一種電路基板傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

一種電路基板傳送系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任保勝，宋長(zhǎng)杰
（山東日發(fā)紡織機(jī)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(jì)及工作流程。該系統(tǒng)主要由微控制器、步進(jìn)馬達(dá)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(shí)間的生產(chǎn)效率。經(jīng)過實(shí)際調(diào)試及應(yīng)用使其符合設(shè)計(jì)要求。

電路基板；傳送系統(tǒng)；步進(jìn)馬達(dá)；協(xié)調(diào)控制

1 引言

貼片機(jī)是SMT生產(chǎn)設(shè)備中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，能夠自動(dòng)地將片狀元器件快速、準(zhǔn)確地貼放在印制電路板（PCB）上的指定位置，是融合機(jī)械、電氣、機(jī)器視覺和自動(dòng)控制技術(shù)于一體的先進(jìn)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(jī)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(jī)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，從最初的機(jī)械定位到圖像識(shí)別位置補(bǔ)償，從爪式定心到飛行對(duì)中檢測(cè)，貼片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了質(zhì)的飛躍[1]。

從功能上將貼片機(jī)分成幾個(gè)功能模塊，如貼裝頭、X-Y運(yùn)動(dòng)、元件相機(jī)、MARK相機(jī)、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(yùn)機(jī)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(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)送PCB板到位及夾緊機(jī)構(gòu)夾緊速度快、精度高。本文針對(duì)貼片機(jī)對(duì)PCB傳送系統(tǒng)的需求，采用系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)理念，通過帶編碼器的步進(jìn)系統(tǒng)及高精度的傳感器，設(shè)計(jì)了一套PCB傳送軌道系統(tǒng)，滿足貼片機(jī)對(duì)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(jì)提高單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)效率。

2 電路基板傳送系統(tǒng)原理

貼片機(jī)PCB傳送裝置是貼片機(jī)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(jī)的指定位置，并將貼裝組件完成的PCB從貼片機(jī)輸出并傳送到表面貼片工藝的下一個(gè)設(shè)備中去[2]。PCB的指定位置是通過相應(yīng)的傳感器檢測(cè)后由微處理器運(yùn)算后控制步進(jìn)電機(jī)來完成傳送；當(dāng)PCB到達(dá)指定位置時(shí)，再由相應(yīng)的支撐裝置對(duì)PCB進(jìn)行固定夾緊動(dòng)作；PCB的傳送裝置需要根據(jù)PCB的尺寸大小自動(dòng)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(shí)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(shí)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(yùn)電機(jī)通過一對(duì)傳感器由微處理器邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)距離的計(jì)算。支撐夾緊裝置采用步進(jìn)電機(jī)控制，相比氣缸控制支撐裝置縮短了運(yùn)動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，從而保證PCB在夾緊過程中位置不會(huì)偏移。與現(xiàn)有技術(shù)相比，針對(duì)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(jì)，兩套PCB傳送軌道裝置實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立運(yùn)行，節(jié)省了上板時(shí)間，提高了單位時(shí)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(jì)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(jī)、微處理器、傳感器、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)等部分。

采用步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作原理，電機(jī)控制采用共陰極的接法，步進(jìn)電機(jī)控制原理圖如圖1所示，PUL+、PUL-是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)輸入端口，DIR+、DIR-是方向信號(hào)的輸入端口。微控制器輸出的脈沖方向信號(hào)功率達(dá)不到電機(jī)控制需要的功率，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠的功率才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器正常工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以微控制器輸出PUL+和DIR+驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器放大后，作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)進(jìn)行環(huán)形分配，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，輸出A、B相信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。而根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理，微控制器每發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一整步(1.8°)，電機(jī)的角速度為1.8/T。即通過控制脈沖信號(hào)的周期T來達(dá)到步進(jìn)電機(jī)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(jī)主要用來監(jiān)控整個(gè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)送運(yùn)算數(shù)據(jù)，具體的邏輯控制都是通過微處理器獨(dú)立完成，只需要給上位機(jī)反饋信息。

微處理器是控制系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)、I/O檢測(cè)等部分邏輯控制，和上位機(jī)之間通過通訊的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)反饋。步進(jìn)電機(jī)是執(zhí)行結(jié)構(gòu)，將微處理器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。傳感器是用來檢測(cè)動(dòng)作完成與否的反饋信號(hào)，通過傳感器檢測(cè)各組成部分的狀態(tài)，再把信息傳送到微處理器進(jìn)行邏輯控制。在運(yùn)行中傳感器發(fā)揮信息采集及狀態(tài)監(jiān)測(cè)的作用。

圖1 步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)不同尺寸PCB板的加工，提高了機(jī)器加工產(chǎn)品的適應(yīng)性。并且該裝置不會(huì)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(shí)存在機(jī)器內(nèi)部，其中2塊PCB板正在接受貼裝工作時(shí)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(duì)另外2塊待貼裝板進(jìn)行貼裝，無需中斷貼裝作業(yè)，提高了機(jī)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(jì)

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(jī)加工電路板的輸入信息而獲取PCB板尺寸，上位機(jī)將該數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，由機(jī)器的視覺系統(tǒng)檢測(cè)PCB軌道上的MARK點(diǎn)，確定固定軌道與動(dòng)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(yùn)算確定調(diào)寬電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖數(shù)，發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)完成再由視覺系統(tǒng)重新檢驗(yàn)是否運(yùn)動(dòng)到位，如果未到位根據(jù)新的當(dāng)前位置重新計(jì)算運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)，3次未完成則上位機(jī)報(bào)警提示，查找原因、排除故障。如果到位則調(diào)寬完成，進(jìn)行下一流程的動(dòng)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(cè)有PCB板到來時(shí)，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(yùn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖數(shù)，將PCB板運(yùn)送至要求的位置，視覺系統(tǒng)檢測(cè)PCB板MARK點(diǎn)是否到達(dá)指定位置，如果未到位則報(bào)警提示，如果到位則由支撐電機(jī)帶動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，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(jī)通過通信發(fā)送出板指令給微處理器，支撐電機(jī)向下運(yùn)動(dòng)指定的距離，到位后微處理器核算搬運(yùn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)脈沖數(shù)，軌道后端的傳感器檢測(cè)有PCB板，將信息發(fā)送給上位機(jī)，等待上位機(jī)查看下游設(shè)備信號(hào)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(duì)雙模組雙傳送軌道，需要根據(jù)上位機(jī)的優(yōu)化順序確定整個(gè)上、下板工作流程。雙軌道的每個(gè)軌道都是獨(dú)立執(zhí)行的，即一個(gè)軌道進(jìn)行貼裝作業(yè)時(shí)另一個(gè)軌道可以按照上述流程進(jìn)行上、下板工作。這種工作模式始終保證貼裝頭在兩個(gè)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(jī)器整體的生產(chǎn)效率，同時(shí)也可以實(shí)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(shí)物圖。

圖5 傳送軌道實(shí)物圖

搬運(yùn)時(shí)間對(duì)比，雙搬運(yùn)軌道在連續(xù)運(yùn)行時(shí)為0 s（本文為雙軌），單搬運(yùn)軌道為2 s，最大搬運(yùn)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(jì)方式，步進(jìn)電機(jī)采用控制驅(qū)動(dòng)一體式，上位系統(tǒng)只需發(fā)送簡(jiǎn)單指令，由電機(jī)自動(dòng)完成動(dòng)作，上下位機(jī)交互快、穩(wěn)定性好，相較而言驅(qū)控一體電機(jī)成本較低。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電路基板傳送系統(tǒng)僅僅是貼片機(jī)組成的一部分，為了滿足傳板要求而設(shè)計(jì)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(yùn)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(tái)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(hù)的軟件系統(tǒng)，在調(diào)試過程中不斷改進(jìn)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(jī)PCB傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].江蘇：蘇州大學(xué)，電工電子，2011.

[3]楊鑫.嵌入式貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學(xué)，2008.

[4]魏云峰.貼片機(jī)控制系統(tǒng)底層軟件模塊與上層軟件設(shè)計(jì)[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(jī)械有限公司。

2017-1-24