0603貼片電阻自動分割設(shè)備的研制

王 臻，李繼生

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

0603貼片電阻自動分割設(shè)備的研制

王 臻，李繼生

(天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222)

設(shè)計(jì)了一種用于 0603貼片電阻從板狀分割成條狀的自動分割設(shè)備.詳細(xì)闡述該分割設(shè)備主要結(jié)構(gòu)的工作原理、關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)和氣路的設(shè)計(jì).該設(shè)備可將貼片電阻生產(chǎn)中的分割工序從手動操作變成半自動化操作，生產(chǎn)效率提高4倍.

貼片電阻；自動分割設(shè)備；氣動系統(tǒng)

貼片電阻[1](chip-resistor)又稱片式固定電阻器，是將金屬粉和玻璃鈾粉混合，采用絲網(wǎng)印刷法印在陶瓷基板上制成的電阻器.它的特點(diǎn)是體積小、重量輕、適應(yīng)再流焊與波峰焊、電性能穩(wěn)定、可靠性高、裝配成本低，并可與自動裝貼設(shè)備匹配(SMT/SMD設(shè)備)，其常應(yīng)用于自動化設(shè)備、高端計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備及高科技多媒體電子設(shè)備上.貼片電阻按照結(jié)構(gòu)可以分為：一般貼片電阻、陣列貼片電阻、網(wǎng)絡(luò)貼片電阻等；按照尺寸可以分為：0402、0603、1005、1608、2012、3216、6432 等[2].

不同類型電阻的生產(chǎn)工藝[3]不同.通常，貼片電阻的第一次分割是將電阻沿沖壓(或激光切割)的分割線由板狀分割成條狀，然后進(jìn)行側(cè)面電極的印刷(或真空噴濺)[4].第一次分割工序的成品率對整個生產(chǎn)工序的成品率影響很大，是貼片電阻加工制作中的一個非常關(guān)鍵的過程.

目前，貼片電阻的第一次分割主要采用皮帶分割方式，即以偏心分割輪對基板的壓力作為分割力，以皮帶為介質(zhì)進(jìn)行分割，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)分割，效率高且穩(wěn)定.但是這種分割方式只能適用于 1005以上尺寸的貼片電阻.對于 0603型電阻，因?yàn)槠浠遢^薄(0.2,mm 左右)，對壓力敏感，皮帶分割壓力不均、厚度不均或者電阻基板分割線與分割輪中心線平行度小于 0.1,mm 時，會造成基板破碎.國內(nèi)外貼片電阻生產(chǎn)廠家大多采用手動夾具分割的方式進(jìn)行0603型貼片電阻的分割，即操作人員將單枚基板插入夾具的分割槽中，用手來控制基板插入槽中的垂直度與壓力，通過繞該槽的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對基板的分割.這種方式能夠較好地控制壓力及分割線與分割夾具接觸面的平行度.但該種方式的生產(chǎn)效率低下、勞動強(qiáng)度大，不適合工業(yè)化生產(chǎn).

參考手動分割電阻基板的動作，本文設(shè)計(jì)了一種專門用于分割 0603型貼片電阻的分割設(shè)備，用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人工分割基板的動作，并且能夠自動供給基板和收集條狀電阻.

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0603型電阻的基板為沖壓基板，即印刷前基板已存在分割線，印刷后厚度(0.23±0.05),mm.利用分割設(shè)備模仿人工分割貼片電阻基板的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)電阻基板的自動供料以及分割后的自動收集，能夠自動且高精度、高效率、穩(wěn)定的將電阻基板分割.電阻分割設(shè)備主要包括供料、定位、分割和收集4個機(jī)構(gòu)，如圖 1所示.供料機(jī)構(gòu)將層疊排列的經(jīng)過印刷與激光調(diào)阻的基板逐一通過 z軸、x軸的傳送機(jī)構(gòu)，按照工序傳送至分割機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向軌道上，并在中間位置進(jìn)行基板位置的校正.定位機(jī)構(gòu)將供料機(jī)構(gòu)傳送的基板進(jìn)行位置校正，確保其以正確的姿態(tài)放入分割機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向軌道.分割機(jī)構(gòu)將基板通過與分割線重合的旋轉(zhuǎn)軸的正反向旋轉(zhuǎn)，在分割輪的槽中分割為條狀，并通過分割輪的定位旋轉(zhuǎn)將條狀電阻傳送至收集機(jī)構(gòu).收集機(jī)構(gòu)將條狀電阻從分割輪槽中取出，依次放入指定的夾具中，并能夠自動更換夾具.

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Main structure drawing of the machine

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 供料和定位機(jī)構(gòu)

供料和定位機(jī)構(gòu)如圖 2所示.一個單位的基板層疊排列，手動放入供料機(jī)構(gòu)中由6根圓柱導(dǎo)桿限位的滑塊3上，用交流電機(jī)1驅(qū)動同步齒形帶2的z軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)，帶動基板從原點(diǎn)向上運(yùn)動，當(dāng)最上層的基板到達(dá)由光纖傳感器 4確定基板最上層的位置后停止；然后，由步進(jìn)電機(jī)帶動同步齒形帶的 x軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)，通過精密直線導(dǎo)軌滑塊固定的微型吸盤機(jī)構(gòu) 5，汽缸 6下壓真空開啟吸起最上層的基板，z軸下降并從側(cè)面向吸起的基板吹氣，保證只能吸起一張基板，x軸運(yùn)動將基板傳送至校正機(jī)構(gòu).

定位機(jī)構(gòu)是用 3個微型導(dǎo)軌帶動的夾緊軸承 7與 2個精密定位的軸承共同組成的平面夾緊定位機(jī)構(gòu)，驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用直線薄型汽缸 8帶動錐形輪，汽缸桿伸出時，錐形輪推動 3個微型導(dǎo)軌向外運(yùn)動，留出基板放置空間.基板放入校正機(jī)構(gòu)時，汽缸桿收回，3個微型導(dǎo)軌上的滑塊依靠彈簧的彈力復(fù)位，使得3個夾緊軸承夾緊基盤，實(shí)現(xiàn)基板的定位.

2.2 分割機(jī)構(gòu)

分割機(jī)構(gòu)如圖 3所示.基板推進(jìn)電機(jī) 1帶動同步齒形帶，驅(qū)動基板夾緊機(jī)構(gòu) 4夾住并帶動基板，沿著基板導(dǎo)向軌道 5，向有 100個槽的分割輪 7運(yùn)動.分割輪在原點(diǎn)位置時，基板可以插入分割輪的槽中，而且第一條分割線與分割輪的槽外邊相切.通過傳感器確認(rèn)基板進(jìn)入分割槽后，推進(jìn)電機(jī) 1停止，基板對分割輪的槽底部的壓力由調(diào)壓彈簧3調(diào)節(jié).

圖2 供料和定位機(jī)構(gòu)Fig.2 Feeding mechanism and location mechanism

圖3 分割機(jī)構(gòu)Fig.3 Breaking mechanism

基板進(jìn)入分割輪的槽后，偏心輪電機(jī)帶動偏心輪2旋轉(zhuǎn) 360°，同時，連接在偏心輪上的連桿帶動基板導(dǎo)向軌道5及基板夾緊機(jī)構(gòu)4分別繞分割軸6正反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對基板沿第一條分割線的折斷.連桿的兩側(cè)分別為左右螺旋的外螺紋，通過連桿的旋轉(zhuǎn)，可以調(diào)節(jié)分割的角度.基板折斷后，夾緊機(jī)構(gòu)后退，分割輪逆時針旋轉(zhuǎn)3.6°，分割輪的下一個槽旋轉(zhuǎn)至分割位置，基板推進(jìn)電機(jī) 1再次將基板插入分割槽中，開始第二條電阻的分割.而已經(jīng)分割為條狀的電阻沿分割輪的限位環(huán)旋轉(zhuǎn)，逐一旋轉(zhuǎn)至收集工位.如此反復(fù)運(yùn)動既能實(shí)現(xiàn)基板的逐條分割，也實(shí)現(xiàn)了條狀電阻向收集機(jī)構(gòu)的傳送.

分割機(jī)構(gòu)是設(shè)備的核心機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)軸與當(dāng)前分割槽的平行度、軌道與分割槽的平行度、基板插入分割槽的壓力及基板旋轉(zhuǎn)的角度，對基板的分割效果影響較大，如以上形位公差無法保證，會導(dǎo)致基板的破碎.在設(shè)計(jì)過程中充分考慮關(guān)鍵零件的公差設(shè)計(jì)和累計(jì)公差的計(jì)算與分析，調(diào)試過程中利用 DOE實(shí)驗(yàn)方法[3]得出最佳工作條件：旋轉(zhuǎn)分割的最佳角度為 105°，分割輪旋轉(zhuǎn)定位精度為±0.1°，分割輪分割槽分度累計(jì)誤差為±0.1°/360°，基板對分割槽的壓力為0.075,MPa，每次分割旋轉(zhuǎn)時間控制在0.63,s，旋轉(zhuǎn)軸與分割槽的平行度需控制在0.15,mm以內(nèi).

2.3 收集機(jī)構(gòu)

收集機(jī)構(gòu)如圖4所示，由2個氣動滑臺組成x、z軸方向的機(jī)器手，將條狀電阻從分割輪的槽中取出，并通過真空針管 1將其吸取、壓入夾具中；夾具通過4、5兩個由快速排氣閥控制的汽缸張緊定位，由氣動滑臺 6、8的平移實(shí)現(xiàn)夾具的定位和自動更換.條狀電阻在夾具中隨支撐板7步進(jìn)向下運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)帶動同步齒形帶實(shí)現(xiàn)支撐板隨真空針管 1壓入動作的向下緩沖和向上定位，確保條狀電阻被壓入及下降過程中不會受力破損.

圖4 收集機(jī)構(gòu)Fig.4 Accumulate mechanism

2.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)選型

根據(jù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的方式和要求的精度，合理地選擇電機(jī)和氣缸，在能夠?qū)崿F(xiàn)精度和速度要求的前提下，控制設(shè)備的開發(fā)成本.需要精密控制位置且可以停止在多個位置的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，比如分割機(jī)構(gòu)的基板推動電機(jī)，選用五相步進(jìn)電動機(jī)及同步帶傳動的驅(qū)動方式.需要快速往復(fù)運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，比如收集機(jī)構(gòu)中x、y軸方向的機(jī)械手，選擇精密氣動滑臺驅(qū)動方式.

3 控制系統(tǒng)和氣路設(shè)計(jì)

本設(shè)備采用 PLC、繼電器共同控制，其電氣控制原理如圖 5所示.根據(jù)選用的驅(qū)動電機(jī)及汽缸的特點(diǎn)，選用三菱的Q系列PLC控制系統(tǒng)及位置控制模塊.在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分考慮了各驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式、時間及相互的運(yùn)動配合，合理編制程序，并使用三菱GT11系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面.設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，如電機(jī)的速度、定位位置等的設(shè)定均可以在觸摸屏上完成.將設(shè)備的各種故障報警原因及處理方式等編制在觸摸屏程序中，使得設(shè)備操作人員能夠自主處理設(shè)備的報警停機(jī).

本設(shè)備中很多機(jī)械動作均由氣動系統(tǒng)[4]實(shí)現(xiàn)，如基盤的吸取、定位、夾緊，基盤定位的真空系統(tǒng)，條狀電阻的吸取、壓入動作，均由各種汽缸及真空發(fā)生器完成.在氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)各機(jī)構(gòu)的動作頻繁程度，計(jì)算整個系統(tǒng)和各動作組的耗氣量，合理分組，使氣動系統(tǒng)各組動作基本均衡，減少耗氣量，降低系統(tǒng)的容量要求.設(shè)備的主氣壓為 0.5,MPa，真空負(fù)壓0.1,MPa.主氣路原理如圖6所示.

圖5 電氣控制原理圖Fig.5 Diagram of the electrical apparatus control

圖6 設(shè)備主氣路圖Fig.6 Diagram of the main pneumatic control

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種用于 0603貼片電阻從板狀分割成條狀的自動分割設(shè)備，詳細(xì)闡述了該設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路控制系統(tǒng)和氣路設(shè)計(jì).該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了0603型電阻基板的分割，并且能夠自動供給基板和收集條狀電阻.該設(shè)備已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)，生產(chǎn)效率相對于人工生產(chǎn)方式提高4倍，成品率達(dá)到96%,以上.

［1］徐克振. 我國片式電阻器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J]. 中國電子商情：基礎(chǔ)電子，2005(10)：36–39.

［2］鮮飛. 貼片電阻阻值大小識別[J]. 單片機(jī)制作，2008(3)：29.

［3］高艷茹，孟曉玲. 片式電阻的性能及應(yīng)用[J]. 印制電路信息，2004(8)：66–68.

［4］張勇，李金海. 貼片電阻排條機(jī)氣動系統(tǒng)[J]. 液壓氣動與密封，2006(5)：57–58.

［5］任凱，王軍杰，吳德宏. 基于 DOE技術(shù)的微型汽車前輪定位參數(shù)設(shè)計(jì)[J]. 中國機(jī)械工程，2010，21(3)：368–372.

Development of the Automatic Termination Machine for the 0603 Chip-Resistor

WANG Zhen，LI Jisheng
(College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China)

An automatic machine used in the termination progress of the 0603 chip-resistor was designed. The main mechanical process，the design of the key structure of the termination machine，and the design of the electronic and pneumatic system were discussed in details . The equipment can change the manual process into a semi-automatic one，and the production efficiency can be increased 4 times.

chip-resistor；automatic termination machine；pneumatic system

TH138

A

1672-6510(2012)02-0057-04

2011–08–25；

2011–12–31

王 臻（1986—），男，新疆人，碩士研究生；通信作者：李繼生，教授，lijish@tust.edu.cn.

常濤