システムに応じた多彩な制御方法に対応

機械を制御する方法としては、PLCによる制御が一般的であり、弊社でも多種多数の装置開発の実績がありますが、装置に要求される仕様によっては、PCやマイコンで制御しなければならないケースがあります。株式会社鈴木では装置の仕様に応じて最適な制御方法を選択し、装置開発を行っておりますが、その中でも現在販売中のディスペンサを例にとり、PCによる機械制御についてご紹介します。

《背景》ディスペンサを開発する上で要求された制御仕様

ディスペンサとは、基板上にボンドやハンダ等を高速に塗布する装置で、マウンタと同様に基板製造ラインに入る装置になります。ディスペンサを開発するに当たり、仕様として以下が求められました。

＜制御仕様＞

(1)高速、高品質な塗布	塗布の制御処理には、リアルタイム性及び高速処理の実現が必要
(2)高精度な塗布	塗布状態の検査及び基板のアライメント補正に、画像処理が必要
(3)高い操作性、拡張性	タッチパネルの採用、操作性が良く多彩な情報を表現可能にしたユーザーインターフェースの開発及び世界標準のWindows上で動作する汎用機器を利用可能にすること
(4)基板の反りに応じた高難度の塗布を実現	反りの検出には、行列や３次元計算等の科学技術計算処理が必要

《課題》従来の制御方法では要求された仕様を実現することができない

従来当社で主に利用していたPLC制御を想定したところ今回の制御仕様の実現には様々な問題が発生しました。

(1)高速、高品質な塗布

PLCはシングルタスク（ループ処理）の為、処理に優先順位をつけて実行することができません。またプログラムの規模が大きくなるとループ間隔（スキャンタイム）も増大するので、リアルタイム性及び高速処理が確保できません。

　　PLC制御(シングルタスク)のイメージ図

上図において塗布処理を５０ｍｓ間隔で実行しようとしても、処理のループ間隔が２０ｍｓの場合、塗布処理の実行間隔も±２０ｍｓ程度ばらつきが発生してしまい、塗布品質が安定しません。PLCで塗布品質を満足するには、高価な専用の塗布コントローラが別途必要になります。

(2)高精度な塗布

PLCの制御構成で画像処理を行う場合、画像処理を行う機器またはPCを別途準備し、LANやシリアル通信によって処理を実行する構成になりますが、高価な機器を追加しなければならず、装置価格が増大します。またPLCと画像処理にかかる通信時間も長く、高速処理を要求される装置に向いていません。

(3)高い操作性、拡張性

PLC用のタッチパネルは一般のPC用と比較し高価で、画面構成も決められた部品の組み合わせでしか設計できず、自由度が高い構成にできません。またWindows機器との互換性がない為、Windowsで動作するソフトウェア、ハードウェアの利用の考えた場合、別途PCを準備する必要があります。

(4)基板の反りに応じた塗布を実現

基板の反りは、基板上面の高さを数点測定し、その結果のデータを用いて、行列や３次元計算等を行い算出する必要がありますが、PLCでは大量なデータを扱う計算や科学技術計算処理ができません。

《解決策》制御方法の抜本的な見直し

仕様を全て満足するためには、PLC制御では実現が厳しい為、PCによる制御を選択しました。しかしPCで制御する場合、Windows上で機械制御を行うため処理のリアルタイム性が確保できず要求性能を満たすことができず、リアルタイム性を確保できるリアルタイムOSを導入し開発を行いました。リアルタイムOSとは、リアルタイムシステムの為のオペレーティングシステムで、組み込みシステムに必要な時間資源の優先度に基づく配分と実行時間の予測可能性を提供することに特化したマルチタスクOSです。

(1)高速、高品質な塗布

リアルタイムOSでの制御は優先順位に応じたマルチタスク処理が可能です。

　　リアルタイムOS制御(マルチタスク)のイメージ図

処理（タスク）の優先順位が「処理A＜処理B＜処理C＜塗布処理」の場合、上図のように優先順位高い処理を優先して実行が可能です。塗布処理を瞬時に実行しようとした場合、他の処理が実行中であっても優先順位に従い実行中の他の処理を中断し塗布処理を実行することが可能な為、塗布にばらつきが発生しません。リアルタイム性および高速処理が確保できますので、高価な専用の塗布コントローラを使用しなくても高速、高品質な塗布が実現出来ました。

(2)高精度な塗布

採用したリアルタイムOSは１台のPCでWindows OSとリアルタイムOSが共存可能で、装置制御とWindowsの並行動作が可能です。画像処理用に別途PCを準備する必要がありません。また、操作用のプログラムや画像処理プログラムはWindows上で動作するソフトウェアになりますが、同じPC内で制御プログラムも動作しますので、プログラム間の通信も物理的な配線を必要とせず、PCのメモリを介して行うことが可能です。PLC構成のようなLANやRS232C等のシリアル通信と比較し非常に高速な通信が可能になりました。

(3)高い操作性、拡張性

操作プログラムはWindows上で動作するソフトウェアになりますので、Windowsの特色を生かした自由度の高い豊かな表現が可能です。またタッチパネルも汎用的なPC用のタッチパネルを使用できますので装置価格を抑えることが出来ました。Windowsに対応した様々な機器を使用できますので拡張性が拡がりました。

　　タッチパネルによる高い操作性を実現