PCB多軸級聯鉆機支撐結構減振分析

王志剛 ，陳百強，宋福民，王 星 ，何 玲，譚艷萍

(1.深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳 518060；2.深圳市大族數控科技有限公司，廣東深圳 518052；3.海南軟件職業技術學院，海南瓊海 517400)

近10年隨著移動終端市場的持續火熱，為順應智慧型手機、筆記本電腦、電腦主板、數碼產品、液晶顯示器等電子消費品的多功能化、小型化、輕量化和高可靠性的要求和發展趨勢，印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）也向著高密度化、高集成、封裝化、微細化、多層化方向發展[1]；向著線寬線距及焊盤小型化，導通孔向準100 μm以下，焊盤直徑向 準300 μm 以下，導線的 L/S≤80 μm，介質層厚度小于80 μm，孔位精度向準75 μm以內等發展[2]，促使PCB制造中關鍵設備PCB數控鉆孔機也向高速、高精密、高可靠性發展。據相關研究表明：在合適的穩定條件下，PCB數控鉆孔機都能獲得好的鉆孔精度并能實現鉆微小孔。關鍵是如何掌握和改進機械振動特性，也就是控制鉆孔系統的三維穩定性。因為PCB鉆孔加工的特點決定運動行程短頻繁起停造成高速準確定位比較困難，系統的振動和動態特性異常會造成孔位偏移，嚴重不穩定會造成鉆頭損壞，具體如圖1和圖2所示[3]。根據圖1、2可以看出X、Y軸的動態偏差直接會反映到孔位誤差上，當PCB數控鉆孔機的孔位定位軸X、Y軸出現振動偏差時，會破壞孔位精度并損壞鉆頭，因而改善系統動態特性達到良好的抗振性和吸振性尤為重要。

1 支撐結構

圖1 穩定條件下的鉆孔

圖2 不穩定條件下的鉆孔

基于效率和成本的考量，PCB數控鉆孔機采用最多的主體結構是龍門式框架基礎件結構和多Z軸級聯的結構設計。其中龍門式基礎件結構材料根據資源和成本的考慮有天然花崗石、米漢納鑄鐵、人造石的不同材料，但都具有吸振性良好、彈性模量高、熱變性小、比剛度高、高阻尼等特點。目前在日本和臺灣地區的PCB數控鉆孔機由于石材資源有限，龍門式框架基礎件材料多采用米漢納鑄鐵材料，而在歐洲地區由于化工水平比較高，龍門式框架基礎件材料多采用人造石。至于國內精密數控鉆孔機的龍門式框架基礎件材料則普遍采用天然花崗石材料。不同材料的龍門式框架基礎件采用的支撐結構也不盡相同，表1列舉了市場主流的PCB數控鉆孔機龍門式框架基礎件支撐結構。

表1 目前市場主流的數控鉆孔機支撐結構配置

支撐結構是支撐PCB數控鉆孔機并調節機床至水平狀態的重要部件。主要放置于PCB數控鉆孔機底部與地面（或地基）之間，其作用有三：一是用于調整PCB數控鉆孔機設備的水平狀態；二是使PCB數控鉆孔機設備與地基形成固定聯結或者彈性聯接并隔離振動；三是防止外部振源的振動傳至PCB數控鉆孔機設備本體、降低噪音[4]。支撐結構的優良與否影響PCB數控鉆孔機的振動、精度、壽命等。差的支撐會導致機床產生劇烈振動，進而產生較大噪聲，影響機床精度、協調性和壽命等。

針對不同材料的龍門式框架基礎件結構，支撐結構的形式各異。米漢納鑄鐵材料的龍門式框架基礎件普遍采用如圖3所示的結構形式。米漢納鑄鐵材料結構床身能在鑄造時直接鑄出支撐部位，此結構調節方便，并具有一定的調心作用，可應付地面有小斜度不平整的情況，實現調整設備的水平狀態，隔離振動的功能[5]。

圖3 支撐結構形式1

圖4 支撐結構形式2

國內精密PCB數控鉆孔機的龍門式框架基礎件普遍采用天然花崗石材料。如果依舊使用圖3的支撐結構形式，則需要在支撐位加工出孔位，內嵌粘結入螺紋套。而天然花崗巖的加工相對較困難。為此，業界普遍采用外置式的支撐結構，直接將機床放置于支撐結構上，并作相關調平即可。普遍使用的支撐結構有兩種形式（為方便，下文分別稱兩種支撐結構為兩層支撐結構和三層支撐結構），如圖5和圖6所示。

圖5 兩層支撐結構

圖6 三層支撐結構

圖5所示的兩層支撐結構由3個部分組成，上滑塊、下支撐塊和調節螺桿。下支撐塊與地面接觸不動，上滑塊與龍門式框架基礎件接觸運動。調節時，在上滑塊和下支撐塊間的斜面作用下，調節螺桿的旋轉拖動上滑塊產生水平和豎直方向的運動。如圖6所示的三層支撐結構由5個部分組成，上支撐塊、中滑塊、下支撐塊、調節螺桿和調節螺桿滑塊。上支撐塊與機床接觸不動，下支撐塊與地面接觸不動，中滑塊與上下支撐塊接觸運動。調節時，上下支撐塊作為調節螺桿滑塊的兩支點，螺桿的旋轉使調節螺桿水平移動，進而推動中滑塊運動，加上斜面的作用，最終實現支撐結構升降的效果。

2 外置式支撐結構振動測試分析

兩種外置式支撐結構普遍為業界使用[6][7]，實際使用過程中兩種結構類似的支撐結構狀態下的PCB數控鉆孔機性能存在一定差異。高速高精PCB多軸級聯六軸數控鉆孔機（機床總重約13噸。通過8個支撐結構支撐。如圖7和圖8所示），在六個主軸以每分鐘500次左右的頻率上下持續激勵工作臺面時，會發現用兩層支撐結構支撐的機器比用三層支撐結構支撐的機器振動大，且機器運行起來的噪聲大。而且用兩層支撐結構并調完水平的機床，過一段時間后，時而會出現有若干個支撐結構虛空的情況。

圖7 天然花崗石龍門式機架

圖8 支撐結構分布圖

使用振動測試儀和激光干涉儀分別對更換支撐結構前后PCB數控鉆孔機整機的振動頻率和橫梁頂端的前后擺幅進行測試。截取一次測試結果如圖9和圖10所示，圖中虛線為兩層支撐結構下測試結果，實線為三層支撐結構下測試結果，X向指機床的左右方向，Y向指機床的前后方向。

由圖9（其中左圖為兩層支撐結構下測試，右圖為三層支撐結構下測試）可知兩層支撐結構下，橫梁和床身在低頻處最大振動幅值發生在24 Hz左右。三層支撐結構下，橫梁和床身在低頻處最大振動幅值則發生在29 Hz左右。相同激勵條件下，兩層支撐結構處的剛度較低，導致能量在低頻釋放較大；而三層支撐結構處的剛度較高，所以能量在高頻釋放相對較大。經多次驗證測試，發現三層支撐結構下的整機頻率一般能比兩層支撐結構下的高5～10 Hz。所以不同的兩種外置式支撐結構會導致機床整體振動不一致。

利用激光干涉儀測量PCB數控鉆孔機的橫梁頂端前后方向的振幅，結果如圖10所示。兩層支撐結構下，橫梁上端部前后方向擺幅在±30 μm以內，而三層支撐結構下的擺幅在±15 μm以內。經多次測試驗證，發現三層支撐結構下的橫梁上端部前后方向擺幅一般能比兩層支撐結構下的擺幅小10～15 μm。

由上述驗證測試，確認兩種支撐結構支撐下的機器確實存在差別。機床的振動小帶來的好處是噪聲小、精度好、穩定性高、壽命長[8]。針對兩種支撐結構的支撐出現不同情況，經分析得知，兩層支撐結構可能發生了虛空（宏觀位移和自身變形），導致接觸面減少，而三層支撐結構只發生自身變形，接觸面比兩層支撐結構下的大。

圖9 更換支撐結構前后橫梁和床身的振動響應曲線對比

圖10 橫梁頂端前后方向擺動幅值

3 外置式支撐結構仿真分析

為了揭示支撐結構的變形情況與支撐結構形式導致PCB數控鉆孔機動態性能產生差異的原因，采用仿真的方法獲取結構變形以及模態頻率。仿真與測試是一個相輔相成的過程，仿真可以為測試提供預先預知的能力和需要重點測試改進的對象等，而且能與測試結果對應起來，兩者相互提供支持與驗證[9]。

仿真時，支撐結構接觸面多，涉及大量的運算，為研究支撐結構的細節部分，此處僅針對一個支撐結構進行仿真，且在該支撐結構上施加3噸的載荷。因為床身跟支撐結構接觸部分永遠不可能為整個支撐結構面，總是一小部分接觸而已，故載荷施加在支撐結構面的中間一小部分區域。仿真條件設置如表2所示。

分別在支撐結構中間部位添加垂直壓力30 kN；支撐結構內部的接觸面定義接觸，接觸屬性為法向硬接觸，切向定義Penalty摩擦，摩擦系數為0.2；支撐結構和地面接觸面定義接觸，接觸屬性為法向硬接觸，切向定義Penalty摩擦，摩擦系數為0.4。分析共定義3個分析步，前兩個為靜力學分析算法，第三個為模態提取分析算法[10]。在第一個分析步中，施加重力，讓支撐結構接觸面貼合；第二個分析步施加載荷30 000 N；第三個分析步為受力接觸狀態下的頻率陣型。PCB多軸級聯六軸數控鉆孔機的六個主軸上下運動，激勵主要在上下方向，提取的陣型為上下方向的陣型，仿真結果如表3所示。

從表3可知，在3噸載荷作用下，三層支撐結構變形稍小，為23 μm，在載荷作用區域。理想情況下，三層支撐結構在上下方向的起振頻率高。

經過仿真與測試，兩層支撐結構下，上滑塊和下支撐塊以及床身之間在調試過程始終存在間隙。分析可知，下支撐塊的底面與水平面成一定角度。床身壓上上滑塊頂面后，上滑塊與下支撐塊以及床身之間存在間隙，故此時接觸面變小。調節時，上滑塊與床身接觸面的摩擦和上滑塊與下支撐塊接觸面的摩擦情況不同，加上調節螺桿時產生偏心力，上滑塊總是以螺桿長度為半徑做平動和轉動的復合運動。所以間隙的產生不僅包括上滑塊自身變形部分而且存在宏觀的位移。宏觀的位移可能使間隙減小，但經多次仿真測試后分析發現，間隙增大的概率比減小的概率大很多。也即地面存在一定角度，加上多點支撐和床身變形共同影響，最終一定會有間隙存在，而且間隙變大的概率比減小的大。

表2 仿真參數

表3 靜力學和模態分析結果

三層支撐結構移動部件位于中間部分，這樣接觸面屬性一致。加上中間調節螺桿滑塊與上下支撐塊的圓孔之間存在較大的間隙，無法構成上支撐塊的轉動點。此時間隙僅來自支撐結構自身的變形，不存在宏觀的位移，也就是說除了自身的變形外，床身的作用，支撐結構的各個面間是貼合的。此接觸面情況比兩層支撐結構的好。

支撐結構調平后，兩層支撐結構接觸面存在間隙。機器運行，在激勵的作用下，能量往支撐結構處不斷傳遞，支撐結構不斷震顫，如此間隙會有一定程度的減小，使得原本支撐住床身的支撐結構出現松動，最終導致支撐結構虛支。

4 結 論

兩層支撐結構和三層支撐結構在3噸載荷作用下自身最大變形分別為32 μm和23 μm，位于載荷作用區域。載荷作用下，三層支撐結構的剛度較兩層支撐結構的高。兩層支撐結構較三層支撐結構存在大間隙，由地面不水平、接觸面摩擦差異、螺桿轉動支點、多點支撐和床身變形共同所致，所以，三層支撐結構對于降低PCB數控鉆孔機的振動，減小噪音，提升整機動態性能效果明顯。

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