（机械工程专业论文）低成本个人型贴片机的研究.pdf

摘，；要 贴片机作为s m t ( 表面贴装技术) 最重要的生产设备，在表面贴装领域中起到至 关重要的作用。经过市场调查，贴片机在目前主要应用于大中型企业以及一些大规模电 子产品生产线上，很少应用于小型单位或者个人。所以本文为了满足更多的市场需求以 现有的贴片机技术为基础对贴片机进行了研究。在贴片机的整机设计上提出了低成本， 小型化的设计思路，使贴片机更好的服务于不同类型，不同规模电子产品生产行业的发 展。本文主要分为以下几部分对贴片机进行了研究： 首先，本文针对本课题对贴片机整机机构设计提出了创新性设计思路，与传统的贴 片机整机相比，其设计过程针对低成本，实用性强的特点对贴片机的喂料系统，传动系 统和贴装头进行了优化设计。同时针对贴装头的运动形式提出了两种传动机构，并重点 对凸轮机构进行了设计。其次，本文针对贴片机运动控制系统研究了贴片机x - y 轴联 动的控制算法，实现了贴片机贴装头运动时走样过程。对贴装头的定位与移位过程奠定 了坚实的理论基础。然后，本文针对贴片机的运动控制算法，研究了贴片机虚拟样机的 仿真环境。该仿真环境可以针对贴片机虚拟样机的各类运动控制算法进行仿真。最后， 本文通过嵌入式控制器的开发，对贴片机运动控制器的软件设计和硬件设计进行研究。 该控制器的开发与研究对贴片机运动控制具有实际的参考意义。 关键词：贴片机，贴装头，凸轮，运动控制 a b s t r a c t m o u n t e ra st h em o s tp r o d u c t i v ee q u i p m e n th a sp l a y e dac r u c i a lr o l ei nt h ed o m a i no f s m t m o u n t e ri sc u r r e n t l ym a i n l ya p p l i e di nl a r g ea n dm e d i u m s i z e de n t e r p r i s e sa n ds e r v e s f o rl a r g es u r f a c em o u n tt e c h n o l o g yp r o d u c tl i n ew h i c hp r o d u c es o m ee l e c t r o n i cp r o d u c t t h r o u g ht h em a r k e ts u r v e y b u t ，i ti sr a r e l yu s e df o rs m a l lb u s i n e s sa n di n d i v i d u a l s o ，i no r d e r t om e e ta l lt h er e q u e s to ft h em a r k e t , t h ep a p e rb a s e d0 1 1t h ec u r r e n t l yt e c h n o l o g ya b o u t m o u n t e rs t u d i e sf o rt h em o u n t e r t h e s ec r e a t i v em e t h o d st h a tt h et h e s i sh a v ec o m eu pw i t hb y l o w - c o s ta n dm i n i a t u r i z a t i o nd e s i g ni d e a sw i l lb ea b l et ob eb e t t e rs e r v e df o rt h ed e v e l o p m e n t o fd i f f e r e n tt y p e s ，d i f f e r e n ts c a l ee l e c t r o n i cp r o d u c tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h i sp a p e r c o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gf o u rp a r t st os t u d ym o u n t e r a tf i r s t ，t h ep a p e rh a sg i v e nan e wi d e af o rt h ed e s i g no ft h ec o n s t r u c t i o no ft h ew h o l e m a c h i n e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm o u n t e r , t h ep a p e rh a sg i v e na no p t i m i z a t i o nd e s i g n f o rt h ef e e d e rs y s t e m , t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dt h eh e a do ft h em o u n t i n ga i m i n ga tl o wc o s t ， p r a c t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so nm o u n t e r a n df o c u s i n go nt h et w ot r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h e h e a do ft h em o u n t i n g , t h et h e s i sm o s t l yd e s i g n e df o rt h ee a n lm e c h a n i s m s e c o n d l y , t h ep a p e r h a sr e s e a r c h e dt h ex ya x i so f j o i n tc o n t r o la l g o r i t h ma i m i n ga tt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m a b o u tm o u n t e ra n dr e a l i z e dt h er o u t eo ft h eh e a do fm o u n t i n gw h e ni tm o t i o n i th a sl a i da s o l i dt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o rt h eo r i e n t a t i o na n ds h i f t p r o c e s so ft h eh e a do fm o u n t e r t h i r d l y , t h et h e s i sh a ss t u d i e dt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to ft h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fm o u n t e r a i m i n ga tt h ec o n t r o la l g o r i t h mo ft h em o u n t e r sm o v e m e n t t h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti s a p p l i e df o rv a r i o u sc o n t r o la l g o r i t h mo f t h ev i r t u a lp r o t o t y p et ob es i m u l a t e d t h el a s t ，t h e p a p e rh a ss t u d i e dh o wt od e s i g nt h es o f i w a r ea n dt h eh a r d w a r eo fm o u n t e r sm o t i o nc o n t r o l l e r t h r o u g ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dc o n t r o l l e r t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e c o n t r o l l e rh a sap r a c t i c a lr e f e r e n c es i g n i f i c a n c et ot h em o t i o nc o n t r o lo fm o u n t e r k e yw o r d s ：m o u n t e r ；t h eh e a do fm o u n t i n g ；c a m ；m o t i o nc o n t r o l 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及其意义 1 1 1 表面贴装技术的概述 第一章绪论 s m t 的英文缩写是s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ，译成表面安装技术。美国是s m t 的发源地。最早的一只表面贴装元器件出现在1 9 6 3 年，同时第一台表面贴装集成电路 与飞利浦公司推出。并迅速发展使其应用为军事，航空航天，自动化设备等各个领域f l l 。 s m t 贴装技术介绍： 表面贴装技术s m t 是将表面贴装元器件( 针对有各种封装类型的元器件) 以贴装， 焊接的方式固定在印刷电路板相应的焊盘上的一种贴装技术。所用的印刷电路板不需要 钻插和装空。s m t 生产过程是通过人工或者自动化机械设备通过以下操作步骤完成的 【2 1 首先在印刷电路板上图涂上一定量的焊锡膏，再将表面贴装元器件通过人工或者机 械自动定位精确的将其放入涂有焊锡的p c b 相应的焊盘位置。然后通过加热p c b 板将 焊锡融化，最后通过降温处理冷却后，便实现了将贴装元器件固定在p c b 板相应的焊 盘上，从而实现了元器件与p c b 板的互联。 s m t 贴装设备有以下几种：丝印机、点胶机、贴片机、回流焊、波峰焊、检测系 统、维修系统。其中贴片机是在目前的s m t 贴装设备中使用率最广，工作效率最高的 一种设备。 1 1 2 贴片机简介及研究意义 ( 1 ) 贴片机简介 随着s m t 的不断发展以及不同类型的表面贴装元器件的多元化封装形式的出现， 对生产技术的要求不断地提高，s m t 生产线以及其生产设备的也得到了迅猛发展。贴 片机是s m t 生产线中及其关键的生产设备之一。它的良好的自动性能，其稳定的机械 结构以及其高精度的贴装定位系统使得其在整个s m t 生产线上占据了主流地位。投资 金额远远超过其他生产设备，广受各类s m t 生产厂家的青睐。贴片机设备不仅对生产 第一章绪论 线产品的精度，生产效率具有很高的要求，而且对实际的生产数量和生产能力起到了决 定性的作用 3 4 1 。 。： 贴片机是将机械、电子、光学、控制等多种学科融于体的高科技生产设备。他 通过定位，取料，移位，定位，放置等功能通过移动贴装头将表面贴装元器件快速准确 的放置于印刷电路板表面的焊盘上。目前，贴片机正在朝着高速，高精度，高智能化， 高工作率等方向多方面发展。 j k 一- 目前市场上的贴片机的分类如下： 按功能分为：高速和超高速及多功能贴片机。其中高速贴片机主要以贴片式元件为 主体，贴装器件的种类不多。多功能贴片机能贴装大型器件和异型器件等多种元器件。 按速度分为：中速贴片机，高速贴片机以及超高速贴片机。其中中速贴片机的贴装 速度为3 千片h - - 9 干片h ，高速贴片机采用固定多头或双组贴片头，品种多样， 生产厂家相对较多。贴装速度为9 千片h - - 4 万片h 。而超高速贴片机采用旋转式多 头系统，其贴装速度为4 万片h 以上。 按自动化程度分为：全自动机电一体化贴片机和手动式贴片机。其中全自动机电一 体化贴片机是目前市场上见到最多的产品。而手动式贴片机的贴装头安装在y 轴头部， x 、y 、和转角定位可以靠人手的移动和旋转来校正位置，主要用于新产品开发，价格 相对较低。 按贴装方式分为：顺序式贴片机，同时式贴片机以及同时在线式贴片机。其中顺序 式贴片机是按照顺序将元器件一个一个贴到p c b 上，市场上该类贴片机居多。同时式 贴片机是使用放置圆柱式元件的专用料斗，一个动作就能将元件全部贴装到p c b 相应 的焊盘上。品更换时需要将所有料斗全部更换，目前这种贴片机使用相对较少。同时在 线式贴片机是由多个贴片头组合而成，依次同时对一块p c b 进行贴装1 5 , 6 】。 ( 2 ) 研究意义 本课题对针对贴片机展开研究，经过各方面相关资料调查后，总结出以下几点： 从市场需求看：随着电子信息技术领域的不断发展与壮大，进而推动这s n t 的不断 发展，贴片机作为这个领域的关键设备，其应用的普及率也在日益提升。从产品应用领 域来说，纵览国内外贴片机的市场，大多数产品是针对一些大中型电子制造与装备公司。 而对于一些小型电子生产企业而言，由于受其资金和技术所限，没能引进大量的贴片机 生产设备，进而影响其规模的发展。对于一些科研院所和高校来说，由于贴片机的市场 2 长安大学硕士学位论文 价格的昂贵，使得其在这样的科研单位的应用领域相对较低，从而影响了科研的进度。 从产品在国内的市场布局来看，我国大部分电子生产制造企业都集中在东南沿海一带， 尽管国外把电子产业的布局已经转移到亚洲甚至正在向市场庞大的中国延伸。但是我国 电子产业布局的集中性，使得贴片机的市场仍然在一段时内没有很好的面向电子行业迅 速扩展。综上所述，贴片机的市场潜力巨大，尤其在国内市场上仍有很大的空白需要我 们填补。 从生产成本看：由于贴片机是将光学，电子学，机械学和控制学于集合于一体的高 精密组装设备。其高端的科技融合性使得其在生产制造方面要求要有很高的成本投入。 目前电子产品正在向体积更小，重量更轻以及稳定性更高等方向发展，这就对于贴片机 在制造精度和工作效率上提出了更高的要求。而每一次产品技术的更新都与其相应的成 本投入成正比。为了更好的节约成本，降低生产费用，提高市场的应用普及率，本课题 提出的“低成本个人型贴片机的设计方案，在某些方面节约了成本。 从生产规模看：目前贴片机的应用领域主要集中在大中型的电子生产装备企业。而 对于一些科研单位和一些高校院所，贴片机的应用普及率还是相对较小。市贴片机的应 用和生产规模只是针对大规模的电子装备企业，小规模的应用几乎没有。为了使得贴片 机的应用规模得到普及，使得贴片机的应用领域不仅适用于小型企业和高校，更能适用 于一些电子爱好者个人，所以本课题针对这方面进行了研究【7 ，引。 在不久的未来贴片机将是未来s m t i s m d 生产领域的一个必不可缺的生产设备，并 将会完全占有s m t s m d 生产领域的主流市场。在未来的电子信息生产领域中将不断推 出各种类型的贴片机来适应不同元件的贴装。本课题基于对低成本个人型贴片机的研 究，其研究的目的顺应了当前乃至未来贴片机发展趋势的潮流，不仅在整机成本上得到 了很大的缩减，更将贴片机的应用领域进一步扩大。不仅应用于电子生产设备的各个大 中型企业，也将贴片机的生产设备及其生产线应用于小型企业乃至个人。 1 2 贴片机国内外发展状况 1 2 1 贴片机国外发展与应用状况 ， s m t s m d 技术最早诞生于美国。美国一直重视投资s m t 高组装高可靠性技术应 用于电子产品和军事设备领域，并在研究领域充分发挥了s m t 技术的优势，具有相对 第一章绪论 较高的水平。美国环球仪器是最早进入中国市场的设备生产制造商之一。其核心的产品 有高速精密贴片机g s mg e n e s i s 以及针对中档市场的a d v a n t i s 平台。其中g e n e s i s g c 6 0 高速贴片机采用了两个3 0 轴l i g h t n i n g 贴装头。贴装头上具有两个光学照相机。贴装速 度高达每小时5 7 0 0 0 片。其适用于一些高端技术生产场合及大规模生产企业。a d v a n t i s 则是一种低成本设备，具有3 0 轴l i g h t n i n g 贴装头的a d v a n t i sa c - 3 0 l 可以达到每小时 3 0 0 0 0 片得贴装速度。其主要适用于一些中小型电子生产企q l z 9 1 。 7 0 年代日本开始从美国引进s m t 和s m d 应用消费电子产品技术，并迅速在8 0 年 代后期加速了s m t 产业的迅猛发展，日本仅用了四年的时间就使得s m t 在通信设设备 以及其他电子产品设备中的数量增加了近3 0 。使得日本很快超过了美国并成为在 s t m 方面处于世界领先水平。日本最具有代表性的贴片机品牌有c m 6 0 2 松下高速贴片 机。其技术特点在于具有高速的1 2 支吸嘴可扩大对元件的工作范围。贴装速度为每片 仅需o 0 3 6 秒，贴装进度高达4 - 4 0 岬l 芯片i l 们。 一 欧洲的贴片机以德国西门子公司推出的s i p l a c e 产品为代表，其主要包括两种机 型分别为h s 系列高速机和h f 系列贴片机。其中h s 系列高速机的技术特点如下：他 贴装速度高达每小时6 0 0 0 0 片，精度在6 0i tm 范围内，具有x y 方向栅尺作为测量与 反馈装置在高速贴装时对位置进行了调解保证了其贴装的精度。而i - i f 系列贴片机的技 术特点为：贴装精度为2 2um 以及最小8 0 | lm 球直径分辨能力，贴装速度为每小时 5 0 0 0 0 片。其贴装头设计灵活，成本相对较低，为用户提供了较高的产能配置1 1 1 l 。 1 2 2 贴片机国内发展与应用状况 我国对于贴片机应用起步较晚，最早在8 0 年代初期从日本，美国等国引进s m t 成 套生产设备应用于一些电子生产设备中。但是国内几乎没有针对s m t 生产设备进行技 术上的系统研究。在当时，贴片机在国内的市场仍然是一片空白。进入9 0 年代以后， 随着改革开放的进一步扩大以及国内科研技术的提高，国内开始引进国外s m t 装备并 组线应用，并通过引进国外技术的同时，开始了自主的研究与应用。国内针对贴片机技 术进行了引进，吸收，消化，创新与再制造的科研发展道路。进入2 l 世纪后，国内不 少企业以及科研院校也纷纷投入到s m t 生产设备上的研究，其中具有代表性的企业有 深圳奥特公司在2 0 0 1 年5 月份成功开发研制出s m t 2 5 0 5 全视觉多功能贴片机，这一研 究成果填补了国内贴片机关键技术领域的空白，从此改写了我国对于s m t 生产设备领 4 长安大学硕士学位论文 域无国产品牌的历史。其产品主要性能为：贴装速度为1 6 秒每片，贴装精度在士0 1 m m 。 其他高校以上海交通大学，华中科技大学以及苏州大学为代表也针对贴片机的各个技术 领域进行了深入的研究，但研究结果仍还没有投入生产应用。我国s t m 的科研水平与 发达国家相比，一直具有很大的差距，落后的主要方面主要体现在以下几点：自主知识 产权的尖端技术上的缺乏，关键设备仍为突破，还需依赖进口。综上所诉，国内贴片机 技术虽然有了一定的进展，但还有很长的路要走0 2 , 1 3 l 。 + ， 1 2 3 贴片机未来的发展趋势 经过近3 0 年来的不断发展，目前的s m t s m d 己成为现代电子产品的组要技术基 础和手段。据统计，发达国家的对这项技术的应用普及率已经超过了7 5 。纵览 s m t s m d 生产领域中，在生产制造，检测后，发现有5 0 的产品不合格的问题来源于 贴装过程。贴装设备的性能好坏决定着产品贴装精度和良好的稳定性。所以贴装设备的 发展日益引起人们的关注，而贴片机作为电子生产行业的主流设备，其良好的市场前景 不断要求这贴片机生产厂商对其各方面性能不断的改进，进而顺应电子产业的发展趋势 【1 4 1 5 1 o 新型的贴片机为了更好的迎合s m t s m d 的发展趋势在不断的提高生产率，缩短生 产时间的同时，也朝着更加精确化和智能化的方向发展。其技术的革新主要体现在以下 几点1 1 6 】：。 ( 1 ) 生产效率上：为了提高生产效率，贴片机的贴装头采用了高效率的双路 输送甚至多路输送结构的发展。双路输送是将贴片机在保留传统的单路输送性能 上，将p c b 板的输送，定位，检测，移位，放置等贴装过程设置为双路结构。能 够在同一时间里每一路贴装进行同时操作，极大地提高了生产效率。 。 ( 2 ) 生产精度上：由于表面贴装元器件的不断发展，其多元化的分装形式， 分装类别层出不群。新的封装如b g a 、f c 、c s p 等的出现，不仅元器件体积微小， 而且引脚密集。对贴片机的精度要求也越来越高，这就要求贴片机朝着全自动视觉 系统定位的方向发展，进而对于视觉系统算法的精确性方面的研究的要求要有不断 地提高和创新。另外，在运动控制中，贴装头的定位精度也提出了很高的要求，这 也对贴片机运动控制系统的算法处理提出更高更精密的要求。 ( 3 ) 智能化操作上：随着贴片机的应用，以及技术的不断的革新，目前的贴 5 第一章绪论 片机在智能化方面完全取代了人工操作步骤。然而在不同时序的操作流程中，智能 化的处理将决定着贴装过程井而有序的进行。这就要求贴片机在整套流水生产过程 中工序处理实时性要高。现代全球推出的各款高性能高自动化的贴片机已经完全采 用全自动控制系统。人工只需在操作品台上操作按钮即可实现整套生产线生产过程 的实现。虽然已经做到了这一点，然而，在实时性和工序转换性方面还是有待提高。 ( 4 ) 成本及应用普及率上：随着电子产业的不断壮大，国内贴片机市场的前 景也具有相当大的潜力。目前全球各大生产厂商所推出的贴片机虽然在产品性能上 有所保证，但价格昂贵，很多产品只是针对大型s m t s m d 应用生产厂商，而一些 小的生产制造厂商以及高校科研单位由于其资金的不足而无法担负昂贵的贴片机 费用。市场普及率相对较低。这就要求未来的贴片机发展针对各个中小企业甚至个 人而推出不同系列的产品以适应市场的不断需求。 1 3 本课题研究内容及章节安排 1 3 1 课题主要研究内容 一 由于贴片机的研究是一个庞大的结构体系，整机系统的研究涉及到机械工程，自动 化控制，电子信息，计算机图形学以及嵌入式开发等众多学科的领域。涉及知识面较广， 任务量大。本课题针对低成本个人型贴片机的研究主要做了以下几方面工作： 首先，对贴片机整机机构进行了优化设计，并对关键部件进行了选型设计与分析。 其次，针对贴片机运动控制系统研究了贴片机x - y 轴联动的控制算法。给出了算 法过程，并对该算法进行了仿真。 然后，针对贴片机的运动控制算法，研究了贴片机虚拟样机的仿真环境。该仿真环 境可以针对贴片机虚拟样机的各类运动控制算法进行仿真。 ： 最后，通过嵌入式控制器的开发，对贴片机运动控制器的软件设计和硬件设计进行 研究。该控制器的开发与研究对贴片机运动控制具有实际的参考意义。 1 3 2 论文总体结构安排 第一章主要介绍了s m t s m d 应用的产生背景以及有关s m t s m d 方面知识的简要 介绍。再次介绍了贴片机设备在s m t s m d 行业领域中的应用价值及地位，说明了贴片 机研究的意义。然后对贴片机技术针对国内外的研究与发展的情况进行了详细的阐述。 最后对贴片机未来的发展趋势进行分析并提出一些具体可行的改进要求。 6 长安大学硕士学位论文 第二章首先主要提出了贴片机整机的机构的设计方案，分别针对了贴装头的运动行 程对z 轴传动系统提出了两种设计方案( 由于本课题工作量庞大，本文作者只完成z 轴 凸轮机构设计，z 轴丝杠传动由本课题其他成员完成) ) 。其次针对贴片机的喂料系统进 行了优化设计并且通过u g 软件实现了整机的机构设计。然后针对贴片机整机系统中所 包括的各个子系统进行分类，并分别对其工作原理进行简要的阐述与说明。最后对整机 设计方案的工作过程进行了详细的说明。 第三章首先针对上一章提出的整机设计方案确定分别对整机所需的各个部件进行 选型确定并且说明了选用每一部件的作用与原因。其次通过查阅机械设计的经验公式与 机械设计手册相关计算公式和步骤，分别针对传动系统所需电机和同步带进行计算校核 与选型并对y 轴的危险接截面进行强度与刚度校核计算。然后提出凸轮机构的设计方 案，并通过实际运动情况给出了凸轮轮廓曲线的数学模型。通过a d a m s 软件实现了对 凸轮机构进行设计与仿真，并对仿真结果进行了分析。 第四章首先提出了贴片机在实际运动过程中的走样原理，针对x - y 轴联动的走样 过程提出了插补算法并对该算法做了详细的介绍。其次分别依据直线插补算法和圆弧插 补算法的定义对两种算法进行了数学建模与分析，进而归纳概括出了插补算法的实现流 程，并在v c h 开发环境下实现了插补算法的仿真，验证了插补算法的可行性。然后通 过计算机图学在v c + + 开发环境下基于o p e n g l 所提供的a p i 函数建立了虚拟样机的仿 真环境，该仿真环境的建立对于虚拟样机运动控制算法的仿真具有现实意义。 第五章主要对控制器软件及硬件进行了设计及说明。基于以a r mc o t e x m 3 为内核 的s t m 3 2 f 1 0 3 微控制器实现了p w m 波的输出。首先对步进电机的控制原理进行了简 单说明。其次通过微控制器上位机的集成开发环境对软件进行设计。然后通过实验输出 p w m 信号验证了软件设计环境的可行性并通过软件设置实现了p w m 占空比的连续变 化，p w m 信号的输出对于其他直流电机无极调速与灯具的亮度等模拟量信号的连续调 节具有实际参考意义。然后对控制系统硬件的搭建进行了整体的设计。针对控制器硬件 部分电路的设计进行了分析与说明。最后完整的说明了控制系统硬件的整体连接。 第六章是本文总结和展望，本章主要对本课题的研究进行了总结，并对未来的课题 研究进行了展望。 7 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 2 1 贴片机优化设计方案及其特点 随着数控技术的不断发展，日新月异的商业化竞争时代的到来。迫使我们针对不同 的s m t 产品提出了更高的设计要求。为此我们设计了满足商业市场竞争能力的一种贴 片机。参见下表比较两种贴片机的各种设计因素： 表2 1 贴片机设计特点对照表 设计因素传统贴片机优化设计的贴片机 整机安装零部件多而繁琐，不易安零部件相对较少，可用于 装，只有特定公司可生产d i y 爱好者手工制作，满 足不同的客户要求 价格因素成本高，价格昂贵，只有成本底，价格便宜，针对 特点的厂商生产，特定的不同的生产规模可用于不 客户购买，市场占有率不同规模的批量生产，市场 足。 占有率情景好。 精度，稳定性因素传统的贴片机采用机械对本中采用可调摄像头自动 中，精度较低，较晚的贴对焦来调整对中精度。精 片机采用视觉系统自动对度高，在5 0 u r n 左右，能 中。精度高，一般在够满足大多数电路板的贴 5 0 9 0 u m 之间。稳定性高装焊接要求。稳定性能高 整机尺寸传统的尺寸一般大于本文针对市场普遍的p c b 1 0 0 0 m m * 1 0 0 0 m m , 空间占板得尺寸，在满足工作性 用量大。能稳定的前提下。提出了 小型化设计的要求。面积 为6 0 0 m m * 5 0 0 m m 。节约 了空间。 从表中可以对比出本文所设计的传统的贴片机相比具有以下几点优势： 8 长安大学硕士学位论文 1 ) 安装方便，操作简单，普及率高。 2 ) 价格实惠，市场前景大。 3 ) 采用小尺寸设计模式，方便放置。 2 2 贴片机整机设计 设计起初参考了世界上各大s m t 公司的产品，总结了贴片机的设计流程和思路。 一般的贴片机设计思路可归纳为以下几点：首先是整机的机械传动系统的设计，包括贴 装头定位传动系统( 一般是采用三轴联动( x ，y ，z 轴) ，或者两轴联动( ) ( y 轴) ， 而z 轴独立运动) 和喂料槽传动系统。其次是视觉系统的对中和定位设计。最后是控制 系统的设计，包括控制系统的硬件，软件的设计以及数据反馈的设计。 图2 1 贴片机整机系统组成图 2 2 1 整机机构及传动系统的设计 1 、贴片机工作台及x - y 轴设计： 经过上述分析，本文中的针对贴片机整机的各个系统提出了不同的设计要求。 9 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 首先介绍机械传动的设计，因为他是其他系统的载体和基础。针对生产规模的不同， 这里我们提出里两种设计模式【1 7 】： ( 1 ) 针对小批量生产：采用x - y 联动机构，而z 轴采用凸轮机构设计来实现z 轴 的小行程运动。喂料槽放置于工作底板四角。 ( 2 ) 针对大批量生产：采用x - y 联动机构，而z 轴采用丝杠传动机构设计来实现 z 轴的大行程运动。喂料槽采用交错移动式上下两层结构。 图2 2 整机机构设计方案的提出 这里我们针对大批量生产所设计的x - y 联动机构。小批量生产只要去处滑动抽屉 式喂料槽即可。因为针对不同的批量生产选用不同的z 轴，所以这里的z 轴可切换安 装。经过设计分析，在u g 环境下分别设计贴片机的整机部件f 1 8 1 。 l o 长安大学硕士学位论文 图2 3 贴片机x - y 轴传动机构图 图2 4 双层喂科槽设计 如图中的设计方案，说明如下： 本文机械传动系统的设计采用x y 轴联动，而z 轴独立运动的形式进行设计。x y 轴的联动采用电机带动同步带。将x 轴的滑块卡在同步传送带上。y 轴直线光轴立式 支架通过连接板固定在x 轴滑块上。将y 轴滑块安装于y 轴直线光轴上。y 轴滑块是 用来安装z 轴机构部件的。x 轴右端滑块向外伸出连接板固定y 轴传动电机。y 轴电 机带动的带轮卡在y 轴滑块上，进而带动y 轴方向运动。则实现x y 轴联动。 工作平台采用价格低廉而且硬度适中的亚克力板，x 轴滑轨支撑采用铝合金型材， 价格低廉且易于安装。 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 喂料槽采用滚动抽屉模式，以铝合金型材内侧凹槽为抽屉导轨，将抽屉滑轨固定在 凹槽滑道内，滑轨有圆型滚子，将喂料槽板相应的配合滑轨卡在的固定铝型材凹槽上的 滚子滑轨上。便形成了抽屉模式的喂料槽。这里我们采用双层喂料槽模式。分别固定于 低端铝型材内侧，和上端铝型材内侧。两层同样采用电机带动同步带的方式实现喂料槽 的交错供料运动。“一一- 、 “ 2 、贴片机z 轴的设计： 一，二，? 一 本论文z 轴采用的两种设计方案，根据不同的选择更换不同的z 轴机构。下面是 在u g 环境下分别针对不同批量生产所设计的z 轴机构。这里只介绍针对小批量生产设 备。为了设计目标定位小批量生产，所以z 轴起初设计采用凸轮小行程机构【1 9 l 。 根据不同的设计要求我们提出不同的设计方案。将凸轮小行程设计分为凸轮双电 机双吸嘴式，和凸轮单电机双吸嘴式两种设计方案。 。， ，一一 7 ； 一 、 西 图2 5 凸轮双舵机双吸嘴式 一 第一种方案如图中设计方案说明如下： 为了加快贴片机的工作效率，本设计中采用双电机双吸嘴式设计，电机输出轴带动 长安大学硕士学位论文 凸轮转动从而将吸嘴架向下压，此时吸嘴架下安装复位弹簧。当凸轮从近休止点运动到 远休止点时，吸嘴向下运动到最低点。当凸轮从远休止点运动到近休止点时，吸嘴在弹 簧弹力作用下复位。在吸嘴架上固定减速步进电机轴连接同步带轮传动系中的小带轮， 另一端大带轮下固定吸嘴为一起转动。 图2 6 摆动凸轮单舵机双吸嘴式 第二种方案如图中设计方案说明如下： 本设计提出方案为采用凸轮单电机双吸嘴式设计。机构部件：贴装头( 包括吸笔， 吸盘，吸笔转动架，推拉电磁铁，以及吸笔气孔堵塞片，滑动角铝，减速步进电机，减 速传动带) ，固定于z 轴的角铝架，滑动光轴，凸轮驱动电机，凸轮，凸轮复位弹簧。 设计要求满足条件： ( 1 ) z 轴行程满足：2 0 m m - 3 0 m m 之间。 ( 2 ) 摆动凸轮的电机在z 轴支座上安装，复位弹簧于z 轴座底部安装。 ( 3 ) 为了实现工作效率的提高，z 轴底座需要安装两个吸嘴同时工作。 ( 4 ) 一个电机控制两个吸嘴的z 轴运动。 ( 5 ) 每个吸嘴座含有一个电磁铁。 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 ( 6 ) 一个控制吸笔转动的同步带减速电机装置。 ( 7 ) 自动对焦摄像头安装于吸嘴座下方。 在满足以上设计条件的基础上，分析凸轮单电机控制双吸嘴式工作情况。 假设电机逆时针方向转动，当电机转动一个角度时，左侧吸嘴座由于凸轮摆动向下运动， 同时右端摆动凸轮向上运动。此时左端吸嘴处于工作状态，而右端吸嘴处于休息状态。 而当电机反响旋转时，则左端处于休息状态，右端处于工作状态。 减速步进电机带动减速同步带轮的旋转来带贴片元件的位置，实现元器件的位置对中。 3 、贴装头吸嘴的布置及工作过程： ( 1 ) 贴装头吸嘴的设计 贴装头所包含的元器件：减速步进电机，减速同步带，旋转架( 安装电磁铁) 。真 空吸笔，吸盘，吸笔按钮接触器装置。针对不同型号和大小的贴装元器件，采用不同尺 寸的吸盘。真空吸盘是与真空吸笔或真空贴机配套使用的，。如图所 图2 7 配套使用的真空吸笔和吸盘 ( 2 ) 原理： 真空吸笔是利大气压差的原理来吸取元件的一种工具，使用真空吸笔摘取元件与用 镊子摘取元件相比，可以最大限度的避免碰掉周边的元件。使用的时候，将真空吸笔的 吸盘轻轻对准b g a 元件的中间就可以，然后吸住元件，并取下。如下图所示推拉电磁铁 装置。 1 4 ， 长安大学硕士学位论文 图2 8 推拉式电磁铁 ( 3 ) 工作步骤： 首先选择好与要吸放的i c 元件尺寸相对应的吸盘装在吸笔咀上 其次吸笔装好吸盘后，将吸盘轻轻对准i c 元件的中间( 在作贴装之前，元件表面要清 洁好，否则会影响吸笔的吸力) 再次采用推拉式电磁铁按通电按下，堵住吸笔侧面开孔，笔内的装置空气排出，吸 管内部压力低于外部大气压，此时吸笔上的吸盘可将元器件吸附。将被吸附的i c 元器 件放入p c b 板指定的位置后，然后对推拉电磁铁断电，推拉电磁铁在复位弹簧的作用 下松开。吸笔侧面开孔处处于为封闭状态，此时吸笔内外大气压相同，元器件由自身重 力自然脱落，放于指定位置。 2 2 2 视觉系统的组成与实现原理 ( 1 ) 系统的基本组成硬件及作用 视觉系统由两台独立自动调焦动摄像机和静摄像头组成，l e d 光源，图像采集卡， 图像处理控制卡，工业主控计算机系统组成。其中动摄像头与固定在贴装头下端，用于 拍摄元器件的取料和放置位置，静摄像头则用于检测和识别元件实现元器件的对中调 整。为了使成像清晰准确采用了l e d 光源，进而保证了贴装的精确性。图像采集卡用 于接收的图像信息转化为数字信号进而将数字信号进行存储，编码放大和处理。工业主 控计算机作用是将接收图像采集卡反馈回来的数字信号，进行分析与处理后将结果输出 到伺服控制系统调整元器件位置偏差。 ( 2 ) 贴片机视觉系统构成及实现原理 贴片机视觉系统一般是由两类c c d 摄像机组成。其是安装在贴装头下方，吸盘 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 上方并随之作x y 方向移动的动摄像机，它通过拍摄基板上p c b 上面的基准点的来确 定p c b 板在系统坐标系中的坐标位置；其二是用于对元器件的检测对中摄像机，用来 获取元件中心相对于吸嘴中心的偏差值和元件相对于应贴装位置的转角0 。最后通过摄 像机之间的坐标变换找出元件与贴装位置之间的精确偏差值，进而完成贴装任务。实现 贴装位置自动矫正是通过一系列坐标转化来实现的。分别是由动摄像头拍摄的放置p c b 板的基板图像坐标系，记录下此时元器件在图像坐标系下的位置，并将此图像坐标系转 化为与相机和图像相关联的机器坐标系。转化后元器件的摆放位置在机器坐标系中确 定，然后移动贴装头到静摄像头位置，由静摄像头进行拍照，图像坐标系记录下此时元 器件的中心坐标，将图像坐标转化为与相机和图像相关的机器坐标系，然后在同一机器 坐标系中比较元器件中心和吸嘴中心的坐标，两座标下的差异即为位置的偏差补偿。然 后根据统一机器坐标系下所确定的元器件贴装位置，有工业p c 主控制器将此坐标坐标 系下的数据发出，进而可以控制贴装头旋转，调整贴装头位置实现对中。如图示工作流 程【2 0 ，2 l l ： 图2 9 视觉系统工作流程圈 2 2 3 运动控制系统的设计原理 ( 1 ) 运动控制硬件组成：上位机( p c 机) ，下位机( 运动控制卡) ，数据传输线， 电机驱动器和电机组成。 ( 2 ) 控制流程为： 。一 。 在完整的运动控制流程中，上位机是针对控制器所选择的开发环境，针对控制器实 际应用情况来进行控制算法编程与设计。然后将这一程序通过数据传输线下载到控制器 中，此时控制器将此时的控制信号通过数据传输线传送到电机驱动器，进而驱动电机转 动，然后电机将旋转运动变为实际负载所需的直线运动或者其他运动形式。此论文中我 们采用a r m 公司推出的c o r t e x - m 3 ，s t m 3 2 f 1 0 3 作为下位机的微控制器。根据其提供 1 6 长安大学硕士学位论文 的软件为i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 作为其开发环境，通过上位机在开发环境中的程序 设计，完成控制器软件的编写1 2 2 捌。 运动控制系统的整体流程如下 遑箩 移 尊 如 姆 硼 k x 耀 7 、 电机 i t ，：+ f 弋夕 一、 ( 负载 。) ， 图2 1 0 运动控制流程图 2 3 整机机构设计确定及工作流程说明 综合上述贴片机各个机构部件的设计方案的提出，我们可归纳出本课题研究设计的 贴片机整机机构有如下特点如下表所示： 表2 2 整机设计特点参考表 生产规模设计亮点特点 大规模生产工作台采用x y 轴联动，与传统的贴片机f e e d e r 系 z 轴独立运动。独立双层统相比，此设计成本低， 屉式供料系统结构简单易于安装 1 7 第二章贴片机整机方案设计及各部件说明 小规模生产工作台采用x - y 轴联动，z 轴采用凸轮机构设计， z 轴采用凸轮式运动结构简单易于安装，价成 本低廉，运动行程易于控 制。 整机工作流程说明： 1 、x - y 坐标系统调整位置过程：x 轴采用电机同步带传动机构，将x 轴滑块固定 于同步带上，y 轴采用相同的机构，y 轴光杆支架和电机同步带固定于x 轴滑块上。 这样当x 轴电机接收到控制器发出的控制脉冲信号，经过驱动器放大驱动电机转动， 进而电机带动的同步带轮转动，同步带随着同步带轮的转动沿x 轴方向运动，与此同 时y 轴驱动电机接受到控制器令一路发出的控制脉冲信号，经驱动器功率放大后，电 机转动并带动y 轴同步带轮转动。同样将y 轴上的滑块固定与同步带的一端，随着带 轮的转动，同步带带动滑块沿着y 轴的方向运动。此时实现了x y 轴联动，进而实现 了贴装头x - y 坐标系统的定位。 2 、z 轴贴装头运动及吸嘴吸料过程：当贴装头沿着基板x - y 坐标系定位后，独立 运动的z 轴此时接受到由控制z 轴电机控制器发出的脉冲信号，信号经过驱动放大后， 驱动z 轴电机旋转，针对凸轮运动机构，将凸轮回转中心固定于电机输出轴，所以此时 凸轮以电机输出轴为中心旋转，进而实现凸轮从近休止到远休止运动，此时贴装头随着 凸轮转动沿z 轴方向克服复位弹簧弹力向下运动，再次运动过程中，安装在吸嘴转动架 的下端的摄像头( 动摄像头) 自动调焦距，对料盘中的贴片元件进行成像，并将此时记 录的图像信息传送到数据采集卡，由工业p c 控制图像采集卡，完成图像采集，此时再 将采集到的图像信号由工业p c 处理后，送到主程序。当到达最低点时，凸轮进入远休 止处，吸嘴吸盘达到最低点，吸嘴的吸盘接触到贴装元器件的表面，此时推拉电磁铁通 电，推拉电磁铁一端连有的气门堵塞片，在电磁铁通电后随着推拉电磁铁在克服弹簧力 的作用下向后拉，从而堵住吸管侧面的气门。由吸管内外的气压不同，此时吸盘将元器 件吸气，随着凸轮转过远休止角后，凸轮开始从近休止到远休止过度，此时贴装头在复 位弹簧的弹力作用下沿着z 轴向上运动。当到达凸轮近休止阶段时，驱动凸轮电机停止 转动，此时驱动沿x - y 轴运动的传动电机【2 4 , 2 鄂。将取来的贴装元器件搬运到基板上的 固定的摄像头处( 也称静摄像头) ，静摄像头经主控程序接收经过动摄像头采集的元器 1 8 长安大学硕士学位论文 件图像信号以及p c b 板元器件的坐标信号后。经图像采集卡传给主控制卡，主控制卡 接收到此时的信息，经处理与分析后发出控制信号，进而对元器件识别，检测与对中。 而后贴装头沿x y 运动找到p c b 焊盘上相对应的的原件坐标，z 轴凸轮机构运动将元 。j ，一 器件放置于p c b 板上指定位置。 3 、喂料槽供料过程：因为考虑到供料的多少，与供料的尺寸大小所占用基板的空 间，避免供料时出现供料紧张而影响贴片机的工作效率，这里所设计喂料槽是针对元器 件多而且复杂的p c b 贴装，属于大批量喂料供给系统。此时z 轴采用大行程运动的丝 杠运动。首先驱动z 轴电机使贴装头沿着z 轴方向向上运动。之后驱动喂料槽电机， 电机带动同步带，供料槽沿着x 轴方同步带向贴装所在位置运动，运动到贴装头下端 后，通过x - y 轴运动进行位置调整，找到所需贴装的元器件，移动z 轴进行取料。取 料完成后，料槽沿x 轴方向运动离开贴装头。此时贴装头经过静摄像头对中后将元器 件放入p c b 板指定位置脚7 l 。 本章小结 本章主要提出了贴片机整机的机构的设计方案，首先提出了本设计方案的特点所 在。分别针对了贴装头的运动行程对z 轴传动系统提出了两种设计方案。其次针对贴片 机的喂料系统进行了优化设计并且通过u g 软件实现了整机的机构设计。然后针对贴片 机整机系统中所包括的视觉系统和控制系统作出归纳，并分别对其工作原理进行简要