自動(dòng)插件機(jī)插件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

王建生， 潘政（五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東江門(mén)529020）

0 引言

自動(dòng)插件機(jī)插件系統(tǒng)是整臺(tái)插件設(shè)備最為核心的組成部分，通過(guò)區(qū)域平面內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)拾取電子元器件，精確地安插在PCB板導(dǎo)電通孔內(nèi)[1]。通常市場(chǎng)上的電子元器件主要分為散料（例如變壓器、電感器）以及編帶料（例如電容、三極管、電阻），散料引腳短且硬，不易變形；編帶料引腳長(zhǎng)且軟，在取料插件過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重折彎。因此插件系統(tǒng)的插件機(jī)構(gòu)需要有針對(duì)性地設(shè)計(jì)[2]；在整個(gè)插件過(guò)程中，還需要通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)模塊保障插件系統(tǒng)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)性能，系統(tǒng)各部分協(xié)調(diào)有序的動(dòng)作皆通過(guò)有效編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)[3]。

1 插件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

插件系統(tǒng)的運(yùn)控結(jié)構(gòu)主要由研華工控機(jī)+固高GTN運(yùn)控卡組成主控模塊。GTN控制卡與拓展4軸端子板通訊，執(zhí)行伺服驅(qū)動(dòng)模塊以及動(dòng)作機(jī)構(gòu)的具體控制[4]；伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)4軸端子板AXIS1-AXIS4信號(hào)接口通訊，與伺服電動(dòng)機(jī)組成一套完整的閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制卡提供16路輸入、輸出端口，負(fù)責(zé)光電傳感器信號(hào)的接收以及控制；I/O模塊通過(guò)電磁閥的通、斷執(zhí)行氣動(dòng)裝置的動(dòng)作。控制結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 插件系統(tǒng)運(yùn)控框架

自動(dòng)插件系統(tǒng)主要分為X、Y軸龍門(mén)模組結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意運(yùn)動(dòng)以及Z軸插件取料頭。考慮到滾珠絲桿傳動(dòng)定位精度高以及負(fù)載荷大的因素，X、Y軸龍門(mén)模組采用滾珠絲桿-直線導(dǎo)軌的傳動(dòng)方式[5]。Z軸插件取料頭需要滿足直線與旋轉(zhuǎn)這2種形式的運(yùn)動(dòng)，以滿足不同姿態(tài)與位置的電子元器件，另考慮到插件軸需在取料、插件平面內(nèi)快速動(dòng)作，則整體質(zhì)量不宜太重。綜合以上因素，插件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要為滾珠絲桿花鍵軸+末端執(zhí)行氣缸，配合不同性能的夾片有效地完成各類電子元器件的安插工作[6]。

1.1 滾珠絲桿花鍵軸

如圖2所示，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶、輪分別與絲桿花鍵軸的絲桿螺母以及花鍵螺母聯(lián)動(dòng)，高轉(zhuǎn)矩同步輪固定在螺母旋轉(zhuǎn)端面。只要有序地控制伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作，則能高效完成旋轉(zhuǎn)以及直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲桿的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，滾珠花鍵軸的運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為螺旋運(yùn)動(dòng)[7]，通過(guò)一根軸加工成絲桿溝槽以及花鍵溝槽，安裝螺母以及軸承、軸承座，就能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、直線以及螺旋形式的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)后，切斷正、負(fù)限位傳感器的接收光信號(hào)，傳感器接收引腳輸出高電平信號(hào)，GTN運(yùn)控卡輸入信號(hào)引腳檢測(cè)到高電平狀態(tài)，則立即輸出伺服驅(qū)動(dòng)停止信號(hào)，保證插件工作的安全。各單軸模組、機(jī)構(gòu)配置的伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表2所示。

圖2 滾珠絲桿花鍵副結(jié)構(gòu)

配合滾珠絲桿花鍵副有效運(yùn)動(dòng)的具體方式如表1所示。

1.2 龍門(mén)模組—滾珠絲桿-導(dǎo)軌傳動(dòng)

如圖3結(jié)構(gòu)所示，龍門(mén)平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由X軸主、隨動(dòng)模組以及Y軸模組組成，單軸模組各安裝了3個(gè)軟限位傳感器，即負(fù)限位、原點(diǎn)、正限位，當(dāng)固定在模組滑塊上端的機(jī)械遮光片隨模組運(yùn)

表1 絲桿花鍵軸動(dòng)作

圖3 自動(dòng)插件機(jī)龍門(mén)模組結(jié)構(gòu)

1.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為多個(gè)氣缸的配合運(yùn)動(dòng)，前文了解到為適應(yīng)不同電子元器件的夾取動(dòng)作，需要設(shè)計(jì)不同的夾爪滿足需要[8]。如圖4所示，左邊雙軸推桿氣缸1通過(guò)氣缸連接片2與平行夾爪氣缸3連接，夾片4設(shè)計(jì)可以具體參考散料電子元器件頭部跨距；右邊主要為編帶料引腳夾取機(jī)構(gòu)，微型氣缸7通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)彈簧壓縮片下壓，夾爪彈簧張開(kāi)夾取料引腳，夾片跨距設(shè)計(jì)適用于5 mm以及2.5 mm這2種引腳距的元器件，微型氣缸6主要通過(guò)推動(dòng)夾爪內(nèi)的凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，下壓固定桿對(duì)中元器件頭部固定插件，且避免與夾料部分干涉。整個(gè)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)固定塊、固定環(huán)與滾珠絲桿花鍵軸連接動(dòng)作。

表2 多摩川交流伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)

2 插件系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

圖4 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

插件系統(tǒng)的軟件編程環(huán)境為IEC 61131-3，IEC 61131-3最大的優(yōu)勢(shì)在于其允許用戶通過(guò)可編程控制器選擇多類匯編語(yǔ)言，指定具體的控制目標(biāo)去實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。

從插件系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作可以了解到，具體的軟件控制主要包含各伺服軸的驅(qū)動(dòng)、I/O端電磁閥控制的氣缸動(dòng)作（真空部分）。GTN運(yùn)動(dòng)控制卡作為主控核心，為這2部分的驅(qū)動(dòng)提供了運(yùn)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，只需要有針對(duì)性地調(diào)用庫(kù)指令，便能達(dá)到機(jī)構(gòu)動(dòng)作目的[9]。

2.1 I/O口氣動(dòng)控制

插件系統(tǒng)中，氣動(dòng)部分動(dòng)作執(zhí)行都通過(guò)I/O口通、斷電磁閥操作，軟件控制只需有針對(duì)性的對(duì)電磁閥進(jìn)行復(fù)位、置位即可[10]。末端氣缸軸行程依據(jù)上下磁性傳感器信號(hào)的反饋?zhàn)龀鼍唧w動(dòng)作。部分程序設(shè)計(jì)如下：

2.2 X/Y/Z伺服軸的調(diào)試

1）X/Y軸皆由伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)試。考慮到它們的控制方式以及模式一樣，所以通過(guò)X軸伺服電動(dòng)機(jī)S1為在線調(diào)試對(duì)象進(jìn)行闡述。選擇固高GTN控制卡提供的伺服驅(qū)動(dòng)軸控制方式：脈沖+方向（調(diào)用GTN_Reset置位控制卡），改變目標(biāo)軸狀態(tài)（GTN_CtrlMode）；選擇GTN運(yùn)控卡提供的軸驅(qū)動(dòng)模式：點(diǎn)位驅(qū)動(dòng)（梯形運(yùn)動(dòng)），設(shè)置目標(biāo)位置、加速度以及目標(biāo)速度。具體的調(diào)試流程如圖5所示。

圖5 軸調(diào)試的程序步驟

通過(guò)X軸伺服電動(dòng)機(jī)在ServoStudio軟件工具下記錄其運(yùn)行狀態(tài)曲線,目標(biāo)位置2621440counts，目標(biāo)速度3000 r/min，加、減速度1000 rpm/s，運(yùn)行如圖6所示。

2）Z軸伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)試。Z軸伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)試包含花鍵傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)S4以及絲桿傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)S3。本節(jié)以花鍵傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)S4為調(diào)試對(duì)象進(jìn)行闡述。花鍵傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)S4調(diào)試步驟與X/Y軸相同，目標(biāo)位置131071counts，目標(biāo)速度3000 r/min，加、減速度10 000rpm/s，只是在具體調(diào)試過(guò)程中需要特別考慮軸自振情況。從上節(jié)中已經(jīng)了解到滾珠絲桿花鍵副工作的特殊性，單獨(dú)調(diào)試花鍵傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)帶動(dòng)絲桿螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，從而不可避免地造成位置跟隨曲線振幅過(guò)大。其自振特性曲線如圖7所示。

為解決自振問(wèn)題，在Z軸調(diào)試過(guò)程中以抱閘（剎車）形式鎖定伺服軸。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地刷新PID參數(shù)值，以數(shù)據(jù)表格形式進(jìn)行記錄曲線特性，再利用MATLAB對(duì)其數(shù)據(jù)表進(jìn)行仿真且放大觀察[11]，具體的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖6 伺服電動(dòng)機(jī)S1調(diào)試曲線特性

從圖8可以觀察到，速度曲線、位置跟隨誤差曲線、電流特性曲線跟隨性較好，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間也迅速，PE值在小范圍內(nèi)有滯后特性，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上考慮，Z軸安裝的垂直度以及皮帶預(yù)緊都有允許誤差范圍，因此在可控范圍內(nèi)不影響控制性能。

在調(diào)試電動(dòng)機(jī)過(guò)程中，通過(guò)觀察特性曲線運(yùn)行情況，刷新增益參數(shù)值，最后得出了如表3所示的PID增益參數(shù)值[12]。

圖7 S4自振特性曲線

表3 各軸PID增益優(yōu)化值

圖8 伺服電動(dòng)機(jī)S4仿真特性曲線

3 結(jié)語(yǔ)

文中只針對(duì)自動(dòng)插件機(jī)插件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及控制方面作出了設(shè)計(jì)與分析，一套完整且插件精度要求高的插件系統(tǒng)還需要機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的參與，只有建立在可靠的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，配合有效的運(yùn)控軟件系統(tǒng)，才能保障整套設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

[1]莊德才.自動(dòng)插件機(jī)控制系統(tǒng)的研究[D].青島:青島科技大學(xué),2011.

[2]付文華.LED插件若干技術(shù)的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[3]謝建忠.談?wù)剻C(jī)電一體化的發(fā)展趨勢(shì)及設(shè)計(jì)步驟[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2010(9):144-145.

[4]彭葵.伺服驅(qū)動(dòng)及智能模塊在機(jī)械加工中的應(yīng)用[C]//低碳經(jīng)濟(jì)下高技術(shù)制造產(chǎn)業(yè)與智能制造發(fā)展論壇.2010.

[5]龐振基,黃其圣.精密機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[6]宋福民,肖永山.貼片機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2007,36(8):16-20.

[7]佚名.滾珠絲桿副介紹[J].智能機(jī)器人,2006(5):72.

[8]徐錫林,張藝.微型機(jī)械手的機(jī)構(gòu)分析[J].中國(guó)機(jī)械工程,2000,11(5):510-512.

[9]固高科技有限公司.GT系列運(yùn)動(dòng)控制器用戶手冊(cè)[Z].

[10]Series44 Direct solenoid and solenoid pilot operated valves[Z],mac valves.

[11]范振瑞.基于Matlab的PID溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技,2013,26(8):164-167.

[12]王偉,張晶濤,柴天佑.PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2000,26(3):347-355.