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本文阐述了PCB钻床的结构，讨论了目前主流PCB钻孔机的床身、断刀检测、
主轴刀具的检测、光栅尺精密测量定位、钻孔深度控制、测力、压力脚等几项关键技术，
分析了各项关键技术在PCB钻孔机上的使用要求和发展趋势
一、PCB钻床结构
PCB钻孔机包括机身、XYZ传动机构、主轴系统、控制系统等。机身上面安装Y轴机构，Y轴机构上方设置X轴机构，X轴机构安装在机身左右两端的支架上，X轴机构的滑板上等距离装有n个Z轴机构，每一个Z轴机构的旁边均安装有刀库，Y轴机构的工作台前端等距离安装有六个启动机械手，X轴机构、Y轴机构和Z轴机构上均安装有气管、洗尘管和水冷管。机器一般采用闭坏控制，配备自动换刀装置和断刀检测装置。PCB 钻床的加工过程实际上是一个能量快速积累和释放的过程，系统需要在极短的时间中积累动能，完成运动过程，同时又必须快速合理的释放系统能量，最大限度地缩短定位时间，降低系统振荡，因此必须对系统能量的积累和释放进行精确控制。PCB钻床的关键技术主要包括床身技术、压力脚技术和各种测试技术等。
二、高刚度高稳定性床身技术
PCB数控钻床在生产现场必须具备很强的工艺适应性和连续稳定工作的能力，它不同于普通的钻床，是一种典型的点位控制系统，在加工过程当中，其运动规律为小距离快速起停。为了提高加工效率，通常采用较高的加速度，以缩短运动时间。但是随着系统加速度的提高，系统地到位震荡回随之加剧，影响定位精度，通常通过增大床身和工作台质量提高级些系统的稳定性。因而对其刚度、精度、抗振性，热稳定性和精度保持性要求较高。
为了增加系统的稳定性，在机床结构设计上应该采用以下原则：（1）结构设计应该有适当的刚性，以利于抗拒震动。（2）床身属于机床的静态质量，适当增加其质量可以增强机床的抗震性和吸震性。（3）应该减小移动物体质量，使得驱动功率减小，可进一步减小热产生的漂移（4）应该减小XYZ轴各轴向移动物体的质量，以利于减小惯性冲击。重庆大学的李坚等人对PCB钻床的下钻机构进行动力学分析，在底板和托板之间添加预拉弹簧以平衡部分移动质量，可以有效地降低下钻电机提钻时的扭矩，降低电的额定功率；并采用计算机仿真实验的方法确定弹簧的预拉长。这其实也是一种间接减小运动部件质量的方法。
高速运行下的微小孔加工能力是衡量PCB 数控钻床的重要技术指标，而机床的动刚度是其关键影响因素。为了提高机床的动刚度，现在PCB机床床身和横梁部件大多数选用天然的经过千万年的自然时效的济南青花岗岩或大理石。温度湿度对其膨胀系数的影响极小，不易受外界环境变化的影响，其变形小，稳定性高于一般机床的机体材料，具有加工精度高，受力几乎不变形，可以避免微小的震动而且外观华贵大方的优点，但是大理石在平时的维护中使用洗洁精和水擦洗，不可以用酒精，擦完以后用干布擦干，等水完全蒸发后才可以工作。
另外，还有些公司采用铸铁类材料作为机床的床身和横梁，大量公司全机结构采用米汉纳铸铁，经特殊热处理加工，品质稳定，可确保高速运动之稳定性和精确度[1]；东台公司一直坚持用膨胀系数小，吸震性高的高级铸铁，其底床由高级铸铁一体铸造成型，并经多次电脑结构分析，刚性强大，吸震性良好，窗台不宜变形，可确保高精度的加工能力，一体铸造也可以减小多块组装床底带来的几何误差[2]；某些日本的厂商采用钢材作为床身，由于钢材在不同的温度变化下的变形比大理石大，不稳定，厂商会在软件中采用补偿来清除变形造成的损失；总格实业公司采用一体成型设计，透过FEA进行结构高刚性分析，一体成型设计可以有效减小装配误差；另外大族的钻轴运动部分也采用了一体化设计，提高了整个装配体的刚度，减小了装配误差，通过巧妙变换加强筋的分布形式，极大地提高了固有频率，避开了高频激励，减小了震动，提高了钻孔精度[3]；东台研发人员设计了一特殊减震结构，整合床底，工作台，横梁的协调性，再配合减震的电气控制功能，使得机台达到低振动，低噪音，高精度，高效率，经过验证，效能提升15%以上[2]；泷泽公司将工作台一体化，螺杆托架及base座直接设计于往复台，提升刚性及多余组件安装重量，大大减小承载质量，使得工作台和往复台高速移动时，定位回授时间快；Pluritec公司在机床结构主要采用了如图1的结构[4]，此结构的设计大大减小了质量，主轴部分同横梁的连接进行了严格的动平衡和静平衡，从而达到更好的定位精度。该公司为了减小动态响应和改善机器的动态稳定性，横梁由聚合水泥体制造而成，如图2，模型分析显示，这种结构对于不同的应力条件有更好的适应性。
为了减小移动部件的质量，移动台面用特殊的铝合金制造，如图3，减小了惯性冲击，大大提高了定位精度。
目前对于PCB钻床工作台的研究主要是从二方面着手，（1）采用高强度的轻质材料，如炭素纤维增强塑料等，其强度、刚度比钢高，但密度只有钢的15以下。 （2）对工作台截面形状和尺寸进行有限元分析和优化设计，以求得满足动静刚度条件下的最小质量。第一种方法可以得到比较好的性能，但是成本太高；第二种方法虽然不能完全得到与第一种方法同样的效果，但是成本较低，并且性能也能满足进给系统的要求。重庆大学的王英章等人通过对SKZ4A型高速PCB数控钻床进行多体系统动力学的建模方法指出通过改善钻床部件的刚性、静止和移动的质量比率等因素，采用滚动式导轨和梯形断面支架、叠层工作台、轻型化导向机构等措施，有效地改善了机床在高速条件下的机械动态性能，明显地提高了高速和高精度条件下的其微细孔机械加工性能。
三、断刀检测技术
传统的PCB钻孔机对断刀检测一般采用光纤对射的方法，通常采用一个激光发生处理器与两条光纤来完成，两条光纤一端接激光发生与处理器的光输出端与光输入端，另外一端固定于钻孔机的压脚上并且水平对准，激光发生与处理器将产生的激光通过一条光纤传输到压脚上，另外一条光纤接受上一条光纤传输的激光，并将其送回激光发生与处理器，激光发生与处理器将此信号送回到控制系统，其监测原理如图4所示。 当主轴中的刀具遮挡住了激光，则认为断刀，其优点是刀具实现无接触监测可保证刀具无损，且灵敏度高易于调节。但是此方法也存在缺陷：（1）激光发生与处理器和光纤比较昂贵。（2）调教困难。如果两条光纤没有水平对准或者刀具没能正好通过激光通路的时候，则会产生误报。大族激光科技股份有限公司针对这种监测的缺点设计了一种用于PCB钻孔机的接触式断刀检测装置[5]，其原理如图5所示。
工作时高频信号产生器产生高频信号，将此高频信号接到压脚，钻孔时压脚和钻刀均与工件上面的铝片接触，将此高频信号通过压脚，铝片传输到钻刀，进而通过主轴转子，主轴转子和主轴外壳之间的气层构成高频电容传输到主轴外壳，然后通过高频变压器的初级线圈流入大地，然后高频变压器的次级线圈将此高频信号耦合到断刀检测电路，经过整波，滤波，比较和反相后产生逻辑信号，并传输到控制系统，如果钻刀断裂则没有信号耦合到断刀检测电路，断刀检测电路的输出状态发生变化，使得控制系统得知钻刀断裂，从而实现对断刀的检测。但是此接触式断刀检测也存在缺陷：（1）为了实现绝缘，不得不在要求精密配合的电机外壳上加上绝缘套，由于绝缘套的存在，极大地降低了机床长期的综合稳定性和精度。（2）用高频信号激励检测，增加了机床控制系统遭受干扰的概率和降低了整个控制系统的稳定性。
江门科杰自动化有限公司针对此监测装置的缺点公开了另外一种断刀检测装置[6]，工作原理如图6，此断刀检测系统包括检测电路，该电路的两个信号输入端A与B，其一端A与固定在机床工作台上层叠的印刷电路板中的一块印刷电路板的导电层连接，另一端与另一块印刷电路板或者工作台电机连接，分别与信号输入端相连的部分相互之间绝缘。整个系统只需将两个信号输入端AB分别与印刷电路板或机床工作台连接，与主轴电机无关，因此无需对电机安装进行改动，确保了机床工作的稳定性和精度要求，同时也是用于采用各种低高速电机的钻孔机床；当钻头每次贯通将信号输入端AB相连的相应部分，就会产生一个脉冲信号，通过判断脉冲信号的时间间隔来检测是否出现钻头断刀；如果相邻脉冲信号间隔变长，则已经断刀，否则正常。系统信号采用直流激励信号，不会对机床的其他控制系统产生干扰，使得机床更加稳定可靠。
以上几种方法均可以实现即时断针监测的功能，但是非接触式断刀检测的效率更高，避免出现不必要的浪费。另外还与一种检测断刀与否的想法，即通过吸尘管吸尘与否进行判断，当吸尘管无切屑流过则判断为断刀，但是此种方法延迟较大。
四、主轴刀具测量技术
目前PCB钻孔机在钻孔作业时，其先前准备刀具需要与加工软件所设定的尺寸相符才能进行加工作业，然目前加工机构本身并未有一套配合加工软件检错处理的措施，因此在加工作业上仍会有人为疏忽因素导致的加工瑕疵品或者报废品，所以PCB钻孔的刀具检测非常重要。目前PCB数控钻孔机采用激光测量系统来测量刀长刀经和刀具偏摆。CCMT2004中国数控机床展览会上，雷尼绍公司在其重点新品推介中，介绍了创新的微孔技术（Microhole）， 非接触式激光测头可快速进行对刀及刀具破损检测[7]。
激光测量的原理，则是将极细（微米级）激光束投射到刀具表面，利用CCD对反射光线处理得到光斑的位置坐标（即深度方向坐标），通过计算软件建立并求解刀具几何体的数学模型，因此可以得到刀具几何要素的信息，如前刀面、后刀面的具体数值，螺旋槽横截线的形状等等，其功能非常强大。目前我国在这方面的技术还不是很成熟，激光测量系统主要依赖于进口，较著名的有renishaw刀具检测器。国内对于PCB钻床上用检测的研究很少，大量公司发明了一种PCB加工机主轴刀具的检测方法[8]，不过仅仅限于对直径的测量。如图7是监测原理图。
这个设备能够达到预期的监测主轴套夹刀具的尺寸及检错警示，且检测设备简单，相对购置设备成本也低，并能与加工软件匹配算的检错处理方式，使得刀具检测更趋简单化。华东交通大学的唐晓红等人对微钻激光自动测量系统进行了扩展，使其在进行测量钻头外径的同时，还能对钻头的椭圆度误差和同轴度误差进行自动测量。不过仅用于检测0.5～3.175mm的微钻 。
另外值得一提的是大族公司的PCB钻床采用高精度的检测设备激光干涉仪，对装配过程中的重要和关键几何运动精度进行精密检测；对整机高速运动精度进行细微准确的动态补偿，利用激光干涉仪的超高精密度和对非理想环境进行空气温度，材料温度，湿度，气压补偿，保持1.1ppm的系统精度能力，为整机最终获得高的钻孔精度提供了可靠保证[9]。
五、光栅尺精密测量定位技术
微电技术的发展对精密定位测量提出了越来越高的要求，而在精密定位测量系统中必须有高精度的计量反馈单元。海德汉为满足当前数控机床高速、高精度的要求，对其封闭式光栅尺进行技术升级，主要内容是启用以高抗污染能力与高质量输出信号为特点的新一代的扫描原理，即将四场扫描信号升级为单场扫描信号，提高了定位精度、运行速度、抗污染能力[7]。
目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 ， 使得高精度自动化设备的实现更为容易。该系统克服了半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件（如光栅尺），作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统[10]。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。
目前闭环系统的分辨率多数为lμm，定位精度可达士0.01一10.005mm；高精度系统分辨率可达0.lμm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。 我国的PCB钻床在XY方向上一般采用高速高精度进口光栅尺，实现高精度钻孔。在横梁安装有光栅尺1，光栅尺的读数头通过光栅尺游动座，光栅尺游动座与运动部分X轴滑板相连，这样X轴滑板的实际位移由光栅尺测定后反馈给控制系统，由控制系统对位移进行补偿以得到精确的位移。因光尺的读头与尺身没有接触摩擦，所以寿命很长，但平时要保持设备清洁尽量减少粉尘污染。
六、钻孔深度控制技术
钻机在xy方向的位置精度通过光栅尺作闭环反馈控制，达到了微米级位置度控制精度，而在孔的深度方向的精度通过伺服电机作半闭环反馈控制来完成，其精度低于XY方向，在实际生产中，人们试图进行高精度深孔钻孔，但是遇到的问题使提升深度钻孔精度成为了难以逾越的天堑[11]。影响钻孔深度精度的因素如表1。
可见，由于目前钻机大多都是多轴加工，深度影响因素都被引入，所以必须对钻机进行钻孔深度的控制。另外，钻轴或多或少的存在着轴向偏转，当钻深度必须维持千分之一或者千分之二的孔，维持钻标准通孔的质量问题因素时，将会导致深度问题。
日立公司在内的一些设备制造商，开发出了具有深度控制功能的机械钻机。它是在钻机的Z轴上夹装深度检测用光学传感器，同时改用能量测钻头实际长度的传感器，两个传感器和相应的软件配合使用，使得钻头能从接触板开始点位置开始下钻至规定深度，达到了高精度深度控制，其原理示意图如图8。
钻孔操作时，压脚接触被加工件瞬间，与压脚夹刚性连接在一起的深度传感器得到位移起始信号，此信号传递给计算机，计算机以此点为主轴下钻的基准点，开始控制主轴下钻。下钻深度与程序控制的下钻深度和钻头尖部与压力脚下端面间隙大小共同决定，该间隙通过钻孔前测量出的刀深和压力脚接触板面起始点高度共同确定。
机器的高度方向上，钻机各轴下面的叠板高度不同，各轴压力脚有一定的高差，各轴钻头尖部有一定的高差。这些在采用普通方法进行钻孔过程中都是可能对孔深造成误差的因素。在采用深度钻孔作业时，通过钻孔前对各钻头实际高度值进行测量，钻孔时采用安装于压力脚上端的深度传感器感知板面，消除了这些可能引起钻孔深度的误差。关键的一点是这些传感器的使用，使得各轴下钻深度都被单独控制，实现了多轴协调独立工作。提高了效率，使深度钻孔可量产化。
要完成高精密的深度钻孔需要对设备进行精密调整，补偿值修正，采用专用程序和修改设备固有参数，这些工作直接影响孔深的最终精度。
日本专利第2559788号已经公开了一种加工设备[12]， 该加工设备在加工之前计算压脚的头和刀尖的尖端之间的距离，并基于该距离控制心轴头的进给距离。图9为印刷电路板加工设备的主要部分的正视截面视图。
在更换钻头时，控制单元将一个新的钻头定位于第二检测装置的上方，并使芯轴头下降一个预先设定的距离。心轴头连续下降，甚至当压脚的头抵靠第二检测装置并停止移动之后也是如此。第一检测装置检测心轴头和压脚之间的相对运动。当心轴头在下降一个预定距离后停止时，第二检测装置检测钻头的尖端已经达到的位置，即钻头的尖端距离工作台表面的高度。
控制单元由心轴头和压脚的相对运动量与钻头已经达到的位置之间的差来计算从钻头的尖端到压脚头的距离。然后控制单元将一个预先确定的加工深度与距离相加，并将加工中所必须的心轴头和压脚的相对运动量设定为进给距离。在加工中当压脚抵靠印刷电路板时，控制单元比较心轴头和压脚的相对运动距离与所述进给距离，如果它们相等，停止伺服马达或者使之反转。
因为控制单元这样检测由心轴头夹持的钻头的尖端至压脚的头的距离，并从心轴头和压脚的相对运动开始，直到加工结束，基于所述距离及所述预设的加工深度控制钻头的运动，所以可以精确的钻至预先确定的加工深度。
七、测力技术
在加工微孔的各种方法中，机械钻孔的加工效率和加工质量高、加工成本低，但微小钻头刚度低、入钻位置易偏移、排屑困难、钻头易折断等。钻头一旦折断，则很难从工件中取出，常以工件报废而告终。钻削力是影响钻头寿命和孔加工质量的主要因素[13]。
由于钻削微小孔时产生的钻削力非常小，不易测量，对测力仪的灵敏度和动态特性要求比较高。吉林工业大学的杨兆军等人提出了具有辅助支承的测力仪结构方案，研制了既具有很小的鉴别力闷值和较高的灵敏度，较强的抗冲击载荷能力和一定的固有频玲指标又具有较大承载能力的应变式微小孔钻削测力仪。因此，可用于对微小孔钻削力的测量，并可能为微小孔钻削力在线监测和微小孔制造技术提供必要的感知手段[14]；北京航空航天大学的李勋等人通过分析应变式测力仪传统理论模型设计了一种用于微小孔钻削测力仪的灵敏元件等效模型，在此基础上研制了一套高灵敏度应变式微小孔钻削测力系统。通过试验验证取得了比较理想的微小孔钻削过程力信号曲线。测力仪的测力范围，灵敏度，固有频率都达到了设计要求[13]；日本的微小孔加工在线监测技术居世界前列。神户大学和町田工所己开始研制微小孔测力装置，他们目前研制的测力装置结构复杂，承载能力极小，尚不能形成产品。
迄今为止，国外对以预报微小钻头折断为目的的在线实时监测系统的研究处于开始阶段，国内还鲜见有人涉足。在进行超高速钻削PCB超微细孔的加工中，采用具有高频响微小力动态切削力检测系统对切削力进行动态测量。
八、压力脚技术
虽然国内一些大中型企业也开始批量引进先进数控机床进行多层高密度印刷电路板的研发和生产，但由于国内在多层高密度印刷电路板加工工艺技术方面没有积累和相关的技术研发基础，缺乏对这一新技术在理论和应用方面的指导。于是很多企业在引进国外关键技术的基础上，对影响加工精度的细节部分进行改进，以便得到更高的加工质量和精度。PCB数控钻床的压力脚便是各个公司都想办法进行改进的重要组件。由于压力脚质量问题而造成的吸尘不足，从而电路板上遗留的碎物会造成磨损和灰尘问题，这将会导致主轴的偏转过大。可见压力脚的质量对于钻床和加工精度有着重要的影响。 在PCB板钻孔时，为了满足一些工艺要求，如降低PCB板表面所产生的毛边，辅助钻孔散热，导正钻针进入PCB板的方向及辅助钻头的自我清洁等，都会在PCB板面上加上一个盖板。PCB钻孔时，盖板与PCB板之间贴合的好坏会直接影响到钻孔的精度和刀具的使用寿命。为此，钻孔时，采用了一种业界称为压力脚的装置，来压住盖板，以保证盖板与板之间紧密贴合，从而保证孔的加工精度。如图10，为压力脚的实物图。
压力脚的半径要根据所要加工的孔的孔径的不同而不同，而目前多数的压力脚的半径是固定不变的，针对不同孔径的孔需要配以不同的压力脚，来保证各种孔径的加工精度。更换压力脚的同时不仅降低了加工效率，而且需要准备多个半径不等的压力脚，增加了生产成本。
现在很多公司都自发研制可根据钻径的大小更换相应孔径的压力脚。东台精机股份有限公司发明了一种钻孔辅助装置[15]，此装置借由调整机构及驱动机构的设计，可适应搭配不同尺寸的钻头使用，当应用一般尺寸的钻头时，可移动压块至大孔部；当应用于较小钻头的尺寸时，可移动压块至小孔部，此装置使用范围广，可适用于不同尺寸的钻头，另外不会因为抽吸面积过大而造成铝片凸起，提高钻孔精度，并保护钻头不易折断，如图11为其结构图。
大族激光公司发明了一种PCB板钻孔用压力脚[16]， 如图12所示，此压力脚通过主体部分与滑动部分的相对滑移，可实现大小孔径压力脚的切换。借助于螺栓组设于导向槽和固定孔，将主体部分和滑动部分组装在一起，主体部分和滑动部分之间借助弹簧弹力贴合在一起，即能将滑动部分可靠的固定，又能满足在动力机构的驱动下能够灵活可靠的沿着主体部分的收容槽来回滑动，实现大小孔径压力脚的切换。
以上两种钻孔压力脚对其自身切换孔径后位置精度的要求高，所以制造安装精度高。大量公司发明了一种不依赖孔径大小变化而能够防止铝板吸起的装置[17]。 如图13所示。
与前述技术相比，它具有如下优点：（1）以下吹的高压压缩空气作为缓冲，避免主轴下钻时撞击印刷电路板造成损伤以及震动产生。（2）提供基座钻孔中的空气，加速粉尘的快速排出，并且让刀具气体流动加快冷却速度。（3）在刀具移动过程中，可利用持续下吹的空气施压在印刷电路板上，避免加强板因为集尘吸力隆起，可提高钻孔的精准度，同时缩短主轴复归时间而使得钻孔加工过程效率增加。
日本的梅克特隆株式会社发明了一种孔加工装置[18]，如图14所示，在压脚的底端，以可装卸的方式安装在中间具有钻头通孔的轴套，在该轴套按压印刷电路基板的状态对该基板进行钻孔，为了排出切屑，以吸引方式排出压脚内部的空气时，为了将压脚外部的空气导入到压脚内部，在轴套的侧面形成多个第1气体通路，该第1气体通路产生由导入压脚内部的空气发生的蜗旋回流，同时，在第1气体通路的工件一侧，形成多个第2气体通路，该第二气体通路产生由到达钻头的前端部的空气发生的涡流回流。空气的涡流和钻头接触，有效地进行切屑的排出和钻头的冷却。此装置和大量公司的装置有相似之处，都可以利用气流进行钻头的冷却。
除了上面所讲的压力脚对钻孔精度有影响外，长期的钻孔作业后，有很多尘屑不能完全被抽离，而常会附着在主轴，刀具及压力脚内部，不仅有可能造成工件的污染，长期累计的厚层尘屑更有可能影响刀具的更换作业，因此业界一般惯例于钻孔机连续使用8小时后，必须拆卸压力脚进行清洁维修。总格公司设计了一种压力脚[19]，如图15所示。
该压力脚包含有一套筒套设于该主轴外，二搭扣分别设于该轴筒两侧，一盖件，以及二钩件，该盖件中央设有一通孔，用于供该钻头穿设于其中，该二钩件则分别设于该盖件两侧，用以供该二搭扣勾持，借此，该套筒与该盖件可简易的拆卸和组装，以方便清洁和维修。
目前各个公司基本都采用可变换式压力脚。如总格实业公司的压力脚采用线性导引，重现性好，可提供较高的径向负荷等。
九、总结
本文论述了PCB钻床的结构和几项关键技术，通过对PCB高速数控钻床的几项关键技术的分析，为PCB钻床在使用和研发过程中所需要掌握的几项关键技术提供指导和指明方向。
参考文献
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[18] 印刷电路基板的孔加工装置，日本，发明专利，200610066938.9，2006
[19] 钻孔机的压力脚，中国，实用新型专利，200420033868.9，2005
作者简介：
王冰，男，1984年生，农业部南京农业机械化研究所，南京市玄武区柳营100号，硕士研究生，主要研究方向：PCB钻削加工研究，农作物收获与产后加工技术与装备研究；南京 210014；supbing@163.com
主轴刀具的检测、光栅尺精密测量定位、钻孔深度控制、测力、压力脚等几项关键技术，
分析了各项关键技术在PCB钻孔机上的使用要求和发展趋势
一、PCB钻床结构
PCB钻孔机包括机身、XYZ传动机构、主轴系统、控制系统等。机身上面安装Y轴机构，Y轴机构上方设置X轴机构，X轴机构安装在机身左右两端的支架上，X轴机构的滑板上等距离装有n个Z轴机构，每一个Z轴机构的旁边均安装有刀库，Y轴机构的工作台前端等距离安装有六个启动机械手，X轴机构、Y轴机构和Z轴机构上均安装有气管、洗尘管和水冷管。机器一般采用闭坏控制，配备自动换刀装置和断刀检测装置。PCB 钻床的加工过程实际上是一个能量快速积累和释放的过程，系统需要在极短的时间中积累动能，完成运动过程，同时又必须快速合理的释放系统能量，最大限度地缩短定位时间，降低系统振荡，因此必须对系统能量的积累和释放进行精确控制。PCB钻床的关键技术主要包括床身技术、压力脚技术和各种测试技术等。
二、高刚度高稳定性床身技术
PCB数控钻床在生产现场必须具备很强的工艺适应性和连续稳定工作的能力，它不同于普通的钻床，是一种典型的点位控制系统，在加工过程当中，其运动规律为小距离快速起停。为了提高加工效率，通常采用较高的加速度，以缩短运动时间。但是随着系统加速度的提高，系统地到位震荡回随之加剧，影响定位精度，通常通过增大床身和工作台质量提高级些系统的稳定性。因而对其刚度、精度、抗振性，热稳定性和精度保持性要求较高。
为了增加系统的稳定性，在机床结构设计上应该采用以下原则：（1）结构设计应该有适当的刚性，以利于抗拒震动。（2）床身属于机床的静态质量，适当增加其质量可以增强机床的抗震性和吸震性。（3）应该减小移动物体质量，使得驱动功率减小，可进一步减小热产生的漂移（4）应该减小XYZ轴各轴向移动物体的质量，以利于减小惯性冲击。重庆大学的李坚等人对PCB钻床的下钻机构进行动力学分析，在底板和托板之间添加预拉弹簧以平衡部分移动质量，可以有效地降低下钻电机提钻时的扭矩，降低电的额定功率；并采用计算机仿真实验的方法确定弹簧的预拉长。这其实也是一种间接减小运动部件质量的方法。
高速运行下的微小孔加工能力是衡量PCB 数控钻床的重要技术指标，而机床的动刚度是其关键影响因素。为了提高机床的动刚度，现在PCB机床床身和横梁部件大多数选用天然的经过千万年的自然时效的济南青花岗岩或大理石。温度湿度对其膨胀系数的影响极小，不易受外界环境变化的影响，其变形小，稳定性高于一般机床的机体材料，具有加工精度高，受力几乎不变形，可以避免微小的震动而且外观华贵大方的优点，但是大理石在平时的维护中使用洗洁精和水擦洗，不可以用酒精，擦完以后用干布擦干，等水完全蒸发后才可以工作。
另外，还有些公司采用铸铁类材料作为机床的床身和横梁，大量公司全机结构采用米汉纳铸铁，经特殊热处理加工，品质稳定，可确保高速运动之稳定性和精确度[1]；东台公司一直坚持用膨胀系数小，吸震性高的高级铸铁，其底床由高级铸铁一体铸造成型，并经多次电脑结构分析，刚性强大，吸震性良好，窗台不宜变形，可确保高精度的加工能力，一体铸造也可以减小多块组装床底带来的几何误差[2]；某些日本的厂商采用钢材作为床身，由于钢材在不同的温度变化下的变形比大理石大，不稳定，厂商会在软件中采用补偿来清除变形造成的损失；总格实业公司采用一体成型设计，透过FEA进行结构高刚性分析，一体成型设计可以有效减小装配误差；另外大族的钻轴运动部分也采用了一体化设计，提高了整个装配体的刚度，减小了装配误差，通过巧妙变换加强筋的分布形式，极大地提高了固有频率，避开了高频激励，减小了震动，提高了钻孔精度[3]；东台研发人员设计了一特殊减震结构，整合床底，工作台，横梁的协调性，再配合减震的电气控制功能，使得机台达到低振动，低噪音，高精度，高效率，经过验证，效能提升15%以上[2]；泷泽公司将工作台一体化，螺杆托架及base座直接设计于往复台，提升刚性及多余组件安装重量，大大减小承载质量，使得工作台和往复台高速移动时，定位回授时间快；Pluritec公司在机床结构主要采用了如图1的结构[4]，此结构的设计大大减小了质量，主轴部分同横梁的连接进行了严格的动平衡和静平衡，从而达到更好的定位精度。该公司为了减小动态响应和改善机器的动态稳定性，横梁由聚合水泥体制造而成，如图2，模型分析显示，这种结构对于不同的应力条件有更好的适应性。
为了减小移动部件的质量，移动台面用特殊的铝合金制造，如图3，减小了惯性冲击，大大提高了定位精度。
目前对于PCB钻床工作台的研究主要是从二方面着手，（1）采用高强度的轻质材料，如炭素纤维增强塑料等，其强度、刚度比钢高，但密度只有钢的15以下。 （2）对工作台截面形状和尺寸进行有限元分析和优化设计，以求得满足动静刚度条件下的最小质量。第一种方法可以得到比较好的性能，但是成本太高；第二种方法虽然不能完全得到与第一种方法同样的效果，但是成本较低，并且性能也能满足进给系统的要求。重庆大学的王英章等人通过对SKZ4A型高速PCB数控钻床进行多体系统动力学的建模方法指出通过改善钻床部件的刚性、静止和移动的质量比率等因素，采用滚动式导轨和梯形断面支架、叠层工作台、轻型化导向机构等措施，有效地改善了机床在高速条件下的机械动态性能，明显地提高了高速和高精度条件下的其微细孔机械加工性能。
三、断刀检测技术
传统的PCB钻孔机对断刀检测一般采用光纤对射的方法，通常采用一个激光发生处理器与两条光纤来完成，两条光纤一端接激光发生与处理器的光输出端与光输入端，另外一端固定于钻孔机的压脚上并且水平对准，激光发生与处理器将产生的激光通过一条光纤传输到压脚上，另外一条光纤接受上一条光纤传输的激光，并将其送回激光发生与处理器，激光发生与处理器将此信号送回到控制系统，其监测原理如图4所示。 当主轴中的刀具遮挡住了激光，则认为断刀，其优点是刀具实现无接触监测可保证刀具无损，且灵敏度高易于调节。但是此方法也存在缺陷：（1）激光发生与处理器和光纤比较昂贵。（2）调教困难。如果两条光纤没有水平对准或者刀具没能正好通过激光通路的时候，则会产生误报。大族激光科技股份有限公司针对这种监测的缺点设计了一种用于PCB钻孔机的接触式断刀检测装置[5]，其原理如图5所示。
工作时高频信号产生器产生高频信号，将此高频信号接到压脚，钻孔时压脚和钻刀均与工件上面的铝片接触，将此高频信号通过压脚，铝片传输到钻刀，进而通过主轴转子，主轴转子和主轴外壳之间的气层构成高频电容传输到主轴外壳，然后通过高频变压器的初级线圈流入大地，然后高频变压器的次级线圈将此高频信号耦合到断刀检测电路，经过整波，滤波，比较和反相后产生逻辑信号，并传输到控制系统，如果钻刀断裂则没有信号耦合到断刀检测电路，断刀检测电路的输出状态发生变化，使得控制系统得知钻刀断裂，从而实现对断刀的检测。但是此接触式断刀检测也存在缺陷：（1）为了实现绝缘，不得不在要求精密配合的电机外壳上加上绝缘套，由于绝缘套的存在，极大地降低了机床长期的综合稳定性和精度。（2）用高频信号激励检测，增加了机床控制系统遭受干扰的概率和降低了整个控制系统的稳定性。
江门科杰自动化有限公司针对此监测装置的缺点公开了另外一种断刀检测装置[6]，工作原理如图6，此断刀检测系统包括检测电路，该电路的两个信号输入端A与B，其一端A与固定在机床工作台上层叠的印刷电路板中的一块印刷电路板的导电层连接，另一端与另一块印刷电路板或者工作台电机连接，分别与信号输入端相连的部分相互之间绝缘。整个系统只需将两个信号输入端AB分别与印刷电路板或机床工作台连接，与主轴电机无关，因此无需对电机安装进行改动，确保了机床工作的稳定性和精度要求，同时也是用于采用各种低高速电机的钻孔机床；当钻头每次贯通将信号输入端AB相连的相应部分，就会产生一个脉冲信号，通过判断脉冲信号的时间间隔来检测是否出现钻头断刀；如果相邻脉冲信号间隔变长，则已经断刀，否则正常。系统信号采用直流激励信号，不会对机床的其他控制系统产生干扰，使得机床更加稳定可靠。
以上几种方法均可以实现即时断针监测的功能，但是非接触式断刀检测的效率更高，避免出现不必要的浪费。另外还与一种检测断刀与否的想法，即通过吸尘管吸尘与否进行判断，当吸尘管无切屑流过则判断为断刀，但是此种方法延迟较大。
四、主轴刀具测量技术
目前PCB钻孔机在钻孔作业时，其先前准备刀具需要与加工软件所设定的尺寸相符才能进行加工作业，然目前加工机构本身并未有一套配合加工软件检错处理的措施，因此在加工作业上仍会有人为疏忽因素导致的加工瑕疵品或者报废品，所以PCB钻孔的刀具检测非常重要。目前PCB数控钻孔机采用激光测量系统来测量刀长刀经和刀具偏摆。CCMT2004中国数控机床展览会上，雷尼绍公司在其重点新品推介中，介绍了创新的微孔技术（Microhole）， 非接触式激光测头可快速进行对刀及刀具破损检测[7]。
激光测量的原理，则是将极细（微米级）激光束投射到刀具表面，利用CCD对反射光线处理得到光斑的位置坐标（即深度方向坐标），通过计算软件建立并求解刀具几何体的数学模型，因此可以得到刀具几何要素的信息，如前刀面、后刀面的具体数值，螺旋槽横截线的形状等等，其功能非常强大。目前我国在这方面的技术还不是很成熟，激光测量系统主要依赖于进口，较著名的有renishaw刀具检测器。国内对于PCB钻床上用检测的研究很少，大量公司发明了一种PCB加工机主轴刀具的检测方法[8]，不过仅仅限于对直径的测量。如图7是监测原理图。
这个设备能够达到预期的监测主轴套夹刀具的尺寸及检错警示，且检测设备简单，相对购置设备成本也低，并能与加工软件匹配算的检错处理方式，使得刀具检测更趋简单化。华东交通大学的唐晓红等人对微钻激光自动测量系统进行了扩展，使其在进行测量钻头外径的同时，还能对钻头的椭圆度误差和同轴度误差进行自动测量。不过仅用于检测0.5～3.175mm的微钻 。
另外值得一提的是大族公司的PCB钻床采用高精度的检测设备激光干涉仪，对装配过程中的重要和关键几何运动精度进行精密检测；对整机高速运动精度进行细微准确的动态补偿，利用激光干涉仪的超高精密度和对非理想环境进行空气温度，材料温度，湿度，气压补偿，保持1.1ppm的系统精度能力，为整机最终获得高的钻孔精度提供了可靠保证[9]。
五、光栅尺精密测量定位技术
微电技术的发展对精密定位测量提出了越来越高的要求，而在精密定位测量系统中必须有高精度的计量反馈单元。海德汉为满足当前数控机床高速、高精度的要求，对其封闭式光栅尺进行技术升级，主要内容是启用以高抗污染能力与高质量输出信号为特点的新一代的扫描原理，即将四场扫描信号升级为单场扫描信号，提高了定位精度、运行速度、抗污染能力[7]。
目前，国外已出现了一种更完善、可以实现更高精度的全闭环数字式伺服系统 ， 使得高精度自动化设备的实现更为容易。该系统克服了半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级机械运动部件上的位置反馈元件（如光栅尺），作为位置环，而电机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙（如丝杠间隙等），补偿机械传动件的制造误差（如丝杠螺距误差等），实现真正的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制均由伺服驱动器来完成，无需增加上位控制器的负担，因而越来越多的行业在其自动化设备的改造和研制中，开始采用这种伺服系统[10]。由于闭环伺服系统是反馈控制，反馈测量装置精度很高，所以系统传动链的误差，环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。
目前闭环系统的分辨率多数为lμm，定位精度可达士0.01一10.005mm；高精度系统分辨率可达0.lμm。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。 我国的PCB钻床在XY方向上一般采用高速高精度进口光栅尺，实现高精度钻孔。在横梁安装有光栅尺1，光栅尺的读数头通过光栅尺游动座，光栅尺游动座与运动部分X轴滑板相连，这样X轴滑板的实际位移由光栅尺测定后反馈给控制系统，由控制系统对位移进行补偿以得到精确的位移。因光尺的读头与尺身没有接触摩擦，所以寿命很长，但平时要保持设备清洁尽量减少粉尘污染。
六、钻孔深度控制技术
钻机在xy方向的位置精度通过光栅尺作闭环反馈控制，达到了微米级位置度控制精度，而在孔的深度方向的精度通过伺服电机作半闭环反馈控制来完成，其精度低于XY方向，在实际生产中，人们试图进行高精度深孔钻孔，但是遇到的问题使提升深度钻孔精度成为了难以逾越的天堑[11]。影响钻孔深度精度的因素如表1。
可见，由于目前钻机大多都是多轴加工，深度影响因素都被引入，所以必须对钻机进行钻孔深度的控制。另外，钻轴或多或少的存在着轴向偏转，当钻深度必须维持千分之一或者千分之二的孔，维持钻标准通孔的质量问题因素时，将会导致深度问题。
日立公司在内的一些设备制造商，开发出了具有深度控制功能的机械钻机。它是在钻机的Z轴上夹装深度检测用光学传感器，同时改用能量测钻头实际长度的传感器，两个传感器和相应的软件配合使用，使得钻头能从接触板开始点位置开始下钻至规定深度，达到了高精度深度控制，其原理示意图如图8。
钻孔操作时，压脚接触被加工件瞬间，与压脚夹刚性连接在一起的深度传感器得到位移起始信号，此信号传递给计算机，计算机以此点为主轴下钻的基准点，开始控制主轴下钻。下钻深度与程序控制的下钻深度和钻头尖部与压力脚下端面间隙大小共同决定，该间隙通过钻孔前测量出的刀深和压力脚接触板面起始点高度共同确定。
机器的高度方向上，钻机各轴下面的叠板高度不同，各轴压力脚有一定的高差，各轴钻头尖部有一定的高差。这些在采用普通方法进行钻孔过程中都是可能对孔深造成误差的因素。在采用深度钻孔作业时，通过钻孔前对各钻头实际高度值进行测量，钻孔时采用安装于压力脚上端的深度传感器感知板面，消除了这些可能引起钻孔深度的误差。关键的一点是这些传感器的使用，使得各轴下钻深度都被单独控制，实现了多轴协调独立工作。提高了效率，使深度钻孔可量产化。
要完成高精密的深度钻孔需要对设备进行精密调整，补偿值修正，采用专用程序和修改设备固有参数，这些工作直接影响孔深的最终精度。
日本专利第2559788号已经公开了一种加工设备[12]， 该加工设备在加工之前计算压脚的头和刀尖的尖端之间的距离，并基于该距离控制心轴头的进给距离。图9为印刷电路板加工设备的主要部分的正视截面视图。
在更换钻头时，控制单元将一个新的钻头定位于第二检测装置的上方，并使芯轴头下降一个预先设定的距离。心轴头连续下降，甚至当压脚的头抵靠第二检测装置并停止移动之后也是如此。第一检测装置检测心轴头和压脚之间的相对运动。当心轴头在下降一个预定距离后停止时，第二检测装置检测钻头的尖端已经达到的位置，即钻头的尖端距离工作台表面的高度。
控制单元由心轴头和压脚的相对运动量与钻头已经达到的位置之间的差来计算从钻头的尖端到压脚头的距离。然后控制单元将一个预先确定的加工深度与距离相加，并将加工中所必须的心轴头和压脚的相对运动量设定为进给距离。在加工中当压脚抵靠印刷电路板时，控制单元比较心轴头和压脚的相对运动距离与所述进给距离，如果它们相等，停止伺服马达或者使之反转。
因为控制单元这样检测由心轴头夹持的钻头的尖端至压脚的头的距离，并从心轴头和压脚的相对运动开始，直到加工结束，基于所述距离及所述预设的加工深度控制钻头的运动，所以可以精确的钻至预先确定的加工深度。
七、测力技术
在加工微孔的各种方法中，机械钻孔的加工效率和加工质量高、加工成本低，但微小钻头刚度低、入钻位置易偏移、排屑困难、钻头易折断等。钻头一旦折断，则很难从工件中取出，常以工件报废而告终。钻削力是影响钻头寿命和孔加工质量的主要因素[13]。
由于钻削微小孔时产生的钻削力非常小，不易测量，对测力仪的灵敏度和动态特性要求比较高。吉林工业大学的杨兆军等人提出了具有辅助支承的测力仪结构方案，研制了既具有很小的鉴别力闷值和较高的灵敏度，较强的抗冲击载荷能力和一定的固有频玲指标又具有较大承载能力的应变式微小孔钻削测力仪。因此，可用于对微小孔钻削力的测量，并可能为微小孔钻削力在线监测和微小孔制造技术提供必要的感知手段[14]；北京航空航天大学的李勋等人通过分析应变式测力仪传统理论模型设计了一种用于微小孔钻削测力仪的灵敏元件等效模型，在此基础上研制了一套高灵敏度应变式微小孔钻削测力系统。通过试验验证取得了比较理想的微小孔钻削过程力信号曲线。测力仪的测力范围，灵敏度，固有频率都达到了设计要求[13]；日本的微小孔加工在线监测技术居世界前列。神户大学和町田工所己开始研制微小孔测力装置，他们目前研制的测力装置结构复杂，承载能力极小，尚不能形成产品。
迄今为止，国外对以预报微小钻头折断为目的的在线实时监测系统的研究处于开始阶段，国内还鲜见有人涉足。在进行超高速钻削PCB超微细孔的加工中，采用具有高频响微小力动态切削力检测系统对切削力进行动态测量。
八、压力脚技术
虽然国内一些大中型企业也开始批量引进先进数控机床进行多层高密度印刷电路板的研发和生产，但由于国内在多层高密度印刷电路板加工工艺技术方面没有积累和相关的技术研发基础，缺乏对这一新技术在理论和应用方面的指导。于是很多企业在引进国外关键技术的基础上，对影响加工精度的细节部分进行改进，以便得到更高的加工质量和精度。PCB数控钻床的压力脚便是各个公司都想办法进行改进的重要组件。由于压力脚质量问题而造成的吸尘不足，从而电路板上遗留的碎物会造成磨损和灰尘问题，这将会导致主轴的偏转过大。可见压力脚的质量对于钻床和加工精度有着重要的影响。 在PCB板钻孔时，为了满足一些工艺要求，如降低PCB板表面所产生的毛边，辅助钻孔散热，导正钻针进入PCB板的方向及辅助钻头的自我清洁等，都会在PCB板面上加上一个盖板。PCB钻孔时，盖板与PCB板之间贴合的好坏会直接影响到钻孔的精度和刀具的使用寿命。为此，钻孔时，采用了一种业界称为压力脚的装置，来压住盖板，以保证盖板与板之间紧密贴合，从而保证孔的加工精度。如图10，为压力脚的实物图。
压力脚的半径要根据所要加工的孔的孔径的不同而不同，而目前多数的压力脚的半径是固定不变的，针对不同孔径的孔需要配以不同的压力脚，来保证各种孔径的加工精度。更换压力脚的同时不仅降低了加工效率，而且需要准备多个半径不等的压力脚，增加了生产成本。
现在很多公司都自发研制可根据钻径的大小更换相应孔径的压力脚。东台精机股份有限公司发明了一种钻孔辅助装置[15]，此装置借由调整机构及驱动机构的设计，可适应搭配不同尺寸的钻头使用，当应用一般尺寸的钻头时，可移动压块至大孔部；当应用于较小钻头的尺寸时，可移动压块至小孔部，此装置使用范围广，可适用于不同尺寸的钻头，另外不会因为抽吸面积过大而造成铝片凸起，提高钻孔精度，并保护钻头不易折断，如图11为其结构图。
大族激光公司发明了一种PCB板钻孔用压力脚[16]， 如图12所示，此压力脚通过主体部分与滑动部分的相对滑移，可实现大小孔径压力脚的切换。借助于螺栓组设于导向槽和固定孔，将主体部分和滑动部分组装在一起，主体部分和滑动部分之间借助弹簧弹力贴合在一起，即能将滑动部分可靠的固定，又能满足在动力机构的驱动下能够灵活可靠的沿着主体部分的收容槽来回滑动，实现大小孔径压力脚的切换。
以上两种钻孔压力脚对其自身切换孔径后位置精度的要求高，所以制造安装精度高。大量公司发明了一种不依赖孔径大小变化而能够防止铝板吸起的装置[17]。 如图13所示。
与前述技术相比，它具有如下优点：（1）以下吹的高压压缩空气作为缓冲，避免主轴下钻时撞击印刷电路板造成损伤以及震动产生。（2）提供基座钻孔中的空气，加速粉尘的快速排出，并且让刀具气体流动加快冷却速度。（3）在刀具移动过程中，可利用持续下吹的空气施压在印刷电路板上，避免加强板因为集尘吸力隆起，可提高钻孔的精准度，同时缩短主轴复归时间而使得钻孔加工过程效率增加。
日本的梅克特隆株式会社发明了一种孔加工装置[18]，如图14所示，在压脚的底端，以可装卸的方式安装在中间具有钻头通孔的轴套，在该轴套按压印刷电路基板的状态对该基板进行钻孔，为了排出切屑，以吸引方式排出压脚内部的空气时，为了将压脚外部的空气导入到压脚内部，在轴套的侧面形成多个第1气体通路，该第1气体通路产生由导入压脚内部的空气发生的蜗旋回流，同时，在第1气体通路的工件一侧，形成多个第2气体通路，该第二气体通路产生由到达钻头的前端部的空气发生的涡流回流。空气的涡流和钻头接触，有效地进行切屑的排出和钻头的冷却。此装置和大量公司的装置有相似之处，都可以利用气流进行钻头的冷却。
除了上面所讲的压力脚对钻孔精度有影响外，长期的钻孔作业后，有很多尘屑不能完全被抽离，而常会附着在主轴，刀具及压力脚内部，不仅有可能造成工件的污染，长期累计的厚层尘屑更有可能影响刀具的更换作业，因此业界一般惯例于钻孔机连续使用8小时后，必须拆卸压力脚进行清洁维修。总格公司设计了一种压力脚[19]，如图15所示。
该压力脚包含有一套筒套设于该主轴外，二搭扣分别设于该轴筒两侧，一盖件，以及二钩件，该盖件中央设有一通孔，用于供该钻头穿设于其中，该二钩件则分别设于该盖件两侧，用以供该二搭扣勾持，借此，该套筒与该盖件可简易的拆卸和组装，以方便清洁和维修。
目前各个公司基本都采用可变换式压力脚。如总格实业公司的压力脚采用线性导引，重现性好，可提供较高的径向负荷等。
九、总结
本文论述了PCB钻床的结构和几项关键技术，通过对PCB高速数控钻床的几项关键技术的分析，为PCB钻床在使用和研发过程中所需要掌握的几项关键技术提供指导和指明方向。
参考文献
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作者简介：
王冰，男，1984年生，农业部南京农业机械化研究所，南京市玄武区柳营100号，硕士研究生，主要研究方向：PCB钻削加工研究，农作物收获与产后加工技术与装备研究；南京 210014；supbing@163.com