PCB分板机的结构设计研究

张俊玲 邵云飞 王继荣 部双双 牛山 苏明顺 任久帅

摘要：  为提高印制电路板（printed circuit board，PCB）分板的自动化水平，实现与后续工序的良好衔接，本文基于Solidworks三维建模软件，对PCB分板机进行研究。设计了PCB分板机的工作流程和主要机构，建立了PCB分板机的三维模型，模拟了PCB分板机模型的运动过程，并观察PCB分板机模型的运动过程是否会产生干涉，同时根据模拟结果，修改分板机模型，使其运动过程中不产生干涉，实现了与生产线后续工序的衔接，协调完成整个PCB板分板检测包装生产线的运作，提高了生产线效率。该研究对PCB分板生产线具有较好的理论和应用价值。

关键词：  印制电路板;  PCB分板机;  自动化; 机构; 三维建模; 干涉

中图分类号： TH122 文献标识码： A

印制电路板是信息产业的基础，在众多领域中应用相当广泛。因此，PCB的制造品质不仅影响电子设备的可靠性，而且还影响系统产品的整体竞争力[14]，在变化多端的全球经济及产业发展形势下，PCB行业一直在持续增长[5]。常用的PCB面积不大，企业通常是拼板批量生产，然后将拼板分成一个个小板[67]，因此PCB分板是PCB生产过程中的重要一环，PCB分板主要有切割和冲压两种形式。在切割方面，Contour Fine Tooling 公司[8]将热源切割技术应用于工业生产，极大地提高了切割的生产效率，增大了刀具的附加值;Binayak Bhandari等人[9]针对双面覆铜印制电路板，绘制了钻削的毛刺控制图，该图表为钻削的参数选择提供了参考;R.Adalarasan等人[10]研究了非接触式CO2激光切割技术在第二代金属基复合材料的应用;仵桂学等人[11]研究设计一款基于机器视觉的PCB分板数控系统，并设计了一套基于视觉路径的编程方法;莫玉华等人[12]对PCB板切割设备切割刀头深度控制进行研究，解决了切割PCB 板V槽的深浅问题，有效保护切割器刀头;宋维建等人[13]对激光切割控制系统进行研究，实现生产线上在线自动监测，降低了切割过程中的人工干预;范春卫等人[14]研究了切割机的运动控制方法，实现了切割机多轴运动控制。在冲压分板方面，方贵本等人[15]生产了一种PCB自动分板及自动测试装置，提高了PCB分板的自动化程度;宁志刚等人[1618]对应用在不同行业的冲压设备进行优化研究，使其在生产线中得到良好应用。冲压分板与切割分板相比，速度快，模块化程度高[1920]。因此，针对PCB分板包装生产线的设计要求和生产节拍，本文设计了一种冲压分板机构，并基于Solidworks三维建模软件，对PCB板冲压分板机进行结构设计，实现了与生产线后续工序的衔接，协调完成整个PCB板分板检测包装生产线的运作，提高了生产线效率。该研究为印制电路板分板生产线提供了理论依据。

1 PCB分板机的工作流程

1.1 PCB板的主要参数

分板前，PCB拼板的尺寸为234 mm×149 mm（长×宽），PCB拼板尺寸如图1所示;分板后，PCB单板尺寸为65 mm×45 mm（长×宽），模块整体高为24 mm，基板厚度为2 mm，分板后单板尺寸如图2所示。

已知冲裁长度、PCB板的厚度和材料的剪切强度可以计算冲压力。该PCB板的材料为FR4，剪切强度为517 MPa，对冲压力进行计算。

1.2 PCB分板机的工作流程

本次设计的PCB包装生产线现生产模式主要由分板、扫码、测试、装箱等部分组成。本论文主要研究PCB包装生产线的分板模块，为了提高PCB包装生产线的自动化水平，研究设计了一款全自动PCB分板系统。

本文设计的PCB分板机主要由分板机构、传送机构和顶起机构组成。工作时，将PCB整拼板放入分板机下模具中，人工放板时间约3 s，傳送机构在2 s内将PCB整拼板送到冲压分板位置;分板机的加压机构开始工作，加压机构从开始到完成需在4 s内;冲压完成后，传送机构要在2 s内完成;顶起机构工作，将小板撑开，用时2 s;小板分离后，传送机构将PCB板送到分板机末端，等待机械手抓取小板，机械手抓取小板时间为3 s;机械手抓取小板完成后，工作台回到开始位置，等待人工放板，用时4 s。因此，完成1块PCB板整板的分板时间共需20 s。

2 PCB分板机的结构设计

2.1 分板机构

分板机构的动力源是气缸，利用气缸产生的压力对PCB板进行冲压分板，使其边料被冲落。分板机构主要由上模、下模、刀具、上模座、下模座、导柱、限位块和定位块等组成。分板机构模型如图3所示。

刀具采用平刃刀，刀刃形状与PCB板需落料处的形状相吻合;限位块的作用是防止冲压过程中刀具运动过位，对PCB板造成破坏;导柱的作用是导向，引导上模和下模以正确的位置运动，导柱安装在上模板，两个导柱对角布置;定位销安装在上模，用来精确定位上模和下模的相对位置;下模主要用来固定PCB板，使其在冲压过程中不发生移动（PCB板的定位部分见图3）;下模固定在下模座上，用螺纹连接方式，采用3个螺纹孔紧固和2个销孔定位;上模固定刀具的部位和主要运动机构，刀具与上模采用螺纹连接方式，上模固定在上模座上，采用3个螺纹孔紧固和2个销孔定位。

上模和下模是冲压过程中的主要工作部分，通过上模运动，实现PCB板的冲压分板。当工作台通过传动机构运动到分板位置时，气缸开始运动，上模和刀具在气缸的带动下向下运动，刀具和PCB板接触时对PCB板产生压力，刀具继续向下运动，直到PCB板边料完全脱落。冲压分板完成后，气缸上升复位，顶起机构开始工作，扩宽10块PCB小板之间的距离，后工作台继续向前运动，直到机械手抓取小板的位置，机械手抓取完成后，工作台回到开始位置，等待下一次分板。

2.2 传送机构

直线传送机构主要有滚珠丝杠型和同步带型两种。由于冲压时会产生较大的力，而且每次工作完成都要改变运动方向，使工作台回到开始位置。由于同步带型不适用于频繁改变运动方向的场合，所以此次传送机构采用滚珠丝杠传送。

滚珠丝杠传送不仅可以满足高精度的要求，而且具有传动效率高、运动平稳、同步性好、使用寿命长等优点。在滚珠丝杠的上方加了风琴保护罩，风琴保护罩可以保护内部的直线导轨和滚珠丝杠，提高直线导轨和滚珠丝杠的使用寿命，在运动过程中也可以起到减少工作台振动的作用。

传动机构负责将工作台传送到指定的位置，工作台主要有3个位置，第1个位置是人工放板的位置，第2个位置是冲压分板的位置，第3个位置是机械手抓取小板的位置。人工放板位置与冲压分板位置的距离为400 mm，要求在2 s内能够走完，即滚珠丝杠的速度要求能够达到200 mm/s;从冲压分板的位置到机械手抓取小板位置，距离也为400 mm，要求同上，所以在选择丝杠时，要求直线速度为200 mm/s。另外，工作台的质量约为50 kg。根据要求选择丝杠型号为：公称直径20 mm，导程5 mm，螺纹旋向右旋;电机选择安川伺服电机，型号为SGM7J01A，额定转速为3 000 rad/min，直接与丝杠连接时，丝杠的直线速度为250 mm/s，可以达到速度要求。

2.3 顶起机构

PCB板通过分板机分完板后进入下一工序时，需要机械手将分完板后的小板抓起。但由于直接分完板后，每块小板间隔很小，对机械手的抓取造成了困难。因此，在机械手抓取小板之前，设计顶起机构，扩大小板之间的间隙，有利于机械手的抓取。

顶起机构设计有两种方案：一是利用气缸直接在垂直方向运动，顶起机构方案1如图4所示;二是利用斜面机构使气缸在水平方向运动，斜块在垂直方向运动，顶起机构方案2如图5所示。

方案1直接利用气缸的垂直运动实现顶针（蓝色件）的升降，在垂直空间内所占据的空间大，会使机器整体不紧凑，浪费空间;方案2利用斜块机构，将气缸水平方向的运动转换成顶针垂直方向运动，最大限度的节省空间，所以顶起机构选择方案2。

方案2的工作原理：动力源是2个相同的气缸，工作时2个气缸同时运动，速度相同，以保证顶针部分在水平方向的位置不变。顶针部分的顶端采用三角形结构，随着顶针的上升，顶针会从PCB板的间隙部分慢慢升起，顶针的宽度逐渐大于PCB小板之間的间隙，实现将PCB小板之间的间隙扩大到适合机械手抓取的大小。

2.4 分板机整体结构

分板机整体三维模型如图6所示，分板机控制系统采用PLC，另外分板机必须有废料收集装置，而废料收集装置能保证生产线的正常运行，不可在机器运行中进行清理，所以废料收集装置必须有足够的容量。

在设计下模时，特意考虑到了PCB板废料的收集，留下了落料空间。PCB板分板完成后，废料自动从夹具上空出的位置，经过废料导向漏斗，落到废料收集盒内，每次工作完成后，清理废料收集盒内的废料，废料收集盒易于取放，操作方便。

3 结束语

针对实际生产线，本文设计了一种PCB分板机。该设计实现了PCB的分板、传输，能够很好地与后续检测装置配合使用。顶起机构设计解决了机械手抓取小板时空间限制的问题，以及分板机与检测机之间小板的传输问题。本文也存在一定的不足之处，无法实现自动放板，还需人工放板，后续研究可以改进结构，使其实现自动放板。该设计提高了PCB分板的检测效率和PCB生产线的自动化水平，具有较高的使用价值。

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