JP2010023216A

JP2010023216A - 切削加工装置の切削監視装置

Info

Publication number: JP2010023216A
Application number: JP2008190530A
Authority: JP
Inventors: Yohei Ogami; 洋平大上
Original assignee: OPUTEIKON KK
Current assignee: OPUTEIKON KK
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP5350699B2

Abstract

【課題】ドリルなど切削刃の破損前の劣化した状態を検出可能であり、また、切削加工状態の良否を監視可能で、かつ、設置が容易な切削加工装置の切削監視装置を提供すること。
【解決手段】単位加工動作を繰り返しドリル１２によるプリント基板１４への穴あけを行う切削加工装置において、切削された被加工物の切削粉１９を吸引するダクト１５と、ダクト中に光を照射する光源２２と、照射された光が通過して入射する位置に設置された受光器２３と、切削粉１９がダクト中を通過することによる受光器２３の出力電圧の変化を検出する手段とその出力電圧の変化量が一定の閾値を超える回数を検出する手段と単位加工動作における前記回数および各単位加工動作間の前記回数の変動量を監視しドリルの劣化の検出または切削加工の状態の監視およびその加工状態の良否の判定を行なう手段を有する信号処理装置２５よりなる。
【選択図】図１

Description

本発明はドリルなどの切削刃を用いた切削加工装置に関し、特に切削刃の劣化や切削状態の監視を行なう切削加工装置の切削監視装置に関する。

プリント基板には電気部品の実装のために多数の穴あけ加工が必要であり、ドリルによる加工が行なわれている。これらの加工装置では自動化が進められており、ドリルの磨耗などによる破損の検出は不良品の発生を最小限にするためにも不可欠である。従来、ドリルの破損の検出方法としては、下記の特許文献１〜５に示されるような様々な方法が開発されている。

特許文献１は、切削粉検出器によって加工中に切削粉がダクト中を通過するのを検出し、加工中にその検出器の出力がない場合にドリルが破損したと判断し、破損を検出している。

特許文献２では切削装置のモーターの駆動電流値の変化によりドリルの破損を検出し、特許文献３では加工中に切削刃を送るときに被加工物から受ける反力を測定することにより破損を検出している。

また、特許文献４ではドリルやドリルのチャックの温度を放射される熱線から監視することにより破損を検出し、特許文献５ではドリルの刃面や切削粉の温度を赤外線センサにより監視することにより破損を検出している。

特公昭５９−４３２６２号公報特公昭６２−６０２２１号公報特開平９−１４９９号公報特開２０００−７１１号公報特開２００６−９５６５６号公報

最近は小さな穴径でかつ高精度の加工の要求が多くなっている。このため、特許文献２や３のように加工による負荷の変化を検出することによりドリルの劣化を検出する方式では加工の負荷が小さいため検出精度が十分ではない。また、検出精度を上げるために回転数を下げるなどの負荷を大きくした加工を行なうと加工精度に影響を与えてしまう。一方、特許文献４や５の方式のように温度を検出する方式では切削装置の加工機能自体に影響を与えないで検出装置を設置可能であるが、周辺の温度が影響するので温度管理が必要となる。また、ドリルの温度の検出装置を後から切削装置に設置する場合、検出装置の構成上、通常の切削装置では大幅な改造が必要となる。

特許文献１のような切削粉の有無をダクトから検出する方式は、切削装置には通常ダクトが既に設置されているので、検出装置の設置は容易である。しかし、特許文献１の方式では切削粉の有無を検出するので、ドリルの破損後でないと検出ができない。加工途中にドリルの破損が生じてしまうと被加工物にも破損が生じてしまうので不良品が発生し、また、破損後のドリルの交換は処理時間がかかってしまう。そこで、破損する前の劣化した状態を検出し、ドリルの交換をすることが望ましい。また、ドリルが劣化していると穴径などの加工精度が低下するので、常に加工状態が適切であるか監視できることが望ましい。

そこで、本発明の課題は、ドリルなど切削刃の破損前の劣化した状態を検出可能であり、また、切削加工状態の良否を監視可能で、かつ、設置が容易な切削加工装置の切削監視装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による切削加工装置の切削監視装置は、単位加工動作を繰り返す切削刃による切削加工を行なう切削加工装置において、切削された被加工物の切削粉を吸引するダクトと、該ダクト中に光を照射する光源と、該照射された光が通過して入射するか又は反射して入射する位置に設置された受光器と、前記切削粉が前記ダクト中を通過することによる前記受光器の出力電圧の変化を検出する手段とを備え、前記受光器の出力電圧の変化量が一定の閾値を超える回数を検出し、前記単位加工動作における前記回数および各単位加工動作間の前記回数の変動量を監視することにより、前記切削刃の劣化の検出または前記切削加工の状態の監視を行うことを特徴とする。

ここで、前記切削刃はドリルであってもよい。

また、前記切削粉は前記ダクト中において、前記光源と前記受光器の間の透明な管の中を通過するように設定されていてもよく、前記光源は発光ダイオードであり、前記受光器はフォトダイオードであってもよい。

また、前記回数または前記変動量の少なくとも一方が予め定めた一定の範囲内にないときに前記切削刃が劣化したものと判定する手段、または、前記回数が予め定めた一定の範囲内にあり、かつ、前記変動量が予め定めた一定の範囲内にあるときに前記切削加工の状態は良好な状態にあるものと判定する手段を備えてもよい。

この場合、前記切削刃の使用時間と前記回数および前記変動量との関係を予め測定し、該測定値により前記回数の予め定めた一定の範囲、および前記変動量の予め定めた一定の範囲を決定してもよい。

また、前記単位加工動作の一定の繰り返し回数毎に未使用の切削刃を使用した単位加工動作における前記回数および前記変動量を測定し、それによって前記回数の予め定めた一定の範囲、および前記変動量の予め定めた一定の範囲を決定してもよい。

さらに、前記受光器の出力電圧の変化量が互いに異なる複数の閾値を超える回数をそれぞれ検出してもよい。

また、前記受光器の出力電圧の変化の周波数特性を検出し、該周波数特性の変化によって前記ダクトの能力の変化を検出する手段を備えてもよい。

本発明によれば、また、単位加工動作を繰り返す切削刃による切削加工を行なう切削加工装置の切削監視方法であって、切削された被加工物の切削粉を吸引するダクトを横切る方向に光を照射し、前記ダクト中を通過する切削粉に照射された光が通過して入射するか又は反射して入射する光を受光器により検出し、前記受光器の出力電圧の変化量が一定の閾値を超える回数を検出し、前記単位加工動作における前記回数および各単位加工動作間の前記回数の変動量を監視することにより、前記切削刃の劣化の検出または前記切削加工の状態の監視を行うことを特徴とする切削加工装置の切削監視方法が得られる。

本発明は、前記切削粉のダクト通過による受光器出力の変化の回数と各穴あけ加工毎のその回数の変動の大きさがドリルの使用状態や劣化状態によって変化することを発明者らが見出したことに基づくものである。

一例として、ドリルの径がある一定の範囲にある場合、ドリルが新しい状態の場合には切削粉の数、すなわち受光器出力の変化の回数は少ない傾向にある。しかし、その回数は各穴あけ加工毎に比較的大きく変動する。ドリルが新しいときにはドリル１回転あたりの切削量が大きい。そこで切削粉の大きさが大きいため上記回数は少ないと考えられる。また、１回転あたりの切削量が大きいため、受光器部分を通過するとき切削粉が大きいまま通過するかそれが砕けて通過するかによって受光器の出力電圧の変化の大きさおよび単位加工あたりの出力電圧の変化の回数が変動する。１回の穴あけによる切削量の合計値はほぼ一定であることから、切削粉がダクトを通過するときの切削粉の大きさが変動することにより上記の回数の変動量が大きくなると考えられる。

一方、ドリルが若干磨耗してくると、上記の変化の回数は増加し、穴あけ加工毎のその回数の変動量は小さくなる傾向にある。ドリル１回転あたりの切削量が減少し、切削粉の大きさが安定するためと考えられる。

さらにドリルが使用により磨耗してくると、上記の変化の回数はさらに増加する。これはドリル１回転あたりの切削量が減少し、切削粉の大きさが小さくなるためと考えられる。

但し、上記の傾向はドリルの径やドリル回転数などの加工条件、被加工物によっても変わってくるので、目的とする加工に応じて、ドリルの劣化および加工状態の良否に対する上記の変化の回数およびその単位加工毎の変動量の判定基準を変える必要がある。

また、上記切削粉の大きさに対応すると考えられる受光器の出力電圧の変化の大きさを識別するために、複数の閾値によりそれぞれの変化の回数を検出することにより、より詳細な情報が得られることになる。

本発明においては、上記のように、切削粉の有無だけでなく、切削粉がダクトを通過することにより発生する受光器の出力電圧の変化の回数、すなわち切削粉の数に比例すると思われる数量を検出して監視し、さらに各単位加工動作における上記数量の変動量を監視することにより、切削刃の劣化の検出または切削加工の状態の監視を行うものである。

本発明により、ドリルなど切削刃の破損前の劣化した状態を検出可能であり、また、切削加工状態の良否を識別可能で、かつ、設置が容易な切削加工装置の切削監視装置が得られる。

図１は本発明による切削加工装置の切削監視装置の第一の実施の形態であるプリント基板穴あけ用の切削加工装置の切削監視装置を示す図であり、当該切削監視装置を設置した切削加工装置の構成図である。

図１において、プリント基板１４などへの穴明を行うための穴明機１１にドリル１２が取り付けられ、設定されたプログラムに従って、移動ステージ１３上に設置されたプリント基板１４が所定の位置に移動し、単位加工動作である１つの穴明け動作を繰り返し行なうことにより多くの穴が明けられる。ここで、穴明けに伴って発生する切削粉１９はドリルの近傍に開口が設けられたダクト１５によって吸い込まれて排出される。このダクトの途中に、切削粉を検出するための光検出装置２０が設けられている。光検出装置２０はダクトの検出部１６に設けた光を透過させるための透明管２１と、透明管２１を挟んで対向して配置された光源２２と、受光器２３と、光源２２および受光器２３を内蔵し透明管２１を挿入する穴を設けた筐体２４とを備えている。

受光器２３の出力は信号処理装置２５に入力され、信号処理装置２５は、受光器２３の出力電圧の変化を検出する手段、受光器２３の出力電圧の変化量が一定の閾値を超える回数を検出する手段、単位加工動作における前記回数および各単位加工動作間の前記回数の変動量を監視し、ドリルの劣化の検出または切削加工の状態の監視およびその加工状態の良否の判定を行なう手段を備えている。

図２は本実施の形態における光源２２、受光器２３および信号処理装置２５の構成を示す図である。図２において、光源２２は発光ダイオード１とその駆動回路２により構成され、切削粉が通過する領域にその光が照射される。受光器２３はフォトダイオード３と増幅回路４とにより構成され、上記照射された光はフォトダイオード３に入射され、フォトダイオード３の出力は増幅回路４により増幅されて信号処理装置２５のコンパレータ６に入力する。光源２２と受光器２３の間を切削粉（数〜数百μｍの大きさ）が通過すると、フォトダイオード３の出力電圧がその通過時間だけ低下するので、直流成分を除去されて増幅回路４から出力される波形は数μｓ〜数百μｓ幅のパルス状の波形となる。コンパレータ６では増幅回路の出力電圧の変化量、すなわち上記のパルスの高さが予め定められた閾値と比較され、その閾値を超えたパルスの回数がカウンタ８により計数され、その結果が処理判定回路１０に送られる。

処理判定回路１０では上記計数されたパルスの回数および１回のドリル穴あけ毎のその回数の変動量が予め定めた劣化基準回数の範囲および予め定めた劣化基準変動量の範囲と比較され、その結果によりドリルの劣化の情報が、また、予め定めた標準基準回数の範囲および予め定めた標準基準変動量の範囲と比較され、その結果により加工状態の情報がそれぞれ出力される。

ここで、計測された回数が劣化基準回数の範囲内になく、その回数の各穴あけ毎の変動量が劣化基準変動量の範囲内にないときにドリルが劣化したものと判定され、その判定結果が表示ランプ、警報、または制御表示器の画面などに出力される。

また、前記計測回数およびその変動量が予め定めた標準基準回数の範囲および予め定めた標準基準変動量の範囲とそれぞれ比較され、その回数が標準基準回数の範囲内にあり、かつ、その変動量が標準基準変動量の範囲内にあるとき、切削加工の状態は良好な状態にあるものと判定され、その判定結果が表示ランプ、または制御表示器の画面などに出力される。

ここで、加工されるプリント基板と使用されるドリルについて、最初に未使用のドリルを使用した穴あけ動作における前記回数と前記変動量を測定し、それによって上記の劣化基準回数、劣化基準変動量、標準基準回数、標準基準変動量の各範囲を決定することができる。この最初の測定は、ある程度の穴あけの回数毎、または加工ロット毎、または１週間毎などの一定の期間毎に行うことができる。

また、加工されるプリント基板と使用されるドリルについて、ドリルの使用時間と前記回数および前記変動量との関係、およびその再現性などを予め詳細に測定し、その測定値により上記の各範囲を決定してもよい。

また、上記受光器の出力電圧の変化の速さ、すなわちパルスの周波数はダクト中を切削粉が吸引され通過する速度に依存するため、パルスの周波数を観測することにより、ダクトの吸引力の低下を検出することも可能である。

図３は本発明による切削加工装置の切削監視装置の第二の実施の形態に使用される光源、受光器および信号処理装置の構成を示す図である。本実施の形態も第一の実施の形態と同様にプリント基板穴あけ用の切削加工装置の切削監視装置であり、当該切削監視装置を設置した切削加工装置の構成は図１と同様である。

但し、本実施の形態では、図３に示すように、切削粉の大きさに対応すると考えられる受光器の出力電圧の変化の大きさを識別するために、２つの閾値によりそれぞれの変化の回数を検出している。図３において、増幅回路４から出力されるパルスはコンパレータ４６およびコンパレータ４７に入力され、コンパレータ４６においてはそのパルスの高さが閾値Ｂを超える信号が、コンパレータ４７においてはそのパルスの高さが閾値Ａを超える信号が出力され、それぞれカウンタ４８、４９に入力されてそれぞれの閾値を超えるパルスが計数される。

コンパレータ４６の出力は高い閾値Ｂを超えるパルス出力であり、カウンタ４８の出力は粒子径が大きな粒子数に対応する。コンパレータ４７の出力は低い閾値Ａを超えるパルス出力であり、カウンタ４９の出力は粒子径が小さな粒子数および大きな粒子数の合計数に対応する。それらのカウンタの出力は処理判定回路４０に入力され、第一の実施の形態と同様にその回数および変動量が劣化基準回数、劣化基準変動量、標準基準回数、標準基準変動量の各範囲にあるか否かが判定され、その判定結果が出力される。但し、本実施の形態においては、パルス数を計測する閾値は２つあるため、上記の基準回数もそれぞれ２つ定められる。

経験的にドリルが劣化すると大きな粒子数の割合が増えるので、上記の２つのカウンタの出力を監視することによりドリルの劣化がより正確に検出でき、より確実にドリルが破損する前の劣化した状態を検出することが可能となる。

なお、コンパレータはオペアンプなどを利用した一般的な比較器回路で構成でき、カウンタも一般的なカウンタ回路を使用できる。

図４は本発明による切削加工装置の切削監視装置の第三の実施の形態に使用される切削粉検出用の光検出装置の構成を示す図である。本実施の形態も第一および第二の実施の形態と同様にプリント基板穴あけ用の切削加工装置の切削監視装置であり、当該切削監視装置を設置した切削加工装置の基本的な構成は第一または第二の実施の形態と同様である。

但し、本実施の形態では、光検出装置の光学系は上述のように透過光を検出するのみではなく、図４のように、受光器を切削粉により散乱された光や反射光が入射する位置にも配置して散乱光も検出する構成となっている。

図４において、光源３２から出射する照射光３５は透明管３１内を通過する切削粉３９に照射され、その透過光３６はその透過方向に置かれた受光器３３に入射する。一方、切削粉３９から反射される光または散乱される光は透過方向とは異なる方向に置かれた受光器３４に入射する。受光器３３および３４のそれぞれの検出信号が信号処理装置３８に入力される。

一般的に、粒子の種類や大きさ、密度などによって透過光による検出と散乱光による検出では感度が異なるので、本実施の形態では高い感度が得られる受光器を選択して切削粉の検出を行うことができる。散乱光による検出でも大きい粒子ほど出力電圧変化は大きい。

また、上記のいずれの実施の形態の光検出装置においては、光源の発光ダイオードの光を直接切削粉に照射し、その透過光または反射光をそのままフォトダイオードに入射しているが、レンズを使用して収束された光を照射すること、または透過光、反射光をレンズを使用して収束させてフォトダイオードに入射することも可能である。さらに、レンズを使用して切削粉が通過する領域がフォトダイオードの入射面上に結像されるようにすることにより検出感度を上げることも可能である。図４の光検出装置も図１の光検出装置と同様に従来の切削加工装置のダクトの途中に挿入することが可能である。

以上のように、本発明により、ドリルなど切削刃の劣化の検出や切削加工状態の良否を識別可能で、かつ、設置が容易な切削加工装置の切削監視装置が得られる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではないことはいうまでもなく、適用する切削加工装置に合わせて、必要な検出感度を得るために光検出装置の配置や形状、構成などを設計変更することが可能であり、また、切削刃や被加工物の種類、ダクトの形状、能力などに応じて、受光器の出力電圧の変化の回数を検出する閾値の値、劣化基準回数、劣化基準変動量、標準基準回数、標準基準変動量の各範囲などを決定することができる。

本発明による切削加工装置の切削監視装置の第一の実施の形態であるプリント基板穴あけ用の切削加工装置の切削監視装置を示す図であり、当該切削監視装置を設置した切削加工装置の構成図である。第一の実施の形態における光源、受光器および信号処理装置の構成を示す図である。本発明による切削加工装置の切削監視装置の第二の実施の形態に使用される光源、受光器および信号処理装置の構成を示す図である。本発明による切削加工装置の切削監視装置の第三の実施の形態に使用される切削粉検出用の光検出装置の構成を示す図である。

符号の説明

１フォトダイオード
２駆動回路
３フォトダイオード
４増幅回路
２５、３８、４５信号処理装置
６、４６、４７コンパレータ
８、４８、４９カウンタ
１０、４０判定処理回路
１１穴明機
１２ドリル
１３移動ステージ
１４プリント基板
１５ダクト
１６検出部
１９、３９切削粉
２０光検出装置
２１、３１透明管
２２、３２光源
２３、３３、３４受光器
２４筐体
３６透過光
３７反射光

Claims

単位加工動作を繰り返す切削刃による切削加工を行なう切削加工装置の切削監視装置であって、切削された被加工物の切削粉を吸引するダクトを横切る方向に光を照射する光源と、該照射された光が通過して入射するか又は反射して入射する位置に設置された受光器と、前記切削粉が前記ダクト中を通過することによる前記受光器の出力電圧の変化を検出する手段とを備え、前記受光器の出力電圧の変化量が一定の閾値を超える回数を検出し、前記単位加工動作における前記回数および各単位加工動作間の前記回数の変動量を監視することにより、前記切削刃の劣化の検出または前記切削加工の状態の監視を行うことを特徴とする切削加工装置の切削監視装置。
前記ダクトには吸引方向にダクトの１部を形成する透明な管が配置され、前記光源及び前記受光器は、前記透明な管を通過する切削紛の通路を横切る方向に配置されていることを特徴とする請求項１記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記光源は発光ダイオードを備え、前記受光器はフォトダイオードを備えることを特徴とする請求項1又は２に記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記回数または前記変動量の少なくとも一方が予め定めた一定の範囲内にないときに前記切削刃が劣化したものと判定する手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記回数が予め定めた一定の範囲内にあり、かつ、前記変動量が予め定めた一定の範囲内にあるときに前記切削加工の状態は良好な状態にあるものと判定する手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記切削刃の使用時間と前記回数および前記変動量との関係を予め測定し、該測定値により前記回数の予め定めた一定の範囲、および前記変動量の予め定めた一定の範囲を決定することを特徴とする請求項４又は５のいずれか１項に記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記単位加工動作の一定の繰り返し回数毎に未使用の切削刃を使用した単位加工動作における前記回数および前記変動量を測定し、それによって前記回数の予め定めた一定の範囲、および前記変動量の予め定めた一定の範囲を決定することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記受光器の出力電圧の変化量が互いに異なる複数の閾値を超える回数をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削加工装置の切削監視装置。
前記受光器の出力電圧の変化の周波数特性を検出し、該周波数特性の変化によって前記ダクトの能力の変化を検出する手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の切削加工装置の切削監視装置。
単位加工動作を繰り返す切削刃による切削加工を行なう切削加工装置の切削監視方法であって、切削された被加工物の切削粉を吸引するダクトを横切る方向に光を照射し、前記ダクト中を通過する切削粉に照射された光が通過して入射するか又は反射して入射する光を受光器により検出し、前記受光器の出力電圧の変化量が一定の閾値を超える回数を検出し、前記単位加工動作における前記回数および各単位加工動作間の前記回数の変動量を監視することにより、前記切削刃の劣化の検出または前記切削加工の状態の監視を行うことを特徴とする切削加工装置の切削監視方法。