PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

黃志敏，羅維平，藺紹江

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PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

黃志敏1,2，羅維平1*，藺紹江2

（1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003）

為了解決傳統(tǒng)PCB板手工插針的難度及效率問(wèn)題，研究一套基于三菱PLC與威綸觸摸屏的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠并帶動(dòng)工作臺(tái)（X-Y平臺(tái)）運(yùn)動(dòng)，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)滾珠絲杠沿X軸方向、Y軸方向的極限位置，并將信號(hào)實(shí)時(shí)反饋給PLC進(jìn)行處理。插針機(jī)構(gòu)控制部分通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)氣缸伸出與縮回位置并驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，當(dāng)插針順利落入插針孔內(nèi)，通過(guò)頂針連續(xù)將插針打入對(duì)應(yīng)PCB孔內(nèi)。該系統(tǒng)配有視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)相機(jī)光源實(shí)時(shí)拍照采集數(shù)據(jù)圖像，并傳送給工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行處理并對(duì)照顯示，通過(guò)與合格標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行對(duì)比，工人能很快發(fā)現(xiàn)PCB孔插針的正確與否。實(shí)踐應(yīng)用證明，該系統(tǒng)符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求，可靠性高，穩(wěn)定性好。

PCB；三菱PLC；威綸觸摸屏；步進(jìn)電機(jī)；滾珠絲杠；光電開(kāi)關(guān)；接近開(kāi)關(guān)

插針機(jī)是連接器制造業(yè)中的常用機(jī)型設(shè)備，插針機(jī)速度的提升可以起到提高效率、減少人力、降低成本等作用。傳統(tǒng)的兩塊PCB（印制電路板）之間的電氣連接是通過(guò)手工定位和插針的方式實(shí)現(xiàn)，隨著PCB板上集成元器件數(shù)量的不斷增多和焊盤(pán)的密集程度以及孔徑大小不一等情況，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式已不再適應(yīng)于現(xiàn)在工業(yè)柔性化生產(chǎn)的需求，同時(shí)在大批量生產(chǎn)時(shí)還會(huì)增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，以及操作難度。針對(duì)上述現(xiàn)狀所產(chǎn)生的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于三菱PLC與WEINVIEW HMI組成的插針機(jī)控制系統(tǒng)，用于將連接插針打入兩塊PCB對(duì)應(yīng)的過(guò)孔中，實(shí)現(xiàn)兩塊PCB之間的電氣連接，從而來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工插接方式，提高生產(chǎn)效率。

1 PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖

PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)主要由三菱FX3U系列PLC、WEINVIEW HMI、開(kāi)關(guān)電源、接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電磁閥、相機(jī)光源、工業(yè)控制機(jī)等組成。PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖

圖2 PCB孔插針控制原理圖

1.1 PCB孔插針控制原理

PCB孔插針機(jī)插針部分主要由振動(dòng)盤(pán)、氣泵、電磁閥、氣缸、塑料軟導(dǎo)管、接近開(kāi)關(guān)等組成，PCB孔插針控制原理如下圖2所示。工作原理：首先把PCB板放置在X-Y平臺(tái)固定夾具的四個(gè)定位銷(xiāo)上，振動(dòng)盤(pán)(Vibrator Bowl)作為插針的送料裝置，和塑料軟導(dǎo)管配合起來(lái)用于實(shí)現(xiàn)物料的輸送功能。將零散的插針?lè)湃胝駝?dòng)盤(pán)料斗內(nèi)，由于振動(dòng)盤(pán)脈沖電磁鐵的作用，使料斗作垂直方向振動(dòng)，由傾斜的彈簧片帶動(dòng)料斗繞其垂直軸做扭擺振動(dòng)。插針由于受到這種振動(dòng)而沿螺旋軌道上升，插針在上升的過(guò)程中經(jīng)過(guò)一系列軌道的篩選（插針大小識(shí)別）或者姿態(tài)變化（重新落入底層螺旋軌道），使插針物料能夠按照預(yù)期的要求呈統(tǒng)一狀態(tài)（沿螺旋軌道，依次首尾排列）自動(dòng)進(jìn)入氣缸1擋塊的插針孔內(nèi)，氣缸1伸出使插針落入PCB定位孔內(nèi)，然后通過(guò)氣缸2動(dòng)作壓下頂針將插針順利打入對(duì)應(yīng)PCB板孔內(nèi)，當(dāng)插針打入PCB板對(duì)應(yīng)孔內(nèi)后，氣缸2縮回，氣缸2是否縮回通過(guò)接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)信號(hào)；通過(guò)PLC延時(shí)幾秒之后氣缸1縮回，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)1檢測(cè)氣缸1是否縮回到位，以此往復(fù)循環(huán)完成PCB孔的插針；氣缸的伸出與縮回則通過(guò)電磁閥控制氣路的通與斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，氣泵（Air pump）通過(guò)電力不斷壓縮空氣，產(chǎn)生氣壓。它的作用是產(chǎn)生0.1MPa到0.3MPa左右大小的氣壓，使氣缸1產(chǎn)生推力、氣缸2產(chǎn)生壓力，保證氣缸1和氣缸2能正常的伸出和縮回以及將插針順利打入PCB對(duì)應(yīng)孔內(nèi)。通過(guò)反復(fù)不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，插針能按照預(yù)期的要求打入對(duì)應(yīng)的PCB孔內(nèi)，能夠保證系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定的工作。

1.2 PLC控制步進(jìn)電機(jī)原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件，三菱FX3UPLC通過(guò)PLSY指令產(chǎn)生脈沖與方向控制信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在接收到PLC輸入的脈沖信號(hào)后，進(jìn)行脈沖分配和功率放大，最后步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠及工作臺(tái)（X-Y平臺(tái)）運(yùn)動(dòng)，三菱FX3U系列PLC控制步進(jìn)電機(jī)原理框圖如下圖3所示。X軸步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)X軸滾珠絲杠正向旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)X-Y平臺(tái)沿X軸正方向運(yùn)動(dòng)；步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)X軸滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)，并拖動(dòng)X-Y平臺(tái)沿X軸反方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)X軸滾珠絲杠帶動(dòng)X-Y平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到X軸正方向或反方向的極限位置時(shí)，由光電開(kāi)關(guān)將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給PLC并進(jìn)行處理，控制步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)靜止，從而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的極限定位功能。Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)以及拖動(dòng)X-Y工作臺(tái)原理與X軸步進(jìn)電機(jī)方式一樣。

2 三菱PLC與威綸觸摸屏的程序控制算法策略

2.1 三菱PLC程序控制算法策略

PCB孔插針機(jī)控制系統(tǒng)的輸入元件有：接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等；輸出元件有：電磁閥、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，對(duì)其進(jìn)行I/0地址分配如表1所示。其中A+和A-為步進(jìn)電機(jī)的一相，B+和B-為步進(jìn)電機(jī)的另一相,當(dāng)需步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)，只需給定一個(gè)脫機(jī)信號(hào)，即可使A、B兩相中的其中一相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖住。三菱PLC軟件編程采用GX Works軟件，威綸觸摸屏組態(tài)監(jiān)視和控制畫(huà)面采用官方軟件EB8000編寫(xiě)程序。

表1 PLC軟元件I/O地址分配表

圖3 PLC控制步進(jìn)電機(jī)原理圖

PLC算法流程圖如圖4所示。

圖4 PLC算法流程圖

2.2 威綸觸摸屏程序編寫(xiě)

根據(jù)需求分析，選取了威綸觸摸屏TK6070系列觸摸屏作為三菱PLC的畫(huà)面監(jiān)視和控制，并通過(guò)EB8000軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)，程序下載到觸摸屏后，通過(guò)USB轉(zhuǎn)RS232數(shù)據(jù)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)三菱FX3U系列PLC與威綸觸摸屏之間的通信與數(shù)據(jù)交換。觸摸屏工作原理是修改或者顯示PLC寄存器狀態(tài)或者數(shù)值，它作為一種友好的人機(jī)界面，省去了很多繁瑣的開(kāi)關(guān)按鈕、繼電器接線(xiàn)等問(wèn)題；同時(shí)還能與PLC進(jìn)行靈活的交互式功能，展現(xiàn)了PLC寄存器的狀態(tài)，它可以實(shí)時(shí)的將PLC檢測(cè)到設(shè)備的故障在觸摸屏上顯示出來(lái)，當(dāng)設(shè)備進(jìn)行到某個(gè)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)前各個(gè)氣缸、電磁閥、各個(gè)設(shè)備運(yùn)行到某個(gè)狀態(tài)時(shí)的顯示。諸如上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，觸摸屏在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。插針機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)畫(huà)面分為：自動(dòng)頁(yè)面，手動(dòng)頁(yè)面，檔案設(shè)定，參數(shù)設(shè)置，警報(bào)頁(yè)面，I/O監(jiān)視，操作說(shuō)明，安全退出，選擇菜單等。在進(jìn)行畫(huà)面程序編寫(xiě)時(shí)，一定要注意選擇三菱PLC型號(hào)與威綸觸摸屏參數(shù)設(shè)置，否則程序不能正常編寫(xiě)，參數(shù)設(shè)置畫(huà)面如圖5所示，組態(tài)畫(huà)面編寫(xiě)部分如圖6所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置

圖6 組態(tài)畫(huà)面

3 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)、工控機(jī)等組成。工業(yè)相機(jī)通過(guò)CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。工業(yè)相機(jī)型號(hào)選擇為SunWay U2D300，Usb2.0數(shù)據(jù)接口，支持Windows XP(32位)、Win7(32/64位)、Win8(32/64位)等操作系統(tǒng)，鏡頭接口為C/CS接口，排照格式支持RAW、BMP、JPG、PNG等。工業(yè)控制機(jī)（俗稱(chēng)工業(yè)平板電腦），+12V直流電源供電，支持Windows XP(32位)、Win7(32/64位)、Win8(32/64位)等操作系統(tǒng)，通過(guò)采用Bsaic語(yǔ)言進(jìn)行編程，將采集的數(shù)據(jù)圖像通過(guò)VGA或HDMI顯示輸出。通過(guò)相機(jī)拍照獲取PCB板孔插針圖像，并實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示PCB插針情況，有助于工人對(duì)于生產(chǎn)節(jié)拍的控制和防錯(cuò)，提高生產(chǎn)效率。圖像處理系統(tǒng)工作原理如圖7所示。

圖7 圖像處理系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文是基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需求的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)采用數(shù)字化的自動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)了PCB板孔插針的自動(dòng)化，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和增加了防錯(cuò)功能。通過(guò)對(duì)PLC、觸摸屏以及工控機(jī)的硬件和軟件學(xué)習(xí)，以期為后續(xù)復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)參考。

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Design and Study of Control System of PCB Hole Insertion Machine

HUANG Zhi-min1,2，LUO Wei-ping1，LIN Shao-jiang2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Hubei Polytechnic University，Huangshi Hubei 435003, China)

In order to solve the difficulty and efficiency of traditional PCB, a set of control system based on Mitsubishi PLC and WEINVIEW HMI was designed. Control system adopts stepper motor to drive the ball screw and drive the workbench (x-y platform) movement, through the photoelectric switch to detect the ball screw along the X axis and Y axis of the limit position, and real-time feedback signal to PLC for processing. Pin mechanism control part through proximity switch test cylinder extended and retracted position and drive solenoid valve movement, when the pin insert into the pinhole smoothly, through the thimble continuous pin into the corresponding PCB hole. The system is equipped with a visual identification system, through the camera light source image real-time photo collection data, and transmit to the industrial control machine for processing and display, through comparing with standard sample, the workers can quickly find the PCB hole pin correctly or not. The practical application proves that the system is in line with the requirements of industrial production, with high reliability and good stability.

PCB; Mitsubishi PLC; WEINVIEW HMI; Stepping motor; Ball screw; Optoelectronic switch; Proximity switch

羅維平（1967-），女，教授，研究方向：檢測(cè)與智能控制、信號(hào)與信息處理.

TP273

A

2095－414X(2018)05－0017－05