CN103209548B - 一种smt贴装设备吸嘴模块及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SMT贴装设备吸嘴模块，包括空心杆状的吸嘴和与吸嘴连接的驱动吸嘴转动的电机，SMT贴装设备上设有控制模块以及驱动吸嘴模块分别沿X向、Y向和Z向移动的X驱动器、Y驱动器和Z驱动器，Z驱动器与电机连接，吸嘴模块还包括设在吸嘴上的用于检测吸嘴的贴装压力值的压力传感器，该压力传感器并与控制模块连接。与现有技术相比，吸嘴模块中增加一种能够检测吸嘴的贴装压力值的压力传感器，控制模块根据压力传感器检测到的电压输出，即可换算出压力值，而且在控制模块中预设了贴装目标压力值，实现了压力可控，因此本吸嘴模块能够保证贴装压力恒定，保证了各元件的贴装力度一致，且不受PCB板的变形、元件厚度的影响。<!--1-->

Description

一种SMT贴装设备吸嘴模块及其控制方法

技术领域

本发明涉及中低速高精度的SMT贴装设备，具体地说，本发明涉及一种SMT贴装设备吸嘴模块及其控制方法。

背景技术

现代电气互联工艺的发展，对微型化、高性能产品提出挑战，要实现这种挑战，表面组装技术即SMT成为主流。

目前国内主流SMT贴装设备均为国外品牌，价格昂贵，动辄数百万，不适合中小企业购置使用。

而国内SMT贴装设备中，吸嘴采用电机同步带或气缸来驱动，参数设置靠经验数据，调试完毕后将此数据保存，供SMT贴装设备使用，但是在生产过程中，无法保证PCB板的平整度，且贴片元件的厚度受封装影响，也无法满足厚度一致的情况，这样会导致贴装过程中只能依赖机械位置和弹簧压力来解决，因此无法保证元件的贴装力度一致。

由于这种装置存在压力不稳定、无法量化且不能实时监控元件的贴装压力，在一些应用场合已经明显发生由此问题而产生的故障，且厂家也没有有效的低成本办法来解决。这样导致客户的产品因吸嘴的原因产生的故障率高达12%，远远满足不了高精度的发展趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够保证贴装压力恒定的SMT贴装设备吸嘴模块。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种SMT贴装设备吸嘴模块，包括空心杆状的吸嘴和与吸嘴连接的驱动吸嘴转动的电机，SMT贴装设备上设有控制模块以及驱动吸嘴模块分别沿X向、Y向和Z向移动的X驱动器、Y驱动器和Z驱动器，Z驱动器与所述电机连接，吸嘴模块还包括设在所述吸嘴上的用于检测吸嘴的贴装压力值的压力传感器，该压力传感器并与所述控制模块连接。

所述压力传感器包括管状的沿所述吸嘴长度方向罩在吸嘴外部的支架、设在支架外部的线圈、位于支架内部的且固定在吸嘴上的磁芯以及设在支架的两端开口处的两个端盖，吸嘴穿过两个端盖，在其中一个端盖与吸嘴之间还设有弹性件，线圈包括一个初级线圈和位于初级线圈两侧的两个次级线圈，所述电机的电机轴在电机中能够沿轴向进行移动，电机轴与吸嘴连接，支架安装在电机的壳体上。

在所述两个端盖与所述吸嘴之间设有直线轴承。

所述弹性件为套在所述吸嘴上的弹簧，弹簧的一端抵在所述端盖上，另一端抵在吸嘴外部设置的凸块上，所述磁芯设在该凸块上。

在所述电机上设有用于检测所述电机轴转角的角度传感器。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种SMT贴装设备吸嘴模块的控制方法，其包括如下步骤：

（1）在SMT贴装设备的控制模块中预设贴装目标压力值；

（2）在贴装元件时，吸嘴拾取待贴装元件后，移动至PCB板上方，Z驱动器驱动吸嘴模块向下移动，压力传感器开始检测压力值；

（3）当吸嘴上的待贴装元件下压触碰到PCB板时，压力传感器内部开始发生位移形变，从而产生电信号的变化，控制模块接收压力传感器传递的电信号，并换算成当前压力值，与贴装目标压力值进行比较；

（4）若当前压力值小于贴装目标压力值时，吸嘴继续下压，直至当前压力值与贴装目标压力值相等时，吸嘴将元件安装在PCB板上。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，吸嘴模块中增加一种能够检测吸嘴的贴装压力值的压力传感器，控制模块根据压力传感器检测到的电压输出，即可换算出压力值，而且在控制模块中预设了贴装目标压力值，实现了压力可控，因此本吸嘴模块能够保证贴装压力恒定，保证了各元件的贴装力度一致，且不受PCB板的变形、元件厚度的影响。

附图说明

图1为本发明吸嘴模块的结构示意图；

图2为安装有压力传感器的吸嘴的结构示意图；

图3为压力传感器的输出特性曲线图；

图4为吸嘴与电机轴连接处的横截面示意图；

上述图中的标记均为：1、吸嘴；2-1、上端盖；2-2、下端盖；3、支架；4、磁芯；5、线圈；6、弹簧；7、轴承；8、电机；9、角度传感器；10、电机轴；11、导向块。

具体实施方式

如图1所示为本发明的一种SMT贴装设备吸嘴模块，包括空心杆状的吸嘴1和与吸嘴1连接的驱动吸嘴1转动的电机8，SMT贴装设备上还设有控制模块以及驱动本吸嘴模块分别沿X向、Y向和Z向移动的X驱动器、Y驱动器和Z驱动器，Z驱动器与电机8连接，以带动整个吸嘴模块在纵向上进行上下移动。如图1和图2所示，本吸嘴模块还包括设在吸嘴1上的用于检测吸嘴1的贴装压力值的压力传感器，该压力传感器并与控制模块连接。控制模块中预设有贴装目标压力值，只有元件贴装力度达到贴装目标压力值，才可以在PCB板上安装元件。在工作时，随着吸嘴1的下压，压力传感器将检测到的当前压力值信号传递至控制模块，由控制模块将当前压力值与贴装目标压力值进行比较，看是否达到贴装目标压力值。

本吸嘴模块所采用的电机8为伺服电机，电机8的电机轴10与吸嘴1连接，电机轴10和吸嘴1整体空心，可保证负压吸取，电机轴10要能够带动吸嘴1转动，吸嘴1还要在电机轴10中能够沿电机轴10的轴向进行移动，以符合拾料、贴装的要求。为了实现该功能，电机轴10和吸嘴1可以为锥度配合，此锥度配合保证电机轴10既能带动吸嘴1转动，吸嘴1还能沿电机轴10的轴向进行移动。另外，如图4所示，电机轴10和吸嘴1之间还可以设置导向块11，导向块11能够对吸嘴1的直线移动进行导向，导向块11设置在电机轴10的轴孔内壁上，在吸嘴1的外壁上设有与导向块11相适配的槽，通过导向块11与槽的相互作用，不仅能够对吸嘴1的移动进行导向，在电机轴10转动时，还能带动吸嘴1进行转动。导向块11形状可以为圆柱形，吸嘴1上的槽为半圆槽，或者导向块11也可以为其它形状。导向块11的具体个数根据需要进行设定，至少要设置一个。在电机8的内部安装有两个用于支撑电机轴10的轴承7，该轴承7为止推轴承。在电机8上还设有用于检测电机轴10转角的角度传感器9，用于吸嘴1在贴装元件调整安装角度时对吸嘴1的转角进行检测，角度传感器9和压力传感器分布在电机8的两端。

压力传感器是基于LVDT(Linear Variable Differential Transformer)原理，属于位移传感器的种类，它由一个初级线圈、两个次级线圈、磁芯4、线圈骨架、支架3、端盖、直线轴承等部件组成。如图1和图2所示，支架3为管状，两端开口内部中空，支架3沿吸嘴1长度方向罩在吸嘴1的外部。端盖设有两个，分别为设在支架3上端开口处的上端盖2-1和位于支架3下端开口处的下端盖2-2，吸嘴1穿过上端盖2-1和下端盖2-2。直线轴承分别设在上端盖2-1、下端盖2-2与吸嘴1之间，吸嘴1支撑在两个直线轴承上。压力传感器的支架3的上端与电机8的壳体固定连接，上端盖2-1并***电机8的壳体内。在上端盖2-1与吸嘴1之间还设有弹性件，弹性件的作用是使吸嘴1在贴装元件结束后进行复位。磁芯4位于支架3内部的且固定在吸嘴1上，线圈5设在支架3的外部，线圈5包括一个初级线圈和位于初级线圈两侧的两个次级线圈，如图1和图2所示，两个次级线圈分别位于初级线圈的上下侧。磁芯4在初始状态下是与中间的初级线圈的位置对齐的，当磁芯4由中间向两侧次级线圈移动时，两个次级线圈输出电压之差与磁芯4的移动成线性关系。

压力传感器中的弹性件为套在吸嘴1上的弹簧6，该弹簧6的一端抵在上端盖2-1上，另一端抵在吸嘴1外部设置的凸块上，磁芯4固定安装在该凸块上。

压力传感器的工作原理如下：

原边线圈（初级线圈）施加高频交流波后产生沿轴向对称分布的交变磁场，因此线圈中心轴上的磁感应强度与磁芯4位置之间就存在一种函数关系。通过合理的布局设计，两副边线圈（次级线圈）差接后，可获得与磁芯4位移成线性关系的二次输出：Es=E1-E2，如图3所示。

当磁芯4位于正中时，压力传感器的输出为0，因此，可方便校准0位，同时该结构只取其一个方向，即正向移动，且位移量较小，因此非常容易取得很高的线性度和精度。

通过控制模块读取输出电压Es，即可判断出当前的位移S，根据F=k×S，控制模块即可计算出当前的压力值F，其中k为弹簧刚度系数。

比如当元件触碰到PCB板时，需要有一定的压力贴紧，如选取目标压力值为5N，当压力传感器收到5N压力时的位移形变为0.35mm，而输出为15mv，因此根据检测到的电压输出，控制模块即可换算出当前压力值，检测结果不受PCB的变形、元件厚度的影响，精度极高，压力可控。

上述压力传感器的特点：

1.LVDT动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制；

2.LVDT 对于磁芯4的轴向运动非常敏感，而对径向运动非常迟钝；

3.可靠性非常好，抗冲击能力 150g/11ms ，振动频率 2kHz 加速度 20g；体积小，价格低，性能价格比高；具有很高是市场应用和推广价值。

本发明SMT贴装设备吸嘴模块的控制方法，其包括如下的步骤：

（1）在SMT贴装设备的控制模块中预设贴装目标压力值；

（2）在贴装元件时，吸嘴1拾取待贴装元件后，移动至PCB板上方，Z驱动器再驱动吸嘴模块向下移动，压力传感器并开始检测压力值；

（3）当吸嘴1上的待贴装元件下压触碰到PCB板时，压力传感器内部开始发生位移形变，从而产生电信号的变化，控制模块接收压力传感器传递的电信号，并换算成当前压力值，与贴装目标压力值进行比较；

（4）若当前压力值小于贴装目标压力值时，吸嘴1继续下压，直至当前压力值与贴装目标压力值相等时，吸嘴1将元件安装在PCB板上。

该控制方法通过接收压力传感器的压力信号，以吸嘴模块的贴装压力值作为判断是否可以安装元件的依据，不受PCB板的变形、元件厚度的影响，与PCB板的变形、元件厚度均无任何关联，从而保证了吸嘴模块贴装压力的恒定。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种SMT贴装设备吸嘴模块，包括空心杆状的吸嘴和与吸嘴连接的驱动吸嘴转动的电机，SMT贴装设备上设有控制模块以及驱动吸嘴模块分别沿X向、Y向和Z向移动的X驱动器、Y驱动器和Z驱动器，Z驱动器与所述电机连接，其特征在于：所述吸嘴模块还包括设在所述吸嘴上的用于检测吸嘴的贴装压力值的压力传感器，该压力传感器并与所述控制模块连接；所述压力传感器包括沿所述吸嘴长度方向罩在吸嘴外部的支架、设在支架外部的线圈、位于支架内部的且固定在吸嘴上的磁芯，以及设在支架的两端开口处的两个端盖。

2.根据权利要求1所述的SMT贴装设备吸嘴模块，其特征在于：所述支架安装在电机的壳体上，吸嘴穿过两个端盖，在其中一个端盖与吸嘴之间还设有弹性件，线圈包括一个初级线圈和位于初级线圈两侧的两个次级线圈，所述电机的电机轴与吸嘴连接，电机轴带动吸嘴转动，吸嘴在电机轴中能够沿电机轴的轴向进行移动。

3.根据权利要求2所述的SMT贴装设备吸嘴模块，其特征在于：在所述两个端盖与所述吸嘴之间设有直线轴承。

4.根据权利要求2或3所述的SMT贴装设备吸嘴模块，其特征在于：所述弹性件为套在所述吸嘴上的弹簧，弹簧的一端抵在所述端盖上，另一端抵在吸嘴外部设置的凸块上，所述磁芯设在该凸块上。

5.根据权利要求4所述的SMT贴装设备吸嘴模块，其特征在于：在所述电机上设有用于检测所述电机轴转角的角度传感器。

6.一种根据权利要求5所述的SMT贴装设备吸嘴模块的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在SMT贴装设备的控制模块中预设贴装目标压力值；

（2）在贴装元件时，吸嘴拾取待贴装元件后，移动至PCB板上方，Z驱动器驱动吸嘴模块向下移动，压力传感器开始检测压力值；

（3）当吸嘴上的待贴装元件下压触碰到PCB板时，压力传感器内部开始发生位移形变，从而产生电信号的变化，控制模块接收压力传感器传递的电信号，并换算成当前压力值，与贴装目标压力值进行比较；

（4）若当前压力值小于贴装目标压力值时，吸嘴继续下压，直至当前压力值与贴装目标压力值相等时，吸嘴将元件安装在PCB板上。