一种PCB型数控四轴钻铣床.docx

文章编号 :1001 - 2265 (2005) 02 - 0097 - 03一种 pcb 型数控四轴钻铣床胡旭兰(广东省高级技工学校 , 广东 博罗516100)摘要 : pcb 型数控四轴钻铣床是一种机电一体化产品 ,是专用于 pcb 加工的三轴联动数控机床 。机床采用国际先进的直线滚动轨迹 、高精度滚珠丝杆和交流伺服电机 ;涉及微电子 、计算机 、自动控制 、精密机械 、图像处理等多种技术 ,综合性强 ,知 识 、技术 、资金密度高 ,适用于高精度 pcb 的成形加工 。关键词 :数控机床 ; 印刷电路板 ; 伺服系统 ; 机电匹配中图分类号 : tg527文献标识码 :aa kind of pcb nc four - coordinate drilling - milling machine toolhu xun2languangdong province senior techuology school , guangdong boluo 516100 , china)abstract : pcb nc four - drilling - milling machine tool is a kind of mechanical - electric integrative product and the three - coordinate linkage nc appropriative print equipment based on the machining of pcb ( printed circuit board) . the machine tool adopts advanced bee2 line rolling oriented track , high precision ball bearing screw shaft and ac servo electromotor technique , deals with many studies including micro - electronics , computer , auto control , fine mechanic sand image manipulation , its comprehension is strong and its knowledge , tech2 nique and found density is high. it is used to the milling and drilling of high precision pcb.key words : nc machine tool ; pcb ; servo system ; machinery electricity matching0 引言印制电路板 ( printed circuit board or printed wiring board ;简 称 pcb 或 pwb) 是组装电子零件之前的基板 , 在整个资讯 、通 讯 、以及消费性电子产业中 , pcb 可 称 为 不 可 或 缺 之 重 要 零 部 件 。由于电子信息化的数据处理以及通信系统等都在迅速的增 加 ,使得 pcb 的需求量也随之扩大 。pcb 已经成为电子系统的 主要产品 。随着电子整机产品的多功能化 、小型化 、轻量化的发 展 ,pcb 正在向高精度 、大密度 、多层化 、小型化发展 ,多层板 、挠 性印刷电路 板 、hdi/ bum 基 板 、ic 封 装 基 板 (b ga 、csp) 等 pcb 品种成为了扩大需要量的中心产品 。由于成本和环境的原因以及产业结构的调整 ,事实上西方 发达国家的 pcb 产值正在下降 ,从 2002 年到 2005 年 , pcb 产值 只有中国能以二位数字的速度持续高速增长 。未来 , pcb 市场 运作是在中国 。我国已跨进世界 pcb 大国之列 。但是 ,我国生产的主要还是较低端的 pcb 板 , 而现在制约 我国 pcb 业发展的因素中 ,国产 pcb 数控机床性能和种类不能 满足 pcb 生产厂家的要求 ,进口设备的价格又比较贵是最为显而易见的原因 。可见 ,为应对世界 pcb 市场的高效 、快速 、低成本 、低价位要求 ,以及产品的高精度 、高密度等特点 ,生产性能可 靠 、价格低 、效率高 、精度高 、柔性高的数控机床是迫切的 。下面 介绍一种 pcb 型数控四轴钻铣床 ,它是一种印刷电路板加工的专用设备 ,可控坐标轴为 x 、y 、z 、a 四轴 , 采用 x 、y 、z 三轴分 别驱动 , 通过数字控制 , 实现 x 、y 、z 三轴联动 。它性价比高 ,可 靠性好 ,制造周期短 ,方便维护 ,环保性好 。1pcb 型数控钻铣床的总体方案pcb 型数控钻 铣 床是一种印刷电路板 加 工 的 专 用 设 备 , 它 以 advantech 486 型工控机为控制中心 (由 于 国 产 联 想 工 控 机 具 有 很 高 的 性 价 比 , 而 且 完 全 能 够 满足 需 要 , 故 主 机 选 用国产的联想工控机) ,图 1 整机系统方框图把用户输入的数据和指令自动地编程为机床加工信息 ,以控制交流伺服电机 , 使其带动精密滚珠丝杆 . 完成机床工作台的移 动 ,以及完成钻铣电主轴在 x 、y 、z 三个方向上的各自的驱动 。并选用美国 a - b 公司制造的 1326 型伺服电机及其相应的驱动器 ,以确保机床的可靠性 。同时辅以对电主轴 、吸尘器 、水泵等 的控制 ,从而构成了一个完善的控制系统 。整机系统方框图见图 1 。2机床总体布局pcb 型数控钻铣床的总体结构如图 2 ,本数控机床主要由 床身 、横梁 、立柱 、x 、y 、z 向伺服传动系统 、导轨部装系统 , 以 及电主轴等工作装置组成 。它可在高刚性的铸造床身的基础上 安置双立柱和横梁 ,构成门式框架结构 ,主轴架置于拖板上 ,并收稿日期 :2004 - 06 - 28作者简介 :胡旭兰 (1971 - ) ,女 ,湖南湘乡人 ,广东省高级技工学校讲师 ,在读硕士研究生 , ( 电话) 0752 - 6281931 ( 办) 。97工艺与装备组合机床与自动化加工技术组成鞍架 ,沿横梁移动 ,构成 x 坐标 ; 工作台置于机座平台上 ,进行纵向的移动 ,构成 y 坐标 。拖板装有两个主轴架 , 主轴架 用直线滚动导轨安装在拖板上 ,作垂直运动 ,构成 z 坐标 。这 样的布局可保证机床具有足够的刚度 ,较高的定位精度 ,而且系 统中均采用了高性能的交流伺服电机 、滚珠丝杆以及滚动导轨 , 这样可保证机床运行轻便 、灵活平稳 ,同时还可以节能 ,并可达 到和保证所需的高精度 。佳状态 。(2) 导轨部装机构 ( x 、y 、z 向导轨简图见图 6 、7 、8)图 5z 向传动简图图 6y 向导轨简图本机床采用国际上先进的滚动直线导轨 技 术 , 其 摩 擦 系 数 为 0. 003 , 导 轨平 行 度 小 于 0. 0017/ 300mm ,具 有 良 好的传动刚度和传动精度 ;工作 台 结 构 采 用 半 闭 式 矩 形 , 并 采用了纵向加强筋增强其强度 。图 2 主机结构图1 . 机床外壳 2 . z 轴进给部装 3 . 电主轴部装4润滑系统 、冷却系统考虑到本机床的精度要求及速度 高 、载荷小等特点 ,本机床采用压力式 循环润 滑 方 式 , 润 滑 剂 选 用 高 速 机 械 油 hj - 5 。考 虑 到 绿 色 生 产 、环 保 问 题 ,再结合到机床工作的实际情况 ,本4 . 拖板5 . 横梁6 . 工作台 7 、8 . 垫片其 中 , 机 床 床 身 、横梁 、立柱这三 部分是整个主机机 床 的 基 础 和 支 架 (均为铸造而成 ,其 工 艺 性 好 ) 。机 床 床 身 作 成 整 体 样 式 , 通 过 螺 栓 与 横9 . 床身图 7x 向导轨简图机床选用气体冷却剂 压缩空气 ,即把压缩空气由喷嘴直接输送到切削区 ,用强制对流的办法带走切削热 。此外 ,机床还包 括相应的机床基础 ,排屑系统等 。图 3 机床床身 、横梁 、立柱布置图11 床身 21 立柱 31 横梁梁 、立柱联结成门式结构 (增强了动刚度 ,又减少了热变形) 。梁的断面为矩形闭式断面 ,在横梁内部布置了纵 、横式的斜筋板或 筋条 ,增强了机床的刚度 (见图 3) 。3机床传动系统本 pcb 型数控钻铣床的传动系统主要包括了 x 、y 、z 三个 方向上的伺服进给传动系统 ,它又主要包括伺服进给传动机构 和导轨部装机构 。(1) 伺服进给传动机构机床的伺服进给传动机构如图 4 和图 5 所示 。本机床采用 交流伺服电机与丝杆直接相连接的形式 ,既简化了传动链又提 高了传动精度 ;采用专业厂家生产的高精度滚珠丝杆和美国 a- b 公司的交流伺服电机及其驱动器 ,滚珠丝杆具有精度高 、刚 性好 、转动惯量小的特点 。同时 ,采用的伺服电机和驱动电源 ,图 8z 向导轨简图5 伺服进给系统的设计本机 床 的 定 位 精 度 是 0. 005/ 300mm , 重 复 定 位 精 度 是 0.0025/ 300mm ,系统 的 分 辨 率 为 0. 001mm , 铣 削 速 度 为 1000mm/min 。由上可见 ,该机床的精度和速度都不是非常高 ,考虑到本 机床着眼于较高的性价比 ,故确定本机床采用边移动 、边加工 、边变速 、边定位的半闭环连续交流控制伺服进给系统 。(1) 滚珠丝杆副本机床选用专业厂家生产的滚珠丝杆副 , 其 型 号 分 别 为 : x 、y 轴 ffzd32 10p3 , z 轴 ffzd20 10p3 。滚珠丝杆副选用结 构简单 、装拆方便 、刚度高的双螺母垫片预紧 。滚珠丝杆的支承方式 , x 、y 向由于丝杆相对较长 ,为了保证其丝杆的刚度 ,采用 接触角为 60的推力向心轴承 ,两端固定 ,使丝杆的刚度提高了近 4 倍 ;此外 ,采用双推 单推的支承方式以便进行预拉伸 ; z 向丝杆较短 ,采用接触角为 60的双联推力向心轴承并一端固 定 ,一端自由 (参见 x 、y 、z 的滚珠丝杆副的部装图) 。(2) 联轴器的选择结合本机床的实际情况 ,采用梅花型弹性联轴器 ,有效地消图 4x 、y 向传动简图具有输出力矩大 、矩频特性好 、工作可靠等特点 ,同时驱动电源的内部已实现了智能化 ,能够实现对驱动电源的细分步数 、驱动 波形和锁定电流设置 ,从而使机床驱动系统能够方便的调到最98工艺与装备2005 年第 2 期除了轴向及径向间隙 ,提高了传动精度和刚度 。它结构简单 、制造容易 、外形尺寸紧凑 、工作可靠 ,而且不需要维护 ,成本相对较工过程中 ,进行实时加工图形防真 ; 还可对机床命令响应 、机床故障信息进行声光报警及屏幕提示 ,极大的增强了人机界面的 功能 。在操作上 ,既可以采用菜单方式操作 ,也可用命令方式操 作 ,相当灵活方便 ;非常适应国内的市场要求 。在系 统可靠性方面 , 采用了 高 抗干扰的工控机及开关电 源 ; 选用无触点的大功 率 开关元件 , 以减小系统 干 扰源 , 同时选择合适的 接 地点进行一点接地 。同时 也采用了软 、硬超程保护 、 过载 、过压 、过热保护等各 种保护措施 , 使系统的 可 靠性 得 到 了 很 大 的 提 高 。 本机床的软件系统可分为 专用铣削软件系统和专用 钻削软件系统 。主要功能 有以下方面 : 铣削流 程 功能 , 铣削加工控制 , 自动钻孔编程 , 钻削 加 工控制 , 孔位重复编 程低 , 但 安 装 的 时 候 需 要 沿 轴 向 移 动 。联 轴 器 分 别 为 :ml1 - b , z 轴 ml1 - a 。(3) 导轨副的选择x 、y 轴根据本机床的性能要求看 ,导轨要满足寿命长 、刚度好 、承载高 、摩擦阻力小 、导向精度高 、接触精度高 、精度保持性好 、低速稳 定性好 、结构相对简单 ,而且调整 、装配及维修都要很方便 。考虑 到本机床的设计要求及其经济性要求 ,最后决定选取直线滚珠导轨副 ,型号分别为 : x 方向 ggb25 - aa2p12 1000 c , y 方向ggb25 - aa2p12 1240 c , z 方向 ggb20 - aa1p12 160 c。(4) 伺服电机的选择根据惯量匹配原则 ,通过对最高转速 、负载扭矩和转动惯量 等参数的校核计算 ,最终选择了美国 a2b 公司生产的 1326 型伺服电机 ,较好的解决了机 电 匹 配 的 问 题 , 型 号 分 别 为 : x 、y 轴1326ap - a3 e , z 轴 1326ap - a1 e。6 主传动系统本数控 机 床 工 作 时 , 由 于 刀 具 直 径 很 小 ( 最 小 钻 孔 直 径 0. 3mm) ,为此刀具的转速很高 ,以防止刀具损坏 ,因此主传动 系统采用专用钻铣电主轴的结构形式 ,即主轴与电动机转子合为一 体 。其 中 , 钻 削 选 用 qdz80a 型 , 电 动 马 达 额 定 功 率 为1kw ,最大转速为 80000r/ min ;铣削选用 dz80x 型 ,电动马达额定 功率为 1kw ,最大转速为 80000r/ min ,其加速时间小于 30ms ,拥 有良好的过载能力 。这样不仅大大简化了主轴部件的设计 ,使 其机构紧凑 、重量轻 、惯性小 ,而且可以提高机床启动 、停止的响 应度 ,有利于控制震动和噪声 。保护 , 修改库区功能 , 自动校孔功能 , 删孔 功图 9 机床出错保护功能流程图能 , 补孔功能 , 修改功能 , 存盘和读盘功能 , 旋转打孔和平移打孔功能 , 机床出错保护功能 软件模块流程图见图 9 。同时 , 在 cad 自动编程中 , 编了一套专用的软件 包 , 完 成 了 把cad 软件中的孔位数据自动识别并自动编制目标钻孔文件 。7pcb 型数控四轴钻铣床的主要技术指标(1) 系统分辨率为 : 0. 001mm ; (2) 定位精度为 : 0. 005/ 300mm ;(3) 重复定位精度为 : 0. 0025/ 300mm ;(4) 最大加工面积 4 400 600mm29结束语生产实际表明 , 该 pcb 型数控四轴钻铣床制造周期短 , 制造成本较低 ,运行的经济性好 ,可维护性好 ,数控系统稳定可靠 ,并且还是一个环保产品 。它既克服了传统 pcb 成形机床效率 低 、精度低的缺点 ,又弥补了进口 pcb 数控机床价格昂贵的缺 憾 。是一种符合我国市场的高性价比 pcb 型数控机床 。 参考文献 ( 5 ) 坐 标 轴 的 最 大 行 程 :z 40mm ;(6) 加 工 孔 孔 径 : 铣 : 0. 8 3. 175mm , 钻 : 0. 3 0. 6mm ;(7) 铣削速度 :1000mm/ min(8) 钻孔频率 :120 次/ min(9) 机床最大加工能力 :4 3 块/ 次 (每块 1. 6mm) (10) 电源 :220 10 %v(11) 功率 :约 9kw ;(12) 机床重量 :约 2500kg 控制功能x 420mm ,y 620mm ,机 床 设 计 手 册 编 辑 委 员 会 . 机 床 设 计 手 册 m . ( 第 一 册 )(上 、下) . 北京 :机械工业出版社 , 1986.唐金松 . 简明机械设计手册 ( 第二版) m .