PCB 電路板質(zhì)量自動(dòng)檢測裝置設(shè)計(jì)

劉鵬祥 ，孫立環(huán)

（東北大學(xué)秦皇島分校，秦皇島，066004）

0 引言

PCB 電路板質(zhì)量自動(dòng)檢測裝置的設(shè)計(jì)， 關(guān)鍵在于二維工作臺(tái)各部件的選擇和設(shè)計(jì)， 包括步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌副、滾珠絲桿副和聯(lián)軸器。采用步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高和工作質(zhì)量穩(wěn) 定，PCB 電路板自動(dòng)監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于提 高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本有 重要意義。

1 二維工作臺(tái)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

二維工作臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)X和Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，通過兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成可以實(shí)現(xiàn)任 意平面軌跡。本文設(shè)計(jì)的X-Y二維工作臺(tái)為開環(huán)伺服系統(tǒng).通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)主要參數(shù)如下：（1）PCB電路板尺寸 300mmX300mm；（2）工作臺(tái)移動(dòng)速度 2mm/s-50mm/s；（3）加速度2s 達(dá)到額定速度；（4）定位精度 0.01mm。

X-Y 工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示：

圖 1 X-Y 二維工作臺(tái)系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall Block Diagram of The 2D Worktable

圖 2 二維作臺(tái)結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Model of The 2D Worktable Structure

2 二維工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先根據(jù)PCB電路板基本尺寸，初步估 計(jì)載荷重量，選取導(dǎo)軌副。然后進(jìn)行受力分 析，根據(jù)最大動(dòng)載荷選擇滾珠絲桿副。接著根據(jù)負(fù)載和轉(zhuǎn)矩選擇步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)的 X-Y 工作臺(tái)，畫出如圖2所示的結(jié)構(gòu)圖。

2.1 導(dǎo)軌副的選擇

根據(jù)給定的工作載荷FZ和估算的X向和Y向重量GX和GY，計(jì)算導(dǎo)軌靜安全系數(shù) fSL=CO/P，式中CO為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷； 工作載荷P=0.5（FZ+W）；fSL=1.0-3.0（一般 運(yùn)行狀況）根據(jù)計(jì)算工作狀況取fSL=3.0。

初步選擇絲杠材質(zhì)為CrWMn鋼，HRC為58-60，導(dǎo)程 Ph=5mm。滾珠絲桿軸向力：Fmax=KFX,Y+f（FZ+WX,Y）其中 K=1.15，摩擦系數(shù)f=0.003-0.005 ； FX= （ 0.1-0.6 ） FZ，F(xiàn)Y=(0.15-0.7)FZ。 取f=0.004，F(xiàn)X=0.5FZ，F(xiàn)Y=0.6FZ。壽命系數(shù)其中滾珠絲桿轉(zhuǎn)速T=1500h。最大動(dòng)載荷式中fH為載荷系數(shù)，HRC≥ 58 時(shí)為 1.0，fw為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為 1.2-1.5，取 fw=1.2。所以，根據(jù)最大動(dòng)載荷選擇滾珠絲桿為濟(jì)寧絲杠廠型號(hào)為 2505-2。

2.2 滾珠絲杠副的選擇

根據(jù)計(jì)算的額定靜載荷初選導(dǎo)軌：其型號(hào)為GGC9BAK。

共發(fā)放調(diào)查問卷1 200份，回收有效問卷1 077份，有效回收率89.75%。977名醫(yī)學(xué)生中，男403例，女574例，其中18歲以下者占2.97%，18～25歲者占比96.93%，2017級(jí)227例（23.23%），2016級(jí)275例（28.15%），2015級(jí)263例（26.92%），2014級(jí)212例（21.7%）；參與過醫(yī)患溝通課程者93例（2014級(jí)麻醉專業(yè)46例、2014級(jí)臨床專業(yè)47例），未參加過者884例，及100名非醫(yī)學(xué)生。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇

連通域指的是圖像被二值化之后的若干像素的集合，假設(shè)前景像素為1，背景像素為0的前提下，連通域具有以下兩個(gè)屬性：一是只有前景像素的集合，二是在同一個(gè)連通域中的兩個(gè)像素間總能找到一條路徑由這個(gè)集合中的像素組成，也就是說像素之間兩兩互通。連通域算法在數(shù)字圖像處理中進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)分割等方面都有應(yīng)用，在這里進(jìn)行顆粒狀農(nóng)產(chǎn)品的分選也可以采用連通域算法，先將灰度圖像采用閾值分割得到二值圖像，這個(gè)二值圖像中包含了對(duì)圖像分割后的多個(gè)連通域，然后采用連通域算法給出其屬性，進(jìn)而對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別、跟蹤以及判斷[7]。在這里采用種子填充法實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 快速空載啟動(dòng)時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq1

3.3.3 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)軸承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2

組分中藥是指由有效組分配伍而成的現(xiàn)代中藥，是創(chuàng)新中藥研究的一種途徑，其特點(diǎn)是“兩個(gè)相對(duì)清楚”，即物質(zhì)基礎(chǔ)相對(duì)清楚及其作用機(jī)制相對(duì)清楚；組分中藥具有滿足現(xiàn)代藥物質(zhì)量可控要求，安全性、有效性證據(jù)較充分的特征，既保持了中藥方劑的優(yōu)勢，又提高了中藥制劑的質(zhì)控水平[1-4]。本課題組對(duì)益元康方按照組分中藥的研究思路開展基礎(chǔ)研究，就該方組成藥材之一淫羊藿中主要有效成分黃酮類成分進(jìn)行提取、分離、純化，得到淫羊藿總黃酮提取物。本研究中，本課題組采用高效液相色譜法（HPLC）建立了淫羊藿總黃酮提取物的指紋圖譜，并對(duì)其中8種成分的含量進(jìn)行了測定，旨在為有效控制其質(zhì)量提供參考。

考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來選擇步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。取 K=4,則最大靜轉(zhuǎn)矩滿足：

2.3.4 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩

綜上選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 90BYG550A。

深部綜掘巷道超前支護(hù)機(jī)組是由一系列的超前支架組成，如圖1所示。機(jī)組在工作時(shí)沿巷道掘進(jìn)方向排開，掘進(jìn)機(jī)在機(jī)組下方工作，機(jī)組提供一段超前支護(hù)區(qū)域，同時(shí)兩幫可以在超前支護(hù)時(shí)安裝錨桿。

(1)最快工作速度時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校 核。工作臺(tái)最快工作速度Vax=30000mm/min， 脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖，由此求出電機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率，從圖 3電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線可以看出在此頻率下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩 q。

式中，Jq為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；J0為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J3為滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M為移動(dòng)部件質(zhì)量。對(duì)于圓柱形零件可以按下式計(jì)算：J=0.78x103xDxL，其中D為零件直徑，L為圓柱形零件長度。

2.3.5 步進(jìn)電機(jī)性能校核

圖 4 90BYG550A 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線 Fig.3 The Torque-Frequency Characteristic Curve of The Motor

竹韻有些犯難了，自己跟海力不過是普通主雇關(guān)系，上班拿了工資獎(jiǎng)金，豈能再收他如此貴重的禮物？從馬麗亞眼里的敵視來看，她已經(jīng)隱隱感覺出了些什么。但是，不收又如何拒絕呢？何不暫時(shí)把電腦收下，今后努力工作來回報(bào)公司，或者今后用工資付帳也行，其實(shí)她也早就想給龍斌買臺(tái)電腦了。想到這里，她伸手接過電腦，臉上也露出了笑容。

（2）最快空載移動(dòng)是電機(jī)運(yùn)行頻率校核。工作臺(tái)最快工作速度Vax=30000mm/min，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知，步進(jìn)電機(jī)90BYG550A 的空載運(yùn)行頻率可達(dá)30KHz，可見沒有超出上限。（3）啟動(dòng)頻率校核。已知電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電機(jī)轉(zhuǎn)軸空載啟動(dòng)頻率 f=3000Hz，所以步進(jìn)電機(jī)克服慣性負(fù)載的啟動(dòng)頻 率：。

3 誤差分析

（1）滾珠絲桿副因?yàn)閮啥斯潭?，中間 重力作用會(huì)彎曲，導(dǎo)致摩擦力增大，產(chǎn)生定 位誤差。補(bǔ)償辦法：施加預(yù)緊力，消除軸向 間隙，提高滾珠絲杠剛度。

（2）導(dǎo)軌副表面粗糙度不同，影響定 位精度，所加載荷大小不同，也影響導(dǎo)軌直 線度。補(bǔ)償方法：導(dǎo)軌采用滾珠導(dǎo)軌，加潤 滑油，減小摩擦。

四是到2015年，種植業(yè)和水產(chǎn)業(yè)使用的非傳統(tǒng)水資源的安全利用量（包括處理過的污水和咸水）在基準(zhǔn)年2005—2007年的基礎(chǔ)上增加25%，同時(shí)，使按照世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織及聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署制定的污水處理利用大綱來指導(dǎo)污水利用的國家數(shù)量保持同步增長，這些國家過去利用沒有達(dá)標(biāo)的污水開展種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)。

（3）機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的摩擦是伺服系統(tǒng)誤差的主要因素之一，摩擦影響機(jī)床運(yùn)動(dòng) 精度并在低速運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性， 即爬行現(xiàn)象。補(bǔ)償方法：根據(jù)產(chǎn)生誤差的位 置和時(shí)刻，增加額外的指令脈沖抵消爬行。

圖 5 二維工作臺(tái)實(shí)物模型Fig.4 The Physical Model of The 2D Worktable

4 總結(jié)

二維工作臺(tái)以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，通過機(jī)械機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，構(gòu)成開環(huán)控制伺服系統(tǒng)。本 設(shè)計(jì)利用二維工作臺(tái)沿 X 向和 Y 向的移動(dòng)， 通過電子顯微鏡記錄 PCB 電路板的長和寬， 得出電路板的質(zhì)量。系統(tǒng)的定位精度可達(dá)0.01mm，測量范圍 300mm以內(nèi)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，工作效率高，特別適用于企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)。

[1]裘祖榮.精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009

[2]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[3]＜日＞坂本正文著，王自強(qiáng)譯.步進(jìn)電機(jī)技術(shù).北 京：科學(xué)出版社，2010.1

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[5]陳立德主編.機(jī)械制造裝備課程設(shè)計(jì).北京：高 等教育出版社，2012.8

[6]樊軍慶主編.數(shù)控技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

[7]王靜、朱賢華主編.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì).武漢： 華中科技大學(xué)出版社，2013.3

[8] 李斌，李曦主編.數(shù)控技術(shù).武漢：華中科技大 學(xué)出版社，2010.4

[9] 賈振元，王福吉主編. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).北 京：科學(xué)出版社，2011.2

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