JP6858040B2 - ボールねじ装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば対基板作業機や工作機械などに用いられるボールねじ装置、およびその制御方法に関する。

ボールねじには、上限速度（限界速度、危険速度）が設定されている。上限速度は、ねじ軸の軸方向中央から軸方向両端に近づくに従って、小さくなる。このため、ねじ軸の回転速度パターン（ナット部材の移動速度に対応）としては、台形状の回転速度パターンが採用される場合が多い。台形状の回転速度パターンは、加速度一定の速度変化区間と、定速（最大速度）の定速区間と、減速度（マイナスの加速度）一定の速度変化区間と、を有している。特許文献１、２には、定速区間におけるナット部材の最大速度を変更可能なボールねじ装置が開示されている。

特開２００２−１６８３１７号公報 特開平７−２４６８２号公報

しかしながら、特許文献１、２のボールねじ装置の場合、一対の速度変化区間におけるねじ軸の回転加速度（回転減速度を含む）は、変更不可能である。このため、ボールねじ装置の性能を十分に発揮することが困難である。また、ナット部材の移動時間を十分に短縮化することが困難である。そこで、本発明は、ナット部材の移動時間を短縮化可能なボールねじ装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のボールねじ装置は、ねじ軸と、前記ねじ軸に環装されるナット部材と、を有し、前記ねじ軸と前記ナット部材との相対回転に伴って、前記ナット部材が前記ねじ軸の軸方向に移動可能なボールねじと、前記ねじ軸または前記ナット部材を回転駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御装置と、を備えるボールねじ装置であって、前記相対回転の回転速度の上限速度は、前記ねじ軸の軸方向位置に応じて変化し、前記制御装置は、前記ねじ軸の軸方向位置に対する前記相対回転の回転速度パターンを有し、前記回転速度パターンは、前記ねじ軸の軸方向両端に対応して、一対の速度変化区間を有し、前記制御装置は、少なくとも一方の前記速度変化区間の前記相対回転の回転加速度を、前記回転速度が前記上限速度未満になるように、予め設定された規定加速度に対して、調整することを特徴とする。ここで、「回転加速度」には、回転減速度（マイナスの回転加速度）も含まれる。また、本発明のボールねじ装置の制御方法についても同様に特徴を挙げることができる。

本発明のボールねじ装置およびその制御方法によると、回転速度パターンの回転加速度を、予め設定された規定加速度に対して、調整することができる。このため、上限速度に到達しない範囲で、相対回転の回転速度の最大速度を調整することができる。したがって、ナット部材の移動時間を短縮化することができる。

本発明の一実施形態であるボールねじ装置を備える電子部品実装機の上面図である。 ねじ軸の規定回転速度パターンの模式図である。 ねじ軸の調整後の回転速度パターンの模式図である。 その他の実施形態のボールねじ装置のねじ軸の調整後の回転速度パターンの模式図である。

以下、本発明のボールねじ装置およびその制御方法の実施の形態について説明する。

＜ボールねじ装置＞
まず、本実施形態のボールねじ装置について説明する。図１に、本実施形態のボールねじ装置を備える電子部品実装機の上面図を示す。図１に示すように、電子部品実装機７は、ベース７２と、基板搬送装置７３と、ＸＹロボット７４と、Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘと、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙと、を備えている。Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘ、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙは、本発明の「ボールねじ装置」の概念に含まれる。

基板搬送装置７３は、ベース７２の上面に配置されている。基板搬送装置７３は、前後一対のコンベアベルト（基板搬送体）７３０ｆ、７３０ｒを備えている。基板Ｂは、コンベアベルト７３０ｆ、７３０ｒにより、左側（上流側）から右側（下流側）に向かって搬送される。

ＸＹロボット７４は、Ｙ軸スライダ７４０と、Ｘ軸スライダ７４１と、上下一対のＹ軸ガイドレール７４２と、前後一対のＸ軸ガイドレール７４３ｆ、７４３ｒと、装着ヘッド７４４と、を備えている。前後一対のＸ軸ガイドレール７４３ｆ、７４３ｒは、基板搬送装置７３を前後方向から挟むように、ベース７２の上面に配置されている。Ｘ軸スライダ７４１は、前後一対のＸ軸ガイドレール７４３ｆ、７４３ｒに、配置されている。上下一対のＹ軸ガイドレール７４２は、Ｘ軸スライダ７４１に配置されている。Ｙ軸スライダ７４０は、上下一対のＹ軸ガイドレール７４２に、配置されている。装着ヘッド７４４は、Ｙ軸スライダ７４０に固定されている。装着ヘッド７４４の下面には、図１に点線で示すように、吸着ノズル７４５が配置されている。

Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘは、ボールねじ２と、モータ３と、一対の軸受４Ｌ、４Ｒと、制御装置５と、を備えている。モータ３は、本発明の「アクチュエータ」の概念に含まれる。制御装置５は、電子部品実装機７の制御装置である。一対の軸受４Ｌ、４Ｒは、Ｘ軸ガイドレール７４３ｒに沿って、ベース７２の上面に配置されている。一対の軸受４Ｌ、４Ｒは、左右方向に離間して配置されている。ボールねじ２は、ねじ軸２０と、ナット部材２１と、多数のボール（図略）と、を備えている。ねじ軸２０は、左右方向に延在している。ねじ軸２０の右端（基端）は軸受４Ｒにより、ねじ軸２０の左端（先端）は軸受４Ｌにより、回転可能に支持されている。ナット部材２１は、ねじ軸２０に環装されている。ナット部材２１は、多数のボールを介して、ねじ軸２０に螺合している。ナット部材２１には、Ｘ軸スライダ７４１が固定されている。モータ３は、サーボモータである。モータ３は、ねじ軸２０の右端に連結されている。制御装置５からの指示により、モータ３は、ねじ軸２０を、自身の軸周りに回転可能である。ねじ軸２０の回転（ねじ軸２０とナット部材２１との相対回転）に伴って、ナット部材２１つまりＸ軸スライダ７４１は、Ｘ軸ガイドレール７４３ｆ、７４３ｒに沿って、左右方向（ねじ軸２０の軸方向）に移動可能である。

Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙの構成は、Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘと同様である。すなわち、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙは、ボールねじ２と、モータ３と、一対の軸受４ｆ、４ｒと、制御装置５と、を備えている。一対の軸受４ｆ、４ｒは、Ｙ軸ガイドレール７４２に沿って、Ｘ軸スライダ７４１の上面に配置されている。ボールねじ２のねじ軸２０は、前後方向に延在している。ナット部材２１には、Ｙ軸スライダ７４０が固定されている。制御装置５からの指示により、モータ３は、ねじ軸２０を、自身の軸周りに回転可能である。ねじ軸２０の回転（ねじ軸２０とナット部材２１との相対回転）に伴って、ナット部材２１つまりＹ軸スライダ７４０は、Ｙ軸ガイドレール７４２に沿って、前後方向（ねじ軸２０の軸方向）に移動可能である。

電子部品Ｐを基板Ｂに装着する場合は、制御装置５が、Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘ、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙを適宜駆動し、部品供給装置（図略）から基板Ｂの所定の装着座標まで、吸着ノズル７４５により電子部品Ｐを搬送する。

＜ボールねじ装置の制御方法＞
次に、本実施形態のボールねじ装置の制御方法について説明する。なお、Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘ、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙの制御方法は同様である。ここでは、代表して、Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘの制御方法について説明する。図２に、ねじ軸の規定回転速度パターンを示す。図３に、ねじ軸の調整後の回転速度パターンを示す。なお、図２、図３に示す、規定回転速度パターン、調整後の回転速度パターンは、制御装置５の記憶部（図略）に、データとして格納されている。図３においては、図２の規定回転速度パターンを点線で示す。

図２、図３に示すように、ボールねじ２には、上限速度（限界速度、危険速度）Ｖｍが設定されている。なお、上限速度Ｖｍは、構造力学的な計算や実験により、取得される。上限速度Ｖｍにおいては、ボールねじ２の回転速度と、ねじ軸２０の固有振動数と、が一致してしまう。このため、ボールねじ２が共振してしまう。上限速度Ｖｍは、ねじ軸２０の左右方向（軸方向）中央から左右方向両端に近づくに従って、小さくなる。

ねじ軸２０の回転速度は、上限速度Ｖｍに到達しないように（上限速度Ｖｍ未満になるように）、設定される。ねじ軸２０の軸方向におけるナット部材２１のストロークＬ（基端点Ｐ１〜先端点Ｐ２）は、速度変化区間Ｌ１と、定速区間Ｌ２と、速度変化区間Ｌ３と、を有している。

まず、図２に示す規定回転速度パターンについて説明する。規定回転速度パターンの場合、速度変化区間Ｌ１（基端点Ｐ１〜点Ｐａ）におけるねじ軸２０の回転加速度は、最大加速度（回転加速度の最大値）ａ１に固定されている。同様に、速度変化区間Ｌ３（先端点Ｐ２〜点Ｐｂ）におけるねじ軸２０の回転加速度は、最大加速度（回転加速度の最大値）ｄ１に固定されている。速度変化区間Ｌ１の定速区間側の端（点Ｐａ）におけるねじ軸２０の回転速度は、上限速度Ｖｍ直下の最大速度Ｖ１に設定されている。同様に、速度変化区間Ｌ３の定速区間側の端（点Ｐｂ）におけるねじ軸２０の回転速度は、上限速度Ｖｍ直下の最大速度Ｖ１に設定されている。定速区間Ｌ２（点Ｐａ〜点Ｐｂ）におけるねじ軸２０の回転速度は、最大速度Ｖ１に固定されている。

次に、図３に示す調整後の回転速度パターンについて説明する。図２に点線ハッチングで示すように、規定回転速度パターンと、上限速度Ｖｍと、の間には、ねじ軸の回転速度の調整可能領域Ａ１〜Ａ３が介在している。図３に示す回転速度パターンは、当該調整可能領域Ａ１〜Ａ３を活用することにより、ナット部材２１の移動時間の短縮化を図っている。

制御装置５は、図２に示す調整可能領域Ａ１〜Ａ３を活用できるように、図３に示す速度変化区間Ｌ１（基端点Ｐ１〜点Ｐｃ）における最大加速度（規定加速度）ａ１、速度変化区間Ｌ３（先端点Ｐ２〜点Ｐｄ）における最大加速度（規定加速度）ｄ１を、調整する。具体的には、最大加速度ａ１を、二段階の加速度（最大加速度ａ１、調整加速度ａ２）に、変更する。並びに、最大加速度ｄ１を、二段階の加速度（最大加速度ｄ１、調整加速度ｄ２）に、変更する。なお、調整加速度（絶対値）ａ２は、最大加速度（絶対値）ａ１よりも、小さい。同様に、調整加速度（絶対値）ｄ２は、最大加速度（絶対値）ｄ１よりも、小さい。

調整後の回転速度パターンによると、図３のハッチング部分だけ、回転速度パターン下側の面積（実際にナット部材２１を移動させる際の、ねじ軸２０の回転速度の設定マージン）が広くなる。このため、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。

以下、制御装置５が、図３に示す回転速度パターンに従って、ナット部材２１を移動させる場合について説明する。制御装置５は、図１に示すモータ３のエンコーダ（図略）からの信号を基に、ナット部材２１の位置を認識している。

図３に一点鎖線ｃ１で示すように、ナット部材２１を始点Ｐｅから終点Ｐｆまで移動させる場合、制御装置５は、始点Ｐｅの位置と、移動距離（＝Ｐｆ−Ｐｅ）を基に、ねじ軸２０の回転速度、回転加速度を算出する。すなわち、図３に示す回転速度パターンを上回らないように、かつ当該回転速度パターンに近づくように、制御装置５は、ナット部材２１の回転速度、回転加速度を設定する。ねじ軸２０の回転速度は、最大速度Ｖ２に到達する。このため、回転速度が最大速度Ｖ１までしか到達できない場合と比較して、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。

同様に、図３に一点鎖線ｃ２で示すように、ナット部材２１を始点（先端点）Ｐ２から終点Ｐｇまで移動させる場合、制御装置５は、始点Ｐ２の位置と、移動距離（＝Ｐｇ−Ｐ２）を基に、ねじ軸２０の回転速度、回転加速度を算出する。すなわち、図３に示す回転速度パターンを上回らないように、かつ当該回転速度パターンに近づくように、制御装置５は、ナット部材２１の回転速度、回転加速度を設定する。ねじ軸２０の回転速度は、最大速度Ｖ２に到達する。このため、回転速度が最大速度Ｖ１までしか到達できない場合と比較して、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。

＜作用効果＞
次に、本実施形態のボールねじ装置およびその制御方法の作用効果について説明する。本実施形態のボールねじ装置（Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘ、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙ）およびその制御方法によると、制御装置５は、図２に示す規定回転速度パターンを、図３に示す回転速度パターンに、変更することができる。すなわち、回転速度パターンの回転加速度を、予め設定された最大加速度（規定加速度）ａ１、ｄ１に対して、調整することができる。このため、上限速度Ｖｍに到達しない範囲で、ねじ軸２０の回転速度の最大速度を調整することができる。具体的には、図２に示す最大速度Ｖ１を、図３に示す最大速度Ｖ２に、増加することができる。したがって、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。延いては、電子部品実装機７の生産能力を向上させることができる。また、Ｘ軸ボールねじ装置１Ｘ、Ｙ軸ボールねじ装置１Ｙの性能を、十分に発揮することができる。

また、図２に示す規定回転速度パターンに対して、図３に示す調整後の回転速度パターンは、速度変化区間Ｌ１、Ｌ３が長く、定速区間Ｌ２が短く、最大速度Ｖ２が大きい。このため、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。

＜その他＞
以上、本発明のボールねじ装置およびその制御方法の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

調整後のねじ軸の回転速度パターンは、特に限定しない。図４に、その他の実施形態のボールねじ装置のねじ軸の調整後の回転速度パターンを示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図３に示す回転速度パターンと同様に、図４に示す回転速度パターンは、図２に示す調整可能領域Ａ１〜Ａ３を活用することにより、ナット部材２１の移動時間の短縮化を図っている。

制御装置５は、図２に示す調整可能領域Ａ１〜Ａ３を活用できるように、図４に示す速度変化区間Ｌ１（基端点Ｐ１〜点Ｐｃ）における最大加速度、速度変化区間Ｌ３（先端点Ｐ２〜点Ｐｄ）における最大加速度を、調整する。具体的には、図２に示す最大加速度ａ１を、図４に示す調整加速度ａ３に変更する。並びに、図２に示す最大加速度ｄ１を、図４に示す調整加速度ｄ３に変更する。なお、調整加速度（絶対値）ａ３は、最大加速度（絶対値）ａ１よりも、小さい。同様に、調整加速度（絶対値）ｄ３は、最大加速度（絶対値）ｄ１よりも、小さい。

調整後の回転速度パターンによると、図４のハッチング部分と点線ハッチング部分との差分だけ、回転速度パターン下側の面積（実際にナット部材２１を移動させる際の、ねじ軸２０の回転速度の設定マージン）が広くなる。このため、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。また、図２に示す規定回転速度パターンに対して、図４に示す調整後の回転速度パターンは、速度変化区間Ｌ１、Ｌ３が長く、定速区間Ｌ２が短く、最大速度Ｖ２が大きい。このため、ナット部材２１の移動時間を短縮化することができる。

制御装置５は、図２に示す規定回転速度パターンを有していなくてもよい。すなわち、制御装置５は、図３、図４に示す修正後の回転速度パターンだけを有していてもよい。回転加速度を調整する区間は特に限定しない。図２〜図４に示す速度変化区間Ｌ１、Ｌ３のうち、少なくとも一方であればよい。一対の速度変化区間Ｌ１、Ｌ３における回転加速度の異同は特に限定しない。

図２に示す規定回転速度パターンの速度変化区間Ｌ１、Ｌ３の規定加速度は、最大加速度ａ１、ｄ１でなくてもよい。この場合、図３、図４に示す調整後の回転速度パターンにおいて、速度変化区間Ｌ１、Ｌ３の回転加速度（絶対値）を、増加させることができる。このため、図２に示す調整可能領域Ａ１、Ａ３を活用することができる。

本発明のボールねじ装置の種類は特に限定しない。本発明のボールねじ装置を、ナット部材２１がアクチュエータにより駆動される、ナット回転タイプのボールねじ装置として具現化してもよい。ボールねじ駆動用のアクチュエータの種類は特に限定しない。例えば、ステッピングモータなどを用いてもよい。本発明のボールねじ装置は、電子部品実装機７において、吸着ノズル７４５移動用、基板Ｂのバックアップ装置移動用、基板Ｂの搬送幅変更用などに用いることができる。また、本発明のボールねじ装置は、電子部品実装機７以外の対基板作業機（スクリーン印刷機、基板外観検査機など）、工作機械（マシニングセンタ、旋盤など）などに用いることができる。

１Ｘ：Ｘ軸ボールねじ装置（ボールねじ装置）、１Ｙ：Ｙ軸ボールねじ装置（ボールねじ装置）、２：ボールねじ、３：モータ（アクチュエータ）、４Ｌ：軸受、４Ｒ：軸受、４ｆ：軸受、４ｒ：軸受、５：制御装置、７：電子部品実装機、２０：ねじ軸、２１：ナット部材、７２：ベース、７３：基板搬送装置、７４：ＸＹロボット、７３０ｆ：コンベアベルト、７３０ｒ：コンベアベルト、７４０：Ｙ軸スライダ、７４１：Ｘ軸スライダ、７４２：Ｙ軸ガイドレール、７４３ｆ：Ｘ軸ガイドレール、７４３ｒ：Ｘ軸ガイドレール、７４４：装着ヘッド、７４５：吸着ノズル、Ａ１〜Ａ３：調整可能領域、Ｂ：基板、Ｌ：ストローク、Ｌ１：速度変化区間、Ｌ２：定速区間、Ｌ３：速度変化区間、Ｐ：電子部品、Ｐ１：基端点、Ｐ２：先端点、Ｖ１：最大速度、Ｖ２：最大速度、Ｖｍ：上限速度、ａ１：最大加速度、ａ２：調整加速度、ａ３：調整加速度、ｄ１：最大加速度、ｄ２：調整加速度、ｄ３：調整加速度

Claims (2)

1. ねじ軸と、前記ねじ軸に環装されるナット部材と、を有し、前記ねじ軸と前記ナット部材との相対回転に伴って、前記ナット部材が前記ねじ軸の軸方向に移動可能なボールねじと、
   前記ねじ軸または前記ナット部材を回転駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御装置と、
   を備え、電子部品実装機の吸着ノズル移動のための第１軸スライダに配置される、第２軸用ボールねじ装置であって、
   前記相対回転の回転速度の上限速度は、前記ねじ軸の軸方向位置に応じて変化し、
   前記制御装置は、前記ねじ軸の軸方向位置に対する前記相対回転の回転速度パターンを有し、
   前記回転速度パターンは、前記ねじ軸の軸方向両端に対応して、一対の速度変化区間を有し、
   前記制御装置は、少なくとも一方の前記速度変化区間の前記相対回転の回転加速度を、前記回転速度が前記上限速度未満になるように、予め設定された規定加速度に対して、調整し、
   前記規定加速度は、最大加速度であり、
   一対の前記速度変化区間と、一対の前記速度変化区間の間に配置される定速区間と、を有し、前記速度変化区間における前記回転加速度が最大加速度に、前記速度変化区間の前記定速区間側の端における前記回転速度が前記上限速度直下の最大速度に、前記定速区間における前記回転速度が前記最大速度に、各々、設定された規定回転速度パターンに対して、
   前記制御装置の有する前記回転速度パターンは、前記速度変化区間が長く、前記定速区間が短く、前記最大速度が大きく、
   前記回転速度パターンの一対の前記速度変化区間のうち、加速側の前記速度変化区間における前記回転加速度は、前記回転速度が０から前記最大速度までの間、一定になるように調整され、
   前記回転速度パターンの一対の前記速度変化区間のうち、減速側の前記速度変化区間における前記回転加速度は、前記回転速度が前記最大速度から０までの間、一定になるように調整されることを特徴とする第２軸用ボールねじ装置。
2. ねじ軸と、前記ねじ軸に環装されるナット部材と、を有し、前記ねじ軸と前記ナット部材との相対回転に伴って、前記ナット部材が前記ねじ軸の軸方向に移動可能なボールねじを備え、電子部品実装機の吸着ノズル移動のための第１軸スライダに配置される、第２軸用ボールねじ装置の制御方法であって、
   前記相対回転の回転速度の上限速度は、前記ねじ軸の軸方向位置に応じて変化し、
   前記ねじ軸の軸方向位置に対する前記相対回転の回転速度パターンは、前記ねじ軸の軸方向両端に対応して、一対の速度変化区間を有し、
   少なくとも一方の前記速度変化区間の前記相対回転の回転加速度を、前記回転速度が前記上限速度未満になるように、予め設定された規定加速度に対して、調整し、
   前記規定加速度は、最大加速度であり、
   一対の前記速度変化区間と、一対の前記速度変化区間の間に配置される定速区間と、を有し、前記速度変化区間における前記回転加速度が最大加速度に、前記速度変化区間の前記定速区間側の端における前記回転速度が前記上限速度直下の最大速度に、前記定速区間における前記回転速度が前記最大速度に、各々、設定された規定回転速度パターンに対して、
   前記回転速度パターンは、前記速度変化区間が長く、前記定速区間が短く、前記最大速度が大きく、
   前記回転速度パターンの一対の前記速度変化区間のうち、加速側の前記速度変化区間における前記回転加速度は、前記回転速度が０から前記最大速度までの間、一定になるように調整され、
   前記回転速度パターンの一対の前記速度変化区間のうち、減速側の前記速度変化区間における前記回転加速度は、前記回転速度が前記最大速度から０までの間、一定になるように調整されることを特徴とする第２軸用ボールねじ装置の制御方法。

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