一種混聯(lián)機(jī)構(gòu)高速高精度貼片機(jī)設(shè)計(jì)

引言

表面貼裝技術(shù)sMT(surfaceM.uonTecto.h.lg）是新一代組裝技術(shù),它將傳統(tǒng)的電子元器件壓縮成為體積很小的片式器件,體積減小,功能不變,這就要求其貼裝設(shè)備(生產(chǎn)線(xiàn)）具有速度高、精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。貼片機(jī)是sMT生產(chǎn)線(xiàn)上最重要的設(shè)備,它通過(guò)移動(dòng)貼裝頭把表面貼裝元件準(zhǔn)確地貼放到經(jīng)過(guò)錫膏印刷或點(diǎn)膠的PCB板(印制電路板）上。隨著電子產(chǎn)品的小型化、輕量化發(fā)展,各種電子元件的集成度不斷提高,對(duì)貼片機(jī)的速度、精度也提出了越來(lái)越高的要求。混聯(lián)機(jī)構(gòu)是在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展和形成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng),混聯(lián)機(jī)構(gòu)可以兼顧串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),又能避免出現(xiàn)兩者單獨(dú)應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題,將混聯(lián)機(jī)構(gòu)用于貼片機(jī),利用了混聯(lián)機(jī)構(gòu)的高剛度、高速、動(dòng)力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn),能夠滿(mǎn)足貼片機(jī)速度高、精度高的要求。

1混聯(lián)機(jī)構(gòu)高速高精度貼片機(jī)設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)是機(jī)械實(shí)現(xiàn)功能的載體,機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是在功能原理方案設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具體化,最終確定機(jī)械裝置的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)整體設(shè)計(jì)在shidw.rks中進(jìn)行,其三維模型如圖l所示,混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)由動(dòng)力傳動(dòng)模塊、并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊、貼裝頭模塊、供料模塊、PCB板夾緊模塊、視覺(jué)模塊等模塊組成,其中并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊即2-d.f并聯(lián)機(jī)構(gòu)(圖2）與貼裝頭模塊(設(shè)計(jì)有移動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸）,如圖3所示,組成混聯(lián)機(jī)構(gòu)。

1.1混聯(lián)機(jī)模塊設(shè)計(jì)

混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)的重點(diǎn)和核心是2-d.f并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[3],由平行四邊形CDOP組成一個(gè)單鏈,連桿AB為另一個(gè)單鏈,兩個(gè)單鏈在CP桿的某一點(diǎn)較接:吸嘴吸取元件的引腳位置,應(yīng)與貼放時(shí)要求貼放位置的引腳一致,因此,在元件吸取后,必須保證元件的引腳位置姿態(tài)不變,為此,增設(shè)一個(gè)II級(jí)桿組構(gòu)成平行四邊形CDOP,其中連桿PO在運(yùn)行過(guò)程中始終與PCB板平行,將貼裝頭安裝在此連桿BC上,這樣就可保證元件引腳位置在運(yùn)行過(guò)程中保持不變。

1.2其他模塊設(shè)計(jì)

供料模塊主要由喂料器(三星sM42l）、喂料器基座、機(jī)架、料盤(pán)等部件組成,由于喂料器比較復(fù)雜,且為現(xiàn)有結(jié)構(gòu)件,喂料器的主要作用是以一定的時(shí)間間隔,使料帶中的芯片準(zhǔn)確有效地到達(dá)芯片的吸取點(diǎn)。

圖1貼片機(jī)三維模型圖

圖22-dof并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊

圖3貼裝頭模塊

設(shè)計(jì)夾緊模塊時(shí),考慮成本、實(shí)用等方面因素,PCB板采用人工安放、機(jī)械(彈簧）定位夾緊的方式,如圖4所示,PCB板的一端緊靠在基準(zhǔn)板上,PCB板的另一端靠在可移動(dòng)的夾緊塊上,彈簧的一端與可移動(dòng)的夾緊塊相連接,另一端固定在固定塊上,在彈簧的作用下,推動(dòng)可移動(dòng)的夾緊塊使PCB板夾緊,限位螺釘防止PCB板無(wú)放置時(shí),可將夾緊塊移出。

視覺(jué)模塊主要包括視覺(jué)定位和視覺(jué)檢測(cè),定位相機(jī)位于貼裝頭內(nèi)部,隨著貼裝頭一起移動(dòng),主要是對(duì)PCB板上的貼裝點(diǎn)進(jìn)行掃描定位,以確定要貼放芯片的位置,同時(shí)在貼裝完整個(gè)PCB板后進(jìn)行全面掃描,檢測(cè)有無(wú)漏貼的芯片:檢測(cè)相機(jī)位于喂料器的一側(cè),在吸嘴吸取元件后,移動(dòng)到檢測(cè)相機(jī)的上方,進(jìn)行拍照檢測(cè),主要是檢測(cè)芯片與正確貼裝時(shí)有無(wú)角度偏差,控制系統(tǒng)對(duì)角度偏差信號(hào)進(jìn)行分析,然后控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,進(jìn)行糾偏（矯正）。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)的驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)主要包括:誤差補(bǔ)償、建立傳遞函數(shù)模型以及采用關(guān)節(jié)誤差反饋信息的定增益PID和自適應(yīng)逆控制方法,以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人良好的運(yùn)動(dòng)性能,其運(yùn)動(dòng)控制框圖如圖5所示,機(jī)器人控制單元接收雙目視覺(jué)模塊發(fā)送的位置信息,經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解計(jì)算后,再傳送給底層運(yùn)動(dòng)控制單元,經(jīng)過(guò)插補(bǔ)計(jì)算后,控制各個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置伺服控制,完成PCB的分揀與貼裝。

混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)的控制系統(tǒng)主要由兩個(gè)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、運(yùn)動(dòng)控制卡、視覺(jué)采集卡等組成,運(yùn)動(dòng)控制卡采用TurboPMAC2-Eth-Litecontroller多軸運(yùn)動(dòng)控制卡:伺服電機(jī)選用MoTEC的sEM80B08303HN,額定功率750w:伺服驅(qū)動(dòng)器選用配套的sED0823/30,供電電壓為單相220vAC:步進(jìn)電機(jī)選用常州運(yùn)控電子有限公司的20H28H-0204A,驅(qū)動(dòng)器為MD-2522。

混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,信號(hào)以"方向加脈沖"方法,傳遞到驅(qū)動(dòng)器中,進(jìn)而控制兩個(gè)伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)按照指令進(jìn)行工作,然后再命令通過(guò)I/o控制電磁閥的關(guān)、閉,進(jìn)而控制氣缸和真空發(fā)生器。

3樣機(jī)試制

混聯(lián)運(yùn)動(dòng)貼片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,對(duì)需要加工的零部件繪制二維圖紙,零件加工完成后再進(jìn)行零件裝配,對(duì)不合格的零件需修配,然后對(duì)零件進(jìn)行發(fā)黑處理,最后進(jìn)行總裝配。同時(shí),根據(jù)氣動(dòng)回路圖連接氣動(dòng)元件,根據(jù)電路控制系統(tǒng)原理連接各電器控制元件,并安裝回零開(kāi)關(guān),研制的實(shí)物樣機(jī)如圖7所示,經(jīng)初步調(diào)試滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)要求,達(dá)到高速、高精密貼裝要求。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,混聯(lián)機(jī)構(gòu)貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠,貼裝精度高、速度快,與直角坐標(biāo)機(jī)器人或通用型五、六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器相比,其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制功能強(qiáng)大,同時(shí)視覺(jué)檢查模塊具有較高的準(zhǔn)確度,滿(mǎn)足系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求,因此,混聯(lián)機(jī)構(gòu)貼片機(jī)能滿(mǎn)足電子封裝的要求,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,將會(huì)在電子封裝企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。