CN1731920A - 智能双面线路板制作系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能双面线路板制作系统，包括由计算机控制的雕刻机本体，由计算机CAD及CAM一体化实现的EDA技术的可扩展性的智能双面线路板制作软件控制所述本体上的处理器和控制器，所述过孔定位几何光学定位装置系统是基于CPLD设计的过孔定位几何光学定位装置系统的半自动无干预双面智能自动定位系统。具有自动计算对三维雕刻路径进行补偿和修正的稳定性及精度控制，电路设计及防御预警强，智能双面线路板定位控制系统，实现智能自动跟踪定位，过孔定位采用几何光学定位装置系统可半自动无干预双面智能自动定位；能雕刻双面/单面线路板，实现EDA技术应用的优点。能辅助进行IC设计、电子电路设计和PCB设计。

Description

智能双面线路板制作系统

【技术领域】

本发明涉及一种智能双面线路板制作系统，尤其是涉及一种针对所读取双面线路板(PCB)文件的顶层和底层数据，系统算法自动计算顶层和底层数据并实现智能自动跟踪双面定位，确保输出的顶层和底层数据吻合，自动计算三维雕刻路径的智能双面线路板制作系统。

【背景技术】

空白线路板是在绝缘基体上粘贴覆盖一层导电的铜，PCB线路板的试制或制作，通常是把设计好的PCB文件送到专业的线路板厂直接制作，通常这种过程要经过三天到一周的时间。一个产品开发往往需要几十次的修改，而研发人员就需要几十次地等待线路板的制作；在实验环境下，开发人员主要是通过物理方法、化学腐蚀方法或激光切割法实现快速制作线路板。物理方法是：按照设计要求先在空白敷铜板上画好线路图，通过手工利用各种刀具及电动工具把线路板上不需要的铜刻去，这种方法比较费力，而且精度低，只有相对简单、要求不高的线路板才可能采用；由于物理方法所有过程都是采用手工操作，既费工费时、效率低，又有着稳定性差、精度低的缺点。化学腐蚀方法是：先用光绘或照相法制作出底版，底版是曝光时的掩膜，再在金属板两面热压上干膜后曝光显影，固化的干膜把需要保留的部分掩蔽，即通过在空白敷铜板上覆盖保护层，而把需要去除的部分裸露，在腐蚀性溶液里把不必要的铜蚀去，腐蚀后清洗及烘干。但是化学腐蚀方法由于必须将整块板泡在溶液里腐蚀，腐蚀后必须清洗及烘干，线路板经过一冷一热、一干一湿，大大影响敷铜的附着力，实验调试过程中可能由于更换不同参数的电子原件引起铜片剥离脱落，在显微镜下看可看出线条逞倒梯形，边缘不规则，形状与尺寸容易失控。

激光切割法是通过计算机控制激光头加热、融化、蒸发空白线路板上被切割材料实现的。但是它的设备成本太高，一套设备往往需要几百万甚至上千万元。

由于PCB板的制作如此麻烦，特别是对于初学者和部分经验不足的电子线路设计工程师，往往由于PCB板而放弃一个个很好的设计灵感。国内高等院校及电子专业的技工学校，也由于PCB板而放弃实验过程，造成学生在学习过程中缺少学习兴趣，毕业后完全没有动手能力，电子行业急需一种高效、自动、操作简单、低价的智能线路板制作机。

【发明内容】

为了克服现有物理方法、化学腐蚀方法或激光切割法在制作PCB板时所存在的缺点，本发明提供一种针对所读取双面线路板(PCB)文件的顶层和底层数据，系统算法自动计算顶层和底层数据并实现智能自动跟踪双面定位，确保输出的顶层和底层数据吻合，自动计算三维雕刻路径的智能双面线路板制作系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：智能双面线路板制作系统，包括由计算机控制的雕刻机本体，所述雕刻机本体包括有外壳、工作台、支架、处理器、控制器、刀具、主轴、主轴电机、过孔定位几何光学定位装置，步进驱动电机、步进电机同步传送带传动装置、通讯接口和方向导轨，雕刻机本体与计算机之间通过通讯接口联机，由计算机CAD及CAM一体化实现的EDA技术的可扩展性的智能双面线路板制作软件控制所述本体上的处理器和控制器，所述过孔定位几何光学定位装置系统是基于CPLD设计的过孔定位几何光学定位装置系统的半自动无干预双面智能自动定位系统，所述工作台水平安装于支架的前下方，该工作台的一边端部设有定位边，主轴通过固定支撑块垂直位于工作台上方由主轴电机驱动，刀具安装在主轴下方由主轴带动；固定支撑块依次安装在垂直和水平方向二个导轨上，水平方向二个导轨由支架支撑；水平方向二个导轨分别由X轴步进驱动电机、Z轴步进驱动电机驱动，实现固定支撑块和主轴按计算机指令沿X轴左右水平运动、Z轴垂直上下方向运动，工作台通过另一方向导轨在Y轴步进驱动电机的驱动下沿Y轴前后水平运动；每个轴向运动都是通过处理器运算后对驱动电路发出指令控制步进驱动电机相应转动，通过同步齿轮带动主轴或工作台运动使刀具相对线路板运动；通过主轴电机的旋转，刀具沿雕刻运动线路切削线路板表面的敷铜或在指定的位置钻孔、切边。

所述步进电机同步传送带传动装置是基于CPLD电路设计的传动装置，包括方向导轨、导柱、同步传送带、从动轮和主动轮；主动轮与雕刻机本体的步进电机的电机轴固定并由电机轴驱动，导柱、主动轮和从动轮由导轨支架支撑固定，该同步传送带采用一面有突起齿形的齿带，同步传送带安装在主动轮和从动轮外面并张紧，主动轮和从动轮有形状与同步传送带突起齿形相适应的凹缺口，同步传送带的突起齿形刚好卡进主动轮和从动轮的凹缺口；位于主动轮和从动轮之间的同步传送带一侧与方向导轨固定连接，导柱与主动轮和从动轮之间的同步传送带平行，方向导轨与导柱滑动配合。

所述雕刻机本体外壳主控面板上安装有多个控制按钮，控制按钮与控制电路相连，每次按控制按钮可手动对步进驱动电机发出转动指令，再通过同步齿轮带动主轴或工作台沿X轴、Y轴或Z轴运动，使加工刀具相对线路板运动；主控面板上的按钮具有微调功能，可根据实际需要随时调整机器的运作速度高低或运动量。

所述主轴及工作台方向运动采用圆形直线导轨及同步传送带传动，电机直接驱动，利用电子线路的自动补偿。

所述同步传送带断开，在断开处两端两边分别固定连接内、外皮带压板，两端的外皮带压板通过调节装置连接，内、外皮带压板同时与方向导轨固定连接。

本发明基于CAD/CAM的智能双面线路板设计制作一体化，基于CAD/CAM一体化的实现EDA技术的可扩展性，基于步进电机同步传送带传动装置驱动技术，基于步进电机同步传送带传动装置驱动线路板制作机直线导轨及传送，基于CPLD设计的控制软件实现智能自动跟踪双面定位，基于CPLD设计的采用过孔定位几何光学定位装置系统半自动无干预双面智能自动定位，基于CPLD设计对三维雕刻路径进行补偿和修正的稳定性及精度控制，具有自动计算对三维雕刻路径进行补偿和修正的稳定性及精度控制，电路设计及防御预警强，不易被破解、保密性强，智能双面线路板定位控制系统，实现控制软件可实现智能自动跟踪定位，过孔定位采用几何光学定位装置，可半自动无干预双面智能自动定位；钻孔误差小于1mil，定位装置系统可长时间正常工作，雕刻双面/单面线路板，实现EDA技术的应用的优点。能辅助进行IC设计、电子电路设计和PCB设计。

本发明利用物理雕刻过程，通过计算机控制，在空白的敷铜板上把不必要的铜箔铣去，形成用户定定制的线路板。它兼容国内使用率最高的PROTEL软件，直接利用PROTEL的PCB文件信息，在不需要任何转过程的情况下直接输出雕刻数据，通过计算机自定义的数据格式控制制作机做雕刻、钻孔、切边工作。设计者只要完成PROTEL的PCB文件设计，机器将自动读取设计者的意图，自动制作出符合要求的线路板。

【附图说明】

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明雕刻机本体结构示意图；

图2是本发明图1除外壳外的部件结构左视图。

图3是本发明传动机构的结构示意图；

图4是本发明图3A-A方向的结构示意图；

图5是本发明工作电路原理图。

图中：1-主轴电机，2-刀具，3-X轴步进驱动电机，4-Y轴步进驱动电机，5-Z轴步进驱动电机，6-工作台，7-外壳，8-定位边，9-电源开关，10-主轴工作开关，11-控制按钮，12-支架，13-方向导轨，14-线路板，15-电源插座，16-通讯接口，17-主轴，18-计算机，19-处理器，20-几何光学定位装置系统，21-固定支撑块，22-同步传送带，23-驱动电路，24-控制器，25从动轮，26-主动轮，27-导轨支架，28-导柱，29-弹簧柱，30-弹簧，31-电机轴，32-导套，33-从动轮轴，34-内皮带压板，35-外皮带压板，36-调节螺钉。

【具体实施方式】

参见图1、图2和图5，一种智能双面线路板制作系统，包括由计算机18控制的雕刻机本体，所述雕刻机本体包括有外壳7、工作台6、支架12、处理器19、控制器24、刀具2、主轴17、主轴电机1、过孔定位几何光学定位装置20，步进驱动电机、步进电机同步传送带传动装置、通讯接口16和方向导轨13，雕刻机本体与计算机18之间通过通讯接口16联机，由计算机CAD及CAM一体化实现的EDA技术的可扩展性的智能双面线路板制作软件控制所述本体上的处理器19和控制器24，所述过孔定位几何光学定位装置20系统是基于CPLD设计的过孔定位几何光学定位装置系统的半自动无干预双面智能自动定位系统，所述工作台6水平安装于支架12的前下方，该工作台6的一边端部设有定位边8，主轴17通过固定支撑块21垂直位于工作台6上方由主轴电机1驱动，刀具2安装在主轴17下方由主轴17带动；固定支撑块21依次安装在垂直和水平方向二个导轨13上，水平方向二个导轨13由支架12支撑；水平方向二个导轨13分别由X轴步进驱动电机3、Z轴步进驱动电机5驱动，实现固定支撑块21和主轴17按计算机18指令沿X轴左右水平运动、Z轴垂直上下方向运动，工作台6通过另一方向导轨13在Y轴步进驱动电机4的驱动下沿Y轴前后水平运动；每个轴向运动都是通过处理器19运算后对驱动电路23发出指令控制步进驱动电机相应转动，通过同步齿轮带动主轴17或工作台6运动使刀具2相对线路板14运动；通过主轴电机1的旋转，刀具2沿雕刻运动线路切削线路板14表面的敷铜或在指定的位置钻孔、切边，加工出符合要求的线路板14。

在机器外壳7主控面板上安装有多个控制按钮11，控制按钮11与驱动电路23相连，每次按控制按钮11可手动对步进驱动电机发出转动指令，再通过同步齿轮带动主轴17或工作台6沿X轴、Y轴或Z轴运动，使加工刀具2相对线路板14运动。主控面板上的控制按钮11具有微调功能，可根据实际需要随时调整机器的运作速度高低或运动量。在智能线路板制作机外壳7上设置总电源开关9、电源插座15和通讯接口16，智能线路板制作机通过通讯接口16连接计算机18，接收计算机18指令，向计算机18反馈工作状态。

在机器外壳7上设置有主轴工作开关10，工作换刀时可切断主轴电源使主轴17停转以方便换刀2，该本体上还设有与外部计算机18连机联机按钮及联机指示灯，可以了解与外部计算机18的联机状态。联机按钮及联机指示灯可切换本体与计算机18的联机、脱机状态，联机时联机指示灯为绿色，雕刻机受计算机18控制；脱机时联机指示灯为红色，雕刻机受控制面板上的控制按钮11控制；联机状态时控制面板上的调节控制按钮11无效，以防止误按。

本发明中步进电机同步传送带传动装置是基于CPLD电路设计的传动装置，如图3和图4所示，包括方向导轨13、导柱28、同步传送带22、从动轮25和主动轮26；主动轮26与雕刻机本体的步进电机的电机轴31固定并由步进驱动电机带动电机轴31驱动，导柱28、主动轮26和从动轮25由导轨支架27支撑固定，从动轮25通过从动轮轴33与导轨支架27固定。该同步传送带采用一面有突起齿形的齿带，同步传送带22安装在主动轮26和从动轮25外面并张紧，主动轮26和从动轮25有形状与同步传送带22突起齿形相适应的凹缺口，同步传送带22的突起齿形刚好卡进主动轮26和从动轮25的凹缺口；同步传送带22断开处两端两边分别固定连接内皮带压板34和外皮带压板35，内皮带压板34的齿形与同步传送带22突起齿形相适应，两端的外皮带压板35通过调节螺钉36连接，内皮带压板34和外皮带压板35同时与方向导轨13固定连接。导柱28与主动轮26和从动轮25之间的同步传送带22平行，方向导轨13通过导套32与导柱28滑动配合。通过调节螺钉36调节同步传送带22的松紧，保证运行平稳。该同步传送带22使用一段时间后如需要更换，只要松开内皮带压板34和外皮带压板35就可容易更换，维护方便。

在方向导轨13两侧伸出的弹簧柱29连接弹簧30一端，弹簧30的另一端向上挂在导轨支架13上。该拉伸弹簧30用来承载方向导轨13和主轴电机1相关部件的重量，减少同步传送带22在运动时的承载重量。

本发明在实际使用中的工作过程是：第一步是启动双面线路板制作操作软件，选择线路板14的顶层；第二步是选择敷铜板的尺寸，根据双面线路板制作操作软件读取的线路板14的长和宽的数据，在敷铜板的背面贴上双面胶，然后将敷铜板紧靠工作台6的定位边8贴紧在工作台6上。

第三步是定起点位置，装上钻头，将主轴17移到敷铜板的右下角，钻头离敷铜板的右边和下边约30mm处，按机器上的联机按钮(指示灯为绿色)，然后按操作软件“钻定位孔1”键，再按机器上的联机按钮脱机(指示灯为红色)，这时将机器上的“x”轴和“Y”轴按钮将钻头调整到敷铜板的右下角，使钻头正好在敷铜板内，再依次按“钻定位孔2”、“钻定位孔3”和“钻定位孔4”键，最后主轴17回到起始位置。

第四步是调整Z轴高度，使钻头贴紧敷铜板表面，此时可用一张废纸放在线路板14上，用Z+1mm粗测到目测距离接近，改用Z+0.1逐步调近，同时不断移动纸，直到纸正好抽出为止。

第五是按操作软件上的板厚键，选择敷铜板的厚度，板的厚度设定应比板的实际厚度略大。

第六是钻定位孔：按雕刻机本体上的“联机”按钮联机(指示灯为绿色)，打开主轴电源10，按操作软件上的“连续钻定位方式”键，开始钻定位孔。

第七步钻孔：按雕刻机本体上的“联机”按钮脱机(指示灯为红色)，用Z+0.1按钮将钻头调整到正好钻到敷铜板即可，按操作软件上的钻孔键。

第八步是雕刻，按雕刻机本体上的“联机”按钮脱机(指示灯为红色)，调整Z轴高度，使刀2尖贴近紧敷铜板表面，此时可用一张废纸放在线路板上，用Z+0.1逐步调近，同时不断移动纸，使纸不能抽出为止；按雕刻机本体上的“联机”按钮联机(指示灯为绿色)，按操作软件上的“试雕”测试进刀2的深度。刀2的深度以正好将敷铜板铣去为最好。如果刀2的深度过深过浅，按雕刻机本体上的“联机”按钮脱机(指示灯为红色)，用Z轴按钮上的“Z+0.1mm”或“Z+0.01mm”调整，直到合适为止；刀2的深度调整好以后，按机器上的“联机”按钮联机(指示灯为绿色)，按操作软件上的“雕刻”键，开始雕刻，雕刻完成后，刀头2自动停在起点位置。

第九步底层的雕刻，顶层雕刻完后，用双面线路板制作操作软件选择线路图的底层，将线路板14由下边向上反转固定在工作台6面，此时线路板14的放置方向和雕刻左边和右边的方向不变，上边和下边对调，然后重复第三、第四、第五、第九、第十步。

第十步切边，雕刻完底层后，刀头2自动停在起点位置，这时按操作软件上的“铣边”键，机器开始按设计要求设计外形，在完成切割过程后，关闭主轴电源10，按联机键进入脱机状态，按Z轴调节键把Z轴升高，关闭主电源9，将线路板14从工作台6面取下。

Claims (5)

1、智能双面线路板制作系统，包括由计算机控制的雕刻机本体，所述雕刻机本体包括有外壳、工作台、支架、处理器、控制器、刀具、主轴、主轴电机、过孔定位几何光学定位装置，步进驱动电机、步进电机同步传送带传动装置、通讯接口和方向导轨，雕刻机本体与计算机之间通过通讯接口联机，由计算机CAD及CAM一体化实现的EDA技术的可扩展性的智能双面线路板制作软件控制所述本体上的处理器和控制器，其特征是：所述过孔定位几何光学定位装置是基于CPLD设计的过孔定位几何光学定位装置系统的半自动无干预双面智能自动定位装置，所述工作台水平安装于支架的前下方，该工作台的一边端部设有定位边，主轴通过固定支撑块垂直位于工作台上方并由主轴电机驱动，刀具安装在主轴下方由主轴带动；固定支撑块依次安装在垂直和水平方向二个导轨上，水平方向二个导轨由支架支撑；水平方向二个导轨分别由X轴步进驱动电机、Z轴步进驱动电机驱动，实现固定支撑块和主轴按计算机指令沿X轴左右水平运动、Z轴垂直上下方向运动，工作台通过另一方向导轨在Y轴步进驱动电机的驱动下沿Y轴前后水平运动；每个轴向运动都是通过处理器运算后对驱动电路发出指令控制步进驱动电机相应转动，通过同步齿轮带动主轴或工作台运动使刀具相对线路板运动；通过主轴电机的旋转，刀具沿雕刻运动线路切削线路板表面的敷铜或在指定的位置钻孔、切边。

2、根据权利要求1所述的智能双面线路板制作系统，其特征是：所述步进电机同步传送带传动装置是基于CPLD电路设计的传动装置，包括方向导轨、导柱、同步传送带、从动轮和主动轮；主动轮与雕刻机本体的步进电机的电机轴固定并由电机轴驱动，导柱、主动轮和从动轮由导轨支架支撑固定，该同步传送带采用一面有突起齿形的齿带，同步传送带安装在主动轮和从动轮外面并张紧，主动轮和从动轮有形状与同步传送带突起齿形相适应的凹缺口，同步传送带的突起齿形刚好卡进主动轮和从动轮的凹缺口；位于主动轮和从动轮之间的同步传送带一侧与方向导轨固定连接，导柱与主动轮和从动轮之间的同步传送带平行，方向导轨与导柱滑动配合。

3、根据权利要求1所述的智能双面线路板制作系统，其特征是：所述雕刻机本体外壳主控面板上安装有多个控制按钮，控制按钮与控制电路相连，每次按控制按钮可手动对步进驱动电机发出转动指令，再通过同步齿轮带动主轴或工作台沿X轴、Y轴或Z轴运动，使加工刀具相对线路板运动；主控面板上的按钮具有微调功能，可根据实际需要随时调整机器的运作速度高低或运动量。

4、根据权利要求1所述的智能双面线路板制作系统，其特征是：所述主轴及工作台方向运动采用圆形直线导轨及同步传送带传动，电机直接驱动。

5、根据权利要求2所述的智能双面线路板制作系统，其特征是：所述同步传送带断开，在断开处两端两边分别固定连接内、外皮带压板，两端的外皮带压板通过调节装置连接，内、外皮带压板同时与方向导轨固定连接。

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