大學(xué)生電子競賽中雕刻機(jī)的使用

高 琴 莊建軍

南京大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 210046

大學(xué)生電子競賽中雕刻機(jī)的使用

高 琴 莊建軍

南京大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇南京 210046

介紹了線路板雕刻機(jī)在電子競賽中的作用和優(yōu)勢，結(jié)合多年參加大學(xué)生電子競賽的指導(dǎo)工作和使用線路板雕刻機(jī)的制板經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一些操作技巧，并提出了制作PCB圖需要注意的重要事項(xiàng)。希望對組織和備戰(zhàn)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽以及電子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革有所幫助。

雕刻機(jī)；電子競賽；使用技巧

電子競賽時間比較緊張，如果送PCB(Printed Circuit Board)圖到廠家制作印刷電路板，時間往往來不及，通常需要幾天。雖然用普通多孔板搭試電路可以省時，但制作的電路穩(wěn)定性較差，不夠清晰美觀，也不利于查找故障和電路調(diào)試。此時線路板雕刻機(jī)的作用就顯現(xiàn)出來了。[1-4]雕刻機(jī)是將PCB文件生成加工文件，然后利用物理雕刻過程，通過計(jì)算機(jī)控制，在空白的覆銅板上把不必要的銅箔銑去，形成定制線路板，具有精度高、省時等優(yōu)點(diǎn)。我校實(shí)驗(yàn)中心配備了2臺型號為PCB2300的雕刻機(jī)，機(jī)型小巧，便于搬運(yùn)，操作也比較簡便。然而雕刻機(jī)為精密數(shù)控設(shè)備，需要充分掌握其性能特點(diǎn)和操作技巧，才能有效地服務(wù)于高校的電子競賽和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 線路板雕刻機(jī)的制板流程

多年來，我們一直在探索雕刻機(jī)制板技巧，從最初按說明書一步步操作到現(xiàn)在熟練地使用，總結(jié)出了一些比較簡便的操作流程。電路板的刻制主要包括三個步驟：雕刻文件的生成、雕刻參數(shù)的設(shè)置和在雕刻機(jī)上的具體操作。

以雕刻單面板為例，操作流程包括：

(1)在Protel99se軟件中導(dǎo)出畫好的PCB圖到指定位置，并生成CAM文件夾(內(nèi)含光繪文件和鉆孔文件)，再將CAM文件導(dǎo)出生成“*.GKD”雕刻文件。

(2)打開雕刻機(jī)配套的Circuitworkstation雕刻程序，找到已生成的“*.GKD”文件，進(jìn)行一系列選擇和操作，包括底層雕刻或頂層雕刻，設(shè)置雕刀大小、鉆頭大小和主軸運(yùn)行速度。

(3)將預(yù)備好的敷銅板用雙面膠固定在操作臺上，開啟主機(jī)電源，調(diào)整機(jī)器的X軸(左右方向)、Y軸(前后方向)、Z軸(上下方向)，根據(jù)文件孔徑選擇鉆頭大小，將鉆頭固定在主軸上，再開啟主軸電源，開始鉆孔。

(4)鉆孔完成后根據(jù)電路圖中的線寬選擇相應(yīng)的刀具雕刻(也可以先雕刻后鉆孔)。

(5)雕刻完成后，關(guān)閉主軸電源，取下板子，用細(xì)砂紙打磨，雕刻工作完成。

2 雕刻機(jī)的使用技巧

根據(jù)多年的制作經(jīng)驗(yàn)，我們逐漸摸索出一些在制板過程中的使用技巧和需要注意的細(xì)節(jié)，具體總結(jié)如下：

(1)在雕刻之前根據(jù)PCB圖的大小尺寸裁制好敷銅板，并用雙面膠將其固定在工作臺上，讓它盡量平整地貼在工作臺表面，減少出現(xiàn)雕刻深淺不均的情形。由于操作臺不平，也會出現(xiàn)某些地方雕刻過淺，這時需要在雕刻線路圖上找到相應(yīng)的位置，選擇將該部分框出，重新雕刻一遍。如果是制作雙面板，就要打定位孔，位置選擇在線路板上下沿左右兩邊，并且插上定位銷，否則一面完成后手動翻面時容易錯位。因此在裁制敷銅板時要放寬2 cm的長度，方便在板子左右兩側(cè)打定位孔。

(2)鉆孔和雕刻的深度，過深或過淺都會導(dǎo)致電路不通或短路。在正式雕刻前要試走一遍或幾遍邊框，以此調(diào)出最佳雕刻深度，當(dāng)然在雕刻過程中還可以微調(diào)。

(3)PCB圖中往往會出現(xiàn)不同孔徑、不同線寬，需要中途更換相應(yīng)的鉆頭、雕刀。通常，線寬在30 mil以上，選0.4 mm的刀；線寬在20～30 mil之間，選0.3 mm的刀；線寬在10～20 mil之間選0.2 mm的刀。鉆頭選孔徑相近大小的即可，如75 mil的孔徑選70 mil或80 mil的鉆頭都可以。

(4)對于高頻電路尤其要提醒學(xué)生注意，器件在高頻工作時，產(chǎn)熱比較多，要注意散熱，設(shè)計(jì)電路時過孔數(shù)量越少越好，走線盡量少折彎，盡量折小彎，同步工作的器件，走線長度盡量相等，覆銅用網(wǎng)格形狀等，否則電路易出故障，調(diào)試不出來。[5]歷年競賽中涉及高頻電路的板子總要重復(fù)雕刻，浪費(fèi)寶貴的比賽時間。

(5)電路板制作完成后，按雕刻機(jī)的Y軸鍵，將工作臺盡量送到最靠近自己的位置，再摳起電路板(板子背面有雙面膠)，避免摳起板子的過程中弄斷Z軸上的雕刀或鉆頭，同時也方便取板。板子要用細(xì)砂紙打磨光滑，有利于焊接工作。

3 制作PCB圖的注意事項(xiàng)

因?yàn)閰①愱?duì)員主要是大二和大三學(xué)生，大二學(xué)生是初次參賽，也大多是剛剛接觸使用Protel畫圖[6-8]，所以需要注意以下幾個方面。

3.1 線寬

在PCB圖中，線的寬度應(yīng)以能滿足電氣特性要求而又便于雕刻為準(zhǔn)則[9]，它的最小值取決于流過它的電流，但是一般不宜小于0.2 mm(公制和英制之間的轉(zhuǎn)換，10 mil=0.254 mm)。只要板面積足夠大，線寬和間距最好選擇0.3 mm。一般情況下，1～1.5 mm的線寬，允許流過2 A的電流。例如地線和電源線最好要選用大于1 mm的線寬。因此，為確保萬無一失，不浪費(fèi)時間，競賽中我們規(guī)定電源線和地線線寬至少1 mm，非電源線線寬至少0.3 mm。

3.2 焊盤

原則上，在集成電路座與焊盤之間走2根線時，焊盤直徑為50 mil，線寬和線間距都是10 mil，當(dāng)焊盤之間走一根線時，焊盤直徑為64 mil，線寬和線間距都為12 mil。一般規(guī)定焊盤至少75 mil，不可太小，否則在雕刻過程中，雕刀會刮掉焊盤，而且不易焊接。

3.3 線間距

相鄰兩線之間的間距應(yīng)該滿足電氣安全要求，同時為了便于雕刻，間距應(yīng)該越寬越好。最小間距至少能夠承受所加電壓的峰值。在布線密度低的情況下，間距應(yīng)該盡可能大些。

3.4 電路板安裝孔和支架孔

應(yīng)該預(yù)留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔，因?yàn)榭缀涂赘浇遣荒懿季€的。有時學(xué)生會忘記預(yù)留，教師會幫他們加上安裝孔和支架孔，否則焊接時或后期裝箱時沒法固定板子。

關(guān)于安全問題，盡管雕刻機(jī)的操作簡便易學(xué)，但畢竟它是一臺機(jī)床，初學(xué)者會因?yàn)椴僮髁鞒梯^多、噪音較大而手忙腳亂導(dǎo)致出錯甚至可能受傷。為了杜絕此類事情發(fā)生，每年競賽的四天三夜，教師會每天24小時輪流值班制板，以免學(xué)生心急出錯，發(fā)生事故。雕刻機(jī)在連續(xù)工作6小時后必須停機(jī)休息，以免機(jī)器過熱造成損傷。我們曾經(jīng)遇到過因機(jī)器工作時間過長，導(dǎo)致雕刻程序紊亂，雕刀失控的情況。

4 結(jié)束語

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽有效地促進(jìn)了大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和理論聯(lián)系實(shí)際學(xué)風(fēng)的建設(shè)，引導(dǎo)了高校深化電子信息類課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革。線路板雕刻機(jī)制板具有精確、省時、清晰美觀和方便調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢。基于多年的參賽指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，我們對雕刻機(jī)的使用技巧和注意事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)。我們將不斷摸索經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，有效提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

多年來，我校電子電路實(shí)驗(yàn)中心一直非常重視大學(xué)生電子競賽，設(shè)置了競賽訓(xùn)練中心和競賽專用元器件庫，有專人負(fù)責(zé)競賽學(xué)生的日常培訓(xùn)和指導(dǎo)，定期邀請外校的教師、專家進(jìn)行講座，也因此帶動了學(xué)生的參賽熱情。在2013年的全國大賽中，筆者和姜乃卓老師指導(dǎo)的小組獲全國二等獎，和戚海峰老師指導(dǎo)的小組獲江蘇省二等獎。在2014年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中，筆者和莊建軍老師指導(dǎo)的2個小組均獲得江蘇省一等獎。無論在平時的訓(xùn)練中還是在電子競賽中，線路板雕刻機(jī)已變成不可或缺的硬件。今后我們還要不斷摸索出更多的經(jīng)驗(yàn)和技巧，更好地服務(wù)于學(xué)生和競賽。

[1] 張小紅.電子線路板制作機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)談[J].科技信息,2013(34):96.

[2] 修樹東,方亮,倪忠進(jìn).高精度數(shù)字電子雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].中國制造業(yè)信息化,2009,38(1):40-43.

[3] 劉廣聰,李振坤,陳平華.運(yùn)用物理雕刻的線路板制作系統(tǒng)的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005,24(6):33-35.

[4] 孫宏強(qiáng),楊梅,崔京華,史源平.基于單片機(jī)的PCB雕刻機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石家莊學(xué)院學(xué)報(bào),2012,14(3):29-31.

[5] 殷明,朱昌平,朱陳松,姚澄.高頻電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)與學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(4):108-110.

[6] 邵建昂.P r o t e l 9 9教學(xué)實(shí)踐探討[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007,26(2):100-102.

[7] 尹瑞更.Protel在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2009,5(18):5026-5027.

[8] 韓雯,馬廣萍.PROTEL在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào),2004(4):41-43.

[9] 何云強(qiáng).電子線路設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)、測試實(shí)用手冊[M].北京:北京科大電子出版社,2011.

The Application and Experience of Engraving Machine in Undergraduate Electronic Contest

Gao Qin, Zhuang Jianjun
Nanjing University, Nanjing, 210046, China

National undergraduate electronic design contest is an important science and technology activity for undergraduates, which demands designing and fabricating original works with high level in a short time. In this paper, the roles and advantages of engraving machine in the electronic contest have been introduced. The application and experience of engraving machine in fabricating circuit board have been summarized based on the guidance to students in electronic contest. Additionally, important precautions in PCB drafting have also been given for the convenience of students. It is hoped the above experience could be helpful for the preparation of electronic contest and for the electronic teaching reform.

engraving machine; electronic contest; application; experience

2014-09-17

高琴，本科，實(shí)驗(yàn)師。莊建軍，博士，副教授。