CN109849102A - 一种pcb数控钻孔控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种PCB数控钻孔控制系统及其控制方法，包括有下位控制器、上位控制主机、驱动机构，下位控制器的数量为2台或2台以上，驱动机构的数量为2组或2组以上，每台下位控制器分别对应连接一组驱动机构，将处理后的钻孔数据传输至驱动机构，每组驱动机构相互独立，且均包括有伺服驱动器、主轴和用于控制主轴前后、左右或上下移动的XYZ轴电机结构，每台下位控制器将处理后的钻孔数据分别传输至每组驱动机构的伺服驱动器，伺服驱动器控制XYZ轴电机结构进行前后、左右或上下移动。该PCB数控钻孔控制系统及其控制方法能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

Description

一种PCB数控钻孔控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于数控技术领域，特别涉及一种PCB数控钻孔控制系统及其控制方法。

背景技术

印制电路板(Printed Circuit Board)数控钻床是PCB生产的关键设备。随着PCB(印制电路板)向高密度、多层化发展，对PCB数控钻孔机加工性能提出了更高要求。当前用于批量PCB数控钻孔加工的数控钻孔机主流机型是六头钻孔机，它的运动控制系统由用于定位的X轴与Y轴以及6个轴下钻Z轴构成。受工作台面及滑板尺寸大、质量重影响，X轴与Y轴进给系统刚度低、动态响应差，造成整机钻孔速度慢、精度差，难以适应多工位、高速、高精PCB数控钻孔需求，尤其对于0.2mm以下孔径的加工能力更是难以满足质量要求。

在申请号为CN201320634069.0的专利申请中，公开了一种多头FPC数控钻孔机，该钻孔机包括基座、用于放置FPC的工作小台面、多个底板、多个不同大小的刀具、驱动装置和控制装置；工作小台面安设在基座上，多个底板通过龙门式并排在基座上，且每个底板上均活动安设有与每个刀具对应连接的Z轴，Z轴和工作小台面分别与驱动装置驱动连接，且驱动装置与控制装置电连接。

但是，上述公开的多头FPC数控钻孔机，它的运动控制系统由用于定位的X轴与Y轴以及6个轴下钻Z轴构成。受工作台面及滑板尺寸大、质量重影响，X轴与Y轴进给系统刚度低、动态响应差，造成整机钻孔速度慢、精度差，难以适应多工位、高速、高精PCB数控钻孔需求，尤其对于0.2mm以下孔径的加工能力更是难以满足质量要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明目的在于提供一种高效、可靠的PCB数控钻孔控制系统及其控制方法，以解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种PCB数控钻孔控制系统，包括有用于位置信号管理及信号采集处理的下位控制器、用于钻孔数据编辑并将钻孔数据下载至下位控制器的上位控制主机、用于进行钻孔工作的驱动机构，上位控制主机与下位控制器通过以太网进行数据通信，所述下位控制器的数量为2台或2台以上，所述驱动机构的数量为与下位控制器对应的2组或2组以上，每台下位控制器分别对应连接一组驱动机构，将处理后的钻孔数据传输至驱动机构，每组驱动机构相互独立，且均包括有伺服驱动器、主轴和用于控制主轴前后、左右或上下移动的XYZ轴电机结构，每台下位控制器将处理后的钻孔数据分别传输至每组驱动机构的伺服驱动器，伺服驱动器控制XYZ轴电机结构进行前后、左右或上下移动。在本发明中，上位控制主机与下位控制器之间采用以太网进行数据通信，使该控制系统的运行具有高可靠性，下位控制器数量为多台，并且不需要下位控制器之间数据通信，能够实现高性能数控钻孔加工控制；多组驱动机构的设置，能够减小整机各个XYZ轴的尺寸和重量，动态性能好，从而能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

进一步地，每组驱动机构的XYZ轴电机结构包括有一台X轴直线电机、一台Y轴直线电机和1台或1台以上的Z轴直线电机。在本发明中，通过上述每组驱动机构的设置，使多组驱动机构能够减小整机各个XYZ轴的尺寸和重量，动态性能好，从而能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

进一步地，所述上位控制主机为工控机，所述下位控制器为独立运动控制器，数量为2台，所述驱动机构的数量为2组，每组驱动机构中的伺服驱动器的数量为1台，每组驱动机构的Z轴直线电机为3台，主轴的数量与Z轴直线电机的数量一致。在本发明中，为提高钻孔机的动态性能，将整个钻孔控制系统的X轴直线电机加上Y轴实现电机的总数设置为4台，能够使工作台及滑板的尺寸质量大幅减小，通过下位控制器对伺服驱动器控制XYZ轴电机结构的协调控制与管理，达到PCB数控钻孔高速高精度的目标。

进一步地，所述上位控制主机还连接有显示器与输入端，所述上位控制主机通过输入端与外部电源电连接，所述上位控制主机通过显示器显示出该PCB数控钻孔控制系统的工作状态。在本发明中，该PCB数控钻孔控制系统的工作状态包括有主轴的转速和钻孔数据。

进一步地，所述PCB数控钻孔控制系统还包括有控制主轴转速的变频器，所述变频器的数量为2台，2台变频器分别与2台下位控制器电连接，2台变频器分别与2组驱动机构电连接。在本发明中，通过变频器控制主轴的转速，2台变频器之间相互独立，分别控制2组驱动机构的主轴转速，提高了钻孔机的动态性能。

进一步地，所述PCB数控钻孔控制系统还包括有用于信号检测的I/O信号系统，所述I/O信号系统的数量为2台，2台I/O信号系统分别与2台下位控制器电连接。在本发明中I/O信号系统可以用于对主轴上的刀具、变频器、伺服驱动器和主轴的信号的检测，然后输出至下位控制器，起到报警的作用。

进一步地，所述下位控制器内置有DSP芯片和与DSP芯片电连接的FPGA芯片。在本发明中，下位控制器是一款8轴独立运动控制器，由控制主板、电源板、输入输出板3块电路板组成，控制主板由DSP芯片与FPGA芯片及周边电路组成，主要负责实时性高的位置控制管理与计算以及信号采集处理，实现对XYZ轴电机结构以及I/O信号系统的控制管理。

本发明还提供一种PCB数控钻孔控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1，上位控制主机打开数控钻孔文件；

S2，按照需要的加工孔径设置钻孔参数及摆放主轴上的刀具；

S3，分别下载其中一个孔径钻孔数据文件及钻孔参数到2台下位控制器；

S4，上位控制主机命令下位控制器协同伺服驱动器控制驱动机构进行数控钻孔加工；

S5，加工完成后，下载另一个孔径钻孔数据文件及钻孔参数到2台下位控制器，重复上述步骤，直至全部孔径加工完毕。

进一步地，步骤S4中，钻孔加工时上位控制主机通过以太网同2台下位控制器通讯，以监控2台下位控制器的运行状态，如果其中一台下位控制器出现故障报警，停止该下位控制器钻孔加工，同时停止另一台下位控制器控制钻孔加工工作；接着系统进行故障处理，处理完成后，重复S1步骤。在本发明中，这里的故障可以是出现断刀、主轴、伺服驱动器报警等，通过I/O信号系统可以用于对主轴上的刀具、变频器、伺服驱动器和主轴的信号的检测，然后输出至下位控制器，起到报警的作用。

本发明的有益效果在于：相比于现有技术，在本发明中，上位控制主机与下位控制器之间采用以太网进行数据通信，使该控制系统的运行具有高可靠性，下位控制器数量为多台，并且不需要下位控制器之间数据通信，能够实现高性能数控钻孔加工控制；多组驱动机构的设置，能够减小整机各个XYZ轴的尺寸和重量，动态性能好，从而能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

附图说明

图1是本发明所实施的一种PCB数控钻孔控制系统的结构示意图。

图2是本发明所实施的一种PCB数控钻孔控制系统的控制方法的流程图。

图3是本发明所实施的一种PCB数控钻孔控制系统的控制方法的监控流程图。

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。

参见图1-3所示，本发明提供一种PCB数控钻孔控制系统，包括有用于位置信号管理及信号采集处理的下位控制器2、用于钻孔数据编辑并将钻孔数据下载至下位控制器2的上位控制主机1、用于进行钻孔工作的驱动机构3，上位控制主机1与下位控制器2通过以太网进行数据通信，下位控制器2的数量为2台或2台以上，驱动机构3的数量为与下位控制器2对应的2组或2组以上，每台下位控制器2分别对应连接一组驱动机构3，将处理后的钻孔数据传输至驱动机构3，每组驱动机构3相互独立，且均包括有伺服驱动器31、主轴32和用于控制主轴32前后、左右或上下移动的XYZ轴电机结构33，每台下位控制器2将处理后的钻孔数据分别传输至每组驱动机构3的伺服驱动器31，伺服驱动器31控制XYZ轴电机结构33进行前后、左右或上下移动。在本发明中，上位控制主机1与下位控制器2之间采用以太网进行数据通信，使该控制系统的运行具有高可靠性，下位控制器2数量为多台，并且不需要下位控制器2之间数据通信，能够实现高性能数控钻孔加工控制；多组驱动机构3的设置，能够减小整机各个XYZ轴的尺寸和重量，动态性能好，从而能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

在本实施例中，每组驱动机构3的XYZ轴电机结构33包括有一台X轴直线电机、一台Y轴直线电机和1台或1台以上的Z轴直线电机。在本发明中，通过上述每组驱动机构3的设置，使多组驱动机构3能够减小整机各个XYZ轴的尺寸和重量，动态性能好，从而能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

在本实施例中，上位控制主机1为工控机，下位控制器2为独立运动控制器，数量为2台，驱动机构3的数量为2组，每组驱动机构3中的伺服驱动器31的数量为1台，每组驱动机构3的Z轴直线电机为3台，主轴32的数量与Z轴直线电机的数量一致。在本发明中，为提高钻孔机的动态性能，将整个钻孔控制系统的X轴直线电机加上Y轴实现电机的总数设置为4台，能够使工作台及滑板的尺寸质量大幅减小，上位控制主机1主要完成文件处理、任务调度、人机交互等非实时性工作，负责将钻孔数据下载至下位控制器2，下位机主要负责数控钻孔加工时的实时性工作，通过下位控制器2对伺服驱动器31控制XYZ轴电机结构33的协调控制与管理，达到PCB数控钻孔高速高精度的目标。

在本实施例中，上位控制主机1还连接有显示器4与输入端5，上位控制主机1通过输入端5与外部电源电连接，上位控制主机1通过显示器4显示出该PCB数控钻孔控制系统的工作状态。在本发明中，该PCB数控钻孔控制系统的工作状态包括有主轴32的转速和钻孔数据。

在本实施例中，PCB数控钻孔控制系统还包括有控制主轴32转速的变频器，变频器的数量为2台，2台变频器分别与2台下位控制器2电连接，2台变频器分别与2组驱动机构3电连接。在本发明中，通过变频器控制主轴32的转速，2台变频器之间相互独立，分别控制2组驱动机构3的主轴32转速，提高了钻孔机的动态性能。

在本实施例中，PCB数控钻孔控制系统还包括有用于信号检测的I/O信号系统6，I/O信号系统6的数量为2台，2台I/O信号系统6分别与2台下位控制器2电连接。在本发明中I/O信号系统6可以用于对主轴32上的刀具、变频器、伺服驱动器31和主轴32的信号的检测，然后输出至下位控制器2，起到报警的作用。

在本发明中，以6头PCB数控钻孔机为例，将2台X轴直线电机记为X1、X2，将2台Y轴直线电机记为Y1、Y2，将6台Z轴直线电机记为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，2台下位控制器2分别对5个运动轴控制管理，其中一个下位控制器2控制的5个运动轴分别为X1、Y1、Z1、Z2、Z3，另一个下位控制器2控制的5个运动轴分别为X2、Y2、Z4、Z5、Z6。相当于2台独立的3头机，X、Y轴的定位都是双轴各自完成定位，能够最大程度减小整机各运动轴尺寸及重量，最大程度提升整机动态性能，提升整机钻孔速度及定位精度。每台3头机都受下位控制器2与上位控制主机1的控制，形成一个控制系统，双路控制，不需要彼此通讯，不会浪费时间、提高了钻孔效率。

在本实施例中，下位控制器2内置有DSP芯片和与DSP芯片电连接的FPGA芯片。在本发明中，下位控制器2是一款8轴独立运动控制器，由控制主板、电源板、输入输出板3块电路板组成，控制主板由DSP芯片与FPGA芯片及周边电路组成，主要负责实时性高的位置控制管理与计算以及信号采集处理，实现对XYZ轴电机结构33以及I/O信号系统6的控制管理。

在本发明中，上位控制主机1负责将钻孔数据文件分别下载到2台下位控制器2，2台下位控制器2按照设定钻孔参数及钻孔命令进行运动轴协同控制，以及通过变频器控制主轴32旋转，完成PCB数控钻孔。而且2台下位控制器2之间不需进行通信，只分别与上位控制主机1进行数据通信，由上位控制主机1监控2台下位控制器2实时加工状态。这样就可以最大程度实现高性能控制目标。

该控制系统不仅适用于6头PCB数控系统，同样可以应用于8头等更多头PCB钻床控制系统。下位控制器2对于多头PCB数控钻孔加工具有高度兼容性，而且具备操作简单、维护方便特点。

本发明还提供一种PCB数控钻孔控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1，上位控制主机1打开数控钻孔文件；

S2，按照需要的加工孔径设置钻孔参数及摆放主轴32上的刀具；

S3，分别下载其中一个孔径钻孔数据文件及钻孔参数到2台下位控制器2；

S4，上位控制主机1命令下位控制器2协同伺服驱动器31控制驱动机构3进行数控钻孔加工；

S5，加工完成后，下载另一个孔径钻孔数据文件及钻孔参数到2台下位控制器2，重复上述步骤，直至全部孔径加工完毕。

在本实施例中，步骤S4中，钻孔加工时上位控制主机1通过以太网同2台下位控制器2通讯，以监控2台下位控制器2的运行状态，如果其中一台下位控制器2出现故障报警，停止该下位控制器2钻孔加工，同时停止另一台下位控制器2控制钻孔加工工作；接着系统进行故障处理，处理完成后，重复S1步骤。在本发明中，这里的故障可以是出现断刀、主轴32、伺服驱动器31报警等，通过I/O信号系统6可以用于对主轴32上的刀具、变频器、伺服驱动器31和主轴32的信号的检测，然后输出至下位控制器2，起到报警的作用。

本发明的有益效果在于：相比于现有技术，在本发明中，上位控制主机与下位控制器之间采用以太网进行数据通信，使该控制系统的运行具有高可靠性，下位控制器数量为多台，并且不需要下位控制器之间数据通信，能够实现高性能数控钻孔加工控制；多组驱动机构的设置，能够减小整机各个XYZ轴的尺寸和重量，动态性能好，从而能够解决现有系统在动态响应方面的技术难题，满足PCB对高精密数控钻孔的要求，提升PCB数控钻孔品质与效率，进一步降低PCB制造成本。

以上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 (9)

1.一种PCB数控钻孔控制系统，包括有用于位置信号管理及信号采集处理的下位控制器、用于钻孔数据编辑并将钻孔数据下载至下位控制器的上位控制主机、用于进行钻孔工作的驱动机构，上位控制主机与下位控制器通过以太网进行数据通信，其特征在于，所述下位控制器的数量为2台或2台以上，所述驱动机构的数量为与下位控制器对应的2组或2组以上，每台下位控制器分别对应连接一组驱动机构，将处理后的钻孔数据传输至驱动机构，每组驱动机构相互独立，且均包括有伺服驱动器、主轴和用于控制主轴前后、左右或上下移动的XYZ轴电机结构，每台下位控制器将处理后的钻孔数据分别传输至每组驱动机构的伺服驱动器，伺服驱动器控制XYZ轴电机结构进行前后、左右或上下移动。

2.根据权利要求1所述的PCB数控钻孔控制系统，其特征在于每组驱动机构的XYZ轴电机结构包括有一台X轴直线电机、一台Y轴直线电机和1台或1台以上的Z轴直线电机。

3.根据权利要求2所述的PCB数控钻孔控制系统，其特征在于所述上位控制主机为工控机，所述下位控制器为独立运动控制器，数量为2台，所述驱动机构的数量为2组，每组驱动机构中的伺服驱动器的数量为1台，每组驱动机构的Z轴直线电机为3台，主轴的数量与Z轴直线电机的数量一致。

4.根据权利要求1所述的PCB数控钻孔控制系统，其特征在于所述上位控制主机还连接有显示器与输入端，所述上位控制主机通过输入端与外部电源电连接，所述上位控制主机通过显示器显示出该PCB数控钻孔控制系统的工作状态。

5.根据权利要求3所述的PCB数控钻孔控制系统，其特征在于所述PCB数控钻孔控制系统还包括有控制主轴转速的变频器，所述变频器的数量为2台，2台变频器分别与2台下位控制器电连接，2台变频器分别与2组驱动机构电连接。

6.根据权利要求3所述的PCB数控钻孔控制系统，其特征在于所述PCB数控钻孔控制系统还包括有用于信号检测的I/O信号系统，所述I/O信号系统的数量为2台，2台I/O信号系统分别与2台下位控制器电连接。

7.根据权利要求1所述的PCB数控钻孔控制系统，其特征在于所述下位控制器内置有DSP芯片和与DSP芯片电连接的FPGA芯片。

8.一种PCB数控钻孔控制系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，上位控制主机打开数控钻孔文件；

S2，按照需要的加工孔径设置钻孔参数及摆放主轴上的刀具；

S3，分别下载其中一个孔径钻孔数据文件及钻孔参数到2台下位控制器；

S4，上位控制主机命令下位控制器协同伺服驱动器控制驱动机构进行数控钻孔加工；

S5，加工完成后，下载另一个孔径钻孔数据文件及钻孔参数到2台下位控制器，重复上述步骤，直至全部孔径加工完毕。

9.根据权利要求8所述的PCB数控钻孔控制系统的控制方法，其特征在于步骤S4中，钻孔加工时上位控制主机通过以太网同2台下位控制器通讯，以监控2台下位控制器的运行状态，如果其中一台下位控制器出现故障报警，停止该下位控制器钻孔加工，同时停止另一台下位控制器控制钻孔加工工作；接着系统进行故障处理，处理完成后，重复S1步骤。