（机械电子工程专业论文）电子元器件产品质量自动检测技术的研究与应用.pdf

摘要 摘要 近年来，我国的电子元器件产业发展迅速，而电子元器件的质量检测与筛选是 提高产品质量与可靠性的重要环节。目前，企业对电子元器件的质量检测大多采用 抽检方式，并由专门的质检工来完成。这种检测方式劳动强度大，检测效率低，而 且不能做到全检。为此，以石英晶体振荡器、电阻、电容等通用电子元器件为研究 对象，开发了一套电子元件质量自动检测设备，并对检测方法进行了深入的研究和 分析。 电子元件质量自动检测设备采用电磁振动自动上料的方法，并设计了电磁驱动 定位检测机械结构，采用直动电磁铁和弹簧定位块相结合的方式实现了电子元器件 的精确定位。检测触头将被测元件引脚与质量检测系统相连，然后对其进行检测。 为了实现一次定位多参数检测目的，质量检测系统电路采用了模块化设计方法，首 先独立设计各个检测模块电路，然后由单片机控制模拟开关和继电器将待测元件引 脚分时切入各模块中进行检测，并将检测结果读入到单片机中，由单片机综合判断 该元件质量是否合格，最后根据判断结果控制分选机构的动作，以完成筛选的功能。 质量检测系统实现了以下几个创新点： 1 ) 对电子元件等效电阻和等效电容提出了采用过渡过程法进行检测，将具体电 阻值和电容值转化为单片机的定时值。 2 ) 提出了干法测量电子元件引脚可焊性的方法，并设计了基于单片机控制的击 穿电压测量电路，实现了对引脚可焊性的量化评估。 3 ) 针对石英晶振，实践了一种气密性检测方法：对石英晶振进行乙醇渗透操作 后，再由单片机控制检测电路检测晶振内部等效电阻，进而判断其气密性。 4 ) 采用c c d 图像传感器对电子元件引脚的外形进行非接触测量，使得外形有 瑕疵的元件能够自动剔除。 另外，在m i c r o s o rv b 6 0 编程平台下利用m s c o 衄n 通信控件实现了计算机串 口与单片机的数据通讯，设计了上位机控制软件，提高了人机交互功能，实现了电 子元件检测数据的显示、统计、保存、调阅等功能。 关键词电子元件；质量检测；电磁驱动：模块化设计；可焊性：c c d 图像传感器 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e s e n t y e a r s ，t h ee l e c t r o i l i c 飞d m p o n e n tp r o d u c t s i no l 】r c o u m 巧出e l o p e d m p i d l y ，t 1 1 eq 砌埘i n s p e c t i o na n ds c r e e 血go fe l e c 枷cc o n l p o n e n t si so n eo ft h em o s t i n l p o r t a n ts t e p sf o ri n l p r o v i n g 也ep d u c t sq u a m ya n dr e a l i a b i l i 何c 岍e n t l y ；廿l em 血 q 砌i 够i 1 1 s p e c t i o nm e t h o di i lm o s tc o 舶p a r l y si ss a m p l i l l gi i l s p e c t i o nw h i c hi sc 删e do u t b ys p e 嘶a lw o r k e r s b u tt h i sm 甜l o di sl a b o “n t e n s i v e0 p e e a t i o n 研ml o we 伍c i e n c y ，a 1 1 di t c 缸n o ti 1 1 s p e c ta 1 1e l e c n - o i l i cc o r n p o n e n t si n 也i sw a y t h i sp 印e ra d o p t e ds 涮n o n n a l c o i n p o n e n t s ( q l 姗眩c 巧鳓a lo s c i l l a 幻r s ，r e s i s t o r s ，c a p a c 讹o r se c t ) 硒r e s e a r c ho b j e c t s ，a n d d e v e l o p e da na n t o m a t i c 删够i n 印e c 畦o ne q u i p m e n tf o re l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，t h e i n s p e c t i o nm e 吐l o d sw e r es t u d i e da 1 1 da i l a l y s i s e dd e 印l y a na u t o m a 矗cf e e 妇gd e v i c ed r i v e db ye l e c t r o m a g n 硝cv i b r a t i o nw 2 l sa d o p e di nt h e - q u i p m e m ap o s i t i o r l i n ga i l di n s p e 嘶o nm e c h a n i s i m 越v e db ye l e c 订o m a 弘e 6 cw a s d e s i 孕圮dw h i c hl o c a t e dt 1 1 ec o m p o n e n _ t sb yc o m b i i l i n gl i i l e a re l e 眈f o m a g n e t i ca n ds p r i n g b l o c k t h ei n s p e c t i o nl e a d sm a 玉硷dm ec o m p o n 冀mp 池c o r u l e c t e d 、忻t l lt h e q l l a l 埘 i i l s p e c t i o ns y s t e m ，吐l e n 也ec o m p o n e i l ：t sw e r ei n s p e c t e d i no r d c rt 0a c 址e v et ：h ep u r p o s eo f m i l l t i - p a r 锄e t e r si i l s p e c t i o n 、历m o n ep o s i t i o n i i l g p r o c e s s ，i 1 1 s p e c t i o n c 订c u i to ft h e 删时i n s p e c t i o ns y s t e ma d o p t e dam o d l d a rd e s i 印e da p p r o a c h f 缸s t l y e a c h 缸p e c t i o n c i r c u i tm d d ：u l a rw 嬲d e s i g n e di 1 1 d e p e n d e n t l y s e c o n d l y ；t l l ec o m p o n tp i n sw e r ec u ti l l 幻 e a c hm o d u l 缸0 n eb yo n e 也】的u 乒s 研t c h e sa n dr e l a y sw 址c h w e r ec o n 们l l e db y m c u 1 1 1 i r d l y ，i 1 1 s p e c t i o nr e 毗sw e r er e a di n t om c uw l l i c hd e 锄妣d 缸e 笋a t i v e l y w h 甜1 e r 也e 小l a l 时o f 吐l ec o m p o n e n tw 弱f i n e a tl 戤m c uc o n 廿0 1 l e d 廿1 e l e c t i o n m e c l l a i l i s i ma c c o r d i i l gt 0 也ej u d g e dr e s u l t t h e r ea r es e v e r a li n 】v 撕v ep o i l l ：t si n ( 嘲时i 璐p e c t i o ns y s t c m 硒f o l l o w s 1 ) t h ee 舢v m e mr e s i s t a n c ea 1 1 dc a p a c i t 龇l c eo fm ee l e c t r 0 i l i cc o m p o n e n t sw e r e i n s p e c t e di 1 1 恤s i t i o np r o c e s sm 武h o d ，w h i c h 仃j m s f e r e d 也ev a l u eo f 也er e s i s t a n c e 锄【d c 印a c i t a n c e 幽也ev a l u eo f 也em c u 蛐舀 一 一 一一 2 ) ad 巧m e t h o di nm e 嬲u 1 缸gs o l 出积b i l i t ) ro fe l e c 仃o n i cc o 1 p o n e n _ t sl e a d sw 舔 p o 缸e do u t ，趾db r e a k d o w nv o h a g em e 锻】r i i 】gc i r c 血b 弱e do nm c u 、嬲d e s i 乒e ( 1 ，柱c h w 船l l s e dt o 蠲s e s s 1 es o l d e r a ：b i l 毋o f 也ec o i n p o l l e n ：t sl e a 【si nq 咙吸t t 吼 3 ) a r l e 、vl e a l 掣o o m l e s sd e t e c t i o nm e t h o dw 嬲p o i n t e do mf o rm eq u a r t zc r ) r s t a l e t l l a n o li 1 1 丘h 锨i o nw 链o p e r a t e da tf i r s t ，m e ni n s p e c t c d 血ee q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo f 也e c r y s t a lo s c i l l a t o rb yi n s p e c t i i l gc i 】陷u i tc o n _ 虹0 l l e db ym c u t oa s s e s sm el e a k p r 0 0 f m e s s t t 摘要 _ _ j 目目j = 目_ i 目_ _ _ _ = _ j ：l _ _ _ _ _ _ ；= j e ：= = = 目目_ - _ j = = = = = = = 目i _ _ _ 目= ；j = = _ l l l l j 目目l # ；l - _ l _ l 目= = = 目； 4 ) 1 1 l es h a p eo fm ee l e c 廿o i l i cc o m p o n e n t sp i n sw e r en o n c o n t a c t e dm e a s u r e db y c c di n l a g es e 璐o rw 1 1 i c hc a na _ u t o m a t i c a l l yr e i n o v e dm ed e f - e c t i v ec o n l p o n e n t s i ns h a p e i na d d “i o i l ，p cc o n n d ls o f h a r ew a sd e s i 印e db yl l s i n gm s c o 删 na 而v e xi n m i c r o s o f cv b 6 0p r o 铲a m n l i n gp l 耐1 0 mt 0a c l l i e v et h ed a ：t ac o m m 戚c a ：t i o nb e t w e e i lp c s 舐a lp o r t sa n l dm c u 1 h i ss o 触| a r ec 趾i m p r o v e 也eh u m a n c o m p m e r 硫e m m i o n 缸1 嘶o na l l dd i s p l a y ，s t a t i s t i c ，s a v e ，1 0 0 k 缸o u 曲n l ei n s p e c t i o nd a t ao f 也ee l e c 仃0 1 1 i c c o m p o n e n t s k e yw o r d s e l e c 仃d m cc o i n p o n e n t s ；q u a l 毋i n s p e c t i o n ；e l e c 乜o m a 罂嘶cd r i v e ；m o d u l a r d e s i g n e d ；s o l d e r 刁【b i l 埘；c c d 嘶s e n s o r i i i 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 + 电子元器件在各类电子产品中占有重要的地位，尤其是一些通用电子元器件， 更是电子产品中必不可少的基本材料。中国的电子元件产业经历了5 0 年的发展历程， 正逐渐成为全球电子元件制造业基地。近2 0 多年来，电子元件生产正以2 0 左右速 度增长，并逐步走向现代化和规模化。目前，中国电子元件的产量己占全球的3 9 以上，产量在世界上处于第一位的产品有电阻器、电容器、压电石英晶体、电声器 件、磁性材料、电子变压器等【，如图1 1 所示。 a ) 石英晶振b ) 电容c ) 电位器d ) 电阻 图1 1产量居首的电子元器件 f g 1 一l s e v e r a lh n d so f e l e c n - o n i cc o m p o n c n t sp r o d u 曲c da tt o p 同时，电子元器件是组成电子产品的最小单元，是整机可靠性的基础。随着现 代科学技术的发展，电子设备和系统的复杂程度越来越高，所需要的电子元件数量 也在不断增多。根据可靠性理论，组成系统的元件、零件越多，在元件、零件可靠性 指标不变的条件下，则系统的可靠性越低【2 ，3 】。在军工领域和航天领域，电子元器件 的质量控制包括元器件的选择、元器件内在质量评价、元器件的二次筛选、电装后 的质量追踪以及建立电子元器件质量数据库等措施，形成一个闭环的控制系统【4 j 。 电子元器件的参数检测与筛选是提高产品质量与可靠性的关键环节。虽然国内 的电子元件检测设备也有了长足的发展，但仍存在许多问题有待解决。比如检测手 段比较单一，基本上都是一个工位或者一套设备只能检测一个参数。有少量设备可 以做到多参数的测量，也大多具有很强的针对性，并且设备的造价昂贵，于是企业 在构建电子元件多参数检测线时，不但设备的投入增加了，而且由于元件上下料的 辅助时间大为增加，检测效率也大大降低。因此，目前国内大部分电子元器件制造 企业尚处于劳动密集型生产方式，产品在制造过程中各道工序的质量检测通常由专 门的质检工完成，并配有专门的元器件筛选检测车间和检测仪器【5 】。在一些正规的电 1 河北科技大学硕十学位论文 子元件生产厂家，还规定了适用于质量评定电子元器件规范，并且在规范中详细的 规定了使用的标准术语、检验程序和试验方法。以下是我国某厂家对石英晶振的检 测规范，见表1 1 。 一+ j j + 1 ) 检验仪器和设备：频率计、恒温烙铁、。锡炉、数字卡尺一 2 ) 环境条件：常温( 2 5 士5 ) ，4 0 w 荧光灯下。 3 ) 检验项目、检验方法和技术要求。 表1 1某石英晶振生产厂家的检测规范 t h b 1 l i n s p e c ts p e c i f i c a t i o n0 f cq u a r 晓c r y s t a lm 锄谢a c t i l 托 序号 检验项目 检验方法 技术要求 目视、样品、封装良好，表面无破损，引脚无氧化、弯曲、变形。实物同 1 外观 承认书标签纸与进料单上的尺寸规格、标称值一致 数字卡尺、样 2结构尺寸测量尺寸应在承认书( 标识的重要尺寸) 允许的公差内 品、承认书 频率计 3性能频率符合承认书要求或在相关的半成品板上代换工作正常 承认书 恒温烙铁温调至2 4 0 l o 再给元件进行焊锡5 秒，外观无异 4 耐焊锡热性试验恒温烙铁 状，频率正常 温度2 6 0 l o 。时间3 秒。锡点圆润有光泽，稳固。引脚 5 沾锡性试验锡炉 上锡面9 5 该检测方式不仅劳动强度大、成本高而且检测效率低，另外在大批量的生产过 程中只能采用抽样检测，无法做到全检，误检率高。国内企业急需要一种能够应用 到电子元件生产线上，同时具备对元器件自动上料、定位、多参数测量、分选等功 能的自动化电子元件在线检测设备。 本课题针对企业的需要对电子元器件质量自动检测技术进行了研究，并以基本 的电子元件( 电阻、电容、石英晶振等) 的参数检测为研究对象，设计了一套电子 元器件质量自动检测设备，以满足企业的需求，对电子元器件的质量检测方法进行 了一些有益的尝试和探讨。 - 。一 1 2 电子元件质量检测国内外研究现状 电子元件质量的自动检测一直是国内外学者研究的重点。早期的元件参数检测 方法有阻抗法、q 表、电桥平衡法、7 c 网络法等，即将待测参数转化为电压和电流值。 如美国惠普公司生产的多频l c r 测量仪，可以检测电阻、电感和电容的大小，以及 测量d 值和q 值，该方法硬件电路复杂，在测试过程中需要调节很多参数。2 0 0 3 年， 2 第1 章绪论 由k o y 锄am i s u a 虹与w a t a n a b es h i g e n o r 【6 】等人提出了一种共振频率测量法测量大于 5 0 0 m h z 的晶振振荡器，试图对传统的频率测量方法进行创新。 另外，一些机构还在进行着检测仪的多功能性研究，努力使一个检测仪能够尽 可能地同时检测多项参数。例如日本三菱公司生产的一种半导体多功能自动检测系 统，可以对各种功率半导体的参数如开关参数、功率参数、热参数等做到一次定位 同时检测，从而使产品的检测效率提高了2 0 。西德s z 公司研制的m 3 0 0 0 系统以 及英国的d e lt e s t 公司的3 3 0 0 、3 3 5 0 、9 0 0 0 系统采用配备各类电子元器件测试的 测试头，通过更换测试头达到对多种类电子元器件进行测试的目的【刀。随着技术的发 展，多参数检测势必成为未来检测仪的必备功能之一。 另外，国外学者还将超声波检测技术应用到电子设备工艺控制与失效分析上【8 】， 对多层结构芯片的可靠性检测体现出不可比拟的的优越性。w c 1 y s a 等人对激光探 测元器件的热性能进行了研究，可以测量集成电路的表面绝对温度，测量分辨率可 以达到微米级，在质量和可靠性测量领域开辟了一个新起点例。m i c h lh e r t l ，d i a i l e w e i 蛔等人采用对i c 表面形状分析和热应力检测的方法分析集成电路的承受力， 可实现对元件产生物理故障之前的可视化预测【l o j 。p m 轮1 0 w l s o n 对电子元件的焊 接质量进行了分析 1 1 1 。虽然目前上述理论还正处于研究中，但可以看到国外正逐渐 将高、精、尖技术应用到电子元件的质量检测中，并正逐步取得多方面的成果。 我国在电子元器件的质量检测研究上起步较晚。随着改革开放和国内电子工业 的发展，我国从1 9 8 9 年开始贯彻军标，引进、制订了电子元器件的有关军用标准和一 规范，并通过贯彻标准取得了显著成绩，尤其对运载火箭和导弹的发展起到了重要 作用【2 】。在电子元件的检测技术上，国内学者对传统的l c r 检测方法进行改进，结 合微处理器技术，研制出了各种智能型自动测试系统。广东职业技术学院的王贵恩， 郭春香等人设计了一种采用单片机的便携式上参数测试仪，通过差值运算和数字 滤波法，有效提高了测试精度和稳定性【1 2 1 。大连理工大学的林秋华等人应用 p c l 8 4 8 a b 多功能i e e e 4 8 8 接口卡组建了由p c 机和z l 5 组成的l c r 自动测试系 统，并将该系统成功应用于湿敏元件的特性测试中【1 3 1 。北京华峰测控技术公司自行 研制开发的s t s2 1 0 0 【7 】电子元件测试系统，采用专用微机做为上位机，通过r s 2 3 2 串行通信接口管理和控制各个子智能化测试仪同时工作，实现了智能化与网络化检 测。2 0 0 9 年，深圳市华测检技术股份有限公司设计了一种全自动可焊性测试仪，利 用焊槽法对电子元件的可焊性能进行了自动检测1 1 4 j 。 1 3 机器视觉技术在尺寸测量方面的发展及应用 机器视觉技术是一种新兴的无损检测新方法，它通过视觉传感器( 即图像摄取 装置：c c d 或c m o s 图像传感器) 将被摄取目标转换成图像信号，这些图像信号包 含像素的颜色、亮度和分布等信息。然后由图像处理系统将图像信号转变为数字化 3 河北科技大学硕士学位论文 信号。微控制器对这些信号进行运算处理，抽取目标的特征，进而进行测量与判断。 机器视觉技术是对零件进行非接触测量的一种有效手段，可应用于在线高速度、高 精度的尺寸测量上。 国外率先将机器视觉技术应用到工业零件的检测中，不仅保证了零件质量而且一 提高了自动化程度。h n m a l l u e le d i n b a r o u 曲等人提出了一种以神经网络为基础的视觉 检测系统，并与机器人接口在线检测集成芯片的引线缺陷【l5 1 。e g u e m 和j r v i l l a l o b o s 提出了一种三维自动测量方法测量表贴封装元件的应用技术【1 6 1 。2 0 0 1 年， 香港的r s l u ，y f l i ，和q y u 等人将机器视觉技术应用到无缝钢管直线度的检测 中，并对1 5 0 0 l n l 长无缝钢管的直线度进行实验，具有很高的测量精度和稳定性【1 7 】。 2 0 0 1 年加拿大学者k b c e c i f 和n a g e l h 等人利用口d 及其视觉系统采用背光源的照 明方式，对螺纹边缘的轮廓进行检测，其分辨率能够达到0 0 5 m m 【1 8 】。2 0 0 4 年，南 斯拉夫大学j v i c ，m k o r o s e c ，j k o p a c 等学者提出了一种应用c c d 视觉系统测 量刀具磨损的一种新方法。将c c d 视觉技术与专门的激光光栅线结合，来测定刀具 的表面，与其它测量技术相比，具有明显的优势【1 9 1 。其它的，f r a r l c il a h a i 曲r 【2 0 1 ， d i m i t r i o sk o s m o p o u l o s 【2 1 1 ，t e h s i us u l l 田】等学者分别将机器视觉技术应用到了工业 上的不同领域，并取得的良好的效果。 在我国机器视觉技术也被逐渐的引入到尺寸的检测中。上海交通大学的金隼等 人应用机器视觉技术成功解决了电子接插件大批量制造过程中的质量检测问题【5 1 。浙 江工业大学郑秀莲等人应用机器视觉并结合图像处理技术检测晶振外壳的表面缺陷 瞄】。上海金动力生产的a c 1 0 型晶振检测仪，可以检测字符打印错误、字符重打、 外壳缺损、带中空位、1 8 0 度翻转等。上海交通大学的阮晓虹对基于机器视觉的触点 零件在线检测系统做了研究，并且从硬件和软件方面设计了一套完整的检测方案， 可以实现对触点零件一次流程双面检测其几何缺陷和纹理缺陷【2 4 】。湖北工业大学代 娜在其研究生期间对基于机器视觉的小型规则零件二维尺寸测试进行了研究，并搭 建了一套有效的轴承尺寸测量系统和端子尺寸测量系统【2 5 1 。河北科技大学于洁等采 用c m o s 图像传感器对片烟规格的测量进行了研究，并通过实验证明此方法能快速、 准确地统计各个面积段片烟比例，对指导生产具有重要意义【2 6 】。 1 4 本课题主要工作 1 4 1 主要研究内容 课题设计一种电子元器件质量自动检测设备，以提高电子元件质量检测的自动 化程度。该系统能够完成电子元器件的自动上料、精密定位，快速检测各种电子元 件的电阻、电容、谐振频率等关键的电气参数，以及对元器件引脚几何特性、可焊 性、气密性等的检测，并同时具备分选、记数等功能。在设计过程中，结合机电一 4 第1 章绪论 体化产品的特点，本着实用、简单、可靠的原则，主要完成如下工作： 1 ) 整体机械结构及其控制部分的设计。 2 ) 电子元件电气参数测量系统的软硬件设计。 。 3 1 对元件引脚可焊性检测的研究。 一 4 ) 图像传感器检测系统的软硬件设计。 5 ) 上位机人机交互界面的设计。 1 4 2 需要解决的关键技术 1 ) 电子元器件的精确定位问题 电子元器件在检测平台上的精确定位直接决定了后续检测的结果，所以如何准 确定位电子元器件是一个需要解决的问题。在设计过程中要考虑机械结构的设计、 定位方法的研究以及位置传感器的选用与安装等问题。 。+ 2 ) 电子元件一次定位多参数检测的实现 对电子元件进行定位后，如何依次检测出其等效电阻、等效电容、谐振频率、 可焊性、气密性以及引脚外形等参数，是本设计中需要解决的关键问题之一。在设 计中需要提出一种综合测量方法，并设计出具体的测量电路及其控制程序。 3 ) 对检测方法的创新性研究 对于电子元件电气参数的检测，需要设计新的检测方法及电路系统，提高检测 系统的自动化和智能化。 针对传统的润湿性检测引脚可焊性的方法的缺陷，需要提出一种新的可焊性检 测方法，实现对电子元件引脚的可焊性进行量化评估。 对于电子元件引脚的外形检测采用了图像传感器，如何令图像传感器输出准确、 稳定的检测数据是一个至关重要的问题。因此设计过程中要考虑满足测量精度要求 的图像传感器的选择、驱动电路设计、光源的选择与光路的设计，以及对镜头的要 求等问题。 一 4 ) 上位机人机交互界面的设计 为了提高电子元件质量检测系统的人机交互能力，需要设计一套上位机系统软 件，实现对质量检测过程进行控制，参数的选择，检测数据的显示、存储、调阅等 功能。因此，需要完成单片机与上位机的通讯= 上位机界面的设计以及软件的编程 等问题。 5 河北科技大学硕士学位论文 第2 章总体方案的设计 2 1电子元件质量检测设备的性能要求 - 从其结构上看，一个完整的机电一体化系统具有自动化、智能化和多功能的特 性。并且在满足使用要求和保证高生产率为前提下，做到技术先进、经济合理、制 造方便、安全可靠等【2 7 1 。 电子元件质量自动检测设备做为一个机电一体化系统，应具有如下的性能要求： 1 ) 使用性能。具有足够的机械强度和刚度，并具有良好的人机交互功能。电子 元件的自动检测过程中，可实现人工干预，并具有暂停和自动报警提示等功能；测 量结果可以显示在上位机显示器上，并具有存储、打印的功能。 2 ) 技术性能。可实现质量检测的自动化与智能化，对待测元器件进行自动上料、 定位、参数检测、分选：一计数等，同时具有较高的检测精度和检测速度。 3 ) 可靠性。系统具有较高的可靠性，在一般的工业现场可以稳定工作，故障率 低。 通过对相关生产厂家的考察，了解到厂家对检测系统的性能、操作、安全和可 靠性等方面的需求，对本课题电子元件质量检测系统提出了如下的要求： 1 ) 可实现电子元件的一次定位，多参数自动检测。 2 ) 良好的人机交互功能。 3 ) 达到规定的质量评定电子元器件规范中测量精度：电阻值和电容值的检测精 度达到3 ，晶振频率的检测精度达到1 0 0 p p m 。 4 ) 测量速度满足生产要求。测量速度为3 0 只分一5 0 只分。 5 ) 需要对电子元件引脚的可焊性进行量化评估。 6 ) 对电子元件引脚的外形进行检测。 2 2 电子元件质量检测设备的总体设计方案 电子元件质量检测设备主要由三部分组成：整体机械装置及其控制系统、质量 检测系统以及上位机人机交互系统。 电子元件质量检测设备整体机械装置如图2 1 所示。该设备由电磁振动自动上料 装置对待测元件进行上料：通过电磁振动料斗将散乱的元器件进行整理、排列，然 后通过电磁振动料道上料到定位检测装置上。定位检测装置对元件进行精密定位、 夹紧，然后对其进行各参数质量检测。最后元件经过出料、分流等工序完成整个质 量检测流程。另外，系统装置还包括报警器、支架、控制柜机箱等辅助设备。 6 第2 章总体方案的设计 l 报警器2 电磁振动料斗3 控制柜机箱4 电磁振动料道 5 控制单元及操作面板6 定位检测装置7 支架 图2 1整体机械装置示意图 f i 吕2 1d j a 野瑚o f 也eo v e m l lm 洳i 锄 质量检测系统是在单片机的控制下完成的。当元器件被上料到位并进行精确定 位后，由控制单片机发出检测信号。检测单片机和图像传感器测量装置的c p u 收到 该信号后，开始对该元器件进行电气参数测量和几何尺寸的检测。为了达到对元件 进行一次定位，多参数检测的目的，本课题采用模块化设计方法：首先独立设计各 个检测模块，然后由模拟开关和继电器将待测元件引脚分别切换入各个模块检测单 元中进行检测，并将检测结果输送到检测单片机中。由检测单片机统一对数据进行 分析处理并最终确定该元器件的质量参数是否符合标准，最后根据判定结果控制分 选装置，对检测的元器件进行分选。 同时，检测单片机通过总线和上位机进行通讯，将检测结果反映在人机交互界 面上。质量检测装置总体控制框图如图2 2 所示。 2 3 本章小结、 一 本章结合生产厂家的元器件性能指标以及实际应用情况，对所设计的电子元件 质量自动检测设备提出了总的性能要求。根据所要求的性能特点，提出了总体机械 机构部分和控制部分的设计方案，为后序的详细设计起到了一个指导思想的作用。 7 河北科技大学硕士学位论文 图2 2 系统总体控制框图 f i 孚2 2 c 明的i b l o c kd i a 弘珊o f 曲e0 v e r a j is y 咖m 8 第3 章系统整体机械结构的设计 第3 章系统整体机械结构的设计 3 1 机电系统的机械结构及其设计要求 任何一个机电系统，机械部分是整个系统的支撑部分和执行部分，是整个系统 优良性能的基础保证。因此，机械结构的设计是系统总体设计方案的重要内容。 概括的讲，机电系统中的机械结构主要包括以下几部分【2 8 】： 1 ) 传动机构。机械系统中的传动机构主要进行能量的传递和运动，其传动方式、 传动类型、传动刚度等特性对整个机电系统的运行精度、稳定性等有重大的影响。 2 ) 导向机构。导向机构的作用是使运动部件能够精确、安全的按照规定的要求 和方向进行运动。 3 ) 执行机构。要求其在一定动力源的作用下，完成所规定的操作，因此要求其 具有较高的灵敏度和精确度。 钔机座和机架。对整个系统起支撑作用，同时为各零部件的相对位置提供基准。 另外，机电系统对机械结构的基本要求有如下几点【2 9 】： 1 ) 高精度。精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、 工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电一体化机械系统的高 精度是首要的要求。 2 ) 快速响应。响应速度快，控制系统才能及时根据机械系统的运行情况得到信 息，下达指令，及时准确的完成任务。 3 ) 良好的稳定性。要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响，抗干扰能力 强。 在电子元件质量自动检测系统中，机械装置主要包括电磁振动自动上料装置、 定位检测装置以及筛选机构三个部分。为了达到以上基本要求，并结合工厂实际需 要，对以上三部分的机构进行了详细的设计。 3 2 电磁振动自动上料装置 电磁振动自动上料装置由电磁振动料斗、电磁握动料道、电磁铁等组成。该装 置以电磁振动的方式使料斗中的电子元器件进入螺旋料道，螺旋料道根据所驱动的 物体不同而具有不同结构。在螺旋料道行进过程中，电子元件的方向与位置逐渐由 无序变得有序，由凌乱变得一致。最后排列好的电子元器件在电磁振动力的作用下， 顺序进入宣料道中并以一定的速度向前滑动。图3 1 为电磁振动上料装置对石英晶振 的自动上料过程。 9 河北科技大学硕士学位论文 图3 1 电磁振动自动上料装置 f i g 3 l a u t o m a t i cf - e e d i i i gd e v i c eb ye l e c 圩o m a g n c t i cv i b 眦i 伽 由于目前国内有许多专业从事振动盘研发和生产企业，生产技术比较成熟，设 备质量优良，因此在本课题的研发中直接选购深圳某振动盘生产厂开发的h s 2 0 0 型 振动盘做为电子元件的自动上料装置。 3 - 3 定位检测机械结构的设计 3 3 1 定位检测机械结构的方案设计 对顺序滑动过来的电子元件进行精确定位的机械结构的设计是本课题的主要任 务。该机械结构的设计是后序对电子元件进行质量检测的基础。设计过程中，在保 证高精度、快速响应和稳定性的前提下，还要考虑电子元件体积小，重量轻的特点， 结合实际情况，确定符合要求的设计方案。 方案一：交流伺服电机或步进电机带动滚珠丝杠式的驱动方式实现元件的快速 输送和精确定位，但该驱动方式不可避免的存在运动间隙、惯量大、机械建立时间 长等不足，限制了系统的精度和速度的提高。 方案二：采用快速、精密、高速度的直线电机，可以避免滚珠丝杠传动中的反 向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，实现高精度、高速度驱动，且在高速位 移运动中达到高的定位精度和重复定位精度。但是直线电机存在振动高、动态刚性 一低、发热量大、成本高等缺点，对于本课题小型零件的上料定位不合适。 受直线电机的启发，设计直动电磁铁对元件进行快速输送并结合弹簧定位块进 行精密定位【3 0 1 。实验证明该方法动作迅速可靠，定位精度高并且控制灵活，成本低， 适合于小型零件的上料定位。经过综合比较，选用该方案进行机械结构的设计。 3 3 2 定位检测机械结构的总体设计 以石英晶振为例，设计了晶振的定位检测机械结构如图3 2 所示。 1 0 第3 章系统整体机械结构的设计 l i 图3 - 2 晶振的定位检测机械结构 一 f 嘻3 - 2p o s i t i 伽i n g 卸di n s l 增c t i 彻m h 锄i c a ls n l l 咖陀f i ”啪i 上料到位的石英晶振是在电磁拨叉的拨动下向前运动的。电磁拨叉由两个直动 电磁铁配合驱动。当前一个石英晶振检测完成后，电磁铁l 带动电磁铁2 逆时针转 动，将固定在电磁铁2 上的电磁拨叉卡入两石英晶振的中间间隙中。随后电磁铁2 推动电磁拨叉直线运动，将下一个元件送入预定位置，并顺势将前一个元件挤出料 道。同时，弹簧片推动定位块将晶振压在料道的右壁上，限制了晶振的左右方向的 自由度；另外将定位块的右边缘精密加工成晶振的外壳轮廓形状，使定位块压住晶 振的同时，也限制晶振上下方向的自由度，这样的方式实现了晶振的准确定位，如 图3 3 所示。 ； 舞 i _ - 定位块 r 、 r 、l 震斗中 、 入 一 弹簧片w 彩 图3 3 定位块的结构 f 谚3 - 3p o s i t i o n i n g b i o c k 咖蛐雌 为了增强元器件定位过程的自动化，在适当位置安装了传感器，实时监测元器 件的上料过程。本设计中选用了光电传感器，实现对元器件的非接触监测。光电传 感器的安装位置如图3 - 4 所示，选用发光管与接收管相配合方式，检测第一个元器件 1 1 河北科技大学硕士学位论文 与第二个元器件中间的缝隙，以确定下一个元器件是否运动到位。光电传感器2 选 用槽型光耦，安装位置如图3 5 所示。槽型光耦检测弹簧定位块是否运动到预定位置。 单片机根据光电传感器的状态，确定继续进行工作或报警。 图3 4 光电传感器的安装位置 图3 5 槽型光耦的安装位置 f i g 3 4 p o 鲥o no f p h o t o e l e c t r i cs 衄ri n s t a l l e d f i g 3 - 5p o s i 廿彻o f o p t oi n m e m l p t e ri n s t a i l e d 3 3 3双直动电磁铁的配合运动设计 两个电磁铁的装配图如图3 6 所示。电磁铁1 与一个成9 0 。拐角的联接机构配 合，将其直线运动转化为联接机构的圆周运动。联接机构固定于电磁铁2 上，于是 带动电磁铁2 进行逆时针运动，同时带动电磁拨叉卡入两晶振的间隙。然后电磁铁2 得电，进行直线运动，驱动晶振进入预定位置。随后电磁铁1 失电，带动电磁拨叉 做顺时针运动抬起。最后电磁铁2 又失电，使电磁拨叉退回，至此完成一次工作流 程。 图3 6 双直线电磁铁的配合 f i 辱3 - 6c 0 0 r d i n a 矗o no f 似oe l e c 仃。彻印e t s 3 3 4 直动电磁铁的选用 3 3 4 1 直动电磁铁工作原理 1 2 第3 章系统整体机械结构的设计 电磁铁是一种通电以后对铁磁物质产生吸力、把电磁能转换为机械能的电器。 电磁铁的应用广泛，许多自动化电器( 例如继电器、变换器、接触器等) 和自控、 气阀、电磁阀等，都是以电磁铁机构为主体构成的。电磁铁的型式很多，但它们的 基本组成部分和工作原理却是相同的，一般由铁圈、铁芯、衔铁三个主要部分组成【3 1 1 。 图3 7 螺管式电磁铁 f 嘻3 7 s o i o i de l e c 仃o m a 趼e t i c 本设计中选用螺管式电磁铁，如图3 7 所示。螺管式电磁铁只由线圈和铁芯两部 分组成。铁芯采用分段式结构，右端推杆采用铜杆制作，左端采用软铁制作。当线 圈中流过电流之后，在它的周围就会产生磁场。由于软铁的导磁性好，于是被磁化 成导磁体。根据电磁感应定律，线圈感应磁化后的导磁体的极性和线圈不同，于是 对铁芯有一个向线圈方向的电磁吸力作用。当电磁吸力大于弹簧的反作用力时，铁 芯带动推杆开始向右移动。当线圈中的电流小于一定值或断电时，电磁吸力小于弹 簧的反作用力，铁芯带动推杆将返回到原来的位置。 3 3 4 2 电磁铁参数的选择 电磁铁的设计过程首先要确定电磁铁的工作电压y ，工作行程三，电磁吸力f 等 基本参数；然后设计电磁系统的基本结构尺寸、缠绕导线线径、线圈的匝数以及线 圈的结构尺寸等；另外还要考虑电磁铁在持续工作过程中的温升。电磁铁合理的结 构和优良的特性不仅可以提高工作效率，保证运行的可靠性，而且还可以节约成本， 但是确定电磁铁的最优结构参数却并非易事。到目前为止，电磁铁的设计还没有一 个科学统一的设计公式，大部分还是靠经验数据来选择，然后试制样品进行实验， 根据反馈的实验现象再进行反复修改，直到参数合理为止。 一 在本设计中也采用了经验设计方法，经过反复校核，最终确定电磁铁的主要参 数如下： 电磁铁的通电电压矿= 4 8 v ；电流= 0 2 5 a ；工作行程三= l o 衄； 电磁铁外径d = 3 0 m m ；长度z = 5 5 衄； 铁芯直径d = 6 l i 吼； 缠绕导线直径d = 0 6m m ； 1 3 河北科技大学硕士学位论文 匝数甩= 1 6 0 0 。 3 3 5 检测触头机构的设计 为了检测电子元器件的电气参数，在元器件定位后需要将电子元件引脚引出到 质量检测系统中进行参数检测。这个过程是由检测触头机构完成的。检测触头有单 片机控制，待元件完成定位后，检测触头伸出，与元器件的引脚接触；检测完成后， 检测触头退回，与元器件的引脚自动脱离。 设计中选用直动电磁铁3 推动一个弹片运动。电磁铁断电后，弹片靠自身弹性 恢复到初始位置。检测触头固定在弹片上，靠弹片的运动实现与元器件引脚的接触 与脱离。 弹片的形状如图3 8 所示。弹片下端固定在底座上，中间部位通过一个通孔与电 磁铁推杆连接。弹片上端是导电触头，为了避免对元器件引脚的损伤，以及在测量 引脚可焊性时对元件引脚表面氧化层的破坏，采用柔软的导电橡胶作为触头。将导 电橡胶粘在弹片的上端，并通过导线引出。 弹片需要采用绝缘材料并且要具有一定的弹性。环氧树脂是一种具有高介电性 能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料，并且具有优良的力学性能和机械加工性 能。因此，在此选用环氧树脂作为制作弹片的材料。 导电橡胶触头 电磁铁3待测元件 图3 8 弹片的外形及其装配图一 f i g 3 - 8s h a p eo f n l es l l r a p n e l 锄di t s 勰s 哪b l yd r a w i n g 3 4 分选机构的设计 分选机构位于整个机械装置的最后一级，实现对优等品与劣等品的自动分流功 能。设计的分选机构结构如图3 9 所示。考虑到分选工作过程的负载很小，因此设计 中选用小直流电机作为执行元件。直流电机通过固定板连接到上料定位机械机构的 1 4 第3 章系统整体机械结构的设计 后方。 一 图3 9 分选机构示恿图 f i 吕3 - 9s 印删i o nm e c h a n 缸衄d i a 夸锄 初始状态下，挡板在扭簧的作用下位于左侧极限位置，由左侧定位块对其限位。 对待测元件进行质量检测后，如果元件为合格品，直流电机不动作，元件被分流道 右侧的储料盒内；如果元件不合格，单片机发送信号触发直流电机转动，使挡板转 动到右侧定位块处，则元件被分流到左侧的储料盒内。待对元件完成分流后，单片 机控制直流电机断电，挡板在扭簧的作用下恢复到左侧极限位置。至此，完成一次 元件的分流工作。 3 5本章小结 本章根据机电系统中对机械机构设计的基本要求，结合工厂实际需求，对整体 机械结构进行了设计。机械结构主要包括三部分的内容：电磁振动自动上料装置、 定位检测装置以及分选机构。本章对以上三部分进行了详细的设计，并阐述了整个 机械装置的工作过程及任务的实现方法。 1 5 河北科技大学硕士学位论文 第