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        PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

        2014-07-04 03:28:20王志剛吳恒玉
        電子工業(yè)專用設(shè)備 2014年9期
        關(guān)鍵詞:鉆孔機(jī)氣路壓縮空氣

        何 玲,王志剛,吳恒玉

        (1.海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院,海南 瓊海517400;2.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院,廣東深圳518060;3.深圳市大族數(shù)控科技有限公司,廣東深圳518052)

        隨著國(guó)家“十二五”規(guī)劃,強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的核心思想是經(jīng)濟(jì)發(fā)展,保護(hù)資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)一致,要把建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)作為推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要著力點(diǎn),特別關(guān)注的是各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的生態(tài)合理性,強(qiáng)調(diào)對(duì)資源、環(huán)境有利的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)應(yīng)給予鼓勵(lì)[1]。盡管氣動(dòng)技術(shù)具有高速、高效、清潔安全、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2],但是,經(jīng)空壓機(jī)壓縮后的空氣,其中水氣、塵埃、油霧等有害物質(zhì)隨同空氣一起送到空氣控制部分,這種高溫高濕的空壓氣體對(duì)氣動(dòng)部件及管路將造成嚴(yán)重?fù)p蝕和污染,甚至?xí)斐稍O(shè)備故障[3],因此必須進(jìn)行有效的過(guò)濾和凈化,以及配合氣動(dòng)控制和執(zhí)行元件的合理選擇,才能保證整個(gè)空壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,干燥系統(tǒng)節(jié)能降耗,提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行可靠性。

        印制電路板鉆孔是印制電路板生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序,印制電路板鉆孔要求速度快、效率高、精度準(zhǔn),這就要求PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)具有更高速旋轉(zhuǎn)的氣浮主軸和盡可能短的加工輔助時(shí)間,目前多數(shù)PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)采用比較多的方案是裝配200 kr/min 以上氣浮主軸,以實(shí)現(xiàn)鉆頭線速度的最大化,達(dá)到快速切削的目標(biāo);同時(shí)利用氣壓傳動(dòng)的速度快和響應(yīng)快的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)、自動(dòng)的工件夾緊,自動(dòng)換刀等輔助功能。

        1 PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路原理、系統(tǒng)組成及技術(shù)指標(biāo)

        PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)是鉆孔工序的關(guān)鍵設(shè)備,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等起著關(guān)鍵的作用。PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)要求供氣系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的氣壓和流量,否則將影響PCB 板后續(xù)制程的蝕刻、電鍍、曝光等工序。氣動(dòng)控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)不僅共同實(shí)現(xiàn)氣浮主軸的啟動(dòng)和停止,還可以實(shí)現(xiàn)PCB 工件(覆銅板)的自動(dòng)夾緊和松開(kāi)。因此PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的氣源供氣系統(tǒng)在電路板鉆孔生產(chǎn)過(guò)程中起著極其重要的作用。

        1.1 工作原理

        PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)鉆孔的一般流程是開(kāi)機(jī)- 導(dǎo)入機(jī)器鉆孔程式-打開(kāi)氣夾組件-固定好帶銷(xiāo)釘?shù)腜CB 覆銅板-關(guān)閉氣夾-設(shè)定好機(jī)器鉆孔參數(shù)-機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)取鉆針?biāo)腿胫鬏S-刀徑和刀長(zhǎng)測(cè)量-壓腳杯放下,主軸高速旋轉(zhuǎn)-Z 軸高速快進(jìn)后,工進(jìn)鉆孔-快退到快鉆設(shè)定高度一直循環(huán),直到完成鉆孔作業(yè)。在上述動(dòng)作過(guò)程中,都需要?dú)鈩?dòng)執(zhí)行元件協(xié)助完成動(dòng)作。PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的氣路系統(tǒng)與普通的氣路系統(tǒng)一致,都是由氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件組成,原理圖如圖1 所示。

        圖1 PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)鉆孔氣路圖

        1.2 PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路系統(tǒng)組成

        PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路的系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1,是由空壓機(jī)1、冷卻器2、減壓閥3(壓力設(shè)定為0.8 MPa)和儲(chǔ)氣罐4 組成的氣源裝置,經(jīng)過(guò)一級(jí)過(guò)濾5、空氣干燥機(jī)6、單向截止閥7,儲(chǔ)氣罐8、二級(jí)過(guò)濾9、三級(jí)過(guò)濾10,將過(guò)濾干凈的壓縮空氣通過(guò)減壓閥11,帶報(bào)警功能的壓力開(kāi)關(guān)12 組成的輔助元件,供氣給執(zhí)行元件——?dú)飧≈鬏S13,實(shí)現(xiàn)氣浮主軸的高速旋轉(zhuǎn);從減壓閥11,再經(jīng)過(guò)減壓閥14,給起工作臺(tái)支撐作用的氣浮墊15 供氣;二級(jí)過(guò)濾9,減壓閥16、帶報(bào)警功能的壓力開(kāi)關(guān)17、二位二通的電控電磁閥18 和二位三通的電控電磁閥19 組成氣浮夾頭打開(kāi)、關(guān)閉回路;由減壓閥、二位三通的電控電磁閥和雙作用氣缸組成的回路可以實(shí)現(xiàn)氣夾的打開(kāi)、關(guān)閉;壓腳杯的抬起、降低;吸塵閥的開(kāi)啟、關(guān)閉;刀具檢測(cè)器清潔等輔助功能。

        1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

        PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路的主要技術(shù)指標(biāo)是由氣浮主軸決定,設(shè)計(jì)壓力在0.7 MPa 以上,空氣過(guò)濾顆粒精度小于1 μm、在20 ℃條件下,含油量小于0.01 mg/m3、運(yùn)行氣壓的露點(diǎn)小于7.5 ℃。

        2 氣路關(guān)鍵元器件的選型和參數(shù)測(cè)試

        2.1 執(zhí)行元件的選型

        PCB 數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)壓腳杯氣缸的主要功能在實(shí)現(xiàn)PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)自動(dòng)換刀過(guò)程中,提起壓腳杯,配合壓腳杯壓緊工件的作用。以壓腳杯氣缸的選型為例,通過(guò)FESTO 公司的計(jì)算和選型軟件說(shuō)明氣動(dòng)執(zhí)行元件——?dú)飧椎倪x型過(guò)程,首先啟動(dòng)FESTO 的產(chǎn)品選型軟件,點(diǎn)擊“產(chǎn)品選型及計(jì)算工具”,如圖2 所示,主要步驟有系統(tǒng)參數(shù)、氣缸選擇、選型、仿真和元器件清單。點(diǎn)擊“通過(guò)ProPneu 進(jìn)行氣動(dòng)產(chǎn)品的選型”,彈出如圖3 所示對(duì)話框,選擇“雙作用氣缸”,點(diǎn)擊“繼續(xù)”,根據(jù)實(shí)際使用工況進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)輸入和仿真分析,就可以選擇合適的氣缸,如圖4、圖5 所示。

        圖2 產(chǎn)品選型及計(jì)算工具

        圖3 雙作用氣缸

        圖4 系統(tǒng)參數(shù)輸入

        圖5 系統(tǒng)仿真和參數(shù)優(yōu)化

        通過(guò)仿真結(jié)果顯示,選擇FESTO 公司的DSNU-16-25-P-A,可以滿足工作要求,同時(shí)也可以選取SMC 公司CJ2B16-25Z 的微型氣缸,如圖6所示,或者如圖7 所示的德國(guó)Rexroth 公司的ISO 6432 系列MNI-MR 的微型氣缸R(shí)988050747。

        2.2 控制元件的選型

        在PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路系統(tǒng)中,使用最多的控制元件是二位五通的先導(dǎo)式電磁閥,通過(guò)計(jì)算氣缸所需要的流量計(jì)算電磁閥流通能力,從而選定合適的通徑。流通能力過(guò)小,作為先導(dǎo)式電磁閥難以在規(guī)定的時(shí)間里打開(kāi)或關(guān)上受控的閥門(mén);流通能力過(guò)大,電磁閥或其受控閥門(mén)的動(dòng)作不一定理想,甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情,且造成選型設(shè)備上的浪費(fèi)。

        根據(jù)氣缸缸徑、行程、運(yùn)行速度及使用壓力計(jì)算出所需的耗氣量[4]。

        圖6 SMC 公司CJ2B16-25Z 的微型氣缸

        圖7 Rexroth 公司R988050747 的微型氣缸

        其中:Q 為氣缸的最大耗氣量;

        D 為缸徑;

        Vmax為氣缸的最大速度;

        P 為使用壓力。

        根據(jù)所需的耗氣量計(jì)算出的流通能力CV 值或有效流通面積S,即:

        其中:Q 為自由流量;

        P2為移動(dòng)負(fù)載所需要的壓力;

        ΔP 為壓力降。

        根據(jù)以上公式計(jì)算結(jié)果,可以選擇日本SMC 公司生產(chǎn)的SY3120-5LZD-M5 的二位5 通先導(dǎo)式電磁閥,如圖8 所示,或者德國(guó)FESTO 公司生產(chǎn)的VUVG-L10-M52-RT-M5-1P3 的二位5通先導(dǎo)式電磁閥,如圖9 所示,都可以滿足工作要求。

        2.3 主過(guò)濾系統(tǒng)的選型和參數(shù)測(cè)試

        圖8 SMC 公司SY3120-5LZD-M5 電磁閥

        圖9 FESTO 公司VUVG-L10-M52-RT-M5-1P3 電磁閥

        空氣壓縮機(jī)的選用:選擇空氣壓縮機(jī)主要以氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量為依據(jù)。各式空氣壓縮機(jī)的適用范圍根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),活塞式空氣壓縮機(jī)適用于壓力較高的中、小流量場(chǎng)合,離心式空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣均勻,適用于低壓、大流量的場(chǎng)合,螺桿式適用于低壓力的中、小流量的場(chǎng)合,葉片式空氣壓縮機(jī)適用于低、中壓力的中、小流量的場(chǎng)合[5]。

        后冷卻器安裝在空氣壓縮機(jī)的出口,它的作用是將空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫壓縮空氣由140~170 ℃降低到40~50 ℃,使壓縮空氣中的油霧和水汽達(dá)到飽和,使其大部分析出并凝結(jié)成油滴和水滴分離出來(lái),以便將其清除,達(dá)到初步凈化壓縮空氣的目的[6]。

        除油器的作用是分離壓縮空氣中凝聚的灰塵、水分和油分等雜質(zhì)。

        貯氣罐的作用是消除排氣壓力波動(dòng),保證輸出氣流的穩(wěn)定性;當(dāng)空壓機(jī)發(fā)生意外事故如突然停電時(shí),貯氣罐的壓縮空氣可作為應(yīng)急動(dòng)力源使用。

        過(guò)濾器是保持工作介質(zhì)清潔,使系統(tǒng)正常工作所不可缺少的輔助元件。過(guò)濾器的選擇主要有三個(gè)指標(biāo),即過(guò)濾精度(過(guò)濾效率)、額定流量、壓力損耗和能耗[7];

        空氣干燥器的作用是吸收和排除壓縮空氣中的水分、油分和雜質(zhì)。常用的是冷凍法和吸附法。冷凍式干燥器是使壓縮空氣冷卻到一定的露點(diǎn)溫度,析出空氣中的水分。吸附式干燥器主要是利用具有吸附性能的吸附劑(如硅膠、活性氧化鋁、焦碳、分子篩等物質(zhì))表面能夠吸附水分的特性來(lái)清除水分的,從而達(dá)到干燥、過(guò)濾的目的[8]。

        氣浮主軸是PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的關(guān)鍵零部件,氣浮主軸由于沒(méi)有機(jī)械接觸,磨損程度降到了最低,從而確保精度始終保持穩(wěn)定,能夠在軸向和徑向同時(shí)獲得小于0.1 μm 的旋轉(zhuǎn)精確性,提供極高的徑向和軸向旋轉(zhuǎn)精度。根據(jù)我們公司選用英國(guó)WESTWIND 公司生產(chǎn)的WW-1822 氣浮主軸要求,空氣過(guò)濾顆粒精度小于1 μm、在20 ℃條件下,含油量小于0.01 mg/m3、運(yùn)行氣壓的露點(diǎn)小于7.5 ℃,在0.56 MPa 壓力下,流量不小于75 L/min,如果空氣溫度過(guò)高或過(guò)低、含油或含水過(guò)多、空氣流量不足、過(guò)濾器過(guò)濾顆粒能力不足、空氣壓力過(guò)高或過(guò)低,超出標(biāo)準(zhǔn)、空氣壓力不穩(wěn)定,波動(dòng)范圍大,都有可能導(dǎo)致主軸嚴(yán)重故障。根據(jù)ISO8573.1:2001 壓縮空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),要達(dá)到空氣過(guò)濾顆粒精度小于1 μm,含油量小于0.01 mg/m3,屬于1 級(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9]。

        參考日本SMC 推薦三級(jí)空氣過(guò)濾裝置,綜合考慮選用日本SMC 公司生產(chǎn)的AFF8C-04D-T 的主管路過(guò)濾器(以級(jí)過(guò)濾)配合IDFA11E-23 的空氣干燥機(jī)和AM350C-04D-T 油霧分離器以及AME350C-04 的超微霧分離器,第一級(jí)的過(guò)濾精度為3 μm,去除率為99%;第二級(jí)的過(guò)濾精度為0.3 μm,去除率為99%,出口油霧濃度最多1.0 mg/m3;第三級(jí)的過(guò)濾精度為0.01 μm,去除率為99.9%,出口油霧濃度最多0.01 mg/m3;能夠滿足流量和過(guò)濾精度的要求,具體配置如圖10 所示。

        圖10 推薦配置SMC 品牌主路過(guò)濾系統(tǒng)配置圖

        基于成本的考量,亦可選用美國(guó)PARKER 公司旗下Domnick hunter 生產(chǎn)AO-025DBFX 的DH預(yù)過(guò)濾器配合SPL030 的冷凍式干燥機(jī)和AA-025DBFX 級(jí) DH 精密過(guò)濾器以及兩個(gè)ACS-015DBFX 級(jí)油蒸汽去除過(guò)濾器,第一級(jí)的過(guò)濾精度為1 μm,出口油霧濃度最多0.6 mg/m3,去除率為99.925%;第二級(jí)的過(guò)濾精度為0.01 μm,去除率為99.999%,出口油霧濃度最多0.01 mg/m3;第三級(jí)的過(guò)濾精度為0.01 μm,出口油霧濃度最多0.003 mg/m3,去除率為99.9999%;如圖11 所示,這樣就可以一套空氣過(guò)濾系統(tǒng)配置兩臺(tái)PCB 數(shù)控鉆孔機(jī),實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本的目的。

        圖11 美國(guó)PARKER 推薦的主路過(guò)濾系統(tǒng)配置圖

        圖12 DRYCAP?手持式露點(diǎn)儀DM70

        圖13 PF2A703-10-28 的流量開(kāi)關(guān)

        圖14 粒子計(jì)數(shù)器

        隆力集團(tuán)的HITACHI 機(jī)械鉆孔機(jī)就是選用SMC 公司的AFF22C-10D-T 主路過(guò)濾器和IDFA22E-23 空氣干燥機(jī),以及AM550C-06D-T 油霧分離器以及AME350C-04 超微霧分離器,基于成本考量,實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器配置一套空氣過(guò)濾系統(tǒng)。

        通過(guò)維薩拉DRYCAP?手持式露點(diǎn)儀DM70在冷凍式干燥機(jī)的出口實(shí)際測(cè)試運(yùn)行氣壓的露點(diǎn)為6.5 ℃,如圖12 所示,用SMC 公司生產(chǎn)PF2A703-10-28 的流量開(kāi)關(guān)測(cè)量空氣流量為970 L/min,如圖13 所示,用粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量高于1 μm 的小于100 個(gè),如圖14 所示,滿足六軸PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

        4 結(jié) 論

        針對(duì)PCB 數(shù)孔鉆孔機(jī)的氣體系統(tǒng)經(jīng)過(guò)理論分析與設(shè)計(jì),尤其是對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵元件選型作比較詳細(xì)分析和計(jì)算,經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試和長(zhǎng)期進(jìn)行,結(jié)果表明該氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠,在規(guī)定的條件下能夠完成預(yù)定的功能,安全可靠的運(yùn)行。

        [1] 陳啟復(fù). 對(duì)我國(guó)氣動(dòng)工業(yè)現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展的思考[J].液壓氣動(dòng)與密封,2012(1):16-22.

        [2] 姜繼海,宋錦春,高常識(shí).液壓與氣壓傳動(dòng)[M]. 北京:高等教育出版社,2002.

        [3] 劉金奎,吳永杰,馮媛媛. 氣路設(shè)計(jì)在面粉廠中的應(yīng)用. 工藝設(shè)備,2001(6):15-17.

        [4] Holger Korber,王榮桂,顧泓.減少壓縮空氣中的含油量[DB/OL]. http://mw.vogel.com.cn/news_view.htmlid=233405,2011-10-25.

        [5] 吳振順.氣壓傳動(dòng)與控制(第2 版)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2011.30-40.

        [6] 吳博.氣壓傳動(dòng)原理及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.20-30.

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        [8] 路甬祥.液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.156-168.

        [9] ISO 8573-1,壓縮空氣-第1 部分,污染物和清潔度等級(jí)[S].

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