应用于SMT生产的高精度支撑夹具设计

应用于SMT生产的高精度支撑夹具设计

王旭东

珠海市格力电器股份有限公司，广东省珠海市，519000

摘要：贴装产品更换是贴片机（SMT）生产过程中的重要环节，以往都是采取人工布置的形式布设顶针，此过程常受到人为因素影响导致布针位置存在偏差，破坏芯片。针对这一现状，有必要设计一种适用性强的高精度支撑夹具，可独立控制支撑顶针高度，达到更好的支撑效果，为贴装品质进一步提供保障，确保SMT生产质量。基于此，本文从贴片机整体机械结构特点出发，对应用于SMT生产的高精度支撑夹具进行创新设计，并针对现存问题提出优化方案，以供相关人员参考。

关键词：SMT；贴片机；支撑顶针；高精度夹具

在电子产品生产过程中，贴片机（SMT）应用十分广泛，是一种能够将表面贴装元器件借助移动贴装头，在PCB板焊盘上精准放置的设备，通常情况下，贴片机配设在点胶机、丝网印刷机后。在贴片机结构中，支撑顶针发挥着至关重要的作用，在支撑顶针结构上固定电路板，能够保障生产过程中产品贴片生产质量。当下常用的贴片机支撑顶针在应用过程中暴露较多缺点，应用效果并不理想，而当前各专家提出的改良意见中，控制系统程序优化只能暂缓问题，无法长期匹配使用，特殊机械结构又过于复杂，难以进行后续升级改造。因此为进一步提高贴装质量，避免元器件受损，加强对应用于SMT生产的新型高精度支撑夹具是十分必要的。

一、整体机械设计

贴片机支撑顶针整体结构分为底座、垫块、固定座和多个支撑顶针四部分，多个定位孔均匀布设在固定座上，定位孔包含第一通孔和第二通孔，孔状呈圆形，第一通孔与第二通孔相通，孔径略大于第二通孔，可直通固定座底壁[1]。此外，在第一通孔与第二通孔之间的结构被称为限位壁，限位壁在后续贴片产品更换环节能够帮助支撑顶针复位。夹具整体内部结构由固定座、定位孔、第一通孔、第二通孔、限位壁、支撑顶针、第一轴部、第二轴部、弹性件、垫块、第一让位孔、第一凹槽、第一连接壁、第二凹槽、平垫圈等构成。整体结构如图1所示。

图1 整体结构

二、支撑夹具设计

支撑夹具由固定座、第一固定孔、支撑顶针、弹性件、垫块、第一凹槽、第一连接壁、第一收容空间、平垫圈、第一磁铁、第一沉头孔、第一沉头螺钉、第二磁铁、第二沉头孔、第二沉头螺钉、繁固件构成。在定位孔内分别装设支撑顶针，在支撑顶针内部结构中，存在第一轴部和第二轴部，形态均呈圆柱形。通常情况下，可以将第二轴部看做第一轴部的向上延伸，其直径小于第一轴部，与第第一轴部直接接触限位壁。第一轴部、第二轴部分别对应匹配第一通孔和第二通孔，第一轴部、第二轴部直径要略小于第一通孔、第二通孔直径，第一轴部不能活动于第二通孔内，第二轴部可活动于第一通孔和第二通孔中。一般情况下，支撑夹具中选择橡胶作为支撑顶针材料[2]。

在支撑夹具中设有弹性件，弹性件顶端与平垫圈接触，平垫圈处于弹性件与支撑顶针之间，其外径通常大于第一轴部直径，弹性件底端与垫块顶壁相接。一般情况下，结合对第一轴部支撑面的综合考量，为进一步保障第一轴部下压时弹性件压缩质量，装设在支撑顶针与弹性件之间的平垫圈通常直径较大，通过增加平垫圈直径扩大支撑面，以此减轻第一轴部受力，高效压缩弹性件。在此设计中，一般选择弹簧或橡胶作为弹性件使用。

本设计的亮点在于弹性件的应用，支撑顶针下方装设的弹性件能够借助自身弹力实现对顶针高度的自由控制。将电路板放置在支撑顶针上，电路板下方贴装高度不一的元器件，在水平状态下，针对弹性件自身弹力，相对较高的元器件能够对其产生抵抗力，对支撑顶针持续压缩，导致支撑顶针高度不一。撤下电路板后，考虑到弹性件弹力作用，支撑顶针能够在定位空中移动，在第一轴部与限位壁接触时对支撑顶针进行限位，支撑顶针则可复位[3]。在此设计中，支撑顶针下方的弹性件能够独立发挥作用，实现对支撑顶针高度的自由控制，从源头减少对元器件造成的损害，有效保障贴装品质。如图2为支撑结构。

图2 支撑结构

三、底部固定机构设计

支撑夹具底部结构由固定座、支撑顶针、第一轴部、第二轴部、弹性件、垫块、第二固定孔、第一让位孔、底座、第二让位孔、第二凹槽、第二连接壁、第二收容空间、第一磁铁、第一沉头螺钉、第二磁铁、第二沉头孔、第二沉头螺钉、紧固件组成。固定座上有很多第一固定孔，与第一固定孔相对应垫块处有许多第二固定孔，借助螺栓等紧固件，垫块贯通穿过第一、第二固定孔固定垫块。第一固定孔需设于固定座两边，第二固定孔设于垫块两边，以此预防定位孔整体布局受到第一固定孔影响[4]。但底部固定机构设计空间有一定局限性，且紧固件大小不能超出一定范围，可以在垫块出装设让位槽，用于紧固件让位，将垫块空间尽可能充分利用。

第一磁铁固定于垫块底部位置，第二磁铁固定于底座顶部位置，二者均呈环形。在第一磁铁下部对应位置处可观察到第二磁铁，两个磁铁对应位置磁性相反，产生吸引力，用于固定底座于垫块上。此设计能够快速定位底座，并将其与垫块建立连接，具有便于安装的显著优势。此外，对于有不同支撑高度需求的不同贴片机安装，无需更换垫块、固定座，仅需将底座更换即可达到安装目的，可大大缩减更换时间

[5]。此类设计能够充分结合第一磁铁、第二磁铁、支撑顶针的优势，利用可移动独立支撑顶针在短时间内完成简单的整体操作，极大程度缩减更换时间，提高布置速度。近些年，随着技术的不断进步，SMT生产朝向电路板小型化、客制少量多样化方向发展，在这种情况下，和以往SMT支撑结构相比，此类新型高精度支撑顶针夹具设计体现出明显优势，不仅能够将换线时间大大缩短、产品品质显著提升，还能缩减人工成本，保障生产质量。

在垫块上，与第一磁铁上第一沉头孔相对位置设有第一让位孔，第一磁铁与垫块的固定连接，依靠沉头螺钉实现。同理，底座上与第二磁铁上第二沉头孔对应位置设有第二让位孔，第二磁铁与垫块的固定连接依靠第二沉头螺钉实现[6]。此种设计方式，能够在短时年内完成第一磁铁与第二磁铁在垫块、底座上的固定，且整个安装环节十分简单易操作，有效利用空间也有所增加。

由底部向上垫块上有许多第一凹槽，凹槽间设有第一连接壁，自顶部向下，垫块上设有第二凹槽，凹槽间设有第二连接壁。通常情况下，对于金属材质的垫块、底座，可以通过第一凹槽、第二凹槽的设置将自身重量减轻，且能够有效实现成本控制；对于塑胶材质的垫块和底座，也可以借助第一凹槽和第二凹槽均匀垫块、底座厚度，同时减少缩孔等塑胶材料注塑缺陷的发生概率。此外，第一连接壁和第二连接壁的装设对于增强底座、垫块结构强度也起到关键作用。

第一让位孔处于在第一连接壁上，第二连接孔处于第二连接壁上，若想保障连接质量首先要保证孔深。磁铁不可以突出垫块底面，因此由底部向上，第一连接壁设有第一收容空间，收容第一磁铁；由顶部向下，第二连接壁设有第二收容空间，收容第二磁铁[7]。

通过这种设计改良减小垫块、底座结构的整体体积，为SMT安装底座顶面与底面的顺利贴合提供保障。值得注意的是，为进一步增强底座与垫块连接效果，在等间隔位置处，每隔三处的第一连接壁、第二连接壁便分别凹设有第一收容空间和第二收容空间。

四、验证结果分析

结合上文所提设计方案，将设计进行试验实践，探讨设计可行性，经一个月的调试与运行试验得出表1对比结果。高精度改良前，SMT使用的是钢制支撑顶针夹具，对于不同产品更换需提前由工作人员制定PIN图，每次进行产品更换时需人力布置顶针，对工作人员专业能力要求极高[8]。总布置时间长达三十分钟，且此过程中稍有位置偏差便会导致电路板元器件受损，因认为因素导致的次品率高达千分之八到千分之十。经设计改良后，新型高精度支撑顶针夹具操作十分简单，布置过程鲜少需要人工干预，对工作人员要求降低。每次进行插贴产品更换花费时间仅需三到五分钟，且顶针安装检测只需要肉眼观察即可，工作人员劳动强度因此大大降低，次品率也降至千分之三以下，能够完美达到预期目标，符合验收要求。

表1 设计改良前后对照

结束语：

综上所述，本文提到的应用于SMT生产的高精度支撑顶针夹具，在固定底座、支撑顶针、弹性件等多个部位都进行详细设计优化。这种新型支撑夹具能够借助支撑顶针下方装设的独立弹簧，实现对顶针高度的单独控制，电路板高低元器件也呈现良好支撑。通过对支撑顶针夹具的设计优化，SMT生产过程将减少人为因素造成的影响，仅需在物料补充环节进行人工干预，不仅可以减轻工人负担，还能有效减少贴装误差，保障产品生产质量。由此可见，这种应用于SMT生产的高精度支撑夹具值得推广应用。

参考文献：

[1] 徐平凡, 肖文勋, 徐鸣利,等. 应用于SMT生产的高精度支撑夹具设计[J]. 机电工程技术,  2021, 50(11):116-118,188.

[2] 杨壮志, 白羽林, 戎青青,等. 基于TRIZ理论的涡旋夹具创新设计[J]. 机械设计,  2022, 39(2):6.

[3] 徐刚, 邱行, 陈锋. 适用于激光机加工宝石测量头的专用夹具设计[J]. 现代制造技术与装备,  2022(5):58.

[4] 唐坤, 王新华, 张俊辉. 汽轮机静叶片端面加工通用夹具设计应用[J]. 新技术新工艺,  2022(12):4.

[5] 余辉汤秀清程振涛石平义成石峰. 基于气浮原理的刚轮加工自动化夹具设计与应用[J]. 机电工程技术,  2021, 50(1):13-16.

[6] 郭俊, 王新, 武艳慧,等. 车床车削内孔夹具的设计与应用探讨[J]. 中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,  2023(2):4.

[7] 张利男, 宋江勇. 面向焊接夹具设计的CATIA综合应用研究[J]. 机电产品开发与创新,  2022(2):35.

[8] 程治国, 邱仁贵. 基于32位ARM全自动高速SMT贴片机控制系统的设计与实现[J]. 机电工程技术,  2021(8):50.