（机械制造及其自动化专业论文）微型电感器自动化生产装备研制及其关键技术研究.pdf

摘要 人们对通讯、i t 、消费类电子产品的需求推动了片式电感制造业的迅猛发展， 片式电感的需求量在每年数百亿只以上。然而片式电感外形多变、制程复杂的特 点使得它很难象其它片式元器件那样形成大规模的自动化生产至今仍然停留在 劳动密集型的手工生产或者半自动生产阶段，其生产效率低下，质量难以保证 本文研制出一套具有完全知识产权、自动化程度高、工作可靠的绕线型片式 电感器自动化生产装备，它将片式电感器件的供料、定位、装夹、绕线、焊接等 功能集成在一台机器上，实现了该种片式电感器的自动化生产 该装备主要由自动供料机构、取料机械臂、定位装夹机构、绕线机构、排线 机构、精密焊机、c c d 监测装置等机械部分组成本文应用动力学原理与机械设 计理论，对各机构进行了详细的运动分析以及结构设计，并对精密焊机中关键的 压力追从机构进行了研究。 控制系统采用可编程控制器p l c 作为主控计算机，实现焊机工作台的x 、y 轴步进电机的运动控制，以及由焊机工作台焊接压力的驱动控制；另外，它还通 过开关量信号对拾放料机械臂、定位装夹机构、送断线压块、卸料喷嘴等辅助机 构中各气缸电磁阀进行控制；采用两个运动控制模块f x 2 n 2 0 g m 作为p l c 的辅 助单元，其中一个模块通过排线工作台的x 、y 方向的线嘴运动控制，分别实现 线尾对焊点的准确定位以及送断线功能，另一模块通过绕线轴和排线工作台z 轴 的联动控制，实现漆包线的绕制；用触摸屏作为设备的主要控制面板及显示终端， 用来进行工艺参数的设定以及工作状态的选择或监控。 微型电感器自动化生产装备的研制成功，不仅能提高电感器件的生产效率， 降低生产成本，提高器件的质量，增强企业竞争力，还将提高我国片式元器件生 产装备的自动化水平，进一步促进我国片式电感制造业的发展。 关键词：s m t 绕线型片式电感器装备研制p l c a b s t r a c t 1 1 l eg r e a tn e e d sf o rc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s i tp r o d u c t sa n dc o n s u m ed i g i t a l p r o d u c t sd r a m a t i c a l l yp r o m o t et h eg r o w t ho fc h i pi n d u c t o ri n d u s t r i e s ，a n dt h ed e m a n d q u a n t i t yr e a c h e st e n so fb i l l i o n sf o rc h i pi n d u c t o r s h o w e v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i co f s h a p ei r r e g u l a r i t ya n dt y p ev a r i e t ym a k e si tn o ta ne a s yt h i n gt oo r g a n i z em a s s i v e p r o d u c t i o nl i k eo t h e rc h i pc o m p o n e n t s t r a d i t i o n a lp r o d u c t i v ee n t e r p r i s e si nj a p a no r u se i t h e rf o c u so nt h er e s e a r c ho fm a t e r i a l su s e di nm u l t i l a y e rc h i pi n d u c t o r s ，e i t h e r o nt h ed e v e l o p m e n to ff i n es p o tw e l d e r t h e ya r en o tf r e et oi n v o l v ei nt h ei n v e n t i o no f a u t o m a t i cm a c h i n ef o rw i r ew o u n dc h i pi n d u c t o r s u pt ot h ep r e s e n tw o u n dc h i p i n d u c t o r sa r es t i l lm a i n l yp r o d u c e d b ym a n u a lt h r o u g hr e c u i t i n gl a r g en u m b e r so f y o u n gw o r k w o m e n ，w h i c hi sl o we f f i c i e n c ya n dl a c ko fq u a l i t yg u a r a n t e e i nt h i sp a p e r ，ak i n do fa u t o m a t i cw i r ew o u n dc h i pi n d u c t o rm a c h i n ew i t he n t i r e i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dh i g ha u t o m a t i z a t i o na n dh i g hr e l i a b i l i t yw i l lb e d e v e l o p e d i tw i l lb et h ef i r s te q u i p m e n ti nc h i n at oi n t e g r a t et h ep r o c e s so fc o r e f e e d i n g ，p o s i t i o n i n g ，c l a m p i n g ，w i r ew i n d i n g ，w e l d i n ge t c t o r e a l i z ea u t o m a t i c p r o d u c t i o nf o rd 0 1 6 0 8c h i pi n d u c t o r s t h em a c h i n ec o n s i s t so fa u t o m a t i cf e e d i n gm e c h a n i s m ，p i c k - a n d - d r o pr o b o ta r m ， a u t o - p o s i t i o n i n ga n dc l a m p i n gm e c h a n i s m ，w i n d i n gm e c h a n i s m ，n e e d l em e c h a n i s m ， s p o tw e l d e r c c dm o n i t o ra n ds oo n i nt h i sp a p e r , m e c h a n i s mm o v e m e n t sa r e d e t a i l e d l ya n a l y z e da n dt h e i rs t r u c t u r e sa r ed e s i g n e d t h ek e yt e c h n o l o g y , p r e s s u r e f o l l o w i n gm e c h a n i s m 。i sa l s or e s e a r c h e d t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p tp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t ob et h em a i n c p u ，r e a l i z i n gt h em o t i o nc o n t r o lf o rxa n dyw e l d i n gw o r k t a b l ea n d t h ep r e s s u r e c o n t r o lt os p o tw e l df o rzw e l d i n gw o r k t a b l e i na d d i t i o n ，t h ep l ca l s oc o n t r o l st h e e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sb ys w i t h i n gs i g n a l st om a n i p u l a t et h ec y l i n d e r si n t h e p i c k a n d - d r o pr o b o ta r n l ，c l a m p i n gm e c h a n i s m ，w i r ef e e d i n ga n ds n a p i n gm e c h n i s m ， r e m o v i n gn o z z l ea n ds oo n t w om o t i o nc o n t r o lu n i t s 。f x 2 n - 2 0 g m ，a r eu t i l i z e da s a u x i l i a r yu n i t sf o rp l c ，a n do n eo ft h e mc o n t r o l st h exa n dyf e e d i n go fn o d d l e w o r k s t a b l et or e a l i z et h el o c a t i o no fw i r et a i la n dt h ef e e d i n go rs n a p i n ga c t i o n ，t h e n o t h e rr e a l i z e st h el i n k a g em o t i o no fw i n d i n ga n dp i t c h i n go fe n a m e l l e dw i r e t o u c h p a n e li su s e da st h em a i nc o n t r o lp a n e la n dt h eg r a p h i c a lt e r m i n a t i o nt os e tp r o c e d u r a l p a r a m e t e r sa n dm o n i t o rw o r k i n gs t a t u s t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h em i c r oi n d u c t o ra u t o m a t i cp r o d u c t i o nm a c h i n c w i l ln o to n l yi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fc h i pi n d u c t o r s 。c u td o w nt h ec o s to f p r o d u c t i o n ， i m p r o v et h eq u a l i t yo fi n d u c t o r sa n de n h a n c ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e ，b u ta l s ou p g r a d e t h ea u t o m i z a t i o nl e v e lo fo u rc h i pc o m p o n e n tm a c h i n e se n dp r o m o t et h eg r o w t ho f c h i pi n d u c t o ri n d u s t r i e so fo u rc o u a t r y k e y w o r k l ：s m t , w i r ew o u n dc h i pi n d u t o r , a u t o m a t i cm a c h i n ed e v e l o p m e n t ，p l c m 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 2 0 0 7 年5 、 孤铂 搿年 月2 0 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着微电子电路、表面贴装技术( s m t ) 的应用和不断发展，轻、薄、小成为衡 量电子整机产品的重要标志。而要使电子设备小型化，首先就要考虑电子元器件 的小型化片式元器件( s m c s m d ) 不仅能使电子产品小型化，而且能实现整机装配 的高度自动化。小型化s m c s 帅的广泛应用，致使电子产品制造方式发生了深刻 变革，制造厂商希望印刷电路板全部采用片式元器件。最近2 0 年来，以轻、薄、 短、小、性能可靠、价格低廉且易于装配等为特点的片式无源元件也得到了迅速 发展。作为三大无源元件的电阻器和电容器的片式化技术发展很快，早在二十世 纪7 0 年代中期就已达到大批量生产和应用阶段，其产品种类和规格非常齐全，而 电感器因受传统的绕线工艺局限，加之片式化的工艺难度大，故起步较晚，发展 相对缓慢m 。 目前，中国大陆片式电感的总产量约为每月6 亿只，约占全球供应总量的 1 5 t ”。微型电感器在手机、笔记本电脑、数字机顶盒、蓝牙耳机、液晶电视、 汽车电子、工业控制等领域广泛应用，存在着巨大的市场潜力。仅就片式电感器 而言，2 0 0 7 年的市场需求量将达到3 , 0 0 0 亿只以上，价值约3 0 0 亿元人民币1 3 。 1 2 本课题的研究背景 国外自7 0 年代起开始研制片式电感器，8 0 年代初实现商品化。与之相较， 我国从8 0 年代才开始进行片式电感器的开发与生产，起步较晚。由于受科研技术 水平与生产能力的限制，我国在片式电感器生产装备方面与国外相比，存在着很 大的差距。很多国内电子器件生产厂家目前仍然停留在在劳动密集型的手工操作 阶段，以手工方式进行电感器的绕线、分线、定位、除漆、焊接、电学性能测试 等多项工序，只有少数有实力的生产企业，以昂贵的价格从国外引进此类生产设 备。生产设备技术水平低下的现状，是造成国内半导体器件企业产品质量不稳定、 生产成本高、生产效率低下的重要因素。 广东t 业人学硕i ：学位论文 而日本、美国等国外传统的片式电感生产企业，现在大多集中于电感材料的 研究，或者利润更高的焊接电源的开发，要么利用传统的技术优势从事厚膜多层 印刷技术和叠层生产工艺的研究，对于工艺复杂的绕线型贴片电感，则大部分转 移到中国、马来西亚等发展中国家，依靠大量招收女工以手工方式或者半自动方 式加工。 图1 1 微型电子元器件 f i g 1 - 1m i c r oe l e c t r o n i cc o m p o n e n t s 作为世界性的“制造大国”，制造装备及核心技术绝大部分都要依赖国外进口 的现状使得我们处处受制于人。因此，开发先进制造技术及其装备，尤其是具有 自主知识产权和具有国际竞争力的新技术及其装备对于我国片式电感制造业的发 展具有重要意义。 1 3 国内外微型电感器生产装备的发展状况 1 3 1 片式电感器的分类及发展 表面贴装电子元器件( s m d ) 可分为有源器件和无源器件两种。片式有源器件 包括二极管、晶体管、小型集成电路等，片式无源器件包括片式电阻器、片式电 容器、片式电感器等“，。 按功率大小分，片式电感器又可分为小功率电感器及大功率电感器两类。小 功率电感器主要用于视频及通信方面( 如选频电路、振荡电路等) ；大功率电感器 主要用于d c d c 变换器( 如用做储能元件或l c 滤波元件) ”1 。其中小功率电感 器按结构有绕线型和叠层型两种( 大功率电感器一般都是绕线型的) 。 2 第一章绪论 绕线型片式电感器是用漆包线绕在骨架上做成的有一定电感量的元件。根据 不同的骨架材料、不同的匝数而有不同的电感量及q 值，它有三种结构，如图1 - 2 所示。其中( a ) 类是内部有骨架绕线，外部有磁性材料屏蔽经塑料模压封装的结 构；( b ) 类由长方形骨架绕线而成( 骨架为陶瓷骨架或铁氧体架) ，两端头供焊接 用；( c ) 类为工字形陶瓷、铝或铁氧体骨架，焊接部分在骨架底都m 绕线型片 式电感器的优点是工艺继承性强，直流重叠特性好，允许通过的电流大，可用于电 源回路；缺点是体积小型化有限 喻岛 ( a ) 外部塑料模压( 磁屏蔽)( b ) 方形电感( c ) t 字形电感 图1 2 绕线型片式电感器的种类 f i g 1 2t h ec a t a l o g u eo fw i r ew o u n dc h i pi n d u e t o r s 叠层型片式电感器是用磁性材料采用多层生产技术制成的无绕线电感器。它 采用铁氧体浆料及导体浆料交替印刷并采用烧结工艺形成整体单片结构，有封闭 的磁回路，所以有磁屏蔽作用。该类电感器的特点有：尺寸可做得极小，目前最 小的尺寸已经由日本t d k 株式会社做到了0 4 0 2 规格( 0 4 m i l l 0 2 m i l l 0 2 m m ) 【6 j ；具有较高的可靠性；由于有良好的磁屏蔽，无电感器之间的交叉耦合，可实 现高密度安装。该类片式电感器适用于高频率的音频视频设备及移动通信设备， 如p h s 、高频模块、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、w - l a n 、数字t v 调谐器等。但尺寸越 小，电感量和额定电流随之减小，直流重叠特性变差。目前厚膜多层印刷技术和 叠层生产工艺为少数国家掌握。 图卜3 叠层型片式电感器 f i g 1 - 3m u l t i l a y e rc h i pi n d u c t o r s 3 广东t 业人学硕l ：学位论史 电感器的技术发展，从产品结构的技术进行划分，经历了以下几个发展阶段： l 、插件式阶段2 、插件式小型化阶段3 、表面贴装式( s m d ) 阶段：4 、s m d 微型 化阶段：5 、模块化阶段。目前，片式电感器的尺寸小型化快接近极限，正从s m d 微型化阶段向着集成片式电容、电阻的模块化阶段发展【7 l 。 片式电感器的型号亦未统一，不同生产厂家的规格各不相同，其主要参数有： 尺寸、电感量、允许误差、q 值、直流电阻值、允许的最大电流及自振频率。其 中电感量与漆包线线径、匝数( 绕线层数) 的平方成正比，另外还与线圈长度、 磁芯的相对磁导率等因素有关。 1 3 2 国外典型的片式电感器生产设备 绕线型片式电感的生产设备是从传统的电感器生产工艺上发展起来的，其生 产技术包括两大核心部分：绕线和焊接。由于电感器外形多变、制程复杂的特点， 以及属于“被动元器件”的性质，使其难以形成象片式电阻和片式电容那样大的 自动化生产规模。 国外自7 0 年代起开始研制片式电感器，8 0 年代初实现商品化。西方国家电 子工业基础好，产品和设备研发能力强。其中，日本在研制生产片式电感器方面 居世界之首，在8 0 年代就先后建立了多条自动化生产线，其生产产量约占世界总 量的6 5 之多。据日本机械电子工业振兴协会( e l a j ) 调查，目前日本电容器、电 阻器的片式化比例都超过了7 5 ，片式电感器则为5 2 。我国的差距更大，落后 发达国家1 0 一1 5 年，电容器、电阻器的片式化率仅1 5 左右，而片式电感器难 度大，占电感器的比例尚不到5 “1 片式电感生产设备中的精密焊机部分，基本上被日本米亚基( i y a c h i ) 、t d k 株式会杜、美国u n i t e k 、德国p e c o 占据了主要市场，其中米亚基精密焊机世界 占有率达4 6 6 ”。这些公司主要集中在利润更高的焊接电源和精密焊接机头的研 制，而与之配套的绕线机则由下游生产厂家自己研制，这样，片式电感器生产设 备就被分成了了专业生产精密焊机( 包括焊接电源) 和自动绕线机两大独立的设 备，市场上真正集成绕线和焊接功能的全自动焊接设备少之又少。图l 一4 是米亚 基生产的一种精密点焊机m h - p 2 0 a 和m h - d 2 0 a 。 4 第一章绪论 图1 - 4 米亚基马达加压型精密焊机 f i g 1 4m i y a c h if i n es p o tw e l d e r i d h - p 2 0 a 型精密焊机适合串联焊接用，采用伺服电机驱动、弹簧多级加压， 加压力单面5 2 5 n ，电极直径从3 m m 到直径4 m m ，最大焊接电流3 0 0 0 a 。蛐一d 2 0 a 型精密焊机适合直接焊接用，采用伺服电机驱动、弹簧多级加压，加压力l o n 7 0 n ，电极直径从3 m ，最大焊接电流3 0 0 0 a 。 图1 5u n i t e k 5 0 系列精密焊机 f i g 1 - 5u n i t e k 5 0s e r i e sw e l dh e a d s 图1 5 是美国u n i t e k 公司生产的5 0 系精密焊机它可以提供4 0 - 1 0 0 0 9 的 焊接压力，可以焊接厚度在0 0 0 0 3 英寸一o o l 英寸之间的细线和金属带。图l 一 5 广东t 业大学硕。i ：学位论文 6 是u n i t e k 5 0 系焊机的典型应用。 ( a ) 细金属线与芯片的焊接( b ) 细漆包线的焊接 图1 - 6u n i t e k 5 0 系焊机的应用 f i g 1 6t y p i c a la p p l i c a t i o n so f u n i t e k5 0s e r i e sw e l dh e a d s 1 3 3 国内微型电感器生产设备的发展现状 我国的绕线型片式电感器在9 0 年代初才开始发展，当时南京8 9 8 厂首先引 进瑞士一条生产线，采用工字型骨架的铁氧体磁芯，经过点胶、绕线，焊接、模 压、打标、成型、检测、编带等工艺制成4 5 3 2 绕线型片式电感器，该种电感器体 积大、品质因数低，属于低频电感器。近几年，中国大陆的片式电感产业得到了 快速发展，形成了以深圳南玻、深圳顺络、贵州迅达、肇庆英达、山东清华同方 鲁颖、常州无线电六厂等为代表的一大批片式电感生产企业，供应的产品以片式 叠层电感为主。 在电感材料方面，由于国内发展绕线型片式电感器起步较晚，规模小，国内 缺少原材料供应渠道，国内市场大部分被美国线艺、日本t d k 所占有。 台湾地区生产片式电感器的厂家有千如电机( 全球第三大片式电感生产企 业) 、华新科技等公司，其设备开始都引进自日本和美国，近几年开始自主研发生 产设备，但尚未见到有片式电感自动化生产设备的报道( 千如电机目前仍大量购 买广州微点焊公司的半自动生产设备) 。 国内绕线型片式电感器生产设备的供应商，以广州微点焊设备有限公司为代 表，其利用传统的绕线工艺，以手工装料、拉线定位后通过脚踏板触发焊接电源 开关，利用其具有专利技术的焊头可以直接焊接漆包线【1 0 1 。但在电感器的生产上， 还不能实现完全的自动化。半自动生产设备价格虽然低廉，但它对工人的技术熟 练程度要求高，生产效率低下，最主要的是人手很难保证焊接质量的优质和均一。 在电子元器件行业生产批量极大，以及“六西格码”标准的要求下，仅靠增加 6 第一章绪论 熟练工人数量是无法满足产品质量的。 图l - 8 所示的是广州微点焊公司自主研发的s w 半自动贴片电感生产设备， 它包含了广州微点焊公司数十项发明专利，是国内乃至世界首创的将绕线到焊接 等多道繁杂的传统工序整合为直接绕线与焊接同时一体完成的设备i ”1 图1 8s w 半自动片式电感器生产设备 f i g 1 8s ws e m i a u t o m a t i cc h i pi n d u c t o rm a c h i n e 该焊机的特点是：采用直流无刷电机，绕线圈数控制精度达o 0 2 圈，转速 达7 2 0 0 转分，启动快，力矩大，高可靠性自动刹车，噪音低；采用单片机数控， 可存储多种产品，每种产品达9 9 段步的绕线数据，程序设定实现正反转绕线可长 时间连续工作；内置高性能开关电源，2 2 0 v 、l i o v 单项交流电均可工作；具有 圈数归零、段位回归、进段、退段、数据显示功能，可显示各种运行状态，并具 有慢速启动功能，适合细线绕制，避免断线；刹车时间0 1 秒到2 5 5 秒可调，可 选择刹车保持( 一直刹车) ；绕线和焊接皆有产量统计计数，并具备清零功能，绕 线还具备加减1 功能：直接焊接漆包线，焊点细小，焊接牢靠；焊接电路采用自 适应调节技术，焊接能量输出一致而稳定1 1 1 l 。 1 4 微型电感器自动化生产设备涉及的相关技术 微型电感器自动化生产设备的发展，是机械技术、电气技术、先进控制技术 7 广东t 业大学硕l ：学位论文 等多种技术交叉发展的结果。在机械技术方面，涉及到材料、生产工艺、电动 气动技术的发展；在控制技术方面，涉及到数字逻辑、传感器应用、d s p 、p l c 、 工控机、网络通信等。各种技术的快速发展，对片式电感制造业的发展产生深远 的影响。 1 5 本课题研究概况 1 5 1 研究目的和意义 长久以来，由于受科研技术水平与生产能力的限制，我国在片式电感器生产 装备方面与国外相比，存在着很大的差距。很多国内电子器件生产厂家目前仍然 以手工半自动方法进行电感器件的绕制和焊接，只有少数有实力的生产企业，以 昂贵的价格从国外引进此类生产设备。国内片式电感生产装备的落后，是影响我 国电子元器件行业发展的主要原因之一。 微型电感器自动化生产装备的研制需要综合应用机、电、气、光等各种先进 技术。由于片式电感生产工艺的复杂性、技术应用的综合性与工业现场应用的复 杂性，片式电感器自动化生产设备的研制难度很大。 本课题将开发出一台具有完全知识产权的绕线型片式电感器全自动生产设 备，采用p l c + 多轴运动控制单元+ 精密交流伺服系统的高可靠、高性能、经济性 好的控制系统，与直接焊接漆包线的电容储能式焊接电源有机的结合在一起，把 原来电感器生产的多项工序一次完成，实现该种片式电感生产的自动化。这不仅 能提高绕线型片式电感的生产效率，降低生产成本，提高器件的质量，增强企业 竞争力，还将提高我国片式生产装备的自动化水平，迸一步促进我国片式电感制 造业的发展 1 5 2 课题来源 本论文课题来源于郭钟宁教授主持在研的广州市科技项目： “微型电感器自 动化生产装备及其关键技术研究”( 项目编号：2 0 0 6 2 3 d 0 2 6 1 ) 。该项目与广州微 点焊设备有限公司合作。 s 第一章绪论 1 5 3 课题的研究内容及研究目标 本课题的研究内容是设计、制造出一套自动化程度高、工作可靠的绕线型片 式电感器自动化生产装备，开发出相应的控制系统，并建立初步的工艺参数数据 库，主要内容及目标包括： 1 、 对绕线型片式电感器的工艺流程进行分析，运用动力学原理和机械设 计理论，建立送料、定位、装夹、绕线、焊接等动作机构的运动方程， 并进行详细的结构设计； 2 、 运用机电一体化系统设计理论，开发出绕线型片式电感器生产装备专 用伺服数控平台p l c 控制系统： 3 、开发出的绕线型片式电感器自动化生产装备，该装备的生产效率高( 每 分钟达2 0 个以上) ，焊点稳固可靠，并能适应不同漆包线线径和绕线 圈数的电感规格，能够很好地满足1 6 0 8 系列电感器的质量要求。 9 广东t 业大学硕t 学位论文 第二章微型电感器自动化生产装备的研制方案 根据本课题的研究目标，我们要针对d 0 1 6 0 8 系列片式电感器，研制出一套自 动化程度高、工作可靠的绕线型片式电感自动化生产装备。 2 1d 0 1 6 0 8 片式电感器的特点 d 0 1 6 0 8 型片式电感器是美国线艺公司( c o i l c r a f ti n c ) 的产品，属于工字形 绕线式贴片电感器的一种，具有贮能高、阻抗低的优点，是理想的直流转换器， 广泛应用于笔记本电脑、p d a ( 个人数字助理) 、升降压转换器、闪存等电子产品 中【12 1 。 d 0 1 6 0 8 型电感器由磁芯、基座和焊盘组成，其底座大小只有0 2 6 英寸 0 1 7 5 英寸( 6 6m m x 4 4 5m i l l ) 。电感器尺寸及实物如图2 1 、图2 2 、图2 3 所示。 图2 - 1d 0 1 6 0 8 电感器外形尺寸 f i g 2 - 1d i m e n s i o n so f d 0 1 6 0 8c h i pi n d u c t o r i o 第二二章1 6 0 8 微型电感器自动焊接设备的研制方案 图2 2d 0 1 6 0 8 电感器骨架 f i g 2 - 2t h ec o r eo fd 0 1 6 0 8i n d u c t o r 图2 - 3 加工好d 0 1 6 0 8 的电感器 f i g 2 3f i n i s h e dd 0 1 6 0 8i n d u c t o r 2 2 装备研制的技术难点 微型电感器自动化生产装备是一个复杂的光、机、电一体化系统，需要对各 种技术进行综合应用。 课题研究的技术难点主要在于； ( 1 ) d 0 1 6 0 8 电感器件尺寸微小，焊盘的面积更小，要在有限的面积内将焊 头、漆包线以及焊盘中心点准确定位，这对设备的机械精度和电气控制精度提出 了很高要求； ( 2 ) 微型电感器自动化生产装备的动作复杂，辅助机构多。为实现自动化的 绕线、焊接动作，必须精确控制线尾的长度、进线角度、断线角度，以及线嘴和 焊头的运动； 广东t 业大学硕士学位论文 ( 3 ) 控制系统应具有完普的功能，以适用不同规格( 不同漆包线线径和绕线 匝数) 的电感器生产。考虑到设备在工业环境下使用，控制系统的软、硬件系统 还必须有很高的可靠性。 2 3 研制方案 2 3 1 工艺流程分析 传统的绕线电感器生产由工人手工操作，其具体生产方法是：首先把电感器 骨架放入绕线轴夹具中，接着用手拉出漆包线通过焊盘中心，校准焊头后用脚踩 动踏板将焊头下压，触发焊机电源焊接第一点，然后用手扯断线尾；由电动转轴 完成漆包线的绕线动作后，再用手牵引漆包线通过另一极焊盘的中心，踩动踏板 完成第二点的焊接；最后用手扯断漆包线，用镊子取出工件。 在本片式电感器自动化生产装备中，供料、夹紧、引线、焊接、断线、卸料 等一系列的动作均要由机构来自动完成。 图2 4 工艺流程 f i g 2 - 4t h ef l o wo fp r o c e s s 工艺流程如图2 4 所示，由自动供料机构将电感器工件定向输送排列，取料 机械臂将工件吸放到夹具平台，然后转轴气缸动作，通过斜楔机构将气缸推力转 化为夹紧力，将工件陶瓷基盘夹紧。转轴旋转到入线角位置，线嘴机构向前送线， 接着焊机工作台将焊头电极定位到第一焊点位置，焊机z 轴向下动作，在压力追 从机构提供的焊接压力下完成第一焊点的焊接；当转轴旋转到指定圈数后，焊机 工作台将焊头电极定位到第二焊点位置，焊机下压完成第二焊点的焊接。线嘴工 作台将线嘴摆正到与漆包线水平位置，压线气缸下压漆包线，线嘴往后运动拉断 漆包线；最后开启喷嘴电磁阀将工件吹落卸料，完成一个工作循环。 第二章1 6 0 8 微型电感器自动焊接设蔷的研制方案 2 3 2 机构运动分析 运动分析是进行机构设计的基础“”自动化装备则把人手的动作全部由机构 来实现，所以我们首先要对装备各关键执行机构的运动进行分析。 1 入线角度的确定 在漆包线的绕制过程中，绕线轴高速旋转，为防止焊接后刚冷却的焊点在绕 制过程当中由于扭曲而折断，必须减小漆包线在第一焊点处的折弯角。在半自动 生产中，送线的角度则由工人凭经验来控制，每个工件的焊点位置和焊点折弯程 度都不一样，造成电感器质量的参差不齐。自动化装备把这一送线动作由线嘴机 构来完成，即配合转轴的转位，由线嘴将漆包线末端精确地送到第一焊点的位置。 我们把线尾送达第一焊点时，电感器与水平面y 轴方向的夹角( 即绕线轴相对y z 平 面的转角) 称为入线角，如图2 5 所示。 第一焊点焊接完成后，绕线时焊点位置相对磁芯柱面会有一定程度的弯折， 我们把实际入线角与理想入线角的差值称为折弯角。根据电感器焊点质量的要求， 折弯角不应大于4 5o 【“】。 厂1 ，栉。一 慧 纩飞 t g 心形 弋、矿 l j a ) 理想入线角b ) 实际入线角c ) 折弯角 1 、第一焊点位置2 、磁芯3 、漆包线4 、线嘴 图2 5 入线角度的确定 f i g 2 5t h es e t u po fw i r ef e e d i n ga n g l e 广东t 业大学硕士学位论文 第一焊点最理想的入线角度，是漆包线沿着电感器磁芯的切线方向进给。如 图2 5 中a ) 所示关系，理想入线角n 为 a = a r c s i n ；( 2 1 ) ， 式中，r 为电感器磁芯圆柱的半径，r = 0 9 m m ： i 为磁芯中心到焊盘中心的距离，1 = 2 6 7 r a m ： 计算得a = 1 9 7 2 0 。这时的理想折弯角为0 。 在装备的实际设计中，为了避免漆包线在送线过程中撞上磁芯而无法送达第 一焊点位置，在漆包线允许的折弯范围内( 小于4 5o ) ，我们将入线角设为3 0 0 ，如 图2 5 q ，b ) 所示。这时的实际折弯角= 1 1 4 0 。 上面所描述的送线方案，漆包线必须跨过磁芯才能到达第一焊点位置，这无 疑增加了线尾的长度( 将来还要加上夹具所占用的空间) 。理论上，柔软的漆包线 从线嘴伸出的距离是越短越好( 线尾伸出越长，漆包线越容易弯曲或摆动) ，但第 一焊点为什么不能设在焊盘的近端昵? 从图2 6 我们可以看出，若将第一焊点定 在线嘴的近端( 1 8 0 。入线角) ，虽然这时线尾的伸长最短，但漆包线焊点的折弯非 常严重，最大折弯角超过了1 5 0 0 ，这种情况不被允许；同样，9 0 0 的入线角也不允 许( 最大折弯角为7 7 2 0 ) 。 a ) 1 8 0o 入线角 b ) 9 0o 入线角 图2 - - 6 不允许的入线角度 f i g 2 6u n a l l o w e dw i r ef e e d i n ga n g l e 2 断线角度的确定 漆包线绕制到指定圈数后，漆包线的路径往往不通过第二焊盘的中心，为了 1 4 第二章1 6 0 8 微型电感器自动焊接设备的研制方案 使漆包线、焊头、焊盘中心三者的位置重合，转轴必须追加旋转一个角度。我们 把漆包线与第二焊盘中心重合时转轴相对与y z 平面的转角称为断线角。 漆包线的绕制圈数和层数的关系为 = i n l ( 务 ( 2 2 ) 叱= 畸警 ( 2 s ) 式中， n ；漆包线的绕制圈数； c l 磁芯长度； n ：漆包线层数，取大于计算值的最小整数； d ：磁芯的外径； d ：磁芯的内径； 屯：漆包线的线径； o ：电感器可以绕制的最大层数 这里，d 0 1 6 0 8 电感器的磁芯长度c = l m m ，磁芯外径d - - 3 9 4 m m ，磁芯内径 d = 1 8 m m 。如对以= o 0 8 r a m 线径的漆包线，电感器可以绕制的最大层数眦= 1 3 。 图2 7 断线角度的计算 f i g 2 - 7c a c u l a t i o no fw i r eb r e a k i n ga n g l e 1 5 广东工业丈学硕1 ：学位论文 下面计算漆包线在绕制任意圈数n 圈时( i s n s 胍屯) ，电感器相对于水平面 纵轴的转角y ( 即断线角度) 。 由图2 7 可得关系式 足- 以+ 罢 艿：撒s i n 墨 三 r ，7 2 黜c 0 8 了 ，= 要一艿一r ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中， r ：线圈最外层到磁芯中心的距离； l ：线嘴到磁芯中心的距离； 万：通过第二焊盘中心的漆包线与水平面纵轴的夹角； ，7 ：电感器长轴与切点半径的夹角。 由以上关系式可以建立断线角度与绕线圈数的方程式： 砌剐寺一噬l 垡一一。i n t ( c ) 广d + d 亿s ， 根据装备夹具的设计情况，线嘴到磁芯正中的距离l 取1 5 5 m m ，其它参数见式 ( 2 2 ) 到式( 2 7 ) 中的说明。由式( 2 8 ) 可以看出，断线角和绕线圈数n 和线径丸有 关，我们用m a t l a b 计算出了从0 0 2 m m - o 2 m m 线径的部分漆包线对应的断线角，如 图2 8 所示。 1 6 耋：主：竺堡兰耋望兰皇2 生釜堡至兰2 型玄耋 重 嫠 譬 赫鞋 j j z 夕 - 啪一77 _ _ 谶骖7 彭； 图2 - - 8 断线角度与层数的对应关系 f i g 2 8t h er e l a t i o n s h i po fw i r eb r e a k i n ga n g l ev s l a y e r 下面是我们对最常用的一种漆包线线径( 吒- - - - 0 0 8 m ) ，计算得出的断线角 ，( n ，屯) ，如表2 1 所示： 表2 - 10 0 8 r a m 线径对应的断线角度 t a b l e 2 1w i r eb r e a k i n ga n g l ea to 0 8 m me n a m e l l e dw i r e 绕线层数( n ) l234567 断线角 1 7 9 0 3 01 9 4 6 4 52 1 0 5 2 32 2 6 6 9 7 2 4 3 2 0 5 2 6 0 0 8 8 2 7 7 3 9 4 ，( d e g ) 绕线层数( n ) 891 0l l 1 21 3 断线角 2 9 5 1 7 83 1 3 5 0 73 3 2 4 5 63 5 2 1 2 03 7 2 6 1 23 9 4 0 7 6 ，( d e g ) 绕线层数= i n t 9 ，见公式( 2 2 ) 说明 3 线嘴偏移量和线尾长度的计算 电感器完成第- - t 位( 第二焊点) 的焊接后，线尾将被线嘴机构自动拉断， 这时应当采取措施，保证漆包线被平直的拉断。否则，弯曲的线尾在为下一工件 第一焊点送线时，将无法送达预定的位置。所以，在电感器第二焊点焊接后、在 1 7 广东t 业大学硕七学位论文 焊头抬起来之前，线嘴要从对正磁芯中心的位置平移到能够使线尾摆直的位置。 设这段平移距离为线嘴的偏移量缸。值得一提的是，虽然线嘴做x 向平移运动， 但在漆包线张紧机构提供的张紧力作用下( 第三章将描述) ，线尾在拉断前并不 会松弛。下面计算在任意绕制圈数下线嘴的偏移距离缸以及拉断后的线尾长度t 。 图2 - 9 线嘴偏移量的计算 f i g 2 - 9c a c u l a t i o no fr u b y n e e d l ed i s p l a c e m e n t 由图2 9 中各线条关系。 1 8 t = c o s 6 b c b c = 丁c 一翻一彳矗 t c = 上2 一r 2 以= ，2 一r 2 彳b ： 兰 2 c ( 媳占 a x e t a n 占 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 咖；酬眦如科一一厨一南 ( z 其中，r = 以+ 兰；其余各参数含义见前面公式的说明。 a x = x ( 栉，丸) = f ( 以，屯) 砌n 艿= f ( 疗，以) t a n ( a r c s i n 拿) ( 2 1 6 ) 式中各参数含义同前。 由式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 可以看出，拉断后的线尾剩余长度t 以及线嘴偏移补偿量 都和漆包线线径及绕线圈数有关。用m a t l a b 计算出的0 0 2 r a m - 0 2 m m 线径的部分漆 包线对应的线嘴偏移量及线尾长度的函数关系，如图2 - - 1 0 、图2 - 1 l 所示。 1 9 唧2 厶d 疆， ?v1ti 蝴f 嚣滴j l | - 0 饿， f 器张 嘴 。 | f l|f 黼 嫠 ， ， 蜃敷( n ) 图2 一1 0 线嘴偏移量与层数的关系 f i g 2 1 0t h er e l a t i o n s h i po f n e e d l ed i s p l a c e m e n tv s l a y e r ：晦1 0 甲” 7 一概8 ? d 拇o ， 剞 ， 7 f “- 嗍 屡赣( n ) 图2 1 1 线尾长度与层数的关系 f i g 2 - 11t h er e l a t i o n s h i po fw i r et a i ll e n g t hv s l a y e r 2 0 ；ev一覃i #，5趟蚶_ 兰三耋：竺堡詈皇曼兰皇2 2 兰