Download
1 / 93
930 likes | 1.09k Views
14.1 实训概要. 通过本次实训，加深对 Protel 99 的 PCB 图制作功能理解，正确理解元件封装在印刷板雕刻工作中的作用；掌握生成加工文件、固定空白电路板、选择和安装钻头的准备工作技能，掌握雕刻机的冲定位孔、试雕、过孔、隔离、镂空、割边等技能，以及后期的过孔沉铜技能。为后期的综合性实训奠定基础。. 14.1.1 实训总体要求. (1) 掌握雕刻机的软件使用，生成加工文件； (2) 掌握雕刻机的前期准备工作，固定空白电路板、选择安装钻头； (3) 掌握雕刻机的冲定位孔、试雕、过孔、隔离、镂空、割边等技能； (4) 了解过孔沉铜的技能；.
E N D
14.1 实训概要 通过本次实训，加深对Protel 99的PCB图制作功能理解，正确理解元件封装在印刷板雕刻工作中的作用；掌握生成加工文件、固定空白电路板、选择和安装钻头的准备工作技能，掌握雕刻机的冲定位孔、试雕、过孔、隔离、镂空、割边等技能，以及后期的过孔沉铜技能。为后期的综合性实训奠定基础。
14.1.1 实训总体要求 (1) 掌握雕刻机的软件使用，生成加工文件； (2) 掌握雕刻机的前期准备工作，固定空白电路板、选择安装钻头； (3) 掌握雕刻机的冲定位孔、试雕、过孔、隔离、镂空、割边等技能； (4) 了解过孔沉铜的技能；
14.1.2 实训重点 （1） 钻头的选择与安装； （2） 冲定位孔； （3） 试雕、过孔、隔离、镂空、割边； （4） 沉铜；
14.1.3 实训知识准备 （1）认真学习雕刻机的使用说明书，注意雕刻机使用过程的注意事项； （2）回顾Protel 99的PCB图制作功能； （3）直流稳压源的正确使用及电解极的连接； （4）电解液的使用安全；
14.1.4 实训考核标准 （1）能将PCB文件生成G代码文件，占15％； （2）钻头选择安装，空白板的固定，占25％； （3）冲定位孔，试雕，占30％； （4）过孔、隔离、镂空、割边，占20％； （5）沉铜过孔，占10％。
14.2 实训目的 （1）通过本实训，可以将PCB文件转化为真实的线中板，做成实际的产品。 （2）提高学生的动手能力，使之学生掌握从理论设计，到印刷电路图，印刷电路板的制作，以及元件的组装，到产品调试的一个完整的过程中一个重要的电路板制作环节，使技能有一个系统性。
14.3实训原理 14.3.1 雕刻机的简单工作原理 PCB线路板雕刻机可根据PCB线路设计软件(如PROTEL)设计生成的线路文件，自动、精确地制作单、双面印制电路板。用户只需在计算机上完成PCB文件设计并据其生成加工文件后，通过USB通讯接口传送给雕刻机的控制系统，雕刻机就能快速的自动完成雕刻、钻孔、隔边的全部功能，制作出一块精美的线路板来，真正实现了低成本、高效率的自动化制板。该设备操作简单，可靠性高，是高校电子、机电、计算机、控制、仪器仪表等相关专业实验室、电子产品研发企业及科研院所、军工单位等的理想工具。
线路板雕刻机是一种机电、软硬件互相结合的高新科技产品，它利用PCB线路设计软件(如PROTEL)生成的PCB文件信息，转换为国际通用的G代码加工文件，直接输出给雕刻机，来控制雕刻机自动完成雕刻、钻孔、切边等工作。它利用物理雕刻方法，通过计算机控制，在空白的敷铜板上把不必要的铜箔铣去，形成用户设计的线路板。使用简单、精度高、省时、省料。线路板雕刻机是一种机电、软硬件互相结合的高新科技产品，它利用PCB线路设计软件(如PROTEL)生成的PCB文件信息，转换为国际通用的G代码加工文件，直接输出给雕刻机，来控制雕刻机自动完成雕刻、钻孔、切边等工作。它利用物理雕刻方法，通过计算机控制，在空白的敷铜板上把不必要的铜箔铣去，形成用户设计的线路板。使用简单、精度高、省时、省料。
14.3.2 雕刻机的相关说明 14.3.2.1 关于空白线路板 空白线路板是在绝缘基体上粘贴覆盖一层导电的铜。从原理上看，制作一张线路板的过程，就是利用铣刻的原理，把线路板上多余的不必要覆铜部分铣去。这一过程跟传统的雕刻过程相似，区别在于传统雕刻利用手工，本机则利用数控原理让机器自动完成。
14.3.2.2 计算机雕刻路径 要完成一张线路板的制作，第一步首先是要知道哪些部分是要保留的，哪些部分是要铣去的，让刀具沿什么路线运动才能达到我们的目的。在本系统中，我们利用个人计算机的高速运算性能，从保存的PCB文件中获取相关信息，经过算法的转换，获得主轴刀头运动的路线，这一过程称计算机雕刻路径。
14.3.2.3 指令传输 控制软件从PCB文件获取线路板加工信息，将其自动转换、分解成线路板制作可以接受的一个个单独的动作指令，而这一个个动作指令集合起来就形成了机器的加工路径。在收到用户指令时，比如用户按“隔离”按钮，控制软件将加工路径指令通过通讯接口传送给线路板雕刻机控制系统，线路板雕刻机的中 央处理器根据运动控制原理，控制三个步进电机的转速、方向协调工作，按加工动作指令工作，完成所有工作以后，控制软件向机器传送停止信息，机器停止工作。
14.3.2.4 组合运动控制 在本机中，三条互相独立的直线运动导轨互相垂直安装。Y轴滑车带动工作平台前后运动。X轴滑车带动Z轨及安装在Z轨上的主轴电机左右运动。Z轴带动主轴电机上下运动。三轴在CPU的协调控制下，使主轴带动高速旋转的刀具相对工件做三维空间运动，从而把工件(线路板)加工成符合用户要求的成品。例如，当Z轴静止且刀尖略低于线路板表面时，Y轴静止，X轴移动。
14.3.2.4 组合运动控制 此时主刀具将在线路板上铣出一条X方向的直线，宽度相当于刀具的刀尖宽度。X轴静止，Y轴移动时，主刀具将在Y方向上刻出一条直线，当X、Y同时运动且速度相同时，刀具将在线路板上刻一条4 5度的斜线。控制X、Y分别处于不同的运动速度，可在平面上刻出不同角度的直线，控制运动距离，通过各种组合可以在平面上刻出不同的形状。当Z轴静止且刀尖高于线路板表面时，刀具将通过X、Y的运动移动到需要雕刻的点。当XY静止，2轴向下移动线路板的厚度时，主轴电机带动钻头在线路板当前位置上钻孔。
14.3.3 雕刻机软硬件安装 线路板雕刻机的安装包括硬件和软件的安装，其中硬件的安装需要完成线路板雕刻机与PC机之间USB数据线的连接、主轴电机与变频器的连接、冷却水的连接及各电源线的连接：软件安装请对应机器型号安装相应版本的操作软件。
14.3.3.1硬件的安装 现在，我们接着介绍机器的使用。
雕刻机外型为方便操作雕刻机，最好将雕刻机放在与计算机工作平台高度相同的工作台面上，水平放置并保证底座稳固无晃动。然后将附带的USB连线一头连接到雕 刻机的接口，另一头连接到PC机的接口；再将雕刻机的主轴电源线与变频器的输出接头连接好(注意不要缠绕机器部件)；将冷却水箱盛满自来水，把小型 潜水泵放置进去，主轴冷却水管一头接潜水泵，一头通过冷却水箱上的小孔插入水中，潜水泵的进气口注意放置到水箱外面：连接好雕刻机、变频器与冷却水 的电源连线后就完成了雕刻机硬件的安装。
使用时，首先打开冷却水泵，确认冷却水开始正常流动后，再打开雕刻机开关，连接电脑使用。主轴电机变频器开关可在开始工作前再打开，机器内部已设定最大输出400Hz(24000rpm)，将变频器频率旋钮顺时针旋转到头即可。使用时，首先打开冷却水泵，确认冷却水开始正常流动后，再打开雕刻机开关，连接电脑使用。主轴电机变频器开关可在开始工作前再打开，机器内部已设定最大输出400Hz(24000rpm)，将变频器频率旋钮顺时针旋转到头即可。 备注：本机各参数出厂前已设置到最佳状态，并不开放给用户设置，如用户确有需要调整，请联系厂家说明后由厂家设置，请勿私自调设。
14.3.3.2 软件的安装 PC机推荐配置： P4 2．4以上 256M以上内存 至少一个可用的USB接口 操作系统winXP 附带CD—ROM驱动器
14.3.3.2 软件的安装 将线路板雕刻机软件光盘插入到CD—ROM中，打开光盘，首先选择。netframework文件夹，安装．net framework 2。0插件，运行．exe文件后，按默认设置，选择下一步到结束即可。(．net framework 2．0是microsoft免费提供的强大开发环境，用户可在微软的网站中随时更新下载最新版本，对于机器中已经安装的用户，可跳过本步到下一步) 打开SDCarve文件夹，运行setup程序，选择下一步直到结束，将雕刻机控制软件SDCarve安装到默认目录中即可。
14.3.4.1 板层(Layers) 板层就是在Protel PCB中可分层显示的电路板层结构图。 (1)顶层(Top Layer)，也称元件层，主要用来放置元器件，对于双层板和多层板可以用来布线。 (2)中间层(Mid Layer)，最多可有30层，在多层板中用于布信号线。
14.3.4.1 板层(Layers) (3)底层(BottomLayer)，也称焊接层，主要用于布线及焊接，有时也可放置元器件。 (4)顶部丝印层(TopOverlayer)，用于标注元器件的投影轮廓、元器件的标号、标称值或型号及各种注释字符。 (5)底部丝印层(Bottom Overlayer)，与顶部丝印层作用相同，如果各种标注在顶部丝印层都含有，那么在底部丝印层就不需要。
(6)内部电源／接地层(InternalPlanes)，最多可有16层，主要用来布置电源线和接地线。 (7)机械层(Mechanical Layers)，最多可有16层，主要用来标注电路板在制造或组合时所需的标记，如尺寸线、对齐标记、数据标记、螺丝孔、组合指示和其他电路板实体标示。 (8)阻焊层(SolderMask)，有顶部阻焊层(Top Solder Mask)和底部阻焊层(Bot－tomSolder Mask)两层，是ProtelPCB对应于电路板文件中的焊盘和过孔数据自动生成的板层，主要用于铺置阻焊漆。本板层采用负片输出，所以板层上显示的焊盘和过孔部分代表电路板上不铺阻焊漆的区域，也就是可以进行焊接的部分。
(9)防锡膏层(Past Mask)，有顶部防锡膏层(Top Past Mask)和底部防锡膏层 (BottomPastMask)两层，它是过焊炉时用来对应SMD元件焊点的，也是负片形式输出。板层上显示的焊盘和过孔部分代表电路板上不铺锡膏的区域，也就是不可以进行焊接的部分。
(10)禁止布线层(Keep Out Layer)，用于定义板框，也就是限制布局、布线的合法区域。 (11)多层(MultiLayer)，是一个抽象的层，主要放置焊盘、过孔等元件，通过焊盘和过孔可与各个导电层连接。 (12)钻孔板层(Drill)，有钻孔指引板层(DrillGride)和钻孔图板层(Drill drawing) 两层。 (13)显示用的板层，包括以下几种：连接板层(Connect)，主要用于显示飞线；错误板层(DRC Errors)，主要用于显示电路板上违反DRC的检查标记；焊盘板层(Pad Holes)，主要用于显示焊盘通孔；过孔板层(Via Holes)，主要用于显示过孔通孔；可视栅格点板层(VisibleGridl)，主要用于显示可视栅格点；可视栅格线板层(Visible Grid2)，主要用于显示可视栅格线。
14.3.4.2 焊盘(Pad) 焊盘用于固定元器件引脚或引出线、测试线等，有圆形、长方形、八角形等多种形状。焊盘的尺寸有x方向尺寸、Y方向尺寸、钻孔孔径尺寸等。
14.3.4.3 过孔(Via) 过孔又称金属化孔，是在钻孔后的基材孔壁上淀积金属层以实现不同导电层之间的电气连接。其参数主要有孔的外径和钻孔尺寸，形状只有圆形。
14.3.5 雕刻机的操作 加工文件生成后，我们就要调整机器，来加工我们设计的电路板。
14.3.5.1 固定电路板 确认雕刻机硬件与软件安装完成以后，选取一块比设计图形略大的覆铜板（覆铜板的大小应保证使用卡具安装后在线路板雕刻等过程中不妨碍机器工作），将待雕刻的覆铜板一边紧靠雕刻机底面平台的底边放置，并均匀用力压紧压平，使用卡具压住覆铜板的四边后上紧（注意覆铜板的边沿一定要与底板边沿靠紧，并保证覆铜板边沿整齐，这样才能确保电路板换边时能准确定位）。
14.3.5.2 安装钻头 在线路板制作中，双面板的定位孔，钻孔等都需要钻头，我们先选取一种规格的钻头（如不知道线路文件中孔的大小，可先选用0.8mm的钻头），使用双扳手将主轴电机下方的螺丝松开，插入钻头后拧紧即可。主轴电机钻头和刀具安装带有自矫正功能，可自动防止刀具安装的歪斜。
14.3.5.3 开启电源 依次开启冷却水泵，雕刻机，主轴变频器的电源，确认水流已经正常流动，变频器输出达到400Hz后，即可开始软件操作加工。
14.3.5.4定位控制 主要用于刀尖或钻头加工前的定位和加工中的调整，X、Y、Z三轴坐标分别显示刀尖相对于设定的原点的位置变化，需注意的是，Y轴的移动是底板向相反方向移动，刀尖保持不动。
14.3.5.4定位控制 （1）点动： 选择点动时，在右侧框中输入以mm为单位的坐标，按动X、Y、Z对应坐标，刀尖即按输入的数据移动相应的距离（三轴坐标的移动均以我们正对雕刻机操作时，刀尖相对底板的运动轨迹来设定）。数据最小输入为0.005mm，同时点动状态下刀尖移动速度较快，亦可用来快速调整刀具位置。 （2）手动：手动状态下，按动坐标调整按钮，刀尖即慢速向指定方向移动，按住不放，刀尖的移动即不会停止。
手动按钮：分别控制刀尖在三个轴方向上的移动。手动按钮：分别控制刀尖在三个轴方向上的移动。 设为原点：当我们通过反复试雕确定刀尖在板面上的起始位置后，按此按钮，所有坐标都清零，这个点被设为线路的相对原点位置。工作过程中，我们可以随时观测到刀尖所在的坐标位置，来判断加工是否出现问题。同时，每一个功能完成后，刀尖也会自动回到原点位置，为我们的下一步加工做好充分准备。 暂停、停止：用来控制加工过程中的暂停和停止，暂停按钮按下后，会变为继续按钮，再次按下即可继续加工。在暂停和停止状态下，坐标按钮是可以控制刀尖移动的，工作状态中则不能控制。
14.3.5.5 冲定位孔 使用钻头沿线路文件的最大矩形外框的四个角各钻一个定位孔，用来精确定位线路板顶层和底层位置。同时，左下角的定位孔坐标也默认为我们线路文件加工时的原点位置。
14.3.5.6 钻孔 点击钻孔按钮，进入钻孔菜单： 左面一览显示的是本线路文件中存在的几种规格的孔径大小，中间是可选择的钻孔刀的大小，选择孔径（如0.762），选取相应的钻头（如0.8），点击添加按钮，在已选好刀具栏即可确认。根据孔径分别选好相应的刀具，点击确定后，即可选择加工钻孔。
如选择的刀具错误或修改，点击右侧对应孔径后点删除按钮，则相应的孔径又会回到左侧栏中，重新选取即可。如选择的刀具错误或修改，点击右侧对应孔径后点删除按钮，则相应的孔径又会回到左侧栏中，重新选取即可。
14.3.5.7 试雕 在线路板加工中，我们默认刀尖刚接触到覆铜板平面时为坐标Z轴的零点，但由于板子难免有翘曲不平，所以我们使用试雕功能来保证线路各部分雕刻时刀尖都能刻到板子表面。按动试雕按钮，刀尖会从零点开始沿线路最大外框走一个矩形，如果板子表面四边都刚能划到，即认为Z轴零点调整好，如有几个边或部分刀尖不能划到板子，可继续调整刀尖深度，反复试雕，直到四边都能划到为止。
14.3.5.8 隔离 线路隔离功能，是使刀尖沿线路的外围边框刻制，使得线路和周围的覆铜绝缘分开。
在线路板制作中，有两种情况我们可以用到隔离功能：一种是如图所示，当我们只需要快速将线路与周围覆铜绝缘，来进行初步实验时，这种方法只需一两分钟即可得到一块简便能用的线路板。另一种情况是当线路中存在较小的线距时，我们若用小刀径的雕刻刀会化很长的时间来铣掉多余的铜，这时我们先利用隔离功能隔离线路，再用大的刀径的铣刀把大部分覆铜割除，也可以节约大量的时间。在制作中，隔离功能亦可用作对线路部分的修边功能，它使得线路边界平滑整齐，在高频线路中会起到更好地效果。在线路板制作中，有两种情况我们可以用到隔离功能：一种是如图所示，当我们只需要快速将线路与周围覆铜绝缘，来进行初步实验时，这种方法只需一两分钟即可得到一块简便能用的线路板。另一种情况是当线路中存在较小的线距时，我们若用小刀径的雕刻刀会化很长的时间来铣掉多余的铜，这时我们先利用隔离功能隔离线路，再用大的刀径的铣刀把大部分覆铜割除，也可以节约大量的时间。在制作中，隔离功能亦可用作对线路部分的修边功能，它使得线路边界平滑整齐，在高频线路中会起到更好地效果。
14.3.5.9 镂空 镂空的功能即把板上除线路部分的铜铣掉的过程。铣刻的时间、效果和路径根据我们选择的镂空刀来决定，一般说，刀径越大，时间越短；刀径越小，时间越长，但效果越好。 14.3.5.10 割边 线路板制作完成后，割边功能会沿线路文件的禁止布线层，分若干次把板子从整个覆铜板上切割下来，直接变成我们需要的形状。
序号 名 称 型 号 规 格 数量 备 注 1 线路雕刻机 AM系列 1 2 PC机一台 1 3 钻头与刀头 1 4 单面附铜板 1 5 固定支架 1 6 扳手 2 7 元件 若干 14.4实训仪器和设备
14.5 实训内容与步骤（抢答器制作） 14.5.1 原理图转化为PCB图 本节主要介绍怎么从原理图转换为PCB图 （1）根据原理图，在Protel 99SE中绘制电路图；已LM324抢答器电路为例： LM324抢答器电路
打开Protel 99SE Protel 99SE启动界面
点击File（文件）菜单选择New(新建)命令新建设计数据库点击File（文件）菜单选择New(新建)命令新建设计数据库 新建设计数据库
选择Database File Name选项：输入新建数据库文件名。选择Browse按钮：指定新建数据库的目录。 新建数据库文件名及指定新建数据库目录 选择完后点击OK，出现数据库目录
数据库目录 点击File（文件）菜单选择New(新建)命令，选择Schematic Document图标新建原理图编辑器，点击OK启动原理图编辑器。改变文件名后，双击进入：
