何佳春 周 洋 馬 威
[(1.深圳市大族數(shù)控科技股份有限公司,廣東 深圳 518103;2.法雷奧汽車內(nèi)部控制(深圳)有限公司,廣東 深圳 518103)]
智能終端設備帶動了基礎制造工業(yè)的快速發(fā)展,基礎制造業(yè)的發(fā)展離不開工業(yè)母機的突破。鉆孔是印制電路板(printed circuit board,PCB)制作中的關(guān)鍵工序。為提高生產(chǎn)效率,六軸(F6系列)數(shù)控鉆孔機床應運而生。F6 系列機床有大臺面、六主軸、高轉(zhuǎn)速的機械特性,其中,大臺面的工作臺能加工1 200 mm×900 mm 范圍內(nèi)的基板,大大提升了PCB 加工效率。在機床的縱梁之上同時設置六主軸結(jié)構(gòu),能夠滿足6 個軸不同的控制和運動。F6 系列數(shù)控鉆孔機采用天然大理石基座和縱梁,可保證機床本體的精度不受外界因素(溫度、濕度)的過多影響;在基座和縱梁之上采用超長直線導軌,在床身上布置4 條長度超過4 300 mm的直線導軌,在縱梁上布置12條長度2 600 mm 的直線導軌,導軌的安裝和調(diào)整精度直接關(guān)聯(lián)機床本體的加工精度。因此,對F6 系列數(shù)控鉆孔機而言,使用專用輔助儀器安裝調(diào)整好16條直線導軌,并保證直線度、平行度等技術(shù)參數(shù)在4 μm 之內(nèi),是機床機械部件后續(xù)安裝的核心工序。為高效率、高精度地安裝調(diào)試直線導軌,本文主要圍繞F6系列PCB 數(shù)控鉆孔機直線導軌的安裝方法、調(diào)整原理、精度修正策略等幾個方面展開論述。
某司F6 系列大臺面PCB 數(shù)控鉆孔機床主要用于剛性板(硬板)的鉆孔工序,包括精度要求高的單面板、雙面板及多層板鉆孔。PCB 鉆孔機屬于數(shù)控機床細分領域的專用特種機床,根據(jù)客戶的需求特點進行定制設計和生產(chǎn)。大部分機型屬于大臺面機床,且主軸橫梁的長度超過 8 000 mm,屬于超長直線導軌領域。國內(nèi)PCB 鉆孔機多依靠進口技術(shù),國產(chǎn)品牌較少,在鉆機直線導軌的裝調(diào)領域,國外廠商對技術(shù)的封鎖非常嚴重,且關(guān)鍵技術(shù)點保密,沒有足夠的技術(shù)借鑒和技術(shù)支持。同時,PCB鉆孔機對精度的要求高,加工精度基本為微米級,機床直線導軌的裝調(diào)技術(shù)復雜,在此技術(shù)領域沒有形成作業(yè)標準,大部分都靠經(jīng)驗的摸索和積累。對大臺面PCB 數(shù)控機床直線導軌的裝調(diào)技術(shù)進行深度分析和研究,對推動PCB 數(shù)控鉆孔機國產(chǎn)化的替代研究具有重要意義。
F6 系列大臺面PCB 數(shù)控鉆孔機主要結(jié)構(gòu)特點有:床身機體采用天然大理石,具有良好的吸震性和精度穩(wěn)定性;X、Y、Z軸均采用直線電機驅(qū)動,X、Y軸最高移動速度可達85 m/min,其中Y軸移動的最大位移為7 600 mm,單根直線導軌的長度達4 300 mm,X軸的單根直線導軌長度達 2 600 mm;最大加工面積為711 mm×546 mm。F6 系列鉆孔機采用天然大理石機體,所有的精密移動部件直接安裝在大理石床身之上,直線導軌與床身的鏈接采用嵌入式螺紋;F6 系列鉆孔機有6 個Z軸,每個Z軸可以單動和聯(lián)動方式進行加工。Z軸采用龍門式橫梁設計,其直線導軌安裝在橫梁的側(cè)面,除保證工作精度外,還要承受Z軸的自重。
F6 系列鉆孔機性能方面,加工精度允許的最大位移偏差為±18 μm,加工孔徑范圍Ф0.1~ 6.35 mm,適用于各種軟、硬板材的鉆孔制程。使用環(huán)境要求為在海拔1 000 m 內(nèi)可最大負荷運行;海拔超過1 000 m 運行時,每增加1 000 m,負荷應減少15%;周圍空氣不可含有腐蝕性、導電或易燃的物質(zhì);允許空氣相對濕度為55%±10%;必須保證設備周圍的溫度穩(wěn)定,禁止接觸電子元件。
大臺面六軸高速PCB 鉆孔數(shù)控機床多為根據(jù)客戶需求定制開發(fā),主軸的轉(zhuǎn)速高達 200 000 r/min。對機床各運動部件的要求較高。水平向?qū)к壘纫笠姳?。
表1 水平向?qū)к壘纫?/p>
由于機床有大臺面大負載的特點,直線導軌采用雙軌布置和安裝方式,導軌分為主軌和副軌。出廠時主軌標簽為KB,副軌不帶KB 標識,主軌的精度高于副軌,主軌起到導向的作用,副軌起到支撐作用。F6 系列的Z軸橫梁達到10 800 mm,直線導軌采用4根4 300 mm的直線導軌拼接而成,分別用2 根4 300 mm 的導軌構(gòu)成一根主軌和一根副軌。因此,在安裝和調(diào)整的時候除調(diào)整好單根精度外,還要裝調(diào)2 根的組合精度,這也是此款機床直線導軌的裝調(diào)難點之一。
當所有的導軌和運動部件裝調(diào)完成之后,還需要做整機的二次調(diào)試工作,防止工作臺和主軸安裝之后造成直線導軌的位置偏移,同時保證機床在維保期內(nèi)的精度符合出廠的精度標準。直線導軌后期維護和維修的成本較高,會給客戶增加使用成本。為避免此類情況的發(fā)生,安裝和調(diào)整時需要重點考慮。另外,鎖緊導軌的螺絲需要添加262 型螺紋緊固劑,防止機床震動導致螺絲的松動和脫落。
大理石臺面需要做二次清潔,尤其是對導軌安裝接觸面、螺絲孔進行清潔,保證沒有任何雜質(zhì)干擾,因此需要使用油石簡單打磨大理石安裝面。安裝直線導軌前必須清除機械安裝面的毛邊、污物及表面?zhèn)邸?梢韵仁褂酶蓛舻乃椴歼M行首遍清潔,再用高壓氣槍對螺絲孔和安裝面進行二遍清潔,并使用清洗油類的清潔劑去除導軌安裝面的油污。
導軌安裝前,需要進行二次外觀復檢,防止在運輸和倉儲的過程中出現(xiàn)損傷。將主軌和副軌用120 號高標汽油擦拭干凈,清洗表面的雜質(zhì)和污垢;對導軌面進行初步調(diào)試,將水平尺放在導軌面上,調(diào)節(jié)到能讀數(shù),推動水平尺;調(diào)節(jié)床身地下的調(diào)整墊鐵,將床身扭曲調(diào)平;將導軌安裝在導軌面上,固定3~5 顆螺釘,將另一導軌安裝在導軌面上,但不鎖死;將大理石平尺放在絲桿座處,將千分表放在固定導軌的滑塊上。出廠標準為0.01 mm,但在實際調(diào)節(jié)時,應將誤差控制在0.008 mm以內(nèi),確保符合安裝標準。
市面上有各種品牌的量具,價位及質(zhì)量參差不齊,選用的原則是能滿足裝調(diào)精度性能。選擇合適和合理的量具是提升直線導軌裝調(diào)精度的途徑之一。
使用水平儀對床身和導軌進行水平調(diào)試是最常用、較為經(jīng)濟的方法,但該方法也有明顯的缺點。普通水平儀的最小精度只能達到0.01 mm,調(diào)試時采用0.015 mm/1 000 框式水平儀。水平儀的讀數(shù)是一格水泡0.02/1 000 mm,這是一個傾斜度值,只能作為粗調(diào)參考精度,不夠精確。
在安裝導軌之前,需要對床身本體進行找水平面,一般3 點即可決定一個平面,但長導軌的安裝不能使用此方法,需要結(jié)合長度方向?qū)к壷本€度的安裝來完成底座找水平面。使用水平儀沿導軌運動軸向按“檢測跨距”依次讀數(shù),并用讀數(shù)值來分析直線度。沿前進方向,抬頭的讀數(shù)取為正,低頭的讀數(shù)取為負。記錄數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)輸入Excel 表格,得到直線度誤差,見表2,再畫出圖像進行分析。
表2 水平儀測直線度的數(shù)據(jù)處理
使用專用大理石平尺進行床身導軌的找平,首先將直線導軌的主軌,即標有KB 的導軌按照2.2 節(jié)步驟完成后放置于安裝位,進行打水平,達到要求后將202 型號螺紋緊固劑添加至每個螺絲孔。由于直線導軌長度較長,使用的緊固螺釘很多,每間隔一個孔預緊一個螺釘,螺絲的預緊需要從中間開始往兩端進行鎖緊,鎖緊螺絲采用可調(diào)扭力扳手,鎖緊力矩設置為30 N·m。再在床身上放置專用大理石平尺,如圖1 所示,以主軌為基準,校正大理石平尺的位置。大理石平尺的直線度<0.002 mm,千分表讀數(shù)據(jù)<0.004 mm 即可(機床出廠的要求為<0.008 mm)。之后使用同樣的方法校正副軌。在校正的過程中,千分表至少需要走完2個完整的行程。
圖1 專用大理石裝調(diào)
大理石平尺和水平儀調(diào)整完后,對干涉儀進行裝調(diào),并在機床的Z軸部件裝機后進行調(diào)試。在機床的中調(diào)和復檢過程中,為了進一步驗證直線導軌運動精度誤差是否在要求范圍內(nèi)(6 μm),需要使用干涉儀對床身和橫梁直線導軌進行精度復檢。對每2根導軌的直線度、平行對和擺角進行檢測,所有的X、Y軸干涉儀檢測時需要往復運動4次以上,記錄每次的誤差并按照數(shù)據(jù)進行調(diào)整。干涉儀第一次數(shù)據(jù)如圖2所示,根據(jù)圖像分析,偏擺在零線以上,需要往下調(diào)整。偏擺在零線以下,則需要往上調(diào)整,如圖3所示。調(diào)整后的正常數(shù)據(jù)如圖4所示。所有數(shù)據(jù)都在精度誤差范圍以內(nèi),且數(shù)據(jù)的偏擺分布在零線的兩側(cè)。干涉儀調(diào)整法應用于工作臺和Z軸部件安裝之后的精度調(diào)整。
圖2 干涉儀第一次粗調(diào)數(shù)據(jù)
圖3 干涉儀檢測數(shù)據(jù)偏移至零線以下
圖4 干涉儀檢測數(shù)據(jù)正常分布于零線兩側(cè)
橫梁和精度要求6 μm 以內(nèi)的直線導軌需要用到準直儀進行輔助裝調(diào),在橫梁上的直線導軌先用框式水平儀和數(shù)字水平儀調(diào)整之后,再用數(shù)字準直儀進行檢測。采用的準直儀為德國進口,精度較高;在調(diào)整的時候先調(diào)試KB主軌,首先對好準直儀的光點,直至出現(xiàn)如圖5 所示的界面,再進行下一步調(diào)試。
圖5 準直儀主界面顯示
在調(diào)試主軌時,每間隔50 mm 記錄一次,直至測量完整個行程。依次調(diào)整每個點位的誤差,使其控制在0.003 mm 以內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗,需要在主軌上測試和調(diào)整20 次往復行程,才能夠完全控制整根導軌的直線度保持在標準范圍。調(diào)整好的參數(shù)如圖6 所示。此種方法適合應用于直線導軌裝調(diào)精度6 μm的機型。
圖6 準直儀精度正常數(shù)據(jù)顯示
為了減小直線導軌的安裝重復誤差,可采用干涉儀系統(tǒng)軟件,該軟件有誤差補償功能,無需拆卸和重復調(diào)整導軌的位置。當直線度和擺角存在偏差時,可使用軟件進行補償,補償量即為誤差量。另外,F(xiàn)6 系列鉆機系統(tǒng)中也有誤差補償功能,這種方法僅限于<0.01 mm 時的誤差補償,大于此誤差則需要松開鎖緊螺絲,調(diào)整導軌的相對和絕對位置進行裝調(diào)。
除以上方法外,還有其他一些措施和方法,如大行程的直線度,對于F6 系列單根直線導軌長度超過4 000 mm 的情況,首先推薦使用準直儀測量,其次可使用水平儀+平尺拖表組合測量。這種混合搭配的方法在用滑塊拖表+平尺觀察水平面內(nèi)直線度的同時,在滑塊上沿運動方向放置水平儀,讓水平儀的讀數(shù)波動在可控范圍內(nèi)。線軌水平面內(nèi)的偏差可直接通過線軌壓塊來調(diào)整。理論上安裝面合格則線軌合格。只要螺釘擰正,線軌垂直面內(nèi)的偏差即在標準范圍內(nèi)。從直線導軌的一頭到另外一頭(直線度的兩個分量),對拖表和水平儀同時讀數(shù),并觀察其數(shù)據(jù)為恒定,一次性調(diào)整即可完成。
通過對F6 系列大臺面PCB 鉆孔數(shù)控機床直線導軌裝調(diào)方法的研究和探索,找出長度4 000 mm以上直線導軌的特性,將理論和經(jīng)驗相結(jié)合,綜合分析調(diào)試的方法?,F(xiàn)在市面上超長直線導軌的應用不斷出現(xiàn),正確使用必要的輔助儀器設備對導軌進行檢測和安裝,可以大大提升安裝效率,提高整體裝調(diào)精度,保證整機精度。
針對長直線導軌在F6 系列鉆機中的裝調(diào)問題,對于超長直線導軌(長度>8 000 mm),可以引用和借鑒本文中所介紹的方法和設備進行裝調(diào)。本文中研究的六軸鉆機為帶橫梁的龍門式結(jié)構(gòu),Z軸采用雙軌布置,機床出廠的要求為直線度6 μm以內(nèi),但實際的調(diào)整精度可達到4 μm,高于整機出廠精度要求。實踐證明,經(jīng)過精度測量和檢驗,裝調(diào)的結(jié)果完全滿足技術(shù)參數(shù)要求。采用科學的方法提升整機直線導軌的裝調(diào)精度和效率,能夠顯著地提升裝配精度和效率,對提升大臺面長導軌的設備精度有重要的借鑒意義。