李 銳 李紹東 陳躍飛

（深圳市中禾旭精密機(jī)械有限公司，廣東 深圳518125）

0 引言

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子產(chǎn)品的使用越來(lái)越廣泛，電路板是電子產(chǎn)品的重要元部件之一，而插件機(jī)是將各種電子元器件插入PCB板指定位置的自動(dòng)化設(shè)備。近年來(lái)，隨著我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，行業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，在這樣的背景條件下，對(duì)自動(dòng)插件機(jī)的要求越來(lái)越高，需求也越來(lái)越大。因此，提高插件機(jī)的插件速度和穩(wěn)定性就是目前插件機(jī)行業(yè)發(fā)展的重中之重。

頭部裝置是插件機(jī)的核心部分，它是實(shí)現(xiàn)插件機(jī)高速、穩(wěn)定插件的前提。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的立式插件機(jī)由于頭部結(jié)構(gòu)、配合、軟件等限制，插件速度和穩(wěn)定性一直不容樂觀，插件速度一直無(wú)法提高，其穩(wěn)定性也相對(duì)欠缺，從而使得市場(chǎng)上現(xiàn)有的立式插件機(jī)的插件效率和穩(wěn)定性無(wú)法得到改善。本文將重點(diǎn)介紹ZHX－L2015系列立式插件機(jī)的一種新型頭部結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)、裝配、調(diào)試等多個(gè)方面來(lái)分析該機(jī)型頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及工藝原理，并與目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的插件機(jī)進(jìn)行對(duì)比，在保證機(jī)器穩(wěn)定的前提下，揭示插件機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和速度之間關(guān)系的特性，以期為企業(yè)創(chuàng)造更多的價(jià)值。

1 頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)及工藝劃分

1.1 插件機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)

目前市場(chǎng)上立式插件機(jī)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(cè)以及外殼鈑金等5個(gè)部分。在目前插件機(jī)行業(yè)的設(shè)計(jì)思路中，如何將機(jī)器設(shè)計(jì)得輕巧、速度快、穩(wěn)定性高、噪音低，是每個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)師都要面臨且必須解決的問題，這也將是本行業(yè)以后設(shè)計(jì)前進(jìn)的方向。插件機(jī)各部分相輔相成、獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)，不難看出，對(duì)機(jī)器的插件速度和穩(wěn)定性起決定性作用的就是頭部，因此，可以這樣說，一臺(tái)插件機(jī)的頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和合理性是判斷本臺(tái)機(jī)器設(shè)計(jì)成熟與否的標(biāo)志。

1.2 設(shè)計(jì)方法

首先運(yùn)用SolidWorks對(duì)插件機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，將頭部與機(jī)器其他部分連接處的尺寸設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，運(yùn)用機(jī)械原理及機(jī)械設(shè)計(jì)、工程圖學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)，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(yīng)用機(jī)械控制工程學(xué)及工程力學(xué)，綜合設(shè)計(jì)、加工、生產(chǎn)、裝配、調(diào)試等環(huán)節(jié)，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(dòng)裝置、高速電機(jī)及配套聯(lián)軸器裝置、極限定位及保護(hù)裝置等。

圖1 插件機(jī)結(jié)構(gòu)

2 頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝

2.1 頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，插件機(jī)的頭部主要采用各連桿驅(qū)動(dòng)配合、伺服電機(jī)帶動(dòng)的工作原理。連桿驅(qū)動(dòng)裝置是利用連桿配合及杠桿原理，在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)插件驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)插件頭裝置上下以達(dá)到連續(xù)插件的目的。H軸馬達(dá)通過聯(lián)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(shè)有直線導(dǎo)軌，因此其能在鋁板上自由上下滑動(dòng)，達(dá)到和連桿驅(qū)動(dòng)裝置相互配合的目的。下直線軸承座內(nèi)設(shè)一旋轉(zhuǎn)軸承，空心的插件主桿和該軸承相連，主桿由兩個(gè)橫向安裝的軸承將其定位。在主軸承座內(nèi)設(shè)有軸承，設(shè)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(dá)RH相連，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)主桿也跟著旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不同角度的插件。

主桿的下端裝設(shè)插件本體。本體上設(shè)有夾料和卸料機(jī)構(gòu)。當(dāng)CTA（Component Transfer Assembly）機(jī)構(gòu)送料時(shí)，夾料機(jī)構(gòu)把料夾住；當(dāng)插入元件時(shí)，卸料機(jī)構(gòu)把元件從夾子上卸下。CTA的送料滑塊和直線導(dǎo)軌活動(dòng)連接，滑軌和氣缸連接，氣缸工作送料滑塊前后運(yùn)動(dòng)，把原件從鏈條的鏈條夾上送到插件本體的加料機(jī)構(gòu)并返回。CTA機(jī)構(gòu)把原件從鏈條的鏈夾上送到插件本體的夾料機(jī)構(gòu)，然后回位；馬達(dá)RH會(huì)根據(jù)插入角度的需要而旋轉(zhuǎn)，擺正本體的角度；H軸馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，齒條向下運(yùn)動(dòng)，插件本體和壓料一起向下運(yùn)動(dòng)；馬達(dá)P旋轉(zhuǎn)，壓料桿向下運(yùn)動(dòng)，把元件插入電路板的孔內(nèi)，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(qū)動(dòng)裝置

如圖3所示，頭部連桿驅(qū)動(dòng)裝置由4個(gè)連桿、連桿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、馬達(dá)固定座、頭部連接塊組成。右端曲柄由伺服電機(jī)帶動(dòng)，360°旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿，利用杠桿原理從而使壓料桿上下運(yùn)動(dòng)。連桿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)由一套限位檢測(cè)保護(hù)裝置來(lái)定位此馬達(dá)的正負(fù)極限位置，馬達(dá)啟動(dòng)后，帶動(dòng)連桿聯(lián)動(dòng)，然而此部分最重要的部件是作為整個(gè)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)支撐點(diǎn)的頭部連接塊，支撐點(diǎn)選取的位置將直接決定整個(gè)機(jī)構(gòu)的速度及穩(wěn)定性。

圖2 頭部機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 連桿裝置結(jié)構(gòu)

利用杠桿原理使得整個(gè)連桿部分的速度大大提升，形成了頭部連桿部分的整個(gè)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。由于該連桿結(jié)構(gòu)在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)要想更好地將運(yùn)動(dòng)傳遞給插件機(jī)構(gòu)，4個(gè)連桿必須要在同一平面上，否則就會(huì)產(chǎn)生切向應(yīng)力，一旦切向應(yīng)力產(chǎn)生，連桿之間就會(huì)產(chǎn)生剛性摩擦，這樣整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性就會(huì)受到影響。

2.1.2 高速電機(jī)及配套的聯(lián)軸器裝置

如圖4所示，由于插件機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)過程中，其在H軸方向上下的速度和頻率非?？?，為了保證插件的精度和穩(wěn)定性，也就要求頭部在H軸方向傳動(dòng)裝置的精度要非常高，因此在保證插件穩(wěn)定的前提下，如何更好地將高速電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成頭部上下的往復(fù)插件運(yùn)動(dòng)就成了另一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

圖4 高速電機(jī)、聯(lián)軸器裝置結(jié)構(gòu)

當(dāng)電機(jī)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，與電機(jī)緊密連接的聯(lián)軸器將運(yùn)動(dòng)直接傳到H軸主齒輪，因此該裝置在運(yùn)行過程中，電機(jī)、聯(lián)軸器、主齒輪這三者的轉(zhuǎn)動(dòng)中心必須在同一直線上，而且由于電機(jī)的震動(dòng)非常大，所以電機(jī)的固定也一定要牢固，否則將直接影響插件效率，也使得機(jī)器在運(yùn)行過程中噪音非常大，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)機(jī)器不能運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.3 插件驅(qū)動(dòng)裝置

如圖5所示，上下插件的插件驅(qū)動(dòng)裝置由主齒輪軸、H軸承座、齒條、頭部連接塊組成。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)插件裝置高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，和連桿結(jié)構(gòu)連接在一起的齒條相應(yīng)地進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此與齒條進(jìn)行嚙合的齒輪由于作用也會(huì)相應(yīng)地做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)過程中空間位置不會(huì)偏移。

圖5 上下插件齒輪傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

通過對(duì)比，本機(jī)器選擇了齒輪和齒條的上下傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪及齒輪軸被固定在頭部支架上以保證其穩(wěn)定性，齒條安裝在插件裝置上隨其一起上下運(yùn)動(dòng)，這種傳動(dòng)方式無(wú)論是在安裝、調(diào)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(jī)械結(jié)構(gòu)工藝分析

2.2.1 高速插件的連桿驅(qū)動(dòng)裝置工藝

由圖6不難看出，為了讓該連桿機(jī)構(gòu)能夠高效運(yùn)行，各個(gè)連桿的連接要緊密，與連桿驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連接的連桿也必須和馬達(dá)軸抱緊。而且，為了保證插件的穩(wěn)定，降低插件過程中的噪音，每個(gè)連桿與壓料桿要同在一個(gè)平面上，只有消除切向應(yīng)力，裝置才能有效運(yùn)行。

圖6 連桿驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

由于插件機(jī)的插件高度是嚴(yán)格固定的，因此，各個(gè)連桿的尺寸必須要配合好，這一點(diǎn)是決定該連桿機(jī)構(gòu)成功與否的關(guān)鍵；而且連桿的支撐點(diǎn)的選取、轉(zhuǎn)動(dòng)角度、正負(fù)極限的位置等等都是該裝置的核心所在。

2.2.2 高速電機(jī)及配套聯(lián)軸器裝置工藝

通過反復(fù)對(duì)比齒輪齒條傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、聯(lián)軸器傳動(dòng)等諸多傳動(dòng)方式，從節(jié)省空間、傳動(dòng)效率以及插件的穩(wěn)定性方面考慮，最終選擇了聯(lián)軸器的直接傳動(dòng)。通過前文不難看出，該裝置中的電機(jī)是在插件機(jī)整個(gè)頭部中最大的，因此可以說該電機(jī)的速度非常高，但是其震動(dòng)也非常大，因此選擇合適的電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)就顯得尤為重要。

由于插件機(jī)頭部是非常精密的部件，任何小的震動(dòng)或者摩擦都有可能引起插件的穩(wěn)定性和速度，甚至導(dǎo)致插件不良，由于齒輪齒條不能很好地吸收震動(dòng)，所以這里不建議使用齒輪齒條傳動(dòng)。我們知道皮帶傳動(dòng)在吸收震動(dòng)方面是非常好的，它可以完全消除電機(jī)震動(dòng)給插件頭部帶來(lái)的不利影響，但是這種結(jié)構(gòu)所占的空間太大，而且不太適合高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此在這個(gè)機(jī)構(gòu)中就選擇了聯(lián)軸器傳動(dòng)，而且聯(lián)軸器的種類很多，有很多類型的聯(lián)軸器可以很好地消除電機(jī)震動(dòng)所帶來(lái)的不利影響。

2.2.3 上下插件的插件驅(qū)動(dòng)裝置工藝

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

連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)插件裝置高速上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，也就為插件機(jī)高速穩(wěn)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(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下高速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于機(jī)器在高速運(yùn)動(dòng)下震動(dòng)和噪音都會(huì)成倍增加，因此，選擇合適的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有助于降低機(jī)器的震動(dòng)和噪音，而且還要盡量減小部件之間的剛性摩擦，以延長(zhǎng)機(jī)器各個(gè)部件的使用壽命。

3 結(jié)論

本文提出一種新型的高速穩(wěn)定的插件機(jī)頭部裝置，并且對(duì)該裝置的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行了分析和討論。在不影響插件機(jī)插件性能的前提下，大大簡(jiǎn)化了插件機(jī)頭部的結(jié)構(gòu)和可調(diào)性，提高了插件速度及穩(wěn)定性，并且降低了插件的不良率。

（1）插件速度和自動(dòng)化程度大幅度提高，在插件過程中無(wú)需人為過多干預(yù)，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)器全自動(dòng)不間斷插件，為實(shí)現(xiàn)高速插件打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（2）穩(wěn)定性和可調(diào)性大幅度提高，用一種可調(diào)式的新結(jié)構(gòu)代替原有的固定結(jié)構(gòu)，使得裝配和維修人員能夠更簡(jiǎn)單高效地完成工作。

（3）頭部部件之間的可調(diào)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(zhǎng)了頭部的使用壽命，而且在提高穩(wěn)定性的同時(shí)也降低了噪音。

頭部裝置是插件機(jī)的核心部分，它是實(shí)現(xiàn)插件機(jī)高速穩(wěn)定插件的前提，該插件機(jī)頭部裝置的技術(shù)性能已基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)推進(jìn)中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和提高中國(guó)市場(chǎng)電子產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力、中國(guó)制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)都具有重要意義，前所未有地促進(jìn)了我國(guó)插件機(jī)自動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，而且可以在此基礎(chǔ)上提供繼續(xù)開發(fā)的平臺(tái)，為我國(guó)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展出一份力。

［1］王敏，王宏.SolidWorks 2012中文版機(jī)械設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］張策.機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］高金蓮.工程圖學(xué)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［4］段鐵群.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［5］楊叔子，楊克沖.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)［M］.6版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

［6］張秉榮.工程力學(xué)［M］.4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.