應(yīng)用于 SMT生產(chǎn)的高精度支撐夾具設(shè)計(jì)

徐平凡 肖文勛 徐鳴利 黃健

摘要：傳統(tǒng)貼片機(jī)（SMT）在更換貼裝產(chǎn)品時(shí)，需人工進(jìn)行布置頂針，費(fèi)力耗時(shí)，且易使布針位置偏差而造成芯片損壞和報(bào)廢。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)了一種新型支撐頂針夾具，包括固定座、高精度支撐機(jī)構(gòu)、彈性機(jī)構(gòu)、固定座墊塊和底座等。通過在支撐頂針的下方獨(dú)立式彈簧控制頂針高度，電路板上的高低元器件均可良好地支撐，提升貼裝品質(zhì)。該設(shè)備已應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，通過對(duì)比改造前后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，布置頂針的 PIN圖從30 min降低到3～5 min ，次品率從8‰～10‰大幅度下降至3‰，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)較好。關(guān)鍵詞：貼片機(jī);高精度夾具;支撐頂針;獨(dú)立式彈簧

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-9492（2021）11-0116-03

Design of High-precision Support Fixtures Used in SMT Production

Xu Pingfan1，Xiao Wenxun2，Xu Mingli3，Huang Jian3

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Zhongshan Polytechnic， Zhongshan， Guangdong 528404， China;2. School of Electric Power， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China;3. Zhongshan Songlian Electronic Technology Co.， Ltd.， Zhongshan， Guangdong 528408， China）

Abstract： Existing SMT require manual placement of thimble when replacing placement products， which is laborious and time-consuming， and it is easy to cause chip damage and scrap due to deviation of the needle position. In order to solve this problem， a new type of support thimble mechanism was designed， including fixed seat， high-precision support mechanism， elastic mechanism， fixed seat cushion and base. Through the independent spring under the support thimble to control the height of the thimble， the high and low components on the circuit board could be well supported， which improved the placement quality. Finally， the equipment was built to verify the feasibility in the practice， the detailed experimental data were proposed. The time required to arrange the thimble is reduced from 30 min to 3～5 min， and the defect rate has dropped from 8‰～10‰ to 3‰. The technical indicators are good.

Key words： SMT; high-precision support fixtures; support thimble; independent spring

0 引言

貼片機(jī)在電子產(chǎn)品生產(chǎn)線中廣泛應(yīng)用，主要配置在點(diǎn)膠機(jī)或絲網(wǎng)印刷機(jī)之后，通過移動(dòng)貼裝頭把表面貼裝元器件準(zhǔn)確地放置 PCB板的焊盤上的一種設(shè)備[1-5]。支撐頂針結(jié)構(gòu)是貼片機(jī)的重要部件，為了保證在貼片過程中產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，在生產(chǎn)時(shí)需要將電路板固定于支撐頂針結(jié)構(gòu)上。

現(xiàn)有的貼片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)支撐頂針一般為鋼制，在更換不同產(chǎn)品時(shí)需要人工進(jìn)行布置頂針，且每個(gè)產(chǎn)品均要事先制作布置頂針的 PIN 圖，此方式耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)（約30 min），并且位置若有偏差會(huì)損壞電路板上的元器件。

貼片機(jī)的另一種支撐頂針為橡膠式支撐柱，橡膠柱為固定陣列式，會(huì)隨使用時(shí)間變長(zhǎng)老化而失去應(yīng)有的彈性，影響貼片機(jī)貼狀，容易造成飛件不良，且不能很好地對(duì)應(yīng)到不同厚度的電路板。

因此，有必要設(shè)計(jì)一種更好的貼片機(jī)的支撐頂針結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足。

針對(duì)此問題，國(guó)內(nèi)很多文獻(xiàn)提出不同的解決措施，歸納后主要有： （1） 采用控制系統(tǒng)程序優(yōu)化方式[6～7]，短時(shí)間能解決問題，但長(zhǎng)時(shí)間使用后無法跟隨匹配;（2） 采用特殊機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8-9]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期升級(jí)改造難; （3）采用視覺檢測(cè)系統(tǒng)[10-12]，有一定的借鑒作用，但價(jià)格昂貴。

為解決以上問題，提供一種貼片機(jī)的支撐頂針夾具，通過支撐頂針下方單獨(dú)設(shè)置彈簧，獨(dú)立式控制頂針高度，電路板上的高低元器件均可良好支撐，不會(huì)損傷元器件，可以提升貼裝品質(zhì)。

1 整體機(jī)械設(shè)計(jì)

貼片機(jī)的支撐頂針結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括固定座、設(shè)于固定座內(nèi)的多個(gè)支撐頂針、分別對(duì)應(yīng)設(shè)于支撐頂針下方的多個(gè)彈性件、設(shè)于固定座的下方的墊塊和設(shè)于墊塊的下方的底座。

圖2所示為整體夾具內(nèi)部結(jié)構(gòu)，固定座設(shè)有多個(gè)定位孔，定位孔包括第一通孔以及與第一通孔貫通的第二通孔，第一通孔和第二通孔均為圓孔，第二通孔的孔徑小于第一通孔的孔徑。第一通孔向下貫穿至固定座的底壁，第二通孔向上貫穿至固定座的頂壁。第一通孔和第二通孔之間形成限位壁。

2 支撐夾具設(shè)計(jì)

支撐夾具主要由多個(gè)支撐頂針和彈性件構(gòu)成，如圖2～3所示，支撐頂針分別對(duì)應(yīng)設(shè)置于定位孔內(nèi)，支撐頂針具有第一軸部以及自第一軸部向上延伸的第二軸部，第一軸部和第二軸部均呈圓柱形，第一軸部的直徑大于第二軸部的直徑，第一軸部與限位壁接觸。第一軸部和第一通孔相匹配，并且第一軸部的直徑小于第一通孔的孔徑，因此第一軸部能在第一通孔內(nèi)活動(dòng)且不能在第二通孔內(nèi)活動(dòng)。第二軸部和第二通孔相匹配，并且第二軸部的直徑小于第二通孔的孔徑，由于第二通孔的孔徑小于第一通孔的孔徑，因此第二軸部能在第一通孔和第二通孔內(nèi)活動(dòng)。其中，支撐頂針的材質(zhì)為橡膠。

支撐頂針和彈性件之間設(shè)有平墊圈，平墊圈的外徑大于第一軸部的直徑，彈性件的頂端抵接于平墊圈，彈性件的底端抵接于墊塊的頂壁。由于第一軸部的支撐面不大，為了避免第一軸部向下抵壓的時(shí)候無法很好地壓縮彈性件，因此在支撐頂針和彈性件之間設(shè)置直徑較大的平墊圈，從而提供一個(gè)較大的支撐面，不僅可以更好地抵壓彈性件，而且可以減少第一軸部受到的壓應(yīng)力。其中，彈性件為彈簧或采用橡膠彈性柱。

由于每一個(gè)支撐頂針的下方都設(shè)有一個(gè)彈性件，因此每一個(gè)支撐頂針都可以由一個(gè)彈性件獨(dú)立控制，當(dāng)支撐頂針放置有電路板時(shí)，由于電路板下表面可能貼裝有元器件，并且元器件可能高度不一，在電路板上表面保持水平的情況下，電路板下表面的較高的元器件可以克服彈性件的彈力，將支撐頂針往下壓得更深，使得支撐頂針呈現(xiàn)高低不一的現(xiàn)象;當(dāng)撤去電路板后，支撐頂針可以在彈性件的彈力作用下在定位孔內(nèi)移動(dòng)，直至第一軸部與限位壁接觸從而被限位壁限位，由此支撐頂針并回復(fù)原位。通過在支撐頂針的下方單獨(dú)設(shè)置彈性件，通過獨(dú)立式彈性件單獨(dú)控制頂針高度，對(duì)于電路板上的高低元器件均可良好支撐，不會(huì)損傷元器件，可以提升貼裝品質(zhì)。

3 底部固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定座的底部向上凹設(shè)有多個(gè)第一固定孔，墊塊對(duì)應(yīng)第一固定孔的位置貫通設(shè)有多個(gè)第二固定孔，墊塊通過緊固件依次穿入第一固定孔和第二固定孔的方式固定于固定座，其中，緊固件為螺栓。為了避免第一固定孔影響定位孔的布局，多個(gè)第一固定孔分別設(shè)于固定座的兩側(cè)，多個(gè)第二固定孔也對(duì)應(yīng)設(shè)于墊塊的兩側(cè)，而由于位置的局限加上緊固件不能太小，墊塊設(shè)有用于讓位緊固件的頭部的讓位槽，這樣可以有效利用墊塊的空間。

墊塊的底部固定有第一磁鐵，底座的頂部固定有第二磁鐵，第二磁鐵對(duì)應(yīng)設(shè)置于第一磁鐵的下方，第一磁鐵和第二磁鐵相對(duì)的一端磁性相反，因此第一磁鐵和第二磁鐵之間產(chǎn)生磁力，相互吸引，底座通過第一磁鐵和第二磁鐵之間的磁力固定于墊塊。本實(shí)例中，第一磁鐵和第二磁鐵均呈環(huán)形。

通過在墊塊的底部設(shè)置第一磁鐵，在底座的頂部設(shè)置第二磁鐵，在安裝底座時(shí)只需要將第一磁鐵和第二磁鐵的位置相對(duì)應(yīng)，通過第一磁鐵和第二磁鐵之間的磁力，即可快速將底座定位并連接至墊塊，安裝非常方便，可以縮短安裝時(shí)間。此外，當(dāng)需要安裝至不同的貼片機(jī)時(shí)，可能需要不同的支撐高度，這時(shí)只需要更換底座即可，不需更換固定座和墊塊，因此使用非常方便，而且更換時(shí)間短。

本設(shè)計(jì)整體操作方便，通過第一磁鐵、第二磁鐵以及可移動(dòng)的獨(dú)立式支撐頂針的結(jié)合，在分鐘內(nèi)即可完成布置，可以大大節(jié)省布置，提高更換速度。與傳統(tǒng)的貼片機(jī)支撐頂針結(jié)構(gòu)相比，在電路板越來越小型化、客制化、少量多樣化、品質(zhì)高要求等條件下，本設(shè)計(jì)具有縮短換線時(shí)間、提升產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)省人力成本等優(yōu)點(diǎn)。

第一磁鐵設(shè)有第一沉頭孔，墊塊對(duì)應(yīng)第一沉頭孔的位置設(shè)有第一讓位孔，第一磁鐵通過第一沉頭螺釘依次穿入第一沉頭孔和第一讓位孔的方式固定于墊塊，第二磁鐵設(shè)有第二沉頭孔，底座對(duì)應(yīng)第二沉頭孔的位置設(shè)有第二讓位孔，第二磁鐵通過第二沉頭螺釘依次穿入第二沉頭孔和第二讓位孔的方式固定于墊塊，由此可以解決將第一磁鐵和第二磁鐵分別固定于墊塊和底座的問題，并且該固定方式簡(jiǎn)單易行，可以有效利用空間。

墊塊自底部向上凹設(shè)有多個(gè)第一凹槽，第一凹槽之間設(shè)有第一連接壁，底座自頂部向下凹設(shè)有第二凹槽，第二凹槽之間設(shè)有第二連接壁。如果墊塊和底座采用金屬材料制作而成，通過設(shè)置第一凹槽和第二凹槽，可以減輕墊塊和底座的重量，并且節(jié)省材料成本。如果墊塊和底座采用塑膠材料注塑而成，通過設(shè)置第一凹槽和第二凹槽可以使得墊塊和底座的各處的厚度盡量均勻，避免造成縮孔等注塑缺陷。設(shè)置第一連接壁和第二連接壁可以提高墊塊和底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

第一讓位孔設(shè)于第一連接壁，第二讓位孔設(shè)于第二連接壁，這樣可以盡量增大第一讓位孔和第二讓位孔的深度。至少一個(gè)第一連接壁自底部向上凹設(shè)有第一收容空間，第一磁鐵收容于第一收容空間使得第一磁鐵不凸出墊塊的底面，至少一個(gè)第二連接壁自頂部向下凹設(shè)有第二收容空間，第二磁鐵收容于第二收容空間使得第二磁鐵不凸出底座的頂面，這樣不但可以縮小墊塊和底座的整體體積，而且可以避免在安裝時(shí)墊塊的底面和底座的頂面無法貼合在一起。為了使得底座與墊塊的連接效果更好，三個(gè)等間隔設(shè)置的第一連接壁凹設(shè)有第一收容空間，三個(gè)等間隔設(shè)置的第二連接壁凹設(shè)有第二收容空間。

4 試用驗(yàn)證和結(jié)果分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，完成了設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造，并應(yīng)用到中山市某電子產(chǎn)品制造公司，經(jīng)過近1個(gè)月的調(diào)試和試運(yùn)行，改造前后對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。改造前，貼片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)支撐頂針為鋼制，在更換不同產(chǎn)品時(shí)需要人工進(jìn)行布置頂針，且每個(gè)產(chǎn)品均要事先制作布置頂針的 PIN 圖，此方式耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)（約30 min），并且位置若有偏差會(huì)損壞電路板上的元器件，對(duì)人工的熟練程度要求很高，因?yàn)槿藶樵蛟斐傻拇纹仿蔬_(dá)8‰～10‰。改進(jìn)后，人工介入比較少，且對(duì)操作工人的要求不高，每次更換插貼產(chǎn)品，只需花3～5 min肉眼檢測(cè)一遍頂針就可以，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降至次品率小于3‰，達(dá)到合同驗(yàn)收指標(biāo)。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種新型支撐頂針夾具，包括固定座、設(shè)于固定座內(nèi)的多個(gè)支撐頂針、分別對(duì)應(yīng)設(shè)于支撐頂針下方的多個(gè)彈性件、設(shè)于固定座的下方的墊塊和設(shè)于墊塊的下方的底座。通過在支撐頂針的下方單獨(dú)設(shè)置彈簧，通過獨(dú)立式彈簧控制頂針高度，電路板上的高低元器件均可良好支撐，不會(huì)損傷元器件，可以提升貼裝品質(zhì)。

整個(gè)設(shè)備除了補(bǔ)充物料外，無需人工介入，有效降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，各部件也不易出現(xiàn)錯(cuò)位和偏移等問題，能有效提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，效果明顯。

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第一作者簡(jiǎn)介：徐平凡（1983-），男，江西永新人，碩士，副教授，研究領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)自動(dòng)化技術(shù)與裝置。

（編輯：刁少華）