CN1347793A - 旋转主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置,该外部主动补偿装置独立于主轴之外,且是包括:一传感器、一延伸架、若干致动器、以及一控制模块。延伸架是延伸于一基座与一近刀具处位置之间,传感器是结合于延伸架末端且对应于刀具。致动器是装置于主轴外部与基座之间,可驱动整个主轴一起进行相对于基座的微量轴向位移运动。藉由控制模块接受该传感器所传来的刀具的轴向偏摆位移量并据以控制对致动器的微量进给量,进而促使整个主轴装置连同刀具一起进行微量的轴向补偿位移。

Description

旋转主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置

发明领域

本发明涉及一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置，特别是有关一种适用于气浮主轴装置上，藉由传感器直接量测刀具轴向偏摆量作为回授信号，由装置于气浮主轴装置外部的致动装置来驱动主轴于轴向上的补偿位移，进而达到将刀具切削点控制在适当的轴向定位精度的一种方法及装置。

背景技术

由于传统硬脆材料切割机进行加硬脆材料工件的切割时，例如晶片(Wafer)、玻璃或陶瓷材(Ceramic)等，容易产生切道裂缝与工件背面破损状况。探讨其成因是主轴进行切断制程时，切割刀具因主轴轴向偏摆、刀具与夹治具零件的组装累积误差，及高速旋转下的整体变形，造成下刀位置、刀具路径不稳定及切割力量变化大，且切削点刀具外周缘侧面因轴向偏摆以高频撞击切道边缘，使得被切割的加工件产生脆性破坏。

为了解决高速旋转的主轴于进行切断制程时所产生的切割刀具振动偏摆问题，一种可在高速旋转环境下提供较稳定主轴定位的气浮式主轴(Aerostatic Spindle)装置于是被开发出来，气浮式主轴装置的相关技术可参考请参考美国专利号US 5997223。此种气浮式主轴装置在高速旋转时虽然可提供相对较高的主轴稳定性。然而，即使是主轴本身的稳定性再高，由于切削刀具在高速旋转(转速可超过10000rpm以上)的切割负载过程中，在切削刀具本身的外周缘仍可能会有高达10μm以上的轴向偏摆现象，此将造成刀具切削点的不稳定状况。所以，此种传统气浮式主轴装置仍无法避免在圆盘状切削刀具外缘产生相对于主轴的轴向偏摆位移，而前述的切道裂缝与工件背面破损状况仍然持续发生。

因此，全球晶片用硬脆材料切割机市场占有率超过60％的日厂DISCO公司，针对此一问题曾开发出双主轴切割机(请参考美国专利US 6102023)。利用阶梯切割或倒角切割双主轴切割方式提高切割品质，其第一主轴进行切削浅槽的动作，目的是为了引导第二主轴依循浅槽的固定下刀位置与刀具路径加工，降低第二主轴进行切断制程时，切割刀具因主轴轴向偏摆造成的切道边缘裂缝与晶片背面破损。其缺点是加工件需要经过两道切割制程，且切割设备需要配置两组气浮主轴系统，设备成本与系统控制困难度均相对倍增，并非完美的解决方案。

其它参考资料另可参阅美国专利US 4309925以及US6062778。该两件专利均涉及「镗孔刀具(Boring Tool)」的「径向定位(RadialPosition)」技术与装置，其与本发明所诉求的切割刀具轴向定位装置与技术有明显差异，且该两件专利均是藉由感测「主轴」本身的偏移来进行主轴径向定位。

发明内容

本发明的目的是提供一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置，可以单一组主轴系统进行一道切割制程，但却同时可以降低切道裂缝与工件背面破损的程度，提供较传统硬脆材料切割机更好的加工品质。

根据本发明的一个方面，提供了一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，该主轴包括一心轴、一结合于心轴前端上的切削刀具、一结合于心轴以带动其旋转的马达、以及一支撑心轴的主轴本体，该本体结合于一切削机台的基座上，心轴的延伸方向称为轴向；该外部主动补偿装置包括：一延伸架，其一端固定于基座上、另一端延伸至近刀具处；一传感器，其是结合于延伸架且对应于该刀具，该传感器可感测刀具相对于基座的轴向偏摆位移量；至少一致动器，装置于本体与基座之间，该致动器可驱动本体进行相对于基座的轴向位移运动；以及，一控制模块，连接于该致动器与传感器，该控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制该致动器。

根据本发明的另一个方面，提供了一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法，其中以一传感器直接量测该刀具的轴向偏摆度，然后藉由一控制模块驱动一致动器去带动该主轴进行轴向相对补偿位移，而使刀具的轴向偏摆度得以减低。

由于本发明不需变更气浮主轴的原始结构，除大幅降低主轴结构复杂度与制造困难性外，更具有成本相对较低的优点，并可达成更佳的切割品质。

此外，本发明藉由一非接触式传感器直接量测切削刀具近外周缘处的轴向偏摆量，并将量测得到的轴向偏摆量作为回授讯号以进行主轴的补偿位移控制，可抵消因刀具外周缘于高速旋转时产生变形所导致的轴向偏摆现象的影响，进而获得更佳的切割品质。

附图说明

图1是本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置的较佳

实施例剖面示意图。

图2是图1的心轴止推轴承部份的部份放大图。

图3是本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置的方块示意图。

附图标号说明：10主轴装置；11心轴；111止推盘；112间隙；12切削刀具；13止推轴承；14马达；15本体；17结合座；22电源；25基座；50外部主动补偿装置；51传感器；52延伸架；53致动器；54控制模块。

具体实施方式

本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置，主要是利用主动偏摆控制技术，应用于主轴外部，以主轴外部的传感器直接量测刀具的轴向偏摆，所得量测资料作为回授信号，用以将刀具切削点控制保持在预定的轴向定位精度。由于本发明的主动补偿装置的各组件是以外加组件的方式增设置于主轴外部，故可以不需变更原主轴结构的原始结构，除大幅降低主轴结构复杂度与制造困难性外，更具有成本相对较低的优点，并可达成更佳的切割品质。以下仅以一较佳实施例具体详细说明本发明的装置、方法、动作方式、以及可实现的功效。

请参见图1、图2、以及图3，为本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置50的一较佳实施例。其中，图1是本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置50的较佳实施例剖面示意图。图2是图1的心轴11止推轴承13部份的部份放大图。图3是本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置50的方块示意图。

如图1与图2所示，本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，主要是由主轴装置10以及主动补偿装置50两部份所组合构成。于本较佳实施例中，该主轴装置10是一气浮式主轴装置为佳，然而其亦可能是一液压式主轴装置、传统轴承式主轴装置、或是其它适用于进行硬脆材质(例如硅晶片、玻璃、陶瓷等)的高速旋转切割的主轴装置10者。该主轴装置10可装配固定于一切削机台(图中未示)的进给轴的基座25上而可受切削机台的驱动进行X/Y/Z三轴向上的位移运动。由于此所述的切削机台与进给轴均为传统技术且非为本发明的诉求特征，故以下将不再赘述。

该气浮式主轴装置10包括：一心轴11、一结合于心轴11的前端上的切削刀具12、用于进行心轴11的轴向定位的止推轴承13机构、一结合于心轴11以带动其旋转的马达14、一支撑心轴11的主轴本体15、固设于本体15末端以供结合至切削机台(图中未示)的基座的一结合座17、以及自本体15内部延伸至外界的若干气嘴(图中未示)以及控制接头(图中未示)。心轴11是一狭长状结构，其轴心的狭长延伸方向在下文中将称作轴向。另外，对于如图1与图2所示的气浮式主轴(Aerostatic Spindle)装置而言，由于该止推轴承13机构在容置心轴11的止推盘111时，会有约5-30μm左右的轴向间隙112，因此该心轴11是可沿着轴向的方向上进行相对于本体15的小幅度(30μm以内)的线性位移。

如图1与图3所示，于本较佳实施例中，该外部主动补偿装置50包括有：一传感器51、一延伸架52、若干致动器53(Actuator)、以及一控制模块54。

该延伸架52的一端是固定于进给轴的基座25上、另一端则延伸至近刀具12处。一般而言，延伸架52的材质与结构应以结构刚性较佳且较不易于发生轴向形变的材质与结构为较佳，较佳者，可采用膨胀系数较低的材质所构成，以避免因环境因素(例如热涨冷缩)所发生的形变差异。本较佳实施例中，延伸架52与主轴装置10的本体15之间并未完全固定死，例如：延伸架52可以是完全不接触到主轴装置10(如图1所示)、或是以可轴向相对移动的方式组接或套设于本体15外(图中未示)，以便令本体15与延伸架52之间可进行微量(约5^-30μm)的轴向相对移动。

于本实施例中，该传感器51是为一非接触式传感器，例如光学传感器等，其是结合于延伸架52的末端且对应于该刀具12侧表面的一近外周缘位置处、且是与刀具12相距一不小于20μm的适当间隙为较佳，该传感器51可感测刀具12相对于基座25(相对于传感器本身51)的轴向偏摆位移量。其中，延伸架52可选用低热膨胀系数的材质来制造为较佳。尤其，由于当温度的改变时，主轴将因温度改变而产生温升热变形并进而使刀具发生轴向位置的偏移。因此，本发明的传感器51因独立于主轴本体结构之外来定位，不会受到主轴温升热变形量的影响。所以本发明的传感器51将可感测主轴因温度改变所导致的温升热变形量加上刀具本身偏摆时所造成的刀具轴向偏摆位移量。

该若干个致动器53(Actuator)，是装置于结合座17与基座25之间，该致动器是为一精密微量进给装置，可驱动整个主轴装置10(包括结合座17、本体15、以及刀具12等)一起进行相对于基座25的微量轴向位移运动，且其轴向推进的进给量可精密控制到数微米(μm)的精度。由于本发明的致动器53可选用目前市售的精密微量进给装置来使用，且致动器53本身的机构非为本发明的主要诉求，故以下将不再赘述其详细机能。

该控制模块54是连接于该致动器53与传感器51，控制模块54所连接的电源22可为一独立存在的电源或是与主轴装置10共享相同电源，或者，该控制模块54亦可以连接至切削机台(图中未示)的主管理系统，以便能统合控制主轴装置10与本发明的外部主动补偿装置50。于本较佳实施例中，该控制模块54可接受该传感器51所传来的轴向偏摆位移量并据以控制对致动器53的微量进给量，进而促使整个主轴装置10连同刀具12一起进行微量的轴向补偿位移，可确保刀具12的切削点始终保持在预定路径与位置上，大幅消减刀具11轴向偏摆所可能造成的切道裂缝与工件背面破损的程度，仅需一组主轴10进行一次切削便可达到较佳的切割品质，完全克服传统技术的缺陷。并且，更由于本发明的外部主动补偿装置50的各组件是以外加组件的方式增设置于主轴装置10的外部，故可以不需变更原主轴结构的原始结构，除大幅降低整体结构复杂度与制造困难性外，更具有成本相对较低的优点，并可达成更佳的切割品质。

综上所述，本发明的主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法及装置，可具有下列优点：

(1)本发明仅需一个主轴进行一次切割，便可获得相对较佳的硬脆材料切割品质，可克服传统技术使用两组主轴所造成的高成本与控制系统复杂的缺陷。

(2)本发明的外部主动补偿装置可以外加设置于主轴装置的外，故能在不需变更气浮式主轴架构的情况下进行设计，整体设计上相对简单且制造成本低。

(3)本发明藉由直接感测「刀具」的轴向偏摆位移量以进行外部主动补偿微调，可获致更直接且更精确的切割点定位控制，大幅降低工件背面碎裂的情况，有效改善传统技术的种种缺陷。

当然，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限制本发明的范围，任何本领域的熟练技术人员在不违背本发明的精神下所做的修改，均应属于本发明的范围，因此本发明的保护范围当以下述的权利要求为依据。

Claims (11)

1、一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，该主轴包括一心轴、一结合于心轴前端上的切削刀具、一结合于心轴以带动其旋转的马达、以及一支撑心轴的主轴本体，该本体结合于一切削机台的基座上，心轴的延伸方向称为轴向；该外部主动补偿装置包括：

一延伸架，其一端固定于基座上、另一端延伸至近刀具处；

一传感器，其是结合于延伸架且对应于该刀具，该传感器可感测刀具相对于基座的轴向偏摆位移量；

至少一致动器，装置于本体与基座之间，该致动器可驱动本体进行相对于基座的轴向位移运动；以及，

一控制模块，连接于该致动器与传感器，该控制模块可接受该传感器所传来的轴向偏摆位移量并据以控制该致动器。

2、如权利要求第1所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，其中，该传感器是为一非接触式传感器且是与刀具相距一适当间隙；并且，该延伸架是直接固定在基座上而且未与本体相互固定，而使传感器与本体之间可进行轴向的微量相对位移。

3、如权利要求第1所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，其中，该致动器是微量进给装置，可驱动本体连同刀具沿轴向进行微量的线性位移。

4、如权利要求第1所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，其中，延伸架是以低热膨胀系数材质所构成。

5、如权利要求第1所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，其中，该传感器是感测主轴因温度改变所导致的温升热变形量加上刀具本身偏摆时所造成的刀具轴向偏摆位移量。

6、一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法，其中以一传感器直接量测该刀具的轴向偏摆度，然后藉由一控制模块驱动一致动器去带动该主轴进行轴向相对补偿位移，而使刀具的轴向偏摆度得以减低。

7、如权利要求第6所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法，其中，该传感器是为一非接触式传感器且是与刀具相距一适当间隙；并且，该传感器是藉由一延伸架直接固定在基座上而且未与主轴相互固定，而使传感器与主轴之间可进行轴向的微量相对位移。

8、如权利要求第7所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，其中，延伸架是以低热膨胀系数材质所构成。

9、如权利要求第6所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿装置，其中，该传感器可感测主轴因温度改变所导致的温升热变形量加上刀具本身偏摆时所造成的刀具轴向偏摆位移量。

10、如权利要求第6所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法，其中，该致动器是为微量进给装置，可驱动主轴连同刀具沿轴向进行微量的线性位移。

11、如权利要求第6所述的一种主轴刀具轴向偏摆的外部主动补偿方法，其中，该致动器、传感器、以及控制模块均是设置于主轴外部。

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