紧凑型贴片机低成本外驱动飞达供料系统研究.pdf

Oct.2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年10 月No.10Vol.40第40 卷第10 期机设计械紧凑型贴片机低成本外驱动飞达供料系统研究王国庆，程汉，任鹏博，刘平利，王辉，石晓华（长安大学工程机械学院，陕西西安710064)摘要：为解决中小型企业贴片机自动供料的高成本问题，文中针对紧凑型贴片机提出了一种基于外驱动的低成本飞达自动供料系统方案。基于“多飞达-单驱动”的供料新思路，设计了飞达及其外驱动供料系统整体平台的机构，并完成实物平台搭建。对飞达结构中的料带回收系统与棘轮机构进行动力学仿真，结果表明：料皮可自动回收，且棘轮在棘爪的驱动下可正常工作，验证了此外驱动飞达供料系统设计的可靠性，其具有低成本、体积小、结构紧凑的优势，具有一定的市场应用参考价值。关键词：飞达供料系统；外驱动；动力学仿真；低成本；紧凑型贴片机中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)10-0 0 0 8-0 5Study on feeder feeding system with low-cost external drivefor compact placement mounterWANG Guoqing,CHENG Han,REN Pengbo,LIU Pingli,WANG Hui,SHI Xiaohua(School of Construction Machinery,Chang an University,Xi an 710064)Abstract:Since the placement mounters used by small and medium-sized enterprises suffer from high cost automatic feeding,in this article,a low-cost automatic feeder feeding system based on the external drive is specifically designed for the compactplacement mounters.Based on the new idea of“multiple feeders-single drive material supply,the mechanism of the overall plat-form which is used for both the feeder and its external-drive feeding system is developed,and then the related physical platform isbuilt.The dynamic simulation is carried out on the feeder systems belt recovery structure and the ratchet mechanism.The re-sults show that the material skin can be automatically recovered,and the ratchet works normally driven by the pawl,which verifiesthat the design of the feeder feeding system is reliable.Thanks to these efforts,the feeder feeding system has the advantages oflow cost and compact size,and provides reference in application.Key words:feeder feeding system;external drive;dynamic simulation;low cost;compact placement mounter对国内表面贴装技术行业的中小型企业而言，部分国产贴片机价格可低至3 5 万元!，但当前飞达产品单价均不低于7 0 0 元。若采用整套飞达贴片，整机成本将达6 8 万元，难以满足市场竞争需求2 ，故低成本紧凑型贴片机是面向中小型企业的可靠选择3 而飞达（Feeder）是为贴片机提供贴装元件的喂料机构4,其供料系统成本占整机成本较大部分。因此，急需一种成本低、体积小、结构紧凑的飞达供料系统，以*收稿日期：2 0 2 1-0 9-0 6；修订日期：2 0 2 3-0 4-0 5基金项目：陕西省重点研发计划（2 0 2 1GY-039）满足紧凑型贴片机供料需求目前飞达自动化程度较高，国内研究5 设计以薄盘式步进电机驱动飞达；国外贴片机研究6 起步早，飞达种类多、应用成熟，三星电动飞达可兼容胶带和纸袋两种包装方式7 。但市面的飞达单价高，主要应用于大型贴片供料方案，个别低成本飞达利用贴装头拖动料带，但会降低贴装精度8 。同时，料皮回收系统的料皮是否会拉断也缺少针对性仿真分析，且类似模型的92023年10 月王国庆，等：装紧凑型贴片机低成本外驱动飞达供料系统研究仿真方法较复杂9 结合上述现状，在已有研究基础上针对紧型贴片机的低成本供料需求，提出“多飞达-单驱动”的供料思路及基于外驱动的飞达供料系统，将有效降低80%的供料成本，并对飞达重要机构进行动力学仿真分析，为低成本紧凑型贴片机研究提供一定参考。1外驱动供料系统机构总体设计1.1外驱动飞达机构设计目标外驱动飞达针对当下较为常见的0 8 0 5(2.0mm1.2mm）,0 6 0 3(1.6 m m 0.8 m m)封装类型（两种包装方式相同）的元器件，具体设计参数指标如表1所示。表1外驱动飞达设计参数指标参数名称预定设计指标供料速度/CPH7500飞达厚度（3 D打印）/mm20元器件封装种类0805,0603如图1所示，进给轮齿顶的凸起设计插入料带进给孔，从而拔动料带进给,其表面料皮随之脱落，露出贴装元器件以供贴片机吸嘴吸取，以此流程往复并实现连续供料。其中，进给轮设计时需满足齿距等于料带步距。步距进给孔贴装元器件i料皮料带(a）元器件编带式包装示意图料带进给轮棘轮料带进给孔料带前进方向(b）齿轮驱动料带原理图图1元器件编带式包装及齿轮驱动料带示意图为降低成本、控制体积，飞达机构设计如图2 所示。飞达由外部舵机的偏心轮外力驱动，推动滑块水平运动，由曲柄滑块机构将水平运动转化为主动摆杆的往复运动。主动摆杆上有主动棘爪，料带进给轮上有棘轮相对固定并一同转动。主动棘爪推动棘轮逆时针转动一定角度，从而带动自身轮齿卡在料带孔中的进给轮转动,即实现供料。基板上的止回棘爪确保料带与进给轮单向供料。同时，料皮卷盘与进给轮相互啮合，共同绕其各自轴心转动，从而在料皮卷盘带动下实现自动缠绕回收料皮的功能。当舵机转回初始位置时飞达即失去外力，主动摆杆在弹簧的作用下回复至原位置，等待下一次供料。主动摆杆主动棘爪料带进给轮棘轮一一曲柄滑块基板供料处止回棘爪料皮安装孔卷盘料盘(a)飞达模型(b）飞达实物(3 D打印)图2外驱动飞达模型及实物图1.2外驱动供料系统整体平台设计基于“多飞达-单驱动”的供料思路，确定供料系统整体平台方案如图3 所示。若干已装料飞达按单排布置，平行放置一个同步带滑台和一个舵机固定于滑台上，滑台由步进电机驱动。当贴片机贴装头吸取某个飞达的贴装器件后，电机驱动滑台运动至指定飞达位置，舵机上的偏心轮推动飞达的曲柄滑块，曲柄滑块机构带动棘轮机构等部件共同完成进料，即实现对刚被吸取的器件的10机第40 卷第10 期计设械补充。在贴装头继续吸取某一器件后，滑台在电机驱动下移动至下一个进料飞达处，继续重复以上工作流程导轨滑块偏心轮舵机3号飞达滑台2号飞达1号飞达能机滑块位置图3外驱动供料系统整体方案示意图同步带定位精度为0.2 mm，供料速度可达8 0 0 0CPH,满足飞达供料速度及舵机偏心轮设计的定位精度要求，具体供料平台模型及实物图如图4所示。在完成实物搭建后，对各安装成本支出进行核算，得出此设计的成本降低8 0%左右。光栅尺Z同步带滑台加装处舵机限位开关滑台模组V飞达外框架X供料处料盘飞达安装架飞达(a)外驱动供料系统整体平台模型(b)外驱动供料系统整体平台实物图图4外驱动供料系统整体平台模型及实物图如图5 所示，外驱动飞达供料系统放置在课题组紧凑型贴片机的一侧进行供料。图6 为飞达的元器件供料处，贴装头可以运动到此处吸取元器件。紧漆型贴片机外驱动贴供料系统图5外驱动飞达供料系统与贴片机相对位置示意图贴装头飞达供料处图6飞达供料处局部示意图2外驱动飞达动力学仿真分析2.1料皮回收系统动力学分析为研究料皮剥离及其缠绕回收过程是否因受力过大而拉断料皮，故对其进行仿真分析。对于柔性体与刚体接触问题，此模型更接近机构动力学原理，由此使用ADAMS软件中的Cable模块进行分析。如图7 所示，Cable模块中预设了绳索生成流程确定绳子的锚点设置定滑轮的位置和尺寸选取对绳子仿真所采取的模型图7Cable模块预设的绳索生成流程图日10料皮受力仿真结果时间/s00.02 0.04 0.06 0.080.100.120.140.16 0.18 0.200.51.0F1.5F52.5皮X2.03.03.5斤4.0F4.5m112023年10 月王国庆，型贴片机低成本外驱动飞达供料系统研究按照模块的设定流程对料皮回收系统进行模型简化，如图8 所示。滑块在绳索的带动下向右运动，绳索的起始锚点固定于滑块上；支辊用于支撑料皮，料皮被卷绕在料皮卷盘上。由于支辊与基板位置相对固定，故支辊被简化为1个等直径定滑轮；料皮卷盘在回收料皮时绕着基板上的固定轴在料带进给轮带动下顺时针旋转，可将卷盘简化为另一个锚点。料皮卷盘支辊滑块图：料皮回收系统示意图对于绳索的模型仿真，选用Cable模块中的简化法，即采用纯运动学以约束绳索与滑轮之间的关系而忽略绳索的振动对整个系统的影响。在如图9 所示的具体Cable模型中，为滑块添加水平方向的移动副,并且将绳索的锚点A设置在滑块的中心位置作为绳索的起始端；为支辊添加旋转副，将绳索缠绕在支辊上；为料皮卷盘添加旋转副，并且添加一个顺时针的驱动力矩,将绳索的另一锚点B设置在料皮卷盘上，即绳索在此结束。由此可以得出在这个简化模型中,绳索有两个锚点A与B,其分别在滑块与料皮卷盘上，绳索的缠绕方向从A点出发绕过支辊，在锚点B处结束。B图9料皮回收系统Cable模型图仿真中对料皮卷盘施加舵机最大扭矩为1.3Nm，考虑到舵机每次推动曲柄滑块供料为瞬时动作，因此将持续时间设为0.2 0 s，得到的仿真结果如图10 所示料皮材料各项参数如表2 所示。表2Cable模型绳索参数密度/抗拉强度/弹性模量/材料(g/cm)MPaMPa双向拉伸聚丙烯薄膜0.911202200由此可以计算出料皮所受拉伸应力的大小为：卫9=bd(1)式中：P-一-该材料所能承受的最大负荷，N；b宽度,mm;d一厚度,mm。由表2 可知，其抗拉强度为12 0 MPa，将p=4.5 N,b=5mm,d=0.1mm代人式(1),计算得g,=9MPa,小于材料抗拉强度，所以料皮在回收过程中不会被拉断，可实现自动回收料带，符合设计要求。2.2棘轮机构动力学分析棘轮机构作为驱动齿轮转动的关键机构能否正常工作对于飞达供料尤为关键，为验证棘轮机构在主动摆杆的带动下是否能够正常工作，对其进行动力学仿真分析。如图11所示，基板固定不动，棘轮与基板之间、主动摆杆与基板之间、主动棘爪与摆杆之间及止回棘爪与基板之间均为转动副。在主动棘爪与棘轮、止回棘爪与棘轮之间添加碰撞，然后加载其他仿真约束条件进行动力学仿真，摆杆设为原动件。由于涉及碰撞问题，积分器选用刚性算法GS-TIFF，设置仿真时间为1.8 s，步数为2 0 0。如图12所示为主动棘爪质心的Y向坐标随时间变化图，可看到其在主动摆杆的带动下，具有周期性往复运动的特点。12机计设械第40 卷第10 期图11棘轮机构ADAMS仿真模型0.03100.03050.0300/4回人0.02950.02900.02850.02800.027500.20.40.60.81.01.21.41.61.8时间s图12主动棘爪Y向坐标变化仿真结果图13 为棘轮角速度随时间变化的仿真结果。由图13 可看出，棘轮在棘爪的拔动下可以进行周期性的转动，所以主动摆杆可以带动棘轮机构周期性转动，棘轮机构设计合理，可顺利完成既定供料功能。1801601401205/(。)/(率期10080604020000.20.40.60.81.01.21.41.61.8时间/s图13棘轮角速度仿真结果3结论文中结合市场需求，提出基于外驱动的飞达供料方法，完成了外驱动飞达及其供料系统的机构系统设计。对该飞达重要机构料皮回收系统和棘轮机构进行了仿真分析，验证了本设计可自动回收料带、实现既定供料功能。完成对供料系统平台的实物组装及成本核算后，所得结果显示本设计可降低供料站8 0%成本，即在保证供料速度的前提下，提供了新的低成本飞达供料方案，对紧凑型贴片机市场化应用具有一定参考价值。参考文献1Lee D Y,Jang K N,Cho H.A visual servoing method forhigh precision chip mounting technology J.Proceedings ofSPIE-The International Society for Optical Engineering,2003,5264:295-305.2王国庆，杨华新，刘承桓，等。经济型贴片机系统设计J.机械设计，2 0 13，3 0（11）：9 0-9 2.3Camillo J.Options for pick and place J.Assembly,2018,61(12):44-47.4Gao H,Li Z,Yu X,et al.Hierarchical multiobjective heu-ristic for PCB assembly optimization in a beam-head surfacemounterJ.IEEE Transactions on Cybernetics,2021,52(7):6911-6924.5王卫红.贴片机电动式喂料器的设计及其研究D长春：吉林大学，2 0 12.6Lee S J,Kang S M,Lee C H,et al.Mechanical design andevaluation of linear tape feeder for chip mounter J.Journalof the Korean Society for Precision Engineering,2006,23(5):155-161.7Park T H,Kim K M.Optimization algorithm for PCB assem-bly of modular mounters J.International Journal of Con-trol,Automation and Systems,2014,12(2):399-405.8Dai X J.Research on component allocation problem for chipmounter based on MATLAB C/2014 International Confer-ence on Mechatronics and Intelligent Materials,Lijiang,2014:663-667.9曹忠亮，孟庆鑫，郭强，等同步带的动态性能分析J.机械设计，2 0 17，3 4(7)：7 8-8 1.作者简介：王国庆（19 7 2 一），男，硕士研究生导师，博士，研究方向：设备信息化及智能化。E-mail:wang_