1、101电路板数控钻孔机的研制刘建春（厦门理工学院）吴道坚 摘 要 现在电路板一般采用专业软件如 PROTEL 进行辅助设计，印制电路板后一般需钻孔。钻孔有的采用普通钻床手工钻孔，有的采用专用数控钻床加工，前者速度慢、精度差，后者成本太大。本文介绍一种经济型的电路板数控钻孔机的研制，非常适合中小型企业厂家、学校及个人科研开发使用。它是通过计算机把 PROTEL 产生的钻孔数据传送给单片机，然后利用单片机控制微型台式钻孔机的X、Y 轴的步进电机移动和 Z 轴电机的升降运动，实现电路板全自动数控钻。实验表明，采用该设备可大大提高钻孔速度和精度。随着我国电子工业的快速发展及集成电路的广泛应用，对印刷电
2、路板的精度要求越来越高，传统的手工钻孔加工工艺已明显不能适应时代的要求。虽然目前也有专门用来加工电路板的数控钻床，但它只适用于专门从事印刷电路板的大型厂家，而对于一些小批量生产的厂家和开发电路板的科研单位，花费几万、甚至几十万去购买这些设备是不经济的。当然，也可以订做电路板，但存在批量少、价格贵、时间长等问题。针对这一现状，我们研制出由单片机控制的集成电路板数控钻孔机。该数控钻孔机具有体积小、功能强、成本低、精度高的特点。本机主要供中小型企业、学校及个人科研开发使用。本数控钻孔机的下位机控制系统采用 AT89C51 单片机控制，主要作用是存贮钻孔的数据，并控制相应孔的加工。基于成本考虑，该系统
3、采用开环控制系统。以下分别介绍上位机程序设计、下位机控制系统的硬件电路设计和软件设计以及钻孔机的结构设计。一、上位机控制系统设计在开发电路板数控钻孔机中，我们使用了 Visual Basic 6.0 在 Windows98 环境下开发上位机(PC 机) 控制软件。首先运行 PROTEL 软件，打开相应电路板的 PCB 图，产生的钻孔数据。接着运行上位机控制软件，把 PROTEL 产生的钻孔数据（数控语言格式）转化为 X 坐标、Y 坐标、孔径大小的格式，并把 10 进制的数据转为 16 进制的数据，然后通过 RS-232C 串行口以十六进制数形式传送到下位机。在做 RS-232C 串行通讯时必须
4、注意的一点是在发送字符数据时，必须是十六进制字符。由于下位机是8 位单片机，所以在接收数据时，必须通过字节型数组变量传送，否则下位机接收时将显示为 ASCII码 1 。二、下位机控制系统设计1 主要硬件说明(1) CPU 选用 8 位单片机 AT89C51，其内部仅有 256 字节的 RAM（数据存贮器） ，为了存放用户电路板加工数据，需扩展一片 6264RAM（8K 数据存贮器，大约可以存放 1600 个孔加工数据） 。AT89C51 内部带有 4K 的 EEPROM（程序存储器）足以存放控制程序，又有一个全双工的串行通讯口（RXD 、TXD） ，可使用 MAX232 作电平转换与上位机通讯
5、。2.1 硬件系统扩展及工作原理102主要包括控制系统扩展、输入系统扩展、输出系统扩展、通信模块扩展等，如图 1 所示。为了使用户能控制加工过程，本数控钻孔机配置了键盘及 12 位 8 段数码显示器。当出现错误时可数码显示错误类型、并用蜂鸣器提醒用户。硬件上采用 8279 扩展键盘及显示芯片，可以接传感器、按键及显示器(最多可扩展 16 位 )。 在 X 轴和 Y 轴方向各安装两个传感器，当移动行程超出许可范围时，磁感应式传感器将产生中断信号，并在显示器上显示相应的信息，并由蜂鸣器提醒用户注意，同时该方向上的按键无效(该系统会自动恢复按键功能)，防止误操作和损坏步进电机。在该系统中，键盘、传感
6、器和显示器共用一片 8279，降低了成本和电路的复杂性，并提高了系统的可靠性。传感器及按键处理采用同种电路、同种工作方式（将传感器当作按键进行处理） 。显示器扩展电路主要显示 X 坐标、Y 坐标、孔径和错误提示信息，由 8279 内部动态扫描，将 FIFO 显示单元数据送给对应的显示器，欲改变显示数据只需改变 8279 的 FIFO 单元内容。首先对 8279 进行总清(初始化 )，再设定键盘/ 显示器的工作方式为(00001010B) 左边输入，16 位字符显示( 该系统需扩展 12 个显示器 )，N 键连续输入方式( 若采用双键互锁方式，当中断时，相当于按键一直闭合，其它按键无法工作) 、
7、设定 8279 时钟分频系数为 20(为 8279 内部提供 100KHz 的工作时钟)2。 P2P1X12 P0REST89C51RXDT步 进 电 机 扩 展 电 路包 括 主 电 机 控 制 开 关晶 振 电 路8279扩 展 显 示 器 、 键 盘传 感 器 芯 片数 据 存 储 器 扩 展 电 路 (624)通 信 扩 展 电 路 (MAX 23)复 位 电 路 (与 8279共 用 )光 电 耦合 及 驱动 电 路 锁 存电 路573驱 动电 路 12位 显示 器键 盘 、 传 感 器扩 展 电 路图 1 硬 件 系 统 扩 展 图步进电机控制由 P1 口控制，主要完成对坐标轴(X
8、 、Y 、Z)的移动控制及主电机(钻孔电机)控制。包括光电耦合、环形分配电路和驱动放大电路。2.2 系统的软件设计软件设计时，应从全局出发，先将系统的任务按功能分成若干独立模块，并为每个执行模块定义，然后设计出每个具体模块的程序，最后组成一个系统。该系统的软件主要由以下几个模块组成：2.2.1 主 控 程 序 模 块 本 模 块 的 功 能 主 要 是 程 序 的 初 始 化 和 控 制 转 移 ， 如 图 2所 示 。103 初始化：包括 AT89C51 和 8279 的初始化。 控制转移：根据读入的按键值执行相应的按键处理程序。2.2.2 执行按键功能模块对控制面板上的按键编写相应的子程序
9、，供主控程序调用。下面只介绍主加工程序和换刀处理程序。主 加 工 程 序 模 块本程序是整个系统中最重要的组成部分，其主要功能是先从 6264 中读取 X、Y 坐标及孔径数据(共 5 个字节，其中X、Y 坐标各 2 个字节，孔径 1 个字节)，判断是否连续读入5 个 00H 的数据，若是则退出主加工程序返回到主控程序；若不是全为 0 则判断新的钻孔直径与上一次钻孔直径是否一致，若钻孔直径改变则显示要更换的钻头直径并关闭主电机，换钻头指示灯不断闪烁，同时蜂鸣器响以提醒用户更换钻头。若钻孔直径没改变则移动 X 轴、Y 轴坐标到指定的位置，最后自动完成钻孔加工(由 Z 轴的上下两个传感器控制，钻头下
10、降碰到下面的传感器，再上升碰到上面的传感器为一个加工周期) ，然后再从 6264 中读取 X、Y 坐标及孔径数据重复上面的加工，如 图 3 所 示 。 换刀处理程序本程序主要用于主加工程序模块，其主要功能是，在主加工程序中如遇到钻头直径发生改变则自动进入该模块，该模块的主要任务是提醒用户更换钻头和为方便用户更换钻头而提供工作平台移动功能。提醒用户更换钻头是由一个更换钻头指示灯和蜂鸣器来完成，更换钻头期间显示所要更换的钻头直径，同时蜂鸣器响，指示灯闪烁以提醒用户。为方便用户更换钻头而提供的工作平台移动功能主要是更换钻头期间可以自由使用“X、X、Y、Y、Z、Z”等按键移动工作平台。若在加工过程中碰
11、到 X 轴或 Y 轴的传感器产生中断信号，则说明当前加工的孔坐标超过本系统许可加工的最大行程，此时相应的传感器会在显示器上显示相应的提示信息并暂停加工，用户可按“停止键”结束整个加工子程序，或者按“继续”按键跳过当前孔，继续加工下一个孔。对于放弃加工的孔，开 始开 主 电 机从 624读 入 X座 标从 读 入 Y座 标从 624读 入 孔 径换 刀 指 示 灯 闪 烁显 示 TOL值换 刀 处 理 子 程 序YES结 束关 主 电 机返 回 主 程 序Yes移 动 X、 Y坐 标 到 指 定 位 置加 工 相 应 的 孔No图 3 主 加 工 程 序 模 块 流 程 图加 工 是 否 结 束
12、 ？ 是 否 要 换 刀 ？No开 始设 定 中 断 1、 定 时 器 1的 中 断 入 口 地 址修 改 SP、 IP， 设 定 定 时 器 方 式 及 8279初 始 化装 入 定 时 常 数 ， 设 定 程 序 中 用 到 的 标 志 位开 EA、 EX1、 ET0， 及 等 待 按 键 按 下读 入 按 键 值 -KEYKEY-KEY1采 用 JMPA+DPTR处 理 用 户 输 入 的 按 键AJMP MODE0 - AJMP MODE15对 应 于 KY0-KEY15结 束KEY0 - KEY15处 理 程 序图 2 主 控 程 序 模 块 流 程 图104可以使用本系统提供的手动
13、加工进行钻孔。2 结构设计 图 4电 路 板 钻 孔 机 结 构 示 意 图根据电路板上要求电子元件插孔的孔径小、多规格、孔距要求精度高和材料厚度薄的特点采用点位控制方式的数控钻床，对三坐标两轴联动的方向工作平台加工点和方向动力钻削头的位置进行准确控制。结构示意如图所示。3.1 工 作 平 台工作平台由 XY 方向组成。将两条直线滚动导轨固定在底座上，为了便于安装和调试，滑块安装在工作平台下，选用控制和移动精度较高的步进电机加上滚珠丝杆进行驱动。3.2 动 力 钻 削 机 构该机构由钻床主轴组件、动力驱动与变速系统、动力头的升降传动系统三大部件组成。由于电路板为薄板式零件，孔径小，钻削力小，但
14、主轴转速高，因此在整个动力钻削机构设计中要求结构紧凑体积小，运转平稳。主轴组件固定在动力头机架上。装上两个特轻型推力球轴承，以承受径向和轴向力，前部定位，后部调整游隙，前端安装钻夹头，选用规格 0.55，后端安装皮带轮传递主运动。动力机架上安装有单相微型电机，通过塔型皮带轮三级变速，使主轴转速达 30008000r/min。钻床机架上的立柱作为动力机架移动的圆形导轨，并在圆形导轨上装有定向导向键，动力机架的套筒与圆形导轨配合，通过步进电机驱动带动滚珠丝杆转动，使动力头沿 Z 方105向作上下移动，进行钻孔和退刀。3.3 定 位 夹 紧 机 构由于电路板是非金属薄板材料，在钻削中要求定位准确夹紧
15、均匀。在工作台左前边沿，作为和方向的定位基准。夹紧采用偏心轮铰链四杆联动压板组合夹紧机构3。见图4 结 论该系统采用误差补偿法，分多级调整以提高系统定位精度。经过实验，重复定位精度可达到0.05mm，分辨率达 0.01mm，能满足电路板钻孔精度要求。系统采用相对坐标移动方式，判断移动是否到位则采用绝对坐标方式，所以在连续加工多个孔时不会有累积误差。该系统的 X 轴、Y 轴的最大移动行程均为 655mm。参 考 文 献 1 刘建春. 使用 VB 开发 Windows 环境下的串行通信程序J，厦门：鹭江职业大学学报，2001， （1）：60642 何立民. MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社. 1992.3 藤森洋三日. 机构设计实用构思图册M. 北京：机械工业出版社 . 1990.
