CN101992343B - 封焊用直线机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种封焊用直线机械手，涉及电阻焊金属封装电子元器件机械手技术领域。主要具有X方向直线运行机构、Y方向平行进给机构、设在X方向直线运行机构上的升降机构及其夹持机构、设在升降机构上的夹持机构、行列排布式托料机构，以及运行控制电路。利用该装置，可以较好实现用机械手代替人工作业，作业路线简洁合理，放料迅速、效率高、准确，可大大提高生产质量和效率。尤其适用于石英晶体谐振器电阻焊金属封装机上，也可用于其他电子元器件的电阻焊封装机上。

Description

封焊用直线机械手

技术领域

本发明涉及电阻焊金属封装电子元器件机械手技术领域。

背景技术

目前，金属封装HC-49US型石英晶体谐振器的电阻焊封装机，采用人工取料、放料作业，其效率低、成本高、工人劳动强度大、质量也难以保证。随着国内为电子元器件产业的飞速发展，在当前市场竞争激烈、资源(动力、水电气及劳动用工)紧缺和新的《劳动法》实施后工资成本的急剧提高得情况下，对该劳动密集型企业的产品成本与市场竞争力提出了新的挑战。同时，高效低耗、节能减排的基本国策，对企业的经营模式也提出了新的要求。故提高金属封装HC-49US型石英晶体谐振器的电阻焊封装机的自动化水平、提高其生产效率、降低能耗、减少劳动用工、降低制造成本，采用机械手以实现其快速、准确定位夹持、送料已成为生产瓶颈和急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种封焊用直线机械手，利用该装置，可以较好实现用机械手代替人工作业，作业路线简洁合理，取料、放料迅速、效率高、准确，可大大提高生产质量和效率。尤其适用于石英晶体谐振器电阻焊金属封装机，也可用于其他电子元器件的电阻焊封装机上。

本发明是这样实现的：一种封焊用直线机械手，其特征在于主要具有X方向直线运行机构、Y方向平行进给机构、设在X方向直线运行机构上的升降机构及其夹持机构、设在升降机构上的夹持机构、行列排布式托料机构，以及运行控制电路。

所述的X方向直线运行机构的结构为：伺服电机或步进电机和可以转动的压轧滚珠丝杠相连，压轧滚珠丝杠的锁母通过连接板和直线导轨滑块配合限制径向自由度，并带动其运动；拖动连接板安装在连接板上，靠压轧滚珠丝杠带动直线导轨滑块及安装于连接板上的拖动连接板实现往复运动；直线送料器通过拖动连接板与升降机构相连。最终实现X向和Z向运动。

所述的X方向直线运行机构也可为其他结构，如采用THK引动器(或其他品牌)产品或IAI电动直线导轨(或其他品牌)产品替代直线送料单元的丝杠导轨部分等。

所述的Y方向平行进给机构的结构为：步进电机或伺服电机通过齿轮与固定在X方向Y方向行列排布式托料机构上的齿条相啮合，带动其往复运动。也可为其他结构，如：由滚珠丝杠代替齿轮齿条或有皮带直接带动；或采用直线电机结构等。

所述的升降机构的结构为：拖动滑板固定在上下直线导轨滑块上，升降气缸的活塞杆通过连接件和拖动滑板滑动连接在一起，实现升降动作；夹持机构安装于拖动滑板上，并与限位机构连接在一起

所述的限位机构结构为：是由千分尺与限位螺钉组成；千分尺和限位螺钉固定在千分尺座上，千分尺座与拖动滑板相连，随拖动滑板在自由安装气缸作用下上下动作；并在不同位置依次起作用，限制不同位置的下降深度。它的功用是在机械手上下运动时适当的补偿因封装模具磨损而形成的下止点间距所产生的误差，同时适应夹具与封装模具间的高度差。

所述的升降机构也可为其他结构，如油缸或电机升降结构等。

所述的的较好结构为：由气爪的左夹爪、右夹爪与丢失晶体检测组件组成；夹持机构气爪与连接件通过螺钉固定，再通过连接件安装在升降机构上；左夹爪、右夹爪通过螺钉固定在气爪上；丢失晶体检测组件固定在左夹爪上；气爪和气路相连由电磁阀控制其张开、闭合，并带动左夹爪、右夹爪取放产品；晶体检测组件的结构为：晶体检测组件由绝缘套和螺钉组成，绝缘套直接穿过夹爪上的孔，被螺钉牢牢锁死在夹爪上，利用夹爪在工作时所产生的间距差达到检测的目的。

所述的行列排布式托料机构为具有可抵消磁场的料升降结构较好：行列式位于行列式夹具定位板上面，二者间垫有调整垫，行列式托料板通过其上的导向销与夹具定位板上导向套滑动配合，夹具定位板下面的薄型气缸的活塞杆通过夹具定位板的孔和行列式托料板相连，夹具定位板通过螺钉与夹具支座相连；行列式托料板用航空铝合金制成；行列式专用夹具载盘SU304不锈钢制成。此结构在本设计中至关重要，行列式托料板和用夹具载盘的有效配合是抵消强磁场的关键环节。

所述的运行控制电路中设有传感器及可编程控制器，其电路结构为：输入端：丢失检测组件信号S1端与可编程控制器的I0.2触点连接，直线送料器原点传感器S2信号端与可编程控制器的I0.3触点连接，步进原点传感器S3信号端与可编程控制器的I0.4触点连接，顶杆上限传感器S4信号端与可编程控制器的I0.5触点连接，压力继电器信号S5信号端与可编程控制器的I0.6触点连接，X轴等待位S6信号端与可编程控制器的I0.7触点连接，升降气缸上限S7信号端与可编程控制器的I1.0触点连接，升降气缸下限S8信号端与可编程控制器的I1.1触点连接，上模传感器S9信号端与可编程控制器的I1.2触点连接，放料传感器S10与可编程控制器的I1.3触点连接，急停按钮K1与可编程控制器的I1.5触点连接，1M、2M可编程控制器的公共端接+24V，M与急停按钮的公共端相连。输出端Q：可编程控制器的Q0.0触点连接与伺服脉冲PULL3信号端连接，控制伺服电机旋转；可编程控制器的Q0.1触点连接与步进脉冲PU信号端连接，控制步进电机旋转；可编程控制器的Q0.2触点与伺服方向Signl信号端连接，控制伺服电机旋转方向；步进方向DR信号端连接，控制步进电机旋转方向；可编程控制器的Q0.4触点与托起气缸电磁阀YV4正极连接，控制托起气缸电磁阀动作；可编程控制器的Q0.5触点与Z轴电磁阀YV1正极连接，控制Z轴电磁阀动作；可编程控制器的Q0.6触点与夹爪电磁阀YV2正极连接，控制夹爪电磁阀动作；可编程控制器的Q0.7触点与变位气缸电磁阀YV3正极连接，控制变位气缸电磁阀动作；可编程控制器的Q1.0触点与信号Start_out连接，控制封焊机封焊；的Q1.0触点与伺服使能Ser_ON连接，控制伺服励磁或脱机；输出公共负端1M、2M、M为输出公共地GND；输出公共正端1L、2L和L接+24V电源正；输出端通接线端子TBI与各个部件相连。

封焊用直线机械手所涉及可编程控制器程序包括：

用于输入信息的VW的输入装置；

用于显示输出信息的VW的输出显示装置；

用于存储矩阵位置VW的位置存储装置；

用于存储起始位置地址和终点位置地址的位置存储装置；

用于存储瞬时工作位置行和列数值的存储装置；

用于计算行列位置的累加计算装置；所述计算装置包括：利用设置好的矩阵的初始位置值和矩阵的行列间距值，在程序执行完一个周期后，自动累加1并储存在相应的VW寄存器位的计算器，为下一周期指定位置的计算器。

用于分别将储存在位置存储装置中的起始位置地址的值与当前值比较的比较器；

用于运动控制的控制装置；包括：读取位置存储器中的矩阵当前值，控制X、Y轴运动到相应的点位置，并控制升降机构带动夹持机构进行取料；然后，控制X轴运动至终点位置将料放到相应位置。

用于功能检测的报警装置包括：取料位置上、下限报警，放料位置报警；功能是当控制装置输出控制信号后，上限、下限或放料位传感器反馈信号没反馈至控制器时，即刻报警输出在显示装置上并发出蜂鸣音；此功能能够最大限度的避免损坏硬件的危险发生。

顶杆上限报警；功能是当控制装置输出控制信号后，顶杆反馈信号没反馈至控制器时，此功能能够最大限度的避免损坏硬件的危险发生。

晶体丢失报警；在执行完取料任务后，在取料位置上方时执行晶体丢失检测，如此信号反馈至控制器即刻报警输出在显示装置上并发出蜂鸣音；此功能能够即时监测是否将产品抓起，最大限度的保护了产品安全。

本发明的积极效果是：能有效解决现有技术中存在的问题，利用该装置，可以较好实现用机械手代替人工作业，作业路线简洁合理，取料、放料迅速、效率高、准确，可大大提高生产质量和效率。尤其适用于石英晶体谐振器的电阻焊金属封装机上，也可用于其他电子元器件的电阻焊封装机上。

附图说明

图1是本发明封焊用直线机械手一个实施例的机械结构示意图。

图2是图1的局部俯视图。

图3a是图中件号2的直线送料器的组装视图。

图3b是图3a的A向视图。

图4是图1中件号4托料机构的结构示意图。

图5是图1中件号3夹持机构的结构示意图。

图6是图1中升降机构的结构示意图。

图7是图4中的专用夹具。

图8是图1的电原理图。

图9是图1气路的结构示意图。

图10是图1的软件程序流程图。

图1～图10中各符号的含义为：1、千分尺，2、直线送料器，3、夹爪组装，4、行列排布式托料机构，5、封焊机上模具，6、伺服电机，7、升降气缸，8、变位气缸，9、封焊下模具，10、步进电机，11、齿条，12、齿轮，13、电机支架，14、联轴器，15、右墙板，16、压轧滚珠丝杠，17、连接板，18、直线导轨，19、深沟球向心轴承，20、拖动连接板，21、深沟球轴承，22、卡簧，23、左墙板，24、夹具定位板，25、夹具支座，26、导向套，27、导向销，28、托料板，29、调整垫板，30、薄型气缸，31、调整垫，32、调整套，33、专用夹具，34、左夹爪，35、气爪，36、右夹爪，37、丢失晶体检测组件，38、千分尺座，39、直线导轨，40、拖动滑板，41、三位五通阀，42、调速节流阀，43、过滤减压阀，44、排气阀。S1、丢失检测组件信号，S2、直线送料器原点传感器，S3、步进原点传感器，S4、顶杆上限传感器，S5、压力继电器信号，S6、X轴等待位，S7、升降气缸上限，S8、升降气缸下限，S9、上模传感器，S10、放料传感器，K1、急停按钮，PULL3、伺服脉冲，PU、步进脉冲，Signl、伺服方向，DR、步进方向，YV4、托起气缸电磁阀，YV1、Z轴电磁阀，YV2、夹爪电磁阀，YV3、变位气缸电磁阀，Start_out、封焊信号，Ser_ON、伺服使能，I_M、输入公共端，Q_M、输出公共地(GND)，TBI、接线端子。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不作为对本发明的限定。

参见图1～图10。该封焊用直线机械手，其特征在于主要具有X方向直线运行机构、Y方向平行进给机构、设在X方向直线运行机构上的升降机构(图6)及其夹持机构、行列排布式托料机构(4)，以及运行控制电路(图7)。

所述的X方向直线运行机构的结构为：伺服电机(6)或步进电机和可以转动的压轧滚珠丝杠(16)相连，压轧滚珠丝杠(16)的锁母通过连接板和直线导轨滑块(16)配合限制径向自由度，并带动其运动；拖动连接板(20)安装在连接板上，靠压轧滚珠丝杠(16)带动直线导轨滑块(18)及安装于连接板上的拖动连接板(20)实现往复运动；直线送料器(2)通过拖动连接板(20)与升降机构相连。最终实现X向和Z向运动。

所述的Y方向平行进给机构的结构为：步进电机(10)或伺服电机通过齿轮(12)与固定在X方向Y方向行列排布式托料机构(4)上的齿条(11)相啮合。

所述的升降机构的结构为：直线导轨(39)[由IKO采购标准件，型号：LWLG18-80]的轨道通过螺钉固定在拖动连接板上(20)，拖动滑板(40)固定在直线导轨(39)的滑块上限制水平方向的两个自由度并利用直线导轨的滑块与轨道的精密配合保证其运动精度同时与拖动滑板(40)滑动配合连接，升降气缸(7)的活塞杆通过连接件带动拖动滑板(40)滑动配合，拖动滑板(40)与夹持机构相连，并设有限位机构。

所述的限位机构结构为：限位机构是由千分尺与限位螺钉组成；千分尺(1)和限位螺钉固定在千分尺座(38)上，千分尺座与拖动滑板(40)相连，随拖动滑板(40)在自由安装气缸作用下上下动作；并在不同位置依次起作用，限制不同位置的下降深度。它的功用是在机械手上下运动时适当的补偿因封装模具磨损而形成的下止点间距所产生的误差，同时适应夹具与封装模具间的高度差。

所述的夹持机构(图5)的结构为：由气爪(35)[由SMC采购标准件，型号：MHZA2-6D]的左夹爪(34)、右夹爪(36)与丢失晶体检测组件(37)组成；夹持机构气爪(35)与连接件通过螺钉固定，再通过连接件安装在升降机构上；左夹爪(34)、右夹爪(36)通过M2螺钉固定在气爪(35)上；丢失晶体检测组件(37)固定在左夹爪(34)上；气爪(35)和气路相连由电磁阀控制其张开、闭合，并带动左夹爪(34)、右夹爪(36)取放产品；晶体检测组件(37)的结构为：晶体检测组件(37)由绝缘套和M2.5螺钉组成，绝缘套直接穿过夹爪上的孔，被螺钉牢牢锁死在夹爪上，利用夹爪在工作时所产生的间距差达到检测的目的。

所述的行列排布式托料机构(4)为具有可抵消磁场的料升降结构：行列式托料板(28)位于行列式夹具定位板(24)上面，二者间垫有调整垫(31)，行列式托料板(28)通过其上的导向销(27)与夹具定位板(24)上导向套(26)滑动配合，夹具定位板(24)下面的薄型气缸(30)的活塞杆通过夹具定位板(24)的孔和行列式托料板(28)相连，夹具定位板(24)通过螺钉与夹具支座(25)相连；行列式托料板(28)用航空铝合金制成；行列式专用夹具载盘(33)SU304不锈钢制成。此结构在本设计中至关重要，行列式托料板(28)和用夹具载盘(33)的有效配合是抵消强磁场的关键环节。

所述的运行控制电路中设有传感器及可编程控制器；其电路结构为图8所示：输入端(I)：丢失检测组件信号S1端与可编程控制器的I0.2触点连接，直线送料器原点传感器S2信号端与可编程控制器的I0.3触点连接，步进原点传感器S3信号端与可编程控制器的I0.4触点连接，顶杆上限传感器S4信号端与可编程控制器的I0.5触点连接，压力继电器信号S5信号端与可编程控制器的I0.6触点连接，X轴等待位S6信号端与可编程控制器的I0.7触点连接，升降气缸上限S7信号端与可编程控制器的I1.0触点连接，升降气缸下限S8信号端与可编程控制器的I1.1触点连接，上模传感器S9信号端与可编程控制器的I 1.2触点连接，放料传感器S10与可编程控制器的I1.3触点连接，急停按钮K1与可编程控制器的I1.5触点连接，1M、2M可编程控制器的公共端接+24V，M与急停按钮的公共端相连。输出端Q：可编程控制器的Q0.0触点连接与伺服脉冲(PULL3)信号端连接，控制伺服电机旋转；可编程控制器的Q0.1触点连接与步进脉冲PU信号端连接，控制步进电机旋转；可编程控制器的Q0.2触点与伺服方向(Signl)信号端连接，控制伺服电机旋转方向；步进方向DR信号端连接，控制步进电机旋转方向；可编程控制器的Q0.4触点与托起气缸电磁阀YV4正极连接，控制托起气缸电磁阀动作；可编程控制器的Q0.5触点与Z轴电磁阀YV1正极连接，控制Z轴电磁阀动作；可编程控制器的Q0.6触点与夹爪电磁阀YV2正极连接，控制夹爪电磁阀动作；可编程控制器的Q0.7触点与变位气缸电磁阀(YV3)正极连接，控制变位气缸电磁阀动作；可编程控制器的Q1.0触点与信号(Start_out)连接，控制封焊机封焊；的Q1.0触点与伺服使能(Ser_ON)连接，控制伺服励磁或脱机；输出公共负端1M、2M、M为输出公共地GND；输出公共正端1L、2L和L接+24V电源正；输出端通接线端子TBI与各个部件相连。其软件结构为：图10所示；封焊用直线机械手所涉及可编程控制器程序包括：

用于输入信息的VW的输入装置；

用于显示输出信息的VW的输出显示装置；

用于存储矩阵位置VW的位置存储装置；

用于存储起始位置地址和终点位置地址的位置存储装置；

用于存储瞬时工作位置行和列数值的存储装置；

用于计算行列位置的累加计算装置；所述计算装置包括：利用设置好的矩阵的初始位置值和矩阵的行列间距值，在程序执行完一个周期后，自动累加1并储存在相应的VW寄存器位的计算器，为下一周期指定位置的计算器。

用于分别将储存在位置存储装置中的起始位置地址的值与当前值比较的比较器；

用于运动控制的控制装置，包括：读取位置存储器中的矩阵当前值，控制X、Y轴运动到相应的点位置，并控制升降机构带动夹持机构进行取料；然后，控制X轴运动至终点位置将料放到相应位置。

用于功能检测的报警装置，包括：取料位置上、下限报警，放料位置报警；功能是当控制装置输出控制信号后，上限、下限或放料位传感器反馈信号没反馈至控制器时，即刻报警输出在显示装置上并发出蜂鸣音；此功能能够最大限度的避免损坏硬件的危险发生。

顶杆上限报警；功能是当控制装置输出控制信号后，顶杆反馈信号没反馈至控制器时，此功能能够最大限度的避免损坏硬件的危险发生。晶体丢失报警；在执行完取料任务后，在取料位置上方时执行晶体丢失检测，如此信号反馈至控制器即刻报警输出在显示装置上并发出蜂鸣音；此功能能够即时监测是否将产品抓起，最大限度的保护了产品安全。

依靠直线位移运动在不同坐标位置中运动轨迹的距离，实现高速、高精度定位功能，从而节约了每个循环中所耗用的时间间隔，提高了运行速度；

由伺服直线送料器精确的控制取料点的精确位置，和到点的可靠精度；

夹持机构，利用气爪实现夹持元件，自由安装气缸完成取、送料的上下运动，靠直线导轨限制左右、内外四个自由度，保障其气缸的耐用度及高速运动精度，并在此检测产品是否夹起。

由于此机械手应用氮气和强磁场环境下，故在取料部位特别设计有抵御强磁场的托料变位机构，在封焊和取料过程中进行切换，防止工件被强磁场吸倒。

200工位的多层专用料盘，能够有效的抵御强磁场，与托料机构共同作用，防止工件被强磁吸倒。

由小型自由安装气缸与直线导轨组合而成且安装在直线送料器上使之机械手实现上下动作的往复运动机构。

限位机构是由千分尺与限位螺钉组成，它的功用是在机械手上下运动时适当的补偿因封装模具磨损而形成的下止点间距所产生的误差，同时适应夹具与封装模具间的高度差。

气爪夹持机构由气爪与夹爪组成，它是用于夹持(取料)、释放(放料)工件的气动执行元件。

由快速直线机械手机构与工件夹具的Y轴坐标平面进给运动机构组成的“送、取、放”系统动作，实现了电阻焊封装设备的自动化。为降低人工成本、提高工作效率和封装成品率奠定了坚实的基础。

200工位工艺设计，由点胶、微调、测试、封焊一体化工艺重新订制，既节省人员又减少了变换夹具的次数。

本例应用于“金属封装HC-49US型石英晶体谐振器”的电阻焊封装机上，替代了频繁、机械的人工取料、放料作业，可实现与人工动作相同作业过程。它以光电传感信息与软件动作程序控制每个机械执行原件具体动作，靠其伺服直线送料器拾料、放料位置的确定；在直线送料器移动副上安装的自由安装气缸与直线导轨组成上下高精度、高强度的直线运动，以此来完成取料(封焊200位料盘夹具上的随机)点到封装模具(固定点)位置上的放料工作。而(200工位)料盘的位移与定位靠其Y轴坐标系上的与直线送料器正交直线导轨及滑动副、夹具定位板的定位和步进来实现。

工作流程：

复位(伺服直线送料器带动夹持爪恢复到料盘夹具原点上方、封焊上电极滑动臂到张止点、料盘夹具归位)气爪下移(靠气缸、导轨组件下移接近工件、夹紧)气爪上移、夹具变位、转位(Z轴在直线送料器作用下移动至封焊模具位置)、气爪下移(靠气缸、导轨组件下移接近模具孔位、释放工件)气爪上移、移位(Z轴在直线送料器作用下移动至工件料盘位置，准备执行下一个循环)、封焊臂下落进行封装(靠电阻焊原理向下模放电熔接)封焊臂上升(同时封装退料缸顶出工件并靠N2吹落至料盒)，即完成了一个工作循环。第二步，靠Y轴步进驱动系统实现每个工位的位移、定位工作，从而周而复始地完成一次料盘200个工件的执行动作。

本实施例核心控制单元采用性能稳定、功能强大的西门子S7-200可编程控制器；辅助单元采用高精度、性能稳定的传感器；运动单元采用步进电机、伺服电机和气动元件相结合的方式。此方案能够有效克服强磁场给系统带来的干扰，保证设备稳定高效的运行。

Claims (3)

1.一种封焊用直线机械手，其特征在于主要具有X方向直线运行机构、Y方向平行进给机构、设在X方向直线运行机构上的升降机构、设在升降机构上的夹持机构，行列排布式托料机构（4），以及运行控制电路；所述的行列排布式托料机构（4）为具有可抵消磁场的料升降结构：行列式托料板（28）位于行列式夹具定位板（24）上面，二者间垫有调整垫（31），行列式托料板（28）通过其上的导向销（27）与夹具定位板（24）上导向套（26）滑动配合，夹具定位板（24）下面的薄型气缸（30）的活塞杆通过夹具定位板（24）的孔和行列式托料板（28）相连，夹具定位板（24）通过螺钉与夹具支座（25）相连；行列式托料板（28）用航空铝合金制成；行列式专用夹具载盘（33）由SU304不锈钢制成；所述的夹持机构的结构为：由气爪（35）、左夹爪（34）、右夹爪（36）与丢失晶体检测组件（37）组成；气爪（35）与连接件通过螺钉固定，再通过连接件安装在升降机构上；左夹爪（34）、右夹爪（36）通过螺钉固定在气爪（35）上;丢失晶体检测组件（37）固定在左夹爪（34）上;气爪（35）和气路相连，由电磁阀控制其张开、闭合，并带动左夹爪（34）、右夹爪（36）取放产品；丢失晶体检测组件（37）的结构为：丢失晶体检测组件（37）由绝缘套和螺钉组成，绝缘套直接穿过夹爪上的孔，被螺钉牢牢锁死在夹爪上。

2.根据权利要求1所述的封焊用直线机械手，其特征在于所述的X方向直线运行机构的结构为：伺服电机（6）或步进电机和可以转动的压轧滚珠丝杠（16）相连，压轧滚珠丝杠（16）的锁母通过连接板和直线导轨滑块（18）配合限制径向自由度，并带动其运动；拖动连接板（20）安装在连接板上，靠压轧滚珠丝杠（16）带动直线导轨滑块（18）及安装于连接板上的拖动连接板（20）实现往复运动；直线送料器（2）通过拖动连接板（20）与升降机构相连,实现X向和Z向运动。

3.根据权利要求1所述的封焊用直线机械手，其特征在于所述的Y方向平行进给机构的结构为：步进电机（10）或伺服电机通过齿轮（12）与固定在X方向Y方向行列排布式托料机构（4）上的齿条（11）相啮合。

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