JP2012213827A

JP2012213827A - 穴明け加工機

Info

Publication number: JP2012213827A
Application number: JP2011080187A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Sumi; 博文角; Nobuhiko Suzuki; 伸彦鈴木
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: TWI526265B; CN102728866B; KR20120112011A; CN102728866A; JP5718128B2; KR101914574B1; TW201244855A

Abstract

【課題】ドリルの軸心Ｏの位置を常に予め設定した位置に位置決めすることができ、加工精度を向上させることができる穴明け加工機を提供すること。
【解決手段】ドリル１２を保持するためのコレットチャック２２を備え、ドリル１２を回転させるスピンドルモータ２０と、コレットチャック２２を開閉させるシリンダ３０と、スピンドルモータ２０を軸線Ｏ方向に移動自在に支持するスリーブ５０と、スリーブ５０を軸線Ｏ方向と直角な２方向に移動可能な貫通穴５１ａ（空間）を内部に備えるスリーブホルダ５１と、スリーブ５０をスリーブホルダ５１に対してＸＹＺの３軸方向に固定するシリンダ５２とを設ける。そして、コレットチャック２２でテーブル２上に配置された位置決め基準ピン６０を保持させることによりコレットチャック２２を介してスリーブホルダ５１に対するスリーブ５０の位置を定め、その後、スリーブ５０をスリーブホルダ５１に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、穴明け加工機に関する。

穴明け加工機である従来のプリント基板穴明け機について説明する。
図８は、プリント基板に穴明けを行うための第１の従来のプリント基板穴明け機の全体斜視図である。
テーブル２は、ベッド１上に配置された案内手段３により移動自在に支持され、図示を省略するねじ送り機構によりベッド１上をＸ方向に駆動される。テーブル２の上面には、プリント基板を載置する加工領域２ａと、加工に使用するドリルを供給する工具供給領域２ｂとが設定されている。
コラム４は、テーブル２を跨ぐようにしてベッド１に固定されている。クロススライド５は、コラム４上に配置された案内手段６により移動自在に支持され、モータ７を駆動源とする図示を省略するねじ送り機構によりコラム４上をＹ方向に駆動される。１対のサドル８は、クロススライド５上に配置された案内手段９により移動自在に支持され、モータ１０を駆動源とする図示を省略するねじ送り機構によりＺ方向に駆動される。
それぞれのサドル８には、１対のスピンドルユニット１１が固定されている。スピンドルユニット１１は、サドル８に固定されてスピンドルモータを支持するハウジングとスピンドルモータとから形成されている。スピンドルモータの先端には、ドリル１２が回転自在に支持されている。
ＮＣ装置２８は各軸のモータ等の制御を行う。
そして、テーブル２の加工領域２ａにプリント基板を固定し、テーブル２とクロススライド５をＸ、Ｙ方向に相対移動させてプリント基板とドリル１２の位置決めを行なった後、サドル８をＺ方向に移動させてプリント基板に穴明けを行なう（特許文献１）。

次に、第２の従来技術について説明する。
ドリル１２の移動速度を高速化すると、加工能率を向上させることができる。そこで、サドル８を移動させることに代えて、スピンドルモータをハウジングによりＺ方向移動自在に支持させておき、スピンドルモータだけを移動させるようにして、ドリルの移動速度すなわち加工速度を向上させる技術がある。
図９は、加工時にスピンドルモータだけを移動させるようにした従来のプリント基板穴明け機におけるドリル駆動部（以下、「主軸」という。）の正面一部断面図であり、図８と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
ハウジング４はサドル８に固定されている。円筒状のスピンドルモータ２０は軸線ＯがＺ方向になるようにしてハウジング４にＸＹ方向に位置決めされると共に、軸受け２４によりハウジング４の内部を軸線Ｏ方向に移動自在である。
スピンドルモータ２０のロータシャフト２１は、複数の軸受け２５により径方向に支持されると共に軸線Ｏ方向に位置決めされている。ロータシャフト２１には図示を省略するロータ（回転子）が配置されており、図示を省略するコイル（固定子）により回転自在である。
スピンドルモータ２０の上部にはエアシリンダ３０が配置されている。ピストンロッド３１の動作方向は軸線Ｏと同軸である。後述するように、待機位置にあるエアシリンダ３０のピストンロッド３１の先端は、コレットチャック２２の後端２２ｂと隙間を隔てて対向している。
エアシリンダ３０の上部には連結棒３５の一端がボルト３６により固定されている。連結棒３５の他端はリニアモータ４０の出力軸端に接続されている。リニアモータ４０は連結棒３５をＺ方向に移動させる。リニアモータ４０はサドル８に固定されている。
以上の構成であるから、リニアモータ４０を動作させることにより、スピンドルモータ２０すなわちドリル１２をＺ方向に移動させることができる。

次に、ドリル１２の保持手順を説明する。
図１０は、スピンドルモータ２０先端部の断面図である。
ロータシャフト２１の先端部には、コレットチャック２２とコレットチャック２２を図の上方に付勢するばね２３とが配置されている。コレットチャック２２のドリル１２側には、回転の軸線Ｏ方向に図示を省略する複数のスリットが形成され、径方向に縮径可能である。
そして、ドリル１２は、ばね２３によりコレットチャック２２の外周に形成されたテーパ面２２ａがロータシャフト２１の内面に形成されたテーパ面２１ａに付勢されることにより発生する径方向の力により保持されている。

次に、ドリル１２の着脱手順を説明する。
ドリル１２を交換するときにはシリンダ３０を動作させる。すると、ピストンロッド３１が下降し、コレットチャック２２をばね２３に抗して図の下方に移動させる。コレットチャック２２のテーパ面２２ａがロータシャフト２１のテーパ面２１ａから離れるとコレットチャック２２が開き、コレットチャック２２のドリル１２保持力が無くなるので、ドリル１２をコレットチャック２２から取り外すことができる。そして、この状態で新しいドリル１２をコレットチャック２２の内部に挿入した後、ピストンロッド３１を上昇させると、ばね２３によりコレットチャック２２が上昇してコレットチャック２２が閉じ、スピンドルモータ２０にドリル１２を保持させることができる。なお、プリント基板穴明け機で使用されるドリル１２のシャンク径はドリルの呼び径に関わらず、同一径に形成されている。

ところで、加工により、プリント基板穴明け機の各部は温度上昇し、ドリル１２の軸線Ｏが設計値に対してずれるため、加工精度が低下する。
そこで、Ｘ方向に移動可能なテーブル上に戴置されたワークに穴を明けるのに先立ち、テーブルの上方に配置されＸ方向と直交するＹ方向に移動可能なクロススライドに戴置された複数のスピンドルのそれぞれ先端に支持された複数の工具の軸線のスピンドルの設計上の軸線に対するＸ方向とＹ方向のずれを各方向毎に検出し、検出された各方向毎のずれの平均値を算出し、複数のスピンドル１２の軸線の座標を加工しようとする穴の中心座標に対して各方向毎にそれぞれ平均値だけ補正して、ワークに穴を明けるようにしたプリント基板穴明け機がある（特許文献２）。

特開平１１−３４７８６５号公報特開２００７−９８８号公報

特許文献２の技術に依れば、複数本のドリルでドリルと同数のプリント基板に穴を加工する場合に、プリント基板に明ける穴の位置ずれを小さくすることができた。しかし、位置ずれの大きさそのものを小さくすることはできなかったため、加工精度を向上させることができなかった。

本発明の目的は、ドリルの軸心Ｏの位置を常に予め設定した位置に位置決めすることができ、加工精度を向上させることができる穴明け加工機を提供するにある。

上記課題を解決するため、本発明の第１の手段は、工具を保持するためのコレットチャックを備え、前記工具を回転させるスピンドルモータと、前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動自在に支持するハウジングと、前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動させる移動手段と、前記コレットチャックを開閉させる開閉手段と、を備え、前記ハウジングに対して前記スピンドルモータを移動させる穴明け加工機において、前記ハウジングに代えて、前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動自在に支持するスリーブと、前記スリーブを前記工具の回転の軸線方向と直角な２方向に移動可能な空間を内部に備えるスリーブホルダと、前記スリーブを前記スリーブホルダに対してＸＹＺの３軸方向に固定する固定手段とを設けた、ことを特徴とする。

この場合、前記スピンドルモータと前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動させる移動手段との間に、前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向と直角な２方向に移動可能に支持する継ぎ手と、前記スピンドルモータを前記継ぎ手に対してＸＹＺの３軸方向に固定する固定手段とを設けると、さらに効果的である。

軸心Ｏを常に予め設定した位置に位置決めすることができるので、加工精度が向上する。
また、ドリルの軸心Ｏの予め設定された位置に対するずれを予め検出する必要がないので、軸心Ｏの位置決めを能率良く行うことができる。

本発明に係るプリント基板穴明け機におけるドリル駆動部の正面一部断面図である。本発明に係るプリント基板穴明け機における主軸の移動範囲を示す図である。本発明に係るプリント基板穴明け機におけるテーブルの平面図である。本発明における主軸の位置決め手順を説明するフローチャートである。図４の手順Ｓ１５０における具体的な動作を説明する図である。図４の手順Ｓ１６０における具体的な動作を説明する図である。本発明の第２の実施例を示す図である。従来技術の説明図である。従来技術の説明図である。スピンドルモータ２０先端部の断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。

図１は、本発明に係るプリント基板穴明け機におけるドリル駆動部の正面一部断面図であり、従来技術における図９に対応する図である。なお、図８、図９と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、この実施例では、構成が同じである１対のドリル駆動部を備えている。
円筒形で一方の端部にフランジ部５０ａが形成されたスリーブ５０は、軸受け２４により円筒状のスピンドルモータ２０をＸ、Ｙ方向に固定すると共に、スピンドルモータ２０を軸線Ｏ方向に移動自在に支持している。フランジ部５０ａの下面は、スリーブホルダ５１の上面に当接している。フランジ部５０ａには２個の貫通穴５０ｃが形成されている。フランジ部５０ａの下面とスリーブホルダ５１の上面は滑らかな面に仕上げられている。
スリーブホルダ５１の中心部には、軸線Ｏ方向に貫通穴５１ａ（空間）が形成されている。ドリルのシャンク径をｄ、貫通穴５１ａの直径をＤ１、スリーブ５０の円筒部５０ｂの外径をＤ２とするとき、直径Ｄ１はＤ１≦Ｄ２＋ｄとなるように形成されている。
スリーブホルダ５１のＹ方向の両側にはシリンダ５２が配置されている。シリンダ５２のピストンロッド５２ａの軸間距離は貫通穴５０ｃの軸間距離に等しい。
また、貫通穴５０ｃの直径はピストンロッド５２ａの直径よりも（Ｄ２＋ｄ−Ｄ１）以上大径である。ピストンロッド５２ａの先端には方形の押さえプレート５３が固定されている。押さえプレート５３の短辺は貫通穴５０ｃの直径よりも大きい。
予め定める場合を除き、シリンダ５２はスリーブ５０を図の下方に付勢し、スリーブ５０をスリーブホルダ５１に対して固定している。以下、シリンダ５２がスリーブ５０を図の下方に付勢することを、「スリーブ５０を固定する」という。また、シリンダ５２がスリーブ５０を図の下方に付勢することを中止する場合を、「スリーブ５０を開放する」という。

リニアモータ４０の出力軸４０ａの端部には断面が円形の空洞４０ｂが形成されている。連結棒３５の他端には断面が円形のフランジ３５ｆが形成されている。隙間ｇ（空洞４０ｂのＺ方向の高さとフランジ３５ｆの厚さとの差）は、ｇ＝０．１〜０．５ｍｍである。また、空洞４０ｂの直径はフランジ３５ｆの直径よりも（Ｄ２＋ｄ−Ｄ１）以上大径である。出力軸４０ａの空洞４０ｂとフランジ３５ｆとで継ぎ手を形成している。フランジ３５ｆの下面と空洞４０ｂの底面（フランジ３５ｆの下面が当接する面）は滑らかな面に仕上げられている。
出力軸４０ａの端部には２個のシリンダ５４が配置されている。そして、予め定める時を除き、シリンダ５４はフランジ３５ｆを図の上方に付勢し、フランジ３５ｆを出力軸４０ａに対して固定している。以下、シリンダ５４がフランジ３５ｆを図の上方に付勢することを、「連結棒３５を固定する」という。また、シリンダ５４がフランジ３５ｆを図の上方に付勢することを中止する場合を、「連結棒３５を開放する」という。

テーブル２の工具供給領域２ｂには位置決め基準ピン６０が配置されている。位置決め基準ピン６０の直径はドリル１２のシャンク径と同径であり、先端は半径ｄ／２の球面に形成されている。また、位置決め基準ピン６０の直線部の長さは１５〜２０ｍｍである。位置決め基準ピン６０の軸線Ｐを中心とする直径Ｄｓの円上には、図示を省略する４個の距離センサ（ここでは、エアセンサ）用の穴６１が円周方向９０度間隔で配置されている。穴６１が配置されている円の直径Ｄｓは、コレットチャック２２の外径をｄｋ、穴６１の直径をｄｓとすると、Ｄｓ＜ｄｋ−ｄｓである。位置決め基準ピン６０のＹ方向の位置については後述する。

図２は、主軸Ｓの移動範囲を示す図であり、図３はテーブル２の平面図である。以下、左側の主軸Ｓを主軸Ｓ１、右側の主軸Ｓを主軸Ｓ２とし、シリンダ５４等の構成要素を主軸Ｓ毎に区別する必要がある場合にはそれぞれの符号に添え字ｉ（ただし、ｉは１または２である）を付けて区別する（例えば、シリンダ５４１は主軸Ｓ１用のシリンダ５４であり、シリンダ５４２は主軸Ｓ２用のシリンダ５４である）。
テーブル２のＹ方向の中心をＹ０とするとき、図２に示すように、ドリル駆動部Ｓ１の軸線Ｏ１はＹ座標−Ｙ１から＋Ｙ座標ｙ１の間を移動する。また、ドリル駆動部Ｓ２の軸線Ｏ２はＹ座標−ｙ１からＹ座標＋Ｙ１を移動する。ここで、ｙ１は１０〜２０ｍｍ程度である。

図３に示すように、工具供給領域２ｂには、交換用のドリル１２を保持するドリルホルダ７０と、主軸Ｓに保持されていたドリル１２を受け取るドリルホルダ７１と、多数のドリルを保持するドリルホルダ７３とが、Ｓ２主軸Ｓ１、Ｓ２毎に設けられている。位置決め基準ピン６０はＹ座標がＹ０（すなわち、テーブル２の中心）、Ｘ座標がドリルホルダ７０、７１と同じ位置に位置決めされている。

次に、主軸Ｓの位置決め手順を説明する。
図４は、主軸Ｓの位置決め手順を説明するフローチャートである。なお、主軸Ｓｉはコレットチャック２２ｉの先端がテーブル２から位置決め基準ピン６０よりも高い予め定める高さ（待機位置）に位置決めされている。
主軸Ｓの位置決めが指示されると、ｉ＝１とし（手順Ｓ１００）、主軸Ｓｉ（ここでは、主軸Ｓ１）の軸線Ｏｉを基準ピン６０の軸線Ｐ上に位置決めする（手順Ｓ１１０）。次に、試行回数ｎをｎ＝１としてから（手順Ｓ１２０）、スリーブ５０ｉと連結棒３５ｉを開放する（手順Ｓ１３０、Ｓ１４０）。次に、コレットチャック２２ｉを開き（手順Ｓ１４０）、リニアモータ４０を動作させ、コレットチャック２２ｉの先端をテーブル２の表面から（０．５＋ｇ）ｍｍの高さまで下降させる（手順Ｓ１５０）。連結棒３５ｉを開放すると、コレットチャック２２ｉの先端は重力によりｇだけ落下するので、手順Ｓ１５０が終了した時点におけるコレットチャック２２ｉの先端はテーブル２表面から０．５ｍｍの高さになる。次に、４個の距離センサが総てオンであるかどうかを確認し（手順Ｓ１６０）、４個の距離センサが総てオンである場合は手順Ｓ１７０の処理を行い、その他の場合は手順Ｓ３００の処理を行う。手順Ｓ１７０ではコレットチャック２２ｉを閉じ、その後、スリーブ５０ｉ、連結棒３５ｉを固定する（手順Ｓ１８０、Ｓ１９０）。次に、コレットチャック２２ｉを開き（手順Ｓ２００）、コレットチャック２２ｉの先端を待機位置に上昇させる（手順Ｓ２１０）。次に、ｉ＝２であるかどうかを確認し（手順Ｓ２２０）、ｉが２である場合はコレットチャック２２ｉを閉じて（手順Ｓ２３０）、処理を終了する。また、手順Ｓ２２０においてｉが２でない場合は、ｉ＝ｉ＋１としてから（手順Ｓ２４０）、手順Ｓ１１０の処理を行う。

手順Ｓ３００では試行回数ｎが３より大きいかどうかを確認し、ｎが３以下である場合は手順Ｓ３１０の処理を行い、ｎが３より大きい場合はアラームを表示して装置を停止させる。手順Ｓ３１０では、試行回数ｎをｎ＝ｎ＋１とし、スリーブ５０ｉ、連結棒３５ｉを固定する（手順Ｓ３２０、Ｓ３３０）。次に、コレットチャック２２ｉの先端を待機位置に上昇させた後（手順Ｓ３４０）、手順Ｓ１３０の処理を行なう。
なお、手順Ｓ２４０以降の処理は主軸Ｓ２の動作である。

次に、上記手順における具体的な動作を説明する。
図５は、手順Ｓ１５０における具体的な動作を説明する図である。
コレットチャック２２ｉの軸線Ｏｉが基準ピン６０の軸線Ｐからずれていた場合、コレットチャック２２ｉが位置決め基準ピン６０の球面部に当接する。リニアモータ４０の位置決め基準ピン６０に対する押しつけ力をＦ、コレットチャック２２ｉの開き角度を２θとすると、コレットチャック２２ｉの球面部に当接した部分には、Ｎ＝Ｆｓｉｎθの垂直効力が働き、従ってｆ＝Ｎｃｏｓθ＝Ｆｓｉｎθｃｏｓθの水平力が加わるので、コレットチャック２２ｉすなわちスリーブ５０ｉは軸線Ｐに向けて水平に移動する。そして、手順Ｓ１７０により、軸線Ｏｉと軸線Ｐは同軸となる。したがって、手順２３０が終了すると、主軸Ｓ１の軸線Ｏ１と主軸Ｓ２の軸線Ｏ２はＸ座標が同一で、Ｙ方向の間隔が距離Ｙ１で位置決めされる。

図６は、手順Ｓ１６０における具体的な動作を説明する図である。
通常、手順Ｓ１５０によりスリーブ５０ｉは軸線Ｐに向けて水平に移動するが、図６に示すように、何らかの原因で軸線Ｏｉが軸線Ｐに対して斜めになる場合があり得る。このような場合、コレットチャック２２ｉのテーブル２表面から離れた側の距離センサがオフとなるので、軸線Ｏｉが斜めになる場合を予防できる。
この実施例では、何らかの原因で軸線Ｏｉが斜めになった場合であっても、３回まで再試行するようにしたので、装置が停止することを予防できる。なお、通常は、２回目の手順Ｓ１５０により軸線Ｏｉを軸線Ｐに一致させることができる。

図７は、本発明の第２の実施例を示す図であり、図１と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。
この実施例では、リニアモータ４０の出力軸４０ａの端部に空洞４０ｂが形成されておらず、連結棒３５は出力軸４０ａに固定されている。
軸線Ｏｉの軸線Ｐに対するずれが小さい（５０μｍ以下）場合、連結棒３５の弾性を利用して連結棒３５を曲げることにより軸線Ｏｉを軸線Ｐに一致させることができる。
なお、主軸Ｓｉの位置決め手順は第１の実施例の位置決め手順から容易に理解できるので、説明を省略する。

以上説明したように、本発明に依れば、主軸Ｓ１と主軸Ｓ２を設計上の位置に正確に位置決めできるので、精度の良い加工ができる。また、主軸Ｓ１と主軸Ｓ２毎にプリント基板を加工する場合はもちろん、主軸Ｓ１と主軸Ｓ２の両者を用いて１枚のプリント基板を加工する場合も、プリント基板の全加工域において１個の主軸で加工する場合と同じ加工精度を得ることができる。

また、主軸が１個の場合も、本発明を適用することにより主軸の変位を予め測定する必要がなくなるので、加工能率を向上させることができる。

なお、スリーブ５０がスリーブホルダ５１に対して移動できる範囲は±ｄ／２未満（例えば、ドリルのシャンク径が３．１７５ｍｍの場合、最大で±１．５ｍｍ程度）であるが、穴明け加工機の場合、製造時における軸線Ｏの設計値に対するずれは±１０μｍ以下であり、熱による変形も最大で±１００μｍであるから、スリーブ５０のスリーブホルダ５１に対しする移動範囲が実用上問題になることはない。

２テーブル
１２ドリル
２０スピンドルモータ
２２コレットチャック
３０シリンダ
５０スリーブ
５１スリーブホルダ
５１ａ貫通穴
５２シリンダ
６０位置決め基準ピン
Ｏ軸線

Claims

工具を保持するためのコレットチャックを備え、前記工具を回転させるスピンドルモータと、
前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動自在に支持するハウジングと、
前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動させる移動手段と、
前記コレットチャックを開閉させる開閉手段と、を備え、
前記ハウジングに対して前記スピンドルモータを移動させる穴明け加工機において、
前記ハウジングに代えて、
前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動自在に支持するスリーブと、
前記スリーブを前記工具の回転の軸線方向と直角な２方向に移動可能な空間を内部に備えるスリーブホルダと、
前記スリーブを前記スリーブホルダに対してＸＹＺの３軸方向に固定する固定手段とを設けた、ことを特徴とする穴明け加工機。
前記スピンドルモータと前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向に移動させる移動手段との間に、前記スピンドルモータを前記工具の回転の軸線方向と直角な２方向に移動可能に支持する継ぎ手と、前記スピンドルモータを前記継ぎ手に対してＸＹＺの３軸方向に固定する固定手段とを設けた、
ことを特徴とする請求項１に記載の穴明け加工機。