徐艷波，尤麗華，江建平

（江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

隨著機(jī)電產(chǎn)品逐漸向輕型化、多功能化的發(fā)展，其機(jī)電融合程度大大提高，印制電路板不僅是電路的載體，在機(jī)電產(chǎn)品中更是成為具有精確尺寸要求的部件，所以對機(jī)電產(chǎn)品中的印刷電路板的機(jī)械尺寸的要求也越來越高[1]。從而對電路板尺寸檢測設(shè)備的精度和速度的要求也越來越高。為了滿足不斷提升的市場需求，急需研制一臺能夠快速、高精度、自動化的電路板檢測設(shè)備。

1 檢測機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

檢測機(jī)檢測的尺寸包括電路板輪廓尺寸、孔徑、孔距、孔與邊的距離以及通槽尺寸等。技術(shù)要求有：檢測速度：2s/塊；檢測精度：±0.075 mm；電路板厚度范圍：0.3～2.7 mm；檢測電路板尺寸范圍：50 mm×50 mm－300 mm×250 mm。

電路板機(jī)械尺寸檢測機(jī)的基本組成如圖1所示，檢測機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、圖像檢測系統(tǒng)等組成。機(jī)械系統(tǒng)由以下幾部分組成：用于存放待測電路板的料庫機(jī)構(gòu)；用于將待測電路板抓取到檢測工位的上料機(jī)械手；用于構(gòu)成圖像檢測系統(tǒng)的精密位移掃描機(jī)構(gòu)；用于對電路板進(jìn)行分揀的下料機(jī)械手；用于存放檢測完畢的電路板收料庫?？刂葡到y(tǒng)是采用基于PLC的伺服運(yùn)動控制檢測機(jī)的方案。圖像檢測系統(tǒng)由精密機(jī)械掃描位移控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機(jī)和系統(tǒng)應(yīng)用軟件等組成[2]。

圖1 檢測機(jī)的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure diagram of the dimension testing machine

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)檢測機(jī)技術(shù)要求以及檢測機(jī)要完成的功能，設(shè)計出如圖2所示的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[3]。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of control system

從上圖可知，1#PLC本身集成的高速脈沖輸出口控制料庫伺服電機(jī)，擴(kuò)展的三個EM253位控模塊控制上料機(jī)械手和檢測工位伺服電機(jī)。2#PLC本身集成的高速脈沖輸出口控制收料庫伺服，擴(kuò)展的位控模塊EM253控制下料機(jī)械手。兩個PLC之間通過PPI協(xié)議進(jìn)行通訊。工控機(jī)將檢測合格與否信號發(fā)送給2#PLC，2#PLC控制下料機(jī)械手對電路板進(jìn)行分揀，工控機(jī)與PLC之間通過自由口進(jìn)行通訊。

2.1 硬件選型

檢測機(jī)控制系統(tǒng)主要硬件配置清單如表1所示[4]。

表1 硬件配置清單Tab.1 Hardware configuration list

2.2 PLC控制回路設(shè)計

圖3 PLC控制回路原理圖Fig.3 PLCcontrol diagram

以1#PLC為例，它的控制回路如圖3所示[4]。CPU224 XP有兩個高速脈沖輸出口，分別為Q0.0、Q0.1。用Q0.0作為高速脈沖輸出口，發(fā)送高速脈沖給伺服驅(qū)動器內(nèi)部，脈沖的頻率決定伺服電機(jī)的速度，脈沖的個數(shù)決定單軸機(jī)器人的行程。用Q0.1作為方向控制信號，Q0.2為伺服使能信號，只有當(dāng)Q0.2有輸出時伺服電機(jī)才有可能啟動。Q0.4和Q0.5控制上料真空吸盤，Q0.4控制真空吸附，Q0.5控制真空吹氣。

2.3 伺服系統(tǒng)控制回路設(shè)計

伺服系統(tǒng)控制回路如圖4所示[5]。圖中單相電源引出后，通過電機(jī)斷路器（FS2）進(jìn)行短路或過載保護(hù)，然后連接交流接觸器（KM2），接觸器出來進(jìn)入伺服驅(qū)動器的主電路L1、L2為驅(qū)動器供電，伺服驅(qū)動器控制電路（L1C、L2C）先于主電路（L1、L2）接通，以便于完成一些初始化任務(wù)。

本系統(tǒng)中，伺服電機(jī)采用位置控制模式。伺服驅(qū)動器接受EM253發(fā)出的脈沖和方向信號控制伺服電機(jī)。EM253P0口向伺服驅(qū)動器發(fā)送一定頻率的脈沖信號，通過發(fā)送脈沖頻率的大小來實現(xiàn)伺服電機(jī)的速度控制，通過改變發(fā)送的脈沖個數(shù)來實現(xiàn)運(yùn)動位置的控制。EM253P1口是方向控制信號，DIS端口發(fā)送伺服使能信號，CLR端口發(fā)送清零信號。定位模塊EM253與S7-200通過擴(kuò)展電纜連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。伺服驅(qū)動器中的CN7口專用于連接光電編碼器，為編碼器提供+5 V電源且將編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的A相、B相和相脈沖信號反饋回來，完成伺服驅(qū)動單元的半閉環(huán)位置控制[6]。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件包括PLC程序、PLC與工控機(jī)通信程序以及觸摸屏界面等。檢測機(jī)的動作流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，當(dāng)接收到自動循環(huán)信號時，系統(tǒng)就開始執(zhí)行檢測功能。首先對電路板進(jìn)行上料，將電路板放置在定位掃描裝置上，當(dāng)開始檢測傳感器檢測到電路板時，就會觸發(fā)線陣相機(jī)進(jìn)行拍照，線陣相機(jī)的曝光頻率由定位掃描機(jī)構(gòu)的伺服驅(qū)動器內(nèi)部的虛擬編碼器脈沖頻率控制。當(dāng)檢測結(jié)束時，工控機(jī)將檢測合格與否的信號發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)檢測結(jié)果對電路板進(jìn)行分揀歸類，收料庫進(jìn)行收板。整個檢測過程結(jié)束，如此循環(huán)往復(fù)。

4 實驗結(jié)果

文中主要設(shè)計了電路板機(jī)械尺寸檢測機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使得檢測人員方便有效地對電路板進(jìn)行檢測，采用了觸摸屏作為人機(jī)界面。如圖6、圖7所示。

圖4 伺服系統(tǒng)控制原理圖Fig.4 Servo system control schematic diagram

圖5 控制流程圖Fig.5 Control flow chart

圖6 控制箱Fig.6 Controlling instrument

圖7 人機(jī)界面Fig.7 Human-computer interface

5 結(jié) 論

文中所設(shè)計的控制系統(tǒng)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。試驗表明，完全達(dá)到了電路板的檢測要求，大大提高了檢測速度和精度，減小了作業(yè)強(qiáng)度。

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