微型晶體諧振器預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序優(yōu)化研究*

胡小華，喻信東，單小榮，胡 劍，李剛炎*

（1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.泰晶科技股份有限公司，湖北 隨州 441300）

0 引 言

微型晶體諧振器在電子產(chǎn)品中的主要作用是提供頻率信號(hào)[1]。隨著科技的發(fā)展，市場對(duì)高頻率、高精度的微型晶體諧振器的需求逐步提升[2-3]。微型晶體諧振器的生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，封裝是其最后一道工藝，封裝質(zhì)量直接決定了微型晶體諧振器的頻率穩(wěn)定性。國外對(duì)于微型晶體諧振器封裝技術(shù)與裝備的研究較早，日本AVIO公司研制的微型晶體諧振器封裝設(shè)備具有良品率高、報(bào)警率低等特點(diǎn)，但價(jià)格昂貴。因此，開發(fā)具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微型晶體諧振器封裝設(shè)備有著重要意義。

預(yù)封定位裝置是微型晶體諧振器封裝設(shè)備的重要組成部分，用于諧振器封裝前定位并預(yù)封封蓋和封裝底座。預(yù)封定位裝置應(yīng)滿足穩(wěn)定性、可靠性和高速性等性能要求。為此，需綜合考慮各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)長和動(dòng)作銜接，優(yōu)化預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序。

針對(duì)微型晶體諧振器預(yù)封定位裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)作時(shí)序難以規(guī)劃的問題，筆者對(duì)微型晶體諧振器預(yù)封定位裝置的動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行研究。

1 預(yù)封定位裝置性能要求

預(yù)封定位裝置有兩種工作模式：視覺檢測(cè)模式和自動(dòng)運(yùn)行模式。載料盤上的封裝底座共25行、30列，預(yù)封定位裝置加工前20列，余下10列由下一工位加工。預(yù)封定位裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 預(yù)封定位裝置結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知：（1）左取料機(jī)械臂由LP軸、左取料氣缸C2、左取料吸嘴組成，LP軸可使左取料吸嘴到達(dá)各工作位；左取料氣缸可使左取料吸嘴偏轉(zhuǎn)，便于吸嘴與封蓋吸合；右取料機(jī)械臂由RP軸、右取料氣缸C3和右取料吸嘴組成，其結(jié)構(gòu)功能與左取料機(jī)械臂一致。（2）左點(diǎn)焊機(jī)械臂由LS軸、左點(diǎn)焊輪和左點(diǎn)焊吸嘴組成，LS軸可使左點(diǎn)焊吸嘴和左點(diǎn)焊輪到達(dá)各工作位，左點(diǎn)焊輪可放電完成產(chǎn)品的焊接；右點(diǎn)焊機(jī)械臂由RS軸、右點(diǎn)焊輪和右點(diǎn)焊吸嘴組成，其結(jié)構(gòu)功能與左點(diǎn)焊機(jī)械臂一致。

D軸為直驅(qū)電機(jī)，可帶動(dòng)4個(gè)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)。L軸可使左校正夾松開夾緊，配合校正夾中間的左校正吸嘴，可限定封蓋位置，保證移載時(shí)的位置精度，R軸、右校正夾的結(jié)構(gòu)功能與上述一致。XYR校正平臺(tái)由載料盤、定位氣缸C1和XYR軸組組成，XYR軸組可移動(dòng)校正平臺(tái)至各工作位，定位氣缸可使載料盤頂起縮回，工業(yè)相機(jī)位于載料盤上方，可對(duì)載料盤上的封蓋進(jìn)行視覺校正。

左點(diǎn)焊吸嘴由電磁閥線圈R5、R6控制，R5通電吸真空，R6通電破真空，右點(diǎn)焊吸嘴由線圈R7、R8控制，控制方式與左點(diǎn)焊吸嘴一致；左取料吸嘴、右取料吸嘴、左校正吸嘴、右校正吸嘴由電磁閥線圈R9、R10、R11、R12控制，線圈通電時(shí)吸真空、斷電時(shí)停止吸真空。

預(yù)封定位裝置除應(yīng)滿足基本動(dòng)作要求外，還應(yīng)滿足穩(wěn)定、可靠和高效的要求。

具體性能要求及其指標(biāo)如表1所示。

表1 預(yù)封定位裝置性能要求及其指標(biāo)

2 預(yù)封定位裝置動(dòng)作流程設(shè)計(jì)

筆者首先對(duì)各傳感器的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行定義，如表2所示。

表2 傳感器狀態(tài)參數(shù)定義

V為1—視覺校正完成；S4為1—載料盤到位，可進(jìn)行預(yù)封定位作業(yè)；S5、S7、S9、S10、S11、S12狀態(tài)值為1—吸真空，狀態(tài)值為0—不吸真空，狀態(tài)值為-1—破真空；S13為1—封蓋到位，可供取料機(jī)械臂取料

同時(shí)，需定義各軸位置及其狀態(tài)值。D軸、L軸、LP軸、LS軸和XYR軸組的位置及其狀態(tài)值定義如表3所示（R軸、RP軸、RS軸位置編號(hào)與L軸、LP軸、LS軸一致，此處不予贅述）。

表3 軸動(dòng)作位置及其狀態(tài)值

2.1 預(yù)封定位裝置主控流程規(guī)劃

主控流程負(fù)責(zé)整體控制，系統(tǒng)狀態(tài)切換如圖2所示。

圖2 預(yù)封定位裝置系統(tǒng)狀態(tài)切換圖

根據(jù)圖2，任意狀態(tài)下發(fā)出急停命令，系統(tǒng)進(jìn)入急停狀態(tài)。只有急停狀態(tài)解除，系統(tǒng)才能進(jìn)入其他狀態(tài)。

2.2 預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序設(shè)計(jì)

在視覺檢測(cè)模式下，以左視覺檢測(cè)為例，XYR軸組移動(dòng)至左視覺位，D軸轉(zhuǎn)至90°位，左取料機(jī)械臂取料；取料完成后D軸轉(zhuǎn)至0°位，左取料機(jī)械臂放料；D軸再轉(zhuǎn)至90°位，左點(diǎn)焊機(jī)械臂取料；取料完成后D軸轉(zhuǎn)至0°位，左點(diǎn)焊機(jī)械臂放料。

該過程完成后對(duì)視覺校正模型修正，模型修正后再以相反步驟將封蓋取回。

自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，預(yù)封定位裝置周期性進(jìn)行焊接，XYR軸組移動(dòng)至左加工位，D軸向0°位轉(zhuǎn)動(dòng)，視覺校正系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)間隙對(duì)封裝底座進(jìn)行校正；D軸轉(zhuǎn)至0°位后，同時(shí)執(zhí)行右取料機(jī)械臂取料、左取料機(jī)械臂放料、左點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊、右點(diǎn)焊機(jī)械臂取料4種動(dòng)作；4種動(dòng)作執(zhí)行完畢后D軸轉(zhuǎn)至90°位，視覺校正系統(tǒng)對(duì)封裝底座進(jìn)行視覺校正；轉(zhuǎn)至90°位后執(zhí)行左取料機(jī)械臂取料、右取料機(jī)械臂放料、右點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊、左點(diǎn)焊機(jī)械臂取料4種動(dòng)作。

4種動(dòng)作完成后本焊接周期結(jié)束，D軸轉(zhuǎn)至0°位，開始下一周期，直至焊接完成。

引入?yún)?shù)Done代表自動(dòng)運(yùn)行是否完成，其初始值為0，為1表示完成；引入?yún)?shù)n、m分別代表載料盤上被加工產(chǎn)品的行數(shù)與列數(shù)，其初始值均為0，n值最大為24，m值最大為19。

自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，裝置以“蛇形方式”焊接，焊接單數(shù)列時(shí)，每焊接一個(gè)產(chǎn)品，n值加1，當(dāng)n值小于等于25時(shí)，令n值變?yōu)?4，m值加1，開始焊接相鄰雙數(shù)列；此時(shí)，每焊接一個(gè)產(chǎn)品，n值減1，當(dāng)n值小于等于-1時(shí)，令n值變?yōu)?，m值加1，開始焊接相鄰單數(shù)列。當(dāng)m值大于等于20時(shí)，表示該盤產(chǎn)品焊接完畢，令Done為1，可焊接下一盤。

焊接產(chǎn)生的高溫對(duì)點(diǎn)焊輪有損傷，因此，每焊接200次，需執(zhí)行點(diǎn)焊輪滾動(dòng)動(dòng)作，即XYR軸組移至滾輪位，LS軸移至滾輪位，此時(shí)點(diǎn)焊輪與載料盤恰好接觸，再移動(dòng)Y軸使點(diǎn)焊輪在載料盤上滾動(dòng)；每焊接100 000次，需更換點(diǎn)焊輪。設(shè)置參數(shù)E、G記錄左右點(diǎn)焊輪滾動(dòng)后焊接次數(shù)，E、G值升至200后，復(fù)位為0，并執(zhí)行點(diǎn)焊輪滾動(dòng)動(dòng)作；設(shè)置參數(shù)C、F記錄左右點(diǎn)焊輪總焊接次數(shù)，C、F值升至100 000后，復(fù)位為0，并更換點(diǎn)焊輪。

筆者以左點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊動(dòng)作為例介紹其動(dòng)作時(shí)序流程設(shè)計(jì)方法，如圖3所示。

圖3 左點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊流程

圖3中，用參數(shù)B表示單右邊點(diǎn)焊按鈕，B為1代表按鈕按下，左點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊動(dòng)作不執(zhí)行，B為0則左點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊動(dòng)作可執(zhí)行；DH[25][20]為二維數(shù)組，記錄當(dāng)前加工的第n行、第m列的產(chǎn)品是否焊接完成，為1表示焊接完成，為0表示焊接異常；Ngnum記錄連續(xù)焊接異常個(gè)數(shù)，Ngnum值為3時(shí)令參數(shù)Ng為1，表示需停機(jī)檢修。

點(diǎn)焊動(dòng)作開始，需確定此刻工況，若單右邊點(diǎn)焊按鈕按下，B不為0，則動(dòng)作直接結(jié)束；若左點(diǎn)焊吸料真空表S5不為1，則左點(diǎn)焊吸嘴上無封蓋，點(diǎn)焊動(dòng)作也直接結(jié)束；若V不為1，表示視覺校正錯(cuò)誤，則當(dāng)前產(chǎn)品加工失敗，DH（n,m）為0，Ngnum值加1，此時(shí)若Ngnum等于3，則表示系統(tǒng)故障，點(diǎn)焊動(dòng)作結(jié)束；若Ngnum小于3，則計(jì)算n、m、Done的值。此時(shí)若Done為1，表示自動(dòng)運(yùn)行完成，點(diǎn)焊動(dòng)作結(jié)束；若Done為0，則XYR軸組移至下一加工位，點(diǎn)焊動(dòng)作完成。

當(dāng)B為0、S5為1且V為1時(shí)，工況判定通過，可進(jìn)行點(diǎn)焊動(dòng)作。LS軸移動(dòng)至點(diǎn)焊位LS1，左點(diǎn)焊輪放電焊接，同時(shí)線圈R5斷電、R6通電，對(duì)產(chǎn)品吹氣降溫，100 ms后停止吹氣，焊接完成；LS軸回原位，并令C，E加1，判斷E是否小于200，不小于200則執(zhí)行左點(diǎn)焊輪滾動(dòng)動(dòng)作，小于200則設(shè)置DH（n,m）為1，Ngnum為0，表示當(dāng)前加工產(chǎn)品焊接正常；E值判定完成后計(jì)算n、m、Done的值，并判斷Done是否為0，不為0表示運(yùn)行完成，點(diǎn)焊動(dòng)作停止，為0則繼續(xù)進(jìn)行預(yù)封定位作業(yè)，XYR軸組移至下一加工位，本次左點(diǎn)焊臂點(diǎn)焊動(dòng)作完成。

3 預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序的仿真優(yōu)化

筆者運(yùn)用Simulink/Stateflow搭建預(yù)封定位裝置的有限狀態(tài)機(jī)模型，構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖并進(jìn)行仿真[4-6]。根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)時(shí)序流程進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 動(dòng)作時(shí)序模型的參數(shù)定義

筆者定義氣缸伸出和縮回狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)狀態(tài)值1、0；表3中各軸位置編號(hào)對(duì)應(yīng)各軸狀態(tài)值。

筆者設(shè)置XYR軸組運(yùn)行速度300 mm/s，啟動(dòng)初期加（減）速度300 mm/s2，由于啟動(dòng)時(shí)間較短，可忽略其加（減）速時(shí)間；設(shè)置L軸、R軸、LP軸、RP軸、LS軸、RS軸運(yùn)行速度150 mm/s，啟動(dòng)初期加（減）速度150 mm/s2。同理，可忽略其加（減）速時(shí)間；設(shè)置D軸速度300°/s。已知定位氣缸沖程耗時(shí)1.2 s，回程耗時(shí)1.5 s；左右移載氣缸沖程回程均耗時(shí)0.08 s；點(diǎn)焊耗時(shí)0.1 s。

筆者分別計(jì)算各軸運(yùn)動(dòng)位移及其時(shí)間。本研究以左取料機(jī)械臂和左點(diǎn)焊機(jī)械臂為例介紹各軸位移與時(shí)間，如表4所示。

表4 各軸運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間

3.2 基于Stateflow的動(dòng)作時(shí)序模型設(shè)計(jì)

裝置動(dòng)作時(shí)序模型的系統(tǒng)主控圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主控圖

圖4中，以屏幕按鈕、開關(guān)和傳感器的信號(hào)作為系統(tǒng)輸入[7-9]。筆者運(yùn)用Simulink模塊庫中的常數(shù)模塊表示True和False，利用手動(dòng)開關(guān)模塊Switch切換True或False[10]。系統(tǒng)輸出主要有兩部分：（1）系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以7個(gè)參數(shù)RunSig、RstSig、StpSig、EStpSig、PasSig、AlSig、InsSig對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、復(fù)位狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、急停狀態(tài)、暫停狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、視覺檢測(cè)狀態(tài)，參數(shù)值為1時(shí)表明系統(tǒng)進(jìn)入對(duì)應(yīng)狀態(tài)，任意時(shí)刻最多只能有一個(gè)參數(shù)值為1；（2）各執(zhí)行元件狀態(tài)，以C1、C2、C3對(duì)應(yīng)各氣缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以L、R、LP、RP、LS、RS、D、XYR對(duì)應(yīng)各軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.3 預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序仿真及優(yōu)化

預(yù)封定位裝置仿真時(shí)，點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊耗時(shí)1.02 s、點(diǎn)焊機(jī)械臂取料耗時(shí)0.71 s、取料機(jī)械臂取料耗時(shí)1.01 s、取料機(jī)械臂放料耗時(shí)0.72 s、單焊接周期耗時(shí)2.63 s、視覺檢測(cè)模式耗時(shí)8.97 s、焊接一盤耗時(shí)669.68 s，滿足高速性各指標(biāo)要求。

若在保證功能、避免碰撞的前提下，使部分執(zhí)行元件的動(dòng)作順序由依次執(zhí)行變?yōu)橥綀?zhí)行，則可顯著提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。根據(jù)裝置動(dòng)作時(shí)序仿真結(jié)果可知，一個(gè)焊接周期內(nèi)點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊、點(diǎn)焊機(jī)械臂取料、取料機(jī)械臂取料、取料機(jī)械臂放料4個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，但點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊動(dòng)作耗時(shí)最長，而D軸在4個(gè)動(dòng)作全部執(zhí)行完畢后才能轉(zhuǎn)動(dòng)至下一工位，為減少D軸等待時(shí)間，可使點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊的最后一步動(dòng)作與D軸轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行。

根據(jù)上述思路修改動(dòng)作時(shí)序模型，并再次仿真，此時(shí)4個(gè)機(jī)械臂中取料機(jī)械臂取料動(dòng)作耗時(shí)最長。同理，可使取料機(jī)械臂取料的最后一步動(dòng)作與D軸轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行。

筆者對(duì)優(yōu)化完畢后的動(dòng)作時(shí)序模型進(jìn)行仿真。優(yōu)化前后單焊接周期動(dòng)作時(shí)序?qū)Ρ热鐖D5所示。

由圖5可知：優(yōu)化后點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊耗時(shí)0.76 s，點(diǎn)焊機(jī)械臂取料耗時(shí)0.71 s，取料機(jī)械臂取料耗時(shí)0.93 s，取料機(jī)械臂放料耗時(shí)0.72 s，單焊接周期耗時(shí)2.45 s，視覺檢測(cè)模式耗時(shí)8.89 s，焊接一盤耗時(shí)621.76 s?？梢姡阅茌^優(yōu)化前提升7.17%。

4 預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述動(dòng)作時(shí)序設(shè)計(jì)的合理性，筆者進(jìn)行樣機(jī)試制，樣機(jī)如圖6所示。

圖6 預(yù)封定位裝置樣機(jī)

本研究試生產(chǎn)28盤共14 000個(gè)產(chǎn)品，其中封蓋丟失、未焊合、封蓋歪斜的不合格品數(shù)分別為3、2、4，不合格品率η為0.64‰，滿足穩(wěn)定性要求。

筆者記錄裝置12天內(nèi)的報(bào)警次數(shù)，如表5所示。

表5 系統(tǒng)報(bào)警次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表5可知，系統(tǒng)報(bào)警率μ為0.5次/天，滿足可靠性要求。

筆者依次測(cè)定裝置各動(dòng)作耗時(shí)，并計(jì)算各動(dòng)作耗時(shí)的平均值，可知點(diǎn)焊機(jī)械臂點(diǎn)焊平均耗時(shí)0.76 s、點(diǎn)焊機(jī)械臂取料平均耗時(shí)0.70 s、取料機(jī)械臂取料平均耗時(shí)0.93 s、取料機(jī)械臂放料平均耗時(shí)0.71 s、單焊接周期平均耗時(shí)2.45 s、視覺檢測(cè)模式平均耗時(shí)8.90 s、焊接一盤平均耗時(shí)646.72 s；與仿真結(jié)果對(duì)比，偏差為4.01%，滿足高速性要求。

由測(cè)試結(jié)果可知：預(yù)封定位裝置實(shí)際動(dòng)作時(shí)間與仿真結(jié)果較吻合，驗(yàn)證了流程設(shè)計(jì)的正確性；且焊接不合格情況滿足穩(wěn)定性要求，裝置報(bào)警次數(shù)滿足可靠性要求，各動(dòng)作耗時(shí)滿足高速性要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)微型晶體諧振器封裝設(shè)備的預(yù)封定位裝置，筆者運(yùn)用仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)的方法對(duì)其動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了預(yù)封定位裝置的動(dòng)作時(shí)序，得到了各動(dòng)作的流程圖；基于有限狀態(tài)機(jī)理論，使用Simulink/Stateflow構(gòu)建了預(yù)封定位裝置的動(dòng)作時(shí)序模型；以模型仿真結(jié)果為依據(jù)對(duì)預(yù)封定位裝置動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后各動(dòng)作的時(shí)序圖與時(shí)間理論值。

樣機(jī)試驗(yàn)表明：動(dòng)作時(shí)序設(shè)計(jì)的合理性與正確性，預(yù)封定位裝置的各種性能均滿足預(yù)期性能要求。