生瓷帶打孔機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)

董永謙，張 燕，馬生生，白 璐，趙喜清，田 芳

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

低溫共燒陶瓷（LTCC)技術(shù)是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，作為電路基板材料，在生瓷帶上打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，采用多個(gè)有圖形的陶瓷薄層疊壓在一起，在850℃左右通過燒結(jié)工藝成為一個(gè)整體。它能將多達(dá)幾十層或更多的陶瓷層燒結(jié)在一起，并形成一個(gè)獨(dú)立的堆層，使構(gòu)建和嵌入一個(gè)相對較大的三維結(jié)構(gòu)成為可能。在這個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)可以整合全系列的無源器件，包括電容器、電阻器、電感器以及復(fù)雜的內(nèi)部互連和通孔，通過采用多層結(jié)構(gòu)，利用增厚z方向達(dá)到減小器件x和y方向尺寸(封裝面積)的目的。

生瓷帶打孔機(jī)主要完成生瓷帶通孔、定位孔和腔體的成型，是LTCC多層基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一。由中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所研制的DKJ-14A生瓷帶打孔機(jī)采用的是機(jī)械沖孔方式和無框工藝。使用花崗巖作為基臺，雙直線電機(jī)＋氣浮軸承＋光柵尺的x、y運(yùn)動平臺，裝有14個(gè)沖孔單元，全自動上下料機(jī)構(gòu)，用CCD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沖孔組件的自動定位和反沖圖形的定位，可接受DXF格式圖形文件，實(shí)現(xiàn)全自動打孔。

1 功能分析

圖1給出了生瓷帶打孔機(jī)系統(tǒng)的實(shí)物圖，主要包括：托盤托架、上下料機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、x、y運(yùn)動平臺、沖孔組件等。

圖1 生瓷帶打孔機(jī)實(shí)物圖

上、下料機(jī)構(gòu)通過上料傳送機(jī)構(gòu)把載有托盤的托架運(yùn)送到上料機(jī)械手下方，校正系統(tǒng)校正后，再由上料機(jī)械手把托盤一片一片抓取、放置到傳送機(jī)構(gòu)。

傳送機(jī)構(gòu)則是由電機(jī)絲杠完成運(yùn)動過程，將托盤傳送到指定位置。

x、y運(yùn)動平臺提供打孔過程中生瓷帶定位所需的精確運(yùn)動，是實(shí)現(xiàn)打孔工藝的關(guān)鍵部件。

沖孔部件分沖孔單元和沖孔組件兩部分。沖孔單元主要實(shí)現(xiàn)沖頭的安裝、更換，完成打孔功能；沖孔組件用來安裝沖孔單元，最多可安裝14組沖孔單元，由氣缸控制實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動。

通過對生瓷帶打孔機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能分析，表1列出了生瓷帶打孔機(jī)的主要控制對象。

表1 生瓷帶打孔機(jī)的控制對象

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，電氣硬件系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、運(yùn)動控制卡、視覺系統(tǒng)、I/O卡、直線伺服系統(tǒng)、電磁閥、傳感器、圖像采集、信號燈塔、開關(guān)等。

工控機(jī)選用研華的原裝機(jī)。本機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)較多，為配合各種開關(guān)控制、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)控、氣路控制、安全控制報(bào)警等功能，有118路輸入信號和103路的輸出信號控制，所以選用研華兩個(gè)PCL－1752（輸出）和兩個(gè) PCL－1754（輸入）作為本機(jī)I/O信號處理。

圖2 電氣硬件結(jié)構(gòu)框圖

運(yùn)動控制卡選用Parker公司的ACR8020，它是為了完成復(fù)雜的控制任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制卡。ACR8020運(yùn)動控制卡系列配備了功能強(qiáng)大的DSP，是多任務(wù)伺服控制器，可以同時(shí)處理多任務(wù)，多達(dá)24個(gè)程序都可以并行執(zhí)行。

x、y、θ軸的直線電機(jī)選用了Parker公司的 6個(gè)Compax 3伺服驅(qū)動器，用于控制6個(gè)直線電機(jī)，可以接收運(yùn)動控制器輸出的±10 V控制電壓，實(shí)現(xiàn)速度、加速度、電機(jī)電流和急加速的前饋，從而將跟蹤誤差降到最低和優(yōu)化響應(yīng)。上下料和傳送軸選用YASKAWA公司的3個(gè)ΣV SGDV伺服驅(qū)動器。

采用直線電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)在于：不需要任何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，可以省去中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡化裝置或系統(tǒng)，保證運(yùn)行的可靠性，提高傳遞效率；不受到離心力的作用；運(yùn)動過程可以無機(jī)械接觸，使傳動零部件無磨損。

x方向選用TENOTIN公司的UL12直線電機(jī)。

（1）電機(jī)加減速度

移動距離Sm=0.5×10-3m

加速時(shí)間ta=0.005s

減速時(shí)間td=0.005s

（2）負(fù)載

x方向的負(fù)載為40 kg，F(xiàn)r在恒定速度下的運(yùn)行力，F(xiàn)acc加速力，F(xiàn)dec減速力，F(xiàn)am最大加速力，F(xiàn)dm最大減速力，F(xiàn)ow在停留時(shí)的推力，ML負(fù)載質(zhì)量，Mc線圈質(zhì)量，N并聯(lián)電機(jī)的臺數(shù)。

在xy運(yùn)動平臺中采用空氣軸承，暫時(shí)不考慮摩擦力即Fr=0

均方根（RMS）推力：

（3）電機(jī)負(fù)載能力計(jì)算

線圈質(zhì)量M c=0.91 kg，定子Mc=7 kg

附加推力Mc×Am=0.91×20=20N

Fam=Fdm=400＋20=420N

Frms=195N

（4）放大器的負(fù)載能力

Kf=68；最大連續(xù)電流為4.1A

最大加速電流Ia=Fam/kf=420÷68=6.2A=Id

均方根電流Irms=Frms/kf=195÷68=2.87A

線圈電阻R=4Ωm，

（5）線圈升溫：△θ線圈升溫；Rth熱阻；km電機(jī)常數(shù)

（6）功率損失

x方向：Pl=31.2÷0.32=97.5W

根據(jù)以上的計(jì)算，UL12直線電機(jī)滿足x方向的要求，UXX12直線電機(jī)滿足y方向的要求。

光柵采用英國RENISHAW公司的高精度直線光柵尺。該類光柵尺有較高的精度和響應(yīng)速度，具有安裝調(diào)試方便，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。光柵線周期為20μs，分辨率可達(dá)0.1μm，響應(yīng)最大速度為12.5 m/s。滿足平臺定位精度的要求。

圖像采集卡選用法視特公司的FVC05，是一款PCI接口的圖像采集卡，具有廣泛的通用功能，支持標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)準(zhǔn)、RGB、雙通道的模擬相機(jī)；具有兩個(gè)視頻輸入端口，視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的速度快，已成為許多工業(yè)檢測、標(biāo)示、定位應(yīng)用方案的首選圖像采集卡。相機(jī)選用了JAI公司的CV－A2 CCD相機(jī)，幀頻15 fps，有效像素200萬，單個(gè)像元為4.4μm×4.4μm。鏡頭moritex MML2－65D，是2倍鏡頭。正面光源選用CCS公司的同軸光LFL 612p，背面光源選用CCS公司的條形面光源HLV－24RD，它的發(fā)光部分為一個(gè)漫射面，均勻性好。軟件則采用了法視特的FVX軟件包。通過采用2倍鏡頭理論上單個(gè)像素可以精確到2.2μm，通過對相機(jī)進(jìn)行像素標(biāo)定，可以得到一個(gè)像素實(shí)際對應(yīng)2.235μm。

3 控制設(shè)計(jì)

3.1 雙直線電機(jī)的同步控制

在主從控制結(jié)構(gòu)中，將一臺電機(jī)作為主動電機(jī)，另一臺電機(jī)作為從動電機(jī)。主電機(jī)以用戶給出的速度和位置給定值作為參考值，在運(yùn)行過程中緊密跟蹤系統(tǒng)給定值，而從電機(jī)以主電機(jī)的速度和位置輸出作為自己的參考值，在運(yùn)行過程中緊密跟蹤主電機(jī)。這樣在運(yùn)行過程中，電機(jī)并不是分別跟蹤系統(tǒng)給定值，而是由從動電機(jī)跟蹤主動電機(jī)，使得系統(tǒng)的同步精度得到提高。主從方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主從控制方法框圖

3.2 PID控制

PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。系統(tǒng)由控制器和被控對象組成。

圖4 PID控制原理圖

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制，其控制規(guī)律為：

或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：

式中：Kp為比例系數(shù)；Tl為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

4 軟件設(shè)計(jì)

為滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，充分利用控制計(jì)算機(jī)和運(yùn)動控制器的高性能處理器，控制軟件由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分組成。上位機(jī)軟件在控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，采用VB6.0編寫，調(diào)用ACR8020提供的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，主要完成檢測運(yùn)動控制器I/O口當(dāng)前狀態(tài)、編碼器常數(shù)設(shè)置；提供單軸運(yùn)動和多軸運(yùn)動的控制命令；主要分為自動打孔、文件讀取、視覺系統(tǒng)、下位機(jī)軟件等四部分。

圖5 自動打孔界面

4.1 自動打孔

圖5給出了自動打孔界面，程序文件顯示的是正在打孔的文件名稱，點(diǎn)擊打開可以選擇打孔文件。單片打孔計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)顯示單片當(dāng)前打孔數(shù)量和打孔總數(shù)。例：678/3145。單片進(jìn)度顯示單片的打孔進(jìn)度，沖孔時(shí)間顯示該片的打孔時(shí)間，從開始打孔到當(dāng)前的時(shí)間，一片結(jié)束時(shí)為此片打孔所用時(shí)間。輸入x、y、θ的偏移量，點(diǎn)擊確定，數(shù)據(jù)會傳輸下去，打孔時(shí)，所有的位置會偏移輸入的量，偏移量的輸入范圍≤0.5mm。點(diǎn)擊開始按鈕打孔開始，如果選中自動上下料無效，只打一片；自動上下料有效時(shí)只要待料位有生瓷帶就會開始打孔。點(diǎn)擊暫停按鈕，打孔立即停止，再按開始可以繼續(xù)打孔。點(diǎn)擊停止按鈕，打完當(dāng)前片并送到待料位，放下片子再回到零點(diǎn)停止。右面的坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)顯示打孔過程，依照打孔的路徑順序打一個(gè)顯示一個(gè)。圖6給出了自動打孔的流程圖。

圖6 自動打孔流程圖

4.2 文件讀取

文件讀取程序把用戶使用AUTOCAD等繪圖軟件繪制的DXF格式圖形文件轉(zhuǎn)化成設(shè)備控制程序可以識別的DKJ格式文件。程序從DXF格式文件中提取所需要的孔信息，包括孔的直徑、xy坐標(biāo)等，根據(jù)孔的大小進(jìn)行分類，提取信息完成后可示意在圖中顯示。程序利用數(shù)學(xué)算法對所有的孔進(jìn)行路徑優(yōu)化，使設(shè)備打孔時(shí)運(yùn)動的總距離減小，路徑優(yōu)化完以后輸出一個(gè)分配好沖頭的DKJ格式文件。

4.3 視覺系統(tǒng)

主要完成沖孔組件定位、反沖以及末孔檢查3種功能。沖孔組件定位用視覺系統(tǒng)來計(jì)算偏差角，糾正安裝后產(chǎn)生偏差，反沖主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的二次加工功能。圖7和圖8分別給出了定位和反沖的操作流程。

圖7 定位功能操作流程

圖8 反沖功能操作流程

末孔檢查功能主要是檢查每種孔的最后一個(gè)孔，通過計(jì)算生瓷帶上通孔的實(shí)際面積與其設(shè)計(jì)面積的比值，用此比值來反映沖頭的磨損情況，當(dāng)比值低于設(shè)定值時(shí)將會以彈出窗口的形式提示用戶是否更換沖頭。

4.4 下位機(jī)軟件

下位機(jī)程序應(yīng)包括如下5個(gè)部分：

導(dǎo)入函數(shù)庫，包括在應(yīng)用程序中用到的需要導(dǎo)入的函數(shù)庫代碼；

函數(shù)原型清單和全局變量聲明，用戶定義函數(shù)代碼和全局變量；

前臺編程，以采樣為基礎(chǔ)的運(yùn)動控制代碼；

后臺編程，除以采樣為基礎(chǔ)的操作之外的與主機(jī)通信、事件處理和計(jì)算代碼；

用戶定義函數(shù)，包括用戶定義函數(shù)體代碼。

按照上面5部分內(nèi)容，導(dǎo)入相應(yīng)的函數(shù)庫(可以自行編寫的頭文件或庫文件)，再編寫相應(yīng)的控制程序，經(jīng)過編輯加載后，即可在運(yùn)動控制器的高性能DSP中運(yùn)行。

下位機(jī)程序通過調(diào)用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)一切與主機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)通信。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是完成各個(gè)軸回原點(diǎn)動作；二是打孔動作。

5 結(jié) 論

（1）為滿足xy運(yùn)動平臺±1.5μm的定位精度要求，提出了“空氣軸承＋直線電機(jī)＋光柵尺反饋”的平臺設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了平臺高速、高精度的運(yùn)動功能。xy平臺的實(shí)際運(yùn)行精度±1μm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（2）根據(jù)xy運(yùn)動平臺負(fù)載及運(yùn)動要求，確定了雙直線電機(jī)同步控制結(jié)構(gòu)，通過PID參數(shù)調(diào)試，使得兩個(gè)直線電機(jī)的相對誤差小于0.2μm，滿足同步控制要求。

（3）編寫了自動打孔、文件讀取、視覺系統(tǒng)、下位機(jī)軟件等。設(shè)備各項(xiàng)功能完備，性能穩(wěn)定，完全達(dá)到了設(shè)備的技術(shù)要求。

（4）在設(shè)備研制過程中采用了視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了末孔的檢查、沖孔組件與xy運(yùn)動平臺之間的角度偏差校正及設(shè)備的反沖功能，增強(qiáng)了設(shè)備的實(shí)用性。

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