DE3941057C2

DE3941057C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Konturbearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE3941057C2
Application number: DE3941057A
Authority: DE
Inventors: Masao Nishigai; Tamio Otani; Yasuhiko Kanaya; Tetsuo Murakami
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1988-12-12
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2009-12-13
Also published as: DE3941057A1; JPH02160452A; JPH0753338B2; US5011345A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konturbearbeitung eines Werkstücks gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 5.

Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich insbesondere zur Bearbeitung der Kontur von gedruckten Leiterplatten, bei der während der Bearbeitung eine relative Vorschubbewegung zwischen einem rotierenden Werkzeug und der gedruckten Leiterplatte bewirkt wird.

Die am Werkzeug auftretenden Schnittkräfte hängen u. a. von Bearbeitungsgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit), Drehzahl und Abnutzungsgrad des Werkzeugs ab.

Aus "wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung" 1985, Nr. 11, S. 679-681, ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die am Werkzeug auftretenden Schnittkräfte anhand der Stärke des Antriebsstroms eines Motors erfaßt werden, der eine Werkzeugspindel antreibt, an der das Werkzeug befestigt ist.

Verfahren und Vorrichtungen, bei denen Spindeldrehmomente oder Motorstromstärke zum Regeln eines Bearbeitungsvorgangs herangezogen werden, sind z. B. aus DE-AS 18 03 742 oder den Zeitschriftenartikeln "Steuerungstechnik", 1969, Nr. 6, S. 220-224 und "Werkstatt und Betrieb", 1982, Nr. 8, S. 484-499 bekannt.

So lehrt DE-AS 18 03 742, bei Überschreiten des Maximaldrehmoments am Werkzeug dessen Schnittiefe zu verringern und eine Oberfläche ggf. mehrmals abzufahren, bis die gewünschte Kontur erzielt ist.

In beiden Zeitschriften findet sich der Hinweis, bei Überschreiten einer Grenzbelastung des Werkzeugs den Vorschub zu reduzieren, um so das Drehmoment wieder in einen Sollbereich zurückzuführen.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche sind in "Werkstatt und Betrieb", op. cit., S. 493-494 beschrieben. Hier wird eine maximale Stromstärke, die beim Bearbeiten nicht überschritten werden darf, vorab experimentell ermittelt.

Keines der beschriebenen Systeme trägt jedoch der Tatsache Rechnung, daß bei der Bearbeitung Spindelabdrängung oder Werkzeugverformung einen Werkzeugversatz ergeben, der sich beim Nachregeln der Vorschubgeschwindigkeit ändert, wodurch die Präzision der Bearbeitung beeinträchtigt wird.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konturbearbeitung anzugeben, bei denen die Vorschubgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit dem Zustand des Werkzeugs optimiert werden kann, ohne daß dies zu einer Einbuße an Bearbeitungspräzision führt.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Konturbearbeitung sollen sich insbesondere zur Bearbeitung der Kontur von gedruckten Leiterplatten eignen.

Die oben genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung ermöglicht es, eine Vielzahl von Werkstücken mit der gleichen Präzision ohne Erneuerung des Werkzeugs zu bearbeiten.

Insbesondere wird auch durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung die Lebensdauer des Werkzeugs ohne Beeinträchtigung der Bearbeitungspräzision verlängert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt in:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Blockdiagramms;

Fig. 2 den Weg eines Werkzeugs bei der Bearbeitung eines Werkstücks; und

Fig. 3-7 Diagramme zur Erläuterung des Konzepts der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit und des Werkzeugversatzes bei dem Konturbearbeitungsverfahren am Beispiel einer gedruckten Leiterplatte.

Vor der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels wird allgemein das prinzipielle Konzept der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit und der Korrektur des Werkzeugversatzes bei dem Verfahren gemäß der Erfindung anhand der Fig. 3 bis 7 beschrieben.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein Werkstück 31. Die gestrichelte Linie 32 zeigt die Sollkontur des Produkts, und T, T′ stellen ein Werkzeug in verschiedenen Positionen dar. Es soll angenommen werden, daß das Produkt mit der Sollkontur 32 durch Bewegen des Werkzeugs T′ längs der Geraden 34 erhalten wird. In Wirklichkeit bewirkt jedoch, wie Fig. 3 zeigt, die Schneidkraft, die das Werkzeug T′ auf das Werkstück ausübt, wenn es entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung des Pfeils Q längs der Linie 34 bewegt wird und gleichzeitig im Uhrzeigersinn rotiert, wie ein Pfeil P angibt, einen Versatz des Werkzeugs von T′ nach T, so daß das Werkstück in seiner Abmessung um einen dem Versatz entsprechenden Betrag α gegenüber der gewünschten Kontur 32 verkleinert wird. Auf diese Weise erhält man ein kleineres Produkt, das durch den schraffierten Bereich 33 in Fig. 3 dargestellt ist. Um dies zu vermeiden, wird das Werkzeug entlang eines Weges geführt, der den Versatz α berücksichtigt. Der Versatz α variiert abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit, wie in Fig. 4 dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt graphisch die elektrische Stromstärke (Bearbeitungslast) A eines Spindelantriebsmotors in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit F, wie sie sich ergibt, wenn die Werkzeugdrehzahl N bei gegebenem Werkzeugdurchmesser ⌀D konstant bleibt. Fig. 5 zeigt, daß die Stromstärke A des Spindelantriebsmotors mit wachsender Bearbeitungsgeschwindigkeit ansteigt.

Fig. 6 zeigt graphisch die elektrische Stromstärke A eines Spindelantriebsmotors abhängig von der Werkzeugdrehzahl N, wie sie sich ergibt, wenn die Vorschubgeschwindigkeit F bei gegebenem Werkzeugdurchmesser ⌀D konstant bleibt. Fig. 6 zeigt, daß ein Bereich mit optimaler Stromstärke A existiert.

Fig. 7 zeigt graphisch, daß die Vorschubgeschwindigkeit F, wenn die erfaßte Spindelantriebsmotorstromstärke A einen vorgegebenen Wert A1, der einen Werkzeugzustand angibt, bei dem gerade ein Bruch droht, erreicht hat (diese Stromstärke ist mit "Stromstärke unmittelbar vor Werkzeugbruch" bezeichnet), so geändert wird, daß sich die Stromstärke A verringert, wodurch sich die Bearbeitungsdistanz L, die die Werkzeuglebensdauer angibt, vergrößert. Die in Fig. 7 dargestellten Kennlinien ergaben sich durch Versuche. Genauer zeigt Fig. 7 die Bearbeitungsbedingungen zweier Werkzeuge T1 und T2. Der Betrieb des einen Werkzeugs T1 wurde mit konstanter Bearbeitungsgeschwindigkeit F (=F′) fortgeführt, auch nachdem die oben genannte Stromstärke A1 erreicht wurde, wohingegen die Bearbeitungsgeschwindigkeit des anderen Werkzeugs T2 in gestufter Weise von F1 auf F2 und dann auf F3 (F1<F2<F3) verringert wurde. Diese Verringerung wurde immer dann ausgeführt, wenn die Stromstärke A1 erreicht wurde. Während das Werkzeug T1 bei der Bearbeitungsdistanz L1 zu Bruch ging, ließ sich die Bearbeitungsdistanz L des Werkzeugs T2 bis auf L2 ausdehnen, indem zunächst die Vorschubgeschwindigkeit F von F1 auf F2 verringert wurde, als die Stromstärke A1 zum ersten Mal erreicht wurd, und dann die Vorschubgeschwindigkeit F auf F3 verringert wurde, als zum zweiten Mal die Stromstärke A1 erreicht wurde.

Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Blockdiagramm einer Ausführungsart einer Konturbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bearbeitung der Kontur einer gedruckten Leiterplatte. Die Vorrichtung weist ein Werkzeug T auf, das an einer Spindel befestigt ist, die von einem Spindelantriebsmotor angetrieben wird. Die Spindel ist hier zusammen mit dem Antriebsmotor als Spindel-Motor-Einheit 11 dargestellt. Ziffer 12 bezeichnet einen Spindelvorschubmotor für den Vorschub der Spindel-Motor-Einheit 11 mit dem Werkzeug T in X-Richtung. Die Bezugsziffer 13 bezeichnet einen Tisch- Vorschubmotor, der den Tisch 14 in Y-Richtung schiebt. Die Bezugsziffer 15 bezeichnet eine Bearbeitungssteuerungseinrichtung zur Steuerung der Vorschubmotoren 12, 13 und anderer Teile gemäß Bearbeitungsbefehlen.

Ein Stromdetektor 16 erfaßt die Stromstärke A des Spindelmotors 11 (die Spindelmotorstromstärke). Eine Steuereinrichtung 17 für die Vorschubgeschwindigkeit und die Versatzkorrektur ist so eingerichtet, daß sie sobald die Stromstärke A, die der Stromdetektor 16 erfaßt hat, den Stromwert A1 erreicht hat, eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit bewirkt, so daß die Stromstärke A des Spindelmotors abnimmt, und den Werkzeugversatz α in Übereinstimmung mit der Vorschubgeschwindigkeit nach dieser Änderung korrigiert. Die Korrektur des Werkzeugversatzes α bedeutet die Reduktion des Versatzes α in Übereinstimmung mit der Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit. Ein Speicher 18 speichert Datensätze 1 bis n, die jeweils Informationen betreffend die Vorschubgeschwindigkeit F, die Werkzeugdrehzahl und den Werkzeugversatz α enthalten und liefert der Steuereinrichtung 17 jedesmal einen Datensatz, wenn die Stromstärke A, die der Stromdetektor 16 erfaßt hat, den Wert A1 erreicht. In Fig. 1 wird die Werkzeugdrehzahl N auf einen konstanten Wert gesetzt, während die Bearbeitungsgeschwindigkeit F die Relation F2<F3<Fn und die Werkzeugdurchmesserkompensationshöhe die Relation α2<α3<αn annehmen.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäß ausgeführten Bearbeitungsvorrichtung beschrieben.

Nach Empfang von Bearbeitungsbefehlen startet die Steuereinrichtung 15 die Speisung der Motoren 12, 13 und des Spindelmotors 11 in Übereinstimmung mit den Bearbeitungsbefehlen und beginnt dadurch die Bearbeitung. Wenn die Stromstärke A des Spindelmotors, die der Stromdetektor 16 erfaßt hat, die Stromstärke A1 erreicht hat, liest die Steuereinrichtung 17 den Datensatz 1 aus dem Speicher 18 und steuert die Steuereinrichtung 15 so, daß die Vorschubgeschwindigkeit F von F1 auf F2 und der Werkzeugversatz α von α1 auf α2 geändert werden (F1<F2; α1<α2). Folglich steuert die Steuereinrichtung 15 die Vorschubmotoren 12 und 13 an, um die Vorschubgeschwindigkeit F auf F2 sowie den Werkzeugversatz α auf α2 zu ändern, so daß die Bearbeitung mit verringerter Vorschubgeschwindigkeit F2 und verringertem Werkzeugversatz α2 ausgeführt wird.

Bei fortdauernder Bearbeitung steigt die Stromstärke A des Spindelmotors erneut an. Wenn die Stromstärke A1 erneut erreicht wird, liest die Steuereinrichtung 17 den Datensatz 2 aus dem Speicher 18 und steuert die Steuereinrichtung 15 so, daß die Vorschubgeschwindigkeit F von F2 auf F3 und der Werkzeugversatz α von α2 auf α3 geändert werden, so daß die Bearbeitung mit verringerter Bearbeitungsgeschwindigkeit F3 und reduziertem Werkzeugversatz α3 fortgesetzt wird. Dieser Vorgang wird n-mal wiederholt. Danach wird das Werkzeug T erneuert, was beispielsweise automatisch erfolgen kann. Dann wird die Bearbeitung erneut unter neuen Bearbeitungsbedingungen gestartet.

Gemäß der Erfindung ist deshalb eine Verlängerung der Lebensdauer des Werkzeugs T möglich. Ferner wird die Konturbearbeitung innerhalb eines gegebenen Bearbeitungspräzisionsbereichs durch geeignetes Setzen der (konstanten) Stromstärke A1, der Vorschubgeschwindigkeiten F1 bis Fn (Fn wird als Minimalgeschwindigkeit innerhalb eines vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus gesehenen Bereichs gewählt) sowie der Werkzeugversätze α1 bis αn in Übereinstimmung mit dem verwendeten Werkzeug T, ausführbar.

Nachdem die Vorschubgeschwindigkeit F und die Werkzeugdurchmesserkompensationshöhe α n-mal geändert wurden, wird das Werkzeug T erneuert und der Bearbeitungsvorgang mit neuem Werkzeug T neu gestartet. Dies kann in der folgenden Weise durchgeführt werden. Unter Bezug auf Fig. 2 wird angenommen, daß die Bearbeitung eines Werkstückes 31 an einem Punkt (a) in Richtung des Pfeils Q begonnen wurde und die Stromstärke A1 zum n-ten mal am Punkt x erreicht wurde. In einem solchen Fall wird die Bearbeitung nach Erneuerung des Werkzeugs gemäß den nachfolgenden Verfahren (1) bis (3) neu gestartet. Alternativ kann nach den nachfolgend beschriebenen Verfahren (4) und (5) vorgegangen werden, wo für das gerade in Bearbeitung befindliche Werkstück (beispielsweise gedruckte Leiterplatte) die Bearbeitung ohne Erneuern des Werkzeugs neu gestartet wird und das Werkzeug vor Beginn der Bearbeitung des nächsten Werkstücks erneuert wird.

(1) Die Bearbeitung wird bis zum Punkt (c) fortgesetzt und dann das Werkzeug automatisch erneuert. Danach wird die Bearbeitung vom Punkt (c) neu gestartet und das Werkstück wird bis zum Punkt (a) über den Punkt (d) bearbeitet.
(2) Die Bearbeitung wird am Punkt (x) gestoppt und nach automatischer Erneuerung des Werkzeugs T erneut vom Punkt (a) aus gestartet.
(3) Die Bearbeitung wird bis zum Punkt (a) über die Punkte (c) und (d) fortgesetzt und dann das Werkzeug automatisch erneuert.
(4) Die Bearbeitung wird bis zum Punkt (c) fortgesetzt. Dann wird die Vorschubgeschwindigkeit weiterhin auf eine Geschwindigkeit Fn+1 geändert, die kleiner ist als die Vorschubgeschwindigkeit Fn. Die Bearbeitung wird dann mit der in dieser Weise verringerten Vorschubgeschwindigkeit Fn+1 vom Punkt (c) bis zum Punkt (a) über den Punkt (d) neu gestartet. Danach wird das Werkzeug erneuert. (Dieses Verfahren ist für eine Grobbearbeitung geeignet.)
(5) Die Bearbeitung wird bis zum Punkt (c) fortgesetzt. Dann wird die Vorschubgeschwindigkeit weiter auf eine Geschwindigkeit Fn+1 verringert, die kleiner als die Geschwindigkeit Fn ist, und gleichzeitig wird ebenfalls der Werkzeugversatz α auf einen Wert αn+1 geändert, der der Vorschubgeschwindigkeit Fn+1 nach der Änderung entspricht, und die Bearbeitung wird von Punkt (a) neu gestartet. Danach wird das Werkzeug erneuert. (Dieses Verfahren ist für die Feinbearbeitung geeignet.)

Dem Fachmann ist deutlich, daß die Vorschubgeschwindigkeit Fn, die als Maß für die Werkzeuglebensdauer dient, mit einem gewissen Toleranzgrad eingestellt werden kann.

Ferner ist es ohne weiteres ersichtlich, daß die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen selbstverständlich nicht nur zur Bearbeitung der Kontur von gedruckten Leiterplatten verwendet werden können.

Nach der vorstehenden Beschreibung ist erfindungsgemäß das Einstellen der optimalen Bearbeitungsbedingung in Abhängigkeit von der Stromstärke und damit indirekt von dem Werkzeugzustand möglich, um die Werkzeuglebensdauer bei andauernder Bearbeitung ohne Präzisionseinbußen zu verlängern.

Claims

1. Verfahren zur Konturfräsbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere einer Leiterplatte, mit einem an einer Spindel gehalterten, von einem Elektromotor (11) angetriebenen Umfangsfräswerkzeug (T), mit den Schritten:

(A) Erfassen der Antriebsstromstärke A des Motors (11) mit einem Stromdetektor (16),
(B) Ermitteln, ob die Stromstärke A einen vorbestimmten Wert A1 erreicht hat, der einem unmittelbar bevorstehenden Werkzeugbruch entspricht, und
(C) wenn die Stromstärke den Wert A1 erreicht hat, Ändern der Vorschubgeschwindigkeit (F) der Fräsbearbeitung auf einen neuen Wert (F₂, F₃), bei dem die dem Motor (11) zugeführte Stromstärke A anfangs verringert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß vorab für eine Mehrzahl von Werten der Vorschubgeschwindigkeit (F₁, F₂, F₃) des Parameters (F) jeweils den Werten entsprechende Werkzeugversätze (α₁, α₂, α₃) ermittelt werden, das Werkzeug entlang eines Wegs geführt wird, der den vom jeweiligen Wert der Vorschubgeschwindigkeit (F_n) abhängigen Versatz (α_n) des Werkzeug berücksichtigt, und daß im Schritt (C) gleichzeitig mit der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit der Versatz (α) auf einen dem neuen Vorschubgeschwindigkeitswert (F₂) entsprechenden Versatz (α₂) geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (C) eine festgelegte Zahl von Malen ausgeführt und anschließend das Werkzeug (T) ausgetauscht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeiten und Werkzeugversätze in der Reihenfolge ihrer Anwendung den Relationen F₁ < F₂ < F₃ < Fn und
α₁ < α₂ < α₃ < α_nentsprechen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugdrehzahl N konstant gehalten wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Konturfräsbearbeitung eines Werkstückes, insbesondere einer Leiterplatte, mit einem Stromdetektor (16), der die in einem Antriebsmotor (11) zum Antrieb einer ein Umfangsfräswerkzeug (T) halternden Spindel eingespeiste elektrische Stromstärke erfaßt, einer Einrichtung (15, 17), die die Vorschubgeschwindigkeit (F_n) der Fräsbearbeitung steuert und die, wenn die vom Stromdetektor erfaßte Stromstärke (A) des Antriebsmotors (11) einen vorgegebenen Wert (A1) erreicht hat, der einem unmittelbar bevorstehenden Werkzeugbruch entspricht, die Vorschubgeschwindigkeit so ändert, daß die Stromstärke des Antriebsmotors anfangs verringert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (15, 17) das Werkzeug (T) entlang eines Wegs führt, der den vom Wert der Vorschubgeschwindigkeit (F) abhängigen Versatz (α) des Werkzeugs berücksichtigt, und gleichzeitig mit der Änderung der Vorschubgeschwindigkeit den Werkzeugversatz (α) auf einen dem neuen Vorschubgeschwindigkeitswert entsprechenden Wert ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Speicher (18) mit Datensätzen, die Vorschubgeschwindigkeiten (F_n), Werkzeugversätze (α_n) und Werkzeugdrehzahlen (N_n) enthalten.