DE4230708A1 - Vorrichtung zum Überwachen des Arbeitszustands eines Bohrers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen des Arbeitszustands eines Bohrers einer Werkzeugmaschine zum Be­ arbeiten einer Platte wie etwa einer Leiterplatte usw.

Zur Durchführung von Bohrarbeiten an einer Leiterplatte wer­ den heute im allgemeinen Bohrer mit einem besonders kleinen Durchmesser verwendet. Während der Bearbeitung resultiert daher ein hoher Prozentsatz an Werkzeugbruch. Zum Schutz ei­ ner Leiterplatte ist es somit unerläßlich, einen solchen Bruch zu detektieren, um den Betrieb der Werkzeugmaschine zu unterbrechen. Außerdem ist es auch vom Gesichtspunkt der Verbesserung des Bearbeitungs-Wirkungsgrads erwünscht, den Bearbeitungszustand des Bohrers ständig zu überwachen.

Konventionell sind zur Erfassung eines Bohrerbruchs bei­ spielsweise ein lichtaussendendes Element und ein lichtemp­ fangendes Element für einen Lichtwellenleiter einander ge­ genüberliegend an geeigneten Stellen der seitlichen Umfangs­ wand eines Durchgangslochs vorgesehen, das in einer vertikal bewegbaren Platte der Werkzeugmaschine ausgebildet ist, um so einen Bohrerbruch direkt zu detektieren.

Das Verfahren der direkten Überwachung eines Bohrerbruchs mit Hilfe eines Lichtleitersensors hat jedoch die Nachteile, daß mit abnehmendem Durchmesser des Bohrers die Verar­ beitungs- oder Montagegenauigkeit außerordentlich schlecht werden und ein fehlerhafter Betrieb aufgrund einer Ab­ weichung der optischen Achse auftreten kann, wobei diese Ab­ weichung aus alterungsbedingter Verschlechterung, fehler­ hafter Erfassung infolge von Spänen oder dergleichen resul­ tieren kann.

Angesichts der obigen Nachteile des Stands der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Überwachen des Arbeitszustands eines Bohrers bereitzustellen, bei der in einfacher Weise ein Sensor montierbar ist, bei der kein fehlerhafter Betrieb des Sensors auftritt, die in stabiler Weise und wiederholt AE-Signale detektieren kann und die in einfacher Weise Zerspanungsbereiche einer Mehrlagenleiter­ platte detektieren kann.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Aus­ führungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 und 2 erläuternde schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 3 eine erläuternde schematische Darstellung, die den Betrieb zur Überwachung des Arbeitszustands eines Bohrers beim ersten Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 4 eine erläuternde schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 5 und 6 erläuternde schematische Darstellungen eines drit­ ten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7 eine erläuternde schematische Darstellung des Be­ triebs zur Überwachung des Arbeitszustands eines Bohrers bei dem dritten Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 eine erläuternde schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 9 und 10 erläuternde schematische Darstellungen eines fünf­ ten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 11 und 12 erläuternde schematische Darstellungen eines sech­ sten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 be­ zeichnet 1 den Hauptteil einer Werkzeugmaschine zur Durch­ führung von Bohrarbeiten am Oberflächenbereich einer zu be­ arbeitenden Platte, d. h. einer Leiterplatte 2 bei diesem Ausführungsbeispiel.

Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine der Leiterplatte 2 hori­ zontal gegenüberliegende vertikal bewegbare Platte, und eine Durchgangsöffnung 4 ist an einem geeigneten Bereich der ver­ tikal bewegbaren Platte 3 ausgebildet. 5 ist ein vertikal bewegbarer zylindrischer Körper (Niederhalter), der in ver­ tikaler Lage an der Oberseite der vertikal bewegbaren Platte 3 befestigt und zur Aufnahme von Spänen ausgelegt ist. Der untere Endbereich des vertikal bewegbaren zylindrischen Kör­ pers 5 ist integral an der vertikal bewegbaren Platte 3 so angeordnet, daß er die Durchgangsöffnung 4 umgibt.

Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Spindel, die angeordnet ist, um nach oben und nach unten (d. h. in Vertikalrichtung) innerhalb des vertikal bewegbaren zylindrischen Körpers 5 bewegt zu werden, und die sich mit hoher Geschwindigkeit aufgrund einer Antriebskraft von einem als Antriebsquelle dienenden Antriebsmotor (nicht gezeigt) dreht. Ein Bohrer 7 zum Bearbeiten (Vollbohren oder Aufbohren) der Leiterplatte 2 ist integral am vorderen Endbereich der Spindel 6 befe­ stigt. Der Lagerbereich 6 der Spindel ist als Luftlagersy­ stem ausgelegt, so daß die Spindel 6 sich mit Hochgeschwin­ digkeit drehen kann.

Das Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Druckkontaktscheibe, die an der Unterseite der vertikal bewegbaren Platte 3 fest an­ gebracht und ausgelegt ist, um mit der Oberfläche der Lei­ terplatte 2 in Berührung zu gelangen, wenn sich die vertikal bewegbare Platte 3 abwärtsbewegt. Die Druckkontaktscheibe 8 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zylindrisch, sie kann aber auch viereckig sein.

An Bereichen nahe dem Umfangsrandbereich der Druckkon­ taktscheibe 8 ist eine Vielzahl von Paßlöchern 9 zum Befe­ stigen ausgebildet. An dem zentralen Bereich der Scheibe ist ferner eine Mittelöffnung 10 für einen Bohrer mit relativ großem Durchmesser gebildet. Es ist zu beachten, daß die Druckkontaktscheibe 8 zweckmäßigerweise auch durch Verstem­ men befestigt und mit der vertikal bewegbaren Platte 3 inte­ gral geformt sein kann.

Das Bezugszeichen 11 ist einen Sensor, der an der vorsprin­ genden Oberfläche der vertikal bewegbaren Platte 3 mittels einer Stützplatte 12 befestigt und ausgelegt ist, um wenig­ stens eine Schwingung der Leiterplatte 2 zu empfangen, die durch die Zerspanungsarbeit des Bohrers 7 erzeugt wird, um die Schwingung in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als der Sensor ein AE-Sensor verwendet. Der Ausdruck "AE" soll kurz erläutert werden. Im allgemeinen ist "AE" die Erscheinung, daß beim Verformen oder Zerstören eines Festkörpers eine Formänderungsenergie, die bis zu diesem Zeitpunkt gespeichert war, freigesetzt wird, wodurch eine elastische Welle (Ultraschallwelle usw.) erzeugt wird. Infolgedessen ist der hier erwähnte "AE-Sen­ sor" ein Wandler, der ausgelegt ist, um eine elastische Welle wie etwa eine Ultraschallwelle usw. zu empfangen, die erzeugt wird, wenn eine zu bearbeitende Platte mit Hilfe ei­ nes Bohrers bearbeitet wird, und sie in ein elektrisches Si­ gnal umzuwandeln. Es ist zu beachten, daß der Sensor 11 di­ rekt an der vertikal bewegbaren Platte 3 befestigt sein kann. Außerdem kann als als Sensor ein Beschleunigungssensor verwendet werden.

Das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen Diagnoseeinrichtungs­ körper, der mit dem Sensor 11 elektrisch verbunden und aus­ gelegt ist, um ein elektrisches Signal vom Sensor als eine (elektrische) Spannungsänderung zu analysieren, um den Bruchzustand des Bohrers während der Bearbeitung zu diagno­ stizieren. Dieser Diagnoseeinrichtungskörper 13 weist eine CPU auf. Eine Anzeigeeinheit und/oder ein Drucker sind mit der CPU verbunden, jedoch nicht gesondert dargestellt.

Bei der obigen Konfiguration gemäß Fig. 2 bewegt sich die vertikal bewegbare Platte 3 zuerst abwärts, so daß die Un­ terseite der Druckkontaktscheibe 8 mit der Oberfläche der Leiterplatte 2 in Berührung gelangt. Dann beginnt sich die Spindel 6, die sich mit Hochgeschwindigkeit dreht, nach un­ ten zu bewegen. So wird ein Vollbohren oder Aufbohren der Leiterplatte 2 durch den Bohrer 7 ausgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird durch die Bearbeitung mittels des Bohrers 7 ein AE-Signal (eine Schwingung) erzeugt. Während der Bear­ beitung pflanzt sich diese Schwingung durch die Druckkon­ taktscheibe 8 und die vertikal bewegliche Platte 3 zum AE- Sensor 11 fort. Der AE-Sensor 11 empfängt die so weiterge­ leitete Schwingung und wandelt sie in ein elektrisches Si­ gnal um. Dieses elektrische Signal wird mit Hilfe des Diagnoseeinrichtungskörpers analysiert und als elektrische Spannungsänderung erkannt. Somit wird diese Wellenform im Überwachungszustand diagnostiziert.

Die obige Diagnose wird ausgeführt, indem die Wellenform von Fig. 3 ständig überwacht wird, die von der Nadel eines Seis­ mometers unter Verwendung einer Anzeigeeinheit usw. ange­ zeigt wird. Dabei bezeichnet a den Zeitpunkt, zu dem sich die vertikal bewegbare Platte 3 abwärtsbewegt, so daß die Druckkontaktscheibe 8 beginnt, mit der Leiterplatte 2 in Be­ rührung zu gelangen, und b bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem sich die Druckkontaktscheibe 8 vollständig in enger Berüh­ rung mit der Leiterplatte 2 befindet. Während des Zeitraums zwischen den Zeitpunkten a und b kann ein Geräuschanstieg durch die Ansaugung des vertikal beweglichen zylindrischen Körpers 5 beobachtet werden.

Während des Zeitraums zwischen Zeitpunkten c und d kann fer­ ner ein AE-Signal zum Zeitpunkt der Bearbeitung durch den Bohrer 7 beobachtet werden. Da die Druckkontaktscheibe 8 während des Zeitraums zwischen den Zeitpunkten b und c ge­ rade auf der Oberfläche der Leiterplatte 2 aufliegt, ist ihre Wellenform eine normale Wellenform. e bezeichnet den Zeitpunkt, zu dem die Druckkontaktscheibe 8 die Leiterplatte 2 verläßt oder davon weg nach oben geht, und die zu diesem Zeitpunkt auftretende Wellenform (mechanisches Geräusch) entspricht der in der Figur gezeigten Wellenform. Wenn man nun den Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt a und dem Zeitpunkt e als einen Arbeitszyklus betrachtet und wenn überwacht wird, ob eine von gestrichelten Linien eingerahmte Wellen­ form w in dem Zeitraum zwischen den Zeitpunkten c und d vor­ handen ist, so kann ein Bruch des Bohrers erkannt werden.

Weitere Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 4 bis 12 werden nachstehend beschrieben. Es ist zu beachten, daß bei der Be­ schreibung dieser Ausführungsbeispiele gleiche Bereiche oder Teile wie beim ersten Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht erneut beschrieben werden.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel im we­ sentlichen durch den Befestigungsbereich des Sensors. Dabei ist ein Sensor 11A an der Unterseite einer vertikal bewegba­ ren Platte 3A fest angebracht. Wenn die vertikal bewegbare Platte 3A abwärtsbewegt wird, gelangt der Sensor 11A in di­ rekte Berührung mit der Oberfläche einer Leiterplatte 2A. Wenn die Vorrichtung zur Überwachung des Arbeitszustands des Bohrers auf diese Weise aufgebaut ist, breiten sich AE-Si­ gnale (Schwingungen) zum Zeitpunkt der Bearbeitung und wäh­ rend der Bearbeitung mit einem Bohrer 7A direkt von der Lei­ terplatte 2A zum AE-Sensor 11A aus. Infolgedessen kann ein Diagnoseeinrichtungskörper 13A eine Spannungsänderung auf die gleiche Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel prä­ zise analysieren und erkennen.

Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 5 bis 7 unter­ scheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsbeispie­ len hauptsächlich dadurch, daß ein Bearbeitungsbereichs­ detektor 22 zum Zählen von elektrischen Signalen, die die Positionen von leitenden Schichten C1, C2, C3, C4 und C5 ei­ ner Mehrlagenleiterplatte 2B bezeichnen, mit einem Dia­ gnoseeinrichtungskörper 13B elektrisch über einen A/D-Wand­ ler 20 verbunden ist.

Wenn die Bohrerzustands-Überwachungseinrichtung so aufgebaut ist, wird während der Bearbeitung der Mehrlagenleiterplatte 2B mit einem Bohrer 7B ein Verfahren angewandt, bei dem elektrische Signale, die die Positionen von leitenden Schichten bezeichnen, gezählt werden unter Verwendung des Bearbeitungsbereichsdetektors 22 auf der Basis der Unter­ scheidung zwischen Bearbeitungswellen von leitenden Schich­ ten C1, C2, C3, C4 und C5 und von Isolationsschichten D1, D2, D3 und D4 der Mehrlagenleiterplatte 2B, wie Fig. 7 zeigt, und von elastischen Wellen, die von einem AE-Sensor 11B aufgenommen werden, so daß es möglich ist, eine tatsäch­ liche Position des Bohrers 7B oder des Bearbeitungsbereichs der Mehrlagenleiterplatte 2B zu detektieren. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel ist es also möglich, den Bohrer 7B in eine gewünschte Position der Mehrlagenleiterplatte 2B zu führen.

Das vierte Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 unterscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen im we­ sentlichen dadurch, daß ein Sensor 11C an der Unterseite ei­ ner vertikal bewegbaren Platte 3C fest angebracht ist und der Sensor 11C somit in direkte Berührung mit der Oberfläche einer Mehrlagenleiterplatte 2C gebracht wird, wenn die ver­ tikal bewegbare Platte 3C abwärtsbewegt wird, und daß ein Bearbeitungsbereichsdetektor 22C vorgesehen ist, um über einen A/D-Wandler 20C elektrische Signale zu zählen, die die Positionen von leitenden Schichten C1, C2, C3, C4 und C5 der Mehrlagenleiterplatte 2C bezeichnen.

Das fünfte Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10 unter­ scheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungsbeispie­ len im wesentlichen dadurch, daß eine vertikal bewegbare Platte 3D mit der gleichen Dimension (Durchmesser) wie ein vertikal beweglicher zylindrischer Körper 5D ausgebildet ist und ein Tragarm 30, der von dem vertikal bewegbaren zylin­ drischen Körper 5D ausgeht, an der Druckkontaktscheibe 8D gebildet ist, während ein AE-Sensor 11D an der Oberseite des Tragarms 30 befestigt ist. Wenn die Überwachungsvorrichtung für den Bohrerarbeitszustand so ausgebildet ist, pflanzen sich AE-Signale (Schwingungen) während der Bearbeitung und während des Bohrens mit einem Bohrer 7D von einer Leiter­ platte 2D zu dem AE-Sensor 11D durch die Druckkontaktscheibe 8D fort. Infolgedessen kann ein Diagnoseeinrichtungskörper 13D eine elektrische Spannungsänderung präziser analysieren und erkennen als bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Das sechste Ausführungsbeispiel nach den Fig. 11 und 12 un­ terscheidet sich von den oben beschriebenen Ausführungs­ beispielen hauptsächlich dadurch, daß eine vertikal beweg­ bare Platte 3E die gleiche Dimension (Durchmesser) wie ein vertikal bewegbarer zylindrischer Körper 5E hat und ein Tragarm 30E, der von dem vertikal bewegbaren zylindrischen Körper 5E ausgeht, an einer Druckkontaktscheibe 8E ausge­ bildet und ein AE-Sensor 11E an der Oberseite des Tragarms befestigt ist, während ein Bearbeitungsbereichsdetektor 22E vorgesehen ist, um elektrische Signale zu zählen, die die Positionen von leitenden Schichten C1, C2, C3, C4 und C5 ei­ ner Mehrlagenleiterplatte 2E über einen A/D-Wandler 20E an­ zeigen.

Wenn die Überwachungsvorrichtung für den Bohrerarbeitszu­ stand so ausgebildet ist, pflanzen sich AE-Signale (Schwingungen) während der Bearbeitung und während des Boh­ rens mit einem Bohrer 7E von der Leiterplatte 2E zu dem AE- Sensor 11E durch die Druckkontaktscheibe 8E fort. Ferner werden elektrische Signale, die die Positionen von leitenden Schichten anzeigen, gezählt unter Verwendung des Bear­ beitungsbereichsdetektors 22E auf der Basis einer Unter­ scheidung zwischen Bearbeitungswellen von leitenden Schich­ ten C1, C2, C3, C4 und C5 und Isolationsschichten D1, D2, D3 und D4, und von elastischen Wellen, die von dem AE-Sensor 11E aufgenommen werden, wenn die Mehrlagenleiterplatte 2E mit dem Bohrer 7E bearbeitet wird, so daß es möglich wird, eine tatsächliche Position des Bohrers 7E oder den Bear­ beitungsbereich der Mehrlagenleiterplatte 2E zu detektieren.

Diese Ausführungsform weist daher die gleichen Wirkungen oder Vorteile wie das dritte und das fünfte Ausführungsbei­ spiel auf.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Erfindung die folgenden Wirkungen bzw. Vorteile bietet:

• 1) Es ist nicht erforderlich, die vertikal bewegbare Platte usw. maschinell zu bearbeiten, um einen Sensor oder ein lichtaussendendes bzw. - ein lichtempfangendes Element an der vertikal beweglichen Platte usw. mit hoher Genauigkeit befestigen zu können. Es ist also möglich, den Sensor ein­ fach und leicht an der vertikal beweglichen Platte oder an der Druckkontaktscheibe zu befestigen.
• 2) Es gibt keinen fehlerhaften Betrieb des Sensors auf­ grund von alterungsbedingter Verschlechterung oder infolge von Spänen.
• 3) Es ist möglich, AE-Signale bzw. Schwingungssignale in stabiler Weise und wiederholt zu detektieren. Dabei ist es möglich, AE-Signale jederzeit ungeachtet der speziellen Form eines Bohrers oder einer zu bearbeitenden Platte präzise als Signal zu erkennen.
• 4) Es ist ohne weiteres möglich, den Bearbeitungsbereich der Mehrlagenleiterplatte zu detektieren.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Überwachen des Arbeitszustands eines Bohrers, gekennzeichnet durch

• - eine Druckkontaktscheibe (8), die an der Unterseite einer vertikal bewegbaren Platte (3) vorgesehen und ausgelegt ist, um mit einer zu bearbeitenden Platte (2) in Berührung zu gelangen, wenn sich die vertikal bewegbare Platte (3) abwärtsbewegt;
• - einen Sensor (11), der an einem geeigneten Bereich der vertikal bewegbaren Platte (3) vorgesehen und ausgelegt ist, um wenigstens Schwingungen der zu be­ arbeitenden Platte, die durch Bearbeiten mit einem Bohrer (7) erzeugt werden, über die Druckkontakt­ scheibe (3) und die vertikal bewegbare Platte (3) aufzunehmen und in ein elektrisches Signal umzuwan­ deln; und
• - eine Diagnoseeinrichtung (13), die mit dem Sensor (11) elektrisch verbunden und ausgelegt ist, um ein elektrisches Signal von dem Sensor zu analysieren und einen Beschädigungs- oder Bruchzustand des Bohrers (7) zu erkennen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bearbeitungsbereichsdetektor (22) zum Zählen von elektrischen Signalen, die die Positionen von lei­ tenden Schichten einer Mehrlagenleiterplatte (2B) be­ zeichnen, mit der Diagnoseeinrichtung (13B) durch einen A/D-Wandler (20) elektrisch verbunden ist.

3. Vorrichtung zum Überwachen des Arbeitszustands eines Bohrers, gekennzeichnet durch

• - einen Sensor (11A), der an einem geeigneten Bereich einer vertikal bewegbaren Platte (3A) so angeordnet ist, daß er mit der Oberfläche einer zu bearbeitenden Platte (2A) in direktem Druckkontakt liegt, und der ausgelegt ist, um Schwingungen der zu bearbeitenden Platte, die durch die Bearbeitung mit einem Bohrer (7A) erzeugt werden, in ein elektrisches Signal umzu­ wandeln; und
• - eine Diagnoseeinrichtung (13A), die mit dem Sensor (11A) elektrisch verbunden und ausgelegt ist, um ein elektrisches Signal von dem Sensor zu analysieren, um einen Beschädigungs- oder Bruchzustand des Bohrers (7A) zu erkennen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bearbeitungsbereichsdetektor (22) zum Zählen von elektrischen Signalen, die die Positionen von lei­ tenden Schichten (C1-C5) einer Mehrlagenleiterplatte (2B) bezeichnen, mit der Diagnoseeinrichtung (13B) durch einen A/D-Wandler (20) elektrisch verbunden ist.

5. Vorrichtung zum Überwachen des Arbeitszustands eines Bohrers, gekennzeichnet durch

• - eine Druckkontaktscheibe (8D) mit einem Tragarm (30), der von einem vertikal bewegbaren zylindrischen Kör­ per (5D) ausgeht und ausgelegt ist, um mit einer zu bearbeitenden Platte (2D) in Berührung zu gelangen, wenn sich der vertikal bewegbare zylindrische Körper (5D) abwärtsbewegt;
• - einen Sensor (11D), der an dem Tragarm (30) der Druckkontaktscheibe (8D) befestigt und ausgelegt ist, um eine Schwingung der zu bearbeitenden Platte (2D), die durch Bearbeiten mit einem Bohrer (7D) erzeugt wird, in ein elektrisches Signal umzuwandeln; und
• - eine Diagnoseeinrichtung (13D), die mit dem Sensor (11D) elektrisch verbunden und ausgelegt ist, um ein elektrisches Signal von dem Sensor (11D) zu analysie­ ren und einen Beschädigungs- oder Bruchzustand des Bohrers zu erkennen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bearbeitungsbereichsdetektor (22E) zum Zählen von elektrischen Signalen, die die Positionen von lei­ tenden Schichten (C1-C5) einer Mehrlagenleiterplatte (2E) bezeichnen, mit der Diagnoseeinrichtung (13E) durch einen A/D-Wandler (20E) elektrisch verbunden ist.