一種混聯(lián)機構(gòu)高速高精度貼片機設(shè)計

引言

表面貼裝技術(shù)SMT(SurfaceMOuntTechnOlOgy)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）具有速度高、精度高、穩(wěn)定性好等特點。貼片機是SMT生產(chǎn)線上最重要的設(shè)備,它通過移動貼裝頭把表面貼裝元件準(zhǔn)確地貼放到經(jīng)過錫膏印刷或點膠的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,對貼片機的速度、精度也提出了越來越高的要求?；炻?lián)機構(gòu)是在并聯(lián)機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展和形成的復(fù)雜機械系統(tǒng),混聯(lián)機構(gòu)可以兼顧串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點,又能避免出現(xiàn)兩者單獨應(yīng)用時出現(xiàn)的問題,將混聯(lián)機構(gòu)用于貼片機,利用了混聯(lián)機構(gòu)的高剛度、高速、動力學(xué)性能好等優(yōu)點,能夠滿足貼片機速度高、精度高的要求。

1混聯(lián)機構(gòu)高速高精度貼片機設(shè)計

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

混聯(lián)運動貼片機整體設(shè)計在SlidwOrks中進行,其三維模型如圖1所示,混聯(lián)運動貼片機由動力傳動模塊、并聯(lián)機構(gòu)模塊、貼裝頭模塊、供料模塊、PCB板夾緊模塊、視覺模塊等模塊組成,其中并聯(lián)機構(gòu)模塊即2-dOf并聯(lián)機構(gòu)(圖2）與貼裝頭模塊(設(shè)計有移動軸和旋轉(zhuǎn)軸）,如圖3所示,組成混聯(lián)機構(gòu)。

1.1混聯(lián)機模塊設(shè)計

混聯(lián)運動貼片機的重點和核心是2-dOf并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計,由平行四邊形CDOP組成一個單鏈,連桿AB為另一個單鏈,兩個單鏈在CP桿的某一點較接:吸嘴吸取元件的引腳位置,應(yīng)與貼放時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11級桿組構(gòu)成平行四邊形CDOP,其中連桿PO在運行過程中始終與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行過程中保持不變。

1.2其他模塊設(shè)計

供料模塊主要由喂料器(三星SM421）、喂料器基座、機架、料盤等部件組成,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間間隔,使料帶中的芯片準(zhǔn)確有效地到達芯片的吸取點。

圖1貼片機三維模型圖

圖22-dOf并聯(lián)機構(gòu)模塊

圖3貼裝頭模塊

設(shè)計夾緊模塊時,考慮成本、實用等方面因素,PCB板采用人工安放、機械(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的夾緊塊上,彈簧的一端與可移動的夾緊塊相連接,另一端固定在固定塊上,在彈簧的作用下,推動可移動的夾緊塊使PCB板夾緊,限位螺釘防止PCB板無放置時,可將夾緊塊移出。

視覺模塊主要包括視覺定位和視覺檢測,定位相機位于貼裝頭內(nèi)部,隨著貼裝頭一起移動,主要是對PCB板上的貼裝點進行掃描定位,以確定要貼放芯片的位置,同時在貼裝完整個PCB板后進行全面掃描,檢測有無漏貼的芯片:檢測相機位于喂料器的一側(cè),在吸嘴吸取元件后,移動到檢測相機的上方,進行拍照檢測,主要是檢測芯片與正確貼裝時有無角度偏差,控制系統(tǒng)對角度偏差信號進行分析,然后控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度,進行糾偏(矯正）。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

混聯(lián)運動貼片機的驅(qū)動與運動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計主要包括:誤差補償、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,以實現(xiàn)機器人良好的運動性能,其運動控制框圖如圖5所示,機器人控制單元接收雙目視覺模塊發(fā)送的位置信息,經(jīng)運動學(xué)逆解計算后,再傳送給底層運動控制單元,經(jīng)過插補計算后,控制各個電機驅(qū)動器進行位置伺服控制,完成PCB的分揀與貼裝。

混聯(lián)運動貼片機的控制系統(tǒng)主要由兩個伺服電機、步進電機相應(yīng)的驅(qū)動器、電磁閥、運動控制卡、視覺采集卡等組成,運動控制卡采用TurbOPMAC2-Eth-LitecOntrO11er多軸運動控制卡:伺服電機選用MOTEC的sEM80B08303HN,額定功率750w:伺服驅(qū)動器選用配套的sED0823/30,供電電壓為單相220VAC:步進電機選用常州運控電子有限公司的20H28H-0204A,驅(qū)動器為MD-2522。

混聯(lián)運動貼片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示,信號以"方向加脈沖"方法,傳遞到驅(qū)動器中,進而控制兩個伺服電機和步進電機按照指令進行工作,然后再命令通過I/O控制電磁閥的關(guān)、閉,進而控制氣缸和真空發(fā)生器。

3樣機試制

混聯(lián)運動貼片機結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,對需要加工的零部件繪制二維圖紙,零件加工完成后再進行零件裝配,對不合格的零件需修配,然后對零件進行發(fā)黑處理,最后進行總裝配。同時,根據(jù)氣動回路圖連接氣動元件,根據(jù)電路控制系統(tǒng)原理連接各電器控制元件,并安裝回零開關(guān),研制的實物樣機如圖7所示,經(jīng)初步調(diào)試滿足預(yù)期設(shè)計要求,達到高速、高精密貼裝要求。

4結(jié)語

通過實驗驗證,混聯(lián)機構(gòu)貼片機運動穩(wěn)定可靠,貼裝精度高、速度快,與直角坐標(biāo)機器人或通用型五、六自由度關(guān)節(jié)機器相比,其機械結(jié)構(gòu)簡單,控制功能強大,同時視覺檢查模塊具有較高的準(zhǔn)確度,滿足系統(tǒng)檢測的實時性要求,因此,混聯(lián)機構(gòu)貼片機能滿足電子封裝的要求,具有實際應(yīng)用價值,將會在電子封裝企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。