異形元器件插件頭的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

羅 義,胡意波

(深圳市湘聚實(shí)業(yè)有限公司,廣東 深圳 518100)

0 引言

隨著我國電子制造業(yè)的發(fā)展,智能自動(dòng)化生產(chǎn)線上的貼片機(jī)、異形插件機(jī)等設(shè)備也在快速優(yōu)化、完善[1]。目前,標(biāo)準(zhǔn)電子元器件利用貼片機(jī)進(jìn)行貼裝,技術(shù)發(fā)展相對(duì)成熟[2]。相對(duì)于貼片機(jī)而言,異形插件機(jī)的適用性更強(qiáng)。異形插件機(jī)解決了連接器、變壓器、繼電器等異形電子元器件的插裝問題[3-5]。異形插件機(jī)通過移動(dòng)插件頭將元器件快速、準(zhǔn)確地貼裝或插裝到印制電路板(printed circuit board,PCB)所指定的位置。插件頭和貼片頭在功能和結(jié)構(gòu)上都很相似,發(fā)展至今已有很多種類。付志斌等[6]設(shè)計(jì)了一種水平旋轉(zhuǎn)貼片頭,并且通過ADAMS軟件仿真得到了貼片頭在特定工作狀態(tài)下吸嘴的位移、速度、角速度等特性曲線。李翔宇等[7]設(shè)計(jì)了一種平行夾持式貼插頭,并且對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,得到了夾緊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。時(shí)佳玉等[8]將無鐵芯永磁同步直線電機(jī)應(yīng)用在貼片頭的設(shè)計(jì)上,通過理論計(jì)算得到貼片頭的運(yùn)動(dòng)特性方程,并通過采集樣機(jī)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。譚高樓等[9]設(shè)計(jì)了一種同步帶傳動(dòng)的夾爪機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以攜帶四個(gè)夾爪同步工作。白峰等[10]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)貼裝的貼片頭。該貼片頭由五個(gè)獨(dú)立吸嘴共同工作。

本文將高精度滾珠絲桿副應(yīng)用于插件頭設(shè)計(jì),計(jì)算相關(guān)參數(shù)并對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行選型;結(jié)合ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性以及機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性;通過試驗(yàn)測(cè)試插件頭的速度和精度,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合工作要求。

1 插件頭整體結(jié)構(gòu)與原理

插件頭一般配置一個(gè)或多個(gè)機(jī)械夾爪或真空吸嘴,通過機(jī)電控制系統(tǒng)使各部件協(xié)同完成取料、定位、放料工作。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),同步帶傳動(dòng)的插件頭存在以下問題:使用壽命短;在高速工作一段時(shí)間以后容易磨損導(dǎo)致松弛脫落;插裝重量比較大的異形元器件時(shí)插裝不穩(wěn)定。目前,直線電機(jī)的成本較高,且機(jī)構(gòu)難以做到緊湊,導(dǎo)致插件頭的整體體積較大[11]。滾珠絲桿副具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高、剛性高、耐用性強(qiáng)等特點(diǎn)[12],可將其運(yùn)用于插件頭的傳動(dòng)系統(tǒng)。單個(gè)插件頭整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單個(gè)插件頭整體結(jié)構(gòu)

插件頭主要包括固定框架和四個(gè)插件頭組件。固定框架用于安裝各插件頭組件。插件頭組件主要包括升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)。

①升降機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成插件頭的升降運(yùn)動(dòng),主要包括升降伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲桿、固定板、固定座、滑塊等。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接,將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為豎直方向的運(yùn)動(dòng)。

②旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成插件頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),主要包括旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、同步輪、同步帶等。伺服電機(jī)通過同步帶傳動(dòng),帶動(dòng)滾珠螺母花鍵以及夾爪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

③夾持機(jī)構(gòu)在工作中通過夾爪來夾取元器件。夾爪片的張開閉合運(yùn)動(dòng)由氣壓進(jìn)行控制。

單個(gè)插件頭組件如圖2所示。

圖2 單個(gè)插件頭組件

插件頭在工作時(shí):首先,利用夾爪從供料器區(qū)域夾取元器件,運(yùn)動(dòng)到PCB上方指定位置;然后,通過升降伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)下降,同時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)合適的角度擺正元器件的針腳,待元器件插入PCB上指定孔位后立即松開夾爪;最后,插件頭向上運(yùn)動(dòng),返回安全位置。這個(gè)過程包括插件頭的升降運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及夾爪的張開閉合運(yùn)動(dòng)。隨著元器件的日益復(fù)雜,以及表面貼裝技術(shù)(surface mounted technology,SMT)整線效率要求的提升,對(duì)插件機(jī)的精度和速度要求也越發(fā)嚴(yán)格。單從插件頭來看,插件的速度主要與插件頭的升降運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。因此,本文主要研究升降機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

2 關(guān)鍵零件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 升降伺服電機(jī)選型

插件頭在行程一定時(shí),其升降運(yùn)動(dòng)所消耗的時(shí)間主要取決于升降運(yùn)動(dòng)的速度和加速度。為了滿足插件工作要求,本文設(shè)插件頭的行程L=90 mm、最大速度vmax=1 m/s。插件頭單程移動(dòng)時(shí)間為:

(1)

式中:t1為加速或減速時(shí)間。

負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

(2)

式中:M1為負(fù)載總質(zhì)量,為1 000 g,其中包括最大元器件質(zhì)量m=200 g;Ph為滾珠絲桿副的導(dǎo)程,為20 mm。

絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

(3)

式中:D1為絲桿外徑,D1=12 mm;M2為滾珠絲桿副質(zhì)量,M2=250 g。

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:

(4)

式中:M3為聯(lián)軸器質(zhì)量,M3=20 g;D2為聯(lián)軸器外徑,D2=20 mm;D3為聯(lián)軸器內(nèi)徑,D3=10 mm。

總負(fù)載慣量為:

JL=Jw+Js+Jz

(5)

電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速為:

(6)

本文通過計(jì)算,得到n1為18 840 rad/min。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為:

(7)

式中:F為導(dǎo)軌與滑塊的摩擦力,計(jì)算時(shí)忽略不計(jì);η為滾珠絲桿機(jī)械效率,取0.9。

負(fù)載加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩為:

(8)

絲桿加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩為:

(9)

加速時(shí)所需的總轉(zhuǎn)矩為:

tz=tw+ts

(10)

最大轉(zhuǎn)矩為:

tmax=tG+tz

(11)

所需電機(jī)功率為:

(12)

根據(jù)式(1)～式(12),可得選型相關(guān)參數(shù)如表1所示。由表1可知,加(減)速的時(shí)間越長,單程運(yùn)動(dòng)的耗時(shí)越長,所需要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率越小。綜合考慮,本文選用升降伺服電機(jī)型號(hào)為MSMD011G1U的松下伺服電機(jī)。該伺服電機(jī)的功率為100 W、額定轉(zhuǎn)速為18 840 rad/min、最高轉(zhuǎn)速為31 400 rad/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.32 N·m、轉(zhuǎn)子慣量為0.051×10-4kg·m2。

表1 選型相關(guān)參數(shù)

插件頭升降運(yùn)動(dòng)的單程運(yùn)動(dòng)方程為:

(13)

2.2 旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)選型

由于在夾取元器件時(shí),每個(gè)元器件的針腳角度均有所不同,旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要在元器件升降的同時(shí),將元器件調(diào)整到合適的角度,以便元器件的針腳插入PCB。插件過程中的旋轉(zhuǎn)角度在180°以內(nèi)就可以糾正元器件的針腳。因此,旋轉(zhuǎn)過程消耗的最大時(shí)間需要滿足t0≤110 ms。

本文設(shè)計(jì)時(shí)取t0=30 ms,則旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為T=60 ms。本文設(shè)加(減)速時(shí)間t1=10 ms,八個(gè)同步輪為同一種同步輪。

電機(jī)所需轉(zhuǎn)速為:

(14)

同步輪折算到電機(jī)軸上的慣量為:

(15)

式中:D4為同步輪的直徑,D4=20 mm;M4為單個(gè)同步輪的質(zhì)量,M4=20 g。

滾珠花鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(軸承間的摩擦忽略不計(jì))為:

(16)

式中:M5包括滾珠花鍵質(zhì)量350 g、夾爪質(zhì)量270 g以及最大異形元器件的質(zhì)量200 g;D5為滾珠花鍵的直徑,D5=8 mm。

總慣量為:

J0=J1+J2

(17)

轉(zhuǎn)矩為:

(18)

所需功率為:

(19)

根據(jù)式(14)～式(19),可知n2=6 280 rad/min、J0=7 560 g·mm2、T0=0.079 N·m、P′=0.008 kW。本文選擇旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)型號(hào)為MSMD5AZG1U的松下伺服電機(jī)。該伺服電機(jī)的功率為50 W、額定轉(zhuǎn)速為18 840 rad/min、最高轉(zhuǎn)速為31 400 rad/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.16 N·m、轉(zhuǎn)子慣量為0.025×10-4kg·m2。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

ADAMS軟件用于運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,輸出速度、位移、作用力等曲線,以預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能。由于四個(gè)插件頭的結(jié)構(gòu)都相同,通過ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,可模擬單個(gè)插件頭在實(shí)際工作中的下降過程,并將模型導(dǎo)入后簡化。簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型示意圖

本文將運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)施加在模型上;滾珠絲桿副設(shè)置為螺旋副;伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副;導(dǎo)軌滑塊處添加滑動(dòng)副;兩個(gè)同步輪添加等速副。

插件頭在實(shí)際工作中的單程運(yùn)動(dòng)方程為式(13)。本文將驅(qū)動(dòng)定義在滑動(dòng)副上,則驅(qū)動(dòng)函數(shù)為step(time,0,0,0.02,1)+step(time,0.09,0,0.11,-1)。

測(cè)量得到的升降伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線如圖4所示。圖4表明,插件頭在下降的過程中升降伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)矩為0.029 N·m、最大角速度為305.2 rad/s、加(減)速時(shí)間為0.011 s。仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相差不大,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖4 升降伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線

由于插件過程中,夾爪夾持元器件為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),為了驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,本文對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)100圈。仿真結(jié)束后測(cè)量夾爪質(zhì)心的位置變化。夾爪質(zhì)心位置如圖5所示。

圖5 夾爪質(zhì)心位置圖

由圖5可知,插件頭在旋轉(zhuǎn)的過程中夾爪的質(zhì)心位置在水平面位移的變化在±0.015 mm以內(nèi),說明夾爪在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中晃動(dòng)較小、運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺(tái)

松下伺服電機(jī)可以通過博世力士樂NYCe4000運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信與控制。NYCe運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有三個(gè)基本組件,即通信單元、運(yùn)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)單元。本文使用NY4120驅(qū)動(dòng)卡。板卡類型為脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)驅(qū)動(dòng)模塊。控制原理如圖6所示。

圖6 控制原理圖

一個(gè)驅(qū)動(dòng)卡可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)。NYCe系統(tǒng)連接電腦,由NYCe相關(guān)軟件進(jìn)行控制。試驗(yàn)過程為插件頭夾持200 g的異形元器件進(jìn)行插件。試驗(yàn)使用NYCeScope軟件進(jìn)行觀測(cè),輸出與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)圖和狀態(tài)圖。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過程為四個(gè)插件頭首先依次通過夾爪夾持異形元器件并依次向下運(yùn)動(dòng)90 mm,然后自動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整角度,最后向上運(yùn)動(dòng)到初始位置。本文進(jìn)行多次試驗(yàn),并導(dǎo)出其中一個(gè)插件頭的三次升降運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

四個(gè)插件頭的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。表2中的測(cè)試數(shù)據(jù)為一百次試驗(yàn)的平均值。

表2 四個(gè)插件頭的測(cè)試數(shù)據(jù)

結(jié)合圖7、表2可知,插件頭的升降運(yùn)動(dòng)過程中伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.029 N·m左右,小于額定轉(zhuǎn)矩。最大速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間基本保持不變。最大速度在0.97 m/s左右,上升和下降時(shí)間均在0.12 s以內(nèi),與設(shè)計(jì)的最大速度和時(shí)間非常接近。這說明各插件頭的升降運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn),符合設(shè)計(jì)要求。

由于插件頭每次旋轉(zhuǎn)的角度不一樣,每次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度數(shù)據(jù)也不同。本文導(dǎo)出其中一次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角速度曲線如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)角速度曲線

由圖8可知,此次旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最大角速度為28.33 rad/s,用時(shí)約為0.011 s。

試驗(yàn)過程中插件頭的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較高,且在測(cè)試過程中沒有出現(xiàn)漏插件和插入失敗的元器件,說明插件精度較好。插件頭目前已經(jīng)應(yīng)用于某異形插件機(jī)上。

5 結(jié)論

本文結(jié)合滾珠絲桿副等傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種適用于插裝異形電子元器件的插件頭裝置。ADAMS軟件運(yùn)動(dòng)仿真得到旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中夾爪的質(zhì)心位移變化在±0.02 mm以內(nèi),說明旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定。實(shí)際插件效果驗(yàn)證了本文裝置的合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明,插件頭升降運(yùn)動(dòng)的最大速度接近預(yù)設(shè)最大速度1 m/s,針對(duì)重量比較大的異形元器件的插件效果較好。插件頭的升降運(yùn)動(dòng)的最大速度與滾珠絲桿副的導(dǎo)程以及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。今后若要進(jìn)一步提升插件速度,可以更換導(dǎo)程更大的滾珠絲桿,并選擇合適的伺服電機(jī)。