中禾旭L2015系列自动插件机头部机械结构特点及工艺分析

李 锐 李绍东 陈跃飞

（深圳市中禾旭精密机械有限公司，广东 深圳518125）

0 引言

随着电子技术的迅猛发展，电子产品的使用越来越广泛，电路板是电子产品的重要元部件之一，而插件机是将各种电子元器件插入PCB板指定位置的自动化设备。近年来，随着我国电子产业的迅猛发展，行业内部竞争也越来越激烈，在这样的背景条件下，对自动插件机的要求越来越高，需求也越来越大。因此，提高插件机的插件速度和稳定性就是目前插件机行业发展的重中之重。

头部装置是插件机的核心部分，它是实现插件机高速、稳定插件的前提。目前市场上现有的立式插件机由于头部结构、配合、软件等限制，插件速度和稳定性一直不容乐观，插件速度一直无法提高，其稳定性也相对欠缺，从而使得市场上现有的立式插件机的插件效率和稳定性无法得到改善。本文将重点介绍ZHX－L2015系列立式插件机的一种新型头部结构，从设计、加工、生产、装配、调试等多个方面来分析该机型头部机械结构的特点及工艺原理，并与目前市场上现有的插件机进行对比，在保证机器稳定的前提下，揭示插件机机械结构和速度之间关系的特性，以期为企业创造更多的价值。

1 头部机械结构及工艺划分

1.1 插件机的几何结构

目前市场上立式插件机的外形种类非常多，但其功能上基本大同小异，如图1所示，一般共分为头部、底座、尾部、检测以及外壳钣金等5个部分。在目前插件机行业的设计思路中，如何将机器设计得轻巧、速度快、稳定性高、噪音低，是每个机械设计师都要面临且必须解决的问题，这也将是本行业以后设计前进的方向。插件机各部分相辅相成、独立运转，不难看出，对机器的插件速度和稳定性起决定性作用的就是头部，因此，可以这样说，一台插件机的头部机械结构的稳定性和合理性是判断本台机器设计成熟与否的标志。

1.2 设计方法

首先运用SolidWorks对插件机的机械部分进行结构划分，将头部与机器其他部分连接处的尺寸设计准确，运用机械原理及机械设计、工程图学、机械系统设计学，确定尺寸公差及尺寸配合范围等，最终确定头部的外形尺寸。

应用机械控制工程学及工程力学，综合设计、加工、生产、装配、调试等环节，将头部做以下划分，主要包括：高速插件的连杆装置、上下插件的齿轮传动装置、高速电机及配套联轴器装置、极限定位及保护装置等。

图1 插件机结构

2 头部机械结构设计及工艺

2.1 头部机械结构设计

如图2所示，插件机的头部主要采用各连杆驱动配合、伺服电机带动的工作原理。连杆驱动装置是利用连杆配合及杠杆原理，在马达的驱动下，实现插件驱动装置带动插件头装置上下以达到连续插件的目的。H轴马达通过联轴器与横齿轮轴一端相连，横向齿轮轴与齿条啮合，齿条安装在直线滑块座上，而直线滑块座上装设有直线导轨，因此其能在铝板上自由上下滑动，达到和连杆驱动装置相互配合的目的。下直线轴承座内设一旋转轴承，空心的插件主杆和该轴承相连，主杆由两个横向安装的轴承将其定位。在主轴承座内设有轴承，设有同步轮的主杆套和轴承固定连接，主杆穿过主杆套，同步轮通过同步带和马达RH相连，马达旋转时主杆也跟着旋转，实现不同角度的插件。

主杆的下端装设插件本体。本体上设有夹料和卸料机构。当CTA（Component Transfer Assembly）机构送料时，夹料机构把料夹住；当插入元件时，卸料机构把元件从夹子上卸下。CTA的送料滑块和直线导轨活动连接，滑轨和气缸连接，气缸工作送料滑块前后运动，把原件从链条的链条夹上送到插件本体的加料机构并返回。CTA机构把原件从链条的链夹上送到插件本体的夹料机构，然后回位；马达RH会根据插入角度的需要而旋转，摆正本体的角度；H轴马达旋转，齿条向下运动，插件本体和压料一起向下运动；马达P旋转，压料杆向下运动，把元件插入电路板的孔内，而后压料杆回位，再和齿条一起回到初始位置。

2.1.1 高速插件的连杆驱动装置

如图3所示，头部连杆驱动装置由4个连杆、连杆驱动马达、马达固定座、头部连接块组成。右端曲柄由伺服电机带动，360°旋转带动连杆，利用杠杆原理从而使压料杆上下运动。连杆驱动马达由一套限位检测保护装置来定位此马达的正负极限位置，马达启动后，带动连杆联动，然而此部分最重要的部件是作为整个联动运动支撑点的头部连接块，支撑点选取的位置将直接决定整个机构的速度及稳定性。

图2 头部机械结构

图3 连杆装置结构

利用杠杆原理使得整个连杆部分的速度大大提升，形成了头部连杆部分的整个传动结构。由于该连杆结构在高速往复运动，连杆驱动马达要想更好地将运动传递给插件机构，4个连杆必须要在同一平面上，否则就会产生切向应力，一旦切向应力产生，连杆之间就会产生刚性摩擦，这样整个机构的运行速度和稳定性就会受到影响。

2.1.2 高速电机及配套的联轴器装置

如图4所示，由于插件机在高速运动过程中，其在H轴方向上下的速度和频率非常快，为了保证插件的精度和稳定性，也就要求头部在H轴方向传动装置的精度要非常高，因此在保证插件稳定的前提下，如何更好地将高速电机的转动转化成头部上下的往复插件运动就成了另一个重要的环节。

图4 高速电机、联轴器装置结构

当电机高速往复运动时，与电机紧密连接的联轴器将运动直接传到H轴主齿轮，因此该装置在运行过程中，电机、联轴器、主齿轮这三者的转动中心必须在同一直线上，而且由于电机的震动非常大，所以电机的固定也一定要牢固，否则将直接影响插件效率，也使得机器在运行过程中噪音非常大，甚至会导致整个机器不能运转。

2.1.3 插件驱动装置

如图5所示，上下插件的插件驱动装置由主齿轮轴、H轴承座、齿条、头部连接块组成。当电机带动插件装置高速往复运动时，和连杆结构连接在一起的齿条相应地进行上下往复运动，因此与齿条进行啮合的齿轮由于作用也会相应地做圆周转动，由于齿轮和主齿轮轴连接在一起，而主齿轮轴两端用轴承及轴承座固定，因此保证了齿轮在高速转动过程中空间位置不会偏移。

图5 上下插件齿轮传动装置结构

通过对比，本机器选择了齿轮和齿条的上下传动结构，齿轮及齿轮轴被固定在头部支架上以保证其稳定性，齿条安装在插件装置上随其一起上下运动，这种传动方式无论是在安装、调试以及降低摩擦和噪音方面都是最合适的选择。

2.2 头部机械结构工艺分析

2.2.1 高速插件的连杆驱动装置工艺

由图6不难看出，为了让该连杆机构能够高效运行，各个连杆的连接要紧密，与连杆驱动马达相连接的连杆也必须和马达轴抱紧。而且，为了保证插件的稳定，降低插件过程中的噪音，每个连杆与压料杆要同在一个平面上，只有消除切向应力，装置才能有效运行。

图6 连杆驱动装置简图

由于插件机的插件高度是严格固定的，因此，各个连杆的尺寸必须要配合好，这一点是决定该连杆机构成功与否的关键；而且连杆的支撑点的选取、转动角度、正负极限的位置等等都是该装置的核心所在。

2.2.2 高速电机及配套联轴器装置工艺

通过反复对比齿轮齿条传动、皮带传动、联轴器传动等诸多传动方式，从节省空间、传动效率以及插件的稳定性方面考虑，最终选择了联轴器的直接传动。通过前文不难看出，该装置中的电机是在插件机整个头部中最大的，因此可以说该电机的速度非常高，但是其震动也非常大，因此选择合适的电机传动结构就显得尤为重要。

由于插件机头部是非常精密的部件，任何小的震动或者摩擦都有可能引起插件的稳定性和速度，甚至导致插件不良，由于齿轮齿条不能很好地吸收震动，所以这里不建议使用齿轮齿条传动。我们知道皮带传动在吸收震动方面是非常好的，它可以完全消除电机震动给插件头部带来的不利影响，但是这种结构所占的空间太大，而且不太适合高速往复运动，因此在这个机构中就选择了联轴器传动，而且联轴器的种类很多，有很多类型的联轴器可以很好地消除电机震动所带来的不利影响。

2.2.3 上下插件的插件驱动装置工艺

该传动装置在运行过程中，空间位置必须要严格固定，这一点是降低机器噪音和震动的基本保证。因此，主齿轮轴两端用轴承及轴承座必须严格固定，而在安装调试过程中，为了能使机器达到最好的效果，减少机器部件之间的刚性摩擦，该部分又必须具备可调性，等调试完毕，再将该部分彻底固定。

连杆机构带动插件装置高速上下往复运动，也就为插件机高速稳定的插件提供了前提，紧接着就是如何保证插件装置在连杆机构的带动下高速运转。由于机器在高速运动下震动和噪音都会成倍增加，因此，选择合适的传动结构有助于降低机器的震动和噪音，而且还要尽量减小部件之间的刚性摩擦，以延长机器各个部件的使用寿命。

3 结论

本文提出一种新型的高速稳定的插件机头部装置，并且对该装置的各个关键技术和性能参数进行了分析和讨论。在不影响插件机插件性能的前提下，大大简化了插件机头部的结构和可调性，提高了插件速度及稳定性，并且降低了插件的不良率。

（1）插件速度和自动化程度大幅度提高，在插件过程中无需人为过多干预，基本实现了机器全自动不间断插件，为实现高速插件打下了坚实的基础。

（2）稳定性和可调性大幅度提高，用一种可调式的新结构代替原有的固定结构，使得装配和维修人员能够更简单高效地完成工作。

（3）头部部件之间的可调性增加，减小了部件之间的刚性摩擦，降低了部件之间的磨损，从而延长了头部的使用寿命，而且在提高稳定性的同时也降低了噪音。

头部装置是插件机的核心部分，它是实现插件机高速稳定插件的前提，该插件机头部装置的技术性能已基本达到国际先进水平，对推进中国电子产业的发展和提高中国市场电子产品的竞争力、中国制造产业升级都具有重要意义，前所未有地促进了我国插件机自动技术的进一步发展，而且可以在此基础上提供继续开发的平台，为我国机械行业的发展出一份力。

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