異形元器件插件頭的設計與試驗

羅 義,胡意波

(深圳市湘聚實業有限公司,廣東 深圳 518100)

0 引言

隨著我國電子制造業的發展,智能自動化生產線上的貼片機、異形插件機等設備也在快速優化、完善[1]。目前,標準電子元器件利用貼片機進行貼裝,技術發展相對成熟[2]。相對于貼片機而言,異形插件機的適用性更強。異形插件機解決了連接器、變壓器、繼電器等異形電子元器件的插裝問題[3-5]。異形插件機通過移動插件頭將元器件快速、準確地貼裝或插裝到印制電路板(printed circuit board,PCB)所指定的位置。插件頭和貼片頭在功能和結構上都很相似,發展至今已有很多種類。付志斌等[6]設計了一種水平旋轉貼片頭,并且通過ADAMS軟件仿真得到了貼片頭在特定工作狀態下吸嘴的位移、速度、角速度等特性曲線。李翔宇等[7]設計了一種平行夾持式貼插頭,并且對夾緊機構進行動力學仿真,得到了夾緊機構的運動特性曲線。時佳玉等[8]將無鐵芯永磁同步直線電機應用在貼片頭的設計上,通過理論計算得到貼片頭的運動特性方程,并通過采集樣機的數據驗證了計算結果的正確性。譚高樓等[9]設計了一種同步帶傳動的夾爪機構。該機構可以攜帶四個夾爪同步工作。白峰等[10]設計了一種針對發光二極管(light emitting diode,LED)貼裝的貼片頭。該貼片頭由五個獨立吸嘴共同工作。

本文將高精度滾珠絲桿副應用于插件頭設計,計算相關參數并對伺服電機進行選型;結合ADAMS軟件進行運動仿真,驗證計算結果的可靠性以及機構的穩定性;通過試驗測試插件頭的速度和精度,檢驗設計是否符合工作要求。

1 插件頭整體結構與原理

插件頭一般配置一個或多個機械夾爪或真空吸嘴,通過機電控制系統使各部件協同完成取料、定位、放料工作。在實際工作中發現,同步帶傳動的插件頭存在以下問題:使用壽命短;在高速工作一段時間以后容易磨損導致松弛脫落;插裝重量比較大的異形元器件時插裝不穩定。目前,直線電機的成本較高,且機構難以做到緊湊,導致插件頭的整體體積較大[11]。滾珠絲桿副具有運動平穩、傳動效率高、剛性高、耐用性強等特點[12],可將其運用于插件頭的傳動系統。單個插件頭整體結構如圖1所示。

圖1 單個插件頭整體結構

插件頭主要包括固定框架和四個插件頭組件。固定框架用于安裝各插件頭組件。插件頭組件主要包括升降機構、旋轉機構、夾持機構。

①升降機構負責完成插件頭的升降運動,主要包括升降伺服電機、聯軸器、滾珠絲桿、固定板、固定座、滑塊等。伺服電機通過聯軸器與滾珠絲桿連接,將旋轉運動轉化為豎直方向的運動。

②旋轉機構負責完成插件頭的旋轉運動,主要包括旋轉伺服電機、同步輪、同步帶等。伺服電機通過同步帶傳動,帶動滾珠螺母花鍵以及夾爪進行旋轉運動。

③夾持機構在工作中通過夾爪來夾取元器件。夾爪片的張開閉合運動由氣壓進行控制。

單個插件頭組件如圖2所示。

圖2 單個插件頭組件

插件頭在工作時:首先,利用夾爪從供料器區域夾取元器件,運動到PCB上方指定位置;然后,通過升降伺服電機驅動升降機構下降,同時旋轉機構旋轉合適的角度擺正元器件的針腳,待元器件插入PCB上指定孔位后立即松開夾爪;最后,插件頭向上運動,返回安全位置。這個過程包括插件頭的升降運動、旋轉運動以及夾爪的張開閉合運動。隨著元器件的日益復雜,以及表面貼裝技術(surface mounted technology,SMT)整線效率要求的提升,對插件機的精度和速度要求也越發嚴格。單從插件頭來看,插件的速度主要與插件頭的升降運動以及旋轉運動的速度有關。因此,本文主要研究升降機構和旋轉機構。

2 關鍵零件參數設計

2.1 升降伺服電機選型

插件頭在行程一定時,其升降運動所消耗的時間主要取決于升降運動的速度和加速度。為了滿足插件工作要求,本文設插件頭的行程L=90 mm、最大速度vmax=1 m/s。插件頭單程移動時間為:

(1)

式中:t1為加速或減速時間。

負載折算到電機軸上的轉動慣量為:

(2)

式中:M1為負載總質量,為1 000 g,其中包括最大元器件質量m=200 g;Ph為滾珠絲桿副的導程,為20 mm。

絲桿轉動慣量為:

(3)

式中:D1為絲桿外徑,D1=12 mm;M2為滾珠絲桿副質量,M2=250 g。

聯軸器轉動慣量為:

(4)

式中:M3為聯軸器質量,M3=20 g;D2為聯軸器外徑,D2=20 mm;D3為聯軸器內徑,D3=10 mm。

總負載慣量為:

JL=Jw+Js+Jz

(5)

電機需要的轉速為:

(6)

本文通過計算,得到n1為18 840 rad/min。

電機驅動轉矩為:

(7)

式中:F為導軌與滑塊的摩擦力,計算時忽略不計;η為滾珠絲桿機械效率,取0.9。

負載加速時所需轉矩為:

(8)

絲桿加速時所需轉矩為:

(9)

加速時所需的總轉矩為:

tz=tw+ts

(10)

最大轉矩為:

tmax=tG+tz

(11)

所需電機功率為:

(12)

根據式(1)～式(12),可得選型相關參數如表1所示。由表1可知,加(減)速的時間越長,單程運動的耗時越長,所需要的電機驅動功率越小。綜合考慮,本文選用升降伺服電機型號為MSMD011G1U的松下伺服電機。該伺服電機的功率為100 W、額定轉速為18 840 rad/min、最高轉速為31 400 rad/min、額定轉矩為0.32 N·m、轉子慣量為0.051×10-4kg·m2。

表1 選型相關參數

插件頭升降運動的單程運動方程為:

(13)

2.2 旋轉伺服電機選型

由于在夾取元器件時,每個元器件的針腳角度均有所不同,旋轉機構需要在元器件升降的同時,將元器件調整到合適的角度,以便元器件的針腳插入PCB。插件過程中的旋轉角度在180°以內就可以糾正元器件的針腳。因此,旋轉過程消耗的最大時間需要滿足t0≤110 ms。

本文設計時取t0=30 ms,則旋轉一周的時間為T=60 ms。本文設加(減)速時間t1=10 ms,八個同步輪為同一種同步輪。

電機所需轉速為:

(14)

同步輪折算到電機軸上的慣量為:

(15)

式中:D4為同步輪的直徑,D4=20 mm;M4為單個同步輪的質量,M4=20 g。

滾珠花鍵的轉動慣量(軸承間的摩擦忽略不計)為:

(16)

式中:M5包括滾珠花鍵質量350 g、夾爪質量270 g以及最大異形元器件的質量200 g;D5為滾珠花鍵的直徑,D5=8 mm。

總慣量為:

J0=J1+J2

(17)

轉矩為:

(18)

所需功率為:

(19)

根據式(14)～式(19),可知n2=6 280 rad/min、J0=7 560 g·mm2、T0=0.079 N·m、P′=0.008 kW。本文選擇旋轉伺服電機型號為MSMD5AZG1U的松下伺服電機。該伺服電機的功率為50 W、額定轉速為18 840 rad/min、最高轉速為31 400 rad/min、額定轉矩為0.16 N·m、轉子慣量為0.025×10-4kg·m2。

3 運動仿真

ADAMS軟件用于運動學仿真,輸出速度、位移、作用力等曲線,以預測機械系統的性能。由于四個插件頭的結構都相同,通過ADAMS軟件進行運動仿真,可模擬單個插件頭在實際工作中的下降過程,并將模型導入后簡化。簡化模型如圖3所示。

圖3 簡化模型示意圖

本文將運動副和驅動施加在模型上;滾珠絲桿副設置為螺旋副;伺服電機的轉子處添加轉動副;導軌滑塊處添加滑動副;兩個同步輪添加等速副。

插件頭在實際工作中的單程運動方程為式(13)。本文將驅動定義在滑動副上,則驅動函數為step(time,0,0,0.02,1)+step(time,0.09,0,0.11,-1)。

測量得到的升降伺服電機運動參數曲線如圖4所示。圖4表明,插件頭在下降的過程中升降伺服電機轉子的最大轉矩為0.029 N·m、最大角速度為305.2 rad/s、加(減)速時間為0.011 s。仿真結果與計算結果相差不大,驗證了計算結果的可靠性。

圖4 升降伺服電機運動參數曲線

由于插件過程中,夾爪夾持元器件為旋轉運動,為了驗證旋轉機構的穩定性,本文對旋轉運動進行仿真。仿真驅動設置為旋轉電機以恒定轉速旋轉100圈。仿真結束后測量夾爪質心的位置變化。夾爪質心位置如圖5所示。

圖5 夾爪質心位置圖

由圖5可知,插件頭在旋轉的過程中夾爪的質心位置在水平面位移的變化在±0.015 mm以內,說明夾爪在旋轉運動的過程中晃動較小、運動較平穩。

4 試驗

4.1 試驗平臺

松下伺服電機可以通過博世力士樂NYCe4000運動控制系統進行通信與控制。NYCe運動控制系統有三個基本組件,即通信單元、運動控制單元和驅動單元。本文使用NY4120驅動卡。板卡類型為脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)驅動模塊。控制原理如圖6所示。

圖6 控制原理圖

一個驅動卡可以驅動兩個伺服電機。NYCe系統連接電腦,由NYCe相關軟件進行控制。試驗過程為插件頭夾持200 g的異形元器件進行插件。試驗使用NYCeScope軟件進行觀測,輸出與運動相關的數據圖和狀態圖。

4.2 試驗結果

試驗過程為四個插件頭首先依次通過夾爪夾持異形元器件并依次向下運動90 mm,然后自動旋轉調整角度,最后向上運動到初始位置。本文進行多次試驗,并導出其中一個插件頭的三次升降運動數據。試驗結果如圖7所示。

圖7 試驗結果

四個插件頭的測試數據如表2所示。表2中的測試數據為一百次試驗的平均值。

表2 四個插件頭的測試數據

結合圖7、表2可知,插件頭的升降運動過程中伺服電機的轉矩為0.029 N·m左右,小于額定轉矩。最大速度和運動時間基本保持不變。最大速度在0.97 m/s左右,上升和下降時間均在0.12 s以內,與設計的最大速度和時間非常接近。這說明各插件頭的升降運動比較平穩,符合設計要求。

由于插件頭每次旋轉的角度不一樣,每次旋轉運動的角速度數據也不同。本文導出其中一次旋轉運動的數據。旋轉運動角速度曲線如圖8所示。

圖8 旋轉運動角速度曲線

由圖8可知,此次旋轉運動的最大角速度為28.33 rad/s,用時約為0.011 s。

試驗過程中插件頭的旋轉機構穩定性較高,且在測試過程中沒有出現漏插件和插入失敗的元器件,說明插件精度較好。插件頭目前已經應用于某異形插件機上。

5 結論

本文結合滾珠絲桿副等傳動系統的特點,設計了一種適用于插裝異形電子元器件的插件頭裝置。ADAMS軟件運動仿真得到旋轉機構在旋轉過程中夾爪的質心位移變化在±0.02 mm以內,說明旋轉運動較穩定。實際插件效果驗證了本文裝置的合理性。試驗結果表明,插件頭升降運動的最大速度接近預設最大速度1 m/s,針對重量比較大的異形元器件的插件效果較好。插件頭的升降運動的最大速度與滾珠絲桿副的導程以及伺服電機的轉速直接相關。今后若要進一步提升插件速度,可以更換導程更大的滾珠絲桿,并選擇合適的伺服電機。