PCB连接器压接设备的改进设计

吴海，王志明

(上海大学，上海 200072)

0 引言

现有压接设备是通过气缸加压，将连接器压入PCB。在实际生产过程中由于机械结构不合理使得在下压过程中动作响应慢、周期长、效率低。且会有顿挫发生，使得装配连接器时的损耗率高达产量的1.4%。而在返工过程中易产生对PCB表面和孔壁的机械损伤而使整块PCB板报废，进一步产生生产内耗。为此行业中多数采用效率较低的人工压接或使用价格较高的进口设备。针对以上不足之处采用6西格玛质量管理法进行分析，对原有设备作改进设计。提出用气液增压缸代替气缸，并将组态软件、研发多功能数据采集卡及OMRON高速PLC通过PC平台整合在一起的改进方法。

1 压接件报废产生的原因分析

1.1 压接过程中相关部分名称及所用工具

1—PCB基板；2—焊盘；3—簧片、插针台肩； 4—裸露的簧片/插针；5—孔隙； 6—焊盘；7—无残缺簧片/插片；8—插槽图1 插针结构图

压接过程(如图1)[1]。其中包括PCB基板、焊盘、插槽、空隙、簧片/插针、簧片/插针台肩。PCB基板是承载所有线路、元件的基础。焊盘(Pad)是带有电镀通孔的焊点，用于导通PCB各层电路，也是压接工艺中与连接器直接接触的部分。插槽是众多插针的保持架和预定位，也是连接器相互连接时的插入导向。孔隙是插针被插入焊盘的电镀孔后，插针与电镀孔壁之间未相互接触的空间。簧片/插针是压接工艺中的实际工作部分。簧片/插针台肩的下部是压接完成后与焊盘或插槽接触部分，台肩上部与压块接工具相接触，承受压机压力的工作面。

在压接连接器的过程中，由于插针向上，压机不能与连接器直接接触，需要使用压块做过渡，并将压块根据连接器形状和插针的排列开槽或开孔，使压块绕开插针直接与插针台肩接触传递压机向下的压力。

1.2 压接后产生的损耗及报废的分析

6西格玛质量管理法是一种统计评估法。6西格玛的流程模式为:界定、测量、分析、改进、控制。通过使用分析流程中的工具——鱼骨图(因果图)，对全面质量管理理论中的5个影响产品质量的主要因素(人、机、料、法、环)进行分析。整理出压接报废原因的鱼骨图(图2)。其中共有11项被认为是会影响产品品质的因素。而与设备本身相关的占到4项，约36.7%。所以与设备相关的改进将作为重点。

图2 鱼骨图

2 压接设备改造的总体方案

2.1 机械方面的改造方案

当前使用的压机是通过气缸加压，气缸在与压块接触后，产生向上的阻力较大，气缸内部压力迅速增加到设定压力值并克服连接器内插针阻力，由静摩擦变为动摩擦。由于连接器从手工放置在PCB上的位置到连接器受压至完成装配的位置时，气缸内工作腔内体积变大，产生的压力变小，在连接器被压到与PCB接触后，气缸工作腔内体积不变，压力迅速上升至设定值。气缸在向下压接连接器的过程中有一个短时间的压力上升下降上升的过程，会产生对整个连接器的压力波动，这个波动使得整个压接过程不是很平顺。而压力值的设定由于操作人员的随意变动又使得此压力波动值和波动范围也变得不稳定。这就造成压机工作不稳定，有时压力设置小了就会未压到位，压力设置大了又会将插针压得过深而将连接器的塑料部分压裂。针对这种情况，提出将以气压为主要压力源的气缸改为以液体为主要压力源的气液增压缸，使最后一步加压的过程通过液压增压的方式使整个下压过程更平顺。另外，气缸上下运动过程中的导向是用铜套加光杆结构的导向柱，摩擦阻力大，有时还会卡住，使得向下的运动过程中有顿挫感。为了使压头在上下运动中更平顺，将更改导向柱结构。图3为机械改造方案的框图。

图3 机械改造方案图

2.2 电器改造方案

根据分析，操作人员随意修改工艺参数，也会使压机工作不稳定。操作人员修改工艺参数是由于连接器品种数量大于当前人机界面可以保存的工艺参数数量，而操作人员为避免联系工艺人员修改参数的麻烦就自行修改了参数。因此，此次改造需要将简单的触摸屏改为以工控机为基础的人机界面，以增加可以保存的工艺参数数量。为了防止连接器被装配到位后，压机还有向下的压力而产生过压，需要增加压头的高度控制，在压到位后及时卸去压力。同时为了更精确控制输出的压力，需要将原先的开环系统改为比例阀与流量阀相结合并带有压力反馈的闭环系统。图4为电器改造方案的改造框图。

图4 电器改造方案

3 压机分析及改造设计

3.1 现役的压机设备分析

压机其压力来源于工厂的压缩空气，通过比例阀进入气缸,并由换向阀控制气缸的上下动作。在气缸的周围，有4根采用铜套加光杆结构的导向柱，用于气缸上下动作导向。气缸最大可以产生2.8t的压力。

其机械方面有如下不足之处：气缸工作行程过长，增加了对制造和安装的精度要求。气缸由于导向柱阻力过大而有顿挫的动作产生压力波动，最终造成连接器下压不到位或过压而造成报废。气缸本身是用压缩空气作为直接动力源，其介质本身体积变化受温度的影响大，可压缩比大，使得最终输出的压力不稳定。为了达到一定的压力，使用了较大缸径的气缸，每次动作周期需要的压缩空气的消耗量也较大，造成能源浪费。同时使用的压缩空气量大，使得下压动作的响应慢、周期长、效率低。

主控部分是OMRON的SYSMAC CQM1系列的PLC，上行连接ProFace公司的GP37W触摸屏，下行直接连接各I/O及通过RS232口与触摸屏通讯。

整个控制部分有如下不足：受限于触摸屏本身的容量，其可存放的参数有限。整个压力系统是开环的，压力偏差大，不稳定。触摸屏较小，结构简单，不能显示相关压力曲线。

3.2 压机设备的机械改造设计[2]

压机设备的机械部分改造设计如下：主体结构不变，将原先的大型气缸更换为小型的MPT气液增压缸[3]，以改变行程和最高工作压力,能够让加压过程更平顺。

图5 气液增压缸内部工作流程

为了使压头在加压前能准确位于压块上方，在压头的底部中心增加向下的镭射十字光靶，即使在较亮的光线下操作人员也能看见光靶，操作时只需将装有连接器和压块的PCB放在光靶下就能保证准确对位。为了减少PCB与工作台面之间的摩擦系数，在摆放PCB板的工作台上，增加一定数量的小孔，通入持续的压缩空气，当放上PCB板时自然形成气垫浮床。使得推动大尺寸PCB板时，不会产生生涩感，也使得对位变得轻松容易。将原先的铜套导向柱更换为使用直线轴承的光轴作为导向柱，减少压头上下的摩擦系数。同时，降低压头整体高度，缩短工作行程，这样对于导向柱安装后的平行度要求降低，使系统上下更顺畅，避免原先的铜套导向柱由于顿挫产生压力尖峰而报废PCB板的情况。气液增压缸的压杆行程为200mm，增压杆行程为10mm，内径80mm，比原来的气缸耗气量大为缩小。

3.3 压机设备的电器改造设计

电器的改造主要内容是增加高度控制反馈与建立新的人机界面和控制平台。为了防止过压产生报废，需要增加编码器用于压杆的高度控制。用齿轮齿条的结构将压杆的上下运动转变为旋转运动，由旋转编码器将旋转运动转变为脉冲反馈给系统，并参与控制。其每圈的脉冲数为400，齿轮的分度圆D=40mm，计算出系统每上下0.314mm就会有1个脉冲输出。为了使用以WinXP为基础的人机界面和控制卡。增加Advantech公司的上位工控机，并通过多功能数据采集卡和串口将工控机和下位机及各I/O连接起来。多功能数据采集卡使用的是Advantech公司的PCI-1710[4], 这是一款PCI总线的多功能数据采集卡。它包含五种最常用的测量和控制功能：12位A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出及计数器/定时器功能。可以适合当前所需的多种信号。PLC则使用OMRON的CPM1A系列。具体电器框图见图6。

图6 电器框图

4 软件与人机界面设计与调试

4.1 软件设计与调试

上位机采用的是标准的工业PC，使用WinXP操作系统。整个控制软件分为两部分：组态王和PLC程序。PLC程序仍然是使用OMRON公司自己的编写软件CX-Programmer。组态王通过工业PC上的PCI插槽与多功能数据采集卡通讯，寄存器(PLC)则通过RS232接口与工业PC机通讯。

a) 组态软件和PLC用于数据交换的主要寄存器

整个系统最关键的是组态王对多功能数据采集卡与PLC之间数据的整合操作。此操作通过一些公用的寄存器将组态软件和PLC的数据连接起来，以便将PLC获得的设备的实时状态通过数据采集卡反映给组态王、并将一些控制命令由组态王下达给PLC和数据采集卡。

b) PLC的主控程序

PLC控制部分程序分为四大块：系统处理、手动模式、逻辑运行、集中输出。其与上位机的数据通讯是通过RS232接口链接，通过对寄存器DM0，DM2，DM4，DM8，DM10，IR0，IR2，IR3，IR4，IR5来交换控制数据及相关信息，见表1。

表1 寄存器功能表

编码器值的读取如表2。

表2 编码器值

c) 组态软件数据库部分

通过组态软件内部的数据库管理，可以实现保存大量PCB工艺数据和连接器工艺数据的目的。通过内部模板分别创建了以下6个不同功能的记录体：连接器清单记录体-“connectorlib”、连接器新建记录体-“Inlib”、连接器调用记录体-“Outlib”、PCB清单记录体-“boardnamelib”、PCB新建记录体-“Inboardnamelib”、PCB调用记录体“Outboardlib”。最后在图形界面中通过报表工具引用上述已建立的记录体。

4.2 人机界面设计[5]

通过组态软件将人机界面[6]共分为启动画面、工作画面、手动画面、PCB库编辑画面、连接器库编辑画面、PCB新建画面、连接器新建画面共7幅画面。通过拖拉工具箱中的模块可以建立各种多媒体界面，通过菜单可以选择已在软件中建立的各种变量和输入输出。图7为工作界面。

图7 工作画面

5 压机改造后的测试结果

设备改造完成后，测试了几个主要性能：高度控制，测试2组共20个数据得出高度偏差均值为0.1865mm，小于品质要求的0.3mm，达到了改造需求。压力控制， 所测10组数据得到设定压力20kN的压力偏差均值为164.8N，小于设计要求200N，满足了改造需求。

对比全年第31周压机改造前后各月的报废数据(图8)可以看出：改造前压机的报废率都在0.4%以上，而改造后的压机，压接件的报废率明显下降，都控制在0.1%以下，报废率降低了75%。

图8 改造前后的报废数据

6 结语

整个工程项目通过较少的费用、较短的改造周期达到了预期的目的。改造后的压机在实际生产中，压接件的报废率明显下降，从最高1.7%下降为0.1%。返修成功率大大提高，取得较好的经济效益，达到了既定目的。

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