高速高效貼片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

湯 雄，肖曙紅，田 甜

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子設(shè)備的生產(chǎn)和制造正朝著高速、高精、高效、高智能及多功能等方向發(fā)展，與之相伴的電子組裝技術(shù)也發(fā)生了日新月異的變化。表面貼裝技術(shù)（SMT）是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝［1］，是一門(mén)涉及電子元器件、組裝裝備、焊接方法和組裝輔助材料等內(nèi)容，用來(lái)將電子元器件組裝（又稱(chēng)為貼裝）到印刷電路板（PCB）上的綜合性技術(shù)，它將傳統(tǒng)的電子元器件壓縮成為體積只有幾十分之一的SMD器件，從而實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本以及生產(chǎn)的自動(dòng)化。

SMT生產(chǎn)線(xiàn)主要設(shè)備由印刷機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、貼片機(jī)、回流焊和清洗及各工序檢測(cè)設(shè)備等組成。貼片機(jī)是整個(gè)SMT生產(chǎn)中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的設(shè)備，它通過(guò)貼裝頭吸取、移動(dòng)、定位和放置等幾個(gè)動(dòng)作，把SMD元件快速而準(zhǔn)確地貼裝到PCB上的焊盤(pán)位置，是融合機(jī)械、電氣、視覺(jué)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［2］。其價(jià)格通常占裝配線(xiàn)設(shè)備總價(jià)的50%，因而它歷來(lái)是SMT成套設(shè)備研究人員研究的重點(diǎn)［3］。

1 貼片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

貼片機(jī)實(shí)際上是一種精密的工業(yè)機(jī)器人，它充分發(fā)揮現(xiàn)代精密機(jī)械、機(jī)電一體、光電結(jié)合，以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的高技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)高速度、高精度和智能化的電子組裝制造。其按速度可分為中低速機(jī)、高速機(jī)和超高速機(jī)；按結(jié)構(gòu)可分為拱架式、平行式、轉(zhuǎn)塔式以及復(fù)合式貼片機(jī)。貼片機(jī)根據(jù)貼裝工藝的要求，在結(jié)構(gòu)上可分為機(jī)架、PCB傳送機(jī)構(gòu)、元件送料機(jī)構(gòu)、X軸Y軸伺服機(jī)構(gòu)和貼片頭機(jī)構(gòu)等。從整體上說(shuō)，貼片機(jī)由軟、硬件組成，具體的功能劃分如圖1所示。

圖1 貼片機(jī)系統(tǒng)功能劃分

本項(xiàng)目研制的樣機(jī)如圖2所示。樣機(jī)采用雙臂雙頭結(jié)構(gòu)，貼片頭具有多吸嘴且吸嘴間距動(dòng)態(tài)可調(diào)、同步吸貼的功能，可實(shí)現(xiàn)理論貼裝速度為30000～50000CPH，非常適合于少品種芯片的高速高效貼裝。

圖2 貼片機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

2 貼片機(jī)控制系統(tǒng)任務(wù)

控制軟件控制著貼片機(jī)快速、精確、有序地工作。貼片機(jī)通過(guò)吸取元件、位移和放置，按照SMT組裝工藝要求，在不損傷元器件和PCB的情況下，將元件貼裝到PCB上的指定位置，其基本工藝流程如圖3所示。

圖3 貼片機(jī)基本工藝流程

控制系統(tǒng)是貼片機(jī)的核心，由于元件的貼放速度受到電路板尺寸、元件類(lèi)型和送料器類(lèi)型的影響，因此控制系統(tǒng)應(yīng)該綜合考慮各種因素，同時(shí)需要優(yōu)化貼片頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其在整個(gè)電路板的總行進(jìn)時(shí)間最短，以達(dá)到最優(yōu)目的。根據(jù)貼片機(jī)系統(tǒng)功能劃分，控制系統(tǒng)主要分為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和信號(hào)控制系統(tǒng)［4］。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含X軸、Y 軸、Z軸、R軸和L軸的伺服控制，R軸是用來(lái)調(diào)整芯片角度的伺服軸，L軸是貼片頭上用來(lái)自動(dòng)調(diào)整吸嘴之間距離的坐標(biāo)軸。信號(hào)控制主要包括各種輸入輸出的數(shù)字量或者模擬量的檢測(cè)與控制，包括各種傳感器、電磁閥、真空閥和相機(jī)的光源控制信號(hào)等。視覺(jué)系統(tǒng)可作為獨(dú)立的一部分進(jìn)行考慮，也可作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的一部分來(lái)考慮［5］。通過(guò)獲取吸取元件的圖像，并加以分析和處理得到元件的位置偏移和角度偏差等數(shù)據(jù)，傳遞給控制系統(tǒng)，再通過(guò)控制系統(tǒng)將這些偏差給修正過(guò)來(lái)，以提高元件的貼裝精度和準(zhǔn)確度。

3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PC總線(xiàn)的控制器以DSP和FPGA作為核心處理器，以PC機(jī)作為信息處理、人機(jī)交互和聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”的模式。將PC的高效數(shù)據(jù)處理能力、友好的人機(jī)交互、強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)通信功能和開(kāi)放式的特點(diǎn)，與DSP的高速數(shù)據(jù)處理功能、FPGA的超強(qiáng)邏輯處理能力有機(jī)地融合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更加高級(jí)的控制算法、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法、伺服濾波控制、誤差補(bǔ)償和更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，使控制系統(tǒng)更加高速、平穩(wěn)、高精度和智能化。

鑒于此，系統(tǒng)采用工控機(jī)+控制卡的控制模式，選用固高公司的GT-800系列控制器，可以實(shí)現(xiàn)高速的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。其核心由DSP和FPGA組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。其特點(diǎn)如下：

a.以IBM-PC及其兼容機(jī)為主機(jī)，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線(xiàn)的產(chǎn)品，提供高速緩沖器實(shí)現(xiàn)快速預(yù)處理功能，提供16路數(shù)字量輸入輸出。

b.運(yùn)動(dòng)控制器提供C語(yǔ)言等函數(shù)庫(kù)和 Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。用戶(hù)能夠?qū)⑦@些控制函數(shù)與控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示和用戶(hù)接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起。

c.分為位置和速度控制模式，具有可編程的S曲線(xiàn)和梯形曲線(xiàn)等運(yùn)動(dòng)控制方式。

除此之外，控制系統(tǒng)的硬件部分還包括各種傳感器、氣路閥門(mén)、真空閥門(mén)、氣缸、伺服電機(jī)和編碼器等。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

貼片機(jī)樣機(jī)的控制軟件是在Windows操作系統(tǒng)下，以Visual C＃作為編程語(yǔ)言，基于 Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)的。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，將貼片機(jī)控制系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 貼片機(jī)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

從圖4可以看出，在整個(gè)軟件系統(tǒng)中，上位機(jī)包括人機(jī)交互界面以及協(xié)調(diào)控制程序設(shè)計(jì)等，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體管理，由多個(gè)操作界面組成。下位機(jī)軟件包括貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、PCB數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、貼片機(jī)圖像識(shí)別與處理系統(tǒng)及運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其功能主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的伺服運(yùn)動(dòng)控制、各種參數(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)等的管理、校正和生產(chǎn)中的圖像處理以及運(yùn)行中的監(jiān)控等。在系統(tǒng)上電運(yùn)行過(guò)程中，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)系統(tǒng)的總體管理；而作為下位機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器，則負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制與協(xié)調(diào)。上位機(jī)軟件的協(xié)調(diào)控制是建立在下位機(jī)軟件的基礎(chǔ)上，人機(jī)交互界面通過(guò)調(diào)用下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。通過(guò)上位機(jī)與下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器的協(xié)調(diào)控制，來(lái)完成系統(tǒng)的總體控制。在系統(tǒng)中雙臂多頭貼片控制流程如下：

a.啟動(dòng)雙臂貼裝模式，左臂控制器發(fā)出信號(hào)給X軸和Y軸電機(jī)，使貼片頭移動(dòng)到吸料位。

b.控制器發(fā)出Z軸電機(jī)控制信號(hào)，Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)吸嘴從供料系統(tǒng)吸料。

c.吸料后，由數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)吸料后的氣壓數(shù)據(jù)判斷元件是否吸取。

d.飛行CCD對(duì)吸取元件進(jìn)行拍照，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲得元件當(dāng)前位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)，控制器通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比后，向R軸電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，修正吸取元件的角度。

e.根據(jù)X，Y的坐標(biāo)偏移量求出準(zhǔn)確的貼裝點(diǎn)坐標(biāo)，控制X軸、Y軸電機(jī)使左臂貼片頭到達(dá)準(zhǔn)確貼裝點(diǎn)。

在左臂貼裝流程中，當(dāng)完成貼裝的同時(shí)啟動(dòng)右臂貼裝組件工作。右臂貼裝組件工作流程與左臂貼裝組件工作流程相同。左右臂交替進(jìn)行貼裝，完成一次完整的雙臂貼裝流程。如此循環(huán)多次，直至完成整個(gè)PCB板的貼裝作業(yè)。

4.2 多目標(biāo)同步識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視覺(jué)系統(tǒng)是保證貼片機(jī)貼裝精度的重要部分，一般分為2部分，一部分是安裝在貼片頭上的基準(zhǔn)相機(jī)，通常采用面陣電荷耦合裝置采集圖像，完成對(duì)PCB上的原點(diǎn)、MARK點(diǎn)以及貼裝點(diǎn)位置的示教，對(duì)送料器及吸嘴更換機(jī)構(gòu)位置進(jìn)行校正，對(duì)PCB板的識(shí)別以及貼裝后元件的檢查工作；另一分部分是固定在機(jī)架上的上視固定相機(jī)，采用掃描吸嘴吸取的元件圖像，對(duì)元件的類(lèi)型、位置偏差、角度偏差以及引腳進(jìn)行識(shí)別和校正［6］。

系統(tǒng)貼片頭采用的是多吸嘴同時(shí)吸貼的結(jié)構(gòu)，所以在圖像處理時(shí)，要求對(duì)多吸嘴上的多個(gè)芯片進(jìn)行同步處理。處理的重點(diǎn)是對(duì)多芯片元件目標(biāo)進(jìn)行圖像分割處理，以同時(shí)獲得圖像分割后的目標(biāo)元件的質(zhì)心坐標(biāo)及偏移角度坐標(biāo)等參數(shù)［7］。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，采用了像素標(biāo)記法［8］。在不要求任何先驗(yàn)信息的前提下對(duì)二值圖像進(jìn)行掃描，并按像素間的連通性決定像素是屬于哪個(gè)目標(biāo)的，最后所有像素都有標(biāo)記該像素屬于哪個(gè)目標(biāo)的特征量。在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)統(tǒng)計(jì)每個(gè)目標(biāo)的像素來(lái)得到目標(biāo)的面積、位置坐標(biāo)等特征。

具體算法流程為（如圖5所示）：將采用閾值分割法得到的理想二值圖像，從左到右，從上到下進(jìn)行掃描。為了標(biāo)記當(dāng)前被掃描的像素，需要檢查該像素與它之前掃描到的若干個(gè)近鄰像素的連通性。然后第2次掃描圖像，將每個(gè)標(biāo)記用它所在的等價(jià)組的標(biāo)記代替。在第1次掃描時(shí)，對(duì)每個(gè)灰度為1的當(dāng)前點(diǎn)的8個(gè)連通區(qū)域的所有8個(gè)相鄰像素作如下統(tǒng)計(jì)：如果當(dāng)8個(gè)像素中至少有一個(gè)是背景點(diǎn)（灰度為0），則當(dāng)前點(diǎn)屬于目標(biāo)邊界點(diǎn)，否則屬于目標(biāo)內(nèi)部點(diǎn)。顯然，經(jīng)過(guò)這次處理后得到的是單像素邊界。經(jīng)過(guò)2次掃描以后，就得到所有屬于目標(biāo)的像素點(diǎn)的坐標(biāo)，從而就可以進(jìn)一步進(jìn)行圖像識(shí)別。

圖5 算法流程

多目標(biāo)圖像處理仿真過(guò)程是在VS 2010上進(jìn)行的，仿真用的是240像素×240像素的圖片，圖片取自貼片機(jī)常用的貼片電阻的圖像。預(yù)處理后的二值化圖像和根據(jù)算法元素記錄值勾勒出的各個(gè)目標(biāo)物體的邊緣效果如圖6所示。仿真結(jié)果表明，在主頻為1.7GHz，幀幅240像素×240像素時(shí)，全部仿真時(shí)間不大于10ms（包括二值化圖像所用的時(shí)間），滿(mǎn)足小于20ms的實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可以由源圖像預(yù)處理后送出二值化圖像，節(jié)省了圖像處理的時(shí)間，提高了對(duì)元件的識(shí)別，位置及角度參數(shù)的獲取能力。

圖6 多目標(biāo)圖像處理仿真前后的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高速高效貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能劃分，采用工控機(jī)+GT系列控制卡模式，在圖像處理環(huán)節(jié)采用像素標(biāo)記法對(duì)多元件目標(biāo)進(jìn)行圖像分割處理，設(shè)計(jì)了貼片機(jī)樣機(jī)的軟、硬件系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)初步調(diào)試證明，所研制的雙臂雙頭多吸嘴同步吸貼高速高效貼片機(jī)控制系統(tǒng)，具有精度高、速度快的特點(diǎn)，貼裝速度達(dá)到了30000CPH以上，貼裝精度達(dá)到0.03 mm，滿(mǎn)足了貼片機(jī)的使用要求。

［1］王天曦，王豫明.貼片工藝與設(shè)備［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］王天曦，王豫明.貼片機(jī)及其應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

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