毕业论文设计微型高速数控钻床设计.doc

1 前言1.1 设计的目的和意义在电路设计初期，为了调试，验证电路原理的正确性，需要制作电路板。由于电路还处在试验，调试阶段，还存在很多不确定性，如果直接让电路板制作厂家制作，一方面制作周期长，成本高，另一方面灵活性差，调整不方便。不能满足电路设计初期的要求。目前，人们普遍采用手工制作。手工制作劳动强度大，质量难以保证。基于以上现状，本课题设计一种数控高速微型钻床，用来加工电路板上的过孔和引脚孔。本钻床的研制具有广阔的市场前景的工程价值。PCB被誉为“不能修理的系统产品”，是电子设备的关键互连件。小到电子手表、计算器，大到电子计算机、通信电子设备、军用的武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了方便它们之间的电器连接，都要以PCB为载体，使用印制电路板。印制电路板在电子设备中有如下功能：(1)提供集成电路等各种电子元件固定、装配的机械支撑；(2)实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和电气接或电绝缘。提供所要求的电气特性，如特性阻抗等，即连接功能和绝缘功能；(3)为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形；(4)布线的功能化、电路化的功能。在较大型的电子产品研制过程中，最基本的成功因素是该产品的印制板的设计、文件编制的制造。印制板设计的制造质量直接影响到整个产品的质量、成本和产品的使用性能。因此本钻床的研制具有广阔的市场前景的工程价值。1.2 国内外现状1936年，英国Eisler博士提出印制电路这个概念。他首创在绝缘的基板上全面覆盖金属箔，然后在其上涂上耐蚀刻油墨后，再将不需要的金属箔腐蚀掉的PCB制造基本技术。1942年，Eisler博士制造出世界上第一块纸质层压绝缘基板，用于收音机的印制板。50年代初，这种技术开始广泛应用，并迅速得到发展，印制电路行业开始一举成为世界性的一个大行业，其产值由零发展为1998年的327亿美元、1999年的350亿美元、2000年的400亿美元。在全球PCB行业高速发展的氛围中，我国的PCB行业也开始了自身的发展。1956年，我国PCB列入国家规划，开始研制；19631978年，逐步扩大并形成产业；1978-1998年引进国外先进技术和设备，PCB行业获得蓬勃发展。其中1978-1988年主要发展单面板，而19881998为双面板和多层板的大发展；近几年是以HDI为代表的高密度多层板的飞速发展预计近几年我国PCB行业的产值仍将以两位数的年增长速度向前发展。不久的将来，我国PCB产值将由现在占世界PCB产值的17左右，持续上升到20甚至更高。上世纪80年代，由于印刷电路板上孔的数量不多、精度要求不高、孔径较大，对生产效率的要求也不高，因此通常采用手工机械钻孔。随着数控技术的不断发展和普遍应用，加上印刷电路板的制造工艺要求越来越高，数控技术被引入了PCB钻孔机床，产生了第一代PCB数控钻床。我国从20世纪60年代开始研制和生产PCB钻床，90年代的产品属于半自动化设备。90年代中期，我国的PCB制造业迅速发展，不少企业如深圳大族数控科技、惠州天马、深圳大赢、福建麦雅等公司开发并生产出一批性能较好、精度较高的PCB高速数控钻床。与此同时，中国台湾地区的PCB高速数控钻床也呈现出蓬勃发展的景象，主要的生产企业包括东台公司、大量公司、恩德集团、龙泽公司等。目前，国外生产PCB高速数控钻床的厂家主要有美国的EXCELLON公司、意大利的PLURITEC公司、德国的SCHMOLL公司以及日本的日立公司。1.3设计的内容印刷电路板高速数控钻床用来加工直径相对较小的PCB孔，加工特点是运动行程短，机床起停频繁，孔径小，孔密度高，加工精度要求高。工作原理是以PC机强大的硬件与软件资源为后盾，借助于运动控制卡提供的运动函数库，运用Vc+语言编制直线、圆弧插补运动轨迹图形程序，通过板卡接口输出PC机运算结果的运动控制脉冲数和运动方向控制等信号，经过伺服驱动功率放大器放大后，驱动步进电机转动，再通过滚珠丝杠传动机械，驱动十字工作台运动。从而，最终实现按编制的运动轨迹作伺服运动或按编制的加工零件轮廓图形作精确的插补定位运动。微型数控钻床主要由控制部分和机械执行部分组成。通过对两个部分的设计达到预期期望的结果。设计初始参数及要求：（1）加工对象为电路板；（2）加工电路板最大尺寸20302mm；（3）加工孔径0.2-5mm；（4）加工速度60个/分钟；（5）主轴转速10000转/分钟；（6）Z轴最大行程100mm；（7）采用龙门式结构。2总体方案设计2.1功能与性能要求分析根据PCB 的技术要求可以归纳出印制电路板孔位加工的特点为：（1） 导通孔的数量多要求加工运行速度快；（2） 布线密度大焊盘小孔位精度必须高；（3） 孔径特别小0.1mm 容易断刀要求机床动态特性好。加工特点是运动行程短，机床起停频繁，孔径小，孔密度高，加工精度要求高。2.2 设计方案的比较，分析与确定钻床根据加工方式分为立式和卧式两种，本课题加工的零件属于扁平类，故采用立式结构。高速数控钻床采用步进电机驱动方式，消除了传统丝杠中问传动误差的影响，提高了钻床的精度；用精度高、运动问隙小的滚动导轨代替滑动导轨，减小滑块与导轨的摩擦，具有较高的导引精度。由于步进电机动子直接固定在所要驱动的部件上，没有机械传动元件，所以能大大提高定位精度和重复定位精度，并且能够实现高速进给、高加减速的要求。丝杠传动副用来驱动钻头的进给运动。丝杠传动副应根据该单元的加工精度要求。确定是否选用滚珠丝杠副。所用丝杠副应具有自锁效果好、系统刚度好、传动精度高、使用寿命长的优点。控制部分采用PC+运动控制器数控系统，此类数控系统是将PC机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动控制能力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。一套完整的运动控制技术的数控系统主要由以下几大硬件构成：PC机、运动控制卡、电机(直流伺服、交流伺服、步进)、编码器、驱动器(如果运动控制卡包含有驱动功能，则驱动器可以不要)、直线运动单元、其他传感器(光栅尺、限位信号等)。3 机械部分设计计算3.1机械部分的组成和作用钻床总体布局采用X、Y轴分立式结构，装配简单，两方向运动质量基本相同。X、Y轴的电机带动滚珠丝杠旋转，最后通过螺母副带动工作台在X、Y方向上移动。z轴结构对于高速钻孔极其重要，设计和制造要严格保证驱动电机主轴和钻孔主轴共线。采用上端固定下端悬臂丝杠结构，采用弹性联轴器。钻床底座，横梁，工作台采用灰铸铁，保证高精度稳定性和温度稳定性。3.2 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，成为脉冲当量，也成为机床的最小设定单位。经济型数控钻床常采用的脉冲当量是0.01-0.005mm/脉冲，根据机床精度要求确定脉冲当量，为0.005mm/脉冲。3.3 切削力计算3.3.1 轴向力高速钢钻头切削中轴向力 （3.1）式中 ， -系数，查机电专业课程设计指导书表3-10，取；-钻头直径（mm）；f-进给量（mm/r），查金属机械加工工艺人员手册取f=0.04mm/r；- 。3.3.2 三个方向的切削力由，3.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型3.4.1 Y向进给丝杠（1）计算进给率引力（N）作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。选定Y向进给为矩形导轨=1.110.42+0.005（41.68+16.67+9.36）=11.8（N） （3.2）式中 K-考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨取K=1.1；，-切削力，（N）；f-导轨上的摩擦系数，选定滚动导轨f=0.005；G-移动部件的重量，（N）。由工件尺寸20302mm，选定工作台尺寸10010012mm，G=体积材料比重 =9.36（N）。 （3.3）（2）计算最大动载荷C丝杠转速： （3.4）式中 -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/2-1/3），此处=0.6m/min；-滚珠丝杠导程，初选。 （3.5）式中 L-寿命，以转为1单位；n-丝杠转速，（r/min）；T-使用寿命，（h），对于数控机床取T=15000h。最大动载荷C： （3.6）式中 -运转系数，按一般运转，。（3） 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅机电专业课程设计指导书附录A表3，可采用外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副1列2.5圈，其额定动负载为6100N，精度等级按机电专业课程设计指导书表3-15选为3级（大致相当于老标准E级）。（4）传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率: （3.7）式中-螺旋升角，= ； -摩擦角取，滚动摩擦系数0.003-0.004。（5）滚珠丝杠副几何参数 表3.1 滚珠丝杠副几何参数名称符号螺纹滚道公称直径20导程4接触角钢球直径2.381滚道法面直径R1.239偏心距e0.034螺纹升角螺杆螺杆外径d19.6螺杆内径17.59螺杆接触直径17.62螺母螺母螺纹外径D22.41螺母内径20.4763.4.2 X向和Z向进给丝杠 X向与Z向滚珠丝杠螺母副的选型与Y向相同，此处不再赘述。3.5 齿轮传动比计算3.5.1 Y向进给齿轮箱传动比计算 已确定Y向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角0.75度。可计算传动比i （3.8）式中 -脉冲当量，（mm/步）；-滚珠丝杠的基本导程，（mm）；-步进电机的步距角。可选定齿轮齿数为： 一般模数m=12，数控台钻X-Y工作台取m=1。表3.2 传动齿轮几何参数齿数1525分度圆1525齿顶圆1727齿根圆14.524.5齿宽（610m）66中心距20为消除齿轮侧隙，可采用双片齿轮，齿宽b可加大到（6-10）m。3.5.2 X向和Z向齿轮传动比计算X向和Z向齿轮传动比计算与Y向相同，此处不再赘述。3.6 步进电机的计算和选型3.6.1 Y向进给步进电机计算（1）等效转动惯量计算计算简图见图3.1 图3.1 Y向进给系统计算简图传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算：式中 -步进电机转子转动惯量（）； -齿轮的转动惯量（）； -滚珠丝杠转动惯量（）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。 （3.9） （3.10） （3.11）W=9.36(N)。代入上式： （3.12） 考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。 基本满足惯量匹配的要求。（2）电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例比较大，具体计算公式如下：式中 -快速空载起动力矩；-空载起动折算到电机轴上的加速力矩，；-折算到电机轴上的摩擦力矩，；-由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩，。 （3.13）式中 -电机最大转速，（r/min）； -运动部件量最大快进速度，（mm/min）； -脉冲当量，（mm/步）； -步进电机的步距角，（）。 （3.14）式中 -空载起动折算到电机轴上的加速力矩，； -传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量，（）； -电机最大转速，（r/min）； -运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（s）。折算到电机轴上的摩擦力矩： （3.15）式中 -导轨的摩擦力，（N）； -导轨的摩擦系数； -垂直方向的切削力，（N）； G-运动部件的总重量，（N）； -丝杠的导程，（cm）； -传动链总效率，一般可取0.7-0.85；-齿轮降速比，按计算。附加摩擦力矩： （3.16）式中 -滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3，为进给率引力，（N）； -滚珠丝杠导程，（cm）； -传动链总效率，一般可取0.7-0.85；-齿轮降速比，按计算；-滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取0.9。上述三项合计： （3.17）快速移动时所需力矩 （3.18）最大切削负载时所需力矩 （3.19）式中 -进给方向最大切削力，（N）；-滚珠丝杠导程，（cm）；-传动链总效率，一般可取0.7-0.85；-齿轮降速比，按计算。 对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，又由上述计算可得，三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，所以以此项作为初选步进电机的依据。从机电专业课程设计指导书表3-24查出，当步进电机为五相十拍时 （3.20） 最大静力矩 按此最大静转矩从机电专业课程设计指导书表3-23查出，130BF001型最大静转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还需要进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。（3） 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 （3.21）式中 -运动部件最大快速进给速度，（m/min）； -脉冲当量，（mm/步）。 (3.22)式中 -最大切削进给速度，（m/min）；-脉冲当量，（mm/步）。从机电专业课程设计指导书表3-23中查出130BF001型步进电机允许的最高空载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz。再从机电专业课程设计指导书图3-17，图3-18查出130BF001步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图3.2，图3.3所示。从图3.2看出，当步进电机起动时，时，。远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制，将起动频率降到1400Hz，起动力矩可增高到342.3，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图3.3）完全可以满足要求。图3.2 130BF001型起动矩频特性图3.3 130BF001型运行矩频特性3.6.2 X向进给步进电机计算（1）等效转动惯量计算计算简图见图3.4图3.4 Y向进给系统计算简图传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算：参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转动惯量。；W=9.36(N)。代入上式： 考虑步进电机与传动系统惯量相匹配问题。 基本满足惯量匹配的要求。（2）电机力矩计算机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载起动力矩在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例比较大，具体计算公式如下：折算到电机轴上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩： 上述三项合计：快速移动时所需力矩最大切削负载时所需力矩 对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小，而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负载力矩往往小于加速力矩，又由上述计算可得，三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，所以以此项作为初选步进电机的依据。从机电专业课程设计指导书表3-24查出，当步进电机为五相十拍时 最大静力矩 按此最大静转矩从机电专业课程设计指导书表3-23查出，130BF001型最大静转矩为9.31，大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还需要进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。（3） 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 从机电专业课程设计指导书表3-23中查出130BF001型步进电机允许的最高空载起动频率为3000Hz，运行频率为16000Hz。再从机电专业课程设计指导书图3-17，图3-18查出130BF001步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图3.5，图3.6所示。从图3.2看出，当步进电机起动时，时，。远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制，将起动频率降到1400Hz，起动力矩可增高到342.3，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图3.6）完全可以满足要求。图3.5 130BF001型起动矩频特性图3.6 130BF001型运行矩频特性3.6.3 Z向步进电机的计算Z向步进电机的计算和选型与Y向相同，此处不再赘述。4 控制系统硬件设计4.1控制系统的功能和要求分析工作原理是以PC机强大的硬件与软件资源为后盾，借助于运动控制卡提供的运动函数库，运用Vc+语言编制直线、圆弧插补运动轨迹图形程序，通过板卡接口输出PC机运算结果的运动控制脉冲数和运动方向控制等信号，经过伺服驱动功率放大器放大后，驱动步进电机转动，再通过滚珠丝杠传动机械，驱动十字工作台运动。从而，最终实现按编制的运动轨迹作伺服运动或按编制的加工零件轮廓图形作精确的插补定位运动。4.2 控制系统的组成一套完整的运动控制技术的数控系统主要由以下几大硬件构成：PC机、运动控制卡、电机(直流伺服、交流伺服、步进)、编码器、驱动器(如果运动控制卡包含有驱动功能，则驱动器可以不要)、直线运动单元、其他传感器(光栅尺、限位信号等)。4.3各组成部分的设计4.3.1 PC机和运动控制卡PC机是控制系统的上位机，主要利用它的强大信息处理、较高的运算速度、组网能力和通用的人机交互能力。在数控系统中主要任务是对加工文件进行处理并转化为一定的信息传给下位机对工件进行加工。市面上有较多的运动控制卡以固高较为常见，运动控制器典型的为西门子和贝加莱，我们选择基于PC的PCL839运动控制卡。图4.1 PCL运动控制卡开关信号电源开关信号方向与脉冲信号电源开关即使能信号开关信号总线控制命令电平信号ISA插槽 行程开关操作面板控制器I/O接口板强电控制继电器熔断器空气开关步进电机驱动器冷却泵电机主轴调速电机轴步进电机轴步进电机轴步进电机PCL-839PC机图4.2 系统框图PCL839运动控制卡的主要特点如下：（1）3个步进电机的独立、同步控制：PCL-839有自己的CPU，有三个独立的脉冲发生器，能同时控制三个轴的动作，为每个步进电机提供驱动脉冲和方向控制信号；（2）PCL-839卡的应用程序为步进电机的控制设计了友好的用户接口，使得它的应用程序编写简单；（3）它提供了包含设备驱动的“C”库函数，那里有步进电机常用到的一些指令；在用VB或VC编写应用程序时，可以直接调用这些库函数，为编程者提供了极大的方便；（4）指令提供了对PCL-839卡的指令设置功能，可直接访问卡上控制器的寄存器；（5）它有单机编译系统，并提供了PROG839.EXE编译软件，这是一个单机的非常驻程序的编译软件，可不用编程而直接用于控制步进电机；（6）它提供带光电隔离的16路通用数字输入和16路通用数字输出普通接口（16路DI和16路DO）；（7）有独立的保护措施；（8）每轴5路用于行程开关的隔离数字量输入：839卡的脉冲方向输出和5个限位开关与PC机是独立的；（9）它有两种操作模式：双脉冲(+、-脉冲)式和单脉冲(定向脉冲)式；（10）16Kpps步进速率:可编程的步进速率达116kpps(pulses persecond)；（11）具有可编程梯形曲线规划和S曲线规划，在线刷新运动控制参数功能，具有可编程的初始速度、终止速度、持续时间以及执行梯形加减速度；（12）具有连续直线插补、圆弧插补及三轴联动轨迹插补算法。4.3.2电机、驱动器、编码器电机为数控系统的执行部件，数控系统上采用的电机主要有步进电机、交流、直流伺服电机和直线电机等。我们选用步进电机。4.3.3其他传感器光棚尺是一种对机床进行位置检测的光电式传感器，在要对位置进行更精确的控制时，需要对系统组成一个全闭环系统，光栅尺安装在最终的运动对象上，所以能满足全闭环的控制要求。光栅尺一般分为绝对式和相对式，绝对式的光栅尺每次开机时不用回零点，相对式的光栅尺每次开机需要回零来确定当前位置信息。4.3.4直线运动单元直线运动单元是数控系统中的运动执行机构，主要由以下部分组成：精密研磨的滚珠螺杆、台架、电机、固定的基座、方轨支撑轨道、往复循环支撑壳体等。5 控制系统软件设计5.1 软件实现的功能基于PC的开放式数控系统是数控系统发展的主流趋势，其中的一个重要原因就是PC运行在通用的Windows操作系统上，并且有大量相关的应用软件可供使用11。基于DOS平台的数控系统经过多年的发展，技术上己经比较成熟。Windows系统的推出，使PC机的操作系统发生了革命性的变化，与DOS相比Windows拥有许多优点，正是基于上述优点，Windows成为最流行的PC操作系统，因而在Windows平台上开发数控系统在全球也成为一大热点。开发基于Windows平台的数控系统，其中非常关键的一个问延就是如何满足和实现控制系统的实时性要求当然，Windows操作系统的多任务弱实时性对实时控制系统是不利的，但若采用能独立运算的运动控制器或灵活地利用CPU的高速运算性能，扬长避短，就可以弥补不足，满足开放式数控系统的工作要求。5.2操作平台的选用因为Windows XP平台作为钻床的数控平台具有如下好处：(1)友好的图形用户界面和丰富的软件资源；(2)技术成熟，用户数量多，开发工具齐全而完善；(3)支持基于线程的抢先式多任务机制；(4)运行机制更加安全，一个应用程序崩溃不会影响其它程序的运行；(5)操作、配置、调试都非常方便；所以本设计的操作平台选取了Windows XP。6 结 论（1）钻床控制为点位控制，所以这种运动控制的特点是仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关，相应的运动控制器要求具有快速的定位速度。（2）此次设计的龙门型数控钻床经济性性价比较高，各个部件的选择也是标准件，材料的选择也是在满足要求后选择的低价材料。（3）由于数控机床的精密要求，所以在设计的时候不得不考虑它的刚度要求及抗振性要求，这使得在设计床身的时候就要考虑到它所承受的各种外力的情况，在这方面，我针对床身的材料、厚度及其机构几方面进行了设计。（4）在传动方面为适应其加工范围、工艺要求、加工精度及自动化要求等方面，对主轴进行了设计使其具有较高的热稳定性，并能保证配合精度，并且还对X、Y、Z轴及其它相关零件进行了计算。在进给伺服系统的设计中，因其要求定位精度高、跟踪指令信号的响应快、系统的稳定好等，首先对其进行了分析并根据其要求完成这方面的设计。（5）在设计微机控制系统时，根据各种类型运动控制卡的不同应用，我们选择了PCL-839型运动控制卡，并且根据该运动控制卡我们选择了软件的操作平台及设计了程序并进行调试。参 考 文 献1. 周建亨，何勇，李恩光.数控钻床的控制系统设计J.中国纺织大学机械系,2012.06.2. 王凡.微型数控钻床控制系统设计与分析J.太原机械学院学报,1994（45）：44-50.3. 黄立宏，贺莹，武淑娟.一种PLC直接控制的简易数控钻床的方案研究J.产业与科技论坛,2008（5）：107-109.4. 田丰果，贺莹，武淑娟.基于PLC控制的简易数控钻床J.贵州大学机械工程与自动化学院,2009.4（2）：25-27.5. 王冰，王成勇，汤宏群，宋月贤，陈明.印刷电路板高速数控钻床的特点及关键技术J.广东工业大学，上海交通大学，广西大学,2009（43）：3-12.6. 蔡庚富.用于PCB工业的数控钻床发展趋势J.电子部十五所,17-19.7. 吴俊刚，张力，王英章，徐宗俊，李坚.PCB数控钻床多体系统动力学的建模与仿真J.重庆大学机械工程学院,2005.3：6-8.8. 曹娜，汪永超，刘云峰，刘勇.一种多工位专用数控钻床的设计研究J.四川大学,2009.9（9）：143-144.9. 王英章，张力，李坚，吴俊刚，陈旭.PCB数控钻床高速加工过程模拟及分析J.重庆大学,2004（11）：64-66.10. 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