CN103769943A - 一种用于pcb数控钻孔的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于PCB数控钻孔的控制系统及方法，该控制系统包括控制器、工控计算机、伺服驱动器、XYZ轴电机和位置检测器；控制器上设有输入端、第一输出端和通信端，控制器的通信端通过以太网与工控计算机交互通信连接；控制器通过其第一输出端将下载的钻孔数据传输给伺服驱动器，由伺服驱动器驱动XYZ轴电机上XY轴平移及Z轴上下运动，位置检测器检测XY轴平移定位并将定位信号通过控制器的输入端传输至控制器。本发明针对现有系统实时控制能力存在的技术缺陷，为PCB钻孔加工开发一种高效、可靠的控制系统与方法，满足PCB对高效数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔效率，进一步降低PCB制造成本。

Description

一种用于PCB数控钻孔的控制系统及方法

 

技术领域

本发明涉及数控领域，尤其涉及一种用于PCB数控钻孔的控制系统及方法。

 

背景技术

    随着PCB向高密度、多层化发展，PCB孔径越来越小，孔位越来越密集，对数控钻孔效率提出更高要求。数控钻孔加工费占PCB 制板费用的30%以上。提升数控钻孔效率对于降低PCB生产成本，提高电子产品竞争力具有重要意义。而PCB钻孔控制系统硬件结构及多轴协同运动钻孔控制方法是影响PCB钻孔效率的两大重要因素。

首先从控制原理看，当前PC+运动控制卡构成的PCB数控钻孔系统对于多工位、高速、高精技术要求难以满足；其次在控制方法上，由于受工艺条件约束，PCB钻床Z轴下钻占用时间最长，常规控制方法只压缩Z轴行程达到快速钻孔目的，该常规方法无法很好的缩短钻孔时间。

综合上述的描述，现有市面上不论是用于PCB钻孔的控制系统，还是控制方法，均在实时控制能力上存在很大的技术缺陷。

 

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种用于PCB数控钻孔的控制系统及方法，为PCB钻孔加工开发一种高效、可靠的控制系统及方法，满足PCB对高效数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔效率，进一步降低PCB制造成本。

为实现上述目的，本发明提供一种用于PCB快速钻孔的控制系统，包括用于位置信号管理及信号采集处理的控制器、用于钻孔数据编辑并将钻孔数据下载至控制器的工控计算机、伺服驱动器、XYZ轴电机和位置检测器；所述控制器上设有输入端、第一输出端和通信端，所述控制器的通信端通过以太网与工控计算机交互通信连接；所述控制器通过其第一输出端将下载的钻孔数据传输给伺服驱动器，由所述伺服驱动器驱动XYZ轴电机上XY轴平移及Z轴上下运动，所述位置检测器检测XY轴平移定位并将定位信号通过控制器的输入端传输至控制器，所述控制器在XY轴平移定位时，将Z轴压脚与PCB板面之间的空行程分为起钻位至快钻位及快钻位至终钻位两段行程。

其中，所述控制系统还包括用于控制Z轴转速的变频器，所述控制器上还设有第二输出端，所述变频器与控制器的第二输出端电连接。

其中，所述控制系统还包括用于信号检测的I/O信号模块，所述控制器上还设有数字信号端，所述I/O信号模块与控制器的数字信号端交互电连接。

其中，所述控制系统还包括操作模块，所述操作模块与工控计算机电连接。

其中，所述操作模块包括人机交互单元、显示单元和输入单元；所述人机交互单元与工控计算机交互连接，所述输入单元与工控计算机的输入端电连接，所述显示单元与工控计算机的输出端电连接。

其中，所述控制器内置有DSP芯片和与DSP芯片电连接的FPGA芯片。

为实现上述目的，本发明还提供一种用于PCB快速钻孔的控制方法，包括以下步骤：

步骤A、XY轴平移至PCB板的钻孔位置，同时，Z轴由起钻位开始向下运动至快钻位，使得XY轴及Z轴协同运动；

步骤B、Z轴由快钻位向终站位进行下钻运动，使得下钻的同时对PCB进行钻孔处理；

步骤C、Z轴下钻运动至终站位，Z轴开始沿着快钻位的方向向上提起；步骤D、Z轴上提至快钻位，步骤C中PCB的钻孔完成；

步骤E、检测PCB的钻孔是否都完成，若检测到PCB的钻孔都已完成，则执行结束；若检测到PCB的钻孔未完成，则XY轴向PCB下一孔的位置移动；

步骤F、XY轴平移定位完成后，则跳转步骤B。

其中，在所述步骤C与步骤D之间，若Z轴未上提至快钻位时，则Z轴继续上提，直至Z轴上提至快钻位。

与现有技术相比，本发明提供的用于PCB数控钻孔的控制系统及方法，具有以下有益效果：

1）该控制系统由工控计算机和控制器构成两级控制中心，在结构上满足系统对高实时性要求，钻孔动作均在控制器中的控制下运行，实现精确可靠钻孔；

2）工控计算机与控制器采用以太网通信，系统在钻孔加工过程中具备脱机运行能力，提高系统运行可靠性；

3）在钻孔时，将Z轴空行程分两段处理，最大程度压缩Z轴下钻空行程，实现同时减少Z轴下钻及上提两个动作时间，较大提升系统钻孔效率；

4）在满足运动安全及加工工艺前提下，XY轴向PCB板的钻孔位置平移的，同时Z轴由起钻位开始向下运动至快钻位，使得XY轴及Z轴协同运动，优化XYZ轴运动时序，实现XY轴平移及Z轴下钻动作的提前，减小钻孔动作所需时间；

5）本发明针对现有系统实时控制能力存在的技术缺陷，为PCB钻孔加工开发一种高效、可靠的控制系统与方法，满足PCB对高效数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔效率，进一步降低PCB制造成本。

 

附图说明

图1为本发明中控制系统的工作原理图；

图2为本发明中三个钻位的位置示意图；

图3为本发明中Z轴分段运动控制规划图；

图4为本发明中控制方法的工作流程图。

主要元件符号说明如下：

10、控制器                     11、工控计算机

12、伺服驱动器                 13、XYZ轴电机

14、位置检测器                 15、变频器

16、I/O信号模块               17、操作模块

171、人机交互单元              172、显示单元

173、输入单元                  M1、起钻位

M2、快钻位                      M3、终钻位

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1-2，本发明的用于PCB快速钻孔的控制系统，包括用于位置信号管理及信号采集处理的控制器10、用于钻孔数据编辑并将钻孔数据下载至控制器10的工控计算机11、伺服驱动器12、XYZ轴电机13和位置检测器14；控制器10上设有输入端、第一输出端和通信端，控制器10的通信端通过以太网与工控计算机11交互通信连接；控制器10通过其第一输出端将下载的钻孔数据传输给伺服驱动器12，由伺服驱动器12驱动XYZ轴电机13上XY轴平移及Z轴上下运动，位置检测器14检测XY轴平移定位并将定位信号通过控制器10的输入端传输至控制器10，控制器10在XY轴平移定位时，将Z轴压脚与PCB板面之间的空行程分为起钻位M1至快钻位M2及快钻位M2至终钻位M3两段行程。

起钻位M1、快钻位M2及终钻位M3各位置的定义：起钻位M1是保持Z轴压脚与PCB板面存在一定安全距离的Z轴位置，保证工作台运动时压脚不刮首板；快钻位M2是Z轴压脚与PCB板接触时的Z轴位置，为Z轴分段控制关键位置，下边为实际钻孔工作行程，上边为安全行程；终钻位M3是刀具钻穿PCB底板的Z轴位置，Z轴下钻运动的最低位置。

在本实施例中，控制系统还包括用于控制Z轴转速的变频器15，控制器10上还设有第二输出端，变频器15与控制器10的第二输出端电连接。系统在运行过程中，可以根据Z轴转速的需要，在控制器10中输入转速频率，并通过变频器15控制Z轴的转速。

在本实施例中，控制系统还包括用于信号检测的I/O信号模块16，控制器10上还设有数字信号端，I/O信号模块16与控制器10的数字信号端交互电连接。该I/O信号模块16可用于用于刀具、变频器15、气压、伺服驱动器12等信号检测，以及机械手、主轴夹头、主轴开关等信号的输出。

在本实施例中，控制系统还包括操作模块17，操作模块17与工控计算机11电连接。操作模块17包括人机交互单元171、显示单元172和输入单元173；人机交互单元171与工控计算机11交互连接，输入单元173与工控计算机11的输入端电连接，显示单元172与工控计算机11的输出端电连接。该工控计算机11主要负责文件处理、数据通信、人机交互、任务调度等非实时性工作，通过人机交互单元171将用户操作和系统处理结合在一起；用户可通过输入单元173将实际操作要求输入至工控计算机11内；通过显示单元172可显示用户输入的内容和控制器10处理的结果。本发明中操作模块17可为显示装置，当然，也可以不设置操作模块17，直接在工控计算机11上进行操作。本结构中只要能实现用户的指令输入及结果显示的功能，那么操作模块17的其实实施方式，均落入本发明的保护范围。

在本实施例中，控制器10内置有DSP芯片和与DSP芯片电连接的FPGA芯片。DSP芯片作为控制器的核心，主要负责数控钻孔加工程序及运动相关的指令，并通过FPGA芯片对多个外部接口的控制，并输出DAC信号，实现对PCB数控钻床的全闭环控制。

本发明提供的用于PCB快速钻孔的控制系统，具有以下优势：

1）该控制系统由工控计算机11和控制器10构成两级控制中心，在结构上满足系统对高实时性要求，钻孔动作均在控制器中的控制下运行，实现精确可靠钻孔；

2）工控计算机11与控制器10采用以太网通信，系统在钻孔加工过程中具备脱机运行能力，提高系统运行可靠性；

3）在钻孔时，将Z轴空行程分两段处理，最大程度压缩Z轴下钻空行程，实现同时减少Z轴下钻及上提两个动作时间，较大提升系统钻孔效率；

请进一步参阅图2-4，基于上述的控制系统，本发明还提供一种用于PCB快速钻孔的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、XY轴平移至PCB板的钻孔位置，同时，Z轴由起钻位M1开始向下运动至快钻位M2，使得XY轴及Z轴协同运动；在该步骤中XY轴向PCB板的钻孔位置的平移及Z轴由起钻位向快钻位运动的两个步骤是同步进行的，现有技术中是先进行XY轴定位再进行Z轴钻孔的动作而致时间延长的缺陷，该步骤实现了XYZ轴协同运动的控制方法。

步骤S2、Z轴由快钻位M2向终站位M3进行下钻运动，使得下钻的同时对PCB进行钻孔处理；该步骤中快钻位M2至终站位M3之间的距离即是PCB钻孔的深度，快钻位M2向终站位M3下行运动的过程即是对PCB板的钻孔。

步骤S3、Z轴下钻运动至终站位M3，Z轴开始沿着快钻位M2的方向向上提起；在该步骤中当Z轴运动到终站位M3时，就完成了PCB的钻孔，完成之后系统就自动控制该Z轴向快钻位M2的方向上提，使得Z轴离开PCB的孔位。

步骤S4、Z轴上提至快钻位M2，上述步骤中PCB的钻孔完成；在该步骤中Z轴未上提至快钻位M2时，则Z轴继续上提，直至Z轴上提至快钻位M2，当Z轴上提至快钻位M2时，说明该钻孔完成了。

步骤S5、检测PCB的钻孔是否都完成，若检测到PCB的钻孔都已完成，则执行结束；若检测到PCB的钻孔未完成，则XY轴向PCB下一孔的位置移动。

步骤S6、XY轴平移定位完成后，则跳转步骤S2。该控制方法在操作过程中是一直重复步骤S2至步骤S6，直至PCB上的所有孔都钻完。

本发明提供的用于PCB快速钻孔的控制方法，其优势为：

1）在满足运动安全及加工工艺前提下，XY轴向PCB板的钻孔位置平移的同时Z轴由起钻位开始向下运动至快钻位，使得XY轴及Z轴协同运动，优化XYZ轴运动时序，实现XY轴平移及Z轴下钻动作的提前，减小钻孔动作所需时间；

2）钻孔控制方法在控制器10的控制下运行，满足PCB数控钻孔高速、高精控制需求，显著提升钻孔精度及钻孔效率。

3）该控制方法工艺流程简单，系统自动对PCB进行钻孔，直至所有的孔钻完后，系统自动执行结束工序，该方法具有操作简单、灵活便捷及工作效率高等特点。

本发明针对现有系统实时控制能力存在的技术缺陷，为PCB钻孔加工开发一种高效、可靠的控制系统与方法，满足PCB对高效数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔效率，进一步降低PCB制造成本。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于PCB快速钻孔的控制系统，其特征在于，包括用于位置信号管理及信号采集处理的控制器、用于钻孔数据编辑并将钻孔数据下载至控制器的工控计算机、伺服驱动器、XYZ轴电机和位置检测器；所述控制器上设有输入端、第一输出端和通信端，所述控制器的通信端通过以太网与工控计算机交互通信连接；所述控制器通过其第一输出端将下载的钻孔数据传输给伺服驱动器，由所述伺服驱动器驱动XYZ轴电机上XY轴平移及Z轴上下运动，所述位置检测器检测XY轴平移定位并将定位信号通过控制器的输入端传输至控制器，所述控制器在XY轴平移定位时，将Z轴压脚与PCB板面之间的空行程分为起钻位至快钻位及快钻位至终钻位两段行程。

2.根据权利要求1的用于PCB快速钻孔的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括用于控制Z轴转速的变频器，所述控制器上还设有第二输出端，所述变频器与控制器的第二输出端电连接。

3.根据权利要求1或2的用于PCB快速钻孔的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括用于信号检测的I/O信号模块，所述控制器上还设有数字信号端，所述I/O信号模块与控制器的数字信号端交互电连接。

4.根据权利要求3的用于PCB快速钻孔的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括操作模块，所述操作模块与工控计算机电连接。

5.根据权利要求4的用于PCB快速钻孔的控制系统，其特征在于，所述操作模块包括人机交互单元、显示单元和输入单元；所述人机交互单元与工控计算机交互连接，所述输入单元与工控计算机的输入端电连接，所述显示单元与工控计算机的输出端电连接。

6.根据权利要求1的用于PCB快速钻孔的控制系统，其特征在于，所述控制器内置有DSP芯片和与DSP芯片电连接的FPGA芯片。

7.一种用于PCB快速钻孔的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、XY轴平移至PCB板的钻孔位置，同时，Z轴由起钻位开始向下运动至快钻位，使得XY轴及Z轴协同运动；

步骤B、Z轴由快钻位向终站位进行下钻运动，使得下钻的同时对PCB进行钻孔处理；

步骤C、Z轴下钻运动至终站位，Z轴开始沿着快钻位的方向向上提起；步骤D、Z轴上提至快钻位，步骤C中PCB的钻孔完成；

步骤E、检测PCB的钻孔是否都完成，若检测到PCB的钻孔都已完成，则执行结束；若检测到PCB的钻孔未完成，则XY轴向PCB下一孔的位置移动；

步骤F、XY轴平移定位完成后，则跳转步骤B。

8.根据权利要求7的用于PCB快速钻孔的控制方法，其特征在于，在所述步骤C与步骤D之间，若Z轴未上提至快钻位时，则Z轴继续上提，直至Z轴上提至快钻位。

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