基于运动控制板卡的电路板钻孔机控制系统设计

１２ Ｍ Ｄ Ｔ ２ ７ ０ ． Ａ Ｄ １０ ０ ３驱 动 器的参 数设 置 松 下 Ｍ Ｄ Ｔ ２７ ０ Ａ Ｄ １０ ０ ３驱动 器 共 有 １８个 常 用参 ２ 数 ，作者 主要对如下参数做 出设置 ： Ｐ０ ０ ｒ２＝ ，选择位置控制模 式 ； Ｐ４ １ ｒ ０＝ ，通过差分专用电路输入 ；
（ ｏ ｅｅｏ ｕｏ ａｉ ｎ ｌ ｔｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ ａ ｎ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｔｍ ｔ ｎａ ｄＥｅ ｒ ａ Ｅ ｇ ｅｉ ，Ｎ ｍｉｇ ｌ Ａ ｏ ｃｉ ｎ ｎ
Ｕ ｉｅｓｙｏ Ｔ ｃ ｎｌｇ ，Ｎ ｎｉｇＪ ｎｓ １０ ９ ｈｎ ） ｎｖｒｉ ｆ ｅｈ ｏ ｙ ａｊ ｉ ｇｕ２ ０ ０ ，Ｃ ｉａ ｔ ｏ ｎ ａ
Ｐ４ ｒＢ＝１ ０ ，可以得 到 ｆ＝２５０ ｐ ｒ ０００ ０ ／ ，即 电机每 转
一
（ ＝ 三
蜃 一捆 ＋＿ 翱 摺
擒 捆
Ｍ Ｈ Ｍ Ｄ
圈需要 ２５０个脉冲 。再 由采用机械平 台所用 的丝 ０
杠螺 距 为 ４ ｍ ｍ，所 以 进 一 步 可 得 到 脉 冲 当量 为
基 于 运 动 控制 板 卡 的 电路 板钻 孔 机 控制 系统 设 计
李德 亮，舒 志兵
（ 南京 工业 大 学 自动化 与 电 气工程 学 院 ，江 苏 南京 ２００ ） １０９
摘要 ：钻孔 是印制电路板 （ Ｃ ）制造 的关键工序之 一。对 于钻孔工序 而言 ，影响孔 壁质量 的主要 因素是钻 头的转 速 ＰＢ 和进给速度。介绍一种基于 Ａ Ｔ ５ Ｄ ８ ０运动控制板卡 的电路板钻孔 机控制 系统设计方案 ，着重介绍 控制系统 的硬件 组成及基 于 Ｖ ＋的软件构架。该系统采用光栅尺 的检测信号作为反馈信号构成全 闭环系统 ，提 高了控制系统的加工精度。 Ｃ＋ 关键词 ：电路板钻孔机 ；运动控制板卡 ；全闭环系统 中图分类号 ：Ｔ ２ ３ Ｐ ７ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１０ — ８ １ （０ ２ ０ １ ３ ８ ２ １ ）８—１ １ ３ —３
电路板钻孔机钻头的转速和进给速度对于孔壁的
平 台、光栅尺 、数据采集卡等组成 ，构 成了全 闭环交 流伺服运动控制系统 ，结构框 图如 图 １ 所示 。
Ｐ机 Ｃ
通 用
质量来说至关重要 。要设 定正确 的钻孔 工艺参 数 ，就 必须 了解所采用 的基板材料 的性质和特点 ，否则所设 定 的工艺参数如转速 、进给速度等不正确 ，所 钻的孔 就达不到技术要求 ，严重 的会造成孔壁环氧钻污或拉
Ａ ｓ ａｔ ｒｌ ｇｉ ｏ ｅｏ ｋｙｐｏｅｓｓ ｎｐ ｎｅ ｉ ｕｔ ｏｒ （ Ｃ ｂｔ ｃ：Ｄｉｉ ｎ ｆ ｅ ｒｃｓｅ ｒ ｔｄｃ ｃｉｂａｄ Ｐ Ｂ）ｍ ｎｆｃｕ ｎ ． Ｄ ｒ ｇｔｅｄ ｌｎ ｒ ｅｓ ｈ ａ ｒ ｌｎ ｓ ｉ ｉ ｒ ａｕａｔｒ ｇ ｕ ｎ ｒｌ ｇｐｏ ｓ，ｔｅｍ ｉ ｉ ｉ ｈ ｉｉ ｃ ｎ
ｌｄｅｉｎ ｄ １ ６．ｃ ｒ 。 ｉ ｌａ ｇｓ ＠ ２ ｏ ｎ
・
１ ２・ ３
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机床 与液压
第４ ０卷
２ ０Ｖ；绕组 为星型接 法 ；编码 器选用 ５线制增 量式 ０ 编码器 ，分辨率 为 １ ０ ，脉冲数为 ２５０ｐ ｒ ００ ０ ０ ／ 。选用
松下 Ｐ ｎｓｎ ａａｏｉ ｃ脉冲控制专用驱动器 ，其型号为 Ｍ Ｄ Ａ — Ｄ １０ ０ ３ Ｔ ２ ７ ０ ，主要参数 为 ：最 大 瞬时输 出 电流 １ ０ Ａ； 电源单相 ２ ０Ｖ，电流检 测 器 的额定 电流 为 ７ ５ Ａ ０ ． 。
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｕｉ ａ ｄ Ｄｒｌｉ ａ ｈ ｎ ｎｔ ｏ ｓｇ ｆＣｉ ｃ ｔＢｏ ｒ ｉ ｎｇ Ｍ ｃ ｉ ｅ Ｃｏ ｒ ｌ ｌ
Ｓ ｓ ｅ Ｂａ ｅ ｎ ｏ ｉ ｎ ｎ ｒ ｌＢｏ ｒ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ Ｍ ｔｏ Ｃｏ ｔ ｏ ａ ｄ
ＬＩＤｅｉｎ ｌａ ｇ， Ｓ ＨＵ ｉ ｉ ｇ Ｚｈ ｂ ｎ
伤 ，以致在后工序沉铜或 电镀过程 中产生空洞 、镀瘤 等缺 陷。 根据这种情况 ，必须采用工艺试验法 ，也就是对
Ａ
一
雹 里堡
图 １ 系统 的结构框 图
滚 珠 机械 丝 杠
平 台
１ １ 控 制 系统 的硬件 组成 ． 该控制 系统 的 硬件 部 分 由通 用 Ｐ Ｃ机 、Ａ Ｔ ５ Ｄ ８０ 运动控制板 卡 、交流伺服驱动器 、光栅尺及数据采集
硬 件 组 成 总体 结 构 如 图 ２所 示 。
其中 ：Ｆ为编码器分辨率 ； 为电机每转 一周所需脉 冲数 。
该系统 中 ，编码 器分 辨率 为 ｌ ０ （ 用 ４倍 Ｏ０ ０ 采
频 ，２ ５０ ×４） 设 定 Ｐ ８ ： ｌ ０ ， Ｐ４ ＝ ２ ０ ， ｒ ４ ０ ００ ｒＡ ，
收 稿 日期 ：２ １ — ４— ２ ０ １ ０ ０
额定 频率为 ２０Ｈ ；额定 转速为 ３ ０ ｍｎ ０ ｚ ０ｒ ｉ；额定转 ０ ／ 矩 为 ０ ６ ｍ；最 大 转矩 为 １９ ｍ；相 电压 为 ． ４Ｎ・ ． １Ｎ・
作者简介 ：李 德亮 （ ９ ７ ） １ ８ 一 ，男 ，硕士研 究生 ，主 要研究 方 向为运 动控 制技术 、数 控系 统 、机 电一体 化 。Ｅ—ｍ ｉ ａｌ ：
２ 控 制 系统 的软 件设计
２ １ 软件 总体 构 架 ．
电路板钻孔机的控制 系统软件部分 由程序 的初始
化模块 、Ｃ Ｄ设计 模块 和钻 孔模 块 以及 检测 信号 的 Ａ 误差 比较 ４大模块组成 。在钻孔过程中 ，为了安 全起 见 ，还设置了软件 限位 的功能。系统软件 的总体构架
ｆｃ ｏ ｓｉ ａ ｔ ｇ ｈ ｌ — ａ ｌ ｕ ｌ ｙ ａ ｅ ｄ ｌ ｎ ｐ ｅ ｎ ｅ ｄ ｎ ａｅ Ａ ｉｃ ｉ ｂ ａ ｄ ｄ ｌ ｎ ｃ ｉｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｎ ｍｏ ａ ｔｒ ｍｐ ｃｉ ｏ ｅ ｗ ｌ Ｓｑ ａｉ ｒ ｒ ｌ ｇ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｆｅ ｉ ｇ ｒ ｔ ． ｎ ’ ｔ ｉ ｉ ｃｒ ｕｔ ｏ ｒ ｒ ｌ ｇ ｍａ ｈ ｎ ｏ ｔｏ ｓ ｉ ｉ ｓ ｅ ｂ ｓｄ ｏ — ｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｒ Ｔ ５ ｅ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｉ ｏ ｔ ａｄ ＡＤ ８ ０ ｗ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ， ｈ ｇ ｌ ｈ ｉｇ ｔ ｅ ｃ ｎ ｒｌｓ ｓｅ Ｓ ｈ ｄ ｒ ｏ ｏ ｉ ｏ ｎ ｏｔ ｒ ｒｈ ｔｃ ｕ ｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ｏ ｏｂ ｉｈ ｉ ｔ ｈ ｏ ｔ ｙ ｔｍ’ ａ ｗａｅ ｃ ｍｐ ｓ ｉｎ ａ ｄ ｓ ｆ ｇ ｎ ｏ ｒ ｔ ｗａ ｅ ａｃ ｉ ｔ ｒ ａ ｅ ｎ ｅ Ｖ ＋＋． Ｉ ｈ ｙ ｔ ｍ ．ｔ ｅ ｄ ｔｃ ｉｎ ｓｇ ａ ｆ ｐ ｉ ａ ｇａ ｉ ｇｗａ ｓ ｄ ａ ｅ ｄ ａ ｋ ｓ ｎ ｎ ｎ ｅ ｔ ｅ ｃｏ ｅ — ｏ ｙ ｔｍ ｓｃ ｎ ｔ Ｃ ｎ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｈ ｅｅ ｔ ｉ ｎ ｌ ｔ ｌ ｒ ｔ ｓ ｕ ｅ ｓｆ ｅ ｂ ｃ ｉ ａ ａ ｄ ａ ｎ ｉ ｌｓ ｄ ｌ ｐ ｓ ｓ ｏ ｏｏ ｃ ｎ ｇｌ ｒ ｏ ｅ ｗａ ｏ ｓｉ — ｔｔ ｄ ｔ ｎ ａ ｃ ｈ ｏ ｔ ｌｓ ｓｅ Ｓｍａ ｈ ｎ ｎ ｃ ｕ ａ ｙ ｕ ｅ ｏ ｅ ｈ ｎ ｅ ｔｅ ｃ ｎ ｒ ｙ ｔｍ’ ｏ ｃ ｉｉ ｇ ａ ｃ ｒ ｃ ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｃ ｒ ｕｔｂ ａ ｄ ｄ ｌ ｎ ｃ ｉ ｅ；Ｍｏｉ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｒ Ｅ ｔ ｅ ｃｏ ｅ — ｏ ｙ ｔｍ ｙ ｒｓ ｉｃ ｉ ｏ ｒ ｒ ｌ ｇ ｍａ ｈ ｎ ｉ ｉ ｔ ｏ ｔｏ ａｄ； ｎ ｉ ｌ ｓ ｄ ｌ ｐ ｓ ｓ ｏ ｂ ｒ ｏ ｅ
卡构成 。运动控制板卡插在工控机 的 Ｐ Ｉ Ｃ 插槽 上 ，工 控机 向运动控制板 卡发 出各种运 动命令 ，通过伺服驱 动器驱动 、Ｙ 、Ｗ 四轴 电机 的 定量 运 动 ，其 中， 、ｚ Ｙ 轴负责控制放置 电路板 的平面运动 ，ｚ 负责控 轴 制装 有钻孔机 钻 头 的进 给速 度 ， 轴则 负 责控 制钻
２ ５ ０ ４ ＝６ ５ ｐ ０ ／ ２ ／ｍｍ 。
１３ 加 工前的 准备 工作 ． 在钻孔 工序 中 ，其他影响孔壁质量 的因素也必须 予 以重视和控制 ，如钻头 的质量及钻孔 过程所使用 的
上盖板下垫板材料 、钻孔过程的吸尘系统和叠层 的数 量等。 准备工作包括 ： （ ）根据基 板 的厚 度进 行 叠层 （ 常 采用 １６ １ 通 ． （ ）按照工艺文件要求 ，将 冲好定位孔 的盖板 、 ２ 基板按顺 序进行 放置 ，并 固定 在机床 上规定 的部位 ， 再用胶带格 四边 固定 ，以免移动 。
２１ ０ ２年 ４月
机床与液压
Ｍ ＡＣＨＩ ＮＥ ００Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ Ｔ Ｉ
Ａｐ ． ０１ ｒ２ ２
第４ ０卷 第 ８ 期
Ｖｏ． ０ Ｎｏ ８ １４ ．
ＤＯ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ Ｉ ０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ ０ ． ４ ｓ ８ １２ １．８ ０ ７
、
孔机 钻头的转速。 该 系 统 选 用 的 是 大 惯 量 永 磁 同 步 电 机 Ｍ ＭＤ ２ Ｐ Ｕ，其主要参 数 为 ：额定 功率 为 ２ ０ｗ； Ｈ ０２ １ ０
１ 电路板钻 孔 机 的控制 系统 总体 设计
该系统 由通 用 Ｐ ｃ机 、Ａ Ｔ ５ Ｄ ８０运 动 控 制 板 卡 、 交流伺服 电机及与之相对应 的伺服驱动器 、滚珠丝杠
进厂 的基板材料进行实验 ，设定不同的进给速度和转 速进行组合钻孔 ，再经化学沉铜后 ，采 用金相剖切法 对切片呈现 的孔镀层 图像与实物进行评估 ，确定最佳 的工艺参数范 围，以便在生产过程 中根据不同厂家供 应 的基板材料调整工艺参数 。 作者提 出一种新型 的基 于 Ａ Ｔ ５ Ｄ ８０运动控制板 卡 的电路板钻孑 机 的控制系统设计方案 。该控制系统具 Ｌ 有移动速度快 、加工范 围大 、精度高等优点 ，具有较 好 的推广应用价值 。
中。
（ ）按 照工艺 要求 找原 点 ，以确保 所 钻孔 精度 ３ 要求 ，然后 进行 自动钻孔 。 （ ）在使用钻头时要检查直径数据 ，避免搞错 。 ４
（ ）对所钻孔径大小 、数量应做 到心 里有数 。 ５ （ ）确定工艺参数如转速 、进给量 、切削速度等。 ６ （ ）在进 行 钻 孔 前 ，应 将 机 床 运 转 一 段 时 间 ， ７ 再进行正式钻孑作业 。 Ｌ
ｍ ｍ厚基板 ） ，叠层 数为 ３ 。 块
０ ２ Ｕ ２ Ｐ１
图 ２ 系统硬件 总体结构
“ Ｃ＋运 动控制 卡” 的控制方 案采 用通用 的 Ｐ Ｐ Ｃ
机结合 运动控 制板卡完成插补计算 、速度控制 、位置 控制等实时控 制任务 。在 四轴伺服运 动控制 系统 中 ， 伺 服电机驱动器接 受板卡发 送 的脉 冲驱动 电机转 动 ， 电机带 动滚珠 丝杠 ，进而带动机械平 台移动 ，完成相 应的插 补、加工等动作 ，同时伺服驱动器接受光栅尺 的反馈 信号 ，构成一个全 闭环控制 系统 ，系统精度较 高 ，稳定性能好 。 Ａ Ｔ５ Ｄ ８ ０运动控制板卡是 电路板 钻孔机控 制 系统 的主要 控 制部 件 ，广泛 应用 于仿 形 铣床 、数控 雕铣 机 、数 控切 割机 、加 工 中心 、涂 胶机 、电路 板加 工 、 机器人 控制 、三坐标 测 量机 等多 种 自动化 控 制设 备