一種電路基板傳送系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

任保勝，宋長杰
（山東日發(fā)紡織機械有限公司，山東聊城252000）

主要介紹了一種電路基板傳送系統(tǒng)的設(shè)計及工作流程。該系統(tǒng)主要由微控制器、步進馬達及傳感器裝置等組成，通過該系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，保證電路基板穩(wěn)定地在模組之間傳送，并通過雙軌道雙模組提升電子元件表面貼裝系統(tǒng)單位時間的生產(chǎn)效率。經(jīng)過實際調(diào)試及應(yīng)用使其符合設(shè)計要求。

電路基板；傳送系統(tǒng)；步進馬達；協(xié)調(diào)控制

1 引言

貼片機是SMT生產(chǎn)設(shè)備中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，能夠自動地將片狀元器件快速、準確地貼放在印制電路板（PCB）上的指定位置，是融合機械、電氣、機器視覺和自動控制技術(shù)于一體的先進制造設(shè)備，控制系統(tǒng)是其核心。作為SMT設(shè)備的龍頭，貼片機的發(fā)展歷來備受設(shè)備廠家的重視。在國外，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SMT貼片機技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，從最初的機械定位到圖像識別位置補償，從爪式定心到飛行對中檢測，貼片機的發(fā)展經(jīng)歷了質(zhì)的飛躍[1]。

從功能上將貼片機分成幾個功能模塊，如貼裝頭、X-Y運動、元件相機、MARK相機、送料器、PCB傳送軌道等。其中，PCB軌道傳送裝置由調(diào)寬軌道裝置、搬運機構(gòu)、夾緊裝置等組成，該裝置要求軌道調(diào)整寬度適應(yīng)不同寬度的PCB板，并保證傳板的流暢性、穩(wěn)定性，搬運機構(gòu)運送PCB板到位及夾緊機構(gòu)夾緊速度快、精度高。本文針對貼片機對PCB傳送系統(tǒng)的需求，采用系統(tǒng)集成設(shè)計理念，通過帶編碼器的步進系統(tǒng)及高精度的傳感器，設(shè)計了一套PCB傳送軌道系統(tǒng)，滿足貼片機對傳送PCB板高效、高精度、高穩(wěn)定性的生產(chǎn)需要，并通過雙模組雙軌道系統(tǒng)設(shè)計提高單位時間內(nèi)的生產(chǎn)效率。

2 電路基板傳送系統(tǒng)原理

貼片機PCB傳送裝置是貼片機功能模塊的重要組成部分，它的作用是將電路基板通過傳送軌道傳送到貼片機的指定位置，并將貼裝組件完成的PCB從貼片機輸出并傳送到表面貼片工藝的下一個設(shè)備中去[2]。PCB的指定位置是通過相應(yīng)的傳感器檢測后由微處理器運算后控制步進電機來完成傳送；當(dāng)PCB到達指定位置時，再由相應(yīng)的支撐裝置對PCB進行固定夾緊動作；PCB的傳送裝置需要根據(jù)PCB的尺寸大小自動調(diào)節(jié)寬度；傳送裝置的各部分需要微處理器邏輯協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)其功能。

其中，PCB傳送裝置的寬度調(diào)節(jié)采用視覺系統(tǒng)實現(xiàn)，軌道調(diào)寬無需安裝回零傳感器或者限位傳感器，既節(jié)省了成本又提高了調(diào)寬定位精度。PCB搬運電機通過一對傳感器由微處理器邏輯運算實現(xiàn)運動距離的計算。支撐夾緊裝置采用步進電機控制，相比氣缸控制支撐裝置縮短了運動時間，實現(xiàn)平穩(wěn)運行，從而保證PCB在夾緊過程中位置不會偏移。與現(xiàn)有技術(shù)相比，針對單軌道使用中一塊電路板加工、貼裝頭需要等待傳送軌道上板的情況，特別采用了雙軌道設(shè)計，兩套PCB傳送軌道裝置實現(xiàn)各自獨立運行，節(jié)省了上板時間，提高了單位時間內(nèi)的生產(chǎn)效率。

3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本文主要設(shè)計了一套電路基板傳送軌道控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括上位機、微處理器、傳感器、步進驅(qū)動器、步進電機等部分。

采用步進電機控制系統(tǒng)，一是提高控制的平穩(wěn)性，二是通過閉環(huán)邏輯控制提高控制精度。

根據(jù)步進電機驅(qū)動器的工作原理，電機控制采用共陰極的接法，步進電機控制原理圖如圖1所示，PUL+、PUL-是步進電機驅(qū)動器的脈沖信號輸入端口，DIR+、DIR-是方向信號的輸入端口。微控制器輸出的脈沖方向信號功率達不到電機控制需要的功率，必須將其輸出信號放大產(chǎn)生足夠的功率才能驅(qū)動步進電機驅(qū)動器正常工作，進而驅(qū)動步進電機的正常運轉(zhuǎn)。所以微控制器輸出PUL+和DIR+驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動器放大后，作為電機驅(qū)動器的輸入信號，驅(qū)動器根據(jù)步進電機的相數(shù)進行環(huán)形分配，再對信號進行功率放大，輸出A、B相信號驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。而根據(jù)步進電機的工作原理，微控制器每發(fā)生一個脈沖信號則步進電機轉(zhuǎn)動一整步(1.8°)，電機的角速度為1.8/T。即通過控制脈沖信號的周期T來達到步進電機調(diào)速的目的[3]。

如圖2所示為單軌道傳送裝置系統(tǒng)的硬件架構(gòu)示意圖。上位機主要用來監(jiān)控整個裝置的運行狀態(tài)，發(fā)送運算數(shù)據(jù)，具體的邏輯控制都是通過微處理器獨立完成，只需要給上位機反饋信息。

微處理器是控制系統(tǒng)的核心部分，主要負責(zé)步進電機、I/O檢測等部分邏輯控制，和上位機之間通過通訊的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)反饋。步進電機是執(zhí)行結(jié)構(gòu)，將微處理器的信號轉(zhuǎn)換為機械結(jié)構(gòu)的實際運動。傳感器是用來檢測動作完成與否的反饋信號，通過傳感器檢測各組成部分的狀態(tài)，再把信息傳送到微處理器進行邏輯控制。在運行中傳感器發(fā)揮信息采集及狀態(tài)監(jiān)測的作用。

圖1 步進電機控制原理圖

圖2 傳送裝置架構(gòu)示意圖

如圖3所示為雙模組雙傳送軌道系統(tǒng)示意圖，通過微處理器的邏輯控制，實現(xiàn)不同尺寸PCB板的加工，提高了機器加工產(chǎn)品的適應(yīng)性。并且該裝置不會由于輸送基板而中斷電子元器件的貼裝作業(yè)。電路板傳輸裝置為一種并排雙軌道傳輸裝置，最多可有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4塊PCB板同時存在機器內(nèi)部，其中2塊PCB板正在接受貼裝工作時另外2塊PCB板等待貼裝。這樣當(dāng)前面2塊PCB板貼裝完成后貼裝頭可以直接對另外2塊待貼裝板進行貼裝，無需中斷貼裝作業(yè)，提高了機械的生產(chǎn)效率。

圖3 雙模組雙傳送軌道系統(tǒng)示意圖

4 控制邏輯設(shè)計

如圖4所示為傳送軌道系統(tǒng)流程圖。首先初始化各裝置，通過上位機加工電路板的輸入信息而獲取PCB板尺寸，上位機將該數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，由機器的視覺系統(tǒng)檢測PCB軌道上的MARK點，確定固定軌道與動軌之間的當(dāng)前距離。通過設(shè)定距離與當(dāng)前距離的差值，微控制器經(jīng)過運算確定調(diào)寬電機運動的脈沖數(shù)，發(fā)送給步進電機執(zhí)行運動，運動完成再由視覺系統(tǒng)重新檢驗是否運動到位，如果未到位根據(jù)新的當(dāng)前位置重新計算運動脈沖數(shù)，3次未完成則上位機報警提示，查找原因、排除故障。如果到位則調(diào)寬完成，進行下一流程的動作。這種閉環(huán)方式可以有效保證調(diào)寬精度[4]。

上板流程為軌道前端的傳感器檢測有PCB板到來時，將信息發(fā)送給微處理器，根據(jù)PCB板尺寸信息，核算需要搬運電機運動的脈沖數(shù)，將PCB板運送至要求的位置，視覺系統(tǒng)檢測PCB板MARK點是否到達指定位置，如果未到位則報警提示，如果到位則由支撐電機帶動支撐結(jié)構(gòu)向上運動，將PCB板固定加緊，傳送電路基板工作結(jié)束。

下板流程為貼裝頭完成要求的工作后，上位機通過通信發(fā)送出板指令給微處理器，支撐電機向下運動指定的距離，到位后微處理器核算搬運電機運動脈沖數(shù)，軌道后端的傳感器檢測有PCB板，將信息發(fā)送給上位機，等待上位機查看下游設(shè)備信號是否要求送板。加工完成的電路板傳送至下游工位，該軌道的PCB傳送工作完成。

圖4 傳送軌道系統(tǒng)流程圖

針對雙模組雙傳送軌道，需要根據(jù)上位機的優(yōu)化順序確定整個上、下板工作流程。雙軌道的每個軌道都是獨立執(zhí)行的，即一個軌道進行貼裝作業(yè)時另一個軌道可以按照上述流程進行上、下板工作。這種工作模式始終保證貼裝頭在兩個軌道間不停止地切換作業(yè)，無需像單軌道那樣等待上板或者下板，提高了機器整體的生產(chǎn)效率，同時也可以實現(xiàn)兩種不同尺寸電路板的加工。圖5所示為傳送軌道系統(tǒng)實物圖。

圖5 傳送軌道實物圖

搬運時間對比，雙搬運軌道在連續(xù)運行時為0 s（本文為雙軌），單搬運軌道為2 s，最大搬運能力2.5 kg，夾緊高度為800 mm（可選）。采用系統(tǒng)集成的設(shè)計方式，步進電機采用控制驅(qū)動一體式，上位系統(tǒng)只需發(fā)送簡單指令，由電機自動完成動作，上下位機交互快、穩(wěn)定性好，相較而言驅(qū)控一體電機成本較低。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的電路基板傳送系統(tǒng)僅僅是貼片機組成的一部分，為了滿足傳板要求而設(shè)計的一套控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)基本滿足當(dāng)前設(shè)備功能需要，運行過程中也存在各種各樣的問題，包括雙模組雙傳送軌道裝置的協(xié)調(diào)控制。協(xié)調(diào)控制不僅建立在可靠、精確的硬件控制平臺基礎(chǔ)上，更需要編寫功能完善、可操作性高、健壯且易于維護的軟件系統(tǒng)，在調(diào)試過程中不斷改進優(yōu)化，該套裝置的可靠性及穩(wěn)定性得到了很大提升。

[1]龍緒明.電子表面組裝技術(shù)——SMT[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[2]魏云峰，等.貼片機PCB傳送機構(gòu)設(shè)計研究[D].江蘇：蘇州大學(xué)，電工電子，2011.

[3]楊鑫.嵌入式貼片機運動控制系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2008.

[4]魏云峰.貼片機控制系統(tǒng)底層軟件模塊與上層軟件設(shè)計[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2011.

Design and Application of a Substrate Transfer System

REN Baosheng,SONG Changjie
（ShanDong RIFA Textile Machinery Co.Ltd.,Liaocheng 252000,China）

The paper presents a kind of substrate transfer system.The system consists of micro controller, stepper motor and sensors.The system ensures the stable substrate transfer between modules,and improves the production efficiency ofsurface mountsystem using the double-track double-module system.

circuitboard;conveyersystem;step motor;coordination control

TN605

A

1681-1070（2017）05-0041-03

任保勝（1985—），男，山東聊城人，電氣工程師，現(xiàn)就職于山東日發(fā)紡織機械有限公司。

2017-1-24