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X,Y与Z/θ伺服,定位系统

文章出处:深圳市龙合自动化设备有限公司发表时间:2018/8/28 11:31:55【

 

1.功能
 
       X,Y定位系统是贴片机的关键机构,也是评估贴片机精度的主要指标,它包括X,Y传动结构和X,Y伺服系统。它的功能有两种,一种是 支撑贴片头,即贴片头安装在X导轨上,X导轨沿Y方向运动从而实现在X-Y方向贴片的全过程,这类结构在通用型贴片机[泛用机]中多见,另一种功能是支撑PCB承载平台并实现PCB在X-Y方向移动,这类结构常见于塔式旋转头类的贴片机[转塔式]中。这类高速机中,其贴片头仅做旋转运动,而依靠送料器的水平移动和PCB承载平面的运动完成贴片过程。上述两种X,Y定位系统中,X导轨沿Y方向运动,从运动的形式来看,属于连动式结构,其特点是X导轨受Y导轨支撑,并沿Y轴运动,它属于动式导轨(Moving Rail)结构。
还有一类贴片机,贴片机的机头安装在X导轨上,并仅做X方向运动,而PCB承载台仅做Y方向运动,工作时两者配合完成贴片过程,其特点是X,Y导轨均与机座固定,它属于静式导轨(Statil Rail)结构。
        从理论上讲,分离式结构的导轨在运动中的变形量要小于连动式,但在分离式的结构中,PCB处于运动状态,对贴装后的元器件是否产生位移,则应考虑。
2.结构
       X,Y传动机构主要有两大类,一类是滚珠丝杠--直线导轨,另一类是同步齿行带---直线导轨。
 
(1)滚珠丝杠--直线导轨
       典型的滚珠丝杠---直线导轨的结构,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--直线导轨上做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传动结构速度的提高,这将会导致X-Y传动结构因运动过快而发热,通常钢材的线膨胀系数为0.000015,铝的线膨胀系数为钢的1.5倍,而滚珠丝杠[与马达连接]为主要热源,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[氮冷]冷却系统,以保证因热膨胀带来的误差,如果X-Y轴没有强制冷却,在轴的附近会有明确的变形。
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,运行速度能做的更快。
 
(2)同步带--直线轴承驱动
       典型的同步齿行带--直线导轨结构,同步齿行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组成X-Y传动系统。
由于同步齿行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,如HS-50型贴片机,该系统运行噪声低,工作环境好。
3.X-Y伺服系统(定位控制系统)
        随着SMC/SMD尺寸的减小及精度的不断提高,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定位系统是由X-Y伺服系统来保证,即上述的滚珠丝杠--直线导轨及齿行带--直线导轨,是由交流伺服电机驱动,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做指标光栅,另一片则随转动轴同步运动并用来记数,因此,指标光栅与转动光栅组成一对扫描系统,相当于记数传感器。 
        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,而电机直接与滚珠丝杆相连。
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,编码器就能记录丝杆的旋转度数,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盘上的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沉积一层磁性膜(一般10-20微米),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1-5微米。一般高精度自动贴片机采用此装置。帖片精度一般在0.02毫米。
 
(3)光栅尺
       该系统同磁栅尺系统类似,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,利用光刻技术制作密集条纹(每毫米100-300条纹),条纹平行且距离相等。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0.1-1微米。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1-2个数量级。
西门子贴片机最早采用光栅尺---AC伺服电机系统。但装有光栅尺的贴片机对环境要求比较高,特别是防尘,尘埃落在光尺上将会引起贴片机出故障。
        总之,上述三种测量方法均能获得很高的定位精度,但仅能对单轴向运动位置的偏差进行检测,而对轨道的变形、弯曲等因素造成的正交或旋转误差却无能为力。有最新的贴片机在X、Y导轨上安装冷却系统,可以有效的防止导轨的热变形。 
4.Y轴方向运行的同步性
        由于支撑着贴片机头的X轴是安装在两根Y轴导轨上,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.X-Y运动系统的速度控制
       在高速机中,X-Y运动系统的运行速度高达150mm/s,瞬时的启动与停止都会产生震动和冲击。最新的X-Y运动系统采用模糊控制技术,运动过程中分三段控制,即“慢-快-慢”,呈“S”型变化,从而使运动变得更“柔和”,也有利于贴片精度的提高,同时机器噪音也可以减到最小。
6.Z轴[HEAD]伺服,定位系统
        在通用型贴片机[泛用机]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轴控制系统常见的形式有下列几种。
(1)圆光栅编码器----AC/DC马达伺服系统
        在通用型贴片机[泛用机]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--滚珠丝杆或同步带机构。采用A C/DC伺服马达--滚珠丝杆控制时,其马达-滚珠丝杆安装在吸嘴上方;采用AC/DC伺服马达--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)原筒凸轮控制系统
       在松下MVB[MVIIVB?]型贴片机中,吸嘴Z方向的运动则是依靠特殊设计的圆筒凸轮曲线实现吸嘴上下运动,贴片时在PCB装载台的配合下(装载可以自动调节高度),完成贴片程序。
 
7.Z轴旋转定位
       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,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θ方向高精度的控制。松下MSR型贴片机的微型马达的分辨率为0.072度/脉冲,它通过高精度的谐波驱动器(减速比为30:1),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、震动低等优点,故吸嘴的θ方向实际分辨率高达0.024度/脉冲,确保了贴片精度的提高。
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