Design and research of horizontal rotation mounting head

付志斌，肖曙紅，林德育

FU Zhi-bin, XIAO Shu-hong, LIN De-yu

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

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水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

Design and research of horizontal rotation mounting head

付志斌，肖曙紅，林德育

FU Zhi-bin, XIAO Shu-hong, LIN De-yu

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

摘 要：貼片頭作為貼片機(jī)關(guān)鍵部件之一，是影響整個(gè)貼片機(jī)貼裝速度的關(guān)鍵。為提高貼片效率，提出并設(shè)計(jì)一款水平旋轉(zhuǎn)貼片頭，介紹了水平貼片頭的工作原理以及其具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，該貼片頭適用于模組機(jī)，多個(gè)水平旋轉(zhuǎn)貼片頭共同工作。同時(shí)利用ADAMS仿真軟件對(duì)水平旋轉(zhuǎn)貼片頭進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，給出了貼片頭在特定工作狀態(tài)下吸嘴末端的位移、速度、角速度等特性曲線，為水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)化及控制策略提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：水平旋轉(zhuǎn)貼片頭；貼片機(jī)；ADAMS；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0 引言

目前我國(guó)電子產(chǎn)品制造業(yè)正處于快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)下，我國(guó)表面貼裝技術(shù)（surface mount technology，SMT）及其生產(chǎn)線也得到了飛速的發(fā)展。貼片機(jī)是SMT生產(chǎn)線中極為關(guān)鍵的設(shè)備之一，其市場(chǎng)需求量每年都在增長(zhǎng)。目前我國(guó)市場(chǎng)上的貼片機(jī)基本上都是國(guó)外的品牌（富士、松下JUKI、環(huán)球、三星西門子、飛利浦等），我國(guó)自主研發(fā)的貼片機(jī)還處于研發(fā)調(diào)試階段。

SMT 貼片機(jī)實(shí)際上是一種精密的工業(yè)機(jī)器人，是“機(jī)-電-光”以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的綜合體[1]。貼片機(jī)發(fā)展的速度對(duì)表面貼裝技術(shù)（surface mount technology，SMT）的發(fā)展有著直接的影響。貼片頭是貼片機(jī)的關(guān)鍵部件之一[5]，其功能是先借助x-y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或送料器的運(yùn)動(dòng)到達(dá)需要貼片的位置，在通過(guò)Z向的直線運(yùn)動(dòng)以及θ角的轉(zhuǎn)動(dòng)完成電子元件的吸取及貼裝。其中z向的直線運(yùn)動(dòng)是完成電子元件吸放時(shí)的上下運(yùn)動(dòng)，θ角的轉(zhuǎn)動(dòng)則是完成電子元件的角度偏移的校正，如圖1所示。

圖1　貼片頭各軸示意圖

目前世界上的電子裝備正在向密集化、小型化、輕薄化方向發(fā)展，這就要求電子元件也得小、輕和高效可靠，進(jìn)而對(duì)貼片頭的性能提出了更高的要求。為提高貼裝速度，松下、索尼和富士等大型企業(yè)設(shè)計(jì)了一些可旋轉(zhuǎn)的貼片頭，可以吸放多種大小不同的元器件，目前該技術(shù)還只是這幾個(gè)大型的企業(yè)所掌控，國(guó)內(nèi)的技術(shù)一般都是將多個(gè)貼裝頭組合在一塊，頭數(shù)越多，速度越快，但是隨著頭數(shù)的增加，復(fù)雜性增加，貼裝頭整體的慣量增大，影響X-Y軸的加速度與速度，對(duì)于整機(jī)的功率要求也相應(yīng)增大[1]，因此針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款水平旋轉(zhuǎn)貼片頭。

1 水平旋轉(zhuǎn)貼片頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從機(jī)器人的概念來(lái)說(shuō)，貼片頭實(shí)際上是一只智能的機(jī)械手[2]。

1.1 水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的設(shè)計(jì)要求

水平旋轉(zhuǎn)貼片頭由12個(gè)吸嘴組成，每個(gè)吸嘴均能夠獨(dú)立完成z軸的上下運(yùn)動(dòng)和θ的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)擬定其一個(gè)貼片頭一個(gè)工作循環(huán)大致分為以下三步：

吸?。杭次炷┒嗽陲w達(dá)正上方時(shí)，經(jīng)0.3s完成吸取，行程為10mm，再經(jīng)0.3s回到初始位置，旋轉(zhuǎn)貼片頭30°，在0.3s內(nèi)完成角度旋轉(zhuǎn)，依次完成12個(gè)嘴的吸取。

移動(dòng)：經(jīng)XY軸移動(dòng)到達(dá)貼裝位置。

貼裝：吸嘴經(jīng)0.3s向下運(yùn)動(dòng)10mm，貼裝好后經(jīng)再0.3向上移動(dòng)10mm，然后貼片頭旋轉(zhuǎn)30°，依次完成其余的貼裝。

據(jù)此，水平旋轉(zhuǎn)貼片頭主要設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1　水平旋轉(zhuǎn)貼片頭設(shè)計(jì)要求

針對(duì)上述設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出水平旋轉(zhuǎn)貼片頭整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖3　吸嘴θ軸驅(qū)動(dòng)俯視

1.2 貼片頭設(shè)計(jì)特點(diǎn)

由于芯片的拾取是利用真空負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以將吸嘴軸設(shè)計(jì)成中空結(jié)構(gòu)，并且由于吸嘴是要旋轉(zhuǎn)的所以將通氣孔設(shè)計(jì)在支撐座上，在齒輪軸內(nèi)和旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)計(jì)一個(gè)帶有通氣孔的套軸，且套軸用銷釘卡在支撐座上，吸嘴與套軸上的通氣孔接通實(shí)現(xiàn)吸嘴真空和吹氣，這樣就能保證貼裝頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)候氣管不隨著貼片頭旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

貼片頭的整體旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接貼裝軸驅(qū)動(dòng)貼裝軸旋轉(zhuǎn)，吸嘴的θ軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由電機(jī)帶動(dòng)同步帶輪，同步帶輪帶動(dòng)齒輪軸，齒輪軸通過(guò)與安裝在吸嘴上的齒輪進(jìn)行嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)吸嘴θ軸向旋轉(zhuǎn)，吸嘴升降機(jī)構(gòu)是由電機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條，由齒條驅(qū)動(dòng)吸嘴完成吸嘴上下運(yùn)動(dòng)的。

本設(shè)計(jì)使得貼片頭整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，相對(duì)其他將貼片頭簡(jiǎn)單組合在一起的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)貼片頭整體的慣量減小。

2 水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真

貼片頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能嚴(yán)重影響其運(yùn)動(dòng)精度與速度，對(duì)水平旋轉(zhuǎn)貼片頭做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是為了得到執(zhí)行末端的位置與姿態(tài)情況，求解執(zhí)行末端的位移、速度及加速度和時(shí)間之間的關(guān)系，從而為水平旋轉(zhuǎn)貼片頭動(dòng)態(tài)仿真及驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制提供依據(jù)。

2.1 旋轉(zhuǎn)貼片頭的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

采用D-H（Denavit-Hartenberg）法建立旋轉(zhuǎn)貼片頭的連桿坐標(biāo)系[8]，由于旋轉(zhuǎn)貼片頭的工作時(shí)一次只有一個(gè)吸嘴桿在貼裝，對(duì)模型坐標(biāo)系進(jìn)行簡(jiǎn)化后如圖4所示。對(duì)應(yīng)的各桿參數(shù)表和關(guān)節(jié)變量列如表2所示。

圖4　旋轉(zhuǎn)貼片頭連桿坐標(biāo)系

表2　旋轉(zhuǎn)貼片頭桿件參數(shù)和關(guān)節(jié)變量

依據(jù)連桿坐標(biāo)系以及連桿參數(shù)，得出各連桿之間變換矩陣如下：

通過(guò)其次變換導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)貼片頭執(zhí)行器末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程0T3，即：

式(1)中：

由于末端執(zhí)行器姿態(tài)已知，根據(jù)旋轉(zhuǎn)貼片頭執(zhí)行器末端在某一時(shí)刻的位置，可以很輕易的求出θ1、θ2。

2.2 旋轉(zhuǎn)貼片頭仿真分析

2.2.1 旋轉(zhuǎn)貼片頭的三維模型建立

由于ADAMS能與其他的CAD三維軟件（如Pro/E、SolidWorks、UG）無(wú)縫連接，我們?cè)赟olidWorks中建立其三維模型，再將建好的模型導(dǎo)入到ADAMS中并對(duì)其每一個(gè)構(gòu)件的參數(shù)進(jìn)行定義，并對(duì)各個(gè)零件添加運(yùn)動(dòng)副及施加驅(qū)動(dòng)，其中主要約束為支撐座與大地鎖定、基體，齒輪軸和和大地創(chuàng)建轉(zhuǎn)動(dòng)副、吸嘴桿組件和基體創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副連接。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)貼片頭ADAMS仿真

如圖5所示，利用ADAMS軟件提供的一般點(diǎn)驅(qū)動(dòng)定義旋轉(zhuǎn)貼片頭吸嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡，由吸嘴運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)ADAMS強(qiáng)大的測(cè)量功能得到對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線。在后處理模塊中，將得到的運(yùn)動(dòng)曲線轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)的樣條曲線，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)反解過(guò)程。再由這些函數(shù)定義旋轉(zhuǎn)貼片頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而完成運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解[7]，求解流程如圖5所示。

圖5　求解流程

設(shè)定吸嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)置吸嘴繞Z軸旋轉(zhuǎn)及Z軸上下運(yùn)動(dòng)，在前0.3s內(nèi)繞著Z軸旋轉(zhuǎn)30°，之后用0.3秒向下運(yùn)動(dòng)10mm，貼裝取芯片，在用0.3s回到原位。Z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和Z直線運(yùn)動(dòng)速度驅(qū)動(dòng)方程為分別為：

V旋轉(zhuǎn)=STEP（time，0，0，0.3，90d）

V直線=STEP（time，0.3，0，0.6，10)+STEP(time，0.6，0，0.9，-10）

設(shè)置仿真時(shí)間為1s，仿真步速100步。得到曲線如圖6、圖7所示。從圖7中看到吸嘴在移動(dòng)的時(shí)候位置是均勻變化的，到達(dá)吸貼位置后又勻速返回，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6　吸嘴角度隨時(shí)間變化曲線圖

圖7　吸嘴位移隨時(shí)間變化曲線圖

在ADAMS的后處理模塊中，分別將吸嘴的角度—時(shí)間曲線、位移—時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為樣條曲線，并將樣條曲線分別命名為spline_0和spline_1，用于定義旋轉(zhuǎn)貼片頭的運(yùn)動(dòng)，并且令一般點(diǎn)驅(qū)動(dòng)失效，設(shè)定仿真時(shí)間為1s，仿真步速為100步，開(kāi)始仿真。仿真完成后測(cè)量吸嘴末端運(yùn)動(dòng)軌跡[6.8]。

吸嘴末端相對(duì)于基體坐標(biāo)系分別在X、Y、Z方向的位移、速度、角速度曲線及合成曲線如圖6所示。

圖8　吸嘴末端位移、速度、角速度及其合成仿真曲線

圖8可以看出貼片頭在一個(gè)貼裝過(guò)程中位移、速度、角速度隨時(shí)間變化圖，0～0.3s對(duì)應(yīng)的是貼片頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程，0.3s～0.9s對(duì)應(yīng)著一個(gè)吸嘴的貼裝過(guò)程，仿真曲線與最初設(shè)置的一般點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的軌跡具有很好的相似性。說(shuō)明求解出來(lái)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)是準(zhǔn)確有效的。圖8中吸嘴的速度與角速度曲線為正弦曲線，可以有效的用于指導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

3 結(jié)論

水平旋轉(zhuǎn)貼片頭整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，相對(duì)其他將貼裝頭簡(jiǎn)單組合在一起的結(jié)構(gòu)，貼裝頭整體的慣量減小，既提高了貼裝速度且對(duì)X-Y軸的加速度與速度影響不大，有效地解決了隨著貼裝頭增加影響X-Y軸的機(jī)械性能的問(wèn)題。

針對(duì)旋轉(zhuǎn)貼片頭進(jìn)氣管跟隨貼片頭旋轉(zhuǎn)而影響貼片頭工作的問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)采用進(jìn)氣管安裝在支撐座上，利用軸套通氣使得個(gè)個(gè)吸嘴桿實(shí)現(xiàn)真空與吹氣，從而很好的解決這個(gè)問(wèn)題。

運(yùn)用D-H法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并運(yùn)用ADAMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解理論進(jìn)行推導(dǎo)，通過(guò)其強(qiáng)大的測(cè)量和曲線分析功能，準(zhǔn)確的獲得了水平旋轉(zhuǎn)貼片頭吸嘴末端位移、速度、加速度，并為后期電機(jī)選型及電機(jī)控制提供參數(shù)依據(jù)，并且能有效的縮短開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)成本。

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體壁面的焊縫，另外運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)，基本能夠貼合所提供的軌跡運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)電機(jī)空轉(zhuǎn)或者鏈條打滑情況，同時(shí)在船體壁面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)能有效地控制鏈條的吸附模塊緊貼在壁面上運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明自適應(yīng)機(jī)構(gòu)有一定的曲面自適應(yīng)能力，整個(gè)行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理可靠的。

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作者簡(jiǎn)介：付志斌（1989 -），男，江西豐城人，碩士，研究方向?yàn)楦咝щ娮又圃煅b備。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（面上項(xiàng)目，重點(diǎn)項(xiàng)目，重大項(xiàng)目）

收稿日期：2015-09-05

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0049-04