压配合连接器压接设备机械系统的设计和分析

高航 赵永亁

摘 要：随着高速、高密集型压配合连接器的快速发展，超高速背板成为了互联网中节点设备的关键部件之一，同时也对连接器压接设备提出了更高的要求。压接工序定位精度准确、可靠性高，柔性化好、自动化程度高的压配合连接器是超高背板加工产业中的重要环节。基于此本文通过对压配合连接器压接设备机械系统的设计进行了分析及优化，对连接器压接设备行业水平的提升有一定意义。

关键词：压配合连接器;器压接设备;设计分析

一、压接设备的方案设计

（一）压接设备机械系统的选择

本文中连接器压接设备的机械系统单元的运动路径为。第一，先将机构移动至上模暂存区，抓取特定的上模;第二再将上模移动至连接器上方，旋转并调整上模位置，使其对准连接器;第三将上模准确的插入连接器中;第四机构依照设定的速度和压力，将单个连接器缓慢的压入PCB板的金属孔中。压接结束后，机构抽出上模并返回。至此完成一个工作周期。

如上所述，通过研究可以发现器压接设备的运动特点是：机械系统末端在具备精准的定位静确度，可以在多个空间位置实现快速的平动;同时机械系统末端需要对Z轴输出较大的插接压力，才可以在Z轴进行旋转运动;机械系统末端在精准的定位精确度下可以实现快速启动和停止。

结合快速精确平动、运行平稳、结构紧凑可靠、可输出较大垂直压力等特点，所以优先选取具备4自由度的直角坐标系机械结构作为机械系统的整体结构。

（二）压接设备机械系统驱动方式的需求分析

（1）最大行程。根据1060mmⅹ740mm是目前生产的印制电路板最大尺寸，可以确定出1200mmⅹ800mm是机械系统的X，Y方向最大工作行程。因为考虑到Z轴末端会越过印制电路板输送线，但是印制电路板输送线的高度为200毫米左右，所以Z轴最大行程大于等于输送线高度+下模高度=250mm。假如把安全空间调整为50毫米，则Z轴需要的最大行程为300毫米。故确定1200mmⅹ800mmⅹ300mm。为X，Y，Z轴最大行程。

（2）根据连接器的插接过程可以分为三个工艺区间。首先是插接前的区间，从原点到指定高度的速度由上模设定，压接的速度可为Z轴最大的速度，此过程可以不用接触连接器，其次是插接区间，上模接触连接器进行压接在达到指定高度的时候，开始对每针最小力、最大力或指定压力等进行判定，满足压力条件，下模继续下压，压接的速度为0.2mm/s-5mm/s 之间，行程比较小。最后是插接结束的区间，如果机械系统在下模位于设定的高度区间时检测到实际压力已经达到了“设定的压力值”时，则压接结束。所以每分钟的速度=0.2mm/s，maxV =5mm/s为机械系统 Z 轴的工艺压接速度

（三）压接设备附属输送线体的实现方案

背板输送机构和顶升机构的功能可以有效实现背板快速、稳定的传送，也可以对印制电路进行升降、定位等动作。通过使用步进电机驱动异型齿形的同步皮带涮动输送机构进行使用，在每一节的工位输送时，每次只能容纳一个背板进入和流出。其中背板的快速平稳输送和输送机可以根据背板的宽度对输送线的宽度进行自动调节。

运用顶升机构将背板降下并成功传动到衬板上，为定位背板。其具体的操作步骤为：将背板移动到特定的位置后，整体的输送线顶升机构会开始下降，同时也会带动背板下降，直至下降到与机床地板相贴合，以方便Z轴承受机械系统的较大压力，压接完成后，顶升机构会恢复到开始的高度，然后背板将会被抬起，等待一块背板的进入。

二、压接系统搭建与实验分析

（一）系统硬件组成

工控机和运动控制卡（运动控制器）组成了压配合连接器压接设备的控制系统。工控机通过采用研祥 IPC-810E，对2个运动控制卡，1个运动控制器，1个数据采集卡进行连接。PARKER 提供的 ACR9000是运动控制器，需要將其安装在专门的电柜中，可以有效实现八轴直线电机运动控制。雷赛的DMC1000和DMC2410是运动控制卡，分别对 Z 轴伺服电机、输送线交流电机、夹紧气缸等进行控制。采用 NI-9237 采集压力传感器信号作为数据采集卡。

（二）压力采集系统介绍。

压力传感器系统由压力传感器，信号放大器，数据采集卡等三个部分组成，是插装设备的核心传感部件。整个压接过程的可控性和连接器的最终装配质量都是通过压力传感器系统直接进行的。对插装行程的各个特定阶段读取压力传感器的实时数据是由插装设备进行的，插装设备在读取压力数据后会与设定的经验数据进行比对，然后依据比对的结果，来决定下一步的程序走向。

在对本课题使用的压力传感器进行选型时，需要重点考虑压力传感器的灵敏度，精度，额定压力范围等参数。本项目为自动插入模具，故压力采集系统需要能判断模具是插入到连接器根部。即插入阶段时，如传感器感应到大于某数值的压力，则说明模具未顺利插入连接器，需要人工检查连接器是否歪斜;如整个插入阶段里，传感器感应到的压力小于某数值，则可认为其已经正常插入，系统自动进入压接流程。上述的压力数值，需要由插入实验得出。故项目选用的压力传感器暂定为意大利 AEP C2S 压力传感器，其综合误差0.023%，精度（OIML R60）C3。信号放大器选用美国 Interface SGA/A SGA/D 信号放大器，数据采集卡选用 NI-9237。NI-9237 可驱动并测量 4 个基于电桥的传感器所需的全部信号调理具有高采样率和高带宽，结合通道间零相位延迟，提供了高效高速的应变或载荷测量系统通道。

（三）模具自动插入实验

本节首先进行模具的自动插入实验。通过此实验，可得出插入阶段的上限压力值。取得此经验值后，系统即可利用此数值来自动判断模具的插入过程是否正常。首先 Z 轴抓取模具，并自动运行至下 CCD 视场内拍照，定位模具的中心位置。

定位完毕后，Z 轴携带模具，移动至背板放置区间，使用 Z 轴上安装的CCD 视觉系统对背板的 MARK 点进行拍照，以定位背板在上 CCD 坐标系中的位置（上、下 CCD 视觉系统各自所处的坐标系已经通过校准工装进行校准）。最后导入待压接位置在背板上的坐标数值。Z轴移动到该坐标值位置处后插入模具。

经过试验数据分析，当模具顺利插入连接器，传感器感应的压力曲线均低于 5N。模具插入连接器受阻时，力-时间曲线产生突变。故在主程序中设置插入阶段的判断参数值为 15N。当插入阶段压力传感器感应到大于 15N 的压力值，程序判断插入出错并暂停;否则正常运行。

结论：本文根据项目的实际情况出发，以压配合连接器全自动插装设备为研究对象计了系统的总体方案，并对关键结构部件和驱动部件进行了选型和理论计算，同时对模具自动插入过程的自动检测系统进行了实验，确保了模具可安全、可靠、准确的自动插入到连接器中，实现了自动压接的关键一步。

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