基于32位ARM全自動(dòng)高速SMT貼片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程治國，邱仁貴

（1. 廣東木幾智能裝備有限公司， 廣州 510760；2. 深圳木幾智能裝備技術(shù)有限公司， 廣東深圳 518055）

0 引言

21 世紀(jì)，電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子設(shè)備的生產(chǎn)和制造向著智能化、高速化、高精度等方向發(fā)展。隨著電子組裝技術(shù)的快速升級(jí)，表面貼裝技術(shù)（SMT）快速地取代插件工藝，使電子產(chǎn)品集成度更高，生產(chǎn)效率大大提升。

當(dāng)前，高端貼片機(jī)的制造技術(shù)仍然主要掌握在德國、美國、日本、韓國幾家廠商手中，國產(chǎn)貼片機(jī)處于較低端的水平。從國內(nèi)發(fā)表的研究文獻(xiàn)看，程海林［1］指出高精度SMT貼片機(jī)關(guān)鍵技術(shù)主要在于視覺定位系統(tǒng)、整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和精密運(yùn)動(dòng)控制；孫劍等[2]對(duì)貼片機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)的研究限于桌面型、經(jīng)濟(jì)型、LED 專用貼片機(jī)，無法應(yīng)用于高速SMT 貼裝生產(chǎn)場(chǎng)景；趙海彬[3]僅對(duì)貼片機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，未能解決全自動(dòng)高速SMT 貼片機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問題；張圻[4]設(shè)計(jì)了基于ARM 微控制器的桌面式貼片機(jī)控制系統(tǒng)。

本文從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制單元、上位軟件設(shè)計(jì)等方面，討論設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一整套高度智能化的高速貼片機(jī)控制系統(tǒng)?；?2 位ARM 處理器研究，設(shè)計(jì)了一種基于32 位ARM 處理器的16 軸Z軸直線電機(jī)加2 軸R軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的貼裝頭控制單元，X、Y龍門實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制單元，IO控制單元，PCB 控制單元，結(jié)合計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)雙臂雙貼裝頭（雙貼裝頭共計(jì)32 吸嘴）的高速SMT 貼裝系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)際制造并投入市場(chǎng)實(shí)用的貼片機(jī)產(chǎn)品證明，本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，適用于泛用貼裝場(chǎng)景，大幅提高貼片機(jī)的速度和精度，使得貼片機(jī)性能指標(biāo)接近同等級(jí)進(jìn)口貼片機(jī)水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

貼片機(jī)控制系統(tǒng)主要包括貼片機(jī)架構(gòu)，上位機(jī)軟件，X、Y龍門實(shí)時(shí)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制單元，直線電機(jī)貼裝頭Z軸運(yùn)動(dòng)控制單元。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)控制流程[5]如圖2所示。上位機(jī)部分主要完成PCB板數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和解析，并通過高速FDCAN通信下發(fā)到運(yùn)動(dòng)控制單元，數(shù)據(jù)信息包括元器件的種類、對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)對(duì)應(yīng)取料的料站編號(hào)、速度等；運(yùn)動(dòng)控制單元接收并解析來自上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相應(yīng)的控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制單元實(shí)時(shí)接收來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋的位置信息，通過X、Y控制單元進(jìn)行位置實(shí)時(shí)跟蹤精度控制；IO 控制單元用于控制PCB 送料的電磁閥、 光電傳器的信號(hào)輸入、輸出。

圖2 系統(tǒng)控制流程

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

貼片機(jī)控制硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其控制核心是多ARM微處理器協(xié)同工作，主要單元有貼裝頭單元，X、Y龍門控制單元，視覺采集單元等。

圖3 控制硬件結(jié)構(gòu)

2.1 FDCAN通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制單元與工控PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息快速交互，工控PC 機(jī)與控制單元之間采用FDCAN 通信模式。根據(jù)實(shí)際控制要求設(shè)定上下位機(jī)的通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議，工控PC機(jī)將PCB版圖中相關(guān)的元器件數(shù)量、位置坐標(biāo)等信息以及控制命令等通過FDCAN通信模塊發(fā)送到下位機(jī)，控制單元收到相應(yīng)數(shù)據(jù)信息和控制命令后執(zhí)行操作。

2.2 貼裝頭控制單元

直線電機(jī)又稱為直線馬達(dá)或者線性馬達(dá)，和傳統(tǒng)的異步電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、無刷電機(jī)一樣，是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。區(qū)別在于直線電機(jī)可以直接將電能轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)［6］，不像異步電機(jī)這些旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，輸出需要通過聯(lián)軸器、絲杠、減速機(jī)等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此直線電機(jī)傳動(dòng)可以消除機(jī)械背隙；其次，相對(duì)旋轉(zhuǎn)加機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)方式，直線電機(jī)傳動(dòng)響應(yīng)速度更快，精度同樣可以做得更高；直線電機(jī)的推力輸出源自于勞倫茲法則（Lorentz），即通過定子磁場(chǎng)與動(dòng)子磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生。因?yàn)槭欠墙佑|的，其使用壽命更長(zhǎng)。

對(duì)于直線電機(jī)來說，關(guān)鍵的兩組方程，一是電壓方程，如下式為d、q坐標(biāo)系下的等效方程［7］：

式中：Ud和Uq為端電壓；id和iq分別為d軸和q軸的電樞電流；Ld和Lq分別為d和q方向的等效電樞電感；ψpm為永磁體在每相上的磁鏈；vτ為直線電機(jī)的速度。

二是電磁推力方程，在滿足如下理想狀態(tài)時(shí)：

（1）避免電機(jī)鐵心飽和；

上機(jī)數(shù)控成立于2002年，屬于高端智能裝備制造行業(yè),專注從事精密機(jī)床的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售。公司自2004年進(jìn)入光伏專用設(shè)備制造行業(yè)，是業(yè)內(nèi)最早的光伏專用設(shè)備生產(chǎn)商之一。公司形成了覆蓋開方、截?cái)?、磨面、滾圓、倒角、切片等用于高硬脆材料的全套產(chǎn)品線,并已在藍(lán)寶石和半導(dǎo)體專用加工設(shè)備領(lǐng)域占據(jù)重要一席。

（2）忽略渦流和磁滯損耗；

（3）定子電流為對(duì)稱的三相正弦波，各繞組軸線相差120°；

（4）不考慮齒槽和端部效應(yīng)的影響。

電機(jī)的電磁推力方程為［7］：

式中：p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；τ為極距。

簡(jiǎn)單來說，直線電機(jī)就是展平了的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。因此，在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上應(yīng)用廣泛和成熟的控制方式均可以用來驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)。比如簡(jiǎn)單的變壓變頻控制、矢量控制等等。矢量控制也稱為磁場(chǎng)定向控制FOC（Field Oriented Control），是高性能場(chǎng)合應(yīng)用最多的控制方式之一，其核心是基于坐標(biāo)變換，包括Clark變換和Park變換。將電機(jī)定子端的交流電流分量等效為d、q軸坐標(biāo)系下的兩個(gè)相互垂直的直流分量，其中一個(gè)用來控制直線電機(jī)的推力大小，另一個(gè)與之垂直的分量對(duì)應(yīng)勵(lì)磁電流分量，達(dá)到轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁解耦控制的目的。FOC 控制的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直線電機(jī)矢量控制結(jié)構(gòu)

圖5 貼片頭控制單元總線

2.3 X、Y軸位置控制單元

X、Y軸位置控制單元采用ARM芯片32位處理器實(shí)現(xiàn)S曲線及多點(diǎn)插補(bǔ)算法，SMT 貼片時(shí)貼裝頭吸嘴從料站上取出電子元件，經(jīng)過相機(jī)拍照計(jì)算出元件同吸嘴中心的X、Y偏差后到PCB貼裝上放下電子元件的過程，進(jìn)程中要經(jīng)過大量的X、Y坐標(biāo)點(diǎn)，每次去的下一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，X和Y的長(zhǎng)度大多情況下不一樣?，F(xiàn)代的SMT生產(chǎn)效率要求越來越來高，加快X、Y運(yùn)動(dòng)速度是提高效率必不可少的方法，速度提高會(huì)帶來機(jī)臺(tái)振動(dòng)也是必然的結(jié)果，為了降低振動(dòng)，借助S曲線加運(yùn)動(dòng)直線插補(bǔ)的方法，大大降低機(jī)臺(tái)振動(dòng)。

傳統(tǒng)的插補(bǔ)是逐點(diǎn)比較法，這類算法是最典型的代表之一，是一種較早的插補(bǔ)算法。該法的原理在CNC 系統(tǒng)控制過程中廣泛使用，能逐點(diǎn)地計(jì)算和判別運(yùn)動(dòng)軌跡與給定軌跡的偏差，并根據(jù)偏差控制進(jìn)給軸向給定輪廓靠擾， 縮小偏差，使加工輪廓逼近給定輪廓［8］，如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)的插補(bǔ)方式

因?yàn)椴逖a(bǔ)運(yùn)算是實(shí)時(shí)性很高的計(jì)算，若計(jì)算太復(fù)雜，計(jì)算機(jī)的每次插補(bǔ)運(yùn)算的時(shí)間會(huì)大大加長(zhǎng)，從而限制運(yùn)動(dòng)速度性能指標(biāo)的提升。由于點(diǎn)位坐標(biāo)對(duì)過程直線運(yùn)動(dòng)軌跡要求不高，所以本文采用一種極簡(jiǎn)插補(bǔ)方式大大提升實(shí)時(shí)性，以達(dá)到減振目的。由于X、Y同時(shí)運(yùn)動(dòng)高速啟停，如果只用簡(jiǎn)單的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)雙軸高速啟停機(jī)臺(tái)振動(dòng)雙軸疊加，只會(huì)讓振動(dòng)頻率更高。

SMT 點(diǎn)位插補(bǔ)如圖7所示，TY=TX時(shí)，DY>DX，VY一定要大于VX才能同時(shí)到達(dá)，實(shí)現(xiàn)TY=TX。由于電機(jī)動(dòng)能一定，貼裝頭及貼裝臂的最大加速度一定，如果DX>DY時(shí)，DX以最大S曲線加速度運(yùn)動(dòng)，DY根據(jù)TX=TY的原則計(jì)算出VY的S曲線加速度，此時(shí)VX一定大于VY，加速度小，振動(dòng)自然減小，根據(jù)這一原理復(fù)制到PCB 所有點(diǎn)上，形成多點(diǎn)復(fù)合插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

圖7 SMT點(diǎn)位插補(bǔ)

3 上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 視覺處理模塊

貼裝頭吸嘴從料站上取出電子元件時(shí)，吸嘴中心同元件中心無法100%重合，如圖8 所示。因?yàn)槲锪显诹蠋е械奈恢糜幸欢ǖ钠?，視覺處理模塊找出圖像X、Y、R軸的吸取時(shí)產(chǎn)生的位置、角度偏差，保證器件在貼裝運(yùn)動(dòng)中精度補(bǔ)償校正。再通過Mark 點(diǎn)相機(jī)實(shí)現(xiàn)PCB 板角度偏差補(bǔ)償，上位機(jī)視覺處理模塊計(jì)算出電子元件吸取時(shí)產(chǎn)生的偏差，然后將偏差數(shù)據(jù)通過FDCAN通信單元傳給32 位ARM 處理器為核心的X、Y軸位置控制單元，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中改變目標(biāo)位置。

圖8 吸料時(shí)坐標(biāo)偏差關(guān)系

3.2 智能實(shí)時(shí)路徑優(yōu)化算法模塊

依據(jù)電機(jī)加減速度的性能參數(shù)作基礎(chǔ)條件，結(jié)合迪杰斯特拉（Dijkstra）算法是典型的最小路徑的優(yōu)化算法，用來求得從起始點(diǎn)到下一個(gè)點(diǎn)最短路徑（單點(diǎn)最短路徑）[9]。該算法采用了多循環(huán)重復(fù)的方式，每次都查找與下一個(gè)點(diǎn)距離最近的點(diǎn)，可以看成是多循環(huán)優(yōu)先搜索模式，解決的問題可描述為：在無向圖G=（V,E）中，假設(shè)每條邊E[i]的長(zhǎng)度為w[i]，找到由頂點(diǎn)vs到其余各點(diǎn)的最短路徑。

借助Dijkstra算法的無向性結(jié)合運(yùn)控中的加速度時(shí)間、最大速度決定某段距離的所用時(shí)間多少的原理，在Dijkstra算法中加入時(shí)間條件，可以有效地解決多吸嘴從料站的取料貼裝路徑的最優(yōu)解。Dijkstra算法路徑遍歷算法如圖9所示。

圖9 Dijkstra算法路徑遍歷算法

3.3 人機(jī)交互模塊

采用模塊化的UI設(shè)計(jì)風(fēng)格，達(dá)到直觀的操作風(fēng)格，讓用戶上手快，并采用通用的SMT 貼片系統(tǒng)的操作風(fēng)格，讓SMT專業(yè)工程師更快上手，一眼就可以看出分PCB 編輯、生產(chǎn)、應(yīng)用、診斷4大主要用戶模塊，PCB編輯界面如圖10所示。

圖10 PCB編輯界面

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于32位ARM處理器全自動(dòng)高速貼片機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和控制流程，采用FDCAN通信模式，基于直線電機(jī)的貼片頭控制單元，X、Y軸位置控制極簡(jiǎn)插補(bǔ)方式等技術(shù)，解決貼片機(jī)控制系統(tǒng)的信息快速交互、精準(zhǔn)快速定位、高速高效率等關(guān)鍵問題。討論了貼片機(jī)上位系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)過程中，通過視覺處理解決位置、角度偏差的算法，最短路徑遍歷解決實(shí)時(shí)路徑優(yōu)化的算法，以及模塊化的人機(jī)交互界面。

本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，在貼片機(jī)制造生產(chǎn)和市場(chǎng)應(yīng)用中證明了可行性和有效性。在進(jìn)一步提高貼片機(jī)速度、精度性能方面，可以繼續(xù)開展引入運(yùn)動(dòng)控制新裝置、新技術(shù)，優(yōu)化算法等方面的研究。