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基于单片机控制的异形件双轨供料装置的设计论文

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  关键词:自动送料装置,双轨供料,SMT生产线,单片机控制

  0引言

基于单片机控制的异形件双轨供料装置的设计论文

  在电子电路板制造行业,标准元器件可通过标准设备对接高速贴片机(Surface Mount Technology,SMT)完成整个电路板的生产工序,但电路板生产中往往存在部分非标元件,比如电感、变压器和散热片等等。各类形状特异的非标元器件给生产流程带来很大难题,现有插件机不带自动送料装置,大部分异形件只能依靠人工进行手插,手工作业工作效率低下,远不能满足电子制造行业的发展需求。如何解决异形件送料问题是整个电子电路制造行业亟待解决的难题[1-5]。

  国内很多文献提出了不同的解决措施,其中采用专机及非标定制设备[6-9]需要调整制造工序,工程量巨大,比较难推广;采用工业机器人或机械手自动夹取[10-12]的动作节拍慢,无法实现高效柔性生产;采用单轨供料[13-15]需要在标准贴片单轨供料的基础上改造成半自动化的单轨供料装置,一定程度上提高生产节拍,但依然无法满足现阶段的生产要求。

  针对该问题,本文设计了一种单片机控制的双轨散料供料器,包括两套振动装置和直线导轨。振动装置呈螺旋形上升与直线轨道连接;两个直线导轨并行工作,直线振动器可使导轨部件振动使导槽内的散料移动,当散料移动至导槽的末端时,插件机吸夹嘴定点取料从而进行自动贴插件。与传统的手工贴插件相比,散料经本装置供料后,自动贴装品质更保证。与传统方式相比,散料经本装置供料后,自动贴装品质更保证、成本更低、效率更高。

  1整体机构设计

  图1所示为基于单片机控制的双轨散料供料器,包括振动盘和直线导轨部各两套件。振动盘呈螺旋形上升,螺旋轨道和直线轨道连接。两个振动盘内均可装散料,振动马达通过振动使散料沿螺旋轨道上升到直线轨道,再分别将物料沿直线轨道送至出料口。

  直线振动器的振动通道与直线轨道的末端衔接。由于振动盘距离导轨部件的位置较远,为了使振动盘内的散料从直线轨道出来之后能顺利送至导轨部件,在直线轨道的末端直接衔接振动通道,因此直线振动器通过振动使通道内的散料向前输送。导轨的导槽与直线轨道的末端衔接,导槽与振动通道的末端衔接,导槽内的导杆与导槽之间形成有两个过道。这样使物料能够稳定送到出料口,供贴片机或插件机用。

  直线振动器安装在导轨部件的下方,直线振动器通过振动使导槽内的散料移动。当散料在振动的作用下移动至导槽的末端时,贴片机吸夹嘴定点取料从而进行自动贴插件。与传统装置相比,异性散料可快速稳定的到达出料口,贴片机或插件机可不间断地抓取,自动贴装品质更保证、效率更高。

  2双轨导槽结构设计

  在实际情况下,散料的种类很多,为使不同种类和尺寸散料都能够顺利地从导轨部件通过,设计了双轨导槽结构。导槽为长条形的槽结构,适合实体的散料通过,导槽内设计有导杆,形成两个过道,适合U形的散料通过,U形的散料两侧的脚可以从过道通过,如图2所示。

  直线轨道倾斜设计,这样可使异性散料在振动和自身重力的共同作用下分别进入振动通道和导槽。直线振动器包括振动机构和顶部的通道组件,通道组件包括振动部件。振动机构可使振动部振动,从而使振动通道内的异性散料向前移动。通道组件还设计有盖板,与导槽的上盖一起,防止振动通道内的散料在直线振动器振动时偏位。两套振动装置和直线导轨,与直线轨道连接,保证充足的元器件供应;两个直线导轨并行协同工作,保障贴片机或插件机的生产节拍。

  如图3所示,导轨底板安装有满料检测传感器和缺料检测传感器。当导槽内的异性散料排满后,满料传感器发送信号给主控系统,使振动盘停止振动,有利于延长振动电机的使用寿命,提升贴片机抓取元件的稳定性。当缺料检测传感器检测到缺料的时候,发出报警提示操作员及时补料,避免停机,从而提升生产效率。

  另外,直线振动器的底部前端设计有卡块,通过卡块安装至贴片机的工作台上。直线振动器的下方设计有连接组件,连接组件包括固定卡钩及连接插头。通信模块安装在直线振动器的前方,通信模块包括通信板卡和进料马达,通过卡块安装至贴片机时,方便物料的定位。连接插头与通信板卡和进料马达接通,与贴片机进行信号交互。

  3控制电路设计

  本系统以STM32H750VB为控制器,把传感器采集到的数据送入STM32控制进行运算和处理,使用LM393对输入信号进行滞环过零比较,选用L298N为驱动模块,包含有2个H桥的高电压大电流双桥式驱动器,如图4所示。

  在电机的控制系统中,单片机输出脉冲信号、方向信号、使能信号。其中,脉冲信号驱动步进电机运行,一个脉冲信号驱动步进电机运行一个步距角,保证物料的精确导入;方向信号控制步进电机运行方向,使能信号是锁定步进电机;使能信号用于控制电机的启停工作,当使能信号高电平时,步进电机启动,将物料推入导向槽,为贴片机或插件机抓料做准备,低电平时步进电机不运行。整个过程简洁、精确,能兼容现有的自动贴片机及插件机,实现自动化送料,有效提高了工作效率,降低了产品的生产成本。

  整个送料装置按照提前设定的运行流程完成,从开始的信号接收,到电机的驱动,再到备料和送料,最后实现与插件机的配合,每一步均精确控制。当有送料需求信号输入时,单片机输出控制信号给驱动电路,驱动电路启动对应电机和气缸,完成物料备料、进料和排料等工序。通过模块化的方式对主控制器控制程序、信号收发模块程序、按键输入程序、电机驱动程序等进行设计。

  4试用验证

  为了验证设计的可行性,完成了自动送料装置的设计与制造,单片机STM32给驱动模块提供PWM输出信号,实现对电机的精确控制。整个装置的稳态误差保持在0.5%以下,直流电机速度精度控制在93%以上,其稳态误差为0.2%。

  送料装置已应用到某主板生产企业,经过近1个月的调试和试运行,改造前后对比如表1所示。

  改造前,每个工位需要5名工人同时进行异形物料准备工作;改造后,由于不需要人工对工件进行定位,整个插件只需1个工位负责上下料,员工数和劳动强度大大降低,且保证工艺的一致性。生产节拍达到1 s/件,同时次品率小于1‰,达到合同验收指标。

  5结束语

  本文在半自动单轨供料装置的基础上,设计了一种单片机控制的双轨散料供料器,解决了异形件人工插件的问题,并应用于实际的贴片机或插件机上,可满足现有贴片机或插件机的生产节拍。本设计包括两套振动装置和直线导轨,振动装置呈螺旋形上升,再与直线轨道连接,保证充足的元器件供应;两个直线导轨并行协同工作,保障贴片机或插件机的生产节拍,与传统的手工贴插件相比,散料经本装置供料后,自动贴装品质更保证。本文主要完成了供料器的机械机构设计、制作和测试;开发了单片机控制系统,实现供料器的全自动工作,提高了生产效率。测试结果表明,双轨散料供料器将工位需求下降到1人,生产节拍达到1 s/件,同时次品率小于1‰,满足客户要求。

  参考文献:

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