劉曉初，何銓鵬，姬武勛，郭瑩瑩，王 豪

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006；2.佛山職業(yè)技術(shù)學院，廣東佛山 528000）

新型PCB自動鉆靶裝置最優(yōu)掃描區(qū)間研究*

劉曉初1，何銓鵬1，姬武勛1，郭瑩瑩1，王 豪2

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006；2.佛山職業(yè)技術(shù)學院，廣東佛山 528000）

針對原PCB鉆靶裝置定位流程繁瑣、鉆孔量少等缺點，設計了一臺以全范圍掃描方式代替紅外線定位的新型PCB自動鉆靶裝置，并說明了其系統(tǒng)工作原理。為了進一步獲得該裝置有效掃描區(qū)間，對不同尺寸和厚度的PCB進行了擺放試驗。在利用實驗數(shù)據(jù)求出正偏移、角偏移和復合偏移三種情況下橫向擴充值X和縱向擴充值Y計算通式的基礎上，確定了不同類型PCB掃描擴充區(qū)間的最優(yōu)解。

PCB鉆靶裝置；掃描區(qū)間；偏移量

0 引言

印制線路板（以下簡稱PCB）是電子工業(yè)的基礎，是各類電子產(chǎn)品中不可缺失的重要部件［1-2］。隨著科技不斷進步，電子產(chǎn)品使用數(shù)量急劇增加，為了適應市場發(fā)展，PCB供應商對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)成本提出了更高的要求。

在常規(guī)生產(chǎn)中，PCB工藝路線從開料、鉆孔到成型共12道工序，鉆孔工序是難點之一。目前，我國個別企業(yè)通過引入國外先進的機械視覺技術(shù)［3-5］，設計了一種基于機械視覺算法的自動定位X射線鉆靶裝置，其工作原理是通過紅外線測量工作臺上的PCB位置，利用攝像機成像傳感器（以下簡稱CCD）放大PCB上的定位孔來捕捉工作靶心，并將攝像信號輸送至操作系統(tǒng)后進行分析處理，中央處理器根據(jù)操作系統(tǒng)反饋的信息（即計算出的偏移量）來控制相應導軌滑移，從而達到自動定位和鉆孔的目的。

然而，這種定位鉆靶方式不僅流程繁瑣，CPU計算量增加，導致系統(tǒng)造價昂貴，鉆孔數(shù)量受限制，還要求PCB在上料時要整齊擺放，盡可能避免出現(xiàn)偏移，否則，控制系統(tǒng)容易產(chǎn)生故障。因此，針對現(xiàn)有自動定位鉆靶裝置的不足，設計了一臺以全范圍掃描方式代替紅外線定位的新型PCB自動鉆靶裝置［6］，并申請了實用新型專利，專利號為ZL201420293796.X。該裝置在保證鉆孔精確度的基礎上，簡化了原有系統(tǒng)的定位流程，效率隨鉆孔數(shù)量的增加而增大，還允許PCB在上料時存在更大的偏移，滿足實際生產(chǎn)需求［7］。

1 系統(tǒng)工作原理

裝置工作原理如圖1所示，在設定PCB外形尺寸和鉆孔數(shù)量兩個參數(shù)后，系統(tǒng)得出一個具體的掃描區(qū)間；利用CCD對工作區(qū)間內(nèi)的PCB進行掃描并捕捉其定位孔；CCD反饋的攝像信號通過中央處理器運用機械視覺算法進行處理，計算出鉆頭與靶心的偏移量；控制系統(tǒng)根據(jù)偏移量調(diào)整鉆頭位置并完成鉆孔；系統(tǒng)實時記錄鉆孔數(shù)量并依此判斷是否需繼續(xù)掃描---如未完成，CCD繼續(xù)捕捉其他定位孔，反之，CCD停止工作；完成所有鉆孔后，裝置上下料機構(gòu)繼續(xù)輸送PCB，從而實現(xiàn)自動定位鉆靶［8-9］。

圖1 系統(tǒng)工作原理

由于CCD與鉆頭中心之間的縱向間距為e，在運用機械視覺算法進行偏移量計算時，應反映出鉆頭中心與定位孔中心的實際偏移量。如圖2所示，假設以CCD作為視覺中心O′，掃描時定位孔橫向的相對位移為a，縱向的相對位移為b，以鉆頭中心為原點O，建立二維坐標系，定位孔縱向的相對位移應修正為b-e，橫向的相對位移保持不變。

圖2 成像位置偏移示意圖

2 掃描區(qū)間的確定

該裝置通過全范圍掃描方式代替紅外線定位，一方面由于PCB擺放時存在位置偏移，如果掃描區(qū)間過小，PCB上的定位孔不能完全被覆蓋，區(qū)間外的孔就無法識別；另一方面為了將鉆孔時間控制在平均每孔3～8s內(nèi)，如果掃描面積過大，CCD移動量增加，會嚴重影響生產(chǎn)效率。如圖3所示，以規(guī)格為500×400mm的PCB為例，CCD橫向掃描且進給量為250mm/s，投影在PCB上的影像最大有效面積為10×10mm。由計算可得CCD每掃描一次（面積500×10mm）用時2s。因此，應結(jié)合實際生產(chǎn)情況，根據(jù)可能發(fā)生的偏移量來確定合適的掃描區(qū)間。

圖3 掃描示意圖

2.1 PCB偏移量統(tǒng)計

在計算掃描區(qū)間前，需確定PCB擺放時可能出現(xiàn)的偏移類型和對應的偏移量，由于該鉆靶裝置加工的PCB基板尺寸為320×280mm至740×720mm，可加工板材厚度為0.4～5mm。因此，以320×280mm、500× 400mm和740×720mm三種基板尺寸和0.6mm、1.5mm和3.0mm三種厚度的PCB作為試驗對象，分別編號為1～9，每個樣本數(shù)量為100，然后進行擺放試驗，重復4次并記錄相關數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 樣本平均偏移數(shù)量柱狀圖

柱狀圖中的數(shù)量是指樣本在重復4次試驗的平均偏移數(shù)量；按偏移類型可把試驗數(shù)據(jù)分為3類，如表1所示，其中將橫向或縱向偏移量≥2mm定義為正向偏移，將旋轉(zhuǎn)角度≥20′定義為角偏移，將包括上述兩種方式的偏移定義為復合偏移。由上述圖表可知，樣本的平均偏移數(shù)量隨著基板尺寸的增大而增加，以復合偏移為主，板材厚度對偏移量的影響因素較小。

表1 樣本偏移類型平均數(shù)量

2.2 掃描區(qū)間的計算

由上述數(shù)據(jù)可知，由于PCB基板尺寸具有不確定性，而且PCB會出現(xiàn)正偏移、角偏移和復合偏移三種情況，所以需分別計算掃描區(qū)間后再確定裝置最優(yōu)掃描區(qū)間，其中PCB長度以a表示，寬度以b表示；橫向單邊擴充值以X表示，縱向單邊擴充值以Y表示。

（1）正偏移掃描區(qū)間

正偏移量具有隨機性，與基板尺寸無關，以正偏移中最大偏移量進行計算，其中e1的最大值為7.8mm，e2的最大值為6.3mm，安全系數(shù)S為1.2。如圖5所示，正偏移的擴充區(qū)間由對應方向上的最大偏移量乘以安全系數(shù)得出，因此X≈10mm，Y≈8mm。

（2）角偏移掃描區(qū)間

PCB旋轉(zhuǎn)角度具有隨機性，因其引起的角偏移量與基板尺寸呈正比例關系，所以如圖6所示，以角偏移中最大旋轉(zhuǎn)角度進行計算，其中α約為1.5°，安全系數(shù)S為1.2，a的取值范圍為［320，740］，b的取值范圍為［280，720］，且a≥b。

圖5 正偏移示意圖

圖6 角偏移示意圖

通過三角函數(shù)計算，得出角偏移的橫向與縱向擴充值表達式：

將數(shù)據(jù)代入式1，得出角偏移的單邊擴充值通式：

（3）復合偏移掃描區(qū)間

任何形式的平面偏移都是由正偏移和角偏移復合而成的，如圖7所示，以復合偏移中能產(chǎn)生最大偏移量的偏移形式進行計算，其中α約為45′，e1的最大值為4.7mm，e2的最大值為3.8mm，其余條件與角偏移相同。

圖7 復合偏移示意圖

結(jié)合正偏移和三角函數(shù)計算，得出復合偏移的橫向與縱向擴充值表達式：

將數(shù)據(jù)代入式3，得出復合偏移的單邊擴充值通式：

2.3 最優(yōu)掃描區(qū)間的選擇

為了得出滿足加工要求的掃描區(qū)間，需在相同基板尺寸的條件下對上述三種情況的計算結(jié)果進行比較，以其最大值作為最優(yōu)解。

（1）X最優(yōu)解

當a=740mm，b=280mm時，復合偏移的橫向偏移量取值最?。╔復=10.046mm）。因為X復＞X正，所以比較時可忽略正偏移中橫向偏移量的影響。

當X角=X復時，得出a與b的函數(shù)關系式為0.015b-0.0039a-5.64=0，結(jié)合上述約束條件，繪制可行域，如圖8所示：

圖8 約束條件所代表的可行域

以z作為分界線，當z＞0時，X角＞X復；當z＜0時，X角＜X復。

綜上所述，當確定PCB的類型后（即a和b值），根據(jù)式5得出z值，當z＞0時，系統(tǒng)應按照式（2）中X =0.031b-0.004a計算；當z＜0時，系統(tǒng)應按照式4中X=0.016b-0.0001a+5.64計算，并取大于計算結(jié)果的最小正整數(shù)作為該類型PCB加工的掃描區(qū)間橫向擴充值。

（2）Y最優(yōu)解

當a=320mm時，角偏移和復合偏移的縱向偏移量取值最?。╕角=9.92mm，Y復=9.68mm）。由于擴充值應取大于計算結(jié)果的最小正整數(shù)，即使Y正＞Y角＞Y復，正偏移也不會對其取值造成影響（Y≥10mm），所以只需比較角偏移和復合偏移的縱向偏移量。

因為角偏移和復合偏移的縱向偏移量計算式為遞增函數(shù)，且斜率k角＞k復，Y角min＞Y復min，所以a取區(qū)間內(nèi)任意值，均有Y角＞Y復。綜上所述，當確定PCB的類型后，系統(tǒng)應按照式（2）中Y=0.031a計算，并取大于計算結(jié)果的最小正整數(shù)作為該類型PCB加工的掃描區(qū)間縱向擴充值。

3 結(jié)論

與原鉆靶裝置進行比較，并闡述了以全范圍掃描方式代替紅外線定位的新型PCB自動鉆靶裝置的工作原理；

分別以三種不同尺寸和厚度的PCB作為樣本，進行了現(xiàn)場試驗，并統(tǒng)計其在該裝置加工時產(chǎn)生的偏移類型和數(shù)量，得出基板尺寸對樣本的平均偏移數(shù)量影響較大和偏移類型以復合偏移為主的結(jié)論；

［1］沈花玉，苗艷華，韓彬彬，等.物理法PCB制作工藝流程［J］.科技創(chuàng)新導報，2012（35）：84.

［2］王衛(wèi)平.電子產(chǎn)品制造工藝［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］萬霏.基于機器視覺的ICF靶裝配檢測技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

［4］孫亞平.視覺圖像處理技術(shù)在車身精確定位系統(tǒng)中的應用研究［D］.長春：長春工業(yè)大學，2012.

［5］祁曉玲，趙霞霞，勒伍銀.基于機器視覺的軸類零件集合尺寸測量［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2013（1）：65-67.

［6］何銓鵬.一種電路板打孔機［P］.中國，ZL201420293796. X，2014-10-29.

［7］蔡積慶.PCB的激光鉆孔技術(shù)［J］.印制電路信息，2012（3）：15-19.

［8］馬杰.PCB鉆孔機專用數(shù)控系統(tǒng)設計與開發(fā)［D］.南京：南京航天航空大學，2013.

［9］蔡積慶.PCB的激光鉆孔技術(shù)［J］.印制電路信息，2012（3）：15-19.

［10］盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計［M］.4版.北京：高等教育出版社，2008.

（編輯 李秀敏）

Study on Optimal Scanning Interval of New PCB Automatic Drilling Target Device

LIU Xiao-chu1，HE Quan-peng1，JIWu-xun1，GUO Ying-ying1，WANG Hao2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2. Foshan Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528000，China）

According to the original PCB drilling target device’s shortcom ings of complicated process and little amount of drilling holes and so on.A new PCB automatic drilling target device w ith a way of entire range of scanning that instead of infrared positioning has designed.This paper explains theworking principle of the system.The placement experiment contains different sizes and thickness of PCB has been carried in order to obtain the effective scan interval of this device.Then ituses the experimental data to get the generalized calculation formulas of lateralextended value X and verticalextended value Y under three situations of positive offset，angular offset and combined offset.Finally an optimal solution of the extended scanning interval of different types of PCB has determ ined.

PCB drilling target device；scanning interval；offset

TH162；TG506

A

1001-2265（2015）07-0080-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.022

2014-11-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃：高性能四足機器人原型系統(tǒng)研究（2011AA040801）；廣東省教育部產(chǎn)學研結(jié)合項目：OGTBM系列高精密涂布生產(chǎn)線（機）（2011B090400436）

劉曉初（1964-），男，湖南耒陽人，廣州大學教授，博士，研究方向為智能裝備及機器人、綠色設計與制造，（E-mail）gdliuxiaochu@163. com。