芯片自动压装机构的设计与控制

作者/罗智芸、陈钧、朱重阳，中山市中等专业学校

芯片自动压装机构的设计与控制

作者/罗智芸、陈钧、朱重阳，中山市中等专业学校

根据芯片压装特点和机械传动原理设计了涡轮式芯片压装机构，对其进行结构的受力分析和传动分析，得出了机构关键参数的计算方法。采用模块化的方法，基于PLC设计了机构的控制电路，解决了压力精确测试和运动准确控制的问题。经实际测试，压装效果良好，自动化程度高，很好地解决了芯片自动压装生产的问题。对相关企业提高生产效率和产品质量具有重要意义。

芯片压装；自动压装；压装机构；自动控制

引言

随着现代科技的发展，电子产品已成为我们日常生活中的必须品，而电子产品尤其是内部电路板的制作确是一件很繁琐的事情—元件小而多，定位精度要求高，尤其是各种各样的半导体集成芯片的插装，需要有一定的压装力，需要有恰当的保压时间。这些工艺一旦没有控制好，就会影响电子产品的质量和寿命，直接影响产品品牌和厂家声誉。

在很长一段时间内，电子产品的插装都是靠人工劳动力来完成的，这种生产方式效率不高。同时因为人的倦怠和疲劳因素，出错率非常高，而且早期还不容易发现。近年随着劳动力成本的上升和社会对产品高品质的诉求，不少厂家开始了电子元件自动贴装或插装的尝试。文献[1—5]中介绍了近年国内外各种相关的研究，其中大部分只是停留在理论层面，或者是对工艺要求不高的电子元件自动装配的研究。本文针对芯片自动压装的需求和现实困难，结合涡轮蜗杆传动和丝杆传动等设计了自动压装机构，并以PLC为主控设计了结构的控制系统，解决了芯片自动压装的问题。

1. 结构设计与传动分析

图1 压装机构

根据芯片压装特点和要求，并根据机械传动原理，设计了如图1的自动压装机构。机构由动力步进电机①提供动力，驱动蜗杆涡轮副⑤把横向的旋转运动转变为竖向的旋转运动，丝杆②的旋转带动活动块做上下运动。当下压运动达到预压弹簧④的预紧力时，压力传感器⑦与压装上模⑧接触并推动其向下运动压装芯片。原点传感器⑥用于保证每次运动的起点一致。当控制系统出现意外情况不可控时限位块⑨可以通过刚性阻挡机构继续下压，确保电路板不被压坏。

本机构的主要部件是涡轮蜗杆副传动和丝杆传动。电机产生的扭矩传导给蜗杆，蜗杆传导给涡轮，涡轮传导给丝杆，丝杆再传导给活动块，最终实现从扭矩到压力的转变。根据它们之间的配合关系可以得到如图2的受力分析图。

图2 传动机构的受力分析图

图中，Fy、Fz和Fj分别是圆周力、轴向力和径向力，ω和α分别为角速度和压力角；根据构件间的传动和相互作用力关系，可得：

式中，d1、d2和d3是蜗杆、涡轮丝杆的直径；T1是电机和蜗杆的扭矩，T2是涡轮和丝杆的扭矩。又因为传动过程中扭矩存在损耗，T1和T2满足如下关系：

式中，i是涡轮蜗杆的传动比，η是功率损耗系数。

那么，根据（1）式和（2）式可得压装力为：

在设计强度方面，根据赫兹公式[6]可以推导出涡轮蜗杆的齿面接触强度应满足如下关系：

式中，K为载荷系数，ZE、Zρ为接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数，σH为许用接触应力，a为蜗杆传动的中心距。

那么，根据式子（4），可以得出设计时传动中心距应该满足以下条件：

2. 控制系统设计

在控制系统设计方面采用单元模块化的设计思路，控制系统框图如图3所示。由主控单元负责系统的信息采集和输出控制；输出单元分为运动控制单元和指示信号单元并执行相应功能。输入部分分为压力检测单元、位置检测单元和设置单元。

图3 控制框图

3. 电路设计

3.1 主控电路

主控电路采用三菱品牌的FX2N—16MT，线路如图4所示。信息输入部分采用点动按钮。当按下开始按钮，装置开始运行；停止和继续按钮可以随时改变运行的状态，也可以通过复位重新开始；通过加速和减速按钮调节运行的速度。运动的位置信息通过一个光电传感器和一个位置开关来实现。

输出部分有三个状态指示灯和电机控制单元。步进电机的控制通过一个步进驱动器作为中间元件，PLC通过给驱动器脉冲信号、方向信号和联机信号，从而实现机构的运动控制。

3.2 压力检测电路

压力信号来自四线式压力传感器[7]，这种传感器的内部结构是由四个370Ω电阻组成的双臂电桥。当传感器受到压力时，因电阻变形发生阻值变化，而直接导致电桥双边的电压分量发生变化[8]。两边电压差值的大小直接体现压力的大小。但是这个变化量是很小的，只有几个毫伏到几十个毫伏，没办法让控制器直接读取，需要进行放大。

图4 主控电路

图5 信号放大电路

根据传感器输出信号的特点，设计了如图5的信号放大电路。电路采用LM358集成运算放大器为主要元件，把来自传感器的信号进行两级放大。第一级放大是根据差动放大原理，把差动信号放大成单向变化信号；第二级采用同相比例运算放大电路，把第一级信号再次放大。这样可以保证把信号放大到足够的倍数，而又不至于失真。从而保证把压力信息真实地传导出去[9]。

3.3 模/数转换电路

压力信号被放大后，仍然是模拟信号，PLC主控单元本身没有办法直接读取模拟信号，必须将模拟信号转变成数字信号才可以读取和识别。本设计采用模拟量输入扩展模块FX2N—4AD来实现信号的转换与识读。该模块有四个输入通道，最大分辨率是12 位，输入信号的类型有—10V～+10V电压、—20mA～+20mA和+4mA～+20 mA电流。端口结构如图6所示。每个通道可以独立指定为电压输入或电流输入。采用光电隔离，可靠性高；转换速度为每通道6m/ s 或15m/s，转换速度快。PLC的基本单元通过对缓冲寄存器BFK4进行通信联络。采用BFM进行参数设定，并与基本单元进行数据交换。

图6 AD模块结构

4. 程序设计

程序根据压装要求进行编写，程序结构工作流程如图7所示。首先判断结构是否在原点位置，在原点才向下压装；压装过程中先检测的是预压力，如果没有预压力则说明机构有异常，马上报错并回返回原点。到了位置后，需要保持3秒，确保压装完成，然后程序才返回。整个过程可以在任意位置停止或继续，也可以进行调速。

图7 程序流程图

程序使用GX Developer软件进行编写，根据图7 的流程逐步完成。如图8是信号检测的部分程序。程序采用梯形图来编写，这样可以提高程序的可写性和可读性。

图8 AD转换程序

5. 应用与测试

装置整体设计完毕后，进行了实际的加工、制作和调试。机构的主要构件均用45号钢制作，部分结构件使用硬铝制作。使用该机构对华硕主板CUP芯片进行了一万次不同条件的应用测试，测试结果如表1所示。可以看出结构的压力测试误差均在0.1N以下，压装效果良好。但是当压装速度继续往上增加时，机构的运动噪音会增大。

表1 测试结果

6. 结论

（1）运用涡轮蜗杆传动的原理，设计了一芯片自动压装机构，并进行了结构的受力和传动分析，结构简单实用。

（2）利用差动放大加同向放大两次放大，并结合AD转换，实现了压力信号的转换和准确读取。

（3）以PLC为主控单元，设计了完整的控制电路，通过编写程序和调试，实现了整个压装系统的自动控制。

＊ [1] F. Wakeman, K.Billet, R.Irons and M.Evans, “Electromech anical characteristics of a bond—less pressure contact IGBT”, APEC99, Dallas USA, 1999: 312—317

＊ [2] 李湘波.UCOS_在基于C8051f060的压装监测设备数据采集系统应用[J].电子产品世界,2014,(12):43—48

＊ [3] 李湘波,柯慧,高印寒,等.智能压装力单片机测控系统的抗干扰设计[J].计算机测量与控制,2013,21(11):2926—2928

＊ [4] 曹志宏.全自动插件机中特定异型元件的自动传送装置研究与应用[J].电子制作,2014,(17):55—57

＊ [5] 戴政国,柯慧,高印寒,等.电视投影指标电子元件插装机系统[J].重庆师范大学学报(自然科学版),2000,3(17):51—55

＊ [6] 张淑玲. 赫兹公式与轴承寿命[J].哈尔滨轴承,1994,1(22):41—42

＊ [7] 石欣,熊庆宇,雷璐宁.基于压力传感器的跌倒检测系统研究[J].仪器仪表学报,2010,3(21):715—720

＊ [8] 王佑明,张志利,龙勇.直流双臂电桥测量低电阻的误差分析[J].电子测量技术,2007, 1(30):154—156

＊ [9] 郑宏军,黎昕,杨少卿,等.几种典型运算放大器的应用技术[J].电子应用技术,1999,8(21):56—58

＊ [10] 吴明亮.FX2N—4AD在小型水电站基于PLC的继电保护中的应用[J].湖南农机,2013,7(40):56—58