張國琦，胡志偉，曹 捷，毛曉琦，強鵬飛

（1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所，西安 710119；2.西安理工大學(xué)機械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

近年來，隨著電子產(chǎn)品的小型化，印刷電路板（PCB）上電子元器件的密度和復(fù)雜性不斷增加，對全自動焊膏印刷機控制系統(tǒng)的定位精度以及穩(wěn)定性提出了更高、更嚴(yán)格的要求[1]。焊膏印刷機是把焊膏準(zhǔn)確無誤地分配到指定的焊接板上，焊膏機的性能直接影響到PCB板的質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，電路板成品中要返工或者報廢的有60%左右是由焊膏印刷質(zhì)量不良造成的[2-3]。國產(chǎn)印刷機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度與國外相比還有一定的差距。目前，PLC因可靠性高、操作靈活、通用性強等特點已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)中[4-6]；與此同時，采用工業(yè)控制機加PLC的上下位機總線結(jié)構(gòu)，可以有效保證控制系統(tǒng)的實時性以及系統(tǒng)優(yōu)良的人機交互[7-8]。通過與中科院西安光學(xué)精密機械研究所合作，本文開發(fā)了基于總線結(jié)構(gòu)的上下位機高精度全自動視覺焊膏印刷機控制系統(tǒng)，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短了系統(tǒng)印刷節(jié)拍時間，并且具有優(yōu)良的人機交互界面。

1 全自動視覺焊膏印刷機

全自動視覺焊膏印刷機由PCB板的自動輸送平臺、視覺系統(tǒng)、上網(wǎng)板糾偏系統(tǒng)、刮刀印刷系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 全自動視覺焊膏印刷機組成

全自動視覺焊膏印刷機的運動組成如圖2所示，PCB板的自動輸送平臺由步進電機、導(dǎo)軌、PCB板頂升氣缸、真空吸盤以及限位開關(guān)等組成，完成PCB板的自動輸送、定位以及夾緊（圖2（a））；視覺系統(tǒng)由步進電機帶動工業(yè)相機在X、Y兩個方向運動，實現(xiàn)對上網(wǎng)板和PCB板上Mark點的圖像采集，并將圖像通過總線傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)完成圖像處理以及坐標(biāo)定位，為了保證坐標(biāo)的準(zhǔn)確，視覺系統(tǒng)的定位采用了光柵尺、精密導(dǎo)軌，如圖2（b）所示；上網(wǎng)板糾偏系統(tǒng)具有沿x、y軸方向平動以及繞z軸轉(zhuǎn)動3個自由度(DOF)，由上網(wǎng)板、驅(qū)動機構(gòu)、驅(qū)動器、伺服電機等組成，如圖2（c）所示；糾偏系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)提供的上網(wǎng)板與PCB板上Mark點的位置偏差，驅(qū)動伺服系統(tǒng)使PCB板與上網(wǎng)板的Mark點對應(yīng)重合，實現(xiàn)上網(wǎng)板的姿態(tài)糾偏。刮刀印刷系統(tǒng)實現(xiàn)焊膏的涂膠，由印刷電機、刮刀、驅(qū)動機構(gòu)組成。

圖2 全自動視覺焊膏印刷機運動組成

影響印刷機精度的因素很多，如系統(tǒng)硬件模塊性能、機械部件的制造、裝配誤差以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等[9]。表1所示為本系統(tǒng)的主要硬件模塊選型。系統(tǒng)的檢測部件采用了精度達到4μm的光柵尺以及最高分辨率為4 384×328的工業(yè)相機，確保上網(wǎng)板和PCB板上Mark點的精確定位；系統(tǒng)的驅(qū)動部件采用了直流伺服電機完成上網(wǎng)板糾偏控制；相機以及PCB傳輸?shù)尿?qū)動部件采用高精密絲杠導(dǎo)程5 mm以及步距角1.8°的兩相混合制步進電機，上述控制系統(tǒng)的硬件配置可以有效保證焊膏機找正定位精度。

表1 焊膏印刷機主要模塊選型

根據(jù)PCB板印刷的工藝要求，全自動視覺焊膏印刷機的控制流程如圖3所示。首先PCB板通過自動輸送平臺進入，遇到止檔器PCB板到位停止，由真空吸盤進行固定、夾緊，同時，頂升氣缸將PCB板頂升；然后，工業(yè)相機移動實現(xiàn)PCB板和上網(wǎng)板Mark點的圖像采集，并通過485總線發(fā)送到上位工控機，通過計算得到PCB板與上網(wǎng)板的位置偏差；在此基礎(chǔ)上，由上位機通過485總線控制伺服系統(tǒng)進行上網(wǎng)板糾偏；最后，由刮刀完成焊膏涂膠；涂膠后，PCB板落下，真空吸盤松開，PCB板由輸送平臺輸送出印刷機，至此完成一個印刷流程。

圖3 全自動視覺焊膏印刷機控制流程圖

2 基于總線的焊膏機控制系統(tǒng)

全自動視覺焊膏印刷機控制系統(tǒng)采用基于總線的上下位機控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。上位機控制系統(tǒng)以工業(yè)計算機（DELL-Inspiron3471）為硬件核心，實現(xiàn)人機交互，圖像處理以及上網(wǎng)板糾偏控制；采用九代i3-9100的處理器，8 G內(nèi)存，1 TB機械盤，保證控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度；下位機系統(tǒng)包括圖像采集模塊、上網(wǎng)板糾偏伺服模塊以及PLC運動控制模塊。上下位機之間通過RS485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。圖像采集模塊通過485總線將圖像傳輸給上位機；上位機對圖像進行處理，得到PCB板和上網(wǎng)板Mark點在相機視野當(dāng)中的位置，并結(jié)合光柵尺得到的相機位置，得到PCB板和上網(wǎng)板Mark點在焊膏印刷機坐標(biāo)系下的偏差，在此基礎(chǔ)上，通過糾偏算法得到3個糾偏伺服電機的控制量，再通過485總線直接控制電機運動，實現(xiàn)糾偏功能；PLC運動控制模塊通過高速脈沖輸出分別控制PCB傳輸、工業(yè)相機X、Y移動以及刮刀移動4個步進電機；利用高速計數(shù)接口讀取光柵尺的位置脈沖；PLC的通用數(shù)字量輸入和輸出則實現(xiàn)氣缸、真空吸盤等執(zhí)行機構(gòu)控制和接近開關(guān)、壓力開關(guān)等檢測元件的信號獲取?；诳偩€結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)將人機交互、圖像處理以及運動驅(qū)動3個功能模塊分離，通過RS485總線方式實現(xiàn)各控制模塊之間的數(shù)據(jù)交互，有利于提高控制系統(tǒng)的可靠性以及控制效率。

圖4 控制系統(tǒng)總體方案

2.1 人機交換

全自動視覺焊膏印刷機控制系統(tǒng)的人機交互在上位機上采用Labview編程語言實現(xiàn)，其主要功能是實現(xiàn)操作人員和設(shè)備之間的信息交互，包括：設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，運行狀態(tài)的顯示，以及生產(chǎn)設(shè)備運行匯總、檢索等。

根據(jù)工藝動作流程需要，本控制系統(tǒng)設(shè)計了手動控制和自動控制兩種模式。手動控制模式主要用于系統(tǒng)調(diào)試、標(biāo)定和故障處理。圖5（a）所示為系統(tǒng)手動操作模式下的人機界面，左邊為運動控制區(qū)，可以通過手動操作完成相機拍攝、刮刀運行、真空平臺升降以及PCB板夾緊等運動；界面中間為手動糾偏操作以及相機運動控制區(qū)，設(shè)定糾偏伺服電機的位移量以及相機的位置，可以實現(xiàn)上網(wǎng)板手動糾偏，并控制相機到指定位置拍照，同時也可設(shè)定相機移動過程中的速度；界面右邊為傳感器狀態(tài)顯示區(qū)，該區(qū)域?qū)崟r顯示設(shè)備運行過程中各傳感器的狀態(tài)。自動操作模式下，控制程序根據(jù)各傳感器檢測的到位信號，為印刷流程的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計了互鎖安全機制，防止印刷中各機構(gòu)的誤動作，系統(tǒng)能自動完成整個印刷流程。在該模式下，人機界面如圖5（b）所示，實時顯示工業(yè)相機拍攝到的畫面，上網(wǎng)板和PCB板Mark點的坐標(biāo)，以及工業(yè)相機當(dāng)前坐標(biāo)等信息。

圖5 人機操作界面

2.2 PLC控制模塊

圖6 PLC的I/O分配圖

PLC控制模塊是整個焊膏印刷機運動控制的核心，本系統(tǒng)以深圳市合信自動化技術(shù)有限公司的CTH200系列的PLC為主控制器，該系列PLC集成1個以太網(wǎng)口，兩個RS485通訊口，14DI/10DO共24個數(shù)字量I/O，程序空間12 kB，數(shù)據(jù)空間8 kB，4個單相高速計數(shù)器，最高頻率為50 kHz，支持1個AB相高速計數(shù)30 k，3路50 kHz高速輸出。全自動視覺焊膏印刷機控制系統(tǒng)共有45個傳感器信號，需要有35路控制信號，因此本系統(tǒng)擴展了兩個CTH2 223-1PL32PLC模塊，每個CTH2 223-1PL32PLC有16個輸入（DI）接口，16個輸出（DO）接口。圖6所示為全自動視覺焊膏印刷機PLC控制模塊的I/O分配，2個高速計數(shù)口對工業(yè)相機X、Y軸的光柵尺計數(shù)，以精確定位相機坐標(biāo)；2路高速脈沖輸出控制工業(yè)相機的X與Y軸移動步進電機；系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號包括各種限位信號（PCB板以及刮刀到位檢測等），檢測真空吸盤固定PCB板的壓力開關(guān)信號等；PLC控制模塊的數(shù)字量輸出用于PCB傳輸平臺、刮刀的步進電機和上網(wǎng)板Z軸移動的氣缸等控制。

3 實驗驗證

實驗是在GJ-300全自動視覺焊膏印刷機上進行的，該印刷機控制系統(tǒng)是本課題組與中科院西安光學(xué)精密機械研究所合作開發(fā)。經(jīng)過測試，控制系統(tǒng)完成了PCB板的自動輸送、視覺對準(zhǔn)與定位、上網(wǎng)板糾偏、涂膠等一系列運動，系統(tǒng)自動印刷節(jié)拍大約15 s。

全自動視覺焊膏印刷機的精度主要受制于系統(tǒng)上網(wǎng)板與PCB板的定位精度，本實驗在GJ-300印刷機上利用手動控制模式進行了上網(wǎng)板與PCB板定位精度的測試。實驗按以下幾個步驟進行：（1）初始化系統(tǒng)，工業(yè)相機與上網(wǎng)板糾偏系統(tǒng)運動至各自的基準(zhǔn)位置，并對相機進行標(biāo)定；（2）手動控制PCB板至指定位置，并通過吸盤固定；（3）工業(yè)相機對PCB板和上網(wǎng)板的Mark點進行拍照并回到基準(zhǔn)位置；（4）上位機對相機獲取的圖像進行處理，并結(jié)合光柵尺的讀數(shù)，計算出各Mark點的物理坐標(biāo)；（5）糾偏算法計算出各伺服電機的輸出位移；（6）上位機控制上網(wǎng)板糾偏系統(tǒng)進行糾偏；（7）糾偏后在手動模式下再次控制工業(yè)相機對PCB和上網(wǎng)板Mark點進行拍照，并回到基準(zhǔn)位；（8）上位機計算糾偏后PCB板和上網(wǎng)板對應(yīng)Mark點的位置誤差；（9）重復(fù)步驟（2）～（8），得到30組實驗數(shù)據(jù)，表2所示為其中任意的15組數(shù)據(jù)，表中分別給出了糾偏后PCB板和上網(wǎng)板對應(yīng)的2個Mark點的坐標(biāo)，以及位置誤差，其中，位置誤差為X坐標(biāo)與Y坐標(biāo)誤差平方和的算術(shù)平方根；綜合誤差為Mark點1和Mark點2位置誤差的平均值。圖7所示為30組實驗數(shù)據(jù)繪制的系統(tǒng)定位精度曲線，X軸為實驗次數(shù)，Y軸為Mark點的綜合誤差。從圖中可以看出：本控制系統(tǒng)PCB板和上網(wǎng)板Mark點的對位精度穩(wěn)定在±10μm之內(nèi)，達到了系統(tǒng)精度的設(shè)計要求。

圖7 Mark點的對位精度曲線

4 結(jié)束語

本文開發(fā)的控制系統(tǒng)采用基于總線的上下位機控制結(jié)構(gòu)形式，上位機以工業(yè)計算機（DELL-Inspiron3471）為硬件核心，實現(xiàn)人機接口、糾偏伺服控制以及圖像處理功能；下位機包括糾偏驅(qū)動模塊、圖像采集模塊以及PLC運動控制模塊，上下位機之間通過RS485總線進行數(shù)據(jù)交互?？刂葡到y(tǒng)中，上網(wǎng)板糾偏控制采用了伺服系統(tǒng)，視覺相機的定位是通過PLC的高速口對光柵尺計數(shù)實現(xiàn)，保證了系統(tǒng)的定位精度。實驗結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)實現(xiàn)了PCB板的自動輸送、視覺對準(zhǔn)與定位、上網(wǎng)板糾偏、涂膠等運動，上網(wǎng)板找正定位精度達到了10μm，印刷節(jié)拍時間為15 s左右，達到了設(shè)計要求。

表2 測試實驗數(shù)據(jù)表