基于MLCC 电子陶瓷的片式电子元件高速智能切割机的设计和实现

时间：2024-07-28

梁国衡

（肇庆市宏华电子科技有限公司，肇庆 526060）

随着现代电子产品的发展，电子陶瓷逐渐成为电子元件制造中不可或缺的重要材料。电子陶瓷主要应用于电容器制造，尤其是多层陶瓷电容器（Multilayer Ceramic Capacitor，MLCC）。随着市场对电子产品小型化、高性能化、高可靠性的需求不断增加，MLCC电子陶瓷的制造也面临着更高的要求，特别是在切割工艺方面。因此，基于MLCC 电子陶瓷的片式电子元件高速智能切割机的设计和实现研究具有十分重要的现实意义。

1 高速智能切割机的设计

1.1 机体结构和框架设计

切割机的机体结构和框架设计对整个设备的性能和稳定性至关重要。为确保可靠性和高效性，首先，必须采用坚固而稳定的铸造框架，以抵抗切割过程中的振动和应力，保持切割机在高速运行时的精确性和稳定性。其次，机体结构设计需考虑操作人员的便利和安全，包括易于访问的控制面板和操作区域，以及集成的急停按钮和安全门。最后，机体结构和框架设计要便于维护和维修，以快速更换零部件或进行维护工作，缩短停机时间，提升设备可用性。

1.2 载台和真空吸盘系统

载台是整个切割机的底部支撑结构，其内部设有真空通道。真空吸盘系统是保持巴块固定的关键元件。这些吸盘通过真空泵产生负压，使巴块紧密贴附在载台上。这种吸附方式不仅确保了巴块的牢固固定，防止其在切割过程中发生移动或晃动，还能够适应不同形状和尺寸的巴块，从而提升切割机的适用性[1]。载台的设计还允许巴块在切割时能够围绕其轴心旋转，以满足不同方向上的切割需求。

系统通过SMC 三轴导杆气缸连接真空吸盘升降进行取放电容巴块，然后采用伺服电机和同步带实现让真空吸盘在料架和平台间来回移动传送，如图1 所示。

图1 送料机构和收料机构

第一，气缸的选取。根据吸盘和产品重量、气压范围选择合适气缸。气缸输出力F的计算公式为

式中：P为气压，kgf·cm-2；R为气缸半径，cm；r为顶杆半径，cm。选取气缸半径R为1 cm，杆半径r为0.5 cm，气压P为5 kgf·cm-2。根据式（1），计算得到气缸输出力为11.775 kgf。

第二，真空吸头的选取。真空压强为0.8 kg·cm-2，吸头采用40 个，单个吸头孔半径为0.1 cm，则真空吸附力为1.004 8 kgf。

第三，同步带和轮的选取。依据单次传送时间为1.2 s，传送速度为500 mm·s-1，传送距离为600 mm，主动和从动带轮齿数一致，考虑快速、平稳传送和安装尺寸，选取高扭矩圆弧齿同步带轮STD5M。

1.3 DD 直驱伺服转动机构

切割机设计中，DD 直驱伺服转动机构扮演着关键角色，负责精准控制巴块的角度，实现切割在不同方向上的灵活应用。首先，这一机构在确保高效运行和切割精度方面发挥着关键作用。其高精度的特点主要体现在内部搭载的高精度编码系统，实时监测巴块旋转位置，提供精确反馈信息，确保切割方向和位置的准确性。对于小尺寸片式陶瓷电子元件的高精度切割至关重要。其次，该机构以高速度运行，高速的旋转动作实现了切割方向的快速切换，提高了切割效率，满足了大批量生产的需求。最后，DD 直驱伺服转动机构采用现代直驱技术，避免了传统机械传动中齿轮和皮带等零部件，减少了摩擦和振动，确保了运行的平稳性和低噪音，从而保障切割质量和稳定性[2]。在DD 马达选型上，选择具有出色的性能参数的日本安川（Yaskawa）SGMCS 系列DD 马达，以确保运行的精度和可靠性。

1.4 直线驱动伺服电机系统

直线驱动伺服电机系统是高速智能切割机不可或缺的组成部分，负责通过磁悬浮驱动切割载台的高速传送，以确保切割过程的准确性和稳定性。这一系统的设计利用了磁悬浮原理，通过动子和定子之间的磁场维持一定间隙，实现无摩擦、无磨损的传动过程，显著提升了系统的寿命和可靠性。同时，系统内置高精度编码系统，实时监测和控制载台的位置，为控制系统提供准确的位置反馈信息，实现高精度的定位和运动控制。其快速的响应速度使得切割机在高速运行时保持稳定，确保切割的精度和质量。在DD 马达选型上，选择了日本安川（Yaskawa）的SGLFW 系列带铁芯直线电机，保障了系统的精度和可靠性，满足了高速智能切割机的运行需求。

1.5 刀座机构和切割刀设计

切割机的刀座机构和切割刀是设备的核心，关系到切割的精准性和生产效率。刀座机构采用一体化结构，包括刀座、切割刀、导向柱、导柱轴承、夹刀块、护刀块及弹簧机构，确保切割刀位置准确，不发生偏移或晃动，提高切割的精确性，同时方便维护和刀片更换，提高设备可靠性和维修效率。切割刀的设计考虑切割厚度和质量，采用双刃刀片，V 形刀口截面能够减少挤压力和挤压变形，保证切割整齐和一致性。多级斜度的设计减少切割崩裂，使切割更加稳定。切割厚度可达5 mm，相较传统设计的切割厚度提高66%以上，也可根据需求设计多刃刀片以适应更厚的巴块切割需求[3]。

1.6 检测定位机构和CCD 摄像定位系统

检测定位机构由左右两侧的两组高速电荷耦合器件（Charge Coupled Detector，CCD）检测仪组成，能够实时捕捉巴块上的标记点图像，并通过电机控制CCD 的移动来自动寻找标记点，实现自动对焦，确保图像的清晰度和准确性。CCD 检测仪采集的标记点图像用于实时定位和切割数据采集，实现自动化的定位检测。CCD 摄像定位系统要求高速、准确和智能，能根据切割标记点自动调整焦距，确保图像清晰，并具有快速响应速度，能在切割过程中迅速捕捉和识别标记点，实现精确定位。系统还具有智能识别功能，能够自动识别图像中的标记点，减少人工干预，提高切割效率和准确性。设备选取130 万像素相机，保证像素精度在5 μm 以下。相机芯片尺寸为7 mm×4.8 mm，对应像素为1 280×960，像素精度分别为5.4 μm和5 μm。

1.7 光源系统设计

光源系统设计在提高切割机性能和效率方面至关重要，主要采用半穹形三色光源。该系统由红、绿、蓝3 种不同颜色的光源灯珠组成，通过独立控制电路调节各色光的强度和亮度，以适应不同机体材料的图像采集需求。这种设计可确保在切割过程中获得高对比度图像，提高检测和定位的精确性。半穹形的光源设计减少了光线的散射和干扰，提高了图像的清晰度，还可在工作区域内提供均匀的照明，确保整个区域都得到充分照亮，避免阴影或光线不均匀的问题。

2 工作流程和控制系统实现

2.1 自动送料和自动收料功能实现

自动送料功能的实现依赖于切割机的载台和真空吸盘系统。载台内部设有真空通道，左右两侧分别设置了真空吸盘、传送电机和巴块仓。在切割之前，巴块位于仓内，载台上的真空吸盘通过真空通道将巴块吸附并固定在载台上。传送电机控制载台的移动，将巴块从仓内取出后的初始位置通过图像检测定位到切割位置。这一过程完全自动化，无须人工干预。

自动收料功能是自动化的关键。一旦切割完成，巴块上的电子陶瓷片式元件会被切割成小块，并需要进行收集。在切割机的底部机体结构中，设有电动顶杆，它可以使巴块上升或下降。在收料时，电动顶杆会将巴块抬升到一个合适的高度，以便后续操作。然后，另外的传送电机和吸盘系统会自动收集巴块中的小块元件，并传送到适当的位置，以便后续处理。

2.2 切割过程的控制和优化

切割过程的控制依赖于工业计算机与各关键部件的协调工作，工业计算机通过与DD 直驱伺服转动机构、直线驱动伺服电机、切割机构等连接，实现对切割机各部分的精确控制。首先，DD 直驱伺服转动机构具有高精度编码系统，能够实现角度的准确定位和控制，保证巴块的精确旋转，从而提升切割的精确度和速度。其次，切割过程的优化包括速度控制和切割参数的调整。通过精确控制直线驱动伺服电机系统，可以实现载台的高速、精准传送，确保切割过程的速度达到最优，并且在不同的切割情况下可以进行变化，以适应不同规格和厚度的陶瓷元件切割需求。再次，切割参数的调整也是优化的一部分，包括刀座机构的调整、护刀块的位置、切割刀的深度等。这些参数的调整可以根据产品的要求进行自动化或手动设置，以确保切割的质量和一致性。最后，切割过程的控制和优化涉及CCD 摄像定位系统的使用。该系统通过电机带动CCD 移动，实时调整焦距，定位检测标记点，自动采集定位标记图像并自动识别图像。该定位系统可以快速响应，提高定位精度，确保切割过程中的准确性和一致性。

2.3 定位和检测系统的自动化

首先，通过CCD 摄像定位系统实现定位和检测系统的自动化。CCD 摄像定位系统由位于机器左右两侧的两组CCD 检测仪组成。每个CCD 检测仪都具有能够带动CCD 移动、寻找巴块标记点并自动对焦的电机[4]。这些CCD 摄像头被安装在机器的特定位置，以便捕捉到陶瓷巴块上的标记点和图像。其次，自动化定位和检测系统可以通过控制电机实现定位和对焦。电机带动CCD 摄像头移动，寻找巴块上的标记点，同时自动调整焦距，确保图像清晰。这个自动化过程十分迅速，响应速度快，可以在极短的时间内完成定位和对焦，提高整个切割过程的效率。最后，定位和检测系统可以实现自动采集定位标记图像，并自动识别图像。这个智能识别系统可以迅速准确地识别陶瓷巴块上的标记点，确定切割的位置和方向，以确保切割的准确性和一致性。

2.4 控制系统的硬件和软件实现

在硬件方面，控制系统包括多种传感器和执行器，用于实时监测和控制切割机的运行状态。其中，DD直驱伺服转动机构控制巴块的角度调整，具有高精度的编码系统，保证了定位精度高、平稳、速度快。直线驱动伺服电机系统用于驱动切割载台的高速精密传送，采用磁悬浮原理传送，具有传送声小、不磨损、传送平稳、高速、定位准确等特点。刀座机构和切割刀采用一体化结构，具备各规格更换快速、可独立检验、切割一致性好的优点。此外，真空吸盘系统用于固定陶瓷巴块，保持其稳定的位置。

在软件方面，控制系统运行在工业计算机上，通过与各硬件部件的电连接实现对整个切割机的控制。控制系统的软件程序涵盖自动送料和自动收料功能的实现，切割过程的控制和优化，以及定位和检测系统的自动化等方面。这些程序通过编程实现了切割机的自动化操作，提高了生产效率，减少了人工干预[5]。