微型晶體諧振器預(yù)封定位裝置動作時序優(yōu)化研究*

胡小華，喻信東，單小榮，胡 劍，李剛炎*

（1.武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.泰晶科技股份有限公司，湖北 隨州 441300）

0 引 言

微型晶體諧振器在電子產(chǎn)品中的主要作用是提供頻率信號[1]。隨著科技的發(fā)展，市場對高頻率、高精度的微型晶體諧振器的需求逐步提升[2-3]。微型晶體諧振器的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，封裝是其最后一道工藝，封裝質(zhì)量直接決定了微型晶體諧振器的頻率穩(wěn)定性。國外對于微型晶體諧振器封裝技術(shù)與裝備的研究較早，日本AVIO公司研制的微型晶體諧振器封裝設(shè)備具有良品率高、報警率低等特點，但價格昂貴。因此，開發(fā)具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的微型晶體諧振器封裝設(shè)備有著重要意義。

預(yù)封定位裝置是微型晶體諧振器封裝設(shè)備的重要組成部分，用于諧振器封裝前定位并預(yù)封封蓋和封裝底座。預(yù)封定位裝置應(yīng)滿足穩(wěn)定性、可靠性和高速性等性能要求。為此，需綜合考慮各執(zhí)行機構(gòu)的運動時長和動作銜接，優(yōu)化預(yù)封定位裝置動作時序。

針對微型晶體諧振器預(yù)封定位裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動作時序難以規(guī)劃的問題，筆者對微型晶體諧振器預(yù)封定位裝置的動作時序進行研究。

1 預(yù)封定位裝置性能要求

預(yù)封定位裝置有兩種工作模式：視覺檢測模式和自動運行模式。載料盤上的封裝底座共25行、30列，預(yù)封定位裝置加工前20列，余下10列由下一工位加工。預(yù)封定位裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 預(yù)封定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知：（1）左取料機械臂由LP軸、左取料氣缸C2、左取料吸嘴組成，LP軸可使左取料吸嘴到達各工作位；左取料氣缸可使左取料吸嘴偏轉(zhuǎn)，便于吸嘴與封蓋吸合；右取料機械臂由RP軸、右取料氣缸C3和右取料吸嘴組成，其結(jié)構(gòu)功能與左取料機械臂一致。（2）左點焊機械臂由LS軸、左點焊輪和左點焊吸嘴組成，LS軸可使左點焊吸嘴和左點焊輪到達各工作位，左點焊輪可放電完成產(chǎn)品的焊接；右點焊機械臂由RS軸、右點焊輪和右點焊吸嘴組成，其結(jié)構(gòu)功能與左點焊機械臂一致。

D軸為直驅(qū)電機，可帶動4個機械臂轉(zhuǎn)動。L軸可使左校正夾松開夾緊，配合校正夾中間的左校正吸嘴，可限定封蓋位置，保證移載時的位置精度，R軸、右校正夾的結(jié)構(gòu)功能與上述一致。XYR校正平臺由載料盤、定位氣缸C1和XYR軸組組成，XYR軸組可移動校正平臺至各工作位，定位氣缸可使載料盤頂起縮回，工業(yè)相機位于載料盤上方，可對載料盤上的封蓋進行視覺校正。

左點焊吸嘴由電磁閥線圈R5、R6控制，R5通電吸真空，R6通電破真空，右點焊吸嘴由線圈R7、R8控制，控制方式與左點焊吸嘴一致；左取料吸嘴、右取料吸嘴、左校正吸嘴、右校正吸嘴由電磁閥線圈R9、R10、R11、R12控制，線圈通電時吸真空、斷電時停止吸真空。

預(yù)封定位裝置除應(yīng)滿足基本動作要求外，還應(yīng)滿足穩(wěn)定、可靠和高效的要求。

具體性能要求及其指標(biāo)如表1所示。

表1 預(yù)封定位裝置性能要求及其指標(biāo)

2 預(yù)封定位裝置動作流程設(shè)計

筆者首先對各傳感器的狀態(tài)參數(shù)進行定義，如表2所示。

表2 傳感器狀態(tài)參數(shù)定義

V為1—視覺校正完成；S4為1—載料盤到位，可進行預(yù)封定位作業(yè)；S5、S7、S9、S10、S11、S12狀態(tài)值為1—吸真空，狀態(tài)值為0—不吸真空，狀態(tài)值為-1—破真空；S13為1—封蓋到位，可供取料機械臂取料

同時，需定義各軸位置及其狀態(tài)值。D軸、L軸、LP軸、LS軸和XYR軸組的位置及其狀態(tài)值定義如表3所示（R軸、RP軸、RS軸位置編號與L軸、LP軸、LS軸一致，此處不予贅述）。

表3 軸動作位置及其狀態(tài)值

2.1 預(yù)封定位裝置主控流程規(guī)劃

主控流程負(fù)責(zé)整體控制，系統(tǒng)狀態(tài)切換如圖2所示。

圖2 預(yù)封定位裝置系統(tǒng)狀態(tài)切換圖

根據(jù)圖2，任意狀態(tài)下發(fā)出急停命令，系統(tǒng)進入急停狀態(tài)。只有急停狀態(tài)解除，系統(tǒng)才能進入其他狀態(tài)。

2.2 預(yù)封定位裝置動作時序設(shè)計

在視覺檢測模式下，以左視覺檢測為例，XYR軸組移動至左視覺位，D軸轉(zhuǎn)至90°位，左取料機械臂取料；取料完成后D軸轉(zhuǎn)至0°位，左取料機械臂放料；D軸再轉(zhuǎn)至90°位，左點焊機械臂取料；取料完成后D軸轉(zhuǎn)至0°位，左點焊機械臂放料。

該過程完成后對視覺校正模型修正，模型修正后再以相反步驟將封蓋取回。

自動運行時，預(yù)封定位裝置周期性進行焊接，XYR軸組移動至左加工位，D軸向0°位轉(zhuǎn)動，視覺校正系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動間隙對封裝底座進行校正；D軸轉(zhuǎn)至0°位后，同時執(zhí)行右取料機械臂取料、左取料機械臂放料、左點焊機械臂點焊、右點焊機械臂取料4種動作；4種動作執(zhí)行完畢后D軸轉(zhuǎn)至90°位，視覺校正系統(tǒng)對封裝底座進行視覺校正；轉(zhuǎn)至90°位后執(zhí)行左取料機械臂取料、右取料機械臂放料、右點焊機械臂點焊、左點焊機械臂取料4種動作。

4種動作完成后本焊接周期結(jié)束，D軸轉(zhuǎn)至0°位，開始下一周期，直至焊接完成。

引入?yún)?shù)Done代表自動運行是否完成，其初始值為0，為1表示完成；引入?yún)?shù)n、m分別代表載料盤上被加工產(chǎn)品的行數(shù)與列數(shù)，其初始值均為0，n值最大為24，m值最大為19。

自動運行時，裝置以“蛇形方式”焊接，焊接單數(shù)列時，每焊接一個產(chǎn)品，n值加1，當(dāng)n值小于等于25時，令n值變?yōu)?4，m值加1，開始焊接相鄰雙數(shù)列；此時，每焊接一個產(chǎn)品，n值減1，當(dāng)n值小于等于-1時，令n值變?yōu)?，m值加1，開始焊接相鄰單數(shù)列。當(dāng)m值大于等于20時，表示該盤產(chǎn)品焊接完畢，令Done為1，可焊接下一盤。

焊接產(chǎn)生的高溫對點焊輪有損傷，因此，每焊接200次，需執(zhí)行點焊輪滾動動作，即XYR軸組移至滾輪位，LS軸移至滾輪位，此時點焊輪與載料盤恰好接觸，再移動Y軸使點焊輪在載料盤上滾動；每焊接100 000次，需更換點焊輪。設(shè)置參數(shù)E、G記錄左右點焊輪滾動后焊接次數(shù)，E、G值升至200后，復(fù)位為0，并執(zhí)行點焊輪滾動動作；設(shè)置參數(shù)C、F記錄左右點焊輪總焊接次數(shù)，C、F值升至100 000后，復(fù)位為0，并更換點焊輪。

筆者以左點焊機械臂點焊動作為例介紹其動作時序流程設(shè)計方法，如圖3所示。

圖3 左點焊機械臂點焊流程

圖3中，用參數(shù)B表示單右邊點焊按鈕，B為1代表按鈕按下，左點焊機械臂點焊動作不執(zhí)行，B為0則左點焊機械臂點焊動作可執(zhí)行；DH[25][20]為二維數(shù)組，記錄當(dāng)前加工的第n行、第m列的產(chǎn)品是否焊接完成，為1表示焊接完成，為0表示焊接異常；Ngnum記錄連續(xù)焊接異常個數(shù)，Ngnum值為3時令參數(shù)Ng為1，表示需停機檢修。

點焊動作開始，需確定此刻工況，若單右邊點焊按鈕按下，B不為0，則動作直接結(jié)束；若左點焊吸料真空表S5不為1，則左點焊吸嘴上無封蓋，點焊動作也直接結(jié)束；若V不為1，表示視覺校正錯誤，則當(dāng)前產(chǎn)品加工失敗，DH（n,m）為0，Ngnum值加1，此時若Ngnum等于3，則表示系統(tǒng)故障，點焊動作結(jié)束；若Ngnum小于3，則計算n、m、Done的值。此時若Done為1，表示自動運行完成，點焊動作結(jié)束；若Done為0，則XYR軸組移至下一加工位，點焊動作完成。

當(dāng)B為0、S5為1且V為1時，工況判定通過，可進行點焊動作。LS軸移動至點焊位LS1，左點焊輪放電焊接，同時線圈R5斷電、R6通電，對產(chǎn)品吹氣降溫，100 ms后停止吹氣，焊接完成；LS軸回原位，并令C，E加1，判斷E是否小于200，不小于200則執(zhí)行左點焊輪滾動動作，小于200則設(shè)置DH（n,m）為1，Ngnum為0，表示當(dāng)前加工產(chǎn)品焊接正常；E值判定完成后計算n、m、Done的值，并判斷Done是否為0，不為0表示運行完成，點焊動作停止，為0則繼續(xù)進行預(yù)封定位作業(yè)，XYR軸組移至下一加工位，本次左點焊臂點焊動作完成。

3 預(yù)封定位裝置動作時序的仿真優(yōu)化

筆者運用Simulink/Stateflow搭建預(yù)封定位裝置的有限狀態(tài)機模型，構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖并進行仿真[4-6]。根據(jù)仿真結(jié)果對時序流程進行優(yōu)化。

3.1 動作時序模型的參數(shù)定義

筆者定義氣缸伸出和縮回狀態(tài)分別對應(yīng)狀態(tài)值1、0；表3中各軸位置編號對應(yīng)各軸狀態(tài)值。

筆者設(shè)置XYR軸組運行速度300 mm/s，啟動初期加（減）速度300 mm/s2，由于啟動時間較短，可忽略其加（減）速時間；設(shè)置L軸、R軸、LP軸、RP軸、LS軸、RS軸運行速度150 mm/s，啟動初期加（減）速度150 mm/s2。同理，可忽略其加（減）速時間；設(shè)置D軸速度300°/s。已知定位氣缸沖程耗時1.2 s，回程耗時1.5 s；左右移載氣缸沖程回程均耗時0.08 s；點焊耗時0.1 s。

筆者分別計算各軸運動位移及其時間。本研究以左取料機械臂和左點焊機械臂為例介紹各軸位移與時間，如表4所示。

表4 各軸運動位移與時間

3.2 基于Stateflow的動作時序模型設(shè)計

裝置動作時序模型的系統(tǒng)主控圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主控圖

圖4中，以屏幕按鈕、開關(guān)和傳感器的信號作為系統(tǒng)輸入[7-9]。筆者運用Simulink模塊庫中的常數(shù)模塊表示True和False，利用手動開關(guān)模塊Switch切換True或False[10]。系統(tǒng)輸出主要有兩部分：（1）系統(tǒng)運行狀態(tài)，以7個參數(shù)RunSig、RstSig、StpSig、EStpSig、PasSig、AlSig、InsSig對應(yīng)系統(tǒng)的運行狀態(tài)、復(fù)位狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、急停狀態(tài)、暫停狀態(tài)、報警狀態(tài)、視覺檢測狀態(tài)，參數(shù)值為1時表明系統(tǒng)進入對應(yīng)狀態(tài)，任意時刻最多只能有一個參數(shù)值為1；（2）各執(zhí)行元件狀態(tài)，以C1、C2、C3對應(yīng)各氣缸運動狀態(tài)，以L、R、LP、RP、LS、RS、D、XYR對應(yīng)各軸運動狀態(tài)。

3.3 預(yù)封定位裝置動作時序仿真及優(yōu)化

預(yù)封定位裝置仿真時，點焊機械臂點焊耗時1.02 s、點焊機械臂取料耗時0.71 s、取料機械臂取料耗時1.01 s、取料機械臂放料耗時0.72 s、單焊接周期耗時2.63 s、視覺檢測模式耗時8.97 s、焊接一盤耗時669.68 s，滿足高速性各指標(biāo)要求。

若在保證功能、避免碰撞的前提下，使部分執(zhí)行元件的動作順序由依次執(zhí)行變?yōu)橥綀?zhí)行，則可顯著提升系統(tǒng)的運行效率。根據(jù)裝置動作時序仿真結(jié)果可知，一個焊接周期內(nèi)點焊機械臂點焊、點焊機械臂取料、取料機械臂取料、取料機械臂放料4個動作同時進行，但點焊機械臂點焊動作耗時最長，而D軸在4個動作全部執(zhí)行完畢后才能轉(zhuǎn)動至下一工位，為減少D軸等待時間，可使點焊機械臂點焊的最后一步動作與D軸轉(zhuǎn)動同時進行。

根據(jù)上述思路修改動作時序模型，并再次仿真，此時4個機械臂中取料機械臂取料動作耗時最長。同理，可使取料機械臂取料的最后一步動作與D軸轉(zhuǎn)動同時進行。

筆者對優(yōu)化完畢后的動作時序模型進行仿真。優(yōu)化前后單焊接周期動作時序?qū)Ρ热鐖D5所示。

由圖5可知：優(yōu)化后點焊機械臂點焊耗時0.76 s，點焊機械臂取料耗時0.71 s，取料機械臂取料耗時0.93 s，取料機械臂放料耗時0.72 s，單焊接周期耗時2.45 s，視覺檢測模式耗時8.89 s，焊接一盤耗時621.76 s。可見，性能較優(yōu)化前提升7.17%。

4 預(yù)封定位裝置動作時序驗證

為驗證上述動作時序設(shè)計的合理性，筆者進行樣機試制，樣機如圖6所示。

圖6 預(yù)封定位裝置樣機

本研究試生產(chǎn)28盤共14 000個產(chǎn)品，其中封蓋丟失、未焊合、封蓋歪斜的不合格品數(shù)分別為3、2、4，不合格品率η為0.64‰，滿足穩(wěn)定性要求。

筆者記錄裝置12天內(nèi)的報警次數(shù)，如表5所示。

表5 系統(tǒng)報警次數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

由表5可知，系統(tǒng)報警率μ為0.5次/天，滿足可靠性要求。

筆者依次測定裝置各動作耗時，并計算各動作耗時的平均值，可知點焊機械臂點焊平均耗時0.76 s、點焊機械臂取料平均耗時0.70 s、取料機械臂取料平均耗時0.93 s、取料機械臂放料平均耗時0.71 s、單焊接周期平均耗時2.45 s、視覺檢測模式平均耗時8.90 s、焊接一盤平均耗時646.72 s；與仿真結(jié)果對比，偏差為4.01%，滿足高速性要求。

由測試結(jié)果可知：預(yù)封定位裝置實際動作時間與仿真結(jié)果較吻合，驗證了流程設(shè)計的正確性；且焊接不合格情況滿足穩(wěn)定性要求，裝置報警次數(shù)滿足可靠性要求，各動作耗時滿足高速性要求。

5 結(jié)束語

針對微型晶體諧振器封裝設(shè)備的預(yù)封定位裝置，筆者運用仿真分析與樣機試驗的方法對其動作時序進行了設(shè)計和優(yōu)化，設(shè)計了預(yù)封定位裝置的動作時序，得到了各動作的流程圖；基于有限狀態(tài)機理論，使用Simulink/Stateflow構(gòu)建了預(yù)封定位裝置的動作時序模型；以模型仿真結(jié)果為依據(jù)對預(yù)封定位裝置動作時序進行優(yōu)化，得到優(yōu)化后各動作的時序圖與時間理論值。

樣機試驗表明：動作時序設(shè)計的合理性與正確性，預(yù)封定位裝置的各種性能均滿足預(yù)期性能要求。