壓配合連接器壓接設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析

高航 趙永亁

摘 要：隨著高速、高密集型壓配合連接器的快速發(fā)展，超高速背板成為了互聯(lián)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，同時(shí)也對(duì)連接器壓接設(shè)備提出了更高的要求。壓接工序定位精度準(zhǔn)確、可靠性高，柔性化好、自動(dòng)化程度高的壓配合連接器是超高背板加工產(chǎn)業(yè)中的重要環(huán)節(jié)?；诖吮疚耐ㄟ^(guò)對(duì)壓配合連接器壓接設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析及優(yōu)化，對(duì)連接器壓接設(shè)備行業(yè)水平的提升有一定意義。

關(guān)鍵詞：壓配合連接器;器壓接設(shè)備;設(shè)計(jì)分析

一、壓接設(shè)備的方案設(shè)計(jì)

（一）壓接設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)的選擇

本文中連接器壓接設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)單元的運(yùn)動(dòng)路徑為。第一，先將機(jī)構(gòu)移動(dòng)至上模暫存區(qū)，抓取特定的上模;第二再將上模移動(dòng)至連接器上方，旋轉(zhuǎn)并調(diào)整上模位置，使其對(duì)準(zhǔn)連接器;第三將上模準(zhǔn)確的插入連接器中;第四機(jī)構(gòu)依照設(shè)定的速度和壓力，將單個(gè)連接器緩慢的壓入PCB板的金屬孔中。壓接結(jié)束后，機(jī)構(gòu)抽出上模并返回。至此完成一個(gè)工作周期。

如上所述，通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)器壓接設(shè)備的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：機(jī)械系統(tǒng)末端在具備精準(zhǔn)的定位靜確度，可以在多個(gè)空間位置實(shí)現(xiàn)快速的平動(dòng);同時(shí)機(jī)械系統(tǒng)末端需要對(duì)Z軸輸出較大的插接壓力，才可以在Z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);機(jī)械系統(tǒng)末端在精準(zhǔn)的定位精確度下可以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和停止。

結(jié)合快速精確平動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊可靠、可輸出較大垂直壓力等特點(diǎn)，所以優(yōu)先選取具備4自由度的直角坐標(biāo)系機(jī)械結(jié)構(gòu)作為機(jī)械系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。

（二）壓接設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式的需求分析

（1）最大行程。根據(jù)1060mmⅹ740mm是目前生產(chǎn)的印制電路板最大尺寸，可以確定出1200mmⅹ800mm是機(jī)械系統(tǒng)的X，Y方向最大工作行程。因?yàn)榭紤]到Z軸末端會(huì)越過(guò)印制電路板輸送線，但是印制電路板輸送線的高度為200毫米左右，所以Z軸最大行程大于等于輸送線高度+下模高度=250mm。假如把安全空間調(diào)整為50毫米，則Z軸需要的最大行程為300毫米。故確定1200mmⅹ800mmⅹ300mm。為X，Y，Z軸最大行程。

（2）根據(jù)連接器的插接過(guò)程可以分為三個(gè)工藝區(qū)間。首先是插接前的區(qū)間，從原點(diǎn)到指定高度的速度由上模設(shè)定，壓接的速度可為Z軸最大的速度，此過(guò)程可以不用接觸連接器，其次是插接區(qū)間，上模接觸連接器進(jìn)行壓接在達(dá)到指定高度的時(shí)候，開(kāi)始對(duì)每針最小力、最大力或指定壓力等進(jìn)行判定，滿足壓力條件，下模繼續(xù)下壓，壓接的速度為0.2mm/s-5mm/s 之間，行程比較小。最后是插接結(jié)束的區(qū)間，如果機(jī)械系統(tǒng)在下模位于設(shè)定的高度區(qū)間時(shí)檢測(cè)到實(shí)際壓力已經(jīng)達(dá)到了“設(shè)定的壓力值”時(shí)，則壓接結(jié)束。所以每分鐘的速度=0.2mm/s，maxV =5mm/s為機(jī)械系統(tǒng) Z 軸的工藝壓接速度

（三）壓接設(shè)備附屬輸送線體的實(shí)現(xiàn)方案

背板輸送機(jī)構(gòu)和頂升機(jī)構(gòu)的功能可以有效實(shí)現(xiàn)背板快速、穩(wěn)定的傳送，也可以對(duì)印制電路進(jìn)行升降、定位等動(dòng)作。通過(guò)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)異型齒形的同步皮帶涮動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行使用，在每一節(jié)的工位輸送時(shí)，每次只能容納一個(gè)背板進(jìn)入和流出。其中背板的快速平穩(wěn)輸送和輸送機(jī)可以根據(jù)背板的寬度對(duì)輸送線的寬度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

運(yùn)用頂升機(jī)構(gòu)將背板降下并成功傳動(dòng)到襯板上，為定位背板。其具體的操作步驟為：將背板移動(dòng)到特定的位置后，整體的輸送線頂升機(jī)構(gòu)會(huì)開(kāi)始下降，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)背板下降，直至下降到與機(jī)床地板相貼合，以方便Z軸承受機(jī)械系統(tǒng)的較大壓力，壓接完成后，頂升機(jī)構(gòu)會(huì)恢復(fù)到開(kāi)始的高度，然后背板將會(huì)被抬起，等待一塊背板的進(jìn)入。

二、壓接系統(tǒng)搭建與實(shí)驗(yàn)分析

（一）系統(tǒng)硬件組成

工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡（運(yùn)動(dòng)控制器）組成了壓配合連接器壓接設(shè)備的控制系統(tǒng)。工控機(jī)通過(guò)采用研祥 IPC-810E，對(duì)2個(gè)運(yùn)動(dòng)控制卡，1個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器，1個(gè)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行連接。PARKER 提供的 ACR9000是運(yùn)動(dòng)控制器，需要將其安裝在專門的電柜中，可以有效實(shí)現(xiàn)八軸直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。雷賽的DMC1000和DMC2410是運(yùn)動(dòng)控制卡，分別對(duì) Z 軸伺服電機(jī)、輸送線交流電機(jī)、夾緊氣缸等進(jìn)行控制。采用 NI-9237 采集壓力傳感器信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集卡。

（二）壓力采集系統(tǒng)介紹。

壓力傳感器系統(tǒng)由壓力傳感器，信號(hào)放大器，數(shù)據(jù)采集卡等三個(gè)部分組成，是插裝設(shè)備的核心傳感部件。整個(gè)壓接過(guò)程的可控性和連接器的最終裝配質(zhì)量都是通過(guò)壓力傳感器系統(tǒng)直接進(jìn)行的。對(duì)插裝行程的各個(gè)特定階段讀取壓力傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是由插裝設(shè)備進(jìn)行的，插裝設(shè)備在讀取壓力數(shù)據(jù)后會(huì)與設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，然后依據(jù)比對(duì)的結(jié)果，來(lái)決定下一步的程序走向。

在對(duì)本課題使用的壓力傳感器進(jìn)行選型時(shí)，需要重點(diǎn)考慮壓力傳感器的靈敏度，精度，額定壓力范圍等參數(shù)。本項(xiàng)目為自動(dòng)插入模具，故壓力采集系統(tǒng)需要能判斷模具是插入到連接器根部。即插入階段時(shí)，如傳感器感應(yīng)到大于某數(shù)值的壓力，則說(shuō)明模具未順利插入連接器，需要人工檢查連接器是否歪斜;如整個(gè)插入階段里，傳感器感應(yīng)到的壓力小于某數(shù)值，則可認(rèn)為其已經(jīng)正常插入，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入壓接流程。上述的壓力數(shù)值，需要由插入實(shí)驗(yàn)得出。故項(xiàng)目選用的壓力傳感器暫定為意大利 AEP C2S 壓力傳感器，其綜合誤差0.023%，精度（OIML R60）C3。信號(hào)放大器選用美國(guó) Interface SGA/A SGA/D 信號(hào)放大器，數(shù)據(jù)采集卡選用 NI-9237。NI-9237 可驅(qū)動(dòng)并測(cè)量 4 個(gè)基于電橋的傳感器所需的全部信號(hào)調(diào)理具有高采樣率和高帶寬，結(jié)合通道間零相位延遲，提供了高效高速的應(yīng)變或載荷測(cè)量系統(tǒng)通道。

（三）模具自動(dòng)插入實(shí)驗(yàn)

本節(jié)首先進(jìn)行模具的自動(dòng)插入實(shí)驗(yàn)。通過(guò)此實(shí)驗(yàn)，可得出插入階段的上限壓力值。取得此經(jīng)驗(yàn)值后，系統(tǒng)即可利用此數(shù)值來(lái)自動(dòng)判斷模具的插入過(guò)程是否正常。首先 Z 軸抓取模具，并自動(dòng)運(yùn)行至下 CCD 視場(chǎng)內(nèi)拍照，定位模具的中心位置。

定位完畢后，Z 軸攜帶模具，移動(dòng)至背板放置區(qū)間，使用 Z 軸上安裝的CCD 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)背板的 MARK 點(diǎn)進(jìn)行拍照，以定位背板在上 CCD 坐標(biāo)系中的位置（上、下 CCD 視覺(jué)系統(tǒng)各自所處的坐標(biāo)系已經(jīng)通過(guò)校準(zhǔn)工裝進(jìn)行校準(zhǔn)）。最后導(dǎo)入待壓接位置在背板上的坐標(biāo)數(shù)值。Z軸移動(dòng)到該坐標(biāo)值位置處后插入模具。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)模具順利插入連接器，傳感器感應(yīng)的壓力曲線均低于 5N。模具插入連接器受阻時(shí)，力-時(shí)間曲線產(chǎn)生突變。故在主程序中設(shè)置插入階段的判斷參數(shù)值為 15N。當(dāng)插入階段壓力傳感器感應(yīng)到大于 15N 的壓力值，程序判斷插入出錯(cuò)并暫停;否則正常運(yùn)行。

結(jié)論：本文根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況出發(fā)，以壓配合連接器全自動(dòng)插裝設(shè)備為研究對(duì)象計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件和驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行了選型和理論計(jì)算，同時(shí)對(duì)模具自動(dòng)插入過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，確保了模具可安全、可靠、準(zhǔn)確的自動(dòng)插入到連接器中，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)壓接的關(guān)鍵一步。

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