片式多层陶瓷电容器生产用切割设备的研究与开发

郭 瑾 李福斌 王玉娟 白岩兴

[摘 要]随着表面贴装技术(SMT)的发展,对小尺寸、高精度、高质量片式元件的需求越来越大。目前,在国内外电子元件市场上,片式多层陶瓷电容器(MLCC)是片式化率最高、需求量最大的一种新型元器件。文中介绍了MLCC制成工序中的关键设备之一的切断设备,从工作原理及总体设计、机械结构、电气控制系统等几部分进行了设计和开发,达到了预期效果。

[关键词]片式多层陶瓷电容器 数字输入输出板卡 运动控制板卡 画像采集卡

[中图分类号]TM534[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)12-0087-03

[Abstract]With the development of SMT technology, the demand of small dimension and high quality chip component becomes larger and larger.MLCC is one of the new type components which is the highest chip rate and the largest demand in inner and outer electronic component market at present.The cutting machine researched in this article is one of the key equipments in the process of MLCC.The working principle,mechanical structure,pneumatic control system and electrical control system are designed in this article,reached a desired result.

[Key Words]MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor),Digital Input/Output Card,Motion Control Card ,Video Capture Card

引言

片式多层陶瓷电容器MLCC是广泛应用的新一代电容产品,与传统电容产品相比具有体积小、容量大、效率高、成本低等优势。MLCC是各种电子、通信、信息、军事及航天等消费或工业用电子产品广泛使用的基础元件,可以说只要有电子线路的地方都会用到MLCC产品。

MLCC实现了片式化,适应表面贴装技术(SMT)技术需求,随着SMT及便携式电子产品迅猛发展,MLCC大量取代了有机电容器和云母电容器。MLCC具有极好的性能、多种不同的品种、规格齐全、尺寸小、价格便宜的特点。在手机、数码相机、MP3和笔记本电脑等移动数码产品需求的推动下,全球MLCC产业进入了快速发展时代,随着手机体积越来越小, MLCC产业未来发展最重要的趋势之一就是制品的微型化。在手机、MP3等日益普及的今天,许多人每天都随身携带着数十数百个MLCC。凭借其分立元件成本及需求量巨大的优势,MLCC不会被轻易取代。MLCC市场依然呈现上升的势头,全球市场MLCC年增长速度近20%,市场需求巨大,产业化市场前景非常广阔。

日本拥有先进的MLCC制造设备,大部分MLCC生产厂家主要依赖设备进口购买,但设备价格非常昂贵。为了降低设备投资,把精力集中于精密设备开发是非常必要的。本文所涉及的就是用于MLCC制品切断的主要设备之一。

1 工作原理及总体设计

1.1 制品生产流程(见图1)

MLCC的主要生产流程由配器(Batch),成型(Casting),印刷(Printing),积层(Stacking),压着(Lamination),切断(Cutting),烧成(Firing),外部电极(Termination),电极烧成(Termination Firing),镀金(Plating)组成。本文所开发的切断设备应用于图中红圈标识的切断工程中。切断工程的功能主要是将阵列排列的多个制品群进行X、Y向的切割,从而将制品进行分离。切断时需要注意的主要事项是必须要保证制品切割的尺寸精度,避免发生电极不良、切断尺寸不良等问题。

1.2 设备工作原理总体设计

如图2,设备通过左、右两个摄像头(Camera)及画像采集卡(Video Capture Card)进行图像采集,输入到工控机中,根据采集到的图像进行图像分析,将实际制品的位置反馈到工控机中,通过运动控制板卡(Motion Control Card),数字输入输出板卡(IO CARD)控制电机及气缸等执行原件动作,使制品到达切割位置,利用刀片进行制品X轴的切割,X轴切割完成后,通过放置制品的STAGE平台的旋转及调整,再进行制品Y轴的切割,完成制品的切割分离。

图3所示为MLCC的内部结构原理图。由于MLCC制品尺寸较小,所以在切割时需要保证行、列的精确定位,避免切到图3中3号标识的内电极,造成废品。同时还要保证制品大小的均一,避免造成尺寸不良。

2 机械结构设计

根据MLCC的生产工艺要求和设备的工作原理,综合考虑设备的易操作性、结构工艺性、精度保持特性等因素,提出如图4所示的总体设计布局,充分利用设备空间,使整机结构紧凑[1-4]。

(1) 制品装载移送部,(2) 制品装载部,(3) 装载部制品栏,(4) 制品卸载部,(5) 制品切割平台,(6)设备底板,(7)摄像头移动部,(8) 卸载部制品栏,(9) 摄像头角度调整部,(10) 制品卸载移送部,(11)切断电机部(见图4)。

3 回路控制设计

电气控制系统实现整机所有功能的控制,包括图像定位、温度控制、伺服驱动及气动控制等功能。[5-7]

如图7所示,该系统以工业控制计算机为主要控制单元,由数据输入输出板卡实现与各输入输出部件的联系;由运动控制板卡实现伺服、步进电机的动作控制;由图像采集板卡实现图像采集及分析定位。各控制板卡通过与工控机的硬件连接以及VC++的软件编程实现设备自动工作的功能。

4 主要技术及参数

4.1 切割平台精密伺服传动

该传动机构是整机精度的关键所在,切割平台的运动精度、运动的平稳性直接影响到切割位置的精度,要求偏差<0.01mm,对传动机构和驱动单元都有较高的要求,运动的平稳性直接影响陶瓷薄膜剥离质量。设计中,通过提高支承刚度,使用可精密微调的调整机构,以及伺服控制的方法保证达到要求。

4.2 设备应用程序开发

随着自动化控制技术近年来的迅猛发展,由单片机、可编程控制器(PLC)等为主要控制单元的自动化设备逐步被利用工业计算机所控制的设备所取代,工业计算机在自动控制领域中得到了极为广泛的应用。C++是近年来普遍应用于自动化设备控制程序开发的编程语言,采用的开发环境又以VC++ 6.0较为常用。VC++软件包除包括一个编译器外,还包括所有的库、例子和为Windows创建应用程序所需要的文档,因此VC++集成开发环境使创建一个Windows程序变得很简单。通过软件中的工具和向导、以及MFC类库,使用者可以在很短的时间里创建出一个程序。因此,众多设备研究开发人员采用了VC++6.0作为自动化设备应用程序的开发工具。此切断设备即为利用VC++6.0开发的应用程序。

4.3 图像处理及图像定位技术

图像定位系统的功能是由摄像头抓取已标记好的定位MARK点,并由工控机对抓取的图像作数据分析和处理后,输出定位数据供伺服系统校正定位。主要包括:运动图像的抓取及分析;分析及运算程序的设计;软件实时性、快速性要求;图像定位及伺服系统的协调控制。

[参考文献]

[1] SMC 气动元件产品样本3版.

[2] MISUMI FA工厂自动化用零件(2008-2009).

[3] THK LM SYSTEM General Catalog.

[4] KOGANEI 小金井综合目录3版.

[5] Oriental Motor 东方马达综合目录(2005/2006).

[6] ADLINK Technology Inc.Measurement & Automation Product Catalog.

[7] OMRON 传感器产品综合样本(2006).