CN1205850C - 负载控制型激励器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种负载控制型激励器，其中，施加给工件的碰撞负载减小，能够使工件中的损坏减小。负载控制型激励器包含：与工件接触的喷嘴，用于通过弹簧支持喷嘴的喷嘴支持件；能够控制对喷嘴支持驱动推力的音圈电机。如此设置弹簧的弹簧常数，从而弹簧在音圈电机的响应时间内的弹簧反作用力减小到小于当喷嘴接触工件时的最大的碰撞负载。由弹簧悬挂和支持喷嘴，并将其起始负载设置为0。

Description

负载控制型激励器

技术领域

本发明涉及一种用于处理设备中以及测量和分类设备中的负载控制型激励器，所述测量和分类设备用于测量电子部件的电气特性。

背景技术

至今，当将小尺寸的电子部件安装到电路板上时，已广泛使用了利用音圈电机的部件装配设备。与那些利用气动功率和螺线管的安装设备(mounter)相比，音圈电机的定位精确性是极好的，而且在减小施加给部件的力方面也是极好的。

图1示出使用这种音圈电机的传统处理设备的一个例子。Z轴驱动机构的活动部件20沿垂直方向由音圈电机驱动。将喷嘴21设置在活动部件20的下端，并将内装式弹簧22设置在活动部件20与喷嘴21之间。在喷嘴21中形成吸取端口21a，该端口通过活动部件20的吸取端口20a，与真空吸取装置(图中未示)相通。由此将工件W支持在喷嘴21的末梢。在喷嘴21的外部周围，单一地形成凸缘21b，它由弹簧22朝下压迫，以便接触到形成在活动部件20的下端处的接收部分20b上，并且凸缘21支持到那里。

将初始负荷施加给弹簧22，以在活动部件20如上所述垂直移动时支持喷嘴21。相应地，在喷嘴21接触工件W，或当其上具有工件W的喷嘴21接触物体(电路板等)时产生的碰撞负荷肯定比初始负荷大，在处理或安装小尺寸和薄的元件时，引起诸如破裂和碎片等产品缺陷。

这种问题不限于处理设备；例如在测量和分类中，当将测量探针接近到电子部件上，以便测量电气部件的电特性时，也会产生这个问题。

在具有吸取喷嘴2的部件装配设备中，当由于不存在被吸部件，或吸取不协调时，产生漏气，由空气产生的吸力与弹簧22的初始负荷不平衡，从而初始负荷变大，在处理中引起工件的破坏。

另外，由于当要通过吸取得到工件W时，吸取部分21a被释放，初始负载不这么大；但是，当将工件放置在电路板等上时，在将其捡起之后，由于喷嘴21的吸取部分21a关闭，故而喷嘴21朝活动部件20拖动，从而初始负荷更大。因此，有一个问题，即在放置过程中施加给工件W的负荷大于捡起过程中的负荷。

发明内容

相应地，本发明的一个目的是提供一种负载控制型激励器，其中可以减小施加给工件的碰撞负荷，以便防止工件中的破坏。

为了达到上述目的，提供了一种负载控制型激励器，它包含与工件接触的接触部件；用于通过弹性部件支持所述接触部件的活动部件；和能够控制对所述活动部件的驱动推力的操作装置，其中，假设F_1max表示所述工件与接触部件接触时的最大碰撞负载，F2表示在激励器的响应时间t_k期间内，弹性部件的弹簧反作用力，并将弹性部件的弹簧常数k_b设置得满足条件：F_1max≥F2。

将以具有用于吸住和放置元件的吸取喷嘴元件装配设备为例加以描述。在其中设置有弹簧的吸取喷嘴中，对工件的碰撞力分为三个力，如图2所示。

第一个力是起始负载(A)；第二个力是由碰撞物体的硬度参数引起的碰撞负载(B)；而第三个力是由内置弹簧的弹簧反作用力引起的负载(C)。

从图2，知道消除了传统设备中包含的起始负载(A)，整个碰撞负载可以减小。

但是，由于起始负载(A)用于支持喷嘴稳定，故而必需内置具有高硬度的弹簧，以具有0起始负载。但是，当硬度太高时，由于由图2所示的内置弹簧的弹簧反作用力引起的负载(C)显著影响，故而需要适当地设置其弹簧常数。

因此，根据本发明，将弹性部件的弹簧常数k_b设置为弹性部件在激励器的响应时间t_k中的弹性反作用力F2减小到小于工件与接触部件之间的最大碰撞负载F_1max。

因此，减小了施加给工件的碰撞负载，能够使工件中的损坏变小。另外，由于将接触部件支持得稳定，同时将起始负载减小，故而能够以高速度使活动部件操作。

可从下面的等式得到弹性部件的弹簧常数k_b：

F₂＝k_be^-stv_o/q sin(qt)，

假设，0≤t≤t_k，等式：

$\mathrm{\ϵ}=c_b/2m_v,q=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ϵ}}^2},\mathrm{and}{\mathrm{\ω}}^2=k_b/m_v,$

其中，m_v为活动部件的质量，c_b为弹簧粘度。

由此可以计算弹性部件的弹簧常数k_b的最大值。

当由音圈电机形成操作装置时，较好地，响应时间由0.001到0.1秒。

音圈电机是一种典型的线性激励器，并产生与电流成比例的驱动推力。当电流I从控制器经电流放大器通过音圈时，在线圈中由磁路的磁通密度B和线圈导体的长度L产生F＝BIL的力。通过该力F，经连接机械连接到线圈的喷嘴(活动部件)移动。当包括线圈的喷嘴机械为例如处理工件降低时，喷嘴能够根据位置传感器的信号，正好地放置在正确位置(小于0.1mm)。如上所述，对工件的碰撞负载是通过控制碰撞速度和通过控制碰撞之后的电流而得到抑制的，当接近工件时，施加精确的静负载。

另外，当使用音圈电机时，响应时间t_k的实际范围从0.001到0.1秒。

较好地，操作装置连续地执行位置控制，从而活动部件到达接触部件刚要接触工件之前的位置，速度控制，从而活动部件从刚好接触到接触部件接触工件的接触位置之前的位置开始以等速前进，负载控制，从而活动部件进一步前进，同时控制接触部件与工件之间在接触部件接触到工件之后的接触压力，以及位置控制，从而活动部件返回，以使接触部件与工件分开。

通过按照这种方式连续地控制操作装置，减小了施加给工件的负载，使得能够以高度精确度执行高速操作。

弹性部件的弹簧常数k_b最好满足最小条件等式：

k_b＞m_n(α+g)/X_max，其中，m_n是接触部件的质量，α是接触部件在从位置控制转换为速度控制的点的速度的变化，g是重力加速度，而X_max是接触部件在从位置控制转换为速度控制的点的移动的最大幅值。

即，在接触部件刚要接触工件之前，控制从位置转换为速度，在转换以后，接触部件慢慢与工件接触，从而施加给工件的碰撞负载能够得以减小。当弹性部件的弹簧常数非常小(弹簧非常软)时，接触部件在接触点垂直振动，从而不稳定。因此，通过满足所述最小条件等式，抑制接触部件的振动，从而当接触部件与工件接触时，能够保持稳定的接触。

较好地，接触部件经弹性部件由活动部件悬挂，并且接触部件对工件的起始负载为0。

即，采用比较硬的弹簧作为弹性部件，其中以起始负载为0装配，从而可稳定接触部件的活动，同时减小碰撞负载。

附图说明

图1是利用音圈电机的传统处理设备的例子的截面图；

图2是工件和喷嘴之间的碰撞负荷的概念图；

图3是根据本发明的负载控制型激励器的截面图，用于处理设备中作为例子；

图4是图3所示的处理设备中的喷嘴部分的放大的截面图；

图5是示出用于转换位置-电压-负荷的控制的方法的示图；

图6是喷嘴的概念图；

图7是示出弹簧硬度与碰撞负荷之间的关系的模拟结果的示图；

图8是示出在传统例子与根据本发明的例子之间比较的碰撞负荷的示图；

图9是根据本发明的负载控制型激励器的截面图，施加给测量和分类设备作为例子。

图3和4示出根据本发明的处理设备的实施例。

具体实施方式

处理设备包含由非磁性材料制成，并安装到X-Y自动机械的底盘1，并将磁路设置到音圈电机的磁性电路上。磁性电路2包含固定到底盘1的上部的磁轭3，固定到磁轭3的圆柱部分3a的内部表面上的磁体4，由磁轭3的中心磁极3b垂直活动地插入的线轴5，以及缠绕线轴5的线圈6。线圈6与磁体4沿轴向重叠。在这个实施例中，将磁体4设置在固定侧，而将线圈6设置在活动侧；但是，相反地，可以将线圈6设置在固定侧，而将磁体4设置在活动侧。

在线轴5的下端面上，固定连接部件7的一端，而且其另一端沿径向从底盘1和磁轭3突出，并将喷嘴支持件(活动部件)8固定到其突出部分7a。如图4所示，将其上形成有吸取孔9a用于吸取工件W的喷嘴(接触部件)9垂直活动地固定到喷嘴支持件8的下端，并相对于喷嘴支持件8，由内置弹簧10悬挂和支持。在这个实施例中，将片簧用作弹簧10；可使用螺旋弹簧或圆锥盘形弹簧。喷嘴9的吸取孔9a与喷嘴支持件8的通气孔8a联系，而且通气孔8a与空气吸取装置(图中未示)通过气室等联系。

将检测元件11安装到连接部件7的突出部分7a，并将位置检测传感器12设置在一个与检测元件11相对的位置，它通过保持器13连接到底盘1或磁轭3。

将用于向上压迫连接部件7的弹簧14设置在底盘1的内侧，从而可以将喷嘴9压迫得回到起始位置(上限位置)。将线性导杆15设置在连接部件7和底盘1之间，从而连接部件7能够顺利地沿垂直方向(z轴方向)移动。

将由位置检测传感器12检测到的信号输入控制器16，该控制器16再根据检测到的位置信号，将命令信号输出给电流放大器17，以便通过线圈6馈送电流。因此，将推力施加给线圈6，它与磁体密度、电流和线圈的导体长度成比例，从而通过连接部件7连接到线圈6的喷嘴支持件8也垂直活动。按照这种方式，不仅喷嘴支持件8的高度，还有喷嘴9的高度，都能够以高精确度控制(例如，小于±0.1mm)。

下面，将描述悬挂和支持喷嘴9的弹簧10的设计原理。

首先，当诸如喷嘴与工件等两个物体相互碰撞时产生的冲击力与下面的单自由度振荡的方程接近。

$m_0\stackrel{\·\·}{x}+c_0\stackrel{\·}{x}+k_{0}x=0$

其中，

m₀：两个物体碰撞之后的总质量

k₀：硬度

c₀：粘度

：刚刚碰撞之后的速度

另外，对于每一个硬度k₀以及粘度c₀，将喷嘴、工件以及工件安装表面中最小的值用作代表值。当为x解上述等式时：

$x=e^{-\mathrm{st}}\frac{V_0}{q}\sin \left(\mathrm{qt}\right)$

此时

$\mathrm{\ϵ}=\frac{c_0}{2m_0},q=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ϵ}}^2},{\mathrm{\ω}}^2=\frac{k_0}{m_0}$

另外，数字V₀表示物体在碰撞之后的应变率的起始值。

由于由F₁＝k₀x给出冲击力，碰撞负载的最大值出现在qt＝π/2处，通过下面的公式得到碰撞负载的最大值F_1max：

$F_{1\max }=k_0\·e^{-\frac{\mathrm{\ϵ\π}}{2q}}\·\frac{V_0}{q}...\left(3\right)$

如公式3)所示，刚刚碰撞之后的速度V₀对于控制碰撞负载F₁是重要的。

其中，V₀通过下面的公式得到：

$V_0=\frac{m_2}{m_1+m_2}V1$

假设V1是质量为m2的物体的碰撞速度，质量为m1的物体在碰撞之前的速度为0。

上述等式建立在动量守恒定理的基础上，并示出刚刚碰撞之后的速度V0由碰撞速度与两个物体的质量影响。

通过使用如图3所示的音圈电机，作为接触工件时的z轴机械，由如图5所示的位置-速度-负载转换控制控制碰撞速度。在图5中，连续地执行下面的控制：首先，定位控制，即将喷嘴支持件8降低到刚好在喷嘴9接触工件W(转换点)之前的位置；速度控制，即将喷嘴支持件8降低到等速度(从转换点到喷嘴9接触工件W的接触位置)；负载控制，喷嘴支持件8也降低，同时在喷嘴9接触工件W之后，控制喷嘴9与工件W之间的接触压力；位置控制，喷嘴支持件8升高，以便将喷嘴9与工件W分开。

在如图5所示的转换控制中，弹簧常数的适当设计原理显示如下：

(1)在转换点的设计条件(图5中的位置-速度转换点P1)：

图6是喷嘴结构的概念图；通过内置弹簧将喷嘴悬挂在喷嘴支持件下面，其中数字m_v表示喷嘴支持件的质量(假设m_v＞m_n)；数字k_b表示内置弹簧的弹簧常数；数字m_n表示喷嘴质量。

在转换点，控制从位置控制转换为速度控制(以等速度)。因此，当数字α表示转换时产生的速度变化(负值)时：

m_nα+m_ng-k_bx＝0

$x=\frac{m_n(\mathrm{\α}+g)}{k_b}$

因此，为了将喷嘴的顶端的移动设计为小的程度，通过使用上述等式适当地确定弹簧常数k_b。

例如，当位置-速度转换点(P1点)的移动减小到任意幅值X_max以下时，根据下面的条件将弹簧常数设计得大。

$X_{\max }>\frac{m_n(\mathrm{\α}+g)}{k_b}$ …设计条件(1)

上述等式(1)是对于最小弹簧常数的条件等式。幅值X_max由位置传感器的分辨率、机械间隙(mechanism clearance)、转换点的间隙(height clearance)等的总和给出。

另外，在图6中，假设通过为喷嘴9本身提供弹性硬度(spring rigidity)使喷嘴9的质量m_n最小。在这种情况下，可以实现小的弹簧常数k_b，以便具有减小碰撞力的好处。

(II)在接触点(图5中的速度-负载转换点P2)处的设计条件：

图7示出当改变内置弹簧10的弹性硬度时，碰撞时的碰撞力波形(模拟)的例子。

具体地说，图7示出了二自由度模式的碰撞负载的模拟结果，该模式有一传统弹簧(k₀＝0.16N/mm)，比传统弹簧的弹簧常数大10倍(k1＝k₀×10)的弹簧，以及比传统弹簧的弹簧常数大100倍(k2＝k₀×100)的弹簧。

从图7可见，在碰撞刚刚结束后作为碰撞负载得到的的碰撞负载(B)几乎不受到内置于喷嘴内部的弹簧的影响。这是因为，由弹簧常数确定的衰减振动的频率与由喷嘴和工件的硬度决定的碰撞波的频率相差一个数量级或更多。即，由于即使当使用相对坚固的弹簧，喷嘴的移动也能够稳定，而且不改变碰撞负载，故而可以包括起始负载为0的条件。

当增加弹簧常数时，由内置弹簧的反作用力引起的负载(C)增加到大于由碰撞物体的硬度参数引起的碰撞负载(B)。

上述等式(3)中的碰撞力F₁等于由硬度参数引起的碰撞负载(B)。

类似地，由下面的等式表示力F2，它是由内置弹簧的反作用力引起的负载(C)：

$m_v\stackrel{\·\·}{x}+c_b\stackrel{\·}{x}+k_{b}x=0$

其中，m_v：喷嘴支持件质量(VCM活动部件质量)

kb：弹簧硬度，cb：弹簧粘度

：碰撞V₀刚结束时的速度

(弹簧的起始应变率)

当为x解该等式时：

$x=e^{-\mathrm{st}}\frac{V_0}{q}\sin \left(\mathrm{qt}\right)$

此时，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{c_b}{2m_v},q=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ϵ}}^2},{\mathrm{\ω}}^2=\frac{k_b}{m_v}$

由F2＝k_bx，由弹簧反作用力引起的负载为：

$F_2=k_b\·e^{-\mathrm{st}}\frac{V_0}{q}\sin \left(\mathrm{qt}\right)...\left(4\right)$

另外，碰撞力F2的最大值为：

$F_{2\max }=k_b\·e^{-\frac{\mathrm{\ϵ\π}}{2q}}\·\frac{V_0}{q}$

根据如上所述执行速度-负载转换控制的前提，在用于完成作为控制系统的响应的转换时间t_k期间，必需将公式(4)中由弹簧反作用力引起的负载F2减小，以便不超过公式(3)中所示，由碰撞物体的硬度参数引起的碰撞负载的最大值F_1max。

因此，作为使弹簧硬度最大化的条件，给出下面的条件等式。

F_1max≥F2…设计条件(2)

(范围：0≤t≤t_k)

数字t_k表示时间的响应周期，当使用音圈电机(VCM)时，t_k的实际范围接近于从0.001到0.1秒。

如上所述，通过使用设计条件(1)和(2)决定弹簧常数k_b，当喷嘴9碰撞工件W时产生的碰撞力可以限制到最小，另外，在转换时喷嘴9的波动能够抑制到最小。

图8示出当起始负载为0.43N，静负载指令为0.36N时对传统激励器的工件(弹簧常数k₀＝0.16N/mm)的碰撞负载与当起始负载为0N，静负载指令为0.2N时对本发明的激励器的工件(弹簧常数k1＝k₀×10)的碰撞负载之间的比较。让从图8中显然的，由于与传统常数(k₀)相比，弹簧常数k1大，并且根据本发明的起始负载为0N，故而与传统例子相比，碰撞负载可以减小一半。

根据本发明，作为弹簧10，使用比较坚固的弹簧，从而它通过喷嘴9的位置控制过程中产生的喷嘴支持件8的推力地工作，仅仅低于传感器分辨率。结果，还可以减小喷嘴9的敲击，从而可以使喷嘴9小型化，以便有利于减小碰撞负载。

根据本发明的用于负载控制的激励器不但可以应用于具有吸取喷嘴9的处理设备(如上述实施例)，也可以应用于测量和分类设备，如图9所示。

在图9中，作为为测量工具的活动部件的终端支持件20由与图3所示的相同的音圈电机垂直驱动。在终端支持件20内侧，形成导孔21，其中将测量终端22垂直活动地插入该导孔21。通过内置弹簧23悬挂和支持测量终端，其中所述弹簧的周边固定到导孔21的内侧。因此，在自由状态中，施加给测量终端22的起始负载设置为0。在该实施例中，将片簧用作内置弹簧23；可以使用螺旋弹簧。

将测量终端22电气连接到测量工具(图中未示)；内置弹簧23形成导体的一部分，用于电气连接测量终端22与测量工具。另外，除内置弹簧23以外，可设置一导体，用于电气连接测量终端22与测量工具。

还有，在如上所述形成的测量和分类设备中，通过根据最大条件等式(2)与最小条件等式(1)，决定内置弹簧23的弹簧常数k_b，当测量终端22接触工件时产生的碰撞负载可被抑制到最小，另外，可以将测量终端22在转换时的波动抑制到最小。

Claims (15)

1.一种负载控制型激励器，其特征在于包含：

与工件接触的接触部件；

用于通过弹性部件支持所述接触部件的活动部件；和

能够控制对所述活动部件的驱动推力的操作装置，

其中，假设F_1max表示所述工件与接触部件接触时的最大碰撞负载，F2表示在激励器的响应时间t_k期间，弹性部件的弹簧反作用力，并将弹性部件的弹簧常数k_b设置得满足条件：

F_1max≥F₂，

弹性部件的弹簧常数k_b满足等式：

$F_2=k_b\·e^{-\mathrm{st}}\frac{v_0}{q}\sin \left(\mathrm{qt}\right)$

式中V₀为刚刚碰撞之后的速度，假设0≤t≤t_k，等式：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{c_b}{{2m}_v},q=\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ϵ}}^2},{\mathrm{\ω}}^2=\frac{k_b}{m_v}$

其中，m_V为活动部件的质量，C_b为弹簧粘度。

2.如权利要求1所述的激励器，其特征在于，操作装置包含音圈电机，并且响应时间t_k范围从0.001到0.1秒。

3.如权利要求1或2所述的激励器，其特征在于操作装置连续地执行第一位置控制，从而活动部件到达接触部件刚要接触工件之前的位置，速度控制，从而活动部件从刚好接触到接触部件接触工件的接触位置之前的位置开始以等速前进，负载控制，从而活动部件进一步前进，同时控制接触部件与工件之间在接触部件接触到工件之后的接触压力，以及第二位置控制，从而活动部件返回，以使接触部件与工件分开。

4.如权利要求3所述的激励器，其特征在于弹性部件的弹簧常数k_b满足条件：

$k_b>\frac{m_n(\mathrm{\α}+g)}{X_{\max }}$

其中，m_n是接触部件的质量，α是接触部件在从第一位置控制转换为速度控制的点的速度的变化，g是重力加速度，而X_max是接触部件在从第一位置控制转换为速度控制的点的移动的最大幅值。

5.如权利要求1或2所述的激励器，其特征在于，通过弹性部件将接触部件悬挂在活动部分之下，并且接触部件的起始负载为0。

6.如权利要求3所述的激励器，其特征在于，通过弹性部件将接触部件悬挂在活动部分之下，并且接触部件的起始负载为0。

7.如权利要求4所述的激励器，其特征在于，通过弹性部件将接触部件悬挂在活动部分之下，并且接触部件的起始负载为0。

8.如权利要求1或2所述的激励器，其特征在于接触部件是一个喷嘴，它通过真空吸取端口与吸取装置相通，以便通过真空吸取工件。

9.如权利要求3所述的激励器，其特征在于接触部件是一个喷嘴，它通过真空吸取端口与吸取装置相通，以便通过真空吸取工件。

10.如权利要求5所述的激励器，其特征在于接触部件是一个喷嘴，它通过真空吸取端口与吸取装置相通，以便通过真空吸取工件。

11.如权利要求4或6或7所述的激励器，其特征在于接触部件是一个喷嘴，它通过真空吸取端口与吸取装置相通，以便通过真空吸取工件。

12.如权利要求1或2所述的激励器，其特征在于接触部件是测量终端，它电气连接到测量工具，用于通过接触工件，测量工件的电气特性。

13.如权利要求3所述的激励器，其特征在于接触部件是测量终端，它电气连接到测量工具，用于通过接触工件，测量工件的电气特性。

14.如权利要求5所述的激励器，其特征在于接触部件是测量终端，它电气连接到测量工具，用于通过接触工件，测量工件的电气特性。

15.如权利要求4或6或7所述的激励器，其特征在于接触部件是测量终端，它电气连接到测量工具，用于通过接触工件，测量工件的电气特性。

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