陳力

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳力

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

在PCB板的生產(chǎn)過程中，需要人工對(duì)PCB板進(jìn)行檢測，這種操作雖然對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求簡單，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，出錯(cuò)率很高。介紹了一種PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的控制任務(wù)與要求，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與工作過程。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，具有人機(jī)交互界面，操作簡單方便，工作效率高，節(jié)省了人力和物力資源。

PCB板；PLC；觸摸屏HMI；變頻器

PCB板即印刷電路板，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。隨著PCB板的需求量增大，需要提高PCB板的生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)效率。在PCB板的生產(chǎn)過程中，需要人工對(duì)PCB板進(jìn)行檢測，這種操作雖然對(duì)生產(chǎn)設(shè)備要求簡單，但缺點(diǎn)明顯，即勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，且人工操作的出錯(cuò)率很高。隨著市場對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，這種人工檢測PCB線路板的方法越來越不適應(yīng)現(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種能夠替代人工檢測的自動(dòng)PCB板檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)勢在必行。本文闡述了PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，分析了該系統(tǒng)的控制要求，詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與各部分工作過程。

1 PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)任務(wù)功能

PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)，由4個(gè)工作站點(diǎn)組成，分別是上料站、檢驗(yàn)站、合格品站和不合格品站。PCB板在各站點(diǎn)之間的流動(dòng)，是通過二自由度的行走機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的。行走機(jī)械手上安裝有氣缸和吸盤，并由伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。機(jī)械手首先從上料站取PCB板送到檢驗(yàn)站進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)完畢后，如果PCB板合格，機(jī)械手將PCB板送到合格品站并返回至上料站；如果PCB板不合格，機(jī)械手將PCB板送到不合格品站并返回至上料站，循環(huán)往復(fù)。具體如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括PLC控制器、伺服電動(dòng)機(jī)及伺服驅(qū)動(dòng)器、氣缸吸盤與電磁換向閥、觸摸屏HMI、變頻器及三相交流異步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)按鈕與傳感器、智能工業(yè)相機(jī)、PC機(jī)、光源控制器等。系統(tǒng)采用S7-200 CPU226CN PLC作為系統(tǒng)的控制器，PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)分別與傳感器、按鈕開關(guān)、伺服參數(shù)輸出端相連接，用于接收系統(tǒng)的控制信號(hào)；PLC的高速脈沖輸出點(diǎn)與伺服驅(qū)動(dòng)器相連接，用于控制伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制，伺服系統(tǒng)的定位和速度由PLC輸出脈沖個(gè)數(shù)和頻率來控制。PLC的數(shù)字案量輸出點(diǎn)通過繼電器與電磁換向閥相連接，用于控制氣缸與吸盤，PLC的輸入輸出點(diǎn)還與智能相機(jī)光源控制器的數(shù)字量輸入輸出端相連接，用于發(fā)出圖像采集信號(hào)和接收檢驗(yàn)結(jié)果信息；CPU226CN的PORT0通信口與MM440變頻器的內(nèi)置RS-485通信接口相連接，實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器的USS協(xié)議通信，控制變頻器的運(yùn)行，傳遞控制參數(shù)及相關(guān)信息；PLC的PORT1通信口與觸摸屏TPC7062KS相連接，為系統(tǒng)提供可視化的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障報(bào)警顯示等功能。

圖1 PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用的是基于智能相機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，包括智能相機(jī)、鏡頭、光源、光源控制器、連接電纜等。智能相機(jī)的RJ45接口通過交叉網(wǎng)線連接上位PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像的編輯與處理；相機(jī)的DB15串口通過SW-IO電纜連接電源控制器，用于調(diào)整光源輸出、與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)交互。PLC在接收到圖像處理結(jié)果后，進(jìn)行動(dòng)作輸出，具體如圖2所示。

2 PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)工作過程

2.1 行走機(jī)械手動(dòng)作過程

機(jī)械手移動(dòng)到上料站上方，氣缸活塞桿下移，接著吸盤吸住PCB板后，氣缸活塞桿上移；機(jī)械手移動(dòng)到檢驗(yàn)站上方，氣缸活塞桿下移把PCB板送到檢驗(yàn)站托盤上，吸盤松開PCB后，氣缸活塞桿上移等待檢驗(yàn)；檢驗(yàn)完畢后，系統(tǒng)得到了PCB板是否合格的信息。如果PCB板合格，氣缸活塞桿下移，吸盤吸住PCB板后，氣缸活塞桿上移，機(jī)械手移動(dòng)到合格品站上方，氣缸活塞桿下移把PCB板送到合格品站托盤上，吸盤松開PCB板后，氣缸活塞桿上移，機(jī)械手返回至上料站；如果PCB板不合格，氣缸活塞桿下移，吸盤吸住PCB板后，氣缸活塞桿上移，機(jī)械手移動(dòng)到不合格品站上方，氣缸活塞桿下移把PCB板送到不合格品站托盤上，吸盤松開PCB板后，氣缸活塞桿上移，機(jī)械手返回至上料站，循環(huán)往復(fù)。

圖2 PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)電氣系統(tǒng)框圖

2.2 上料站工作過程

由變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副，將托盤上的PCB板逐一向上輸送，當(dāng)機(jī)械手吸盤取走一塊PCB板后，缺料傳感器4檢測到缺料信號(hào)，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副，將托盤中的剩余PCB板向上移動(dòng)一個(gè)PCB板高度，缺料傳感器4接收到信號(hào)后停止，循環(huán)進(jìn)行。當(dāng)托盤中最后一塊PCB板被取走后，無料傳感器5檢測到無料信號(hào)，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副，將托盤向下移動(dòng)，直至上料傳感器6接收到信號(hào)后停止，提示人工裝料。

2.3 檢驗(yàn)站工作過程

當(dāng)機(jī)械手把PCB板送到檢驗(yàn)站托盤上，有料傳感器7檢測到信號(hào)，伸縮氣缸活塞桿縮回，使裝有托盤和PCB板的載料臺(tái)移動(dòng)到工業(yè)照相機(jī)的正下方，載料臺(tái)是通過直線導(dǎo)軌副起導(dǎo)向和支撐作用的；PLC發(fā)出信號(hào)至智能相機(jī)光源控制器，驅(qū)動(dòng)相機(jī)進(jìn)行圖像采集與檢測；檢測完畢后，相機(jī)光源控制器將結(jié)果發(fā)送至PLC，經(jīng)運(yùn)算處理后，驅(qū)動(dòng)伸縮氣缸活塞桿伸出，使載料臺(tái)移動(dòng)到機(jī)械手吸盤正下方，等待取料。

2.4 合格品站工作過程

當(dāng)機(jī)械手把PCB板送到合格品站托盤上，有料傳感器10檢測到信號(hào)，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副，將托盤上的PCB板向下移動(dòng)一個(gè)PCB板高度，直至有料傳感器10未檢出信號(hào)后停止，循環(huán)進(jìn)行。當(dāng)托盤中PCB板裝滿并移動(dòng)到下限位時(shí)，料滿傳感器12檢測到信號(hào)，系統(tǒng)停止，提示人工取料。不合格品站工作過程與合格品站工作過程類似，不再贅述。

3 結(jié)束語

綜上所述，PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①機(jī)器視覺系統(tǒng)。系統(tǒng)利用基于智能相機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)具有更高的效率和精度，提升了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化與柔性功能，適用于需要大批量檢測任務(wù)的情況，可以在不適宜人工作的環(huán)境中工作，取代人工檢測。②變頻器通信控制。USS通信協(xié)議是專用于S7-200和西門子公司的Micro Master變頻器之間的通信。PLC通過USS通信來監(jiān)控變頻器，傳送的信息量大、接線量少，占用PLC的I/O點(diǎn)數(shù)少，還可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)變頻器的聯(lián)動(dòng)和同步控制，是一種硬件結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)用低、使用方便的通信方式。③觸摸屏技術(shù)。觸摸屏HMI將用戶的控制與顯示從工控系統(tǒng)中分離出來，它將系統(tǒng)內(nèi)部的信息轉(zhuǎn)換為人可以接受的形式，提供了良好的人機(jī)交互方式，是操作人員與PLC進(jìn)行對(duì)話的接口，可以使PCB板自動(dòng)檢驗(yàn)與分揀系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，故障報(bào)警和顯示等功能。

［1］吳有明.自動(dòng)生產(chǎn)線調(diào)試與維護(hù)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2012.

［2］廖常初.PLC編程及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［3］呂景泉.自動(dòng)化生產(chǎn)線安裝與調(diào)試［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］苗喜榮.基于YL335B輸送站項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)研究［J］.職業(yè)技術(shù)，2012（05）.

陳力（1977—），男，天津人，講師，碩士，研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)、機(jī)電一體化。

〔編輯：張思楠〕

TP23

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.23.099

2095－6835（2017）23－0099－02