一种柔性化组合的压装机构设计与研究_张贻杰.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期随着工业技术的发展，电路板应用越来越广泛，将电路板压装到集成模块上是一种主要的生产工艺，实现可靠、高效生产具有很大的研究意义。集成模块主要由金属氧化物半导体场效应管和双极型晶体管复合而成的一种器件，其控制电路板的组装是否合格可靠对于整个模块乃至整个模块化产品都至关重要。另外，新产品的不断更新换代，对刚刚研发出来的产品，可靠、高效的生产也具有相当重要的意义。因此，本文针对这一个问题，提出了柔性化组合的压装机构的一整套方案，从而对相应的系统进行验证。1一种柔性化组合的压装机构方案确定1.1初步方案一种柔性化组合的压装机构初步设计方案如图1、图2所示：图1压装机构正视图图2压装机构侧视图压装机构由高精度电子压机、C型支架、上压装模具、压紧部件、下压装模具等组成，工作时电路板由输送系统传送到压装工位，压紧机构下降定位、压紧工件外壳，上压装部件下降，先通过导向销和输送系统的工装夹具对齐中心位置，然后上压头再接触电路板并压装到外壳中，压装终止时检测电路板的压入力及位移；由于工件本身（外壳及电路板）可能存在偏差，上下模部件需精准匹配，与工件准确定位；同时考虑压装机构具有较快的生产节拍，上模具部件可集成两套独立的压装头。在机械设计1时，考虑下模具作为基准，下模具部件中用定位销定位工件；输送系统的工装夹具X、Y方向留有间隙可以下模具部件对齐中心位置，Z向留有弹性机构，用以将压装力卸载在下模具上；待工件输送到位后，由压紧部件往下预压，将工件及输送系统的工装夹具压紧；上模具在下降时先对齐中心位置，再接触工件进行压装，实现多套工件的精确定位及可靠压入；电子压机由伺服马达驱动精密滚珠丝杠实施精密的压装作业；电子压机能随时精确控制压装压力、停止位置、压装速度、压装时间等参数，能够在压力装配作业中实现压入深度（即位置）的全过程闭环控制，从而实现产品在线质量的信息化管理2，且同时具备可靠性高、精度高、柔性好、界面易于操作等优势。1.2问题和故障分析对此初步方案进行故障分析，并结合前人所做的实验，总结出该预想方案有以下几点不足及可能产生的故障：1）工件本身存在来料偏差，输送系统的工装夹具存在夹具偏差，压装机构可能无法匹配，从而无法准确定位；2）上模具部件中两套独立的压装头由于零件尺寸公差的影响，很难保证压装面在同一高度，Z向压装面高度不同会造成在电子压机输出力和位移相同的情况下，一侧工件的压入力和位移满足要求，另一侧工件的压入力和位移不满足要求；3）压装机构如何快速匹配，降低换型的时间，从而提高生产效率？4）不同的物料有不同的定位特征与抓取特征，如何达到可靠定位的要求？1.3解决措施及最终方案针对以上几个问题，现提出以下解决方案：1）压头部件中设计有浮动力、浮动量可调整且可自动归正的二维浮动平台；2）通过使浮动板在X、Y平面内获得直线运动副的连接机构3，安装底板和浮动板之间通过连接机构连接，所述连接机构由可沿左右方向运动的高精度交叉滚子导轨、可沿前后方向运动的高精度交叉滚子导轨和交叉滚子安装板构成，在X、Y平面内自适应浮动且能自动回位归正的二维浮动平台，在其上设置定位销，在工作时使其先与下模具部件的定位套接触，实现压头自动对齐中心位置，来解决因工件及工装尺寸偏差引起的不能精确定位、匹配的问题；3）在电子压机与两套压头机构之间增加柔性连接机构，即使用蝶形弹簧的并联来设计一个弹性系数K较大的连接机构4；假设选取K=1500，当两套压装头机构之间存在微小的高度差时0.01 mm，两个压头机构最终作用在工件上压装力相差约15 N，满足使用要求（工件压装力的精度要求一般在30 N以内，压装位移的精度要求在0.2 mm以内）；4）机械设计时，在上模具部件、压紧部件、下模具部件5及输送系统的换型工装上设计快速换型接口，通过两个高精度定位销与定位孔进行定位，侧面有旋钮柱塞及把手，进行快速锁紧及定位的功能，还可通过RFID读写传感器来进行夹具编码识别，实现各种类型工装的快速、可靠的换型；5）可根据物料的不同类型（电路板的尺寸大小及PIN针孔数量的多少）定制不同形式的上模具部件、压紧部件、下模具部件及输送系统的工装夹具6。一种柔性化组合的压装机构设计与研究张贻杰何晓悦（上海克来机电自动化工程股份有限公司，上海200949）摘要：针对自动化生产线中工件上下料时工件存在的位置偏差及定位等问题，同时考虑到自动化生产线需要有较快的生产节拍，压装机构能高效地生产，设计了一种可柔性化组合的自动压装机构。该压装机构由高精度电子压机、集成XYZ方向浮动的双压头上压装模具、弹性压紧部件和下压装模具等四部分组成。测试结果表明该机构能可靠地完成不同类型和尺寸的电路板压装，柔性化、自动化程度高。关键词：柔性化组合；压装机构；设计77一种柔性化组合的压装机构设计与研究图6压装位移折线图（50组数据）2系统与测试结果应用Solidworks7对压装机构进行1:1三维建模，对系统进行完整的设计，绘制零部件工程图纸，编制整体技术要求，制造加工所需机械零件，组装零部件，接线、查信号、上电，装配完成后的整体系统如图3、图4所示：图3压装机构实物正视图图4压装机构实物侧视图使用电子压机驱动上模具压头进行压装，对压装过程的压力位移关系进行有效监控，工艺参数实时数控，确保高品质的生产过程，且由通讯网络实时反馈，实现了生产过程质量的信息化控制与产品质量的可追溯；可以适应生产多种产品，自行切换目标程序，实现柔性生产要求：高速度，高精度，短工作节拍，压装过程多段速度设定，确保压装过程可控；通过输入简单的位移、速度、压力等参数，即可实现智能化柔性工艺曲线数控，使用极为方便。压力-位移关系图数据如图5所示：图5压力-位移曲线图为了验证压装机构系统能力，电子压机驱动上模具压头至电路板压入外壳位置，按此工作流程，让压装机构连续将50套电路板压入外壳中，观察压力-位移曲线并记录相应数据。所得压装位移数值见表1，将所得50组数据绘制成折线图，方便分析稳定性。图6所示为压装位移数值，其余压装压力数值可以同时得到，形式相同，此处不详加介绍。表1压装位移数值（50组数据）通过所得数据分别计算Cm、Cmk8，从而判断压装机构在试验情况下，是否能可靠、准确地将电路板压入外壳中，是否满足设计所需。由式（1）计算得：stotal=ni=1（xi-x?）2n-10.014（1）式中：Stotal为样本标准偏差，单位：mm；xi为表1中50组样本数据，单位：mm；x为样本平均值，单位：mm；n为150组数据的序号，无具体单位。由式（2）计算得：Cm=T6stotal=0.1560.0141.79（2）式中：Cm为机器能力指数；Stotal为样本标准偏差，单位：mm；T为公差范围，单位：mm。由式（3）计算得：Cmk=USL-x?3stotal=124.88-124.80630.0141.76Cmk=x?-LSL3stotal=124.806-124.7330.0141.81（3）式中：Cmk为临界机器能力指数；x为样本平均值，单位：mm；xmax为样本子组平均值最大值，单位：mm；xmin：样本子组平均值最小值，单位：mm；USL为规格上限，单位：mm；LSL为规格下限，单位：mm；Stotal为样本标准偏差，单位：mm。Cmk取两者较小值约为1.761.67说明压装机构能力状态良好，试验达到预期目标。上模具部件移动到工装夹具换型位置A，操作人员手动松开旋钮柱塞，通过万向滚轮条可轻松取出工装夹具A，然后放入工装夹具B，手动锁紧旋钮柱塞，完成工装夹具换型，记录整个过程所需时间小于5分钟。操作人员更换不同的工装夹具（例如：压紧部件、下模部件及输送系统的换型工装）重复上述操作过程，记录所得数据，与上文测试值接近。3结束语通过对压装机构的测试并结合上述图表及数据，可观测得所需参数均达到设定区间，并且平稳地分布在设定值附近，系统工作稳定、可靠；上文提及的潜在风险点均没有出现，整套压装机构满足设计要求。本文的研究结果对设计和制造类似的柔性化组合的压装机构具有指导意义和参考价值。参考文献1濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计M.北京：高等教育出版社，20132林占江，林放.电子测量技术M.北京，电子工业出版社，20193孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理M.北京：高等教育出版社，20134闻邦椿.机械设计手册M.6版.北京：机械工业出版社，20185许发樾.模具制造工艺与装备M.北京：机械工业出版社，20156高志，黄纯颖.机械创新设计M.北京：高等教育出版社，20107张忠将.SolidWorks 2018机械设计从入门到精通M.北京：机械工业出版社，20188贾新章，游海龙，顾铠，等.统计过程控制理论与实践M.北京：电子工业出版社，2017收稿日期：2022-08-2578