LED 鍵合壓力控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

陳完年，王天雷，王艷賓，王大承

(1.廣東科杰機(jī)械自動化有限公司，廣東 江門 529030;2.五邑大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣東 江門 529020)

0 引言

LED 焊線機(jī)屬于一種高速度、高精度的LED 封裝設(shè)備［1］，目前國外的封裝設(shè)備焊線速度已達(dá)到每秒15線左右，焊線直徑在50μm 左右［2］。對于LED 焊線機(jī)的壓力控制大小一般小于1N。如何能在如此高速度的條件下進(jìn)行高精度的壓力控制是金線球焊線機(jī)的一個棘手問題［3］。在國外對焊線機(jī)的研究比較早，技術(shù)也很成熟，但是在國內(nèi)，我國對全自動焊線設(shè)備的研究還比較少［4］，國內(nèi)大部分的全自動焊線設(shè)備來自國外進(jìn)口，而國外有關(guān)廠家對相關(guān)技術(shù)嚴(yán)格保密，很難找到相關(guān)資料［5］。為了打破國外焊線設(shè)備的壟斷，開發(fā)具有我們自己的焊線設(shè)備時不可待。

本文是在參考了大量有關(guān)壓力控制的資料后采用位置閉環(huán)和壓力閉環(huán)相結(jié)合的控制思想來做全自動金線球焊線機(jī)的壓力控制方法，并且對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證［6］。

1 LED 鍵合流程

全自動金線球焊線機(jī)的整個焊線工藝流程一般主要分為以下幾步［7］，如圖1 所示，在圖表中的圖i為打火燒球，圖1a 和圖1b 為系統(tǒng)到達(dá)指定位置，圖1c 為加熱加壓加超聲波進(jìn)行焊接，圖1d 和圖e 為劈刀移動到第二焊點(diǎn)，圖1f 表示對第二焊點(diǎn)進(jìn)行焊接，圖1g 和圖1h 為焊接完畢拉斷焊絲。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

本文的整個焊線控制系統(tǒng)主要分為位置閉環(huán)和壓力閉環(huán)兩個環(huán)節(jié)，利用兩個環(huán)節(jié)的控制策略可以減小控制過程中電機(jī)產(chǎn)生的過沖現(xiàn)象，此外在運(yùn)動控制的過程中可以對位置閉環(huán)的控制進(jìn)行設(shè)置，使其速率按照梯形曲線變化［8］，這樣可以進(jìn)一步減小超調(diào)。位置閉環(huán)即對劈刀位置進(jìn)行控制，利用運(yùn)動控制卡來控制伺服電機(jī)，這樣控制起來比較方便［9］。壓力閉環(huán)控制是劈刀到達(dá)指定位置后采用的控制策略。利用位置閉環(huán)和壓力閉環(huán)相結(jié)合的控制思想能夠很方便的對壓力進(jìn)行控制，在硬件和軟件方面也比較簡便，位置閉環(huán)采用控制卡控制音圈電機(jī)，原理圖如圖2 所示。而壓力閉環(huán)控制利用壓力傳感器的反饋信號與給定信號進(jìn)行比較，然后在微計(jì)算機(jī)芯片中進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果作為控制信號來控制壓力輸出［10］。壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖如圖3 所示。

圖1 焊線流程圖

圖2 位置閉環(huán)控制圖

圖3 壓力閉環(huán)控制圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是對焊線劈刀的位置進(jìn)行定位控制，系統(tǒng)采用了固高公司的控制卡來控制伺服電機(jī)，進(jìn)行控制的過程中采用點(diǎn)位控制，調(diào)用控制卡內(nèi)部的函數(shù)庫進(jìn)行程序設(shè)計(jì)［11］。其關(guān)鍵程序如下。

4 壓力閉環(huán)控制

在壓力閉環(huán)控制中采用的是單片機(jī)控制數(shù)字電位器來簡介控制電磁鐵，當(dāng)劈刀移動到指定位置之后觸發(fā)到位信號，這樣開始進(jìn)行壓力控制。單片機(jī)向電位器發(fā)送指令，控制電位器的輸出電壓，輸出電壓加載到電磁鐵輸入端，完成壓力的輸出。同時單片機(jī)不斷檢測傳感器輸入通道的信號，并且將該信號送入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行比較運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果再作為輸出信號來控制電位器的輸出，整個過程形成一個半閉環(huán)控制。

對數(shù)字電位器進(jìn)行編程的時候是利用單片機(jī)對數(shù)字電位器的觸頭端進(jìn)行選擇，進(jìn)而控制輸出電壓，對于單片機(jī)對數(shù)字電位器的控制關(guān)鍵程序如下。

首先對單片機(jī)端口定義:

針對閉環(huán)反饋信號與給定信號比較后的差值進(jìn)行PID 運(yùn)算，為了減小系統(tǒng)出現(xiàn)過大的超調(diào)，通過比較其他的PID 算法本文選用變積分PID 的控制算法［12］，即在不同的差值條件下進(jìn)行不同的積分參數(shù)控制。關(guān)鍵程序與說明如下所示:

圖4 兩種不同PID 階躍輸出

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在本實(shí)驗(yàn)中采用的是直徑為25μm、純度為99.99%的金絲，采用球形焊。有關(guān)鍵合參數(shù)控制如表1。

表1 球形焊點(diǎn)基本參數(shù)設(shè)置

采用的焊材實(shí)物

圖5 焊接樣品

對120 個焊點(diǎn)進(jìn)行焊接，焊接的要求是虛焊不嚴(yán)重，不能出現(xiàn)斷線的現(xiàn)象，如焊點(diǎn)出現(xiàn)虛焊嚴(yán)重或者斷線即宣告該焊點(diǎn)焊線失敗。其焊線的典型照片如圖6 所示。

其中圖b 所示為焊接失敗，圖c 和圖d 為合格焊點(diǎn)。針對120 個焊點(diǎn)的焊線成功率為96.7%，有三個焊點(diǎn)虛焊，一個焊點(diǎn)斷開，總體焊線成功率還比較高。

圖6 球形焊焊點(diǎn)樣品圖

6 結(jié)束語

金線球鍵合設(shè)備是一種高速度高精度的焊線設(shè)備，焊線時經(jīng)常出現(xiàn)由于超調(diào)量過大引起的焊線失敗，其壓力控制難度很高，本文設(shè)計(jì)的位置和力相結(jié)合的閉環(huán)控制能有效減小壓力超調(diào)，對實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)具有很高的實(shí)際意義。

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