大学生电子竞赛中雕刻机的使用

高 琴 庄建军

南京大学电子科学与技术学院 江苏南京 210046

大学生电子竞赛中雕刻机的使用

高 琴 庄建军

南京大学电子科学与技术学院 江苏南京 210046

介绍了线路板雕刻机在电子竞赛中的作用和优势，结合多年参加大学生电子竞赛的指导工作和使用线路板雕刻机的制板经验，总结出一些操作技巧，并提出了制作PCB图需要注意的重要事项。希望对组织和备战大学生电子设计竞赛以及电子实验的教学改革有所帮助。

雕刻机；电子竞赛；使用技巧

电子竞赛时间比较紧张，如果送PCB(Printed Circuit Board)图到厂家制作印刷电路板，时间往往来不及，通常需要几天。虽然用普通多孔板搭试电路可以省时，但制作的电路稳定性较差，不够清晰美观，也不利于查找故障和电路调试。此时线路板雕刻机的作用就显现出来了。[1-4]雕刻机是将PCB文件生成加工文件，然后利用物理雕刻过程，通过计算机控制，在空白的覆铜板上把不必要的铜箔铣去，形成定制线路板，具有精度高、省时等优点。我校实验中心配备了2台型号为PCB2300的雕刻机，机型小巧，便于搬运，操作也比较简便。然而雕刻机为精密数控设备，需要充分掌握其性能特点和操作技巧，才能有效地服务于高校的电子竞赛和实验教学。

1 线路板雕刻机的制板流程

多年来，我们一直在探索雕刻机制板技巧，从最初按说明书一步步操作到现在熟练地使用，总结出了一些比较简便的操作流程。电路板的刻制主要包括三个步骤：雕刻文件的生成、雕刻参数的设置和在雕刻机上的具体操作。

以雕刻单面板为例，操作流程包括：

(1)在Protel99se软件中导出画好的PCB图到指定位置，并生成CAM文件夹(内含光绘文件和钻孔文件)，再将CAM文件导出生成“*.GKD”雕刻文件。

(2)打开雕刻机配套的Circuitworkstation雕刻程序，找到已生成的“*.GKD”文件，进行一系列选择和操作，包括底层雕刻或顶层雕刻，设置雕刀大小、钻头大小和主轴运行速度。

(3)将预备好的敷铜板用双面胶固定在操作台上，开启主机电源，调整机器的X轴(左右方向)、Y轴(前后方向)、Z轴(上下方向)，根据文件孔径选择钻头大小，将钻头固定在主轴上，再开启主轴电源，开始钻孔。

(4)钻孔完成后根据电路图中的线宽选择相应的刀具雕刻(也可以先雕刻后钻孔)。

(5)雕刻完成后，关闭主轴电源，取下板子，用细砂纸打磨，雕刻工作完成。

2 雕刻机的使用技巧

根据多年的制作经验，我们逐渐摸索出一些在制板过程中的使用技巧和需要注意的细节，具体总结如下：

(1)在雕刻之前根据PCB图的大小尺寸裁制好敷铜板，并用双面胶将其固定在工作台上，让它尽量平整地贴在工作台表面，减少出现雕刻深浅不均的情形。由于操作台不平，也会出现某些地方雕刻过浅，这时需要在雕刻线路图上找到相应的位置，选择将该部分框出，重新雕刻一遍。如果是制作双面板，就要打定位孔，位置选择在线路板上下沿左右两边，并且插上定位销，否则一面完成后手动翻面时容易错位。因此在裁制敷铜板时要放宽2 cm的长度，方便在板子左右两侧打定位孔。

(2)钻孔和雕刻的深度，过深或过浅都会导致电路不通或短路。在正式雕刻前要试走一遍或几遍边框，以此调出最佳雕刻深度，当然在雕刻过程中还可以微调。

(3)PCB图中往往会出现不同孔径、不同线宽，需要中途更换相应的钻头、雕刀。通常，线宽在30 mil以上，选0.4 mm的刀；线宽在20～30 mil之间，选0.3 mm的刀；线宽在10～20 mil之间选0.2 mm的刀。钻头选孔径相近大小的即可，如75 mil的孔径选70 mil或80 mil的钻头都可以。

(4)对于高频电路尤其要提醒学生注意，器件在高频工作时，产热比较多，要注意散热，设计电路时过孔数量越少越好，走线尽量少折弯，尽量折小弯，同步工作的器件，走线长度尽量相等，覆铜用网格形状等，否则电路易出故障，调试不出来。[5]历年竞赛中涉及高频电路的板子总要重复雕刻，浪费宝贵的比赛时间。

(5)电路板制作完成后，按雕刻机的Y轴键，将工作台尽量送到最靠近自己的位置，再抠起电路板(板子背面有双面胶)，避免抠起板子的过程中弄断Z轴上的雕刀或钻头，同时也方便取板。板子要用细砂纸打磨光滑，有利于焊接工作。

3 制作PCB图的注意事项

因为参赛队员主要是大二和大三学生，大二学生是初次参赛，也大多是刚刚接触使用Protel画图[6-8]，所以需要注意以下几个方面。

3.1 线宽

在PCB图中，线的宽度应以能满足电气特性要求而又便于雕刻为准则[9]，它的最小值取决于流过它的电流，但是一般不宜小于0.2 mm(公制和英制之间的转换，10 mil=0.254 mm)。只要板面积足够大，线宽和间距最好选择0.3 mm。一般情况下，1～1.5 mm的线宽，允许流过2 A的电流。例如地线和电源线最好要选用大于1 mm的线宽。因此，为确保万无一失，不浪费时间，竞赛中我们规定电源线和地线线宽至少1 mm，非电源线线宽至少0.3 mm。

3.2 焊盘

原则上，在集成电路座与焊盘之间走2根线时，焊盘直径为50 mil，线宽和线间距都是10 mil，当焊盘之间走一根线时，焊盘直径为64 mil，线宽和线间距都为12 mil。一般规定焊盘至少75 mil，不可太小，否则在雕刻过程中，雕刀会刮掉焊盘，而且不易焊接。

3.3 线间距

相邻两线之间的间距应该满足电气安全要求，同时为了便于雕刻，间距应该越宽越好。最小间距至少能够承受所加电压的峰值。在布线密度低的情况下，间距应该尽可能大些。

3.4 电路板安装孔和支架孔

应该预留出电路板的安装孔和支架的安装孔，因为孔和孔附近是不能布线的。有时学生会忘记预留，教师会帮他们加上安装孔和支架孔，否则焊接时或后期装箱时没法固定板子。

关于安全问题，尽管雕刻机的操作简便易学，但毕竟它是一台机床，初学者会因为操作流程较多、噪音较大而手忙脚乱导致出错甚至可能受伤。为了杜绝此类事情发生，每年竞赛的四天三夜，教师会每天24小时轮流值班制板，以免学生心急出错，发生事故。雕刻机在连续工作6小时后必须停机休息，以免机器过热造成损伤。我们曾经遇到过因机器工作时间过长，导致雕刻程序紊乱，雕刀失控的情况。

4 结束语

全国大学生电子设计竞赛有效地促进了大学生实践创新意识的培养和理论联系实际学风的建设，引导了高校深化电子信息类课程体系和教学内容的改革。线路板雕刻机制板具有精确、省时、清晰美观和方便调试等优点，在大学生电子设计竞赛中显示出独特的优势。基于多年的参赛指导经验，我们对雕刻机的使用技巧和注意事项进行了总结。我们将不断摸索经验，结合电子实验教学改革，有效提高学生的实践创新能力。

多年来，我校电子电路实验中心一直非常重视大学生电子竞赛，设置了竞赛训练中心和竞赛专用元器件库，有专人负责竞赛学生的日常培训和指导，定期邀请外校的教师、专家进行讲座，也因此带动了学生的参赛热情。在2013年的全国大赛中，笔者和姜乃卓老师指导的小组获全国二等奖，和戚海峰老师指导的小组获江苏省二等奖。在2014年江苏省大学生电子设计大赛中，笔者和庄建军老师指导的2个小组均获得江苏省一等奖。无论在平时的训练中还是在电子竞赛中，线路板雕刻机已变成不可或缺的硬件。今后我们还要不断摸索出更多的经验和技巧，更好地服务于学生和竞赛。

[1] 张小红.电子线路板制作机使用经验谈[J].科技信息,2013(34):96.

[2] 修树东,方亮,倪忠进.高精度数字电子雕刻机控制系统的研究[J].中国制造业信息化,2009,38(1):40-43.

[3] 刘广聪,李振坤,陈平华.运用物理雕刻的线路板制作系统的研制[J].实验室研究与探索,2005,24(6):33-35.

[4] 孙宏强,杨梅,崔京华,史源平.基于单片机的PCB雕刻机系统设计[J].石家庄学院学报,2012,14(3):29-31.

[5] 殷明,朱昌平,朱陈松,姚澄.高频电路实验教学与学生实践创新能力培养[J].实验技术与管理,2010,27(4):108-110.

[6] 邵建昂.P r o t e l 9 9教学实践探讨[J].实验技术与管理,2007,26(2):100-102.

[7] 尹瑞更.Protel在电路设计中的应用[J].电脑知识与技术,2009,5(18):5026-5027.

[8] 韩雯,马广萍.PROTEL在电路设计中的应用研究[J].吉林师范大学学报,2004(4):41-43.

[9] 何云强.电子线路设计、检验、测试实用手册[M].北京:北京科大电子出版社,2011.

The Application and Experience of Engraving Machine in Undergraduate Electronic Contest

Gao Qin, Zhuang Jianjun
Nanjing University, Nanjing, 210046, China

National undergraduate electronic design contest is an important science and technology activity for undergraduates, which demands designing and fabricating original works with high level in a short time. In this paper, the roles and advantages of engraving machine in the electronic contest have been introduced. The application and experience of engraving machine in fabricating circuit board have been summarized based on the guidance to students in electronic contest. Additionally, important precautions in PCB drafting have also been given for the convenience of students. It is hoped the above experience could be helpful for the preparation of electronic contest and for the electronic teaching reform.

engraving machine; electronic contest; application; experience

2014-09-17

高琴，本科，实验师。庄建军，博士，副教授。