CN106903507B - 一种异形元件取插装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异形元件取插装置，具有取件工位和插件工位，包括：沿横向布置的水平回转模块，包括水平旋转平台；若干个沿周向均布在水平旋转平台外周的取插头，各取插头与水平旋转平台的外周在Z轴的纵向上滑动连接；分别设置在取件工位和插件工位的取插Z轴运动模块，任一取插头转动至取件工位或插件工位后，取插Z轴运动模块连接取插头并可对取插头施加沿Z轴纵向的推力。本发明可按步进循环的方式连续运行，在一步内并行完成包括取件、插件以外的其他工序，具有插件速度快、在线实时诊断及处理、插件精度和良品率高、运行稳定可靠等优点。本发明可应用于异形元件取插。

Description

一种异形元件取插装置

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取插装置。

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。目前，异形元件取插装置一般采用并行排列的多个取插头且一起安装在一个X-Y定位拱架或龙门上，各取插头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，因此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，如何构思高速的取插头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取插装置，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，异形元件取插装置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。现有的异形元件取插装置的插件速度、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、在线诊断及处理等本发明技术特征的异形元件取插装置。

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取插装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种异形元件取插装置，具有插件工位和取件工位，包括：

沿横向布置的水平回转模块，其包括水平旋转平台；

若干个沿周向均布在水平旋转平台外周的取插头，各所述取插头与水平旋转平台的外周在Z轴的纵向上滑动连接；

分别设置在取件工位和插件工位的取插Z轴运动模块，任一取插头转动至插件工位或取件工位后，所述取插Z轴运动模块连接取插头并可对该取插头施加沿Z轴的纵向的推力。

进一步地，各所述取插头包括相互平行并可对向运动的两个夹爪，夹爪配套设有夹爪夹持机构和夹爪旋转机构，夹爪夹持机构驱动两个夹爪的对向运动以夹持异形元件，夹爪旋转机构驱动两个夹爪以两个夹爪的对称轴为转轴的旋转。

进一步地，各所述取插头包括一夹爪基座，所述夹爪夹持机构包括安装在夹爪基座上的丝杆步进电机和连接在丝杆步进电机输出端的直线滑块，所述两个夹爪直接或间接地连接在直线滑块上，丝杆步进电机通过直线滑块可驱动两个夹爪作对向直线移动。

进一步地，所述丝杆步进电机在驱动两个夹爪的夹持过程中，通过力与位置柔顺控制方式以实现两个夹爪对异形元件的柔顺接触。

进一步地，所述夹爪旋转机构包括步进电机和同步轮，步进电机安装在所述夹爪基座上，夹爪夹持机构通过同步带与同步轮连接，步进电机通过同步轮驱动所述夹爪夹持机构绕其Z轴的中心旋转。

进一步地，取插Z轴运动模块包括取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块，取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块分别包括永磁直线电机、Z轴运动导轨和Z轴压顶块，所述永磁直线电机包括永磁铁定子和运动线圈，Z轴压顶块安装在运动线圈上，运动线圈安装在Z轴运动导轨上，所述永磁直线电机通过提供运动线圈一电流激励，与永磁铁定子之间产生相互电磁推力，推动运动线圈沿Z方向运动，进而带动Z轴压顶块沿着Z轴运动导轨作Z轴方向上下直线运动，从而推动取插头的升降。

进一步地，所述永磁直线电机在驱动Z轴压顶快和取插头插件下降过程中，采用力与位置控制实现异形元件引脚对待插PCB板的柔性接触。

进一步地，异形元件插件装置还包括取插头随水平旋转平台旋转到达的底视识别工位、侧视识别工位，所述水平旋转平台的下方设有底面识别视觉模块，所述底面识别视觉模块对应于底视识别工位设置以用于拍摄异形元件引脚的底面图像，水平旋转平台的侧面设置有侧面识别视觉模块，侧面识别视觉模块对应于侧视识别工位设置以用于拍摄异形元件引脚的侧面图像。

进一步地，所述取件Z轴运动模块的侧面设置有PCB基准点识别视觉模块，用于拍摄待插PCB板上的基准点图像。

本发明的有益效果是：本发明分别利用取件工位和插件工位的取插Z轴运动模块对旋转至相应工位的取插头施加推力，使其沿纵向升降，在取件工位的取插头下降后完成取件，在插件工位的取插头下降后完成插件，水平旋转平台间隙式的旋转完成取插头在取件工位和插件工位的切换，通过以上方式自动实现电子元器件的取件、插件，从而提高生产效率。

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为异形件取插装置的结构示意图；

图2为取插头的结构示意图；

图3为取插Z轴运动模块结构示意图；

图4为取插Z轴运动模块与取插头组合时的部分结构示意图；

图5为取插头下方的工位示意图。

具体实施方式

如图1所示，异形元件取插装置安装在并未图示的支撑板下面，属悬挂吊顶安装架构。异形元件插件装置包括水平回转模块、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2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1，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2，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2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2，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1，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3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4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4，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待插PCB板的柔性接触，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板的变形或损坏。

结合图1和图4，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，用于拍摄并未图示的待插PCB板上的基准点（MARK点）图像，通过图像算法实现异形元件在待插PCB板上的插件位置的定位。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，得到异形元件视觉对位所需转动的角度，在插件前对所述八个取插头59a-59h分别进行转角的补偿校正，从而实现插件的精准视觉对位。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5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1至图5，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，如符合则采用图像算法得出异形元件的引脚位置，得到异形元件视觉对位所需转动的角度。

(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异形元件的引脚位置，得到异形元件视觉对位所需转动的角度。

(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 得出的引脚位置，由并未图示的XY工作台对待插异形元件设定的XY位置进行XY坐标补偿，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。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和75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。

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)

1.一种异形元件取插装置，具有取件工位和插件工位，其特征在于,包括：沿横向布置的水平回转模块，其包括水平旋转平台；

若干个沿周向均布在水平旋转平台外周的取插头，各所述取插头与水平旋转平台的外周在Z轴的纵向上滑动连接；

分别设置在取件工位和插件工位的取插Z轴运动模块，任一取插头转动至插件工位或取件工位后，所述取插Z轴运动模块连接取插头并可对取插头施加沿Z轴纵向的推力。

2.根据权利要求1所述的异形元件取插装置，其特征在于：各所述取插头包括相互平行并可对向运动的两个夹爪，夹爪配套设有夹爪夹持机构和夹爪旋转机构，夹爪夹持机构驱动两个夹爪的对向运动以夹持异形件，夹爪旋转机构驱动两夹爪实现以两夹爪的对称轴为转轴的自旋转。

3.根据权利要求2所述的异形元件取插装置，其特征在于：各所述取插头包括一夹爪基座，所述夹爪夹持机构包括安装在夹爪基座上的丝杆步进电机和连接在丝杆步进电机输出端的直线滑块，两个夹爪直接或间接地连接在直线滑块上，丝杆步进电机通过直线滑块可驱动两个夹爪对向直线移动。

4.根据权利要求3所述的异形元件取插装置，其特征在于：所述丝杆步进电机在驱动两个夹爪的夹持过程中，通过力与位置柔顺控制方式以实现两个夹爪对异形元件的柔顺接触。

5.根据权利要求3所述的异形元件取插装置，其特征在于：所述夹爪旋转机构包括步进电机和同步轮，步进电机安装在夹爪基座上，夹爪夹持机构通过同步带与同步轮连接，步进电机通过同步轮驱动所述夹爪夹持机构绕其Z轴的中心旋转。

6.根据权利要求2至5任一项所述的异形元件取插装置，其特征在于：取插Z轴运动模块包括取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块，取件Z轴运动模块和插件Z轴运动模块分别包括永磁直线电机、Z轴运动导轨和Z轴压顶块，所述永磁直线电机包括永磁铁定子和运动线圈，Z轴压顶块安装在运动线圈上，运动线圈安装在Z轴运动导轨上，所述永磁直线电机通过提供运动线圈一电流激励，与永磁铁定子之间产生相互电磁推力，推动运动线圈沿Z方向运动，进而带动Z轴压顶块沿着Z轴运动导轨作Z轴方向上下直线运动，从而推动取插头的升降。

7.根据权利要求6所述的异形元件取插装置，其特征在于：所述永磁直线电机在驱动Z轴压顶快和取插头插件下降过程中，采用力与位置控制实现异形元件引脚对待插PCB板的柔性接触。

8.根据权利要求6所述的异形元件取插装置，其特征在于：还包括取插头随水平旋转平台旋转到达的底视识别工位和侧视识别工位，所述水平旋转平台的下方设有底面识别视觉模块，所述底面识别视觉模块对应于底视识别工位设置以用于拍摄异形元件引脚的底面图像，水平旋转平台的侧面设置有侧面识别视觉模块，侧面识别视觉模块对应于侧视识别工位设置以用于拍摄异形元件引脚的侧面图像。

9.根据权利要求8所述的异形元件取插装置，其特征在于：所述取件Z轴运动模块的侧面设置有PCB基准点识别视觉模块，用于拍摄待插PCB板上的基准点图像。