1、异型件自动插件机设计毕业论文-文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印-摘 要本课题所研究的异形件自动插件机设计，主要是针对市场上所需求的PCB板插件技术开展。传统的插件多为人工插件，精度低，效率不足。异形件自动插件机可以较为完美的解决这个问题。我们小组针对这个类型的机械，结合市面上的已存在的不同类型和型号的插件机，开展了研究和创新。首先通过对电子元件和插件动作进行流程分析，可以初步确定插件机设计方向，设计要求和需要完成的目标等，并进行分类各功能模块。通过分析PCB板和异形电子元件的制造工艺和插件需求，从而进一步分析自动插件所需功能动作，PCB板运送料方式，我最终确立了通过LabVI
2、EW平台上设计基于DMC3000雷赛系列运动控制卡的插件机控制系统的程序设计方案。关键词：异形件自动插件机设计,PCB板插件技术,LabVIEW程序设计,DMC雷赛系列运动控制卡The Design of Automatic Insertion Machine Design of the SoftwareAbstractThe plug-in assembly technology of electronic components on printed circuit board of electronic products is an indispensable part in the pr
3、oduction of electronic products. Electronic components commonly used in the electronics industry are often inserted into PCB boards and are mostly assembled by hand. There are bound to be problems along the way. Therefore, the special-shaped automatic insert machine studied in this subject is mainly
4、 used to help the automatic plug-in assembly of PCB board in the mechanical and electrical industry, so as to improve its efficiency and accuracy, so as to improve many problems caused by the manual plug-in of electronic components, and to design automation equipment that can replace the manual plug
5、-in of each process.Based on the analysis of the design process of the electronic components automatic insert machine, we can determine the design process requirements and objectives of the insert machine, and carry out the division of each functional module. By analyzing the manufacturing process a
6、nd movement mode requirements of PCB board and special-shaped electronic components, it further analyzes the required functions and actions of the automatic plug-in, the way of PCB board transporting materials, and designs the scheme of the insert machine control system based on the DMC3000 leser se
7、ries motion control card on the LabVIEW platform.Keywords: special-shaped automatic insert machine,PCB board plug-in technology,LabVIEW platform,DMC racey motion control card1. 绪论1.1. 自动插件机的研究背景随着世界科技水平的快速提高，一大批先进的电子技术已经运用到了工业生产之中，其中就包括自动插件技术。越来越多的制造业将会不断转型升级。由于PCB电路板在生产电器的过程中扮演着非常重要的角色，发展异形件自动插件机的技
8、术是刻不容缓的。插件机技术在当前的行情下会起到非常大的作用，大大的加快科技的发展，从而促进经济的快速发展。国外研发插件机的某些企业，技术较为先进且成熟。他们大量投入PCB板的生产，插件机器设备稀少且贵，令国内部分中小企业难以得到。当前在国内家用电器的PCB板的插件动作基本上是通过工厂流水线作业的工作形式，由于流程中十分依靠人工手动的熟练度，故PCB板质量参差不齐、生产时间过长，人工成本过高，管理困难等问题十分突出。因此，插件机的开发刻不容缓。以上问题均可一一解决。1.2. 自动插件机的研究目的由于目前国内的工业保持稳定且高速的发展，所以PCB板的生产需求是十分巨大的。自动插件机的推广与研发是制
9、造业中的刚需。但是，国内现在的自动插件机基本处于样机调试和开发阶段。功能性不足，工作效率不佳，在推广应用的过程中存在许多难题需要解决。所以，在现在的背景之下，自动插进机以及其生产线的设备具有庞大的市场潜力。自动化的研发，也是非常关键的。自动插件机的开发将会为是一次生产的革新，可以实现国内的产业结构链条升级。2. 自动插件机的总体设计方案2.1. 自动插件机设计流程分析异型自动插件机技术的概念设计主要包括产品的供需关系研究、分析方案、外观设计，细节内容设计、机器后期实验与测试定型等几个基础流程。自动插件机的需求主要包括市场，技术和管理需求等多方面的需求。图2.1为异形电子元件自动插件机整体设计思
10、路流程。图2.1.1自动插件机设计流程图机械部分的方案设计包括机械部分设计和内容设计。机械设计即设计出这个机械的外形，尺寸及概念，是设计插件机的关键步骤，机械设计决定了插件机的基础作用、材料的价格、外观也非常重要。方案设计阶段包括设计参数要求分析、各功能模块划分、提出设计方案，插件机方案设计主要进行技术参数设计、总体结构布局、运动形式和驱动形式选择等工作。机械部分必须根据插件机的总体功能要求来设计，也需要满足插件机的不同运动需求，如点位运动，弧形插补等。机械结构是为了功能服务的。所以需要划分出各工作模块，然后对各个模块的功能以及输入输出进行总体的分析和构建，确立模块的参数来制定设计策略。 图2
11、.1.2为插件机可以对PCR进行组装的各种电子元件，针对不同的电子元件，必要时需要进行不同的运输策略，设计不同的运动类型，从而通过不同的机械结构更加完美的完成各种不同的电子元件在PCB板上的装配任务。图2.1.2插件机工作相关元件2.2. 自动插件机设计思路组成插件机机械部分的，包括插件头组、工作台、上接驳台、下接驳台，供料器和送料组件等。PCB板由上接驳台，经过带传送运送到工作台上进行工作。不同的电子元器件由不同的震动轨迹通过，由震动和气压运输的方式到送料轨道口。工作台可以把PCB板位移到电子元件所需要的插件头的插件坐标，准备执行插件动作。底部的气缸对弯角进行处理，并由特殊的检测器来检测电子
12、元件是否正确的插入。等待动作完毕后，插件好的板子将会被传送到下接驳台，完成卸货。在此动作中，主工作台由控制卡遥控电机和传送带进行移动；上接驳台和下接驳台上的传送带也由电机驱动。接驳台负责上下板，送料器进行元件的夹取。供料器将振动盘以及电子元件的运输轨迹连接起来，通过震动调整方位，协助持续运输和供给电子元器件。2.3. 自动插件机动作思路插件头的转向可以正转和反转，本课题设计的插件机构根据送料方向使用转动幅度50%的设计方案，从而缩短工作中插件的时间。动作执行的过程中可以通过气调节和浮动接头进行调节，夹稳后电子元件将向Z轴方向移动准备插入PCB板。2.4. 自动插件机效率与精度分析在进行设计和选
13、型之前，需要先对插件机所需的精度和效率进行一定的分析，避免后续工作出现比较大的误差和问题。异型插件机的工作效率主要是由机械、控制和电机三方面的工作效率决定的。插件机的插件动作是通过被伺服电机驱动进行，电路板的上料和下料是通过电机通过带传动所完成的，夹爪也需要此方案。并且，插件机的机械结构会在一定程度上影响其精度和误差。轴承、底座等部件都会在一定程度上造成意外。传动带的动作也会造成传送带的劳损，比如折断和打滑等。并且零部件的安装误差，这些其他原因，都会造成工作过程中不可预估的误差。异型自动机的定位功能对运动插件性能和精度是有非常大的要求。设计出的样板机器需要进行不断的精密测试，以保证可以比较准确
14、且成功的完成工作。机械设备精度测量方法有很多种，其中一种是接触测量。这种测量方式，是把测量仪器和测试元件的表面进行接触，完成测试流程。这种方法包括借助游标卡尺以及螺旋侧位器等工具。另一种方法则是非接触测量，同样会借用仪器，但是测量头不会和被测物品有接触作用，这种就可以解除接触力的影响了。通过对插件机的工作原理进行研究和斟酌，插件元件的精度的主要的误差方向主要来源于X方向和Y方向。要求的定位精度相对较低，细微的差距对于定位测量的不会有太大的影响，可以根据现场条件调整。重复对X轴进行测试，用千分尺进行测试是可行的。根据不同的测试方法，在硬件选型后可以进一步的对精度进行测试。3. 异型自动插件机的主
15、要结构3.1. 接驳台机构上接驳台主要是进行PCB的上板工作，上接驳台与主要工作台连接之后，传送带的电机驱动将PCB板运送进主工作台，做好插件工作的准备。下接驳台将插件结束后的板子接手并运输到下机，完成插件动作后使下接驳台与工作台进行对接，电机通过带动把板子传送到下接驳台上，之后完成下板。之后继续进行新的一块板子加工过程。上下接驳台的设计是十分对称的，都具备传感器。上接驳台内装有感应器，用于传感PCB的接入信号，确保完全接入PCB板后进行工作。下接驳台也装有内外信号传感器，可以感知PCB板在接驳台上的动作并且决定工作。上下接驳台的气缸都设有两个传感器，为上板高低位传感器，和下板架高低位传感器。
16、不同的传感器用于更准确的检测工作PCB板在运输的过程中的位置。有效的规避了卡板和位置不当的问题。上板有特殊的机器可以通过带传动驱动将PCB运输入上接驳台。上接驳台的示意图如图3.1.1所示。图3.1.1上接驳台示意图下接驳台可以辅助运输PCB板，使得其稳定的下板，从而继续让上接驳台执行操作，进行流水线式的插件工作。示意图如图3.1.2所示，结构理想与上接驳台类似。图3.1.2下接驳台示意图3.2. 主工作台主工作台的中心设计理念是将PCB板进行固定，并且在平面插补的过程中顺利的与插件头一同完成插件动作。电子元件的普遍引脚大小误差在0.5这个范围。如果需要把电子元件插入进板子并且按照特殊的位置，
17、引脚与中心插孔必须完成定位，不能有太大的误差范围。主工作台在X和Y轴两个方位，用轴承进行承载和运动。双杆控制伺服电机驱动，只要坐标足够精确，就可以完成这个运动。工作台在双轴方向都分别安装极限XY传感器，用于制约工作台的运动范围。可以有效的减少机器在插件中与其他机械部分碰撞。并且为了分析坐标更加准确，给工作台设定了原点传感器，相当于给工作台设定了一个原点。并且通过软件可以更好地进行视觉编程，设置泊车和回0点。主工作台上的轨道可调整夹板的宽度，轨道两段安装传送皮带，可以分别由电机进行驱动，主要负责板子进出流程，在主要工作台的轨道一端可以安置一套上板机构，其中的两个定位孔分别对应板子上的定位孔，可以
18、用来将电路板进行固定，预防在插件的过程中出现板子计划外的位移。工作台装有视觉传感器，用于判断板子进入主工作台之后可否到需要插件的位置。到位后是否可以定位住PCB板的定位口.。否则插件时将会出现不可预料的错误，PCB板损坏亦或是元件损坏。合理的设计可以有效的减少经济上的额外损失。主工作台的示意图如图3.2所示。“图3.2 主工作台示意图3.3. 送料器与供料器震动送料器可以把每个元件震动成一个固定的方位，这样方便传送带的运输，从而更好的完成插件工作。传送带固定在机器的后面。振动盘的位置必须和送料轨迹的出口相连，正对夹料机构，这样才能顺利的保证元件比较平滑的送到插件头并夹稳，所以方向是至关重要的。
19、不但可以提升插件精密度，还可以提高工作的效率。送料器主要是供应电子元器件从轨道运输到插件处，供料则是可以把部分元件同时朝同样的方向出货，每个电子元件的轨道不同，才可以保证每个元件以正确的方向输送进去。两个机构在运料过程中是相辅相成的关系。设计的异形元件的送料器如图3.3所示。图3.3震动送料器送料器由进料口和输料口两个部分组成。进料口的工作是是在送出电子元件的过程中对元件进行固定和运输，分为活动机构和运输机构两部分，分别完成不一样的工作。凹陷部分长度和弧度根据不同元件的的引脚型号、尺寸排列进行设计。每一套运料口原理上只足够完成一个种类的对应元件。送料组件可以把夹好的电子元器件送出轨并进入插件位
20、置，外形设计以一个长弧形滑槽为基准，电子元件在Y轴方向通过震动运输，通过气缸进行送料口的送料并且重复此动作。4. 控制及电机部分的选择4.1. 控制部分设计思路控制部分和程序设计有着密不可分的关系，程序基于控制部分合理的选型，从而更好的完成插件机所需完成的工作。初步的方案是选择市场上功能较为契合此课题，并且价格合理的电机和控制卡，在能圆满完成任务的前提下，尽可能的节约开发成本。由于PCB板上的元件插孔位置分布较为紧密，插孔位置非常的小，对插件动作的精密度有极高的要求。主工作台是其中的核心机构，他可以在插件过程中对板子的位移和相对位置进行检测。可以保证工作时具有足够高的效率以及精密度。根据实际情
21、况，运动控制卡将会被选择作为主板进行电机控制。主工作台进行直线运动和插件头的位移动作。插件头组，送料器、底部以及上下接驳台，这些机构所将执行的动作采用不同型号的气缸以及伺服电机进行控制。通过运动控制卡进行控制，然后输送板子的带传动使用交流变速电机，此驱动过程同样受控于运动控制卡。 4.2. 伺服电机的选择思路如果选择步进电机的话，大部分时候，步进电机当转速处于一个比较高的状态时，转矩将会以一个很高的速度降低。最后出现其输出不足的后果。也就是无法足够的带动负载。所以，步进电机与低速运动当中通常运用。但不一样的是，交流电机的输出力矩恒定，也就是如果交流电机的转速达到额定转速之后，因为力矩恒定，所以
22、可以输出足够的转矩。这种情况通常用于高速运动之中。当然，在此课题中，我们需要电机靠脉冲信号完成动作，所以控制系统可以用开环控制。在开环系统的情况下，所以在机构运动的过程中如果负载超负荷，或者频率超额将会出现赌转或丢步的现象出现。当运动停止的时候，会因为转速超高，从而引起相应的对冲现象。这也会让机构无法准确的实现进度。这对我们的精度要求是十分不利的。综合情况与优劣考量，选用了松下A5系列电机，如图4.2所示，作为工作台和插件头同步旋转。该驱动电机可以变频驱动通过驱动器来对速度进行控制。图4.2松下A5系列伺服电机4.3. 松下系列伺服电机驱动器伺服驱动电机可以实现对高速高精度的机构进行精准驱动。
23、同时还能对一些简单要求的伺服实现准确驱动控制。我们需要选用对位置可以进行控制的驱动器。有串行和并行两种驱动模式，而且需要对运动模式进行相应的设定功能。这样，才可以写入我们所需要的功能。我们选用松下系列电机驱动器，与电机配套，并且有一定的框架对齐进行组装。我们把电机和轴承用联轴器相连，并且用一定的机械机构进行链接组合，这样他可以更好的实现我们所需要的传动功能。图4.3为连接效果。图4.3伺服电机与轴承之间的联轴器4.4. 运动控制卡的选型及功能控制卡可以实现PCI控制，根据控制板的型号不同，控制卡分别可以可以实现对步进电机或者伺服电机控制，能控制运功轨迹、插补运动以及位置检测等多重检测需求。本课
24、题选用的是DMC3000雷赛运动控制扩展卡，如图4.5.1和4.5.2所示。雷赛控制技术 DMC3000 系列运动控制卡是一款新型的 PCI 总线运动控制卡。可以控制多个步进电机或数字式伺服电机，适合于多轴点位运动、插补运动、轨迹规划、手轮控制、编码器 位置检测、IO 控制、位置比较、位置锁存等功能的应用。 DMC3000 系列卡的运动控制函数库功能丰富。而且常用于控制卡及运动控制系统的硬件测试。 图4.5.1 DMC3000雷赛八轴运动扩展卡图4.5.2 DMC3000雷赛八轴运动扩展卡根据考究，此运动卡的功能可以有助于实现插件机进行较为复杂的运动要求。例如点位运动，梯形速度控制，亦或是直线
25、和圆弧查补等。还可以在异常运动发生时提供减速停止和回原点功能，完美契合此课题的功能要求。以下是对此控制卡可完成的一些符合本课题所需的功能进行论述。4.4.1. 点位运动功能点位运动顾名思义就是比较普通的点对点的直线运动。DMC3000运动控制卡可以控制PCB板以设定好的速度，运动到指定位置后停下。这种运动方式只关注终点坐标，且非常契合插件机所需要的工作需求。对运动轨迹的精度要求是通常较低的。点位运动的运动距离由脉冲数决定，运动速度由脉冲频率决定。PC执行点位运动指令，并自动将运动参数通过 PCI 总线接口传送至DMC3000系列运动控制卡，使其按设定的速度输出脉冲；当输出脉冲数等于命令脉冲数时
26、，DMC3000停止脉冲输出。并且还有一个优势就是此卡可以在多轴上同时完成点位运动。如图4.4.1是在输出脉冲的过程中，位移与运动时间的关系曲线。当输出脉冲与实际命令脉冲相等时，位移停止。图4.4.1定长运动位移曲线4.4.2. 梯形速度控制功能梯形速度控制，顾名思义就是速度曲线在坐标轴上呈梯形表示。通过缓慢加速到所需速度之后，再缓慢减速至停止速度。可以较为平稳的让工件按照指定的轨迹进行移动，并且最大程度的减少危险系数。下图4.4.2就是梯形速度曲线和其对应的位移曲线的关系。图4.4.2梯形速度曲线及对应的位移曲线5. 插件机控制程序设计5.1. 程序设计总体思路插件的动作需要多个机械部分合作
27、而成，大致上的工作就是需要运送PCB板到工作台上之后，顺利完成插件动作。所以最初我们需要对所需功能进行分析，并且设计用户交互界面。通过对总体的功能进行大致的分析。最终在进行选择后，确立了基于LabVIEW平台撰写程序是最为合适的一种方案，本课题选用的是LabVIEW2018版本。5.2. LabVIEW2018简介LabVIEW是一种图形化编程语言，并带有仿真功能。相较于传统的C语言编程，图形化的程序编辑更为直接，使用更为简便。本课题所使用LabVIEW作为开发环境，让其程序的可视化逻辑更为明朗，所以容错率也提升了不少。LabVIEW 2018界面如图5.2所示。图5.2 LabVIEW 20
28、18开始界面图4.19 LabVIEW 2018前面板与程序框图界面5.3. 运动控制卡函数通过对DMC3000运动控制卡系列说明书的查阅，并且对需要使用到的函数进行筛选调用，所需函数见下表格5.3列出函数分类函数名描 述板卡设置函 数dmc_board_init将控制卡初始化dmc_board_close关闭控制卡脉冲模式设 置函数dmc_set_pulse_outmode设置脉冲输出回原点运动 函数dmc_set_home_pin_logic设置 原点信号dmc_set_homemode设置回原点模式dmc_home_move回原点运动位置计数器 控制函数dmc_set_position设
29、置指令脉冲位置dmc_get_position读取指令脉冲位置运动状态检测及控制函数dmc_read_current_speed读取当前速度值dmc_check_done检测指定轴的运动状态dmc_stop指定轴停止运动dmc_emg_stop紧急停止所有轴单轴运动速度曲线设置函数dmc_set_profile设置单轴运动速度曲线dmc_set_s_profile设置单轴速度曲线 S 段参数值单轴运动函 数dmc_pmove指定轴点位运动伺服驱动专 用接口函数dmc_write_sevon_pin控制指定轴的伺服使能端口的输出异常信号接口函数编码器函数dmc_set_encoder设置指定轴编
30、码器反馈位置脉冲计 数值dmc_get_encoder读取指定轴编码器反馈位置脉冲计 数值dmc_set_ez_mode设置指定轴的 EZ 信号异常信号接 口函数dmc_set_dec_stop_time设置减速停止时间表5.3 程序所调用的函数5.4. 程序设计思路流程图5.4.1. 回零移动流程：在每次程序进行运作之前，需要先对程序进行回零。盲目的不进行检测的话，回零过程肯定是不安全的，所以需要在回零之前对工作台的当前移动状态进行一个全面的检测，其中包括速度，坐标状态等。若工作台正在移动中，则发出不可回零的警告。工作台非移动中的话，其余的安全检测没有问题则可进一步进行回零的操作。之后可根据
31、回零的逻辑思路流程图设计程序。回零移动逻辑流程图如图5.4.1所示。图5.4.1回零移动逻辑流程图5.4.2. 手动工作台泊车流程：手动工作台的泊车动作和回零类似，一样需要提前进行安全检测，读取并判断工作台是否正在进行移动。如果工作台不在泊车移动中，且并未触发回零警告，就可以进入到手动工作台泊车的状态。之后设定在X,Y轴工作台泊车的正反方向，起始速度，运行速度等。手动工作台的泊车相较于自动泊车更加精细，并且手动工作台泊车的前提是必须经过回零，系统需要通过伺服器重新建立坐标系。工作台泊车流程如图5.4.2所示。图5.4.2手动工作台泊车流程5.4.3. 泊车流程 自动泊车的流程就是相较于手动泊车会更加方便，提前设立X,Y坐标轴之后，让控制卡控制工作台进行点位运动。提前判断工作台状态，是否为预设的X,Y坐标，若为false，则继续循环进行泊车流程，直到脉冲相等，坐标判断为true为止，停止泊车流程。同样需要设立速度等。泊车的流程示意图如图5.4.3所示。图5.4.3泊车流程图6. 程序设计6.1. 回零安全警告如图6.1所示。回零安全警告则是需要读取当前的X和Y双轴的状态，看是否都为停止状态位于原地待命。然后判断是否正在处于回零移动状态，若是，则继续进行回零警告。图6.1回零安全警告6.2. 回零移动回零是需要把不同的初始值，输入set profile函数内进行运行下一
