Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №5

ProtoMat H100 — новый станок для фрезеровки печатных плат

Петров Михаил


Начиная с 1976 года LPKF производит сверлильно-фрезерные станки семейства ProtoMat, позволяющие изготавливать печатные платы методом фрезеровки изолирующих дорожек на поверхности фольгированного материала. Последние модели станков семейства ProtoMat позволяли сверлить отверстия с минимальным диаметром 0,2 мм и формировать проводящие дорожки с минимальной шириной 100 мкм и такими же изолирующими промежутками между дорожками. Любое увеличение точности обработки печатной платы требовало отказа от механической фрезеровки заготовок и перехода к лазерным технологиям обработки материалов. Казалось бы, дальнейшее развитие семейства механических фрезерных станков уже невозможно. Но в середине 2003 года фирма LPKF представила совершенно новый механический станок — ProtoMat H100.

Сверлильно-фрезерные станки семейства ProtoMat

Прежде чем рассказать о новом станке, стоит оглянуться немного назад и посмотреть на конструкцию традиционного сверлильно-фрезерного станка последних лет выпуска. Модельный ряд станков достаточно широк — в настоящий момент выпускается около 10 различных моделей. Но, в сущности, все станки семейства ProtoMat устроены совершенно одинаково: литая алюминиевая плита, на которой при помощи двух направляющих штифтов закрепляется печатная плата, и прецизионный двухкоординатный привод с установленным на нем высокооборотным электродвигателем с цанговым зажимом для рабочего инструмента. Перемещение инструмента по третьей координате (подъем и опускание) осуществляется при помощи электромагнитного или пневматического привода. Но во всех случаях перемещение по оси Z осуществляется только в два крайних положения — инструмент полностью поднят или опущен до полного прижатия ограничителя глубины фрезеровки к печатной плате. Вылет рабочего инструмента относительно ограничителя глубины фрезеровки регулируется вручную непосредственно перед началом фрезеровки во всех станках с ручной сменой инструмента или путем напрессовки специальных упорных колец в станках с автоматической сменой инструмента.

Отдельные модели семейства различаются в основном площадью обрабатываемого материала и двигателями привода рабочего инструмента. Чем меньше ширина фрезеруемой дорожки, тем выше требуемая скорость вращения фрезы. Станки могут оснащаться как механическим, так и пневматическим приводом для перемещения рабочего инструмента по вертикальной оси. Но принципиальной разницы между ними нет. Просто механический привод проще и дешевле, а пневматический обеспечивает более плавное перемещение инструмента и обладает большим диапазоном перемещения по вертикальной оси.

Посмотрим внимательно на процесс изготовления печатной платы на самом совершенном станке выпускаемого модельного ряда — станке ProtoMat 95s/II с автоматической сменой инструмента. Тем более что именно он послужил отправной точкой для новой разработки. Исходные требования достаточно типичны для современной печатной платы с высокой плотностью монтажа — необходима по крайней мере двухслойная печатная плата, изготовленная не менее чем по 5-му классу точности.

Сначала потребуется правильно подготовить необходимые инструменты. Перед установкой в магазин, предназначенный для автоматической смены инструмента, необходимо напрессовать на каждый инструмент специальное упорное кольцо. Именно оно послужит упором при перемещении инструмента из магазина в зажимную цангу основной рабочей головки. От точности напрессовки кольца будет напрямую зависеть глубина обработки материала.

И здесь кроется первая большая проблема. Мало того, что кольцо должно напрессовываться с микронной точностью, сам процесс перемещения инструмента из магазина в рабочую головку совсем не прост. Для установки в магазин 30 рабочих инструментов их приходится располагать достаточно близко друг к другу. Поэтому захватить инструмент сразу рабочей головкой не представляется возможным, так как она окружена кольцом ограничителя глубины фрезеровки сравнительно большого диаметра. В результате инструмент захватывается специальным зажимом, вынимается из магазина и выносится в промежуточный захват в углу рабочего стола. А уже оттуда он зажимается непосредственно в рабочую головку. После окончания обработки инструмент в обратном порядке возвращается в магазин. Нетрудно предположить, что после серии таких операций упорное кольцо может немного сползти, соответственно нарушив точность установки инструмента. В результате приходится периодически прерывать автоматический режим работы станка и вручную корректировать глубину обработки. Похожая проблема существует и во всех моделях станков с ручной сменой инструмента. Просто в них вообще нет никаких упорных колец и после каждой смены инструмента по нескольким пробным дорожкам необходимо вручную отрегулировать глубину обработки.

Но вернемся к процессу обработки печатной платы. Итак, вы взяли заготовку из фольгированного стеклотекстолита, просверлили в ней два опорных отверстия и закрепили плату на направляющих штифтах рабочего стола. После этого запустили обработку печатной платы и сразу же столкнулись с другой проблемой. Причем часть ее оказалась для вас видимой, а другую вы не только не видите, но даже и не подозреваете о ее существовании.

Видимая часть проблемы состоит в самом способе закрепления печатной платы, не менявшемся на протяжении многих лет. Плата просто надевается опорными отверстиями на два направляющих штифта! Как бы точно ни были просверлены опорные отверстия, но все равно их надо прецизионно совместить с направляющими штифтами. Просверленные отверстия уже никак не переместить по плате, а значит надо обеспечить возможность перемещения направляющих штифтов. Поэтому они запрессовываются в пластмассовую планку, которую можно перемещать по специальному пазу в рабочем столе. А теперь представьте, что будет происходить при быстрой фрезеровке печатной платы. Возникающие при этом усилия будут пытаться развернуть плату на рабочем столе. И даже если предположить, что заготовка без люфта (!) закреплена на направляющих штифтах, то сами штифты запрессованы в сравнительно эластичную пластмассу! А все это еще и возводится в квадрат, когда необходимо изготовить двустороннюю печатную плату. После обработки одной стороны вы должны перевернуть плату и снова закрепить ее на штифтах. Если расположение штифтов смещено относительно нулевой точки координатной системы станка, то рисунок на второй стороне платы смещается относительно просверленных отверстий. Поэтому перед фрезеровкой потребуется вручную совместить рисунок с отверстиями по нескольким дополнительным отверстиям, просверленным за пределами рабочего участка заготовки.

Невидимая часть проблемы связана с электронным блоком управления координатным приводом и носит чисто исторический характер. Ведь первоначально сверлильно-фрезерные станки разрабатывались для изготовления сравнительно «грубых» печатных плат, разведенных по прямоугольной координатной сетке. Весь блок управления был построен на основе одного сравнительно низкопроизводительного микроконтроллера. Контроллер отвечает как за связь станка с персональным компьютером, так и за формирование необходимых траекторий перемещения рабочего инструмента и непосредственно за управление шаговыми двигателями. Невысокая производительности микроконтроллера ограничивает максимальную скорость управления шаговыми двигателями и, соответственно, скорость обработки платы. Кроме того, слабые вычислительные возможности не позволяют рассчитывать сложные траектории перемещения инструмента. В результате станок может обрабатывать только прямые линии, окружности и дуги. Причем без проблем обрабатываются только прямые линии, параллельные осям координат станка. А формирование наклонных линий (рис. 1) и дуг приводит к значительной потере точности и высокому уровню вибраций и шума из-за нестабильной скорости перемещения инструмента.

Рис. 1. Пример формирования наклонной линии на станке с традиционным блоком управления
Рис. 1. Пример формирования наклонной линии на станке с традиционным блоком управления
Таблица. Сравнительные характеристики станков ProtoMat 95s/II и ProtoMat H100
Таблица. Сравнительные характеристики станков ProtoMat 95s/II и ProtoMat H100
ProtoMat H100

Теперь расскажем о новом сверлильно-фрезерном станке ProtoMat H100, его возможностях и конструктивных особенностях.

Как уже отмечалось, за основу при разработке нового станка был взят хорошо зарекомендовавший себя на протяжении многих лет ProtoMat 95s/II с автоматической сменой инструмента. Сравнительные характеристики этих двух станков приведены в таблице.

Из приведенных параметров следует, что у нового станка значительно возросла точность позиционирования инструмента и скорость его перемещения. Таких параметров уже невозможно достичь при традиционной конструкции. В чем же состоит принципиальное отличие ProtoMat H100 от станков предыдущего поколения?

Первое — это рабочий стол с вакуумным креплением печатной платы. И хотя для обеспечения совместимости со станками предыдущего поколения на ProtoMat H100 установлена планка с направляющими штифтами, основным способом крепления платы, конечно же, является вакуумный стол. Сама конструкция вакуумного стола уже была опробована на выпускаемом LPKF оборудовании для лазерной обработки печатных плат. Так, в станке Microline Drill 600 заготовка печатной платы закрепляется во время обработки при помощи специального вакуумного стола с сотовой структурой ячеек. Использование нового способа крепления заготовки потребовало значительной переработки конструкции рабочего стола механического фрезерного станка и оснащения его мощной вакуумной системой. Одновременно эта же вакуумная система используется и для удаления пыли и стружки в рабочей зоне станка.

Рис. 2. Вакуумный стол станка ProtoMat H100 с частично снятым сотовым материалом
Рис. 2. Вакуумный стол станка ProtoMat H100 с частично снятым сотовым материалом

На правой стороне фотографии (рис. 2) хорошо видны опорные площадки с идущими между ними каналами вакуумпровода. Справа на заднем плане можно заметить большое круглое отверстие, через которое осуществляется отсос воздуха из-под сотового материала. На левой стороне фотографии показана оставшаяся часть вакуумного стола, оставленная в рабочем состоянии. На опорных площадках вакуумного стола уложен специальный полимерный материал с сотовой структурой ячеек.

Теперь достаточно просто положить заготовку печатной платы на поверхность рабочего стола и включить вакуумный насос. Образовавшимся разрежением печатная плата будет надежно прижата к поверхности стола. Сотовая структура ячеек и специально подобранный материал стола придают ему высокую жесткость, что исключает возможность даже малейшего перемещения заготовки в процессе фрезеровки. Одновременно с этим обеспечивается равномерный прижим и выравнивание материала заготовки по всей ее площади, благодаря чему значительно проще поддерживать стабильную глубину фрезеровки. Кроме того, преимущество нового способа крепления немаловажно при обработке гибких или комбинированных печатных плат: закрепить и обработать гибкую печатную плату на штифтах традиционного фрезерного станка практически не представляется возможным.

Необходимо отметить, что при использовании вакуумного стола не требуется никаких подкладочных материалов, призванных защитить станок от повреждения сверлом или фрезой. Сверление или фрезеровка сквозных пазов в печатной плате осуществляется прямо на поверхности вакуумного стола. Конечно же, в процессе работы сверло или фреза немного разрушит сотовый материал, поэтому после обработки нескольких печатных плат его просто-напросто потребуется заменить. На рис. 3 показан процесс снятия и установки сотового материала. Для этого не требуется никаких дополнительных навыков или специального инструмента. Использованный материал снимается вручную, и на его место укладывается новое покрытие, уже нарезанное на заготовки необходимого размера.

Рис. 3. Снятие и установка сотового материала на вакуумный стол
Рис. 3. Снятие и установка сотового материала на вакуумный стол

Второй интересный параметр в таблице появился в графе «Ограничитель глубины фрезеровки». До сих пор на всех сверлильно-фрезерных станках рабочая головка опускалась на заготовку до полного прижатия ограничителя глубины фрезеровки к печатной плате. А вылет рабочего инструмента относительно ограничителя глубины фрезеровки регулировался вручную по нескольким пробным дорожкам. И вдруг появляется «бесконтактный ограничитель с автоматической регулировкой глубины». Давайте посмотрим поближе на рабочую головку станка ProtoMat H100 (рис. 4).

На заднем плане фотографии виден сам привод рабочего инструмента с установленным на нем упорным кольцом ограничителя глубины фрезеровки. Почти прямо перед ним можно рассмотреть промежуточный захват, предназначенный для извлечения инструмента из магазина. Слева установлена видеокамера (о ней расскажем чуть позже); с правой стороны видна черная коробочка с подходящими к ней проводами. Это и есть привод узла автоматической регулировки глубины обработки.

Рис. 4. Рабочая головка станка ProtoMat H100
Рис. 4. Рабочая головка станка ProtoMat H100
Рис. 5. Промежуточный цанговый зажимс датчиком автоматической регулировки вылетарабочего инструмента
Рис. 5. Промежуточный цанговый зажим с датчиком автоматической регулировки вылета рабочего инструмента

Взглянем еще раз на рабочий стол. В правом, ближнем к магазину углу рабочего стола мы увидим отверстие, в глубине которого установлен традиционный для станков с автоматической сменой инструмента промежуточный цанговый зажим. Именно сюда специальным захватом на рабочей головке переносится инструмент из магазина. Здесь он вынимается из захвата и устанавливается в рабочую головку. Рядом с цанговым зажимом видна еще одна площадка. Это и есть датчик автоматической регулировки вылета рабочего инструмента. Как работает этот узел?

На рис. 6 показана последовательность автоматической регулировки глубины обработки. Из исходного положения (1) рабочая головка опускается вниз до полного прижатия ограничителя глубины фрезеровки к рабочему столу (2). После этого при помощи шагового двигателя начинает плавно увеличиваться вылет рабочего инструмента. Этот процесс продолжается до срабатывания датчика автоматической регулировки (3). В момент срабатывания датчика шаговый двигатель останавливается, и текущее его положение заносится в программу управления станком в качестве нулевой точки. На этом процесс регулировки заканчивается. Рабочая головка поднимается, с помощью того же шагового двигателя устанавливается необходимый рабочий вылет инструмента, и начинается обработка печатной платы. Благодаря тому, что процесс регулировки осуществляется после каждой смены инструмента, не только отпадает необходимость кропотливой ручной регулировки, но и глубина обработки перестает зависеть от степени износа инструмента и поддерживается с высокой точностью (до 5 мкм).

Рис. 6. Последовательность автоматической регулировки глубины обработки
Рис. 6. Последовательность автоматической регулировки глубины обработки

SMCU II — новый контроллер для управления станком

Новый способ крепления печатной платы потребовал и кардинального изменения блока управления станком. При работе без направляющих штифтов заготовка печатной платы может быть уложена на вакуумный стол в произвольной ориентации. Для изготовления односторонней печатной платы это, в общем-то, не играет никакой роли. Другое дело, если нужно изготовить двустороннюю плату. В традиционных станках необходимая точность совмещения дорожек на двух сторонах печатной платы обеспечивалась направляющими штифтами и, в крайнем случае, требовалось только вручную скомпенсировать небольшое возникшее смещение. Значительно сложнее обстоят дела при использовании вакуумного стола. После переворота заготовки она не только смещена на поверхности рабочего стола, но и развернута на некоторый угол. Поэтому перед фрезеровкой второй стороны печатной платы необходимо пересчитать весь рисунок проводников, развернув его на соответствующий угол. А как уже упоминалось, стандартный модуль управления станком совершенно не предназначен для фрезеровки наклонных линий.

Для решения этой задачи фирмой LPKF был разработан принципиально новый контроллер станка — SMCU II. Не вдаваясь в подробности его конструкции, отметим, что значительно возросшие требования к вычислительной мощности потребовали использования в составе контроллера 4 процессоров цифровой обработки сигналов, на каждый из которых была возложена своя задача:

  • обеспечение связи с персональным компьютером через широкий набор интерфейсов;
  • расчет необходимых траекторий перемещения рабочего инструмента;
  • непосредственное управление перемещением инструмента по осям X и Y.

Более мощные вычислительные возможности нового контроллера позволили с высокой точностью рассчитывать траекторию и скорость перемещения рабочего инструмента, причем практически одинаково хорошо стали теперь обрабатываться не только линии, параллельные осям координат станка, но и наклонные линии, идущие под произвольным углом. А разнесение по отдельным вычислительным модулям процессов связи с внешним компьютером, расчета траекторий перемещения инструмента и управления шаговыми двигателями устранили неизбежно возникавшие ранее паузы или сбои в процессе обработки печатной платы. Поскольку в новом контроллере все функции по управлению внешними устройствами осуществляются на микропрограммном уровне, контроллер перестал быть привязан к конкретному типу станка. После перезагрузки микропрограмм он может использоваться с электродвигателями различных типов и в различных станках.

Для оценки возможностей нового контроллера фирма LPKF собрала специальный измерительный стенд на основе станка ProtoMat 95s, оснащенного прецизионным датчиком положения рабочей головки. Результаты выполненных измерений приведены на рис. 7 и 8. Слева на обоих рисунках приведены результаты измерения реальных координат рабочей головки при использовании стандартного контроллера SMCU. Справа — результаты тех же измерений при оснащении станка новым типом контроллера SMCU II.

Рис. 7. Результаты обработки окружностей разного диаметра на станках с традиционным (SMCU) и новым (SMCU II) типом контроллера
Рис. 7. Результаты обработки окружностей разного диаметра на станках с традиционным (SMCU) и новым (SMCU II) типом контроллера

На рисунках хорошо видно, что под управлением контроллера SMCU II значительно возрастает точность обработки основных конструктивных элементов рисунка печатной платы: окружностей и дуг разного диаметра и прямых линий, проведенных под разными углами. Дополнительным преимуществом контроллера SMCU II является значительно более стабильная скорость перемещения рабочей головки при обработке окружностей, дуг и наклонных линий. А это, в свою очередь, снижает уровень шума и вибраций станка в процессе работы.

Высокая точность работы станка при обработке наклонных линий позволила отказаться от фиксации платы на направляющих штифтах. Для изготовления двусторонней печатной платы необходимо только дополнительно просверлить за пределами рабочего участка четыре реперных отверстия. После обработки одной стороны плату достаточно просто перевернуть на другую сторону и снова уложить на рабочий стол. Перед фрезеровкой обратной стороны платы станок автоматически найдет реперные отверстия при помощи видеокамеры высокого разрешения, установленной на рабочей головке станка (см. рис. 4). После определения координат реперных отверстий весь рисунок проводников пересчитывается под реальное расположение заготовки печатной платы, и только после этого начинается процесс фрезеровки. Использование видеокамеры высокого разрешения позволило не только в полной мере использовать преимущества крепления заготовки на вакуумном столе, но и почти вдвое повысить точность при совмещении рисунков на противоположных сторонах печатной платы по сравнению с традиционным методом. Более того, эта же видеокамера может использоваться и для выходного контроля качества фрезеровки печатных проводников. Причем обнаруженные дефекты обработки можно сразу же отметить на экране управляющего компьютера для дальнейшего исправления.

Рис. 8. Результаты обработки линий разного наклона на станках с традиционным (SMCU) и новым (SMCU II) типом контроллера
Рис. 8. Результаты обработки линий разного наклона на станках с традиционным (SMCU) и новым (SMCU II) типом контроллера

Особенности комплектации ProtoMat H100

Несколько слов о комплектации станка ProtoMat H100. Как и при приобретении любого другого оборудования производства LPKF, необходимая комплектация подбирается индивидуально в соответствии с требованиями конкретного заказчика. В минимальный комплект поставки входит только сам станок с обязательным для его работы вакуумным насосом и защитным кожухом. Все остальное оборудование можно приобрести по своему желанию. На рис. 9 показана фотография станка ProtoMat H100 в минимальной конфигурации. Это еще даже не рабочий комплект. Для работы станка обязательно потребуется компрессор или подключение к централизованной магистрали сжатого воздуха.

Рис. 9. Внешний вид станка ProtoMat H100 в минимальном комплекте поставки
Рис. 9. Внешний вид станка ProtoMat H100 в минимальном комплекте поставки

Все остальное дополнительное оборудование полностью унифицировано для станков семейства ProtoMat и может быть поставлено в любой момент. Исключение составляет только оборудование для металлизации отверстий печатной платы при помощи токо-проводящей пасты. В других станках насадка, предназначенная для нанесения пасты, монтируется непосредственно на рабочей головке станка. Однако на рабочей головке станка ProtoMat H100 уже установлено такое количество необходимого для его работы навесного оборудования, что для крепления еще одной дополнительной насадки просто не осталось места (см. рис. 4). Поэтому для металлизации переходных отверстий придется пользоваться либо пистонами, либо гальваническими методами.

Заключение

Использованные при разработке ProtoMat H100 новые технические решения, конечно же, не ограничатся выпуском только этого станка. Уже запланировано переоснащение новым модулем управления SMCU II остальных станков семейства ProtoMat. Так, наряду с самим ProtoMat H100 на российский рынок уже поставляется версия станка ProtoMat X60 с новым модулем управления и повышенным до 1 мкм рабочим разрешением. Теперь на очереди новые версии других станков.

Модульная конструкция, использованная при построении SMCU II, позволила уже сейчас дооснастить контроллер цепями управления еще одним координатным приводом и выпустить опытные модели станков с полноценным программным управлением перемещения рабочего инструмента по всем трем координатным осям. Такие станки могут открыть новые возможности использования сверлильно-фрезерных станков, например, для доработки уже смонтированных печатных плат или для обработки корпусов радиоэлектронных приборов сложной формы.

Статьи в журнале "Технологии в Электронной промышленности" по теме печатные платы


Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке