CN106852012B - 一种异形元件插件机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了异形元件插件机，PCB板传送装置包括PCB板传输依次经过的进板机构、进出板推送机构和出板机构；XY工作台位于进板机构与出板机构之间，PCB板通过进出板推送机构输送至XY工作台中并在PCB板传送装置与水平旋转取插装置之间进行位置切换和定位；水平旋转取插装置包括取插头模块，XY工作台移动定位PCB板后通过取插头模块实现异形元件的插件；上料装置的各上料机构均设置有定位或整脚治具，取插头模块分别从不同上料机构中实现异形元件的取件；供料装置主动对上料装置提供多个异形元件。本发明具有插件速度快、插件精度和良品率高、通用兼容性好、运行稳定可靠等优点。本发明可用于异形元件自动插件。

Description

一种异形元件插件机

技术领域

本发明涉及引脚电子元件的组装领域，特别是涉及一种异形元件插件机。

背景技术

异形元件为不规则或非标准的引脚器件，如电感、变压器、继电器、连接器、大型电容、大型电阻、保险丝、轻触开关等，在功率模拟电路、防震、电气连接及电气安全等应用领域由于其大功率负载能力、强抗震动和高抗冲击性能而不可或缺。然而，由于异形元件的尺寸和形状多样化且其引脚存在较大的尺寸公差和形位公差，其在PCB板上插件的自动化一直是电子组装行业内亟需突破的技术难题。近十多年来，国内外公司研制出的异形元件插件机大多采用并行排列的多个取插头且一起安装在一个X-Y定位拱架或龙门架上，各取插头的上下垂直运动完成取件和插件，其插件流程中的取件、视觉识别、校正、插件等步骤大多是一个步骤接另一个步骤按顺序串行的，所以单个插件周期包含多个步骤。尽管各取插头可以单独地或共同地完成取件，然而几乎无法同时实现一个以上的视觉识别和插件，因此其插件速度的提升存在难以逾越的瓶颈，当前插件速度技术指标仍停留在中速（2-3秒/个）阶段。因此，如何构思高速的取件和插件架构已成为异形元件自动插件的技术难题。近些年市场出现过基于SCARA四轴串联关节型机器人或六轴串联关节型机器人的异形元件插件机，其取插头为多个并行排列或沿圆周方向均匀分布，但其插件流程仍然局限于串行方式，速度慢的缺陷依然存在。

除上述速度限制难题外，由于异形元件的形状不规则，精确的插件要求多个自由度的位姿检测，这对异形元件的自动插件又是一道技术难题。现有的异形元件插件机一般采用底视识别的视觉对中技术，但由于视觉光学元器件内在的2D图像采集特性，视觉的视野范围仅局限于一个底面，对有些异形元件（如变压器等），由于引脚针焊线点的底面成像与引脚针本身的底面成像存在交叉或重叠区域，底视识别难以适用，此外底视视觉还无法检测到引脚高度、长度及变形缺陷等。所以现有的视觉对中技术不仅存在异形元件的兼容性问题，也难以纠正异形元件本体尺寸及引脚的长度制造误差以保证插件高度方向的到位精度，更无法将不符合插件条件的异形元件预先剔除，如引脚歪斜、缺引脚等。

基于以上缘由，异形元件插件机的技术一直停滞不前，只是在十多年前的技术基础上适当地改善与提升。现有的异形元件插件机的插件速度、插件精度及性价比均无法达到客户的预期。目前，在用量大的家电电控板、充电器、数字机顶盒、电视机、智能电表、开关电源及电机驱动器等PCB板的组装，异形元件基本由人工插件，插件方式的生产效率低，人工成本高，错插和漏插率质量问题凸显。迄今为止，市场上还尚未见有集插件高速、插件精准、通用兼容性、在线诊断及处理、运行稳定可靠等本发明技术特征的异形元件插件机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种即能提高插件速度，又能保证插件精度的异形元件插件机。本发明所采用的技术方案是：

一种异形元件插件机，包括PCB板传送装置、XY工作台、水平旋转取插装置、上料装置和供料装置，其中：

所述PCB板传送装置包括PCB板传输依次经过的进板机构、进出板推送机构和出板机构；

所述XY工作台位于进板机构与出板机构之间，PCB板通过进出板推送机构输送至XY工作台中并通过XY工作台的移动在PCB板传送装置与水平旋转取插装置之间进行位置切换和定位；

所述水平旋转取插装置包括可水平旋转的水平回转模块、以及跟随水平回转模块公转的取插头模块， XY工作台移动定位PCB板后通过取插头模块实现异形元件的插件；

所述上料装置包括至少两个上料机构，各上料机构均设置有异形元件的定位或整脚治具，所述取插头模块分别从不同上料机构的定位或整脚治具中实现异形元件的取件；

所述供料装置主动对上料装置提供多个异形元件。

进一步地，所述PCB板传送装置的进板机构和出板机构包括各自的皮带传输机构、轨道宽度调节机构和轨道升降机构。所述进板机构和出板机构的轨道宽度调节机构均采用前轨固定、后轨调节的方式，用以适应不同宽度的PCB板。所述进板机构和出板机构的各自轨道升降机构上升到高位分别与组装线的上道设备（如进板机等）和下道设备（如波峰焊设备等）驳接，通过所述进板机构的皮带传输机构从上道设备传输未插PCB板和通过所述出板机构的皮带传输机构传输已插PCB到下道设备。所述进板机构和出板机构的各自轨道升降机构下降到低位与所述XY工作台水平对接，通过所述进出板推送机构将所述进板机构的皮带传输机构中未插PCB板推传至所述XY工作台，将在所述XY工作台中已完成插件的待插PCB板推送至所述出板机构的皮带传输机构中，从而实现PCB板的更换。

进一步地，PCB板的传输方向可根据需要设置为从左到右或从右到左的方式。

进一步地，所述XY工作台的压板机构设置轨道宽度调节机构，采用前轨固定、后轨调节的方式，以适应不同宽度的PCB板，所述XY工作台的XY定位机构实现所述压板机构在XY方向的移动和定位。

优选的，所述PCB板传送装置的进板机构和出板机构各自的轨道升降机构在上升到高位时延伸所述XY工作台在X方向的移动行程。

进一步地，所述异形元件插件机的插件坐标系以所述XY工作台的初始归零点为原点，X 轴正方向可设定为PCB板的进板或出板方向，Y 轴正方向可设定为所述XY工作台的轨道宽度调宽或调窄的方向。

优选的，所述XY工作台的下方设有弯脚机构，所述弯脚机构设置朝向异形元件的弯角夹头，可从PCB板背面内撑式张开或从外夹紧已插入的异形元件引脚，通过控制张开力或夹紧力，可将从0º至360º角度插件的异形元件的引脚在插件通孔中沿异形元件本体的Z轴线向外或向内弯折一定角度，使得异形元件通过其引脚弯折而固定在待插PCB板上，有效防止异形元件在所述XY工作台移动过程中或待插PCB板完成插件后的传输过程中从插件通孔中脱离，从而提高插件质量，降低废品率。

优选的，为避免异形元件引脚的折断或接触不良，上述引脚的折弯应用于引脚材料韧性较好的异形元件。所述弯脚夹头的具体形状和尺寸可根据异形元件的引脚形状和尺寸而设计，如异形元件的引脚改变，仅需更换弯脚夹头即可，从而提高异形元件的兼容性及降低换线时间。

进一步地，所述水平旋转取插装置的水平回转模块包括DDR直驱电机、水平旋转平台和环形凸轮导向轨道。所述取插头模块设置结构类似的多个取插头，沿圆周方向呈均匀分布。各取插头包括相互平行的两个夹爪、夹爪夹持机构、夹爪旋转机构、凸轮跟随器、固定座和纵向滑块，其中所述固定座沿圆周径向与所述水平旋转平台固定连接。所述水平回转模块中的DDR直驱电机可驱动所述水平旋转平台绕其Z轴中心回转，经驱动传递带动所述各取插头中的凸轮跟随器在所述环形凸轮导向轨道内滚动，从而实现取所述各取插头绕所述水平旋转平台Z轴中心的公转。

优选的，所述夹爪夹持机构由常用的气动驱动改为电机驱动，包括丝杆步进电机和直线滑块，所述两个夹爪直接或间接地连接在直线滑块上，所述丝杆步进电机通过直线滑块可驱动两个夹爪夹持固定待插异形元件的引脚。

优选的，为适应异形元件的繁多尺寸规格，所述夹爪夹持机构的两个夹爪从夹紧至张开的幅度设计得覆盖一定的尺寸变化范围，以避免频繁的更换。特别的，所述两个夹爪的夹持固定或夹紧采用力/位置柔顺控制方式以降低冲击力，从而减少对异形元件本体的损伤。

进一步地，所述夹爪旋转机构包括步进电机和同步轮，所述夹爪夹持机构通过同步带与同步轮连接，所述步进电机通过所述同步轮和同步带的驱动，可将所述夹爪夹持机构绕其Z轴的中心作自转运动，一方面满足从0º至360º的插件角度要求，另一方面补偿校正待插异形元件在插件前的角度误差。

优选的，所述两个夹爪的具体形状和尺寸可根据异形元件的引脚形状和尺寸而设计，如异形元件的引脚改变，仅需更换两个夹爪即可，从而提高异形元件的兼容性及降低换线时间。

进一步地，所述取插Z轴运动模块包括结构类似的取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块。所述取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块均包括永磁直线电机、Z轴运动导轨和Z轴压顶块，其中Z轴压顶块设置凸轮导向轨道。当所述的各取插头的凸轮跟随器公转至所述Z轴压顶块的凸轮导向轨道内时，所述永磁直线电机驱动所述Z轴压顶块，通过所述凸轮导向轨道下压或上顶所述凸轮跟随器，带动各取插头中的纵向滑块在其固定座内实现Z方向的下降或上升直线运动，从而实现所述各插件头的取件或插件的下降运动及升至原始Z方向高度的运动。

特别的，所述永磁直线电机在插件下降过程中，采用力/位置柔顺控制方式以实现待插异形元件引脚对待插PCB板的柔性接触，在接触后控制插力的大小从而可靠插入引脚但不致导致引脚或待插PCB板的变形或损坏。

优选的，所述PCB基准点识别视觉模块用于下视识别，通过拍摄待插PCB板上的基准点（MARK点）图像，通过图像算法获得基准点在所述插件坐标系中的XY坐标并根据异形元件引脚在待插PCB板上的插件位置推算出异形元件引脚在插件坐标系中的插件XY坐标。所述底面识别视觉模块用于底视识别，通过拍摄异形元件引脚的底面图像，采用图像算法得出异形元件的引脚位置，然后通过坐标变换至所述插件坐标系，与上述通过基准点推算出的引脚的插件XY坐标相比较，得到异形元件视觉对位所需移动的位置和转动的角度，在插件前对所述XY工作台和所述各取插头分别进行位置和自转角度的补偿校正，从而实现在插件坐标系平面的精准视觉对位。所述侧面识别视觉模块用于侧视识别，通过拍摄异形元件引脚的侧面图像，采用图像算法计算出引脚的高度和长度，在插件时对所述各取插头进行Z方向位移的调整，从而保证异形元件的插件高度准确到位。其次，对难以通过底面图像识别引脚的情形，所述侧面识别视觉模块可通过图像算法间接求出异形元件的引脚位置，解决视觉对位的技术难题。此外，根据侧面图像，可检测出异形元件的缺陷，如引脚歪斜、缺引脚等，从而可将不符合插件条件的异形元件预先剔除。

进一步地，在各取插头随所述水平回转模块公转轨迹的下方至少设有六个工位，即取件工位、底视识别工位、侧视识别工位、校正工位、插件工位、和弃料工位。设每次公转及其停顿时间之和为一步，每一步时间内可并行完成取件、底视识别、侧视识别、校正、插件和弃料等工序，其中的一个取插头将完成一个插件。依照这种按步循环的方式连续运行，可完成待插PCB板上多个异形元件的插件。另外，分析以上工序，一个异形元件的插件周期时间为一步的时间，仅包括公转的时间和用时最长的工位时间。一般地，插件工位由于动作最复杂而时间最长，因此一个异形元件的插件周期时间为公转的时间和插件工位的时间之和。此种运行方式与常用的拱架或龙门式架构采用取件、识别、校正、插件基本串行的运行方式相比，其插件的速度大幅度加快，可将目前的插件速度节拍从中速（2-3秒/个）档次提升到高速（0.5-1秒/个）档次。

优选的，所述水平旋转取插装置中设置六个或六个以上的取插头，取插头的数量可根据待插异形元件的数量和其相同类型的数量而确定。

进一步地，所述上料装置的三个直线滑块式上料机构A、B、C设置定位或整脚治具，定位治具用于维持异形元插件所需的水平度和垂直度，从而保证后续所述各取插头夹持异形元件其引脚的水平和垂直度的精度；整脚治具使得异形元件的引脚变直且两引脚的中心距离在误差范围内，从而保证后续所述各取插头夹持异形元件插件的位置精度。

优选的，所述定位治具和整脚治具的选用可根据异形元件引脚材料是否变形而确定，对引脚在传送过程中容易折弯变形的情形，应选用整脚治具，否则，应选用定位治具，以避免引脚在整脚过程中出现折断或接触不良的现象。另外，所述的定位治具和整脚治具可依照异形元件的引脚的尺寸和形状而设计，如所述异形元件更变，仅需更换与此相匹配的定位治具和整脚治具即可，从而提高异形元件的兼容性及减低换线时间。

进一步地，所述上料机构A和C中的定位或整形机构的数量为至少一个，所承载的异形元件经定位或整脚后，交替移动至所述取件工位，完成多个异形元件上料的功能。所述上料机构B中设置气缸，其定位或整形机构的数量为至少两个，所承载的异形元件经定位或整脚后，经所述气缸推动并与所述上料机构A和C的协调配合差错交替移动至所述取件工位，完成多个异形元件上料的功能。此种交替上料的方式将多个异形元件集中送至同一取件工位,与常见的位置分布式上料方式相比，大幅度地降低了取件的时间，有助于提升异形元件插件的速度。

优选的，所述上料机构A和C中的定位或整形治具共用一个直线导轨，所述上料机构B的定位或整形治具使用单独的直线导轨，所述上料装置可根据需要可设计成多于三个所述上料机构A、B和C，以适应于多个异形元件的上料。

进一步地，所述供料装置包括至少两个托盘供料器、至少一个振动盘供料器和至少一个料管供料器。

优选的，所述供料装置所容纳的异形元件数量应不低于所述上料机构A、B和C所带的定位或整脚治具的数量总和，以便解决供料慢的瓶颈，提高上料速度。

进一步地，所述供料系装置可包括带式送料器和其它送料器，比如散装盒式送料器等，从而兼容不同包装方式的异形元件，提高对包装方式的通用性。

本发明的有益效果是：本发明通过对异形元件取件和插件动作的分解和合成，首次将异形元件的上料、插件XY坐标平移及定位校正、异形元件的角度校正等功能有机集成，从而并行完成异形元件的取件、校正和插件工序。同时本发明辅以多传感器信息技术的集成与融合，构成三个识别视觉系统并将之协调合成在插件流程中，从而实现按步进循环的连续运行方式。此运行方式的每一步时间内，可并行完成取件、底视识别、侧视识别、校正和插件工序，单个插件的周期仅为一步的时间。另外，本发明可实现在线实时测量元件引脚缺陷，在线实时诊断且及时处理有缺陷的元件，可有效实现节省人工、提升效率和提高品质等需求，具有插件速度节拍快、良品合格率高、运行稳定可靠等显著优点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1为异形元件插件机整体结构示意图；

图2为PCB板传送装置与XY工作台组合时的结构示意图；

图3为进板机构的结构示意图；

图4为出板机构的结构示意图；

图5为进出板推送机构的结构示意图；

图6为XY工作台的结构示意图；

图7为弯脚机构的结构示意图；

图8为水平旋转取插装置与PCB板传送装置、XY工作台及上料装置组合时的部分结构示意图；

图9为取插头的结构示意图；

图10为取件Z轴运动模块或插件Z轴运动模块结构示意图；

图11为图10为取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块与取插头组合时的部分结构示意图；

图12为取插头公转轨迹下方的工位示意图；

图13为上料装置与水平旋转取插装置组合时的结构示意图；

图14为定位或整脚治具的一种实施例的结构示意图；

图15为定位或整脚治具的另一种实施例的结构示意图；

图16为供料装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的异形件插件机包括PCB板传送装置1、XY工作台2、水平旋转取插装置3、上料装置4和供料装置5。

如图2所示，所述PCB板传送装置1包括PCB板传输依次经过的进板机构6、进出板推送机构7和出板机构8。

如图3所示，所述进板机构6包括皮带传输机构、轨道宽度调节机构和轨道升降机构。所述皮带传输机构包括轨道9和10、皮带11和12、步进电机17和传动杆14。轨道9和10相互平行且在其内分别设置有薄而窄的皮带11和12，步进电机17通过传动杆14带动皮带11和12，用于水平输送未插PCB板18从轨道9和10的左侧入口直至右侧的进板等待区域19。所述轨道宽度调节机构包括步进电机16和丝杆13，采用前轨固定、后轨调节的方式。轨道10的Y方向位置固定，步进电机16通过丝杆13驱动轨道9 作沿Y方向的前后运动以调节与轨道10之间的宽度，从而适应不同宽度的PCB板。所述轨道升降机构包括气缸15，其输出端直接或间接连接轨道9和轨道10，用以驱动轨道9和轨道10上升到高位和下降到低位。

如图4所示，所述出板机构8也包括皮带传输机构、轨道宽度调节机构和轨道升降机构。所述皮带传输机构包括轨道20和21、皮带22和23、步进电机28和传动杆25。轨道20和21相互平行且在其内分别安装薄而窄的皮带22和23，步进电机28通过传动杆25带动皮带22和23，用于水平输送已插PCB板29从轨道20和21的左侧出口直至右侧的出板等待区域30。所述轨道宽度调节机构包括步进电机27和丝杆24，采用前轨固定、后轨调节的方式。轨道21的Y方向位置固定，步进电机27通过丝杆24驱动轨道20作沿Y方向的前后运动以调节与轨道21之间的宽度，从而适应不同宽度的PCB板。所述轨道升降机构包括气缸26，其输出端直接或间接连接轨道20和轨道21，用以驱动轨道20和轨道21上升到高位和下降到低位。

如图5所示，所述进出板推送机构7包括两个推杆爪31和32、推杆升降机构和推杆移动机构。所述推升降机构包括气缸33，其输出方向为上下方向，气缸33直接或间接地连接两个推杆爪31、32，用以驱动所述两个推杆爪31和32上升和下降。所述推杆移动机构包括步进电机34、同步轮35以及由同步轮35驱动的同步带，同步带直接或间接地连接两个推杆爪31、32，步进电机34通过同步轮35和同步带的驱动，将所述两个推杆爪31和32水平移动至设定位置。

如图6所示，所述XY工作台2包括压板机构和XY定位机构。所述压板机构包括相互平行的轨道36和37、夹板机构38和39、气缸40和41以及轨道宽度调节机构。所述夹板机构38和39分别由气缸40和41驱动，用于夹紧传送到轨道36和37内的待插PCB板42，以保证插件过程中待插PCB板42的定位。所述轨道宽度调节机构包括步进电机43和丝杆44，采用前轨固定、后轨调节的方式。丝杆44的端部连接轨道36，轨道37的Y方向位置不作调节，轨道36通过步进电机43驱动丝杆44作Y方向前后运动以调节与轨道37之间的宽度，以适应不同宽度的PCB板。所述XY定位机构包括X轴伺服电机45和滚珠丝杆46以及Y轴伺服电机47和滚珠丝杆48，所述XY工作台2承载所述压板机构在XY方向移动并定位，其中伺服电机45经滚珠丝杆46的驱动实现X方向的移动和定位，伺服电机46经滚珠丝杆47的驱动实现Y方向的移动和定位。

进一步地，所述异形元件插件机的插件坐标系以所述XY工作台2的初始归零点为原点，X 轴正方向可设定为PCB板的进板或出板方向，Y 轴正方向可设定为所述XY工作台2的轨道宽度调宽或调窄的方向。

优选的，所述XY工作台2的下方设置有弯脚机构49。如图7所示，所述弯脚结构49包括朝向异形元件的弯脚夹头50、夹持机构、夹头旋转机构和夹头升降机构。所述夹持机构包括丝杆步进电机53，用于驱动弯脚夹头50在所述待插PCB板42的背面内撑式张开或从外夹紧插入的异形元件的引脚，然后通过控制丝杆步进电机53的位移和推力，将引脚在插件通孔中沿异形元件本体的Z轴心向外或向内弯折一定角度，使得异形元件通过其引脚弯折而固定在待插PCB板42上。有效防止异形元件在所述XY工作台2移动过程中或所述待插PCB板42完成插件后的传输过程中从插件孔中脱离，从而提高插件质量，降低废品率。所述夹头旋转机构包括步进电机51、同步轮52以及由同步轮52驱动的同步带，步进电机51通过同步轮52和同步带的驱动，将弯脚夹头50绕所述夹持机构的Z轴旋转α角，以实现从0º至360º角度插件的异形元件引脚的折弯。所述夹头升降机构包括步进电机54和线性模组55，用以实现Z轴上下运动。Z轴的向上运动将所述弯脚夹头50升至夹持并弯折异形元件引脚所需的设定高度，Z轴的向下运动可避免所述XY工作台2移动过程中与弯脚夹头50的空间位置干涉。

优选的，为避免异形元件引脚的折断或接触不良，上述引脚的折弯应用于引脚材料韧性较好的异形元件。所述弯脚夹头50的具体形状和尺寸可根据异形元件的引脚形状和尺寸而设计，如异形元件的引脚改变，仅需更换弯脚夹头50即可，从而提高异形元件的兼容性及降低换线时间。

结合图1至图6，PCB板从左到右的传送步骤为：

(1)所述进板机构6的轨道9和10与所述出板机构8的轨道20和21分别通过各自的轨道升降机构下降到低位，所述XY工作台2移动其轨道36和37与所述进板机构6的轨道9和10与所述出板机构8的轨道20和21在同一轨道高度水平对接。所述进出板推送机构7在X方向设定位置通过其推杆升降机构将其两个推杆爪31和32下降至低于所述未插PCB板18和待插PCB板42的高度，然后通过其推杆移动机构的移动，两个推杆爪31和32接触所述未插PCB板18和所述待插PCB板42的左侧边缘，进而推动所述未插PCB板18从所述进板等待区域19通过所述进板机构6的轨道9和10传送至所述XY工作台2中的轨道36和37中，同时推动已完成插件的待插PCB板42从所述XY工作台2的轨道36和37传送至所述出板机构的轨道20和21中。至此，所述未插PCB板18和已完成插件的待插PCB板42的传送完成，亦即PCB板的更换完成，未插PCB板18重新更名为待插PCB板42，而和完成插件的待插PCB板42重新更名为已插PCB板29。此种推送板方式的优点是在更换PCB时将常用的皮带传送改为电动推动，PCB板的传送时间从2.5-4s减至1.5-2.0s，可提升插件的速度节拍。

(2)所述进板机构6的轨道9和10通过其轨道升降机构上升到高位与组装线上道设备（如进板机等）驳接，所述未插PCB板18通过所述进板机构6的皮带传输机构送至所述进板等待区域19。所述出板机构8的轨道19和20通过其轨道升降机构上升到高位与组装线下道设备（如波峰焊炉等）驳接，所述已插PCB板29通过所述出板机构8的皮带传输机构送至所述出板等待区域30。

(3)所述XY工作台2、所述水平旋转取插装置3、所述上料装置4和所述供料装置5配合工作，实现异形元件到所述待插PCB板42上的插件。由于所述进板机构6的轨道9和10及所述出板机构8的轨道20和21处于高位，所述XY工作台2在X水平方向可延伸至轨道9和10与轨道20和21的下方，因此扩展了所述XY工作台2在X方向的移动行程，有利于节省安装空间和减少所述PCB板传送装置1的尺寸。

(4)所述待插PCB板42的插件完成后，重复(1)至(4)的步骤。

进一步地，如将所述进板区6和所述出板区8的功能互换，PCB板的传输方向可根据生产场地布置从左到右改变为从右到左的方式。

再参考图1，所述水平旋转取插装置3安装在支撑板56下面，属悬挂吊顶安装架构。如图8所示，所述水平旋转取插装置3包括水平回转模块、取插头模块、取插Z轴运动模块、PCB基准点识别视觉模块62、底面识别视觉模块63和侧面识别视觉模块64。所述水平回转模块包括DDR直驱电机65、水平旋转平台57和环形凸轮导向轨道58。所述取插头模块设置八个结构类似的取插头59a-59h，其沿圆周方向呈均匀分布且在空间上互差45º角度。

图9示意出了其中一个取插头的结构图，包括相互平行的两个夹爪74、75、夹爪夹持机构、夹爪旋转机构、凸轮跟随器77、固定座68和纵向滑块69，其中固定座68沿圆周径向与所述水平旋转平台57固定连接。再参考图8，所述凸轮跟随器77通过与环形凸轮导向轨道58的接合，在环形凸轮导向轨道58的导引下可沿圆周方向滚动。所述水平回转模块中的DDR直驱电机65可驱动水平旋转平台57绕其Z轴中心回转，带动八个取插头59a-59h中的凸轮跟随器77在环形凸轮导向轨道58内沿圆周方向滚动，从而实现取八个插头59a-59h绕所述Z轴中心的φ角旋转。由于所述八个取插头59a-59h沿周向共同转动，绕所述Z轴的φ角旋转定义为八个取插头59a-59h的公转。

再参考图9，所述夹爪夹持机构由电机驱动，其包括丝杆步进电机70和直线滑块71，两个夹爪74、75直接或间接地连接在直线滑块71上，丝杆步进电机70通过直线滑块71可驱动两个夹爪74、75对向直线移动以夹持固定待插异形元件76（图9所示的异形元件为一继电器）的引脚。

优选的，为适应异形元件的繁多尺寸规格，所述夹爪夹持机构的两个夹爪74、75从夹紧至张开的幅度设计得覆盖一定的尺寸变化范围，以避免频繁的更换。特别的，两个夹爪74、75的夹紧力采用实时控制以降低冲击力，从而减少对异形元件本体的损伤。具体方案是：所述丝杆步进电机70在夹持过程中，通过力与位置柔顺控制方式以实现两个夹爪74、75对异形元件的柔顺接触，在接触后控制夹持力大小以夹紧异形元件但不致使元件变形或损坏。关于力与位置柔顺控制方式可参考以下文献。

(1)李正义,机器人与环境间力／位置控制技术研究与应用［Ｄ:博士学位论文］，华中科技大学，2011.

(2)隆志力，禹新路，朱 超，基于速度阻尼的位置／压力切换控制模型，中国机械工程，2014，25（14）:1946-1955.

(3)陈永刚，阎秋，巩航军，基于速度阻尼力位切换DSP 算法的引线键合机邦头设计，机床与液压，2014，42(20):115-131.

再参考图9，所述夹爪旋转机构包括步进电机72和同步轮73，所述夹爪夹持机构通过同步带与同步轮73连接，步进电机72通过同步轮73和同步带的驱动，将所述夹爪夹持机构绕其自身Z轴心旋转θ角，亦即绕两个夹爪74、75的对称轴旋转θ角，一方面满足从0º至360º的插件角度需要，另一方面补偿校正异形元件在插件前的角度误差。由于此旋转为绕自身的Z轴中心旋转，绕Z轴的θ角旋转定义为八个取插头59a-59h的自转。

进一步地，所述八个取插头59a-59h中每个取插头的结构大致相同，其区别仅在于两个夹爪74、75的形状和尺寸。优选的，两个夹爪74、75的具体形状和尺寸可根据异形元件的引脚形状和尺寸而设计，如异形元件的引脚改变，仅需更换两个夹爪74、75即可，从而提高异形元件的兼容性及降低换线时间。

再参考图8，取插Z轴运动模块包括结构类似的取件Z轴运动模块67和插件Z轴运动模块66。如图10所示，取件Z轴运动模块67和插件Z轴运动模块66均包括永磁直线电机、Z轴运动导轨80和Z轴压顶块81，其中Z轴压顶块81内设置凸轮导向轨道82。所述永磁直线电机包括永磁铁定子78和运动线圈79，Z轴压顶块81安装在运动线圈79上，运动线圈79安装在Z轴运动导轨80上。所述永磁直线电机通过提供运动线圈79一电流激励，与永磁铁定子78之间产生相互电磁推力，推动运动线圈79沿Z方向运动，进而带动Z轴压顶块81沿着Z轴运动导轨80作Z方向上下直线运动。

如图11所示，所述环形凸轮导向轨道58在沿圆周方向设置两个开口，所述取件Z轴运动模块67和插件Z轴运动模块66各自的凸轮导向轨道82安置于这两个开口内并分别与所述环形凸轮导向轨道58沿圆周方向水平串联布置且留有Z方向运动的间隙。所述凸轮跟随器77可通过与所环形凸轮导向轨道58和所述取件Z轴运动模块67及插件Z轴运动模块66各自的凸轮导向轨道82之间的串联水平对接，沿圆周方向实现360°持续的滚动。

再参考图11，所述八个取插头59a-59h在所述环形凸轮导向轨道58内的公转过程中，当各取插头的凸轮跟随器77公转至取件Z轴运动模块67或插件Z轴运动模块66的凸轮导向轨道82内时，所述永磁直线电机驱动Z轴压顶块81，通过凸轮导向轨道82下压或上顶凸轮跟随器77，带动各取插头的纵向滑块69在固定座68内实现Z方向的下降或上升直线运动，从而实现各取插头的取件和插件的下降运动及升至原始Z方向高度的运动。

特别的，所述永磁直线电机在插件下降过程中，采用力与位置柔顺控制方式实现异形元件引脚对所述待插PCB板42的柔性接触，在接触后控制插力大小以可靠插入引脚但不导致引脚和待插PCB板42的变形或损坏。

结合图8和图11，所述PCB基准点识别视觉模块62安装在插件Z轴运动模块66的侧面，用于拍摄待插PCB板42上的基准点（MARK点）图像，通过图像算法获得基准点在所述插件坐标系中的XY坐标并根据异形元件在待插PCB板42上的插件位置推算出异形元件引脚在插件坐标系中的插件XY坐标。所述底面识别视觉模块63安装在所述水平旋转平台57的下方，用于拍摄异形元件引脚的底面图像，采用图像算法得出异形元件的引脚位置，然后通过坐标变换至所述插件坐标系，与上述通过基准点推算出的引脚的插件XY坐标相比较，得到异形元件视觉对位所需移动的位置和转动的角度，在插件前对所述XY工作台2和所述八个取插头59a-59h分别进行位置和转角的补偿校正，从而实现在插件坐标系平面的精准视觉对位。所述侧面识别视觉模块64安装在水平旋转平台57的侧面，用于拍摄异形元件引脚的侧面图像，通过图像算法计算出引脚的高度和长度，在插件时对所述八个插件头59a-59h进行Z方向位移的调整，从而保证异形元件的插件高度准确到位。其次，对难以通过底面图像识别引脚的情形，所述侧面识别视觉模块64可通过图像算法间接求出异形元件的引脚位置，解决视觉对位的技术难题。此外，根据侧面图像，可检测出异形元件的缺陷，如引脚歪斜、缺引脚等，从而可将不符合插装条件的元件预先剔除。

如图12所示，根据所述八个取插头59a-59h在公转间隔45º的八个轨迹位置，将其轨迹下方相对应的位置分为八个工位，即取件工位83a、底视识别工位83b、侧视识别工位83c、校正工位83d、插件工位83e、换夹爪工位83f和83h以及弃料工位83g。

结合图6和图8至图12，所述八个工位位置时的工作过程分别为：

(1)取件工位83a: 为公转归零位置，对应的取插头下降到取件高度，其两个夹爪74、75夹紧待插异形元件，然后取插头上升到设定初始高度。

(2)底视识别工位83b：所述底面识别视觉模块63拍摄与对应的取插头中的两个夹爪74、75所夹持的待插异形元件引脚的底面图像，通过图像算法判断待插异形元件是否符合插件条件，如符合则推算出待插异形元件在所述插件坐标系中的插件XY坐标的偏差值和角度的偏差值。

(3)侧视识别工位83c：所述侧面识别视觉模块64拍摄对应的取插头中的两个夹爪74、75所夹持的待插异形元件引脚的侧面图像，通过图像算法判断待插异形元件是否符合插件条件，如符合则计算出插件高度或推算出待插异形元件在所述插件坐标系中的插件XY坐标的偏差值和角度的偏差值。

(4)校正工位83d: 如待插异形元件符合插件条件，根据在底视识别工位83b或侧视识别工位83c时所推算出的角度偏差值，对待插异形元件设定的插件角度进行角度补偿，得出插件补偿角度。对应的取插头的两个夹爪74、75所夹持的待插异形元件通过自转所需的插件补偿角度，完成角度差的校正。

(5)插件工位83e：如待插异形元件符合插件条件，根据在底视识别工位83b或侧视识别工位83c所推算出的插件XY坐标偏差值，对待插异形元件设定的XY位置进行XY坐标补偿，得出插件XY补偿坐标值。所述XY工作台2移动所需的插件XY补偿坐标值，完成XY坐标位置差的校正。对应的取插头下降至由侧视识别工位83c计算所得的插件高度，从而完成待插异形元件的插件。对需引脚弯折的情形，异形元件的引脚向外或向内弯折一待定角度直至异形元件固定到待插PCB板42上。然后取插头的两个夹爪74、75松开，取插头上升到设定初始高度。

(6)换夹爪工位83f和83h：如对应的取插头无夹持异形元件，则可手动更换两个夹爪74、75，两个工位可更换两对夹爪。

(7)弃料工位83g：对应的取插头中的两个夹爪74、75松开，通过滑道60将不符合插入条件的异形元件剔除至废料盒61中。

进一步的，以上的八个工位除换夹爪工位83f和83h外，其余六个工位的功能为本发明的实施方案必须具备的。因此，优选的实施方案为所述水平旋转取插装置3中设置六个或六个以上的取插头，其具体数量可根据待插异形元件的数量和其相同类型的数量而确定。

由以上工位的工作过程可知，所述八个取插头59a-59h顺时针公转，间隔45º停顿，在每次停顿时间内可同时完成取件、底视识别、侧视识别、校正、插件和弃料工作。假定取插头59a在换夹爪工位83h，其余取插头的两个夹爪74、75未夹持异形元件。设每次45º的公转及随后的停顿时间之和为一步，经过初始的四步后，取插头59a已完成取件、底视识别、侧视识别和校正；取插头59b已完成取件、底视识别和侧视识别；取插头59c已完成取件和底视识别；取插头59d已完成取件。在第五步，在45º公转随后的停顿时间内，取插头59e的取件、取插头59d的底视识别、取插头59c的侧视识别、取插头59b的校正、取插头59a的插件在同步并行工作。这一步完毕后取插头59a从取件、底面识别、侧面识别、校正到插件已完成一个插件周期；取插头59b已完成取件、底视识别、侧视识别和校正；取插头55c已完成取件、底视识别和侧视识别；取插头55d已完成取件和底视识别；取插头59e已完成取件。经过第六步，取插头59b将完成一个插件工作，由此类推，经过每下一步，后续的取插头，包括经循环后已完成插件的取插头均将完成一个插件，依照这种按步循环的方式连续运行，可完成待插PCB板42上多个异形元件的插件。另外，分析上述按步循环的运行方式可推知，一个异形元件的插件周期为一步的时间，仅包含公转45º的时间和用时最长的工位时间。一般地，插件工位83e由于动作最复杂而时间最长，因此一个异形元件的插件周期为公转45º的时间与插件工位83e的时间之和。此种运行方式与常用拱架式或龙门式架构采用的按顺序串行运行方式相比，其插件速度大幅度加快，可将目前的插件速度从中速（2-3秒/个）档次提升到高速（0.5-1秒/个）档次。

如图13所示，所述上料装置4包括三个直线滑块式上料机构：上料机构A、上料机构B和上料机构C。所述上料机构A包括直线轨道84、定位或整脚治具86、直线滑块90、伺服电机91和滚珠丝杆92，其中定位或整脚治具86安装在直线滑块90上，其数量至少一个。所述上料机构C的结构与上料机构的类似，包括与上料机构A共用的直线轨道84、定位或整脚治具87、直线滑块96、伺服电机97和滚珠丝杆98，其中定位或整脚治具87安装在直线滑块96上，其数量至少一个。所述上料机构B包括与直线轨道84相互平行的直线轨道85、定位或整形治具88、治具推动气缸89、直线滑块93、伺服电机94和滚珠丝杆95，其中定位或整脚治具88和治具推动气缸89安装在直线滑块93上，其数量至少二个。

图14示意出所述定位或整脚治具86、87和88中的一种实施例，其为定位治具，包括定位气缸100和异形元件固定座101，其中异形元件固定座101设置异形元件腔104和两个定位爪102和103。定位气缸100的输出端直接或间接地连接两个定位爪102和103并驱动两个定位爪102和103将位于异形元件腔104内的一个异形元件105（图14的异形元件为一变压器）进行定位，以维持异形元件105插件所需的水平度和垂直度，从而保证后续所述八个取插头59a-59e夹持异形元件105时其引脚的水平和垂直度精度。

图15示意出所述定位或整脚治具86、87和88中的另一种实施例，其为整脚治具，包括平行气爪106和异形元件固定座107，其中异形元件固定座107安装在平行气爪106上，且设置有异形元件放置腔108和引脚孔109。所述平行气爪106具有两块可平行左右移动的滑块110和111，滑块110的右端和滑块111的左端分别连接有整形块112和113。所述平行气爪106可驱动滑块110和111相互靠近，带动整形块112和113作对向运动，进而对异形元件114（图15的异形元件为一保险丝）的引脚进行整形，使得引脚变直且两引脚的中心距离在误差范围内，从而保证后续所述八个取插头59a-59e夹持异形元件114插件时其引脚的位置精度。

优选的，图14和图15所示的定位治具和整脚治具的选用可根据异形元件引脚材料是否变形而确定，对引脚在传送过程中容易折弯变形的情形，应选用整脚治具，否则，应选用定位治具，以避免引脚在整脚过程中出现折断或接触不良的现象。另外，所述的定位治具和整脚治具86、87和88可依照异形元件的引脚的尺寸和形状而设计，如所述异形元件105或114更变，仅需更换与此相匹配的定位治具和整脚治具即可，从而提高异形元件的兼容性及减低换线时间。

再参考图13，所述上料机构A中的定位或整脚机构86承载的单个异形元件经定位或整脚后，可通过伺服电机91经滚珠丝杆92驱动直线滑块90，进而带动定位或整脚治具86在直线导轨84上沿X负方向移动至所述取件工位83a，实现单个异形元件的上料。如有多个定位或整脚机构86，通过时序控制，可将所承载的多个异形元件交替移动至所述取件位工位83a，实现多个异形元件的上料。

类似地，所述上料机构C中的定位或整脚机构87承载的单个异形元件经定位或整脚后，可通过伺服电机97经滚珠丝杆98驱动直线滑块96，进而带动定位或整脚治具87在直线导轨84上沿X正方向移动至所述取件工位83a，实现单个异形元件的上料。如有多个定位或整脚机构87，通过时序控制，可将所承载的多个异形元件交替移动至所述取件工位83a，实现多个异形元件的上料。

进一步地，所述上料机构B中定位或整脚机构88承载的单个异形元件经定位或整脚后，可通过气缸89推动至与所述取件工位83a沿X轴共线或重合的位置，然后通过伺服电机94经滚珠丝杆95驱动直线滑块93，进而带动定位或整脚治具88在直线导轨85上沿X正或负方向移动至上料工位83a，实现单个异形元件的上料。如有多个定位或整脚机构88，通过时序控制，可将所承载的多个异形元件经气缸89推动后交替移动至所述取件工位83a，实现多个异形元件的上料。

优选的，由于所述取件工位83a为一共用位置，所述上料机构A和C中的定位或整脚治具86和87共用一个直线导轨84，定位或整脚治具86和87移动至所述取件工位83a时需协调配合交替进行，以防止空间干涉。另外，所述上料机构B的定位或整脚治具88使用单独的直线导轨85，其X方向移动可单独进行，但通过所述气缸89推送和通过X方向移动至所述取件工位83a的动作需协调配合所述上料机构A和C间错交替进行。

进一步地，所述上料装置4根据需要可设计成多于三个所述上料机构A、B和C，以适应多个异形元件的上料。

以上所述上料装置4采用交替上料的方式将多个异形元件集中送至同一取件工位83a,与常见的位置分布式上料方式相比，大幅度地降低了取件的时间，有助于提升异形元件插件的速度。

结合图1和图16，所述供料装置5包括托盘供料器115和118、振动盘供料器121和料管供料器123。所述托盘供料器115包括托盘116和三轴取料机械手117，其中托盘116和三轴取料机械手117的数量至少各一个。所述三轴取料机械手117安装在图1中所述支撑板56下面，其功能在于从托盘116内抓取异形元件，放置到所述上料机构A中的定位或整脚治具86内。所述托盘供料器118包括托盘119和三轴取料机械手120，其中托盘119和三轴取料机械手120的数量至少各一个。所述三轴取料机械手120安装在图1中支撑板56下面，其功能在于从托盘119内抓取异形元件，放置到所述上料机构C中的定位或整脚治具87内。所述振动盘供料器121的数量至少一个，其作用是通过直振轨道122传送异形元件至上料机构C中的定位或整脚治具88内。所述料管供料器123的数目至少一个，其作用是通过直振轨道124传送异形元件至上料机构C中的定位或整脚治具88内。

优选的，所述供料装置5所容纳的异形元件个数应不低于所述上料机构A、B和C所带的定位或整脚治具86、88和87的个数总和，以解决供料节拍慢的瓶颈，提高上料效率。

进一步地，所述供料装置5可包括带式送料器和其它送料器，比如散装盒式送料器等，从而兼容不同包装方式的异形元件，提高对包装方式的通用性。

综合图1至图16，本发明的异形元件插件机的工作流程为：

(1)所述供料装置5中的托盘供料器115和118、振动盘供料器121和料管供料器123将多个异形元件传输至所述送料装置4中的送料机构A、B和C各自的定位或整脚治具86、88和87内，多个异形元件经定位或整形后经协调配合交替送至所述取件位83a。

(2)所述进出板推送机构7推动所述未插PCB板18从所述进板等待区域19通过所述进板机构6的轨道9和10传送至所述XY工作台2的轨道36和37中，与此同时推动已完成插件的待插PCB板42从所述XY工作台2的轨道36和37传送至所述出板机构8的轨道20和21中。然后，所述未插PCB板18通过所述进板机构6的皮带传输机构送至进所述进板等待区域19，所述已插PCB板29通过所述出板机构8的皮带传输机构送至所述出板等待区域30。

(3)所述八个取插头66a-66h以公转45º时间及其停顿时间之和为一步，在一步时间内并行完成取件、底视识别、侧视识别、校正、插件和弃料工序，其中在所述插件工位83e完成一个异形元件的插件。依照这种按步循环的方式连续运行，直至完成待插PCB板42上多个异形元件的插件。

(4)待插PCB板42的插件完毕后，重复(2)至(4)的工作流程。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的可行实施方式和优选进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种异形元件插件机，其特征在于，包括PCB板传送装置(1)、XY工作台(2)、水平旋转取插装置(3)、上料装置(4)和供料装置(5)，其中：

所述PCB板传送装置(1)包括PCB板传输依次经过的进板机构(6)、进出板推送机构(7)和出板机构(8)；

所述XY工作台(2)位于进板机构(6)与出板机构(8)之间，PCB板通过进出板推送机构(7)输送至XY工作台(2)中并通过XY工作台(2)的移动在PCB板传送装置(1)与水平旋转取插装置(3)之间进行位置切换和定位；

所述水平旋转取插装置(3)包括可水平旋转的水平回转模块、以及跟随水平回转模块公转的取插头模块，XY工作台(2)移动定位PCB板后通过取插头模块实现异形元件的插件；

所述上料装置(4)包括至少两个上料机构，各上料机构均设置有异形元件的定位或整脚治具，所述取插头模块分别从不同上料机构的定位或整脚治具中实现异形元件的取件；

所述供料装置(5)主动对上料装置(4)提供多个异形元件；

所述进板机构(6)和出板机构(8)包括各自的轨道、皮带传输机构、轨道宽度调节机构和轨道升降机构，所述进板机构(6)和出板机构(8)通过各自独立的轨道升降机构上升和下降，进板机构(6)和出板机构(8)各自的轨道分别上升到与组装线的上道设备和下道设备驳接，分别接收未插PCB板(18)和将已插PCB板(29)传输出去，并且延伸所述XY工作台(2)在X方向的移动行程；进板机构(6)和出板机构(8)各自的轨道下降到与所述XY工作台(2)在同一高度水平对接后，由进出板推送机构(7)推送传输未插PCB板(18)和已完成插件的待插PCB板(42)，实现PCB板的快速更换。

2.根据权利要求1所述的异形元件插件机，其特征在于：所述XY工作台(2)的下方设有弯脚机构(49)，所述弯脚机构(49)包括朝向异形元件的弯脚夹头(50)，所述弯脚夹头(50)将已插入的异形元件的引脚在插件通孔中沿异形元件本体的Z轴线向外或向内弯折一定角度，使得异形元件通过其引脚弯折而固定在待插PCB板(42)上。

3.根据权利要求1所述的异形元件插件机，其特征在于，所述取插头模块设置有多个沿圆周方向呈均匀分布的取插头，各所述取插头包括相互平行并可对向运动的两个夹爪(74、75)，两个夹爪(74、75)可绕其之间的对称轴中心自转，当所述水平回转模块驱动各取插头分别旋转至不同工位位置时，所述两个夹爪(74、75)依照不同工位的动作与功能分别将异形元件夹持固定、自转补偿对位和夹持释放，从而完成异形元件的取件、视觉识别、校正和插件。

4.根据权利要求3所述的异形元件插件机，其特征在于：所述两个夹爪(74、75)的夹持固定或夹紧采用力与位置柔顺控制方式实现。

5.根据权利要求3所述的异形元件插件机，其特征在于：所述水平旋转取插装置(3)包括取件Z轴运动模块(67)和插件Z轴运动模块(66)，所述取件Z轴运动模块(67)和插件Z轴运动模块(66)均包括永磁直线电机、Z轴运动导轨(80)和Z轴压顶块(81)，其中Z轴压顶块(81)设有凸轮导向轨道(82)，各所述取插头包括固定座(68)和纵向滑块(69)，所述永磁直线电机驱动Z轴压顶块(81)，通过所述凸轮导向轨道(82)下压或上顶各所述取插头，带动各所述取插头中的纵向滑块(69)在相应取插头固定座(68)内实现Z方向的下降或上升直线运动,从而实现各取插头的取件或插件的下降运动及升至初始高度的上升运动。

6.根据权利要求5所述的异形元件插件机，其特征在于：所述永磁直线电机在插件下降过程中，采用力与位置柔顺控制方式以实现异形元件引脚对待插PCB板(42)的柔性接触和插力控制。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的异形元件插件机，其特征在于：所述取插头的数量至少六个，在各取插头随所述水平回转模块公转轨迹的下方至少设有取件工位(83a)、底视识别工位(83b)、侧视识别工位(83c)、校正工位(83d)、插件工位(83e)和弃料工位(83g)，设每次公转及其停顿时间之和为一步时间，每一步时间内并行完成不同取插头的取件、底视识别、侧视识别、校正、插件和弃料的工序，连续运行时不同取插头依次均在一步时间内完成一个插件。

8.根据权利要求7所述的异形元件插件机，其特征在于：所述水平旋转取插装置(3)包括PCB基准点识别视觉模块(62)、底面识别视觉模块(63)和侧面识别视觉模块(64)，底面识别视觉模块(63)用于底视识别，通过拍摄各取插头中的两个夹爪(74、75)所夹持的待插异形元件引脚的底面图像并采用图像算法计算出引脚位置，侧面识别视觉模块(64)用于侧视识别，通过拍摄各取插头中的两个夹爪(74、75)所夹持的待插异形元件引脚的侧面图像，一方面采用图像算法计算出引脚的高度和长度，在插件时对各取插头进行Z方向位移的调整，从而保证异形元件的插件高度准确到位；另一方面对难以凭底视识别引脚的情形下采用图像算法间接求出异形元件的引脚位置。

9.根据权利要求7所述的异形元件插件机，其特征在于：所述上料装置包括三个上料机构，各个上料机构所承载的异形元件经对应的定位或整脚治具进行定位或整脚后，间错交替移动至所述取件工位(83a)。