基于總線結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)高精密焊膏印刷機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)*

張國(guó)琦，胡志偉，曹 捷，毛曉琦，強(qiáng)鵬飛

（1.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119；2.西安理工大學(xué)機(jī)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(duì)全自動(dòng)焊膏印刷機(jī)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(jī)是把焊膏準(zhǔn)確無誤地分配到指定的焊接板上，焊膏機(jī)的性能直接影響到PCB板的質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電路板成品中要返工或者報(bào)廢的有60%左右是由焊膏印刷質(zhì)量不良造成的[2-3]。國(guó)產(chǎn)印刷機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度與國(guó)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(qiáng)等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中[4-6]；與此同時(shí)，采用工業(yè)控制機(jī)加PLC的上下位機(jī)總線結(jié)構(gòu)，可以有效保證控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及系統(tǒng)優(yōu)良的人機(jī)交互[7-8]。通過與中科院西安光學(xué)精密機(jī)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(jī)高精度全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)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(shí)間，并且具有優(yōu)良的人機(jī)交互界面。

1 全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)

全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)由PCB板的自動(dòng)輸送平臺(tái)、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(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)組成

全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)的運(yùn)動(dòng)組成如圖2所示，PCB板的自動(dòng)輸送平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)、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(dòng)輸送、定位以及夾緊（圖2（a））；視覺系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工業(yè)相機(jī)在X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上網(wǎng)板和PCB板上Mark點(diǎn)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(dòng)以及繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)自由度(DOF)，由上網(wǎng)板、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)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(diǎn)的位置偏差，驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)使PCB板與上網(wǎng)板的Mark點(diǎn)對(duì)應(yīng)重合，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)板的姿態(tài)糾偏。刮刀印刷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焊膏的涂膠，由印刷電機(jī)、刮刀、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

圖2 全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)運(yùn)動(dòng)組成

影響印刷機(jī)精度的因素很多，如系統(tǒng)硬件模塊性能、機(jī)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(cè)部件采用了精度達(dá)到4μm的光柵尺以及最高分辨率為4 384×328的工業(yè)相機(jī)，確保上網(wǎng)板和PCB板上Mark點(diǎn)的精確定位；系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件采用了直流伺服電機(jī)完成上網(wǎng)板糾偏控制；相機(jī)以及PCB傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)，上述控制系統(tǒng)的硬件配置可以有效保證焊膏機(jī)找正定位精度。

表1 焊膏印刷機(jī)主要模塊選型

根據(jù)PCB板印刷的工藝要求，全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)的控制流程如圖3所示。首先PCB板通過自動(dòng)輸送平臺(tái)進(jìn)入，遇到止檔器PCB板到位停止，由真空吸盤進(jìn)行固定、夾緊，同時(shí)，頂升氣缸將PCB板頂升；然后，工業(yè)相機(jī)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)PCB板和上網(wǎng)板Mark點(diǎn)的圖像采集，并通過485總線發(fā)送到上位工控機(jī)，通過計(jì)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(jī)通過485總線控制伺服系統(tǒng)進(jìn)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(tái)輸送出印刷機(jī)，至此完成一個(gè)印刷流程。

圖3 全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)控制流程圖

2 基于總線的焊膏機(jī)控制系統(tǒng)

全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)控制系統(tǒng)采用基于總線的上下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。上位機(jī)控制系統(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)（DELL-Inspiron3471）為硬件核心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)械盤，保證控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度；下位機(jī)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(yùn)動(dòng)控制模塊。上下位機(jī)之間通過RS485總線實(shí)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(jī)；上位機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到PCB板和上網(wǎng)板Mark點(diǎn)在相機(jī)視野當(dāng)中的位置，并結(jié)合光柵尺得到的相機(jī)位置，得到PCB板和上網(wǎng)板Mark點(diǎn)在焊膏印刷機(jī)坐標(biāo)系下的偏差，在此基礎(chǔ)上，通過糾偏算法得到3個(gè)糾偏伺服電機(jī)的控制量，再通過485總線直接控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)糾偏功能；PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊通過高速脈沖輸出分別控制PCB傳輸、工業(yè)相機(jī)X、Y移動(dòng)以及刮刀移動(dòng)4個(gè)步進(jìn)電機(jī)；利用高速計(jì)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(shí)現(xiàn)氣缸、真空吸盤等執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制和接近開關(guān)、壓力開關(guān)等檢測(cè)元件的信號(hào)獲取?；诳偩€結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)將人機(jī)交互、圖像處理以及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)3個(gè)功能模塊分離，通過RS485總線方式實(shí)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(jī)交換

全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互在上位機(jī)上采用Labview編程語言實(shí)現(xiàn)，其主要功能是實(shí)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(yùn)行狀態(tài)的顯示，以及生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行匯總、檢索等。

根據(jù)工藝動(dòng)作流程需要，本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。手動(dòng)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(dòng)操作模式下的人機(jī)界面，左邊為運(yùn)動(dòng)控制區(qū)，可以通過手動(dòng)操作完成相機(jī)拍攝、刮刀運(yùn)行、真空平臺(tái)升降以及PCB板夾緊等運(yùn)動(dòng)；界面中間為手動(dòng)糾偏操作以及相機(jī)運(yùn)動(dòng)控制區(qū)，設(shè)定糾偏伺服電機(jī)的位移量以及相機(jī)的位置，可以實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)板手動(dòng)糾偏，并控制相機(jī)到指定位置拍照，同時(shí)也可設(shè)定相機(jī)移動(dòng)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(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行過程中各傳感器的狀態(tài)。自動(dòng)操作模式下，控制程序根據(jù)各傳感器檢測(cè)的到位信號(hào)，為印刷流程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了互鎖安全機(jī)制，防止印刷中各機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，系統(tǒng)能自動(dòng)完成整個(gè)印刷流程。在該模式下，人機(jī)界面如圖5（b）所示，實(shí)時(shí)顯示工業(yè)相機(jī)拍攝到的畫面，上網(wǎng)板和PCB板Mark點(diǎn)的坐標(biāo)，以及工業(yè)相機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)等信息。

圖5 人機(jī)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(gè)焊膏印刷機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的核心，本系統(tǒng)以深圳市合信自動(dòng)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(gè)以太網(wǎng)口，兩個(gè)RS485通訊口，14DI/10DO共24個(gè)數(shù)字量I/O，程序空間12 kB，數(shù)據(jù)空間8 kB，4個(gè)單相高速計(jì)數(shù)器，最高頻率為50 kHz，支持1個(gè)AB相高速計(jì)數(shù)30 k，3路50 kHz高速輸出。全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)控制系統(tǒng)共有45個(gè)傳感器信號(hào)，需要有35路控制信號(hào)，因此本系統(tǒng)擴(kuò)展了兩個(gè)CTH2 223-1PL32PLC模塊，每個(gè)CTH2 223-1PL32PLC有16個(gè)輸入（DI）接口，16個(gè)輸出（DO）接口。圖6所示為全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)PLC控制模塊的I/O分配，2個(gè)高速計(jì)數(shù)口對(duì)工業(yè)相機(jī)X、Y軸的光柵尺計(jì)數(shù)，以精確定位相機(jī)坐標(biāo)；2路高速脈沖輸出控制工業(yè)相機(jī)的X與Y軸移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；系統(tǒng)的數(shù)字量輸入信號(hào)包括各種限位信號(hào)（PCB板以及刮刀到位檢測(cè)等），檢測(cè)真空吸盤固定PCB板的壓力開關(guān)信號(hào)等；PLC控制模塊的數(shù)字量輸出用于PCB傳輸平臺(tái)、刮刀的步進(jìn)電機(jī)和上網(wǎng)板Z軸移動(dòng)的氣缸等控制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)是在GJ-300全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)上進(jìn)行的，該印刷機(jī)控制系統(tǒng)是本課題組與中科院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所合作開發(fā)。經(jīng)過測(cè)試，控制系統(tǒng)完成了PCB板的自動(dòng)輸送、視覺對(duì)準(zhǔn)與定位、上網(wǎng)板糾偏、涂膠等一系列運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)印刷節(jié)拍大約15 s。

全自動(dòng)視覺焊膏印刷機(jī)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(shí)驗(yàn)在GJ-300印刷機(jī)上利用手動(dòng)控制模式進(jìn)行了上網(wǎng)板與PCB板定位精度的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：（1）初始化系統(tǒng)，工業(yè)相機(jī)與上網(wǎng)板糾偏系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至各自的基準(zhǔn)位置，并對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；（2）手動(dòng)控制PCB板至指定位置，并通過吸盤固定；（3）工業(yè)相機(jī)對(duì)PCB板和上網(wǎng)板的Mark點(diǎn)進(jìn)行拍照并回到基準(zhǔn)位置；（4）上位機(jī)對(duì)相機(jī)獲取的圖像進(jìn)行處理，并結(jié)合光柵尺的讀數(shù)，計(jì)算出各Mark點(diǎn)的物理坐標(biāo)；（5）糾偏算法計(jì)算出各伺服電機(jī)的輸出位移；（6）上位機(jī)控制上網(wǎng)板糾偏系統(tǒng)進(jìn)行糾偏；（7）糾偏后在手動(dòng)模式下再次控制工業(yè)相機(jī)對(duì)PCB和上網(wǎng)板Mark點(diǎn)進(jìn)行拍照，并回到基準(zhǔn)位；（8）上位機(jī)計(jì)算糾偏后PCB板和上網(wǎng)板對(duì)應(yīng)Mark點(diǎn)的位置誤差；（9）重復(fù)步驟（2）～（8），得到30組實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的2個(gè)Mark點(diǎn)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(diǎn)1和Mark點(diǎn)2位置誤差的平均值。圖7所示為30組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的系統(tǒng)定位精度曲線，X軸為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，Y軸為Mark點(diǎn)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(diǎn)的對(duì)位精度穩(wěn)定在±10μm之內(nèi)，達(dá)到了系統(tǒng)精度的設(shè)計(jì)要求。

圖7 Mark點(diǎn)的對(duì)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(jī)控制結(jié)構(gòu)形式，上位機(jī)以工業(yè)計(jì)算機(jī)（DELL-Inspiron3471）為硬件核心，實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口、糾偏伺服控制以及圖像處理功能；下位機(jī)包括糾偏驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊以及PLC運(yùn)動(dòng)控制模塊，上下位機(jī)之間通過RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。控制系統(tǒng)中，上網(wǎng)板糾偏控制采用了伺服系統(tǒng)，視覺相機(jī)的定位是通過PLC的高速口對(duì)光柵尺計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，保證了系統(tǒng)的定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PCB板的自動(dòng)輸送、視覺對(duì)準(zhǔn)與定位、上網(wǎng)板糾偏、涂膠等運(yùn)動(dòng)，上網(wǎng)板找正定位精度達(dá)到了10μm，印刷節(jié)拍時(shí)間為15 s左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表2 測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表