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X,Y與Z/θ伺服,定位系統

文章出處:深圳市龍合自動化設備有限公司發表時間:2018/8/28 11:31:55【

 

1.功能
 
       X,Y定位系統是貼片機的關鍵機構,也是評估貼片機精度的主要指標,它包括X,Y傳動結構和X,Y伺服系統。它的功能有兩種,一種是 支撐貼片頭,即貼片頭安裝在X導軌上,X導軌沿Y方向運動從而實現在X-Y方向貼片的全過程,這類結構在通用型貼片機[泛用機]中多見,另一種功能是支撐PCB承載平臺并實現PCB在X-Y方向移動,這類結構常見于塔式旋轉頭類的貼片機[轉塔式]中。這類高速機中,其貼片頭僅做旋轉運動,而依靠送料器的水平移動和PCB承載平面的運動完成貼片過程。上述兩種X,Y定位系統中,X導軌沿Y方向運動,從運動的形式來看,屬于連動式結構,其特點是X導軌受Y導軌支撐,并沿Y軸運動,它屬于動式導軌(Moving Rail)結構。
還有一類貼片機,貼片機的機頭安裝在X導軌上,并僅做X方向運動,而PCB承載臺僅做Y方向運動,工作時兩者配合完成貼片過程,其特點是X,Y導軌均與機座固定,它屬于靜式導軌(Statil Rail)結構。
        從理論上講,分離式結構的導軌在運動中的變形量要小于連動式,但在分離式的結構中,PCB處于運動狀態,對貼裝后的元器件是否產生位移,則應考慮。
2.結構
       X,Y傳動機構主要有兩大類,一類是滾珠絲杠--直線導軌,另一類是同步齒行帶---直線導軌。
 
(1)滾珠絲杠--直線導軌
       典型的滾珠絲杠---直線導軌的結構,貼片頭固定在滾珠螺母基座和對應的直線導軌上方的基座上,馬達工作時,帶動螺母做X方向往復運動,有導向的直線導軌支承,保證運動方向平行,X軸在兩平行滾珠絲杠--直線導軌上做Y方向移動,從而實現了貼片頭在X-Y方向正交平行移動。同理,PCB承載平臺也以同樣的方法,實現X-Y方向正交平行移動。
       貼片速度的提高,意味著X-Y傳動結構速度的提高,這將會導致X-Y傳動結構因運動過快而發熱,通常鋼材的線膨脹系數為0.000015,鋁的線膨脹系數為鋼的1.5倍,而滾珠絲杠[與馬達連接]為主要熱源,其熱量的變化會影響貼裝精度,故最新研制出的X-Y傳動系統,在導軌內部設有[氮冷]冷卻系統,以保證因熱膨脹帶來的誤差,如果X-Y軸沒有強制冷卻,在軸的附近會有明確的變形。
此外,在高速機中采用無摩擦線性馬達,和空氣軸承導軌傳動,運行速度能做的更快。
 
(2)同步帶--直線軸承驅動
       典型的同步齒行帶--直線導軌結構,同步齒行帶由傳動馬達驅動小齒輪,使同步帶在一定范圍內作直線往復運動。這樣帶動軸基座在直線軸承往復運動,兩個方向傳動部件組合在一起組成X-Y傳動系統。
由于同步齒行帶載荷能力相對較小,僅適用于支持貼片頭運動,典型產品是德國西門子貼片機,如HS-50型貼片機,該系統運行噪聲低,工作環境好。
3.X-Y伺服系統(定位控制系統)
        隨著SMC/SMD尺寸的減小及精度的不斷提高,對貼片機貼裝精度的要求越來越高,換言之,對X-Y定位系統的要求越來越高。而X-Y定位系統是由X-Y伺服系統來保證,即上述的滾珠絲杠--直線導軌及齒行帶--直線導軌,是由交流伺服電機驅動,并在位移傳感器及控制系統指揮下實現精確定位,因此位移傳感器的精度起著關鍵作用。目前,貼片機上使用的位移傳感器有圓光柵編碼器、磁柵尺和光柵尺,現將它們的結構與原理介紹如下。
 
(1)圓光柵編碼器
        通常圓光柵編碼器的轉動部位上裝有兩片圓光柵,圓光柵是由玻璃片或透明塑料制成,并在片上鍍有明暗相間的放射狀鉻線,相鄰的明暗間距稱為一個柵節,整個圓周總柵節數為編碼器的線脈沖數。鉻線數的多少,也表示其精度的高低,顯然,鉻線數越多,其精度越高。其中一片光柵固定在轉動部位做指標光柵,另一片則隨轉動軸同步運動并用來記數,因此,指標光柵與轉動光柵組成一對掃描系統,相當于記數傳感器。 
        編碼器在工作時,可以檢測出轉動件的位置、角度、及角加速度,它可以將這些物理量轉換成電信號,傳輸給控制系統,控制系統就可以根據這些量來控制驅動裝置,因此,圓光柵編碼器通常裝在伺服電機中,而電機直接與滾珠絲桿相連。
貼片機在工作時,將位移量轉換為編碼信號,輸入編碼器中,當電機工作時,編碼器就能記錄絲桿的旋轉度數,并將信息反饋給比較器,直至符合被測線性位移量,這樣就將旋轉運動轉換成了線性運動,保證貼片頭運行到所需位置上。
采用圓光柵編碼器的位移控制系統結構簡單,抗干擾性強,測量精度取決于編碼器中光柵盤上的光柵數及滾珠絲杠導軌的精度。
 
(2)磁柵尺
       磁柵尺由磁柵尺和磁頭檢測電路組成,利用電磁特性和錄磁原理對位移進行測量。磁柵尺是在非導磁性標尺基礎上采用化學涂覆或電鍍工藝沉積一層磁性膜(一般10-20微米),在磁性膜上錄制代表一定長度具有一定波長的方波或正弦波磁軌跡信號。磁頭在磁柵尺上移動和讀取磁信號,并轉變成電信號輸入到控制電路,最終控制AC伺服電機的運行。通常磁柵尺直接安裝在X,Y導軌上。
磁柵尺的優點是制造簡單,安裝方便,穩定性高,量程范圍大,測量精度高達1-5微米。一般高精度自動貼片機采用此裝置。帖片精度一般在0.02毫米。
 
(3)光柵尺
       該系統同磁柵尺系統類似,它也由光柵尺、光柵讀數頭與檢測電路組成。光柵尺是在透明玻璃或金屬鏡面上真空沉積鍍膜,利用光刻技術制作密集條紋(每毫米100-300條紋),條紋平行且距離相等。光柵讀數頭由指示光柵 、光源、透鏡及光敏器件組成。指示光柵有相同密度的條紋,光柵尺是根據物理學的莫爾條紋形成原理進行位移測量,測量精度高,一般在0.1-1微米。光柵尺在高精度貼片機中應用,其定位精度比磁柵尺還要高1-2個數量級。
西門子貼片機最早采用光柵尺---AC伺服電機系統。但裝有光柵尺的貼片機對環境要求比較高,特別是防塵,塵埃落在光尺上將會引起貼片機出故障。
        總之,上述三種測量方法均能獲得很高的定位精度,但僅能對單軸向運動位置的偏差進行檢測,而對軌道的變形、彎曲等因素造成的正交或旋轉誤差卻無能為力。有最新的貼片機在X、Y導軌上安裝冷卻系統,可以有效的防止導軌的熱變形。 
4.Y軸方向運行的同步性
        由于支撐著貼片機頭的X軸是安裝在兩根Y軸導軌上,為了保證運行的同步性,早期的貼片機采用齒輪、齒條和過橋裝置將兩Y導軌相連接。但這種做法,機械噪音大,運行速度受到限制,貼片頭的停止與啟動均會產生應力,導致震動并可能會影響貼片精度。目前設計的新型貼片機X軸運行采用完全同步控制回路的雙AC伺服電機驅動系統,將內部震動降至最低,從而保證了Y方向同步運行,其速度快,噪音低,貼片頭運行流暢輕松。
 
5.X-Y運動系統的速度控制
       在高速機中,X-Y運動系統的運行速度高達150mm/s,瞬時的啟動與停止都會產生震動和沖擊。最新的X-Y運動系統采用模糊控制技術,運動過程中分三段控制,即“慢-快-慢”,呈“S”型變化,從而使運動變得更“柔和”,也有利于貼片精度的提高,同時機器噪音也可以減到最小。
6.Z軸[HEAD]伺服,定位系統
        在通用型貼片機[泛用機]中,支撐貼片頭的基座固定在X導軌上,基座本身不做“Z”方向的運動。這里的Z軸控制系統,特指貼片頭的吸嘴運動過程中的定位,其目的是適應不同厚度PCB與不同高度元器件的貼片需要。Z軸控制系統常見的形式有下列幾種。
(1)圓光柵編碼器----AC/DC馬達伺服系統
        在通用型貼片機[泛用機]中,吸嘴的Z方向伺服控制與X-Y伺服定位系統類似,即采用圓光柵編碼器的AC/DC伺服馬達--滾珠絲桿或同步帶機構。采用A C/DC伺服馬達--滾珠絲桿控制時,其馬達-滾珠絲桿安裝在吸嘴上方;采用AC/DC伺服馬達--同步帶控制時,其馬達則可安裝在側位,通過齒輪轉換機構實現吸嘴在Z方向的控制。由于吸嘴Z方向運動行程短,以及采用光柵編碼器,通常控制精度均能滿足要求。
(2)原筒凸輪控制系統
       在松下MVB[MVIIVB?]型貼片機中,吸嘴Z方向的運動則是依靠特殊設計的圓筒凸輪曲線實現吸嘴上下運動,貼片時在PCB裝載臺的配合下(裝載可以自動調節高度),完成貼片程序。
 
7.Z軸旋轉定位
       早期貼片機的Z軸/吸嘴的旋轉控制是采用氣缸和檔塊來實現的,現在的貼片機已直接將微型脈沖馬達安裝在貼片頭內部,以實現θ方向高精度的控制。松下MSR型貼片機的微型馬達的分辨率為0.072度/脈沖,它通過高精度的諧波驅動器(減速比為30:1),直接驅動吸嘴裝置,由于諧波驅動器具有輸入軸與輸出軸同心度高、間隙小、震動低等優點,故吸嘴的θ方向實際分辨率高達0.024度/脈沖,確保了貼片精度的提高。
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