专利名称：一种pcb钻机最优钻孔参数获取方法及钻孔测试系统的制作方法
一种PCB钻机最优钻孔参数获取方法及钻孔测试系统
技术领域：
本发明涉及到PCB机床行业，尤其是针对不同PCB板材和微钻头情况下，获取机床的最优钻孔参数的方法，同时也提供对应使用上述方法的钻孔测试系统。
背景技术：
目前，行业上普遍使用的获取最优钻孔参数的方法是通过所有不同钻孔参数的组合，一组一组进行实验测试，最后通过检测获取最优钻孔参数。详细地说，机床上钻孔参数的设置有很多，如主轴转速S、进刀速F、刀具直径D、刀长补偿Z、刀具寿命N……。如此多的影响钻孔效率和孔品质的钻孔参数，不过大部分的钻孔参数设置均受制于刀具和板材，只有主轴转速S和进刀速F受制于机床。所以在获取最优钻孔参数过程中，目前的方法是针对不同板材和刀具，通过S与F的所有不同组合一一进行打板，并将所打板进行CPK和孔壁 粗糙度等方面的检测，最后通过一一对比，找出最优钻孔参数，如图Ia所示。如此做法不太现实，不仅费时、费力且浪费大量的财力。虽然可以根据钻孔情况优化一下组合情况，不过还是无法解决效率问题。
发明内容为了克服目前测试方法浪费人力物力财力方面的不足，本发明提供一种新型的测试方法，该测试方法不仅能快速有效地找到适合钻机的最优钻孔参数，而且此方法简单易行，使用少量板材和钻头便可在短时间内找到适合钻机的最优钻孔参数。本发明提供的测试方法为一种PCB钻机最优钻孔参数获取方法，需要对钻孔时X、Y、z方向进行钻孔切削力测试，其中，Χ、Υ方向合成XY方向为平面方向，Z方向为垂直方向，其包括的步骤有根据PCB钻机、板材和钻孔刀具的类型，设定Z方向的参数，测试该方向的最优切削力；以所述的第一最优参数作为XY方向的标准钻孔参数，设定该平面方向的参数，测试该方向的最优切削力；根据第一最优参数和第二最优参数，经过数据处理后，得出最优钻孔参数；对最优钻孔参数进行验证测试。本发明的另一目的是提供一种对应使用上述PCB钻机最优钻孔参数获取方法的PCB钻孔测试系统，其包括测力装置、钻孔机床，测力装置安装在钻孔机床上。本发明的有益效果是，可以在短时间内找到在不同板材和不同微钻头情况下的适合钻机的最优钻孔参数，提闻钻机钻孔效率、精度和加工范围，减小微钻头断钻率和废品率，进而提高钻机的市场竞争力。而该系统可以使钻孔受力测试和钻孔加工同在一机床上进行，实现加工和测试设备一体化。
下面参照附图结合实施方式对本发明进一步的描述。图Ia是旧获取PCB钻机最优钻孔参数方法的步骤图；图Ib是新获取PCB钻机最优钻孔参数方法的步骤图2是本发明实施例I中的测试PCB钻机最优钻孔参数获取方法的步骤图；图3是本发明实施例2中的测试PCB钻机Z方向的切削力的步骤图；图4是本发明实施例2中的测试PCB钻机XY方向的切削力的步骤图；图5是本发明实施例3中的测力计原理图；图6a是本发明实施例3中的Z方向的受力分析图；图6b是图6a中Z方向某一单孔的受力放大图；图7a是本发明实施例3中的S不变-F变化-Z向受力数据处理图；图7b是本发明实施例3中的F不变-S变化-Z向受力数据处理图； 图8a是本发明实施例3中的X方向的受力分析图；图8b是本发明实施例3中的Y方向的受力分析图；图8c是图8a和图8b的同坐标受力对比分析图；图9是本发明实施例3中的X方向和Y方向的受力数据处理图；图10是本发明实施例3得出的最优最优钻孔参数的CPK孔位精度测试图；图11是本发明实施例4的钻孔测试系统立体示意图。
具体实施例为本发明的目的、技术方案及优点更加清楚表达，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。随着信息技术的快速发展，PCB印制电路板越来越微型化，使得向微型孔加工提出了巨大的挑战。在众多的微型孔加工方法中，应用最广泛、经济效益最高的仍是机械钻孔。所以需对微钻头的切削状态进行研究。切削力被认为是最能够代表微小钻头切削状态的信号。最终归结到一点就是对切削力进行测试分析。本发明解决技术问题采用的技术方案是通过测力平台研究微钻头的三维切削力以把握微钻头切削状态，从而找到适合PCB钻机针对PCB板材和微钻头的最优钻孔参数。前面所述，对于垂直的Z方向，S与F是受制于机床的钻孔参数，本发明通过测力平台，在不同PCB板材和微钻头情况下，单独改变S与单独改变F，测试不同S与F情况下的微钻头切削力，绘制出两条曲线，逐渐逼近，最终获取该方向的最优参数；对于平面的XY方向，采用S与F同时变化，测试不同S与F情况下的微钻头切削力，绘制出一条曲线，得出该方向的最优参数。最后结合两方向的最优参数得出最优钻孔参数。以下结合具体实施例对本发明的具体实施方式
进行详细的描述。实施例1，如图2所示的本发明的PCB钻机最优钻孔参数获取方法需要对钻孔时X、Y、Z方向进行钻孔切削力测试，其中，X、Y方向合成XY方向为平面方向，Z方向为垂直方向，本发明方法的工作原理为SlOl先根据PCB钻机、板材和钻孔刀具的类型，设定Z方向的参数，测试该方向的最优切削力该参数包括主轴转速S和进刀速F的标准钻孔参数、变化范围以及该变化范围内的若干组钻孔参数组合，对Z方向进行钻孔的切削力测试，得出该方向的第一最优参数；S102以所述的第一最优参数作为XY方向的标准钻孔参数，设定该平面方向的参数，测试该方向的最优切削力该参数包括主轴转速S、进刀速F的变化范围以及该变化范围内的若干组钻孔参数组合，对XY方向进行钻孔的切削力测试，得出该方向的第二最优参数；S103根据第一最优参数和第二最优参数，经过数据处理后，最终得出最优钻孔参数；S104对最优钻孔参数进行验证测试。如图Ib所示，该方法不需要逐一对每个钻孔进行测试，只要对应参数进行受力测试，将测试的受力值进行数据处理，便可得到最优钻孔参数。实施例2，在实施例I的基础上，对本发明的PCB钻机最优钻孔参数获取方法深入描述。
为提高测试效率，对于垂直的Z方向和平面的XY方向采取不同的参数变化方式。对于Z方向，确定标准钻孔参数后，针对主轴转速S和进刀速F单独变化来设定变化范围以及该变化范围内的若干组钻孔参数组合。如图3所示，对于测试Z方向切削力的工作步骤S201对应主轴转速S和进刀速F的单独变化的各组参数，每组参数测试若干个钻孔；S202利用每个钻孔的放大受力图估值，得出每组参数的受力平均值；S203把各组参数的受力平均值连成曲线，得出的最小值的对应参数为该方向的第一最优参数。对于XY方向，是以所述的第一最优参数作为XY方向的标准钻孔参数的，同步变化S和F的值，在本实施例中是同时同向同比例变化。如图4所示，对于测试XY方向切削力的工作步骤 S301对应主轴转速S和进刀速F的变化，分别在X方向和Y方向上，对每组参数测试若干个钻孔；S302取每个钻孔的最大值，得出每组参数的最大值的受力平均值；S303对应同一组参数下X和Y两个方向最大值进行平方和开方计算后得到该组钻孔平面上的钻孔受力最大值；S304把各组的钻孔受力最大值连成曲线，得出最小值的对应参数为XY方向的第二最优参数。在本实施例中，最优钻孔参数为第一最优参数和第二最优参数的平均值。在本实施例中，最后的验证测试还包括对孔壁粗糙度和CPK值的验证测试。实施例3是结合上述实施例，以对FR-4普通双面板的钻孔作为例子，对本发明方法进一步描述。针对不同微钻头和PCB板材，根据机床性能设定S与F的变化范围。在PCB钻机上，钻孔板材为FR-4普通双面板,佑能Φ0. 3mm的钻头,设定S = 140Krpmin、F = 3. 20m/min为标准钻孔参数。由于微钻头切削力非常小且变化快，本发明采用的是Kistler高精密微型测力平台进行微钻孔切削力的测试。Kistler高精密微型测力平台最主要的两个组成部分是测力计和电荷放大器。测力计是利用压电石英晶体的纵向压电效应设计而成的压电力传感器。它通过测力计边角的四个三维力传感器测力Fx、Fy、Fz，如图5所示。
钻孔参数设定好后，完成板材和刀具的准备工作，便可进行钻孔切削力测试。对于Z方向的受力分析，如图6-7所示，以设定的标准钻孔参数，分别每次升高或降低5%，得出几组参数，每组参数钻孔6个，测力计得出每个孔的Z向受力曲线，如图6a，将曲线放大，对曲线的放大图进行平均值的估读，如图6b，得到每个孔的Z向受力值，最后将6个值进行平均，便得到此组参数打孔时的Z向受力值。将各组参数打板的Z向受力值结合起来，绘制出两条曲线，如图7a和7b，S不变-F变化-Z向受力图和F不变-S变化-Z向受力图。在S不变-F变化-Z向受力曲线上，可以看到，在对应F为3. 84m/min时的Z向受力值最�。�2. IN。在F不变-S变化-Z向受力曲线上，可以看到，在对应S为175Krpmin 时的Z向受力值最小。所以综合两组曲线，可以得到S = 175Krpmin F = 3. 84m/min为使Z向受力最小的最优钻孔参数。XY方向的受力分析,如图8-9所示,是以第一最优参数S = 175Krpmin F = 3. 84m/min作为XY方向的标准钻孔参数的，在取测试参数时，同步变化S和F的值，在本实施例中，同时同向上下变化5%。XY向受力曲线与Z向受力曲线不同。Z向受力是主轴下钻得到垂直方向的切削力，所以Z向受力曲线是在横轴以上部分变化的曲线。而XY向受力为水平面上的受力，所以XY向受力曲线是在围绕横轴来回波动的曲线。对应每组参数，分别在X方向和Y方向上，如图8a、8b，对每组参数测试若干个钻孔，通过测试发现，X向的受力曲线与Y向的受力曲线变化趋势基本一致，只是最大值会存在一些差异，如图Sc。钻削过程中，当微钻头受到一个很大的力作用时，即使作用时间较短，也会使孔的位置发生较大偏移以致孔品质降低。因此孔壁上凹凸最大的部分大多由XY向最大力所导致,故XY向力研究的是最大值。如图8，无论X向或是Y向，其受力曲线基本关于横轴对称，所以为了方便研究，可以只对横轴以上的曲线进行研究。取横轴以上部分曲线的每个孔的受力最大值，对所有孔受力最大值求平均值，得到X向和Y向受力曲线受力最大值的平均值；将两个方向的最大值的平均值做平方和开方的算术即得到该组参数的钻孔平面上的钻孔受力最大值。把求出的平面钻孔受力最大值连成曲线，如图9，得出的最小值的对应一组参数为第二最优参数。如图9,可以得到S = 175Krpmin、F = 3. 84m/min同样为使XY方向受力最小的最优参数。结合前边的Z向受力分析，最终找到最优钻孔参数。结合前边Z向受力分析，针对钻孔板材FR-4普通双面板和佑能Φ0. 3mm钻头，测试分析得到适合PCB钻机的最优钻孔参数为S = 175Krpmin、F = 3. 84m/min。此外，若是XY方向受力分析找到的第二最优参数与Z方向受力分析找到的第一最优参数的不一致的情况下，取该两个最优参数的平均值，经过验证这种取法是可取的。找到最优钻孔参数后，对孔壁粗糙度和CPK值进行检测。如使用前边找到的最优钻孔参数打几块精度板，检测孔壁粗糙度值一行业上要求孔壁粗糙度值在35 μ m以内。钻孔参数S= 175Krpmin、F = 3. 84m/min打板时测得孔壁粗糙度最大为24 μ m,达到行业需求。同样可以检测CPK值一行业上要求CPK值在I. 33以上，如图10，检测S175KrpminF3. 84m/min 和 S140KrpminF3. 20m/min 两组钻孔参数的打板的 CPK 值,其中 S =175Krpmin、F = 3. 84m/min钻孔参数的CPK值较标准参数打板的CPK值高，且达到行业要求。
所以最终可以验证S175KrpminF3. 84m/min确实为最优钻孔参数。所以从中可以说明，此快速寻找PCB钻机最优钻孔参数的方法是正确可行的。实施4，如图11所示，本发明还提供对应使用上述实施例的PCB钻机最优钻孔参数获取方法的PCB钻孔测试系统，其包括测力装置2、钻孔机床I，测力装置2安装在钻孔机床I上。该系统还包括固定工件3，通过固定工件3把测力装置2固定安装在钻孔机床I 上。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均属于本发明所保护的范围。
权利要求
1.一种PCB钻机最优钻孔参数获取方法，需要对钻孔时X、Y、Z方向进行钻孔切削力测试，其中，X、Y方向合成X Y方向为平面方向，Z方向为垂直方向，其特征在于，其包括的步骤有 步骤Α、根据PCB钻机、板材和钻孔刀具的类型，设定Z方向的参数，测试该方向的最优切削力该参数包括主轴转速S、进刀速F的标准钻孔参数和变化范围以及该变化范围内的若干组钻孔参数组合，对Z方向进行钻孔的切削力测试，得出该方向的第一最优参数； 步骤B、以所述的第一最优参数作为XY方向的标准钻孔参数，设定该平面方向的参数，测试该方向的最优切削力该参数包括主轴转速S和进刀速F的变化范围以及该变化范围内的若干组钻孔参数组合，对XY方向进行钻孔的切削力测试，得出该方向的第二最优参数； 步骤C、根据第一最优参数和第二最优参数，经过数据处理后，得出最优钻孔参数； 步骤D、对最优钻孔参数进行验证测试。
2.根据权利要求I所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于，步骤A中Z方向上的主轴转速S和进刀速F的标准钻孔参数的变化是针对主轴转速S和进刀速F单独变化。
3.根据权利要求I所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于，步骤A具体包括 对应主轴转速S和进刀速F的单独变化的各组参数，每组参数测试若干个钻孔； 利用每个钻孔的放大受力图估值，得出每组参数的受力平均值； 把各组参数的受力平均值连成曲线，得出的最小值的对应参数为该方向的第一最优参数。
4.根据权利要求I所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于，步骤B中XY方向上的主轴转速S和进刀速F的标准钻孔参数的变化是同步变化。
5.根据权利要求4所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于，步骤B中XY方向上的主轴转速S和进刀速F的标准钻孔参数的同步变化是同时同向同比例变化。
6.根据权利要求I或5所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于，步骤B具体包括 对应主轴转速S和进刀速F的变化，分别在X方向和Y方向上，每组参数测试若干个钻孔； 取每个钻孔的最大值，得出每组参数的最大值的平均值； 对应同一组参数下X和Y两个方向最大值进行平方和开方计算后得到该组钻孔平面上的钻孔受力最大值； 把各组的钻孔受力最大值连成曲线，得出最小值的对应参数为XY方向的第二最优参数； 最后对比各组值，最小值为XY方向的第二最优参数。
7.根据权利要求I所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于，步骤C中的最优钻孔参数为第一最优参数和第二最优参数的平均值。
8.根据权利要求I所述的PCB钻机最优钻孔参数获取方法，其特征在于步骤D所述的验证测试还包括对孔壁粗糙度和CPK值的测试。
9.一种PCB钻孔测试系统，其特征包括测力装置、钻孔机床，测力装置安装在钻孔机床上。
10.根据权利要求9所述的PCB钻孔测试系统，其特征还包括固定工件，把测力装置固定在钻孔机床上。
全文摘要
本发明提供一种PCB钻机最优钻孔参数获取方法及钻孔测试系统，需要对钻孔时X、Y、Z向进行钻孔切削力测试，其包括的步骤有根据PCB钻机、板材和钻孔刀具的类型，设定Z向的参数，测试该方向的最优切削力；以所述的第一最优参数作为XY向的标准钻孔参数，设定该平面方向的参数，测试该方向的最优切削力；根据第一最优参数和第二最优参数，经数据处理后，得出最优钻孔参数；对最优钻孔参数进行验证测试。该钻孔测试系统，包括测力装置、钻孔机床，测力装置安装在钻孔机床上。本发明的有益效果是可以在短时间内找到在不同板材和不同微钻头情况下的适合钻机的最优钻孔参数，提高钻机钻孔效率、精度和加工范围，减小微钻头断钻率和废品率。
文档编号G01N3/58GK102854079SQ20111018221
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者宋福民, 陈百强, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司, 深圳市大族数控科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
