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        水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的設(shè)計與運動學(xué)仿真

        2016-03-18 01:04:23Designandresearchofhorizontalrotationmountinghead
        制造業(yè)自動化 2016年1期
        關(guān)鍵詞:貼片機

        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)計與運動學(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) 機電工程學(xué)院,廣州 510006)

        摘 要:貼片頭作為貼片機關(guān)鍵部件之一,是影響整個貼片機貼裝速度的關(guān)鍵。為提高貼片效率,提出并設(shè)計一款水平旋轉(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,并給出了相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)和設(shè)計要求,該貼片頭適用于模組機,多個水平旋轉(zhuǎn)貼片頭共同工作。同時利用ADAMS仿真軟件對水平旋轉(zhuǎn)貼片頭進行了運動學(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)貼片頭的運動性能優(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;ADAMS;運動學(xué)仿真

        0 引言

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

        SMT 貼片機實際上是一種精密的工業(yè)機器人,是“機-電-光”以及計算機控制技術(shù)的綜合體[1]。貼片機發(fā)展的速度對表面貼裝技術(shù)(surface mount technology,SMT)的發(fā)展有著直接的影響。貼片頭是貼片機的關(guān)鍵部件之一[5],其功能是先借助x-y坐標(biāo)運動系統(tǒng)或送料器的運動到達(dá)需要貼片的位置,在通過Z向的直線運動以及θ角的轉(zhuǎn)動完成電子元件的吸取及貼裝。其中z向的直線運動是完成電子元件吸放時的上下運動,θ角的轉(zhuǎn)動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,進而對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)還只是這幾個大型的企業(yè)所掌控,國內(nèi)的技術(shù)一般都是將多個貼裝頭組合在一塊,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,對于整機的功率要求也相應(yīng)增大[1],因此針對此問題設(shè)計了一款水平旋轉(zhuǎn)貼片頭。

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

        從機器人的概念來說,貼片頭實際上是一只智能的機械手[2]。

        1.1 水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的設(shè)計要求

        水平旋轉(zhuǎn)貼片頭由12個吸嘴組成,每個吸嘴均能夠獨立完成z軸的上下運動和θ的旋轉(zhuǎn)運動。

        根據(jù)水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的運動特點擬定其一個貼片頭一個工作循環(huán)大致分為以下三步:

        吸取:即吸嘴末端在飛達(dá)正上方時,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個嘴的吸取。

        移動:經(jīng)XY軸移動到達(dá)貼裝位置。

        貼裝:吸嘴經(jīng)0.3s向下運動10mm,貼裝好后經(jīng)再0.3向上移動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)計要求如表1所示。

        表1 水平旋轉(zhuǎn)貼片頭設(shè)計要求

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

        圖3 吸嘴θ軸驅(qū)動俯視

        1.2 貼片頭設(shè)計特點

        由于芯片的拾取是利用真空負(fù)壓來實現(xiàn),所以將吸嘴軸設(shè)計成中空結(jié)構(gòu),并且由于吸嘴是要旋轉(zhuǎn)的所以將通氣孔設(shè)計在支撐座上,在齒輪軸內(nèi)和旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)計一個帶有通氣孔的套軸,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現(xiàn)吸嘴真空和吹氣,這樣就能保證貼裝頭在旋轉(zhuǎn)時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)機構(gòu)采用電機通過聯(lián)軸器連接貼裝軸驅(qū)動貼裝軸旋轉(zhuǎn),吸嘴的θ軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由電機帶動同步帶輪,同步帶輪帶動齒輪軸,齒輪軸通過與安裝在吸嘴上的齒輪進行嚙合來驅(qū)動吸嘴θ軸向旋轉(zhuǎn),吸嘴升降機構(gòu)是由電機帶動齒輪齒條,由齒條驅(qū)動吸嘴完成吸嘴上下運動的。

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

        2 水平旋轉(zhuǎn)貼片頭的運動學(xué)分析與仿真

        貼片頭的運動學(xué)性能嚴(yán)重影響其運動精度與速度,對水平旋轉(zhuǎn)貼片頭做運動學(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、速度及加速度和時間之間的關(guān)系,從而為水平旋轉(zhuǎn)貼片頭動態(tài)仿真及驅(qū)動電機控制提供依據(jù)。

        2.1 旋轉(zhuǎn)貼片頭的運動學(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)貼片頭的工作時一次只有一個吸嘴桿在貼裝,對模型坐標(biāo)系進行簡化后如圖4所示。對應(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:

        通過其次變換導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)貼片頭執(zhí)行器末端的運動學(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)無縫連接,我們在SolidWorks中建立其三維模型,再將建好的模型導(dǎo)入到ADAMS中并對其每一個構(gòu)件的參數(shù)進行定義,并對各個零件添加運動副及施加驅(qū)動,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軟件提供的一般點驅(qū)動定義旋轉(zhuǎn)貼片頭吸嘴的運動軌跡,由吸嘴運動帶動各個驅(qū)動軸運動,并通過ADAMS強大的測量功能得到對應(yīng)的運動曲線。在后處理模塊中,將得到的運動曲線轉(zhuǎn)化為驅(qū)動軸運動的樣條曲線,完成運動學(xué)反解過程。再由這些函數(shù)定義旋轉(zhuǎn)貼片頭的運動軌跡,從而完成運動學(xué)的正解[7],求解流程如圖5所示。

        圖5 求解流程

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

        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中看到吸嘴在移動的時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)計要求。

        圖6 吸嘴角度隨時間變化曲線圖

        圖7 吸嘴位移隨時間變化曲線圖

        在ADAMS的后處理模塊中,分別將吸嘴的角度—時間曲線、位移—時間曲線轉(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)貼片頭的運動,并且令一般點驅(qū)動失效,設(shè)定仿真時間為1s,仿真步速為100步,開始仿真。仿真完成后測量吸嘴末端運動軌跡[6.8]。

        吸嘴末端相對于基體坐標(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貼裝過程中位移、速度、角速度隨時間變化圖,0~0.3s對應(yīng)的是貼片頭旋轉(zhuǎn)過程,0.3s~0.9s對應(yīng)著一個吸嘴的貼裝過程,仿真曲線與最初設(shè)置的一般點驅(qū)動的軌跡具有很好的相似性。說明求解出來的驅(qū)動函數(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)動電機的運動控制。

        3 結(jié)論

        水平旋轉(zhuǎn)貼片頭整體結(jié)構(gòu)緊湊,體積小,相對其他將貼裝頭簡單組合在一起的結(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軸的機械性能的問題。

        針對旋轉(zhuǎn)貼片頭進氣管跟隨貼片頭旋轉(zhuǎn)而影響貼片頭工作的問題,本次設(shè)計采用進氣管安裝在支撐座上,利用軸套通氣使得個個吸嘴桿實現(xiàn)真空與吹氣,從而很好的解決這個問題。

        運用D-H法建立運動學(xué)方程并運用ADAMS的運動學(xué)反解理論進行推導(dǎo),通過其強大的測量和曲線分析功能,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,并為后期電機選型及電機控制提供參數(shù)依據(jù),并且能有效的縮短開發(fā)周期,減少開發(fā)成本。

        參考文獻:

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        【上接第48頁】

        體壁面的焊縫,另外運動過程中平穩(wěn),基本能夠貼合所提供的軌跡運動,沒有出現(xiàn)電機空轉(zhuǎn)或者鏈條打滑情況,同時在船體壁面上運動時,自適應(yīng)機構(gòu)能有效地控制鏈條的吸附模塊緊貼在壁面上運動,說明自適應(yīng)機構(gòu)有一定的曲面自適應(yīng)能力,整個行走系統(tǒng)的設(shè)計是合理可靠的。

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        作者簡介:付志斌(1989 -),男,江西豐城人,碩士,研究方向為高效電子制造裝備。

        基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(面上項目,重點項目,重大項目)

        收稿日期:2015-09-05

        中圖分類號:TP23

        文獻標(biāo)識碼:A

        文章編號:1009-0134(2016)01-0049-04

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