专利名称：用于确定印刷电路板钻床的误差的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定印刷电路板之定位装置相对一特别是印刷电路板钻床类型机床参考位置的位置误差的方法，所述机床包括用于相对一操作单元定位所述板件的装置和用于所述机床的可编程的电子控制装置。
背景技术：
公知的用于加工和特别是用于钻削印刷电路板的机床基本上包括一基础部分，一工件载板或在基础部分上安装的工作台并且其上紧固有所述将要加工和/或钻削的印刷电路板。所述机床还包括至少一个操作单元，其中安装了例如一用于接纳一诸如钻头的切割工具的机动主轴和允许所述的操作单元与一控制电路相配合并相对于该工件载板运动的机电装置。
一般地，该工件载板和操作单元可以相对地运动在两个重直的方向上，同时该操作单元也可移动在一第三方向上，即垂直于这两个另外的方向以便限定例如该钻削深度。作为一般原则，这些机床包括几个操作单元以便在同一时间加工几个板件或多个叠摞的印刷电路板。
通常地，这种叠摞方式的印刷电路板包括一个支承或基板，一叠摞要钻削的板件和一盖板或导入板。后者一般通过销件保持在一起的，使用这种销件，一方面用作一定位参考以适于该印刷电路板相互间的定位，另一方面用于将所述的叠摞(板件)定位在工件载板上。
在这种印刷电路板中钻制的孔之密度可达到高的数值，属于每平方厘米有几十个孔的量级，这就要求该机床的操作者以很高的精度将所述销件定位在工件载板上，以便考虑到制造工艺预定的公差。
这种对精度的要求就给操作者造成一重大的故障，以致于他被迫地经常检查所述销件的位置处在可允许公差之限界内。事实上，不能遵守这些销件位置的公差可能给一印刷电路制造商带来灾难性的后果，例如使得在这一状态下钻制的叠摞的印刷电路板因为孔的不良定位而无法使用。
这个绝对精确的要求，对于按照现有技术的原则操作这种类型的机床之操作者来说，在花费代价和利用效率来说是更为不利的，这是因为测量所述销件的精确位置是通常用于手工操作实施的。因此，基于所述测量对销件之位置误差的确定要占用一定时间，而此期间中机床就不能用于加工这些叠摞的印刷电路板。另外，所述的确定工作还迫使这一机床的操作者在所述的机床正在运行的同时保持一个操作者在现场，以便能够实施在两个加工程序之间对所述误差之周期性检验以及那里必需的校正操作。
发明内容
因此本发明的主要目的是提供一个用于确定关于定位装置位置误差的方法，它能克服前面所述现有技术的缺陷，因此其与现有技术中执行的方法相比既快捷又低廉。
为此本发明涉及一用于确定前述类型之误差的方法，其特征在于所述误差的确定是通过运行所述可编程的电子装置自动地完成的。
于是，本发明方法就允许这种机床的操作者减轻了通常负责在现有技术的机床上完成检验的操作者之工作负荷并进而降低了生产成本。另外，本发明方法还允许其操作者在生产速度上节省时间，因为这是通过与用于加工印刷电路板机床相同的机床自动地完成的。
在本发明的一优选实施例中所述操作单元包括保持一如钻头工具的主轴；该方法包括步骤在于a)施加一第一电位到钻头上和一不同于第一电位值的第二电位到所述定位装置之被限定的空间体积之至少一个区域上；b)测量该钻头的电位以检测其数值的任何变化；c)移动所述主轴到离开所述区域的一距离上，以便在所述第一电位的数值上由于其与第二电位的相互作用而发生一个改变，所述距离永远地预先确定为该钻头特性和该使用电位的一个函数；d)在该第一电位数值改变的瞬间精确地测量所述主轴的位置及该钻头的位置；e)基于在步骤d)测出的该钻头的所述位置，精确计算所述定位装置的位置，并因此精确地计算出所述位置相对于所述参考位置的误差数值。
另外，在包括销件的定位装置的情况下，最好应用此前描述的步骤来确定所述销件之位置的误差。
在本发明的另一实施例中，所述销件通过一最好是矩形的工具调整样板承载并且能够布置在工件载板上，并位于设在所述载板上表面中的长形孔之上方。除了长形孔外该定位装置在此情况下包括设在所述长形孔中的机械装置并与该工具调整样板的一部分配合工作以用于将该后者(调整样板)固定在工件载板上。所述长形孔及所述机械固定装置的定位就必然地确定该销件的定位。然后将可实现的是，在假定该工具调整样板的精确尺寸为已知条件下，通过精确测量所述长形孔的位置，就能够确定定位装置相对一个已知参考位置的位置误差。在这种情况下，按照一优选实施例，所述误差是通过测量属于该长形孔周边的至少两个相邻侧边的至少三个点之位置来确定的。
另外可选择的实施例设置成应用于一包括多个操作单元的机床类型上，每个操作单元载有一用于一特定工作区域的主轴，该特定区域可以在工件载板上限界或不限界，该组的所述操作单元就允许所述载板的表面被整体覆盖。
一般地，在这样一构型方案中，该主轴参与加工该相同叠摞的印刷电路板。于是，加工时间缩短了。在此情况中就能够实施校准以便通过连续确定所述两个主轴相对于在工件载板上同一参考点的位置，从而确定所述主轴间的相对位置。如果在此情况中该定位装置包括至少两个销件，就可以执行上述的步骤a)-e)，以便通过所述主轴的第一个来实施所述销件之第一个的位置之确定，而所述销件之第二个的位置之确定通过所述第二个主轴来实施。依此，关于所述第一销件之位置的误差是应用所述第一主轴确定的，而关于所述第二销件之位置的误差则应用所述第二主轴来确定；因此执行本发明方法就节约了时间。
本发明通过参考附图而描述一实施例更好地被理解。在附图中图1是一表明用于加工印刷电路板的一加工机床之部分构件的立体简图；图2是一布置在工件载板上和形成该定位装置之部分的长形孔顶视简图，其位置误差则希望按照本发明加以确定；图3是图2所示的定位装置的顶透视简图，此处该长形孔被一载有两个定位销的工具调整样板所覆盖；以及图4是沿图3中剖示线IV-IV的一横截面透视简图，其也表示出在采用本发明方法后将要加工的一叠摞印刷电路板；具体实施方式
首先参照图1，人们可以看到一机床的实例，借助它可以实施本发明方法并且其用总体编号1来代表。机床1通常包括一基础部分2其上安置一工件载板3和一固定的台架4，其上紧固有多个操作单元5以用于驱动一切削工具6，在此情况中为一钻头。为了清楚起见，在图1中只表示了一个操作单元5，其它的用点划线表示。
当然本机床包括传统的装置以允许操作单元5相对于工件载板3移动。在该所示的实例中，工件载板3安装成可以沿着图1中箭头Y指示方向运动，操作单元5在台架4上安装成可以沿着同一图中箭头X所指示的方向运动。
因此机床1就可以借助工件载板3接纳多个由印刷电路板组成的叠摞，每个叠摞包括一摞所述要被加工的电路板和一与其钉在一起的支承板，以便通过操作单元5同时加工。每个叠摞都有其抵靠在工件载板3表面上的支承板并通过传统的装置(未示出)紧固在那里。
每个操作单元5通过一支承结构7安装在台架4上。一握持工具6此处是一钻头的机动主轴8安装成可在一纵向导引结构9上滑动以便沿着一第三方向即垂直于方向X和Y在图1中标为箭头Z的方向相对于台架4移动。操作单元5还包括一传统的侧面挤压装置10，其安装在支承结构7上并通过两个压力缸(未示出)致动以将印刷电路板挤压到工件载板3上。
这样一个机床通常包括一控制单元，其包括可编程的电子装置(未示出)并能使其操作得以控制，特别是操作单元5和机动主轴8时相对运动得以控制。由于这些是传统装置，所以在本发明中不再详细描述。
图2和3表明了工件载板3上表面11的一相同放大视图，同时使得部分的定位装置可见。所述表面11包括一长形孔12，此处为矩形，其用于通过一个载有定位销14的(一般为两个)的工具调整和定位样板13所覆盖。所述要加工的叠摞板件中设有多个孔与类似的销件配合工作，为了在加工步骤之前将所述叠摞定位在工件载板上。应用一公知的机械装置将所述样板13紧固到所述长形孔12上。一般地，矩形的工具调整样板13和通常是圆柱形的销件14摩擦地安装在其上面，使得销件14在所述样板13的任一侧面上具有相似长度的部分。以此方式在长形孔12中设置的所述机械装置作用在布置在该长形孔中的销件14的下边部分，以将工具调整样板13锁定在工件载板3上。在一公知方式中，所述机械装置包括特别的“抓爪”15，其可握持一个靠着长形孔12的一边缘16和另一个靠着其拐角17的所述两个销件的下边部分。
因此，销件14各自的位置通过长形孔12的位置和方向限定，如图3更清楚表示的那样。事实上，图3表明了图2的长形孔12通过所述的载有两个销件14的工具调整样板13覆盖并通过挤压到所述销件14的下边部分上的两个“抓爪”15靠在所述长形孔12的一部分周边16，17上保持就位。
图4表明了上述的组件横截面并具有另一叠摞18置于工件载板3上的印刷电路板。在这一附图中更清楚地显示了该摞印刷电路板18的结构情况，所述的板件通过销件14’保持在一起。
特别要注意的是，该叠摞包括一通常由纸板制成的基板19，载着所述的销件14’，并且后者具有一位于其间的距离，其可以与但不是必需与如所述工具调整样板3之销件14间的距离相同；实际上定位装置之XY平面中的位置和方向是精确已知的。因此，所述工具调整样板13用于模拟定位装置的存在，使得能够比通过使用设有销件14’的基板19更加方便地执行本发明方法。
销件14’设置在基板19中以便使其有一部分长度位于所述基板19的上方，以接纳印刷电路板的叠摞18，而且具有与布置在长形孔12中的机械锁定装置相互作用的一下边部分。在图4中还可以看出，印刷电路板叠摞18通过一任选的导入件或盖板20盖住，特别地确保该摞18板材的第一层板之保护。
本发明方法可确定在机床上用于定位要加工叠摞板材的装置的位置误差。如从前面描述看出的所述的定位装置包括配置在工件载板3上表面11中的长形孔12和通过基板19携带的销件14’。
按照前面的描述，已经知道，要加工的该叠摞板材18的位置直接依赖于销件14’的位置，其本身则依赖于长形孔12的位置。
为了确定关于这些不同定位构件的位置误差，按照本发明方法依据了现有技术中公知的技术，特别是名为“接触钻”的技术。这一技术公开在德国专利No4340249中通过引证被包括在此，使用了与本发明涉及机床相同类型的机床，并特别地允许多层印刷电路板的钻削深度精确地测出。为此目的，所述板材的不同导体层置于优选为0的不同电子电位，同时该钻头置于其不是0的不同电子电位。一测量装置例如伏特计或比较器连接到所述钻头上并因此在任何时间监测其电位或其中变化。当在钻削工步中该钻头与所述印刷电路板的导体之一接触时，它的电位因此改变，这种变化由所述的测量装置检测。这种通过钻头电位改变的幅度可以允许与钻头接触的该板材层确定。
关于机床1电子构件的细节和更具体的电子测量装置将不再更详尽地描述，因为这些本领域熟练的人员可以参看公开了这种装置的一个实例的美国专利No 4765784。
本发明方法采用了一种用于加工例如上述板材的印刷电路板的改进方法，其中只需要使用“接触钻”原理对一机床作轻微的技术改造就可实现。
事实上，此处为一钻头的工具6，它的位置可精确地监控，其还可以是用于测量在工件载板3上亦即该定位装置上我们感兴趣的各种其它元件之位置的器具。因此，按照前面的描述，所述钻头6置于一为确定值最好不是零的第一电位。该各种定位装置，被分别相应地置于与钻头电位值不同值的电子电位，优选地经过连接大地均为零。以此方式，在该钻头和所述定位装置之间的一个接触或邻近就产生一个钻头电子电位的改变，其能够通过一连接到钻头上的电子测量装置检测。
本发明方法的一第一变型实施方案被描绘在图2中。这个第一变型在于确定该长形孔12在工件载板3上的精确位置，以推断其相对一参考位置的误差。
如图3所示，当该工具调整样板在工件载板3上位于长形孔12上方就位时，位于该载板之前面的销件14通过机械装置亦即同时地沿着方向X和Y锁定在所述长形孔12的一拐角17中。在这同时，位于该工件载板之后面的销件14只承受一个侧向的锁定，亦即沿着方向X，并靠在位于与所述拐角17相同一侧的长形孔12的侧面16上。
依此将会理解，确定定位装置的位置误差同于确定所述长形孔12的所述拐角和侧面16相对于参考位置的位置误差。为了实施这一方法，所述长形孔12的周边应由一导电材料制成，以便能够置于一个不同于钻头6电位值的适当限定的电位值上并最好为零。
一旦参考位置确定了，操作者就为一控制单元编程，以便移动操作单元5，更精确地说握持钻头6的机动主轴8到达形成所述拐角17的长形孔在所述拐角的邻近处的一侧，在图2中标注的点A上。在一优选的实施例中，钻头b的电位在其数值上在钻头6和长形孔12的所述侧之间建立一电接触的瞬间经历一个改变。然而，人们也可想到使用电容或电感型相互作用模式而不是电接触。因此，所述的钻头6的电位的改变可通过该电子测量装置检测，然后基于这一测量结果精确地计算出点A的位置。
可以注意到，由于所述主轴8的惯性，所以控制机动主轴8的停止以便使其立即反应是困难的。这就是为什么以公知的方式设置了该控制装置，以便在计算所述主轴8运动速度时考虑到工具6的弹性。因此，这个速度选择为，在检测了与定位装置之一的相互作用之后，该停止距离是不大于所述工具6可能经受的且不会超过其弹性变形限界的最大变形。
在确定了该点A的位置以后，该控制单元就发送一信号到操作单元5以向前移动钻头6直至长形孔12的拐角17附近的第二侧边16，在图2标示的点B上。然后该钻头6的电位数值将在钻头6进入与点B接触的那瞬间经受另外的改变，所述的改变通过该电子测量装置再次检测到，然后该测量装置就精确地计算出点B的位置。所述点A和B相应位置的测量就允许以很高的精度确定出长形孔12的拐角17的位置并通过与相应的参考位置的比较推断出相对于所述拐角17的位置误差，这些推断和比较步骤是通过传统方式的电子装置完成的并因此将不再作任何深入地描述。
然后再次使用这些先前列举的步骤并用于确定如图2所示的点C的位置，然后以确定关于其位置的误差。
于是，点A，B和C各自位置的误差信息使得长形孔12相对于一参考位置的位置误差确定。
从前面描述中所清楚的是，因为其自动化及控制通过该控制单元实现，使得这种确定定位装置位置误差的方法是相当快捷的。于是，依据该获得的结果，机器操作者既可以使得机加工循环连续进行又不损失很多时间，又可以在需要时将定位装置的位置调节到遵循于该制造公差。本发明方法的快速度和简便就可使这种机床的操作者比现有技术的手工操作法更频繁地实施该公差检验。因此操作者就很难得到有缺陷的印刷电路板，因为叠摞的印刷电路板加工时减小其不良定位的危险。
在本发明方法的另一实施例中，一旦载有销件14的工具调整样板13置于工件载体3上时，所述方法就开始执行。这一实施例是优选的，因为销件14在一加工循环期间是布置成与销件14’十分一致。只要是销件14’是与印刷电路板的叠摞18直接接触，则销件14位置测量的精确度就取决于比前述实施例中更小的误差。
在本实施例中，操作者必须为控制单元编程以便执行下面的步骤，部分地描绘在图3中a)将一第一电位施加到钻头6上，其最好不为零和将一第二电位施加到销件14上，其不同于第一电位值并最好为零；b)用所述的电子装置测量该钻头6的电位以检测数值的任何变化；c)将钻头6移动到所述销件14的该第一个上以便通过如前述的电子测量装置借助检测钻头6电位的改变测量在其圆周上一点A’的位置；d)重复该上面的步骤以测量在所述第一销件14之圆周上至少两个另外的点B’和C’，最好是三个B’，C’和D’的位置。
e)基于在其圆周上各点的先前的测量结果精确地计算所述第一销件14的位置和因此精确地计算所述第一销件14相对一参考位置的位置误差值；f)重复a)至e)的步骤以确定在所述第二销件14圆周上至少两点E’和F’的位置，然后精确地计算所述第二销件的位置并因此精确地计算所述销件相对一第二参考位置的位置误差。
如上所述依据该获得的结果，该机床操作者就既可以使加工循环连续进行而不用损失很多时间，或者如果需要又可以调节该定位置的位置，以遵守加工公差。本发明方法的另一优选实施例更特别地设置为适合应用于那种包括多个操作单元5的类型的机床上。在这一变型中，在先前方案中描述的测量步骤稍作修改的是，该定位装置各个部件的位置是通过不同的操作单元5分别确定的。
更确切地说，在例如包括两个操作单元5加工在一相同叠摞上的机床1情况下，此前描述的测量长形孔12位置误差的方法只作稍微地修改。值得注意的，如前面指出的那样，当两个操作单元正在加工该相同的板件叠摞时，其相对位置是精确已知的而且该机加工作是在两者之间分开的，因此每个操作单元具有其自己的加工程序。因此，该定位装置通常延伸过工作站21(图2)的一大部分，定位装置的一个部件的位置通过所述两个操作单元的一个第一单元确定，而该另外的部件的位置则通过所述的第二操作单元来确定，特别在如此情况中，所述操作单元之一的移行范围对到达该定位装置组件而言不是足够的宽。
因此，该变型方案的特征首先在于，点A和B位置的确定是通过该两个操作单元5的第一个实施的，而点C位置的确定是通过该两个操作单元的第二个实施的。
本方法是与先前的一方案相类似地完成的亦即通过计算此处为长形孔的定位装置相对一预定的参考位置的位置误差来完成。
先前的描述对应于本发明的优选实施例，然而绝不应该被认为是局限于此，更具体地关于应用的工具的特性或布置在所述机床上的操作单元的数量。事实上，在这类机床中通常是具有几个操作单元位于相同的区域上，所述操作单元主轴专用于加工一叠摞的集成电路印刷电路板。当然在此情况中，本方法应独立地应用到每对操作单元。
权利要求
1.用于确定印刷电路板的定位装置(12，13，14)相对于一特别地是印刷电路板钻削加工类型的机床(1)参考位置的位置误差的方法，所述机床(1)包括用于所述电路板相对于一操作单元(5)的定位装置(12，13，14)和用于所述机床的可编程电子控制装置，其中所述误差的确定是通过采用所述的电子装置自动地实现的。
2.按权利要求1的方法，其中所述操作单元包括一载有一钻头(6)的主轴(8)，该方法包括如下步骤a)将一第一电位施加到钻头(6)上并将不同于第一电位值的第二电位施加到所述定位装置(12，13，14)的限定空间体积的至少一区域(14，16，17)上；b)测量该钻头(6)的电位以检测其数值的任何变化；c)移动所述主轴(8)到离开所述区域(14，16，17)的一距离上，以便在所述第一电位的数值中由于其与所述第二电位的相互作用而发生一个改变，所述的距离已被永远地预先确定为钻头(6)的特性和该使用的电位的一个函数；d)精确地测量所述主轴(8)的位置，然后测量在第一电位值的所述改变的瞬时测量钻头(6)的位置；e)基于在步骤(d)测出的该钻头(6)的所述位置，精确地计算所述定位装置(12，13，14)的位置并因此计算所述位置相对于所述参考位置的误差数值。
3.按权利要求2的方法，其中所述机床(1)包括一工件载板(3)，该方法的特征在于，该操作单元的所述相对运动主要发生在一平行于所述工件载板(3)的平面中，以便在所述工件载板(3)的平面中计算该定位装置(12，13，14)的位置。
4.按权利要求2或3的方法，其特征在于，在所述电位之间的所述相互作用是从包括接触、电容和电感型的相互作用的组中选出的类型。
5.按权利要求3或4的方法，其中所述定位装置包括至少两个销件(14)，本方法的特征在于，所述销件(14)的位置误差是通过执行在权利要求2中限定的步骤a)-e)来确定的。
6.按权利要求5的方法，其中所述销件(14)是圆柱形的，本方法的特征在于，所述确定所述销件(14)的位置误差的步骤包括测量在所述销件(14)之一个的圆周上至少三个点(A’，B’，C’)的位置的步骤和测量在所述销件(14)之另一个的圆周上至少两个点(E’，F’)的位置的步骤。
7.按权利要求3-6之任一的方法，其中所述的定位装置包括一个置于工件载板(3)上的长形孔(12)，其包括至少一个拐角(17)，所述限定空间体积的区域通过所述长形孔(12)的周边来限定，所述定位装置还包括一基本矩形的载有销件(14’)的基板(19)，销件(14’)定向为垂直于所述基板(19)并设成与布置在所述印刷电路板中的多个孔互相协作，所述基板(19)能够以预定的方式定位在所述工件载件(3)上位于所述长形孔(12)上方并通过一适当的机械装置(15)紧固，本方法的特征在于，所述拐角(17)的位置误差是通过执行权利要求2限定的步骤a)-e)来确定的。
8.按权利要求7的方法，其中所述的长形孔(12)是矩形的，本方法的特征在于，其包括一测量三点(A，B，C)的位置的步骤，该三个点取自于所述长形孔(12)的至少两个相邻侧边上。
9.按权利要求2-8任一项的方法，其中所述机床(1)包括至少一个载有一钻头(6)的第二主轴(8)并且其位置相对于该第一主轴是精确已知的，所述主轴之每个具有其自己的加工程序，所述定位装置(12，13，14)具有一相当大的空间体积，本方法的特征在于，该定位装置的一第一部分的位置误差是通过执行权利要求2限定的步骤a)-e)并通过所述主轴(8)的第一个来确定，以及该定位装置的一第二部分的位置的误差是通过执行权利要求2限定的步骤a)-e)并通过所述主轴(8)的第二个来确定的。
全文摘要
本文揭示了一个用于确定定位装置(12,13,14)相对于一已知参考物的位置的方法,旨在使用在一用于加工印刷电路板的机床(1)上,该类型机床特别地包括一工件载板(3)和载有一钻头(6)的至少一个主轴(8)。所述机床(1)还包括一特别包含可编程电子装置的控制单元以允许本发明方法通过移动所述机动的主轴(8)和检测在所述工具(6)和所述定位装置(12,13,14)之间的电磁或电气相互作用而自动地实施。
文档编号H05K1/02GK1379223SQ02108740
公开日2002年11月13日 申请日期2002年4月1日 优先权日2001年4月2日
发明者H·克莱 申请人:波萨卢克斯有限公司