引言

表面貼裝技術sMT(surfaceM.uonTecto.h.lg）是新一代組裝技術,它將傳統(tǒng)的電子元器件壓縮成為體積很小的片式器件,體積減小,功能不變,這就要求其貼裝設備(生產線）具有速度高、精度高、穩(wěn)定性好等特點。貼片機是sMT生產線上最重要的設備,它通過移動貼裝頭把表面貼裝元件準確地貼放到經過錫膏印刷或點膠的PCB板(印制電路板）上。隨著電子產品的小型化、輕量化發(fā)展,各種電子元件的集成度不斷提高,對貼片機的速度、精度也提出了越來越高的要求。混聯機構是在并聯機構的基礎上發(fā)展和形成的復雜機械系統(tǒng),混聯機構可以兼顧串聯機構和并聯機構的優(yōu)點,又能避免出現兩者單獨應用時出現的問題,將混聯機構用于貼片機,利用了混聯機構的高剛度、高速、動力學性能好等優(yōu)點,能夠滿足貼片機速度高、精度高的要求。

1混聯機構高速高精度貼片機設計

機構是機械實現功能的載體,機械結構設計的任務是在功能原理方案設計與總體設計的基礎上,將機構設計方案具體化,最終確定機械裝置的具體結構和參數。

混聯運動貼片機整體設計在shidw.rks中進行,其三維模型如圖l所示,混聯運動貼片機由動力傳動模塊、并聯機構模塊、貼裝頭模塊、供料模塊、PCB板夾緊模塊、視覺模塊等模塊組成,其中并聯機構模塊即2-d.f并聯機構(圖2）與貼裝頭模塊(設計有移動軸和旋轉軸）,如圖3所示,組成混聯機構。

1.1混聯機模塊設計

混聯運動貼片機的重點和核心是2-d.f并聯機構的設計[3],由平行四邊形CDOP組成一個單鏈,連桿AB為另一個單鏈,兩個單鏈在CP桿的某一點較接:吸嘴吸取元件的引腳位置,應與貼放時要求貼放位置的引腳一致,因此,在元件吸取后,必須保證元件的引腳位置姿態(tài)不變,為此,增設一個II級桿組構成平行四邊形CDOP,其中連桿PO在運行過程中始終與PCB板平行,將貼裝頭安裝在此連桿BC上,這樣就可保證元件引腳位置在運行過程中保持不變。

1.2其他模塊設計

供料模塊主要由喂料器(三星sM42l）、喂料器基座、機架、料盤等部件組成,由于喂料器比較復雜,且為現有結構件,喂料器的主要作用是以一定的時間間隔,使料帶中的芯片準確有效地到達芯片的吸取點。

圖1貼片機三維模型圖

圖22-dof并聯機構模塊

圖3貼裝頭模塊

設計夾緊模塊時,考慮成本、實用等方面因素,PCB板采用人工安放、機械(彈簧）定位夾緊的方式,如圖4所示,PCB板的一端緊靠在基準板上,PCB板的另一端靠在可移動的夾緊塊上,彈簧的一端與可移動的夾緊塊相連接,另一端固定在固定塊上,在彈簧的作用下,推動可移動的夾緊塊使PCB板夾緊,限位螺釘防止PCB板無放置時,可將夾緊塊移出。

視覺模塊主要包括視覺定位和視覺檢測,定位相機位于貼裝頭內部,隨著貼裝頭一起移動,主要是對PCB板上的貼裝點進行掃描定位,以確定要貼放芯片的位置,同時在貼裝完整個PCB板后進行全面掃描,檢測有無漏貼的芯片:檢測相機位于喂料器的一側,在吸嘴吸取元件后,移動到檢測相機的上方,進行拍照檢測,主要是檢測芯片與正確貼裝時有無角度偏差,控制系統(tǒng)對角度偏差信號進行分析,然后控制步進電機的旋轉角度,進行糾偏（矯正）。

2控制系統(tǒng)設計

混聯運動貼片機的驅動與運動控制系統(tǒng)的研究與設計主要包括:誤差補償、建立傳遞函數模型以及采用關節(jié)誤差反饋信息的定增益PID和自適應逆控制方法,以實現機器人良好的運動性能,其運動控制框圖如圖5所示,機器人控制單元接收雙目視覺模塊發(fā)送的位置信息,經運動學逆解計算后,再傳送給底層運動控制單元,經過插補計算后,控制各個電機驅動器進行位置伺服控制,完成PCB的分揀與貼裝。

混聯運動貼片機的控制系統(tǒng)主要由兩個伺服電機、步進電機相應的驅動器、電磁閥、運動控制卡、視覺采集卡等組成,運動控制卡采用TurboPMAC2-Eth-Litecontroller多軸運動控制卡:伺服電機選用MoTEC的sEM80B08303HN,額定功率750w:伺服驅動器選用配套的sED0823/30,供電電壓為單相220vAC:步進電機選用常州運控電子有限公司的20H28H-0204A,驅動器為MD-2522。

混聯運動貼片機控制系統(tǒng)結構如圖6所示,信號以"方向加脈沖"方法,傳遞到驅動器中,進而控制兩個伺服電機和步進電機按照指令進行工作,然后再命令通過I/o控制電磁閥的關、閉,進而控制氣缸和真空發(fā)生器。

3樣機試制

混聯運動貼片機結構設計完成后,對需要加工的零部件繪制二維圖紙,零件加工完成后再進行零件裝配,對不合格的零件需修配,然后對零件進行發(fā)黑處理,最后進行總裝配。同時,根據氣動回路圖連接氣動元件,根據電路控制系統(tǒng)原理連接各電器控制元件,并安裝回零開關,研制的實物樣機如圖7所示,經初步調試滿足預期設計要求,達到高速、高精密貼裝要求。

4結語

通過實驗驗證,混聯機構貼片機運動穩(wěn)定可靠,貼裝精度高、速度快,與直角坐標機器人或通用型五、六自由度關節(jié)機器相比,其機械結構簡單,控制功能強大,同時視覺檢查模塊具有較高的準確度,滿足系統(tǒng)檢測的實時性要求,因此,混聯機構貼片機能滿足電子封裝的要求,具有實際應用價值,將會在電子封裝企業(yè)中得到廣泛應用。