基于PLC的PCB数控机床电气控制系统研制.pdf

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1、西南交通大学 硕士学位论文 基于PLC的PCB数控机床电气控制系统研制 姓名：李常辉 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：肖世德 20080301 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电子工业突飞猛进的发展在世界工业现代化方面产生了巨大的作用，使人 民的生活产生根本的变革。P C B 行业是电子工业的基础，电路板是各种电子元 件的载体，几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机，通讯电 子设备，军用武器系统，只要有集成电路等电子元器件，为了实现它们之间的 电气互连，必须使用印制板。电子产品正在从小型化到微型化过渡，这种过渡很 大程度依赖于制板精度的提高。 本论文

2、主要对高精度P C B 数控机床的电气控制系统进行介绍，分析了现在 P c B 数控机床的发展方向以及市场需要，提出了电气控制系统总体方案以及设 计框架。系统以西门子公司S I I 蚺O T I O ND 运动控制系统作为主控制器，以传感器 ( 温度传感器、压力传感器、光栅尺、断刀检测系统和位置检测等) 作为检测 元件，以电机( 伺服电机和高速主轴电机) 、电磁阀、气动压脚和机械手作为 执行元件来实现这个系统的功能。S I M O T I O ND 通过T c P I P 接口从上位机接收 数据和指令，通过P R O F I B U S 从扩展I O 接收外部信号指挥这个系统运行。 本论文详细

3、介绍了高精度P C B 数控机床的电气控制系统的硬件设计、软件 设计和上下位机的通信原理。本系统以西门子的S I M O T I O ND 运动控制系统作为 主控制器，以分布式I 0E T 2 0 0 M 作为S I M O T I O ND 的扩展I O 接收外部传感器 的数字量和模拟量信号，同时模拟量输出控制机床的主轴变频器。为了实现较 高的控制精度，采用S B I O T I O ND 、变频器、电机、光栅尺构成全闭环控制系统。 同时为了提高生产率，P C B 数控机床具有工件自动夹紧、机械手自动换刀、断 刀检测、通信检测( 自动建立通信连接) 以及刀位检测等多种功能，实现机床 监控的自

4、动化。 样机研制和实验证明，本论文设计的高精度P c B 数控机床的电气控制系统 是成功的，具有高的可靠性和抗干扰能力，具备较高的动态特性与快速反应能 力。 关键词：P C B 数控机床；S I M O T I O ND ；运动控制；全闭环控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 A B S T R A C T T h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ci n d u s t r ym a k eg r e a tc o n t r i b u t i o n st ot h e m o d e r n

5、i z a t i o no ft h ew o r l di n d u s t r y ，a n da l s oi sc h a n g i n gp e o p l e St r a d i t i o n a ll i f e s t y l e T h eP C Bi n d u s t r yi St h ef o u n d a t i o no ft h ee l e c t r o n i ci n d u s t r y ，a n dT h ee l e c t r i c c i r c u i tb o a r di St h ec a r r i e ro fe a

6、 c hk i n do fe l e c t r o n i cc o m p o m e n t P C Bb o a r dm u s t b eu s e di no r d e rt oh a v eae l e c t r i c a lc o n n e c t i o nb e t w e e ne a c hp a r t ，S Ol o n ga s e l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o nh a se l e c t r o n i cc o m p o m e n t s ，s l i g h t l ya st h ee l

7、 e c t r o n i cw a t c h ， t h ec a l c u l a t o r , b i ga st h ec o m p u t e r , t h ec o m m u n i c a t i o ne l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o n 。 m i l i t a r ya r m a m e n ts y s t e m T h ee l e c t r o n i cp r o d u c t sa r et r a n s i t t i n gf r o mm i n i t y p et o m i c

8、r o t y p ea n dt h ek i n do ft r a n s i t i o nd e e p l yr e l i e so nt h ep r e c i s i o ne n h a n c e m e n to f m a k i n g b o a r d T h i sp a p e rm a i n l yf o u c u so nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo f t h eP C Bd r i l l i n gm a c h i n

9、 e sw i t hh i g hp r e c i s i o n ，a n da n a l y z e st h ep r e s e n tm a r k e t r e q u i r e m e n t sa n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h eP C Bd r i l l i n gm a c h i n e s p r o p o s 髓 t h eo v e r a l lp l a na n dt h ed e s i g nf r a m eo ft h ec o n t r o ls y s t

10、e m T or e a l i z ef u n c t i o n so f t h es y s t e m i tt a k e st h eS I M o T I O NDm o v e m e n tc o n t r o ls y s t e ma st h em a i n c o n t r o l l e r , t h es e n s o r sa sm e a s u r i n gc o m p o n e n t ，t h ee l e c t r o m o t o r s ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v

11、e ，t h ea i ro p e r a t e dp r e s s u r ef o o ta n dt h em a n i p u l a t o ra st h e f u n c t i o n a le l e m e n t s T od i r e c t st h i ss y s t e m S l M 佣o NDr e c e i v i n gd a t a sa n d i n s t r u c t i o n sf r o mt h ec c n t r e lc o m p u t e rt h r o u g hT C 肌Pc o n n e c t i

12、 o n ，r e c e i v e se x t e r i o r s i g n a lf r o me x p a n d i n gt ot h r o u g hP R O F I B U S T h ep a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h es y s t e m Sh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r e p r o g r a m m i n ga n dt h ep r i n c i p l e so ft h ec o m m u n i c a t i o

13、n sb e t t w e e nt h ec o n t r o l c o m p u t e ra n dS I M O T l 0 ND S I M O T I O NDi Su s e da st h ec o n t r o l l i n gc o r eo ft h e s y s t e m ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n a lF OE T 2 0 0 Mi Su s e da sS I M O T l O ND Se x p a n d i n gI O t or e c e i v ee x t e r i o rs e n s

14、o r s i g n a li n c l u d i n gt h ed i 2 i t a ls i g n a la n dt h es i m u l a t i o n s i g n a l ，a n dt l l eo u t p u to ft h eE 1 2 0 0 Mi Su s e dt oc o n t r o lt h et r a n s d u c e ro fM a i n a x l e I no r d e rt Or e a l i z et h eh i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n ，S 1 M O T

15、 I O ND ，t h et r a n s d u c e r ， t h ee l e c t r o m o t o r ，t h ed i f f r a c t i o ng r a t i n gr u l e ra r eu s e dt oc a r r yo u tt h ee n t i r e c l o s e d - l o o pc o n t r 0 1 I no r d e rt oe n h a n c et h ep r o d u c t i v i t y ，t h eP C Bd r i l l i n gm a c h i n e s h a v

16、et h ef u n c t i o n ss u c ha sc l a m p i n gw o r k p i e c ea u t o m a t i c a l l y ，c h a n g i n gt h ek n i f e a u t o m a t i c a l l y ，r a p i dt o o ls e t t i n g ，t o o lb r e a k a g ed e t e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o nd e t e c t i o n ( a u t o m a t i c a l l ye s t a b

17、 l i s hc o n n e c t i o nb e t t w e e nt h ec e n t r e lc o m p u t e ra n dS I M O T l O N D ) a n dS Oo nt or e a l i z et h ea u t o m a t i z a t i o n I ti Sp r o v e db yt h es t u d yo fs a m p l ea n de x p e r i m e n tt h a tt h ee l e c t r i cc o n t r o l s y s t e mo ft h eP C Bd r

18、 i l l i n gm a c h i n e sw i t hh i g hp r e c i s i o ni ss u c c e s s f u l ，i th a sh i 【g h a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g , r e l i a b i l i t y ，a n dh i g h e ra b i l i t yo fd y n a m i cr e s p o n s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 lI 页 K e yW o r d s ：P C Bd r i l l i n gm a c h i n e s

19、：S I M O T I O ND ：M o v e m e n t c o n t r o l s y s t e m ；E n t i r ec l o s e d - l o o pc o n t r o l ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密口，

20、使用本授权书。 ( 请在以上方框内打。“ ) 学位论文作者签名：榔 日期：加8 年竭“ 目 指导老师签名 日期：山3 与- 函O u O 勺。掣 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 所研制的课题在国内尚无采用P L C 作为控制器的P c B 数控机床产品问 世，在选题上具有一定的创新性。 2 采用

21、的控制器为S I M O T I O ND ，它是西门子公司为运动控制系统提供的 高性能解决方案。 3 采用全闭环控制，使机床具有较高的精度。 4 控制器与上位机的T c P I P 通信以及控制器与E T 2 0 0 M 的通信提高了系统 的扩展能力和性价比。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 9 3 6 年，英国E i s l e r 博士提出印制电路( P r i n t e dC i r c u i t ) 这个概念。他 首创在绝缘基板上全面覆盖金属箔，在其金属箔上涂上耐蚀刻油墨后再将不需 要的金属箔腐蚀掉的P C B 制造基本技术。1 9 4 2 年，E i

22、s l e r 博士制造出世界上第一 块纸质层压绝缘基板，用于收音机的印制板。5 0 年代初，这种技术开始广泛应 用，并迅速得到发展。印制电路行业开始一举成为世界性的一个大行业，其产 值由“零”发展为1 9 9 8 年3 2 7 亿美元、1 9 9 9 年3 8 1 亿美元、2 0 0 0 年4 2 5 亿美元、2 0 0 1 年受美国经济及9 1 1 影响3 2 6 9 5 亿美元，2 0 0 2 年为3 1 3 4 9 亿美元，9 0 年代每年平 均增2 H1 5 至U 2 0 。成熟的制造方式是通常把在绝缘材上，按预定设计，制成印 制线路、印制元件或两者组合而成的导电图形称为印制电路。而

23、在绝缘基材上 提供元器件之间电气连接的导电图形，称为印制线路。这样就把印制电路或印 制线路的成品板称为印制线路板，亦称为印制板或印制电路板。 蠢一一。飞一t 固塞蕊史圣网 图1 - 1P C B 电路板 1 1 印制电路板概况 P C B 线路板几乎我们能见到的电子设备都离不丌它，小到电子手表、计算器、 通用电脑，大到计算机、通迅电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 子元器件，它们之间电气互连都要用至I J P C B ，线路板。它提供集成电路等各种电 子元器件固定装配的机械支撑、实现集成电路等各种电子元器件之间的布线和 电气连接或电绝缘、提供所要

24、求的电气特性，如特性阻抗等。同时为自动锡焊 提供阻焊图形；为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。截至2 0 0 2 年， 印刷电路板产业已呈现罕见的连续两年衰退。究其原因主要是整体产能供过於 求，加上电子产品需求衰弱，产品价格竞争相当严重，单价走跌已成为整个产 业未来营运隐忧。 根据统计，全球不景气虽造成北美P C B 大厂如V i a s y s t e m s 、M u l t e c k 、A C I 、 T y c o 、S a n m i n a 关闭厂区，产能减少1 5 ，由于成本和环境的原因以及产业结构 的调整，西方发达国家的印制电路板产值正在下降，从2 0 0 2 年到2

25、 0 0 5 年，只有 中国的产值能以二位数字的速度持续高速增长未来，印制电路板市场运作是 在中国，我国将跨入世界印制电路板大国之列。 1 1 1P C B 在电子行业中的地位 印制电路板是当代电子元件业中最活跃的产业，1 9 9 6 年2 0 0 0 年全球电子元 件产值的增长率为3 7 ，大大低于整个电子工业的产值的增长率( 6 6 ) ，在 电子工业总产值中的份额在下降，同期，印制电路1 9 9 6 年产值为2 8 3 2 亿美元， 2 0 0 0 年达到3 6 8 4 亿美元，增长率为6 8 ；印制电路在整个电子元件产值中所占 份额由1 9 9 6 年的2 4 0 9 6 增加至U 2

26、 0 0 0 年的2 7 2 ，成为电子元件产业发展的主要支 柱。这是由于集成电路集成度和功能的提高，单机所用的电子元器件的数量在 减少，而且电子元器件的销售价也在不断降低，所以电子元器件的产量和产值 的增长速率可能要低于整机产量和产值的增长速率，在电子工业总产值中的份 额有所降低。而随整机产品品种结构的调整，印制电路板在单机中的所需面积 虽减小，但随精度和复杂度提高，在整机成本中的比重反而有所增加。 I 1 2 E P 制电路板行业的发展现状 全球各类P c B 产值的大致比例为单面板1 0 ，多面板1 8 ，多层板6 3 ， 挠性板9 。就全球主要电路板生产区域看，同本、美国、台湾、大陆(

27、 及香港) 、 德国分居全球前五大P C B 生产地。日本因同币一再升值，优势渐失，P c B 与相关 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 产业不断外移，虽已成长趋缓，但仍是全球第一大电路板生产地区，产值占有 率达2 9 3 ；而美国地区产值占有率为2 7 4 ，排名第二；台湾近两年来印刷电 路板产值居世界第三，在全球市场占有率约为8 ；香港及大陆地区的P C B 厂合并 计算居全球第四位；至於西欧地区则主要以德国为主，排名居全球第五。 区域1 9 9 9 年产值1 9 9 9 - 2 0 0 4 年复合成长率占全球产值比例 日本1 0 7 亿美元 美国1 0 0 亿美元 亚洲9 7 亿美

28、元 欧洲6 0 亿美元 9 5 6 6 1 2 5 3 6 2 9 3 2 7 4 2 6 7 1 6 6 全球3 6 4 亿美元 8 7 l O o 根据N T I n f o r m a t i o n 公司对全球P C B 生产商收益做过的统计，可以得知我 国在1 9 9 9 年的收益为2 8 9 5 亿美元，增长4 1 ，全球占有率为7 6 ；2 0 0 0 年为3 6 3 5 亿美元，增长2 5 5 ，全球占有率为8 5 ；2 0 0 1 年为3 4 5 3 元亿美元，增长一5 0 ， 全球占有率1 1 ；预计2 0 0 2 年为4 0 7 4 亿美元，增长1 8 ，全球占有率为1

29、2 蠊； 2 0 0 3 年为4 9 7 0 亿美元，增长2 2 ，全球占有率为1 3 8 9 6 ；2 0 0 4 年为6 0 6 4 亿美元， 增长2 2 ，全球占有率为1 5 6 ；2 0 0 5 年为7 2 7 7 亿美元，增长2 2 ，全球占有率 为1 7 5 。由上可知，我国内地印制板“九五”期间从年销售额9 0 亿元到近几年 的3 1 3 亿元，年均增长率约为2 5 8 ，印制电路工业产值已经占据世界第四位。 预计近几年我国P c B 行业的产值仍将以两位数的年增长速度向前发展。不久的 将来，我国P c B 产值将由现在占世界P C B 产值的1 7 左右，持续上升到2 0 甚

30、至更高。我国的P C B 产值将会超过我国台湾地区，仅次于日本和美国，列居世 界第三位，成为世界P C B 工业中心。中国P C B 产品也必将由中低档产品不断提 升到中高档，直至开发生产新产品，这是中国和世界市场发展的必然。 1 1 3 印制电路板应用范围分布 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 根据D a t a q u e s t 的统计资料显示，1 9 9 9 年全球印刷电路板约有3 6 使用于 信息产品，通信、消费性产品分别占2 2 、1 7 ，总计三者占约8 成的市场。 以往大部分的印刷电路板主要应用于信息产品，近年来由于移动电话的快速发 展，以移动电话、基站等通信用的电路板也

31、随之成长。日本早期着重于家电产 品，近年来更积极发展消费性电子产品，也因此创造出广大市场的电视游戏机、 机器狗等产品，而轻薄短小、多功能的印刷电路板也因此更加蓬勃。 1 1 4 印制电路板的制造工艺 P c B 线路板是如何制造出来的呢? 我们打开通用电脑的健盘就能看到一张 软性薄膜( 挠性的绝缘基材) ，印上有银白色( 银浆) 的导电图形与键位图形。 因为通用丝网漏印方法得到这种图形，所以我们称这种印制P C B ，线路板为挠性 银浆印制P c B ，线路板。而我们去电脑城看到的各种电脑主机板、显卡、网卡、 调制解调器、声卡及家用电器上的印制电路板就不同了它所用的基材是由纸 基( 常用于单面

32、) 或玻璃布基( 常用于双面及多层) ，预浸酚醛或环氧树脂， 表层一面或两面粘上覆铜簿再层压固化而成。这种P C B ，线路板覆铜簿板材，我 们就称它为刚性板。再制成印制P C 8 线路板，我们就称它为刚性印制P C B ，线路 板。单面有印制线路图形我们称单面印制线路板，双面有印制线路图形，再通 过孔的金属化进行双面互连形成的印制线路板，我们就称其为双面板。如果用 一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印制 线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行 互连的印制线路板就成为四层、六层印制电路板了，也称为多层印制线路板。 现在已有超过1 0

33、0 层的实用印制P C B 。 P C B 线路板的生产过程较为复杂，它涉及的工艺范围较广，从简单的机械加 工到复杂的机械加工，有普通的化学反应还有光化学电化学热化学等工艺，计 算机辅助设计C A M 等多方面的知识。而且在生产过程中工艺问题很多而且会时时 遇见新的问题而部分问题在没有查清原因问题就消失了，由于其生产过程是一 种非连续的流水线形式，任何一个环节出问题都会造成全线停产或大量报废的 后果，印刷线路板如果报废是无法回收再利用的，工艺工程师的工作压力较大， 所以许多工程师离开了这个行业转到印刷线路板设备或材料商做销售和技术服 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 务方面的工作。 为

34、进一认识P C B ，线路板我们有必要了解一下通常单面、双面印制P c B ，线路 板及普通多层板的制作工艺，于加深对它的了解。线路板厂 单面刚性印制板：一单面覆铜板一下料一( 刷洗、干燥) 一钻孔或冲孔一 网印线路抗蚀刻图形或使用干膜一固化检查修板一蚀刻铜一去抗蚀印料、干燥 一刷洗、干燥一网印阻焊图形( 常用绿油) 、U V 固化一网印字符标记图形、U V 固化一预热、冲孔及外形一电气开、短路测试一刷洗、干燥一预涂助焊防氧化 剂( 干燥) 或喷锡热风整平一检验包装一成品出厂。 双面刚性印制板：一双面覆铜板一下料一叠板一数控钻导通孔一检验、去 毛刺刷洗一化学镀( 导通孔金属化) 一( 全板电镀

35、薄铜) 一检验刷洗一网印负 性电路图形、固化( 干膜或湿膜、曝光、显影) 一检验、修板一线路图形电镀 一电镀锡( 抗蚀镍金) 一去印料( 感光膜) 一蚀刻铜一( 退锡) 一清洁刷洗一 网印阻焊图形常用热固化绿油( 贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常 用感光热固化绿油) 一清洗、干燥一网印标记字符图形、固化一( 喷锡或有机 保焊膜) 一外形加工一清洗、干燥一电气通断检测一检验包装一成品出厂 贯通孔金属化法制造多层板工艺流程一内层覆铜板双面开料- - - 届l J 洗一钻定 位孔一贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂一曝光一显影一蚀刻与去膜一内层粗 化、去氧化一内层检查一( 外层单面覆铜板线路制作

36、、B 阶粘结片、板材粘结 片检查、钻定位孔) 一层压一数控制钻孔一孔检查一孔前处理与化学镀铜一全 板镀薄铜一镀层检查一贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂一面层底板曝光 一显影、修板一线路图形电镀一电镀锡铅合金或镍金镀一去膜与蚀刻一检查一 网印阻焊图形或光致阻焊图形一印制字符图形一( 热风整平或有机保焊膜) 一 数控洗外形一清洗、干燥一电气通断检测一成品检查一包装出厂。 从工艺流程图可以看出多层板工艺是从双面孔金属化工艺基础上发展起来 的。它除了继了双面工艺外，还有几个独特内容：金属化孔内层互连、钻孔与 去环氧钻污、定位系统、层压、专用材料。 我们常见的电脑板卡基本上是环氧树脂玻璃布基双面印制P

37、 c B ，线路板，其 中有一面是插装元件另一面为元件脚焊接面，能看出焊点很有规则，这些焊点 的元件脚分立焊接面我们就叫它为焊盘。为什么其它铜导线图形不上锡呢。因 为除了需要锡焊的焊盘等部分外，其余部分的表面有层耐波峰焊的阻焊膜。 其表面阻焊膜多数为绿色，有少数采用黄色、黑色、蓝色等，所以在P c B ，线路 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 板行业常把阻焊油叫成绿油。其作用是，防止波焊时产生桥接现象，提高焊接 质量和节约焊料等作用。它也是印制板的永久性保护层，能起到防潮、防腐蚀、 防霉和机械擦伤等作用。从外观看，表面光滑明亮的绿色阻焊膜，为菲林对板 感光热固化绿油。不但外观比较好看，便

38、重要的是其焊盘精确度较高，从而提 高了焊点的可靠性。 1 2 课题背景 1 2 1 问题的提出 当今世界人们感受最深的变化是电子工业突飞猛进的发展，它已经改变了 人们传统的生活方式、思维方式，而且它仍以高速度向前发展。P c B 行业是电子 工业的基础，电子工业的飞速发展必会促进P C B 行业的欣欣向荣。 N T I n f o r m a t i o n 公司对全球P C B 生产商的收益做过统计，其中我国在1 9 9 9 年的收益为2 8 9 5 亿美元，增长4 1 ，占有率( 占全球比例) 7 6 ：2 0 0 0 年为3 6 3 5 亿美元，增长2 5 5 ，占有率8 5 ：2 0

39、0 1 年为3 4 5 3 元亿美元，增长一5 0 9 6 ，占有率 1 1 ；预计2 0 0 2 年为4 0 7 4 亿美元，增长1 8 ，占有率1 2 4 ；2 0 0 3 年为4 9 7 0 亿美 元，增长2 2 ，占有率1 3 8 ：2 0 0 4 年为6 0 6 4 亿美元，增长2 2 ，占有率1 5 6 ：2 0 0 5 年为7 2 7 7 亿美元，增长2 2 9 6 ，占有率1 7 5 。由上可知，我国在未来几年内，P c B 行业将以2 0 左右的速度递增，按这个趋势，中国的P C B 业在2 l 世纪是朝阳工业， 是充满希望的产业。 伴随着越来越多P C B 行业的国外企业来

40、中国投资建厂，其定单亦转到中国， “进入中国一已成为全世界印刷线路板制造商的口号。在世界电子电路的会议 上，有专家预测：中国将会成为世界印制版的中心! 随着新技术的出现，以及工艺的改进，P c B 制造业传统的生产模式已经不能 胜任新技术发展的要求。自动插装、自动焊接及自动贴装技术的出现，对P c B 板提出了高精度定位要求，要求P C B 定位精度准确无误。采用人工手段无法胜任， 模具生产也不能满足要求，必须采用高精度数控钻铣床来实现。在6 0 - - 7 0 年代， 我国P C B 行业主要从事单面板制作，市场占有率为8 5 左右，产值占9 0 左右，P c B 钻孔工艺主要以手工为主，模

41、具生产为辅，直N 8 0 年代中期，P C B 行业手工钻孔 工艺被淘汰，主要以模具冲孔为主，到9 0 年代，根据C P C A 调查结果显示，单面 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 板市场的占有率下降到6 0 9 6 左右，而产值占1 5 左右，双面板、多层板市场占有 率上升到4 0 ，产值占8 5 左右，而且仍有上升的趋势。此时，模具冲孔难以满 足精度要求，数控钻铣床开始得到各P C B 生产厂商的重视，数控钻铣床在P C B 制造 业开始获得广泛的应用，经实践证实，没有P C B 数控钻铣床的厂商，在市场上难 以立足。我们选择此课题是基于目前这种市场的要求，为我国印制电路板的发 展

42、和创民族品牌做出一点贡献。 1 2 2 国内外研究现状 二十世纪中叶以前，人们用于P C B 打孔和铣板的手段主要是靠人工作坊式的 手动和半自动的金属冲、钻、压等机床设备，6 0 年代初以来，工业发达国家的 许多P C B 加工设备设计、生产厂家，为了满足人们的要求，对P C B 加工设备存在 的问题进行针对性攻关，终于在1 9 5 2 年的芝加哥机床博览会上世界上第一台专 门用于P C B 工业的C N C 机床面世了。目前国外同类产品虽然起步早，发展历史长， 技术上相对先进，整机档次相对较高，工作精度和工作效率都比较高，但其昂 贵的价格，高额的维修费用，配件采购难等等因素，致使一般P C

43、B 制造业厂商望 而生畏。 6 0 7 0 年代，我国开始研制及生产P C B 数控钻机，直N 9 0 年代初，在技术上 没有任何突破。这一代产品属半自动化设备，需要人工装、取钻头，采用开环 控制系统，加工精度低，无辅助吸尘、冷却设备，造成生产环境恶劣。到9 0 年 代中期，P C B 铜 造行业飞速发展，P C B 数控钻机市场的需求量迅速增大，引起P C B 数控钻机制造业的重视，开始研究开发P C B 数控钻机，生产出新一代P C B 数控钻 机，尽管新一代P C B 数控钻机和过去相比，在性能上有较大改进，精度上有较大 提高，但仍然不尽人意，造成P c B 制造业的厂商对国内P C B

44、 数控钻机持怀疑的态 度及畏惧的心理。 国内外对未来印制板生产制造技术发展动向的论述基本是一致的，即向高 密度，高精度，细孔径，细导线，细间距，高可靠，多层化，高速传输，轻量， 薄型方向发展，在生产上同时向提高生产率，降低成本，减少污染，适应多品 种、小批量生产方向发展。印制电路的技术发展水平，一般以印制板上的线宽， 孔径，板厚孔径比值为代表而对于P c B 的钻孔技术，则像孔径小，精度高速度 快，孔的类型多样化等方向发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章P C B 数控机床电气控制系统总体设计 P C B 数控钻床是用于对P C B 板进行钻销加工的一种机床，可以对P E

45、B 板完成精 密的钻孔和异形槽、孔、边框的铣削加工，其本质上是通过对孔进行平面定位 来控制微孔加工钻床。 国内代表性制造厂家有深圳大族、成都航晨、四川现代等公司。目前的数 控印制扳钻床，一般运动执行方式有两种，第一种是采用伺服电机或步进电机 和滚珠丝杠作为运动执行部件，第二种是通过直线电机直接带动工作台运动。 本课题所设计的为一拖四模式的数控钻床，包括X 水平横向( 加工横梁) ，Y 水平纵向( 工作台面) ，4 个z 深度方向( 加工刀架) 三维移动和钻头本身的旋 转运动四个自由度。 图2 I P C B 数控机床外形图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 设计目标 图2 2P

46、C B 整体图 本课题所设计的数控钻床，目标是符合国际上的主流标准，采用模块化设 计技术，从机床的机械部分、控制系统的硬件和软件方面进行全新的设计。该 机床可以实现高精度的闭环控制，高可靠性的状态控制，高效率的2 h i 方式以 及友好的用户操作界面。其主要的特点如下： 1 、x 、Y 轴驱动系统均采用西门子专用高速运动控制系统，并通过雷尼绍 光栅尺进行外部定位，实现闭环控制具有速度快、精度高等优点： 2 、x 、Y 、z 轴均采用进口矩形滚动导轨、丝杠，保证运动的精度和速度； 3 、机床底座、横梁、滑架、工作台面均采用花岗岩制造，精度高，稳定性 好； 4 、实时监测机床的工作状态，对水温、气

47、压等参数进行报警保护，自动控 制吸尘器电源及电主轴冷却系统的启、停； 5 、电主轴冷却系统采用P C B 数控机床专用冷却水泵，制冷效果好； 6 、具有限位、电主轴过热、水温、气压检测及伺服报警等保护功能： 7 、自动记忆工件的零点，使用方便； 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 8 、可以根据钻孔直径自动选择主轴的转速、下钻速度以及下钻次数； 9 、每根轴都配有机械手能进行自动换刀，可以提高机床的工作效率； l O 、具有刀具断钻检测功能，钻孔深度检测功能保证加工质量； 该机床除了以上的特点之外，其主要机械电气参数指标如下： l 、X 、Y 、Z 三方向各自运动范围：4 6 0 m 、

48、7 5 0 删- n 、7 0 m 2 、主轴头数：4 3 、最大移动速度：3 0 m m i n 4 、最大加速度：2 G 5 、主轴最大旋转转速：16 0 0 0 0 r m in 6 、定位精度：0 O l m 7 、重复定位精度：0 0 0 5 m 8 、钻孔速度：5 0 0 m i n 9 、钻孔精度：0 0 2 咖 1 0 、最小钻孔直径：0 1 m 1 1 、最大钻孔直径：6 3 5 m 1 2 、控制方式：X 、Y 轴闭环 2 2 机械部分总体设计 总体布局采用X 、Y 轴分立式结构，装配简单，两方向运动质量基本相同。 X 、Y 轴的电机带动滚珠丝杠旋转，通过螺母副带动工作台在

49、X 、Y 方向上移动。 Z 轴结构对于高速钻孔极其重要，设计和制造严格保证驱动电机主轴和钻 孔主轴共线。采用上端固定下端悬臂丝杠结构，采用弹性联轴器。 滚珠丝杠和导轨采用国际知名品牌。机床底座，横梁，工作台采用全花岗 石，保证高精度稳定性和温度稳定性。 2 3 控制部分方案选择 2 3 1 典型的数控机床控制方式 目前数控机床的控制方式主要有以下四种形式 4 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 l 、封闭式： 数控系统是专用的封闭体系结构，目前这种结构的系统占据了制造业的大 部分市场，但由于开放式数控体系的发展，此种数控系统正逐渐减少。 2 、P c 嵌入N c 式： 此种数控系统具有一定的开放性，但其N C 部分仍然是传统的数控系统，用 户无法介入其核心。 3 、N c 嵌入P c 式： 由开放式运动控制卡和P c 机构成，运动控制器以P