基于MLCC 電子陶瓷的片式電子元件高速智能切割機的設計和實現

梁國衡

（肇慶市宏華電子科技有限公司，肇慶 526060）

隨著現代電子產品的發展，電子陶瓷逐漸成為電子元件制造中不可或缺的重要材料。電子陶瓷主要應用于電容器制造，尤其是多層陶瓷電容器（Multilayer Ceramic Capacitor，MLCC）。隨著市場對電子產品小型化、高性能化、高可靠性的需求不斷增加，MLCC電子陶瓷的制造也面臨著更高的要求，特別是在切割工藝方面。因此，基于MLCC 電子陶瓷的片式電子元件高速智能切割機的設計和實現研究具有十分重要的現實意義。

1 高速智能切割機的設計

1.1 機體結構和框架設計

切割機的機體結構和框架設計對整個設備的性能和穩定性至關重要。為確?？煽啃院透咝?，首先，必須采用堅固而穩定的鑄造框架，以抵抗切割過程中的振動和應力，保持切割機在高速運行時的精確性和穩定性。其次，機體結構設計需考慮操作人員的便利和安全，包括易于訪問的控制面板和操作區域，以及集成的急停按鈕和安全門。最后，機體結構和框架設計要便于維護和維修，以快速更換零部件或進行維護工作，縮短停機時間，提升設備可用性。

1.2 載臺和真空吸盤系統

載臺是整個切割機的底部支撐結構，其內部設有真空通道。真空吸盤系統是保持巴塊固定的關鍵元件。這些吸盤通過真空泵產生負壓，使巴塊緊密貼附在載臺上。這種吸附方式不僅確保了巴塊的牢固固定，防止其在切割過程中發生移動或晃動，還能夠適應不同形狀和尺寸的巴塊，從而提升切割機的適用性[1]。載臺的設計還允許巴塊在切割時能夠圍繞其軸心旋轉，以滿足不同方向上的切割需求。

系統通過SMC 三軸導桿氣缸連接真空吸盤升降進行取放電容巴塊，然后采用伺服電機和同步帶實現讓真空吸盤在料架和平臺間來回移動傳送，如圖1 所示。

圖1 送料機構和收料機構

第一，氣缸的選取。根據吸盤和產品重量、氣壓范圍選擇合適氣缸。氣缸輸出力F的計算公式為

式中：P為氣壓，kgf·cm-2；R為氣缸半徑，cm；r為頂桿半徑，cm。選取氣缸半徑R為1 cm，桿半徑r為0.5 cm，氣壓P為5 kgf·cm-2。根據式（1），計算得到氣缸輸出力為11.775 kgf。

第二，真空吸頭的選取。真空壓強為0.8 kg·cm-2，吸頭采用40 個，單個吸頭孔半徑為0.1 cm，則真空吸附力為1.004 8 kgf。

第三，同步帶和輪的選取。依據單次傳送時間為1.2 s，傳送速度為500 mm·s-1，傳送距離為600 mm，主動和從動帶輪齒數一致，考慮快速、平穩傳送和安裝尺寸，選取高扭矩圓弧齒同步帶輪STD5M。

1.3 DD 直驅伺服轉動機構

切割機設計中，DD 直驅伺服轉動機構扮演著關鍵角色，負責精準控制巴塊的角度，實現切割在不同方向上的靈活應用。首先，這一機構在確保高效運行和切割精度方面發揮著關鍵作用。其高精度的特點主要體現在內部搭載的高精度編碼系統，實時監測巴塊旋轉位置，提供精確反饋信息，確保切割方向和位置的準確性。對于小尺寸片式陶瓷電子元件的高精度切割至關重要。其次，該機構以高速度運行，高速的旋轉動作實現了切割方向的快速切換，提高了切割效率，滿足了大批量生產的需求。最后，DD 直驅伺服轉動機構采用現代直驅技術，避免了傳統機械傳動中齒輪和皮帶等零部件，減少了摩擦和振動，確保了運行的平穩性和低噪音，從而保障切割質量和穩定性[2]。在DD 馬達選型上，選擇具有出色的性能參數的日本安川（Yaskawa）SGMCS 系列DD 馬達，以確保運行的精度和可靠性。

1.4 直線驅動伺服電機系統

直線驅動伺服電機系統是高速智能切割機不可或缺的組成部分，負責通過磁懸浮驅動切割載臺的高速傳送，以確保切割過程的準確性和穩定性。這一系統的設計利用了磁懸浮原理，通過動子和定子之間的磁場維持一定間隙，實現無摩擦、無磨損的傳動過程，顯著提升了系統的壽命和可靠性。同時，系統內置高精度編碼系統，實時監測和控制載臺的位置，為控制系統提供準確的位置反饋信息，實現高精度的定位和運動控制。其快速的響應速度使得切割機在高速運行時保持穩定，確保切割的精度和質量。在DD 馬達選型上，選擇了日本安川（Yaskawa）的SGLFW 系列帶鐵芯直線電機，保障了系統的精度和可靠性，滿足了高速智能切割機的運行需求。

1.5 刀座機構和切割刀設計

切割機的刀座機構和切割刀是設備的核心，關系到切割的精準性和生產效率。刀座機構采用一體化結構，包括刀座、切割刀、導向柱、導柱軸承、夾刀塊、護刀塊及彈簧機構，確保切割刀位置準確，不發生偏移或晃動，提高切割的精確性，同時方便維護和刀片更換，提高設備可靠性和維修效率。切割刀的設計考慮切割厚度和質量，采用雙刃刀片，V 形刀口截面能夠減少擠壓力和擠壓變形，保證切割整齊和一致性。多級斜度的設計減少切割崩裂，使切割更加穩定。切割厚度可達5 mm，相較傳統設計的切割厚度提高66%以上，也可根據需求設計多刃刀片以適應更厚的巴塊切割需求[3]。

1.6 檢測定位機構和CCD 攝像定位系統

檢測定位機構由左右兩側的兩組高速電荷耦合器件（Charge Coupled Detector，CCD）檢測儀組成，能夠實時捕捉巴塊上的標記點圖像，并通過電機控制CCD 的移動來自動尋找標記點，實現自動對焦，確保圖像的清晰度和準確性。CCD 檢測儀采集的標記點圖像用于實時定位和切割數據采集，實現自動化的定位檢測。CCD 攝像定位系統要求高速、準確和智能，能根據切割標記點自動調整焦距，確保圖像清晰，并具有快速響應速度，能在切割過程中迅速捕捉和識別標記點，實現精確定位。系統還具有智能識別功能，能夠自動識別圖像中的標記點，減少人工干預，提高切割效率和準確性。設備選取130 萬像素相機，保證像素精度在5 μm 以下。相機芯片尺寸為7 mm×4.8 mm，對應像素為1 280×960，像素精度分別為5.4 μm和5 μm。

1.7 光源系統設計

光源系統設計在提高切割機性能和效率方面至關重要，主要采用半穹形三色光源。該系統由紅、綠、藍3 種不同顏色的光源燈珠組成，通過獨立控制電路調節各色光的強度和亮度，以適應不同機體材料的圖像采集需求。這種設計可確保在切割過程中獲得高對比度圖像，提高檢測和定位的精確性。半穹形的光源設計減少了光線的散射和干擾，提高了圖像的清晰度，還可在工作區域內提供均勻的照明，確保整個區域都得到充分照亮，避免陰影或光線不均勻的問題。

2 工作流程和控制系統實現

2.1 自動送料和自動收料功能實現

自動送料功能的實現依賴于切割機的載臺和真空吸盤系統。載臺內部設有真空通道，左右兩側分別設置了真空吸盤、傳送電機和巴塊倉。在切割之前，巴塊位于倉內，載臺上的真空吸盤通過真空通道將巴塊吸附并固定在載臺上。傳送電機控制載臺的移動，將巴塊從倉內取出后的初始位置通過圖像檢測定位到切割位置。這一過程完全自動化，無須人工干預。

自動收料功能是自動化的關鍵。一旦切割完成，巴塊上的電子陶瓷片式元件會被切割成小塊，并需要進行收集。在切割機的底部機體結構中，設有電動頂桿，它可以使巴塊上升或下降。在收料時，電動頂桿會將巴塊抬升到一個合適的高度，以便后續操作。然后，另外的傳送電機和吸盤系統會自動收集巴塊中的小塊元件，并傳送到適當的位置，以便后續處理。

2.2 切割過程的控制和優化

切割過程的控制依賴于工業計算機與各關鍵部件的協調工作，工業計算機通過與DD 直驅伺服轉動機構、直線驅動伺服電機、切割機構等連接，實現對切割機各部分的精確控制。首先，DD 直驅伺服轉動機構具有高精度編碼系統，能夠實現角度的準確定位和控制，保證巴塊的精確旋轉，從而提升切割的精確度和速度。其次，切割過程的優化包括速度控制和切割參數的調整。通過精確控制直線驅動伺服電機系統，可以實現載臺的高速、精準傳送，確保切割過程的速度達到最優，并且在不同的切割情況下可以進行變化，以適應不同規格和厚度的陶瓷元件切割需求。再次，切割參數的調整也是優化的一部分，包括刀座機構的調整、護刀塊的位置、切割刀的深度等。這些參數的調整可以根據產品的要求進行自動化或手動設置，以確保切割的質量和一致性。最后，切割過程的控制和優化涉及CCD 攝像定位系統的使用。該系統通過電機帶動CCD 移動，實時調整焦距，定位檢測標記點，自動采集定位標記圖像并自動識別圖像。該定位系統可以快速響應，提高定位精度，確保切割過程中的準確性和一致性。

2.3 定位和檢測系統的自動化

首先，通過CCD 攝像定位系統實現定位和檢測系統的自動化。CCD 攝像定位系統由位于機器左右兩側的兩組CCD 檢測儀組成。每個CCD 檢測儀都具有能夠帶動CCD 移動、尋找巴塊標記點并自動對焦的電機[4]。這些CCD 攝像頭被安裝在機器的特定位置，以便捕捉到陶瓷巴塊上的標記點和圖像。其次，自動化定位和檢測系統可以通過控制電機實現定位和對焦。電機帶動CCD 攝像頭移動，尋找巴塊上的標記點，同時自動調整焦距，確保圖像清晰。這個自動化過程十分迅速，響應速度快，可以在極短的時間內完成定位和對焦，提高整個切割過程的效率。最后，定位和檢測系統可以實現自動采集定位標記圖像，并自動識別圖像。這個智能識別系統可以迅速準確地識別陶瓷巴塊上的標記點，確定切割的位置和方向，以確保切割的準確性和一致性。

2.4 控制系統的硬件和軟件實現

在硬件方面，控制系統包括多種傳感器和執行器，用于實時監測和控制切割機的運行狀態。其中，DD直驅伺服轉動機構控制巴塊的角度調整，具有高精度的編碼系統，保證了定位精度高、平穩、速度快。直線驅動伺服電機系統用于驅動切割載臺的高速精密傳送，采用磁懸浮原理傳送，具有傳送聲小、不磨損、傳送平穩、高速、定位準確等特點。刀座機構和切割刀采用一體化結構，具備各規格更換快速、可獨立檢驗、切割一致性好的優點。此外，真空吸盤系統用于固定陶瓷巴塊，保持其穩定的位置。

在軟件方面，控制系統運行在工業計算機上，通過與各硬件部件的電連接實現對整個切割機的控制?？刂葡到y的軟件程序涵蓋自動送料和自動收料功能的實現，切割過程的控制和優化，以及定位和檢測系統的自動化等方面。這些程序通過編程實現了切割機的自動化操作，提高了生產效率，減少了人工干預[5]。

3 結語

基于MLCC 電子陶瓷的片式電子元件高速智能切割機代表了電子元件制造領域的一項重要技術進步，不僅提高了生產效率、降低了制造成本，還保證了產品質量和一致性。這一創新技術有望推動電子元件制造業向智能化、高效化的方向發展，為電子產品的發展和智能制造的實現做出積極的貢獻。