負載控制型激勵器的製作方法
2024-03-06 07:24:15 1
專利名稱：負載控制型激勵器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於處理設備中以及測量和分類設備中的負載控制型激勵器，所述測量和分類設備用於測量電子部件的電氣特性。
至今，當將小尺寸的電子部件安裝到電路板上時，已廣泛使用了利用音圈電機的部件裝配設備。與那些利用氣動功率和螺線管的安裝設備(mounter)相比，音圈電機的定位精確性是極好的，而且在減小施加給部件的力方面也是極好的。
圖1示出使用這種音圈電機的傳統處理設備的一個例子。Z軸驅動機構的活動部件20沿垂直方向由音圈電機驅動。將噴嘴21設置在活動部件20的下端，並將內裝式彈簧22設置在活動部件20與噴嘴21之間。在噴嘴21中形成吸取埠21a，該埠通過活動部件20的吸取埠20a，與真空吸取裝置(圖中未示)相通。由此將工件W支持在噴嘴21的末梢。在噴嘴21的外部周圍，單一地形成凸緣21b，它由彈簧22朝下壓迫，以便接觸到形成在活動部件20的下端處的接收部分20b上，並且凸緣21支持到那裡。
將初始負荷施加給彈簧22，以在活動部件20如上所述垂直移動時支持噴嘴21。相應地，在噴嘴21接觸工件W，或當其上具有工件W的噴嘴21接觸物體(電路板等)時產生的碰撞負荷肯定比初始負荷大，在處理或安裝小尺寸和薄的元件時，引起諸如破裂和碎片等產品缺陷。
這種問題不限於處理設備；例如在測量和分類中，當將測量探針接近到電子部件上，以便測量電氣部件的電特性時，也會產生這個問題。
在具有吸取噴嘴2的部件裝配設備中，當由於不存在被吸部件，或吸取不協調時，產生漏氣，由空氣產生的吸力與彈簧22的初始負荷不平衡，從而初始負荷變大，在處理中引起工件的破壞。
另外，由於當要通過吸取得到工件W時，吸取部分21a被釋放，初始負載不這麼大；但是，當將工件放置在電路板等上時，在將其撿起之後，由於噴嘴21的吸取部分21a關閉，故而噴嘴21朝活動部件20拖動，從而初始負荷更大。因此，有一個問題，即在放置過程中施加給工件W的負荷大於撿起過程中的負荷。
相應地，本發明的一個目的是提供一種負載控制型激勵器，其中可以減小施加給工件的碰撞負荷，以便防止工件中的破壞。
為了達到上述目的，提供了一種負載控制型激勵器，它包含與工件接觸的接觸部件；用於通過彈性部件支持所述接觸部件的活動部件；和能夠控制對所述活動部件的驅動推力的操作裝置，其中，假設F1max表示所述工件與接觸部件接觸時的最大碰撞負載，F2表示在激勵器的響應時間tk期間內，彈性部件的彈簧反作用力，並將彈性部件的彈簧常數kb設置得滿足條件F1max≥F2。
將以具有用於吸住和放置元件的吸取噴嘴元件裝配設備為例加以描述。在其中設置有彈簧的吸取噴嘴中，對工件的碰撞力分為三個力，如圖2所示。
第一個力是起始負載(A)；第二個力是由碰撞物體的硬度參數引起的碰撞負載(B)；而第三個力是由內置彈簧的彈簧反作用力引起的負載(C)。
從圖2，知道消除了傳統設備中包含的起始負載(A)，整個碰撞負載可以減小。
但是，由於起始負載(A)用於支持噴嘴穩定，故而必需內置具有高硬度的彈簧，以具有0起始負載。但是，當硬度太高時，由於由圖2所示的內置彈簧的彈簧反作用力引起的負載(C)顯著影響，故而需要適當地設置其彈簧常數。
因此，根據本發明，將彈性部件的彈簧常數kb設置為彈性部件在激勵器的響應時間tk中的彈性反作用力F2減小到小於工件與接觸部件之間的最大碰撞負載F1max。
因此，減小了施加給工件的碰撞負載，能夠使工件中的損壞變小。另外，由於將接觸部件支持得穩定，同時將起始負載減小，故而能夠以高速度使活動部件操作。
可從下面的等式得到彈性部件的彈簧常數kbF2＝kbe-ctVo/q sin(qt)，假設，0≤t≤tk，等式=Cb/2mv,q=2-2,]]>andω2＝kb/mv，其中，mv為活動部件的質量，cb為彈簧粘度。由此可以計算彈性部件的彈簧常數kb的最大值。當由音圈電機形成操作裝置時，較好地，響應時間由0.001到0.1秒。音圈電機是一種典型的線性激勵器，並產生與電流成比例的驅動推力。當電流I從控制器經電流放大器通過音圈時，在線圈中由磁路的磁通密度B和線圈導體的長度L產生F＝BIL的力。通過該力F，經連接機械連接到線圈的噴嘴(活動部件)移動。當包括線圈的噴嘴機械為例如處理工件降低時，噴嘴能夠根據位置傳感器的信號，正好地放置在正確位置(小於0.1mm)。如上所述，對工件的碰撞負載是通過控制碰撞速度和通過控制碰撞之後的電流而得到抑制的，當接近工件時，施加精確的靜負載。
另外，當使用音圈電機時，響應時間tk的實際範圍從0.001到0.1秒。
較好地，操作裝置連續地執行位置控制，從而活動部件到達接觸部件剛要接觸工件之前的位置，速度控制，從而活動部件從剛好接觸到接觸部件接觸工件的接觸位置之前的位置開始以等速前進，負載控制，從而活動部件進一步前進，同時控制接觸部件與工件之間在接觸部件接觸到工件之後的接觸壓力，以及位置控制，從而活動部件返回，以使接觸部件與工件分開。
通過按照這種方式連續地控制操作裝置，減小了施加給工件的負載，使得能夠以高度精確度執行高速操作。
彈性部件的彈簧常數kb最好滿足最小條件等式kb＞mn(α＋g)/Xmax，其中，mn是接觸部件的質量，α是接觸部件在從位置控制轉換為速度控制的點的速度的變化，g是重力加速度，而Xmax是接觸部件在從位置控制轉換為速度控制的點的移動的最大幅值。
即，在接觸部件剛要接觸工件之前，控制從位置轉換為速度，在轉換以後，接觸部件慢慢與工件接觸，從而施加給工件的碰撞負載能夠得以減小。當彈性部件的彈簧常數非常小(彈簧非常軟)時，接觸部件在接觸點垂直振動，從而不穩定。因此，通過滿足所述最小條件等式，抑制接觸部件的振動，從而當接觸部件與工件接觸時，能夠保持穩定的接觸。
較好地，接觸部件經彈性部件由活動部件懸掛，並且接觸部件對工件的起始負載為0。
即，採用比較硬的彈簧作為彈性部件，其中以起始負載為0裝配，從而可穩定接觸部件的活動，同時減小碰撞負載。
圖1是利用音圈電機的傳統處理設備的例子的截面圖；圖2是工件和噴嘴之間的碰撞負荷的概念圖；圖3是根據本發明的負載控制型激勵器的截面圖，用於處理設備中作為例子；
圖4是圖3所示的處理設備中的噴嘴部分的放大的截面圖；圖5是示出用於轉換位置一電壓一負荷的控制的方法的示圖；圖6是噴嘴的概念圖；圖7是示出彈簧硬度與碰撞負荷之間的關係的模擬結果的示圖；圖8是示出在傳統例子與根據本發明的例子之間比較的碰撞負荷的示圖；圖9是根據本發明的負載控制型激勵器的截面圖，施加給測量和分類設備作為例子。
圖3和4示出根據本發明的處理設備的實施例。
處理設備包含由非磁性材料製成，並安裝到X-Y自動機械的底盤1，並將磁路設置到音圈電機的磁性電路上。磁性電路2包含固定到底盤1的上部的磁軛3，固定到磁軛3的圓柱部分3a的內部表面上的磁體4，，由磁軛3的中心磁極3b垂直活動地插入的線軸5，以及纏繞線軸5的線圈6。線圈6與磁體4沿軸向重疊。在這個實施例中，將磁體4設置在固定側，而將線圈6設置在活動側；但是，相反地，可以將線圈6設置在固定側，而將磁體4設置在活動側。
在線軸5的下端面上，固定連接部件7的一端，而且其另一端沿徑向從底盤1和磁軛3突出，並將噴嘴支持件(活動部件)8固定到其突出部分7a。如圖4所示，將其上形成有吸取孔9a用於吸取工件W的噴嘴(接觸部件)9垂直活動地固定到噴嘴支持件8的下端，並相對於噴嘴支持件8，由內置彈簧10懸掛和支持。在這個實施例中，將片簧用作彈簧10；可使用螺旋彈簧或圓錐盤形彈簧。噴嘴9的吸取孔9a與噴嘴支持件8的通氣孔8a聯繫，而且通氣孔8a與空氣吸取裝置(圖中未示)通過氣室等聯繫。
將檢測元件11安裝到連接部件7的突出部分7a，並將位置檢測傳感器12設置在一個與檢測元件11相對的位置，它通過保持器13連接到底盤1或磁軛3。
將用於向上壓迫連接部件7的彈簧14設置在底盤1的內側，從而可以將噴嘴9壓迫得回到起始位置(上限位置)。將線性導杆15設置在連接部件7和底盤1之間，從而連接部件7能夠順利地沿垂直方向(z軸方向)移動。
將由位置檢測傳感器12檢測到的信號輸入控制器16，該控制器16再根據檢測到的位置信號，將命令信號輸出給電流放大器17，以便通過線圈6饋送電流。因此，將推力施加給線圈6，它與磁體密度、電流和線圈的導體長度成比例，從而通過連接部件7連接到線圈6的噴嘴支持件8也垂直活動。按照這種方式，不僅噴嘴支持件8的高度，還有噴嘴9的高度，都能夠以高精確度控制(例如，小於±0.1mm)。
下面，將描述懸掛和支持噴嘴9的彈簧10的設計原理。
首先，當諸如噴嘴與工件等兩個物體相互碰撞時產生的衝擊力與下面的單自由度振蕩的方程接近。m0x+c0x+k0x=0]]>其中，m0兩個物體碰撞之後的總質量k0硬度c0粘度 剛剛碰撞之後的速度另外，對於每一個硬度k0以及粘度c0，將噴嘴、工件以及工件安裝表面中最小的值用作代表值。當為x解上述等式時x=e-stV0qsin(qt)]]>此時=c02m0,q=2-2,2=k0m0]]>另外，數字V0表示物體在碰撞之後的應變率的起始值。
由於由F1＝k0x給出衝擊力，碰撞負載的最大值出現在qt＝π/2處，通過下面的公式得到碰撞負載的最大值F1maxF1max=k0e-2qV0q(3)]]>如公式3)所示，剛剛碰撞之後的速度V0對於控制碰撞負載F1是重要的。其中，V0通過下面的公式得到V0=m2m1+m2V1]]>假設V1是質量為m2的物體的碰撞速度，質量為m1的物體在碰撞之前的速度為0。
上述等式建立在動量守恆定理的基礎上，並示出剛剛碰撞之後的速度V0由碰撞速度與兩個物體的質量影響。
通過使用如圖3所示的音圈電機，作為接觸工件時的z軸機械，由如圖5所示的位置-速度-負載轉換控制控制碰撞速度。在圖5中，連續地執行下面的控制首先，定位控制，即將噴嘴支持件8降低到剛好在噴嘴9接觸工件W(轉換點)之前的位置；速度控制，即將噴嘴支持件8降低到等速度(從轉換點到噴嘴9接觸工件W的接觸位置)；負載控制，噴嘴支持件8也降低，同時在噴嘴9接觸工件W之後，控制噴嘴9與工件W之間的接觸壓力；位置控制，噴嘴支持件8升高，以便將噴嘴9與工件W分開。
在如圖5所示的轉換控制中，彈簧常數的適當設計原理顯示如下(1)在轉換點的設計條件(圖5中的位置-速度轉換點P1)圖6是噴嘴結構的概念圖；通過內置彈簧將噴嘴懸掛在噴嘴支持件下面，其中數字mv表示噴嘴支持件的質量(假設mv＞mn)；數字kb表示內置彈簧的彈簧常數；數字mn表示噴嘴質量。
在轉換點，控制從位置控制轉換為速度控制(以等速度)。因此，當數字α表示轉換時產生的速度變化(負值)時mnα＋mng-kbx＝0x=mn(+g)kb]]>因此，為了將噴嘴的頂端的移動設計為小的程度，通過使用上述等式適當地確定彈簧常數kb。
例如，當位置-速度轉換點(P1點)的移動減小到任意幅值Xmax以下時，根據下面的條件將彈簧常數設計得大。 上述等式(1)是對於最小彈簧常數的條件等式。幅值Xmax由位置傳感器的解析度、機械間隙(mechanism clearance)、轉換點的間隙(height clearance)等的總和給出。
另外，在圖6中，假設通過為噴嘴9本身提供彈性硬度(spring rigidity)使噴嘴9的質量mn最小。在這種情況下，可以實現小的彈簧常數kb，以便具有減小碰撞力的好處。
(II)在接觸點(圖5中的速度-負載轉換點P2)處的設計條件
圖7示出當改變內置彈簧10的彈性硬度時，碰撞時的碰撞力波形(模擬)的例子。
具體地說，圖7示出了二自由度模式的碰撞負載的模擬結果，該模式有一傳統彈簧(k0＝0.16N/mm)，比傳統彈簧的彈簧常數大10倍(k1＝k0×10)的彈簧，以及比傳統彈簧的彈簧常數大100倍(k2＝k0×100)的彈簧。
從圖7可見，在碰撞剛剛結束後作為碰撞負載得到的的碰撞負載(B)幾乎不受到內置於噴嘴內部的彈簧的影響。這是因為，由彈簧常數確定的衰減振動的頻率與由噴嘴和工件的硬度決定的碰撞波的頻率相差一個數量級或更多。即，由於即使當使用相對堅固的彈簧，噴嘴的移動也能夠穩定，而且不改變碰撞負載，故而可以包括起始負載為0的條件。
當增加彈簧常數時，由內置彈簧的反作用力引起的負載(C)增加到大於由碰撞物體的硬度參數引起的碰撞負載(B)。
上述等式(3)中的碰撞力F1等於由硬度參數引起的碰撞負載(B)。
類似地，由下面的等式表示力F2，它是由內置彈簧的反作用力引起的負載(C)mvx+cbx+kbx=0]]>其中，mv噴嘴支持件質量(VCM活動部件質量)kb彈簧硬度，cb彈簧粘度 碰撞V0剛結束時的速度(彈簧的起始應變率)當為x解該等式時x=e-stV0qsin(qt)]]>此時，=cb2mv,q=2-2,2=kbmv]]>由F2＝kbx，由彈簧反作用力引起的負載為F2=kbe-stV0qsin(qt)(4)]]>另外，碰撞力F2的最大值為F2max=kbe-2qV0q]]>
根據如上所述執行速度-負載轉換控制的前提，在用於完成作為控制系統的響應的轉換時間tk期間，必需將公式(4)中由彈簧反作用力引起的負載F2減小，以便不超過公式(3)中所示，由碰撞物體的硬度參數引起的碰撞負載的最大值F1max。
因此，作為使彈簧硬度最大化的條件，給出下面的條件等式。
F1max≥F2…設計條件(2)(範圍0≤t≤tk)數字tk表示時間的響應周期，當使用音圈電機(VCM)時，tk的實際範圍接近於從0.001到0.1秒。
如上所述，通過使用設計條件(1)和(2)決定彈簧常數kb，當噴嘴9碰撞工件W時產生的碰撞力可以限制到最小，另外，在轉換時噴嘴9的波動能夠抑制到最小。
圖8示出當起始負載為0.43N，靜負載指令為0.36N時對傳統激勵器的工件(彈簧常數k0＝0.16N/mm)的碰撞負載與當起始負載為0N，靜負載指令為0.2N時對本發明的激勵器的工件(彈簧常數k1＝k0×10)的碰撞負載之間的比較。讓從圖8中顯然的，由於與傳統常數(k0)相比，彈簧常數k1大，並且根據本發明的起始負載為0N，故而與傳統例子相比，碰撞負載可以減小一半。
根據本發明，作為彈簧10，使用比較堅固的彈簧，從而它通過噴嘴9的位置控制過程中產生的噴嘴支持件8的推力地工作，僅僅低於傳感器解析度。結果，還可以減小噴嘴9的敲擊，從而可以使噴嘴9小型化，以便有利於減小碰撞負載。
根據本發明的用於負載控制的激勵器不但可以應用於具有吸取噴嘴9的處理設備(如上述實施例)，也可以應用於測量和分類設備，如圖9所示。
在圖9中，作為為測量工具的活動部件的終端支持件20由與圖3所示的相同的音圈電機垂直驅動。在終端支持件20內側，形成導孔21，其中將測量終端22垂直活動地插入該導孔21。通過內置彈簧23懸掛和支持測量終端，其中所述彈簧的周邊固定到導孔21的內側。因此，在自由狀態中，施加給測量終端22的起始負載設置為0。在該實施例中，將片簧用作內置彈簧23；可以使用螺旋彈簧。
將測量終端22電氣連接到測量工具(圖中未示)；內置彈簧23形成導體的一部分，用於電氣連接測量終端22與測量工具。另外，除內置彈簧23以外，可設置一導體，用於電氣連接測量終端22與測量工具。
還有，在如上所述形成的測量和分類設備中，通過根據最大條件等式(2)與最小條件等式(1)，決定內置彈簧23的彈簧常數kb，當測量終端22接觸工件時產生的碰撞負載可被抑制到最小，另外，可以將測量終端22在轉換時的波動抑制到最小。
權利要求
1.一種負載控制型激勵器，其特徵在於包含與工件接觸的接觸部件；用於通過彈性部件支持所述接觸部件的活動部件；和能夠控制對所述活動部件的驅動推力的操作裝置，其中，假設F1max表示所述工件與接觸部件接觸時的最大碰撞負載，F2表示在激勵器的響應時間tk期間，彈性部件的彈簧反作用力，並將彈性部件的彈簧常數kb設置得滿足條件F1max≥F2。
2.如權利要求1所述的激勵器，其特徵在於彈性部件的彈簧常數kb滿足等式F2=kbe-stV0qsin(qt)]]>假設0≤t≤tk，等式=Cb2mv,q=2-2,2=kbmv]]>其中，mv為活動部件的質量，Cb為彈簧粘度。
3.如權利要求1或2所述的激勵器，其特徵在於，操作裝置包含音圈電機，並且響應時間tk範圍從0.001到0.1秒。
4.如權利要求1到3所述的激勵器，其特徵在於工件連續地執行位置控制，從而活動部件到達接觸部件剛要接觸工件之前的位置，速度控制，從而活動部件從剛好接觸到接觸部件接觸工件的接觸位置之前的位置開始以等速前進，負載控制，從而活動部件進一步前進，同時控制接觸部件與工件之間在接觸部件接觸到工件之後的接觸壓力，以及位置控制，從而活動部件返回，以使接觸部件與工件分開。
5.如權利要求1到4任一條所述的激勵器，其特徵在於彈性物體的彈簧常數kb滿足條件kb>mn(+g)Xmax]]>其中，mn是接觸部件的質量，α是接觸部件在從位置控制轉換為速度控制的點的速度的變化，g是重力加速度，而Xmax是接觸部件在從位置控制轉換為速度控制的點的移動的最大幅值。
6.如權利要求1到5任一條所述的激勵器，其特徵在於，通過彈性部件，從活動部分懸掛接觸部件，並且接觸部件的起始負載為0。
7.如權利要求1到6任一條所述的激勵器，其特徵在於接觸部件是一個噴嘴，它通過真空吸取埠與吸取裝置相通，以便通過真空吸取工件。
8.如權利要求1到6任一條所述的激勵器，其特徵在於接觸部件是測量終端，它電氣連接到測量工具，用於通過接觸工件，測量工件的電氣特性。
全文摘要
本發明提供了一種負載控制型激勵器,其中,施加給工件的碰撞負載減小,能夠使工件中的損壞減小。負載控制型激勵器包含:與工件接觸的噴嘴,用於通過彈簧支持噴嘴的噴嘴支持件;能夠控制對噴嘴支持驅動推力的音圈電機。如此設置彈簧的彈簧常數,從而彈簧在音圈電機的響應時間內的彈簧反作用力減小到小於當噴嘴接觸工件時的最大的碰撞負載。由彈簧懸掛和支持噴嘴,並將其起始負載設置為0。
文檔編號B25J19/00GK1329463SQ01121099
公開日2002年1月2日 申請日期2001年6月18日 優先權日2000年6月16日
發明者福永茂樹, 辻滋, 牧謙一郎 申請人:株式會社村田製作所