多轴联动构造蠕动泵与针头的协调关系

任工昌,曹愿愿

(陕西科技大学 机电工程学院, 西安 710021)

多轴联动构造蠕动泵与针头的协调关系

任工昌,曹愿愿

(陕西科技大学 机电工程学院, 西安 710021)

为解决传统的蠕动泵点胶不均的问题,根据流量的等量关系,建立了一种虚拟的坐标函数关系.运用加减速的插补法构造出了泵与针头的协调关系,实现了两者的同步运行,从而很好地解决了针头在加减速过程中遇到的胶水堆积问题.结果表明,泵与针头的协调控制能大大提高了点胶精度.

蠕动泵; 针头; 协调关系; 胶水不均

随着社会生产力的提高,人们对生产行业越来越重视,高效率、高精度、高环保成为时代的主题.封装行业是制造领域里重要的组成部分,广泛用于微电子与轻工及包装领域,而微电子封装制造业一般都采用点胶技术来固定元件,元件不尽相同,其材质大小复杂程度都对点胶技术提出极高的要求.点胶技术的研究是时代的潮流与趋势[1].

点胶的关键技术就是针头的移动,有着高效率、高准确度的要求.蠕动泵点胶技术是当前环境下一个重要的技术领域,经过多年的发展,该点胶技术取得巨大的突破,但仍然面对着挑战.在传统的蠕动式点胶技术中,泵与针头是相互独立的过程,而泵与针头的运动又是影响点胶精度重要的因素.本文针对蠕动式点胶设备提出改进,在原有的控制系统上,利用插补算法,构造出了泵与针头的联动关系,从而舍去原先泵的转速恒定的独立运动,建立泵与针头的同步协调,提高了点胶精度[2-4].

1 点胶的过程分析

1.1 单个与连续点胶

点胶的工艺分为打点与画线,打点是使针头在XY平面内移动到所需位置进行点胶.打点工艺相对容易,只需将针头停留在正确高度即可.画线工艺主要依赖插补运动来实现,当针头在XY开始插补时,同时泵开始连续的点胶过程[5].

1.2 泵体的结构

蠕动泵作为驱动装置,泵内的软管在转子的挤压下,由于压力而带动液体流动.泵工作时候液体在泵管中流动,不会污染泵体,而且清洗维护也方便.

如图1所示,蠕动泵在驱动器的驱动下挤压泵管,泵管由于挤压形成局部真空,从而能使后面的液体源源不断地向前流动[6].

图1 蠕动泵的机构示意图Fig.1 Sketch map of mechanism of peristaltic pump

1.2 泵体的流量

如图2所示,辊子从位置A运动到位置B,忽略辊子碾压管子所占有的体积,那么可以得出输送流体的体积大约为圆弧AB段泵管内的流体体积:

式中:θ为辊子转动的角度,rad;D为泵壳节圆直径,m;d为管子内径,m;Δq为圆弧AB段流体体积,m3.

图2 泵的流量计算Fig.2 Pump flow calculation

通过计算所得的流量为泵的理论流量,其实际流量与理论流量存在着一定的差异,具体为实际流量小于理论流量,大约只占理论流量的66%左右.

2 点胶针头与泵的协调控制

2.1 建立虚拟三坐标轴

考虑到泵与针头的运动是相互独立的两个运动过程,首先根据点胶流量找到泵与针头对应的关系,然后建立一个虚拟的三坐标运动轴,Z方向表示泵的运动,针头的运动则是在XY平面,这样就构建出了针头与泵的运动关系(见图3).

图3 泵与针头的虚拟三坐标Fig.3 Virtual three coordinate of pump and needle

在图3中：OE为合成速度,大小为vt;OE在Z方向的投影为泵的转速,大小为n；在XY方向的投影为针头的移动速率,大小为v.

针头运动速率为v,运动时间为t,q为单位长度的点胶体积(由生产工艺决定),根据单位时间内泵的流量等于针头走过的轨迹,列出如下对应的函数关系:

泵的流量×时间=针头速度×时间×单位长度路径所需体积

化简为

n=vq1

根据上式可得,泵的转速与针头移动速度成正比,当针头移动速率变高时其泵的转速也相应地提高,当其速率变低时泵的转速也应变低.

2.2 对合成速度进行加减速控制

加减速控制是CNC系统中重要的部分,主要应用于运动轴速度的改变,加减速控制分为插补前的加减速控制和插补后的加减速控制.插补前的加减速控制只对合成速度控制,而放在插补后加减速控制,它是对各运动轴分别进行控制.本文采用的是插补前的加减速控制.

2.2.1 稳定速度

当针头匀速运动时,泵的速度也保持恒定,匀速时合成速度为

式中:T为插补周期,ms;F为编程速度，mm/min;K为速度系数.

由

n=vq1

可得

2.2.2 加速控制

式中:a为加速度;T为插补周期.那么

vi+1=vi+aT

ni+1=n+aT

2.2.3 减速控制

减速区域S可由如下计算:

式中:Δs为提前量,能够预先设置.

2.3 加减速线性控制原理框图

以单片机加驱动器来构成控制系统实现多轴联动的协调控制,进而实现泵与针头的同步运动.其运动控制流程图如图4所示.

3 软件功能的实现

该协调控制需要在完善的控制系统下进行,该控制系统将采用AT89C51的单片机作为控制器,控制面板则选择的是触摸屏.基于BASIC语言作为开发工具,以触摸屏人机界面的形式来实现对针头与泵的控制.图5为控制系统框图.

3.1 预处理功能模块

在协调运动开始时,系统将经过一个预处理过程.预处理的过程就是将虚拟三坐标所得到的算法通过程序来加以实现,进入预处理模块后,将根据打点画线的工艺要求进行选择,选择打点模式则无需协调控制.运行程序采用BASIC语言,在程序中建立2个插补坐标系1与2,通过点胶的轨迹在坐标系1中,得出针头的初始速度包括加速度、最高速度与减速度;然后,根据前面的算法得出插补的合成速度,转为坐标系2,在坐标系2中对合成速度进行插补计算.通过坐标系的转化,完成预处理模式,实现针头与泵的协调运行.

图4 前加减速控制原理图Fig.4 Front acceleration and deceleration control principle diagram

图5 点胶机控制系统图Fig.5 Dispensing machine control system diagram

3.2 升降速度控制模块

在点胶过程中针头存在着启动加速、迅速、停止减速的过程,通过预处理完成针头与泵的协调关系后,基于坐标系2来实现合成速度的直线加减速控制.通过指令设置插补速度、插补加速度、插补减速度.当前速度小于预先设置速度,则开始加速运行,反之则减速运行.通过预处理与升降控制后,可以得到泵与针头速度图像(见图6).

图6 泵与针头速度关系Fig.6 Pump speed relation with needle

图6中横坐标表示运动时间,纵坐标表示泵与针头数值大小,从图可以看出在任何一瞬间,泵与针头都做到了协调运行,两者的比值为恒定,大小为q1.

4 结语

本文用插补法构造出了泵与针头的运动关系,从而提高了点胶机点胶过程中遇到的点胶不均问题,为传统的点胶方法提供了理论依据.该方法同样适用于多轴需要达到同步联动的要求.

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Coordinated relationship between multi axis peristaltic pump and needle

RENGongchang,CAOYuanyuan

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021, China)

In order to solve the problem of uneven dispensing of traditional peristaltic pumps,in this paper,a virtual coordinate function relation is established according to the equal relation of traffic.The coordinated relationship between pump and needle is constructed by interpolation method of acceleration and deceleration,realize the synchronous operation of both,thereby,the problem of glue accumulation in the needle head during the acceleration and deceleration is solved.

peristaltic pump; needle; coordination relationship; uneven glue

陕西科技大学博士科研启动基金资助项目(BJ06-05);国家自然科学基金资助项目(51175314)

任工昌(1962—),男,教授,博士.E-mail:526065200@qq.com

TH 87

A

1672-5581(2017)05-0396-04