【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 雕刻機(jī)需求將持續(xù)快速增長(zhǎng)，到 2020年，僅消費(fèi)類電子產(chǎn)品零配件制造行業(yè)，對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)需求量就將達(dá)到 38000 臺(tái) [3]。 下面以 PCB 的加工為例，介 紹數(shù)控雕刻機(jī)在印刷電路板領(lǐng)域的應(yīng)用。 現(xiàn)在印刷電路板和它的制造技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了一個(gè)較高水平。從印刷電路板的機(jī)加工環(huán)節(jié)上來分析，為了制造出高質(zhì)量的印刷電路板，目前有激光鉆孔技術(shù)、光致法成孔、等離子體蝕孔等技術(shù)含量高的加工工藝。由于這些加工技術(shù)本身有著一定的局限性，所以一般 PCB 加工作業(yè)大多數(shù)得依靠數(shù)控雕刻機(jī)床來進(jìn)行。 就我國(guó)而言，通過幾十年的發(fā)展， PCB 制造行業(yè)的技術(shù)含量和設(shè)備支持都達(dá)到了一個(gè)較高的水平。那些純手工加工方法以及電路板的沖孔加工工藝方法在機(jī)械加工方法中已經(jīng)很少出現(xiàn)了，數(shù)控雕刻機(jī)床和數(shù)控銑床用在 PCB 制造行業(yè)早已很常見了，數(shù)控雕刻機(jī)床和數(shù)控銑床也已列入了當(dāng)前國(guó)內(nèi)印制板機(jī)械加工的主導(dǎo)設(shè)備行列里。 數(shù)控鉆銑床技術(shù)就用于 PCB 制造業(yè)而言擁有其獨(dú)特的特性和優(yōu)點(diǎn)： 1）大多數(shù)采用了先進(jìn)的控制技術(shù) 現(xiàn)在 PCB工業(yè)中人們使用的數(shù)控鉆銑床大多數(shù)采用了先進(jìn)的主從結(jié)構(gòu)的多微計(jì)算機(jī) C數(shù)控技術(shù)，也可稱為一主多從的多 CPU 控制技術(shù)。由主 CPU 控制，從 CPU 再分別控制不同功能與特性的結(jié)構(gòu)部件，確保它們于主 CPU 的控制步調(diào)一致。 2）數(shù)控鉆銑的效率高，精度好，速度快，質(zhì)量高 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 一般來說數(shù)控鉆銑床的各個(gè)電主軸都配置 了 Z 軸進(jìn)給深度控制感應(yīng)系統(tǒng)?？梢噪S時(shí)探測(cè) PCB 的疊層與電主軸的壓力角的距離，從而把它們控制在一個(gè)合適的范圍里，確保了電主軸的最佳移動(dòng)距離，使其鉆孔的速度達(dá)到最高。 Z 軸采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，電主軸系統(tǒng)使用氣浮軸承，很大程度上減少了摩擦力，從而確保了加減速的時(shí)間較短，也就提高了加工精度，提高了效率。再加上采用了高動(dòng)態(tài)伺服馬達(dá)，僅僅只需幾毫秒的時(shí)間電主軸的速度就能達(dá)到最高。 目前，當(dāng)電主軸達(dá)最高運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)，其值為 120200r/min。對(duì)于加工鉆孔直徑為 小孔時(shí)。一般銑床因工藝的需要，其速度會(huì)確保在 55000r/min 以下，速度快反而不利于加工。就位置的反饋系統(tǒng)而言，配置了直線光柵或線性磁尺，將它們組成閉環(huán)式反饋回路，讓鉆孔的定位精度達(dá) 以下，重復(fù)定位精度在 以下。而且，加工出來的PCB 板無毛刺，不會(huì)有斜度，表面光滑整齊。 3）具有自檢自控功能 數(shù)控鉆銑床 ,大多數(shù)都具備自我檢測(cè)，自我反饋，自我調(diào)整的功能 。它的設(shè)計(jì)理念是 ,在主 CPU 的控制下，有一個(gè)從 CPU 在全閉環(huán)控制系統(tǒng)下 ,負(fù)責(zé)對(duì)鉆銑床的各個(gè)部位進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查 ,發(fā)現(xiàn)問題隨時(shí)在顯示器上反饋出來。甚至有的同時(shí)顯示和報(bào)警。工作人員排除故障 疏忽的情況下，為使機(jī)器不會(huì)損壞，有的還可以自動(dòng)控制，讓機(jī)器停止工作，制定它保持待機(jī)，從而有效防止了機(jī)器發(fā)生故障而損壞。同時(shí)，每個(gè)主軸都安裝激光測(cè)試徑向跳動(dòng)裝置，保證每個(gè)主軸都保持在最佳工作狀態(tài)。鉆頭的折斷在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生，但若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取更換措施，應(yīng)該要鉆的孔就有可能為鉆。而且， PCB 電路板還可能被斷的鉆頭劃壞損傷，嚴(yán)重影響到電路板制作的質(zhì)量問題。 然而，針對(duì)這個(gè)問題，現(xiàn)在數(shù)控鉆銑床的主軸系統(tǒng)都安裝了斷鉆檢測(cè)裝置，當(dāng)鉆頭斷了，數(shù)控機(jī)床將自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，并顯示提醒斷鉆的位置，相應(yīng)的換上好的鉆頭，還要自 動(dòng)檢測(cè)所裝鉆頭的直徑，并重新進(jìn)行孔加工。另一方面，機(jī)床具有了自檢功能后，它還能自動(dòng)控制鉆孔的深度，確保鉆頭尖端和工作臺(tái)面的距離。從而確保機(jī)床的工作臺(tái)面不會(huì)被鉆壞損傷。 4）機(jī)床工作臺(tái)面的移動(dòng)方式采用了氣墊加磁浮，確保了機(jī)床工作臺(tái)面不會(huì)因?yàn)椴僚龆粍潅? PCB 電路板機(jī)械加工時(shí)所需的負(fù)載較小。要求高速、高精度的進(jìn)給，所以 PCB 鉆銑機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)要求阻尼小、摩擦小、靈敏度高，這樣才能滿足 PCB 的孔加工時(shí)頻繁高速的起停運(yùn)動(dòng)。因此快速 PCB 鉆銑機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用了伺服電機(jī)－滾珠絲杠－導(dǎo)軌的方式，導(dǎo)軌還選擇了氣浮 導(dǎo)軌，它的摩擦系數(shù)更小，加工動(dòng)作更輕便。 當(dāng)空氣軸承出現(xiàn)問題時(shí)，數(shù)控鉆銑機(jī)床將處在一種不平衡的狀態(tài)，這樣工作臺(tái)面很容易被劃傷。數(shù)控鉆銑床多數(shù)采用了氣墊加磁浮的方式， X、 Y 軸用氣浮導(dǎo)向，工作臺(tái)面用氣浮支撐，采用伺服馬達(dá)作為工作臺(tái)面的定位驅(qū)動(dòng)，還配有精密的滾珠絲杠以及預(yù)加載荷的雙螺母進(jìn)行校正調(diào)整。這樣機(jī)床工作臺(tái)面移動(dòng)起來輕盈，快捷，精準(zhǔn)。也使得運(yùn)動(dòng)加減速過程的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短。如若機(jī)器有不平衡現(xiàn)象出現(xiàn)，磁浮會(huì)吸住機(jī)床工作臺(tái)面，讓機(jī)器停下來，使得整個(gè)工作臺(tái)面完好無損。而且 X 軸和 Y 軸采用分離式布局，避免了 傳統(tǒng)的重疊現(xiàn)象。布置 X 軸、 Y 軸在大理石結(jié)構(gòu)的中央位置，工作臺(tái)面始終保持在最佳平衡狀態(tài)，無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 相應(yīng)得也就提高了孔加工的精度。數(shù)控鉆銑床還可以進(jìn)行軟件的編程限位，不但可以自動(dòng)測(cè)量刀具大小長(zhǎng)短，還能對(duì)刀具進(jìn)行管理等。 5）機(jī)床的電主軸頭數(shù)種類多、加工幅面大 現(xiàn)在的數(shù)控鉆床大多都是 46 個(gè)主軸鉆頭。這大大提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)也滿足了大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)需要。增加主軸以后，機(jī)床臺(tái)面尺寸也要對(duì)應(yīng)增加。 X、 Y 軸的編程也將相應(yīng)擴(kuò)大， (一般在 600mm 600mm 以上 )，軸的行程增加了，相應(yīng)的鉆孔面積也將增加。 6） 編程的功能多種化 當(dāng)前市場(chǎng)上的數(shù)控鉆銑床一般都有兩種以上的編程功能。一種是直接人工編程的照像底片或光繪底片，一種是采用幾何工藝語言 GTL 進(jìn)行編程，最后一種是用參數(shù)化進(jìn)行編程。目前，最后一種普遍得到運(yùn)用，它是一種特有的有效的編程工具，能夠把任何加工順序作為用戶加工環(huán)境來運(yùn)用和設(shè)計(jì)編程。只要給出一定的變數(shù)值，就可以編制形狀相似的工件加工程序 [46]。 雕 刻 機(jī)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo) 通過分析比較以往數(shù)控雕銑機(jī)及雕刻機(jī)的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)目前數(shù)控雕刻機(jī)的最高主軸轉(zhuǎn)速通常在 24000r/min 左右，刀具 最高切削速度介于 4 到 6m/min 之間，機(jī)床主軸電機(jī)功率為 千瓦上下。本文所設(shè)計(jì)的小型數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床的性能指標(biāo)參數(shù)如下表 11： 表 11 數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)參數(shù) 性能名稱 數(shù)值 加工幅面 120160200mm 工作臺(tái)尺寸 X/Y 270278mm 行程 X/Y/Z 50150200mm 最大進(jìn)給速度 加工刀具最大直徑 主軸電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 3000r/min 主軸電機(jī)功率 400kw 換刀方式 手動(dòng)換刀 X/Y/Z 定位精度 ～ + X/Y/Z 重復(fù)定位精度 ～ + 總功率 P 1000W 軸聯(lián)動(dòng)數(shù) 4 脈沖當(dāng)量 ～ +外觀尺寸 400500600 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 2 雕 刻 機(jī)總體布局方案設(shè)計(jì) 數(shù)控雕 刻 機(jī)布局要求及影響因素 數(shù)控雕刻機(jī)床主要是用于較小雕刻量或軟金屬材料的工件的加工。要求加工精度較高。它主軸的轉(zhuǎn)速甚至高達(dá) 30000r/min 左右。各向移動(dòng)部件要求運(yùn)動(dòng)輕巧、剛性好、靈活性強(qiáng)。對(duì)于機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)而言，它的控制反應(yīng)速度要迅速、靈敏，其所配置的伺服電機(jī)的特性 要極佳。 從機(jī)械的角度出發(fā)去分析，對(duì)于數(shù)控雕刻機(jī)床而言，它的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：加工范圍廣、工作精度高、生產(chǎn)率高和經(jīng)濟(jì)性能好等各項(xiàng)要求；另外，它的非移動(dòng)部件的剛性要好，移動(dòng)部件而言，首先它要具有良好剛性，還要整體結(jié)構(gòu)輕巧，要具有較好的靈活性；確保雕刻機(jī)具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形及噪音水平；應(yīng)便于觀察和檢測(cè)。在機(jī)床的加工過程中還要利于操作、位置的調(diào)整和進(jìn)行維修。方便換刀和裝卸所要加工零部件；注意防護(hù)，確保安全；機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單、可靠，機(jī)床的各個(gè)零部件要便于加工、裝配；最好要確保重量輕盈，體 積較小，制造成本較低，占地面積要小，總體外型要大方美觀 [7]。 在滿足了機(jī)床總體布局基本要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮到影響雕刻機(jī)布局的其它基本因素，如下： 要在加工零件的表面銑雕出不同形狀的線路紋路，就要結(jié)合不同的刀具來進(jìn)行加工，所以機(jī)床表面成形運(yùn)動(dòng)的數(shù)目及形式也就不同，將直接導(dǎo)致機(jī)床布局的差異。因此，在布局雕刻機(jī)時(shí)，必須根據(jù)加工的要求，首先對(duì)所要加工零件表面成形的方法及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合、全面合理地考慮。 加工零件的表面，要成形的加工運(yùn)動(dòng)主要可分為銑削、鉆孔、切割三類。因此所設(shè)計(jì)的數(shù)控 雕刻機(jī)必須滿足下面幾種運(yùn)動(dòng)才可以實(shí)現(xiàn)各種加工過程： (1)X、 Y 兩個(gè)方向上相互垂直的直線移動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)了鉆頭在 X、 Y 平面內(nèi)的定位自由，從而使得刀具在 平面 X、 Y 內(nèi)按照不同的軌跡路徑對(duì)零件進(jìn)行銑雕加工。 (2)與 X、 Y 平面相垂直的 Z 方向上直線移動(dòng)。使刀具的鉆孔加工有個(gè)切入的過程。 (3)機(jī)床切削的主運(yùn)動(dòng)是刀具的高速轉(zhuǎn)動(dòng)。 由于數(shù)控雕刻機(jī)的動(dòng)靜分配存在差異，所以機(jī)床對(duì)應(yīng)的布局也會(huì)不同。而且，就同一種動(dòng)靜分配的布局而言，因?yàn)闄C(jī)床導(dǎo)軌的布局加上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)不一樣，雕刻機(jī) 的布局也會(huì)不一樣。 因此，對(duì)于雕刻機(jī)動(dòng)靜分配的規(guī)劃，可依照下面的原則來考慮： (1)所選的動(dòng)靜分配將增強(qiáng)機(jī)床加工的精度。 (2)機(jī)床移動(dòng)部分的零件的重量最好輕巧。因?yàn)榫推渌鼦l件相同下，機(jī)床的移動(dòng)部分的零件的重量越小，那么它的慣性將越小，其傳動(dòng)件的尺寸以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率也將越小。這樣，雕刻機(jī)的運(yùn)動(dòng)力學(xué)性能將大大提高。 (3)要有助于加強(qiáng)雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度，機(jī)床的占地面積要盡可能的小。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 零件的形狀、硬度、尺寸和其重量所產(chǎn)生的影響 一般來說，雕刻機(jī)機(jī)構(gòu)的布局一定程度上也和待加工的零件的尺寸、形狀、重量 和硬度有關(guān)。所需加工零件的大小面積，將直接和導(dǎo)軌的布局以及機(jī)床工作臺(tái)的尺寸相關(guān)。 比如，所需加工零件的面積尺寸很大，機(jī)床工作臺(tái)在于加工同一方向尺寸將會(huì)變大，其它一系列部件如與工作臺(tái)相連接的滑塊、滑板及兩導(dǎo)軌布局的跨距將越大。所需加工零件的重量越大，所要求機(jī)床工作臺(tái)、導(dǎo)軌等部件的剛度就要提高。由此可見，待加工零件的形狀、尺寸、重量等也將是對(duì)雕刻機(jī)布局產(chǎn)生影響的直接性、決定性因素。 相比而言，一般零件的硬度不會(huì)有較大的差別，因此機(jī)床工作臺(tái)的切削力的大小和承載能力也不會(huì)產(chǎn)生很大差異，其對(duì)于機(jī)床的整體布局的影響比較 若 [8]。 數(shù)控雕 刻 機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局 數(shù)控雕刻機(jī)總體結(jié)構(gòu)布局如圖 。 圖 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床總體布置圖 本次設(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)床主要由： 控機(jī) 。 機(jī)床龍門式結(jié)構(gòu)具有剛性和對(duì)稱性優(yōu)良的特點(diǎn)，所以一向是設(shè)計(jì)高速切削機(jī)床結(jié)構(gòu)的首選 。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)床總體布局將采用龍門架式布置結(jié)構(gòu)。 機(jī)床龍門框架式的基本布局形式一般有如圖 A,B兩種結(jié)構(gòu)： 定梁式數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 A 工作臺(tái)移動(dòng)式 圖 B 龍門架移動(dòng)式 圖 龍門式數(shù)控雕刻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 如圖 A的 布局方案，龍門架是固定的，數(shù)控雕刻機(jī) Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動(dòng)，機(jī)床 X工作臺(tái)將作縱向移動(dòng)。由于機(jī)床工作臺(tái)的移動(dòng)，機(jī)床的承載能力將不如布局 B的承載能力優(yōu)良 。如果所需承載加工零件比較輕，那么此類機(jī)床布局方式要求的電機(jī)功率及傳動(dòng)部件的尺寸就比較小，移動(dòng)比較快捷、輕便。對(duì)于縱向較長(zhǎng)工件的批量加工時(shí)，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點(diǎn)高度相同，所以支 架支撐的調(diào)整較方便，但是支架的結(jié)構(gòu)和布局 B方案相比顯得繁雜。由于機(jī)床移動(dòng)部件的質(zhì)量比較小，因此該種方案中的數(shù)控雕刻機(jī) Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動(dòng)、精度易于得到保障。 在圖 B的 布局方案中，機(jī)床工作臺(tái)是固定的，數(shù)控雕刻機(jī) Y/Z軸系統(tǒng)作橫向的左右和豎直的上下移動(dòng)，龍門架作縱向的移動(dòng)。由于機(jī)床工作臺(tái)是不動(dòng)的，所以它的承載能力比較好，適合于對(duì)重型零件的工件。對(duì)于縱向較長(zhǎng)工件的批量加工時(shí)，需要使用外伸支架支撐的結(jié)構(gòu)，它們的支點(diǎn)高度相同。但機(jī)床 Z軸系統(tǒng)刀具的運(yùn)動(dòng)精度難以得到保證，而且龍門架的移動(dòng)相對(duì)笨重。且加工過程能耗較高，效率較 底。 綜合上述比較，充分結(jié)合參考機(jī)床布局的基本要求、影響機(jī)床布局的基本因素以及本次設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終選用圖 A的 布局方案。該機(jī)床的橫梁和立柱還特意設(shè)計(jì)得較寬 。而且考慮到 不良力矩產(chǎn)生的影響，機(jī)床還對(duì) X、 Y、 Z三個(gè)方向上的兩根直線滾動(dòng)導(dǎo)軌之間的跨距進(jìn)行了加寬，從機(jī)床的整體布局上進(jìn)行考慮，有效、可靠地確保了機(jī)床的剛性。 數(shù)控雕 刻 機(jī)結(jié)構(gòu)的改良對(duì)比 至于其它結(jié)構(gòu)方面，綜合比較以往雕刻機(jī)、雕銑機(jī)的有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)以往的一些結(jié)構(gòu)存在某些普遍問題，比如： 1）對(duì)于機(jī)床各方向上的加工精度不容易保障，零部 件的組合裝配比較煩雜。 2）加工的切削力較大的情況下 ，機(jī)床 Z軸滑座與 Y向橫梁的垂直程度有偏移誤差的現(xiàn)無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 象。 3）機(jī)床主軸在高 速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) , 對(duì)于加工 進(jìn)給的速度快時(shí) , 主軸刀具較容易斷掉 。 通過查閱資料、分析研究 ， 對(duì)數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)作如下改進(jìn) : ， 原來滑塊下的直線導(dǎo)軌布局在同一平面內(nèi) ，如圖 （ a） 所示， 現(xiàn)把它們布置在互相垂直的空間平面內(nèi) , 如圖 （ b）的結(jié)構(gòu)所示 ，此時(shí)完全 鎖定了 機(jī)床 Z軸滑座的各相偏移誤差。 機(jī)床工作臺(tái)和直線導(dǎo) 軌滑塊的相連處布置臺(tái)階 ，其 側(cè)面采用螺釘鎖定 ，這樣