PCB 数控钻孔机的气路系统设计与研究

何 玲，王志刚，吴恒玉

(1.海南软件职业技术学院，海南 琼海517400；2.深圳大学机电与控制工程学院，广东深圳518060；3.深圳市大族数控科技有限公司，广东深圳518052)

随着国家“十二五”规划，强调可持续发展的核心思想是经济发展，保护资源和保护生态环境协调一致，要把建立资源节约型和环境友好型社会作为推进可持续发展的重要着力点，特别关注的是各种经济活动的生态合理性，强调对资源、环境有利的经济活动应给予鼓励[1]。尽管气动技术具有高速、高效、清洁安全、低成本、易维护等优点[2]，但是，经空压机压缩后的空气，其中水气、尘埃、油雾等有害物质随同空气一起送到空气控制部分，这种高温高湿的空压气体对气动部件及管路将造成严重损蚀和污染，甚至会造成设备故障[3]，因此必须进行有效的过滤和净化，以及配合气动控制和执行元件的合理选择，才能保证整个空压系统的经济运行，干燥系统节能降耗，提高执行机构运行可靠性。

印制电路板钻孔是印制电路板生产过程中的重要工序，印制电路板钻孔要求速度快、效率高、精度准，这就要求PCB 数控钻孔机具有更高速旋转的气浮主轴和尽可能短的加工辅助时间，目前多数PCB 数控钻孔机采用比较多的方案是装配200 kr/min 以上气浮主轴，以实现钻头线速度的最大化，达到快速切削的目标；同时利用气压传动的速度快和响应快的特点，实现半自动、自动的工件夹紧，自动换刀等辅助功能。

1 PCB 数控钻孔机气路原理、系统组成及技术指标

PCB 数控钻孔机是钻孔工序的关键设备，对产品质量、产量等起着关键的作用。PCB 数控钻孔机要求供气系统提供稳定、可靠的气压和流量，否则将影响PCB 板后续制程的蚀刻、电镀、曝光等工序。气动控制系统与伺服系统不仅共同实现气浮主轴的启动和停止，还可以实现PCB 工件（覆铜板）的自动夹紧和松开。因此PCB 数控钻孔机的气源供气系统在电路板钻孔生产过程中起着极其重要的作用。

1.1 工作原理

PCB 数控钻孔机钻孔的一般流程是开机- 导入机器钻孔程式-打开气夹组件-固定好带销钉的PCB 覆铜板-关闭气夹-设定好机器钻孔参数-机械手系统自动取钻针送入主轴-刀径和刀长测量-压脚杯放下，主轴高速旋转-Z 轴高速快进后，工进钻孔-快退到快钻设定高度一直循环，直到完成钻孔作业。在上述动作过程中，都需要气动执行元件协助完成动作。PCB 数控钻孔机的气路系统与普通的气路系统一致，都是由气源装置、控制元件、执行元件、辅助元件组成，原理图如图1 所示。

图1 PCB 数控钻孔机钻孔气路图

1.2 PCB 数控钻孔机气路系统组成

PCB 数控钻孔机气路的系统组成见图1，是由空压机1、冷却器2、减压阀3（压力设定为0.8 MPa）和储气罐4 组成的气源装置，经过一级过滤5、空气干燥机6、单向截止阀7，储气罐8、二级过滤9、三级过滤10，将过滤干净的压缩空气通过减压阀11，带报警功能的压力开关12 组成的辅助元件，供气给执行元件——气浮主轴13，实现气浮主轴的高速旋转；从减压阀11，再经过减压阀14，给起工作台支撑作用的气浮垫15 供气；二级过滤9，减压阀16、带报警功能的压力开关17、二位二通的电控电磁阀18 和二位三通的电控电磁阀19 组成气浮夹头打开、关闭回路；由减压阀、二位三通的电控电磁阀和双作用气缸组成的回路可以实现气夹的打开、关闭；压脚杯的抬起、降低；吸尘阀的开启、关闭；刀具检测器清洁等辅助功能。

1.3 主要技术指标

PCB 数控钻孔机气路的主要技术指标是由气浮主轴决定，设计压力在0.7 MPa 以上，空气过滤颗粒精度小于1 μm、在20 ℃条件下，含油量小于0.01 mg/m3、运行气压的露点小于7.5 ℃。

2 气路关键元器件的选型和参数测试

2.1 执行元件的选型

PCB 数控机械钻孔机压脚杯气缸的主要功能在实现PCB 数控钻孔机自动换刀过程中，提起压脚杯，配合压脚杯压紧工件的作用。以压脚杯气缸的选型为例，通过FESTO 公司的计算和选型软件说明气动执行元件——气缸的选型过程，首先启动FESTO 的产品选型软件，点击“产品选型及计算工具”，如图2 所示，主要步骤有系统参数、气缸选择、选型、仿真和元器件清单。点击“通过ProPneu 进行气动产品的选型”，弹出如图3 所示对话框，选择“双作用气缸”，点击“继续”，根据实际使用工况进行系统参数输入和仿真分析，就可以选择合适的气缸，如图4、图5 所示。

图2 产品选型及计算工具

图3 双作用气缸

图4 系统参数输入

图5 系统仿真和参数优化

通过仿真结果显示，选择FESTO 公司的DSNU-16-25-P-A，可以满足工作要求，同时也可以选取SMC 公司CJ2B16-25Z 的微型气缸，如图6所示，或者如图7 所示的德国Rexroth 公司的ISO 6432 系列MNI-MR 的微型气缸R988050747。

2.2 控制元件的选型

在PCB 数控钻孔机气路系统中，使用最多的控制元件是二位五通的先导式电磁阀，通过计算气缸所需要的流量计算电磁阀流通能力，从而选定合适的通径。流通能力过小，作为先导式电磁阀难以在规定的时间里打开或关上受控的阀门；流通能力过大，电磁阀或其受控阀门的动作不一定理想，甚至出现险情，且造成选型设备上的浪费。

根据气缸缸径、行程、运行速度及使用压力计算出所需的耗气量[4]。

图6 SMC 公司CJ2B16-25Z 的微型气缸

图7 Rexroth 公司R988050747 的微型气缸

其中：Q 为气缸的最大耗气量；

D 为缸径；

Vmax为气缸的最大速度；

P 为使用压力。

根据所需的耗气量计算出的流通能力CV 值或有效流通面积S，即：

其中：Q 为自由流量；

P2为移动负载所需要的压力；

ΔP 为压力降。

根据以上公式计算结果，可以选择日本SMC 公司生产的SY3120-5LZD-M5 的二位5 通先导式电磁阀，如图8 所示，或者德国FESTO 公司生产的VUVG-L10-M52-RT-M5-1P3 的二位5通先导式电磁阀，如图9 所示，都可以满足工作要求。

2.3 主过滤系统的选型和参数测试

图8 SMC 公司SY3120-5LZD-M5 电磁阀

图9 FESTO 公司VUVG-L10-M52-RT-M5-1P3 电磁阀

空气压缩机的选用：选择空气压缩机主要以气压传动系统所需要的工作压力和流量为依据。各式空气压缩机的适用范围根据结构特点，活塞式空气压缩机适用于压力较高的中、小流量场合，离心式空气压缩机运转平稳、排气均匀，适用于低压、大流量的场合，螺杆式适用于低压力的中、小流量的场合，叶片式空气压缩机适用于低、中压力的中、小流量的场合[5]。

后冷却器安装在空气压缩机的出口，它的作用是将空气压缩机产生的高温压缩空气由140～170 ℃降低到40～50 ℃，使压缩空气中的油雾和水汽达到饱和，使其大部分析出并凝结成油滴和水滴分离出来，以便将其清除，达到初步净化压缩空气的目的[6]。

除油器的作用是分离压缩空气中凝聚的灰尘、水分和油分等杂质。

贮气罐的作用是消除排气压力波动，保证输出气流的稳定性；当空压机发生意外事故如突然停电时，贮气罐的压缩空气可作为应急动力源使用。

过滤器是保持工作介质清洁，使系统正常工作所不可缺少的辅助元件。过滤器的选择主要有三个指标，即过滤精度（过滤效率）、额定流量、压力损耗和能耗[7]；

空气干燥器的作用是吸收和排除压缩空气中的水分、油分和杂质。常用的是冷冻法和吸附法。冷冻式干燥器是使压缩空气冷却到一定的露点温度，析出空气中的水分。吸附式干燥器主要是利用具有吸附性能的吸附剂（如硅胶、活性氧化铝、焦碳、分子筛等物质）表面能够吸附水分的特性来清除水分的，从而达到干燥、过滤的目的[8]。

气浮主轴是PCB 数控钻孔机的关键零部件，气浮主轴由于没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定，能够在轴向和径向同时获得小于0.1 μm 的旋转精确性，提供极高的径向和轴向旋转精度。根据我们公司选用英国WESTWIND 公司生产的WW-1822 气浮主轴要求，空气过滤颗粒精度小于1 μm、在20 ℃条件下，含油量小于0.01 mg/m3、运行气压的露点小于7.5 ℃，在0.56 MPa 压力下，流量不小于75 L/min，如果空气温度过高或过低、含油或含水过多、空气流量不足、过滤器过滤颗粒能力不足、空气压力过高或过低，超出标准、空气压力不稳定，波动范围大，都有可能导致主轴严重故障。根据ISO8573.1：2001 压缩空气质量标准，要达到空气过滤颗粒精度小于1 μm，含油量小于0.01 mg/m3，属于1 级空气质量标准[9]。

参考日本SMC 推荐三级空气过滤装置，综合考虑选用日本SMC 公司生产的AFF8C-04D-T 的主管路过滤器（以级过滤）配合IDFA11E-23 的空气干燥机和AM350C-04D-T 油雾分离器以及AME350C-04 的超微雾分离器，第一级的过滤精度为3 μm，去除率为99%；第二级的过滤精度为0.3 μm，去除率为99%，出口油雾浓度最多1.0 mg/m3；第三级的过滤精度为0.01 μm，去除率为99.9%，出口油雾浓度最多0.01 mg/m3；能够满足流量和过滤精度的要求，具体配置如图10 所示。

图10 推荐配置SMC 品牌主路过滤系统配置图

基于成本的考量，亦可选用美国PARKER 公司旗下Domnick hunter 生产AO-025DBFX 的DH预过滤器配合SPL030 的冷冻式干燥机和AA-025DBFX 级 DH 精密过滤器以及两个ACS-015DBFX 级油蒸汽去除过滤器，第一级的过滤精度为1 μm，出口油雾浓度最多0.6 mg/m3，去除率为99.925%；第二级的过滤精度为0.01 μm，去除率为99.999%，出口油雾浓度最多0.01 mg/m3；第三级的过滤精度为0.01 μm，出口油雾浓度最多0.003 mg/m3，去除率为99.9999%；如图11 所示，这样就可以一套空气过滤系统配置两台PCB 数控钻孔机，实现节约成本的目的。

图11 美国PARKER 推荐的主路过滤系统配置图

图12 DRYCAP®手持式露点仪DM70

图13 PF2A703-10-28 的流量开关

图14 粒子计数器

隆力集团的HITACHI 机械钻孔机就是选用SMC 公司的AFF22C-10D-T 主路过滤器和IDFA22E-23 空气干燥机，以及AM550C-06D-T 油雾分离器以及AME350C-04 超微雾分离器，基于成本考量，实现两台机器配置一套空气过滤系统。

通过维萨拉DRYCAP®手持式露点仪DM70在冷冻式干燥机的出口实际测试运行气压的露点为6.5 ℃，如图12 所示，用SMC 公司生产PF2A703-10-28 的流量开关测量空气流量为970 L/min，如图13 所示，用粒子计数器测量高于1 μm 的小于100 个，如图14 所示，满足六轴PCB 数控钻孔机的设计要求。

4 结 论

针对PCB 数孔钻孔机的气体系统经过理论分析与设计，尤其是对几个关键元件选型作比较详细分析和计算，经过实际测试和长期进行，结果表明该气路系统设计稳定、可靠，在规定的条件下能够完成预定的功能，安全可靠的运行。

[1] 陈启复. 对我国气动工业现状与未来发展的思考[J].液压气动与密封，2012(1)：16-22.

[2] 姜继海，宋锦春，高常识.液压与气压传动[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[3] 刘金奎，吴永杰，冯媛媛. 气路设计在面粉厂中的应用. 工艺设备，2001(6)：15-17.

[4] Holger Korber，王荣桂，顾泓.减少压缩空气中的含油量[DB/OL]. http://mw.vogel.com.cn/news_view.htmlid=233405，2011-10-25.

[5] 吴振顺.气压传动与控制（第2 版）[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2011.30-40.

[6] 吴博.气压传动原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2010.20-30.

[7] 杨曙东. 液压传动与气压传动（第3 版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.60-80.

[8] 路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2002.156-168.

[9] ISO 8573-1，压缩空气-第1 部分，污染物和清洁度等级[S].