印刷电路板高速数控钻床设计原则和设计方法的探讨

宋月贤，王 冰，王成勇（.广东工业大学，广东广州 50006；.南京农业机械化研究所，江苏南京 004）

印刷电路板高速数控钻床设计原则和设计方法的探讨

宋月贤1，王 冰2，王成勇1
（1.广东工业大学，广东广州 510006；2.南京农业机械化研究所，江苏南京 210014）

印刷电路板高速数控钻床作为一种超精密机械设备，有着特殊的设计原则和设计方法。探讨了其设计原则和设计方法，对比了不同结构及运动方案的优缺点。印刷电路板高速数控钻床的设计原则主要包括高精度，高速度，高刚度，高可靠性，高加工效率等原则；设计方法主要包括需求功能分析，整体布局的确定，设计方案的确定，整体结构和参数的确定。

印刷电路板；高速数控钻床；设计原则；设计方法

0 引言

目前，由于多层高密度印刷电路板的发展和无铅无卤等环保印刷电路板的不断推出，使需要机械加工直径小于0.2 mm的印刷电路板超微细孔数量急剧增加，孔加工的质量要求也高到了新的水平[1]。随着钻头直径越来越小，单位面积内的钻孔数量激增，钻孔的位置精度、孔壁质量要求显著提升[2-3]；同时电子系统对PCB的要求是高密度、高集成、封装化、微细化、多层化，以高密度互连板（HDI）、柔性板（FPC）、IC封装板（BGA、CSP）等PCB品种将成为主要增长点，因此多层高密度印刷电路板超微孔的钻削精度提升决定印刷电路板数控钻床的设计水平也要随之提升[4]。印刷电路板高速数控钻床的设计首先要确定其设计原则和设计方法，从而为进一步设计出具有高的钻孔水平的设备奠定基础。但是目前此种设备的设计多采用经验法，尤其是对设计原则和设计方法的研究更没有相关报道。本文首次探讨了印刷电路板高速数控钻床的设计原则和设计方法。

1 印刷电路板高速数控钻床的设计原则

印刷电路板高速数控钻床的设计过程除了遵循一般设计原则外，作为超精密机械设备，它的设计原则又有其特殊性。印刷电路板高速数控钻床的设计，精度和速度是其出发点。设计中所使用的一切手段，其最终目的都要为设备的精度和速度服务。其设计要充分考虑印刷电路板钻孔的具体特点和要求。为了最大限度的保证所设计的印刷电路板高速数控钻床的精度，整个设计过程应遵循以下几个原则。

1.1高精度原则

印刷电路板上的孔径越来越小、孔的密度越来越高，这对孔的位置精度要求越来越高，决定了印刷电路板高速数控钻床必须有较高的定位精度和重复定位精度[5-6]。

1.2 高速度原则

印刷电路板高速数控钻床在钻削电路板时，工作台的行程一般只有几百毫米，在很高的进给速度条件下，只有在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停，才能满足电路板孔多而密的加工要求，高速和高精条件下的微细孔及深孔加工时PCB数控钻床发展的目标[7]。

1.3 高刚度原则

PCB钻孔加工的特点是运动系移动行程很短、起停非常频繁，造成高速准确定位非常困难，其中加速度对运动系的动态特性影响最明显。为此，应该适当的加大印刷电路板数控钻床静态物体的质量，减小移动部件的质量来提高刚度。

1.4 高可靠性原则

印刷电路板高速数控钻床的Z轴频繁的连续往复运动，从控制角度而言只是点位控制，没有准确的轮廓控制。由于印刷电路板的孔距小、孔密度高，这决定了印刷电路板高速数控钻床的运动距离短，而定位速度要求高。钻孔的高频率、高加减速度和24小时开机运转等要求控制系统具有高速的处理能力和高加减速处理方法、较高的可靠性[8]。

1.5 高加工效率原则

由于多层高密度印刷电路板的孔密度已达1 600个/cm2以上，电子产品的开发周期也向短期化方向发展，PCB的交货期进一步缩短，在同样满足产品质量的前提下，如何缩短产品的交货期是提高市场竞争力的重要因素。而钻孔作为PCB制程中的重要一环，其钻孔速度直接影响着产品的开发周期，这就决定了印刷电路板高速数控钻床必须要有较高的加工效率。

2 印刷电路板高速数控钻床的设计方法

确定了印刷电路板高速数控钻床的设计原则以后，就要根据这些原则来确定设计方法。设计原则的特殊性也决定了设计方法有其特殊性。印刷电路板高速数控钻床的设计方法主要有以下几个方面。

2.1 需求功能分析

印刷电路板高速数控钻床是具有国际先进水平，用于高速钻削印刷电路板的钻孔设备。首先要考虑到设备在实际生产中的应用情况，确定印刷电路板高速数控钻床的功能。一般有以下几项需求功能。

（1）因为此设备是用于印刷电路板微小孔的加工，所以需要确定钻孔直径的范围。

（2）为了满足钻孔加工，印刷电路板钻孔机床需要满足以下几个运动：第一，相互垂直的XY两个方向的直线运动，实现XY的定位；第二，垂直于XY平面的Z方向的直线运动以实现钻孔过程；第三，钻头的高速旋转运动时切削的主运动；第四，钻孔的辅助运动，包括换刀运动、刀具检测运动等。具体过程如下：钻孔时，印刷电路板高速数控钻床首先通过数控系统进行文件处理，即将数据文件转换为该机床系统能够接收的数据格式，并对之进行编辑、优化，直至成为正式的加工文件。然后通过数控系统发送钻孔命令，进行钻孔。钻孔过程较为简单，当驱动系统驱动XY轴到达目标点时，Z向下钻机构实现下钻动作。钻孔过程中还要进行自动换刀和刀具检测等钻孔辅助运动，这一运动比较复杂，要经过以下过程：第N-1库区钻孔完毕-开始换刀-Z轴回零-机械手抓刀(刀库)-机械手放刀(刀盘1)-主轴放刀(刀盘2)-刀具侦测-机械手抓刀(刀盘2)-机械手放刀(刀库)-主轴抓刀(刀盘1)-主轴对刀-换刀完毕-第N库区钻孔开始。

（3）为了提高钻孔精度，确定三轴是否安装高精度的光栅尺以实现全闭环控制，用于控制每次的进给量为预先设定值。

（4）在印刷电路板钻削过程中，由于钻头与工件的相互作用会产生轴向力和扭矩，力的大小与钻削参数密切相关，直接影响钻头寿命、孔壁质量等，严重的会造成加工中钻头和工件的报废，因此根据钻削过程中受力的大小来优化钻削加工参数，对于印刷电路板的钻孔加工具有重要的意义，所以需要确定所设计的钻床是否可以测力。若需要此种功能，则加高立柱和加大Z轴行程来实现。

（5）为了能够满足不同孔径的加工和扩充钻床的使用范围，要便于快速更换主轴，而不是主轴固定后就不再更换或者很难更换，所以还要求钻床具有能够快速更换主轴的功能。

（6）印刷电路板高速数控钻床对微小孔的能力要求很苛刻，特别是在加工双面板、多层板、电脑芯片等小型化、柔性化产品时，要求最小钻孔直径在0.1 mm甚至更小，钻头极易折断和磨损。钻孔过程中一旦出现断针，可以立即采取停机等措施，并且进行故障报警，提示断针所处位置，这样便可以防止造成更大的浪费。因此钻床还应具有断针检测功能。

（7）印刷电路板高速数控钻床在钻孔时，会产生由于人为疏忽因素导致抓取错误直径的钻头，造成加工瑕疵品或者报废品；另外还会由于钻头的过度磨损，造成钻头直径和长度的减小，进而造成钻孔质量下降等。所以印刷电路板高速数控钻床应该具有刀长刀长检测功能，对钻头进行及时检测，并且可以通过加工软件检错处理的措施，实现先前准备刀具需要与加工软件所设定的尺寸相符才能进行加工作业。

（8）印刷电路板上有大小不同的孔，这决定了加工前需要配备大量的钻头，有时多达几百支。加工过程中，为了提高效率，机器要具有自动更换钻头的功能。

（9）为了降低振动对机器的影响、提高钻孔机的动力学性能、减小惯性力和提高钻床的刚度，在进行钻床设计时，要合理规划钻孔机的动静质量分配，这就要求加大运动部件的质量、减小移动部件质量和使机械结构应该尽量简单。

2.2 整体布局的确定

在满足印刷电路板数控钻床功能和需求的前提下，再进行整体布局时，还要考虑以下几个方面：

（1）Z轴频繁的往复运动（400次/分钟以上）、XY定位速度高且间断工作，PCB板的孔距比较小、运动距离短、XY轴的运动时间还可与钻头离开PCB的快进快退时间重合，这直接决定了钻床布局时要考虑质量的分配问题。

表1 方案比较

（2）PCB板的尺寸和形状直接决定工作台的尺寸与导轨的布局。例如加工的PCB板尺寸越长，要求工作台同一方向的尺寸就越大，连接工作台的滑板、滑块以及两导轨间的跨距也就越大。因此PCB的尺寸和形状也是直接影响钻床布局的决定性因素。

（3）要考虑便于观察加工过程、便于操作、调整和维修，便于装卸PCB板材。

（4）应该尽可能做到体积小、降低制造成本、缩小占地面积、外型美观大方。

整体布局有两种方案，第一种布局方案是，钻床Z轴系统做横向和上下移动，立柱做纵向移动。由于工件不动，承载能力好，适合加工较重的工件。但是由于立柱移动较为笨重，所以运动精度较难保证。第二种布局方案是立柱固定，钻床Z轴系统做横向和上下移动，工作台做纵向移动。虽然承载能力较第一种方案差，但是所承载的PCB板材较轻，布局所需要的电机的功率的传动件的尺寸较小，移动较为轻便，所以第二种方案中钻床的精度容易保证。

经以上比较，充分考虑到布局的基本要求及影响布局的基本因素，印刷电路板高速数控钻床采用第二种布局方案较好，即采用工作台移动定梁式龙门结构。

2.3 设计方案的确定

印刷电路板高速数控钻床运动系统的设计方案包括全线性方案（XYZ三个方向运动均用直线电机驱动）、非线性方案（XYZ三个方向运动均采用伺服马达驱动）、Z向线性方案（XY方向运动采用伺服电机驱动、仅Z方向运动采用直线电机驱动）、XY线性方案（XY方向运动采用直线电机驱动、仅Z方向运动采用伺服电机驱动）方案。确定设计方案时，可以通过比较四种方案，衡量设计成本，结合前文所述设计原则、需求功能分析和整体布局的确定，确定哪种方案具有更强的实用性。

2.4 整体结构和参数的确定

最后确定钻床整体结构和性能参数。印刷电路板高速数控钻床由Z轴系统、机身、XY方向传动系统、Z向传动系统及工作台等部分组成；通过以上分析可以确定外型尺寸，工作行程，XY轴最大移动速度，Z轴最大进给速度，XYZ三轴加速度，定位精度，重复定位精度，钻孔孔位精度等参数。

3 结论

印刷电路板高速数控钻床在设计之前首先要考虑高精度，高速度，高刚度，高可靠性，高加工效率等设计原则；在确定设计原则的基础上，还要确定合理的设计方法，主要包括需求功能分析，整体布局的确定，设计方案的确定，整体结构和参数的确定等。

（1）工作台移动定梁式龙门结构相对其他整体布局方案更适用于PCB高速钻床。

（2）在运动系统方案设计方面，设计者要根据设计成本，结合PCB高速数控钻床的设计原则、需求功能分析和整体布局来确定哪种方案具有更强的实用性。

［1］王冰，胡志超，汤宏群.PCB钻床超高速电主轴特点及关键技术分析［J］.机床与液压，2013，39（17）：44-47.

［2］L J.Zheng， etc.A review on drilling printed circuit boards［J］.Advanced MaterialsResearch， 2011（188）：441-449.

［3］Lijuan Zheng.Characteristics of chip formation in the mi⁃cro-drilling of multi-material sheets［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2012（52）：40-49.

［4］王成勇，黄立新，郑李娟，等.印刷电路板超细微孔钻削加工及其关键技术［J］.工具技术，2010（44）：3-10.

［5］王冰，王成勇，汤宏群，等.印刷电路板高速数控钻床的特点及关键技术［J］.工具技术，2009，43（12）：3-10.

［6］吴俊刚，张力，王英章，等.PCB数控钻床多体系统动力学的建模与放真［J］.组合机床与自动化加工技术，2005（3）：6-8.

［7］ 郭钊，游有鹏，张礼兵，等.机数控系统的加减速控制方法研究［J］.数控技术，2011（8）：52-55.

［8］王志刚，陈百强，宋福民，等.PCB多轴级联钻机支撑结构减振分析［J］.电子工业专用设备，2013，（222）：50-55.

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

宋月贤，女，1961年生，江苏人，大学本科，工程师。研究领域：高速加工与微细加工。

(编辑：阮 毅)

2014－02－27