TWI703421B - 位置誤差測定方法、用於開設孔洞的裝置及其應用 - Google Patents

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Abstract

為了提供一種藉由加工機(3)在工件(13)上所開設之孔洞(14)的位置誤差測定方法，所述方法成本低，易於操作且允許使用者對孔洞(14)的產品品質進行測定、評估與最佳化。本發明提出：在所述用於開設孔洞(14)的加工機(3)的定位過程中，由控制電腦(1)記錄驅動軸(4、5、6)的位置感測器(7、8、9)的資訊，根據所述資訊，所述加工機(3)的所述控制電腦(1)以標稱位置與所述位置感測器(7、8、9)的所述資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設所述孔洞(14)的瞬間孔洞(14)的位置誤差。

Description

位置誤差測定方法、用於開設孔洞的裝置及其應用
本發明關於一種藉由加工機在工件上所開設之孔洞的位置誤差測定方法
孔洞位置誤差乃是印刷電路板鑽孔時的重要品質判據，測定孔洞位置誤差時需注意，孔洞形成後應盡可能地立即測定位置誤差，以便能快速識別缺陷孔洞，保持可能的最低不良率，且能快速排除加工機的可能故障。
US 6384911 B1揭露「一種用於測定印刷電路板上之孔洞的位置誤差的裝置與方法」。該習知裝置具有以光學方式進行測量的掃描儀及位於掃描儀下方的測量定位台。可將事先鑽好孔的印刷電路板置於此裝置中，以利用掃描儀及與掃描儀連接的電腦測定孔洞的位置誤差。
所述習知裝置的不足在於，針對印刷電路板上的孔洞所進行的位置誤差測定較之孔洞的開設往往延時明顯，且發生於加工機外部。多數情況下不考慮開設孔洞期間關於機器狀態的資訊。這就無法避免在識別到缺陷孔洞之前可能已製造出許多有缺陷的印刷電路板，並且難以甚或不能推斷出故障源。此外，由於測量機與加工機多半不處於同一空間，因此還需要一個物流過程來將待測量的印刷電路板從加工機運往測量機。還需考慮的是，測量機 會產生額外的投資與運行成本，另外亦需要受過培訓的人員來操作測量機。
本發明的目的在於提供一種藉由加工機在工件上所開設之孔洞的位置誤差測定方法、應用位置感測器的資訊來將用於開設孔洞的加工機最佳化以及一種用於開設孔洞的裝置，以上種種成本低，易於操作且允許使用者對孔洞的產品品質進行測定、評估與改良。
此目的藉由獨立請求項1、9與12的特徵而達成。關於有利實施方式的描述見於附屬請求項。
根據本發明的方法，在所述用於開設孔洞的加工機的定位過程中，由所述加工機的控制電腦記錄驅動軸的位置感測器的資訊，根據所述資訊，所述控制電腦以標稱位置與所述位置感測器的所述記錄資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設所述孔洞的瞬間所述孔洞的位置誤差。以此方式提供孔洞位置誤差，而不必在單獨的測量機上測量孔洞。有利者在於以下事實：在開設孔洞期間便已直接提供測量資訊，且能很快地對可能的偏差產生反應。一般而言，基於X驅動軸與Y驅動軸的位置感測器以及相應的標稱位置分量計算兩個分別關於孔洞位置的X偏差與Y偏差的位置誤差。作為補充，亦可考慮基於Z軸的位置感測器及相應的標稱位置分量而可測定的Z偏差。在某些情況下，亦將上述偏差合併成總偏差或總誤差形式的單一特性值。
在本發明的一有利實施方案中，如下設置：所述加工機帶著工件進行所述定位過程。如此，有待被開設孔洞的工件(例如印刷電路板)在定位過程中位於加工機中，並且在定位過程中在工件上開設孔洞。相應地，在開設孔洞期間便已測定孔洞的位置誤差。
在所述方法的一替代性有利技術方案中，如下設置：所述加工機不帶工件地進行所述定位過程。相應地，在定位過程中，加工機中不存在工件，並且在定位過程中不開設真實的孔洞。以此方式可識別待開設孔洞的位置誤差，而無需開設真實孔洞，亦不需要工件及/或工具。這特別有利於加工機的低成本建立或最佳化，因為不產生測試工件的製造成本，而測試工件通常須作為廢品被處置。
所述方法的另一有利實施方式提出：所述控制電腦按照以下公式將n個位置誤差xi計算成過程能力指數cpk，其中，OSG是所述位置誤差的可接受性判據的上限，且USG是所述位置誤差的可接受性判據的下限。
Figure 107135387-A0202-12-0003-1
藉此實現對所開設的孔洞的位置誤差的統計性觀測。此觀測可針對一個工件的數個孔洞、數個工件的數個孔洞及/或不同工件的對應孔洞而進行。以此方式亦產 生極佳的特性值，以便對藉由加工機所能達到的孔洞位置品質進行連續檢驗。替代地，亦可測定機器能力指數cmk，該機器能力指數在上述公式基礎上並非指向具體的鑽孔過程及與該鑽孔相關的孔洞位置誤差，而是考慮任意的定位過程以及為此而預設的可接受性判據OSG與USG。值得一提的是，上述藉由cpk值來實現統計性觀測的公式僅是例示性的。在本發明範圍內，亦可進行其他的統計性觀測，例如調整s前面的因數(在上述示例中為「3」)。
在所述方法的另一有利技術方案中，如下設置：所述控制電腦將所述孔洞的所述位置誤差作為單值顯示於所述控制電腦的操作面板上。藉此為機器操作員提供關於所開設的孔洞的當前位置誤差之資訊，機器操作員可例如在偏差過大的情況下中斷生產過程。
所述方法的另一有利實施方式提出：所述控制電腦將所述孔洞的所述位置誤差作為散點圖顯示於所述控制電腦的所述操作面板上。此種呈現方式能夠將大量孔洞的位置誤差緊湊地顯示於一個圖中。此種呈現方式可應用於一個工件的數個孔洞、數個工件的數個孔洞及/或不同工件的對應孔洞。
在本發明的一有利實施方案中，如下設置：所述控制電腦將所述孔洞的所述位置誤差作為直方圖顯示於所述控制電腦的所述操作面板上。此種呈現方式特別是能夠將大量孔洞的位置誤差按軸劃分地緊湊地顯示於一個圖中。此種呈現方式亦可應用於一個工件的數個孔洞、數 個工件的數個孔洞及/或不同工件的對應孔洞。
所述方法的另一有利技術方案提出：所述控制電腦將所述過程能力指數cpk顯示於所述控制電腦的所述操作面板上。此種呈現方式特別是能夠對較長時期內的位置誤差進行分析。亦可附加顯示此前所測定的cpk值，以便能分析孔洞位置誤差在較長時期內的可能變化。
所述方法的另一有利實施方式提出：在所述機器控制器的伺服器上提供所述孔洞的所述位置誤差及/或所述過程能力指數cpk。在亦能連接網際網路的伺服器上以資訊技術提供位置誤差及/或cpk值，藉此可將上述資訊在工業4.0的意義上提供給上游、並行或下游的內部或外部服務，例如機器研發、機器養護或品質保證。
根據本發明，應用位置感測器的資訊來將用於開設孔洞的加工機最佳化，如下設置：在所述用於開設孔洞的加工機的定位過程中，由所述加工機的控制電腦記錄驅動軸的所述位置感測器的資訊，根據所述資訊，所述控制電腦以標稱位置與所述位置感測器的所述資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設孔洞的瞬間所述孔洞的位置誤差，其中，針對所述加工機的不同系統狀態比較所述位置誤差，以便能評估所述系統狀態並且在此基礎上，在位置誤差尚可接受時測定位置偏差較小的系統狀態或生產率最高的系統狀態。藉此可根據所測定的位置誤差對在機器上所實施的且會導致系統狀態改變的最佳化措施進行評估與相互比較。這能幫助使用者實現位置誤差盡可能小的系 統狀態，而這往往是值得做的。同樣地，亦可提高負責加工機生產率的製程變數，例如移行速度、加速度及加速度率等在提高時往往會造成更大孔洞位置誤差(其原因例如在於加工機受激振動)的製程變數，直至存在尚可接受的孔洞位置誤差。藉此可以較低成本以及極易操作的方式將加工機的生產率最佳化，且不必製造測試部件。基於本發明所提出的上述應用，亦可定期檢查機器以與啟動後的初始系統狀態進行比較，從而提早識別出機器上可能存在的磨損現象。
本發明的上述實施方式的進一步方案提出：所述控制電腦在所述定位過程中還記錄並儲存驅動軸的電流、力及/或力矩。藉此為所測定的位置誤差配置關於驅動裝置的系統性能的附加資訊，從而能夠將加工機被記錄下來的定位行為變化與造成該變化的驅動軸直接對應起來，因為上述變化具體顯示在相關軸的測量資料中。
在所述應用的另一有利技術方案中，如下設置：藉由改變控制參數、調整加工程式及/或更換所述加工機的組件來定義所述加工機的所述不同系統狀態。根據本發明的應用的優點特別在於，可以快速且特別是利用系統自有構件來檢驗加工機的上述變化與調整，而這些變化與調整通常會改變系統狀態與系統性能，進而改變機器的定位行為。
在本發明的裝置中，如下設置：所述控制電腦在用於開設孔洞的定位過程中記錄所述驅動軸的所述位 置感測器的資訊，根據所述資訊，所述控制電腦以標稱位置與所述位置感測器的所述資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設所述孔洞的瞬間所述孔洞的位置誤差。本發明的裝置的優點在於，基於系統自有的組件與資訊便可測定關於裝置的定位行為的資訊，而不需要附加的外部測量機。藉此可快速做出關於裝置定位行為的陳述，而這些陳述在鑽孔過程中便已存在。
在所述裝置的另一有利技術方案中，如下設置：由所述控制電腦記錄附加的外部測量感測器，如電流感測器、力感測器、壓力感測器、溫度感測器、加速度感測器、聲音感測器及/或用於偵測材料接觸的感測器。藉由以本發明所提出的此種方式擴展裝置並且由控制電腦記錄附加資訊，可對裝置的定位行為進行更深入之分析。此種擴展在排除故障範圍內或者在研發或最佳化範圍內特別有意義。用於偵測材料接觸的感測器(例如力感測器)能夠非常精確地測定材料進入的時間點，例如鑽具與工件的接觸，哪怕材料厚度存在一定的波動或者工件存在不平度。
所述裝置的另一有利實施方式提出：所述用於偵測材料接觸的感測器建構為電接觸感測器，其實現方式為：所述加工工具及所述工件皆發生電接觸，且藉此在所述鑽具與所述工件接觸時，使迴路閉合。藉由以本發明所提出的此種方式擴展裝置，能夠很快地精確測定材料接觸。其中，藉由使加工機的鑽具及待加工的工件皆發生電接觸來記錄該接觸，且藉此在材料接觸時使迴路閉合。藉 由發生接觸的鑽具及發生接觸的工件而閉合的迴路持續地由控制電腦的電流感測器監測，以便控制電腦能夠偵測材料接觸。替代地，亦可使用力感測器來偵測材料接觸。
1‧‧‧控制電腦/CNC控制器
2‧‧‧操作面板/監測器
3‧‧‧加工機/印刷電路板鑽機
4‧‧‧驅動軸/線性驅動軸X
5‧‧‧驅動軸/線性驅動軸Y
6‧‧‧驅動軸/線性驅動軸Z
7‧‧‧位置感測器/(線性)位移感測器X
8‧‧‧位置感測器/(線性)位移感測器Y
9‧‧‧位置感測器/(線性)位移感測器Z
10‧‧‧鑽軸
11‧‧‧加工工具/鑽具
12‧‧‧加工台
13‧‧‧工件/印刷電路板
14‧‧‧孔洞
15‧‧‧加速度感測器/(鑽軸)振動感測器
16‧‧‧加速度感測器/(加工台)振動感測器
17‧‧‧溫度感測器/(加工台)溫度感測器
18‧‧‧溫度感測器/(驅動軸X的)溫度感測器
19‧‧‧感測器/電接觸感測器
20‧‧‧力感測器
下面參照圖式詳細闡述本發明的實施例。其中：圖1係本發明用於測定孔洞位置誤差的獨特結構的透視示意圖；圖2係根據本發明所測定的孔洞位置誤差在X-Y平面中的散點圖；及圖3A和圖3B係根據本發明所測定的孔洞位置誤差在X向(圖3A)與Y向(圖3B)上的直方圖。
圖1以透視圖示出本發明用於測定孔洞位置誤差的示意性結構。具有監測器2的CNC控制器1與印刷電路板鑽機3連接，該印刷電路板鑽機具有三個分管X向、Y向與Z向的線性驅動軸4、5、6。在本發明範圍內，亦可採用具有3個以上的軸的實施方案。此等驅動軸4、5、6中的每一者皆具有進行絕對測量的線性位移感測器7、8、9，其形式為被光學掃描的鋼尺，藉由該位移感測器偵測相應驅動軸4、5、6的當前位置。替代地，在本發明範圍內亦可使用被光學掃描的玻璃尺或磁性長度測量系統。印刷電路板鑽機3進一步具有固定於Z向驅動軸6上的鑽軸10。在鑽軸10中固定有鑽具11。在印刷電路板鑽機3的可藉由Y向驅動 軸5而運動的加工台12上，夾持有印刷電路板13，藉由鑽軸10中的鑽具11可在該印刷電路板上開設孔洞14。在印刷電路板鑽機3上還使用振動感測器15、16、溫度感測器17、18、力感測器20以及用於識別鑽具11與印刷電路板13之接觸的電接觸感測器19。
圖2示出根據本發明所測定的孔洞之X-Y位置誤差的散點圖，所述孔洞係藉由本發明的裝置開設於印刷電路板上。在本散點圖中可識別出大約10000個開設於印刷電路板上的孔洞的X-Y位置誤差。
圖3A和圖3B示出根據本發明所測定的大約10000個孔洞之X向(圖3A)與Y向(圖3B)位置誤差的直方圖，所述孔洞係藉由本發明的裝置開設於印刷電路板上。
下面闡述本發明方法的應用。
一旦藉由CNC控制器1啟動用於對印刷電路板13實施鑽孔加工的CNC程式，CNC控制器1遂記錄線性位移感測器7、8、9的位置資訊。當開始在印刷電路板上開設孔洞14時，亦即，一旦鑽具11鑽入印刷電路板13，CNC控制器1遂基於當前孔洞根據CNC程式的標稱位置與線性位移感測器7、8、9的位置資訊之間的差而測定當前孔洞14的位置誤差。此時間點可要麼由Z軸的位移感測器9觸發，亦即，一旦Z實際位置與用於啟動根據CNC程式的鑽孔的Z標稱位置相一致，要麼藉由用於偵測實際材料接觸的電接觸感測器19來觸發。為每一單個的鑽孔過程實施此孔洞位置誤差測定過程。以此方式測定的孔洞14的位置誤差由控 制器儲存。此外，所述位置誤差作為單值、散點圖及直方圖顯示於CNC控制器1的監測器2上。與此同時，將印刷電路板13的孔洞14的所有測定位置誤差計算成過程能力指數cpk，該過程能力指數陳述的是遵守標稱預設值的程度。然而，孔洞14的上述位置誤差測定不僅可用來評估印刷電路板鑽機3，亦可用來實現生產率驅動的最佳化。其中，逐漸提高印刷電路板鑽機3的移行速度，直至按照上述方法所測定的孔洞14的位置誤差尚可接受，且藉此尚以一定的安全性遵守標稱預設值。
以上係揭露用於測定藉由加工機在工件上所開設之孔洞的位置誤差的本發明，本發明成本低，易於操作且允許使用者對孔洞的產品品質進行測定、評估與改良。
1‧‧‧控制電腦/CNC控制器
2‧‧‧操作面板/監測器
3‧‧‧加工機/印刷電路板鑽機
4‧‧‧驅動軸/線性驅動軸X
5‧‧‧驅動軸/線性驅動軸Y
6‧‧‧驅動軸/線性驅動軸Z
7‧‧‧位置感測器/(線性)位移感測器X
8‧‧‧位置感測器/(線性)位移感測器Y
9‧‧‧位置感測器/(線性)位移感測器Z
10‧‧‧鑽軸
11‧‧‧加工工具/鑽具
12‧‧‧加工台
13‧‧‧工件/印刷電路板
14‧‧‧孔洞
15‧‧‧加速度感測器/(鑽軸)振動感測器
16‧‧‧加速度感測器/(加工台)振動感測器
17‧‧‧溫度感測器/(加工台)溫度感測器
18‧‧‧溫度感測器/(驅動軸X的)溫度感測器
19‧‧‧感測器/電接觸感測器
20‧‧‧力感測器

Claims (14)

  1. 一種藉由加工機(3)在工件(13)上所開設之孔洞(14)的位置誤差測定方法，其中，在前述用於開設孔洞(14)的加工機(3)的定位過程中，由前述加工機(3)的控制電腦(1)記錄驅動軸(4、5、6)的位置感測器(7、8、9)的資訊，根據前述資訊，前述控制電腦(1)以標稱位置與前述位置感測器(7、8、9)所記錄的前述資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設前述孔洞(14)的瞬間孔洞(14)的位置誤差，其中，前述控制電腦(1)按照以下公式將n個用於前述位置誤差的特性值x i 計算成過程能力指數cpk，其中，OSG是前述位置誤差的可接受性判據的上限，且USG是前述位置誤差的可接受性判據的下限：
    Figure 107135387-A0305-02-0014-18
    Figure 107135387-A0305-02-0014-19
    Figure 107135387-A0305-02-0014-20
  2. 如請求項1所記載之位置誤差測定方法，其中，前述加工機(3)帶著前述工件(13)進行前述定位過程。
  3. 如請求項1或2所記載之位置誤差測定方法，其中，前述加工機(3)不帶前述工件(13)進行前述定位過程。
  4. 如請求項1所記載之位置誤差測定方法，其中，前述控 制電腦(1)將前述孔洞(14)的前述位置誤差作為單值顯示於前述控制電腦(1)的操作面板(2)上。
  5. 如請求項1或2所記載之位置誤差測定方法，其中，前述控制電腦(1)將前述孔洞(14)的前述位置誤差作為散點圖顯示於前述控制電腦(1)的操作面板(2)上。
  6. 如請求項1所記載之位置誤差測定方法，其中，前述控制電腦(1)將前述孔洞(14)的前述位置誤差作為直方圖顯示於前述控制電腦(1)的操作面板(2)上。
  7. 如請求項1所記載之位置誤差測定方法，其中，前述控制電腦(1)將前述過程能力指數cpk顯示於前述控制電腦(1)的操作面板(2)上。
  8. 如請求項1所記載之位置誤差測定方法，其中，在前述控制電腦(1)的伺服器上提供前述孔洞(14)的前述位置誤差及/或前述過程能力指數cpk。
  9. 一種位置感測器(7、8、9)的資訊的應用，用以將用於開設孔洞(14)的加工機(3)最佳化，其中，在前述用於開設孔洞(14)的加工機(3)的定位過程中，由前述加工機(3)的控制電腦(1)記錄驅動軸(4、5、6)的前述位置感測器(7、8、9)的資訊，根據前述資訊，前述控制電腦(1)以標稱位置與前述位置感測器(7、8、9)的前述資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設前述孔洞(14)的瞬間孔洞(14)的位置誤差，其中，針對前述加工機(3)的不同系統狀態比較前述位置誤差，以便能評估前述系統狀態並且在此基礎上，在前述位置 誤差尚可接受時測定位置偏差較小的系統狀態或生產率最高的系統狀態，其中，前述控制電腦(1)按照以下公式將n個用於前述位置誤差的特性值x i 計算成過程能力指數cpk，其中，OSG是前述位置誤差的可接受性判據的上限，且USG是前述位置誤差的可接受性判據的下限：
    Figure 107135387-A0305-02-0016-21
    Figure 107135387-A0305-02-0016-22
    Figure 107135387-A0305-02-0016-23
  10. 如請求項9所記載之應用，其中，前述控制電腦(1)在前述定位過程中還記錄並儲存驅動軸(4、5、6)的電流、力及/或力矩。
  11. 如請求項9或10所記載之應用，其中，藉由改變控制參數、調整加工程式及/或更換前述加工機(3)的組件來定義前述加工機(3)的前述不同系統狀態。
  12. 一種用於在工件(13)中開設孔洞(14)的裝置，包括至少三個各自具有至少一個位置感測器(7、8、9)的驅動軸(4、5、6)、至少一個分別具有加工工具(11)的鑽軸(10)以及至少一個控制電腦(1)，其中，前述控制電腦(1)在用於開設孔洞(14)的定位過程中記錄前述驅動軸(4、5、6)的前述位置感測器(7、8、9)的資訊，根據前述資訊，前述控制電腦(1)以標 稱位置與前述位置感測器(7、8、9)的前述資訊之間的差之形式計算並儲存開始開設前述孔洞(14)的瞬間孔洞(14)的位置誤差，其中，前述控制電腦(1)按照以下公式將n個用於前述位置誤差的特性值x i 計算成過程能力指數cpk，其中，OSG是前述位置誤差的可接受性判據的上限，且USG是前述位置誤差的可接受性判據的下限：
    Figure 107135387-A0305-02-0017-24
    Figure 107135387-A0305-02-0017-25
    Figure 107135387-A0305-02-0017-26
  13. 如請求項12所記載之裝置，其中，由前述控制電腦記錄附加的外部測量感測器，如電流感測器、力感測器(20)、壓力感測器、溫度感測器(17、18)、加速度感測器(15、16)、聲音感測器及/或用於偵測材料接觸的感測器(19)。
  14. 如請求項13所記載之裝置，其中，用於偵測材料接觸的前述感測器(19)建構為電接觸感測器，其實現方式為：前述加工工具(11)及前述工件(13)皆發生電接觸，且藉此在前述加工工具(11)與前述工件(13)接觸時，使迴路閉合。
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