呂曉娟，張大興

（1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東中山 528400；2.西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710000）

0 引言

表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，SMT）作為新一代的電子裝聯(lián)技術(shù)，近十年來發(fā)展神速，應(yīng)用范圍十分廣泛，己經(jīng)浸透到各個(gè)行業(yè)，各個(gè)領(lǐng)域，并且在許多領(lǐng)域中己經(jīng)部分或完全取代了傳統(tǒng)的線路板通孔插裝技術(shù)[1]。這對(duì)SMT提出了更高的要求[2]。評(píng)價(jià)一條SMT生產(chǎn)線最直觀的體現(xiàn)就是貼裝速度、貼裝精度和可貼裝元器件范圍這3項(xiàng)指標(biāo)[3-4]。本文設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)貼裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用于貼片機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，并提供了一個(gè)開放式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 貼裝平臺(tái)硬件系統(tǒng)

1.1 貼裝平臺(tái)工作原理

貼片平臺(tái)融合了精密機(jī)械、視覺檢測(cè)、智能化控制、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制等現(xiàn)代機(jī)光電一體化綜合技術(shù)[5]。依照貼裝工藝的要求，通過合理控制各個(gè)軸和部件的動(dòng)作，通過吸取、移位、定位、貼裝等功能，準(zhǔn)確快速地將元器件貼放到目標(biāo)貼裝位置上，并且不能損傷到元器件或者電路板[6]。貼裝基本過程如圖1所示。

圖1 貼裝基本過程

1.2 貼裝平臺(tái)工作流程

貼裝流程一般可分為獲取數(shù)據(jù)、優(yōu)化工藝和自動(dòng)貼裝。數(shù)據(jù)獲取如PCB板需要貼裝的點(diǎn)數(shù)、每個(gè)貼裝點(diǎn)的坐標(biāo)、所要貼裝的元件的種類及拾取位置等。貼裝工藝優(yōu)化階段主要是為了提高貼裝效率而進(jìn)行的優(yōu)化貼裝順序[7]。

貼裝平臺(tái)的整個(gè)工作流程如圖2所示。

圖2 貼裝平臺(tái)工作流程

1.3 貼裝平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件組成

貼裝平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件主要由基礎(chǔ)平臺(tái)和貼裝頭兩大部分組成，它們可獨(dú)立運(yùn)行，分別包括控制器及執(zhí)行部件。

基礎(chǔ)平臺(tái)部分由DVP-20PMOOM控制的三軸伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、檢測(cè)裝置以及與觸摸屏組成，它可以與DVP-20PMOOM進(jìn)行信息交互[8]；貼裝頭部分由PMC-20MT-3控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及氣動(dòng)控制模塊組成[9]。如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件

圖4 初始化流程圖

2 貼裝平臺(tái)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是貼裝平臺(tái)電氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作的基礎(chǔ)。貼片機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不止是讓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)那么簡(jiǎn)單，除了要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，同時(shí)得具備良好的人機(jī)用戶界面[10]。本文所研究的貼片機(jī)通過DVP-20PMOO與PMC-20MT-3共同作用，在貼裝平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)貼裝功能。DVP-20PMOOM控制三軸伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置后，PMC-20MT-3控制貼片頭開始工作，連貫實(shí)現(xiàn)整個(gè)貼裝過程。

2.1 DVP-20PMOOM設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1.1 初始化設(shè)計(jì)

為了保證正常通信，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)就是對(duì)DVP-20PMOOM進(jìn)行初始化程序設(shè)計(jì)[11]。初始化流程如圖4所示。

2.1.2 原點(diǎn)回歸設(shè)計(jì)

本貼裝實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是拱架型。帶有貼裝頭的機(jī)器臂從初始位置移動(dòng)到第一個(gè)待貼元件所在的喂料槽上方，吸取該元件后，移動(dòng)到PCB上方貼裝元件到相應(yīng)預(yù)先確定的位置；貼裝完后，機(jī)器臂再移動(dòng)到喂料槽上吸取第二個(gè)元件，再貼裝到PCB上相應(yīng)位置。所以平臺(tái)每次都要執(zhí)行原點(diǎn)回歸，讓坐標(biāo)重新回到原點(diǎn)位置執(zhí)行后續(xù)的任務(wù)與操作[12]。

原點(diǎn)回歸模式設(shè)計(jì)如圖5所示。原點(diǎn)回歸方向：反轉(zhuǎn)；回歸模式：正常；原點(diǎn)回歸脈沖：P=0；原點(diǎn)：N=2時(shí)；觸發(fā)DOG動(dòng)作：下降沿檢測(cè)時(shí)。

圖5 原點(diǎn)回歸模式

2.1.3 軸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

X-Y-Z在多軸聯(lián)動(dòng)前需要設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，通過運(yùn)動(dòng)指令或G碼指令實(shí)現(xiàn)。下面是一段用G代碼編寫的軌跡程序，通過PMSoft的仿真，結(jié)果與實(shí)際行走軌跡保持一致。

G90

G01 X-20.0 Y20.0 F20.0

G01 X60.0 Y20.0 F20.0

G01 X60.0 Y100.0 F20.0

G03 X60.0 Y100.0 R20.0 F20.0

G02 X20.0 Y100.0 R20.0 F20.0

G01 X-20.0 Y20.0 F20.0

2.2 PMC-20MT-3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

PMC-20MT-3用于實(shí)現(xiàn)貼裝頭部分的動(dòng)作，包括驅(qū)動(dòng)程序的啟動(dòng)、給伺服機(jī)構(gòu)通電、坐標(biāo)軸的回零、傳感器的檢測(cè)、氣壓是否正常等[13]。

2.2.1 動(dòng)作設(shè)計(jì)

貼裝頭部分主要實(shí)現(xiàn)吸片和貼片。貼裝的實(shí)施步驟如下：

（1）吸嘴運(yùn)動(dòng)到取料點(diǎn)吸取元件；

（2）將元件移動(dòng)到上視相機(jī)處進(jìn)行檢測(cè)，然后運(yùn)動(dòng)至貼裝點(diǎn)；

（3）根據(jù)位置補(bǔ)償使元器件中心對(duì)準(zhǔn)貼裝點(diǎn)進(jìn)行貼片；

（4）貼裝完畢后，由出板機(jī)構(gòu)將其運(yùn)送出貼裝平臺(tái)。

吸片、貼片如圖6所示（左側(cè)為吸片，右側(cè)為貼片）。

圖6 吸片與貼片動(dòng)作流程圖

2.2.2 動(dòng)作實(shí)現(xiàn)

按照貼裝平臺(tái)的工作過程，當(dāng)基礎(chǔ)平臺(tái)移動(dòng)到指定位置時(shí)，貼片與吸片才會(huì)動(dòng)作，通過“DM整數(shù)跳轉(zhuǎn)”指令來實(shí)現(xiàn)。通過設(shè)定值與DM寄存器的賦值來比較，當(dāng)值相等時(shí)，便跳轉(zhuǎn)執(zhí)行后續(xù)的程序；當(dāng)貼片或吸片程序完成后，再賦值給DM寄存器，程序則跳轉(zhuǎn)回判斷語句處。實(shí)現(xiàn)流程如圖7所示。

3 貼裝平臺(tái)系統(tǒng)測(cè)試

3.1 基礎(chǔ)平臺(tái)原點(diǎn)回歸測(cè)試

首先，設(shè)置各軸原點(diǎn)回歸速度和減速度分別為3 000 pps和400 pps，并通過觸摸屏手動(dòng)控制將各軸移動(dòng)到任意位置，然后進(jìn)行原點(diǎn)回歸。完成原點(diǎn)回歸后，記錄光柵尺反饋的實(shí)際位置，重復(fù)執(zhí)行50次同樣的操作，然后利用Matlab軟件將50組測(cè)試結(jié)果繪制成曲線，3個(gè)軸原點(diǎn)回歸誤差曲線如圖8所示。

圖7 程序總體流程

圖8 原點(diǎn)回歸測(cè)試結(jié)果

由圖可以看出，在50次的重復(fù)歸零測(cè)試中，3個(gè)軸的最大偏差均在20個(gè)脈沖以內(nèi)，說明了貼裝平臺(tái)能夠準(zhǔn)確找到第二個(gè)Z脈沖，并將其設(shè)定為原點(diǎn)。因此，本文設(shè)計(jì)的方法能夠滿足原點(diǎn)回歸的精度要求，方法可行。

3.2 基礎(chǔ)平臺(tái)定位精度測(cè)試

在半閉環(huán)情況下，讓X軸在工作范圍內(nèi)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)一個(gè)來回，并給速度分別賦值1 000 pps、2 000 pps和3 000 pps。如圖9所示，可以看出，在不同速度下，誤差值并沒有發(fā)生太大變化，保持在-60～0，其他軸測(cè)試結(jié)果與X軸類似[14]。

給X、Y、Z軸設(shè)定相同速度3 000 pps，運(yùn)行一個(gè)來回后的定位誤差測(cè)試結(jié)果均保持在i 30μm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)的精度要求。圖10所示的測(cè)試結(jié)果表明誤差補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)合理。

圖9 X軸在不同速度下各點(diǎn)誤差值

圖10 各軸測(cè)試結(jié)果

3.3 貼裝平臺(tái)整體運(yùn)行測(cè)試

為了檢測(cè)貼裝平臺(tái)能否完整地執(zhí)行吸片和貼片流程，必行進(jìn)行整體運(yùn)行測(cè)試[15]。貼裝平臺(tái)進(jìn)行整體運(yùn)行時(shí)，需要基礎(chǔ)平臺(tái)與貼裝平臺(tái)相互配合，因此需要通過上位機(jī)軟件操作，由此檢驗(yàn)自動(dòng)貼裝算法的可執(zhí)行性。

DVP-20PMOOM中已預(yù)存了取料點(diǎn)和上視相機(jī)的位置坐標(biāo)，在上位機(jī)軟件主界面的自動(dòng)貼裝區(qū)中，輸入位置坐標(biāo)和運(yùn)行速度，點(diǎn)擊“自動(dòng)貼裝”按鈕，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)至取料點(diǎn)吸取元器件后，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到上視系統(tǒng)檢測(cè)區(qū)，模擬元器件進(jìn)行檢測(cè)與校正，最后運(yùn)動(dòng)到貼裝點(diǎn)并將元器件放置到PCB板上。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的貼片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)在實(shí)踐中證明是可行的，實(shí)現(xiàn)了部分功能，取得一定進(jìn)展，但仍處在初級(jí)階段，還有很大的開發(fā)空間。后期希望在視覺檢測(cè)和元器件的檢測(cè)與糾偏中取得大的突破。