自动插件机插件系统的设计与分析

王建生， 潘政（五邑大学机电工程学院，广东江门529020）

0 引言

自动插件机插件系统是整台插件设备最为核心的组成部分，通过区域平面内快速运动拾取电子元器件，精确地安插在PCB板导电通孔内[1]。通常市场上的电子元器件主要分为散料（例如变压器、电感器）以及编带料（例如电容、三极管、电阻），散料引脚短且硬，不易变形；编带料引脚长且软，在取料插件过程中会严重折弯。因此插件系统的插件机构需要有针对性地设计[2]；在整个插件过程中，还需要通过伺服驱动模块保障插件系统稳定的驱动性能，系统各部分协调有序的动作皆通过有效编程语言实现[3]。

1 插件系统的结构设计

插件系统的运控结构主要由研华工控机+固高GTN运控卡组成主控模块。GTN控制卡与拓展4轴端子板通讯，执行伺服驱动模块以及动作机构的具体控制[4]；伺服驱动器通过4轴端子板AXIS1-AXIS4信号接口通讯，与伺服电动机组成一套完整的闭环伺服驱动系统；运动控制卡提供16路输入、输出端口，负责光电传感器信号的接收以及控制；I/O模块通过电磁阀的通、断执行气动装置的动作。控制结构框架如图1所示。

图1 插件系统运控框架

自动插件系统主要分为X、Y轴龙门模组结构以实现平面内任意运动以及Z轴插件取料头。考虑到滚珠丝杆传动定位精度高以及负载荷大的因素，X、Y轴龙门模组采用滚珠丝杆-直线导轨的传动方式[5]。Z轴插件取料头需要满足直线与旋转这2种形式的运动，以满足不同姿态与位置的电子元器件，另考虑到插件轴需在取料、插件平面内快速动作，则整体质量不宜太重。综合以上因素，插件系统的结构设计主要为滚珠丝杆花键轴+末端执行气缸，配合不同性能的夹片有效地完成各类电子元器件的安插工作[6]。

1.1 滚珠丝杆花键轴

如图2所示，伺服电动机通过带、轮分别与丝杆花键轴的丝杆螺母以及花键螺母联动，高转矩同步轮固定在螺母旋转端面。只要有序地控制伺服电动机的动作，则能高效完成旋转以及直线运动。滚珠丝杆的运动形式为旋转运动转化为直线运动，滚珠花键轴的运动形式为旋转运动转化为螺旋运动[7]，通过一根轴加工成丝杆沟槽以及花键沟槽，安装螺母以及轴承、轴承座，就能实现旋转、直线以及螺旋形式的运动。动后，切断正、负限位传感器的接收光信号，传感器接收引脚输出高电平信号，GTN运控卡输入信号引脚检测到高电平状态，则立即输出伺服驱动停止信号，保证插件工作的安全。各单轴模组、机构配置的伺服电动机参数如表2所示。

图2 滚珠丝杆花键副结构

配合滚珠丝杆花键副有效运动的具体方式如表1所示。

1.2 龙门模组—滚珠丝杆-导轨传动

如图3结构所示，龙门平面运动机构主要由X轴主、随动模组以及Y轴模组组成，单轴模组各安装了3个软限位传感器，即负限位、原点、正限位，当固定在模组滑块上端的机械遮光片随模组运

表1 丝杆花键轴动作

图3 自动插件机龙门模组结构

1.3 末端执行机构

末端执行机构主要为多个气缸的配合运动，前文了解到为适应不同电子元器件的夹取动作，需要设计不同的夹爪满足需要[8]。如图4所示，左边双轴推杆气缸1通过气缸连接片2与平行夹爪气缸3连接，夹片4设计可以具体参考散料电子元器件头部跨距；右边主要为编带料引脚夹取机构，微型气缸7通过电磁阀驱动轴运动，推动弹簧压缩片下压，夹爪弹簧张开夹取料引脚，夹片跨距设计适用于5 mm以及2.5 mm这2种引脚距的元器件，微型气缸6主要通过推动夹爪内的凸轮机构运动，下压固定杆对中元器件头部固定插件，且避免与夹料部分干涉。整个末端执行机构通过固定块、固定环与滚珠丝杆花键轴连接动作。

表2 多摩川交流伺服电动机参数

2 插件系统的软件实现

图4 末端执行机构结构图

插件系统的软件编程环境为IEC 61131-3，IEC 61131-3最大的优势在于其允许用户通过可编程控制器选择多类汇编语言，指定具体的控制目标去实现动作。

从插件系统的机构动作可以了解到，具体的软件控制主要包含各伺服轴的驱动、I/O端电磁阀控制的气缸动作（真空部分）。GTN运动控制卡作为主控核心，为这2部分的驱动提供了运动函数动态链接库，只需要有针对性地调用库指令，便能达到机构动作目的[9]。

2.1 I/O口气动控制

插件系统中，气动部分动作执行都通过I/O口通、断电磁阀操作，软件控制只需有针对性的对电磁阀进行复位、置位即可[10]。末端气缸轴行程依据上下磁性传感器信号的反馈做出具体动作。部分程序设计如下：

2.2 X/Y/Z伺服轴的调试

1）X/Y轴皆由伺服驱动电动机调试。考虑到它们的控制方式以及模式一样，所以通过X轴伺服电动机S1为在线调试对象进行阐述。选择固高GTN控制卡提供的伺服驱动轴控制方式：脉冲+方向（调用GTN_Reset置位控制卡），改变目标轴状态（GTN_CtrlMode）；选择GTN运控卡提供的轴驱动模式：点位驱动（梯形运动），设置目标位置、加速度以及目标速度。具体的调试流程如图5所示。

图5 轴调试的程序步骤

通过X轴伺服电动机在ServoStudio软件工具下记录其运行状态曲线,目标位置2621440counts，目标速度3000 r/min，加、减速度1000 rpm/s，运行如图6所示。

2）Z轴伺服电动机的调试。Z轴伺服电动机的调试包含花键传动电动机S4以及丝杆传动电动机S3。本节以花键传动电动机S4为调试对象进行阐述。花键传动电动机S4调试步骤与X/Y轴相同，目标位置131071counts，目标速度3000 r/min，加、减速度10 000rpm/s，只是在具体调试过程中需要特别考虑轴自振情况。从上节中已经了解到滚珠丝杆花键副工作的特殊性，单独调试花键传动电动机在带动轴运动过程中，会带动丝杆螺母转动，从而不可避免地造成位置跟随曲线振幅过大。其自振特性曲线如图7所示。

为解决自振问题，在Z轴调试过程中以抱闸（刹车）形式锁定伺服轴。通过长时间地刷新PID参数值，以数据表格形式进行记录曲线特性，再利用MATLAB对其数据表进行仿真且放大观察[11]，具体的仿真结果如图8所示。

图6 伺服电动机S1调试曲线特性

从图8可以观察到，速度曲线、位置跟随误差曲线、电流特性曲线跟随性较好，系统响应时间也迅速，PE值在小范围内有滞后特性，从机械结构上考虑，Z轴安装的垂直度以及皮带预紧都有允许误差范围，因此在可控范围内不影响控制性能。

在调试电动机过程中，通过观察特性曲线运行情况，刷新增益参数值，最后得出了如表3所示的PID增益参数值[12]。

图7 S4自振特性曲线

表3 各轴PID增益优化值

图8 伺服电动机S4仿真特性曲线

3 结语

文中只针对自动插件机插件系统的结构以及控制方面作出了设计与分析，一套完整且插件精度要求高的插件系统还需要机器视觉检测系统的参与，只有建立在可靠的硬件平台基础上，配合有效的运控软件系统，才能保障整套设备的协调运行。

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