毕设开题报告Word文件下载.docx

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印制线路板的工艺流程比较复杂，如图1所示[3]

在整个制造过程中钻铣是十分重要的工序，其中孔的加工占用的时间也是最长的，孔的位置精度和孔壁质量直接影响后续孔的金属化和贴片等工序，也直接影响印制线路板的加工质量和加工成本。

目前PCB钻孔的方法主要有：

机械钻孔、机械冲孔、电子束加工、激光钻孔等。

冲孔的尺寸精度及孔壁质量难以保证；

电子束加工成本高，且易造成树脂高温受热融化而产生严重的污斑；

激光钻孔不存在工具消耗，在高密度孔、盲埋孔及微孔加工等方面具有很大优势[4]。

但是，激光钻孔设备成本高、孔壁质量较低，而且对被加工材料有限制，使得激光钻孔主要用于PCB板上的盲埋孔及微细孔等机械钻孔难以实现或不能实现的场合[5]。

因此，目前近90%的PCB孔由机械钻孔机来实现的。

针对自助开发PCB板的爱好者和电器厂家，研发适合小模块电路的PCB板数控钻铣设备是必要的。

填补市场小型钻铣设备的空缺，以降低自助研发加工的成本。

1.2国外PCB数控钻孔机的发展现状

20世纪60年代，电子产业开始迅速发展，对PCB的制造工艺水平及效率提出了更高的要求。

发达国家的许多PCB加工设备制造商为了满足市场的需求，使自身的产品更具市场竞争力，投入了大量的人力、物力和财力去研发性能更优的PCB加工设备。

专门用于PCB打孔的PCB数控钻孔机正是在这种大环境中诞生[6]。

近几十年来，随着相关技术的不断提升，国外PCB数控钻孔机在钻孔效率、钻孔精度及微孔加工能力等方面取得了巨大进步，部分高端产品已经能够达到以下技术指标：

X、Y轴运动速度90m/min；

Z轴运动速度30m/min；

主轴最高转速300000rpm；

定位精度±

0.004mm；

重复定位精度±

0.002mm；

钻孔精度±

0.015mm；

最小钻孔直径0.1mm[7]。

目前，国外著名的PCB数控钻孔机厂商有：

德国SCHMOLL、日本HITACHI、以及美国EXCELLON等。

1.3国内PCB数控钻孔机的发展现状

上世纪八十年代，印刷电路板孔的精度不商、孔径较大、数量少、生产效率要求也不高，通常采用手工机械钻孔[8]。

由于数控技术的发展、提高和普遍应用，特别是制造工艺要求越来越高，数控技术引入了印刷电路板钻床，于是便产生了印刷电路板数控钻床。

我国60年代开始研制和生产印刷电路板钻床，90年代产品属于半自动化设备。

90年代中期，我国的印刷电路板数控钻床制造业迅速发展，深圳大族数控科技、深圳大赢、惠州天马、福建麦雅等开发并生产出性能和精度较高的印刷电路板数控钻床[9]。

另外，台湾地区的印刷电路板数控钻床也呈现出蓬勃发展的景象，主要的生产企业有东台公司、恩德集团、龙泽公司、大量公司等。

这是这个时期的钻孔机填补了国内PCB数控机械钻孔机产品的空白，但是该类型产品与国际先进水平相比还有不少的差距[10]。

主要体现在以下几个方面[11]：

加工效率。

国内钻孔机正常钻孔速率可以达到350孔/min，而国外的先进钻机可以正常工作在500孔/min；

（2）加工精度。

国外钻孔机的钻孔精度可以达到±

0.015mm，相比之下国产钻孔机的钻孔精度只能达到±

0.05mm；

（3）可靠性。

国产整机平均无故障工作时间在300小时，与国外平均800小时相比有很大差距；

（4）微小孔加工能力。

国内钻孔机最小钻孔直径能够达到0.2mm，而国外则可以达到0.1mm。

由于这些差距，国产PCB数控钻孔机在行业内大约只占了10%的国内市场份额，主要是面向中低端市场。

1.4PCB数控钻孔机发展趋势

随着电子产品的便携式、小型化，电器产品的加速升级换代，各种PCB制造新技术不断出现。

主要趋势是向着多层、高密度、高纵横（1/26）比方向发展[12]。

如2.6mm板可以作到24层，最小线宽、线距可以做到10μm×

25μm；

因此对PCB板加工设备需要满足更高要求。

市场对设备的精度与效率同时提出了更高的要求，这给设备的制造带来了更大的难度[13]。

很久以来，机床的结构设计基本上是依据传统经验设计方法进行的，对其动态性能只做粗略的经验性考虑。

为了获得一个满意的结果，经常需要多次循环地试制与修整设计。

造成这种状态的主要原因，不仅在于机床是一个由众多零部件组成的复杂结构，还在于多变的动态工作条件下，对它在工作中出现的某些振动的机理及其与各部分结构的定量关系尚不清楚，而且还在于结构动态分析的理论和方法也不够完善，动态分析的计算量又很大，没有先进的仿真与计算工具也无法完成。

随着计算机的发展，数字化样机技术又称为机械系统动态仿真技术，得到很快的发展，数字化样机技术是20世纪80年代迅速发展起来的一项新技术，是现在汽车和航空领域普遍使用的一种方法，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括3D建模技术、有限元技术、机械工程学、流体力学、振动力学、电力电子学、电机学、电气传动、精密测量学、计算机学、光学、计算数学、最优化技术等相关技术。

工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能分析,然后改进虚拟样机设计方案,用数字化形式代替传统的物理样机。

运用数字化样机技术能够缩短研发周期，节约资金，提高产品设计质量[14]。

在设计的阶段就采用多学科联合设计、仿真与测试，在虚拟样机阶段就对产品的功能与性能作出预测，通过协调各个系统的参数，使产品的设计指标得到保证；

平衡各个学科之间的冲突与干涉，使其达到最佳耦合。

可以简化机床产品设计开发过程，将大幅度缩短产品开发周期，减少产品开发费用和成本，明显提高产品性能,获得最优化和创新的设计产品。

对PCB钻铣机来说，只有通过先进的设计方法和测试手段才能保证产品的高速、高精度、高稳定、低成本。

2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：

2.1本课题要研究或解决的问题

设计内容：

设计一台小型钻铣床，主要用于加工盘类零件或印刷电路板等零件。

工件厚度为0.5mm～30mm，材质可铜类、铝类、钢类等。

控制系统采用开环点位控制。

主轴要有重力平衡装置。

小型钻铣床机械、控制电器、功能软件的设计。

技术要求：

XY工作台的脉冲当量为0.01毫米，工作台最大移动速度5米/分钟。

根据设计内容和技术要求PCB钻铣设备应实现两轴联动的效果，并对PCB板上定点钻孔和其它零件的外轮廓铣削功能。

2.2本课题拟采用的研究手段及途径

毕业设计可先查阅相关资料及文献，使自己对数控钻铣床机械结构设计有一定的了解，然后通过计算和查阅相关手册选择相应零部件，最后使用AUTOCAD及solidworks等设计软件进行结构设计，并绘制图纸，对主要件的强度校核进行强度校核计算。

通过查阅资料设计数控钻铣床机械结构设计，达到各部件选型正确、合理，制图符合工程规范，设计计算说明书规范，达到能初步掌握产品设计的一般流程，对产品的设计有一个初步的了解。

PCB板钻铣床的设计应结合数控铣床和台式钻床来进行相关的机械系统设计和数控系统设计。

其中数控系统设计包括电气控制系统设计和软件系统设计。

使用三维制图软件设计机械系统的各个零部件。

再进行装配模拟，分析各部件与整体结构之间关系。

在此基础上逐步细化各部件运动关系。

对于零部件的选取尽可能采用国家标准，避免增加不必要的加工成本。

通过得出的想要实现的运动功能，进行数字控制系统的设计。

绘制数控系统工作原理简图。

由要实现的运动绘制电气原理图和软件程序设计流程图。

编写实现该机械加工的汇编语言文件。

2.2.1机械系统的总体方案

机械系统由主轴和X-Y工作台设计两大部分，需要根据技术要求完成主轴的设计和计算。

绘制手绘草图进行从整体到局部分析，使用三维制图软件进行绘制图纸。

并且使用软件进行模拟装配和制定运动。

根据机械运动模拟仿真的情况得出分析判断的结果重新设计修改。

根据传统机床整体布局示意图来设计PCB钻铣设备。

如图2所示。

2.2.2机械部分设计

⑴Z轴的设计

Z轴要实现的垂直方向的往复运。

并且实现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来决定Z轴所选的丝杠长度。

根据承担主轴和刀具的重量计算出所选电机的型号。

从而确定整台设备的最大高度。

并将设计计算得到的数据使用三维制图软件设计出来。

⑵主轴的设计

因所设计的钻铣床主要进行立式的钻和铣，所以主轴箱轴向摆放为立式的结构布局。

主轴箱中机构为了实现可靠稳定的无级变速功能，主轴应该能能够完成传递扭矩和承受轴向力。

要根据这两个条件来设计与动力源和刀具相配合的机械结构。

主轴的支撑装置的设计根据能量传动关系来设计。

既要保证刀具高速切削时的稳定性，又要保证主轴结构的合理简单实用。

⑶X-Y工作台的设计

X-Y工作台的机械结构设计根据实际加工件的范围，确定工作台上下托板的结构尺寸。

进而完成上工作板和下工作板的设计和计算校核。

根据工作板和托板的重量设计需要选择合适的滚珠丝杠螺母副。

根据传动的控制方式和承载的能力选择步进电机和联轴器。

并进行合理的减速装置进行减速传动，以及联轴器的过载保护。

还需要进行相应参数的安全校核。

逐步的设计、计算和选择零部件型号，从而决定所设计工作台的长和宽方向上的尺寸。

并将设计计算好得到的数据使用三维制图软件设计出来。

X-Y工作台的简图。

如图3所示

通过设计计算的数据以及绘制的各个部分零件三维图进行装配，并且进行机械运动的模拟。

根据运动模拟的情况来分析整个机床运动情况，对不符合设计想法的地方进行修改或重新设计。

2.2.3数控系统的设计

根据机械系统的预计完成的动作进行数控系统的总体方案的拟定，如图4所示：

⑴X-Y数控工作台总体方案分析

根据数控系统总体方案详细地对X-Y数控工作台总体方案进行拟定。

如图5所示：

X-Y数控工作台是实现平面X、Y坐标运动的典型关键部件，能够分别沿X向和Y向移动。

控制系统可选用标准的工业控制计算机，也可设计专用的微机控制系统。

本设计用AT89C52组成专用单片机控制系统，从键盘输入G代码后，能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。

基于AT89C52单片机的原理上设计了一个小型的微机控制系统，运用C51编程将控制信号送到执行器件（X和Y向步进电动机），通过机械传动机构（丝杆传动），带动机械执行机构（工作台）做X向和Y向的运动；

实现四象限单坐标快速定位，双坐标直线、圆弧插补等功能。

⑵电气控制系统的设计

电气控制系统的设计部分主要包括对电气原理图、电气安装布线图和电器元件布置图。

为机械系统提供动力的装置并附带相应动力的控制装置。

使用PLC控制整个动力装置，实现主轴电机、Z轴步进电机、X轴步进电机和Y轴步进电机的运动控制。

同时对其它辅助装置的控制。

并且进行逻辑算法上的控制，保证加工的准确、快速和稳定的优良性能。

⑶软件系统和硬件系统的设计

机床要实现定点定位钻孔和铣削的功能。

软件系统通过对电气系统的指令要求来实现对机械结构的运动的控制。

根据需要要实现的机械运动和电气控制原理图结合软件系统结构设计、用户界面设计、数据库设计、模块设计和数据结构与算法设计的流程来选取适合该产品的软件系统。

根据软件系统来选取合适的硬件电路。

并将设计好的软件程序导入设计的硬件系统中进行调试。

参考文献

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23-25.

2龚永林.2014年印制电路新技术综观[J].印制电路信息,2015,01:

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3王星,宋福民,肖俊君.PCB数控钻孔机开发与应用综述[J].电子工业专用设备,2009,04:

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4龚永林.2014年印制电路产业回顾与今年展望[J].印制电路信息,2015,02:

5-12.

5王冰,王成勇,汤宏群,宋月贤,陈明.印刷电路板高速数控钻床的特点及关键技术[J].工具技术,2009,12:

3-10.

6郭钊,游有鹏,张礼兵,杨雪峰.PCB钻孔机数控系统的加减速控制方法研究[J].伺服控制,2011,08:

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7马飞达.PCB数控钻床XY轴的结构优化设计与分析[D].四川：

西华大学,2013.

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9马杰.PCB钻孔机专用数控系统设计与开发[D].南京：

南京航空航天大学,2013.

10郭钊.基于PC的PCB钻孔机数控系统的研究与开发[D].南京：

南京航空航天大学,2012.

11蔡芸.三坐标PCB数控钻铣床主从式控制系统的设计开发[D].新疆：

新疆大学,2002.

12唐小会.基于PC的开放式数控系统的研究与开发[D].四川：

电子科技大学,2003.

13王冰.印刷电路板高速数控钻床及动态特性研究[D].广东：

广东工业大学,2010.

14Sanjaya,G.,2005,AutomaticDrillingMachinewith89C51.Undergraduatefinalprojectno.02010741/ELK/2005.

指导教师意见：

指导教师：

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