CN101028691A - 加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种加工方法和装置,在该加工方法和装置中,加工装置的加工生产率和加工质量可以得到提高。在加工前,NC控制机构根据预先规定的检查条件使X轴驱动机构移动工作台。因此,NC控制机构获得从定位指令的指令到达时间直到工作台位置响应在预定的允许范围内的稳定为止所需要的稳定时间。同样,对于在Y轴方向上移动钻的机构,NC控制机构获得直到位置响应稳定在预定的允许范围内为止所需要的稳定时间。在加工时,一旦经过获得的稳定时间后,钻便在Z轴方向上运动以切入印制线路板。

Description

加工方法
本申请是申请号为200310103102.8、申请日为2003年10月31日、发明名称为“加工方法和加工装置”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种加工方法和加工装置,在该方法和装置中,放置工件的工作台和夹持工具的主轴在相互垂直的X-、Y-和Z-方向上相对运动,以用工具加工工件。
背景技术
图8是一个传统使用的印制线路板加工装置的结构图。在图8中,印制线路板1固定在具有垫板9的工作台2上。工作台2由X轴驱动机构3驱动而能够沿前/后(X)方向合乎要求地运动。夹持钻4的主轴5由Z轴驱动机构6驱动而能够沿上下(Z)方向合乎要求地运动。Z轴驱动机构6由Y轴驱动机构7驱动而能够沿左右(Y)方向合乎要求地运动。每个X-、Y-和Z-轴驱动机构3、7和6都有一个未图示出的位置检测器,以便可以通过反馈控制将驱动机构精确定位在指定的位置(坐标轴)。
在加工时,操作X轴驱动机构3和Y轴驱动机构7以便钻4的轴定位在钻孔位置8的轴线(垂直于印制线路板1)方向上。此后,主轴5由Z轴驱动机构6驱动而向下移动到指定高度,印制线路板1在目标位置被钻孔。当钻孔完成后,主轴5抬起,钻4返回到备用位置。然后,重复前述的操作直到加工结束。因此,加工时间计算为X/Y方向运动时间和Z方向运动时间的总和。
钻4的备用位置是指这样一个位置,在该位置上,钻4的前端与印制线路板1的表面有一个预定距离,以确实地排出金属屑和防止当钻4水平运动时干涉到印制线路板1。在备用位置,从钻4的前端到印制线路板1的距离称为空间动作距离(an air-cut distance)La。空间动作距离La的值常常根据经验确定。根据经验确定的该值对应于前面提到的预定距离。
图9是一个表示当横坐标指定为时间轴时,X轴驱动机构3的定位指令和真实位置(响应)之间关系的示意图。图10是一个示意图,同样地,它表示了Z轴驱动机构6的定位指令和真实位置(响应)之间的关系。
如图9所示,X轴驱动机构3的位置响应延迟于X轴定位指令。此外,在停止时,位置响应相对于目标位置发生振荡(过冲或下冲),并且X轴驱动机构3逐渐接近目标位置。从X轴定位指令达到目标位置并且直到X轴驱动机构3在预定允许的位置误差范围内稳定下来,所需时间被称作稳定时间Ts。另一方面,Y轴驱动机构7的操作与X轴驱动机构3的操作相类似。
另一方面,如图10所示,由于Z轴驱动机构6上的载荷比X轴驱动机构3上的载荷轻,所以,Z轴驱动机构6相对于Z轴定位指令的位置响应的延迟(位置偏离)比X轴驱动机构3的小。此外,Z轴驱动机构6的加速时间较短。因此,Z轴驱动机构6直接以加工条件指定的速度下落,并且一旦完成加工便以最大速度抬起。
图11是一个本发明的加工过程的说明图,通过该加工过程可以提高加工速度。为了缩短加工时间和提高加工精度,一旦钻4的轴定位在钻孔位置8的轴线上,即,一旦经过了稳定时间Ts,钻4便切入印制线路板1,如图11所示。
最后,正如日本专利特开平2002-166396所公开的,该发明人提出了一项发明,在该发明中,在工作台2和钻4沿X轴和Y轴方向上运动的情况下,将钻4的轴定位在加工位置上的时刻能够从运动距离、速度和加速度计算出,并且,钻4的前端能够在稳定时间Ts结束的同时到达印制线路板1的上部。
根据这个发明,当假设Z轴驱动机构6的速度固定,以及相应于Z轴驱动机构6的指令Z轴驱动机构6的位置响应没有延迟时,钻4到达印制线路板的上部的运动时间能够通过使用下降速度Vv和Z轴驱动机构6的空间动作距离La从等式1获得。
Ta=La/Vz                                   等式1
Z轴驱动机构6的下降运动开始于:
当Ts=Ta时,与X轴的指令到达时间同时;
当Ts>Ta时,从X轴的指令到达时间起经过Ts-Ta时间后;及
当Ts<Ta时,从X轴的指令到达时间起之前的Ta-Ts时间。
顺便提及,为了移动到下一个加工位置,同时操作X轴驱动机构3和Y轴驱动机构7。因此,Z轴操作开始的时刻根据较晚到达下一个加工位置的较迟的驱动机构确定。
然而,在前述的相关技术中得到的时刻是一个理论上的时刻。实际的加工装置在性能上会有变化。此外,即使在同一个加工装置中,比如,由于运动方向、运动开始位置、或类似的原因,性能也可能改变。由于维护条件或装置的安装环境,性能也可能改变。因此,为了保持较高的加工精度,就可能需要在实际钻孔的印制线路板上测量钻孔位置精度。当进行这样的测量时,由于测量步骤,无法期望提高加工生产率。
发明内容
为了解决属于相关技术的前述问题,本发明的一个目的是提供一种加工方法和加工装置,通过这种方法和装置,测量步骤可以省略,从而,可以提高工件的加工生产率和加工质量。
为了达到前述的目的,根据本发明的一个方面,提供了一种加工方法,其能够在相互垂直的X-、Y-和Z-轴方向上定位工件和工具并加工工件,该方法包括以下步骤:加工前,相对于与工具轴相一致的Z轴,在X轴和Y轴方向上移动工件;检查相对于Z轴的X轴和Y轴方向的定位响应性能;根据已获得的定位响应性能,在Z轴方向上定位工具。
在这种情况下,预先建立用于确认定位响应性能的多个测量条件。此外,说明与运动开始点、运动方向、运动速度、运动加速度、以及运动距离中的至少一个的依赖关系的条件被选择作为测量条件。从在加工过程中使用的运动条件和测量条件之间相比较而获得的数据中,选择用于定位的定位响应性能。附带地,能够改变定位响应性能的控制参数可以预先设定。在这种情况下,当获得的数据超出了预定范围时,要改变控制参数。然后,检查定位响应性能,并根据控制参数将工具定位在轴向上,该控制参数使得获得的数据在预定范围内。
此外,根据已经获得的定位响应性能,在工具在Z轴方向上运动开始时间、运动速度和运动开始定位中至少有一个受到控制。在这种情况下,运动开始位置可以被建立成短于预定的空间动作距离,缩短的距离为Lc,可利用运动时间Ta和稳定时间Ts之间的差Tc和下降速度Vz从下面的等式获得:
Lc=Vz(Ta-Ts)即,运动开始位置设置在由空间动作距离(La)减去Lc所表示的位置上,从而使运动时间变短。
此外,根据加工精度,可以建立稳定允许范围。在这种情况下,相对于Z轴的X-轴和Y-轴方向的定位响应性能,在已建立的稳定允许范围内检查。
根据本发明的另一个方面,提供了一种加工方法,其能够在相互垂直的X-、Y-和Z-轴方向上定位工件和工具并加工工件,该方法包括以下步骤:在加工前,将工具的轴设置成Z轴,并获得夹持工具主轴的Z轴位置响应延迟;在从工具的前端达到加工距离(插入端)的时间点开始,通过将主轴的Z轴位置响应的延迟与工件内工具前端抬起返回到工件表面所需要的时间相加而获得的时间经过以后的时间点上,设置X-轴和Y-轴上的运动开始时间。
根据本发明的另一个方面,提供了一种加工装置,包括:运动机构,用于使工作台和主轴在相互垂直的X-、Y-和Z-轴方向上做相对运动,工作台上放置工件,主轴夹持工具,操作该运动机构加工工件;驱动机构,用于加工前,相对于与工具轴一致的Z轴,在X轴和Y轴方向上移动工件;响应性能检测机构,用于检查相对于Z轴的X轴和Y轴方向的定位响应性能;定位控制机构,根据获得的定位响应性能,在Z轴方向上定位工具。
此外,根据本发明的另一个方面,提供了一种加工装置,包括:运动机构,用于使工作台和主轴在相互垂直的X-、Y-和Z-轴方向上相对运动,工作台上放置工件,主轴夹持工具,操作该运动机构加工工件;程序储存机构,用于储存检查程序和加工程序;分析机构,用于从储存机构中读取程序并分析读取的程序;方式储存机构,用于储存预定运动操作的方式和稳定时间;方式匹配判断机构,用于判断由分析机构分析的运动操作和储存在方式储存机构中的运动操作之间的匹配;驱动控制机构,用于在X-和Y-轴方向上移动工件和/或工具;指令产生机构,用于向驱动控制机构产生Z轴下降指令;响应分析机构,用于分析由驱动控制机构驱动的工件和/或工具在每个轴方向上的位置响应;其中,加工前,在指定的测量条件下,在垂直于与主轴一致的Z轴的两个方向上移动工作台和工具,在定位指令的指令到达时间后,获取运动机构的位置响应到达并停留在预定的允许范围内所需要的稳定时间,在加工期间,根据获得的稳定时间,工具在Z轴方向上运动。
在这种情况下,加工装置可以进一步包括参数储存机构,用于储存一组预定的控制参数;其中,驱动控制机构从参数储存机构中获得控制参数,然后,根据该控制参数在X轴方向和Y轴方向上移动工件和/或工具。
此外,加工装置可以进一步地包括控制机构,用于在装运时(time ofshipment)检查相对于两个方向的定位响应性能,将因此获得的稳定时间储存在方式储存机构中,将储存的稳定时间与安装后检查到的稳定时间进行比较,从而判断安装条件。在这种情况下,该加工装置具有判断安装条件的判断功能。
在这种场合下,所述控制机构可以得出下面的结论,即当稳定时间依照安装后检查到的运动开始点的坐标值发生很大变化时,支撑装置的基座的指定位置上出现了问题。此外,该控制机构可以根据响应波形的过冲或下冲的大小和安装后检查到的稳定时间判断装置的摆动,从而评估安装条件和/或基底刚度。
顺便提级,比如,当钻用作工具和印制线路板用作工件时,该加工方法可以作为印制线路板钻孔方法,该加工装置可以作为印制线路板钻孔装置。
附图说明
图1是一个根据本发明的X轴控制装置的连接图;
图2是一个根据本发明的NC控制机构的处理方框图;
图3是一个表示根据本发明的钻和X轴运动机构之间关系的示意图;
图4是一个表示根据本发明的钻和X轴运动机构之间关系的示意图;
图5是一个表示根据本发明的钻和X轴运动机构之间关系的示意图;
图6是一个表示根据本发明的钻和X轴运动机构之间关系的示意图;
图7是一个表示根据本发明的钻和X轴运动机构之间关系的示意图;
图8是一个相关技术中使用的印制线路板加工装置的结构图;
图9是一个表示X轴驱动机构的运动位置指令和真实位置之间关系的示意图;
图10是一个表示Z轴驱动机构的运动位置指令和真实位置之间关系的示意图;及
图11是一个说明相关技术的说明图。
具体实施方式
下面根据附图中的实施例对本发明进行说明。
图1是一个根据本发明的X轴控制装置的连接图,图2是一个根据本发明的NC控制机构的处理方框图。在这些图中,与图8所示的传统实施例中相同的部件由相同的参照标记表示,这些部分的重复的描述将被省略。
在图1中,X-轴控制装置由NC控制机构51、驱动控制机构52和伺服放大器53构成。NC控制机构51向驱动控制机构52提供定位指令,并从驱动控制机构52接收工作台2的位置响应。根据来自于NC控制机构51的指令,驱动控制机构52通过伺服放大器53操作X轴驱动机构3以定位工作台2。位置检测器54向驱动控制机构52提供工作台2的当前位置。
如图2所示,NC控制机构51包括储存部分61、程序读取/分析部分62、方式/稳定-时间储存部分63、方式匹配判断部分64、操作指令产生部分65、响应分析部分66、报警显示部分67、控制参数设置部分68、转换部分70等等。储存部分61储存检查程序、进行加工的加工程序等等。在每个检查程序中,写有将在以后阐述的检查条件。程序读取/分析部分62从储存部分61中读取程序并分析读取的程序。方式/稳定-时间储存部分63储存预定的移动操作方式,以及从X轴定位指令到达目标位置直到X轴驱动机构3稳定在预定的允许位置误差范围内为止所需的稳定时间。方式匹配判断部分64根据方式/稳定-时间储存部分63中的检查条件,判断分析的运动操作和运动操作之间的匹配。操作指令产生部分65给操作X轴驱动机构3的驱动控制机构52产生Z轴下降指令。响应分析部分66分析X轴驱动机构3的响应。报警显示部分67显示预定的报警。控制参数设置部分68储存一组预定的控制参数。转换部分70将响应分析部分66的连接到报警显示部分67或连接到控制参数设置部分68。
如此配置的NC控制机构51按照下面说明的步骤1-8执行操作。在此假设连接转换部分70的a边。
步骤1
作为对加工指令的响应,NC控制机构51从储存部分61中读取预先提供和储存的检查程序。NC控制机构51通过方式匹配判断部分64使操作指令产生部分65向驱动控制机构52产生一个指令,以通过伺服放大器53操作X轴驱动机构3。比如,如表1所示,检查程序规定了X轴驱动机构3和Y轴驱动机构7在停止时间时影响性能的因素,如速度、加速度、运动方向、运动开始坐标值、停止位置坐标值、以及类似的因素。顺便提级,因为加速度可以被设置成一个固定值,所以表1中省略了该值。
表1:
  检查条件   X轴速度(m/min)   运动方向   运动开始坐标值   停止位置坐标值
  12345678910···   30303030404040403030···   ++++++++--···   00000000100100···   1510201510208050···
步骤2
当执行一个检查程序时,NC控制机构51使响应分析部分66分析X轴驱动机构3的响应(位置响应),并计算稳定时间Ts。比如,稳定时间Ts用下面的方法进行计算。即,根据位置偏离是否在预定允许范围内停留预定的时间来判断稳定。这样,从指令到达时间直到位置偏离落入到预定的允许范围内所需要的时间被计算成稳定时间Ts,其中,在指令到达时间,定位指令信号到达目标位置确定的值。顺便提级,当响应分析部分66计算出的稳定时间Ts和图9所描述的响应波形的过冲或下冲的大小超过他们的预定临界值时,报警显示部分67显示报警以通知操作工装置出现故障。
步骤3
将一组检查条件和获得的稳定时间Ts储存在方式/稳定-时间储存部分63中。
步骤4
当还有其它检查条件时,重复步骤1至步骤3的操作,并且将一组检查条件和获得的稳定时间Ts储存在方式/稳定-时间储存部分63中。
当直到此时的操作完成时,将开始实际的加工。
步骤5
接下来,NC控制机构51从储存部分61中读取一个实际的加工程序,并且使程序读取/分析部分62分析读取的加工程序的内容。
步骤6
NC控制机构51使方式匹配判断部分64根据方式/稳定-时间储存部分63中的检查条件,判断分析的运动操作和运动操作之间的匹配。因此,一致的或最接近的检查条件的稳定时间Ts从方式/稳定-时间储存部分63中被读取出来。
步骤7
NC控制机构51使操作指令产生部分65通过使用空间动作距离La和Z轴下降速度Vz从等式1获得钻4的板上部到达时间Ta,通过使用从储存部分63中读取的稳定时间Ts计算最佳Z轴下降时该t,并产生一个给驱动控制机构52的指令。
步骤8
驱动控制机构52根据步骤7中产生的指令操作X轴驱动机构3。
从步骤5至步骤8的操作将重复进行直到完成加工。
另一方面,当连接转换部分70的b边时,即,当连接控制参数设置部分68时,操作执行如下;
当控制参数设置部分68被连接到响应分析部分66时,报警显示部分67不显示报警,但是选择一组预先储存在控制参数设置部分68中的控制参数。当前设置在驱动控制机构52中的控制参数由选择的控制参数取代。此后,再次执行步骤1和步骤2,以在选择的控制参数下观察响应波形。当存在一组参数,在该参数下,响应波形的过冲和下冲的大小等等在它们的预定临界值内时,使用选择的控制参数进行加工。当不能获得理想的结果时,要选择其它控制参数。当即使进行这样的操作也没有恰当的一组参数时,则在该装置中存在不正常的现象、或者该装置的安装条件出现恶化。因此,NC控制机构51使报警显示部分67显示报警,发出该装置出现故障的通知。
Z轴驱动机构6的操作如下。附带地,图3至图7是表示时间轴为横坐标时钻的位置说明图。
实施例1:在钻4的板上部到达时间(Board Top Arrival Time)Ta>稳定时间Ts的情况下。
在相关技术中,钻以速度Vz下降,如图3虚线所示。另一方面,根据本发明,钻4以从下面等式2得到的速度Vz1(Vz1>Vz)向下运动,如图3实线所示。
Vz1≥La/Ts                                         等式2因此,能够提高加工生产率。
顺便提级,假设在图3中,Z轴驱动机构6上没有响应延迟。然而,事实上,Z轴驱动机构6上同样有响应延迟。因此,如图4所示,最佳Z轴下降时刻t通过将延迟时间Td与在步骤7中得到的运动时间Ta相加而计算出,并且,钻在已计算出的时刻t向下运动。因此,在不降低加工精度的情况下可以提高加工生产率。
作为选择,在不改变钻4的下降速度的情况下,运动时间Ta和稳定时间Ts之间的差Tc从下面的等式3获得,并且空间动作距离La缩短了一个距离Lc,如图5中的实线所示。这样,钻在该位置向下运动。与相关技术中的加工生产力相比,如图5中的虚线所示,以这种方式可以提高加工生产率。
Lc=Vz(Ta-Ts)                                         等式3
实施例2:在要求加工精度的情况下。
当要求高加工精度时,允许的稳定范围预先变窄,如图6中的实线所示。然后,这种状态下观察稳定时间Ts。因此,在加工精度得到提高同时,可以提高加工生产率。
与此相反,当加工精确不需要那么高时,预先加宽允许的稳定范围,如图6中的虚线所示。因而,可以提高加工生产率。
传统地,并不考虑钻4从板脱离的时间。然而,一旦钻4从板脱离就操作X轴驱动机构3和Y轴驱动机构7时,可以提高加工生产率。
在这个实施例中,当在步骤2中计算的稳定时间Ts和响应波形的过冲和下冲的大小超出它们的预定临界值时,将通知操作工装置出现故障。因此可以防止发生加工失败。
下面阐述参照Z轴运动机构的操作,对X轴运动机构和Y轴运动机构的进行控制情况。
在加工时,根据检测Z轴驱动机构6(或夹持钻的主轴)位置的位置探测器的输出,计算出钻4从其到达的加工深度的位置抬高到印制线路板的表面的时间。同时,根据Z轴驱动机构的位置响应,获得Z轴驱动机构6的响应延迟。然后,如图7中的实线所示,将Z轴驱动机构的响应延迟与钻4的前端从其从印制线路板的表面达到加工距离Ld的时间点开始抬回到印制线路板的表面的时间相加,一旦经过这一时间后,就操作X轴驱动机构3和Y轴驱动机构7。
以这种方式,在钻4与印制线路板1完全分开的状态下操作X轴驱动机构3和Y轴驱动机构7。因此,与如图7中的虚线所示的相关技术相比,在可能提高加工生产率的同时,可以防止钻4被折断。
顺便提级,本发明不仅可以提高加工精度和加工速度,而且,本发明在以下情况下同样有效。
即,将在安装时获得的稳定时间Ts与在装运时预先测量的稳定时间Ts相比较。以这种方式,可以判断安装条件的质量。例如这种判断可由方式匹配判断部分64执行。附带地,该判断也可以由未图示出的NC控制机构的CPU进行。
此外,当稳定时间Ts相对运动开始点的坐标值有较大变化时,可以很容易地得出支撑装置基座的指定位置存在问题这一结论。
此外,也可以从响应波形的过冲和下冲的大小和稳定时间Ts判断装置的摆动。因此,也可以评估安装条件和底座刚度。
顺便提级,本发明也可以应用在工作台在X-轴和Y-轴两个方向上移动的加工装置上。
如上所述,根据本发明,加工装置实际上是在加工前预定的条件下进行操作的。因此,可以正确地掌握该加工装置的目前条件。加工操作根据获得的结果进行。因此,在不必测量钻孔位置精度的情况下,可以获得高速和高精度的加工。
此外,可以检测精度退化或者安装时由设置条件引起的设置条件的改变、时效退化等等。因此,不仅可以防止发生加工失败,而且也改善了维护操作。

Claims (3)

1.一种加工方法,其能够在相互垂直的X-、Y-和Z-轴方向上定位工件和工具并加工该工件,该方法包括以下步骤:
在加工前,将工具轴设置成Z轴,并获得夹持工具的主轴的Z轴位置响应延迟;
在从工具的前端达到加工距离的时间点开始,将上述主轴的Z轴位置响应延迟与工件内的工具前端抬起返回到工件表面所需要的时间相加而获得的时间经过后的时间点上,设置X-轴和Y-轴上的运动开始时间。
2.根据权利要求1所述的加工方法,其中,所述工具是钻。
3.根据权利要求1所述的加工方法,其中,所述工件是印制线路板。
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