貼片機(jī)工作頭測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何旭平，任保勝，祁玉斌，孫連雨

（山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，山東 聊城 252000）

貼片機(jī)工作頭測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何旭平，任保勝，祁玉斌，孫連雨

（山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司，山東 聊城 252000）

貼裝工作頭是貼片機(jī)的核心部分，主要負(fù)責(zé)完成對(duì)電子元器件的吸取與放置工作，是集氣、電、精密機(jī)械、傳感與控制于一體的高精密裝置。由于貼裝工作頭本身的精度及速度將直接影響最終設(shè)備的貼裝精度及速度，所以在貼裝工作頭安裝使用前，通過(guò)使用專門的測(cè)試工裝進(jìn)行性能測(cè)試是非常重要的。主要介紹了一套工作頭測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法，通過(guò)該系統(tǒng)保證工作頭各電機(jī)動(dòng)作、傳感器狀態(tài)等符合設(shè)計(jì)要求。

貼片機(jī)；工作頭;測(cè)試系統(tǒng)；測(cè)試工裝

1 引言

貼裝工作頭是貼片機(jī)進(jìn)行貼裝工作的直接結(jié)構(gòu)，是貼片機(jī)的關(guān)鍵部件[1]。貼裝工作頭通過(guò)機(jī)電控制系統(tǒng)使各結(jié)構(gòu)能夠協(xié)同工作，在取料后經(jīng)過(guò)圖像處理，把元件準(zhǔn)確貼放在 PCB 板的指定位置。貼裝工作頭對(duì)貼片機(jī)的速度、精度及柔性具有極其重要的作用，現(xiàn)在主要生產(chǎn)廠商都具有各自特色的貼裝工作頭。

從主流貼裝頭結(jié)構(gòu)形式看，主要有平動(dòng)式、轉(zhuǎn)動(dòng)式和組合式 3 種，轉(zhuǎn)動(dòng)式中又細(xì)分為轉(zhuǎn)塔式、旋轉(zhuǎn)式和小轉(zhuǎn)塔式 3 種，而組合式則是平動(dòng)式和轉(zhuǎn)輪式的組合[2,4]。

本文針對(duì)貼裝工作頭的功能需求，設(shè)計(jì)了一套貼裝工作頭的測(cè)試系統(tǒng)，并通過(guò)該測(cè)試系統(tǒng)使貼裝頭各電機(jī)動(dòng)作正常運(yùn)行，傳感器安裝及信號(hào)正常，各動(dòng)作時(shí)序正常并保證與機(jī)械充分磨合，保證氣路壓力值達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，提高貼裝工作頭的可靠性，滿足貼裝頭正常生產(chǎn)需要。

2 貼裝工作頭原理

貼裝工作頭是貼片機(jī)的核心部件，主要完成對(duì)電子元器件的真空拾取、位置的檢測(cè)調(diào)整和元件貼放三種動(dòng)作[5]。

具體動(dòng)作是，貼裝工作頭在 X-Y 機(jī)械手的帶動(dòng)下移動(dòng)且定位到元件供給裝置處的元件中心上，末端安裝有吸嘴的拾取軸在貼裝工作頭本身的Z軸伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下使吸嘴接觸元件，此時(shí)吸嘴內(nèi)通入負(fù)壓將元件拾取。重復(fù)該流程直至所有吸嘴完成元件拾取后，貼裝工作頭移動(dòng)到固定在機(jī)架上的相機(jī)上方進(jìn)行拍照，以對(duì)每個(gè)元件的位置進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整。拍照完畢后，貼裝工作頭移動(dòng)到印制電路板（PCB 板）上方，Z軸馬達(dá)帶動(dòng)拾取軸將每個(gè)吸嘴末端吸附的電子元器件按照指定的位置放置在焊點(diǎn)上。與此同時(shí)，氣路切換單元將負(fù)壓切換為正壓以使元件與吸嘴脫離。至此，貼裝工作頭完成整個(gè)貼裝循環(huán)。

3 測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

本文主要設(shè)計(jì)了一套貼裝工作頭測(cè)試系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括 PC 主機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電源模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、貼裝工作頭、氣路測(cè)試模塊等組成部分。

PC 主機(jī)主要用來(lái)運(yùn)行上位機(jī)界面，便于操作者按鈕操作、檢測(cè) IO 狀態(tài)，同時(shí)調(diào)試電機(jī)與控制卡的整定參數(shù)等。

控制卡是控制系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、I/O 檢測(cè)等部分控制，PC 主機(jī)指令發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制卡，由控制卡將指令轉(zhuǎn)換為電機(jī)實(shí)際執(zhí)行的動(dòng)作指令，完成控制動(dòng)作的目的，同時(shí)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

伺服驅(qū)動(dòng)器是用來(lái)控制伺服電機(jī)的一種控制器，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應(yīng)用于高精度定位系統(tǒng)，一般是通過(guò)位置、速度和力矩三種方式對(duì)伺服馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。

伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是動(dòng)作的執(zhí)行者。

傳感器是用來(lái)檢測(cè)動(dòng)作完成與否的反饋信號(hào)，通過(guò)傳感器檢測(cè)各組成部分的狀態(tài)，再把信息傳送到控制部分進(jìn)行邏輯控制[3]。在運(yùn)行中傳感器發(fā)揮信息采集作用。如圖1所示為貼裝工作頭測(cè)試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖[6]。

氣源用來(lái)提供正壓 0.5 MPa，負(fù)壓-100 kPa。流量計(jì)用來(lái)測(cè)量吸嘴流量。氣壓表用來(lái)顯示工作頭吸嘴的正負(fù)壓值。貼裝工作頭氣路測(cè)試的硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 貼裝工作頭測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖2 貼裝工作頭氣路測(cè)試示意圖

4 測(cè)試內(nèi)容及步驟

上位機(jī)操作界面分為幾個(gè)部分：傳感器測(cè)試部分、貼裝工作頭步進(jìn)電機(jī)部分、貼裝工作頭伺服電機(jī)部分、伺服各軸原點(diǎn)位置及負(fù)壓檢測(cè)。

測(cè)試步驟為：測(cè)試時(shí)針對(duì)不同類型的工作頭進(jìn)行選擇，進(jìn)行初始化設(shè)置。

（1）貼裝頭傳感器包括撥叉回零、吸嘴有無(wú)檢測(cè)，吸嘴下降 OFF，在測(cè)試時(shí)安裝 0.7 mm 標(biāo)定吸嘴，點(diǎn)擊“檢測(cè)”，如果檢測(cè)合格右側(cè)的顏色會(huì)變?yōu)榫G色，否則為紅色，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的傳感器安裝位置是否合適?！罢婵掌茐碾姶砰y”按鈕是配合吸嘴壓力檢測(cè)裝置控制工作頭吸嘴終端的壓力切換，模擬實(shí)際工作中取放元件時(shí)電磁閥的動(dòng)作，使用標(biāo)定吸嘴測(cè)試吸嘴口的正壓和負(fù)壓值，工作頭正壓要求 6.0～8.0 kPa 之間，流量0.5 L/min；負(fù)壓-80～-95 kPa 之間，流量 1.0 L/min?！拔烨鍧嶋姶砰y”測(cè)試要求為正壓在 30～40 kPa 之間，流量 1.2 L/min。

（2） 貼裝頭步進(jìn)電機(jī)測(cè)試，“回原點(diǎn)”、“上 行 ”、“下行”測(cè)試要求動(dòng)作到位，回原點(diǎn)動(dòng)作執(zhí)行完成后撥叉在原點(diǎn)位置并且測(cè)試 100 次均滿足，通過(guò)示波器測(cè)試上/下行的動(dòng)作時(shí)間為 30 ms為合格，否則重新調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)位置。

（3）貼裝工作頭伺服電機(jī)測(cè)試，首先設(shè)置 Z 軸的上 限 位 15000 cts， 下 限 位 在 6000 cts，Z 原 點(diǎn) 位 置13000±500 cts，R/θ 軸原點(diǎn)位置根據(jù)機(jī)械標(biāo)簽位置設(shè)定，需要在實(shí)際機(jī)器中配合固定相機(jī)拍照確定原點(diǎn)位置后保存記錄，此處不影響其他參數(shù)的設(shè)置，具體調(diào)整步驟不再詳細(xì)敘述。以上數(shù)據(jù)保存后，即可依次進(jìn)行 R/θ/Z 軸的 JOG 測(cè)試，第一次電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)快，依次觀察電機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作是否有異常，保持電機(jī)持續(xù)正/反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)異常后適當(dāng)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速至2000 rpm，保持 R/θ 軸持續(xù)運(yùn)動(dòng)半小時(shí)以上，再控制 Z軸運(yùn)動(dòng)無(wú)異常。然后電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制包括步進(jìn)電機(jī)、電磁閥等按照實(shí)際的工藝動(dòng)作要求進(jìn)行三個(gè)等級(jí)速度聯(lián)動(dòng)測(cè)試，每次測(cè)試時(shí)間逐漸拉長(zhǎng)，并注意在機(jī)械結(jié)構(gòu)上涂抹潤(rùn)滑油，在規(guī)定的測(cè)試時(shí)間內(nèi)無(wú)異常即為合格。

工作頭完成以上測(cè)試后，需要在整機(jī)中進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試工作，進(jìn)行多次吸取貼裝測(cè)試貼裝精度。由于對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的制造精度等級(jí)進(jìn)行了嚴(yán)格控制，并制定規(guī)范的組裝工藝，每一個(gè)工作頭按要求組裝，就能夠保證測(cè)試時(shí)快速完成參數(shù)的設(shè)置及老化測(cè)試，從而保證工作頭盡快達(dá)到上機(jī)使用的目的。工作頭測(cè)試界面如圖3所示。

圖3 貼裝工作頭測(cè)試界面

工作頭測(cè)試工作完成后安裝到整機(jī)，工作頭的定位及校正是通過(guò)固定相機(jī)拍取安裝在工作頭上的定位裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。定位裝置上有四個(gè)點(diǎn)，由相機(jī)拍取圖像進(jìn)行吸嘴標(biāo)定，由圖像獲取各吸嘴相對(duì)定位裝置標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)，獲取工作頭的安裝精度。貼裝頭類型的識(shí)別通過(guò)機(jī)器視覺(jué)有兩種方式：一種是識(shí)別二維碼，另一種是識(shí)別字符類型。工作頭的測(cè)試還需要通過(guò)實(shí)際的取放元件，由貼裝精度及拋料率的數(shù)據(jù)信息來(lái)進(jìn)一步判定。

吸嘴也是工作頭能否完成最終工作的重要保證，吸嘴主體為不銹鋼材料，為保證整體剛度，材料牌號(hào)是 SUS303CU，同時(shí)為了降低成本，僅在末端鑲嵌并粘結(jié)有陶瓷材質(zhì)的吸嘴。采用陶瓷吸嘴的優(yōu)點(diǎn)為：

（1）吸嘴嘴頭不存在發(fā)白現(xiàn)象，易于視覺(jué)分辨；

（2）在高速貼片機(jī)生產(chǎn)中不因速度高而帶上靜電；

（3）其耐磨性比鎢鋼和鉆石鋼材質(zhì)都高，使用壽命更長(zhǎng)。

工作頭適合加工元件尺寸為 0402～□5。貼裝精度（cpk≥1）為±40 μm。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的貼裝工作頭測(cè)試系統(tǒng)主要針對(duì)工作頭安裝到整機(jī)前的測(cè)試工作。本測(cè)試裝置簡(jiǎn)單實(shí)用，保證電機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝、傳感器安裝及氣路測(cè)試在要求的范圍內(nèi)。該裝置充分磨合各機(jī)械運(yùn)動(dòng)部位，在此基礎(chǔ)上對(duì)影響最終精度的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，整定一套滿足貼裝速度及精度要求的合理參數(shù)。氣路測(cè)試工裝的設(shè)計(jì)及測(cè)試，使氣路正負(fù)壓值在規(guī)定的范圍內(nèi)，保證吸嘴可靠地取放元件。該工裝的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)將整機(jī)調(diào)試與貼裝工作頭調(diào)試同步進(jìn)行，節(jié)省了貼裝工作頭在整機(jī)上的調(diào)試時(shí)間。本文創(chuàng)新之處在于實(shí)現(xiàn)了一套工作頭測(cè)試工裝，該工裝滿足電機(jī)、傳感器及氣路安裝調(diào)試以及電機(jī)與機(jī)械、機(jī)械與機(jī)械的磨合等需要，并進(jìn)行了電機(jī)參數(shù)的整定。

[1]王天曦，王豫明，主編.貼片機(jī)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]龍緒明，主編.電子表面組裝技術(shù)——SMT[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]徐大林.表面貼裝工藝（SMT）[J].電子器件，1999.

[4]張婷舒.貼片機(jī)電氣系統(tǒng)與氣動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

[5]賈春艷.貼片機(jī)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[6]李強(qiáng).貼片機(jī)協(xié)調(diào)控制層軟件的研制與應(yīng)用[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

Design and Application of SMT Mounting Head Test System

HE Xuping,REN Baosheng,QIYubin,SUNLianyu
（Shandong RIFA Textile Machinery Co.Ltd，Liaocheng 252000,China）

Mounting head,a high-precision device integrating gas,electricity,precision machinery,sensing and control technologies and the core of the mounting machine,is mainly responsible for drawing and placing electronic devices.The precision and speed ofthe mounting head willdirectly affectthe precision and speed of the final equipment.Before the installation,it is necessary to conduct performance test using special test equipment.The paper introduces a setof mounting head testsystem and test method,which ensure that the system meets the design requirements.

mounting machine;mounting head;testsystem;testequipment

TN605

A

1681-1070 （2017）06-0045-03

何旭平（1966—），男，浙江新昌人，本科，現(xiàn)就職于山東日發(fā)紡織機(jī)械有限公司。

2017-1-24