何 玲，王志剛，吳恒玉

(1.海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南 瓊海517400；2.深圳大學(xué)機電與控制工程學(xué)院，廣東深圳518060；3.深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東深圳518052)

隨著國家“十二五”規(guī)劃，強調(diào)可持續(xù)發(fā)展的核心思想是經(jīng)濟發(fā)展，保護資源和保護生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)一致，要把建立資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會作為推進可持續(xù)發(fā)展的重要著力點，特別關(guān)注的是各種經(jīng)濟活動的生態(tài)合理性，強調(diào)對資源、環(huán)境有利的經(jīng)濟活動應(yīng)給予鼓勵[1]。盡管氣動技術(shù)具有高速、高效、清潔安全、低成本、易維護等優(yōu)點[2]，但是，經(jīng)空壓機壓縮后的空氣，其中水氣、塵埃、油霧等有害物質(zhì)隨同空氣一起送到空氣控制部分，這種高溫高濕的空壓氣體對氣動部件及管路將造成嚴重損蝕和污染，甚至?xí)斐稍O(shè)備故障[3]，因此必須進行有效的過濾和凈化，以及配合氣動控制和執(zhí)行元件的合理選擇，才能保證整個空壓系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，干燥系統(tǒng)節(jié)能降耗，提高執(zhí)行機構(gòu)運行可靠性。

印制電路板鉆孔是印制電路板生產(chǎn)過程中的重要工序，印制電路板鉆孔要求速度快、效率高、精度準，這就要求PCB 數(shù)控鉆孔機具有更高速旋轉(zhuǎn)的氣浮主軸和盡可能短的加工輔助時間，目前多數(shù)PCB 數(shù)控鉆孔機采用比較多的方案是裝配200 kr/min 以上氣浮主軸，以實現(xiàn)鉆頭線速度的最大化，達到快速切削的目標；同時利用氣壓傳動的速度快和響應(yīng)快的特點，實現(xiàn)半自動、自動的工件夾緊，自動換刀等輔助功能。

1 PCB 數(shù)控鉆孔機氣路原理、系統(tǒng)組成及技術(shù)指標

PCB 數(shù)控鉆孔機是鉆孔工序的關(guān)鍵設(shè)備，對產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量等起著關(guān)鍵的作用。PCB 數(shù)控鉆孔機要求供氣系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的氣壓和流量，否則將影響PCB 板后續(xù)制程的蝕刻、電鍍、曝光等工序。氣動控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)不僅共同實現(xiàn)氣浮主軸的啟動和停止，還可以實現(xiàn)PCB 工件（覆銅板）的自動夾緊和松開。因此PCB 數(shù)控鉆孔機的氣源供氣系統(tǒng)在電路板鉆孔生產(chǎn)過程中起著極其重要的作用。

1.1 工作原理

PCB 數(shù)控鉆孔機鉆孔的一般流程是開機- 導(dǎo)入機器鉆孔程式-打開氣夾組件-固定好帶銷釘?shù)腜CB 覆銅板-關(guān)閉氣夾-設(shè)定好機器鉆孔參數(shù)-機械手系統(tǒng)自動取鉆針送入主軸-刀徑和刀長測量-壓腳杯放下，主軸高速旋轉(zhuǎn)-Z 軸高速快進后，工進鉆孔-快退到快鉆設(shè)定高度一直循環(huán)，直到完成鉆孔作業(yè)。在上述動作過程中，都需要氣動執(zhí)行元件協(xié)助完成動作。PCB 數(shù)控鉆孔機的氣路系統(tǒng)與普通的氣路系統(tǒng)一致，都是由氣源裝置、控制元件、執(zhí)行元件、輔助元件組成，原理圖如圖1 所示。

圖1 PCB 數(shù)控鉆孔機鉆孔氣路圖

1.2 PCB 數(shù)控鉆孔機氣路系統(tǒng)組成

PCB 數(shù)控鉆孔機氣路的系統(tǒng)組成見圖1，是由空壓機1、冷卻器2、減壓閥3（壓力設(shè)定為0.8 MPa）和儲氣罐4 組成的氣源裝置，經(jīng)過一級過濾5、空氣干燥機6、單向截止閥7，儲氣罐8、二級過濾9、三級過濾10，將過濾干凈的壓縮空氣通過減壓閥11，帶報警功能的壓力開關(guān)12 組成的輔助元件，供氣給執(zhí)行元件——氣浮主軸13，實現(xiàn)氣浮主軸的高速旋轉(zhuǎn)；從減壓閥11，再經(jīng)過減壓閥14，給起工作臺支撐作用的氣浮墊15 供氣；二級過濾9，減壓閥16、帶報警功能的壓力開關(guān)17、二位二通的電控電磁閥18 和二位三通的電控電磁閥19 組成氣浮夾頭打開、關(guān)閉回路；由減壓閥、二位三通的電控電磁閥和雙作用氣缸組成的回路可以實現(xiàn)氣夾的打開、關(guān)閉；壓腳杯的抬起、降低；吸塵閥的開啟、關(guān)閉；刀具檢測器清潔等輔助功能。

1.3 主要技術(shù)指標

PCB 數(shù)控鉆孔機氣路的主要技術(shù)指標是由氣浮主軸決定，設(shè)計壓力在0.7 MPa 以上，空氣過濾顆粒精度小于1 μm、在20 ℃條件下，含油量小于0.01 mg/m3、運行氣壓的露點小于7.5 ℃。

2 氣路關(guān)鍵元器件的選型和參數(shù)測試

2.1 執(zhí)行元件的選型

PCB 數(shù)控機械鉆孔機壓腳杯氣缸的主要功能在實現(xiàn)PCB 數(shù)控鉆孔機自動換刀過程中，提起壓腳杯，配合壓腳杯壓緊工件的作用。以壓腳杯氣缸的選型為例，通過FESTO 公司的計算和選型軟件說明氣動執(zhí)行元件——氣缸的選型過程，首先啟動FESTO 的產(chǎn)品選型軟件，點擊“產(chǎn)品選型及計算工具”，如圖2 所示，主要步驟有系統(tǒng)參數(shù)、氣缸選擇、選型、仿真和元器件清單。點擊“通過ProPneu 進行氣動產(chǎn)品的選型”，彈出如圖3 所示對話框，選擇“雙作用氣缸”，點擊“繼續(xù)”，根據(jù)實際使用工況進行系統(tǒng)參數(shù)輸入和仿真分析，就可以選擇合適的氣缸，如圖4、圖5 所示。

圖2 產(chǎn)品選型及計算工具

圖3 雙作用氣缸

圖4 系統(tǒng)參數(shù)輸入

圖5 系統(tǒng)仿真和參數(shù)優(yōu)化

通過仿真結(jié)果顯示，選擇FESTO 公司的DSNU-16-25-P-A，可以滿足工作要求，同時也可以選取SMC 公司CJ2B16-25Z 的微型氣缸，如圖6所示，或者如圖7 所示的德國Rexroth 公司的ISO 6432 系列MNI-MR 的微型氣缸R988050747。

2.2 控制元件的選型

在PCB 數(shù)控鉆孔機氣路系統(tǒng)中，使用最多的控制元件是二位五通的先導(dǎo)式電磁閥，通過計算氣缸所需要的流量計算電磁閥流通能力，從而選定合適的通徑。流通能力過小，作為先導(dǎo)式電磁閥難以在規(guī)定的時間里打開或關(guān)上受控的閥門；流通能力過大，電磁閥或其受控閥門的動作不一定理想，甚至出現(xiàn)險情，且造成選型設(shè)備上的浪費。

根據(jù)氣缸缸徑、行程、運行速度及使用壓力計算出所需的耗氣量[4]。

圖6 SMC 公司CJ2B16-25Z 的微型氣缸

圖7 Rexroth 公司R988050747 的微型氣缸

其中：Q 為氣缸的最大耗氣量；

D 為缸徑；

Vmax為氣缸的最大速度；

P 為使用壓力。

根據(jù)所需的耗氣量計算出的流通能力CV 值或有效流通面積S，即：

其中：Q 為自由流量；

P2為移動負載所需要的壓力；

ΔP 為壓力降。

根據(jù)以上公式計算結(jié)果，可以選擇日本SMC 公司生產(chǎn)的SY3120-5LZD-M5 的二位5 通先導(dǎo)式電磁閥，如圖8 所示，或者德國FESTO 公司生產(chǎn)的VUVG-L10-M52-RT-M5-1P3 的二位5通先導(dǎo)式電磁閥，如圖9 所示，都可以滿足工作要求。

2.3 主過濾系統(tǒng)的選型和參數(shù)測試

圖8 SMC 公司SY3120-5LZD-M5 電磁閥

圖9 FESTO 公司VUVG-L10-M52-RT-M5-1P3 電磁閥

空氣壓縮機的選用：選擇空氣壓縮機主要以氣壓傳動系統(tǒng)所需要的工作壓力和流量為依據(jù)。各式空氣壓縮機的適用范圍根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，活塞式空氣壓縮機適用于壓力較高的中、小流量場合，離心式空氣壓縮機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣均勻，適用于低壓、大流量的場合，螺桿式適用于低壓力的中、小流量的場合，葉片式空氣壓縮機適用于低、中壓力的中、小流量的場合[5]。

后冷卻器安裝在空氣壓縮機的出口，它的作用是將空氣壓縮機產(chǎn)生的高溫壓縮空氣由140～170 ℃降低到40～50 ℃，使壓縮空氣中的油霧和水汽達到飽和，使其大部分析出并凝結(jié)成油滴和水滴分離出來，以便將其清除，達到初步凈化壓縮空氣的目的[6]。

除油器的作用是分離壓縮空氣中凝聚的灰塵、水分和油分等雜質(zhì)。

貯氣罐的作用是消除排氣壓力波動，保證輸出氣流的穩(wěn)定性；當(dāng)空壓機發(fā)生意外事故如突然停電時，貯氣罐的壓縮空氣可作為應(yīng)急動力源使用。

過濾器是保持工作介質(zhì)清潔，使系統(tǒng)正常工作所不可缺少的輔助元件。過濾器的選擇主要有三個指標，即過濾精度（過濾效率）、額定流量、壓力損耗和能耗[7]；

空氣干燥器的作用是吸收和排除壓縮空氣中的水分、油分和雜質(zhì)。常用的是冷凍法和吸附法。冷凍式干燥器是使壓縮空氣冷卻到一定的露點溫度，析出空氣中的水分。吸附式干燥器主要是利用具有吸附性能的吸附劑（如硅膠、活性氧化鋁、焦碳、分子篩等物質(zhì)）表面能夠吸附水分的特性來清除水分的，從而達到干燥、過濾的目的[8]。

氣浮主軸是PCB 數(shù)控鉆孔機的關(guān)鍵零部件，氣浮主軸由于沒有機械接觸，磨損程度降到了最低，從而確保精度始終保持穩(wěn)定，能夠在軸向和徑向同時獲得小于0.1 μm 的旋轉(zhuǎn)精確性，提供極高的徑向和軸向旋轉(zhuǎn)精度。根據(jù)我們公司選用英國WESTWIND 公司生產(chǎn)的WW-1822 氣浮主軸要求，空氣過濾顆粒精度小于1 μm、在20 ℃條件下，含油量小于0.01 mg/m3、運行氣壓的露點小于7.5 ℃，在0.56 MPa 壓力下，流量不小于75 L/min，如果空氣溫度過高或過低、含油或含水過多、空氣流量不足、過濾器過濾顆粒能力不足、空氣壓力過高或過低，超出標準、空氣壓力不穩(wěn)定，波動范圍大，都有可能導(dǎo)致主軸嚴重故障。根據(jù)ISO8573.1：2001 壓縮空氣質(zhì)量標準，要達到空氣過濾顆粒精度小于1 μm，含油量小于0.01 mg/m3，屬于1 級空氣質(zhì)量標準[9]。

參考日本SMC 推薦三級空氣過濾裝置，綜合考慮選用日本SMC 公司生產(chǎn)的AFF8C-04D-T 的主管路過濾器（以級過濾）配合IDFA11E-23 的空氣干燥機和AM350C-04D-T 油霧分離器以及AME350C-04 的超微霧分離器，第一級的過濾精度為3 μm，去除率為99%；第二級的過濾精度為0.3 μm，去除率為99%，出口油霧濃度最多1.0 mg/m3；第三級的過濾精度為0.01 μm，去除率為99.9%，出口油霧濃度最多0.01 mg/m3；能夠滿足流量和過濾精度的要求，具體配置如圖10 所示。

圖10 推薦配置SMC 品牌主路過濾系統(tǒng)配置圖

基于成本的考量，亦可選用美國PARKER 公司旗下Domnick hunter 生產(chǎn)AO-025DBFX 的DH預(yù)過濾器配合SPL030 的冷凍式干燥機和AA-025DBFX 級 DH 精密過濾器以及兩個ACS-015DBFX 級油蒸汽去除過濾器，第一級的過濾精度為1 μm，出口油霧濃度最多0.6 mg/m3，去除率為99.925%；第二級的過濾精度為0.01 μm，去除率為99.999%，出口油霧濃度最多0.01 mg/m3；第三級的過濾精度為0.01 μm，出口油霧濃度最多0.003 mg/m3，去除率為99.9999%；如圖11 所示，這樣就可以一套空氣過濾系統(tǒng)配置兩臺PCB 數(shù)控鉆孔機，實現(xiàn)節(jié)約成本的目的。

圖11 美國PARKER 推薦的主路過濾系統(tǒng)配置圖

圖12 DRYCAP?手持式露點儀DM70

圖13 PF2A703-10-28 的流量開關(guān)

圖14 粒子計數(shù)器

隆力集團的HITACHI 機械鉆孔機就是選用SMC 公司的AFF22C-10D-T 主路過濾器和IDFA22E-23 空氣干燥機，以及AM550C-06D-T 油霧分離器以及AME350C-04 超微霧分離器，基于成本考量，實現(xiàn)兩臺機器配置一套空氣過濾系統(tǒng)。

通過維薩拉DRYCAP?手持式露點儀DM70在冷凍式干燥機的出口實際測試運行氣壓的露點為6.5 ℃，如圖12 所示，用SMC 公司生產(chǎn)PF2A703-10-28 的流量開關(guān)測量空氣流量為970 L/min，如圖13 所示，用粒子計數(shù)器測量高于1 μm 的小于100 個，如圖14 所示，滿足六軸PCB 數(shù)控鉆孔機的設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

針對PCB 數(shù)孔鉆孔機的氣體系統(tǒng)經(jīng)過理論分析與設(shè)計，尤其是對幾個關(guān)鍵元件選型作比較詳細分析和計算，經(jīng)過實際測試和長期進行，結(jié)果表明該氣路系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定、可靠，在規(guī)定的條件下能夠完成預(yù)定的功能，安全可靠的運行。

[1] 陳啟復(fù). 對我國氣動工業(yè)現(xiàn)狀與未來發(fā)展的思考[J].液壓氣動與密封，2012(1)：16-22.

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[3] 劉金奎，吳永杰，馮媛媛. 氣路設(shè)計在面粉廠中的應(yīng)用. 工藝設(shè)備，2001(6)：15-17.

[4] Holger Korber，王榮桂，顧泓.減少壓縮空氣中的含油量[DB/OL]. http://mw.vogel.com.cn/news_view.htmlid=233405，2011-10-25.

[5] 吳振順.氣壓傳動與控制（第2 版）[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011.30-40.

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[8] 路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.156-168.

[9] ISO 8573-1，壓縮空氣-第1 部分，污染物和清潔度等級[S].