鄒 恩 ，黃浩揚 ，霍 慶 ，張增根 ，王偉超

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院 信息工程系，廣州 510900）

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的不斷發(fā)展，電路板朝著小型化、小元件和高密度的方向發(fā)展。但從成本、工藝以及技術(shù)要求等方面考慮，許多電路板還是采用通孔插裝技術(shù)，因此需要采用波峰焊來完成元件引腳與焊盤之間的連接[1-2]。但由于技術(shù)上的瓶頸，波峰焊的工藝流程會造成焊點質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)為焊點短路、焊點漏焊、焊點不飽滿和因氣泡造成焊點表面有針孔。

為了解決上述焊點的質(zhì)量問題，企業(yè)多采用人工目測或自動光學(xué)檢測（AOI）設(shè)備來檢測[3-4]，然后修整。前者在人員長期工作時會引起視覺疲勞，造成缺陷焊點的漏檢和誤檢。后者雖能準(zhǔn)確快速地在顯示屏上反映缺陷焊點的位置，但由于沒有進(jìn)行實體標(biāo)記，還需人工實時對照查找后修整，效率不夠高。

鑒于上述問題，受某電子企業(yè)委托，以該企業(yè)的電路板裝配生產(chǎn)流水線為改造對象，研發(fā)一種電路板缺陷焊點在線標(biāo)識自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在AOI檢測的基礎(chǔ)上，增加實體在線標(biāo)識功能，可實時在電路板上對缺陷焊點自動標(biāo)注，全程不需人員輔助，可解放勞動力，提高生產(chǎn)效率。該研發(fā)成果已申請發(fā)明專利和登記軟件著作權(quán)各1件。

1 系統(tǒng)方案分析與設(shè)計

1.1 電路板裝配流水線改造

該企業(yè)的電路板裝配生產(chǎn)流水線工序包括機(jī)器插件、手工插件、元件插后質(zhì)量檢測修整、波峰焊機(jī)焊接、剪腳分板、執(zhí)錫、焊后質(zhì)量檢測修整、打膠、ICT測試、貼標(biāo)簽、裝箱。本方案以盡量減少對原裝配線的改動為原則，對其部分生產(chǎn)流水線進(jìn)行改造，在原焊后質(zhì)量檢測修整工位安裝電路板缺陷焊點自動標(biāo)識裝置，完成電路板的承載與推送以及缺陷焊點的檢測與標(biāo)識功能，電路板生產(chǎn)流水線如圖1所示。

圖1 電路板生產(chǎn)流水線Fig.1 Circuit board production line

1.2 裝置工作原理

電路板缺陷焊點自動標(biāo)識屬于在線型裝置，其每道工序都必須在流水線的生產(chǎn)節(jié)周期內(nèi)完成。因此，本系統(tǒng)將原來的焊后質(zhì)量檢測修整拆分為等待、檢測、標(biāo)識及修整4個步驟，使得電路板焊點的檢測和標(biāo)識工序能夠同時進(jìn)行，不需延長生產(chǎn)周期。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of device

工作流程如下：

①生產(chǎn)周期開始，系統(tǒng)初始化，具體為推板機(jī)構(gòu)下降，導(dǎo)軌支撐板兩邊檔桿收回，推板機(jī)構(gòu)和由滾珠絲杠組成的XY定位標(biāo)識機(jī)構(gòu)在伺服系統(tǒng)驅(qū)動下回到各自設(shè)定原點位置；

②推板機(jī)構(gòu)由電動推桿帶動上升，并在伺服系統(tǒng)的驅(qū)動下將3塊電路板同時向前推進(jìn)一個工位；

③電路板推送完畢，裝置兩邊的擋桿在電動推桿的推動下，繞檔桿支座連接點做圓弧上升，與推板機(jī)構(gòu)夾緊位于檢測工位與標(biāo)識工位上的電路板，確保電路板位置沒有偏差；

④上位機(jī)（AOI）對位于檢測工位的電路板進(jìn)行焊點檢測，下位機(jī)（微處理器）向AOI請求位于標(biāo)識工位的電路板的缺陷焊點坐標(biāo)值，控制XY定位機(jī)構(gòu)，利用可擦除水溶性PCB專用記號筆在缺陷焊點上進(jìn)行標(biāo)識；

⑤等待下一生產(chǎn)周期。

1.3 控制系統(tǒng)組成

電路板缺陷焊點在線標(biāo)識自動控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)控制方式。上位機(jī)為AOI檢測設(shè)備，微處理器作為下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信。整個系統(tǒng)按照具體功能劃分為5個部分，如圖3所示。電動推桿用于實現(xiàn)推板的上升下降以及檔桿的往復(fù)運動。接近開關(guān)用于設(shè)定XY軸絲杠以及推板機(jī)構(gòu)絲杠的安全距離。光電傳感器用于設(shè)定XY軸絲杠以及推板機(jī)構(gòu)絲杠的初始位置。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)組成，用于驅(qū)動裝置中的3個絲杠。電磁鐵用于推動可擦除PCB專用記號筆的下降與復(fù)位，實現(xiàn)標(biāo)識功能。

圖3 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of control system

1.4 系統(tǒng)控制信號分析

為實時實現(xiàn)系統(tǒng)功能，從控制角度分析，系統(tǒng)所需信號及信號產(chǎn)生來源如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制信號分析Tab.1 Analysis of system control signal

2 硬件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)核心選型

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，本方案選用STM32F103VET6微處理器作為主控芯片。該微處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置512 KB閃存和64 KB SRAM；擁有80個GPIO，并多達(dá)11個定時器和13個通信接口，為控制外圍設(shè)備和與外圍設(shè)備進(jìn)行通信提供了豐富的資源[5]，適用于對性能、成本和功耗有要求的工控領(lǐng)域。

2.2 控制系統(tǒng)外部硬件構(gòu)成

根據(jù)控制原理，本控制系統(tǒng)可以將外部硬件設(shè)備分為4個模塊：伺服系統(tǒng)模塊、光電傳感器及接近開關(guān)模塊、電動推桿及電磁鐵模塊、通信模塊。

伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)主要用于滾珠絲杠的驅(qū)動，本裝置選用松下A5系列交流伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動器型號為MBDHT2510CA1，電機(jī)型號為MHMD042G1U。該伺服系統(tǒng)帶有17位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率高達(dá)131072，完全滿足精度要求。其中，微處理器與伺服驅(qū)動器之間的連接必需使用光耦隔離[6]。

光電傳感器及接近開關(guān)光電傳感器與接近開關(guān)在本系統(tǒng)中均用于向STM32F103VET6提供電平信號。其中，光電傳感器FU-07N與接近開關(guān)TLQ5MC1-Z均工作在12～24 V，不可直接與微處理器相連。因此，在本系統(tǒng)中采用光電耦合芯片TLP521-4完成電平的轉(zhuǎn)換，將12 V的電平信號轉(zhuǎn)換成3.3 V。

電動推桿及電磁鐵電動推桿內(nèi)部已經(jīng)集成電機(jī)驅(qū)動電路以及行程開關(guān)，只需通過改變電流方向即可控制電動推桿的伸縮。由于電動推桿與電磁鐵均工作在24 V，本系統(tǒng)采用電磁繼電器作為中間控制器件，由STM32F103VET6控制信號經(jīng)三極管放大驅(qū)動。

通信模塊AOI檢測設(shè)備除了包含光源系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)等模塊，還包含一臺通用PC機(jī)用作圖像分析。而采用RS-232串口來實現(xiàn)PC與下位機(jī)的通信是測控系統(tǒng)中常用的解決方案[7]。在本系統(tǒng)中，使用MAXIM公司的解決方案，采用MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

如圖4所示為本控制系統(tǒng)的程序流程圖，通過有序控制各種執(zhí)行元件，可完全實現(xiàn)裝置的工作流程。

3.2 上下位機(jī)通信程序分析

在本系統(tǒng)中，上位機(jī)對采集到的圖像進(jìn)行分析處理，將檢測到的焊點像素點位置轉(zhuǎn)換成實體焊點的坐標(biāo)值。但由于部分缺陷焊點所在位置也是元件引腳所在位置，不利于記號筆做標(biāo)記。因此，采取的辦法是建立數(shù)據(jù)庫，對該型號的電路板焊點進(jìn)行編號，根據(jù)每一焊點實際情況設(shè)定所需偏移量。上位機(jī)調(diào)用串口通信程序時，先根據(jù)缺陷焊點編號查詢該焊點的偏移量，然后修正坐標(biāo)值，最終輸出到微處理器。其中，同一電路板上的坐標(biāo)值采用相對坐標(biāo)，既微處理器接收到的坐標(biāo)值是前后缺陷焊點坐標(biāo)值之差。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

同時，為了實現(xiàn)上、下位機(jī)的正常通信，本系統(tǒng)設(shè)定了統(tǒng)一格式的通信內(nèi)容。以STM32F106VET6為主體，通信內(nèi)容說明如表2所示。

表2 通信內(nèi)容說明Tab.2 Description of communication content

4 系統(tǒng)測試運行

為證實系統(tǒng)的運行情況，將本裝置與相配套的AOI檢測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合測試。測試中使用的AOI設(shè)備由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院開發(fā)，使用的工業(yè)相機(jī)型號為OPT-FT020-C，工業(yè)鏡頭型號為OPTLIS0205，上位機(jī)操作系統(tǒng)為Windows XP，圖像處理軟件用Matlab R2009編寫。運行結(jié)果表明，本裝置能順利完成與上位機(jī)的通信，并根據(jù)檢測結(jié)果，對缺陷焊點準(zhǔn)確地進(jìn)行實體標(biāo)識，實驗效果如圖5所示。

圖5 標(biāo)識效果圖Fig.5 Picture of marking effect

5 結(jié)語

本文以某電子企業(yè)的電路板生產(chǎn)流水線為改造對象，針對通孔插裝技術(shù)的電路板缺陷焊點檢測不能實體在線標(biāo)注的問題，設(shè)計了一種電路板缺陷焊點在線標(biāo)識自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過與AOI檢測設(shè)備通信，進(jìn)而控制多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)缺陷焊點的實體在線標(biāo)識。通過對100多塊次板、幾百個缺陷焊點實地測試運行表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收AOI傳送的信息，準(zhǔn)確無誤地標(biāo)注出缺陷焊點，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

[1]方明.波峰焊工藝技術(shù)研究[D].廣東：華南理工大學(xué)，2012.

[2]韓彬，史建衛(wèi)，檀正東，等.選擇性波峰焊技術(shù)在SMT中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43（8）：35-41.

[3]歐陽高飛，鄺泳聰，謝宏威，等.電子元件焊接質(zhì)量的自動光學(xué)檢測系統(tǒng)研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2011（7）：122-124.

[4]馬燦.PCB缺陷智能視覺檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].湖南：湖南大學(xué)，2012.

[5]李晶，李東澤，石堅.基于STM32F103的時間壓力采集系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2013，28（12）：42-45.

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