高精度PCB數控鉆孔機定位精度的設計與研究

何　玲，吳恒玉，王志剛

(1.海南軟件職業(yè)技術學院，海南瓊海517400；2.深圳市大族數控科技有限公司，廣東深圳518057)

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高精度PCB數控鉆孔機定位精度的設計與研究

何玲1，吳恒玉1，王志剛2

(1.海南軟件職業(yè)技術學院，海南瓊海517400；2.深圳市大族數控科技有限公司，廣東深圳518057)

摘要：介紹了PCB數控鉆孔機的全閉環(huán)控制系統(tǒng)原理，實驗分析光柵尺分辨率對PCB數控鉆孔機的定位精度的影響，通過一定程度上提高光柵尺分辨率，在PCB數控鉆孔機上實際應用，可以滿足目前BGA鉆孔對精度的要求。

關鍵詞：PCB數控鉆孔機；定位精度；光柵尺；分辨率

球柵陣列(BGA（Ball Grid Array）)封裝是目前FPGA和微處理器等各種高度先進和復雜的半導體器件采用的標準封裝類型，用于嵌入式設計的BGA封裝技術在跟隨芯片制造商的技術發(fā)展而不斷進步，隨著芯片級BGA封裝的技術應用，封裝體已縮小到接近封裝的芯片大小，球引腳間距減小到1.0 mm，通孔孔徑減少到φ0.15 mm以下[1]，大量采用φ0.1 mm的孔徑，這就要求適合鉆φ0.15 mm以下孔徑的PCB數控鉆孔機。

1　PCB數控鉆孔機的組成

PCB數控鉆孔機由機床本體、數控裝置、伺服驅動裝置、位置檢測反饋裝置、及其它輔助裝置等幾大部分組成，如圖1所示，機床本體是數控機床的機械結構件，包括床身、橫梁、工作臺、x軸中間運動轉接平臺、z軸、主軸等[2]；數控裝置由硬件和軟件部分組成，接受輸入加工指令代碼經緩存、譯碼、運算插補）等轉變成控制指令，實現(xiàn)直接或通過PLC對伺服驅動裝置的控制；伺服驅動裝置包括功率驅動器和執(zhí)行電機等，是數控裝置和機床主機之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，接受數控裝置生成的進給信號，經放大驅動主機的執(zhí)行機構，實現(xiàn)機床運動；檢測反饋裝置是通過檢測元件將執(zhí)行元件或工作臺的速度和位移檢測出來，反饋給數控裝置構成閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)，一般是使用高分辨率、高精度光柵尺作為反饋檢測元件[3]。

因為PCB板的孔多、孔徑小、孔間距小、孔位精度高等特點就決定了PCB數控鉆孔機要滿足運動行程短、頻繁起停、孔小而多、要求速度快、效率高、精度高等要求，對于要求微米級的加工精度，只能采用全用全閉環(huán)的控制方式[4]，圖2為直線電機驅動的PCB數控鉆孔機工作臺的截面示意圖，其結構主要包括床身、工作臺本體，直線電機、滾柱直線導軌副和光柵尺等。直線電機的次級和天然花崗石的光柵尺固定座裝配在天然花崗石的床身上，光柵尺的玻璃尺帶粘接在光柵尺固定座上，直線電機的初級和光柵尺的讀數頭裝配在采用蜂窩鋁粘接的工作臺上，蜂窩鋁的工作臺通過滾柱直線導軌副與天然花崗石的床身連接。工作時，直線電機初級通入電流后，在永磁體產生的行波磁力作用下，便產生電磁推力，在電磁推力作用下工作臺通過滾柱滑塊在直線導軌上運動，從而實現(xiàn)進給運動。

2　全閉環(huán)反饋控制原理

PCB數控鉆孔機的加工過程實際上是一個能量快速積累和釋放的過程，系統(tǒng)需要在極短的時間中積累動能，完成運動過程，同時又必須快速合理的釋放系統(tǒng)能量，最大限度地縮短定位時間，降低系統(tǒng)振蕩，因此必須對系統(tǒng)能量的積累和釋放進行精確控制[5]。

圖1　PCB鉆孔機結構示意圖

圖2　PCB數控鉆孔機工作臺驅動示意圖

目前業(yè)界做得堪稱完美的是德國Sieb&Meyer公司的CNC84系統(tǒng)產品，其位置控制系統(tǒng)由電流內環(huán)、轉速環(huán)和位置外環(huán)組成，采用的算法由相應模塊實現(xiàn)，包括PARK變換模塊、CLARK變換模塊、反PARK變換模塊、反CLARK變換模塊、轉速計算。模塊、位置計算模塊、PI調節(jié)模塊、空間矢量PWM生成模塊、電流前饋模塊等。其具有強大的軟件工藝和處理器技術，除了支持先進的實時通訊網絡協(xié)議SERVOLINK外，還可以支持最新穎的電機控制模式，新型的基于交流永磁同步電機的全數字伺服控制系統(tǒng)，采用空間矢量控制方案[6]。其控制原理可以簡化為如圖3所示的采用高精度、高分辨率的精密光柵尺為工作臺移動位置檢測元件所構成的定位測量和反饋控制系統(tǒng)的框圖。

這是一個具有4個不同閉環(huán)控制的控制系統(tǒng)，分別包括電流環(huán)、整流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，具體是電流環(huán)按照來自速度環(huán)的電流指令信號調整電機電流的大小和方向，對于永磁直線電機其輸出力與電流大小成比例關系，因此改變電流就可以改變電機的輸出力，由于是三相直線直流電機，所以共有三個電流環(huán)，即每相對應一個電流環(huán)，其輸入信號來自于該相整流環(huán)，同時電流環(huán)把輸出電壓轉換成脈沖脈寬調制信號，實現(xiàn)電機的平穩(wěn)調速；整流環(huán)把單項電流指令信號轉換為三相電流指令信號，并把由正弦波形發(fā)生器生成的位置調制反饋正弦信號輸入電流環(huán)；速度環(huán)控制電機的速度，它負責把光柵尺的位置信號經微分處理后計算出電機的實際速度，并反饋到處理器與電機的速度指令值相比較，通過一定的補償算法得到的差值就是整流環(huán)的輸入；位置環(huán)的作用就是保證電機獲得準確的位置。整個系統(tǒng)的協(xié)同控制就是控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令后，其指令值與光柵尺的實際位置反饋值經比較運算后產生速度指令，接著于來自于速度采樣回路的速度反饋值比較運算后產生整流環(huán)的輸入指令。整流環(huán)負責把指令由單項轉換為三相，并將位置調制反饋正弦信號送入三相電流控制器內，經與電流采樣回路的反饋信號比較運算后，計算出電流誤差，該誤差值經移動的補償算法運算后輸出為PWM信號，隨后PWM信號進入電源轉換電橋，此電橋利用325 V高壓直流總線模塊向電機初級線圈提供所需電流，這樣電機初級線圈電流得以更新，實現(xiàn)驅動和換向，并進入下一輪控制。為保證機床的高精度和高動態(tài)性能，光柵尺必須提供足夠高的分辨率和重復定位精度，只有這樣才能確保低速時對速度的準確控制。PCB數控鉆孔機定位精度通常與三個參數相關：機械系統(tǒng)精度，光柵尺精度，光柵尺分辨率。一般設計工況下，光柵尺分辨率要優(yōu)于光柵尺精度，而光柵尺精度要優(yōu)于機械系統(tǒng)精度，定位精度取決于系統(tǒng)精度，重復精度接近于光柵尺精度[7]。

圖3　直線電機驅動工作臺全閉環(huán)控制原理

圖4　ND780海德漢heidenhain數顯表

3　實驗過程及數據分析

在車間任選一臺已經調試完成裝配光柵尺分辨率為1 μm的量產機器，檢查并調整電機曲線，確認配合完好，用Renishaw的XL80的激光干涉儀測量一組已經補償后機器的定位、重復精度作為基準；松開光柵尺帶，用heidenhain公司的ND780重新鎖緊尺帶，如圖4所示，盡可能地降低裝配誤差，補償數據清零后重新補償測量第二組補償后的定位、重復精度；然后，更換0.5 μm讀數頭，調整系統(tǒng)分辨率設置，并調整電機曲線，測試第三組補償后的定位、重復精度；測試結果如表1所示，三組數據都包含溫度和濕度對定位精度和重復定位精度。

從上表的數據可以分析，分辨率為0.5 μm的光柵尺相對于分辨率為1 μm的光柵尺在定位精度和重復精度逐漸降低，比較明顯，如圖5所示。光柵尺的松緊只對定位精度有影響，重復定位精度沒有明顯影響。同時分辨率為1 μm的光柵尺系統(tǒng)在整定完成后，系統(tǒng)誤差在±5 μm之間，分辨率為0.5 μm的光柵尺系統(tǒng)在整定完成后系統(tǒng)誤差在±3 μm之間，所以在光柵尺精度很高的條件下，光柵尺分辨率可以通過細分，充分發(fā)揮光柵尺的精度，可以提高系統(tǒng)的定位精度和重復定位精度，并獲得更好的動態(tài)特性。

將光柵尺分辨率從0.5 μm提高到0.1 μm，松開光柵尺帶，用heidenhain公司的ND780重新鎖緊尺帶，盡可能的降低裝配誤差，補償數據清零后重新補償測量一組補償后的定位、重復精度；然后更換分辨率為0.1 μm讀數頭，調整系統(tǒng)分辨率設置，并調整電機曲線，測試第二組補償后的定位、重復精度；測試結果如表2所示，二組數據都包含溫度和濕度對定位精度和重復定位精度。

從上表數據分析可知，在空氣溫度、濕度、和材料溫度等外部條件沒有明顯改變條件下，定位精度和重復定位精度沒有明顯改善，如圖6所示，所以同樣一條光柵尺，分辨率提高到一定程度后，定位精度和重復定位精度就不會再有明顯提高，只能提高實際的概率性重復和更好的動態(tài)性能。

表1　不同光柵尺分辨率定位和重復定位精度比較

圖5　分辨率1 μm與分辨率0.5 μm的定位精度和重復精度比較

圖6　分辨率0.5 μm與分辨率0.1 μm的定位精度和重復精度比較

表2　不同光柵尺分辨率定位和重復定位精度比較

4　結　論

本文在詳細分析PCB數控鉆孔機全閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上，通過提高反饋系統(tǒng)的分辨率到一定范圍內，充分發(fā)揮光柵尺的精度，可以提高系統(tǒng)的定位精度和重復定位精度，提高PCB數控鉆孔機的定位精度，并獲得更好的動態(tài)特性，可以滿足目前BGA鉆孔的需求。同樣一條光柵尺，分辨率提高到一定程度后，定位精度和重復定位精度就不會再有明顯提高，只能提高實際的概率性重復和更好的動態(tài)性能，只能通過提高機械系統(tǒng)的精度，才能進一步提高PCB數控鉆孔機的定位精度和重復定位精度。

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何玲（1980-），女，河南省駐馬店人，碩士研究生，副教授，現(xiàn)從事機械電子的教學和研究工作。

Design and Research of Pneumatic System of PCB NC Drilling Machine

HE Ling1，WU Hengyu1，WANG Zhigang2
(1.Hainan college of software technology，Qionghai 517400，China；2.HANS CNC Science & Technology co.，ltd，Shenzhen 518057，China)

Abstract:This paper introduces the principle of closed loop control system PCB CNC drilling machines，experimental analysis of the impact of the resolution grating positioning accuracy of PCB NC drilling machines，to improve the resolution by grating to some extent，on the actual PCB CNC drilling machine application，meet the current BGA drilling accuracy requirements.

Keywords:PCB NC drilling machine；Positioning accuracy；Encoding；Resolution ratio

作者簡介：

基金項目：2014年海南省自然科學基金項目（614239）；2014年海南省高等學校教育教學改革研究項目（HNJG2014-78）

收稿日期：2016-03-01

中圖分類號：TG251

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4507(2016)04-0037-05