小型数控钻床及其控制系统设计（全套含CAD图纸）
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$ 第一章 绪论 第一章 绪论& 1.1 概述制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家或地区的经济实力、科技水平、生活水准和国防实力。其中机械制造业是制造业的核心，为各行业各部门适时的提供各种先进、经济、可靠的机械装备。机械制造业的生产能力和发展水平标志着一个国家或地区国民经济现代化的程度，而机械制造业的生产能力主要取决于机械制造装备的先进程度。金属切削机床是机械制造业的基础装备，是用切削的方法将金属毛坯加工成机器零件的机器，习惯上称为机床。在现代制造工业中，机床是加工零件的主要设备，它的技术水平直接影响机械制造工业的产品质量和劳动生产率。我国的机床工业是在新中国成立后建立起来的，虽然已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。数控技术是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。本文侧重于叙述用于PCB板钻孔的数控钻床。& 1.2 CNC钻床技术印制电路板(PCB)制造技术是电子信息制造业的重要基础和组成部分。印制电路板(PCB)数控钻床是印制电路板精密孔位加工关键的工艺装备。伴随着以通信、计算机、视听设备等为代表的电子产品“小、轻、薄”的发展趋势和特点，给印制电路板数控钻床提出了更高的要求。精度高、速度快、孔小而多、行程短已成为新一代PCB数控钻床发展和提高面临的主要难题。 1.2.1 CNC钻床技术的主要特点用于PCB工业中的CNC钻床技术具有诸多的优势与特点：(1) 普遍采用较先进的控制技术 当PCB工业中人们使用的CNC钻床普遍采用的是较先进的主从结构的多微计算机CNC技术或叫一主多从的多CPU控制技术。从CPU在主CPU的控制下分控某些特定的功能与部件，使之与主CPU保持高度的一致性。(2) CNC钻床速度快，精度高，质量好 CNC钻床一般每个电主轴都安装有Z轴控制深度测量装置。能实时检测出PCB叠层与电主轴压力脚之间的距离，并使之控制在一个合适的范围内，使电主轴移动距离最佳，钻孔速度最高。Z轴独立驱动，电主轴用气浮轴承，大大地减少了摩擦；使加速和减速的时间缩短，从而使精度提高，速度加快，同时由于使用了高动态伺服马达， 只需若干毫秒就能使电主轴加速到最高速度。目前电主轴的最高运转时速能达到120 000rmin。钻孔直径0.1 mm小孔。位置反馈采用线性磁尺或直线光栅，组成闭环反馈回路，使钻孔定位精度可达0.003mm，重复定位精度可达0.002mm。(3) 具有自检自控功能 CNC钻床，一般都具有较强的自检自控功能。其设计思路是，在主CPU的控制下，有一个从CPU在全闭环控制系统下，负责对钻床的各个部位进行动态检查，发现问题及时在显示器上显示出来。有的还一边显示，一边报警。有的在工作人员排障方法不得力时，为了保护机器，甚至能自动停止机器运转，使之处于待命状态，以保护机器不出大的问题。同时，每个主轴都安装激光测试径向跳动装置，使每个主轴处于最佳状态。折断钻头是实际生产过程中常有的事，如果不能及时发现更换，就有可能出现该钻的孔没钻，折断的钻头还可能划伤PCB，直接影响PCB的质量。为了解决这个问题，如今CNC钻床在主轴上都安装了断钻检测装置，钻头断了机床会自动停机，告知断钻位置，并更换新钻头，自动检测钻头直径后，再重新钻孔。另钻铣床具有了自检自控功能后，能自动控制钻孔深度及钻尖与盖板之间的距离，一般不会钻坏床子的工作台面。(4) 工作台面移动采用气垫加磁浮，确保工作台面不划伤。一般情况下，当空气轴承出现问题，机器处于不平衡状态时，很容易划伤工作台面。CNC钻床普遍采用气垫加磁浮的方法，X轴和Y轴用气浮导向，工作台面用气浮支撑，台面定位驱动采用DC伺服马达，配有精密的滚珠丝杠和预加载双螺母校正。使工作台面移动更轻更稳定，加减速的时间大为缩短。一旦机器出现不平衡，磁浮会吸住台面，让机器停下来，保护整个工作台面不受损伤。同时，X轴和Y轴分离改变了传统的重叠结构。X轴和Y轴置于大理石结构的中央，这样始终保持工作台面处于最佳平衡状态，提高了钻孔的精度。CNC钻床还可进行软件编程限位，除了能自动测量刀具长短大小外，还能管理刀具等。(5) 电主轴头数多、幅面大 为了提高生产效率，适应大规模自动化生产的需要，如今的CNC钻床一般都是46个钻主轴。主轴增加以后，台面尺寸就要相应地增加，X轴和Y轴的编程也要随之扩大，(普遍地在600mm600mm以上)，轴行程增加则钻孔面积也都要相应地增加。(6) 具有多种编程功能 现在市场上的CNC钻床至少具有两种以上的编程功能。 1.2.2 CNC钻床技术发展的由来二十世纪中叶以前，人们用于PCB打孔的手段主要是靠人工作坊式的手动和半自动的金属冲、钻、压等机床设备。既笨、重、厚、大，且速度慢、功能少，性能差。60年代初以来，工业发达国家的许多PCB加工设备设计、生产厂家，为了满足人们的要求，使自己生产的产品具有强劲的市场竞争能力，纷纷投入较大的人力、物力和财力，对PCB加工设备存在的问题进行针对性攻关，终于在60年代初取得了可喜的成果。据有关资料记载，世界上第一台CNC机床是1952年在芝加哥机床博览会上面世的，专门用于PCB工业的CNC钻机，约比用于金属切削用CNC机床晚10年，是60年代初才面世的，从此开辟了PCB工业CNC钻床技术发展的新局面。 1.2.3 CNC钻床技术发展的几个阶段CNC钻床技术的发展已有近40年的历史了， 关于其发展阶段的划分，目前学术界暂尚无严格的统一说法，概括起来大致分为以下三个发展阶段。(2) 数据控制(NC)阶段 据有关资料记载，专门用于PCB工业的CNC钻床技术起步于60年代初。从60年代初至70中期年代是用于PCB工业CNC钻床技术发展的初始阶段。这个时期的CNC钻床许多地方还基本上没有脱离开金属切削机床的模式，是一种数字控制(NC)或硬件CNC装置。硬件CNC是一种布线编程的数字控制装置，主要是由硬件来实现CNC功能的，其装置是用各种电子元器件、逻辑元件、记忆元件布线组成随机逻辑电路，在各元器件之间以固定的硬线联接，从而搭成专门用来完成某个特定CNC功能的装置。(2) 计算机数字控制(CNC)阶段 70年代中期到80年代后期，这一时期基本上是同一生产厂家生产的CNC钻床，同60年代相比，是两个完全不一样的产品，看不到太多的继承性，给人以脱胎换骨的全新感觉。这个时期的CNC钻床，布线程序控制器被可编程序存储控制器取代，人们以小型或微型计算机作为核心装置的数字控制系统被称之为CNC装置或软件CNC。(3) NC和CNC兼顾的普及应用阶段 NC过于死板，很难适应PCB工业发展的需要。CNC虽然很灵活，但也受到了计算机内存储空间狭小等因素的制约，满足不了大规模工业化生产的要求。80年代后期和90年代以来，科技工作者在实践中摸索出了许多将软件功能硬件化，硬件功能软件化的方法与途径，较好地实现了硬、软功能的高度兼容与互补，使得用于PCB工业的CNC钻床又有了很大进步。如今的CNC系统大部分都装有PLC硬件结构一般可分为单微处理机结 构和多微处理机结构。多微处理机结构的CNC系统不断地随着现代制造技术的发展而发展，使之能适应更高更广泛CNC功能的需要。 1.2.4 CNC钻床技术的发展现状1. 国外CNC钻床技术的现状纵观国外CNC钻床技术的现状，综合起来具有以下的共同点： (1)底座为200多毫米厚，经过精密研磨加工的花岗石，以供作工作台面轴向移动的导向基准面，稳定不变形，有救地防止了有规则的机械振动。有的还采用独创的自平衡空气轴承系统，可使机床以极高速度及加速度运行而无震动。(2) 花岗岩基座与机器零、部件加工和装配均经过激光干涉测量仪严格地检测了其几何形状及位置精度，从而确保了机床的系统精度，才使得钻机的钻孔定位精度能达到0.002mm。(3) 大部分钻床的无套环钻头管理系统与回转或双阵列刀具库，可更换多达360个钻头。新的刀具管理系统由于减少了刀具的装卸，从而避免了在装配过程中容易造成的断钻机会，提高了钻孔精度。(4) 有两个刚性刀具夹，位于主轴与刀具库之间供作自动更换钻头之用，其存放顺序由CNC装置控制。(5) 激光检测电主轴中的钻咀长度、直径及动态径向偏移，从而使钻铣的主轴具有高度稳定性和精度，一般都能自动控制钻头尖与盖板之间的距离，Z轴的光学电子尺更可控制钻孔的深度，特别适合于多层PCB加工。配置的断钻自动检测装置，钻头断了会自动停机， 告知位置并更换新钻头，检测合格再重新钻孔。(6) 自动上下料装置都已十分成熟，一般地有16个左右的分层托盘，由CNC控制升降，进行装御。装御时间每批次约19s。目前世界上CNC钻铣床生产厂家，如美国Excellon 2000系列及Adranced Controls的2500、1000系列，意大利Pluritec公司的MEGA系列、德国Klinglnberg公司的Mieronig系列及日本日立公司和瑞士Posalux公司的产品，都是不相上下，各有特点的好产品。2. 国内CNC钻铣床技术的现状目前我国CNC钻铣床的整体技术水平是钻孔精度已达0.1mm，电主轴最高转速有的已达80 000rmin， 大部分均在50 000rmin左右。钻孔直径在0.3 mm6.0mm之间，系统分辨率在0.001mm左右，加工幅面在460mm610mm之间，传动方式普遍采用了较先进的滚珠丝杠。从宏观上说，我国CNC钻铣床近几年来的成果在技术功能和可靠性方面均接近或达到了国外的先进水平，而价格却比国外产品差不多要低58倍(有的只有国外产品三分之一，甚至更低)，从长远的服务、维修和更新方面，比国外产品具有明显的优势。但整体上来讲比世界上几家著名CNC钻铣床厂家生产的产品的差距的确仍还很大，个别的如伺服电路，我国现还停留在开环或半闭环状态，而工业发达的国家生产的CNC钻铣床在20年前就采用的是全闭环控制系统，电主轴的转速工业发达国家的产品太多在110 000rmin120 000rmin之间，同时，即将会有120 000rmin以上速度的主轴问世，而我们国家目前最高也就是80 000rmin，还有如光栅尺、驱动电机等，从技术水平性能状态上，都比人家要差一节，有的差距还很大。目前我国CNC钻铣床生产已形成批量的有石狮天马、成都维科(原四川台钻总厂)、重庆万象、上海东源、重大机电 江苏康尼、镇江润州等企业，他们的产品都各有特色。 1.2.5 数控钻床技术的发展趋势数控钻床技术的发展，概括起来有以下发展趋势。1. 总线、开放式、模块化结构CNC钻床将是今后发展的主流CNC钻床技术发展近几十年来无论在结构与功能上，还是在操作与控制上都有了非常大的发展和可喜的成就，以大板或总线模板结构为基础，在插槽中置备各种相应的功能模块组成多CPU的CNC钻床装置，已成为当今CNC钻床硬件的主要形式。在显示方面，CRT直观形象，配合图形输入软件，人机会话功能等，不但能有效地显示字符，还能并行显示图形及加工程序，彩显示的对话框及提示，提问式的操作帮助，使键盘操作十分简单方便。电主轴等采用模块设计，装卸方便，约15分钟可完成主轴装卸的全过程。CNC上一般都设有功能软件和下拉菜单驱动方式，使人机对话方便快捷明了。用PLC和PMC作为CNC钻床的控制器，用作CNC钻床的逻辑控制，使CNC钻床控制能力得到了极大的提高。现代CNC系统要求控制系统的硬件体系结构的功能模块要具有兼容性，软件的层次结构、模块结构，接口关系等规范标准，以便于机床用户有自动化开发环境和二次开发， 最大限度提高用户的使用效益。2. CNC钻床的自动化程度会越来越高CNC系统越来越先进、存储容量越来越大，足可除了存储机器系统程序外，至少可以存储几万个钻孔程序段。为自动化钻孔提供了保证。多机联网、单元模式结构的设计概念能实现多过程、多通道控制，具有极大的柔性，为大规模的自动化生产提供了基础。如意大利Pluritec公司推向市场的一种组合式CNC钻孔机Multistation是单主轴模式的多工作间钻孔机床，可由16个工作站组成，技术设计最多可连接32个工作站。每个工作站装备有一个主轴头和一个CNC44.00控制装置。并由中央CNC56.00系统对各工作站进行整体管理与独立控制 。6个工作站可以执行同一钻加工程序，也可以相互独立地执行不同的钻加工程序。各工作站还可以通过Ethernet网络与CAD站及主计算机组成的网络系统执行直控的CNC钴加工程序，该机配置有UNIX操作系统，很容易实现多机联网。自动上下料装置的发展和技术不断成熟的程度，也为大规模自动化钻孔提供了保证。大型刀具库的出现，为较长时间自动化生产提供了便利。PCB叠层采用无销钉气动夹紧装置，一改传统的孔槽定位方法，对实现大规模自动化钻孔更为有利。CNC钻削过程中所有主轴都配备有断钻自动检测装置，为大规模 自动化生产过程解决了由于断钻造成PCB质量事故这一大难题。3. CNC钻床将继续向高速、高精度、钻微细孔和盲孔方向发展众所周知，研制生产高速、高精度CNC钻床的目的主要是为了解决钻微细 孔(0.1mm0.5mm)时容易发生的断钻头和多层PCB板加工问题。随着电子产品轻、薄、短、小要求的不断深化，打微细小孔和盲孔，生产多层PCB板，将是今后PCB生产的主产品，在CNC钻床现有技术的基础上，继续探讨，研制 高速(120 k rmin以上)，高精度(0.003mm以上)，CNC钻床是未来打微细小孔、钻深孔(深度直径比为20：1 ) 和盲孔的需要，也仍是今后一个时期内CNC钻机发展的主攻目标。CNC钻床的生产同时将会尽可能地采用市场上业已成熟的部件，以有效地缩短研制时间和生产周期，从而达到减少重复劳动，技术集成，为我所用，加快市场周转的目的。德国西门子公司生产的CNC系统，现德国、意太利、英国的生产厂家都选用它。英国西风公司生产的电主轴也已被好几个著名CNC钻床生产厂家所选用。4. WOP技术和智能化，将是CNC钻床发展的方向WOP技术和智能化CNC钻床系统能提供会话编程、蓝图编程和CA DCAM等面向车间的编程技术和实现二三维加工过程的动态仿真，将引入在线测试和模糊控制等智能机制。& 1.3 对我国先进CNC技术发展战略的几点思考1. 先进的CNC钻床技术是振兴我国PCB业的重要技术支撑，决不能疏忽和掉以轻心在机电产品中，PCB是先进制造技术中的基础，从某种意义上讲，PCB工业发达和先进程度是一个国家或一个地区或一个企业的工业现代化程度的象征。从宏观上看，我国现在的CNC钻床技术与工业发达国家相比差距仍还很大，但也是不可忽视的重要产业，仍需要国家给予重点扶持。 同时还需象原来那样，打破部门条块分割局面，对关键技术和上台阶发展技术集中资金和人力攻关，取得突破与经验，即广为推广，以提高我国CNC钻床技术的水平，振兴我国的PCB工业。2. 先进CNC技术的发展和应用突出强调市场需求发展先进的CNC钻床技术，要从我国的实际出发，既要按市场需求又要符合技术发展规律与趋势。纵观我国几十年来的技术发展历程，较多考虑的是技术发展趋势，而较少考虑市场需求。当然，两者从长远和根本上来说并不矛盾，但从眼前来看，仍存在一个轻重缓急的安排问题，突出强调市场需求，可以使先进CNC钻床技术的发展和应用在振兴PCB工业和发展国民经济中尽快见效，可以使PCB生产厂家尽快上档次发展，也可以使CNC钻床生产厂家的市场竞争力得到明显提高，从而使先进CNC钻技术从科学的殿堂走人经济建设的主战场。从目前情况看，最好是国家主管部门牵头，优先几个产品，重点扶植开发研嗣、逐 步形成中国特色的经济实用的CNC钻床系列产品，以满足我国PCB工业的急需。3. 通过引进技术和对外合作，加强引进技术的消化吸收，形成自己开发能力从国内几家合资公司的发展经验看，走外引内联，引进国外先进技术，然后加以消化吸收的引进、吸收、开发、生产之路，实在是一种既快又省的便捷通道。对于尽快缩短我国CNC钻床技术与国外同行的差距，形成自主开发生产能力，提高我国CNC钻床的市场竞争力，都是十分有益的。4. 加强政策引导和政府组织能力，为先进CNC钻床技术的发展和应用提供有
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