立式自动插件机机电系统的设计

李 锐，谢海涛

（深圳市中禾旭精密机械有限公司，广东深圳 518125）

1 自动插件机概况

1.1 自动插件机的概念和优缺点

自动插入技术是通孔技术的一部分：它通过自动插入设备把电器元件嵌入印刷电路板的导电透气孔中。其好处是增加了安装密度、安全性、耐振动能力、频率特性、智能化程度以及劳动效率，减少了生产成本。自动插入技术的主要缺陷是焊后修复性不好，且插入速度也没有贴片机快。

插入式机器的分类可以通过组件的不同插入方法来确定。插入元件后与PCB 垂直的插入设备称为垂直插入机，插入元件后与PCB 平行的插入设备称为水平插入机，因此插入机的分类取决于插入元件后的形式。当插件和SMT 制造工艺交叉时，通常是先黏贴插件，然后在波峰后焊接插件。在插入式机械方面，对于一些特殊形状的部件，普通的插入式设备无法实现插入。第一种解决方案是手动插入，第二种解决方案是开发专用插入设备，借助专用插入机械手满足异形插入的需要。

1.2 插件机组成部分及功能

插件机是由机构部分和电气部分组成，机构部分主要是供料系统、定位系统、传送系统及插件系统，电气部分主要是气动系统、元件感应检测及电路控制系统。

（1）电路系统是自动插件机的精密机电设备。其所有功能均由内置CPU 协调和管理，动作报告结果则由光电开关、霍尔元件或编码等传感器元件反馈。（2）气路系统供各部分气动机构。（3）X-Y定位系统带工作夹具。（4）插件头组件。（5）打弯剪切砧座。（6）自动校正系统。（7）自动收放板系统。（8）编序机和组件栈。（9）元器件检测器。（10）对中校正系统。

1.3 插件机工艺流程

1.3.1 送料

此功能主要由插入式机器的分配头机构完成。主要是将编织用电器元件在编织物内逐个切断和分开，并使之迅速可靠地传递至所连接的链夹上。分配头机构的主要部分包括：（检测）集成电路板、感应件定位销、感应铜块、工位感应制动装置、气缸、电磁控制阀、主副刀、分离拨叉片、棘轮机构等；操作时将气缸伸出，由活动曲臂滑块上的主刀和辅刀，将编织材料全部切割完毕；同时，叉推片、钩爪机构和活动曲臂滑块的前端件一起固定好，并夹住元件；叉推片的前部先与料夹接触，然后定位料夹。接着，将元件引入链夹的夹子中，钩爪启动；随着油缸缩回，棘轮机构移动，驱动卷取轮旋转一个角度，然后将部件送入钩爪，汽缸再次动作。

1.3.2 运输料（链条转动）

此操作由链条驱动机构完成。该机构主要由伺服电机、行星齿轮减速器、膜片联轴器、驱动链轮等组成。在驱动链轮的轴端安装一个带有8个均匀槽的光电检测盘，用于检测链条的零位。

1.3.3 剪纸

该操作主要通过剪纸皮带结构进行。该结构主要由光电检测片、气缸和导轨等构成。剪纸艺术的机构利用在该部位的链夹上的原片制作纸带。当光伏发电探测器所感应的元件到位后，随着气缸运动，曲柄滑片往前运动，压刀往前运动，并先把元件的插针压住后。用剥纸刀把高于切割部位的印刷纸带自上而下地剥皮，然后用切割刀把元件的销切下，在切开元件的销上并没有纸。

1.3.4 PCB板定位

该动作可以通过X和Y工作台机构实现，将放置在PCB 的工作台移动来完成对PCB 上任何部位的插入。将正负极限测试光电接近开关和零位测试光电接近开关都放置在Y工作台机构上。当转盘要移动时，由转盘马达带动，而转盘电机则通过同步带与其连接。马达带动丝杠运转，而丝杠则带动丝杠螺母与底座垂直运动。

1.3.5 CTA送料、插件

此部分由插接机主体部分的接头结构所完成。接头结构将链夹中的元件输送至插件体，并嵌入电路板内。当CTA 结构送料时，由夹紧机构夹住材料；当嵌入零件后，由卸料机构将零部件从夹内拔出。CTA的进给浮动块前端设置拱形给弹器。拱形给料机上部设置电铲，下部设置一组电极装夹，弹链通过电极装夹；进给浮动块与直线熘道运动相连，直线熘道与油缸相连，进给滑块来回运动，将零件从链条的链夹送至插件体的夹紧机构并返回。CTA 机构安装在托盘中间，两侧安装一组链轮。工作时，CTA 机构将组件从链夹送至插件体的夹紧机构，然后返回；电机RH 会根据插入角度的需要旋转，将机体角度拉直；h 轴电机旋转，机架向下移动，插件体与压杆一起向下移动；电机RB 旋转，压杆向下移动，将元件插入电路板孔内，压杆返回，随机返回。

1.3.6 折弯、剪脚

此操作由基本机制完成。基座机构弯曲插入电路板的元件，并切断元件多余的引脚。座体内装有夹脚器，夹脚器两侧装有检测杆。在正常情况下，杆与本体和脚钳绝缘。夹脚器在移动到位时，导体与检测棒紧紧对接，与设备的“接地”构成回路。主机固定并设置在底座的主杆上，主杆与主杆套筒活动相连，在主杆套筒上还装有同步轮，主杆套筒活动与底座上的滚动轴承紧固相连，同步轮和同步带与电源RB（基座角电机）相连。一套结构负责底座的上下运动以及脚剪的张紧与闭合。它由上升油缸、油缸接头、连接柱、油缸滑块、连接头销、油缸连接座、油缸连杆、剪脚油缸等组成。在操作过程中，电机RB 旋转，底座旋转到所需角度，提升油缸工作。底座升起，上升到位后，剪脚油缸工作。汽缸连杆向剪脚刀施加压力，剪脚刀切断部件。

2 立式插件机总体结构设计

设计了插装机的进给系统、传动系统、插入系统和定位系统的结构，并通过设计验证对各部件的整个腿部过程进行了改进设计。同时，还需要仔细设计送纸系统中切纸带的气动机构，并对各部件的受力进行分析。通过受力分析，选择空中街道来平衡受力，为了防止插件的冲击力，采用结构设计和电气控制的方法来减小冲击力。定位方法使用PCBA 上的定位孔来定位针。在传输过程中，PCBA 承载带元件需要由链条驱动。

2.1 送料系统的硬件设计

该设备模仿手动插件。在手动插入之前，首先将带材料的电容器通过脚钳，将电容器的插脚剪至项目要求的长度（基板为2.4～3.2 mm），然后将其散装放入回收箱中。当机器手指模拟手动拾取时，必须首先放置电容器。基于这一结果，有两种方案。

2.1.1 带料电容送料方案

将切割后的散装材料（电容器）放入振动盘中放电，然后设计一种特殊的分离、成型和定位机构。该方法存在的问题如下。

（1）切割电容器的引脚约为2.8 mm，且大多数电容器为长圆柱形，因此难以垂直放电，每个电容器需要一个振动盘，这占用了大量空间，成本很高（约10000元）；

（2）放电后很难定位电容器，而且判断极性更加困难和不稳定，由于脚剪需要手动操作，因此放弃了该方案。

做一套机构通过气动一次完成送料、剪脚、整形、定位，分析送料电容纸带上的孔距为2.7 mm，通过纸带孔送料，要保证每次送一个孔距就可保证电容准确送到剪脚位，为确保剪后电容PIN 脚长度，故而送料高度可调，采用图1机构来完成。

图1 拉纸机构

本机构中气缸1 过通限位螺钉把行程控制为12.7 mm，把拉纸带销头部作为锥形方便进入，通过调节螺钉可调节拉销的高度，从而配合托料架调节剪脚长度，此机构不会产生误差积累。具体工作方式：气缸伸出使拉销插入纸带孔，完成后气缸伸出使纸带向前运动2.7 mm，到位后气缸缩回，再有气缸缩回，完成一个送料动作。

2.1.2 电容剪脚和整形及定位机构

由图1可知，可以通过气缸的动作控制送料形成，在送料过程中，推动料带前进的是气缸，可以通过气缸的动作插入料带孔中，前进的过程中插入料常孔，送料结束后抽出拉纸带销，然后气缸动作回到原始送料位置，再通过气缸插入拉纸带销到料带孔中进行下一次的送料行程。送料行程距离可以调节，通过调节螺丝进行对汽缸1行程距离的调节作用。

切刀机构在取料的同时也要进行切料带的作用，使料带和电容元件脱离，然后可以取料，切料带就是切掉元件脚，切刀通过螺丝固定在固定块上，而气缸带动通过切刀刃口对元件脚进行切脚的动作。

动切刀机构切料气缸的作用是带动切刀对元件引脚进行剪切，电容到位传感器可以检测到电容是否有送到位，如果没有，会再送一颗电容到此位置，电容定位块是对到位的电容进行定位，便于对电容进行切脚和手指机械手的准确抓取作用，压纸滑块的作用是利用弹簧的压力带动压纸滑块对料带进行挤压以保证料带前进的精度和顺畅。

辅助定位机构通过电容传感器对电容的到位检测，电容定位块对电容进行定位，再由电容PIN 脚弹压块对电容脚进行固定以便切脚。

2.2 插件模块

插件模块由机头（夹爪机构、旋转机构和上下机构）及精准定位滑台（XY table）组成，机头机构如图2所示。由3个气缸组成，第一个是上下行程气缸，带动手指机械手进行上下行程的动作，到插件还有15 mm 时会有一个缓冲机构防止冲力过大；第二个是转角气缸，在插件元件有角度的时候可以进行转角，仅可以进行90°的转角动作；第三个是手指抓取的气缸，可以带动手指机械手进行元件的抓取及插件的动作。

图2 机头机构

2.3 基板定位模块

2.3.1 载具进出机构及控制原理

根据工作要求要满足以下几点：①连板分板功能；②进板缓存区、工作区、出板缓存区。结构及动作示意如图3。

图3 载具进出机构原理

通过快速链条与慢速链条完成连板情况下的分板功能，如下：

（1）载具有慢速段，进入快速段，进板档块下降放载具过去。

（2）进板传感器检测到载具进来时，并且出板传感器检测无板，出板挡块升起，将阻挡载具使其停下，完成载具初定位。

（3）当进板传感器检测到载具的下降沿时，表明载具已过进板挡块，此时进板挡块升起阻挡下块载具进入工作区。

（4）在基板定位完成后，出板挡块下降，为出板做准备，当插完件后载具被重新放到链条上，此时进板挡块下降，下块载具进入工作区。

2.3.2 基板精定位结构说明

由于基板在载具中偏转一定角度放置，首先把载具升起脱离传送轨道，然后通过旋转机构转动载具使基板和设备在同一坐标系内，再利用基板上的安装孔进行定位，方法为右边定位销插到基板石边安装孔内固定，左边定位销插到基板左边安装孔内向外侧拉伸，使基板精确定位。

3 结束语

近年来，我国电子产业成长很快。国内业务基本由国内企业的自主产品覆盖，并已推向全球市场。在走向全球发展的进程中，唯有通过提升产品的技术含量，才能巩固在发展进程中获得的现有市场。所以，企业必须在电子产品工艺方面实现有效的技术突破。另一方面，必须提升产品改造工艺中的技术，优化生产工艺，减少制造工艺中的不平衡成分，提升质量，改善插件环节生产过程的现状，为企业解决问题，带来效益。