PCB多轴级联钻机支撑结构减振分析

王志刚 ，陈百强，宋福民，王 星 ，何 玲，谭艳萍

(1.深圳大学机电与控制工程学院，广东深圳 518060；2.深圳市大族数控科技有限公司，广东深圳 518052；3.海南软件职业技术学院，海南琼海 517400)

近10年随着移动终端市场的持续火热，为顺应智慧型手机、笔记本电脑、电脑主板、数码产品、液晶显示器等电子消费品的多功能化、小型化、轻量化和高可靠性的要求和发展趋势，印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）也向着高密度化、高集成、封装化、微细化、多层化方向发展[1]；向着线宽线距及焊盘小型化，导通孔向准100 μm以下，焊盘直径向 准300 μm 以下，导线的 L/S≤80 μm，介质层厚度小于80 μm，孔位精度向准75 μm以内等发展[2]，促使PCB制造中关键设备PCB数控钻孔机也向高速、高精密、高可靠性发展。据相关研究表明：在合适的稳定条件下，PCB数控钻孔机都能获得好的钻孔精度并能实现钻微小孔。关键是如何掌握和改进机械振动特性，也就是控制钻孔系统的三维稳定性。因为PCB钻孔加工的特点决定运动行程短频繁起停造成高速准确定位比较困难，系统的振动和动态特性异常会造成孔位偏移，严重不稳定会造成钻头损坏，具体如图1和图2所示[3]。根据图1、2可以看出X、Y轴的动态偏差直接会反映到孔位误差上，当PCB数控钻孔机的孔位定位轴X、Y轴出现振动偏差时，会破坏孔位精度并损坏钻头，因而改善系统动态特性达到良好的抗振性和吸振性尤为重要。

1 支撑结构

图1 稳定条件下的钻孔

图2 不稳定条件下的钻孔

基于效率和成本的考量，PCB数控钻孔机采用最多的主体结构是龙门式框架基础件结构和多Z轴级联的结构设计。其中龙门式基础件结构材料根据资源和成本的考虑有天然花岗石、米汉纳铸铁、人造石的不同材料，但都具有吸振性良好、弹性模量高、热变性小、比刚度高、高阻尼等特点。目前在日本和台湾地区的PCB数控钻孔机由于石材资源有限，龙门式框架基础件材料多采用米汉纳铸铁材料，而在欧洲地区由于化工水平比较高，龙门式框架基础件材料多采用人造石。至于国内精密数控钻孔机的龙门式框架基础件材料则普遍采用天然花岗石材料。不同材料的龙门式框架基础件采用的支撑结构也不尽相同，表1列举了市场主流的PCB数控钻孔机龙门式框架基础件支撑结构。

表1 目前市场主流的数控钻孔机支撑结构配置

支撑结构是支撑PCB数控钻孔机并调节机床至水平状态的重要部件。主要放置于PCB数控钻孔机底部与地面（或地基）之间，其作用有三：一是用于调整PCB数控钻孔机设备的水平状态；二是使PCB数控钻孔机设备与地基形成固定联结或者弹性联接并隔离振动；三是防止外部振源的振动传至PCB数控钻孔机设备本体、降低噪音[4]。支撑结构的优良与否影响PCB数控钻孔机的振动、精度、寿命等。差的支撑会导致机床产生剧烈振动，进而产生较大噪声，影响机床精度、协调性和寿命等。

针对不同材料的龙门式框架基础件结构，支撑结构的形式各异。米汉纳铸铁材料的龙门式框架基础件普遍采用如图3所示的结构形式。米汉纳铸铁材料结构床身能在铸造时直接铸出支撑部位，此结构调节方便，并具有一定的调心作用，可应付地面有小斜度不平整的情况，实现调整设备的水平状态，隔离振动的功能[5]。

图3 支撑结构形式1

图4 支撑结构形式2

国内精密PCB数控钻孔机的龙门式框架基础件普遍采用天然花岗石材料。如果依旧使用图3的支撑结构形式，则需要在支撑位加工出孔位，内嵌粘结入螺纹套。而天然花岗岩的加工相对较困难。为此，业界普遍采用外置式的支撑结构，直接将机床放置于支撑结构上，并作相关调平即可。普遍使用的支撑结构有两种形式（为方便，下文分别称两种支撑结构为两层支撑结构和三层支撑结构），如图5和图6所示。

图5 两层支撑结构

图6 三层支撑结构

图5所示的两层支撑结构由3个部分组成，上滑块、下支撑块和调节螺杆。下支撑块与地面接触不动，上滑块与龙门式框架基础件接触运动。调节时，在上滑块和下支撑块间的斜面作用下，调节螺杆的旋转拖动上滑块产生水平和竖直方向的运动。如图6所示的三层支撑结构由5个部分组成，上支撑块、中滑块、下支撑块、调节螺杆和调节螺杆滑块。上支撑块与机床接触不动，下支撑块与地面接触不动，中滑块与上下支撑块接触运动。调节时，上下支撑块作为调节螺杆滑块的两支点，螺杆的旋转使调节螺杆水平移动，进而推动中滑块运动，加上斜面的作用，最终实现支撑结构升降的效果。

2 外置式支撑结构振动测试分析

两种外置式支撑结构普遍为业界使用[6][7]，实际使用过程中两种结构类似的支撑结构状态下的PCB数控钻孔机性能存在一定差异。高速高精PCB多轴级联六轴数控钻孔机（机床总重约13吨。通过8个支撑结构支撑。如图7和图8所示），在六个主轴以每分钟500次左右的频率上下持续激励工作台面时，会发现用两层支撑结构支撑的机器比用三层支撑结构支撑的机器振动大，且机器运行起来的噪声大。而且用两层支撑结构并调完水平的机床，过一段时间后，时而会出现有若干个支撑结构虚空的情况。

图7 天然花岗石龙门式机架

图8 支撑结构分布图

使用振动测试仪和激光干涉仪分别对更换支撑结构前后PCB数控钻孔机整机的振动频率和横梁顶端的前后摆幅进行测试。截取一次测试结果如图9和图10所示，图中虚线为两层支撑结构下测试结果，实线为三层支撑结构下测试结果，X向指机床的左右方向，Y向指机床的前后方向。

由图9（其中左图为两层支撑结构下测试，右图为三层支撑结构下测试）可知两层支撑结构下，横梁和床身在低频处最大振动幅值发生在24 Hz左右。三层支撑结构下，横梁和床身在低频处最大振动幅值则发生在29 Hz左右。相同激励条件下，两层支撑结构处的刚度较低，导致能量在低频释放较大；而三层支撑结构处的刚度较高，所以能量在高频释放相对较大。经多次验证测试，发现三层支撑结构下的整机频率一般能比两层支撑结构下的高5～10 Hz。所以不同的两种外置式支撑结构会导致机床整体振动不一致。

利用激光干涉仪测量PCB数控钻孔机的横梁顶端前后方向的振幅，结果如图10所示。两层支撑结构下，横梁上端部前后方向摆幅在±30 μm以内，而三层支撑结构下的摆幅在±15 μm以内。经多次测试验证，发现三层支撑结构下的横梁上端部前后方向摆幅一般能比两层支撑结构下的摆幅小10～15 μm。

由上述验证测试，确认两种支撑结构支撑下的机器确实存在差别。机床的振动小带来的好处是噪声小、精度好、稳定性高、寿命长[8]。针对两种支撑结构的支撑出现不同情况，经分析得知，两层支撑结构可能发生了虚空（宏观位移和自身变形），导致接触面减少，而三层支撑结构只发生自身变形，接触面比两层支撑结构下的大。

图9 更换支撑结构前后横梁和床身的振动响应曲线对比

图10 横梁顶端前后方向摆动幅值

3 外置式支撑结构仿真分析

为了揭示支撑结构的变形情况与支撑结构形式导致PCB数控钻孔机动态性能产生差异的原因，采用仿真的方法获取结构变形以及模态频率。仿真与测试是一个相辅相成的过程，仿真可以为测试提供预先预知的能力和需要重点测试改进的对象等，而且能与测试结果对应起来，两者相互提供支持与验证[9]。

仿真时，支撑结构接触面多，涉及大量的运算，为研究支撑结构的细节部分，此处仅针对一个支撑结构进行仿真，且在该支撑结构上施加3吨的载荷。因为床身跟支撑结构接触部分永远不可能为整个支撑结构面，总是一小部分接触而已，故载荷施加在支撑结构面的中间一小部分区域。仿真条件设置如表2所示。

分别在支撑结构中间部位添加垂直压力30 kN；支撑结构内部的接触面定义接触，接触属性为法向硬接触，切向定义Penalty摩擦，摩擦系数为0.2；支撑结构和地面接触面定义接触，接触属性为法向硬接触，切向定义Penalty摩擦，摩擦系数为0.4。分析共定义3个分析步，前两个为静力学分析算法，第三个为模态提取分析算法[10]。在第一个分析步中，施加重力，让支撑结构接触面贴合；第二个分析步施加载荷30 000 N；第三个分析步为受力接触状态下的频率阵型。PCB多轴级联六轴数控钻孔机的六个主轴上下运动，激励主要在上下方向，提取的阵型为上下方向的阵型，仿真结果如表3所示。

从表3可知，在3吨载荷作用下，三层支撑结构变形稍小，为23 μm，在载荷作用区域。理想情况下，三层支撑结构在上下方向的起振频率高。

经过仿真与测试，两层支撑结构下，上滑块和下支撑块以及床身之间在调试过程始终存在间隙。分析可知，下支撑块的底面与水平面成一定角度。床身压上上滑块顶面后，上滑块与下支撑块以及床身之间存在间隙，故此时接触面变小。调节时，上滑块与床身接触面的摩擦和上滑块与下支撑块接触面的摩擦情况不同，加上调节螺杆时产生偏心力，上滑块总是以螺杆长度为半径做平动和转动的复合运动。所以间隙的产生不仅包括上滑块自身变形部分而且存在宏观的位移。宏观的位移可能使间隙减小，但经多次仿真测试后分析发现，间隙增大的概率比减小的概率大很多。也即地面存在一定角度，加上多点支撑和床身变形共同影响，最终一定会有间隙存在，而且间隙变大的概率比减小的大。

表2 仿真参数

表3 静力学和模态分析结果

三层支撑结构移动部件位于中间部分，这样接触面属性一致。加上中间调节螺杆滑块与上下支撑块的圆孔之间存在较大的间隙，无法构成上支撑块的转动点。此时间隙仅来自支撑结构自身的变形，不存在宏观的位移，也就是说除了自身的变形外，床身的作用，支撑结构的各个面间是贴合的。此接触面情况比两层支撑结构的好。

支撑结构调平后，两层支撑结构接触面存在间隙。机器运行，在激励的作用下，能量往支撑结构处不断传递，支撑结构不断震颤，如此间隙会有一定程度的减小，使得原本支撑住床身的支撑结构出现松动，最终导致支撑结构虚支。

4 结 论

两层支撑结构和三层支撑结构在3吨载荷作用下自身最大变形分别为32 μm和23 μm，位于载荷作用区域。载荷作用下，三层支撑结构的刚度较两层支撑结构的高。两层支撑结构较三层支撑结构存在大间隙，由地面不水平、接触面摩擦差异、螺杆转动支点、多点支撑和床身变形共同所致，所以，三层支撑结构对于降低PCB数控钻孔机的振动，减小噪音，提升整机动态性能效果明显。

[1] 陈永建.PCB技术的发展趋势展望[J].中国科技信息，2010(17)：92-93.

[2] 黎勇军.多轴级联PCB钻孔机动力学仿真分析研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士论文，2010.

[3] K.wojciech.ImpactofMachine Dynamicson PCB Drilling[J].Printed Circuit Fabrication，2002，25(2)：34-38.

[4] 赵宏林、王燕生.机床减振垫铁结构及其特性研究[J].制造技术与机床，2004(12)：150-108.

[5] 王义民.防振垫铁与卧式车床的稳定性[J].制造技术与机床，2003(6)：30-31.

[6] 张明，黄国庆.磨床床身垫铁支撑布置探讨[J].机械制造与自动化，2010，39(5)：42-43.

[7] 田春雨.提高大型机床床身、垫铁、基础系统接触刚度的措施.机械设计与制造工程，2000，29(5)：55-56.

[8] 杜云涛，刘克强，陈健，等.减震垫铁在普通车床上的使用效果分析[J].机床与液压.2004(7)：173.

[9] 徐灏.机械设计手册（第三册）[M].北京：机械工业出版社，2000.

[10]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例讲解[M].北京：机械工业出版社，2006.