劉定昱，王正強(qiáng)，雷 鳴，王 星

(1.深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東深圳 518057）

（2.中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057)

PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)加工效率提升方法研究

劉定昱1，王正強(qiáng)2，雷 鳴1，王 星1

(1.深圳市大族數(shù)控科技有限公司，廣東深圳 518057）

（2.中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057)

提出了3種提高PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)加工效率的辦法，每種方法經(jīng)過(guò)測(cè)試都有效可行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了3種方法效率提升程度，同時(shí)討論了3種方法的優(yōu)劣，為PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)器和類(lèi)似鉆孔加工機(jī)器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考。

鉆孔效率；鉆孔；PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)

PCB（Printed Circuit Board，印制線(xiàn)路板）數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)設(shè)備制造技術(shù)源自歐美，后進(jìn)入日韓，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)沿襲國(guó)外先進(jìn)技術(shù)緊隨其后，中國(guó)大陸地區(qū)相對(duì)起步較晚但發(fā)展迅速。自2012年始，PCB生產(chǎn)重心全面轉(zhuǎn)移到中國(guó)大陸，中國(guó)大陸地區(qū)PCB制造地位全球居首，隨之給本土的PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)商帶來(lái)契機(jī)。隨著PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)制造技術(shù)趨于成熟，各中高端產(chǎn)品差異不大，進(jìn)一步提高設(shè)備精度、速度成為提升PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力的首要任務(wù)。

影響設(shè)備的速度主要因素是執(zhí)行機(jī)械的質(zhì)量和摩擦系數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制模塊的運(yùn)算能力、驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力、電機(jī)持續(xù)推力等固有因素，這些都是PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)持續(xù)改造的目標(biāo)和方向。另一方面，鉆孔控制方法改進(jìn)對(duì)速度提升同樣貢獻(xiàn)顯著。本文僅從鉆孔控制方法的角度討論提高機(jī)械鉆孔速度的方法。

1 PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)

PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)完成印制線(xiàn)路板的鉆孔加工，通常采用0.1～6.5 mm直徑不等的刀具，在印制線(xiàn)路板上快速準(zhǔn)確的鉆孔。PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)采用框架式龍門(mén)結(jié)構(gòu)，由床身和橫梁兩個(gè)部分組成，如圖1所示。y向由電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)完成前后運(yùn)動(dòng)，x向由電機(jī)驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)的z軸機(jī)構(gòu)完成左右運(yùn)動(dòng)，x、y兩相實(shí)現(xiàn)平面位置準(zhǔn)確定位。z向由電機(jī)驅(qū)動(dòng)z軸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)垂直方向運(yùn)動(dòng)，氣浮主軸由z軸底座及主軸夾套夾持，跟隨z軸機(jī)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng)。

圖1 PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為了節(jié)省成本x向采用多軸級(jí)聯(lián)的方式，一般以六軸級(jí)聯(lián)居多。印制線(xiàn)路板鉆孔加工時(shí)，可六軸同時(shí)加工，x、y向移動(dòng)到鉆孔位，六個(gè)z軸同時(shí)向下帶動(dòng)氣浮主軸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆孔。

2 z軸分段鉆

2.1 z軸分段鉆原理

因?yàn)楣に囆枰?，常?guī)鉆孔時(shí)會(huì)進(jìn)行疊板。鉆通孔板時(shí)從上到下疊層依次為鋁片、PCB板、紙板。為了防止鉆孔加工時(shí)印制線(xiàn)路板發(fā)生偏移影響加工精度，鉆孔廠(chǎng)通常采用銷(xiāo)釘?shù)姆绞綄⑸鲜霪B層板進(jìn)行固定，帶銷(xiāo)釘?shù)寞B層板采用夾PIN裝置或者固定在電木板上兩種方式固定在PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)上。

z向下鉆從起鉆位H開(kāi)始，鉆孔行程包含鋁片厚度、PCB板厚度和一部分紙板厚度及余量的總和。圖2顯示了從起鉆位H和終鉆位Z。H是鉆孔操作員計(jì)算設(shè)置的，余量部分由操作員自行設(shè)定，常規(guī)做法是估算PCB板的厚度和疊板數(shù)、鋁片厚度，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)一定的余量進(jìn)行設(shè)定。由于PCB板厚度有偏差，在估計(jì)厚度時(shí)，為了安全將H值設(shè)定得比較高，見(jiàn)圖2所示。

隨著印制線(xiàn)路板向輕薄短小變化的趨勢(shì)，孔越來(lái)越小也越來(lái)越密集，因此PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)鉆孔時(shí)x、y向移動(dòng)的距離短，z向垂直運(yùn)動(dòng)距離需要鉆穿鋁片和多層層疊的PCB板及部分紙板，行程相對(duì)較長(zhǎng)。所以對(duì)于PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)，z向進(jìn)刀、退刀速度更影響整機(jī)的鉆孔速度。標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔流程是x、y軸聯(lián)動(dòng)，整定好后z軸下鉆，如圖3（a）所示。動(dòng)作分解為x、y向橫梁平臺(tái)同時(shí)向目標(biāo)孔移動(dòng)（動(dòng)作①），到達(dá)目標(biāo)孔后，z軸下鉆（動(dòng)作②），鉆孔完成后z軸上抬（動(dòng)作③）。

圖2 鉆孔深度位置設(shè)置示意圖

圖3 z軸分段鉆孔改進(jìn)示意圖

x、y向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于孔間距近，通常x、y向電機(jī)均沒(méi)有到達(dá)最大速度時(shí)即剎車(chē)停止，只有在長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)時(shí)才能體現(xiàn)x、y向電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)越性。近距離鉆孔z向運(yùn)動(dòng)速度對(duì)鉆孔效率提升起決定因素。為了保證鉆孔的孔壁品質(zhì)和鉆孔精度，同時(shí)防止刀具斷針，各生產(chǎn)廠(chǎng)商根據(jù)被鉆對(duì)象的層厚、材質(zhì)以及刀具直徑有不同的下鉆速度參數(shù)，業(yè)內(nèi)稱(chēng)為進(jìn)刀速。退刀時(shí)可采用較高速度退刀。

圖3（b）提出了提高z軸進(jìn)刀速度的辦法，對(duì)進(jìn)刀的行程采用分段管理，那么動(dòng)作分解為x、y向橫梁平臺(tái)同時(shí)向目標(biāo)孔移動(dòng)（動(dòng)作①），到達(dá)目標(biāo)孔后，z軸高速下鉆（動(dòng)作②），z軸到達(dá)接近鋁片的高度時(shí)，改為進(jìn)刀速下鉆（動(dòng)作③）鉆孔完成后z軸高速上抬（動(dòng)作④）。

此方法提高了z軸下鉆部分行程的速度，即圖2（b）中動(dòng)作②的速度，高速下鉆的目標(biāo)位置由客戶(hù)輸入，可調(diào)整。該方法對(duì)板面平整度的要求較高。

2.2 z軸分段鉆實(shí)驗(yàn)

采用一臺(tái)大族品牌的F6M系列PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)對(duì)z軸分段鉆功能進(jìn)行測(cè)試。調(diào)用測(cè)試用矩陣文件進(jìn)行鉆孔，鉆孔文件為100×100陣列文件，孔間距5 mm，整板鉆孔尺寸長(zhǎng)500 mm、寬500 mm，共計(jì) 10 000只孔。鉆孔刀具直徑φ0.275 mm，氣浮主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為18萬(wàn)r/min，PCB板采用厚度為1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)雙面覆銅板疊三片，加工進(jìn)刀速2.5 m/min，退刀速20 m/min，持續(xù)鉆孔，不換刀。疊板順序?yàn)閺南轮辽虾穸葹?0 mm電木板一張、厚度為2.5 mm紙板一張、厚度為1.6 mm覆銅板三張、厚度為0.2 mm鋁片一張，臺(tái)面為z向零點(diǎn)，設(shè)定起鉆位22 mm，終鉆位12 mm，終鉆位落入紙板0.5 mm處。由于理論鋁片表面位置在z向17.5 mm處，分別設(shè)分段鉆位置為18.5 mm及19.5 mm兩個(gè)位置測(cè)試。結(jié)果如表1所示。

表1 z軸分段鉆實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)進(jìn)行Z軸分段鉆孔實(shí)驗(yàn)前，按照原來(lái)的鉆孔方式進(jìn)行鉆孔。鉆10 000只陣列孔每分鐘鉆孔數(shù)在235個(gè)左右，設(shè)置分段鉆，分段鉆位置設(shè)置在鋁片表面1 mm左右的位置提升效率達(dá)28.8%，分段鉆位置設(shè)置在鋁片表面2 mm左右的位置提升效率為20.6%。

3 三軸聯(lián)動(dòng)

3.1 三軸聯(lián)動(dòng)原理

通常鉆孔步驟為x、y軸聯(lián)動(dòng)，z軸在x、y軸整定完成后下鉆x、y軸在z軸回到起鉆位后開(kāi)始向下一目標(biāo)孔移動(dòng)。目的是保護(hù)氣浮主軸，氣浮主軸分定子和動(dòng)子兩個(gè)部分，動(dòng)子懸浮在定子內(nèi)部的高壓潔凈空氣中，鉆孔時(shí)動(dòng)子高速旋轉(zhuǎn)，一旦氣浮主軸鉆孔時(shí)，x、y向進(jìn)行移動(dòng)，會(huì)使氣浮主軸軸向卡死，造成極大損壞。由于氣浮主軸價(jià)格昂貴，這種損壞是不被允許的。

z軸分段鉆功能提供了一個(gè)z向參考位置，即z向第一步鉆孔終鉆位，主軸下降到z向第一步鉆孔終鉆位時(shí)刀尖還沒(méi)有碰到鋁片表面，此時(shí)x、y向運(yùn)動(dòng)是相對(duì)安全的。所以采用三軸聯(lián)動(dòng)方式，在z向運(yùn)動(dòng)到z向第一步鉆孔終鉆位之前3個(gè)軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)。此時(shí)運(yùn)動(dòng)方式變更為圖4(b)的方式。

圖4 三軸聯(lián)動(dòng)改進(jìn)示意圖

圖4（b）提出了三軸聯(lián)動(dòng)的辦法，由于z軸分段鉆提供了參考位置，那么動(dòng)作分解為x、y、z向橫梁平臺(tái)，z軸同時(shí)高速移動(dòng)（動(dòng)作①），到達(dá)目標(biāo)孔上方z向第一步鉆孔終鉆位后，z軸改為進(jìn)刀速下鉆（動(dòng)作②）鉆孔完成后z軸高速上抬（動(dòng)作③）。

此方法縮減了z軸高速下鉆的部分行程，即圖4（b）中z軸動(dòng)作①的速度，參考位置由客戶(hù)輸入，可調(diào)整。該方法對(duì)板面平整度的要求較高。

3.2 三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

同樣采用一臺(tái)大族品牌的F6M系列PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)對(duì)z軸分段鉆功能進(jìn)行測(cè)試。調(diào)用測(cè)試用矩陣文件進(jìn)行鉆孔，鉆孔文件為100×100陣列文件，孔間距5 mm，整板鉆孔尺寸長(zhǎng)500 mm、寬500 mm，共計(jì) 10 000只孔。鉆孔刀具直徑φ0.275mm，氣浮主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為18萬(wàn)r/min，PCB板采用厚度為1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)雙面覆銅板疊三片，加工進(jìn)刀速2.5 m/min，退刀速20 m/min，持續(xù)鉆孔，不換刀。疊板順序?yàn)閺南轮辽虾穸葹?0mm電木板一張、厚度為2.5mm紙板一張、厚度為1.6mm覆銅板3張、厚度為0.2mm鋁片一張，臺(tái)面為z向零點(diǎn)，設(shè)定起鉆位25mm，終鉆位12mm，終鉆位落入紙板0.5mm處。由于理論鋁片表面位置在z 向17.5mm處，分別設(shè)分段位置為18.5 mm及19.5 mm兩個(gè)位置測(cè)試。結(jié)果如表2所示。

表2 三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)前，按照原來(lái)的鉆孔方式進(jìn)行鉆孔。鉆10 000只陣列孔每分鐘鉆孔數(shù)在235個(gè)左右，設(shè)置三軸聯(lián)動(dòng)，分段位置設(shè)置在鋁片表面1 mm左右的位置提升效率達(dá)34.7%，分段位置設(shè)置在鋁片表面2 mm左右的位置提升效率為26.4%。

4 檢測(cè)疊層表面位置降低起鉆位

4.1 檢測(cè)疊層表面位置降低起鉆位原理

z軸分段鉆和三軸聯(lián)動(dòng)方式能獲得較高的效率提升，特別是設(shè)置的分段鉆位置越靠近鋁片表面越好。但是這對(duì)板面平整度的要求很高，通常PCB疊板后各疊層間可能夾有異物，所以設(shè)置分段鉆位置不能太靠近鋁片表面，從保護(hù)主軸的角度，分段鉆位置設(shè)置越遠(yuǎn)離鋁片表面越安全。

如果能準(zhǔn)確檢測(cè)到當(dāng)前鉆孔疊層中鋁片表面位置，即圖2中標(biāo)識(shí)K，可以將起鉆位從H降低到只比K表面略高的Q的位置，將直接減少每次鉆孔z向從H到Q的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

可以采用兩種方法檢測(cè)鋁片表面位置，一種是利用PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)的接觸式斷刀檢測(cè)功能。圖5顯示了接觸式斷刀檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)原理，氣浮主軸由金屬體動(dòng)子和定子組成，定子和動(dòng)子之間為壓縮潔凈冷卻的空氣介質(zhì)。氣浮主軸定子和動(dòng)子間存在一個(gè)分布電容，控制板產(chǎn)生交流信號(hào)經(jīng)過(guò)氣浮主軸通過(guò)主軸動(dòng)子夾持的刀具到達(dá)接地鋁片，形成回路。鉆孔時(shí)，當(dāng)?shù)都庥|碰鋁片形成回路，當(dāng)?shù)都怆x開(kāi)鋁片中斷回路，控制板因此產(chǎn)生與鉆孔頻率一致的輸出方波，其上升沿為觸碰鋁片表面瞬間信號(hào)，記錄上升沿所對(duì)應(yīng)的z軸光柵尺讀數(shù)頭位置信號(hào)即為鋁片表面位置。

圖5 接觸式斷刀檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)原理示意圖

另一種方式可安裝輔助光柵尺在吸屑罩上，每次鉆孔時(shí)吸屑罩下壓，光柵尺記錄吸屑罩觸碰鋁片表面停止向下運(yùn)動(dòng)的位置，由于吸屑罩與刀尖位置固定，可通過(guò)吸屑罩觸碰鋁片表面位置推算出刀尖觸碰鋁片表面位置。

通過(guò)上述兩個(gè)方法均可以準(zhǔn)確獲得鋁片表面位置信息，即圖2所示K位置。為了防止誤差引起的錯(cuò)誤K值，可以取3個(gè)以上K位置值，來(lái)判斷K值的可靠性。近距離鉆孔時(shí)從第四孔開(kāi)始，每次退刀只退到新的起鉆位Q，如圖6(b)所示，平臺(tái)和橫梁便開(kāi)始向下一目標(biāo)鉆孔位置移動(dòng)。新的起鉆位置從Q開(kāi)始，節(jié)省了從Q到H的鉆孔時(shí)間。

圖6 檢測(cè)疊層表面位置降低起鉆位改進(jìn)示意圖

4.2 檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位實(shí)驗(yàn)

同樣采用一臺(tái)大族品牌的F6M系列PCB數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)對(duì)z軸分段鉆功能進(jìn)行測(cè)試。調(diào)用測(cè)試用矩陣文件進(jìn)行鉆孔，鉆孔文件為100×100陣列文件，孔間距5 mm，整板鉆孔尺寸長(zhǎng)500 mm、寬500 mm，共計(jì) 10 000只孔。鉆孔刀具直徑φ0.275mm，氣浮主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為18萬(wàn)r/min，PCB板采用厚度為1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)雙面覆銅板疊3片，加工進(jìn)刀速2.5 m/min，退刀速20 m/min，持續(xù)鉆孔，不換刀。疊板順序?yàn)閺南轮辽虾穸葹?0mm電木板一張、厚度為2.5mm紙板一張、厚度為1.6mm覆銅板3張、厚度為0.2mm鋁片一張，臺(tái)面為z向零點(diǎn)，設(shè)定起鉆位25mm，終鉆位12mm，終鉆位落入紙板0.5mm處。設(shè)定Q位置高出K位置1 mm，結(jié)果如表3所示。

表3 檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位實(shí)驗(yàn)前，按照原來(lái)的鉆孔方式進(jìn)行鉆孔。鉆10 000只陣列孔每分鐘鉆孔數(shù)在235個(gè)左右，檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位快速鉆孔，提升效率為32.9%。提升效率與三軸聯(lián)動(dòng)方式的分段鉆位置在18.5 mm處一致，但是安全性非常高。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中分別介紹了三種提高加工效率的鉆孔控制方法，三種方法都能有效提高鉆孔效率。其中z軸分段鉆將z軸進(jìn)刀動(dòng)作分解為空行程快速鉆孔和鉆孔時(shí)為保證鉆孔質(zhì)量按照鉆孔參數(shù)慢速鉆孔兩個(gè)步驟，很大程度提高了鉆孔加工速度。

三軸聯(lián)動(dòng)在z軸分段鉆的基礎(chǔ)上將z軸進(jìn)刀空行程快速鉆孔與x、y軸聯(lián)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)一步節(jié)省了z軸進(jìn)刀空行程快速鉆孔的時(shí)間。

z軸分段鉆和三軸聯(lián)動(dòng)都需要設(shè)定分段鉆位置，分段鉆位置離鋁片表面越近效率提升越高，但是由于批量生產(chǎn)板面平整度不能完全保證，所以為了保護(hù)主軸，z向設(shè)置的z向第一步鉆孔終鉆位不能太接近鋁片表面，至少應(yīng)設(shè)置為距離鋁片表面2 mm以上的位置。檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位方案不需要設(shè)定分段鉆位置，其準(zhǔn)確檢測(cè)到鋁片表面位置K，從K值向上1 mm作為起鉆位，將鉆孔速度提升到極致。表4對(duì)比了3種方案提升效率情況，前兩種方案按照生產(chǎn)可行的辦法將z軸分段鉆位置設(shè)為2 mm。

表4 檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4顯示3種方案均可以提升效率達(dá)到20% 到30%，其中檢測(cè)疊層表面位置以降低起鉆位的方式提升效率最高且最有效。

[1] 周慶亞，高建利，侯為萍，等.半導(dǎo)體設(shè)備抓取和放置控制方法研究[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2010，39(10)：12-14.

[2] 王星.PCB數(shù)控鉆孔機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用綜述[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2009，38(171)：30-36.

Methods Research on PCB CNC Drilling Machine Manufacturing Efficiency Improvement

LIU Dingyu1，WANG Zhengqiang2，LEI Ming1，WANG Xing1

(1.HANS CNC science&technology Co.，Ltd，Shenzhen 518057，China；2.Zhongxing telecommunication equipment corporation，Shenzhen 518057，China)

In this paper three methods of elevating PCB CNC drilling efficiency are presented and each method is implemented in real scenario and confirmed to be workable by real test data.Comparison is done in these three methods by real test in order to find efficiency gain of each method，in the same time，advantage and disadvantage of each method is highlighted as well.In a conclusion，this paper provides a feasible reference for PCB CNC drilling machine or similar drilling machine design and manufacturing.

PCB drilling efficiency；Drilling；PCB CNC drilling machine

TN605

B

1004-4507(2015)06-0036-06

2015-04-20