宋月賢，王 冰，王成勇（.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 50006；.南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 004）

印刷電路板高速數(shù)控鉆床設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法的探討

宋月賢1，王 冰2，王成勇1
（1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006；2.南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014）

印刷電路板高速數(shù)控鉆床作為一種超精密機(jī)械設(shè)備，有著特殊的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法。探討了其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)原則主要包括高精度，高速度，高剛度，高可靠性，高加工效率等原則；設(shè)計(jì)方法主要包括需求功能分析，整體布局的確定，設(shè)計(jì)方案的確定，整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定。

印刷電路板；高速數(shù)控鉆床；設(shè)計(jì)原則；設(shè)計(jì)方法

0 引言

目前，由于多層高密度印刷電路板的發(fā)展和無鉛無鹵等環(huán)保印刷電路板的不斷推出，使需要機(jī)械加工直徑小于0.2 mm的印刷電路板超微細(xì)孔數(shù)量急劇增加，孔加工的質(zhì)量要求也高到了新的水平[1]。隨著鉆頭直徑越來越小，單位面積內(nèi)的鉆孔數(shù)量激增，鉆孔的位置精度、孔壁質(zhì)量要求顯著提升[2-3]；同時(shí)電子系統(tǒng)對(duì)PCB的要求是高密度、高集成、封裝化、微細(xì)化、多層化，以高密度互連板（HDI）、柔性板（FPC）、IC封裝板（BGA、CSP）等PCB品種將成為主要增長點(diǎn)，因此多層高密度印刷電路板超微孔的鉆削精度提升決定印刷電路板數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)水平也要隨之提升[4]。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)首先要確定其設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，從而為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出具有高的鉆孔水平的設(shè)備奠定基礎(chǔ)。但是目前此種設(shè)備的設(shè)計(jì)多采用經(jīng)驗(yàn)法，尤其是對(duì)設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法的研究更沒有相關(guān)報(bào)道。本文首次探討了印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法。

1 印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)原則

印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)過程除了遵循一般設(shè)計(jì)原則外，作為超精密機(jī)械設(shè)備，它的設(shè)計(jì)原則又有其特殊性。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)，精度和速度是其出發(fā)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中所使用的一切手段，其最終目的都要為設(shè)備的精度和速度服務(wù)。其設(shè)計(jì)要充分考慮印刷電路板鉆孔的具體特點(diǎn)和要求。為了最大限度的保證所設(shè)計(jì)的印刷電路板高速數(shù)控鉆床的精度，整個(gè)設(shè)計(jì)過程應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則。

1.1高精度原則

印刷電路板上的孔徑越來越小、孔的密度越來越高，這對(duì)孔的位置精度要求越來越高，決定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床必須有較高的定位精度和重復(fù)定位精度[5-6]。

1.2 高速度原則

印刷電路板高速數(shù)控鉆床在鉆削電路板時(shí)，工作臺(tái)的行程一般只有幾百毫米，在很高的進(jìn)給速度條件下，只有在瞬間達(dá)到高速和在高速行程中瞬間準(zhǔn)停，才能滿足電路板孔多而密的加工要求，高速和高精條件下的微細(xì)孔及深孔加工時(shí)PCB數(shù)控鉆床發(fā)展的目標(biāo)[7]。

1.3 高剛度原則

PCB鉆孔加工的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)系移動(dòng)行程很短、起停非常頻繁，造成高速準(zhǔn)確定位非常困難，其中加速度對(duì)運(yùn)動(dòng)系的動(dòng)態(tài)特性影響最明顯。為此，應(yīng)該適當(dāng)?shù)募哟笥∷㈦娐钒鍞?shù)控鉆床靜態(tài)物體的質(zhì)量，減小移動(dòng)部件的質(zhì)量來提高剛度。

1.4 高可靠性原則

印刷電路板高速數(shù)控鉆床的Z軸頻繁的連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從控制角度而言只是點(diǎn)位控制，沒有準(zhǔn)確的輪廓控制。由于印刷電路板的孔距小、孔密度高，這決定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床的運(yùn)動(dòng)距離短，而定位速度要求高。鉆孔的高頻率、高加減速度和24小時(shí)開機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等要求控制系統(tǒng)具有高速的處理能力和高加減速處理方法、較高的可靠性[8]。

1.5 高加工效率原則

由于多層高密度印刷電路板的孔密度已達(dá)1 600個(gè)/cm2以上，電子產(chǎn)品的開發(fā)周期也向短期化方向發(fā)展，PCB的交貨期進(jìn)一步縮短，在同樣滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何縮短產(chǎn)品的交貨期是提高市場競爭力的重要因素。而鉆孔作為PCB制程中的重要一環(huán)，其鉆孔速度直接影響著產(chǎn)品的開發(fā)周期，這就決定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床必須要有較高的加工效率。

2 印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)方法

確定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)原則以后，就要根據(jù)這些原則來確定設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)原則的特殊性也決定了設(shè)計(jì)方法有其特殊性。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)方法主要有以下幾個(gè)方面。

2.1 需求功能分析

印刷電路板高速數(shù)控鉆床是具有國際先進(jìn)水平，用于高速鉆削印刷電路板的鉆孔設(shè)備。首先要考慮到設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，確定印刷電路板高速數(shù)控鉆床的功能。一般有以下幾項(xiàng)需求功能。

（1）因?yàn)榇嗽O(shè)備是用于印刷電路板微小孔的加工，所以需要確定鉆孔直徑的范圍。

（2）為了滿足鉆孔加工，印刷電路板鉆孔機(jī)床需要滿足以下幾個(gè)運(yùn)動(dòng)：第一，相互垂直的XY兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)XY的定位；第二，垂直于XY平面的Z方向的直線運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)鉆孔過程；第三，鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)切削的主運(yùn)動(dòng)；第四，鉆孔的輔助運(yùn)動(dòng)，包括換刀運(yùn)動(dòng)、刀具檢測運(yùn)動(dòng)等。具體過程如下：鉆孔時(shí)，印刷電路板高速數(shù)控鉆床首先通過數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行文件處理，即將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為該機(jī)床系統(tǒng)能夠接收的數(shù)據(jù)格式，并對(duì)之進(jìn)行編輯、優(yōu)化，直至成為正式的加工文件。然后通過數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送鉆孔命令，進(jìn)行鉆孔。鉆孔過程較為簡單，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)XY軸到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，Z向下鉆機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下鉆動(dòng)作。鉆孔過程中還要進(jìn)行自動(dòng)換刀和刀具檢測等鉆孔輔助運(yùn)動(dòng)，這一運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，要經(jīng)過以下過程：第N-1庫區(qū)鉆孔完畢-開始換刀-Z軸回零-機(jī)械手抓刀(刀庫)-機(jī)械手放刀(刀盤1)-主軸放刀(刀盤2)-刀具偵測-機(jī)械手抓刀(刀盤2)-機(jī)械手放刀(刀庫)-主軸抓刀(刀盤1)-主軸對(duì)刀-換刀完畢-第N庫區(qū)鉆孔開始。

（3）為了提高鉆孔精度，確定三軸是否安裝高精度的光柵尺以實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制，用于控制每次的進(jìn)給量為預(yù)先設(shè)定值。

（4）在印刷電路板鉆削過程中，由于鉆頭與工件的相互作用會(huì)產(chǎn)生軸向力和扭矩，力的大小與鉆削參數(shù)密切相關(guān)，直接影響鉆頭壽命、孔壁質(zhì)量等，嚴(yán)重的會(huì)造成加工中鉆頭和工件的報(bào)廢，因此根據(jù)鉆削過程中受力的大小來優(yōu)化鉆削加工參數(shù)，對(duì)于印刷電路板的鉆孔加工具有重要的意義，所以需要確定所設(shè)計(jì)的鉆床是否可以測力。若需要此種功能，則加高立柱和加大Z軸行程來實(shí)現(xiàn)。

（5）為了能夠滿足不同孔徑的加工和擴(kuò)充鉆床的使用范圍，要便于快速更換主軸，而不是主軸固定后就不再更換或者很難更換，所以還要求鉆床具有能夠快速更換主軸的功能。

（6）印刷電路板高速數(shù)控鉆床對(duì)微小孔的能力要求很苛刻，特別是在加工雙面板、多層板、電腦芯片等小型化、柔性化產(chǎn)品時(shí)，要求最小鉆孔直徑在0.1 mm甚至更小，鉆頭極易折斷和磨損。鉆孔過程中一旦出現(xiàn)斷針，可以立即采取停機(jī)等措施，并且進(jìn)行故障報(bào)警，提示斷針?biāo)幬恢?，這樣便可以防止造成更大的浪費(fèi)。因此鉆床還應(yīng)具有斷針檢測功能。

（7）印刷電路板高速數(shù)控鉆床在鉆孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由于人為疏忽因素導(dǎo)致抓取錯(cuò)誤直徑的鉆頭，造成加工瑕疵品或者報(bào)廢品；另外還會(huì)由于鉆頭的過度磨損，造成鉆頭直徑和長度的減小，進(jìn)而造成鉆孔質(zhì)量下降等。所以印刷電路板高速數(shù)控鉆床應(yīng)該具有刀長刀長檢測功能，對(duì)鉆頭進(jìn)行及時(shí)檢測，并且可以通過加工軟件檢錯(cuò)處理的措施，實(shí)現(xiàn)先前準(zhǔn)備刀具需要與加工軟件所設(shè)定的尺寸相符才能進(jìn)行加工作業(yè)。

（8）印刷電路板上有大小不同的孔，這決定了加工前需要配備大量的鉆頭，有時(shí)多達(dá)幾百支。加工過程中，為了提高效率，機(jī)器要具有自動(dòng)更換鉆頭的功能。

（9）為了降低振動(dòng)對(duì)機(jī)器的影響、提高鉆孔機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能、減小慣性力和提高鉆床的剛度，在進(jìn)行鉆床設(shè)計(jì)時(shí)，要合理規(guī)劃鉆孔機(jī)的動(dòng)靜質(zhì)量分配，這就要求加大運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、減小移動(dòng)部件質(zhì)量和使機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量簡單。

2.2 整體布局的確定

在滿足印刷電路板數(shù)控鉆床功能和需求的前提下，再進(jìn)行整體布局時(shí)，還要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）Z軸頻繁的往復(fù)運(yùn)動(dòng)（400次/分鐘以上）、XY定位速度高且間斷工作，PCB板的孔距比較小、運(yùn)動(dòng)距離短、XY軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間還可與鉆頭離開PCB的快進(jìn)快退時(shí)間重合，這直接決定了鉆床布局時(shí)要考慮質(zhì)量的分配問題。

表1 方案比較

（2）PCB板的尺寸和形狀直接決定工作臺(tái)的尺寸與導(dǎo)軌的布局。例如加工的PCB板尺寸越長，要求工作臺(tái)同一方向的尺寸就越大，連接工作臺(tái)的滑板、滑塊以及兩導(dǎo)軌間的跨距也就越大。因此PCB的尺寸和形狀也是直接影響鉆床布局的決定性因素。

（3）要考慮便于觀察加工過程、便于操作、調(diào)整和維修，便于裝卸PCB板材。

（4）應(yīng)該盡可能做到體積小、降低制造成本、縮小占地面積、外型美觀大方。

整體布局有兩種方案，第一種布局方案是，鉆床Z軸系統(tǒng)做橫向和上下移動(dòng)，立柱做縱向移動(dòng)。由于工件不動(dòng)，承載能力好，適合加工較重的工件。但是由于立柱移動(dòng)較為笨重，所以運(yùn)動(dòng)精度較難保證。第二種布局方案是立柱固定，鉆床Z軸系統(tǒng)做橫向和上下移動(dòng)，工作臺(tái)做縱向移動(dòng)。雖然承載能力較第一種方案差，但是所承載的PCB板材較輕，布局所需要的電機(jī)的功率的傳動(dòng)件的尺寸較小，移動(dòng)較為輕便，所以第二種方案中鉆床的精度容易保證。

經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求及影響布局的基本因素，印刷電路板高速數(shù)控鉆床采用第二種布局方案較好，即采用工作臺(tái)移動(dòng)定梁式龍門結(jié)構(gòu)。

2.3 設(shè)計(jì)方案的確定

印刷電路板高速數(shù)控鉆床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案包括全線性方案（XYZ三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)均用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)）、非線性方案（XYZ三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)均采用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)）、Z向線性方案（XY方向運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、僅Z方向運(yùn)動(dòng)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)）、XY線性方案（XY方向運(yùn)動(dòng)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、僅Z方向運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)）方案。確定設(shè)計(jì)方案時(shí)，可以通過比較四種方案，衡量設(shè)計(jì)成本，結(jié)合前文所述設(shè)計(jì)原則、需求功能分析和整體布局的確定，確定哪種方案具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

2.4 整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定

最后確定鉆床整體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。印刷電路板高速數(shù)控鉆床由Z軸系統(tǒng)、機(jī)身、XY方向傳動(dòng)系統(tǒng)、Z向傳動(dòng)系統(tǒng)及工作臺(tái)等部分組成；通過以上分析可以確定外型尺寸，工作行程，XY軸最大移動(dòng)速度，Z軸最大進(jìn)給速度，XYZ三軸加速度，定位精度，重復(fù)定位精度，鉆孔孔位精度等參數(shù)。

3 結(jié)論

印刷電路板高速數(shù)控鉆床在設(shè)計(jì)之前首先要考慮高精度，高速度，高剛度，高可靠性，高加工效率等設(shè)計(jì)原則；在確定設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，還要確定合理的設(shè)計(jì)方法，主要包括需求功能分析，整體布局的確定，設(shè)計(jì)方案的確定，整體結(jié)構(gòu)和參數(shù)的確定等。

（1）工作臺(tái)移動(dòng)定梁式龍門結(jié)構(gòu)相對(duì)其他整體布局方案更適用于PCB高速鉆床。

（2）在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)者要根據(jù)設(shè)計(jì)成本，結(jié)合PCB高速數(shù)控鉆床的設(shè)計(jì)原則、需求功能分析和整體布局來確定哪種方案具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

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Study of Principles and Methods of High Speed PCB NC Drilling Machine Design

SONG Yue-xian1，WANG Bing2，WANG Cheng-yong1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China；2.Nanjing Agricultural Machinery Research Institute，Nanjing210014，China）

High speed printed circuit board NC drilling machine is a kind of ultra precision mechanical equipment,has special design principles and methods.Design principles and methods were discussed for the first time in this paper，and advantages and disadvantages of different structures and motion scheme were compared.The design principles of high speed PCB NC drilling machine mainly consist of high accuracy,high speed,high rigidity,high reliability,high processing efficiency;design methods mainly include the demand function analysis,determination of the overall layout,determination of design scheme and the whole structure and parameter.

printed circuit board；high speed CNC drilling machine；design principle；design method

TG527

A

1009－9492(2014)05－0036－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.008

宋月賢，女，1961年生，江蘇人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：高速加工與微細(xì)加工。

(編輯：阮 毅)

2014－02－27