PCB分板機的結(jié)構(gòu)設計研究

張俊玲 邵云飛 王繼榮 部雙雙 牛山 蘇明順 任久帥

摘要：? 為提高印制電路板（printed circuit board，PCB）分板的自動化水平，實現(xiàn)與后續(xù)工序的良好銜接，本文基于Solidworks三維建模軟件，對PCB分板機進行研究。設計了PCB分板機的工作流程和主要機構(gòu)，建立了PCB分板機的三維模型，模擬了PCB分板機模型的運動過程，并觀察PCB分板機模型的運動過程是否會產(chǎn)生干涉，同時根據(jù)模擬結(jié)果，修改分板機模型，使其運動過程中不產(chǎn)生干涉，實現(xiàn)了與生產(chǎn)線后續(xù)工序的銜接，協(xié)調(diào)完成整個PCB板分板檢測包裝生產(chǎn)線的運作，提高了生產(chǎn)線效率。該研究對PCB分板生產(chǎn)線具有較好的理論和應用價值。

關(guān)鍵詞：? 印制電路板;? PCB分板機;? 自動化; 機構(gòu); 三維建模; 干涉

中圖分類號： TH122 文獻標識碼： A

印制電路板是信息產(chǎn)業(yè)的基礎，在眾多領域中應用相當廣泛。因此，PCB的制造品質(zhì)不僅影響電子設備的可靠性，而且還影響系統(tǒng)產(chǎn)品的整體競爭力[14]，在變化多端的全球經(jīng)濟及產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢下，PCB行業(yè)一直在持續(xù)增長[5]。常用的PCB面積不大，企業(yè)通常是拼板批量生產(chǎn)，然后將拼板分成一個個小板[67]，因此PCB分板是PCB生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，PCB分板主要有切割和沖壓兩種形式。在切割方面，Contour Fine Tooling 公司[8]將熱源切割技術(shù)應用于工業(yè)生產(chǎn)，極大地提高了切割的生產(chǎn)效率，增大了刀具的附加值;Binayak Bhandari等人[9]針對雙面覆銅印制電路板，繪制了鉆削的毛刺控制圖，該圖表為鉆削的參數(shù)選擇提供了參考;R.Adalarasan等人[10]研究了非接觸式CO2激光切割技術(shù)在第二代金屬基復合材料的應用;仵桂學等人[11]研究設計一款基于機器視覺的PCB分板數(shù)控系統(tǒng)，并設計了一套基于視覺路徑的編程方法;莫玉華等人[12]對PCB板切割設備切割刀頭深度控制進行研究，解決了切割PCB 板V槽的深淺問題，有效保護切割器刀頭;宋維建等人[13]對激光切割控制系統(tǒng)進行研究，實現(xiàn)生產(chǎn)線上在線自動監(jiān)測，降低了切割過程中的人工干預;范春衛(wèi)等人[14]研究了切割機的運動控制方法，實現(xiàn)了切割機多軸運動控制。在沖壓分板方面，方貴本等人[15]生產(chǎn)了一種PCB自動分板及自動測試裝置，提高了PCB分板的自動化程度;寧志剛等人[1618]對應用在不同行業(yè)的沖壓設備進行優(yōu)化研究，使其在生產(chǎn)線中得到良好應用。沖壓分板與切割分板相比，速度快，模塊化程度高[1920]。因此，針對PCB分板包裝生產(chǎn)線的設計要求和生產(chǎn)節(jié)拍，本文設計了一種沖壓分板機構(gòu)，并基于Solidworks三維建模軟件，對PCB板沖壓分板機進行結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)了與生產(chǎn)線后續(xù)工序的銜接，協(xié)調(diào)完成整個PCB板分板檢測包裝生產(chǎn)線的運作，提高了生產(chǎn)線效率。該研究為印制電路板分板生產(chǎn)線提供了理論依據(jù)。

1 PCB分板機的工作流程

1.1 PCB板的主要參數(shù)

分板前，PCB拼板的尺寸為234 mm×149 mm（長×寬），PCB拼板尺寸如圖1所示;分板后，PCB單板尺寸為65 mm×45 mm（長×寬），模塊整體高為24 mm，基板厚度為2 mm，分板后單板尺寸如圖2所示。

已知沖裁長度、PCB板的厚度和材料的剪切強度可以計算沖壓力。該PCB板的材料為FR4，剪切強度為517 MPa，對沖壓力進行計算。

1.2 PCB分板機的工作流程

本次設計的PCB包裝生產(chǎn)線現(xiàn)生產(chǎn)模式主要由分板、掃碼、測試、裝箱等部分組成。本論文主要研究PCB包裝生產(chǎn)線的分板模塊，為了提高PCB包裝生產(chǎn)線的自動化水平，研究設計了一款全自動PCB分板系統(tǒng)。

本文設計的PCB分板機主要由分板機構(gòu)、傳送機構(gòu)和頂起機構(gòu)組成。工作時，將PCB整拼板放入分板機下模具中，人工放板時間約3 s，傳送機構(gòu)在2 s內(nèi)將PCB整拼板送到?jīng)_壓分板位置;分板機的加壓機構(gòu)開始工作，加壓機構(gòu)從開始到完成需在4 s內(nèi);沖壓完成后，傳送機構(gòu)要在2 s內(nèi)完成;頂起機構(gòu)工作，將小板撐開，用時2 s;小板分離后，傳送機構(gòu)將PCB板送到分板機末端，等待機械手抓取小板，機械手抓取小板時間為3 s;機械手抓取小板完成后，工作臺回到開始位置，等待人工放板，用時4 s。因此，完成1塊PCB板整板的分板時間共需20 s。

2 PCB分板機的結(jié)構(gòu)設計

2.1 分板機構(gòu)

分板機構(gòu)的動力源是氣缸，利用氣缸產(chǎn)生的壓力對PCB板進行沖壓分板，使其邊料被沖落。分板機構(gòu)主要由上模、下模、刀具、上模座、下模座、導柱、限位塊和定位塊等組成。分板機構(gòu)模型如圖3所示。

刀具采用平刃刀，刀刃形狀與PCB板需落料處的形狀相吻合;限位塊的作用是防止沖壓過程中刀具運動過位，對PCB板造成破壞;導柱的作用是導向，引導上模和下模以正確的位置運動，導柱安裝在上模板，兩個導柱對角布置;定位銷安裝在上模，用來精確定位上模和下模的相對位置;下模主要用來固定PCB板，使其在沖壓過程中不發(fā)生移動（PCB板的定位部分見圖3）;下模固定在下模座上，用螺紋連接方式，采用3個螺紋孔緊固和2個銷孔定位;上模固定刀具的部位和主要運動機構(gòu)，刀具與上模采用螺紋連接方式，上模固定在上模座上，采用3個螺紋孔緊固和2個銷孔定位。

上模和下模是沖壓過程中的主要工作部分，通過上模運動，實現(xiàn)PCB板的沖壓分板。當工作臺通過傳動機構(gòu)運動到分板位置時，氣缸開始運動，上模和刀具在氣缸的帶動下向下運動，刀具和PCB板接觸時對PCB板產(chǎn)生壓力，刀具繼續(xù)向下運動，直到PCB板邊料完全脫落。沖壓分板完成后，氣缸上升復位，頂起機構(gòu)開始工作，擴寬10塊PCB小板之間的距離，后工作臺繼續(xù)向前運動，直到機械手抓取小板的位置，機械手抓取完成后，工作臺回到開始位置，等待下一次分板。

2.2 傳送機構(gòu)

直線傳送機構(gòu)主要有滾珠絲杠型和同步帶型兩種。由于沖壓時會產(chǎn)生較大的力，而且每次工作完成都要改變運動方向，使工作臺回到開始位置。由于同步帶型不適用于頻繁改變運動方向的場合，所以此次傳送機構(gòu)采用滾珠絲杠傳送。

滾珠絲杠傳送不僅可以滿足高精度的要求，而且具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、同步性好、使用壽命長等優(yōu)點。在滾珠絲杠的上方加了風琴保護罩，風琴保護罩可以保護內(nèi)部的直線導軌和滾珠絲杠，提高直線導軌和滾珠絲杠的使用壽命，在運動過程中也可以起到減少工作臺振動的作用。

傳動機構(gòu)負責將工作臺傳送到指定的位置，工作臺主要有3個位置，第1個位置是人工放板的位置，第2個位置是沖壓分板的位置，第3個位置是機械手抓取小板的位置。人工放板位置與沖壓分板位置的距離為400 mm，要求在2 s內(nèi)能夠走完，即滾珠絲杠的速度要求能夠達到200 mm/s;從沖壓分板的位置到機械手抓取小板位置，距離也為400 mm，要求同上，所以在選擇絲杠時，要求直線速度為200 mm/s。另外，工作臺的質(zhì)量約為50 kg。根據(jù)要求選擇絲杠型號為：公稱直徑20 mm，導程5 mm，螺紋旋向右旋;電機選擇安川伺服電機，型號為SGM7J01A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 rad/min，直接與絲杠連接時，絲杠的直線速度為250 mm/s，可以達到速度要求。

2.3 頂起機構(gòu)

PCB板通過分板機分完板后進入下一工序時，需要機械手將分完板后的小板抓起。但由于直接分完板后，每塊小板間隔很小，對機械手的抓取造成了困難。因此，在機械手抓取小板之前，設計頂起機構(gòu)，擴大小板之間的間隙，有利于機械手的抓取。

頂起機構(gòu)設計有兩種方案：一是利用氣缸直接在垂直方向運動，頂起機構(gòu)方案1如圖4所示;二是利用斜面機構(gòu)使氣缸在水平方向運動，斜塊在垂直方向運動，頂起機構(gòu)方案2如圖5所示。

方案1直接利用氣缸的垂直運動實現(xiàn)頂針（藍色件）的升降，在垂直空間內(nèi)所占據(jù)的空間大，會使機器整體不緊湊，浪費空間;方案2利用斜塊機構(gòu)，將氣缸水平方向的運動轉(zhuǎn)換成頂針垂直方向運動，最大限度的節(jié)省空間，所以頂起機構(gòu)選擇方案2。

方案2的工作原理：動力源是2個相同的氣缸，工作時2個氣缸同時運動，速度相同，以保證頂針部分在水平方向的位置不變。頂針部分的頂端采用三角形結(jié)構(gòu)，隨著頂針的上升，頂針會從PCB板的間隙部分慢慢升起，頂針的寬度逐漸大于PCB小板之間的間隙，實現(xiàn)將PCB小板之間的間隙擴大到適合機械手抓取的大小。

2.4 分板機整體結(jié)構(gòu)

分板機整體三維模型如圖6所示，分板機控制系統(tǒng)采用PLC，另外分板機必須有廢料收集裝置，而廢料收集裝置能保證生產(chǎn)線的正常運行，不可在機器運行中進行清理，所以廢料收集裝置必須有足夠的容量。

在設計下模時，特意考慮到了PCB板廢料的收集，留下了落料空間。PCB板分板完成后，廢料自動從夾具上空出的位置，經(jīng)過廢料導向漏斗，落到廢料收集盒內(nèi)，每次工作完成后，清理廢料收集盒內(nèi)的廢料，廢料收集盒易于取放，操作方便。

3 結(jié)束語

針對實際生產(chǎn)線，本文設計了一種PCB分板機。該設計實現(xiàn)了PCB的分板、傳輸，能夠很好地與后續(xù)檢測裝置配合使用。頂起機構(gòu)設計解決了機械手抓取小板時空間限制的問題，以及分板機與檢測機之間小板的傳輸問題。本文也存在一定的不足之處，無法實現(xiàn)自動放板，還需人工放板，后續(xù)研究可以改進結(jié)構(gòu)，使其實現(xiàn)自動放板。該設計提高了PCB分板的檢測效率和PCB生產(chǎn)線的自動化水平，具有較高的使用價值。

參考文獻：

[1] 鄭金志.? 基于PCB圖像的HE增強與FCM分割算法研究[D]. 重慶： 重慶師范大學，? 2015.

[2] 童楓. Prismark談PCB行業(yè)發(fā)展與市場變化[J]. 覆銅板資訊， 2015（2）： 1921.

[3] 姬麗娟， 竇富萍， 鄧強， 等. 基于六軸機器人的PCB智能插裝站控制系統(tǒng)的研究[J]. 制造業(yè)自動化， 2018， 40（2）： 153156.

[4] 陳力. PCB板自動檢驗與分揀系統(tǒng)設計[J]. 科技與創(chuàng)新， 2017（23）： 99100.

[5] 龔永林. 2014年印制電路產(chǎn)業(yè)回顧與今年展望[J]. 印制電路信息， 2015， 23（2）： 512.

[6] 李旭沐. PCBA分板與開短路淺析[J]. 印制電路信息， 2013（9）： 6470.

[7] 戴晨陽， 張雪吟， 胡凱. PCB分板過程的應力分析與評估[J]. 工業(yè)控制計算機， 2016， 29（8）： 131132， 134.

[8] 張著軍. 天然金剛石刀具的激光切割技術(shù)研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學， 2014.

[9] Binayak B， Hong Y S， Yoon H S， et al. Development of a microdrilling burrcontrol chart for PCB drilling[J]. Precision Engineering，2014， 38（1）： 221229.

[10] Adalarasan R， Santhanakumar M， Rajmohan M. Optimization of laser cutting parameters for Al6061/SiCp/Al2O3，composite using grey based response surface methodology （GRSM）[J]. Measurement， 2015， 73： 596606.

[11] 仵桂學. 基于機器視覺的PCB分板數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)[D]. 廣州： 廣東工業(yè)大學， 2016.

[12] 莫玉華. PCB板V割設備切割刀頭深度的PID控制[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2014（32）： 117.

[13] 宋維建， 張鵬程. 智能激光切割控制系統(tǒng)的研究和應用[J]. 金屬加工（熱加工）， 2014（8）： 4243.

[14] 范春衛(wèi). 光纖激光切割機的運動控制方法研究與應用[D]. 上海： 東華大學， 2014.

[15] 方貴本， 李鋒. 一種PCB自動分板及自動測試設備[J]. 裝備制造技術(shù)， 2017（9）： 148151.

[16] 寧志剛. 自動化沖壓生產(chǎn)線技術(shù)研究[D]. 長沙： 湖南大學， 2014.

[17] 候桂葉. 基于DEFORM的沖壓模具設計的仿真與分析[D]. 成都： 電子科技大學， 2015.

[18] 崔俊超. 開瓶器沖壓模具及沖壓自動送料設計[D]. 邯鄲： 河北工程大學， 2016.

[19] 吳倩. 探討沖壓模具設計的思路與發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 科學與財富， 2017（34）： 253.

[20] 梁甫. 淺談沖壓模具的設計與加工[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2017（28）： 110.

[21] 王樹勛. 模具實用技術(shù)設計綜合手冊[M]. 廣州： 華南理工大學出版社， 1995.

[22] 王新華， 袁聯(lián)富. 沖模結(jié)構(gòu)圖冊[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社， 2003.

[23] 魏春雷， 徐慧民. 沖壓工藝與模具設計[M]. 北京： 北京理工大學出版社， 2009.

[24] 龔勇鎮(zhèn)， 黃永生， 廖輝， 等. U形金屬件的沖壓模具設計[J]. 機械制造， 2016， 54（11）： 6567.

[25] 鐘翔山. 沖壓模具設計實例精選[M]. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2012.