CN106658981A - 一种绘制柔性电路板的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绘制柔性电路板的装置，包括机架、挤出装置、XYZ三个方向的运动部件和控制电路；机架包括底盘和左右侧板支架，XYZ三个方向的运动部件安装固定在机架上。三个运动部件分别由光杆、丝杆和步进电机组成。挤出装置安装在Z方向上，由挤出装置上的减速步进电机带动齿轮，齿轮带动螺栓；从而达到推挤的效果。挤出材料采用导电银浆，用于在纸张，布料等柔性材料上绘制出柔性电路板。本发明采用打印方式制作电路板突破了传统电路板的制作方式，是一项电路板制作工艺的革新，而且制作电路板工艺简单，耗时短。

Description

一种绘制柔性电路板的装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电路板制作技术领域，具体涉及一种绘制柔性电路板的装置设计。

背景技术

柔性电路板(Flexible Printed Circuit简称FPC或“软板")是以聚酰亚胺或聚酯薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性，绝佳的可挠性印刷电路板。具有许多硬性印刷电路板不具备的优点如配线密度高、重量轻、厚度薄、弯折性好的特点。利用FPC可大大缩小电子产品的体积，适用电子产品向高密度、小型化、高可靠方向发展的需要。纵观现有的技术，还未有把打印技术和电路板两者结合在一起。因此将打印这一快速成型技术与柔性电路板的制作巧妙的结合起来的绘制柔性电路板的装置的研究不仅可以突破传统工艺的电路板制作方式，而且制作出的柔性电路板性能优良、用途更加广泛，同时还可以在传统方式下引进更多的生产材料，同时可以促进各个行业的发展。

如公开号CN105451439A公开的一种柔性电路板及其制备方法，它包括基板、铜箔和加强部,所述铜箔覆盖在所述基板的上表面,所述铜箔上形成有线路层和若干焊盘；所述加强部粘接在所述基板的下表面,用于加强所述柔性电路板的强度；其特征在于,每个焊盘上设置有至少一个凸起；所述柔性电路板的焊盘通过其上的凸起接触另一电路板的焊盘,实现所述柔性电路板与另一电路板的电连接。又如公开号CN106028685A公开的利用油墨代替胶带的柔性电路板制作方法及柔性电路板，它包括A、对柔性电路板进行磨板处理；B、然后对柔性电路板印刷抗蚀刻油墨,再进行烘烤固化；C、最后依次进行叠板、快压或传压固化、钻孔、沉镀铜、制作外层图形、显影蚀刻剥膜以及后工序。本发明中的制作方法,采用油墨替代胶带,油墨印刷固化后,能耐高温高压,结合力强且遇脱膜液又可容易被清洗干净,同时生产过程简单,本发明生产效率高,整板印刷可有效提高精度,减少偏位风险,后期直接剥膜即可,简单方便快捷。又如公开号CN106031309A公开的柔性印刷电路板和柔性印刷电路板的制造方法，其具备信号线、从两侧将该信号线覆盖且材质为热塑性树脂的绝缘层、以及隔着各个所述绝缘层而与所述信号线相对置的一对接地层,从而具有至少一组带状传输线,所述柔性印刷电路板的特征在于,所述柔性印刷电路板具有褶皱部分,在所述褶皱部分的多个位置处成形有弯曲的弯曲部,该弯曲部能够以展开或者闭合的方式弯曲,所述接地层包括硬质接地层和软质接地层,其中,所述硬质接地层中设有金属面而具备电磁波的屏蔽性,所述软质接地层的挠性比所述硬质接地层佳、电磁波的屏蔽性比所述硬质接地层差,所述软质接地层配置在所述弯曲部的外周侧和内周侧中的至少一侧上。

以上专利文献均存在以下缺点：

(1)制作过程复杂。上述专利制作柔性电路板的需经过多个步骤，制作过程复杂。

(2)柔性电路板基材单一。上述专利制作柔性电路板的基材的选择固定为一两种，不能适合柔性电路板的多场合使用。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种绘制柔性电路板的装置及其控制方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，一种绘制柔性电路板的装置，包括控制器、机架、工作台运动部件、水平运动部件、竖直运动部件以及挤出头部件；所述机架包括底部托盘2和分别设置于底部托盘两侧的左侧板12和右侧板22，

所述工作台运动部件包括X轴丝杆21，该X轴丝杆的一端设置有驱动所述X轴丝杆转动的X轴步进电机13，所述X轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述X轴丝杆的轴线方向移动的X轴丝杆支座，X轴丝杆支座上连接工作台3；

所述水平运动部件包括Y轴横梁和Y轴丝杆，该Y轴丝杆的一端设置有驱动所述Y轴丝杆转动的Y轴步进电机6，所述Y轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述Y轴丝杆的轴线方向移动的Y轴丝杆支座，Y轴丝杆支座上连接Y轴横梁；所述Y轴横梁上固定连接竖直运动部件；

所述竖直运动部件包括Z轴丝杆9，该Z轴丝杆的一端设置有驱动所述Z轴丝杆转动的Z轴步进电机8，所述Z轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述Z轴丝杆的轴线方向移动的Z轴丝杆支座，Z轴丝杆支座上连接挤出头部件；

所述挤出器4包括支架41、大齿轮5、小齿轮、减速步进电机7、用于盛装导电银浆的塑钢料管42和点胶滴管43；所述塑钢料管与点胶滴管对接；所述小齿轮固定于减速步进电机的输出轴上，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮的中心嵌入转动轴44，减速步进电机实现对导电银浆挤出速率的控制；

所述控制器通过对X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机的控制实现该装置的进给和倒退，通过对减速步进电机的控制实现对打印材料挤出速度的控制。

进一步，所述挤出头部件包括挤出器4和固定挤出器4的框架，所述框架固定于Z轴丝杆支座上。

进一步，所述工作台运动部件还包括与X轴丝杆并列设置的X轴光杆1和安装于X轴光杆上并沿着X轴光杆轴线平行移动的位移块I23，所述位移块I与工作台固定连接；所述位移块I具有内腔I，所述X轴光杆穿过内腔I。

进一步，所述水平运动部件还包括与Y轴丝杆并列设置的Y轴光杆11和安装于Y轴光杆上并沿着Y轴光杆轴线平行移动的位移块II，所述位移块II与Y轴横梁固定连接；所述位移块II具有内腔II，所述Y轴光杆穿过内腔II。

进一步，所述竖直运动部件还包括与Z轴丝杆并列设置的Z轴光杆10和安装于Z轴光杆上并沿着Z轴光杆轴线平行移动的位移块III，所述位移块III与挤出头部件固定连接；所述位移块III具有内腔III，所述Z轴光杆穿过内腔III。

进一步，所述控制器包括步进电机驱动模块20、减速步进电机驱动模块19、微控制器模块18、串口通信模块15、按键模块16和电源模块17；步进电机驱动模块，用于驱动X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机工作；减速步进电机驱动模块，用于驱动减速步进电机工作，实现对导电银浆挤出速率的控制；微控制器模块，用于接收和处理串口所发出的待打印电路板的信息，将其转化为对各个步进电机的控制指令并发送给步进电机驱动模块，该微控制器模块与步进电机驱动模块和电源模块连接；串口通信模块，用于连接PC电脑14和微控制器模块，将PC电脑生成的G代码传送给微控制器模块；按键模块，其包括电源键、复位键、启动键、暂停键，该按键模块与微控制器模块电连接，用于向微控制器模块发送控制指令；电源模块，用于对各个模块进行供电。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，一种绘制柔性电路板装置的控制方法，包括以下步骤：S1.首先确认机械原点，S2.接收与该电路所对应的G代码，柔性电路板的绘制装置通过对G代码的解算分离出相应的坐标信息及挤出电机的启停信息，将接收到的位置信息处理后，与先前储存的当前点的位置信息进行对比计算，得出当前的位置偏差，通过梯形加减速曲线算法，结合直线插补算法进行积分插补控制各轴步进电机，并根据挤出电机的启停信息控制挤出装置挤出导电银浆，使柔性电路板的绘制装置平稳的到达下一个点坐标，同时实时的更新当前位置信息并计算下一个位置信息。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1.采用打印方式制作电路板突破了传统电路板的制作方式，是一项电路板制作工艺的革新；

2.本发明制作电路板工艺简单，耗时短；

3.本发明无需用腐蚀液对电路板进行腐蚀，使得本发明更加绿色环保。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1绘制柔性电路板的装置机械结构图；

图2挤出装置机械结构图；

图3为本发明的原理框图；

图4为总体软件控制流程图；

图5为梯形加减速曲线；

图6为插补算法流程图；

图7为单电路运行轨迹图；

图8为柔性电路板的绘制装置的运行轨迹图；

图9为单电路对应G代码截图。

具体实施方法

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示本发明所述的绘制柔性电路板的装置，包括控制器、机架、工作台运动部件(X方向)、水平运动部件(Y方向)、竖直运动部件以(Z方向)及挤出头部件；所述机架包括底部托盘2和分别设置于底部托盘两侧的左侧板12和右侧板22，

所述XYZ运动部件安装固定在机架上。X轴最大行程为200mm，Y轴行程最大为200mm，Z轴行程最大为140mm。

所述工作台运动部件包括X轴丝杆21，该X轴丝杆的一端设置有驱动所述X轴丝杆转动的X轴步进电机13，所述X轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述X轴丝杆的轴线方向移动的X轴丝杆支座，X轴丝杆支座上连接工作台3；所述工作台运动部件还包括与X轴丝杆并列设置的X轴光杆1和安装于X轴光杆上并沿着X轴光杆轴线平行移动的位移块I23，所述位移块I与工作台固定连接；所述位移块I具有内腔I，所述X轴光杆穿过内腔I。

所述水平运动部件包括Y轴横梁和Y轴丝杆，该Y轴丝杆的一端设置有驱动所述Y轴丝杆转动的Y轴步进电机6，所述Y轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述Y轴丝杆的轴线方向移动的Y轴丝杆支座，Y轴丝杆支座上连接Y轴横梁；所述Y轴横梁上固定连接竖直运动部件；所述Y轴步进电机放置在右侧板外并且通过刚性联轴器与Y轴丝杆相连；所述水平运动部件还包括与Y轴丝杆并列设置的Y轴光杆11和安装于Y轴光杆上并沿着Y轴光杆轴线平行移动的位移块II，所述位移块II与Y轴横梁固定连接；所述位移块II具有内腔II，所述Y轴光杆穿过内腔II。

所述竖直运动部件包括Z轴丝杆9，该Z轴丝杆的一端设置有驱动所述Z轴丝杆转动的Z轴步进电机8，所述Z轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述Z轴丝杆的轴线方向移动的Z轴丝杆支座，Z轴丝杆支座上连接挤出头部件；所述竖直运动部件还包括与Z轴丝杆并列设置的Z轴光杆10和安装于Z轴光杆上并沿着Z轴光杆轴线平行移动的位移块III，所述位移块III与挤出头部件固定连接；所述位移块III具有内腔III，所述Z轴光杆穿过内腔III。

所述挤出头部件包括挤出器4和固定挤出器4的框架，所述框架固定于Z轴丝杆支座上。所述挤出器4包括支架41、大齿轮5、小齿轮、减速步进电机7、用于盛装导电银浆的塑钢料管42和点胶滴管43；所述塑钢料管与点胶滴管对接；所述小齿轮固定于减速步进电机的输出轴上，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮的中心嵌入转动轴44，减速步进电机实现对导电银浆挤出速率的控制。所述支架和大小齿轮均由3D打印方式制作，

所述控制器通过对X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机的控制实现该装置的进给和倒退，通过对减速步进电机的控制实现对打印材料挤出速度的控制。

如图4所示，所述控制器电路包括步进电机驱动模块、主轴电机驱动模块、微控制器模块(其型号为：STM32F407VET6)、串口通信模块、按键模块和电源模块。

步进电机驱动模块，用于驱动XYZ轴步进电机工作，该步进电机驱动模块与各步进电机连接，本发明所诉的步进电机型号为42HS6015A4，步距角为1.8度。

减速步时空电机驱动模块，用于驱动挤出装置中的减速步进电机工作，实现对导电银浆挤出速率的控制。本发明所述的减速步进电机型号为28BYJ-48，步进角度为5.625/64。减速比为1/64。

微控制器模块，用于接收和处理串口所发出的待打印电路板的信息，将其转化对各个步进电机的控制指令发送给步进电机驱动器模块，该微控制器模块与步进电机驱动模块和电源模块连接；

串口通信模块，用于连接PC电脑和微控制器模块。将PC电脑生成的G代码传送给微控制器模块。

按键模块，其包括电源键、复位键、启动键、暂停键，该按键模块与微控制器模块电连接，用于向微控制器模块发送控制指令；

电源模块，用于对各个模块进行供电。

如图5所示，本发明所述的一种绘制柔性电路板的装置的控制方法，采用本发明所述的3D打印装置，在纸张和布料等柔性材料上，柔性电路板的绘制装置的运行轨迹如图8所示。首先确认机械原点，柔性电路板的绘制装置默认其开机后所处的位置为机械原点，然后接收如图9所对应的G代码，柔性电路板的绘制装置通过对G代码(G00X__Y__/G01X__Y__/M__)的解算分离出相应的坐标信息及挤出电机的启停信息，将接收到的位置信息处理后，与先前储存的当前点的位置信息进行对比计算，得出当前的位置偏差，通过梯形加减速曲线算法，结合直线插补算法进行积分插补控制各轴步进电机，并根据挤出电机的启停信息控制挤出装置挤出导电银浆，使柔性电路板的绘制装置平稳的到达下一个点坐标，同时实时的更新当前位置信息并计算下一个位置信息。通过此方法实时的接收和处理G代码，使柔性电路板的绘制装置可以依次完成相应G代码所指定的任务，从而实现柔性电路板的绘制。

具体包括以下步骤：

A、G代码的生成和传输

首先，在Windows7的运行环境下，采用一款开源的矢量编辑软件，它使用W3C标准的ScalableVector Graphics(SVG)文件格式，支持包括形状、路径、文本、标记、克隆、alpha混合、变换、渐变、图案、组合等SVG特性。它也支持创作共用的元数据、节点编辑、图层、复杂的路径运算、位图描摹(根据点阵16进制色差复制绘制矢量图的算法)、文本绕路径、流动文本、直接编辑XML等。它可以导入JPEG、PNG、TIFF等格式，并输出为PNG和多种位图格式。将待打印的电路图导入该矢量编辑软件中，然后通过路径提取与转化生成G代码。将生成的G代码通过G代码发送器发送给串口。按下“open”(打开)按钮，打开欢迎界面。选择需要打印的电路图文件，点击“print”(打印)按钮，开始文件传输。Stop为停止按钮，按下时传输就会停止。按下“close”(关闭)按钮或者退出程序时，串口被关闭，传输中止。

B、步进电机加减速控制

直接根据G代码打印电路图，因为启动和停止控制不当，步进电机会出现启动时抖动和停止时过冲的现象，从而影响系统的控制精度。为避免这种情况的发生，本发明的控制算法首先根据G代码计算出各轴的速度与加速度，采用梯型加减速控制步进电机的平稳运行。如图7所示，梯形加减速曲线分为三个阶段，分别为加速阶段(stage1)、匀速阶段(stage2)和减速阶段(stage3)，根据下面所诉的算法计算出每阶段的速度、加速度和时间。

b1、将整个运行过程分为stage1、stage2、stage3三个阶段；

b2、计算绝对步长；

b3、根据绝对步长和当前位置计算路径向量；

b4、计算每个轴的速度(mm/min)；

b5、计算梯形加减速曲线的加速度-取决于直线的斜率；

b6、根据以上数据计算梯形相关参数(加速步长stage1Step，匀速步长stage2Step，减速步长stage3Step)；

b7、用step作为步长累加的标志；

b8、当step〈stage1Step时，执行加速控制；

b9、当stage1Step〈step〈stage1Step+stage2Step，执行匀速控制；

b10、当stage2Step〈step，执行减速控制；

b11、在运行b7、b8、b9时，根据计算得出定时器的实时周期(定时器周期决定步进电机速度)然后通过每次在当前步长上加1以获得下个步的执行状态(加速，匀速，减速)。

C、轨迹的插补算法

为了绘制实际的线路轨迹，实现直线的插补，需要对已设定好的路线进行插补算法控制。控制算法流程图如图6所示。

c1、象限判别，即根据终点坐标相对于起点坐标的位置确定插补所在象限；

c2、偏差判别，即根据上一次偏差运算值是大于0或小于0给出判定；

c3、坐标给进，即根据偏差判别的结果和插补所在象限决定在X或Y轴上给进一步；

c4、新偏差计算，即计算给进一步后的新偏差，用作下一步给进的判定依据；

c5、终点判断，看是否已到终点，若已到达终点，就停止插补，若未到达终点，则重复二至五步。

在实际的电路打印过程中，通过梯形加减速曲线算法，并结合直线插补算法进行积分插补控制各轴步进电机，同时根据相应的指令控制挤出装置挤出导电银浆，从而实现电路打印功能。两种算法结合过程如下：步进电机先由起始速度ls，然后逐步增加到hs，各段速度同时对应一个脉冲数组，及走过多少脉冲后切换到另外一个速度阶段。脉冲与速度构成的曲线就是梯形加减速曲线。每个速度阶段都按照相同的比例变化，由于各轴均按照相同的比例，就满足了线性插补原理，可以在保证空间轨迹的同时，各轴按照相同的梯形加减速算法进行加减速。为了电路有良好的导电性，需要线路有一定的厚度和宽度，所以本发明采用多次重复打印的方法，堆积形成电路图，重复打印的方法和上述方法一样。根据实际电路的复杂程度经过4～6次重复堆积后电路的精度和导电性均相对较好。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种绘制柔性电路板的装置，其特征在于：包括控制器、机架、工作台运动部件、水平运动部件、竖直运动部件以及挤出头部件；

所述机架包括底部托盘(2)和分别设置于底部托盘两侧的左侧板(12)和右侧板(22)，

所述工作台运动部件包括X轴丝杆(21)，该X轴丝杆的一端设置有驱动所述X轴丝杆转动的X轴步进电机(13)，所述X轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述X轴丝杆的轴线方向移动的X轴丝杆支座，X轴丝杆支座上连接工作台(3)；

所述水平运动部件包括Y轴横梁和Y轴丝杆，该Y轴丝杆的一端设置有驱动所述Y轴丝杆转动的Y轴步进电机(6)，所述Y轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述Y轴丝杆的轴线方向移动的Y轴丝杆支座，Y轴丝杆支座上连接Y轴横梁；所述Y轴横梁上固定连接竖直运动部件；

所述竖直运动部件包括Z轴丝杆(9)，该Z轴丝杆的一端设置有驱动所述Z轴丝杆转动的Z轴步进电机(8)，所述Z轴丝杆上螺纹旋接有可沿所述Z轴丝杆的轴线方向移动的Z轴丝杆支座，Z轴丝杆支座上连接挤出头部件；

所述挤出器(4)包括支架(41)、大齿轮(5)、小齿轮、减速步进电机(7)、用于盛装导电银浆的塑钢料管(42)和点胶滴管(43)；所述塑钢料管与点胶滴管对接；所述小齿轮固定于减速步进电机的输出轴上，所述小齿轮与大齿轮啮合，所述大齿轮的中心嵌入转动轴(44)，减速步进电机实现对导电银浆挤出速率的控制；

所述控制器通过对X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机的控制实现该装置的进给和倒退，通过对减速步进电机的控制实现对打印材料挤出速度的控制。

2.根据权利要求1所述的一种绘制柔性电路板的装置，其特征在于：所述挤出头部件包括挤出器(4)和固定挤出器(4)的框架，所述框架固定于Z轴丝杆支座上。

3.根据权利要求1所述的一种绘制柔性电路板的装置，其特征在于：所述工作台运动部件还包括与X轴丝杆并列设置的X轴光杆(1)和安装于X轴光杆上并沿着X轴光杆轴线平行移动的位移块I(23)，所述位移块I与工作台固定连接；所述位移块I具有内腔I，所述X轴光杆穿过内腔I。

4.根据权利要求1所述的一种绘制柔性电路板的装置，其特征在于：所述水平运动部件还包括与Y轴丝杆并列设置的Y轴光杆(11)和安装于Y轴光杆上并沿着Y轴光杆轴线平行移动的位移块II，所述位移块II与Y轴横梁固定连接；所述位移块II具有内腔II，所述Y轴光杆穿过内腔II。

5.根据权利要求1所述的一种绘制柔性电路板的装置，其特征在于：所述竖直运动部件还包括与Z轴丝杆并列设置的Z轴光杆(10)和安装于Z轴光杆上并沿着Z轴光杆轴线平行移动的位移块III，所述位移块III与挤出头部件固定连接；所述位移块III具有内腔III，所述Z轴光杆穿过内腔III。

6.根据权利要求1所述的一种绘制柔性电路板的装置，其特征在于：所述控制器包括步进电机驱动模块(20)、减速步进电机驱动模块(19)、微控制器模块(18)、串口通信模块(15)、按键模块(16)和电源模块(17)；

步进电机驱动模块，用于驱动X轴步进电机、Y轴步进电机、Z轴步进电机工作；

减速步进电机驱动模块，用于驱动减速步进电机工作，实现对导电银浆挤出速率的控制；

微控制器模块，用于接收和处理串口所发出的待打印电路板的信息，将其转化为对各个步进电机的控制指令并发送给步进电机驱动模块，该微控制器模块与步进电机驱动模块和电源模块连接；

串口通信模块，用于连接PC电脑(14)和微控制器模块，将PC电脑生成的G代码传送给微控制器模块；

按键模块，其包括电源键、复位键、启动键、暂停键，该按键模块与微控制器模块电连接，用于向微控制器模块发送控制指令；

电源模块，用于对各个模块进行供电。

7.一种绘制柔性电路板装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.首先确认机械原点，

S2.接收与该电路所对应的G代码，柔性电路板的绘制装置通过对G代码的解算分离出相应的坐标信息及挤出电机的启停信息，将接收到的位置信息处理后，与先前储存的当前点的位置信息进行对比计算，得出当前的位置偏差，通过梯形加减速曲线算法，结合直线插补算法进行积分插补控制各轴步进电机，并根据挤出电机的启停信息控制挤出装置挤出导电银浆，使柔性电路板的绘制装置平稳的到达下一个点坐标，同时实时的更新当前位置信息并计算下一个位置信息。