（机械设计及理论专业论文）电路板雕刻机的软件开发.pdf

摘要 摘要 电路板在电子电路和i t 产业内应用广泛，因此对它的制造方法与制造工艺的研究是一项 很有意义的课题。目前随着环境的恶化，人们对环境保护的意识越来越强，所以需要提出一 种没有化学危害的新的制板方法。本文在比较了各种p c b 板的制作方法后，对既能减少污染， 又能保证加工精度与效率的基于物理雕刻的电路板雕刻机系统进行了基础性的研究。 本文在分析了目前p c b 设计软件输出的文件格式的基础上，设计了专门的算法并选用了 合适的数据结构来读取并储存p c b 设计软件生成的g e r b e r 文件中保存的电路板图形信息。 研究了在读取的g e r b e r 文件中的电路板图形信息的基础上生成电路板中导线和焊盘轮廓线的 方法，同时实现了轮廓线与轮廓线之间的求交和裁减处理，并生成了无相交的封闭轮廓线。 对电路板雕刻过程中的刀路生成作了详细地论述，在采用环切与行切相结合的加工策略的基 础上，提出了生成环切刀路和行切刀路的算法，实现了各个环切刀路之间的关系判断与处理， 研究了一种基于电路板雕刻的行切刀路规划算法。 本文还分析了数控技术的发展现状和趋势，在介绍了第六代开放式数控系统的软、硬件 结构的基础上，论述了本文中所设计的数控电路板雕刻机的硬件和软件结构，并研究了通过 数控运动控制卡进行开放式数控雕刻机的开发过程。 最后，基于上述的研究工作，用s 砌c + + 编写了相应的程序，开发了数控电路板雕刻 机的软件总体构架，进行了多个电路板图形加工刀路的模拟生成，以及数控电路板雕刻机的 运动控制，经程序验证本文中的算法是正确可靠的，能够满足基本的加工需要，并且程序能 实现数控电路板雕刻机的准确控制。 关键词：电路板：c h ：数控；行切刀路；环切刀路；雕刻机 江南人学硕上学位论文 a b s n 。a c t 蹦n 别州r i n gb o a r di sc o s m i c 羽l yu s e di n e l e c 仃0 n i cc i r c u i t s 锄di ti n d u s 咄s 0i tj s s i g n i f i c a t i v et os t u d yt 1 1 em e m o do fm a k i n gp c b 锄dm a n u f a c 嘶n gp r o c e s sp l 锄- n i n go fp c b b e c a u s eo fe n v i r o 彻n e n td e t e r i o r a t i o i l e n v i r o m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s s so ft h ep u b l i ci s i n c r e 硒i n gs ot 1 1 a ti ti sn e c e s s a d ，t op u tf o n v a r dam e m o do fm a ：k i n gp c bw h i c hh 觞n o tc h e m i c a l h 锄：a r d s a r e rv 撕o u sm e t h o d sf o rm a k i n gm ep c ba r ec o m p a r e d t l l e 如n d 锄e n t a lr e s e a r c ho n p c b c a i n gn l a c h i n eb ya p p r o a c ho fu s i n gp h y s i c a lc a i n gw h i c hc 觚n o to n l y 同u c ep o l l u t i o n b u ta l s 0e n h a n c ee m c i e n c yo fm a c h i m n gi sc 删e do u t t h ef i l ed a t e sw h i c hp c bd e s 咖s o 胁a r e su s ei s a n a l y z e db e f o r et h j sp a p e rp r e s e n t s 狮 a l g o r i t i l ma n dc h o o s e st h ea p p r o p r i a t ed a t as t n 丑c t u r e st 0r e a da n ds a v eg e o m e 仃yi n f o 册a t i o no f 乒印l l i c so fw i r i n gb o a r d 、) l h i c hi ss a v e di ng e r b e rf i l ew h i c hi sg e n e r a t e db yp c bd e s i 朗s o 胁a r e b a s 甜o ng e o m e 姆i n f 0 肋a “0 no f 鲫h i c so f 州咖gb o a r d r h i c hi ss a v e di ng e r b e rf i 】e ，觚 a l g o r i t h no fg e n e r a t i n gc o n t o u r so fw i r e sa n dp a d si sd e s i g n e da n dc a l c u i a t i o no ft h ep o i i l t so f i n t e r s e c t i o na 1 1 dc l i p p i n g 锄o n gc o n t o u r si sr e a l i s e d ， j n h e 姗o r e ，c o n t o u r1 0 0 p si sg e n e r a t e d f 呱h e 啪o r e ，t h eg e n e r a t i o no ft o o i - p a t hi nt h ep r o c e s so fc a i n gp c bi sd i s c u s s e di nd e t a i l e s p e c i a l l y ，o nt h eb a s i so fa d o p t i n gt h em a c h i n i n gm e t h o do fc o n t o u rc u t t i n gt o o lp a m s 锄dp 删l e l c u t t i n gt o o lp a t h s a na i g o r i t l l mo fg e n e r a t i n gc o m o u rc u t t i n gt o o lp a t ha n d 肼u a l l e ic u t t i n gt o o lp a m i sp u tf o n v a r da n dj u d g e m e n ta n dt r e a t m e n to fr e l a t i o n s h i p 锄o n gc u t t i n gt o o lp a t l l si sr c a l i z e d ， f i n a l l y ap a r a l l e ic u n i n gt o o lp a t hp i a n n i n ga l g o r i t h mb a l s e do np c bc a u r “n gi sr e s e a r c h e d 1 1 1 i sp a p e ra l s oa n a j y z e st h ed e v e l o p m e n ta n dp r o s p e c to fn ct e c l l i l o l o 钞t l l es t m c t u r eo f s o f h m 。ea n dk 帕w a r eo fs i x t hn cs y s t e m o p e nn cs y s t e mi si n t r o d u c e da r l dt i l e 蛐n j c t u r eo f s o f h v a r ea n d 埘d 嘲o fn cp c bc a 州n gm a c h i n ew h i c hi sd e s i 印e di n t h j sp 印e ri sd i s c u s s e d ， 向n h e 咖o r e ，t h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n to fo p e nn cs y s t e mb a s e do nm o t i o nc o n t r o l l e ri s r e s e a r c h e d e v e n t u a j l y ，b a s e do nt h es t u d i e sa b o v e ，t h ep r o g r a mi s 、r i t t e nb yv i s u a ic + + ，m e a n w h i l e ，t t l e 、) l ，h o l e 矗砌eo fs o r w a r ed e v e l o p m e n to fc a n ，i n gm a c h i n eo fp r i n t e dc i r c u i tb o a r di s ( 1 e v e l o p e da n d p r a c t i c a lo p e r a t i o ns h o 、v st h a ta i g o r i t h mi n t 址sp 印e ri sc o r 佗c t ，r e l i a b l e 觚dc a nm e e tb a l s i c m a c h i n i n gn e e do fp c b ，m o r e o v e r ，t h ep r o g 删m m i n gi sa b l et or e a l i z ea c c u r a t ec o n t r o lo fn c c a i n gm a c l l i n e k e y w o r d s ：p r i n t e dw i r i n gb o a r d ；c + + ；n c ；p a r a l l e lc u t t i l 培t o o lp a m ；c o m o u rc 吡i n gt o o lp a m ； c a l i n gm a c h i n e 附录 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南 大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： d 孑0 3 | 3 日 期： 谚弓j 勺 厕一啤 勇一乒 圭曼 第一章绪论 绪论第一章 1 1 电路板制作的常用方法 通常意义上说的电路板指的就是印制电路板【1 1 ( p c b 呻r i n t i e dc i r c u i tb o a r d ) 。具体来 讲，一块完整的电路板应当包括一些具有特定电气功能的元器件和建立起这些元器件电气连 接的铜箔、焊盘过孔等导电图件。而加工电路板的方法很多，既有小批量的制作方法，又有 大批量的专业制板方法【2 】。目的就是将敷铜板上不需要的铜除去。 1 1 1 中、小批量的制板方法 ( 1 ) 手工雕刻法 使用复写纸将设计好的铜箔图形复写到覆铜板铜箔面，利用由钢锯片磨制的特殊雕刻刀 具，直接在覆铜板上沿着铜箔图形的边缘用力刻画，尽量切割到深处，然后再撕去图形以外 不需要的铜箔，再用手电钻打孔。此法的关键是：刻画的力度要够，撕去多余铜箔要从板的 边缘开始，操作的好时，可以使用小的尖嘴钳成片的逐步撕去不需要的铜箔。 ( 2 ) 手工描绘法 用笔直接将电路板的导线图形画在覆铜板上，然后再进行化学腐蚀等步骤。此法看似简 单，但实际操作起来很不容易，因为现在的电子元件体积小，引脚间距更小( 毫米量级) ，铜 箔走线也同样细小，而且画上去的线条还很难修改，要加工好这样的电路板需完全依靠操作 者的熟练程度。 ( 3 ) 贴图法 1 ) 预切符号法 根据电路设计版图，选用对应的“标准预切符号及胶带 ，粘贴到覆铜版的铜箔面上， 之后进行腐蚀工序除去不需要的铜箔。 2 ) 不干胶纸贴图法 用p r o t e l9 9 s e 等设计软件绘出印制板图，用针式打印机输出到不干胶纸，将不干胶纸 贴在已做清洁处理的敷铜板上，用切纸刀片沿线条轮廓切出，将需腐蚀部分纸条撕掉，投 人三氯化铁溶液中腐蚀，清洗，晒干后即可投入使用，此法类似雕刻法，但比雕刻法高效， 且能保证印制导线的美观和精度。 ( 4 ) 油印法 把蜡纸放在钢板上，用笔将电路图按1 ：1 刻在蜡纸上，并把刻在蜡纸上的电路图按电路 板尺寸剪下，剪下的蜡纸放在所印敷铜板上。取少量油漆与滑石粉调成稀稠合适的印料，用 毛刷蘸取印料，均匀地涂到蜡纸上，反复几遍电路板即可印上电路。这种刻板可反复使用。 ( 5 ) 数控电路板雕刻机雕刻法 在计算机上完成p c b 文件的设计后传送给数控雕刻机，由数控雕刻机自动完成雕刻、钻 孔、切边等功能，输出一张或多张符合要求的电路板。在实验室花几分钟就可以完成一张电 路板的制作。 1 1 2 大批量的专业制板方法 目前使用比较成熟的大批量制板方法主要是光印法，其加工过程中使用的敷铜板是表面 垩塑查兰竺! ：兰竺堡苎 涂有一层感光材料的感光板，可以通过在感光板上覆盖一张印有电路板图形的透明或半透明 材料对其进行曝光、显像和蚀刻等操作来完成加工，因此加工精度与效率较高，但在实际操 作过程中不但腐蚀液对环境有较大的影响，而且感光板的曝光及显影时间也不易控制，只有 借助一定的专业设备与电路板c a m 检测软件【3 j 以及专业人员的操作经验才能达到满意的效 果，因此这种方法成本较大并不适合在中、小批量的加工中使用。 1 2 我国电路板加工行业的发展状况 电路板加工是当代电子元件业中最活跃的产业，其行业增长速度一般都高于电子元件产 业3 个百分点左右。作为各种电子产品的基本零组件，其产业发展受下游终端产品需求和整 个i t 产业景气度影响很大。在2 0 0 1 年i t 产业泡沫破灭后，至2 0 0 3 年全球i t 产业开始复苏， p c b 行业也出现了全面复苏。我国2 0 0 3 年2 0 0 5 年p c b 产值分别为5 0 1 亿元、6 6 1 亿元、 8 6 9 亿元，年度产值同比增长分别为3 3 、3 2 、3 1 。到2 0 0 6 年，我国p c b 行业又一次 取得突破，产值、产量均居世界第一位，已成为名副其实的p c b 生产大国。但我国的p c b 行业仍然面临着环保、标准、生产许可证、原材料涨价等多方面的困境。 1 3 电路板雕刻机在我国的发展前景 通过以上分析可知，p c b 加工在国内有着广阔的市场，同时比较p c b 制板的各种方法可 见除了采用物理雕刻方法以外的其他方法都需要用到蚀刻这一过程，在蚀刻过程中不但腐蚀 液会严重影响环境，而且我国目前正在受到生态环境逐步恶化的挑战，国家也出台了一系列 的环境整治措施。采用基于数控技术的电路板雕刻机不仅可以在制板过程中不使用腐蚀液， 消除腐蚀液对环境的巨大影响，而且又可以提高制板的速度与精度。其特别适用于教育和科 研机构中的中小批量的制版。 1 4 国内外电路板雕刻机及其软件的发展 电路板雕刻机作为雕刻机产品在电路板制造方面的应用，是三十多年前由德国人发明的。 在国内，对于这个产品的研发制造，也只是近四、五年的事。相关企业在产品推出时，多都 借用现有雕刻机产品的硬件结构，辅以相关的软件，使得雕刻刀具按所需的路径运动，铣刻 掉不需要的铜箔，留出需要的线路部分，达到制作出电路板的目的。由于电路板图形的特殊 性，电路板雕刻机的雕刻精度要求一般远远大于传统的雕刻机。 在国内外比较成熟的电路板雕刻机有德国的l p k fp r o t o m a t 系列雕刻机，台湾禾宇精密 科技有限公司的e p 2 0 0 6 系列雕刻机，以及国内广东中月电子有限公司的各类电路板雕刻机 等，另外国内还有一些大学以及科研单位在从事相关产品的研发【4 剖。其中德国和台湾生产的 电路板雕刻机在线径和线距方面的精度都能达到l m i l ( 0 0 2 5 i i m l ) ，而国内中月电子有限公司 生产的电路板雕刻机中最小线距只能达到1 0 m i l ( 0 2 5 n u l l ) ，可见在加工精度方面还存在着明 显的差距。 在软件方面成熟的电路板雕刻机软件应该是一款c a d c a m 软件。目前市场上成熟的数 控雕刻软件比较多，和一般的c a d c a m 软件相比，这些数控雕刻软件除了具有平面轮廓切 割、区域加工、三轴加工等功能外【7 】，还增加了字体加工、浮雕加工等功能。国外一些工业 发达国家早在上世纪7 0 年代就开始从事雕刻软件的研发工作，而国内的研究却一直到上世纪 墨二里笙堡 9 0 年代才开始。目前，国内外都己经出现了一些雕刻软件。在国外，以色列s c 柚v 公司开发 c 鹊e m a t e 软件包，具有图像矢量化、平面刀具轨迹生成、三维提笔加工等功能，其中图像矢 量化功能是目前几种国外软件中较好的一个，只需要经过简单的修改，即可用于加工。但该 软件没有浮雕生成与加工编程功能。法国t y p e 3 公司的t y p e 3 软件，具有图像矢量化、平面 刀具轨迹生成、基于图像的浮雕加工等功能，平面刀具轨迹生成速度快、效果好。英国达尔 康公司开发的a r t c a m 软件，专业性强、功能丰富，其最强大的功能是浮雕功能。在国内， 大连理上大学开发了主要针对标牌行业的文字图案雕刻软件，初步实现了雕刻业从手上劳作 到数控加上的转化【8 卅。另外，还有许多科研单位也正在从事有关的软件开发【1 m 13 1 。 以上的这些雕刻软件虽然有着比较复杂的雕刻功能，但却无法兼容由电路板设计软件如 p r o t e l 输出的g e r b e r - x 、o d b + + 与e x c e l l o n 等格式的文件，因此无法就电路板图形生成所需 要的雕刻路径。 而目前的电路板雕刻软件只有少数几家生产电路板雕刻机的公司拥有，如上所述德国 l p k f 公司的c i r c u i t c a m 雕刻软件，此软件能很好的兼容多种g e r b e r 文件，可以方便快速地 导入由p r o t e l9 9 s e 输出的g e 慨r 文件，并可以就复杂的电路板图形生成加工路径，但软件的 稳定性并不是很好，操作稍不慎就会造成软件报错退出，如要熟练操作此软件还必须通过 l p l 等f 2 5 j 。 ( 2 ) 存储功能 第二章电路板文件的输入及图彤的显示 嘶n g 的存储功能是通过g e t l i n e ( ) 函数实现的，它的具体形式为【2 5 l ： t e m p l a t e b 丛i c _ i s 仃e 姗 & g e t i i n 邮舔i c - i s 仃e 锄 & 以b 笛i c - s 仃i n g & 鼽c h 卿 且n 呐 其中参数：如护表示需要提取字符串的文件流，跏表示从文件流中读取的字符串将保 存在跏中，眈，砌表示当操作过程中出现眈锄字符时停止操作。 本文程序中相应的代码为： g e t l i n e ( f i l e ，s 仃 - 、n ) ； 其表示从n i e 文件流中开始读取字符串，当读取的字符串中出现换行符时，停止操作， 并把读取的字符串保存在s 打字符串中。 ( 3 ) 比较功能 s 仃i n g 的比较功能是通过c o m p a r e o 函数来实现的，它的具体形式为1 2 5 】： i n tc o m p a l r e ( c o n s tb a s i c _ s t r i n g & p r ) c o n s t ； 其中参数：跏是被比较的字符串对象。 返回值是：如果需要比较的字符串和被比较的字符串相等，则返回o 。 本文程序中的相应代码为： i f ( t e m p c o m p a r e ( “”) = = o ) 代码中t e m p 是一个s t r i n g 类型的变量，即检查t e m p 里存储的字符串与“是否相同。 ( 4 ) 字符串的提取 妤n g 的提取功能是通过s u b s t r ( ) 函数实现的，它的具体形式为【2 5 】： b 硒i 啦i n gs u b s t “s i 灿p e _ o f r 20 ，s i z t 粤p e - ( ：o u n t2 n p o s ) c o n s t ； 其中参数：- o f r 代表开始的位置，- c o 吼t 代表以p f j f 为开始位置往后计算的c o u l l t 个字 符，函数的返回值是一个新的字符串。 本文程序中的相应代码为： t c m p = s 仃s u b s t 巾，1 ) 代码表示从s 仃的第一个字符串开始提取一个字符。 2 3 5 读取g e r b e r 文件的具体算法 ( 1 ) 程序运行的整体过程 图2 3 程序运行的整个过程 - i i 江南火学硕上学位论文 读取g e r b e r 文件的完整过程如图2 - 3 所示，程序首先试图打开一个保存有g e r b e r 数据的 文件，如果程序能够打开这个文件，则读取g e r b e r 文件中的数据；否则，退出程序。 ( 2 ) 读取g e r b e r 文件的过程 读取g e 舭r 文件的过程如程序流程图2 4 所示，在图中，c h 为c h a r 类型的变量主要用来 判断文件是否读取完毕：s 仃、t e m p 为s 仃i n g 类型的变量，主要用作存储g e r b e r 文件中每一行 的数据并判断每行数据的具体意义；s 札e n g 为i n t 类型的变量，用以保存字符串的长度。 图2 4 读取g e r b e r 文件的过程图2 5 读取g e r b e r 文件中的提示性参数和d 码定义参数 ( 3 ) 读取g e r b e r 文件中的提示性参数或d 码定义参数 图2 4 中读取g e r b e r 文件中的提示性参数或d 码定义参数的具体过程如流程图2 5 所示， 其中i 为i n t 类型的变量，主要用来记录读取到了字符串中的那一位字母，并判断是否读完了 字符串中的全部字母；而s 仃和s t r l e n g 就是图2 - 4 中的s 打和s t r l e n g ；s t 订为s t r i n g 类型的变 量，主要用来判断应读取那种类型的数据，并使程序作相应的操作。 ( 4 ) 读取单位参数 图2 5 中读取单位参数的程序流程图如图2 6 所示，其中t e m p 和s t r 2 都为s t r i n g 类型的 变量；s 仃就是图2 4 中的s 仃；i 为i n t 类型的变量，主要用来记录读取到了字符串中的那一位 字母；而i n c h 与m e t r i c 则是b 0 0 l 类型的变量，在程序运行前被初始化为蹦s e ，用作记录g e r b e r 文件中x 和y 轴的数