Automated Copper Applicator for PCB Prototyping (ACAPP)/zh

本项目旨在研发一种能够高效、环保地制造印刷电路板 (PCB) 的机器。虽然有很多方法可以实现这一目标，但最终决定采用一种独特的铜箔贴片机。因此，该机器被命名为“PCB 原型自动化铜箔贴片机”（ACAPP）。ACAPP 目前仍在研发中，但所有方法论均已规划完毕，并已在可执行范围内。本报告将探讨工艺的选择以及具体的执行细节。

制造印刷电路板 (PCB) 的方法有很多，其中最常见的是铣削和光刻。铣削工艺是将铜片粘贴到环氧树脂玻璃基板上，然后用小半径铣刀铣掉多余的铜材料。光刻工艺也使用同样的铜片和环氧树脂玻璃基板。该工艺首先将电路板的负像印刷到透明塑料片上，然后将其粘贴到铜片上。之后将它们放入氯化铁溶液中，光照会引起反应，蚀刻掉多余的铜区域。这两种工艺都是“减材制造”，这意味着会产生废料。更不用说储存或处理光刻工艺产生的化学废料所带来的危险了。

我们决定寻找一种增材制造工艺。首先考虑的是一种名为“导电油墨”的相对较新的技术。它是一种类似油漆笔的装置，其中包含银化合物。这种方法很容易在标准的龙门式印刷机上实现，但是这种油墨价格昂贵，容易晕染，最重要的是，其电阻率相对较高（高达 10 Ω/cm）。这时，铜箔的应用就派上了用场。3M 公司生产用于屏蔽设备和电缆的薄铜箔。这种铜箔柔韧性好，由纯铜制成，电阻极低（0.05 Ω/cm）。在材料宽度（3mm）的限制范围内，铜箔可以贴成任何形状或图案。这种工艺完全是增材制造，高效且成本低廉。此外，这种方法可以用于在任何材料上印刷，从木材到纸板、布料或玻璃纤维。

首先进行的机械任务是可行性研究，以验证铜箔贴装的可行性。贴装器是该机械设计的关键部件，也是最复杂的部分。尽管如此，其基本原理仍可从图 1 的示意图中看出。示意图中详述的基本流程如下：胶带从卷轴上伸出，并由一组橡胶轮夹紧。在橡胶轮的出口处，胶带从蜡纸背衬上剥离。胶带向下偏转至张紧器，张紧器会将胶带卷到 PCB 表面。此外，还设有切割器，用于切断胶带。

工具头必须安装在自动化定位系统上。本设计采用龙门式自动化系统。结构材料选用1英寸方形铝管，并通过定制设计的3D打印部件连接。张紧器由铝棒和滑板滚珠轴承制成，如图3所示。运动部件由皮带驱动，并在线性轴承上运行。

由于铜箔涂布器只能沿一个方向涂布，因此印刷台必须至少旋转90°。印刷台安装在从方程式赛车差速器中取出的滚珠轴承上。印刷台底座的设计使其可以通过电机驱动的皮带旋转。

通常，PCB 的设计和导出都使用 Gerber 文件格式。虽然 Gerber 文件被业界普遍接受，但对于此应用而言过于复杂。因此，我们开发了一款软件，用户可以使用该软件设计自定义 PCB 布局，并将其保存为简单的 .txt 格式。数据结构很简单：如果将 PCB 视为一个二维平面，则可以应用一组笛卡尔坐标。设计中的每一条线都有一个起点和一个终点，它们都与 PCB 的坐标平面相对应。这些坐标被保存在一个数组中，最终保存到 .txt 文件中。当前的界面设计如图 4 所示。

该软件使用免费的 C++ 开发环境 QTCreator 编写。之所以选择 QTCreator，是因为它包含 QtPainter 库（用于在设计阶段渲染电路板）和 QtSerialPort 库（用于实现 COM 端口的访问和控制）。该软件的设计使得所有必要功能都可以在单个屏幕上完成。它包含电路板设计功能，以及文件保存和加载功能。界面右侧是手动微调控件，用于移动机器进行故障排除。最后，还有一个用于高级调试的命令行控制台。

该软件旨在处理从设计坐标到机器运动的所有转换。这一选择至关重要，因为在PC上进行计算比在微控制器上快得多。软件与微控制器之间的串行通信结构将在下一节中讨论。

该固件设计相对简单。它基于德州仪器 (TI) 的 MSP-EXP432P401R 微控制器编程，其主要功能是解析串行信号，并将信息传递给电机驱动器。该固件设计用于解析字节级串行数据。控制器接收到的字节将包含标识字节地址的数据，然后包含步数信息或电机控制信息。在所有控制字节中，最高 3 位用于地址，最多可寻址 8 个字节 (2^3=8)。字节中剩余的 5 位用于存储数据。对于图 5 中的步数字节，这 5 位是 15 位信号的一部分，用于告知电机在当前配置下应执行多少步。由于步数数据是一个 15 位数字，因此它占用 3 个串行字节。图 6 中的电机数据字节包含 4 个已用数据位：MS1 和 MS2 用于控制步长，DIR 用于指定旋转方向，STP 用于指示电机是否处于运动状态。每个电机都使用唯一定义的串行字节进行操作。这些串行信号由微控制器接收、解码，然后发送到相应的电机驱动器或内部控制变量。

参考行业标准，定位电机选用步进电机。选择步进电机的原因在于其开环可控性、易得性和价格优势。四个定位电机均由一个 SparkFun EasyDriver 驱动板驱动。这些驱动板接收来自 TI 微控制器的二进制数据。所有控制电路都集成在一块万用板上，并通过螺丝端子与电机连接。最终的电路板如图 8 所示。

ACAPP尚未完全完成，但机器的多个部件已经过测试。经过大量的调试，用户界面和微控制器之间的通信运行完美。电路板也已测试，目前看来没有问题。电机已连接到电路板，位置控制也经过了测试和验证。截至撰写本文时，目前已有两个轴完成并投入运行。工作台的旋转轴存在一些需要解决的问题，即皮带打滑。目前已使用安全线加固张紧器，暂时解决了这个问题。

ACAPP项目仍有许多工作要做才能最终完成。我们首先致力于实现所有三个轴的运动控制。这需要完成一些机械部件的组装和测试。一旦运动控制功能正常，我们将对三维位置控制进行广泛的测试。最后一步是制造铜箔涂布器并将其固定到机器上。机器还需要再次进行全面的测试和校准。完成这一步骤后，我们将对设计进行评估，并开始持续的改进过程。

ACAPP 的开发对我的生活产生了深远的影响。由于其设计涵盖了机械、电气、软件和手工组装等诸多方面，我对整个系统的运作方式有了更深刻的理解。我对系统设计有了更透彻的认识。我的 C++ 技能得到了提升，尤其是在位运算方面，因为编程需要大量的逻辑运算。此外，我还掌握了机械建模方面的技能，这是我在参与这个项目之前所不具备的。在这个项目中，我学到的另一个关键技能是市场评估和基准测试。我必须了解市场上现有的 PCB 制造方案，分析每种方案的优缺点，并尝试对其进行改进。我相信，如果经过足够的完善，ACAPP 完全有潜力成为一个面向消费者的产品。

沙恩·奥伯洛伊尔

• 萨吉诺谷州立大学本科生
• 电气与计算机工程系
• 电子邮件：swoberlo@svsu.edu
• 网站：voltfolio.com