印刷電路板高速數(shù)控鉆床設計原則和設計方法的探討

宋月賢，王 冰，王成勇（.廣東工業(yè)大學，廣東廣州 50006；.南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 004）

印刷電路板高速數(shù)控鉆床設計原則和設計方法的探討

宋月賢1，王 冰2，王成勇1
（1.廣東工業(yè)大學，廣東廣州 510006；2.南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇南京 210014）

印刷電路板高速數(shù)控鉆床作為一種超精密機械設備，有著特殊的設計原則和設計方法。探討了其設計原則和設計方法，對比了不同結構及運動方案的優(yōu)缺點。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計原則主要包括高精度，高速度，高剛度，高可靠性，高加工效率等原則；設計方法主要包括需求功能分析，整體布局的確定，設計方案的確定，整體結構和參數(shù)的確定。

印刷電路板；高速數(shù)控鉆床；設計原則；設計方法

0 引言

目前，由于多層高密度印刷電路板的發(fā)展和無鉛無鹵等環(huán)保印刷電路板的不斷推出，使需要機械加工直徑小于0.2 mm的印刷電路板超微細孔數(shù)量急劇增加，孔加工的質(zhì)量要求也高到了新的水平[1]。隨著鉆頭直徑越來越小，單位面積內(nèi)的鉆孔數(shù)量激增，鉆孔的位置精度、孔壁質(zhì)量要求顯著提升[2-3]；同時電子系統(tǒng)對PCB的要求是高密度、高集成、封裝化、微細化、多層化，以高密度互連板（HDI）、柔性板（FPC）、IC封裝板（BGA、CSP）等PCB品種將成為主要增長點，因此多層高密度印刷電路板超微孔的鉆削精度提升決定印刷電路板數(shù)控鉆床的設計水平也要隨之提升[4]。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計首先要確定其設計原則和設計方法，從而為進一步設計出具有高的鉆孔水平的設備奠定基礎。但是目前此種設備的設計多采用經(jīng)驗法，尤其是對設計原則和設計方法的研究更沒有相關報道。本文首次探討了印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計原則和設計方法。

1 印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計原則

印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計過程除了遵循一般設計原則外，作為超精密機械設備，它的設計原則又有其特殊性。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計，精度和速度是其出發(fā)點。設計中所使用的一切手段，其最終目的都要為設備的精度和速度服務。其設計要充分考慮印刷電路板鉆孔的具體特點和要求。為了最大限度的保證所設計的印刷電路板高速數(shù)控鉆床的精度，整個設計過程應遵循以下幾個原則。

1.1高精度原則

印刷電路板上的孔徑越來越小、孔的密度越來越高，這對孔的位置精度要求越來越高，決定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床必須有較高的定位精度和重復定位精度[5-6]。

1.2 高速度原則

印刷電路板高速數(shù)控鉆床在鉆削電路板時，工作臺的行程一般只有幾百毫米，在很高的進給速度條件下，只有在瞬間達到高速和在高速行程中瞬間準停，才能滿足電路板孔多而密的加工要求，高速和高精條件下的微細孔及深孔加工時PCB數(shù)控鉆床發(fā)展的目標[7]。

1.3 高剛度原則

PCB鉆孔加工的特點是運動系移動行程很短、起停非常頻繁，造成高速準確定位非常困難，其中加速度對運動系的動態(tài)特性影響最明顯。為此，應該適當?shù)募哟笥∷㈦娐钒鍞?shù)控鉆床靜態(tài)物體的質(zhì)量，減小移動部件的質(zhì)量來提高剛度。

1.4 高可靠性原則

印刷電路板高速數(shù)控鉆床的Z軸頻繁的連續(xù)往復運動，從控制角度而言只是點位控制，沒有準確的輪廓控制。由于印刷電路板的孔距小、孔密度高，這決定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床的運動距離短，而定位速度要求高。鉆孔的高頻率、高加減速度和24小時開機運轉(zhuǎn)等要求控制系統(tǒng)具有高速的處理能力和高加減速處理方法、較高的可靠性[8]。

1.5 高加工效率原則

由于多層高密度印刷電路板的孔密度已達1 600個/cm2以上，電子產(chǎn)品的開發(fā)周期也向短期化方向發(fā)展，PCB的交貨期進一步縮短，在同樣滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何縮短產(chǎn)品的交貨期是提高市場競爭力的重要因素。而鉆孔作為PCB制程中的重要一環(huán)，其鉆孔速度直接影響著產(chǎn)品的開發(fā)周期，這就決定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床必須要有較高的加工效率。

2 印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計方法

確定了印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計原則以后，就要根據(jù)這些原則來確定設計方法。設計原則的特殊性也決定了設計方法有其特殊性。印刷電路板高速數(shù)控鉆床的設計方法主要有以下幾個方面。

2.1 需求功能分析

印刷電路板高速數(shù)控鉆床是具有國際先進水平，用于高速鉆削印刷電路板的鉆孔設備。首先要考慮到設備在實際生產(chǎn)中的應用情況，確定印刷電路板高速數(shù)控鉆床的功能。一般有以下幾項需求功能。

（1）因為此設備是用于印刷電路板微小孔的加工，所以需要確定鉆孔直徑的范圍。

（2）為了滿足鉆孔加工，印刷電路板鉆孔機床需要滿足以下幾個運動：第一，相互垂直的XY兩個方向的直線運動，實現(xiàn)XY的定位；第二，垂直于XY平面的Z方向的直線運動以實現(xiàn)鉆孔過程；第三，鉆頭的高速旋轉(zhuǎn)運動時切削的主運動；第四，鉆孔的輔助運動，包括換刀運動、刀具檢測運動等。具體過程如下：鉆孔時，印刷電路板高速數(shù)控鉆床首先通過數(shù)控系統(tǒng)進行文件處理，即將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為該機床系統(tǒng)能夠接收的數(shù)據(jù)格式，并對之進行編輯、優(yōu)化，直至成為正式的加工文件。然后通過數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送鉆孔命令，進行鉆孔。鉆孔過程較為簡單，當驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動XY軸到達目標點時，Z向下鉆機構實現(xiàn)下鉆動作。鉆孔過程中還要進行自動換刀和刀具檢測等鉆孔輔助運動，這一運動比較復雜，要經(jīng)過以下過程：第N-1庫區(qū)鉆孔完畢-開始換刀-Z軸回零-機械手抓刀(刀庫)-機械手放刀(刀盤1)-主軸放刀(刀盤2)-刀具偵測-機械手抓刀(刀盤2)-機械手放刀(刀庫)-主軸抓刀(刀盤1)-主軸對刀-換刀完畢-第N庫區(qū)鉆孔開始。

（3）為了提高鉆孔精度，確定三軸是否安裝高精度的光柵尺以實現(xiàn)全閉環(huán)控制，用于控制每次的進給量為預先設定值。

（4）在印刷電路板鉆削過程中，由于鉆頭與工件的相互作用會產(chǎn)生軸向力和扭矩，力的大小與鉆削參數(shù)密切相關，直接影響鉆頭壽命、孔壁質(zhì)量等，嚴重的會造成加工中鉆頭和工件的報廢，因此根據(jù)鉆削過程中受力的大小來優(yōu)化鉆削加工參數(shù)，對于印刷電路板的鉆孔加工具有重要的意義，所以需要確定所設計的鉆床是否可以測力。若需要此種功能，則加高立柱和加大Z軸行程來實現(xiàn)。

（5）為了能夠滿足不同孔徑的加工和擴充鉆床的使用范圍，要便于快速更換主軸，而不是主軸固定后就不再更換或者很難更換，所以還要求鉆床具有能夠快速更換主軸的功能。

（6）印刷電路板高速數(shù)控鉆床對微小孔的能力要求很苛刻，特別是在加工雙面板、多層板、電腦芯片等小型化、柔性化產(chǎn)品時，要求最小鉆孔直徑在0.1 mm甚至更小，鉆頭極易折斷和磨損。鉆孔過程中一旦出現(xiàn)斷針，可以立即采取停機等措施，并且進行故障報警，提示斷針所處位置，這樣便可以防止造成更大的浪費。因此鉆床還應具有斷針檢測功能。

（7）印刷電路板高速數(shù)控鉆床在鉆孔時，會產(chǎn)生由于人為疏忽因素導致抓取錯誤直徑的鉆頭，造成加工瑕疵品或者報廢品；另外還會由于鉆頭的過度磨損，造成鉆頭直徑和長度的減小，進而造成鉆孔質(zhì)量下降等。所以印刷電路板高速數(shù)控鉆床應該具有刀長刀長檢測功能，對鉆頭進行及時檢測，并且可以通過加工軟件檢錯處理的措施，實現(xiàn)先前準備刀具需要與加工軟件所設定的尺寸相符才能進行加工作業(yè)。

（8）印刷電路板上有大小不同的孔，這決定了加工前需要配備大量的鉆頭，有時多達幾百支。加工過程中，為了提高效率，機器要具有自動更換鉆頭的功能。

（9）為了降低振動對機器的影響、提高鉆孔機的動力學性能、減小慣性力和提高鉆床的剛度，在進行鉆床設計時，要合理規(guī)劃鉆孔機的動靜質(zhì)量分配，這就要求加大運動部件的質(zhì)量、減小移動部件質(zhì)量和使機械結構應該盡量簡單。

2.2 整體布局的確定

在滿足印刷電路板數(shù)控鉆床功能和需求的前提下，再進行整體布局時，還要考慮以下幾個方面：

（1）Z軸頻繁的往復運動（400次/分鐘以上）、XY定位速度高且間斷工作，PCB板的孔距比較小、運動距離短、XY軸的運動時間還可與鉆頭離開PCB的快進快退時間重合，這直接決定了鉆床布局時要考慮質(zhì)量的分配問題。

表1 方案比較

（2）PCB板的尺寸和形狀直接決定工作臺的尺寸與導軌的布局。例如加工的PCB板尺寸越長，要求工作臺同一方向的尺寸就越大，連接工作臺的滑板、滑塊以及兩導軌間的跨距也就越大。因此PCB的尺寸和形狀也是直接影響鉆床布局的決定性因素。

（3）要考慮便于觀察加工過程、便于操作、調(diào)整和維修，便于裝卸PCB板材。

（4）應該盡可能做到體積小、降低制造成本、縮小占地面積、外型美觀大方。

整體布局有兩種方案，第一種布局方案是，鉆床Z軸系統(tǒng)做橫向和上下移動，立柱做縱向移動。由于工件不動，承載能力好，適合加工較重的工件。但是由于立柱移動較為笨重，所以運動精度較難保證。第二種布局方案是立柱固定，鉆床Z軸系統(tǒng)做橫向和上下移動，工作臺做縱向移動。雖然承載能力較第一種方案差，但是所承載的PCB板材較輕，布局所需要的電機的功率的傳動件的尺寸較小，移動較為輕便，所以第二種方案中鉆床的精度容易保證。

經(jīng)以上比較，充分考慮到布局的基本要求及影響布局的基本因素，印刷電路板高速數(shù)控鉆床采用第二種布局方案較好，即采用工作臺移動定梁式龍門結構。

2.3 設計方案的確定

印刷電路板高速數(shù)控鉆床運動系統(tǒng)的設計方案包括全線性方案（XYZ三個方向運動均用直線電機驅(qū)動）、非線性方案（XYZ三個方向運動均采用伺服馬達驅(qū)動）、Z向線性方案（XY方向運動采用伺服電機驅(qū)動、僅Z方向運動采用直線電機驅(qū)動）、XY線性方案（XY方向運動采用直線電機驅(qū)動、僅Z方向運動采用伺服電機驅(qū)動）方案。確定設計方案時，可以通過比較四種方案，衡量設計成本，結合前文所述設計原則、需求功能分析和整體布局的確定，確定哪種方案具有更強的實用性。

2.4 整體結構和參數(shù)的確定

最后確定鉆床整體結構和性能參數(shù)。印刷電路板高速數(shù)控鉆床由Z軸系統(tǒng)、機身、XY方向傳動系統(tǒng)、Z向傳動系統(tǒng)及工作臺等部分組成；通過以上分析可以確定外型尺寸，工作行程，XY軸最大移動速度，Z軸最大進給速度，XYZ三軸加速度，定位精度，重復定位精度，鉆孔孔位精度等參數(shù)。

3 結論

印刷電路板高速數(shù)控鉆床在設計之前首先要考慮高精度，高速度，高剛度，高可靠性，高加工效率等設計原則；在確定設計原則的基礎上，還要確定合理的設計方法，主要包括需求功能分析，整體布局的確定，設計方案的確定，整體結構和參數(shù)的確定等。

（1）工作臺移動定梁式龍門結構相對其他整體布局方案更適用于PCB高速鉆床。

（2）在運動系統(tǒng)方案設計方面，設計者要根據(jù)設計成本，結合PCB高速數(shù)控鉆床的設計原則、需求功能分析和整體布局來確定哪種方案具有更強的實用性。

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Study of Principles and Methods of High Speed PCB NC Drilling Machine Design

SONG Yue-xian1，WANG Bing2，WANG Cheng-yong1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China；2.Nanjing Agricultural Machinery Research Institute，Nanjing210014，China）

High speed printed circuit board NC drilling machine is a kind of ultra precision mechanical equipment,has special design principles and methods.Design principles and methods were discussed for the first time in this paper，and advantages and disadvantages of different structures and motion scheme were compared.The design principles of high speed PCB NC drilling machine mainly consist of high accuracy,high speed,high rigidity,high reliability,high processing efficiency;design methods mainly include the demand function analysis,determination of the overall layout,determination of design scheme and the whole structure and parameter.

printed circuit board；high speed CNC drilling machine；design principle；design method

TG527

A

1009－9492(2014)05－0036－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.008

宋月賢，女，1961年生，江蘇人，大學本科，工程師。研究領域：高速加工與微細加工。

(編輯：阮 毅)

2014－02－27