三維臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)的設(shè)計(jì)

【摘 要】三維臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)采用噴射式點(diǎn)膠系統(tǒng)，由三個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人部件組成。其工作范圍三軸為400*400*100mm；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)最高速度為500mm/sec；打點(diǎn)速度為150點(diǎn)/min。采用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組合使用的方法完成了點(diǎn)膠機(jī)對(duì)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。控制系統(tǒng)采用工控機(jī)結(jié)合研發(fā)的PCL 839三軸高速運(yùn)動(dòng)控制卡組成。該臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)具有運(yùn)動(dòng)精度高、速度快、重量輕、體積小、安裝方便等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】點(diǎn)膠機(jī)；滾珠絲杠；伺服；同步

1.緒論

高速發(fā)展的21世紀(jì)很多行業(yè)發(fā)展的非?？欤瑫r(shí)代的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求越來(lái)越高，競(jìng)爭(zhēng)激烈。比如我們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚碾娮赢a(chǎn)品（手機(jī)、電腦、DVD、計(jì)算器、電視機(jī)等等）不斷的改善我們的物質(zhì)生活。但是這些產(chǎn)品不斷的更新進(jìn)步，變小變薄，因而以前依賴于人工制作的工藝現(xiàn)在需要機(jī)械來(lái)完成。自動(dòng)化機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)在于多量生產(chǎn)、精密控制，因而可提高產(chǎn)品品質(zhì)，加快生產(chǎn)速度，減少人工降低成本。

點(diǎn)膠設(shè)備也得到廣泛的運(yùn)用。比如表面貼裝技術(shù)SMT的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，遇到兩面貼裝或貼裝與插裝混裝的工藝要求時(shí)，必不可少地要用到點(diǎn)膠裝置，將專用粘著劑按指定位置涂覆于印刷電路板上，貼裝元器件后加溫固化，再進(jìn)行后續(xù)焊接工藝[1]。在2004年下半年，美國(guó)FED向市場(chǎng)提供了目前市場(chǎng)上最快最穩(wěn)定的新點(diǎn)膠機(jī)系列。新近又推出了Ultra2400點(diǎn)膠機(jī)，精密點(diǎn)膠控制中時(shí)間調(diào)節(jié)可精確至0.0001秒。本論文主要闡述三維臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.方案設(shè)計(jì)

該三維臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)由三個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人部件組成。其工作范圍三軸為400*400*100mm；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)最高速度為500mm/sec；打點(diǎn)速度為150點(diǎn)/min。

2.1 點(diǎn)膠方法的選擇

本設(shè)計(jì)采用噴射式點(diǎn)膠系統(tǒng)。噴嘴可在需要底部填充的器件的上方進(jìn)行點(diǎn)膠，不需要到達(dá)其頂部以下的位置。噴嘴并不像點(diǎn)膠針筒那樣對(duì)點(diǎn)膠高度要求嚴(yán)格。根據(jù)膠液類型的不同，噴嘴可放在電路板上0.5mm到3mm的范圍。采用噴射技術(shù)噴嘴所噴射的膠點(diǎn)在100微米的數(shù)量級(jí)。

2.2 機(jī)械傳動(dòng)方案的選擇

滾珠絲杠是直線傳動(dòng)的理想選擇。該點(diǎn)膠機(jī)采用滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為了使點(diǎn)膠機(jī)的結(jié)果緊湊，節(jié)省安裝空間，兩個(gè)方向的滾珠絲杠與電機(jī)才用了并聯(lián)的方式連接。這樣就產(chǎn)生了電機(jī)與滾珠絲杠同步的問(wèn)題。采用同步帶傳動(dòng)解決。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)結(jié)合研發(fā)的PCL 839三軸高速運(yùn)動(dòng)控制卡組成，通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)對(duì)膠槍的位置進(jìn)行半閉環(huán)控制。PCL 839三軸控制卡可以同時(shí)對(duì)三根軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行獨(dú)立的控制。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)配置原理圖1[2]所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件配置原理圖

PCL 839控制卡在系統(tǒng)中主要完成以下的功能：

a）利用它的l6位數(shù)字輸入/輸出通道，將它作為伺服控制系統(tǒng)中工控機(jī)與系統(tǒng)其他部分之間的通訊橋：負(fù)責(zé)接收各個(gè)軸的狀態(tài)信號(hào)，送到工控機(jī)進(jìn)行綜合處理；接收工控機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，并發(fā)送到各個(gè)指示燈以控制它們的明滅；選擇一些需要顯示的參量信息送至工控機(jī)，在人機(jī)界面上顯示，以在運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中提供人機(jī)交互的必要信息；

b）接收工控機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部譯碼器將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)的頻率和個(gè)數(shù)分別發(fā)送至相應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)并控制X、Y、Z軸的伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠分別控制x軸、Y軸和Z軸，在數(shù)控系統(tǒng)軟件的控制下實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，使點(diǎn)膠頭按照設(shè)定圖形軌跡點(diǎn)膠。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)由三個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人部件組成?；跐L珠絲杠副傳動(dòng)效率高、定位精度高、使用壽命長(zhǎng)、同步性能好的特點(diǎn)，該點(diǎn)膠機(jī)均采用精密滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)采用直線導(dǎo)軌輔助運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。三個(gè)方向分別由三個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用同步帶傳動(dòng)解決電機(jī)與滾珠絲杠副并聯(lián)布置帶來(lái)的同步問(wèn)題。由于滾珠絲杠的螺母受到切向摩擦力，不能保證周向的平穩(wěn)。所以滾珠絲杠和兩個(gè)直線導(dǎo)軌配合使用。

對(duì)直線導(dǎo)軌的要求如下：1）一定的導(dǎo)向精度；2）運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)；3）良好的耐磨性；4）足夠的剛度；5）溫度變化影響?。?）結(jié)構(gòu)工藝性好。滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采用BNFN 1605-3型滾珠絲杠。其具體參數(shù)為絲軸外徑Do為16mm，導(dǎo)程為5mm，絲杠軸慣性扭矩為，額定動(dòng)載荷為8700N，絲杠底徑為13.8mm，滾珠中心徑16.5mm[3]。

圖2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)[15]

X軸采用電機(jī)和滾珠絲杠串聯(lián)。連接力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這樣傳動(dòng)更平穩(wěn)、振動(dòng)小，精度高。導(dǎo)軌安裝在鋁合金型材上，這樣來(lái)提高運(yùn)行精度和整體剛性。工作平臺(tái)由四個(gè)滑塊于直線導(dǎo)軌相連。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Y軸采用并聯(lián)，以減小底座尺寸。安裝同步帶輪。如圖4所示。

Z軸同樣采用并聯(lián)。以減小機(jī)器人長(zhǎng)度，從而縮小總體高度。如圖5所示。

該電膠機(jī)的總體裝配如圖6所示。

4.滾珠絲杠的校核

對(duì)X軸的校核[4]：

X軸為承載工件的平臺(tái)。最大工作載荷為50千克。行程為400。

工作面的摩擦阻力：

1）扭矩

2）扭矩引起的絲杠扭轉(zhuǎn)變形量

3）扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向移動(dòng)滯后量δ

4）臨界轉(zhuǎn)速

遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速3000。

5）壽命計(jì)算

壽命很長(zhǎng)，充分滿足點(diǎn)膠機(jī)的壽命要求。

按照校核X軸的方法，分別對(duì)Y、Z軸進(jìn)行校核，最后得出的結(jié)論是Y、Z軸均滿足點(diǎn)膠機(jī)的要求。

綜上所述三個(gè)滾珠絲杠副完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5.結(jié)論

采用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌組合使用的方法完成了點(diǎn)膠機(jī)對(duì)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的要求。臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)的工作性能為：

行程：X軸400mm Y軸400mm Z軸100mm；

工作范圍：工作空間；

速度：X軸、Y軸、Z軸500mm/s；

可搬重量：X軸50kg Z軸15kg；

驅(qū)動(dòng)方式：伺服電機(jī)（Z軸電機(jī)采用制動(dòng)器，保護(hù)作業(yè)物）；

控制器：內(nèi)置多軸控制器，采用PC操作[21]。

Y軸的電機(jī)Z軸的一樣也和滾珠絲杠采用并聯(lián)式連接，這樣大大的減小了點(diǎn)膠機(jī)的橫向尺寸。Y軸的直角坐標(biāo)機(jī)器人和支架之間采用可拆裝的兩個(gè)定位板連接提高了安裝精度，降低了安裝難度。

三個(gè)直角坐標(biāo)機(jī)器人都采用了鋁外殼，在機(jī)器人底座上安裝了鋁合金型材。采用T形螺母連接固定。確保了點(diǎn)膠機(jī)的點(diǎn)膠精度。外殼有一定的厚度，不采用SMC提供的卡殼式，為電機(jī)的并聯(lián)提供了方便。外殼強(qiáng)度比卡殼式高的多，機(jī)器人的兩頭不用安裝型材。在確保機(jī)器人的精度和整體剛性的同時(shí)，節(jié)省了材料。

噴射式點(diǎn)膠效率高，可調(diào)節(jié)作業(yè)速度和方法。例如采用不同的點(diǎn)膠模式可分別適用于流水線生產(chǎn)和單機(jī)生產(chǎn)。PC操作，可存儲(chǔ)多個(gè)加工產(chǎn)品型號(hào)。這樣有利于管理加工產(chǎn)品和統(tǒng)計(jì)加工數(shù)量。輸入作業(yè)位置簡(jiǎn)單。

提供夾具安裝平臺(tái)，可根據(jù)不同的產(chǎn)品安裝不同的夾具。

該臺(tái)式點(diǎn)膠機(jī)廣泛應(yīng)用于晶片封裝、LCD封裝、手機(jī)點(diǎn)膠等精密電子信息行業(yè)，也應(yīng)用于機(jī)電、食品加工、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈新海.點(diǎn)膠技術(shù)的基本原則[J].電子工藝與技術(shù)，1999，11（6）：250-253.

[2]沈正湘，李涵雄，丁漢，韓雷.電子封裝中的點(diǎn)膠過(guò)程分析和控制[J].控制工程，2005（9）：405-409.

[3]紀(jì)名剛，等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001，6：160-162.

[4]周開勤.機(jī)械零件手冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，2001，7.

作者簡(jiǎn)介：費(fèi)飛（1965—），男，上海人，中學(xué)高級(jí)教師，從事教育工作20年，現(xiàn)任教于無(wú)錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，從事機(jī)械及機(jī)電技術(shù)應(yīng)用教學(xué)工作。