畢設開題報告

題目：印刷線路板數(shù)控加工機床的設計學生姓名：學號：專業(yè)：機械設計制造及其自動化指導教師：年月日1.文獻綜述1.1序言伴隨計算機、通訊、消費類等電子產(chǎn)品的需求增長，PCB是電子產(chǎn)品中不可或缺的零件，PCB板的需求急劇增長，從而帶動有關設備的需求也在迅速增長，而PCB數(shù)控鉆銑床又是加工PCB的專用設備，PCB數(shù)控鉆銑床自身質(zhì)量和性能的提高，將會對PCB產(chǎn)業(yè)甚至電子產(chǎn)業(yè)都會有很大的推進，其中就包括PCB數(shù)控鉆銑機[1]。不過，PCB數(shù)控鉆銑機的關鍵技術(shù)一直掌握在歐美、日本以及中國臺灣地區(qū)某些企業(yè)的手中。國產(chǎn)PCB數(shù)控鉆銑機在性能、可靠性等方面和國際先進水平相比尚有一定差距，市場擁有率較低[2]。因此，研究PCB鉆銑機對于打破國外技術(shù)壁壘，改善和提高PCB數(shù)控鉆銑設備的整體性能，增強國產(chǎn)PCB數(shù)控鉆銑機的市場競爭力具有重要意義。印制線路板的工藝流程比較復雜，如圖1所示[3]圖1工藝流程圖1工藝流程在整個制造過程中鉆銑是十分重要的工序，其中孔的加工占用的時間也是最長的，孔的位置精度和孔壁質(zhì)量直接影響后續(xù)孔的金屬化和貼片等工序，也直接影響印制線路板的加工質(zhì)量和加工成本。目前PCB鉆孔的措施重要有：機械鉆孔、機械沖孔、電子束加工、激光鉆孔等。沖孔的尺寸精度及孔壁質(zhì)量難以保證；電子束加工成本高，且易導致樹脂高溫受熱融化而產(chǎn)生嚴重的污斑；激光鉆孔不存在工具消耗，在高密度孔、盲埋孔及微孔加工等方面具有很大優(yōu)勢[4]。不過，激光鉆孔設備成本高、孔壁質(zhì)量較低，并且對被加工材料有限制，使得激光鉆孔重要用于PCB板上的盲埋孔及微細孔等機械鉆孔難以實現(xiàn)或不能實現(xiàn)的場所[5]。因此，目前近90%的PCB孔由機械鉆孔機來實現(xiàn)的。針對自助開發(fā)PCB板的愛好者和電器廠家，研發(fā)適合小模塊電路的PCB板數(shù)控鉆銑設備是必要的。彌補市場小型鉆銑設備的空缺，以減少自助研發(fā)加工的成本。1.2國外PCB數(shù)控鉆孔機的發(fā)展現(xiàn)實狀況20世紀60年代，電子產(chǎn)業(yè)開始迅速發(fā)展，對PCB的制造工藝水平及效率提出了更高的規(guī)定。發(fā)達國家的許多PCB加工設備制造商為了滿足市場的需求，使自身的產(chǎn)品更具市場競爭力，投入了大量的人力、物力和財力去研發(fā)性能更優(yōu)的PCB加工設備。專門用于PCB打孔的PCB數(shù)控鉆孔機正是在這種大環(huán)境中誕生[6]。近幾十年來，伴隨有關技術(shù)的不停提高，國外PCB數(shù)控鉆孔機在鉆孔效率、鉆孔精度及微孔加工能力等方面獲得了巨大進步，部分高端產(chǎn)品已經(jīng)可以到達如下技術(shù)指標：X、Y軸運動速度90m/min；Z軸運動速度30m/min；主軸最高轉(zhuǎn)速300000rpm；定位精度±0.004mm；反復定位精度±0.002mm；鉆孔精度±0.015mm；最小鉆孔直徑0.1mm[7]。目前，國外著名的PCB數(shù)控鉆孔機廠商有：德國SCHMOLL、日本HITACHI、以及美國EXCELLON等。1.3國內(nèi)PCB數(shù)控鉆孔機的發(fā)展現(xiàn)實狀況上世紀八十年代，印刷電路板孔的精度不商、孔徑較大、數(shù)量少、生產(chǎn)效率規(guī)定也不高，一般采用手工機械鉆孔[8]。由于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展、提高和普遍應用，尤其是制造工藝規(guī)定越來越高，數(shù)控技術(shù)引入了印刷電路板鉆床，于是便產(chǎn)生了印刷電路板數(shù)控鉆床。我國60年代開始研制和生產(chǎn)印刷電路板鉆床，90年代產(chǎn)品屬于半自動化設備。90年代中期，我國的印刷電路板數(shù)控鉆床制造業(yè)迅速發(fā)展，深圳大族數(shù)控科技、深圳大贏、惠州天馬、福建麥雅等開發(fā)并生產(chǎn)出性能和精度較高的印刷電路板數(shù)控鉆床[9]。此外，臺灣地區(qū)的印刷電路板數(shù)控鉆床也展現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的景象，重要的生產(chǎn)企業(yè)有東臺企業(yè)、恩德集團、龍澤企業(yè)、大量企業(yè)等。這是這個時期的鉆孔機彌補了國內(nèi)PCB數(shù)控機械鉆孔機產(chǎn)品的空白，不過該類型產(chǎn)品與國際先進水平相比尚有不少的差距[10]。重要體目前如下幾種方面[11]：加工效率。國內(nèi)鉆孔機正常鉆孔速率可以到達350孔/min，而國外的先進鉆機可以正常工作在500孔/min；（2）加工精度。國外鉆孔機的鉆孔精度可以到達±0.015mm，相比之下國產(chǎn)鉆孔機的鉆孔精度只能到達±0.05mm；（3）可靠性。國產(chǎn)整機平均無端障工作時間在300小時，與國外平均800小時相比有很大差距；（4）微小孔加工能力。國內(nèi)鉆孔機最小鉆孔直徑可以到達0.2mm，而國外則可以到達0.1mm。由于這些差距，國產(chǎn)PCB數(shù)控鉆孔機在行業(yè)內(nèi)大概只占了10%的國內(nèi)市場份額，重要是面向中低端市場。1.4PCB數(shù)控鉆孔機發(fā)展趨勢伴隨電子產(chǎn)品的便攜式、小型化，電器產(chǎn)品的加速升級換代，多種PCB制造新技術(shù)不停出現(xiàn)。重要趨勢是向著多層、高密度、高縱橫(1/26)比方向發(fā)展[12]。如2.6mm板可以作到24層，最小線寬、線距可以做到10μm×25μm；因此對PCB板加工設備需要滿足更高規(guī)定。市場對設備的精度與效率同步提出了更高的規(guī)定，這給設備的制造帶來了更大的難度[13]。很久以來，機床的構(gòu)造設計基本上是根據(jù)老式經(jīng)驗設計措施進行的，對其動態(tài)性能只做粗略的經(jīng)驗性考慮。為了獲得一種滿意的成果，常常需要多次循環(huán)地試制與修整設計。導致這種狀態(tài)的重要原因，不僅在于機床是一種由眾多零部件構(gòu)成的復雜構(gòu)造，還在于多變的動態(tài)工作條件下，對它在工作中出現(xiàn)的某些振動的機理及其與各部分構(gòu)造的定量關系尚不清晰，并且還在于構(gòu)造動態(tài)分析的理論和措施也不夠完善，動態(tài)分析的計算量又很大，沒有先進的仿真與計算工具也無法完畢。伴隨計算機的發(fā)展，數(shù)字化樣機技術(shù)又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，得到很快的發(fā)展，數(shù)字化樣機技術(shù)是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一項新技術(shù)，是目前汽車和航空領域普遍使用的一種措施，其關鍵是機械系統(tǒng)運動學和動力學仿真技術(shù)，同步還包括3D建模技術(shù)、有限元技術(shù)、機械工程學、流體力學、振動力學、電力電子學、電機學、電氣傳動、精密測量學、計算機學、光學、計算數(shù)學、最優(yōu)化技術(shù)等有關技術(shù)。工程師在計算機上建立樣機模型,對模型進行多種動態(tài)性能分析,然后改善虛擬樣機設計方案,用數(shù)字化形式替代老式的物理樣機。運用數(shù)字化樣機技術(shù)可以縮短研發(fā)周期，節(jié)省資金，提高產(chǎn)品設計質(zhì)量[14]。在設計的階段就采用多學科聯(lián)合設計、仿真與測試，在虛擬樣機階段就對產(chǎn)品的功能與性能作出預測，通過協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)的參數(shù)，使產(chǎn)品的設計指標得到保證；平衡各個學科之間的沖突與干涉，使其到達最佳耦合?？梢院喕瘷C床產(chǎn)品設計開發(fā)過程，將大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品性能,獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設計產(chǎn)品。對PCB鉆銑機來說，只有通過先進的設計措施和測試手段才能保證產(chǎn)品的高速、高精度、高穩(wěn)定、低成本。2.本課題要研究或處理的問題和擬采用的研究手段及途徑：2.1本課題要研究或處理的問題設計內(nèi)容：設計一臺小型鉆銑床，重要用于加工盤類零件或印刷電路板等零件。工件厚度為0.5mm～30mm，材質(zhì)可銅類、鋁類、鋼類等?？刂葡到y(tǒng)采用開環(huán)點位控制。主軸要有重力平衡裝置。小型鉆銑床機械、控制電器、功能軟件的設計。技術(shù)規(guī)定：XY工作臺的脈沖當量為0.01毫米，工作臺最大移動速度5米/分鐘。根據(jù)設計內(nèi)容和技術(shù)規(guī)定PCB鉆銑設備應實現(xiàn)兩軸聯(lián)動的效果，并對PCB板上定點鉆孔和其他零件的外輪廓銑削功能。2.2本課題擬采用的研究手段及途徑畢業(yè)設計可先查閱有關資料及文獻，使自己對數(shù)控鉆銑床機械構(gòu)造設計有一定的理解，然后通過計算和查閱有關手冊選擇對應零部件，最終使用AUTOCAD及solidworks等設計軟件進行構(gòu)造設計，并繪制圖紙，對重要件的強度校核進行強度校核計算。通過查閱資料設計數(shù)控鉆銑床機械構(gòu)造設計，到達各部件選型對的、合理，制圖符合工程規(guī)范，設計計算闡明書規(guī)范，到達能初步掌握產(chǎn)品設計的一般流程，對產(chǎn)品的設計有一種初步的理解。PCB板鉆銑床的設計應結(jié)合數(shù)控銑床和臺式鉆床來進行有關的機械系統(tǒng)設計和數(shù)控系統(tǒng)設計。其中數(shù)控系統(tǒng)設計包括電氣控制系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計。使用三維制圖軟件設計機械系統(tǒng)的各個零部件。再進行裝配模擬，分析各部件與整體構(gòu)造之間關系。在此基礎上逐漸細化各部件運動關系。對于零部件的選用盡量采用國標，防止增長不必要的加工成本。通過得出的想要實現(xiàn)的運動功能，進行數(shù)字控制系統(tǒng)的設計。繪制數(shù)控系統(tǒng)工作原理簡圖。由要實現(xiàn)的運動繪制電氣原理圖和軟件程序設計流程圖。編寫實現(xiàn)該機械加工的匯編語言文獻。2.2.1機械系統(tǒng)的總體方案機械系統(tǒng)由主軸和X-Y工作臺設計兩大部分，需要根據(jù)技術(shù)規(guī)定完畢主軸的設計和計算。繪制手繪草圖進行從整體到局部分析，使用三維制圖軟件進行繪制圖紙。并且使用軟件進行模擬裝配和制定運動。根據(jù)機械運動模擬仿真的狀況得出分析判斷的成果重新設計修改。根據(jù)老式機床整體布局示意圖來設計PCB鉆銑設備。如圖2所示。44356121.工作臺2.主軸3.主軸箱4.步進電機5.步進電機6.導軌圖2老式機床整體布局示意圖2.2.2機械部分設計⑴Z軸的設計Z軸要實現(xiàn)的垂直方向的往復運。并且實現(xiàn)加工工件高度方向上的尺寸。由加工工件的厚度和刀具的高度來決定Z軸所選的絲杠長度。根據(jù)承擔主軸和刀具的重量計算出所選電機的型號。從而確定整臺設備的最大高度。并將設計計算得到的數(shù)據(jù)使用三維制圖軟件設計出來。⑵主軸的設計因所設計的鉆銑床重要進行立式的鉆和銑，因此主軸箱軸向擺放為立式的構(gòu)造布局。主軸箱中機構(gòu)為了實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的無級變速功能，主軸應當能可以完畢傳遞扭矩和承受軸向力。要根據(jù)這兩個條件來設計與動力源和刀具相配合的機械構(gòu)造。主軸的支撐裝置的設計根據(jù)能量傳動關系來設計。既要保證刀具高速切削時的穩(wěn)定性，又要保證主軸構(gòu)造的合理簡樸實用。并將設計計算得到的數(shù)據(jù)使用三維制圖軟件設計出來。⑶X-Y工作臺的設計圖3X-Y工作臺簡圖圖3X-Y工作臺簡圖通過設計計算的數(shù)據(jù)以及繪制的各個部分零件三維圖進行裝配，并且進行機械運動的模擬。根據(jù)運動模擬的狀況來分析整個機床運動狀況，對不符合設計想法的地方進行修改或重新設計。2.2.3數(shù)控系統(tǒng)的設計根據(jù)機械系統(tǒng)的估計完畢的動作進行數(shù)控系統(tǒng)的總體方案的確定，如圖4所示：圖4數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定圖4數(shù)控系統(tǒng)總體方案確定軟件和硬件系統(tǒng)電氣系統(tǒng)機械系統(tǒng)⑴X-Y數(shù)控工作臺總體方案分析根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)總體方案詳細地對X-Y數(shù)控工作臺總體方案進行確定。如圖5所示：圖5X-Y數(shù)控工作臺總體方案圖5X-Y數(shù)控工作臺總體方案微控制器(MCU)I/O接口電路放大電路執(zhí)行器件機械傳動機構(gòu)機械執(zhí)行機構(gòu)X-Y數(shù)控工作臺是實現(xiàn)平面X、Y坐標運動的經(jīng)典關鍵部件，可以分別沿X向和Y向移動。控制系統(tǒng)可選用原則的工業(yè)控制計算機，也可設計專用的微機控制系統(tǒng)。本設計用AT89C52構(gòu)成專用單片機控制系統(tǒng)，從鍵盤輸入G代碼后，能通過直線插補和圓弧插補，完畢平面輪廓加工?；贏T89C52單片機的原理上設計了一種小型的微機控制系統(tǒng)，運用C51編程將控制信號送到執(zhí)行器件（X和Y向步進電動機），通過機械傳動機構(gòu)（絲桿傳動），帶動機械執(zhí)行機構(gòu)（工作臺）做X向和Y向的運動；實現(xiàn)四象限單坐標迅速定位，雙坐標直線、圓弧插補等功能。⑵電氣控制系統(tǒng)的設計電氣控制系統(tǒng)的設計部分重要包括對電氣原理圖、電氣安裝布線圖和電器元件布置圖。為機械系統(tǒng)提供動力的裝置并附帶對應動力的控制裝置。使用PLC控制整個動力裝置，實現(xiàn)主軸電機、Z軸步進電機、X軸步進電機和Y軸步進電機的運動控制。同步對其他輔助裝置的控制。并且進行邏輯算法上的控制，保證加工的精確、迅速和穩(wěn)定的優(yōu)良性能。⑶軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的設計機床要實現(xiàn)定點定位鉆孔和銑削的功能。軟件系統(tǒng)通過對電氣系統(tǒng)的指令規(guī)定來實現(xiàn)對機械構(gòu)造的運動的控制。根據(jù)需要要實現(xiàn)的機械運動和電氣控制原理圖結(jié)合軟件系統(tǒng)構(gòu)造設計、顧客界面設計、數(shù)據(jù)庫設計、模塊設計和數(shù)據(jù)構(gòu)造與算法設計的流程來選用適合該產(chǎn)品的軟件系統(tǒng)。根據(jù)軟件系統(tǒng)來選用合適的硬件電路。并將設計好的軟件程序?qū)朐O計的硬件系統(tǒng)中進行調(diào)試。參照文獻1劉小敏,王元生.我國數(shù)控機床的現(xiàn)實狀況與發(fā)展[J].機械研究與應用,,04:23-25.2龔永林.印制電路新技術(shù)綜觀[J].印制電路信息,,01:8-14.3王星,宋福民,肖俊君.PCB數(shù)控鉆孔機開發(fā)與應用綜述[J].電子工業(yè)專用設備,,04:30-36.4龔永林.印制電路產(chǎn)業(yè)回憶與今年展望[J].印制電路信息,,02:5-12.5王冰,王成勇,湯宏群,宋月賢,陳明.印刷電路板高速數(shù)控鉆床的特點及關鍵技術(shù)[J].工具技術(shù),,12:3-10.6郭釗,游有鵬,張禮兵,楊雪峰.PCB鉆孔機數(shù)控系統(tǒng)的加減速控制措施研究[J].伺服控制,,08:52-54+51.7馬飛達.PCB數(shù)控鉆床XY軸的構(gòu)造優(yōu)化設計與分析[D].四川：西華大學,.8劉定昱,王星,蔡小麗,翟學濤.PCB數(shù)控背鉆機械鉆孔機鉆孔深度異常原因分析[J].印制電路信息,,03:46-50.9馬杰.PCB鉆孔機專用數(shù)控系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].南京：南京航空航天大學,.10郭釗.基于PC的PCB鉆孔機數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京：南京航空航天大學,.11蔡蕓.三坐標PCB數(shù)控鉆銑床主從式控制系統(tǒng)的設計開發(fā)[D].新疆：新疆大學,.12唐小會.基于