双轨道IGBT自动上料装置的研制

双 轫 道 I G BT 自 动 上 料 装 置 的 研 制口 张友旺 口 段晓威 1,2 口 罗昌杰z1．中南大学 机电工程学院 长沙 4100832．中国科学院深圳先进技术研究院 精密工程中心 广东深圳 518055冰摘 要：针对 IGBT目前暂无成熟的自动上料装置，在对IGBT上料工艺进行研究的基础上，研制了双轨道 自动上料装置。该装置结构上 由两条独立的供料轨道 结合 直角三 坐标机 器人构成 ；动力方面采 用主 、被 动结合 的方式 。对上料轨迹进行 了计算优化，通过对主动供料过程的仿真和实验平台的搭建，验证 了上述设计的正确性。

关键词 ：上料工艺 自动 上料 双轨道 上料轨迹中图分类号：TH6；TH123 文献标识码 ：A 文章编号：1000—4998f2013)10—0013—05电 子 行 业 蓬 勃 发 展 ，电 子 元 器 件 装 配 工 艺 ?则 是必不 可少 的重 要环 节 ，散热 片 和 IGBT(双 极 型 晶体管 )的连 接是 常见 的一 道 工艺 ，其装 配 工艺 是 ：通过 螺钉 和螺 母 ．将 指定 型号 的 IGBT紧 固在 散 热 片上 (如 图 1所示 )。

在上 述装 配工 艺 中 ．IGBT的 自动 上料 是 一关 键 工艺 。目前 IGBT的上料 都 由人工 完 成 ，成 本 高 ，效 率低 ，生 产过 程 容易 带入 静 电 ，不 利 于产 品质 量和 工人 安全 。

国 内 外 暂 无 介 绍 IGBT的 自动 上 料 工 艺 ， 更 无 相 关 自动上 料 装 置 的研 究 ．仅 有 的几 种 自动 上料 装 置 仅 供参考 ：振 动 盘实 现 自动排 列 、上料 E21，但 其会 影 响 IGBT内部 结 构参 数 ：采 用气 吹 的方式 实 现 螺 $3-自动 上 料 ，但IGBT的 不规 则形 状 使其 很 难保 证 可靠 性 ；SCARA(平面型 关 节 机器 人 )机 械 臂 配合 机 器 视觉 来 实 现 自动上料 ，其 开发 成本 较 高 ，周期 长 。

为 此 对 双 轨 道 IGBT 的 自 动 上 料 装 置 进 行 了 研 制 ，采 用 主 、被 动 结 合 的方 式 实 现 上 料 。该 装 置 利用IGBT自身 重力 实 现 主动下 滑 ，同时实 现被 动 的横 移 ，再 依 次 实 现 夹 取 、转 移 ，最 后 实 现 自动 上 料 、定 位 ，弥补 了 国 内外 针 对 IGBT 自动 上 料 装 置 研 究 的 空 白 ，并且 其 双 轨 道 、主 被 动 结 合 上 料 的 设 计 思 想 对 类 似 IGBT女广东省产学研项 目(编号：2011A090100019)收稿日期：2013年 3月机械制造51卷 第590期圃一 丽 蒙 一团IGBT依靠 IGBT滑移分 转移至产品自重实现 拣，保证动作时 夹具，实现主动下滑 序及操作空间 装夹、定位▲图2 双IGBT自动上料工艺及工序示意图形 状 的 微 小 不 可 振 动 元 器 件 的 上 料 提 供 了 指 导 性 意义 。

1 双轨道 IGBT自动上料装置工艺分析针 对 IGBT来 料 特 性 为竖 直料 管 的形 式 ．设 计 成依靠 自身重 力下 滑 的主动 供料 方式 。对需 要 同时进 行两 种 类 型 IGBT的 自动上 料 ．先 进 行 IGBT的分 拣 横移 ，留 } 空 间 及 时 间 实 现 IGBT的 夹 取 、转 移 ，最 终 实现 IGBT的 一动上料 、定 位 。

根 据 上 述 ]二艺 分 析 ?。研 制 的 针 对 IGBT 的 双 轨 道自动 上 料装 置包含 3个 工 序 ，如 图 2所示 。

1)IGBT主 动供 料 。IGBT依 靠 自身重 力 实现其 从上到 下 主动下 滑 和 以正 确姿 态依 次排 列 。

2)IGBT 自动 滑 移 。实 现 两 种 型 号 IGBT的 横 向 滑移 ，避 免 布局 干涉 和方便 其按 顺序 夹 取转移 。

3)IGBT 自动转移 。实现 IGBT从 滑移 机 构到产 品夹具 的转 移 ，最 终 实现 双 IGBT的装 夹 、定位 。

2 双轨道 lGBT自动上料装置结构设计以 上 装 置 由 主 动 供 料 机 构 、 自动 滑 移 机 构 以及 自动转移 机构 构成 。Z轴 (竖直 )布置 主动供 料机 构 ，I，轴(横 向)布置 自动滑移机 构 ， 轴 (纵 向)布置 自动转移 机构 ，空 间结构布 局如 图 3所示 [ ，三维 模 型如图 4所 示 。

2．1 主 动 供 料 机 构主 动供 料 机构 为双 轨 道 供 料 ．不 同型 号 的 IGBT依靠 自身 重力 实现 Z轴 主动下 滑 。结合 IGBT来 料 、最2013／10画主动供料机构移机构 移机构▲图 3 IGBT自动上料空间结构布局示意图终 上 料 姿态 以及 考 虑 到现 场 工况 等 缘 故 ．设 计 的 主 动 供 料 机 构如 图 5所 示 。

主 动 供 料 过 程 如 下 ：步 进 电机 通 过 同 步 带 带 动 IGBT 料 架在 线 性 滑 轨 上 移 动 ，IGBT料 架上 插 入 IGBT料 管 ，其 出料 口依次对 准 人 口．依靠 IGBT 自身的 重 力 。沿 着 滑 槽 的 轨 迹 A 、曰、C 实 现 IGBT 的 主 动 下 滑 供 料 。

气▲图4 自动上料装置三维模型示意图 ▲图 5 主动供料及自动点胶机构三维模型示意图▲图6 自动滑移机构三维模型示意图当检测 到 一 根 1GBT料 管供 料 完成 时 ，步 进 电机 控制IGBT料 架 滑动 ，实 现 后续 IGBT料管 出料 口对 准 A 入口．实 现主 动下 滑供料 ，依 次循环 。两 4-主动下 料组 件并列 放置 ，就构 成 了双轨道 主 动下料 机构 。

此 机 构 设 计 的关 键 在 于 滑 槽 轨 迹 A、曰、C 参 数 的确定 ，此 主动供 料机 构具有 以下 优点 。

1)巧 妙 地 将 IGBT 的 姿 态 自转 了 90。．并 且 无 须任 何 附 加 动 力 机 构 。

2)能 进 行 两 种 不 同 型 号 的 IGBT 同 时 下 滑 供 料 ，相 互 无 影 响 。

3)料架 上能 同时插 上多 根料 管 ，并且 自动 连续 实现 IGBT下 滑供 料 ，自动化 程度 高 。

4)只 需 改 变 下 滑 轨 道 截 面 形 状 ，就 能适 应 其 它 形状 物体 的下滑 ．适应 好 。

5)整 条 主 动 供 料 轨 道 过 渡 平 滑 ．下 滑 供 料 稳 定 性高 。

2．2 自动 滑 移 机 构为避 免 布局 干 涉 ，方便 双 IGBT的分 拣 、夹 取 和转移 ，设 计 了 自动滑移 机 构 。如 图 6所示 ，自动 滑移 机构是 为 了实现 两种 IGBT的 y轴运 动 。

此 自动 滑移 机构 对 于不 同型 号 的 IGBT，提 供不 同的 滑 移 通 道 。A 型 IGBT的 滑 移 轨 迹 是 C— D— E。B型IGBT的滑移 轨迹 是 C 一，) 一E ，当 IGBT到达 C、C 位置 后 ，由后 续 IGBT施 加 的 推 力将 其 推 至 D、D 处 ，然后 由气 缸 A。或 B 推动 滑块 A：或 B ，将 对应 IGBT滑移 至 E、E 处 ．在 此 处 等 待 自动 转 移 机 构 的夹 取 和 转移l回 2013／10此处滑 块 A：、B2中较大 质量 为 180．95 g，其 表 面粗糙 度 为 R 1．6 Ixm，在 整 个 支 板 中 的 摩 擦 因 数 约 为0．25 那 么其 在 支 板 中 滑 动 所 受 滑 动 摩 擦 力 不 到 1 N，对 缸 径 为 16 mm、工 作气 压 在 0．2 MPa的气 缸 A1、B.

来 说 ．其 产 生 的 推 力 或 拉 力 最 小 为 14．6 N 6]，滑 块 能 很 顺 畅滑 动 ，机构 稳定 性很 高 。

2．3 自动 转 移 机 构当 IGBT完成 自动滑移 动 作后 ．就 由 自动 转移 机构 将 IGBT转移 至产 品治具 中 。该 机 构如 图 7所示 。

图 7中所 示 的 z轴 运 动 方 向 由 滑 台气 缸 驱 动 完成 ，X 轴 运 动 方 向 由伺 服 电机 与 KK模 组 组 合 驱 动 完成 ．IGBT的 自动夹 取 由平行夹 气缸 驱动 完成 。

3 下滑轨迹分析根 据 上 述 机 械 设 计 ，分 析 IGBT 的 整 个 自动 上 料机械制造51卷 第590期轨 迹 [ ，其 上料 轨 迹及 IGBT的实时 姿态 如 图 8所示 。

图 8中 ，箭 头 方 向 即 为 IGBT 自动 上 料 轨 迹 ，图 中各 点显示 为 IGBT实 时姿 态 。其 中 一 D为 IGBT依靠重 力 实 现 的 主动 运 动 ，稳定 性 是 关 键 ；D—E为 IGBT被 动 实 现 横 向 滑 动 ．E一 日 为 IGBT 被 动 实 现 自 动 转移 ，稳 定 性 都 较 好 。 因 此 主 要 对 A一 一 C— D 这 段 轨迹进 行 分析计 算 。

如 图 9所 示 ，在 IGBT主 动 供 料 轨 迹 A一 曰一 C— D中 ，A— B 段 为 竖 直 阶 段 ，B— C 段 为 圆 弧 过 渡 阶 段 ，C— D 为 水 平 阶 段 。 其 中 h为 竖 直 阶 段 高 度 ，r为 圆 弧 过渡 阶段 半径 ，s为 水平 阶段 长度 。 为 圆弧 过 渡 阶段 中微元 与水 平方 向夹 角 ，dO为微 元 段角 度 。

晶体 管 大小远 小 于料 槽 轨迹 长度 ，因此不 计 其 大小 ，将其 简 化 为质 点 。分 别对 A一 、 — C、C—D 段 的晶体 管质 点进 行 受力 分析 。

(1)A— B 段 ：竖 直 方 向 的运 动 方 程 为 ：，1+G1一 = 一01 (1)g(2)B— C段 ：法 线 凡方 向的力 平衡 方程 ：Ⅳ2=G2sin0 (2)切 线 t方 向 的 运 动 方 程 ：F2+G2cos0_ 一／2= La2 (3)g(3)C— D 段 ：竖 直 方 向 的 力 平 衡 方 程 ：Ⅳ3=G3 (4)水 平方 向的运 动方 程 ：槽 滑 轨 对 IGBT 的摩 擦 力 ；g表 示 重 力 加 速 度 ；。表 示 此段 IGBT切 线 方 向 的 加 速 度 。

令 IGBT 质 量 为 m，料 槽 滑 轨 与 IGBT之 间 的 摩 擦因数 为 肛，根据 滑动 摩擦 力公 式 ：f=#xN将 式 (2)代 入式 (3)，得 ：+G2cos — G2sin0一 ：g将 式 (4)代人 式 (5)，得 ：— G3一 ： Lg(6)(7)对 A—B段 进行 整 体 分 析 ：因 G1=mgh，当 IGBT料管 中 IGBT上 料 完毕 后 ，根 据边 界 条 件得 到 =0，代 入式 (1)得 ：=mh(g_。 ) (8)r 2对B--~C段进行整体分析：因G2= J。dO ，根据 作用力 与反作 用力 ， ： ，代入 式 (6)得 ：叮r 丌 ．Trf 2 f 2 r 2一 =tara2 J。dO+mgrtz J。sin0d0一， J。cos0d0一 T2mmF( "iT~+gtx-g) (9)对 C—D段进行整体分析 ：因 G3-mgs，根 据作用 力与反作用力 ， = ，根据 边界条件得 T~--0，代入式 (7)得 ：T~=ms(g +啦) (10)对整 个 A—D轨迹 进 行综合 分 析 ：。 =az=a3，结 合式(8)、(9)、(10)，得 ：a l= o~2= o／3= 上 g (11)+ s+ —"
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- ，机械制造51卷第590期 2013／10固▲图 10 IGBT主动下料过程仿真示意图2 0001 600l 2000 0
． 1 O．2 O-3t／s t／s▲图l1 IGBT主动下料过程速度、加速度示意图针 对 研制 的 自动上料 装 置 ，在 考 虑 到 IGBT本 身的大小 、整个装 置 的结构 布局 以及 调试 、生 产 的便 利性 ，确 定 设 计 参 数 ：h=155 mm ，r=l15 mm，s=33 mm，代入式 (11)， >0。满 足计算 条件 。

4 仿真与实验为 了验 证上 述 轨 迹分 析 和 轨 道截 面 尺 寸计 算 ，对IGBT的主动下 料过 程进 行 了仿 真 ，搭 建 的仿 真平 台如图 10所 示IGBT在 图 10所 示 的模 型轨 道 中 ，受 其 自身重 力 、下料 轨道 对其 摩擦 力 以及 轨 道对其 约束 力 ，以初 速度为 0的初 始 条 件 释 放 ，通 过 ADAMS仿 真 ，得 出 IGBT整 个 下 料 过 程 的速 度 、加 速 度 曲线 ，如 图 ll所 示 。

在 图 ll中 ，在 开 始 0～0．17 S内 ，IGBT作 自由落体运 动 ，左 图 中 的速度 曲线为 直线 。即加速 度 恒 定 ，在 右图 中 的 加 速 度 曲线 中 可 以看 出 。其 加 速 度 即 为 重 力 加速 度 g：在 0．17～0．225 s中 ．IGBT进 入 网 弧 过 渡 ，此时 重 力 加 度 的 切 线 分 量 大 于 IGBT所 受 滑 动 摩 擦 力 .

IGBT依 然加 速 ，可 能 由于碰 撞 ．有 罔 巾的加 速度 nn线出 现 跳 跃 ；在 0．225～0．275 s内 ，重 力 加 速 度 的 切 线 分量 小 于 IGBT所 受 滑 动摩 擦 力 ，IGBT减 速 ，由于 碰撞 ，右 图 中 的加 速 度 曲 线 依 然 出 现 跳 跃 ：在 0．275～0．3 S内 ，IGBT切 线 方 向 只 受 滑 动 摩 擦 力 ，加 速 度 恒 定 ，方 向与 速 度 相 反 ，速 度 出 现 匀 速 下 降 。

仿 真 之 后 ．再 进 行 实 验 验 证 。根 据 图 4设 计 的 双 轨道 IGBT 自动 上 料 装 置 ，搭 建 了 该 装 置 的 实 验 平 台 。该装 置 的 实 验 平 台 如 图 12所 示 。 图 l2 中 的 左 上 图 为IGBT 自动 上 料 装 置 的 俯 视 图 ．左 下 图 为 IGBT 自动 上料装 置 的斜 轴 测 图 ，右 图为 IGBT在滑 槽 中主 动上 料的 放 大 示 意 图 。

对 现 场 工 人 的 操 作 进 行 了 统 计 ：工 厂 实 行 三 班 制 ，每班 工人 每 天 工作 8 h，加 上休 息 时 间 ，每班 4个 工人完 成 6 000个 图 1所 示 的 散 热 片 和 IGBT的 连 接 ，其 中两个 工 人 负责 两种 型 号 IGBT的上 料 ．即一个 工人 一天 能 完 成 6 000个 IGBT 的 上 料 ．平 均 每 个 TGBT所 需时 间 14．4 S1圃 2013／10自动转移机构主动供料机构自动滑移机构主动供料机构自动转移机构自动滑移机构▲图 12 双轨道 IGBT自动上料装置试 验平台由 于 IGBT主 动 供 料 机 构 不 断 持 续 供 料 ． 所 以 主动供 料 过程 不 占时间 ．主 要是 IGBT滑 移 和转 移 占用较 多 时 间 。 通 过 对 上 述 实 验 平 台 进 行 了 大 量 的 生 产 实验 ，其 每 班 (8h)能 完成 8 000个 图 1所 示 的散 热 片 和IGBT 的连 接 ． 即 完 成 了 16 000个 IGBT的 自动 上 料 。

T 厂 实 行 三 班 制 ， 即 一 天 24 h能 完 成 48 000个 IGBT的 自动 上 料 ，平 均 每 个 所 需 时 间为 1．8 s。与 上 述 工 人 操 作对 比可知 ：效 率提高 8倍 ，并且故 障率低 ，可靠性高 。

5 结束语本 文在 对 IGBT的上 料工 艺 研究 的基 础上 ，研 制了其 双 轨 道 自动 上 料 装 置 。该 装 置 由两 条 独 立 的 供 料轨 道结 合经典 的直 角三 坐标 机器 人构成 ，即相 当 于两个 工 人 同时 进 行 IGBT 的 上 料 ，效 率 提 高 8倍 。在 提 高生 产 效 率 的 同 时 ，减 少 电 子 元 器 件 装 配 中人 工 干 预 ，根除静 电干扰 ．对产 品质 量 、一 致性 和工 人健 康都 有积 极作 用 。

该 自动 上 料 装 置 中 主 、被 动 结 合 的 自动 上 料 方 式以及 自动料 轨迹 的设计 ．对 类似 物体 的 自动上 料装 置的 设 计 具 有 指 导 性 意 义 ． 也 填 补 了 针 对 IGBT 自动 上料 装 置 研 究 的 空 白 。

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、-O O ∞ ∞
基于TMS32OF28335的无人机机载智能接口卡设计口 肖 垄 口 闰 杰 口 靳文平西北工业大学 航天学院 西安 710072摘 要：针对某型无人机机载飞行控制计算机多种接 口需求以及集成度要求高的特点，采用 DSP处理器、双口RAM和 PC104总线来完成 CAN、RS422、TFL232／RS232等多总线接口以及多路 A／D和 PWM舵机控制电路的设计．具有结构简单、实用性强的特点。简化 了无人机飞控计算机的设计，具有一定的推广价值。

关键词 ：无人机 DSP PC104 CAN总线中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1000—4998f2013)10—0017—04随 着无 人 机 技术 的 迅猛 发 展 ，低 成 本 、高 可 靠 性 、多 功 能 结 构 的 飞 行 控 制 系 统 已成 为 当 前 研 究 的 热 点 之 一 [。 为减 小 开 发风 险 ，降 低设 计 成本 ，采 用 集 成度 高的片上 系统 DSP器件 进行 外部 接 口板 设计 是 合适 的 。

目前 ，一 方 面 中小 型 无人 机 飞控 系统 接 口种类 较多 ，如 卫 星 定 位 模 块 多 采 用 RS232总 线 结 构 ．无 线 电链 路 和 任 务 管 理 采用 R$422总 线 结 构 _2]。惯 性 及 大 气传 感器 一 般 采用 A／D采 集 方式 ．舵机 以 PWM 方 式 进行 控 制 [3 3．另 外 飞行 控 制 计 算 机 在 闭环 仿 真 实 验 及 故障检测 中 ，通常 采 用 CAN总线 。另一 方 面 ，为 了便于 机载 自主 软 件 开 发 ． 主 控 计 算 机 一 般 采 用 PC104或ETX，这 些 嵌 入 式 主 板 接 口 单 一 ，难 以 满 足飞行 控 制 系统 多接 口需 求 。因此需 要集 成 度高 的 接 口板 ．通 过 PC104总线 。实 现 飞 控 系统 多 接 口扩 展 。

为 了适 应 多 种 接 口应 用 的 变 化 。缩 短 开发周 期 ．本 文主 要研 究 了基 于 PC104总线 接口 卡 的 开 发 。 利 用 片 上 系 统 的 DSP 器 件 TMS320F28335 和 双 口 RAM 器 件 1DT7OV27以 及 相 应 的 总 线 驱 动 芯 片 和 接 口电 路 ， 以 简 洁 的 方 式 实 现 了 多 种 接 口到PC104总线 的通 信转 换 。

1 硬件原理设计收稿 日期：2013年5月·+ ”+ “+ “+ ”+ ”+ ”+ -+ 一+ 一+ [3][4][5]硬 件设计 主 要分 两部 分 ：一是 板上 处理 器 如何 实现 多 种 接 口 的 连 接 ；二 是 板 上 处 理 器 与 PC104总 线 的桥接 。前 者在 采用 含 多种 接 口的处 理器 (F28335)的同时 ，利 用相 应外 围转换 器件 进行 接 口扩展 。后 者一 般采用多 端 口 RAM 进 行高 速数 据传 输 。

由 于 TI公 司 的 DSP器 件 TM$320F28335(以 下 简称 F28335)具 有 150 MHz的工作 频率 和 内部 256 K字Flash。 片 上 含 多 种 串 行 口 f包 括 CAN、McBSP、SPI和2SCI)[ ]以及 16路 A／D采集 通 道 、6个脉 冲计 数 通 道 和12路 PWM 脉 宽 调 制 控 制 通 道 ． 因此 以该 DSP为 核心 ，很 容 易 实 现 多 种 接 口 的 连 接 。 采 用 3．3V 供 电 的山大学 ．2011.

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