基于LabVIEW平台的SMT贴片机路径优化的说研究.pdf - 第18页
湖北工业大学硕士学位论文 直接与滚珠丝杠相连，如图２．５所示． 位三置兰苎刁＿／壤欺失 ／贴麓妥 —＝一絮 一，童冀缓阡一一～’ 栉篁承辅不三Ⅱ之嚣捧 图２．５圆光栅编码器工作原理图 贴片机在工作时，将位移量转换为编码信号，输入编码器中，当电机工作时， 编码器就能记录丝杠的旋转数，并将信息反馈给比较器，直至符合被测线性位移 量，这样就将旋转运动转换成了线性运动，保证贴片头运行到所需位置上。 采用圆光栅编码器的位移控制系统结构简单，抗干扰…
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形带一直线导轨。
①滚珠丝杠一直线导轨
典型滚珠丝杠一直线导轨的结构是，贴片头固定在滚珠螺母基座和对应的直
线导轨上方的基座上，马达工作时，带动滚珠螺母做Ｘ方向往复运动，有导向的
直线导轨支承，保证运动方向平行，ｘ轴在两平行滚珠丝杠一直线导轨上作Ｙ方向
移动，从而实现了贴片头在Ｘ－Ｙ方向正交平行移动。同理，ＰＣＢ承载平台也以同
样的方法，实现Ｘ＿Ｙ方向正交平行移动。
贴片速度的提高，意味着ｘ＿Ｙ传动机构运行速度的提高，这将会导致卜＿Ｙ
传动机构因动作过快而发热，通常钢材的线膨胀系数为１５×１０．６，铝的线膨胀系数
为钢的１．５倍，而滚珠丝杠是主要热源，其热量的变化会影响贴装精度，故最新
研制出的Ｘ，Ｙ传动系统，在导轨内部设有冷却系统，以保证因热膨胀带来的误差。
此外，在高速机中采用无摩擦线性马达，和空气轴承导轨传动，运行速度能做得
更快。
②同步带一直线轴承驱动
同步齿形带由传动马达驱动小齿轮，使同步带在一定范围内作直线往复运动。
这样带动轴基座在直线轴承往复运动，两个方向传动部件组合在一起便组成Ｘ，Ｙ
传动系统。由于同步齿形带载荷能力相对较小，仅适用于支持贴片头运动，典型
产品是德国西门子贴片机，该系统运行噪音低，工作环境好。
（３）Ｘ，Ｙ伺服系统（定位控制系统）
随着ＳＭＣ／ＳＭＤ尺寸的减少及精度的不断提高，对贴片机贴装精度的要求越来
越高，换言之，对Ｘ，Ｙ定位系统的要求越来越高。而Ｘ，Ｙ定位系统则由Ｘ，Ｙ交
流伺服电机驱动，并在位移传感器及控制系统指挥下实现精确定位，因此位移传
感器的精度起着关键的作用。目前贴片机上使用的位移传感器有圆光栅编码器、
磁栅尺和光栅尺，现将它们的结构与原理介绍如下。
①圆光栅编码器
通常圆光栅编码器的转动部位上装有两片圆光栅，圆光栅是由玻璃片或透明
塑料制成，并在片上镀有明暗相间的放射状铬线，相邻的明暗间距称为一个栅节，
整个圆周总栅节数为编码器的线脉冲数。铬线数的多少，也表示其精度的高低，
显然，铬线数越多，其精度越高。其中一片光栅固定在转动部位作指标光栅，另
一片则随转动轴同步运动并用来计数，因此指标光栅与转动光栅组成一对扫描系
统，相当于计数传感器。编码器在工作时，可以检测出转动件的位置、角度及角
加速度，它可以将这些物理量转换成电信号，传输给控制系统，控制系统就可以
根据这些量来控制驱动装置，因此，圆光栅编码器通常装在伺服电机中，而电机
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直接与滚珠丝杠相连，如图２．５所示．
位三置兰苎刁＿／壤欺失
／贴麓妥
—＝一絮
一，童冀缓阡一一～’
栉篁承辅不三Ⅱ之嚣捧
图２．５圆光栅编码器工作原理图
贴片机在工作时，将位移量转换为编码信号，输入编码器中，当电机工作时，
编码器就能记录丝杠的旋转数，并将信息反馈给比较器，直至符合被测线性位移
量，这样就将旋转运动转换成了线性运动，保证贴片头运行到所需位置上。
采用圆光栅编码器的位移控制系统结构简单，抗干扰性强，测量精度取决于
编码器中光栅数及滚珠丝杠导轨的精度。
②磁栅尺
磁栅尺由磁栅尺和磁头检测电路组成，利用电磁特性和录磁原理对位移进行
测量。磁栅尺是在非导磁性标尺基础上采用化学涂覆或电镀工艺在非磁性标尺上
沉积一层磁性膜（一般１０～２０ｕｍ），在磁性膜上录制代表一定长度具有一定波长的
方波或正弦波磁轨迹信号。磁头在磁栅尺上移动和读取磁信号，并转变成电信号
输入到控制电路，最终控制Ａｃ伺服电机的运行。通常磁栅尺直接安装在Ｘ，Ｙ导
轨上。磁栅尺的优点是制造简单，安装方便，稳定性高，量程范围大，测量精度
高达１～５ｕｍ。一般高精度自动贴片机采用此装置。贴片精度一般在０．０２姗。
③光栅尺
该系统同磁栅尺系统相类似，它也由光栅尺、光栅读数头与检测电路组成。
光栅尺是在透明玻璃或金属镜面上真空沉积镀膜，利用光刻技术制作均匀密集条
纹（每毫米１０卜３００条纹），条纹距离相等且平行。光栅读数头由指示光栅、光源、
透镜及光敏器件组成。指示光栅有相同密度的条纹，光栅尺是根据物理学的莫尔
条纹形成原理进行位移测量，测量精度高，一般在Ｏ．１～１ｕｍ。光栅尺在高精度贴
片机中应用，其定位精度比磁栅尺还要高ｌ一２个数量级。
（４）Ｙ轴方向运行的同步性
由于支撑着贴片机头的Ｘ轴是安置在两根Ｙ导轨上，为了保证运行的同步性，
早期的贴片机采用齿轮、齿条和过桥装置将两Ｙ导轨相连接。但这种做法，机械
噪音大，运行速度受到限制，贴片头的停止与启动均会产生应力，导致震动并可
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能会影响贴片精度。目前设计的新型贴片机Ｘ轴运行采用完全同步控制回路的双
Ａｃ伺服电机驱动系统，将内部震动降至最低，从而保证了Ｙ方向同步运行，其速
度快，噪音低，贴片头运行流畅轻松。
（５）Ｚ轴伺服，定位系统
在通用型贴片机中，支撑贴片头的基座固定在Ｘ导轨上，基座本身不做“Ｚ＂
方向的运动。这里的Ｚ轴控制系统，特指贴片头的吸嘴运动过程中的定位，其目
的是适应不同厚度ＰＣＢ与不同高度元器件的贴片需要。Ｚ轴控制系统常的形式有下
列几种。
①圆光栅编码器—ＡＣ／ＤＣ马达伺服系统
在通用型贴片机中，吸嘴的Ｚ方向伺服控制与Ｘ＿Ｙ伺服定位系统类似，即采
用圆光栅编码器的ＡＣ／ＤＣ伺服马达一滚珠丝杠或同步带机构。采用ＡＣ／ＤＣ伺服马
达一滚珠丝杠控制时，其马达一滚珠丝杠安装在吸嘴上方：采用ＡＣ／ＤＣ伺服马达一
同步带控制时，其马达则可安装在侧位，通过齿轮转换机构实现吸嘴在Ｚ方向的
控制。由于吸嘴Ｚ方向运动行程短，以及采用光栅编码器，通常控制精度均能满
足要求。
②圆筒凸轮控制系统
在松下ＭｖＢ型贴片机中，吸嘴Ｚ方向运动则是依靠特殊设计的圆筒凸轮曲线
实现吸嘴的上、下运动，贴片时在ＰＣＢ装载台的配合下，完成贴片程序。
（６）Ｚ轴的旋转定位
早期贴片机的Ｚ轴／吸嘴的旋转控制是采用气缸和档块来实现的，只能做到以
００和９００以控制，现在的贴片机已直接将微型脉冲马达安装在贴片头内部，以实现
ａ方向高精度的控制。松下ＭＳＲ型贴片机的微型脉冲马达的分辨率为Ｏ．０７２度／脉
冲，它通过高精度的谐波驱动器，直接驱动吸嘴装置，由于谐波驱动器具有输入
轴与输出轴同心度高、间隙小、振动低等优点，故吸嘴的口方向实际分辨率高达
０．００２度／脉冲，确保了贴片精度的提高。
２．５．３贴片头
贴片头是贴片机关键部件，它拾取元器件后能在校正系统的控制下自动校
正位置，并将元器件准确地贴放到指定的位置。贴片头的发展是贴片机进步的标
志，贴片头已由早期的单头、机械对中发展到多头光学对中、下列为贴片头的种
类形式
（１）固定单头
早期单头贴片机是由吸嘴、定位爪、定位台和Ｚ轴、口角运动系统组成，并固