一种混联机构高速高精度贴片机设计

时间：2022-04-21 22:17:56

关键字：混联机构模块设计控制系统

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[导读]摘要:介绍了混联机构高速高精度贴片机的设计内容,主要包括机械结构设计及控制系统设计,并研制了样机,通过调试,初步达到设计预期,对混联机构应用于工业生产具有一定的指导意义。

引言

表面贴装技术SMT(SurfaceMOuntTechnOlOgy)是新一代组装技术,它将传统的电子元器件压缩成为体积很小的片式器件,体积减小,功能不变,这就要求其贴装设备(生产线）具有速度高、精度高、稳定性好等特点。贴片机是SMT生产线上最重要的设备,它通过移动贴装头把表面贴装元件准确地贴放到经过锡膏印刷或点胶的PCB板(印制电路板）上。随着电子产品的小型化、轻量化发展,各种电子元件的集成度不断提高,对贴片机的速度、精度也提出了越来越高的要求。混联机构是在并联机构的基础上发展和形成的复杂机械系统,混联机构可以兼顾串联机构和并联机构的优点,又能避免出现两者单独应用时出现的问题,将混联机构用于贴片机,利用了混联机构的高刚度、高速、动力学性能好等优点,能够满足贴片机速度高、精度高的要求。

1混联机构高速高精度贴片机设计

机构是机械实现功能的载体,机械结构设计的任务是在功能原理方案设计与总体设计的基础上,将机构设计方案具体化,最终确定机械装置的具体结构和参数。

混联运动贴片机整体设计在SlidwOrks中进行,其三维模型如图1所示,混联运动贴片机由动力传动模块、并联机构模块、贴装头模块、供料模块、PCB板夹紧模块、视觉模块等模块组成,其中并联机构模块即2-dOf并联机构(图2）与贴装头模块(设计有移动轴和旋转轴）,如图3所示,组成混联机构。

1.1混联机模块设计

混联运动贴片机的重点和核心是2-dOf并联机构的设计,由平行四边形CDOP组成一个单链,连杆AB为另一个单链,两个单链在CP杆的某一点较接:吸嘴吸取元件的引脚位置,应与贴放时要求贴放位置的引脚一致,因此,在元件吸取后,必须保证元件的引脚位置姿态不变,为此,增设一个11级杆组构成平行四边形CDOP,其中连杆PO在运行过程中始终与PCB板平行,将贴装头安装在此连杆BC上,这样就可保证元件引脚位置在运行过程中保持不变。

1.2其他模块设计

供料模块主要由喂料器(三星SM421）、喂料器基座、机架、料盘等部件组成,由于喂料器比较复杂,且为现有结构件,喂料器的主要作用是以一定的时间间隔,使料带中的芯片准确有效地到达芯片的吸取点。

图1贴片机三维模型图

图22-dOf并联机构模块

图3贴装头模块

设计夹紧模块时,考虑成本、实用等方面因素,PCB板采用人工安放、机械(弹簧）定位夹紧的方式,如图4所示,PCB板的一端紧靠在基准板上,PCB板的另一端靠在可移动的夹紧块上,弹簧的一端与可移动的夹紧块相连接,另一端固定在固定块上,在弹簧的作用下,推动可移动的夹紧块使PCB板夹紧,限位螺钉防止PCB板无放置时,可将夹紧块移出。

视觉模块主要包括视觉定位和视觉检测,定位相机位于贴装头内部,随着贴装头一起移动,主要是对PCB板上的贴装点进行扫描定位,以确定要贴放芯片的位置,同时在贴装完整个PCB板后进行全面扫描,检测有无漏贴的芯片:检测相机位于喂料器的一侧,在吸嘴吸取元件后,移动到检测相机的上方,进行拍照检测,主要是检测芯片与正确贴装时有无角度偏差,控制系统对角度偏差信号进行分析,然后控制步进电机的旋转角度,进行纠偏(矫正）。

2控制系统设计

混联运动贴片机的驱动与运动控制系统的研究与设计主要包括:误差补偿、建立传递函数模型以及采用关节误差反馈信息的定增益PID和自适应逆控制方法,以实现机器人良好的运动性能,其运动控制框图如图5所示,机器人控制单元接收双目视觉模块发送的位置信息,经运动学逆解计算后,再传送给底层运动控制单元,经过插补计算后,控制各个电机驱动器进行位置伺服控制,完成PCB的分拣与贴装。

混联运动贴片机的控制系统主要由两个伺服电机、步进电机相应的驱动器、电磁阀、运动控制卡、视觉采集卡等组成,运动控制卡采用TurbOPMAC2-Eth-LitecOntrO11er多轴运动控制卡:伺服电机选用MOTEC的sEM80B08303HN,额定功率750w:伺服驱动器选用配套的sED0823/30,供电电压为单相220VAC:步进电机选用常州运控电子有限公司的20H28H-0204A,驱动器为MD-2522。

混联运动贴片机控制系统结构如图6所示,信号以"方向加脉冲"方法,传递到驱动器中,进而控制两个伺服电机和步进电机按照指令进行工作,然后再命令通过I/O控制电磁阀的关、闭,进而控制气缸和真空发生器。

3样机试制

混联运动贴片机结构设计完成后,对需要加工的零部件绘制二维图纸,零件加工完成后再进行零件装配,对不合格的零件需修配,然后对零件进行发黑处理,最后进行总装配。同时,根据气动回路图连接气动元件,根据电路控制系统原理连接各电器控制元件,并安装回零开关,研制的实物样机如图7所示,经初步调试满足预期设计要求,达到高速、高精密贴装要求。