自动插件机插件系统的设计与分析

2018-06-14王建生潘政五邑大学机电工程学院广东江门529020

机械工程师 2018年6期

王建生，潘政（五邑大学机电工程学院，广东江门529020）

0 引言

自动插件机插件系统是整台插件设备最为核心的组成部分，通过区域平面内快速运动拾取电子元器件，精确地安插在PCB板导电通孔内[1]。通常市场上的电子元器件主要分为散料（例如变压器、电感器）以及编带料（例如电容、三极管、电阻），散料引脚短且硬，不易变形；编带料引脚长且软，在取料插件过程中会严重折弯。因此插件系统的插件机构需要有针对性地设计[2]；在整个插件过程中，还需要通过伺服驱动模块保障插件系统稳定的驱动性能，系统各部分协调有序的动作皆通过有效编程语言实现[3]。

1 插件系统的结构设计

插件系统的运控结构主要由研华工控机+固高GTN运控卡组成主控模块。GTN控制卡与拓展4轴端子板通讯，执行伺服驱动模块以及动作机构的具体控制[4]；伺服驱动器通过4轴端子板AXIS1-AXIS4信号接口通讯，与伺服电动机组成一套完整的闭环伺服驱动系统；运动控制卡提供16路输入、输出端口，负责光电传感器信号的接收以及控制；I/O模块通过电磁阀的通、断执行气动装置的动作。控制结构框架如图1所示。

图1 插件系统运控框架

自动插件系统主要分为X、Y轴龙门模组结构以实现平面内任意运动以及Z轴插件取料头。考虑到滚珠丝杆传动定位精度高以及负载荷大的因素，X、Y轴龙门模组采用滚珠丝杆-直线导轨的传动方式[5]。Z轴插件取料头需要满足直线与旋转这2种形式的运动，以满足不同姿态与位置的电子元器件，另考虑到插件轴需在取料、插件平面内快速动作，则整体质量不宜太重。综合以上因素，插件系统的结构设计主要为滚珠丝杆花键轴+末端执行气缸，配合不同性能的夹片有效地完成各类电子元器件的安插工作[6]。

1.1 滚珠丝杆花键轴

如图2所示，伺服电动机通过带、轮分别与丝杆花键轴的丝杆螺母以及花键螺母联动，高转矩同步轮固定在螺母旋转端面。只要有序地控制伺服电动机的动作，则能高效完成旋转以及直线运动。滚珠丝杆的运动形式为旋转运动转化为直线运动，滚珠花键轴的运动形式为旋转运动转化为螺旋运动[7]，通过一根轴加工成丝杆沟槽以及花键沟槽，安装螺母以及轴承、轴承座，就能实现旋转、直线以及螺旋形式的运动。动后，切断正、负限位传感器的接收光信号，传感器接收引脚输出高电平信号，GTN运控卡输入信号引脚检测到高电平状态，则立即输出伺服驱动停止信号，保证插件工作的安全。各单轴模组、机构配置的伺服电动机参数如表2所示。

图2 滚珠丝杆花键副结构

配合滚珠丝杆花键副有效运动的具体方式如表1所示。

1.2 龙门模组—滚珠丝杆-导轨传动

如图3结构所示，龙门平面运动机构主要由X轴主、随动模组以及Y轴模组组成，单轴模组各安装了3个软限位传感器，即负限位、原点、正限位，当固定在模组滑块上端的机械遮光片随模组运

表1 丝杆花键轴动作

图3 自动插件机龙门模组结构

1.3 末端执行机构

末端执行机构主要为多个气缸的配合运动，前文了解到为适应不同电子元器件的夹取动作，需要设计不同的夹爪满足需要[8]。如图4所示，左边双轴推杆气缸1通过气缸连接片2与平行夹爪气缸3连接，夹片4设计可以具体参考散料电子元器件头部跨距；右边主要为编带料引脚夹取机构，微型气缸7通过电磁阀驱动轴运动，推动弹簧压缩片下压，夹爪弹簧张开夹取料引脚，夹片跨距设计适用于5 mm以及2.5 mm这2种引脚距的元器件，微型气缸6主要通过推动夹爪内的凸轮机构运动，下压固定杆对中元器件头部固定插件，且避免与夹料部分干涉。整个末端执行机构通过固定块、固定环与滚珠丝杆花键轴连接动作。

表2 多摩川交流伺服电动机参数

2 插件系统的软件实现

图4 末端执行机构结构图

插件系统的软件编程环境为IEC 61131-3，IEC 61131-3最大的优势在于其允许用户通过可编程控制器选择多类汇编语言，指定具体的控制目标去实现动作。

从插件系统的机构动作可以了解到，具体的软件控制主要包含各伺服轴的驱动、I/O端电磁阀控制的气缸动作（真空部分）。GTN运动控制卡作为主控核心，为这2部分的驱动提供了运动函数动态链接库，只需要有针对性地调用库指令，便能达到机构动作目的[9]。

2.1 I/O口气动控制

插件系统中，气动部分动作执行都通过I/O口通、断电磁阀操作，软件控制只需有针对性的对电磁阀进行复位、置位即可[10]。末端气缸轴行程依据上下磁性传感器信号的反馈做出具体动作。部分程序设计如下：

2.2 X/Y/Z伺服轴的调试

1）X/Y轴皆由伺服驱动电动机调试。考虑到它们的控制方式以及模式一样，所以通过X轴伺服电动机S1为在线调试对象进行阐述。选择固高GTN控制卡提供的伺服驱动轴控制方式：脉冲+方向（调用GTN_Reset置位控制卡），改变目标轴状态（GTN_CtrlMode）；选择GTN运控卡提供的轴驱动模式：点位驱动（梯形运动），设置目标位置、加速度以及目标速度。具体的调试流程如图5所示。

图5 轴调试的程序步骤

通过X轴伺服电动机在ServoStudio软件工具下记录其运行状态曲线,目标位置2621440counts，目标速度3000 r/min，加、减速度1000 rpm/s，运行如图6所示。

2）Z轴伺服电动机的调试。Z轴伺服电动机的调试包含花键传动电动机S4以及丝杆传动电动机S3。本节以花键传动电动机S4为调试对象进行阐述。花键传动电动机S4调试步骤与X/Y轴相同，目标位置131071counts，目标速度3000 r/min，加、减速度10 000rpm/s，只是在具体调试过程中需要特别考虑轴自振情况。从上节中已经了解到滚珠丝杆花键副工作的特殊性，单独调试花键传动电动机在带动轴运动过程中，会带动丝杆螺母转动，从而不可避免地造成位置跟随曲线振幅过大。其自振特性曲线如图7所示。

为解决自振问题，在Z轴调试过程中以抱闸（刹车）形式锁定伺服轴。通过长时间地刷新PID参数值，以数据表格形式进行记录曲线特性，再利用MATLAB对其数据表进行仿真且放大观察[11]，具体的仿真结果如图8所示。