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【摘 要】本文在印刷电路板高速数控钻床详细分析基础上，研究了印刷电路板高速数控钻床的功能定位，提出了进行总体布局主要考虑的因素、整体布局方案和设计方案，分析了钻床的整体结构和参数，研究了钻床的整个设计过程，这对于设计制造出高水平印刷电路板高速数控钻床至关重要。
一、功能定位分析
印刷电路板高速数控钻床是具有国际先进水平，用于高速钻削印刷电路板的电子设备。一个企业在开发一种新的印刷电路板高速数控钻床之初，需要综合考虑国内外同类产品的性能特点、技术参数、发展现状、技术水平等，并要考虑到设备在市场上的实际应用范围和应用地域等。本文结合作者几年的印刷电路板高速数控钻床学习经验，提出印刷电路板高速数控钻床的设计浅论，与君共勉。首先确定印刷电路板高速数控钻床应具有的功能，具体如下：
（1） 印刷电路板高速数控钻床用于印刷电路板微小孔的加工，钻孔直径范围需要确定。
（2） 为了满足钻孔加工，印刷电路板钻孔机床需要满足以下几个运动：第一，相互垂直的XY两个方向的直线运动，实现XY的定位。第二，垂直于XY平面的Z方向的直线运动以实现钻孔过程。第三，钻头的高速旋转运动时切削的主运动。第四，钻孔的辅助运动，包括换刀运动、刀具检测运动等。具体过程如下：钻孔时，印刷电路板高速数控钻床首先通过数控系统进行文件处理，即将数据文件转换为该机床系统能够接收的数据格式，并对之进行编辑、优化，直至成为正式的加工文件。然后通过数控系统发送钻孔命令，进行钻孔。钻孔过程较为简单，当驱动系统驱动XY轴到达目标点时，Z向下钻机构实现下钻动作。钻孔过程中还要进行自动换刀和刀具检测等钻孔辅助运动，这一运动比较复杂，要经过以下过程：第 N-1库区钻孔完毕-开始换刀-Z 轴回零-机械手抓刀（刀库）-机械手放刀（刀盘1）-主轴放刀（刀盘2）-刀具侦测-机械手抓刀（刀盘2）-机械手放刀（刀库）-主轴抓刀（刀盘1）-主轴对刀-换刀完毕-第N库区钻孔开始。
（3） 为了提高钻孔精度，三轴均安装高精度的光栅尺以实现全闭环控制，并且控制每次的进给量为预先设定值。
（4） 在印刷电路板钻削过程中，由于钻头与工件的相互作用会产生轴向力和扭矩，力的大小与钻削参数密切相关，直接影响钻头寿命、孔壁质量等，严重的会造成加工中钻头和工件的报废，因此根据钻削过程中受力的大小来优化钻削加工参数，这对于降低印刷电路板的钻孔加工成本具有重要意义，所以所开发钻床需要具备测定钻削力的功能，而要实现这一功能，需要综合考虑力传感器的安装位置和安装方法，并且不能以牺牲钻床的主要功能为代价。
（5） 目前市场上的印刷电路板高速数控钻床除了钻削外，大多还具备铣削等多种功能。为了能够满足印刷电路板高速数控钻床的基本功能和扩充功能，同时为了满足不同孔径的加工需要和提高钻床利用率，设备要具备快速更换主轴的功能，而不是像大多数生产中那样主轴固定后就不再更换或者很难更换。
（6） 印刷电路板高速数控钻床对微小孔的能力要求很苛刻，特别是在加工双面板、多层板、电脑芯片等小型化、柔性化产品时，要求最小钻孔直径在0.1mm甚至更小，钻头极易折断和磨损。钻孔过程中一旦出现断针，可以立即采取停机等措施，并且进行故障报警，提示断针所处位置，这样便可以防止造成更大的浪费。因此所设计的钻床还应具有断针检测功能。
（7） 印刷电路板高速数控钻床在钻孔时，会产生由于人为疏忽因素导致抓取错误直径的钻头，造成加工瑕疵品或者报废品；另外还会由于钻头的过度磨损，造成钻头直径和长度的减小，进而造成钻孔质量下降等。所以印刷电路板高速数控钻床应该具有刀长检测功能，对钻头进行及时检测，并且可以通过加工软件检错处理的措施，实现先前准备刀具需要与加工软件所设定的尺寸相符才能进行加工作业。
（8） 印刷电路板上有大小不同的孔，这决定了加工前需要配备大量的钻头，有时多达几百支。加工过程中，为了提高效率，机器要具有自动更换钻头的功能。
（9） 为了降低振动对机器的影响、提高钻孔机的动力学性能、减小惯性力和提高钻床的刚度，在进行钻床设计时，要合理规划钻孔机的动静质量分配，这就要求加大运动部件的质量、减小移动部件质量和使机械结构应该尽量简单。
二、整体布局分析
在满足印刷电路板数控钻床功能和需求的前提下，在进行整体布局时，还要考虑以下几个方面：
（1） Z轴频繁的往复运动（400次/分钟）、XY定位速度高且间断工作，印刷电路板的孔距比较小、运动距离短、XY轴的运动时间还可与钻头离开印刷电路板的快进快退时间重合，这直接决定了钻床布局时要考虑质量的分配问题。
（2） 印刷电路板的尺寸和形状直接决定工作台的尺寸与导轨的布局。例如加工的印刷电路板尺寸越长，要求工作台同一方向的尺寸就越大，连接工作台的滑板、滑块以及两导轨间的跨距也就越大。因此印刷电路板的尺寸和形状也是直接影响钻床布局的决定性因素。
（3） 要考虑便于观察加工过程、便于操作、调整和维修，便于装卸印刷电路板板材。
（4） 应该尽可能做到体积小、降低制造成本、缩小占地面积、外型美观大方。
整体布局有两种方案，第一种布局方案是，钻床Z轴系统做横向和上下移动，立柱做纵向移动。由于工件不动，承载能力好，适合加工较重的工件。但是由于立柱移动较为笨重，所以运动精度较难保证。第二种布局方案是立柱固定，钻床Z轴系统做横向和上下移动，工作台做纵向移动，承载能力较布局一方案差，但是所承载的印刷电路板板材较轻，布局所需要的电机的功率的传动件的尺寸较小，移动较为轻便，所以该方案中钻床的精度容易保证。
三、设计方案分析
印刷电路板高速数控钻床的设计方案主要有全线性方案（XYZ三个方向运动均用直线电机驱动）、非线性方案（XYZ三个方向运动均采用伺服马达驱动）、Z向线性方案（XY方向运动采用伺服电机驱动、仅Z方向运动采用直线电机驱动）、XY线性方案（XY方向运动采用直线电机驱动、仅Z方向运动采用伺服电机驱动）方案。本文对国内几家钻床生产厂家进行调研和国内外钻机进行了研究，如图1至图6所示。综合分析了几种方案的优缺点见表1。 四、整体结构分析
（1） 材料分析 印刷电路板高速数控钻床工作时，设备的振动将会造成钻头钻孔时的滑移，产生孔位偏差或钻头的损坏，所以要求设备具有较高的动态特性，这就决定了其具有较高的静态刚度。因此总体结构需要具有良好的吸振性能的材料。
目前的印刷电路板高速数控钻床大多采用花岗岩作为底座等总体结构材料，还有的采用铸铁或者钢材等材料，如东盛公司床身及工作台均采用花岗岩材料，日立机工作台和横梁采用铸钢，大赢公司床身采用花岗岩，工作台采用铸钢，麦雅公司床身采用花岗岩，工作台采用铝合金。
铸铁和钢材具有易腐蚀，平面度难保证、时效时间长等缺点，造成交货周期过长，福建麦雅公司的铝合金工作台曾经出现变形等现象。花岗岩和铸铁材料的性能比较见表2。
由表2可知，花岗岩材料的最大优点为阻尼大、动态稳定性良好，并且当其受到撞击时，不会像金属材料一样产生毛边，能够保持较好的设备加工平面的平面度，更适合于在无尘室的操作环境中使用，这与印刷电路板钻床对支撑部件材料的要求一致。另外对于印刷电路板钻孔机支撑部件材料的选择还需要考虑材料刚性、比重热膨胀及热传导等因素。
（2） 工作台分析 工作台台面法线方向对应着Z轴进给方向，本设备在Z轴方向上有一根轴，在进行钻孔时，工作台有导轨上的四个滑块来支撑，因此受力不均匀，如图7，造成工作台上会形成一个弯矩，在长期的工作强度下，工作台面会逐渐变成图所示的形状，这与印刷电路板钻床的工作要求是相抵触的。
针对这一问题，主要在以下两个方面进行考虑：
①平衡工作台的受力，保证工作长期不变形；
②工作台采用刚度高，不易变形的材料。
另外还要保证加工的范围内有各种测量器件的安装空间。
为了平衡工作台的受力，工作台支撑座要选择合适的跨距；为了增加工作台的刚度，防止长期使用后变形，工作台材料选用花岗岩；为了使得测量器件有足够的安装空间，移动台的尺寸要比实际加工工件的尺寸大。
（3） 工作台尺寸分析
工作台X方向长度=加工幅面长度+安装测量器件预留量+机头压脚预留量+固定胶条预留量
工作台Y方向长度=加工幅面长度+安装测量器件预留量+机头压脚预留量+固定胶条预留量
（4） 工作台的固定 考虑到美观及安全性因素，滚珠丝杆和导轨不易外露，需在工作台下安装一防护罩，所以工作台不可与导向螺母及滑块直接相连，需要在Y向滑板之间加防护罩，固定在基座上。
（5） 立柱结构和尺寸分析 立柱的尺寸根据工作台的XY方向的长度，Z的工作行程来确定，常见的钻机的Z轴行程为：日立三轴钻机为30mm，日立六轴钻机为60mm， 福建麦雅公司钻机为55mm，东盛钻机为40mm～50mm。立柱结构主要有两种，如图8。
图8（a）立柱结构更为稳定，图8（b）结构简单，易于加高。
（6） 横梁尺寸分析 横梁的尺寸根据立柱和工作台的尺寸来确定。
（7） 床身结构和尺寸分析
床身的尺寸根据横梁、工作台和立柱的尺寸来综合确定。印刷电路板钻床床身的结构主要有三种。如图9所示。三种结构的对比见表4。
五、性能参数分析
国内外部分厂家的印刷电路板高速数控钻床的主要规格和性能指标见表3。
由此可见，开发印刷电路板高速数控钻床需要确定的参数有外型尺寸、工作行程、XY轴最大移动速度、Z轴最大进给速度、定位精度、重复定位精度、钻孔孔位精度、刀库容量、XYZ轴驱动、光栅尺、断刀检测装置、刀具刀径刀长检测等。
六、结论
本文在印刷电路板高速数控钻床详细分析基础上，研究了印刷电路板高速数控钻床的功能定位，提出了进行总体布局主要考虑的因素、整体布局方案和设计方案，分析了钻床的整体结构和参数，研究了钻床的整个设计过程，这对于设计制造出高水平印刷电路板高速数控钻床至关重要。
一、功能定位分析
印刷电路板高速数控钻床是具有国际先进水平，用于高速钻削印刷电路板的电子设备。一个企业在开发一种新的印刷电路板高速数控钻床之初，需要综合考虑国内外同类产品的性能特点、技术参数、发展现状、技术水平等，并要考虑到设备在市场上的实际应用范围和应用地域等。本文结合作者几年的印刷电路板高速数控钻床学习经验，提出印刷电路板高速数控钻床的设计浅论，与君共勉。首先确定印刷电路板高速数控钻床应具有的功能，具体如下：
（1） 印刷电路板高速数控钻床用于印刷电路板微小孔的加工，钻孔直径范围需要确定。
（2） 为了满足钻孔加工，印刷电路板钻孔机床需要满足以下几个运动：第一，相互垂直的XY两个方向的直线运动，实现XY的定位。第二，垂直于XY平面的Z方向的直线运动以实现钻孔过程。第三，钻头的高速旋转运动时切削的主运动。第四，钻孔的辅助运动，包括换刀运动、刀具检测运动等。具体过程如下：钻孔时，印刷电路板高速数控钻床首先通过数控系统进行文件处理，即将数据文件转换为该机床系统能够接收的数据格式，并对之进行编辑、优化，直至成为正式的加工文件。然后通过数控系统发送钻孔命令，进行钻孔。钻孔过程较为简单，当驱动系统驱动XY轴到达目标点时，Z向下钻机构实现下钻动作。钻孔过程中还要进行自动换刀和刀具检测等钻孔辅助运动，这一运动比较复杂，要经过以下过程：第 N-1库区钻孔完毕-开始换刀-Z 轴回零-机械手抓刀（刀库）-机械手放刀（刀盘1）-主轴放刀（刀盘2）-刀具侦测-机械手抓刀（刀盘2）-机械手放刀（刀库）-主轴抓刀（刀盘1）-主轴对刀-换刀完毕-第N库区钻孔开始。
（3） 为了提高钻孔精度，三轴均安装高精度的光栅尺以实现全闭环控制，并且控制每次的进给量为预先设定值。
（4） 在印刷电路板钻削过程中，由于钻头与工件的相互作用会产生轴向力和扭矩，力的大小与钻削参数密切相关，直接影响钻头寿命、孔壁质量等，严重的会造成加工中钻头和工件的报废，因此根据钻削过程中受力的大小来优化钻削加工参数，这对于降低印刷电路板的钻孔加工成本具有重要意义，所以所开发钻床需要具备测定钻削力的功能，而要实现这一功能，需要综合考虑力传感器的安装位置和安装方法，并且不能以牺牲钻床的主要功能为代价。
（5） 目前市场上的印刷电路板高速数控钻床除了钻削外，大多还具备铣削等多种功能。为了能够满足印刷电路板高速数控钻床的基本功能和扩充功能，同时为了满足不同孔径的加工需要和提高钻床利用率，设备要具备快速更换主轴的功能，而不是像大多数生产中那样主轴固定后就不再更换或者很难更换。
（6） 印刷电路板高速数控钻床对微小孔的能力要求很苛刻，特别是在加工双面板、多层板、电脑芯片等小型化、柔性化产品时，要求最小钻孔直径在0.1mm甚至更小，钻头极易折断和磨损。钻孔过程中一旦出现断针，可以立即采取停机等措施，并且进行故障报警，提示断针所处位置，这样便可以防止造成更大的浪费。因此所设计的钻床还应具有断针检测功能。
（7） 印刷电路板高速数控钻床在钻孔时，会产生由于人为疏忽因素导致抓取错误直径的钻头，造成加工瑕疵品或者报废品；另外还会由于钻头的过度磨损，造成钻头直径和长度的减小，进而造成钻孔质量下降等。所以印刷电路板高速数控钻床应该具有刀长检测功能，对钻头进行及时检测，并且可以通过加工软件检错处理的措施，实现先前准备刀具需要与加工软件所设定的尺寸相符才能进行加工作业。
（8） 印刷电路板上有大小不同的孔，这决定了加工前需要配备大量的钻头，有时多达几百支。加工过程中，为了提高效率，机器要具有自动更换钻头的功能。
（9） 为了降低振动对机器的影响、提高钻孔机的动力学性能、减小惯性力和提高钻床的刚度，在进行钻床设计时，要合理规划钻孔机的动静质量分配，这就要求加大运动部件的质量、减小移动部件质量和使机械结构应该尽量简单。
二、整体布局分析
在满足印刷电路板数控钻床功能和需求的前提下，在进行整体布局时，还要考虑以下几个方面：
（1） Z轴频繁的往复运动（400次/分钟）、XY定位速度高且间断工作，印刷电路板的孔距比较小、运动距离短、XY轴的运动时间还可与钻头离开印刷电路板的快进快退时间重合，这直接决定了钻床布局时要考虑质量的分配问题。
（2） 印刷电路板的尺寸和形状直接决定工作台的尺寸与导轨的布局。例如加工的印刷电路板尺寸越长，要求工作台同一方向的尺寸就越大，连接工作台的滑板、滑块以及两导轨间的跨距也就越大。因此印刷电路板的尺寸和形状也是直接影响钻床布局的决定性因素。
（3） 要考虑便于观察加工过程、便于操作、调整和维修，便于装卸印刷电路板板材。
（4） 应该尽可能做到体积小、降低制造成本、缩小占地面积、外型美观大方。
整体布局有两种方案，第一种布局方案是，钻床Z轴系统做横向和上下移动，立柱做纵向移动。由于工件不动，承载能力好，适合加工较重的工件。但是由于立柱移动较为笨重，所以运动精度较难保证。第二种布局方案是立柱固定，钻床Z轴系统做横向和上下移动，工作台做纵向移动，承载能力较布局一方案差，但是所承载的印刷电路板板材较轻，布局所需要的电机的功率的传动件的尺寸较小，移动较为轻便，所以该方案中钻床的精度容易保证。
三、设计方案分析
印刷电路板高速数控钻床的设计方案主要有全线性方案（XYZ三个方向运动均用直线电机驱动）、非线性方案（XYZ三个方向运动均采用伺服马达驱动）、Z向线性方案（XY方向运动采用伺服电机驱动、仅Z方向运动采用直线电机驱动）、XY线性方案（XY方向运动采用直线电机驱动、仅Z方向运动采用伺服电机驱动）方案。本文对国内几家钻床生产厂家进行调研和国内外钻机进行了研究，如图1至图6所示。综合分析了几种方案的优缺点见表1。 四、整体结构分析
（1） 材料分析 印刷电路板高速数控钻床工作时，设备的振动将会造成钻头钻孔时的滑移，产生孔位偏差或钻头的损坏，所以要求设备具有较高的动态特性，这就决定了其具有较高的静态刚度。因此总体结构需要具有良好的吸振性能的材料。
目前的印刷电路板高速数控钻床大多采用花岗岩作为底座等总体结构材料，还有的采用铸铁或者钢材等材料，如东盛公司床身及工作台均采用花岗岩材料，日立机工作台和横梁采用铸钢，大赢公司床身采用花岗岩，工作台采用铸钢，麦雅公司床身采用花岗岩，工作台采用铝合金。
铸铁和钢材具有易腐蚀，平面度难保证、时效时间长等缺点，造成交货周期过长，福建麦雅公司的铝合金工作台曾经出现变形等现象。花岗岩和铸铁材料的性能比较见表2。
由表2可知，花岗岩材料的最大优点为阻尼大、动态稳定性良好，并且当其受到撞击时，不会像金属材料一样产生毛边，能够保持较好的设备加工平面的平面度，更适合于在无尘室的操作环境中使用，这与印刷电路板钻床对支撑部件材料的要求一致。另外对于印刷电路板钻孔机支撑部件材料的选择还需要考虑材料刚性、比重热膨胀及热传导等因素。
（2） 工作台分析 工作台台面法线方向对应着Z轴进给方向，本设备在Z轴方向上有一根轴，在进行钻孔时，工作台有导轨上的四个滑块来支撑，因此受力不均匀，如图7，造成工作台上会形成一个弯矩，在长期的工作强度下，工作台面会逐渐变成图所示的形状，这与印刷电路板钻床的工作要求是相抵触的。
针对这一问题，主要在以下两个方面进行考虑：
①平衡工作台的受力，保证工作长期不变形；
②工作台采用刚度高，不易变形的材料。
另外还要保证加工的范围内有各种测量器件的安装空间。
为了平衡工作台的受力，工作台支撑座要选择合适的跨距；为了增加工作台的刚度，防止长期使用后变形，工作台材料选用花岗岩；为了使得测量器件有足够的安装空间，移动台的尺寸要比实际加工工件的尺寸大。
（3） 工作台尺寸分析
工作台X方向长度=加工幅面长度+安装测量器件预留量+机头压脚预留量+固定胶条预留量
工作台Y方向长度=加工幅面长度+安装测量器件预留量+机头压脚预留量+固定胶条预留量
（4） 工作台的固定 考虑到美观及安全性因素，滚珠丝杆和导轨不易外露，需在工作台下安装一防护罩，所以工作台不可与导向螺母及滑块直接相连，需要在Y向滑板之间加防护罩，固定在基座上。
（5） 立柱结构和尺寸分析 立柱的尺寸根据工作台的XY方向的长度，Z的工作行程来确定，常见的钻机的Z轴行程为：日立三轴钻机为30mm，日立六轴钻机为60mm， 福建麦雅公司钻机为55mm，东盛钻机为40mm～50mm。立柱结构主要有两种，如图8。
图8（a）立柱结构更为稳定，图8（b）结构简单，易于加高。
（6） 横梁尺寸分析 横梁的尺寸根据立柱和工作台的尺寸来确定。
（7） 床身结构和尺寸分析
床身的尺寸根据横梁、工作台和立柱的尺寸来综合确定。印刷电路板钻床床身的结构主要有三种。如图9所示。三种结构的对比见表4。
五、性能参数分析
国内外部分厂家的印刷电路板高速数控钻床的主要规格和性能指标见表3。
由此可见，开发印刷电路板高速数控钻床需要确定的参数有外型尺寸、工作行程、XY轴最大移动速度、Z轴最大进给速度、定位精度、重复定位精度、钻孔孔位精度、刀库容量、XYZ轴驱动、光栅尺、断刀检测装置、刀具刀径刀长检测等。
六、结论
本文在印刷电路板高速数控钻床详细分析基础上，研究了印刷电路板高速数控钻床的功能定位，提出了进行总体布局主要考虑的因素、整体布局方案和设计方案，分析了钻床的整体结构和参数，研究了钻床的整个设计过程，这对于设计制造出高水平印刷电路板高速数控钻床至关重要。