ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
PROCESSING UNIT

Изобретение относится к роботизированному технологическому оборудованию и может быть использовано для быстрого макетирования печатных плат.
Роботизированные технологические установки, решающие задачи быстрого макетирования, в том числе объемного, содержат технологическую платформу (основание) и перемещающийся над ней в горизонтальной плоскости в двух координатах рабочий орган, несущий рабочий инструмент, с помощью которого из макетного материала формируется объект. Суть быстрого объемного макетирования заключается в послойном наращивании макетного материала в соответствии с заданным топологическим рисунком. Примеры технологий такого макетирования, позволяющие получать трехмерные объекты, представлены, в частности, в патентах: [1] - RU 22535704 C1, B22F 7/00, B22F 3/00, В29С 67/00, В32В 18/00, опубл. 20.12.2014; [2] - RU 2459704 С2, В29С 67/04, G06F 19/00, В29С 41/36, G06T 17/00, опубл. 27.08.2012. В принципе, технологические установки, решающие задачи объемного моделирования, могут использоваться, в том числе, для создания макетов печатных плат путем нанесения токопроводящего материала на подложку в соответствии с заданным топологическим рисунком, формируя на ней проводники и контактные площадки. Однако использование таких установок в целях создания макетов печатных плат нерационально и избыточно.
Известны способы и технологические установки, используемые для изготовления печатных плат из фольгированных диэлектриков, представленные, в частности, в патентах: [3] - RU 2109417 C1, H05K 3/06, опубл. 20.04.1998; [4] - RU 2326514 C1, H05K 3/07, H05K 3/06, опубл. 10.06.2008; [5] - RU 2519266 C2, H05K 3/06, опубл. 10.06.2014. Эти способы и установки основаны на избирательном электрохимическом травлении фольгированного диэлектрика при его движении относительно линейного электрода-инструмента. Однако такие установки достаточно сложны и дороги, их применения для целей создания макетов печатных плат нерентабельно.
Известен способ изготовления печатной платы, представленный в патенте [6] - RU 2149525 C1, H05K 3/00, H05K 3/12, опубл. 20.05.2006, в соответствии с которым с помощью струйного принтера наносят электропроводящий материал на диэлектрическую подложку, формируя тем самым электропроводящий рисунок. Далее эту подложку с электропроводящим рисунком скрепляют с несущей платой. По своей сути данный способ является упрощенным вариантом технологических процессов, представленных в патентах [1] и [2]. Способ имеет ограниченное применение, в частности он не может применяться при изготовлении печатных плат из фольгированных диэлектриков.
В качестве прототипа заявляемого изобретения принята технологическая установка, представленная в патентной заявке США [7] - US 2005/0225007 A1, В29С 41/02, опубл. 13.10.2005, близкая по своим основным конструктивным решениям к заявляемой установке.
Установка-прототип содержит основание, на котором при необходимости размещается заготовка - например подложка макетируемого объекта. Также установка-прототип содержит узел обработки, несущий рабочие органы. Узел обработки установлен на несущей платформе механизма прецизионного перемещения, обеспечивающего перемещение узла обработки относительно основания в двух координатах. Основание выполнено с обеспечением возможности перемещения в направлении, перпендикулярном его плоскости. В соответствии с решаемыми задачами быстрого макетирования рабочие органы узла обработки состоят из устройств, осуществляющих нанесение модельного материала на заготовку и его отверждение. Все механизмы установки связаны электрическими цепями с управляющим компьютером, несущим компьютерный образ макетируемого объекта.
Установка-прототип работает следующим образом. На основании закрепляется заготовка (например, подложка) макетируемого объекта. Далее, в соответствии с программой, заложенной в управляющем компьютере, осуществляется послойное нанесение на подложку модельного и связующего материалов, формируя в итоге макетируемый объект.
Однако установка-прототип не содержит средств, которые обеспечивали бы возможность изготовления с ее помощью макетов печатных плат из фольгированных диэлектриков.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является разработка технологической установки, обеспечивающей возможность быстрого макетирования печатных плат с использованием заготовок из фольгированного диэлектрика.
Сущность изобретения заключается в следующем. Технологическая установка содержит основание и узел обработки, предназначенный для размещения рабочих органов, установленный на несущей платформе механизма прецизионного перемещения, обеспечивающего перемещение узла обработки относительно основания в двух координатах. В отличие от прототипа основание оснащено средствами для закрепления заготовки - пластины фольгированного диэлектрика, покрытой слоем фоторезиста, а также несет на себе магазин рабочих органов, предназначенный для хранения в нерабочем положении лазерной и сверлильной головок, а узел обработки оснащен зажимным устройством и средством для оперативного закрепления в зажимном устройстве любого из рабочих органов, при этом лазерная головка связана гибким световодом с источником лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, а сверлильная головка содержит сверло с зажимным элементом и механизмами вращения и продольного перемещения. При этом работа установки только с одной головкой позволяет снизить вес узла обработки и, как следствие, снизить энергопотребление приводов установки и повысить скорость перемещения узла обработки. Отметим, что очевидный результат размещения на обрабатываемом узле сразу двух головок приводит к потере точности, поскольку источник вибрации (сверло) и оптическая система будут находиться конструктивно близко друг к другу. Результатом работы установки является быстрое создание в автоматическом режиме макета печатной платы с крепежными, переходными и монтажными отверстиями и сформированным рисунком проводников, которая требует последующей промывки и травления. Подробно технология изготовления печатных плат рассмотрена в книге [9] - К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева, Э.В. Мысловский, О.Д. Парфенов, Е.В. Пирогова, В.А. Шахнов. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с. на страницах 311-314.
В вариантах реализации, имеющих практическое значение, сверло сверлильной головки выполнено ступенчатым, механизм вращения сверла содержит двигатель, связанный с зажимным элементом сверла с помощью скользящей муфты, механизм продольного перемещения сверла содержит шаговый двигатель, связанный с зажимным механизмом сверла с помощью реечной передачи.
Сущность изобретения и возможность его реализации поясняется иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1-5, где:
на фиг. 1 представлена структурная схема установки, отражающая ее основные конструктивные элементы;
на фиг. 2 - структурная схема, отражающая основные функциональные электрические связи установки;
на фиг. 3 - схематический чертеж сверлильной головки;
на фиг. 4 - кинематическая схема сверлильной головки;
на фиг. 5 - схематический чертеж лазерной головки.
Заявляемая технологическая установка (фиг. 1) содержит основание 1 и узел 2 обработки, установленный на несущей платформе 3 механизма 4 прецизионного перемещения, обеспечивающего перемещение узла 2 обработки относительно основания 1 в двух координатах X и Y.
Основание 1 несет на себе магазин 5 рабочих органов, предназначенный для хранения в нерабочем положении лазерной 6 и сверлильной 7 головок.
Узел 2 обработки оснащен зажимным устройством, предназначенным для оперативного закрепления в узле 2 обработки любого из рабочих органов 7 или 8.
Основание 1 оснащено средствами для закрепления заготовки 8, выполненными в виде двух прижимных скоб 9-1 и 9-2.
Заготовка 8 представляет собой прямоугольную пластину фольгированного диэлектрика (например, пластину фольгированного стеклотекстолита), покрытую слоем фоторезиста.
Функциональная электрическая схема устройства (фиг. 2) содержит центральный контроллер 10, с которым связаны первый 11 и второй 12 контроллеры двигателей, перемещающих узел 2 обработки вдоль осей X и Y (на фиг. 2 контроллеры 11 и 12 обозначены как KOX и KOY). Центральный контроллер 10 связан также с блоком 13 управления лазерной головкой 6 и с блоком 14 управления сверлильной головкой 7. Также с центральным контроллером 10 связаны блок 15 датчиков перемещения инструмента, датчик 16 магазина 5 рабочих органов и блок 17 внешних интерфейсов. Необходимое электропитание обеспечивается блоком 18 питания (на фиг. 2 блок питания 18 обозначен как БП). Управление работой установки осуществляется посредством хранящегося в блоке 19 памяти центрального контроллера 10 специального программного обеспечения (на фиг. 2 обозначено как СПО).
Сверлильная головка (фиг. 3) содержит конус 20, предназначенный для ее быстрого закрепления в узел 2 обработки и упор 21, причем конус 20 и упор 21 выполняются по ГОСТ 25827-93 (или DIN 69871) и предназначены для упрощения быстрой смены используемой головки в узле 2 обработки. Такая схема (условно не показана) имеет коромысло с захватами, вращающееся в горизонтальной или вертикальной плоскости. При быстрой смене инструмента происходит автоматическое вывинчивание винтов, ввинчивающихся в площадки с резьбой на вершинах конусов, и ослабление конусов в ответных частях патронов, затем коромысло подхватывает обе головки, разворачивается на 180 градусов, после чего происходит автоматическое ввинчивание винтов и закрепление конусов в ответных частях патронов. Таким образом головки меняются. Схема работы механизма быстрой смены инструмента аналогична например, таковой у станка МА299Ф2, описанной в книге [8] - Локтева С.Е. Станки с программным управлением и промышленные роботы. М.: Машиностроение, 1986 - 320 с. на стр. стр. 252-253. Также сверлильная головка содержит контактные пластины 22-1 и 22-2, предназначенные для подачи рабочего напряжения на мотор головки, контактные пластины 23, предназначенные для подачи команд на двигатели, корпус головки 24 и патрон 25, в котором зажато ступенчатое сверло 26 с возможностью его перемещения вдоль оси OZ.
Сверлильная головка служит для сверления отверстий в фольгированном стеклотекстолите. Эти отверстия могут быть как крепежными, так и отверстиями в контактных площадках для установки компонентов, а также переходными с последующей металлизацией. Ступенчатое сверло позволяет проводить обработку в широком диапазоне диаметров без смены инструмента.
Кинематическая схема головки представлена на фиг. 4.
Патрон сверлильной головки 25 приводится в движение посредством двигателя 27 через муфту 28. Вал 29, вставленный в муфту 28, вращается в упорных подшипниках 30 и 31, которые связаны с реечной передачей 32, приводимой в действие двигателем 33.
Лазерная головка (фиг. 5) подобно сверлильной головке содержит конус 20, предназначенный для ее быстрого закрепления в узел 2 обработки и упор 21, причем конус 20 и упор 21 выполняются по ГОСТ 25827-93 (или DIN 69871) и предназначены для упрощения быстрой смены используемой головки в узле 2 обработки. Также лазерная головка содержит оптоволоконный ввод 34, корпус головки 35 и выходной объектив 36. Оптоволоконный ввод служит для питания оптической системы излучением от лазерного источника, находящегося за пределами движущихся частей установки посредством оптического волокна. Волокно и лазерный источник излучения условно не показаны.
Оптическая схема головки может состоять из различного типа зеркал, линз и прочих оптических элементов, предназначенных для фокусировки ультрафиолетового излучения, выходящего из объектива, на небольшой площади. Размещение лазерного источника излучения за пределами узла 2 обработки снижает вес лазерной головки, что позволяет снизить энергопотребление приводов установки.
Работа установки происходит следующим образом.
Вначале на основании 1 при помощи скоб 9-1 и 9-2 закрепляется заготовка 8 - прямоугольная пластина фольгированного стеклотекстолита, покрытая слоем фоторезиста. Затем подается питание на блок 18 питания. Далее блок 18 питания подает напряжение на центральный контроллер 10, затем АСУ предприятия (или компьютер, связанный с установкой) передает на нее данные сверления и данные топологии изготавливаемого изделия через блок 17 внешних интерфейсов, после чего при помощи команд с центрального контроллера 10 приводятся в действие контроллеры 11 и 12 двигателей, перемещающих узел 2 обработки вдоль осей OX и OY. Перемещение осуществляется к магазину 5 рабочих органов, где хранятся лазерная 6 и сверлильная 7 головки. Все перемещения узла 2 обработки контролируются при помощи блока 15 датчиков перемещения инструмента, сигналы с которого поступают в центральный контроллер 10 и обрабатываются с помощью специализированного программного обеспечения, хранящегося в блоке 19 памяти.
Зажимное устройство узла 2 обработки производит захват лазерной головки 6 из магазина 5 рабочих органов и закрепление ее посредством конуса 20 и упора 21 в узле 2 обработки. Все действия роботизированы и осуществляются под контролем датчика 16 магазина 5 рабочих органов. Далее согласно командам с центрального контроллера 10 механизм 4 прецизионного перемещения осуществляет перемещение узла 2 обработки с установленной в нем лазерной головкой 6 в зону размещения заготовки 8, включается внешний источник лазерного излучения (условно не показан), который по оптоволокну (условно не показано) через оптоволоконный ввод, оптическую систему головки и выходной объектив 36 производит выборочную засветку фоторезиста лазерным излучением в соответствии с заданным рисунком проводников. Обработка производится в соответствии с командами, поступающими с блока 13 управления лазерной головкой 6, которые в свою очередь формируются под действием команд, поступающих с центрального контроллера 10.
Затем узел 2 обработки вновь подводится к магазину 5 рабочих органов, где находится сверлильная головка 7. Зажимное устройство узла 2 обработки возвращает лазерную головку 6 на свое место в магазине 5 рабочих органов и забирает из него сверлильную головку 7. Сверлильная головка закрепляется посредством конуса 20 и упора 21 в узле 2 обработки. На контактные пластины 22-1, 22-2 и 23 подается питающее напряжение и приводятся в действие двигатели 27 и 33.
Далее согласно командам с центрального контроллера 10 производится обработка заготовки 8 посредством сверлильной головки 7. При этом команды с центрального контроллера 10 передаются на блок 14 управления сверлильной головкой 7 и далее через контакты 23 - на двигатель 27, который через муфту 28 и вал 29 вращает патрон 25 со ступенчатым сверлом 26. При этом сверление отверстий различных диаметров, а также ввод сверла в контакт с заготовкой и вывод из него осуществляются посредством перемещения вала 29 в муфте 28 вдоль оси OZ путем перемещения связанных с ним упорных подшипников 30 и 31 реечной передачей через двигатель 33. Перемещения сверлильной головки контролируются блоком 15 датчиков перемещения инструмента.
После окончания обработки заготовки 8 узел 2 обработки вновь подводится к магазину 5 рабочих органов, где осуществляет возврат сверлильной головки 7 на свое место хранения.
При этом в течение работы установки сообщения о готовности изделия и/или возникающих по ходу работы нештатных ситуациях с центрального контроллера 10 поступают на блок 17 внешних интерфейсов для передачи их в АСУ предприятия или компьютер, связанный с установкой.
Результатом работы установки является быстрое создание в автоматическом режиме макета печатной платы с крепежными, переходными и монтажными отверстиями и сформированным рисунком проводников, которая требует последующей промывки и травления. Подробно технология изготовления печатных плат рассмотрена в книге [9] - К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева, Э.В. Мысловский, О.Д. Парфенов, Е.В. Пирогова, В.А. Шахнов. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с. на страницах 311-314.
Рассмотренное показывает, что изобретение осуществимо и дает технический результат, заключающийся в разработке технологической установки, обеспечивающей возможность быстрого макетирования печатных плат с использованием заготовок из фольгированного диэлектрика.
Источники информации
1. RU 22535704 C1, B22F 7/00, B22F 3/00, В29С 67/00, В32В 18/00, опубл. 20.12.2014.
2. RU 2459704 С2, В29С 67/04, G06F 19/00, В29С 41/36, G06T 17/00, опубл. 27.08.2012.
3. RU 2109417 C1, H05K 3/06, опубл. 20.04.1998.
4. RU 2326514 С1, H05K 3/07, H05K 3/06, опубл. 10.06.2008.
5. RU 2519266 С2, H05K 3/06, опубл. 10.06.2014.
6. RU 2149525 C1, H05K 3/00, H05K 3/12, опубл. 20.05.2006.
7. US 2005/0225007 A1, B29C 41/02, опубл. 13.10.2005.
8. Локтева С.Е. Станки с программным управлением и промышленные роботы М.: Машиностроение, 1986 - 320 с. на стр. стр. 252-253.
9. К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева, Э.В. Мысловский, О.Д. Парфенов, Е.В. Пирогова, В.А. Шахнов. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов // М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.