毕设开题报告

题目：印刷线路板数控加工机床的设计学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化指导教师：年月日1.文献综述1.1序言伴随计算机、通讯、消费类等电子产品的需求增长，PCB是电子产品中不可或缺的零件，PCB板的需求急剧增长，从而带动有关设备的需求也在迅速增长，而PCB数控钻铣床又是加工PCB的专用设备，PCB数控钻铣床自身质量和性能的提高，将会对PCB产业甚至电子产业都会有很大的推进，其中就包括PCB数控钻铣机[1]。不过，PCB数控钻铣机的关键技术一直掌握在欧美、日本以及中国台湾地区某些企业的手中。国产PCB数控钻铣机在性能、可靠性等方面和国际先进水平相比尚有一定差距，市场拥有率较低[2]。因此，研究PCB钻铣机对于打破国外技术壁垒，改善和提高PCB数控钻铣设备的整体性能，增强国产PCB数控钻铣机的市场竞争力具有重要意义。印制线路板的工艺流程比较复杂，如图1所示[3]图1工艺流程图1工艺流程在整个制造过程中钻铣是十分重要的工序，其中孔的加工占用的时间也是最长的，孔的位置精度和孔壁质量直接影响后续孔的金属化和贴片等工序，也直接影响印制线路板的加工质量和加工成本。目前PCB钻孔的措施重要有：机械钻孔、机械冲孔、电子束加工、激光钻孔等。冲孔的尺寸精度及孔壁质量难以保证；电子束加工成本高，且易导致树脂高温受热融化而产生严重的污斑；激光钻孔不存在工具消耗，在高密度孔、盲埋孔及微孔加工等方面具有很大优势[4]。不过，激光钻孔设备成本高、孔壁质量较低，并且对被加工材料有限制，使得激光钻孔重要用于PCB板上的盲埋孔及微细孔等机械钻孔难以实现或不能实现的场所[5]。因此，目前近90%的PCB孔由机械钻孔机来实现的。针对自助开发PCB板的爱好者和电器厂家，研发适合小模块电路的PCB板数控钻铣设备是必要的。弥补市场小型钻铣设备的空缺，以减少自助研发加工的成本。1.2国外PCB数控钻孔机的发展现实状况20世纪60年代，电子产业开始迅速发展，对PCB的制造工艺水平及效率提出了更高的规定。发达国家的许多PCB加工设备制造商为了满足市场的需求，使自身的产品更具市场竞争力，投入了大量的人力、物力和财力去研发性能更优的PCB加工设备。专门用于PCB打孔的PCB数控钻孔机正是在这种大环境中诞生[6]。近几十年来，伴随有关技术的不停提高，国外PCB数控钻孔机在钻孔效率、钻孔精度及微孔加工能力等方面获得了巨大进步，部分高端产品已经可以到达如下技术指标：X、Y轴运动速度90m/min；Z轴运动速度30m/min；主轴最高转速300000rpm；定位精度±0.004mm；反复定位精度±0.002mm；钻孔精度±0.015mm；最小钻孔直径0.1mm[7]。目前，国外著名的PCB数控钻孔机厂商有：德国SCHMOLL、日本HITACHI、以及美国EXCELLON等。1.3国内PCB数控钻孔机的发展现实状况上世纪八十年代，印刷电路板孔的精度不商、孔径较大、数量少、生产效率规定也不高，一般采用手工机械钻孔[8]。由于数控技术的发展、提高和普遍应用，尤其是制造工艺规定越来越高，数控技术引入了印刷电路板钻床，于是便产生了印刷电路板数控钻床。我国60年代开始研制和生产印刷电路板钻床，90年代产品属于半自动化设备。90年代中期，我国的印刷电路板数控钻床制造业迅速发展，深圳大族数控科技、深圳大赢、惠州天马、福建麦雅等开发并生产出性能和精度较高的印刷电路板数控钻床[9]。此外，台湾地区的印刷电路板数控钻床也展现出蓬勃发展的景象，重要的生产企业有东台企业、恩德集团、龙泽企业、大量企业等。这是这个时期的钻孔机弥补了国内PCB数控机械钻孔机产品的空白，不过该类型产品与国际先进水平相比尚有不少的差距[10]。重要体目前如下几种方面[11]：加工效率。国内钻孔机正常钻孔速率可以到达350孔/min，而国外的先进钻机可以正常工作在500孔/min；（2）加工精度。国外钻孔机的钻孔精度可以到达±0.015mm，相比之下国产钻孔机的钻孔精度只能到达±0.05mm；（3）可靠性。国产整机平均无端障工作时间在300小时，与国外平均800小时相比有很大差距；（4）微小孔加工能力。国内钻孔机最小钻孔直径可以到达0.2mm，而国外则可以到达0.1mm。由于这些差距，国产PCB数控钻孔机在行业内大概只占了10%的国内市场份额，重要是面向中低端市场。1.4PCB数控钻孔机发展趋势伴随电子产品的便携式、小型化，电器产品的加速升级换代，多种PCB制造新技术不停出现。重要趋势是向着多层、高密度、高纵横(1/26)比方向发展[12]。如2.6mm板可以作到24层，最小线宽、线距可以做到10μm×25μm；因此对PCB板加工设备需要满足更高规定。市场对设备的精度与效率同步提出了更高的规定，这给设备的制造带来了更大的难度[13]。很久以来，机床的构造设计基本上是根据老式经验设计措施进行的，对其动态性能只做粗略的经验性考虑。为了获得一种满意的成果，常常需要多次循环地试制与修整设计。导致这种状态的重要原因，不仅在于机床是一种由众多零部件构成的复杂构造，还在于多变的动态工作条件下，对它在工作中出现的某些振动的机理及其与各部分构造的定量关系尚不清晰，并且还在于构造动态分析的理论和措施也不够完善，动态分析的计算量又很大，没有先进的仿真与计算工具也无法完毕。伴随计算机的发展，数字化样机技术又称为机械系统动态仿真技术，得到很快的发展，数字化样机技术是20世纪80年代迅速发展起来的一项新技术，是目前汽车和航空领域普遍使用的一种措施，其关键是机械系统运动学和动力学仿真技术，同步还包括3D建模技术、有限元技术、机械工程学、流体力学、振动力学、电力电子学、电机学、电气传动、精密测量学、计算机学、光学、计算数学、最优化技术等有关技术。工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行多种动态性能分析,然后改善虚拟样机设计方案,用数字化形式替代老式的物理样机。运用数字化样机技术可以缩短研发周期，节省资金，提高产品设计质量[14]。在设计的阶段就采用多学科联合设计、仿真与测试，在虚拟样机阶段就对产品的功能与性能作出预测，通过协调各个系统的参数，使产品的设计指标得到保证；平衡各个学科之间的冲突与干涉，使其到达最佳耦合。可以简化机床产品设计开发过程，将大幅度缩短产品开发周期，减少产品开发费用和成本，明显提高产品性能,获得最优化和创新的设计产品。对PCB钻铣机来说，只有通过先进的设计措施和测试手段才能保证产品的高速、高精度、高稳定、低成本。2.本课题要研究或处理的问题和拟采用的研究手段及途径：2.1本课题要研究或处理的问题设计内容：设计一台小型钻铣床，重要用于加工盘类零件或印刷电路板等零件。工件厚度为0.5mm～30mm，材质可铜类、铝类、钢类等。控制系统采用开环点位控制。主轴要有重力平衡装置。小型钻铣床机械、控制电器、功能软件的设计。技术规定：XY工作台的脉冲当量为0.01毫米，工作台最大移动速度5米/分钟。根据设计内容和技术规定PCB钻铣设备应实现两轴联动的效果，并对PCB板上定点钻孔和其他零件的外轮廓铣削功能。2.2本课题拟采用的研究手段及途径毕业设计可先查阅有关资料及文献，使自己对数控钻铣床机械构造设计有一定的理解，然后通过计算和查阅有关手册选择对应零部件，最终使用AUTOCAD及solidworks等设计软件进行构造设计，并绘制图纸，对重要件的强度校核进行强度校核计算。通过查阅资料设计数控钻铣床机械构造设计，到达各部件选型对的、合理，制图符合工程规范，设计计算阐明书规范，到达能初步掌握产品设计的一般流程，对产品的设计有一种初步的理解。PCB板钻铣床的设计应结合数控铣床和台式钻床来进行有关的机械系统设计和数控系统设计。其中数控系统设计包括电气控制系统设计和软件系统设计。使用三维制图软件设计机械系统的各个零部件。再进行装配模拟，分析各部件与整体构造之间关系。在此基础上逐渐细化各部件运动关系。对于零部件的选用尽量采用国标，防止增长不必要的加工成本。通过得出的想要实现的运动功能，进行数字控制系统的设计。绘制数控系统工作原理简图。由要实现的运动绘制电气原理图和软件程序设计流程图。编写实现该机械加工的汇编语言文献。2.2.1机械系统的总体方案机械系统由主轴和X-Y工作台设计两大部分，需要根据技术规定完毕主轴的设计和计算。绘制手绘草图进行从整体到局部分析，使用三维制图软件进行绘制图纸。并且使用软件进行模拟装配和制定运动。根据机械运动模拟仿真的状况得出分析判断的成果重新设计修改。根据老式机床整体布局示意图来设计PCB钻铣设备。如图2所示。44356121.工作台2.主轴3.主轴箱4.步进电机5.步进电机6.导轨图2老式机床整体布局示意图2.2.2机械部分设计⑴Z轴的设计Z轴要实现的垂直方向的往复运。并且实现加工工件高度方向上的尺寸。由加工工件的厚度和刀具的高度来决定Z轴所选的丝杠长度。根据承担主轴和刀具的重量计算出所选电机的型号。从而确定整台设备的最大高度。并将设计计算得到的数据使用三维制图软件设计出来。⑵主轴的设计因所设计的钻铣床重要进行立式的钻和铣，因此主轴箱轴向摆放为立式的构造布局。主轴箱中机构为了实现可靠稳定的无级变速功能，主轴应当能可以完毕传递扭矩和承受轴向力。要根据这两个条件来设计与动力源和刀具相配合的机械构造。主轴的支撑装置的设计根据能量传动关系来设计。既要保证刀具高速切削时的稳定性，又要保证主轴构造的合理简朴实用。并将设计计算得到的数据使用三维制图软件设计出来。⑶X-Y工作台的设计图3X-Y工作台简图图3X-Y工作台简图通过设计计算的数据以及绘制的各个部分零件三维图进行装配，并且进行机械运动的模拟。根据运动模拟的状况来分析整个机床运动状况，对不符合设计想法的地方进行修改或重新设计。2.2.3数控系统的设计根据机械系统的估计完毕的动作进行数控系统的总体方案的确定，如图4所示：图4数控系统总体方案确定图4数控系统总体方案确定软件和硬件系统电气系统机械系统⑴X-Y数控工作台总体方案分析根据数控系统总体方案详细地对X-Y数控工作台总体方案进行确定。如图5所示：图5X-Y数控工作台总体方案图5X-Y数控工作台总体方案微控制器(MCU)I/O接口电路放大电路执行器件机械传动机构机械执行机构X-Y数控工作台是实现平面X、Y坐标运动的经典关键部件，可以分别沿X向和Y向移动。控制系统可选用原则的工业控制计算机，也可设计专用的微机控制系统。本设计用AT89C52构成专用单片机控制系统，从键盘输入G代码后，能通过直线插补和圆弧插补，完毕平面轮廓加工。基于AT89C52单片机的原理上设计了一种小型的微机控制系统，运用C51编程将控制信号送到执行器件（X和Y向步进电动机），通过机械传动机构（丝杆传动），带动机械执行机构（工作台）做X向和Y向的运动；实现四象限单坐标迅速定位，双坐标直线、圆弧插补等功能。⑵电气控制系统的设计电气控制系统的设计部分重要包括对电气原理图、电气安装布线图和电器元件布置图。为机械系统提供动力的装置并附带对应动力的控制装置。使用PLC控制整个动力装置，实现主轴电机、Z轴步进电机、X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制。同步对其他辅助装置的控制。并且进行逻辑算法上的控制，保证加工的精确、迅速和稳定的优良性能。⑶软件系统和硬件系统的设计机床要实现定点定位钻孔和铣削的功能。软件系统通过对电气系统的指令规定来实现对机械构造的运动的控制。根据需要要实现的机械运动和电气控制原理图结合软件系统构造设计、顾客界面设计、数据库设计、模块设计和数据构造与算法设计的流程来选用适合该产品的软件系统。根据软件系统来选用合适的硬件电路。并将设计好的软件程序导入设计的硬件系统中进行调试。参照文献1刘小敏,王元生.我国数控机床的现实状况与发展[J].机械研究与应用,,04:23-25.2龚永林.印制电路新技术综观[J].印制电路信息,,01:8-14.3王星,宋福民,肖俊君.PCB数控钻孔机开发与应用综述[J].电子工业专用设备,,04:30-36.4龚永林.印制电路产业回忆与今年展望[J].印制电路信息,,02:5-12.5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].工具技术,,12:3-10.6郭钊,游有鹏,张礼兵,杨雪峰.PCB钻孔机数控系统的加减速控制措施研究[J].伺服控制,,08:52-54+51.7马飞达.PCB数控钻床XY轴的构造优化设计与分析[D].四川：西华大学,.8刘定昱,王星,蔡小丽,翟学涛.PCB数控背钻机械钻孔机钻孔深度异常原因分析[J].印制电路信息,,03:46-50.9马杰.PCB钻孔机专用数控系统设计与开发[D].南京：南京航空航天大学,.10郭钊.基于PC的PCB钻孔机数控系统的研究与开发[D].南京：南京航空航天大学,.11蔡芸.三坐标PCB数控钻铣床主从式控制系统的设计开发[D].新疆：新疆大学,.12唐小会.基于