CN207969107U - 一种并联结构的pcb快速制版机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种并联结构的PCB快速制版机，机架、工作台、动平台、滑块、同步皮带和电机，所述的工作台设置于机架的平台上，所述同步皮带为3条，该3条同步皮带分别通过皮带轮设置于机架上，该3条同步皮带分别与电机连接，所述3条同步皮带分别与工作台垂直，该3条同步皮带成三角形结构分布于机架上，所述的滑块为3块，该3块滑块分别固定设置于同步皮带上，每块滑块固定设置于1条同步皮带上，所述的动平台通过连杆与3块滑块连接，所述的连杆分别与滑块和动平台通过铰接的方式连接，所述电机与PC机连接，使用时，刀具设置于动平台上，电路板放置于工作台上。本实用新型采用并联结构的PCB快速制版设备机械结构简单、刚度高。

Description

一种并联结构的PCB快速制版机

技术领域

本实用新型涉及一种制版机，特别是一种并联结构的PCB快速制版机。

背景技术

目前，电路板（即PCB）加工的工艺主要是传统工艺，由钻孔—化学蚀刻—铣削成型等三大部分组成，其中化学蚀刻工艺相对复杂，由几十道工序组成，生产周期通常需三到七天，虽然在蚀刻过程中腐蚀液会严重影响环境，但这是目前批量生产使用最广泛的制板方法。而PCB快速制版工艺实际上是一种PCB板的纯机械加工工艺，由钻孔—雕刻—铣削成型三部分组成，在钻孔工序后，通过雕刻刀去除电路板表面的铜膜材料来得到相应的线路，最后通过铣削成型得到电路板的内外轮廓，其生产周期通常不到一天，不用投入其它设备，而且不影响环境，是学校、科研机构、企业进行产品开发、试验的理想快速制板工艺。

现有的PCB快速制版设备一般是由雕刻机改造，从结构上看，它属于传统的串联型直角坐标机床或龙门型结构机床，刚度较低，有运动累积误差，对于精度要求稍高的双面板（需翻面加工），在雕刻线路时经常出现断线或线间连接、焊盘与刻线的相对位置误差较大等现象，后期需要人为干预。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种并联结构的PCB快速制版机。

解决上述技术问题的技术方案是：一种并联结构的PCB快速制版机，包括机架、工作台、动平台、滑块、同步皮带和电机，所述的工作台设置于机架的平台上，所述同步皮带为3条，该3条同步皮带分别通过皮带轮设置于机架上，该3条同步皮带分别与电机连接，所述3条同步皮带分别与工作台垂直，该3条同步皮带成三角形结构分布于机架上，所述的滑块为3块，该3块滑块分别固定设置于同步皮带上，每块滑块固定设置于1条同步皮带上，所述的动平台通过连杆与3块滑块连接，所述的连杆分别与滑块和动平台通过铰接的方式连接，所述电机与PC机连接，使用时，刀具设置于动平台上，电路板放置于工作台上。

本实用新型的进一步技术方案是：所述的机架上设有导轨，所述的滑块设置于导轨上并能沿着导轨上下移动。

所述的滑块上设有导轨槽，所述的滑块通过导轨槽设置于导轨上。

所述的3条同步皮带成等边三角形结构分布于机架上。

所述的动平台上设有电主轴，使用时，刀具设置于电主轴上。

所述的连杆为6根，每2根连杆分别设置于1个滑块上，该6根连杆均设置于动平台上。

所述电机通过轴驱动器和运动控制器与PC机连接。

所述3根导轨成三角形分布并垂直于工作台上。

由于采用上述技术方案，本实用新型之一种并联结构的PCB快速制版机，具有以下有益效果：

1.本实用新型包括机架、工作台、动平台、滑块、同步皮带和电机，通过PC机对电机的控制来使得滑块上下移动，进而可以带动动平台移动，本实用新型采用并联结构的PCB快速制版设备机械结构简单、刚度高，可以加工高精度的单、双面板。本实用新型机械结构相对简单，刚度较高，运动速度快，无累积误差，多工序间重复定位精度高，同时采用开放式控制系统，可以更好的与PCB文件兼容，实现傻瓜式操作，有效提高PCB制版效率与质量。

2.本实用新型可采用PC+运动控制器的开放式控制系统结构，结构简单、开放性好；可采用自行开发的数控系统软件，无需编程就能加工；数据传输用网线，抗干扰性好，运动控制器可以外置，方便用笔记本电脑控制；将3-PUU并联机构进行了简化，算法简单，控制精度高、可靠性高。

下面，结合说明书附图和具体实施例对本实用新型之一种并联结构的PCB快速制版机的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本实用新型之一种并联结构的PCB快速制版机的结构示意图。

图2 ：PCB快速制版机数控系统的硬件结构框图。

图3 ：3-PUU并联机构运动简图。

在上述附图中，各标号说明如下：

1-机架，2-导轨，3-动平台，4-电主轴，5-连杆，6-虎克铰，7-滑块，

8-工作台，9-同步皮带，10-步进电机，11-皮带轮。

具体实施方式

一种并联结构的PCB快速制版机，机架、工作台、动平台、滑块、同步皮带和电机，所述的工作台设置于机架的平台上，所述同步皮带为3条，该3条同步皮带分别通过皮带轮设置于机架上，该3条同步皮带分别与电机连接，即1条同步皮带与1个电机连接，并通过电机带动其转动，所述3条同步皮带分别与工作台垂直，该3条同步皮带成三角形结构分布于机架上，所述的滑块为3块，该3块滑块分别固定设置于同步皮带上，每块滑块固定设置于1条同步皮带上，所述的动平台通过连杆与3块滑块连接，所述的连杆分别与滑块和动平台通过铰接的方式连接，即连杆一端与滑块通过铰接的方式连接，连杆另一端与动平台通过铰接的方式连接，所述电机与PC机（即CPU，计算机等）连接，所述电机通过轴驱动器和运动控制器与PC机连接。通过PC机可以分别控制3块滑块上移或下移的高度，从而可以带动动平台前后左右的移动。使用时，刀具设置于动平台上，电路板放置于工作台上。所述的机架上设有3根导轨，每个滑块设置于1根导轨上并能沿着导轨上下移动，3根导轨成三角形分布并垂直于工作台上。所述的导轨用于对滑块起到定位与导向作用。同步皮带只是带动滑块运动。所述的滑块上设有导轨槽，所述的滑块通过导轨槽设置于导轨上。所述的3条同步皮带成等边三角形结构分布于机架上，即导轨亦成等边三角形结构分布于机架上。所述机架的上下平台分别为等边三角形结构，所述的同步皮带分别位于等边三角形的三个角处。所述的动平台上设有电主轴，使用时，刀具设置于电主轴上。所述的连杆为6根，每2根连杆分别设置于1个滑块上，该6根连杆均设置于动平台上。本实施方式可以通过更换电主轴上的刀具（钻头、雕刻刀、铣刀），使得一台设备可以完成PCB板的钻孔、线路雕刻、轮廓成型等三道工序的加工。（刀具采用3.175mm刀柄标准刀具,电主轴的夹头也为3.175mm标准夹头）。本实施方式可以用PC+运动控制器的开放式控制方式，实现免编程操作。

本实施方式为采用3-PUU并联机构设计的PCB快速制版机，如图1所示，主要由机架（定平台）、动平台、3个驱动滑块、6根连杆及12个虎克铰组成。机架上安装有三条导轨，三条导轨成等边三角形垂直布置，每个驱动滑块通过步进电机与同步皮带带动其在导轨上移动，形成一个移动副（记为P），同时每个滑块又通过虎克铰、两根连杆与动平台连接成一个平行四边形，构成了成两个转动副（记为U）。通过三个步进电机分别控制三个滑块的移动，可以使动平台实现三维平动，电主轴安装在动平台上，刀具夹持于电主轴上，该电主轴上带有夹具夹头，使用时可通过更换不同的刀具（钻头、雕刻刀、铣刀）完成钻孔—雕刻—铣削等加工工艺。

3-PUU结构的基本组成部分：每两根连杆为1组与1个滑块用虎克铰连接，形成1个转动（U）；每两根连杆连杆为1组与动平台用虎克铰连接，形成1个转动（U）；一个滑块与一根导轨间形成1个直线运动（滑动P）。共3组，即为3-PUU结构。

由于3-PUU并联机构动平台的运动是通过三个滑块的移动来实现的，需要同时控制三个步进电机。因此，本实施方式可采用3个2相步进电机作为驱动电机，分别通过皮带轮、同步皮带带动滑块在导轨上运动、三个滑块再通过连杆、虎克铰等控制动平台运动，其定位精度可达0.01mm。若采用伺服电机驱动，其精度还可进一步提高。

为了能够充分保证系统的性能，本实施方式可采用PC+运动控制器的开放式数控系统结构。其硬件构成如图2所示 ，运动控制器通过网线接收PC机发出的控制指令，并承担加工控制所需的实时任务：经三轴插补运算后，向电机驱动器发送脉冲和方向信号控制三个步进电机工作，并通过I/O开关量信号控制变频器（电主轴）等工作，同时将工作状态（限位、原点、报警等信号）反馈给运动控制器；PC机则处理非实时部分（如人机对话、界面管理、复杂的算法等），同时通过调用函数库里的函数向运动控制器发送指令。该控制系统的优点是结构简单、开放性好，可以满足高精度、高速度的机械加工的要求。

3-PUU并联机构不同于传统机床的直角坐标结构，不能像传统机床那样直接控制X、Y、Z轴的运动，也不能直接使用通用的NC代码进行控制，因此3-PUU并联机构的运动控制算法成了该设备能否实现控制的关键。

3-PUU并联机构的最终控制对象为动平台，其运动可以看成是在XYZ直角坐标系内的三维平动，而电机所驱动滑块是在垂直于底面的三个导轨上直线运动，如何建立二者之间的联系是该算法的主要任务。本实施方式可通过下述控制方法（算法）进行实施。

如图3所示，我们将3-PUU并联机构进行了简化，1、2、3轴分别为3根导轨的横截面中心线，动平台简化成一个点，三个滑块分别看成三个点，双连杆简化为单连杆，正三角形△ABC为简化后的定平台，同时以△ABC的中心O点为原点建立直角坐标系，XY平面即为机架底平面，X轴平行于AC，Y轴垂直与AC并经过B点，Z轴垂直于底平面。

快速制版机要完成钻孔—雕刻—铣削等加工工艺，动平台则需要能延Z轴做直线运动和平行于XY平面做插补运动。延Z轴做直线运动只需三个滑块同步运动就可以了，算法简单，因此我们重点要研究动平台在平行于XY平面插补运动时，三个滑块的运动状态。设连杆长为a、△ABC边长b，则A、B、C三点坐标分别为：

若点O_i为动平台在XY平面运动时的某一动点，坐标为（X_i，Y_i），而此时三个滑块的位置分别在点A_i、B_i、C_i，则有：

我们采用运动学反解的算法，若已知动点坐标值（X_i，Y_i），则可以分别通过三个直角三角形△O_iAA_i、△O_iBB_i、△O_iCC_i求出直线AA_i、BB_i、CC_i的长度：

假设动平台的运动轨迹经插补后得到若干数据点，其中O_i、O_i+1为相邻两点，那么动平台由O_i点运动到O_i+1点时，三个滑块分别由A_i到A_i+1、B_i到B_i+1、C_i到C_i+1。同样的方法可以求出直线AA_i+1、BB_i+1、CC_i+1的长度，进而得到三个滑块的插补增量值，即：直线A_iA_i+1、B_iB_i+1、C_iC_i+1的长度。从而确定了动平台在XY平面内插补运动时，与三个滑块直线运动的联系。

由于并联机构动平台的插补控制不能由步进电机直接控制，我们必须先对动平台的运动曲线进行粗插补，经过前述反解的算法得到各运动滑块的运动增量，再通过运动控制器的多轴连续插补函数完成精插补，从而控制步进电机运动。最终使动平台带动电主轴完成PCB板的钻孔、雕刻及铣削成型等工艺。

Claims (8)

1.一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：包括机架、工作台、动平台、滑块、同步皮带和电机，所述的工作台设置于机架的平台上，所述同步皮带为3条，该3条同步皮带分别通过皮带轮设置于机架上，该3条同步皮带分别与电机连接，所述3条同步皮带分别与工作台垂直，该3条同步皮带成三角形结构分布于机架上，所述的滑块为3块，该3块滑块分别固定设置于同步皮带上，每块滑块固定设置于1条同步皮带上，所述的动平台通过连杆与3块滑块连接，所述的连杆分别与滑块和动平台通过铰接的方式连接，所述电机与PC机连接，使用时，刀具设置于动平台上，电路板放置于工作台上。

2.根据权利要求1所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述的机架上设有3根导轨，每个滑块设置于1根导轨上并能沿着导轨上下移动。

3.根据权利要求2所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述的滑块上设有导轨槽，所述的滑块通过导轨槽设置于导轨上。

4.根据权利要求2所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述的3条同步皮带成等边三角形结构分布于机架上。

5.根据权利要求1所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述的动平台上设有电主轴，使用时，刀具设置于电主轴上。

6.根据权利要求1所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述的连杆为6根，每2根连杆分别设置于1个滑块上，该6根连杆均设置于动平台上。

7.根据权利要求1所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述电机通过轴驱动器和运动控制器与PC机连接。

8.根据权利要求2所述的一种并联结构的PCB快速制版机，其特征在于：所述3根导轨成三角形分布并垂直于工作台上。