JP2006198742A

JP2006198742A - 穴明け加工機

Info

Publication number: JP2006198742A
Application number: JP2005014530A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Nakajima; 吉男中島; Atsushi Sakamoto; 淳坂本; Akira Busujima; 明毒島; Kazuo Watanabe; 一雄渡辺; Yukihiro Yamada; 幸宏山田
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】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。
【解決手段】振動抑制補償器２２０を設け、動作制御コントローラ５０から指令されるＺテーブル２０７に対する位置指令信号５２に、位置指令信号５２を微分したＺテーブル２０７の速度指令信号２３７と、速度指令信号２３７を微分したＺテーブル２０７の加速度信号２４０とを加え、得られた信号からノッチフィルタ２４２により予め定める周波数ω１を除去して、Ｚテーブル２０７の位置指令信号２２７とする。
【選択図】図６

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フレーム上に載置されて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。

次に、穴明け動作の一例を具体的に説明する。

図８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ため、Ｘテーブルの位置決め制御性能が悪化して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に、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フレーム上に載置され、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Ｚテーブルに対する位置指令信号に前記Ｚテーブルの速度指令信号と前記Ｚテーブルの加速度信号とを加え、得られた信号から予め定める周波数を除去する周波数除去手段を介して新たなＺテーブルの位置指令信号とする振動抑制補償器を設けたことを特徴とする。

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小さくできるので、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、フレーム１７に取り付けられた加速度検出器１８から出力されるフレーム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フレーム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、Ｘテーブル上のプリント基板３を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、本発明に係る位置決め制御系のブロック線図である。

まず、Ｘ軸の位置決め制御系について説明する。

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。

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。

次に、Ｚ軸の位置決め制御系について説明する。

Ｚ軸用モータ回転位置検出器２１９から出力された検出値は係数器２２６により係数倍され、位置信号として加算器２２１とＺ軸微分器２２５に入力される。

Ｚ軸微分器２２５は、係数器２２６から出力された位置信号を微分演算してＺ軸モータ回転速度を求め、ボールネジ２１０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Ｚテーブル２０７の速度に変換し、速度信号として加算器２２３に出力する。

振動抑制補償器２２０は、動作制御コントローラ５０から出力されたＺ軸位置指令信号５２を新たなＺ軸位置指令信号２２７として加算器２２０に出力する。なお、振動抑制補償器２２０の詳細については後述する。

加算器２２１は、Ｚ軸位置指令信号２２７と係数器２２６から出力された位置信号との偏差（位置偏差）を演算し、その結果をＺ軸位置制御部２２２に出力する。

Ｚ軸位置制御部２２２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２２３に出力する。

加算器２２３は、Ｚ軸位置制御部２２２から出力される速度信号とＺ軸微分器２２５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Ｚ軸速度制御部２２４に出力する。

Ｚ軸速度制御部２２４は、入力された偏差に基づきＰＩＤ制御等の制御演算を行い、Ｚ軸トルク指令信号２７０としてＺモータ用ドライバ２１３へ出力する。Ｚモータ用ドライバ２１３は、Ｚ軸トルク指令信号２７０に基づいてトルク制御を行いＺ軸用モータ２１１を駆動してＺテーブル２０７の位置決めを行う。

次に、Ｚテーブルの移動がＸ軸位置決め制御系に与える影響を低減するための装置である補償器振動抑制補償器２２０について順を追って説明する。

初めに、影響の測定方法と測定結果の一例について説明する。

図３はＺテーブルの移動がＸ軸位置決め制御系に与える影響を測定するための測定方法を示す図である。また、図４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。なお、測定時には加速度フィードバック補償器３０を動作させないので、図３では図２に記載されている加算器２４および加速度フィードバック補償器３０の記載が省略されている。

ここでは、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、位置指令発生器２３０は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、周波数分析器２３１はＺ軸位置決め制御系の加算器２２１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２２４から出力されるＺ軸トルク指令信号ＴＺ（図２におけるＺ軸トルク指令信号２７０に対応する）と、Ｘ軸トルク指令信号ＴＸ（図２におけるＸ軸トルク指令信号７０に対応する）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４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、Ｚ軸位置指令信号から周波数ω１を除いた位置指令信号でＺ軸を駆動することにより、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。

ところで、ある特定の周波数を取り除く手段として、ノッチフィルタが知られている。そこで、振動抑制補償器２２０として式１の特性を持つノッチフィルタを採用し、Ｚ軸位置指令信号５２と新たなＺ軸位置指令信号２２７との関係をシミュレーションした。なお、式１において、ζ１、ζ２は減衰係数であり、ζ１＜ζ２である。

図５は、シミュレーション結果を示す図であり、Ｚ軸、すなわちドリル２５１を３ｍｍ下降させた場合の時刻歴である。

同図において、上段の図はＺ軸の移動動作の全体を表す図であり、下段の図は上段の図における太線部を拡大して示す図である。図中、実線はＺ軸位置指令信号５２を、点線は新たなＺ軸位置指令信号２２７を、それぞれ表している。

同図から明らかなように、新たなＺ軸位置指令信号２２７は、Ｚ軸位置指令信号５２に対して遅れが大きく、かつ、目標位置の−３ｍｍに到達しない（約８５μｍ不足）。しかも、新たなＺ軸位置指令信号２２７を目標値としてＺ軸位置決め制御系が動作するため、位置決め制御系の遅れも加わり、ドリルの実際の未達量は０．２〜０．３ｍｍ程度になる。したがって、加工穴が未貫通となる不具合が生じる可能性が大きい。

この新たなＺ軸位置指令信号２２７が目標位置（−３ｍｍ）に達しないのは、ノッチフィルタによる位相遅れが原因である。

図６は、本発明に係る振動抑制補償器２２０のブロック線図である。

振動抑制補償器２２０は、Ｚ軸位置指令信号５２を微分して速度信号を出力する微分器２３５と、微分器２３５から出力される速度信号を微分して加速度信号を出力する微分器２３８と、微分器２３５から出力される速度信号に速度フィードフォワードゲインＫｖを乗算する係数器Ｋｖと、微分器２３８から出力される加速度信号に加速度フィードフォワードゲインＫａをを乗算する係数器Ｋａと、Ｚ軸位置指令信号５２と係数器Ｋｖの出力信号および係数器Ｋａの出力信号を加算する加算器２４１と、中心周波数がω１のノッチフィルタ２４２およびローパスフィルタ２４３とから構成されている。

そして、振動抑制補償器２２０に入力されるＺ軸位置指令信号５２は、加算器２４１により係数器Ｋｖから出力される速度フィードフォワード信号２３７と係数器Ｋａから出力される加速度フィードフォワード信号２４０が加算され、ノッチフィルタ２４２およびローパスフィルタ２４３を介して新たなＺ軸位置指令２２７として出力される。

ここで、Ｚ軸位置指令信号５２をＲ（ｔ）、また、新たなＺ軸位置指令２２７をＲ^＊（ｔ）とし、ローパスフィルタ２４３の特性を無視すると、Ｒ^＊（ｔ）は式２で表わされる。

そして、加速度フィードフォワードゲインＫａを式３で、また、速度フィードフォワードゲインＫｖを式４で表すと、式２は式５で表される。

すなわち、ノッチフィルタ２４２の中心周波数ω１と分母の減衰係数ζ２に対応して、加速度フィードフォワードゲインＫａ及び速度フィードフォワードゲインＫｖを式３，４で定めることにより、ノッチフィルタ２４２の位相遅れにより生じる不具合を防止することができる。なお、ローパスフィルタ２４３は滑らかなＺ軸位置指令信号を得るためのフィルタであり、その折点周波数はノッチフィルタ２４２の設定周波数等を考慮して決定される。

図７は、本発明に係る振動抑制補償器を適用した場合のシミュレーション結果を示す図であり、Ｚ軸の移動条件は図５の場合と同じである。

同図に示されているように、新たなＺ軸位置指令信号２２７は、Ｚ軸位置指令信号５２に対する遅れが小さく、かつ、目標位置の−３ｍｍに到達している。

なお、図７のシミュレーションにおいては、下降時の信号の遅れ及び未達量の防止を目的として、式２，３で示される加速度フィードフォワードゲインＫａ及び速度フィードフォワードゲインＫｖの値を若干変更して設定した。

以上説明したように、Ｚテーブル２０７の移動がＸ軸位置決め制御系に対して影響を及ぼす周波数を測定し、その周波数を除去するノッチフィルタの前段に速度及び加速度フィードフォワード信号を加算する振動抑制補償器２２０を設けることにより、時間遅れがなく、Ｚ軸を目標位置に確実に位置決めすることができる。

ところで、図４の周波数応答特性によれば、Ｚテーブル２０７の移動がＸ軸位置決め制御系に影響を及ぼす周波数にはω１とω２の２つの周波数がある。周波数ω１については上述した振動抑制補償器２２０によりその影響を低減できるが、周波数ω２の影響を低減することはできない。そこで、周波数ω２に関しては、フレーム１７の加速度フィードバック補償でその影響を低減する。

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で検出されたフレーム１７のＸ軸方向の加速度信号を、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、Ｘテーブル７が停止（制止）している場合にのみスイッチ２８の接点を閉じて、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をフレーム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、Ｚテーブル２０７の移動がＸ軸位置決め制御系へ与える影響を振動抑制補償器により低減すると共に、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。本発明に係る位置決め制御系のブロック線図である。測定方法の一例を示す図である。測定結果の一例を示す図である。シミュレーション結果を示す図である。本発明に係る振動抑制補償器のブロック線図である。本発明に係る振動抑制補償器を適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。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

５０動作制御コントローラ
５２位置指令信号
２０７Ｚテーブル
２２０振動抑制補償器
２２７位置指令信号
２３７速度指令信号
２４０加速度信号
２４２ノッチフィルタ
ω１周波数（ノッチフィルタ２４２の中心周波数）

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フレーム上に載置され、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Ｚテーブルに対する位置指令信号に前記Ｚテーブルの速度指令信号と前記Ｚテーブルの加速度信号とを加え、得られた信号から予め定める周波数を除去する周波数除去手段を介して新たなＺテーブルの位置指令信号とする振動抑制補償器を備えていることを特徴とする穴明け加工機。
前記予め定める周波数は、前記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であることを特徴とする請求項１に記載の穴明け加工機。
前記フレーム、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手段をさらに備え、前記検出手段によって検出された検出信号に対して前記Ｘテーブルの位相補償を行った後、前記位相補償を行った信号を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請求項１または請求項２に記載の穴明け加工機。