PCB連接器壓接設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳海，王志明

(上海大學(xué)，上海 200072)

0 引言

現(xiàn)有壓接設(shè)備是通過(guò)氣缸加壓，將連接器壓入PCB。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由于機(jī)械結(jié)構(gòu)不合理使得在下壓過(guò)程中動(dòng)作響應(yīng)慢、周期長(zhǎng)、效率低。且會(huì)有頓挫發(fā)生，使得裝配連接器時(shí)的損耗率高達(dá)產(chǎn)量的1.4%。而在返工過(guò)程中易產(chǎn)生對(duì)PCB表面和孔壁的機(jī)械損傷而使整塊PCB板報(bào)廢，進(jìn)一步產(chǎn)生生產(chǎn)內(nèi)耗。為此行業(yè)中多數(shù)采用效率較低的人工壓接或使用價(jià)格較高的進(jìn)口設(shè)備。針對(duì)以上不足之處采用6西格瑪質(zhì)量管理法進(jìn)行分析，對(duì)原有設(shè)備作改進(jìn)設(shè)計(jì)。提出用氣液增壓缸代替氣缸，并將組態(tài)軟件、研發(fā)多功能數(shù)據(jù)采集卡及OMRON高速PLC通過(guò)PC平臺(tái)整合在一起的改進(jìn)方法。

1 壓接件報(bào)廢產(chǎn)生的原因分析

1.1 壓接過(guò)程中相關(guān)部分名稱及所用工具

1—PCB基板；2—焊盤；3—簧片、插針臺(tái)肩； 4—裸露的簧片/插針；5—孔隙； 6—焊盤；7—無(wú)殘缺簧片/插片；8—插槽圖1 插針結(jié)構(gòu)圖

壓接過(guò)程(如圖1)[1]。其中包括PCB基板、焊盤、插槽、空隙、簧片/插針、簧片/插針臺(tái)肩。PCB基板是承載所有線路、元件的基礎(chǔ)。焊盤(Pad)是帶有電鍍通孔的焊點(diǎn)，用于導(dǎo)通PCB各層電路，也是壓接工藝中與連接器直接接觸的部分。插槽是眾多插針的保持架和預(yù)定位，也是連接器相互連接時(shí)的插入導(dǎo)向?？紫妒遣遽槺徊迦牒副P的電鍍孔后，插針與電鍍孔壁之間未相互接觸的空間。簧片/插針是壓接工藝中的實(shí)際工作部分?；善?插針臺(tái)肩的下部是壓接完成后與焊盤或插槽接觸部分，臺(tái)肩上部與壓塊接工具相接觸，承受壓機(jī)壓力的工作面。

在壓接連接器的過(guò)程中，由于插針向上，壓機(jī)不能與連接器直接接觸，需要使用壓塊做過(guò)渡，并將壓塊根據(jù)連接器形狀和插針的排列開槽或開孔，使壓塊繞開插針直接與插針臺(tái)肩接觸傳遞壓機(jī)向下的壓力。

1.2 壓接后產(chǎn)生的損耗及報(bào)廢的分析

6西格瑪質(zhì)量管理法是一種統(tǒng)計(jì)評(píng)估法。6西格瑪?shù)牧鞒棠Ｊ綖?界定、測(cè)量、分析、改進(jìn)、控制。通過(guò)使用分析流程中的工具——魚骨圖(因果圖)，對(duì)全面質(zhì)量管理理論中的5個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素(人、機(jī)、料、法、環(huán))進(jìn)行分析。整理出壓接報(bào)廢原因的魚骨圖(圖2)。其中共有11項(xiàng)被認(rèn)為是會(huì)影響產(chǎn)品品質(zhì)的因素。而與設(shè)備本身相關(guān)的占到4項(xiàng)，約36.7%。所以與設(shè)備相關(guān)的改進(jìn)將作為重點(diǎn)。

圖2 魚骨圖

2 壓接設(shè)備改造的總體方案

2.1 機(jī)械方面的改造方案

當(dāng)前使用的壓機(jī)是通過(guò)氣缸加壓，氣缸在與壓塊接觸后，產(chǎn)生向上的阻力較大，氣缸內(nèi)部壓力迅速增加到設(shè)定壓力值并克服連接器內(nèi)插針阻力，由靜摩擦變?yōu)閯?dòng)摩擦。由于連接器從手工放置在PCB上的位置到連接器受壓至完成裝配的位置時(shí)，氣缸內(nèi)工作腔內(nèi)體積變大，產(chǎn)生的壓力變小，在連接器被壓到與PCB接觸后，氣缸工作腔內(nèi)體積不變，壓力迅速上升至設(shè)定值。氣缸在向下壓接連接器的過(guò)程中有一個(gè)短時(shí)間的壓力上升下降上升的過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生對(duì)整個(gè)連接器的壓力波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)使得整個(gè)壓接過(guò)程不是很平順。而壓力值的設(shè)定由于操作人員的隨意變動(dòng)又使得此壓力波動(dòng)值和波動(dòng)范圍也變得不穩(wěn)定。這就造成壓機(jī)工作不穩(wěn)定，有時(shí)壓力設(shè)置小了就會(huì)未壓到位，壓力設(shè)置大了又會(huì)將插針壓得過(guò)深而將連接器的塑料部分壓裂。針對(duì)這種情況，提出將以氣壓為主要壓力源的氣缸改為以液體為主要壓力源的氣液增壓缸，使最后一步加壓的過(guò)程通過(guò)液壓增壓的方式使整個(gè)下壓過(guò)程更平順。另外，氣缸上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的導(dǎo)向是用銅套加光桿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向柱，摩擦阻力大，有時(shí)還會(huì)卡住，使得向下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有頓挫感。為了使壓頭在上下運(yùn)動(dòng)中更平順，將更改導(dǎo)向柱結(jié)構(gòu)。圖3為機(jī)械改造方案的框圖。

圖3 機(jī)械改造方案圖

2.2 電器改造方案

根據(jù)分析，操作人員隨意修改工藝參數(shù)，也會(huì)使壓機(jī)工作不穩(wěn)定。操作人員修改工藝參數(shù)是由于連接器品種數(shù)量大于當(dāng)前人機(jī)界面可以保存的工藝參數(shù)數(shù)量，而操作人員為避免聯(lián)系工藝人員修改參數(shù)的麻煩就自行修改了參數(shù)。因此，此次改造需要將簡(jiǎn)單的觸摸屏改為以工控機(jī)為基礎(chǔ)的人機(jī)界面，以增加可以保存的工藝參數(shù)數(shù)量。為了防止連接器被裝配到位后，壓機(jī)還有向下的壓力而產(chǎn)生過(guò)壓，需要增加壓頭的高度控制，在壓到位后及時(shí)卸去壓力。同時(shí)為了更精確控制輸出的壓力，需要將原先的開環(huán)系統(tǒng)改為比例閥與流量閥相結(jié)合并帶有壓力反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。圖4為電器改造方案的改造框圖。

圖4 電器改造方案

3 壓機(jī)分析及改造設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)役的壓機(jī)設(shè)備分析

壓機(jī)其壓力來(lái)源于工廠的壓縮空氣，通過(guò)比例閥進(jìn)入氣缸,并由換向閥控制氣缸的上下動(dòng)作。在氣缸的周圍，有4根采用銅套加光桿結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向柱，用于氣缸上下動(dòng)作導(dǎo)向。氣缸最大可以產(chǎn)生2.8t的壓力。

其機(jī)械方面有如下不足之處：氣缸工作行程過(guò)長(zhǎng)，增加了對(duì)制造和安裝的精度要求。氣缸由于導(dǎo)向柱阻力過(guò)大而有頓挫的動(dòng)作產(chǎn)生壓力波動(dòng)，最終造成連接器下壓不到位或過(guò)壓而造成報(bào)廢。氣缸本身是用壓縮空氣作為直接動(dòng)力源，其介質(zhì)本身體積變化受溫度的影響大，可壓縮比大，使得最終輸出的壓力不穩(wěn)定。為了達(dá)到一定的壓力，使用了較大缸徑的氣缸，每次動(dòng)作周期需要的壓縮空氣的消耗量也較大，造成能源浪費(fèi)。同時(shí)使用的壓縮空氣量大，使得下壓動(dòng)作的響應(yīng)慢、周期長(zhǎng)、效率低。

主控部分是OMRON的SYSMAC CQM1系列的PLC，上行連接ProFace公司的GP37W觸摸屏，下行直接連接各I/O及通過(guò)RS232口與觸摸屏通訊。

整個(gè)控制部分有如下不足：受限于觸摸屏本身的容量，其可存放的參數(shù)有限。整個(gè)壓力系統(tǒng)是開環(huán)的，壓力偏差大，不穩(wěn)定。觸摸屏較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不能顯示相關(guān)壓力曲線。

3.2 壓機(jī)設(shè)備的機(jī)械改造設(shè)計(jì)[2]

壓機(jī)設(shè)備的機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)如下：主體結(jié)構(gòu)不變，將原先的大型氣缸更換為小型的MPT氣液增壓缸[3]，以改變行程和最高工作壓力,能夠讓加壓過(guò)程更平順。

圖5 氣液增壓缸內(nèi)部工作流程

為了使壓頭在加壓前能準(zhǔn)確位于壓塊上方，在壓頭的底部中心增加向下的鐳射十字光靶，即使在較亮的光線下操作人員也能看見光靶，操作時(shí)只需將裝有連接器和壓塊的PCB放在光靶下就能保證準(zhǔn)確對(duì)位。為了減少PCB與工作臺(tái)面之間的摩擦系數(shù)，在擺放PCB板的工作臺(tái)上，增加一定數(shù)量的小孔，通入持續(xù)的壓縮空氣，當(dāng)放上PCB板時(shí)自然形成氣墊浮床。使得推動(dòng)大尺寸PCB板時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生生澀感，也使得對(duì)位變得輕松容易。將原先的銅套導(dǎo)向柱更換為使用直線軸承的光軸作為導(dǎo)向柱，減少壓頭上下的摩擦系數(shù)。同時(shí)，降低壓頭整體高度，縮短工作行程，這樣對(duì)于導(dǎo)向柱安裝后的平行度要求降低，使系統(tǒng)上下更順暢，避免原先的銅套導(dǎo)向柱由于頓挫產(chǎn)生壓力尖峰而報(bào)廢PCB板的情況。氣液增壓缸的壓桿行程為200mm，增壓桿行程為10mm，內(nèi)徑80mm，比原來(lái)的氣缸耗氣量大為縮小。

3.3 壓機(jī)設(shè)備的電器改造設(shè)計(jì)

電器的改造主要內(nèi)容是增加高度控制反饋與建立新的人機(jī)界面和控制平臺(tái)。為了防止過(guò)壓產(chǎn)生報(bào)廢，需要增加編碼器用于壓桿的高度控制。用齒輪齒條的結(jié)構(gòu)將壓桿的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由旋轉(zhuǎn)編碼器將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖反饋給系統(tǒng)，并參與控制。其每圈的脈沖數(shù)為400，齒輪的分度圓D=40mm，計(jì)算出系統(tǒng)每上下0.314mm就會(huì)有1個(gè)脈沖輸出。為了使用以WinXP為基礎(chǔ)的人機(jī)界面和控制卡。增加Advantech公司的上位工控機(jī)，并通過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集卡和串口將工控機(jī)和下位機(jī)及各I/O連接起來(lái)。多功能數(shù)據(jù)采集卡使用的是Advantech公司的PCI-1710[4], 這是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡。它包含五種最常用的測(cè)量和控制功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能?？梢赃m合當(dāng)前所需的多種信號(hào)。PLC則使用OMRON的CPM1A系列。具體電器框圖見圖6。

圖6 電器框圖

4 軟件與人機(jī)界面設(shè)計(jì)與調(diào)試

4.1 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

上位機(jī)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC，使用WinXP操作系統(tǒng)。整個(gè)控制軟件分為兩部分：組態(tài)王和PLC程序。PLC程序仍然是使用OMRON公司自己的編寫軟件CX-Programmer。組態(tài)王通過(guò)工業(yè)PC上的PCI插槽與多功能數(shù)據(jù)采集卡通訊，寄存器(PLC)則通過(guò)RS232接口與工業(yè)PC機(jī)通訊。

a) 組態(tài)軟件和PLC用于數(shù)據(jù)交換的主要寄存器

整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的是組態(tài)王對(duì)多功能數(shù)據(jù)采集卡與PLC之間數(shù)據(jù)的整合操作。此操作通過(guò)一些公用的寄存器將組態(tài)軟件和PLC的數(shù)據(jù)連接起來(lái)，以便將PLC獲得的設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡反映給組態(tài)王、并將一些控制命令由組態(tài)王下達(dá)給PLC和數(shù)據(jù)采集卡。

b) PLC的主控程序

PLC控制部分程序分為四大塊：系統(tǒng)處理、手動(dòng)模式、邏輯運(yùn)行、集中輸出。其與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊是通過(guò)RS232接口鏈接，通過(guò)對(duì)寄存器DM0，DM2，DM4，DM8，DM10，IR0，IR2，IR3，IR4，IR5來(lái)交換控制數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，見表1。

表1 寄存器功能表

編碼器值的讀取如表2。

表2 編碼器值

c) 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)部分

通過(guò)組態(tài)軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，可以實(shí)現(xiàn)保存大量PCB工藝數(shù)據(jù)和連接器工藝數(shù)據(jù)的目的。通過(guò)內(nèi)部模板分別創(chuàng)建了以下6個(gè)不同功能的記錄體：連接器清單記錄體-“connectorlib”、連接器新建記錄體-“Inlib”、連接器調(diào)用記錄體-“Outlib”、PCB清單記錄體-“boardnamelib”、PCB新建記錄體-“Inboardnamelib”、PCB調(diào)用記錄體“Outboardlib”。最后在圖形界面中通過(guò)報(bào)表工具引用上述已建立的記錄體。

4.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)[5]

通過(guò)組態(tài)軟件將人機(jī)界面[6]共分為啟動(dòng)畫面、工作畫面、手動(dòng)畫面、PCB庫(kù)編輯畫面、連接器庫(kù)編輯畫面、PCB新建畫面、連接器新建畫面共7幅畫面。通過(guò)拖拉工具箱中的模塊可以建立各種多媒體界面，通過(guò)菜單可以選擇已在軟件中建立的各種變量和輸入輸出。圖7為工作界面。

圖7 工作畫面

5 壓機(jī)改造后的測(cè)試結(jié)果

設(shè)備改造完成后，測(cè)試了幾個(gè)主要性能：高度控制，測(cè)試2組共20個(gè)數(shù)據(jù)得出高度偏差均值為0.1865mm，小于品質(zhì)要求的0.3mm，達(dá)到了改造需求。壓力控制， 所測(cè)10組數(shù)據(jù)得到設(shè)定壓力20kN的壓力偏差均值為164.8N，小于設(shè)計(jì)要求200N，滿足了改造需求。

對(duì)比全年第31周壓機(jī)改造前后各月的報(bào)廢數(shù)據(jù)(圖8)可以看出：改造前壓機(jī)的報(bào)廢率都在0.4%以上，而改造后的壓機(jī)，壓接件的報(bào)廢率明顯下降，都控制在0.1%以下，報(bào)廢率降低了75%。

圖8 改造前后的報(bào)廢數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)工程項(xiàng)目通過(guò)較少的費(fèi)用、較短的改造周期達(dá)到了預(yù)期的目的。改造后的壓機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中，壓接件的報(bào)廢率明顯下降，從最高1.7%下降為0.1%。返修成功率大大提高，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了既定目的。

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