中禾旭L2015系列自動插件機頭部機械結構特點及工藝分析

李 銳 李紹東 陳躍飛

（深圳市中禾旭精密機械有限公司，廣東 深圳518125）

0 引言

隨著電子技術的迅猛發展，電子產品的使用越來越廣泛，電路板是電子產品的重要元部件之一，而插件機是將各種電子元器件插入PCB板指定位置的自動化設備。近年來，隨著我國電子產業的迅猛發展，行業內部競爭也越來越激烈，在這樣的背景條件下，對自動插件機的要求越來越高，需求也越來越大。因此，提高插件機的插件速度和穩定性就是目前插件機行業發展的重中之重。

頭部裝置是插件機的核心部分，它是實現插件機高速、穩定插件的前提。目前市場上現有的立式插件機由于頭部結構、配合、軟件等限制，插件速度和穩定性一直不容樂觀，插件速度一直無法提高，其穩定性也相對欠缺，從而使得市場上現有的立式插件機的插件效率和穩定性無法得到改善。本文將重點介紹ZHX－L2015系列立式插件機的一種新型頭部結構，從設計、加工、生產、裝配、調試等多個方面來分析該機型頭部機械結構的特點及工藝原理，并與目前市場上現有的插件機進行對比，在保證機器穩定的前提下，揭示插件機機械結構和速度之間關系的特性，以期為企業創造更多的價值。

1 頭部機械結構及工藝劃分

1.1 插件機的幾何結構

目前市場上立式插件機的外形種類非常多，但其功能上基本大同小異，如圖1所示，一般共分為頭部、底座、尾部、檢測以及外殼鈑金等5個部分。在目前插件機行業的設計思路中，如何將機器設計得輕巧、速度快、穩定性高、噪音低，是每個機械設計師都要面臨且必須解決的問題，這也將是本行業以后設計前進的方向。插件機各部分相輔相成、獨立運轉，不難看出，對機器的插件速度和穩定性起決定性作用的就是頭部，因此，可以這樣說，一臺插件機的頭部機械結構的穩定性和合理性是判斷本臺機器設計成熟與否的標志。

1.2 設計方法

首先運用SolidWorks對插件機的機械部分進行結構劃分，將頭部與機器其他部分連接處的尺寸設計準確，運用機械原理及機械設計、工程圖學、機械系統設計學，確定尺寸公差及尺寸配合范圍等，最終確定頭部的外形尺寸。

應用機械控制工程學及工程力學，綜合設計、加工、生產、裝配、調試等環節，將頭部做以下劃分，主要包括：高速插件的連桿裝置、上下插件的齒輪傳動裝置、高速電機及配套聯軸器裝置、極限定位及保護裝置等。

圖1 插件機結構

2 頭部機械結構設計及工藝

2.1 頭部機械結構設計

如圖2所示，插件機的頭部主要采用各連桿驅動配合、伺服電機帶動的工作原理。連桿驅動裝置是利用連桿配合及杠桿原理，在馬達的驅動下，實現插件驅動裝置帶動插件頭裝置上下以達到連續插件的目的。H軸馬達通過聯軸器與橫齒輪軸一端相連，橫向齒輪軸與齒條嚙合，齒條安裝在直線滑塊座上，而直線滑塊座上裝設有直線導軌，因此其能在鋁板上自由上下滑動，達到和連桿驅動裝置相互配合的目的。下直線軸承座內設一旋轉軸承，空心的插件主桿和該軸承相連，主桿由兩個橫向安裝的軸承將其定位。在主軸承座內設有軸承，設有同步輪的主桿套和軸承固定連接，主桿穿過主桿套，同步輪通過同步帶和馬達RH相連，馬達旋轉時主桿也跟著旋轉，實現不同角度的插件。

主桿的下端裝設插件本體。本體上設有夾料和卸料機構。當CTA（Component Transfer Assembly）機構送料時，夾料機構把料夾住；當插入元件時，卸料機構把元件從夾子上卸下。CTA的送料滑塊和直線導軌活動連接，滑軌和氣缸連接，氣缸工作送料滑塊前后運動，把原件從鏈條的鏈條夾上送到插件本體的加料機構并返回。CTA機構把原件從鏈條的鏈夾上送到插件本體的夾料機構，然后回位；馬達RH會根據插入角度的需要而旋轉，擺正本體的角度；H軸馬達旋轉，齒條向下運動，插件本體和壓料一起向下運動；馬達P旋轉，壓料桿向下運動，把元件插入電路板的孔內，而后壓料桿回位，再和齒條一起回到初始位置。

2.1.1 高速插件的連桿驅動裝置

如圖3所示，頭部連桿驅動裝置由4個連桿、連桿驅動馬達、馬達固定座、頭部連接塊組成。右端曲柄由伺服電機帶動，360°旋轉帶動連桿，利用杠桿原理從而使壓料桿上下運動。連桿驅動馬達由一套限位檢測保護裝置來定位此馬達的正負極限位置，馬達啟動后，帶動連桿聯動，然而此部分最重要的部件是作為整個聯動運動支撐點的頭部連接塊，支撐點選取的位置將直接決定整個機構的速度及穩定性。

圖2 頭部機械結構

圖3 連桿裝置結構

利用杠桿原理使得整個連桿部分的速度大大提升，形成了頭部連桿部分的整個傳動結構。由于該連桿結構在高速往復運動，連桿驅動馬達要想更好地將運動傳遞給插件機構，4個連桿必須要在同一平面上，否則就會產生切向應力，一旦切向應力產生，連桿之間就會產生剛性摩擦，這樣整個機構的運行速度和穩定性就會受到影響。

2.1.2 高速電機及配套的聯軸器裝置

如圖4所示，由于插件機在高速運動過程中，其在H軸方向上下的速度和頻率非常快，為了保證插件的精度和穩定性，也就要求頭部在H軸方向傳動裝置的精度要非常高，因此在保證插件穩定的前提下，如何更好地將高速電機的轉動轉化成頭部上下的往復插件運動就成了另一個重要的環節。

圖4 高速電機、聯軸器裝置結構

當電機高速往復運動時，與電機緊密連接的聯軸器將運動直接傳到H軸主齒輪，因此該裝置在運行過程中，電機、聯軸器、主齒輪這三者的轉動中心必須在同一直線上，而且由于電機的震動非常大，所以電機的固定也一定要牢固，否則將直接影響插件效率，也使得機器在運行過程中噪音非常大，甚至會導致整個機器不能運轉。

2.1.3 插件驅動裝置

如圖5所示，上下插件的插件驅動裝置由主齒輪軸、H軸承座、齒條、頭部連接塊組成。當電機帶動插件裝置高速往復運動時，和連桿結構連接在一起的齒條相應地進行上下往復運動，因此與齒條進行嚙合的齒輪由于作用也會相應地做圓周轉動，由于齒輪和主齒輪軸連接在一起，而主齒輪軸兩端用軸承及軸承座固定，因此保證了齒輪在高速轉動過程中空間位置不會偏移。

圖5 上下插件齒輪傳動裝置結構

通過對比，本機器選擇了齒輪和齒條的上下傳動結構，齒輪及齒輪軸被固定在頭部支架上以保證其穩定性，齒條安裝在插件裝置上隨其一起上下運動，這種傳動方式無論是在安裝、調試以及降低摩擦和噪音方面都是最合適的選擇。

2.2 頭部機械結構工藝分析

2.2.1 高速插件的連桿驅動裝置工藝

由圖6不難看出，為了讓該連桿機構能夠高效運行，各個連桿的連接要緊密，與連桿驅動馬達相連接的連桿也必須和馬達軸抱緊。而且，為了保證插件的穩定，降低插件過程中的噪音，每個連桿與壓料桿要同在一個平面上，只有消除切向應力，裝置才能有效運行。

圖6 連桿驅動裝置簡圖

由于插件機的插件高度是嚴格固定的，因此，各個連桿的尺寸必須要配合好，這一點是決定該連桿機構成功與否的關鍵；而且連桿的支撐點的選取、轉動角度、正負極限的位置等等都是該裝置的核心所在。

2.2.2 高速電機及配套聯軸器裝置工藝

通過反復對比齒輪齒條傳動、皮帶傳動、聯軸器傳動等諸多傳動方式，從節省空間、傳動效率以及插件的穩定性方面考慮，最終選擇了聯軸器的直接傳動。通過前文不難看出，該裝置中的電機是在插件機整個頭部中最大的，因此可以說該電機的速度非常高，但是其震動也非常大，因此選擇合適的電機傳動結構就顯得尤為重要。

由于插件機頭部是非常精密的部件，任何小的震動或者摩擦都有可能引起插件的穩定性和速度，甚至導致插件不良，由于齒輪齒條不能很好地吸收震動，所以這里不建議使用齒輪齒條傳動。我們知道皮帶傳動在吸收震動方面是非常好的，它可以完全消除電機震動給插件頭部帶來的不利影響，但是這種結構所占的空間太大，而且不太適合高速往復運動，因此在這個機構中就選擇了聯軸器傳動，而且聯軸器的種類很多，有很多類型的聯軸器可以很好地消除電機震動所帶來的不利影響。

2.2.3 上下插件的插件驅動裝置工藝

該傳動裝置在運行過程中，空間位置必須要嚴格固定，這一點是降低機器噪音和震動的基本保證。因此，主齒輪軸兩端用軸承及軸承座必須嚴格固定，而在安裝調試過程中，為了能使機器達到最好的效果，減少機器部件之間的剛性摩擦，該部分又必須具備可調性，等調試完畢，再將該部分徹底固定。

連桿機構帶動插件裝置高速上下往復運動，也就為插件機高速穩定的插件提供了前提，緊接著就是如何保證插件裝置在連桿機構的帶動下高速運轉。由于機器在高速運動下震動和噪音都會成倍增加，因此，選擇合適的傳動結構有助于降低機器的震動和噪音，而且還要盡量減小部件之間的剛性摩擦，以延長機器各個部件的使用壽命。

3 結論

本文提出一種新型的高速穩定的插件機頭部裝置，并且對該裝置的各個關鍵技術和性能參數進行了分析和討論。在不影響插件機插件性能的前提下，大大簡化了插件機頭部的結構和可調性，提高了插件速度及穩定性，并且降低了插件的不良率。

（1）插件速度和自動化程度大幅度提高，在插件過程中無需人為過多干預，基本實現了機器全自動不間斷插件，為實現高速插件打下了堅實的基礎。

（2）穩定性和可調性大幅度提高，用一種可調式的新結構代替原有的固定結構，使得裝配和維修人員能夠更簡單高效地完成工作。

（3）頭部部件之間的可調性增加，減小了部件之間的剛性摩擦，降低了部件之間的磨損，從而延長了頭部的使用壽命，而且在提高穩定性的同時也降低了噪音。

頭部裝置是插件機的核心部分，它是實現插件機高速穩定插件的前提，該插件機頭部裝置的技術性能已基本達到國際先進水平，對推進中國電子產業的發展和提高中國市場電子產品的競爭力、中國制造產業升級都具有重要意義，前所未有地促進了我國插件機自動技術的進一步發展，而且可以在此基礎上提供繼續開發的平臺，為我國機械行業的發展出一份力。

［1］王敏，王宏.SolidWorks 2012中文版機械設計完全自學手冊［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］張策.機械原理與機械設計［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［3］高金蓮.工程圖學［M］.3版.北京：機械工業出版社，2011.

［4］段鐵群.機械系統設計［M］.北京：科學出版社，2010.

［5］楊叔子，楊克沖.機械工程控制基礎［M］.6版.武漢：華中科技大學出版社，2011.

［6］張秉榮.工程力學［M］.4版.北京：機械工業出版社，2011.