PCB分板機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張俊玲 邵云飛 王繼榮 部雙雙 牛山 蘇明順 任久帥

摘要：? 為提高印制電路板（printed circuit board，PCB）分板的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)與后續(xù)工序的良好銜接，本文基于Solidworks三維建模軟件，對(duì)PCB分板機(jī)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了PCB分板機(jī)的工作流程和主要機(jī)構(gòu)，建立了PCB分板機(jī)的三維模型，模擬了PCB分板機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并觀察PCB分板機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是否會(huì)產(chǎn)生干涉，同時(shí)根據(jù)模擬結(jié)果，修改分板機(jī)模型，使其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生干涉，實(shí)現(xiàn)了與生產(chǎn)線后續(xù)工序的銜接，協(xié)調(diào)完成整個(gè)PCB板分板檢測(cè)包裝生產(chǎn)線的運(yùn)作，提高了生產(chǎn)線效率。該研究對(duì)PCB分板生產(chǎn)線具有較好的理論和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? 印制電路板;? PCB分板機(jī);? 自動(dòng)化; 機(jī)構(gòu); 三維建模; 干涉

中圖分類號(hào)： TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

印制電路板是信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，在眾多領(lǐng)域中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。因此，PCB的制造品質(zhì)不僅影響電子設(shè)備的可靠性，而且還影響系統(tǒng)產(chǎn)品的整體競(jìng)爭(zhēng)力[14]，在變化多端的全球經(jīng)濟(jì)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)下，PCB行業(yè)一直在持續(xù)增長(zhǎng)[5]。常用的PCB面積不大，企業(yè)通常是拼板批量生產(chǎn)，然后將拼板分成一個(gè)個(gè)小板[67]，因此PCB分板是PCB生產(chǎn)過(guò)程中的重要一環(huán)，PCB分板主要有切割和沖壓兩種形式。在切割方面，Contour Fine Tooling 公司[8]將熱源切割技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，極大地提高了切割的生產(chǎn)效率，增大了刀具的附加值;Binayak Bhandari等人[9]針對(duì)雙面覆銅印制電路板，繪制了鉆削的毛刺控制圖，該圖表為鉆削的參數(shù)選擇提供了參考;R.Adalarasan等人[10]研究了非接觸式CO2激光切割技術(shù)在第二代金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用;仵桂學(xué)等人[11]研究設(shè)計(jì)一款基于機(jī)器視覺(jué)的PCB分板數(shù)控系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一套基于視覺(jué)路徑的編程方法;莫玉華等人[12]對(duì)PCB板切割設(shè)備切割刀頭深度控制進(jìn)行研究，解決了切割PCB 板V槽的深淺問(wèn)題，有效保護(hù)切割器刀頭;宋維建等人[13]對(duì)激光切割控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)，降低了切割過(guò)程中的人工干預(yù);范春衛(wèi)等人[14]研究了切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了切割機(jī)多軸運(yùn)動(dòng)控制。在沖壓分板方面，方貴本等人[15]生產(chǎn)了一種PCB自動(dòng)分板及自動(dòng)測(cè)試裝置，提高了PCB分板的自動(dòng)化程度;寧志剛等人[1618]對(duì)應(yīng)用在不同行業(yè)的沖壓設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化研究，使其在生產(chǎn)線中得到良好應(yīng)用。沖壓分板與切割分板相比，速度快，模塊化程度高[1920]。因此，針對(duì)PCB分板包裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)要求和生產(chǎn)節(jié)拍，本文設(shè)計(jì)了一種沖壓分板機(jī)構(gòu)，并基于Solidworks三維建模軟件，對(duì)PCB板沖壓分板機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與生產(chǎn)線后續(xù)工序的銜接，協(xié)調(diào)完成整個(gè)PCB板分板檢測(cè)包裝生產(chǎn)線的運(yùn)作，提高了生產(chǎn)線效率。該研究為印制電路板分板生產(chǎn)線提供了理論依據(jù)。

1 PCB分板機(jī)的工作流程

1.1 PCB板的主要參數(shù)

分板前，PCB拼板的尺寸為234 mm×149 mm（長(zhǎng)×寬），PCB拼板尺寸如圖1所示;分板后，PCB單板尺寸為65 mm×45 mm（長(zhǎng)×寬），模塊整體高為24 mm，基板厚度為2 mm，分板后單板尺寸如圖2所示。

已知沖裁長(zhǎng)度、PCB板的厚度和材料的剪切強(qiáng)度可以計(jì)算沖壓力。該P(yáng)CB板的材料為FR4，剪切強(qiáng)度為517 MPa，對(duì)沖壓力進(jìn)行計(jì)算。

1.2 PCB分板機(jī)的工作流程

本次設(shè)計(jì)的PCB包裝生產(chǎn)線現(xiàn)生產(chǎn)模式主要由分板、掃碼、測(cè)試、裝箱等部分組成。本論文主要研究PCB包裝生產(chǎn)線的分板模塊，為了提高PCB包裝生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，研究設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)PCB分板系統(tǒng)。

本文設(shè)計(jì)的PCB分板機(jī)主要由分板機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)和頂起機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí)，將PCB整拼板放入分板機(jī)下模具中，人工放板時(shí)間約3 s，傳送機(jī)構(gòu)在2 s內(nèi)將PCB整拼板送到?jīng)_壓分板位置;分板機(jī)的加壓機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，加壓機(jī)構(gòu)從開(kāi)始到完成需在4 s內(nèi);沖壓完成后，傳送機(jī)構(gòu)要在2 s內(nèi)完成;頂起機(jī)構(gòu)工作，將小板撐開(kāi)，用時(shí)2 s;小板分離后，傳送機(jī)構(gòu)將PCB板送到分板機(jī)末端，等待機(jī)械手抓取小板，機(jī)械手抓取小板時(shí)間為3 s;機(jī)械手抓取小板完成后，工作臺(tái)回到開(kāi)始位置，等待人工放板，用時(shí)4 s。因此，完成1塊PCB板整板的分板時(shí)間共需20 s。

2 PCB分板機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 分板機(jī)構(gòu)

分板機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源是氣缸，利用氣缸產(chǎn)生的壓力對(duì)PCB板進(jìn)行沖壓分板，使其邊料被沖落。分板機(jī)構(gòu)主要由上模、下模、刀具、上模座、下模座、導(dǎo)柱、限位塊和定位塊等組成。分板機(jī)構(gòu)模型如圖3所示。

刀具采用平刃刀，刀刃形狀與PCB板需落料處的形狀相吻合;限位塊的作用是防止沖壓過(guò)程中刀具運(yùn)動(dòng)過(guò)位，對(duì)PCB板造成破壞;導(dǎo)柱的作用是導(dǎo)向，引導(dǎo)上模和下模以正確的位置運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)柱安裝在上模板，兩個(gè)導(dǎo)柱對(duì)角布置;定位銷安裝在上模，用來(lái)精確定位上模和下模的相對(duì)位置;下模主要用來(lái)固定PCB板，使其在沖壓過(guò)程中不發(fā)生移動(dòng)（PCB板的定位部分見(jiàn)圖3）;下模固定在下模座上，用螺紋連接方式，采用3個(gè)螺紋孔緊固和2個(gè)銷孔定位;上模固定刀具的部位和主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，刀具與上模采用螺紋連接方式，上模固定在上模座上，采用3個(gè)螺紋孔緊固和2個(gè)銷孔定位。

上模和下模是沖壓過(guò)程中的主要工作部分，通過(guò)上模運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)PCB板的沖壓分板。當(dāng)工作臺(tái)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到分板位置時(shí)，氣缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，上模和刀具在氣缸的帶動(dòng)下向下運(yùn)動(dòng)，刀具和PCB板接觸時(shí)對(duì)PCB板產(chǎn)生壓力，刀具繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直到PCB板邊料完全脫落。沖壓分板完成后，氣缸上升復(fù)位，頂起機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，擴(kuò)寬10塊PCB小板之間的距離，后工作臺(tái)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直到機(jī)械手抓取小板的位置，機(jī)械手抓取完成后，工作臺(tái)回到開(kāi)始位置，等待下一次分板。

2.2 傳送機(jī)構(gòu)

直線傳送機(jī)構(gòu)主要有滾珠絲杠型和同步帶型兩種。由于沖壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的力，而且每次工作完成都要改變運(yùn)動(dòng)方向，使工作臺(tái)回到開(kāi)始位置。由于同步帶型不適用于頻繁改變運(yùn)動(dòng)方向的場(chǎng)合，所以此次傳送機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠傳送。

滾珠絲杠傳送不僅可以滿足高精度的要求，而且具有傳動(dòng)效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、同步性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在滾珠絲杠的上方加了風(fēng)琴保護(hù)罩，風(fēng)琴保護(hù)罩可以保護(hù)內(nèi)部的直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠，提高直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠的使用壽命，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也可以起到減少工作臺(tái)振動(dòng)的作用。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將工作臺(tái)傳送到指定的位置，工作臺(tái)主要有3個(gè)位置，第1個(gè)位置是人工放板的位置，第2個(gè)位置是沖壓分板的位置，第3個(gè)位置是機(jī)械手抓取小板的位置。人工放板位置與沖壓分板位置的距離為400 mm，要求在2 s內(nèi)能夠走完，即滾珠絲杠的速度要求能夠達(dá)到200 mm/s;從沖壓分板的位置到機(jī)械手抓取小板位置，距離也為400 mm，要求同上，所以在選擇絲杠時(shí)，要求直線速度為200 mm/s。另外，工作臺(tái)的質(zhì)量約為50 kg。根據(jù)要求選擇絲杠型號(hào)為：公稱直徑20 mm，導(dǎo)程5 mm，螺紋旋向右旋;電機(jī)選擇安川伺服電機(jī)，型號(hào)為SGM7J01A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 rad/min，直接與絲杠連接時(shí)，絲杠的直線速度為250 mm/s，可以達(dá)到速度要求。

2.3 頂起機(jī)構(gòu)

PCB板通過(guò)分板機(jī)分完板后進(jìn)入下一工序時(shí)，需要機(jī)械手將分完板后的小板抓起。但由于直接分完板后，每塊小板間隔很小，對(duì)機(jī)械手的抓取造成了困難。因此，在機(jī)械手抓取小板之前，設(shè)計(jì)頂起機(jī)構(gòu)，擴(kuò)大小板之間的間隙，有利于機(jī)械手的抓取。

頂起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種方案：一是利用氣缸直接在垂直方向運(yùn)動(dòng)，頂起機(jī)構(gòu)方案1如圖4所示;二是利用斜面機(jī)構(gòu)使氣缸在水平方向運(yùn)動(dòng)，斜塊在垂直方向運(yùn)動(dòng)，頂起機(jī)構(gòu)方案2如圖5所示。

方案1直接利用氣缸的垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)頂針（藍(lán)色件）的升降，在垂直空間內(nèi)所占據(jù)的空間大，會(huì)使機(jī)器整體不緊湊，浪費(fèi)空間;方案2利用斜塊機(jī)構(gòu)，將氣缸水平方向的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成頂針垂直方向運(yùn)動(dòng)，最大限度的節(jié)省空間，所以頂起機(jī)構(gòu)選擇方案2。

方案2的工作原理：動(dòng)力源是2個(gè)相同的氣缸，工作時(shí)2個(gè)氣缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)，速度相同，以保證頂針部分在水平方向的位置不變。頂針部分的頂端采用三角形結(jié)構(gòu)，隨著頂針的上升，頂針會(huì)從PCB板的間隙部分慢慢升起，頂針的寬度逐漸大于PCB小板之間的間隙，實(shí)現(xiàn)將PCB小板之間的間隙擴(kuò)大到適合機(jī)械手抓取的大小。

2.4 分板機(jī)整體結(jié)構(gòu)

分板機(jī)整體三維模型如圖6所示，分板機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC，另外分板機(jī)必須有廢料收集裝置，而廢料收集裝置能保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，不可在機(jī)器運(yùn)行中進(jìn)行清理，所以廢料收集裝置必須有足夠的容量。

在設(shè)計(jì)下模時(shí)，特意考慮到了PCB板廢料的收集，留下了落料空間。PCB板分板完成后，廢料自動(dòng)從夾具上空出的位置，經(jīng)過(guò)廢料導(dǎo)向漏斗，落到廢料收集盒內(nèi)，每次工作完成后，清理廢料收集盒內(nèi)的廢料，廢料收集盒易于取放，操作方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線，本文設(shè)計(jì)了一種PCB分板機(jī)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了PCB的分板、傳輸，能夠很好地與后續(xù)檢測(cè)裝置配合使用。頂起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了機(jī)械手抓取小板時(shí)空間限制的問(wèn)題，以及分板機(jī)與檢測(cè)機(jī)之間小板的傳輸問(wèn)題。本文也存在一定的不足之處，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放板，還需人工放板，后續(xù)研究可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放板。該設(shè)計(jì)提高了PCB分板的檢測(cè)效率和PCB生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，具有較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭金志.? 基于PCB圖像的HE增強(qiáng)與FCM分割算法研究[D]. 重慶： 重慶師范大學(xué)，? 2015.

[2] 童楓. Prismark談PCB行業(yè)發(fā)展與市場(chǎng)變化[J]. 覆銅板資訊， 2015（2）： 1921.

[3] 姬麗娟， 竇富萍， 鄧強(qiáng)， 等. 基于六軸機(jī)器人的PCB智能插裝站控制系統(tǒng)的研究[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化， 2018， 40（2）： 153156.

[4] 陳力. PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 科技與創(chuàng)新， 2017（23）： 99100.

[5] 龔永林. 2014年印制電路產(chǎn)業(yè)回顧與今年展望[J]. 印制電路信息， 2015， 23（2）： 512.

[6] 李旭沐. PCBA分板與開(kāi)短路淺析[J]. 印制電路信息， 2013（9）： 6470.

[7] 戴晨陽(yáng)， 張雪吟， 胡凱. PCB分板過(guò)程的應(yīng)力分析與評(píng)估[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2016， 29（8）： 131132， 134.

[8] 張著軍. 天然金剛石刀具的激光切割技術(shù)研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2014.

[9] Binayak B， Hong Y S， Yoon H S， et al. Development of a microdrilling burrcontrol chart for PCB drilling[J]. Precision Engineering，2014， 38（1）： 221229.

[10] Adalarasan R， Santhanakumar M， Rajmohan M. Optimization of laser cutting parameters for Al6061/SiCp/Al2O3，composite using grey based response surface methodology （GRSM）[J]. Measurement， 2015， 73： 596606.

[11] 仵桂學(xué). 基于機(jī)器視覺(jué)的PCB分板數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)[D]. 廣州： 廣東工業(yè)大學(xué)， 2016.

[12] 莫玉華. PCB板V割設(shè)備切割刀頭深度的PID控制[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（32）： 117.

[13] 宋維建， 張鵬程. 智能激光切割控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[J]. 金屬加工（熱加工）， 2014（8）： 4243.

[14] 范春衛(wèi). 光纖激光切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方法研究與應(yīng)用[D]. 上海： 東華大學(xué)， 2014.

[15] 方貴本， 李鋒. 一種PCB自動(dòng)分板及自動(dòng)測(cè)試設(shè)備[J]. 裝備制造技術(shù)， 2017（9）： 148151.

[16] 寧志剛. 自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙： 湖南大學(xué)， 2014.

[17] 候桂葉. 基于DEFORM的沖壓模具設(shè)計(jì)的仿真與分析[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2015.

[18] 崔俊超. 開(kāi)瓶器沖壓模具及沖壓自動(dòng)送料設(shè)計(jì)[D]. 邯鄲： 河北工程大學(xué)， 2016.

[19] 吳倩. 探討沖壓模具設(shè)計(jì)的思路與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 科學(xué)與財(cái)富， 2017（34）： 253.

[20] 梁甫. 淺談沖壓模具的設(shè)計(jì)與加工[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2017（28）： 110.

[21] 王樹(shù)勛. 模具實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)綜合手冊(cè)[M]. 廣州： 華南理工大學(xué)出版社， 1995.

[22] 王新華， 袁聯(lián)富. 沖模結(jié)構(gòu)圖冊(cè)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.

[23] 魏春雷， 徐慧民. 沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社， 2009.

[24] 龔勇鎮(zhèn)， 黃永生， 廖輝， 等. U形金屬件的沖壓模具設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械制造， 2016， 54（11）： 6567.

[25] 鐘翔山. 沖壓模具設(shè)計(jì)實(shí)例精選[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2012.