毕业设计（论文）-PCB钻孔机主轴移动路径的研究.doc

1 引言电子工业的飞速发展对印制电路板制造业要求越来越高，随着电子产品朝“短、小、轻、薄”的趋势发展，印制电路板层数越来越多，孔密度增加而且直径细小，一块电路板往往孔数高达数千乃至上万个，孔径从0.052.0mm不等。这就使得孔金属化技术越来越重要，只有控制好了这一步才能实现多层高密度和细小孔径的要求并保证质量。钻孔是利用各种钻孔机器在印制电路板上钻出所需的不同密度、不同直径的导通孔，是孔金属化的关键步骤之一，是整个印制电路板生产过程中的一道关键工序。钻孔加工所占用生产时间最长，其加工工艺和制造装备水平的高低将直接影响PCB的质量、性能、成本。数控钻孔是在电脑的控制下利用不同直径的钻头按照相应的工艺参数（转速、进刀速度）在印制电路板上得到所需的导通孔。PCB数控钻机以数控技术为基础，通过X、Y、Z三个坐标的协调运动，控制X、Y轴快速准确地运动到钻孔位置，由Z轴执行机构进行钻孔操作，实现精密钻孔加工。目前一般常见六轴钻孔机，主要的机种以1620万转为设计基准，当然对于特殊的小孔要求，目前已经有30与35万转的规格出现。这些速度进步的动力，主要还是来自于小孔的作业要求。目前PCB数控钻孔机钻孔是执行钻孔文件的程序代码，程序代码确定了钻孔顺序和钻孔位置坐标，钻完一个孔后钻孔机根据下一个孔的坐标沿X轴、Y轴移动主轴。优化钻孔程序代码就可以使主轴移动路径优化，从而减少主轴重复移动距离，进而减少主轴总移动距离，节约时间，提高生产效率。本文以大量数控科技有限公司生产的六轴PCB数控钻孔机（TL-DG6H210L）为研究对象，研究主轴移动路径的决定性因素，对目前钻孔机主轴移动路径进行说明，发现主轴移动过程中存在大量的重复路径，从而提出自己的优化设想，进而计算优化后理论节省时间和理论上增加的产值。2 程序和模拟图PCB钻孔机操作软件界面如图1所示。用操作软件打开四层板（04da7677a1）对应的钻孔文件后显示的程序代码和模拟（模拟是在计算机上对钻孔的过程虚拟进行一遍，模拟图样和将要钻在铜板上的图样是一致的。在铜板上钻的每一个孔，在模拟图有且只有一个点与其对应。）后显示的钻孔图样如下图2 所示。图1 TL-DG操作软件界面图2 程序与模拟图图2 左边为读取钻孔文件后显示的程序；右边为模拟后显示的图像，称其为模拟图。下面将说明图2 右边2.1程序在上图左边的程序图中：第3行T01：主轴拿第一把刀，第一把刀刀径为3.153；第4行X46647Y598445：主轴沿X轴、Y轴移动到坐标（46647，598445）处；第5行X00153：主轴沿X轴移动到坐标（00153，598445）；第六行Y001555：主轴沿Y轴移动到坐标（00153,001555）；（根据上述坐标点可以建立程序坐标系，将在下节介绍。）由此可知程序中第5行应该为：X00153Y598445，程序省略Y598445，因为第5行是在Y坐标不变的情况下移动主轴；同样第6行应该为：X00153Y001555，程序省略了X00153。程序中第3行至第7行表示主轴拿上第一把刀径为3.153的刀后，先后钻完该刀号所需要钻的四个孔。接下来第8行表示主轴将刀换为第二把刀，然后依次钻完第二把刀所需要钻的所有孔，然后换上第三把刀，钻完第三把刀所需要钻的所有孔，直到所有孔钻完。2.2模拟图从上图右边模拟图中可以看到：【（-234.470，-0.445） T1 版次：0 单节：6 孔数 3 刀径：3.153】其中参数代表如下；【（-234.470，-0.445）】: 红点处所钻孔对应的模拟坐标（模拟坐标系将在下节介绍）；【 T1 】：主轴拿的第一把刀；【 单节：6 】: 机器执行程序第六行Y001555；【孔数：3 】: 实际钻的第三个孔；【刀径：3.153】: 用刀径为3.153的钻咀。钻孔机拿的第一把刀径为3.153的刀，该刀号总共钻4个孔。模拟图中红点处的孔是整个钻孔过程中钻的第3个孔，也是刀径为3.153的刀号所钻的第三个孔。综上可知：程序执行顺序即模拟钻孔顺序，也就是在钻孔机在铜板上钻孔的顺序。模拟图上红点处的点与程序第6行对应，两个图联系的纽带是模拟图中显示的【单节：6】。3模拟坐标和程序坐标3.1模拟坐标系从图2可知，模拟图上每个点都有一个坐标，模拟图必然在一个坐标系内，我将该坐标系称之为模拟坐标系。如图3上边四幅小图所示，在模拟图四个角落各取一点，得其坐标如图3下边所示，根据图3 ，在模拟图上绘出模拟坐标系如下图4所示。铜板上钻的每一个孔在模拟坐标上有且只有一个坐标与之对应。模拟坐标系单位为。图3模拟图四个角落取点和对应点坐标图4模拟图坐标系示意图3.2程序坐标系图5 程序代码截图和程序坐标系示意图机器读取钻孔文件后，程序代码显示如图5 左边所示。程序代码大多以坐标形式体现，根据坐标X、Y数值大小建立一个抽象的程式坐标系如图4 右边所示：铜板垂直的两条边为X轴、Y轴，原点在铜板左下角的第一象限坐标系，每行程序在程序坐标系中有且只有一个点与之对应。3.3模拟坐标和程序坐标的关系从上边的叙述中，隐约可以感觉到模拟坐标和程序坐标有一一对应关系，一行程序对应一个模拟坐标点，对应铜板上一个孔。感觉是需要数据验证的，我在模拟坐标中取十个点，然后找出其对应的程序坐标，在各自坐标系中分别计算其相对应两点之间的距离，再比较距离之间的关系，得出结论。从模拟图上分别选取17、38、39、40、41、42、43、44、45、46十个点，在模拟图中截出其对应的模拟坐标。根据模拟坐标上的单节数，即程序行数，在程序上截出对应的程序坐标，如下图6 所示。图6 程序坐标和模拟坐标截图根据上图，令程序坐标为（X,Y），模拟坐标为（x，y）。已知，模拟坐标单位，设程序坐标单位为，将上述坐标处理如下：轴坐标孔数x（mm）y（mm）X(um)Y(um)X(mm)Y(mm)38-10.841271.693225159273693225.159273.69339-10.015271.718225985273718225.985273.71840-9.614272.869226386274869226.386274.86941-10.066273.845225934275845225.934275.84542-10.066276.096225934278096225.934278.09643-10.864278.044225136280044225.136280.04444-11.492278.7222450828072224.50828.07245-13.291277.295222709279295222.709279.29517-225.11714.708108831670810.88316.708表1 同一点对应的模拟坐标和程序坐标根据上表，计算表格中下一点与上一点的横、纵坐标差，结果如下表所示。坐标差结果点点点x2-x1(mm)y2-y1(mm)X2-X1(mm)Y2-Y1(mm)X2-X1(um)Y2-Y1(um)38-390.8260.0250.8260.0258262539-400.4011.1510.4011.151401115140-41-0.4520.976-0.4520.976-45297641-4202.25102.2510225142-43-0.7981.948-0.7981.948-798194843-44-0.6280.676-0.628-251.972-628-25197244-45-1.799-1.425-1.799251.223-179925122345-17-211.826-262.587-211.826-262.587-211826-262587表2 两点间模拟坐标和程序坐标横、纵坐标差根据两点距离公式： ，计算相邻两点间距离，模拟坐标两点之间距离用L表示，程序坐标两点之间距离用S表示，结果如下表所示：两点距离结果点点L(mm)S(mm)S(um)38-390.8263780.826378826.378239-401.2188531.2188531218.85340-411.0755841.0755841075.58441-422.2512.251225142-432.1051152.1051152105.11543-440.922692251.9728251972.844-452.295251.2294251229.445-17337.3754337.3754337375.4表3模拟坐标和程序坐标中对应两点距离表从表3 可以看出：S=1000 S= 1000 L。综上得出：模拟坐标单位为：；程序坐标单位为：。程序坐标中点与点之间的距离和模拟坐标中对应点与点之间的距离在统一单位后是相等的，即一个程序坐标有且只有一个模拟坐标与之对应。4主轴移动趋势本节以四层板（04da7677a1）为例，说明目前主轴在铜板上移动的大致趋势。铜板上钻的每个孔在模拟图上有且只有一个点与之对应，在模拟图上取点，可以直接读出该点的【单节数】（程序坐标所在行数），也就是整个钻孔过程中钻该孔的次序。如下图7所示，在模拟图上任意取点，将其【单节数】（程序坐标所在行数）标在所取点旁边，然后从小到大用箭头连接，画出主轴大致移动路径趋势图。图7 主轴移动路径趋势图上图中37号点是该刀号的起点，46357号点接近该刀号结束点，其余点为钻孔中间点，根据箭头方向可以确定主轴大致移动趋势。37236821明显有重复，236点上边是4323点，37右下不远处是46357，2240点旁边是30204点从中可以看出主轴移动路径有重复。5重复路径与优化设想5.1重复路径第三节中主轴大致移动路径有重复，那么具体是怎样重复的呢？根据程序在模拟图上取连续的十五个点，用箭头标出路径的移动方向，说明这个问题。以主轴抓取第五把刀后执行程序代码第37行至第51行说明。图8 第37行至第51行程序坐标截图下图为钻孔机执行第37行至第51行程序代码后，每一行代码在对应的模拟图上孔位置截图。图9 第37行至第51行程序代码对应模拟图钻孔位置截图将上图中37至51十五个点在同一图中表示,在点旁边表上该点的【单节数】，用箭头从小到大连接起来，箭头所示路径即为钻孔主轴移动路径，如下图10所示。图10 第37行至第51行程式代码对应主轴移动路径从上图可以看出，从454647484950主轴移动路径就有重复；在钻完42孔、45孔、46孔、48孔、50孔后，都不是选择距离它最近的孔，可见主轴工作移动路径完全可以优化。5.2优化设想与增产估算5.2.1优化设想工程排版，钻孔文件生成后，钻孔程序坐标（包括坐标点和坐标排列次序）确定，即铜板上所有孔的钻孔位置和钻孔顺序在程序上确定。当钻孔机调出钻孔文件，模拟（将钻孔过成在计算机上执行一遍）之后，所有孔的钻孔位置在模拟坐标上确定，钻孔次序依照程序坐标顺序执行。每个孔对应的坐标确定，钻孔顺序确定，主移动路径也就确定。要改变主轴移动路径，只有改变程序代码的排列顺序。个人认为可以在生成钻孔文件后将钻孔文件额外处理，在不打乱任何一个坐标点、不丢失任何坐标点的情况下，将程序坐标点代码重新排列，在数控钻机读取文件后直接执行优化后的程序代码。5.2.2优化后节省时间估算下图11为四层板（04da7677a1）排版式样和个刀号钻孔数钻孔时间统计表截图；图12为大量数控科技有限公司生产的六轴PCB数控钻孔机（TL-DG6H210L）参数表截图。图11 四层板排版式样和时间统计表图图12钻机参数表截图从上图11可知道T05钻孔数为：46329；XY时间为：34：30.从上图12可以知道钻孔机XY轴移动速度：那么钻孔机钻46329XY轴移动总距离：根据图10 第37至51共15个孔的主轴移动路径，完全可以按照图13（45515049464847）的路径，不重复47484950这三段路径，或许可以顺便把758、671、669三个孔钻完。图13 设想优化后路径假设按照45515049464847路径能节省主轴移动距离，在50旁边有671次孔，在46旁边有669次孔，在42旁边有758次孔。根据XY轴移动总距离，我大胆假设优化后每钻15个孔能节省路径，那么46329（T05）个孔可以节省主轴移动路径：6轴大量钻机XY轴速度：那么在此节（T05）钻孔过程中XY轴移动可节省时间：5.2.3优化后增加产值估算下面以六轴钻孔机六轴全开，板厚1.0，5块一叠，只钻0.3孔为例，不计上下板和机器故障排除时间，对优化前和优化后的产值进行对比。由图11可知，优化前钻46329个0.3的孔用时292.33（min）。优化后用时：；一次能钻板数：5*6=30（块）；一台钻孔机一天钻孔数：*30（个）；查钻孔单价表知：板厚1.0， 0.3孔每个0.72元；产值=（孔数*0.72）/1000*1.2（元）；XY时间(min)一天钻孔数（个）一天产值(元)增产（元）优化前292.3368464165915.3032.084942优化后292.2276848829.25917.388表4 优化前后产值对比表由上表可知，一台机器一天可以增产20.92元， 10台、50台、70台、100台机器增产如下表：时间增产台数一天一个月三个月1台2.084942（元）62.54826（元）187.6448（元）10台20.84942（元）625.4826（元）1876.448（元）50台104.2471（元）3127.413（元）9382.239（元）70台145.9459（元）4378.3782（元）13135.13（元）100台208.4942（元）6254.826（元）18764.48（元）表5 优化后增产一览表综上所述：主轴优化能带来一定的经济效益。现在HDI板尺寸在620518mm左右，大部分