령으로서 출력해도 좋다.
이상과 같은 처리 순서에 의해, 물리 모델(420)을 규정하는 파라미터가 추정된다. 그리고, 추정된 파라미터를 포함하는 물리 모델(420)에 따라 액추에이터(2)의 거동이 결정된다.
액추에이터(2)가 단진동함에 의해, 워크(W)에 의한 하중(F)에 대해, 액추에이터(2)는 하중(Fa)=K×X+M1×V를 발생하게 된다. 즉, 하중(Fa)에는 플레이트(114)(질량(M1))가 이동함에 의해 생기는 모멘트가 반영된다.
상술한 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 충격 완화 동작에서는 물리적인 스프링(댐퍼로서 동작)을 모터(18)의 제어로 실현한다. 균형 위치를 기준으로 하여 제어하기 때문에 주어지는 하중이 작은 경우도, 물리식에 따르는 거동을 실현할 수 있다. 물리식에 따르는 거동을 취하기 때문에 제어계를 설계할 때의 사전 계산이나 시뮬레이션 등이 용이해짐과 함께, 실제의 장치를 구성한 경우에도, 사전의 설계로부터의 어긋남이 적어진다.
통상적으로, 복수의 부품으로 이루어지는 기구는 부품간의 저항이 존재하고, 존재하는 저항의 크기는 주위 환경이나 사용 이력 등에 의해 변화하기 때문에 사전 계산 등이 어렵다. 이에 대해, 본 실시의 형태에 관한 충격 완화 동작에서는 부품간의 저항의 대소에 의존하는 일 없이, 물리식에 따르는 거동을 실현할 수 있다. 또한, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)는 모터(18)에 의해 구동되기 때문에 응답성 및 자유도를 높인 스프링을 실현할 수 있다.
<D. 탄성력 발생 동작>
다음에, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 탄성력 발생 동작에 관해 설명한다. 탄성력 발생 동작에서는 훅의 법칙(Fa=스프링 정수(K)×변위(△X))에 따라 산출되는 하중을 발생한다. 본 실시의 형태에서는 스프링 정수(K)를 가변함으로써, 목적하는 하중(탄성력)을 워크(W) 등에 대해 줄 수 있다.
도 8은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 탄성력 발생 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 8(A)을 참조하여 액추에이터(2)가 물리 모델에 따라 변위를 발생하는 경우를 상정한다. 한 예로서 액추에이터(2)가 수축한 상태로부터 신장한 상태로 변화하는 경우에는 도 8(B)에 도시하는 바와 같은 변위의 시간적 변화를 나타낸다.
스프링 정수(K)가 일정하면 변위(△X)(자연 길이로부터의 변화분)에 비례한 하중(Fa)이 발생하게 되지만 스프링 정수(K)를 시간적으로 변화시킴으로써, 발생하는 하중(Fa)의 크기를 조정할 수 있다.
예를 들면 도 8(C)에 도시하는 바와 같이, 스프링 정수(K)를 시간적으로 변화시킴으로써, 하중(Fa)의 크기는 도 8(D)에 도시하는 바와 같이 변화한다. 도 8(D)에 도시하는 예에서는 시간 경과에 따라 스프링 정수(K)를 크게 함으로써, 발생하는 하중(Fa)의 변동을 억제하고 있다.
또한, 요구되는 하중(Fa)이 미리 설정되는 경우에는 각 제어 주기에서, 변위(△X)에 대응하는 스프링 정수(K)를 산출해도 좋다.
도 9는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)에 의한 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도이다. 도 9를 참조하면 컨트롤러(40)는 하중 지령 생성부(428)와, 스프링 정수 변경부(430)와, 변위 산출부(432)를 포함한다.
스프링 정수 변경부(430)는 스프링 정수(K)를 결정하는 결정부에 상당한다. 스프링 정수 변경부(430)는 임의의 구간마다 스프링 정수(K)를 설정해도 좋고, 제어 주기마다 스프링 정수(K)를 설정해도 좋다. 한 예로서 스프링 정수 변경부(430)는 미리 정해진 패턴에 따라 각 제어 주기에서의 스프링 정수(K(t))를 설정한다.
스프링 정수 변경부(430)는 도 8(C)에 도시하는 바와 같은 스프링 정수(K(t))를 출력하는 패턴을 갖고 있어도 좋다. 또한, 복수 종류의 워크(W)가 존재하는 경우에는 스프링 정수의 복수의 패턴을 스프링 정수 변경부(430)에 격납하고 있어도 좋다. 그 경우에는 설정 모드에 응하여 복수의 패턴 중 하나를 선택하도록 하여도 좋다.
변위 산출부(432)는 인코더(20)로부터의 검출 신호에 의거하여 액추에이터(2)에 생기고 있는 변위(△X)를 산출한다. 변위 산출부(432)가 산출하는 변위(△X)는 액추에이터(2)에 물체(도 5 및 도 6에 도시하는 예에서는 플레이트(114))가 부착된 상태를 기준으로 하여 산출된다.
하중 지령 생성부(428)는 스프링 정수(K)와 액추에이터(2)에 생기고 있는 변위(△X)와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기도록 제어 지령을 생성한다. 보다 구체적으로는 하중 지령 생성부(428)는 변위 산출부(432)에 의해 산출되는 변위(△X)와, 스프링 정수 변경부(430)로부터의 스프링 정수(K(t))에 의거하여 각 제어 주기에서 발생해야 할 하중(Fa)(=K(t)×△X)을 산출하고, 산출한 하중(Fa)을 발생하도록 제어 지령(전형적으로는 토오크 지령)을 생성하고, 드라이버(42)에 출력한다. 즉, 하중 지령 생성부(428)는 모터(18)가 발생해야 할 토오크를 지정하는 토오크 지령을 제어 지령으로서 출력해도 좋다.
이상과 같은 처리 순서에 의해, 변위(△X) 및 스프링 정수(K)에 응한 하중(Fa)을 액추에이터(2)에서 발생할 수 있다. 또한, 실제로는 플레이트(114)(질량(M1))가 이동함에 의해 생기는 모멘트가 반영되기 때문에 액추에이터(2)는 하중(Fa)=K×X+M1×V를 발생하게 된다.
또한, 감쇠(덤핑)의 요소를 포함하는 물리 모델을 채용한 경우에는 스프링 정수(K)에 더하여 또는 스프링 정수(K)에 대신하여 덤핑 정수를 시간적으로 변화시켜도 좋다.
상술한 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 탄성력 발생 동작에서는 물리적인 스프링(댐퍼로서 동작)을 모터(18)의 제어로 실현한다. 물리식에 따르는 거동을 취하기 때문에 제어계를 설계할 때의 사전 계산이나 시뮬레이션 등이 용이해짐과 함께, 실제의 장치를 구성한 경우에도, 사전의 설계로부터의 어긋남이 적어진다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 탄성력 발생 동작에서는 액추에이터에 생기고 있는 변위에 비례하여 하중을 발생하기 때문에 외력(외부로부터의 하중)을 계측하기 위한 센서 등이 불필요해진다. 그 때문에 강성이 높은 제조 장치나 무시할 수 없는 내부 저항을 갖는 제조 장치라도, 발생하는 하중을 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 탄성력 발생 동작에서는 스프링 정수를 변화시킬 수 있기 때문에 액추에이터에 생기고 있는 변위에 비례하여 하중을 발생한다는 물리식에 따르면서 어플리케이션에 응하여 목적하는 하중을 발생할 수 있다.
<E. 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작>
상술한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작을 전환함으로써, 워크(W)가 접촉하는 경우 등에 큰 하중(충격력)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 10은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)를 이용한 물체간의 접촉에 의한 충격력의 발생을 억제하기 위한 처리를 설명하기 위한 도면이다. 도 10을 참조하면 충격 완화 동작이 선행하여 실행되고, 어떠한 하중이 주어지면 액추에이터(2)는 주어지는 하중에 응하여 패시브로 동작한다. 그 후, 소정의 전환 조건에서 탄성력 발생 동작으로 전환되어, 생기고 있는 변위 및 패턴에 의해 규정되는 스프링 정수에 의거하여 산출되는 하중을 발생한다.
충격 완화 동작에서는 외력(외부로부터의 하중)이 주어지지 않는 한, 액추에이터(2)는 아무런 변위도 생기지 않는다. 외력이 주어지면 주어진 외력에 응한 파라미터가 산출되고, 산출된 파라미터를 갖는 물리 모델로 액추에이터(2)의 변위가 제어된다.
충격 완화 동작과 탄성력 발생 동작을 전환하기 위한 전환 조건으로서는 액추에이터(2)에 외부로부터 하중이 주어지고 나서의 경과 시간, 액추에이터(2)에 생기고 있는 변위(현재 위치), 외부 장치로부터의 트리거 등에 의거하도록 하여도 좋다.
도 11은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)에 의한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도이다. 도 11을 참조하면 컨트롤러(40)는 물리 모델(420)과, 특성 추정부(422)와, 각(角)주파수 설정부(424)와, 위치 지령 생성부(426)과, 하중 지령 생성부(428)와, 스프링 정수 변경부(430)와, 변위 산출부(432)와, 선택부(434)를 포함한다.
도 11에 도시하는 기능 구성은 도 7에 도시하는 충격 완화 동작을 실현하기 위한 기능 구성과, 도 9에 도시하는 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 기능 구성을 조합시킨 다음, 선택부(434)를 추가한 것에 상당한다. 즉, 선택부(434)는 위치 지령 생성부(426)로부터 출력되는 충격 완화 동작을 실현하기 위한 제어 지령과, 하중 지령 생성부(428)로부터 출력되는 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 제어 지령 중 어느 쪽의 제어 지령을 유효화 하는지를 선택한다.
선택부(434)는 전환 조건(436)을 갖고 있고, 전환 조건(436)이 충족되는지의 여부에 의거하여 위치 지령 생성부(426)로부터 출력되는 제어 지령과, 하중 지령 생성부(428)로부터 출력되는 제어 지령의 일방을 선택하여 출력한다. 전형적으로는 선택부(434)는 위치 지령 생성부(426)로부터의 제어 지령을 유효화하고 있을 때에 전환 조건(436)이 충족되면 하중 지령 생성부(428)로부터의 제어 지령을 유효화한다.
도 12는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)에 의한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작에 관한 처리 순서의 한 예를 도시하는 플로우차트이다. 도 12에 도시하는 각 스텝은 전형적으로는 컨트롤러(40)의 프로세서(402)가 제어 프로그램(412)을 실행함으로써 실현된다. 또한, 프로세서(402)가 제어 프로그램(412)을 실행할 때에 처리의 일부를 시스템 프로그램(410)이 제공하는 라이브러리 등을 이용하는 일도 있다.
도 12에 도시하는 처리 중, 스텝 S2∼S14가 충격 완화 동작에 관한 처리에 상당하고, 스텝 S20∼S28이 탄성력 발생 동작에 관한 처리에 상당한다.
즉, 컨트롤러(40)는 우선, 충격 완화 동작에 관한 처리를 실행한다. 보다 구체적으로는 컨트롤러(40)는 인코더(20)에 의한 검출 신호에 의거하여 액추에이터(2)에 소정치를 초과하는 하중이 주어졌는지의 여부를 판단한다(스텝 S2). 액추에이터(2)에 소정치를 초과하는 하중이 주어지지 않으면(스텝 S2에서 NO), 스텝 S2 이하의 처리가 반복된다.
액추에이터(2)에 소정치를 초과하는 하중이 주어지면(스텝 S2에서 YES), 컨트롤러(40)는 인코더(20)에 의한 검출 신호에 의거하여 액추에이터(2)의 속도를 산출하고(스텝 S4), 산출한 속도에 의거하여 물리 모델의 파라미터를 추정한다(스텝 S6). 그리고, 컨트롤러(40)는 추정한 파라미터를 포함하는 물리 모델을 구성한다(스텝 S8). 이와 같이, 컨트롤러(40)는 액추에이터(2)에 외부로부터의 하중이 주어짐으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성한다.
컨트롤러(40)는 액추에이터(2)에 소정치를 초과하는 하중이 주어지고 나서의 경과 시간을 물리 모델에 입력하여 현재의 제어 주기에서의 제어 지령(위치 지령 또는 변위 지령)을 산출하고(스텝 S10), 산출한 제어 지령을 드라이버(42)에 출력한다(스텝 S12). 즉, 컨트롤러(40)는 액추에이터(2)가 물리 모델에 따르는 변위가 생기도록 모터(18)를 제어한다.
그리고, 컨트롤러(40)는 탄성력 발생 동작으로 전환되기 위한 조건(전환 조건(436))이 충족됐는지의 여부를 판단한다(스텝 S14). 탄성력 발생 동작으로 전환되기 위한 조건이 충족되지 않으면(스텝 S14에서 NO), 스텝 S10 이하의 처리가 반복된다.
탄성력 발생 동작으로 전환되기 위한 조건이 충족되어 있으면(스텝 S14에서 YES), 컨트롤러(40)는 이하의 탄성력 발생 동작에 관한 처리를 실행한다. 보다 구체적으로는 컨트롤러(40)는 미리 설정되어 있는 패턴을 참조하여 현재의 제어 주기에서의 스프링 정수(K)를 결정한다(스텝 S20). 이와 같이, 컨트롤러(40)는 스프링 정수(K)를 결정한다.
계속해서, 컨트롤러(40)는 현재의 액추에이터(2)의 변위를 취득하고(스텝 S22), 스프링 정수(K)와 현재의 액추에이터(2)의 변위에 의거하여 액추에이터(2)가 발생해야 할 하중을 산출한다(스텝 S24). 그리고, 컨트롤러(40)는 발생해야 할 하중에 대응하는 제어 지령(위치 지령 또는 변위 지령)을 산출하고(스텝 S26), 산출한 제어 지령을 드라이버(42)에 출력한다(스텝 S28). 이와 같이, 컨트롤러(40)는 스프링 정수(K)와 액추에이터(2)에 생기고 있는 변위(△X)와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기도록 모터(18)를 제어한다.
이와 같이, 컨트롤러(40)는 액추에이터(2)가 충격 완화 동작 중(물리 모델에 따르는 변위가 생기도록 모터를 제어하고 있을 때)에, 소정의 전환 조건이 충족되면 스프링 정수(K)와 액추에이터(2)에 생기고 있는 변위(△X)와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기도록 모터(18)의 제어를 전환한다.
그리고, 컨트롤러(40)는 탄성력 발생 동작의 종료 조건이 충족됐는지의 여부를 판단한다(스텝 S30). 탄성력 발생 동작의 종료 조건이 충족되지 않으면(스텝 S30에서 NO), 스텝 S20 이하의 처리가 반복된다.
탄성력 발생 동작의 종료 조건이 충족되어 있으면(스텝 S30에서 YES), 처리는 종료한다.
또한, 도 12에는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)에 의한 충격 완화 동작과 탄성력 발생 동작을 조합시킨 처리례를 나타내지만 충격 완화 동작만 및 탄성력 발생 동작만을 행하도록 하여도 좋다. 액추에이터(2)를 이용한 어플리케이션에 응하여 적절한 동작이 선택되게 된다.
<F. 구동 기구의 예>
설명의 편의상, 단일한 액추에이터(2)로 이루어지는 구성에 관해 예시했지만 복수의 액추에이터(2)를 포함하는 기구를 실현해도 좋다. 이하, 액추에이터(2)를 포함하는 구동 기구의 한 예에 관해 설명한다.
(f1: 1자유도의 스테이지 기구)
도 13은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)를 복수 포함하는 1자유도의 스테이지 기구의 예를 도시하는 모식도이다. 도 13(A) 및 도 13(B)에는 플레이트(114)가 3개의 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)로 지지되는 스테이지 기구의 구성례를 도시한다. 도 13(A) 및 도 13(B)에 도시되는 스테이지 기구에서는 공통의 부재인 플레이트(114)에 복수의 액추에이터(2)가 기계적으로 접속되어 있다.
도 13(A)에 도시하는 스테이지 기구에서는 컨트롤러(40)가 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)를 동기하여 제어함으로써, 플레이트(114)의 면 전체를 제어할 수 있다. 이때, 컨트롤러(40)는 공통의 부재인 플레이트(114)로부터 목적하는 하중이 생기도록 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)에 대한 각각의 제어 지령을 생성한다.
도 13(B)에 도시하는 스테이지 기구에서는 컨트롤러(40-1, 40-2, 40-3)가 각각 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)를 제어한다. 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)의 각각이 독립하여 제어됨으로써, 플레이트(114)에 국소적인 하중이 주어진 경우에도, 국소적인 하중에 응한 거동을 행할 수가 있다.
도 14는 도 13(A)에 도시하는 스테이지 기구에 의한 탄성력 발생 동작을 실현하기 위한 주요한 기능 구성을 도시하는 모식도이다. 도 14를 참조하면 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)는 드라이버(42-1, 42-2, 42-3)에 의해 각각 구동되고, 인코더(20-1, 20-2, 20-3)에 의해 변위가 검출된다.
컨트롤러(40)는 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)를 제어하기 위해, 하중 지령 생성부(428-1, 428-2, 428-3)와, 스프링 정수 변경부(430-1, 430-2, 430-3)와, 변위 산출부(432-1, 432-2, 432-3)를 각각 포함한다.
플레이트(114)의 면 전체가 발생하는 하중을 제어하기 위해, 스프링 정수 변경부(430-1, 430-2, 430-3)의 사이에서, 각각의 스프링 정수를 변경 또는 갱신하는 타이밍이 제어된다. 스프링 정수를 동기하여 서서히 변경하도록 하여도 좋고, 변위의 편차를 보정하도록 각각의 스프링 정수의 사이를 조정해도 좋다.
이와 같은 제어 로직을 채용함으로써, 플레이트(114)가 발생하는 하중을 면 전체로 제어할 수 있다.
또한, 충격 완화 동작에 대해서도, 각각의 액추에이터에 대응하는 물리 모델을 서로 동기시킴으로써, 플레이트(114)에 생기는 하중을 면 전체로 제어할 수 있다.
(f2: 다자유도(多自由度)의 스테이지 기구)
도 15는 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)를 복수 포함하는 다자유도의 스테이지 기구(110A)의 예를 도시하는 모식도이다.
도 15를 참조하면 스테이지 기구(110A)는 2자유도를 갖는 Zθ 스테이지이다. 보다 구체적으로는 스테이지 기구(110A)는 θ축 방향으로 회전하도록 구성된 회전 부재(118)와, Z축 방향으로 신장하는 3개의 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)를 포함한다.
도 15에 도시하는 바와 같은 스테이지 기구(110A)를 이용함으로써, 다양한 어플리케이션에서의 이용이 가능해진다.
(f3: 기타)
상술한 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)는 액추에이터(2) 단체(單體)로 이용할 수도 있고, 액추에이터(2)를 조립한 스테이지로서 이용할 수도 있다. 또한, 스테이지를 포함하는 제조 장치로서 이용할 수도 있다.
<G. 어플리케이션 예>
본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)를 이용한 어플리케이션의 한 예에 관해 설명한다.
도 16은 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)를 이용한 어플리케이션의 한 예를 도시하는 모식도이다. 도 16에는 워크(W1)와 워크(W2)를 부착하기 위해, 양 워크를 맞겹치는 어플리케이션을 나타낸다.
도 16(A)을 참조하면 2개의 워크가 맞겹치는 조립 장치(200)는 스테이지 기구(110A)와, 반송 기구(150)와, 컨트롤러(40)를 포함한다. 스테이지 기구(110A)의 플레이트(114)상에 워크(W1)가 배치되어 있다. 워크(W1)에 맞겹치는 워크(W2)는 스테이지 기구(110A)의 윗방향으로부터 반송 기구(150)에 의해 반송된다. 컨트롤러(40)는 스테이지 기구(110A)에 제어 지령을 주어, 스테이지 기구(110A)를 제어한다.
스테이지 기구(110A)는 모터(18)에 의해 구동되어 제1 방향(Z축 방향)으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터(2)를 포함한다. 스테이지 기구(110A)의 구성은 도 15를 참조하여 설명했기 때문에 상세한 설명은 반복하지 않는다.
반송 기구(150)는 지지주(152)와 플레이트(154)를 포함한다. 플레이트(154)는 지지주(152)와 연결되어 있고, 도시하지 않은 구동 기구에 의해, 중력 상하 방향으로 이동이 가능하게 되어 있다.
플레이트(154)의 표면에는 흡착구멍이 형성되어 있다. 워크(W2)는 도시하지 않은 흡착 기구에 의해, 플레이트(154)의 표면에 흡착된 상태로 반송된다.
다음에, 도 16(B)를 참조하여 조립 장치(200)에서의 처리 순서를 설명한다.
우선, 워크(W1)와 워크(W2)가 평행하게 되도록 스테이지 기구(110A)의 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)의 변위가 조정된다((1) 평행 유지 동작). 즉, 컨트롤러(40)는 워크(W1)와 맞겹쳐지는 워크(W2)에 응하여 워크(W1)와 워크(W2)가 평행하게 되도록 스테이지 기구(110A)에 제어 지령을 준다.
평행 유지 동작은 반송 기구(150)에 마련된 도시하지 않은 센서에 의한 검출 신호에 의거한 피드백 제어에 의해 실현되어도 좋다. 또한, 평행 유지 동작에서는 방향 조정에 의해, 워크(W1)와 워크(W2)가 충돌하지 않도록 워크 사이에는 소정의 거리 마진이 마련된다.
평행 유지 동작에 의해 워크(W1)와 워크(W2)와의 사이가 평행하게 되도록 조정된 후, 워크(W1)와 워크(W2)와의 거리를 줄인다, 즉 워크(W2)를 워크(W1)의 위에 겹치기 위한 제어가 행해진다((2) 워크 사이 접근 동작). 워크 사이 접근 동작에서는 반송 기구(150)가 워크(W2)를 워크(W1)에 접근시킴과 함께, 스테이지 기구(110A)의 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)의 변위를 조정함으로써, 워크(W1)와 워크(W2)의 사이를 평행하게 유지한다.
워크(W1)와 워크(W2)가 접촉하기 직전이 되면 충격 완화 동작이 시작된다((3) 충격 완화 동작). 즉, 컨트롤러(40)는 워크(W2)가 워크(W1)에 접촉함으로써 액추에이터(2)에 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성한다. 그리고, 컨트롤러(40)는 액추에이터(2)가 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성한다. 이와 같이, 워크(W2)가 워크(W1)와 접촉하여 하중이 액추에이터(2)에 주어지면 액추에이터(2)는 상술한 바와 같은 물리 모델에 응한 스프링과 같이 동작한다. 충격 완화 동작에 의해, 워크(W1)와 워크(W2)가 접촉하여 생기는 과대한 하중이나 포인트 로드를 회피할 수 있다.
그 후, 소정의 전환 조건이 충족되면 탄성력 발생 동작이 시작된다((4) 탄성력 발생 동작). 즉, 스프링 정수(K)와 액추에이터(2)에 생기고 있는 변위(△X)와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성한다. 탄성력 발생 동작에 의해, 워크(W1)와 워크(W2)와의 사이에 가압력(押付力)이 발생하고, 워크(W1)와 워크(W2)와의 접착이 완료된다.
도 17은 도 16에 도시하는 조립 장치(200)에서의 처리 순서를 도시하는 플로우차트이다. 도 17에 도시하는 각 스텝은 전형적으로는 컨트롤러(40)의 프로세서(402)가 제어 프로그램(412)을 실행함으로써 실현된다. 또한, 프로세서(402)가 제어 프로그램(412)을 실행할 때에 처리의 일부를 시스템 프로그램(410)이 제공하는 라이브러리 등을 이용하는 일도 있다.
도 17을 참조하면 처리 시작이 지시되면(스텝 S100에서 YES), 컨트롤러(40)는 스테이지 기구(110A)상에 워크(W1)을 배치하는 지시 및 반송 기구(150)에 워크(W2)를 흡착하는 지시를 출력한다(스텝 S102). 그리고, 컨트롤러(40)는 반송 기구(150)에 흡착된 워크(W2)를 워크(W1)에 근접하는 지시를 출력함(스텝 S104)과 함께, 평행 유지 동작을 시작한다.
보다 구체적으로는 컨트롤러(40)는 반송 기구(150)에 흡착된 워크(W2)의 기울기에 의거하여 워크(W1)와 워크(W2)가 평행하게 되도록 스테이지 기구(110A)의 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)의 변위를 조정한다(스텝 S106). 이와 같이, 컨트롤러(40)는 워크(W1)와 맞겹쳐지는 워크(W2)에 응하여 워크(W1)와 워크(W2)가 평행하게 되도록 스테이지 기구(110A)에 제어 지령을 준다.
그리고, 컨트롤러(40)는 워크(W1)와 워크(W2)와의 평행 정도에 의거하여 워크 사이 접근 동작으로 전환하기 위한 전환 조건이 충족됐는지의 여부를 판단한다(스텝 S108). 전환 조건이 충족되지 않으면(스텝 S108에서 NO), 스텝 S106 이하의 처리가 반복된다.
전환 조건이 충족되어 있으면(스텝 S108에서 YES), 컨트롤러(40)는 워크(W1)와 워크(W2)가 평행하게 유지되도록 스테이지 기구(110A)의 액추에이터(2-1, 2-2, 2-3)의 변위를 조정한다(스텝 S110). 그리고, 컨트롤러(40)는 워크(W1)와 워크(W2) 사이의 거리에 의거하여 충격 완화 동작으로 전환하기 위한 전환 조건이 충족됐는지의 여부를 판단한다(스텝 S112). 전환 조건이 충족되지 않으면(스텝 S112에서 NO), 스텝 S110 이하의 처리가 반복된다.
전환 조건이 충족되어 있으면(스텝 S112에서 YES), 컨트롤러(40)는 충격 완화 동작을 시작한다(스텝 S114). 충격 완화 동작에서는 도 12의 스텝 S2∼S14에 관한 처리가 실행된다.
그리고, 충격 완화 동작으로부터 탄성력 발생 동작으로의 전환 조건이 충족되면 컨트롤러(40)는 탄성력 발생 동작을 시작한다(스텝 S116). 탄성력 발생 동작에서는 도 12의 스텝 S20∼S28에 관한 처리가 실행된다.
워크(W1)와 워크(W2)의 맞겹침이 완료되면 컨트롤러(40)는 맞겹친 워크(W1) 및 워크(W2)를 다음 공정으로 반송하기 위한 지시를 출력한다(스텝 S118). 이상에 의해, 1회의 처리가 완료된다.
상술한 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작을 포함하는 일련의 제어에 의해, 워크 사이에 발생하는 충격을 완화하여 워크에 생기는 데미지를 경감하면서 워크 사이의 면압을 균일하게 하여 꽉 누를 수 있다. 이에 의해, 불량품의 발생을 저감함과 함께, 보다 높은 품질의 워크를 제조할 수 있다.
<H. 기타의 실시의 형태>
상술한 바와 같이, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 제어(충격 완화 동작 및/또는 탄성력 발생 동작)는 반송, 맞겹침, 맞붙임, 삽입이라는 물체와 물체와의 접촉을 포함하는 임의의 어플리케이션에 적용 가능하다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 충격 완화 동작은 단체로, 제진이나 진동 억제 등의 스프링 기구나 텐셔너 등에도 적용 가능하다.
또한, 본 실시의 형태에 관한 액추에이터(2)의 탄성력 발생 동작은 단체로, 프레스 장치 등의 임의의 하중을 발생하는 기구에 적용 가능하다.
<I. 이점>
본 실시의 형태에 의하면 액추에이터가 물리식에 따르는 거동을 취하기 때문에 제어 로직의 구성이나 설비 설계를 위한 시뮬레이션을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 실제의 장치를 구성한 경우에도, 사전의 설계로부터의 어긋남이 적어진다.
또한, 하중 및 위치를 제어하는 기술의 한 예로서 임피던스 제어 및 어드미턴스 제어가 있다.
임피던스 제어는 목표 위치 및 임피던스가 미리 설정된 상태에서, 하중이 액추에이터에 주어지면 목표 위치에 머무르도록 액추에이터의 특성(유연함)을 조정하는 기술이다. 그때문에 본 실시의 형태에 관한 충격 완화 동작과 같은 충격력을 완화하는 제어를 실현하는 것이 아니고, 오히려 보다 큰 충격력이 발생하는 일도 있다. 또한, 임피던스 제어에서는 목표 위치가 주어지기 때문에 본 실시의 형태에 관한 탄성력 발생 동작과 같이, 발생하는 하중을 제어하는 것은 가능하지 않다.
어드미턴스 제어는 임피던스가 미리 설정된 상태에서, 하중이 액추에이터에 주어지면 임피던스에 의거하여 동작 속도(각 제어 주기에서의 위치)가 제어된다. 그때문에 미리 설정된 임피던스에 의거한 거동밖에 할 수 없기 때문에 본 실시의 형태에 관한 충격 완화 동작과 같은 충격력에 응하여 거동을 변화시키는 것은 가능하지 않다. 또한, 어드미턴스 제어는 하중이 액추에이터에 주어짐으로써 거동을 결정하기 때문에 본 실시의 형태에 관한 탄성력 발생 동작과 같이, 발생하는 하중을 제어하는 것은 가능하지 않다.
이상과 같이, 본 실시의 형태에 관한 충격 완화 동작 및 탄성력 발생 동작은 임피던스 제어 및 어드미턴스 제어와는 완전히 다른 제어이다.
<J. 부기>
상술한 바와 같은 본 실시의 형태는 이하와 같은 기술 사상을 포함한다.
[구성 1]
제1 워크(W1)가 배치되는 스테이지 기구(110A)와,
상기 스테이지 기구를 제어하는 컨트롤러(40)를 구비하고,
상기 스테이지 기구는 모터(18)에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터(2)를 포함하고,
상기 컨트롤러는,
상기 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 상기 제1 워크와 상기 제2 워크가 평행하게 되도록 상기 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 제1 지령 생성부(40)와,
상기 액추에이터에 상기 제2 워크가 상기 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 모델 구성부(420)와,
상기 액추에이터가 상기 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제2 지령 생성부(426)와,
스프링 정수를 결정하는 결정부(430)와,
상기 스프링 정수와 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제3 지령 생성부(428)를 포함하는 제조 장치.
[구성 2]
상기 컨트롤러는 상기 제2 지령 생성부 및 상기 제3 지령 생성부 중 어느 쪽의 제어 지령을 유효화 하는지를 선택하는 선택부(434)를 더 포함하는 구성 1에 기재된 제조 장치.
[구성 3]
상기 선택부는 상기 제2 지령 생성부로부터의 제어 지령을 유효화하고 있을 때에 소정의 전환 조건이 충족되면 상기 제3 지령 생성부로부터의 제어 지령을 유효화하는 구성 2에 기재된 제조 장치.
[구성 4]
상기 전환 조건은 상기 액추에이터에 외부로부터의 하중이 주어지고 나서의 경과 시간에 의거하는 구성 3에 기재된 제조 장치.
[구성 5]
상기 전환 조건은 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위에 의거하는 구성 3에 기재된 제조 장치.
[구성 6]
상기 제2 지령 생성부는 상기 모터의 목표 위치를 지정하는 위치 지령을 상기 제어 지령으로서 출력하고,
상기 제3 지령 생성부는 상기 모터가 발생해야 할 토오크를 지정하는 토오크 지령을 상기 제어 지령으로서 출력하는 구성 1∼5의 어느 한 항에 기재된 제조 장치.
[구성 7]
상기 모델 구성부는 상기 액추에이터에 외부로부터 소정의 하중이 주어지면 상기 물리 모델을 구성하는 구성 1∼6의 어느 한 항에 기재된 제조 장치.
[구성 8]
제1 워크(W1)가 배치된 스테이지 기구(110A)의 제어 방법으로서 상기 스테이지 기구는 모터(18)에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터(2)를 포함하고, 상기 제어 방법은,
상기 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크(W2)에 응하여 상기 제1 워크와 상기 제2 워크가 평행하게 되도록 상기 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 스텝(S106, S110)과,
상기 액추에이터에 상기 제2 워크가 상기 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 스텝(S4, S6, S8)과,
상기 액추에이터가 상기 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝(S10, S12)과,
스프링 정수를 결정하는 스텝(S20)과,
상기 스프링 정수와 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝(S22, S24, S26, S28)을 포함하는 제어 방법.
[구성 9]
제1 워크(W1)가 배치된 스테이지 기구(110A)를 제어하기 위한 제어 프로그램(412)으로서 상기 스테이지 기구는 모터(18)에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터(2)를 포함하고, 상기 제어 프로그램은 컴퓨터에,
상기 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 상기 제1 워크와 상기 제2 워크가 평행하게 되도록 상기 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 스텝(S106, S110)과,
상기 액추에이터에 상기 제2 워크가 상기 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 스텝(S4, S6, S8)과,
상기 액추에이터가 상기 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝(S10, S12)과,
스프링 정수를 결정하는 스텝(S20)과,
상기 스프링 정수와 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 의거하여 산출되는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝(S22, S24, S26, S28)을 실행시키는 제어 프로그램.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 구동 시스템 2: 액추에이터
4: 구동 장치 10: 본체부
12: 로드 14: 선단부
16: 연결 부재 18: 모터
20: 인코더 40: 컨트롤러
42: 드라이버 50: 자연 길이 상태
52: 균형 상태 54: 하중 평형 상태
100: 워크 반송 시스템 110, 110A: 스테이지 기구
112: 베이스부 114, 154: 플레이트
118: 회전 부재 120: 로봇
122: 엔드 이펙터 150: 반송 기구
152: 지지주 200: 조립 장치
402: 프로세서 404: 주메모리
406: 입출력부 408: 스토리지
410: 시스템 프로그램 412: 제어 프로그램
420: 물리 모델 422: 특성 추정부
424: 각주파수 설정부 426: 위치 지령 생성부
428: 하중 지령 생성부 430: 스프링 정수 변경부
432: 변위 산출부 434: 선택부
436: 전환 조건 W, W1, W2: 워크

Claims (9)

  1. 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구와,
    상기 스테이지 기구를 제어하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 스테이지 기구는 모터에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    상기 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 상기 제1 워크와 상기 제2 워크가 평행하게 되도록 상기 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 제1 지령 생성부와,
    상기 액추에이터에 상기 제2 워크가 상기 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 모델 구성부와,
    상기 액추에이터가 상기 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제2 지령 생성부와,
    스프링 정수를 결정하는 결정부와,
    상기 스프링 정수와 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 비례하는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 제3 지령 생성부를 포함하고,
    상기 물리 모델은,
    스프링의 거동을 나타내는 모델로서,
    단진동 모델, 상기 단진동 모델에 상기 제1 워크가 배치되는 플레이트의 질량의 요소를 포함하는 모델, 및 상기 단진동 모델에 감쇠의 요소를 포함하는 모델 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 상기 제2 지령 생성부 및 상기 제3 지령 생성부 중 어느 쪽의 제어 지령을 유효화 하는지를 선택하는 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 선택부는 상기 제2 지령 생성부로부터의 제어 지령을 유효화하고 있을 때에 소정의 전환 조건이 충족되면 상기 제3 지령 생성부로부터의 제어 지령을 유효화하고,
    상기 전환 조건은 상기 액추에이터에 외부로부터의 하중이 주어지고 나서의 경과 시간 또는 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위에 의거하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 지령 생성부는 상기 모터의 목표 위치를 지정하는 위치 지령을 상기 제어 지령으로서 출력하고,
    상기 제3 지령 생성부는 상기 모터가 발생해야 할 토오크를 지정하는 토오크 지령을 상기 제어 지령으로서 출력하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모델 구성부는 상기 액추에이터에 외부로부터 소정의 하중이 주어지면 상기 물리 모델을 구성하는 것을 특징으로 하는 제조 장치.
  8. 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구의 제어 방법으로서, 상기 스테이지 기구는 모터에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터를 포함하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 상기 제1 워크와 상기 제2 워크가 평행하게 되도록 상기 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 스텝과,
    상기 액추에이터에 상기 제2 워크가 상기 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 스텝과,
    상기 액추에이터가 상기 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝과,
    스프링 정수를 결정하는 스텝과,
    상기 스프링 정수와 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 비례하는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝을 포함하고,
    상기 물리 모델은,
    스프링의 거동을 나타내는 모델로서,
    단진동 모델, 상기 단진동 모델에 상기 제1 워크가 배치되는 플레이트의 질량의 요소를 포함하는 모델, 및 상기 단진동 모델에 감쇠의 요소를 포함하는 모델 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  9. 제1 워크가 배치되는 스테이지 기구를 제어하기 위한 제어 프로그램을 격납한 기록 매체로서,
    상기 스테이지 기구는 모터에 의해 구동되어 제1 방향으로 변위가 생기는 하나 또는 복수의 액추에이터를 포함하고,
    상기 제어 프로그램은 컴퓨터에,
    상기 제1 워크와 맞겹쳐지는 제2 워크에 응하여 상기 제1 워크와 상기 제2 워크가 평행하게 되도록 상기 스테이지 기구에 제어 지령을 주는 스텝과,
    상기 액추에이터에 상기 제2 워크가 상기 제1 워크에 접촉함으로써 생기는 변위에 의거하여 물리 모델을 구성하는 스텝과,
    상기 액추에이터가 상기 물리 모델에 따르는 변위가 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝과,
    스프링 정수를 결정하는 스텝과,
    상기 스프링 정수와 상기 액추에이터에 생기고 있는 변위와의 곱에 비례하는 구동력이 생기게 하는 제어 지령을 생성하는 스텝을 실행시키고,
    상기 물리 모델은,
    스프링의 거동을 나타내는 모델로서,
    단진동 모델, 상기 단진동 모델에 상기 제1 워크가 배치되는 플레이트의 질량의 요소를 포함하는 모델, 및 상기 단진동 모델에 감쇠의 요소를 포함하는 모델 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기록 매체.
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