PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

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(jī)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(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的核心思想是經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保護(hù)資源和保護(hù)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(huì)作為推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要著力點(diǎn)，特別關(guān)注的是各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的生態(tài)合理性，強(qiáng)調(diào)對(duì)資源、環(huán)境有利的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)應(yīng)給予鼓勵(lì)[1]。盡管氣動(dòng)技術(shù)具有高速、高效、清潔安全、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2]，但是，經(jīng)空壓機(jī)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(duì)氣動(dòng)部件及管路將造成嚴(yán)重?fù)p蝕和污染，甚至?xí)斐稍O(shè)備故障[3]，因此必須進(jìn)行有效的過濾和凈化，以及配合氣動(dòng)控制和執(zhí)行元件的合理選擇，才能保證整個(gè)空壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，干燥系統(tǒng)節(jié)能降耗，提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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(zhǔn)，這就要求PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)具有更高速旋轉(zhuǎn)的氣浮主軸和盡可能短的加工輔助時(shí)間，目前多數(shù)PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)采用比較多的方案是裝配200 kr/min 以上氣浮主軸，以實(shí)現(xiàn)鉆頭線速度的最大化，達(dá)到快速切削的目標(biāo)；同時(shí)利用氣壓傳動(dòng)的速度快和響應(yīng)快的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)、自動(dòng)的工件夾緊，自動(dòng)換刀等輔助功能。

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

PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)是鉆孔工序的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)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(jī)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(dòng)控制系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)不僅共同實(shí)現(xiàn)氣浮主軸的啟動(dòng)和停止，還可以實(shí)現(xiàn)PCB 工件（覆銅板）的自動(dòng)夾緊和松開。因此PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)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(jī)鉆孔的一般流程是開機(jī)- 導(dǎo)入機(jī)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(jī)器鉆孔參數(shù)-機(jī)械手系統(tǒng)自動(dòng)取鉆針?biāo)腿胫鬏S-刀徑和刀長測(cè)量-壓腳杯放下，主軸高速旋轉(zhuǎn)-Z 軸高速快進(jìn)后，工進(jìn)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(dòng)作過程中，都需要?dú)鈩?dòng)執(zhí)行元件協(xié)助完成動(dòng)作。PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)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(jī)鉆孔氣路圖

1.2 PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路系統(tǒng)組成

PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路的系統(tǒng)組成見圖1，是由空壓機(jī)1、冷卻器2、減壓閥3（壓力設(shè)定為0.8 MPa）和儲(chǔ)氣罐4 組成的氣源裝置，經(jīng)過一級(jí)過濾5、空氣干燥機(jī)6、單向截止閥7，儲(chǔ)氣罐8、二級(jí)過濾9、三級(jí)過濾10，將過濾干凈的壓縮空氣通過減壓閥11，帶報(bào)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——?dú)飧≈鬏S13，實(shí)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(tái)支撐作用的氣浮墊15 供氣；二級(jí)過濾9，減壓閥16、帶報(bào)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(shí)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(cè)器清潔等輔助功能。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)氣路的主要技術(shù)指標(biāo)是由氣浮主軸決定，設(shè)計(jì)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(yùn)行氣壓的露點(diǎn)小于7.5 ℃。

2 氣路關(guān)鍵元器件的選型和參數(shù)測(cè)試

2.1 執(zhí)行元件的選型

PCB 數(shù)控機(jī)械鉆孔機(jī)壓腳杯氣缸的主要功能在實(shí)現(xiàn)PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)自動(dòng)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(jì)算和選型軟件說明氣動(dòng)執(zhí)行元件——?dú)飧椎倪x型過程，首先啟動(dòng)FESTO 的產(chǎn)品選型軟件，點(diǎn)擊“產(chǎn)品選型及計(jì)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(diǎn)擊“通過ProPneu 進(jìn)行氣動(dòng)產(chǎn)品的選型”，彈出如圖3 所示對(duì)話框，選擇“雙作用氣缸”，點(diǎn)擊“繼續(xù)”，根據(jù)實(shí)際使用工況進(jìn)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(jì)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(shí)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R(shí)988050747。

2.2 控制元件的選型

在PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)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(jì)算氣缸所需要的流量計(jì)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(shí)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(dòng)作不一定理想，甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情，且造成選型設(shè)備上的浪費(fèi)。

根據(jù)氣缸缸徑、行程、運(yùn)行速度及使用壓力計(jì)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(jì)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(dòng)負(fù)載所需要的壓力；

ΔP 為壓力降。

根據(jù)以上公式計(jì)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(cè)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(jī)的選用：選擇空氣壓縮機(jī)主要以氣壓傳動(dòng)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(jī)的適用范圍根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，活塞式空氣壓縮機(jī)適用于壓力較高的中、小流量場(chǎng)合，離心式空氣壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣均勻，適用于低壓、大流量的場(chǎng)合，螺桿式適用于低壓力的中、小流量的場(chǎng)合，葉片式空氣壓縮機(jī)適用于低、中壓力的中、小流量的場(chǎng)合[5]。

后冷卻器安裝在空氣壓縮機(jī)的出口，它的作用是將空氣壓縮機(jī)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(dá)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(dá)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(dòng)，保證輸出氣流的穩(wěn)定性；當(dāng)空壓機(jī)發(fā)生意外事故如突然停電時(shí)，貯氣罐的壓縮空氣可作為應(yīng)急動(dòng)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(gè)指標(biāo)，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(diǎn)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(dá)到干燥、過濾的目的[8]。

氣浮主軸是PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的關(guān)鍵零部件，氣浮主軸由于沒有機(jī)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(shí)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(yùn)行氣壓的露點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)、空氣壓力不穩(wěn)定，波動(dòng)范圍大，都有可能導(dǎo)致主軸嚴(yán)重故障。根據(jù)ISO8573.1：2001 壓縮空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，要達(dá)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(jí)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9]。

參考日本SMC 推薦三級(jí)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(jí)過濾）配合IDFA11E-23 的空氣干燥機(jī)和AM350C-04D-T 油霧分離器以及AME350C-04 的超微霧分離器，第一級(jí)的過濾精度為3 μm，去除率為99%；第二級(jí)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(jí)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(jī)和AA-025DBFX 級(jí) DH 精密過濾器以及兩個(gè)ACS-015DBFX 級(jí)油蒸汽去除過濾器，第一級(jí)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(jí)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(jí)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(tái)PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)，實(shí)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(diǎn)儀DM70

圖13 PF2A703-10-28 的流量開關(guān)

圖14 粒子計(jì)數(shù)器

隆力集團(tuán)的HITACHI 機(jī)械鉆孔機(jī)就是選用SMC 公司的AFF22C-10D-T 主路過濾器和IDFA22E-23 空氣干燥機(jī)，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(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器配置一套空氣過濾系統(tǒng)。

通過維薩拉DRYCAP?手持式露點(diǎn)儀DM70在冷凍式干燥機(jī)的出口實(shí)際測(cè)試運(yùn)行氣壓的露點(diǎn)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(cè)量空氣流量為970 L/min，如圖13 所示，用粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量高于1 μm 的小于100 個(gè)，如圖14 所示，滿足六軸PCB 數(shù)控鉆孔機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

針對(duì)PCB 數(shù)孔鉆孔機(jī)的氣體系統(tǒng)經(jīng)過理論分析與設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵元件選型作比較詳細(xì)分析和計(jì)算，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試和長期進(jìn)行，結(jié)果表明該氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行。

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