羅 義,胡意波

(深圳市湘聚實業(yè)有限公司,廣東 深圳 518100)

0 引言

隨著我國電子制造業(yè)的發(fā)展,智能自動化生產(chǎn)線上的貼片機(jī)、異形插件機(jī)等設(shè)備也在快速優(yōu)化、完善[1]。目前,標(biāo)準(zhǔn)電子元器件利用貼片機(jī)進(jìn)行貼裝,技術(shù)發(fā)展相對成熟[2]。相對于貼片機(jī)而言,異形插件機(jī)的適用性更強(qiáng)。異形插件機(jī)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(jī)通過移動插件頭將元器件快速、準(zhǔn)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(jié)構(gòu)上都很相似,發(fā)展至今已有很多種類。付志斌等[6]設(shè)計了一種水平旋轉(zhuǎn)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(tài)下吸嘴的位移、速度、角速度等特性曲線。李翔宇等[7]設(shè)計了一種平行夾持式貼插頭,并且對夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真,得到了夾緊機(jī)構(gòu)的運動特性曲線。時佳玉等[8]將無鐵芯永磁同步直線電機(jī)應(yīng)用在貼片頭的設(shè)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(jī)的數(shù)據(jù)驗證了計算結(jié)果的正確性。譚高樓等[9]設(shè)計了一種同步帶傳動的夾爪機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)可以攜帶四個夾爪同步工作。白峰等[10]設(shè)計了一種針對發(fā)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(yīng)用于插件頭設(shè)計,計算相關(guān)參數(shù)并對伺服電機(jī)進(jìn)行選型;結(jié)合ADAMS軟件進(jìn)行運動仿真,驗證計算結(jié)果的可靠性以及機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性;通過試驗測試插件頭的速度和精度,檢驗設(shè)計是否符合工作要求。

1 插件頭整體結(jié)構(gòu)與原理

插件頭一般配置一個或多個機(jī)械夾爪或真空吸嘴,通過機(jī)電控制系統(tǒng)使各部件協(xié)同完成取料、定位、放料工作。在實際工作中發(fā)現(xiàn),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(dǎo)致松弛脫落;插裝重量比較大的異形元器件時插裝不穩(wěn)定。目前,直線電機(jī)的成本較高,且機(jī)構(gòu)難以做到緊湊,導(dǎo)致插件頭的整體體積較大[11]。滾珠絲桿副具有運動平穩(wěn)、傳動效率高、剛性高、耐用性強(qiáng)等特點[12],可將其運用于插件頭的傳動系統(tǒng)。單個插件頭整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單個插件頭整體結(jié)構(gòu)

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(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)。

①升降機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成插件頭的升降運動,主要包括升降伺服電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲桿、固定板、固定座、滑塊等。伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲桿連接,將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為豎直方向的運動。

②旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)完成插件頭的旋轉(zhuǎn)運動,主要包括旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、同步輪、同步帶等。伺服電機(jī)通過同步帶傳動,帶動滾珠螺母花鍵以及夾爪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動。

③夾持機(jī)構(gòu)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(jìn)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(qū)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(jī)驅(qū)動升降機(jī)構(gòu)下降,同時旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動以及夾爪的張開閉合運動。隨著元器件的日益復(fù)雜,以及表面貼裝技術(shù)(surface mounted technology,SMT)整線效率要求的提升,對插件機(jī)的精度和速度要求也越發(fā)嚴(yán)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(zhuǎn)運動的速度有關(guān)。因此,本文主要研究升降機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

2 關(guān)鍵零件參數(shù)設(shè)計

2.1 升降伺服電機(jī)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(shè)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(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為:

(2)

式中:M1為負(fù)載總質(zhì)量,為1 000 g,其中包括最大元器件質(zhì)量m=200 g;Ph為滾珠絲桿副的導(dǎo)程,為20 mm。

絲桿轉(zhuǎn)動慣量為:

(3)

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

聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量為:

(4)

式中:M3為聯(lián)軸器質(zhì)量,M3=20 g;D2為聯(lián)軸器外徑,D2=20 mm;D3為聯(lián)軸器內(nèi)徑,D3=10 mm。

總負(fù)載慣量為:

JL=Jw+Js+Jz

(5)

電機(jī)需要的轉(zhuǎn)速為:

(6)

本文通過計算,得到n1為18 840 rad/min。

電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為:

(7)

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

負(fù)載加速時所需轉(zhuǎn)矩為:

(8)

絲桿加速時所需轉(zhuǎn)矩為:

(9)

加速時所需的總轉(zhuǎn)矩為:

tz=tw+ts

(10)

最大轉(zhuǎn)矩為:

tmax=tG+tz

(11)

所需電機(jī)功率為:

(12)

根據(jù)式(1)～式(12),可得選型相關(guān)參數(shù)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(jī)驅(qū)動功率越小。綜合考慮,本文選用升降伺服電機(jī)型號為MSMD011G1U的松下伺服電機(jī)。該伺服電機(jī)的功率為100 W、額定轉(zhuǎn)速為18 840 rad/min、最高轉(zhuǎn)速為31 400 rad/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.32 N·m、轉(zhuǎn)子慣量為0.051×10-4kg·m2。

表1 選型相關(guān)參數(shù)

插件頭升降運動的單程運動方程為:

(13)

2.2 旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要在元器件升降的同時,將元器件調(diào)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(zhuǎn)角度在180°以內(nèi)就可以糾正元器件的針腳。因此,旋轉(zhuǎn)過程消耗的最大時間需要滿足t0≤110 ms。

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

電機(jī)所需轉(zhuǎn)速為:

(14)

同步輪折算到電機(jī)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(zhì)量,M4=20 g。

滾珠花鍵的轉(zhuǎn)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(zhì)量350 g、夾爪質(zhì)量270 g以及最大異形元器件的質(zhì)量200 g;D5為滾珠花鍵的直徑,D5=8 mm。

總慣量為:

J0=J1+J2

(17)

轉(zhuǎn)矩為:

(18)

所需功率為:

(19)

根據(jù)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(zhuǎn)伺服電機(jī)型號為MSMD5AZG1U的松下伺服電機(jī)。該伺服電機(jī)的功率為50 W、額定轉(zhuǎn)速為18 840 rad/min、最高轉(zhuǎn)速為31 400 rad/min、額定轉(zhuǎn)矩為0.16 N·m、轉(zhuǎn)子慣量為0.025×10-4kg·m2。

3 運動仿真

ADAMS軟件用于運動學(xué)仿真,輸出速度、位移、作用力等曲線,以預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能。由于四個插件頭的結(jié)構(gòu)都相同,通過ADAMS軟件進(jìn)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(dǎo)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(qū)動施加在模型上;滾珠絲桿副設(shè)置為螺旋副;伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子處添加轉(zhuǎn)動副;導(dǎo)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(qū)動定義在滑動副上,則驅(qū)動函數(shù)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(jī)運動參數(shù)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(jī)轉(zhuǎn)子的最大轉(zhuǎn)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(jié)果與計算結(jié)果相差不大,驗證了計算結(jié)果的可靠性。

圖4 升降伺服電機(jī)運動參數(shù)曲線

由于插件過程中,夾爪夾持元器件為旋轉(zhuǎn)運動,為了驗證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,本文對旋轉(zhuǎn)運動進(jìn)行仿真。仿真驅(qū)動設(shè)置為旋轉(zhuǎn)電機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)100圈。仿真結(jié)束后測量夾爪質(zhì)心的位置變化。夾爪質(zhì)心位置如圖5所示。

圖5 夾爪質(zhì)心位置圖

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

4 試驗

4.1 試驗平臺

松下伺服電機(jī)可以通過博世力士樂NYCe4000運動控制系統(tǒng)進(jìn)行通信與控制。NYCe運動控制系統(tǒng)有三個基本組件,即通信單元、運動控制單元和驅(qū)動單元。本文使用NY4120驅(qū)動卡。板卡類型為脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)驅(qū)動模塊?？刂圃砣鐖D6所示。

圖6 控制原理圖

一個驅(qū)動卡可以驅(qū)動兩個伺服電機(jī)。NYCe系統(tǒng)連接電腦,由NYCe相關(guān)軟件進(jìn)行控制。試驗過程為插件頭夾持200 g的異形元器件進(jìn)行插件。試驗使用NYCeScope軟件進(jìn)行觀測,輸出與運動相關(guān)的數(shù)據(jù)圖和狀態(tài)圖。

4.2 試驗結(jié)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(zhuǎn)調(diào)整角度,最后向上運動到初始位置。本文進(jìn)行多次試驗,并導(dǎo)出其中一個插件頭的三次升降運動數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗結(jié)果

四個插件頭的測試數(shù)據(jù)如表2所示。表2中的測試數(shù)據(jù)為一百次試驗的平均值。

表2 四個插件頭的測試數(shù)據(jù)

結(jié)合圖7、表2可知,插件頭的升降運動過程中伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為0.029 N·m左右,小于額定轉(zhuǎn)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(nèi),與設(shè)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(wěn),符合設(shè)計要求。

由于插件頭每次旋轉(zhuǎn)的角度不一樣,每次旋轉(zhuǎn)運動的角速度數(shù)據(jù)也不同。本文導(dǎo)出其中一次旋轉(zhuǎn)運動的數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)運動角速度曲線如圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)運動角速度曲線

由圖8可知,此次旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較高,且在測試過程中沒有出現(xiàn)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(jīng)應(yīng)用于某異形插件機(jī)上。

5 結(jié)論

本文結(jié)合滾珠絲桿副等傳動系統(tǒng)的特點,設(shè)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過程中夾爪的質(zhì)心位移變化在±0.02 mm以內(nèi),說明旋轉(zhuǎn)運動較穩(wěn)定。實際插件效果驗證了本文裝置的合理性。試驗結(jié)果表明,插件頭升降運動的最大速度接近預(yù)設(shè)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(dǎo)程以及伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接相關(guān)。今后若要進(jìn)一步提升插件速度,可以更換導(dǎo)程更大的滾珠絲桿,并選擇合適的伺服電機(jī)。