机械设计与制造 第11期 Machinery Design Manufacture 2008年11月 章编号:1001-3997(2008)11-018002 激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 丁黎光1丁伟2吴德林2 广西工学院,柳州545006)(2重庆金映数控设备制造有限公司,重庆401120 The design and research of air membrane guide-way and linear drive in laser processes machine DING Li-guang, DING Wei, WU De-ling (Guangxi University of Technoloay, Liuzhou 545006, China) (Chongqing Jinying NC Equipment Co Ltd, Chongqing 401120, China 【摘要】针对PCB的发展及应用激光进行微细加工的需求,研究和分析应用激光加工机床气膜导 轨和直线驱动的优势。使之适应PCB制作速度和精度要求。从而促进高密度多层PCB高效高速的发展。 关键词:激光加工机床;气膜导轨;直线驱动 [Abstract] For the developments of PCB and the need of laser millipore work, this paper re searches and analyses the advantage of the air me mbrane guide-way and linear drive in laser proce sses machine And adapt to the PCB machining speed and accuracy, thus help the developments of multilayer PCB rapid Key words: Laser processes machine; Air memb rane guide-way; Linear drive 中图分类号:TH12,TC665文献标识码:A 1前言 孔径高精度,也就要求激光加工机床的工作台能更灵活更快、更 激光加工高密度PCB上微孔时,要满足孔的数量多,孔距、准确将印制电路板移动到激光束照射的位置进行快速准确定位 来稿日期:2008-01-15 22.3刀具温度场、应力应变分析可视化的实现 其中各力矩:M=-Fzc,M,=-F,zc,其中zc是某截面轴线处 要实现工程分析的可视化,首先我们要定义刀具几何模型,的轴向坐标。 也就是根据刀具应力、应变及温度变化的实际疏密情况把刀具划 此时加工工件的半径误差为e=Vu2+t 分为多个网格将通过有限元分析计算得到的空间节点坐标和组3结束语 成一个网格的节点序号分别输出到刀具分析模型文件中 该数控车床切削仿真系统主要实现了以下几个功能 23工件受力变形分析仿真 (1)验证了NC代码的正确性和合理性,实现机床运动、刀具 工件在切削力F、F,和F的作用会发生变形,其中对加工精运动和工件几何体形变仿真的功能; 度影响最大的是弯曲变形,尤其是细长轴。F引起弯曲变形很小 (2)实现加工过程中铁屑的产生仿真; 计算中只F和F引起的弯曲变形。工件轴线位移图,如图5所示。(3)对刀具切削过程中温度的变化、受到切削力而产生的应 力应变的分析,并在仿真系统中显示出来 (4)分析了工件在加工过程中受到切削力的作用而产生的变 形,对工件加工后的误差分析提供了依据 此切削仿真系统具有很强的可扩展性与实用性,算法效率 高,仿真效果流畅仿真结果可靠 参考文献 1王启义等数控车削虚拟加工环境全景仿真技术机械设计与制造工程 2002,30(1) 2许立等.数控车削加工仿真系统的研究与实现.大连铁道学院学报, 工件中心轴线沿x轴y轴的位移分别为 200,23(2) 3葛研军等车削加工屑型建模与仿真技术研究计算机辅助设计与图形学 (11) 报,2002(10) 4赵玢等.切屑生成、卷曲、折断过程的实时仿真研究组合机床与自动化加 工技术,20008
18O 机械 设 计 与制 造 Machinery Design & Manufacture 第 11期 2008年 11月 文章编号 ：1001—3997(2008)11-0180—02 激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 丁黎光 丁 伟 吴德林 (广西工学院，柳州 545006)(重庆金映数控设备制造有限公司，重庆 401120) Thedesignandresearchofairmembraneguide-wayandlineardrive in laserprocessesmachine DINGLi-guang，DINGWei2,WU De—ling2(Gua：ngxiUniversityofTechnoloay，Liuzhou545006，China) (ChongqingJinyingNCEquipmentCo．Ltd．，Chongqing401120，China) ∥ ■ ∥ ■ ■ t ∥■ ∥∥■ ∥ ∥ ∥■ ∥ 月 僵 ∥■ ∥■ ■ ∥ ■ t ■ ■ ∥■ ∥■ ∥■榴 1 t ■ 0 1 ∥ 榴 ∥僖 ∥0 ∥ k ■ ∥ 撕 t 【摘 要】针对PCB的发展及应用激光进行微细加工的需求，研究和分析应用激光加工机床气膜导 轨和直线驱动的优势。使之适应PCB制作速度和精度要 求。从而促进高密度多层 PCB高效高速的发展。 关键词：激光加工机床 ；气膜导轨 ；直线驱动 【Abstract】ForthedevelopmentsofPCBandtheneedoflasermilliporework，thispaperresearches andanalysestheadvantageoftheairmembraneguide-wayandlinear driveinlaserprocesse&machine． AndadapttothePCBmachiningspeedandaccuracy，thushelpthedevelopmentsofmultilayerPCBrapidandefficiently． Keywords：Laserprocessesm achine；Airm em braneguide-way；Lineardrive 蝴 堋 榭 鳓 娩 硝 删 棚 棚 堋 椭 堋 栩 煳 堋 密 堋 “ A僦 硝 删 椭 _礓 僦 棚 峭 埘 嬲 ■ 埋 栩 棚 缰 栩 蝴 删 删 煳 私 煳 堋 棚 堋 鳓 中图分类号：TH12。TG665 文献标识码 ：A ．1—日J￡『J^—舌j— 激光加工高密度 PCB上微孔时，要满足孔的数量多 ，孔距、 -k来稿 日期 ：2008—01—15 … … … ， … ，… ’ … 】… ， … 2．2．3刀具温度场、应力应 变分析可视化的实现 要实现工程分析的可视化，首先我们要定义刀具几何模型， 也就是根据刀具应力、应变及温度变化的实际疏密情况把刀具划 分为多个网格，将通过有限元分析计算得到的空间节点坐标和组 成一个网格的节点序号分别输出到刀具分析模型文件中。 2．3工件受力变形分析仿真 工件在切削力 、 和 的作用会发生变形，其中对加工精 度影响最大的是弯曲变形，尤其是细长轴。 引起弯曲变形很小， 计算中只 和 引起的弯曲变形。工件轴线位移图，如图5所示。 、 u] ； 图 5工件轴线位移图 工件中心轴线沿 轴 轴的位移分别为： 一‘一 曼 2EI 丝生 2EI z=0 孔径高精度，也就要求激光加工机床的工作台能更灵活、更快、更 准确将印制电路板移动到激光束照射的位置，进行快速准确定位 其中各力矩 ： =一<zc， =一．zc，其中zc是某截面轴线处 的轴向坐标。 此时，加工工件的半径误差为 e=、／ _『 3结束语 该数控车床切削仿真系统主要实现了以下几个功能： (1)验证了 NC代码的正确性和合理性，实现机床运动、刀具 运动和工件几何体形变仿真的功能； (2)实现加工过程中铁屑的产生仿真； (3)对刀具切削过程中温度的变化、受到切削力而产生的应 力应变的分析，并在仿真系统中显示出来； (4)分析 了工件在加工过程中受到切削力 的作用而产生的变 形，对工件加工后的误差分析提供了依据。 此切削仿真系统具有很强的可扩展性与实用性，算法效率 高，仿真效果流畅，仿真结果可靠。 参考文献 1王启义等．数控车削虚拟加工环境全景仿真技术．机械设计与制造工程， 2002，30(1) 2许立 等．数控车 削加工仿 真系统的研究 与实现 ．大连铁道学 院学报 ， 2000，23(2) 3葛研军等．车削加工屑型建模与仿真技术研究．计算机辅助设计与图形学 学报 ，2002(1O) 4赵玢等．切屑生成、卷曲、折断过程的实时仿真研究．组合机床与自动化加 工技术，20oo(8)
第11期 丁黎光等:激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 和打孔。工作台快速准确定位与它的导轨特性和驱动方式直接 线圈A 相关。本文研究介绍激光加工机气膜导轨和直线电机驱动的应 用,并取得了实用效果。 2气膜导轨和直线驱动 :区凶:区区凶区:区 21气膜导轨及特性 激光加工机床中对相连工作台的上导轨与相连基座的下导 轨之间内表面的细小间隙中充入气体而构成气浮导轨。充满的 控制线圈 体将形成有一定压力的气膜,把运动工作台浮起,达到纯气体磨 图2直线步进电机的结构型式 擦如图1所示用压力气体产生浮力使与工作台相连的上导轨3直线运动速度和精度 悬浮。真空泵产生负压 直线步进电机的磁场推力,不仅与通入的脉冲电流有关,还 与通入固有的直流电流的励磁有关。当没有直流电流通入时,动 连线板 子上没有任何水平推力,动子可以稳定在任何随机位置上。为了 电机的净推动力大,阻力小,移动速度不限制采用两相同时励 磁,两相绕相同时通电,各相线圈的电流波形,如图3所示,实线 i和i分别表示线圈A和B通入的电流,如图2所示。如,线圈 A通入虚线所示余弦电流,有磁极1和2;同时线圈B通入虚线 所示正弦电流,有磁极3和4。在(0-m/2)范围内,线圈B中的电 流从零逐渐增大到最大值使极4下的磁通由ψm2逐渐增大到 图1负平衡气浮导轨结构原理 φm,而极3下的磁通逐渐由φm2下降到零。同时极1下的磁通 以提高刚度。它的特性是:(1)因空气粘度很小,导轨运动随着i下降而下降,配合线圈B使动子如同同步电机一样平滑 时几乎没有阻力,运行灵活适宜高速工作;(2)充满间隙的气体均匀地向右移动,电流交变一次,动子就移动一个齿距r 是可压缩流体,使运动副在间隙内平滑运行,具有一定厚度的间 隙使导轨面的凹凸不平的几何形状误差,由于气膜的均化效应 对运动不会有影响,运动精度高,一般可提高精度12~1/3;(3) y++ 导轨运动面间无接触,发热少,能耗低,效率高;(4)导轨悬浮减 少或消除磨损,寿命长;(5)通过控制气源压力及真空泵的负压 可以调节导轨的承载能力和刚度,导轨的运行动态性能好等 是一种高精度、高刚度比较适用的理想工作台导轨。基于气膜 ++N P+「 导轨的一些性能优势,很适合有利于高密度PCB微孔激光加 -- 的要求。 22直线步进电机驱动 图3两相同时通电的电流波形 高密度印制电路板微孔的加工,对机末工作台运动速度和精4结语 度要求是越来越高。一般数控激光加工机的工作台由旋转步进电 机、滚珠丝杆来驱动显然是不能满足要求。因传动链长,传动件累上的座“轨和直线步进电机驱动在高密度PCB激光加工机床 气膜导 积误差大,响应慢效率低,造成驱动速度稳定性不高精度低。由 (1)解决了印制电路板有大量直径为01mm的微孔加工; 直线步进电机驱动x、y坐标方向的运动是较好的方式。 (2)使机床进给系统结构简单,可动部分重量轻,惯性小,无 直线步进电机,由于改变各相控制绕组中的电流大小,使各漂移,运动更灵活、平稳,导轨的运行动态性能好; 极下的磁场位置发生变化,因而带动动子直线运动。它的结构单 (3)工作台移动距离,如为(1-2mm时,移动精度可达lum 间,可动部分重量轻、惯性小、无漂移,无累积定位误差能做到高以内相应运动定位精度大大提高。 速度高定位精度,是较理想的直线驱动装置。如图2所示,是采 参考文献 用的一种结构形式。用直流电流励磁通过改变电流来调节励磁 1丁黎光,吴徳林,丁伟.SMP激光再流焊传热中几种的研究激光杂志 从而改变步进电机的运动特性。如可以灵活得到不同推力,而不20061):82-83 受固定磁性的限制。其中有线圈A线圈B和极1、极2极3极42金鸿陈森印制电路技术北京化学工业出版社2003 控制线圈通入脉冲电流电流脉冲倌号可由数字控制器提供。励3叶云岳直线电机理论与应用杭州:浙江大学出版社,199 磁线圈可通过固定直流电流,若改变电流也可调节励磁。能控制4丁黎光,丁伟,吴德林新型包装物流直线驱动输送系统的研究与应用.包 获得可靠的运动速度和位置精度。 装工程,20033):1~2
第 11期 丁黎光等：激光加工机床气膜导轨直线驱动的设计与分析 l81 和打孔。工作台快速、准确定位与它的导轨特性和驱动方式直接 相关。本文研究介绍激光加工机气膜导轨和直线电机驱动的应 用，并取得了实用效果。 2气膜导轨和直线驱动 2．1气膜导轨及特性 激光加工机床中对相连工作台的上导轨与相连基座的下导 轨之间内表面的细小间隙中充人气体而构成气浮导轨。充满的气 体将形成有一定压力的气膜，把运动工作台浮起 ，达到纯气体磨 擦。如图 1所示，用压力气体产生浮力，使与工作台相连的上导轨 悬浮。真空泵产生负压 图 1负平衡气浮导轨结构原理 以提高刚度。它的特性是：(1)因空气粘度很小 ，导轨运动 时几乎没有阻力，运行灵活，适宜高速工作 ；(2)充满间隙的气体 是可压缩流体 ，使运动副在间隙内平滑运行，具有一定厚度的间 隙使导轨面的凹凸不平的几何形状误差 ，由于气膜的均化效应， 对运动不会有影响，运动精度高，一般可提高精度 1／2一l／3；(3) 导轨运动面间无接触，发热少，能耗低 ，效率高；(4)导轨悬浮，减 少或消除磨损 ，寿命长；(5)通过控制气源压力及真空泵的负压， 可以调节导轨的承载能力和刚度 ，导轨的运行动态性能好等。 是一种高精度、高刚度比较适用的理想工作台导轨。基于气膜 导轨的一些性能优势，很适合有利于高密度 PCB微孔激光加工 的要求 。 2．2直线步进电机驱动 高密度印制电路板微孔的加工，对机床工作台运动速度和精 度要求是越来越高。一般数控激光加工机的工作台由旋转步进电 机、滚珠丝杆来驱动显然是不能满足要求。因传动链长，传动件累 积误差大 ，响应慢，效率低，造成驱动速度稳定性不高，精度低。由 直线步进电机驱动x,y坐标方向的运动是较好的方式。 直线步进电机，由于改变各相控制绕组中的电流大小 ，使各 极下的磁场位置发生变化，因而带动动子直线运动。它的结构单 间，可动部分重量轻、惯性小、无漂移，无累积定位误差，能做到高 速度 、高定位精度，是较理想的直线驱动装置。如图 2所示 ，是采 用的一种结构形式。用直流电流励磁，通过改变电流来调节励磁 ， 从而改变步进电机的运动特性。如可以灵活得到不同推力，而不 受固定磁 陛的限制。其中，有线 圈A、线 圈 B和极 l、极 2、极 3、极 4 控制线圈通入脉冲电流，电流脉冲信号可由数字控制器提供。励 磁线圈可通过 固定直流电流 ，若改变电流也可调节励 磁。能控制 获得可靠的运动速度和位置精度。 定子 控制线 圈 图 2直线步进 电机的结构型式 3直线运动速度和精度 直线步进电机的磁场推力，不仅与通人的脉冲电流有关 ，还 与通入固有的直流电流的励磁有关。当没有直流电流通入时，动 子上没有任何水平推力，动子可以稳定在任何随机位置上。为了 电机的净推动力大，阻力小，移动速度不限制．采用两相 同时励 磁，两相绕相同时通电，各相线圈的电流波形，如图3所示，实线， 和 i分别表示线圈 和 曰通入的电流，如图2所示。如，线圈 A通入虚线所示余弦电流，有磁极 1和 2；同时线圈 B通入虚线 所示正弦电流，有磁极 3和4。在(0～w／2)范围内，线圈 B中的电 流从零逐渐增大到最大值 ，使极 4下的磁通由4,m／2逐渐增大到 qbm，而极 3下的磁通逐渐由,l,m／2下降到零。同时极 1下的磁通 随着 下降而下降 ，配合线圈 B使动子如同同步电机一样平滑 均匀地向右移动，电流交变一次，动子就移动一个齿距 。 、 、 一 ／ 。 、 、 、 ． ’ 、 、一／ 图 3两相同时通电的电流波形 4结语 气膜导轨和直线步进电机驱动在高密度 PCB激光加工机床 上 的应用 ： (1)解决了印制电路板有大量直径为 0．1mm的微孔加工； (2)使机床进给系统结构简单，可动部分重量轻 ，惯性小，无 漂移，运动更灵活、平稳，导轨的运行动态性能好； (3)工作 台移动距离，如为(1~2)mm时，移动精度可达 1m 以内，相应运动定位精度大大提高。 参考文献 1丁黎光 ，吴 德林 ，丁伟 ．SMP激光再 流焊传热中几种的研究．激光杂志 ， 2006(1)：82—83 2金鸿，陈森．印制电路技术．北京 ：化学工业出版社 ，2003 3叶云岳．直线电柳理论与应用．杭州：浙江大学出版社 ，1999 4丁黎光，丁伟，吴德株 新型包装物流直线驱动输送系统的研究与应用．包 装工程，2003(3)：1 2