CN111201492A - 用于确定钻孔的位置误差和保证钻孔过程的方法 - Google Patents

用于确定钻孔的位置误差和保证钻孔过程的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种用于确定借助加工机(3)在工件(13)中生成的钻孔(14)的位置误差的方法，该方法成本低廉且易于操作，并且是用户能够确定、评估和改进钻孔(14)的生成质量，根据本发明，在用于生成钻孔(14)的加工机(3)的定位进程期间，由加工机(3)的控制计算机(1)记录驱动轴(4，5，6)的位置探测器(7，8，9)的信息，根据些信息，控制计算机(1)将钻孔(14)开始的那一时刻钻孔(14)的位置误差计算并存储为目标位置与位置探测器(7，8，9)的记录信息之间的差。

Description

用于确定钻孔的位置误差和保证钻孔过程的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定利用加工机在工件中生成的钻孔的位置误差的方法。
背景技术
位置误差是在对印刷电路板进行钻孔时的重要质量标准，在确定钻孔的位置误差时，需要注意的是，应尽可能在生成钻孔之后立即确定位置误差，以便能够快速识别有缺陷的钻孔，从而使可能产生的废品数量保持在尽可能低的水平并且能够快速地排除加工机的可能的故障。
由专利文献US6384911B1已知一种用于确定印刷电路板中的钻孔的位置误差的装置和方法。该已知的装置具有光学测量扫描仪和位于该扫描仪下方的测量-定位台。先前已钻好孔的印刷电路板可以被放置在该装置中，以便利用扫描仪和与扫描仪相连的计算机来确定钻孔的位置误差。
该已知装置的缺点在于：对钻孔在印刷电路板中的位置误差的确定在大多数情况下与钻孔的生成是时间明显错开地进行的，并且是在加工机外部进行。在生成钻孔期间的机器状态的相关信息通常是不考虑的。因此不能排除，有可能在识别出有缺陷的钻孔之前就已经生成多个有缺陷的印刷电路板，并且难以甚至不可能推断出故障原因。此外，由于待测量的电路板还需要从加工机运输到测量机。因此通常还需要物流过程，因为测量机和加工机大多数情况下不是位于同一房间中。还需要考虑的是，测量机需要额外的投资和运行成本，并且还需要受过培训的人员来操作测量机。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于确定利用加工机在工件中生成的钻孔的位置误差的方法，一种将来自位置探测器的信息用于对生成钻孔的加工机进行优化的应用，以及一种用于生成钻孔的装置，它们成本低廉且易于操作，并且使用户能够确定和评估钻孔的生成质量并加以改进。
本发明的目的通过独立权利要求1、9和12的特征来实现。优选的实施方式在从属权利要求中给出。
根据本发明的方法，在用于生成钻孔的加工机的定位进程期间，由加工机的控制计算机来记录驱动轴的位置探测器的信息，基于这些信息，控制计算机将钻孔开始的那一时刻钻孔的位置误差计算并存储为目标位置与所记录的位置探测器的信息之间的差。通过这种方式可以获得钻孔的位置误差，而不必通过单独的测量机来测量钻孔。据此有利的是能够在在生成钻孔期间立即获得测量信息，并且可以非常快速地对可能的偏差作出响应。典型的是基于X驱动轴和Y驱动轴的位置探测器以及相应的目标位置分量来计算两个位置误差，一个用于钻孔位置的X偏差，一个用于钻孔位置的Y偏差。此外还可以考虑Z偏差，其可由Z轴的位置探测器和对应的目标位置分量来确定。在某些情况下，这些偏差也被组合成总偏差或者说总误差形式的单一特征值。
在本发明的一种优选的实施方式中，加工机的定位进程是带有工件进行的。由此，在定位进程期间，需要被钻孔的工件(例如印刷电路板)位于加工机中，并在定位进程期间在工件中钻孔。相应地，在生成孔期间就已经确定了钻孔的位置误差。
在一种替代的优选实施方式中，该方法提供了在不带工件的情况下进行加工机的定位进程。相应地，在定位进程期间没有工件位于加工机中，并且在定位进程期间没有生成真实的孔。通过这种方式可以识别要生成的孔的位置误差，而不必生成真的钻孔，并且不需要工件和/或工具。这对于廉价地设置或优化加工机是特别有利的，因为这对于所生产的通常必须作为废件处理的测试工件是不产生成本的。
在该方法的另一种优选的实施方式中，控制计算机根据以下公式计算n个位置误差Xi以形成处理能力指数cpk：
Figure BDA0002443784540000031
Figure BDA0002443784540000032
Figure BDA0002443784540000033
其中，OSG是位置误差的接受标准的上限，而USG是位置误差的接受标准的下限。
由此可以对所生成的钻孔的位置误差进行统计性研究。这种研究可以针对一个工件的多个钻孔、多个工件的多个钻孔和/或不同工件的相应钻孔来进行。通过这种方式，还可以针对连续地检查利用加工机可实现的钻孔位置质量提供非常好的特征值。替代地，也可以确定机器能力指数cmk，根据上述公式，该机器能力指数并不适于具体的钻孔过程和孔的与钻孔相关的位置误差，而是针对任意的定位进程和为此预先给定的接受标准OSG和USG。值得一提的是，上述基于cpk值的用于统计性研究的公式仅被认为是示例。因此，在本发明的范围内也可以进行其它的统计性研究，例如调整上述示例中的s之前的系数，在上述示例中为“3”。
在另一种优选的实施方式中，该方法设定：控制计算机将钻孔的位置误差作为单值显示在控制计算机的操作区域上。由此向机器操作者提供了有关所生成的钻孔的当前位置误差的信息，并且机器操作者例如可以在偏差过大的情况下中断生成进程。
在该方法的另一种优选的实施方式中，设定为：控制计算机将钻孔的位置误差以散布图的形式显示在控制计算机的操作区域上。这种显示形式允许将大量钻孔的位置误差紧凑地显示在图中。其可以针对一个工件的多个钻孔、多个工件的多个钻孔和/或不同工件的相应钻孔进行。
在本发明的一种优选的实施方式中，设定为：控制计算机将钻孔的位置误差以直方图的形式显示在控制计算机的操作区域上。这种显示形式特别是允许将大量钻孔的位置误差以轴的形式紧凑地显示在图中。其也可以针对一个工件的多个钻孔、多个工件的多个钻孔和/或不同工件的相应钻孔进行。
在另一种优选的实施方式中，该方法设定：控制计算机将处理能力指数cpk显示在控制计算机的操作区域上。这种显示形式特别是允许长时间地分析位置误差。还可以附加地显示先前确定的cpk值，以便能够分析在更长时间内孔的位置误差的可能变化。
在该方法的另一种优选的实施方式中设定为：将钻孔的位置误差和/或处理能力指数cpk提供给机器控制器的服务器。位置误差和/或cpk值对服务器(其也可连接到因特网)的这种信息技术可提供性使得这些信息在视觉工业(Vision Industrie)4.0的意义上能够被提供用于上游、并行或下游的内部或外部服务，例如机器开发、机器维护或质量保证。
本发明提供了一种将来自位置探测器的信息用于对生成钻孔的加工机进行优化的应用，其中，在对用于生成钻孔的加工机的定位进程期间，由加工机的控制计算机记录驱动轴的位置探测器的信息，根据这些信息，控制计算机将钻孔开始的那一时刻钻孔的位置误差计算并存储为目标位置与位置探测器的信息之间的差，在此，将加工机的不同系统状态下的位置误差进行比较，以便能够评估系统状态，并以此为基础确定在位置误差刚好能够接受的的情况下具有较小位置偏差的系统状态或具有最大生产率的系统状态。通过这种方式，可以根据所确定的位置误差，对在机器上执行并导致系统状态变化的优化进行评估并相互比较。这使得用户能够实现通常所希望的、具有尽可能小的位置误差的系统状态。也可以考虑增大对加工机的生产率有影响的过程变量，(例如，行进速度、加速度和冲击(Ruck)，它们在增大时通常会造成钻孔的更大的位置误差，例如由于加工机的激振所引起)，直至存在刚好可接受的钻孔的位置误差。通过这种方式，可以低成本地、非常易于操作地实现对加工机的生产率优化，其中甚至不必生产测试部件。基于上述的根据本发明的应用，还可以在启动之后对机器进行定期检查并与原始的系统状态进行比较，从而能够及早发现机器上的可能的磨损迹象。
在上述实施方式的一种扩展方案中，控制计算机在定位进程期间还记录并存储驱动轴的电流、力和/或力矩。由此，所确定的位置误差还提供了关于驱动器的系统性能的额外信息，因此可以将所记录下的加工机的定位行为的变化直接对应于造成该变化的驱动轴，因为变化在相关轴的测量数据中是特别明显的。
在另一种优选的实施方式中，根据该应用，通过改变调节参数、调整加工程序和/或更换加工机的组件来定义加工机的不同系统状态。根据本发明的该应用的优点特别在于，可以快速地并且特别是利用系统自身的机构来检查加工机的上述的改变和调整，这些改变和调整通常会导致系统状态和系统性能的改变并由此造成机器的定位行为的改变。
根据本发明提供一种装置，其中，控制计算机在用于生成钻孔的加工机的定位进程期间记录驱动轴的位置探测器的信息，根据这些信息，控制计算机将钻孔开始的那一时刻钻孔的位置误差计算并存储为目标位置与位置探测器的信息之间的差。根据本发明的该装置的优点在于，可以基于系统自身的组件和信息来确定关于该装置的定位行为的信息而无需额外的外部测量机器。由此，可以非常快速地做出有关在钻孔进程期间已经存在的装置定位行为的陈述。
在该装置的另一种优选的实施方式中，由控制计算机记录额外的外部测量传感器，例如电流传感器、力传感器、压力传感器、温度传感器、加速度传感器、声传感器和/或用于探测材料接触的传感器。通过根据本发明的装置的这种扩展以及通过控制计算机对附加信息的记录，可以对装置的定位行为进行更深入的分析。这种扩展在故障排除或者开发或优化的框架下是特别有用的。用于探测材料接触的传感器(例如力传感器)允许非常精确地确定材料进入的时间点，例如钻孔工具与工件的接触，即使工件的材料厚度或不平度存在一定的波动。
在该装置的另一种优选的实施方式中，用于探测材料接触的传感器被设计为电接触传感器，其中，无论是加工工具还是工件都被电接触，从而在钻孔工具与工件接触时电路闭合。根据本发明的装置的这种扩展使得能够非常快速且精确地确定材料接触。在此，通过对加工机的钻孔工具和待加工工件进行电接触来实现对接触的记录，并由此在发生材料接触的情况下实现电路闭合。根据被接触的钻孔工具和被接触的工件而闭合的电路通过控制计算机的电流传感器来长期地监视，从而使得控制计算机能够检测到材料接触。替代地，力传感器也可以用于探测材料接触。
附图说明
下面参照附图详细阐述本发明的实施例。其中：
图1以透视图示出了根据本发明的用于确定钻孔的位置误差的典型示意性结构；
图2示出了根据本发明确定的钻孔的位置误差在X-Y平面中的散布图；
图3示出了根据本发明确定的钻孔的位置误差沿X方向(A)和Y方向(B)的直方图。
具体实施方式
图1以透视图示出了根据本发明的用于确定钻孔的位置误差的示意性结构。具有监视器2的CNC控制器1连接到电路板钻机3，该钻机具有三个线性驱动轴4、5、6，一个驱动轴用于X方向，一个驱动轴用于Y方向，一个驱动轴用于Z方向。在本发明的框架下，具有多于3个轴的设计方案也是可行的。这些驱动轴4、5、6中的每一个都具有绝对测量的、线性的位移传感器7、8、9，这些位移传感器为光学扫描的钢制标尺的形式，通过它们检测各个驱动轴4、5、6的当前位置。替代地，在本发明的框架下，还可以使用光学扫描的玻璃标尺或磁性长度测量系统。此外，电路板钻机3还具有被紧固在Z方向的驱动轴6上的钻轴10。在钻轴10中紧固有钻孔工具11。在可通过Y方向的驱动轴5移动的电路板钻机3的加工台12上，夹紧电路板13，该电路板可以通过钻轴10中的钻孔工具11来配置钻孔14。附加地，在电路板钻机3上还应用了振动传感器15和16、温度传感器17和18、力传感器20以及电接触传感器19，用以识别钻孔工具11与电路板13的接触。
图2以散布图示出了根据本发明确定的钻孔的X-Y位置误差，这些钻孔是利用根据本发明的装置在电路板中生成的。在该散布图中，可以看到在电路板中所生成的大约10000个钻孔的X-Y位置误差。
图3示出了根据本发明确定的大约10000个钻孔的沿X方向(A)和Y方向(B)的位置误差的直方图，这些钻孔是利用根据本发明的装置生成于电路板中。
下面说明根据本发明的方法的应用：
一旦通过CNC控制器1启动了用于对电路板13进行钻孔加工的CNC程序，CNC控制器1就将记录线性位移传感器7、8、9的位置信息。当在电路板中开始钻孔14时，即，一旦钻孔工具11钻入到电路板13中，CNC控制器1就将按照CNC程序，根据当前钻孔的目标位置与线性位移传感器7、8、9的位置信息之间的差，来确定当前钻孔14的位置误差。该时间点可以或者通过Z轴的位移传感器9触发，即，一旦Z-实际位置对应于根据CNC程序开始钻孔的Z-目标位置，或者借助于用于探测实际的材料接触的电接触传感器19来触发。用于确定钻孔的位置误差的该进程是针对单个的钻孔过程进行的。这样确定的钻孔14的位置误差由控制器存储。此外，它们作为单值以散布图以及直方图的形式显示在CNC控制器1的监视器2上。与此同时，将所有确定的电路板13的钻孔14的位置误差计算为处理能力指数cpk，该处理能力指数提供了有关达到目标预定值的程度。然而，前述的对钻孔14的位置误差的确定不仅可以用于评估电路板钻机3，而且也可以用于生产率驱动的优化。在此，电路板钻机3的移动速度逐渐提高，直到根据上述方法所确定的钻孔14的位置误差刚好尚可接受为止，并因此仍然以一定程度地满足目标设定值。
因此，本发明是用于确定借助加工机在工件中所生成的钻孔的位置误差，本发明成本低廉且易于操作，并且使用户能够确定、分析和优化钻孔的生产质量。
附图标记列表
1 CNC控制器
2 监视器
3 电路板钻机
4 线性驱动轴X
5 线性驱动轴Y
6 线性驱动轴Z
7 线性位移传感器X
8 线性位移传感器Y
9 线性位移传感器Z
10 钻轴
11 钻孔工具
12 加工台
13 电路板
14 钻孔
15 振动传感器钻轴
16 振动传感器加工台
17 温度传感器加工台
18 温度传感器驱动轴X
19 电接触传感器
20 力传感器。

Claims (15)

1.一种用于确定利用加工机(3)在工件(13)中生成的钻孔(14)的位置误差的方法，其特征在于，在用于生成钻孔(14)的所述加工机(3)的定位进程期间，由所述加工机(3)的控制计算机(1)记录驱动轴(4，5，6)的位置探测器(7，8，9)的信息，根据这些信息，所述控制计算机(1)将所述钻孔(14)开始的那一时刻所述钻孔(14)的位置误差计算并存储为目标位置与所记录的所述位置探测器(7，8，9)的信息之间的差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工机(3)的定位进程带有工件(13)地进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述加工机(3)的定位进程不带有工件(13)地进行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制计算机(1)根据以下公式计算位置误差的n个特征值Xi以形成处理能力指数cpk：
Figure FDA0002443784530000011
Figure FDA0002443784530000012
Figure FDA0002443784530000013
其中，OSG是位置误差的接受标准的上限，而USG是位置误差的接受标准的下限。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制计算机(1)将所述钻孔(14)的位置误差作为单值显示在所述控制计算机(1)的操作区域(2)上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制计算机(1)将所述钻孔(14)的位置误差以散布图的形式显示在所述控制计算机(1)的操作区域(2)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制计算机(1)将所述钻孔(14)的位置误差以直方图的形式显示在所述控制计算机(1)的操作区域(2)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述控制计算机(1)将处理能力指数cpk显示在所述控制计算机(1)的操作区域(2)上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述钻孔(14)的位置误差和/或所述处理能力指数cpk提供给机器控制器(1)的服务器。
10.一种将来自位置探测器(7，8，9)的信息用于对生成钻孔(14)的加工机(3)进行优化的应用，其特征在于，在用于生成钻孔(14)的加工机(3)的定位进程期间，由所述加工机(3)的控制计算机(1)记录驱动轴(4，5，6)的位置探测器(7，8，9)的信息，根据这些信息，所述控制计算机(1)将所述钻孔(14)开始的那一时刻所述钻孔(14)的位置误差计算并存储为目标位置与所述位置探测器(7，8，9)的信息之间的差，其中，将所述加工机(3)的不同的系统状态的位置误差进行比较，以便能够评估系统状态，并以此为基础确定在位置误差刚好尚可接受的情况下具有较小位置偏差的系统状态或具有最大生产率的系统状态。
11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，所述控制计算机(1)在定位进程期间记录并存储驱动轴(4，5，6)的电流、力和/或力矩。
12.根据权利要求10或11所述的应用，其特征在于，通过改变调节参数、调整加工程序和/或更换所述加工机(1)的组件来定义所述加工机(1)的不同的系统状态。
13.一种用于在工件(13)中生成钻孔(14)的装置，具有至少三个分别带有至少一个位置探测器(7，8，9)的驱动轴(4，5，6)、至少一个分别带有一个加工工具(11)的钻轴(10)和至少一个控制计算机(1)，其特征在于，所述控制计算机(1)在用于生成钻孔(14)的定位进程期间记录所述驱动轴(4，5，6)的位置探测器(7，8，9)的信息，根据这些信息，所述控制计算机(1)将所述钻孔(14)开始的那一时刻所述钻孔(14)的位置误差计算并存储为目标位置与所述位置探测器(7，8，9)的信息之间的差。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述控制计算机记录另外的外部测量传感器，例如电流传感器、力传感器(20)、压力传感器、温度传感器(17，18)、加速度传感器(15，16)、声传感器和/或用于探测材料接触的传感器(19)。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，用于探测材料接触的传感器被设计为电接触传感器(19)，其中，所述加工工具(11)和所述工件(13)被电接触，并由此在所述钻孔工具(11)与所述工件(13)接触时电路闭合。
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