第8章___交流伺服运动控制系统的典型案例分析3-4

8.3印刷线路板制作系统本节介绍线路板制作机的使用，该机器能根据PROTEL等的PCB文件快速、自动、精确地制作印刷电路板。

用户只需在计算机上完成PCB文件的设计传送给机器，机器就能完成雕刻、钻孔、铣边的功能，加工出一块符合要求的印刷电路板。

在电子线路的设计中，印刷电路板的制作是最繁琐的。

线路板制作机可以在几分钟内自动完成一张线路板的制作。

这大大减轻了电子线路设计的工作量。

8.3.1 线路板制作系统目前印刷电路板制作主要有两种工艺：化学腐蚀工艺和物理雕刻工艺。

化学腐蚀工艺首先用难以腐蚀的物体覆盖在所需要的线路表面，然后整张线路板浸在腐蚀性液中，经过一段时间，把不必要的铜蚀去，经清洗、钻孔、烘干后便可制作成印刷电路板。

保护层工艺大致分三种：油性丝网印刷、感光印刷和手工描板（或贴保护纸）。

其中第一种工艺为批量生产工艺且精度低，不适合实验室用。

第二种工艺目前市场上已有空白感光板出售，实用起来有点困难：一是曝光条件（需要黑暗操作），二是曝光及显影时间难控制，三是废水不好处理(重金属盐具有毒性)，四是制板后要清洗烘干，五是手工钻孔难以定位，甚至一不小心会使线路板报废，造成不必要的损失。

图8-25印刷线路板制作系统线路板制作机事实上是一种数控钻铣床，另外也有人把它叫做三维雕刻机，如图8-25所示。

在计算机的软件控制下，三个动作单元（分别为X、Y、Z轴的驱动电机）做相应的动作，驱动高速旋转的主轴电机按程序指令做相应的运动。

主轴电机带动刀具切削工件，把工件加工成用户要求的形状。

线路板制作机应用的技术就是物理上的雕刻工艺。

在数控钻铣床的主轴上装一把尖刀，程序控制刀尖的运动把不必要的铜泊铣去，留下的部分就是所需要的线路板。

然后，程序根据PROTEL PCB文件的KEEPOUT LAYER线条把线路板的外边框切割出来。

当换上相应的钻头后，按“钻孔”键机器就自动把板上所标的孔钻出来，数控的精度，误差不大于1mil(0.0254mm)。

由于采用物理工艺，做出来的板不经过由湿到干，由冷到热的过程，敷铜附着力较强。

机械动作严格按指令执行，不用放大镜肉眼就可以判断线路板有无粘连，有无暗断。

软件操作比较简单，只需装好空白敷铜板，打开相应的PCB文件，按“雕刻”、“割边”、“钻孔”即执行相应操作。

“放大”等按钮可预览当前使用的刀具是否能做出PBC文件一样的线路板，有时使用刀具刀尖太大可能引起有些线粘连，太小的刀具可能影响工作效率。

刀具选择以略小于PROTEL所设置的安全距离为佳，操作前请检查主轴上所装的刀具是否程序所设定的刀具。

原厂配有0.12mm，0.24mm，0.36mm，0.49mm，0.75mm，1.00mm刀具各几把，分别对应于安全距离为5mil，10mil，15mil，20mil，30mil，40mil的线路板，特殊刀具可要求原厂定制。

8.3.2 德国LPKF快速PCB制作系统的工作原理下面简单介绍一种德国LPKF快速PCB制作系统的工作原理。

LPKF快速PCB制作系统，用机械加工替代化学腐蚀，适合样品电路板快速制作和小批量、多品种PCB 生产。

LPKF电路板刻制机采用CAD/EDA数据驱动，小巧紧凑，可以摆在电子设计师的工作台上，如图8-26所示，是制作电路板的CAM系统，配上LPKF孔金属化和层压设备后，可以在电子实验室内快速制作包括高精密度8层电路板在内的多种电路板，真正实现了以设计为核心，按需制作电路板。

即：什么时候需要，就什么时候制作；怎么设计，就怎么制作。

图8-26 德国LPKF快速PCB制作系统LPKF快速电路板制作系统工作原理是按下述程序进行。

首先是数据处理，用Circuit CAM软件处理CAD/EDA数据，生成驱动电路板刻制机的加工数据。

工作流程见图8-27所示：图8-27数据处理过程(数据导入、编辑及运算、数据输出)1. 数据导人将CAD/EDA系统生成的Gerber或DXF、HP-GL等格式的数据导入Circuit CAM中，显示在屏幕上。

2. 编辑及运算在Circuit CAM中，可根据需要对数据进行编辑和修改。

因为数据中导线、焊盘所对应着的铜箔，需要留在电路板上，而其余部位的铜箔则需要被剥掉或通过铣制出的绝缘沟道与导线、焊盘隔离。

Circuit CAM软件将根据选用的铣刀的粗细计算出导线、焊盘的包络线，作为电路板刻制机铣制绝缘沟道的路径。

Circuit CAM还根据铣刀的直径计算出大面积剥除铜箔时刀具的运动轨迹。

3. 数据输出加工数据生成后，Circuit CAM把它输出到机器驱动软件Board Master中。

Board Master 将控制刻制机对覆铜箔进行加工。

其次是用电路板刻制机钻孔，见图8-28。

取比所设计的电路板尺寸略大的覆铜箔板做为原料，先在覆铜箔板上钻两个定位孔，这两个定位孔是将来一系列加工的定位标准。

刻制机上有可延X轴移动的定位销钉，调整定位销，使其插入定位孔中并将覆铜板固定在刻制工作台面上。

图8-28 用电路板刻制机钻孔用Board Mater给出钻孔命令，刻制机X、Y系统带动钻/铣头运动，到达指定位置后，装卡有钻头的高速马达向下运动，钻出孔。

第三，孔金属化(用可靠、环保，简单的手段替代电路板工业复杂的金属化工艺)，见图8-29。

将钻完孔的覆铜板从刻制机上取下，在孔金属化设备中通过物理和电化学手段在孔壁上沉积上金属铜，使覆铜板两面通过孔壁实现电气连接。

孔金属化步骤：(1) 孔壁活化，在孔壁上物理沉积一层导电性物质，(2)电镀铜加厚，使孔壁铜层厚至能满足一定机械和电气指标。

图8-29 孔金属化第四，焊接面电路图形雕刻(替代化学腐蚀)，见图8-30。

用定位孔和定位销钉将完成孔金属化的板重新固定在机器的工作台，Board Master给出雕刻指令。

线路铣刀随主轴马达高速旋转的同时，被X、Y系统带动沿导线、焊盘外轮廓运动。

旋转的铣刀穿透铜箔，触及绝缘介质，在X、Y平面上运动的同时，切削掉遇到的铜箔，形成绝缘沟道。

如果需要剥掉大面积的铜箔，则选用大直径铣刀。

8-30 焊接面电路图形雕刻第五，元件面电路图形雕刻(替代化学腐蚀将电路板翻面，见图8-31。

用同样位置的定位销钉和定位孔将电路板固定在刻制机工作台上。

电路板翻面后，Board Master软件会自动调整计算机内的图形，使其位置与覆铜箔板上已有的孔和图形相对应。

通过Board Master给出加工指示，铣制出焊接面的绝缘沟道，剥掉不需要的铜箔。

8-31元件面电路图形雕刻最后透铣取下电路板，见图8-32。

在Board Master中给出透铣外型指令，根据软件提示，在主轴电机卡头上换下侧面有刃的透铣铣刀，高速旋转的铣刀先向下运动，穿透电路板，然后被X、Y运动系统带动，沿电路板外轮廓线运动，把电路板与覆铜板其它部分分离。

取下电路板，直接使用或贴阻焊膜、在焊盘上涂覆助焊材料后使用。

8-32 透铣取下电路板8.4 交流伺服运动控制系统在汽车传动与操纵中的应用8.4.1 电动汽车简介汽车（含各种以汽车为基础的作业车辆）作为一种交通工具，已经在交通运输、军事、工农业生产中发挥了越来越重要的作用。

随着电力电子与电力传动技术的发展，能源结构问题和燃油汽车空气污染问题方面矛盾的日益突出，以及人们对汽车操纵舒适性要求的日益提高，通过电动方式实现汽车中的传动、调节和操纵已成为汽车的一个重要发展方向。

汽车一般由底盘、司机室、作业装置（如车箱、车舱等）等三大部分组成，而底盘又由行走传动系、制动系、转向系、悬挂与减振装置等组成。

汽车的动力可以考虑采用内燃机、车载电源（电池）、专用输电线路提供，目前大多数为第一种型式，第三种型式在城市交通的无轨电车和轨道交通中有比较普遍的应用。

第二种型式就是电动汽车。

电动汽车是指以车载电源作为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通和安全法规的车辆。

电动汽车一定会代替燃油车作为车辆的主流。

有两个理由：一是能源问题，二是污染问题。

最多再过60年，我们现在所用的石油资源将枯竭，到那时候汽油车怎么办？据调查，2000年中国进口石油7000万吨，2005年后将超过1亿吨，相当于科威特一年的总产量，这说明中国现在对石油的依赖越来越大。

还有就是众所周知的传统汽油车对大气造成的污染相当严重，尾气排放造成的空气污染目前已经占到整个污染源的一半以上。

目前世界上空气污染最严重的10个城市中有7个在中国。

电动汽车可以解决上述问题，因为电动汽车基本上不以汽油为直接燃料，能源利用率高，环境污染低，特别是立足于氢能基础上的燃料电池汽车，以氢为燃料，通过化学反应产生电流并排出水，能实现可循环利用和零排放。

现在，电动汽车已经被国家列入863计划。

在电动车领域，国外政府和大企业已经起跑。

近10年来，美国、欧洲、日本等国的政府和跨国公司已投入超过100亿美元开发研究包括燃料电池车在内的电动车。

在电动汽车这一新的领域，中国与国外实际上已经处于相近的起跑线，技术水平与产业化的差距比较小。

据专业人士预测，未来数十年，电池电动车、混合电动车和燃料电池电动车市场份额将以稳定的速度增长，而燃油汽车的市场份额将会逐渐减少，未来的汽车时代将是属于电动汽车的时代。

现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车。

从目前的研究情况看, 混合动力汽车在近期内最易商业化, 但无疑, 燃料电池汽车最具发展前景。

纯电动汽车采用蓄电池作为车载电源驱动电机。

混合动力汽车采用燃油发动机驱动的车载发电机与电池复合驱动电机，它可以采用能源管理机构进行管理，在城市及环保敏感地区，由电池组通过逆变器向电池供电；在公路上运距离行驶时由内燃发电机组通过变流器取代电池向逆变器-电机供电，同时给电池组进行补充充电；重负荷时，电池组与内燃发电机组同时供电。

燃料电池汽车以燃料电池作为动力，相比蓄电池燃料电池储能密度高，一次充电续池距离长。

目前，燃料电池的功率密度已超过1.1kW/L，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。

大幅度降低燃料电池的生产成本和解决氢的制取、储存及携带问题是燃料电池车广泛使用的关键。

电动汽车对电气传动系统的要求是：（1）基速以下大转矩以适应快速起动、爬坡、加速、频繁启停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应高车速公路行驶和超车等要求。

（2）整个转矩/转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶距离尽可能长。

一辆燃油汽车带50kg的汽油约可行驶700km，如改装为带400kg铅酸电池的电动汽车，则只能行驶100km。

即使采用燃料电池目前也最多达到450km。

虽然开发比能量更高的新型电池是最根本的解决办法，但降低电气传动系统的消耗也是非常重要的一环。

（3）电机及电机控制装置结构坚固、体积小、重量轻、免维修火烧维修、抗颠簸振动。