分板機工裝設(shè)計及定位技術(shù)研究

劉 強,石乃征,趙曉剛,孫韶渝,王 沖,李 博

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

分板機現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于PCBA高精切割分板,包括電子、汽車、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、智能手機、平板計算機等高要求的分板作業(yè)領(lǐng)域。多數(shù)分板機對PCBA產(chǎn)品進行分板時,其自帶磁吸式頂針夾具,利用PCBA的印制板孔模糊定位,受強磁性和印制板上電路組件干涉等因素影響,頂針移動困難,定位、拔插不方便。另外,原頂針夾具的使用全憑工人目測和手感,不能量化精確定位,當(dāng)裝夾印制板的頂針分布較多時,容易對印制板造成劃傷。以上兩點易帶來分板質(zhì)量隱患,而且對于某些特殊形狀的印制板,現(xiàn)有夾具不能滿足裝夾定位要求,迫切需要進行分板機工裝設(shè)計及定位技術(shù)研究。

1 分板機工裝定位原理

1.1 PCBA板

圖1所示的PCBA板帶有工藝邊框,其與工藝邊框之間有數(shù)個細筋相連,分板過程就是銑斷細筋,使工藝邊框分離[1]。

圖1 PCBA板

1.2 原定位方式

圖2所示的頂針為鐵質(zhì)材料,通過嵌在底部的強力磁鐵與工作臺面貼合固定,上方圓柱臺階與印制板孔配合定位,一般情況下定位精度為±0.5 mm,通過目測和手感移動,最小定位區(qū)間取決于底座的外徑。頂針主要托舉分板后的產(chǎn)品。

圖2 頂針

圖3所示的磁力限位塊為鐵質(zhì)材料,通過底部的磁鐵與工作臺面貼合固定,上方L形臺階與印制板邊緣貼合,臺階高度與頂針的圓柱臺階等高,通常采用4個磁力限位塊固定印制板的4個直角邊,主要托舉分板前的PCBA產(chǎn)品工藝邊框。

圖3 磁力限位塊

PCBA板上有3個以上的小孔,用3個分板機床自帶的頂針插入孔中,可實現(xiàn)托舉和初步定位的效果,銑斷細筋后也能繼續(xù)托舉PCBA板,避免劃傷、碰傷、銑傷等加工缺陷。然后用4個磁力限位塊托舉分板前的PCBA產(chǎn)品工藝邊框,以實現(xiàn)加工定位。

1.3 新定位方式及要解決的問題

預(yù)先采用精確定位方式,按PCBA板上的定位小孔計算坐標(biāo)點,通過調(diào)節(jié)特制頂針在限定區(qū)域內(nèi)X、Y兩個方向移動至坐標(biāo)點上,實現(xiàn)3點以上的精確定位。然后蓋上PCBA板,用4個磁力限位塊托舉分板前的PCBA產(chǎn)品工藝邊框,以實現(xiàn)加工定位。

新定位方式主要解決現(xiàn)有分板機自帶磁吸式頂針夾具不能精確定位、移動困難、定位和拔插不方便的問題。

1.4 新定位原理

圖4 分板機新工裝定位原理圖

2 分板機工裝設(shè)計[3]

2.1 專用定位工裝設(shè)計

生產(chǎn)中出現(xiàn)如下情況時,可采取專用工裝定位加工。1)定位間距小于頂針和磁力限位塊的間距使用范圍;2)印制板上的電路過于靠邊,需要避免與工裝定位面接觸;3)現(xiàn)有分板機工裝不能滿足定位的其他情況。專用定位工裝如圖5和圖6所示。

2.2 分板機新型通用定位工裝的結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述定位原理設(shè)計了分板機的新型定位工裝(其結(jié)構(gòu)見圖4)。該結(jié)構(gòu)采用圓形和條形強力磁鐵達到預(yù)緊作用,如頂針組件、磁力限位塊的底部均采用強力磁鐵與工作臺面貼緊,這種由強力磁鐵產(chǎn)生的預(yù)緊力可以滿足分板過程的裝夾固定。

2.3 分板機新型通用定位工裝的定位依據(jù)及精度

在確定工裝定位的線性尺寸時采用螺旋測微技術(shù)是實用可行的,并能獲得較高的定位精度。螺旋測微所采用螺紋公稱直徑和螺距根據(jù)工裝應(yīng)用部位的空間大小和定位精度確定,常用螺距為0.5或1 mm,便于計算尺寸。螺旋測微與刻度盤配合使用,與螺旋測微器類似,刻度盤的刻度間距和定位精度與刻度盤外徑相關(guān)。刻度盤自身能圍繞軸線正反向旋轉(zhuǎn)并能固定在旋轉(zhuǎn)手柄上,目的是實現(xiàn)刻度歸零,便于調(diào)節(jié)尺寸。

X向調(diào)節(jié)旋鈕和Y向調(diào)節(jié)旋鈕根據(jù)螺旋測微原理,通過M3螺紋聯(lián)接推動頂針在平面X和Y方向位移,M3的螺距是0.5 mm,轉(zhuǎn)一圈50個刻度,目視可調(diào)節(jié)精度為0.01 mm?？紤]到工裝的機械加工誤差,計算的定位精度為±0.1 mm,在工裝的實際裝調(diào)中,也的確在這個范圍內(nèi)波動,并且能完全滿足印制板拼版分板作業(yè)的定位要求[4]。

2.4 分板機新型通用定位工裝的緊固設(shè)計

圓形和條形強力磁鐵在分板機定位工裝上能起到預(yù)緊作用,如頂針、磁力限位塊的底部均采用磁鐵與工作臺面貼緊,這種由強力磁鐵產(chǎn)生的預(yù)緊力可以滿足分板過程的裝夾固定。與常用的壓板裝夾固定相比,強力磁鐵預(yù)緊固定的方式更為靈活實用,且不占空間,操作方便。這種裝夾定位方式的應(yīng)用需要高速銑削的支持,主軸轉(zhuǎn)速為15 000～100 000 r/min,分板機床高速旋轉(zhuǎn)的主軸恰好能滿足這一點。同時強力磁鐵預(yù)緊的裝夾方式也可應(yīng)用于一般鉆削、沖孔加工的場合,對某些小微尺寸產(chǎn)品的加工比較有利,一般壓板則難以滿足需求。

2.5 分板機新型通用定位工裝的重量要求[5]

應(yīng)用于分板機床的各類工裝,應(yīng)當(dāng)在機床移動工作臺所能承受的最大重量范圍內(nèi)進行設(shè)計。工裝超重則加速機床傳動部位的磨損,縮短機床壽命。所以,在能滿足定位需求的前提下,工裝應(yīng)首先考慮重量因素。

3 分板機工裝的使用及驗證

3.1 機床原夾具的使用及缺點

分板機原夾具的使用及缺點上文已經(jīng)介紹,不再贅述。

3.2 專用定位工裝的使用及缺點

專用定位工裝以印制板外形定位,采取窄邊托舉的方式輔助完成分板,其定位精度能滿足加工需求,但工裝的加工成本和周期對生產(chǎn)存在不利影響,也不能滿足產(chǎn)品多樣化設(shè)計的需求,通用性差。比如有10種產(chǎn)品,一般就需要10個專用定位工裝,而且這10個工裝從設(shè)計、下料、制造是需要一定成本和時間的,一旦產(chǎn)品發(fā)生了變化,就需要新的專用定位工裝。

3.3 新型通用定位工裝的使用

分板機新型通用定位工裝包括基礎(chǔ)板、頂針組件、磁力塊和提手。頂針組件包括Y向調(diào)節(jié)旋鈕、X向?qū)驂K、滑塊、頂針、調(diào)整塊、螺釘、螺釘、彈墊、平墊、Y向?qū)驂K、條形磁鐵、X向調(diào)節(jié)旋鈕,使用時主要操控頂針組件來達到多點定位的目的。頂針組件在使用前,需要φ5 mm×40 mm的標(biāo)準(zhǔn)定位圓柱銷插入X和Y向?qū)驂K的定位孔中統(tǒng)一定位基準(zhǔn),并將X和Y向刻度歸零。

圖7所示為印制板尺寸圖,該印制板有5個φ2.5 mm孔,只需要選取正上方2個孔和最下方1個孔定位即可。這3個孔的換算尺寸分別為133.18、66.59和127.92 mm。

圖7 印制板尺寸圖

圖8所示給出了定位尺寸調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的方法。頂針組件的最大可調(diào)距離是5 mm,以133.18 mm為例,有2個尺寸可選:130和135 mm,選取原則是盡量選差距較小的尺寸,優(yōu)先選135 mm,剩下1.82 mm的調(diào)節(jié)量通過旋鈕將頂針回調(diào)3圈32刻度,螺釘、彈墊、平墊固定調(diào)整塊,螺釘固定頂針。此時用游標(biāo)卡尺檢測,頂針A和B的間距尺寸即在(133.18±0.1) mm的范圍內(nèi)。下來先將頂針C定在Y方向130 mm這排孔里,同時選取與頂針A距離為65 mm的這個定位孔上,就是相對于頂針A,以基礎(chǔ)板上間距130 mm×65 mm坐標(biāo)孔定位,Y向調(diào)節(jié)旋鈕促使頂針C回調(diào)4圈8刻度,X向調(diào)節(jié)旋鈕促使頂針C往右位移3圈9刻度,螺釘、彈墊、平墊固定調(diào)整塊,螺釘固定頂針。拿印制板試配,剛好放在預(yù)定的3個定位孔里。最后用4個磁力限位塊加固印制板拼版,印制板拼版效果圖和實物圖分別如圖9和圖10所示[6]。

圖9 印制板拼版效果圖

圖10 印制板拼版實物圖

多點定位可以在三點定位的基礎(chǔ)上增加頂針組件,調(diào)節(jié)方法是相同的。

加工之前采用磁力固定塊或者壓板將通用工裝固定在分板機床的移動工作臺上,然后將待分離的PCBA板蓋在預(yù)先定位的頂針上,用磁力限位塊進行固定。

3.4 分板機新型通用定位工裝的效果驗證

分板機新型通用定位工裝經(jīng)過現(xiàn)場測試、驗證,效果明顯,并與機床原夾具和專用定位工裝進行對比,匯總情況見表1。

4 結(jié)語

本文從分板機原定位工裝的不足提出了基于PCBA分板機的專用工裝、通用工裝設(shè)計和定位技術(shù)研究的概要,解決了現(xiàn)有分板機自帶磁吸式頂針夾具不能精確定位、移動困難、定位和拔插不方便的問題。通用工裝可根據(jù)不同印制板組合形成相應(yīng)的定位組合,節(jié)省了專用工裝成本,能有效避免印制板的應(yīng)力產(chǎn)生及劃傷現(xiàn)象。與現(xiàn)有技術(shù)相比較,通用定位工裝能使單個頂針在定位基礎(chǔ)板使用范圍內(nèi)無死角定在任何需要的位置,應(yīng)用于多個項目生產(chǎn),質(zhì)量穩(wěn)定,驗證了該工裝能夠滿足各類印制板拼版對分板機分板定位適應(yīng)性、準(zhǔn)確性、安全性、可靠性等方面的要求,對于有分板機工裝設(shè)計和應(yīng)用的場合,具備較好的推廣價值。隨著通用工裝專利授權(quán)后的應(yīng)用和推廣,在分板機加工領(lǐng)域勢必會帶來良性的社會效益。