CN103921314A - 多轴级联直驱pcb钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多轴级联直驱PCB钻机，包括床身，床身设有横梁，,横梁上设有横梁电机固定板，且横梁与横梁电机固定板之间设有X轴直线电机，床身上设有多个级联钻孔结构，通过级联轴连接，级联钻孔结构包括钻孔组件以及Z轴直线电机，床身上设有Y轴运动平台，床身与Y轴运动平台之间设有Y轴直线电机。本发明的钻机，考虑制造成本、运行费用、加工性能等因素进行设计，解决了高速驱动所带来的高负载及高振动的问题，控制系统、运动系统和机械系统间达到了最佳兼容，能够满足高品质多层次的钻孔加工要求，并通过对级联结构的改进，克服了多轴钻孔加工相对单轴加工精度低，稳定性差的工艺缺陷，使本钻机兼顾加工效率的同时多轴加工精度进一步提升。

Description

多轴级联直驱PCB钻机

技术领域

本发明涉及PCB钻机的技术领域，尤其涉及多轴级联直驱PCB钻机。

背景技术

PCB（Printed Circuit Board，印制线路板）是电子产品的载体，随着电子产品向轻薄短小、高功能化、高密度化以及高可靠性方向发展，PCB制造中的关键设备，PCB钻孔机也向高速、高精及高稳定方向发展。

高精度、高速度的PCB钻孔机是制约和影响电子制造业水平和电子信息产业基础配套能力的重要因素，因此，对其关键技术的研究与应用，将改善和提高PCB钻孔设备机的整体性能，满足行业日益增长的中高端PCB钻孔机的迫切需求，对提高电子制造工艺装备技术水平和中国PCB行业高端装备产品附加值以及竞争力具有重要战略支撑意义。

为提高效率及降低成本，PCB钻孔机通常采用多主轴并列的级联结构，以满足PCB多层、高密度以及高纵横比的发展趋势，这也同时对机器的精度与效率提出了更高要求。

为均衡负载和节省空间，多轴级联PCB钻孔机一般不采用XY轴移动平台的结构，更多采用XY轴分离设计的结构，由X轴运动平台搭载多组Z轴级联结构，使得Z轴级联结构总质量与多区域工作台总质量接近，以便控制协调；而为了给多组Z轴级联结构提供统一的X轴向运动，一般把X轴运动平台做成整体结构。目前，国内外采用的整体X轴运动平台形式主要有两种：一种为整体Z轴底板级联方式，此方式集中于日本和台湾系列PCB钻机，Z轴底板作为多轴运动载体，采用整体铸造，整体加工的方式实现，此结构优点为：一体加工，多轴联动避免了螺栓连接，运动平面左右位置在装配过程中不易变形，一体装配且用多个滑块固定，连接刚度好，缺点在于：其整体铸造，铸造过程容易报废，成本高且铸造加工精度在大陆不易保证，装配过程中精度不易调整；另一种是多块Z轴底板通过螺杆级联，此方式集中于欧系PCB钻机，Z轴底板彼此独立，通过螺杆、螺栓连接的方式实现多轴联动，此方式优点在于：单块Z轴底板加工容易保证精度；缺点在于：螺栓锁紧过程中，Z轴底板和螺杆连接杆易变形，螺杆加工精度不易保证，单块Z轴底板连接导致连接杆跨度大，加工成本高。

多轴级联结构PCB钻机中，主要有四轴、六轴、七轴和八轴几种形式，国内外市场中应用最多的是六轴钻机。目前PCB钻机存在的普遍共性问题是，多轴打板工况下，相对于单轴打板精度不足及稳定性差，显然这与级联结构密切相关。

上述中的多轴级联结构指的是将多个级联钻孔结构通过级联轴连接在一起，现有技术中，多个级联钻孔结构都是采用单一的级联轴彼此连接，因此，级联钻孔结构越多，多轴激励向系统中注入的振动能量就越大，彼此间的干扰就增强，级联结构作为多个振动源的连接机构，其自身的振动耦合效果和吸振能力将直接影响Z轴底板的动态响应，进而影响Z轴钻孔加工精度和稳定性。目前PCB钻机普遍存在单轴加工精度高，多轴钻孔精度不足，稳定性差的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供多轴级联直驱PCB钻机，旨在解决现有技术中的多轴级联直驱PCB钻机钻孔精度差、钻孔效率低及稳定度差的问题。

本发明是这样实现的，多轴级联直驱PCB钻机，包括床身，所述床身上端设有沿水平方向延伸布置的横梁，所述横梁上设有横梁电机固定板，且所述横梁与所述横梁电机固定板之间设有驱动所述横梁电机固定板沿水平方向直线移动的X轴直线电机，所述床身上设有多个级联钻孔结构，所述横梁电机固定板及多个所述级联钻孔结构沿水平方向呈直线布置，且相邻的所述级联钻孔结构之间及所述横梁电机固定板与其两侧的所述级联钻孔结构之间通过级联轴连接，所述级联钻孔结构包括可对PCB钻孔的钻孔组件以及驱动所述钻孔组件沿竖直方向移动的Z轴直线电机，所述床身上设有用于放置PCB的Y轴运动平台，所述Y轴运动平台位于所述级联钻孔结构下方，且所述床身与所述Y轴运动平台之间设有驱动所述Y轴运动平台沿垂直方向移动的Y轴直线电机。

与现有技术相比，本发明的PCB钻机的三轴通过全直线电机进行驱动移动，可大大提高钻孔效率，且级联钻孔结构之间、横梁电机固定板与其两侧的级联钻孔结构之间分别通过级联轴连接，也就是将级联轴进行多段拆分，这样，起到隔阻振动的作用，减少级联轴的挠度变形，以及提供级联轴的刚度，从而大大提高了钻机钻孔精度及稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的多轴级联直驱PCB钻机的立体示意图；

图2是本发明实施例提供的横梁电机固定板与多个级联钻孔结构连接的立体示意图；

图3是本发明实施例提供的横梁电机固定板与X轴直线电机配合的立体示意图；

图4是本发明实施例提供的Y轴运动平台的立体示意图；

图5是本发明实施例提供的Y轴运动平台与Y轴直线电机配合的立体示意图；

图6是本发明实施例提供的级联钻孔结构的立体示意图；

图7是本发明实施例提供的钻孔组件的立体示意图；

图8是本发明实施例提供的底板的立体示意图；

图9是本发明实施例提供的级联轴的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述。

如图1～9所示，为本发明提供的一较佳实施例。

参照图1～图2所示，本实施例提供的多轴级联直驱PCB钻机1，可以同时对多块PCB进行钻孔操作，其包括床身10，该床身10上设置有横梁11，该横梁11沿水平方向（图示X方向）条状布置，通过横梁底座17是安装在床身10上的，横梁底座17可以是与床身10一体成型，横梁11附有级联结构，横梁11上设有横梁电机固定板14，级联结构运动以横梁电机固定板14为载体，且横梁电机固定板14与横梁11之间设有X轴直线电机，由该X轴直线电机驱动，可以使得横梁电机固定板14沿着横梁11的水平方向做直线移动；床身10上设有多个级联钻孔结构12，该多个级联钻孔结构12与横梁电机固定板14沿水平方向相间布置，成直线状布置，且相邻的级联钻孔结构12之间，以及横梁电机固定板14与其两侧的级联钻孔结构12分别通过级联轴15连接，使得横梁电机固定板14以及多个级联钻孔结构12之间形成“多轴级联”的结构方式。

进一步参见图6～图7，上述的级联钻孔结构12包括有Y轴直线电机以及钻孔组件，该钻孔组件用于对PCB进行钻孔操作，其中具有钻孔刀具125，利用该钻孔刀具125的高速旋转，实现对PCB的钻孔，Y轴直线电机可以驱动上述的钻孔组件在竖直方向（图示Z方向）上下移动，从而使得钻孔刀具125对PCB的钻孔操作，根据钻孔刀具125的移动距离，可以控制对PCB钻的孔是盲孔还是通孔。

参照图1～图5，上述床身10上设置有Y轴运动平台13，该Y轴运动平台13位于多个级联钻孔结构12下方，且其上可以用于固定PCB，且Y轴运动平台13与床身10通过床身电机固定板136设有Y直线电机，在该Y直线电机的驱动下，整个Y轴运动平台13可以沿着垂直方向（图示Y方向）移动，从而也带动其上的多个PCB移动。

这样，上述的多轴级联直驱PCB钻机1在运作的过程中，Y轴运动平台13沿着垂直方向移动，横梁电机固定板14带着多个级联钻孔结构12沿着水平方向移动，且级联钻孔结构12中的钻孔组件也沿着竖直方向移动，并实现对PCB钻孔操作。当然，在实际操作中，上述多轴级联直驱PCB钻机1的Y轴运动平台13、横梁电机固定板14及级联钻孔结构12分别在三个方向的运动是具有一定的运动时序的，由多轴级联直驱PCB钻机1的控制系统进行运动协调控制，当然，对于三个方向的运动控制可根据实际需要进行时序优化，其也大大影响该多轴级联直驱PCB钻机1的钻孔效率。

在上述的PCB钻机1中，其可以实现三轴方向的移动，即水平方向、垂直方向以及竖直方向，且在该三轴方向上，分别采用X轴直线电机、Y轴直线电机以及Z轴直线电机驱动，也就是三轴全直线电机驱动，这样，可以大大提高钻孔效率，直线电机的峰值进给速度可比“旋转电机+滚珠丝杠”高2倍以上，加速度可达2g～10g，传动刚度提高数倍，由于PCB钻机1的特点是运动行程短且频繁起停，所以高速准确定位是高效加工的基础，因此，采用三轴全直线电机直接驱动的形式，采取三轴直驱的模式，可大幅提升钻机1的高效率钻孔能力。

另外，上述的相邻级联钻孔结构12之间以及横梁电机固定板14与其两侧的级联钻孔结构12之间分别通过级联轴15连接，也就是采用了级联轴15拆分的方式连接，不再是整个级联轴15连接全部级联钻孔结构12及横梁电机固定板14，其具有以下优点：

1）、使得级联钻孔结构12在竖直方向运动的刚度不再耦合，从而起到振动隔阻的作用，使得振动源间互为激励的效果减弱；

2）、级联轴15拆分，可以使得受冲击时，级联轴15的挠度变形小，振动能量小；

3）、级联轴15拆分，其热变形影响减弱，且易于装配，提高加工精度；

4）、级联轴15拆分，使得单个级联轴15的刚度增强，满足高速运动下所需要的刚度要求。

本实施例中，横梁11的内侧面上设有X轴副导轨112，该X轴副导轨112沿水平方向延伸布置，横梁电机固定板14连接在该X轴副导轨112上，且可以沿着该X轴副导轨112移动。X轴直线电机包括X轴定子模块143以及X轴动子模块144，该X轴定子模块143固定在横梁11的内侧面上，且沿水平方向延伸布置，X轴动子模块144则固定在横梁电机固定板14的背部，从而依靠X轴动子模块144与X轴定子模块143之间产生的切向力，驱动横梁电机固定板14沿着X轴副导轨112直线移动，从而也实现横梁电机固定板14沿水平方向移动的效果。

具体地，上述的X轴副导轨112设置一条，当然，根据实际实际需要，也可以设置多条平行相间布置的X轴副导轨112。

当然，随着横梁电机固定板14的移动，横梁11的内侧面上还设有沿水平方向延伸的X轴主导轨111，各级联钻孔结构12分别连接在该X轴主导轨111上，且随着横梁电机固定板14的移动，其也可以沿着X轴主导轨111移动，X轴主导轨111为级联钻孔结构12的主要支撑，级联钻孔结构12所包含的大量滑块的力学分散效果，可以确保其在移动过程中在六维方向具有足够的连接刚度。

横梁11的内表面上分别设置了X轴主导轨111以及X轴副导轨112，一方面，提供水平方向的滑动连接；另一方面，可以分散整个级联结构的受力，提高了六维方向的连接刚度。

具体地，本实施例中的X轴主导轨111设置有两条，其分别位于X轴副导轨112的上方及下方，两X轴主导轨111和X轴副导轨112三者之间相间平行布置，横梁电机固定板14连接在X轴副导轨112上，其下端还连接在一X轴主导轨111上，即位于X轴副导轨112的下方的X轴主导轨111上。

本实施例中，由于横梁电机固定板14的两侧分别连接有级联钻孔结构12，该横梁电机固定板14呈对称状，当然，也可以是其它形式的设置，并不仅限制于本实施例。

横梁电机固定板14的两侧分别设有用于连接级联轴15的第一级联孔141，级联轴15的一端插设在该第一级联孔141中，且级联轴15与第一级联孔141的连接处设置有垫圈，并通过锁紧螺母16连接，使得级联轴15与横梁电机固定板14稳固的连接在一起。

具体地，参照图9，级联轴15的外周包裹有包覆层16，该包覆层16为减振材料制成，例如硬质橡胶等，这样，利用橡胶材料的粘弹性，可以给级联轴15提供振动屏蔽，利用其不可压缩性弱化外部环境因素产生的热变形等影响。

一般情况下，包覆层16通过浇筑拔模方式制成其空心结构，然后在通过粘合胶，将其包覆在级联轴15的外周上。包覆层16侧壁的厚度可以根据级联轴15的直径尺寸而定，其一般是级联轴15的直径的1/3。

本实施例中，Y轴运动平台13呈直条板状多筋拓扑结构，此结构采用拓扑优化使其满足动态刚度强度及稳定性要求，且沿水平方向延伸布置，床身10上设置有Y轴主导轨，该Y轴主导轨沿垂直方向延伸布置，且Y轴运动平台13下设有上述的Y轴直线电机，该Y轴直线电机可以驱动Y轴运动平台13沿着Y轴主导轨移动，也就是沿着垂直方向移动。

具体地，Y轴直线电机包括Y轴定子模块138以及Y轴动子模块137，Y轴定子模块138固定在床身10上，且沿垂直方向延伸布置，Y轴动子模块137固定在Y轴运动平台13的下表面上，这样，由Y轴定子模块138与Y轴动子模块137之间产生的切向力，驱动Y轴运动平台13在Y轴主导轨上移动，也就是沿着垂直方向移动。

上述的Y轴运动平台13下表面上固定有上述的床身电机固定板136，Y轴动子模块137固定在床身电机固定板136下，且与Y轴定子模块138之间具有间隙。

上述的Y轴运动平台13上表面上铺设有多个盖板131和气夹132，多个盖板131相间布置，气夹132则位于两相邻的盖板131之间，PCB则直接放置平台盖板131和气夹132上，覆盖了盖板131以及气夹132。利用该平台气夹132，可以使得PCB固定，即使随着Y轴运动平台13的移动，PCB与平台盖板131和气夹132之间的位置关系也不会改变，即不会相对于Y轴运动平台13移动。

Y轴运动平台13的床身电机固定板136的下表面还设有第一滑块130，该第一滑块130与Y轴主导轨配合，并可在Y轴主导轨上滑动。

具体地，上述的床身10上设有两个平行相间的Y轴主导轨，相对应地，床身电机固定板136的下表面则设有两个第一滑块130。

为了保证Y轴运动平台13移动的平稳性，避免出现悬臂结构以保证形成足够的连接刚度，在床身10上还设有两个Y轴副导轨，该两个Y轴副导轨分别位于Y轴主导轨的两侧；相对应地，Y轴运动平台的下表面设有转接块，转接块下部设有第二滑块135与该Y轴副导轨配合。

上述的转接块用于保证其与床身电机固定板136的第一滑块130等高，第二滑块135的床身10两侧的Y轴副导轨滑动连接。

本实施例中，第一滑块130分别设有六个，分别是单侧三个，双侧一共六个，第二滑块135则设有四个，分别是单侧两个，双侧一共是四个，当然，第一滑块130与第二滑块135的数量可视实际设计情况而定。

级联钻孔结构12包括底板121、主轴夹123以及上述的钻孔组件，该底板121连接在横梁11的X轴主导轨111上，随着横梁电机固定板14沿着水平方向移动，该底板121也沿着X轴主导轨111直线移动。

具体地，底板121背部的上下端分别设有第三滑块127，该第三滑块127分别连接在两X轴主导轨111上。底板121背部的上端设有一个第三滑块127，下端设有两个并列的第三滑块127。

底板121上设有沿竖直方向延伸的Z轴导轨122，主轴夹123连接在该Z轴导轨122上，且底板121与主轴夹123之间设有上述的Z轴直线电机，该Z轴直线电机可以驱动主轴夹123沿着Z轴导轨122移动；钻孔组件固定在主轴夹123上，其包括电主轴124、钻孔刀具125以及吸屑罩128，电主轴124可以驱动钻孔刀具125转动，从而使得转动的钻孔刀具125可以对PCB进行钻孔操作，吸屑罩128用于及时排走钻孔时产生的钻屑，电主轴124固定在主轴夹123上，钻孔刀具125通过夹具连接在电主轴124上，且呈竖直状布置。

具体地，上述的Z轴直线电机包括固定在底板121上的Z轴定子模块126以及连接在主轴夹123背部的Z轴动子模块，Z轴定子模块126沿竖直方向延伸布置，Z轴动子模块与Z轴定子模块126之间产生切向力，该切向力可以使得主轴夹123沿着Z轴导轨122移动。

为了使得底板121可以与级联轴15连接，上述的底板121的两侧分别设有第二级联孔1211，级联轴15的一端插设在该第二级联孔1211中，且连接处设置有垫圈以及锁紧螺母16，利用锁紧螺母16使得级联轴15与第二级联孔1211之间连接稳固。

本实施例中，级联钻孔结构12设置有六个，也就是六轴级联结构，具体地，在本实施例中，横梁电机固定板14的一侧分布有三个级联钻孔结构12，另一侧分布有两个级联钻孔结构12，横梁电机固定板14的相应位置上也有一个级联钻孔结构12。横梁电机固定板14与相应位置的级联钻孔结构12是独立的，横梁电机固定板14除了分别与X轴主导轨111及X轴副导轨112连接外，只与双侧级联轴连接，与相应位置上的级联钻孔结构12没有连接，此位置的级联钻孔结构12与其他位置的级联钻孔结构12连接方式相同。当然，本实施例中的设置并不是唯一的设置方式，根据实际需要，还可以设置其他多种形式。或者也可以是四轴级联结构等等。

当然，横梁电机固定板14只是起到连接四个级联轴15的作用，其与级联钻孔结构12的位置关系可以根据实际装配、级联轴长度、加工需要以及装配工艺等需求进行设置，并不只限制在上述的例子。

上述的PCB钻机1中，其一切操作都有控制中心进行控制，由控制系统控制X轴直线电机、Y轴直线电机以及Z轴直线电机的运动，从而实现分别在水平方向、垂直方向以及竖直方向上的高速，高精，高稳定性运动。

本实施例提供的多轴级联直驱PCB钻机1，全面考虑制造成本、运行费用、加工性能等综合因素进行优化设计，解决了高速驱动所带来的高负载及高振动的问题，控制系统、运动系统和机械系统间达到了最佳兼容。目前，整机结构形式和三轴全直线电机驱动模式的整体架构更趋完善，能够满足高品质多层次的钻孔加工要求，并通过对级联结构的改进，克服了多轴钻孔加工相对单轴加工精度低，稳定性差的工艺缺陷，使本钻机1兼顾加工效率的同时多轴加工精度进一步提升。

本实施例中的多轴级联直驱PCB钻机1，在小孔加工能力、加工精度和速度等方面都达到了国内领先水平，机械钻机1可实现0.1mm～6.35mm孔径全范围钻孔，最大加工范围530mm×660mm×6，小孔加工速度可达500孔/min，钻孔精度±25um，定位精度±5um，重复定位精度±2.5um；实际钻孔加工中，三轴直驱水平方向的最大进给速度为75m/min，最大加速度1.4g，垂直方向的最大进给速度为75m/min，最大加速度1.4g，竖直方向的最大速度为50m/min，最大加速度4.5g；真正实现了高速、高精，高效率钻孔加工。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，包括床身，所述床身上端设有沿水平方向延伸布置的横梁，所述横梁上设有横梁电机固定板，且所述横梁与所述横梁电机固定板之间设有驱动所述横梁电机固定板沿水平方向直线移动的X轴直线电机，所述床身上设有多个级联钻孔结构，所述横梁电机固定板及多个所述级联钻孔结构沿水平方向呈直线布置，且相邻的所述级联钻孔结构之间及所述横梁电机固定板与其两侧的所述级联钻孔结构之间通过级联轴连接，所述级联钻孔结构包括可对PCB钻孔的钻孔组件以及驱动所述钻孔组件沿竖直方向移动的Z轴直线电机，所述床身上设有用于放置PCB的Y轴运动平台，所述Y轴运动平台位于所述级联钻孔结构下方，且所述床身与所述Y轴运动平台之间设有驱动所述Y轴运动平台沿垂直方向移动的Y轴直线电机。 

2.如权利要求1所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述级联轴外周包覆有减振材料制成的包覆层。 

3.如权利要求2所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述级联轴为圆轴，所述包覆层的厚度大于所述级联轴的直径的三分之一。 

4.如权利要求1比3任一项所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述横梁的内侧面上设有两平行布置的X轴主导轨，两X轴主导轨之间设有X轴副导轨，所述X轴主导轨及所述X轴副导轨分别沿水平方向延伸布置，所述横梁电机固定板分别连接于所述X轴主导轨和X轴副导轨，所述X轴直线电机包括设于所述横梁内侧面上的X轴定子模块以及设于所述横梁电机固定板背部的X轴动子模块，所述横梁电机固定板两侧分别设有用于连接所述级联轴的第一级联孔。 

5.如权利要求1比3任一项所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述Y轴运动平台呈长条状，其上设有多筋拓扑结构，其上设有用于放置PCB的平台盖板，所述床身上端设有沿垂直方向延伸的Y轴主导轨，所述Y轴运动平台连接于所述Y轴主导轨，所述Y轴直线电机包括设于所述床身上端的Y 轴定子模块以及设于所述Y轴运动平台下表面的Y轴动子模块。 

6.如权利要求5所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述Y轴运动平台上表面还设有用于固定PCB的平台气夹。 

7.如权利要求1比3任一项所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述级联钻孔结构包括底板、主轴夹以及所述的钻孔组件，所述底板连接于所述X轴主导轨，侧边连接于所述级联轴，所述底板外表面设有沿竖直方向延伸布置的Z轴导轨，所述主轴夹通过滑块连接于所述Z轴导轨，所述Z轴直线电机包括固定于所述底板外表面的Z轴定子模块以及设于所述主轴夹背部的Z轴动子模块，所述钻孔组件包括固定于所述主轴夹的电主轴以及由所述电主轴驱动转动的钻孔刀具。 

8.如权利要求7所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述底板两侧分别设有供所述级联轴插设的第二级联孔。

9.如权利要求5所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述Y轴运动平台下表面的中间位置设有床身电机固定板，所述床身电机固定板的下表面设有与所述Y轴主导轨配合的第一滑块。 

10.如权利要求9所述的多轴级联直驱PCB钻机，其特征在于，所述床身上端设有多个沿垂直方向延伸的Y轴副导轨，多个所述Y轴副导轨分别位于所述Y轴主导轨的两侧，所述Y轴运动平台两侧下表面的分别设有转接块，所述转接块下设有与所述Y轴副导轨配合的第二滑块。