JP4474328B2

JP4474328B2 - 穴明け加工機

Info

Publication number: JP4474328B2
Application number: JP2005148283A
Authority: JP
Inventors: 幸宏山田; 明毒島; 吉男中島
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: JP2006321033A

Description

本発明は、水平方向に移動自在の水平移動部と垂直方向に移動自在の移動部とを備え、ワークと工具とを相対的に移動させてワークに穴を加工する穴明け加工機に関する。

例えば、ドリルを用いてプリント基板に穴明け加工をする穴明け加工機は、ベッド上を水平方向に移動自在のＸテーブルと、ベッドの上面に固定された門型のコラム上に載置されてＸテーブルの移動方向と直交する水平方向に移動自在のＹテーブルと、このＹテーブル上に載置されて垂直方向に移動自在のＺテーブルと、を備えており、ワークをＸテーブルに、ドリル等を回転させるスピンドルをＺテーブル上に載置し、ワークとドリルとを３軸方向に相対的に移動させてワークに穴を加工する。

図４は、従来のＸテーブル位置決め制御系のブロック線図である。

加算器２０により、位置指令信号５１とＸテーブル位置検出器１６で検出されたＸテーブルの位置信号との偏差を求め、得られた偏差をＸ軸位置制御部２１に出力する。Ｘ軸位置制御部２１は、入力された偏差に基づきＰＩＤ制御等の制御演算を行い速度信号として加算器２２に出力する。

Ｘ軸微分器２５は、Ｘ軸用モータ回転位置検出器１９から出力される検出値を微分演算してＸ軸モータの回転速度を求め、ボールネジのリードで決まる係数を図示しない係数器により係数倍してＸテーブルの速度に変換し、速度信号として加算器２２に出力する。

加算器２２は、Ｘ軸位置制御部２１から出力される速度信号とＸ軸微分器２５から出力される速度信号との偏差（速度偏差）を演算し、得られた偏差をＸ軸速度制御部２３に出力する。

Ｘ軸速度制御部２３は、入力された偏差に基づきＰＩＤ制御等の制御演算を行い、Ｘ軸トルク指令信号３７としてＸモータ用ドライバ１３に出力する。Ｘモータ用ドライバ１３はＸ軸トルク指令信号に基づいてトルク制御を行いＸ軸用モータ１１を駆動してＸテーブル７の位置決めを行う。

ＺテーブルあるいはＹテーブルも、Ｘテーブルの場合と同様に制御される。

次に、穴明け動作の一例を具体的に説明する。

図５は、縦軸を速度指令値、横軸を時間として、ＸテーブルとＺテーブルの速度指令値の時刻歴の一例を示す図であり、上段はＸテーブルの場合、下段はＺテーブルの場合である。なお、ＹテーブルもＸテーブルと同じタイミングで動作する。

Ｘテーブルを時刻ｔ０から時刻ｔ１までは一定トルクで加速（速度は直線的に増加）し、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは一定トルクで減速（速度は直線的に減少）する。そして、時刻ｔ２においてＸテーブルは目的位置に位置決めされる。

Ｘテーブルの位置決めが完了した時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、Ｚテーブルを一定トルクで加速してドリルを下降させ、時刻ｔ３から時刻ｔ５までは加速度を零にしてドリルを一定速度で下降させる。時刻ｔ３から時刻ｔ５までのいずれかの時刻、例えば時刻ｔ４でドリルの先端がプリント基板に到達し、穴明けが開始され、時刻ｔ５に達するまでに穴明けが終了する。時刻ｔ５から時刻ｔ６まではＺテーブルを一定トルクで上昇方向に加速し、時刻ｔ６から時刻ｔ７までは一定トルクで減速する。そして、時刻ｔ７においてＺテーブルは目的位置（この場合は待機位置）に位置決めされる。

上記時刻ｔ０から時刻ｔ７までの動作で一個の穴明けが完了する。そして、時刻ｔ７から次の穴明け位置へのＸテーブルの移動が開始され、時刻ｔ８で次の穴明けが完了する。

以上説明したように、ＸテーブルとＺテーブルは急激な加速・減速パターンの移動と停止を繰り返しながら、穴明け作業を行う。

一般に、ＸテーブルとＺテーブルの移動時間を比較すると、Ｚテーブルの移動時間の方が長いので、Ｚテーブルの移動時間を短くすると、加工能率を効果的に向上させることができる。

ドリル下降時の速度は、ドリル径と良好な加工品質を得るためのスピンドル回転数により決定されるので、Ｚテーブルの移動時間を短くするには、ドリル上昇時の加速度を大きくする必要がある。

しかし、Ｚテーブルを大きな加速度で移動させると、ドリル穴明加工機にはＺテーブルおよびＺテーブルに載置されたスピンドル等の質量に加速度を掛けた大きさの加振力が垂直方向に発生する。この加振力の作用点は穴明け加工機の重心から外れているため、重心と作用点との距離と加振力で決まるモーメント力により、穴明け加工機には床の剛性と穴明け加工機の回転慣性で決まる固有振動数の回転振動（ロッキング振動）が発生する。そして、このロッキング振動によりベッドが振動する。振動によりＸテーブルの位置がずれると、制御装置はＸテーブルを指定された位置に戻そうとする。しかし、遅れがあるため、Ｘテーブルは直ちに戻ることができないため、ドリルが基板から抜ける際にドリルが基板と干渉して穴の形状が崩れる等、加工精度が低下する。

Ｘテーブルの位置決め制御性能の悪化を防止する手段としては、ロッキング振動の抑制あるいはＺテーブルの移動の影響が小さいＸテーブルの位置決め制御系（以下、「Ｘ軸位置決め制御系」という。）が考えられる。

例えば、ロッキング振動を抑制する技術として、可動物をテーブルの移動方向と全く反対の方向に移動させ、テーブルの移動による装置への加振力を低減する技術が提案されている（特許文献１）。

また、ＸＹステージがＸＹ軸方向に移動する時の加速度によりＺ軸方向（ボンディングヘッド部）に加わる反力を、回転軸の中心とボンディングアームの重心との距離、ボンディングアームの質量およびＸＹステージがＸＹ軸方向に移動する時の加速度に基づいて計算し、得られた反力をフィードフォワード量としてボンディングヘッド駆動系に与えることによりボンディングヘッド部に加わる反力を打ち消すようにしたボンディングヘッド部の位置決め制御系を備えるワイヤボンディング装置が提案されている（特許文献２）。
特開平５−２３４８６５号公報特開２００２−１３４５４９号公報

穴明け加工機には通常５〜６個のＺテーブルが設けられている。このため、特許文献１の技術を採用して可動物をＺテーブルと同数設けると、穴明け加工機が高価になると共に装置全体が大きくなり、実用的でない。

また、装置構成が比較的簡単な場合には、特許文献２の技術を採用してＺテーブルの移動による位置決め精度の低下を図ることは可能である。しかし、穴明け加工機のように装置構成が複雑な場合にはフィードフォワード量の演算誤差が大きくなるため、位置決め精度を向上させることはできない。

本発明の目的は、加工速度を向上させることができ、かつ加工精度に優れる穴明け加工機を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、ワークを支持し、ベッド上を水平方向に移動自在のＸテーブルと、前記ベッドの上面に固定されたコラム上に載置され、前記Ｘテーブルの移動方向と直交する水平方向に移動自在のＹテーブルと、このＹテーブル上に載置され、工具を回転自在に支持して垂直方向に移動自在のＺテーブルと、を備え、前記各テーブルのそれぞれに位置指令信号を与えて前記各テーブルを位置決めし、前記工具により前記ワークに穴を加工する穴明け加工機において、前記コラム、前記ベッド又は前記ＸテーブルのいずれかのＸ方向の加速度を検出する検出手段を設け、前記検出手段によって検出された前記加速度信号からＺテーブルの駆動力が前記Ｘテーブルを最も移動させる周波数成分を取り出し、Ｚ軸の速度指令が０でない場合のみ、取り出した前記周波数成分の大きさに比例した補償値を前記Ｘテーブルを駆動する駆動部へフィードバックすることを特徴とする。

Ｚテーブルの移動がＸテーブルの位置決めに及ぼす影響を排除することができるので、Ｚテーブルを高速で移動することが可能になり、加工速度および加工精度を向上させることができる。

以下、本発明の図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る穴明け加工機の側面図である。

穴明け加工機２のベッド６は、レベリングボルト５とブロック部材４とを介して床１に支持されている。ベッド６の上面には、リニアガイド１５のレール９が固定されている。

Ｘテーブル７は、リニアガイド１５のスライドユニット８に固定され、図の左右方向（Ｘ方向）に移動自在である。Ｘテーブル７に保持された図示を省略するボールナットは、ボールネジ１０に螺合している。ボールネジ１０は、Ｘ軸用モータ１１により駆動される。

Ｘ軸用モータ１１は、Ｘテーブル駆動用コントローラ１２から出力される制御信号に基づいて、Ｘモータ用ドライバ１３により駆動される。

Ｘテーブル駆動用コントローラ１２は、動作制御コントローラ５０から出力される位置指令信号５１と、Ｘテーブル位置検出器１６で検出されたＸテーブルの位置信号と、コラム１７に取り付けられた加速度検出器１８から出力されるコラム１７のＸ方向（紙面左右方向）の加速度と、Ｘ軸用モータ回転位置検出器１９から出力されるＸ軸用モータ回転位置の検出信号と、に基づいてＸテーブル７を位置決めする、いわゆる位置決め制御系を構成している。

なお、動作制御コントローラ５０は、加速度検出器１８から出力される出力信号の採用可否を制御するため、後述するスイッチを開閉するスイッチ開閉指令信号５３をＸテーブル駆動用コントローラ１２に出力する。

ベッド６の上面に固定されたコラム１７には、リニアガイド１１５のレール１０９が固定されている。

Ｙテーブル１０７は、リニアガイド１１５のスライドユニット１０８に固定され、紙面に垂直なＹ方向に移動自在である。Ｙテーブル１０７に保持された図示を省略するボールナットは、ボールネジ１１０に螺合している。ボールネジ１１０は、図示を省略したＹ軸用モータにより駆動される。また、図示を省略するＹテーブル駆動用コントローラ等により、Ｙテーブル１０７もＸテーブル７と同様に位置決め制御系を構成している。

そして、Ｘテーブル７とＹテーブル１０７をそれぞれ移動させることにより、ドリル２５１をＸテーブル上のプリント基板３の水平方向任意の位置に位置決めすることができる。

Ｙテーブル１０７には、リニアガイド２１５のレール２０９が固定されている。Ｚテーブル２０７は、リニアガイド２１５のスライドユニット２０８に固定され、図の上下方向（Ｚ方向）に移動自在である。Ｚテーブル２０７に保持された図示を省略するボールナットは、ボールネジ２１０に螺合している。ボールネジ２１０は、Ｚ軸用モータ２１１により駆動される。

Ｚ軸用モータ２１１は、Ｚテーブル駆動用コントローラ２１２から出力される制御信号に基づいてＺモータ用ドライバ２１３により駆動される。

Ｚテーブル駆動用コントローラ２１２は、動作制御コントローラ５０から出力される位置指令信号５２とＺ軸モータ回転位置検出器２１９出力されるＺ軸モータ回転位置検出信号に基づいて、Ｚテーブル２０７を位置決めする。

Ｚテーブル２０７上にはスピンドル２５０が載置され、スピンドル２５０の先端にはドリル２５１が回転自在に保持されている。

動作制御コントローラ５０は、Ｘ、Ｙ、Ｚの各テーブルおよびスピンドルの動作シーケンスを制御する。

なお、Ｙテーブル１０７上のＹ方向には複数（２〜６個）のＺテーブルが載置されている場合がある。
次に、位置決め制御系について説明する。

図２は、本発明に係るＸ軸位置決め制御系のブロック線図である。

加算器２０は、動作制御コントローラ５０から出力されたＸ軸位置指令信号５１とＸテーブル位置検出器１６から出力された位置信号との偏差（位置偏差）を演算し、得られた偏差をＸ軸位置制御部２１に出力する。

Ｘ軸位置制御部２１は、入力された偏差に基づきＰＩＤ制御等の制御演算を行い速度信号として加算器２２に出力する。

Ｘ軸微分器２５は、Ｘ軸用モータ回転位置検出器１９から出力される検出値を微分演算してＸ軸モータ回転速度を求め、ボールネジ１０のリードで決まる係数を図示しない係数器により係数倍してＸテーブル７の速度に変換し、速度信号として加算器２２に出力する。

Ｘ軸速度制御部２３は、入力された偏差に基づきＰＩＤ制御等の制御演算を行い、Ｘ軸トルク指令信号７０として加算器２４に出力する。

加算器２４は、Ｘ軸トルク指令信号７０と加速度フィードバック補償器３０から出力される信号２９（トルク信号）との差を演算し、その値を新たなＸ軸トルク指令信号としてＸモータ用ドライバ１３に出力する。Ｘモータ用ドライバ１３は、加算器２４から出力されるＸ軸トルク指令信号に基づいてトルク制御を行いＸ軸用モータ１１を駆動してＸテーブル７の位置決めを行う。なお、加速度フィードバック補償器３０の詳細については後述する。

初めに、Ｚテーブルの移動がＸ軸位置決め制御系に与える影響の測定方法と測定結果の一例について説明する。

測定に先立ち、加速度フィードバック補償器３０の動作を停止するため、後述するスイッチ２８を開にしておく。

また、Ｘテーブル７を停止（制止）させた状態で測定をするので、測定する間、Ｘ軸位置決め制御系の加算器２０にＸテーブル７の位置指令値として０を出力する。

この状態で、すなわちＸテーブル７をある位置から移動しないように制御した状態で、図示を省略する周波数分析器によりＺ軸位置決め制御系にＺテーブル２０７の位置として正弦波の位置指令値を入力する。そして、正弦波の周波数を掃引して、Ｚ軸速度制御部から出力されるＺ軸トルク指令信号ＴＺと、Ｘ軸トルク指令信号ＴＸと、を取り込み、周波数応答特性Ｇ（ｓ）＝ＴＸ（ｓ）／ＴＺ（ｓ）を演算する。

図３は測定結果の一例を、横軸を周波数ω、縦軸をゲインＧとして示す図である。

同図に示されているように、Ｚテーブル２０７が移動する際、Ｘ軸位置決め制御系へ最も影響する、すなわちＸテーブル７を最も移動させる周波数はω１である。

したがって、加速度信号から周波数ω１成分を取り出し、取り出した信号の大きさに応じてＸテーブル７の位置を補正すれば、Ｚテーブル２０７が移動する時にＸ軸位置決め制御系へ与える影響を低減させることができる。

次に、図２における加速度フィードバック補償器３０について説明する。

加速度フィードバック補償器３０は、加速度検出器１８で検出されたコラム１７のＸ軸方向の加速度信号を、バンドパスフィルタ６１に入力し、周波数ω１成分を取り出す。そして、Ｘ軸の振動を抑制するのに適切な位相にするための位相補償器２６と、補償ゲインの設定器である係数器２７およびスイッチ２８を介して、信号２９として加算器２４に出力する。

ここで、Ｘテーブル７の移動中に信号２９を加算器２４に入力すると、Ｘテーブル７の応答に影響を与える場合がある。そこで、動作制御コントローラ５０からのスイッチ開閉信号５３により、Ｚ軸の速度指令５２が０でない場合にのみスイッチ２８の接点を閉じ、信号２９を加算器２４に入力する。

この結果、Ｚテーブル２０７の移動により制止状態にあるＸテーブル７に加わる力はキャンセルされるので、Ｘテーブル７が移動することはない。

なお、ここでは加速度検出器１８をコラム１７に配置したが、加速度検出器１８をＸテーブル７またはベッド６に配置してＸテーブル７またはベッド６のＸ方向の加速度を検出し、検出した加速度を加速度フィードバック補償器３０に入力するようにしてもよい。

以上述べたように、本発明に係るドリル穴明け機は、発生した振動を加速度フィードバックにより抑制するので、Ｘ軸の位置決め性能が向上し、良好な加工精度を得ることができる。また、Ｚテーブル２０７の移動を高速化できるので、加工速度を向上させることができる。

なお、Ｚテーブル２０７が複数設けられている場合には、例えば測定時に、総てのＺテーブル２０７を同時に移動させるようにすればよい。

本発明に係る穴明け加工機の側面図である。本発明に係るＸ軸位置決め制御系のブロック線図である。測定結果の一例を示す図である。従来のＸテーブル位置決め制御系のブロック線図である。ＸテーブルとＺテーブルの速度指令値の時刻歴の一例を示す図である。

符号の説明

３ワーク
６ベッド
７Ｘテーブル
１７コラム
１８加速度検出器
１０７Ｙテーブル
２０７Ｚテーブル
２５１ドリル

Claims

ワークを支持し、ベッド上を水平方向に移動自在のＸテーブルと、前記ベッドの上面に固定されたコラム上に載置され、前記Ｘテーブルの移動方向と直交する水平方向に移動自在のＹテーブルと、このＹテーブル上に載置され、工具を回転自在に支持して垂直方向に移動自在のＺテーブルと、を備え、前記各テーブルのそれぞれに位置指令信号を与えて前記各テーブルを位置決めし、前記工具により前記ワークに穴を加工する穴明け加工機において、
前記コラム、前記ベッド又は前記ＸテーブルのいずれかのＸ方向の加速度を検出する検出手段を設け、
前記検出手段によって検出された前記加速度信号からＺテーブルの駆動力が前記Ｘテーブルを最も移動させる周波数成分を取り出し、
Ｚ軸の速度指令が０でない場合のみ、取り出した前記周波数成分の大きさに比例した補償値を前記Ｘテーブルを駆動する駆動部へフィードバックすることを特徴とする穴明け加工機。