立式自動插件機機電系統的設計

李 銳，謝海濤

（深圳市中禾旭精密機械有限公司，廣東深圳 518125）

1 自動插件機概況

1.1 自動插件機的概念和優缺點

自動插入技術是通孔技術的一部分：它通過自動插入設備把電器元件嵌入印刷電路板的導電透氣孔中。其好處是增加了安裝密度、安全性、耐振動能力、頻率特性、智能化程度以及勞動效率，減少了生產成本。自動插入技術的主要缺陷是焊后修復性不好，且插入速度也沒有貼片機快。

插入式機器的分類可以通過組件的不同插入方法來確定。插入元件后與PCB 垂直的插入設備稱為垂直插入機，插入元件后與PCB 平行的插入設備稱為水平插入機，因此插入機的分類取決于插入元件后的形式。當插件和SMT 制造工藝交叉時，通常是先黏貼插件，然后在波峰后焊接插件。在插入式機械方面，對于一些特殊形狀的部件，普通的插入式設備無法實現插入。第一種解決方案是手動插入，第二種解決方案是開發專用插入設備，借助專用插入機械手滿足異形插入的需要。

1.2 插件機組成部分及功能

插件機是由機構部分和電氣部分組成，機構部分主要是供料系統、定位系統、傳送系統及插件系統，電氣部分主要是氣動系統、元件感應檢測及電路控制系統。

（1）電路系統是自動插件機的精密機電設備。其所有功能均由內置CPU 協調和管理，動作報告結果則由光電開關、霍爾元件或編碼等傳感器元件反饋。（2）氣路系統供各部分氣動機構。（3）X-Y定位系統帶工作夾具。（4）插件頭組件。（5）打彎剪切砧座。（6）自動校正系統。（7）自動收放板系統。（8）編序機和組件棧。（9）元器件檢測器。（10）對中校正系統。

1.3 插件機工藝流程

1.3.1 送料

此功能主要由插入式機器的分配頭機構完成。主要是將編織用電器元件在編織物內逐個切斷和分開，并使之迅速可靠地傳遞至所連接的鏈夾上。分配頭機構的主要部分包括：（檢測）集成電路板、感應件定位銷、感應銅塊、工位感應制動裝置、氣缸、電磁控制閥、主副刀、分離撥叉片、棘輪機構等；操作時將氣缸伸出，由活動曲臂滑塊上的主刀和輔刀，將編織材料全部切割完畢；同時，叉推片、鉤爪機構和活動曲臂滑塊的前端件一起固定好，并夾住元件；叉推片的前部先與料夾接觸，然后定位料夾。接著，將元件引入鏈夾的夾子中，鉤爪啟動；隨著油缸縮回，棘輪機構移動，驅動卷取輪旋轉一個角度，然后將部件送入鉤爪，汽缸再次動作。

1.3.2 運輸料（鏈條轉動）

此操作由鏈條驅動機構完成。該機構主要由伺服電機、行星齒輪減速器、膜片聯軸器、驅動鏈輪等組成。在驅動鏈輪的軸端安裝一個帶有8個均勻槽的光電檢測盤，用于檢測鏈條的零位。

1.3.3 剪紙

該操作主要通過剪紙皮帶結構進行。該結構主要由光電檢測片、氣缸和導軌等構成。剪紙藝術的機構利用在該部位的鏈夾上的原片制作紙帶。當光伏發電探測器所感應的元件到位后，隨著氣缸運動，曲柄滑片往前運動，壓刀往前運動，并先把元件的插針壓住后。用剝紙刀把高于切割部位的印刷紙帶自上而下地剝皮，然后用切割刀把元件的銷切下，在切開元件的銷上并沒有紙。

1.3.4 PCB板定位

該動作可以通過X和Y工作臺機構實現，將放置在PCB 的工作臺移動來完成對PCB 上任何部位的插入。將正負極限測試光電接近開關和零位測試光電接近開關都放置在Y工作臺機構上。當轉盤要移動時，由轉盤馬達帶動，而轉盤電機則通過同步帶與其連接。馬達帶動絲杠運轉，而絲杠則帶動絲杠螺母與底座垂直運動。

1.3.5 CTA送料、插件

此部分由插接機主體部分的接頭結構所完成。接頭結構將鏈夾中的元件輸送至插件體，并嵌入電路板內。當CTA 結構送料時，由夾緊機構夾住材料；當嵌入零件后，由卸料機構將零部件從夾內拔出。CTA的進給浮動塊前端設置拱形給彈器。拱形給料機上部設置電鏟，下部設置一組電極裝夾，彈鏈通過電極裝夾；進給浮動塊與直線熘道運動相連，直線熘道與油缸相連，進給滑塊來回運動，將零件從鏈條的鏈夾送至插件體的夾緊機構并返回。CTA 機構安裝在托盤中間，兩側安裝一組鏈輪。工作時，CTA 機構將組件從鏈夾送至插件體的夾緊機構，然后返回；電機RH 會根據插入角度的需要旋轉，將機體角度拉直；h 軸電機旋轉，機架向下移動，插件體與壓桿一起向下移動；電機RB 旋轉，壓桿向下移動，將元件插入電路板孔內，壓桿返回，隨機返回。

1.3.6 折彎、剪腳

此操作由基本機制完成?；鶛C構彎曲插入電路板的元件，并切斷元件多余的引腳。座體內裝有夾腳器，夾腳器兩側裝有檢測桿。在正常情況下，桿與本體和腳鉗絕緣。夾腳器在移動到位時，導體與檢測棒緊緊對接，與設備的“接地”構成回路。主機固定并設置在底座的主桿上，主桿與主桿套筒活動相連，在主桿套筒上還裝有同步輪，主桿套筒活動與底座上的滾動軸承緊固相連，同步輪和同步帶與電源RB（基座角電機）相連。一套結構負責底座的上下運動以及腳剪的張緊與閉合。它由上升油缸、油缸接頭、連接柱、油缸滑塊、連接頭銷、油缸連接座、油缸連桿、剪腳油缸等組成。在操作過程中，電機RB 旋轉，底座旋轉到所需角度，提升油缸工作。底座升起，上升到位后，剪腳油缸工作。汽缸連桿向剪腳刀施加壓力，剪腳刀切斷部件。

2 立式插件機總體結構設計

設計了插裝機的進給系統、傳動系統、插入系統和定位系統的結構，并通過設計驗證對各部件的整個腿部過程進行了改進設計。同時，還需要仔細設計送紙系統中切紙帶的氣動機構，并對各部件的受力進行分析。通過受力分析，選擇空中街道來平衡受力，為了防止插件的沖擊力，采用結構設計和電氣控制的方法來減小沖擊力。定位方法使用PCBA 上的定位孔來定位針。在傳輸過程中，PCBA 承載帶元件需要由鏈條驅動。

2.1 送料系統的硬件設計

該設備模仿手動插件。在手動插入之前，首先將帶材料的電容器通過腳鉗，將電容器的插腳剪至項目要求的長度（基板為2.4～3.2 mm），然后將其散裝放入回收箱中。當機器手指模擬手動拾取時，必須首先放置電容器?；谶@一結果，有兩種方案。

2.1.1 帶料電容送料方案

將切割后的散裝材料（電容器）放入振動盤中放電，然后設計一種特殊的分離、成型和定位機構。該方法存在的問題如下。

（1）切割電容器的引腳約為2.8 mm，且大多數電容器為長圓柱形，因此難以垂直放電，每個電容器需要一個振動盤，這占用了大量空間，成本很高（約10000元）；

（2）放電后很難定位電容器，而且判斷極性更加困難和不穩定，由于腳剪需要手動操作，因此放棄了該方案。

做一套機構通過氣動一次完成送料、剪腳、整形、定位，分析送料電容紙帶上的孔距為2.7 mm，通過紙帶孔送料，要保證每次送一個孔距就可保證電容準確送到剪腳位，為確保剪后電容PIN 腳長度，故而送料高度可調，采用圖1機構來完成。

圖1 拉紙機構

本機構中氣缸1 過通限位螺釘把行程控制為12.7 mm，把拉紙帶銷頭部作為錐形方便進入，通過調節螺釘可調節拉銷的高度，從而配合托料架調節剪腳長度，此機構不會產生誤差積累。具體工作方式：氣缸伸出使拉銷插入紙帶孔，完成后氣缸伸出使紙帶向前運動2.7 mm，到位后氣缸縮回，再有氣缸縮回，完成一個送料動作。

2.1.2 電容剪腳和整形及定位機構

由圖1可知，可以通過氣缸的動作控制送料形成，在送料過程中，推動料帶前進的是氣缸，可以通過氣缸的動作插入料帶孔中，前進的過程中插入料?？?，送料結束后抽出拉紙帶銷，然后氣缸動作回到原始送料位置，再通過氣缸插入拉紙帶銷到料帶孔中進行下一次的送料行程。送料行程距離可以調節，通過調節螺絲進行對汽缸1行程距離的調節作用。

切刀機構在取料的同時也要進行切料帶的作用，使料帶和電容元件脫離，然后可以取料，切料帶就是切掉元件腳，切刀通過螺絲固定在固定塊上，而氣缸帶動通過切刀刃口對元件腳進行切腳的動作。

動切刀機構切料氣缸的作用是帶動切刀對元件引腳進行剪切，電容到位傳感器可以檢測到電容是否有送到位，如果沒有，會再送一顆電容到此位置，電容定位塊是對到位的電容進行定位，便于對電容進行切腳和手指機械手的準確抓取作用，壓紙滑塊的作用是利用彈簧的壓力帶動壓紙滑塊對料帶進行擠壓以保證料帶前進的精度和順暢。

輔助定位機構通過電容傳感器對電容的到位檢測，電容定位塊對電容進行定位，再由電容PIN 腳彈壓塊對電容腳進行固定以便切腳。

2.2 插件模塊

插件模塊由機頭（夾爪機構、旋轉機構和上下機構）及精準定位滑臺（XY table）組成，機頭機構如圖2所示。由3個氣缸組成，第一個是上下行程氣缸，帶動手指機械手進行上下行程的動作，到插件還有15 mm 時會有一個緩沖機構防止沖力過大；第二個是轉角氣缸，在插件元件有角度的時候可以進行轉角，僅可以進行90°的轉角動作；第三個是手指抓取的氣缸，可以帶動手指機械手進行元件的抓取及插件的動作。

圖2 機頭機構

2.3 基板定位模塊

2.3.1 載具進出機構及控制原理

根據工作要求要滿足以下幾點：①連板分板功能；②進板緩存區、工作區、出板緩存區。結構及動作示意如圖3。

圖3 載具進出機構原理

通過快速鏈條與慢速鏈條完成連板情況下的分板功能，如下：

（1）載具有慢速段，進入快速段，進板檔塊下降放載具過去。

（2）進板傳感器檢測到載具進來時，并且出板傳感器檢測無板，出板擋塊升起，將阻擋載具使其停下，完成載具初定位。

（3）當進板傳感器檢測到載具的下降沿時，表明載具已過進板擋塊，此時進板擋塊升起阻擋下塊載具進入工作區。

（4）在基板定位完成后，出板擋塊下降，為出板做準備，當插完件后載具被重新放到鏈條上，此時進板擋塊下降，下塊載具進入工作區。

2.3.2 基板精定位結構說明

由于基板在載具中偏轉一定角度放置，首先把載具升起脫離傳送軌道，然后通過旋轉機構轉動載具使基板和設備在同一坐標系內，再利用基板上的安裝孔進行定位，方法為右邊定位銷插到基板石邊安裝孔內固定，左邊定位銷插到基板左邊安裝孔內向外側拉伸，使基板精確定位。

3 結束語

近年來，我國電子產業成長很快。國內業務基本由國內企業的自主產品覆蓋，并已推向全球市場。在走向全球發展的進程中，唯有通過提升產品的技術含量，才能鞏固在發展進程中獲得的現有市場。所以，企業必須在電子產品工藝方面實現有效的技術突破。另一方面，必須提升產品改造工藝中的技術，優化生產工藝，減少制造工藝中的不平衡成分，提升質量，改善插件環節生產過程的現狀，為企業解決問題，帶來效益。