電路板缺陷焊點(diǎn)在線標(biāo)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄒 恩 ，黃浩揚(yáng) ，霍 慶 ，張?jiān)龈?，王偉超

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院 信息工程系，廣州 510900）

隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的不斷發(fā)展，電路板朝著小型化、小元件和高密度的方向發(fā)展。但從成本、工藝以及技術(shù)要求等方面考慮，許多電路板還是采用通孔插裝技術(shù)，因此需要采用波峰焊來(lái)完成元件引腳與焊盤之間的連接[1-2]。但由于技術(shù)上的瓶頸，波峰焊的工藝流程會(huì)造成焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題，主要表現(xiàn)為焊點(diǎn)短路、焊點(diǎn)漏焊、焊點(diǎn)不飽滿和因氣泡造成焊點(diǎn)表面有針孔。

為了解決上述焊點(diǎn)的質(zhì)量問(wèn)題，企業(yè)多采用人工目測(cè)或自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）設(shè)備來(lái)檢測(cè)[3-4]，然后修整。前者在人員長(zhǎng)期工作時(shí)會(huì)引起視覺疲勞，造成缺陷焊點(diǎn)的漏檢和誤檢。后者雖能準(zhǔn)確快速地在顯示屏上反映缺陷焊點(diǎn)的位置，但由于沒(méi)有進(jìn)行實(shí)體標(biāo)記，還需人工實(shí)時(shí)對(duì)照查找后修整，效率不夠高。

鑒于上述問(wèn)題，受某電子企業(yè)委托，以該企業(yè)的電路板裝配生產(chǎn)流水線為改造對(duì)象，研發(fā)一種電路板缺陷焊點(diǎn)在線標(biāo)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在AOI檢測(cè)的基礎(chǔ)上，增加實(shí)體在線標(biāo)識(shí)功能，可實(shí)時(shí)在電路板上對(duì)缺陷焊點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)注，全程不需人員輔助，可解放勞動(dòng)力，提高生產(chǎn)效率。該研發(fā)成果已申請(qǐng)發(fā)明專利和登記軟件著作權(quán)各1件。

1 系統(tǒng)方案分析與設(shè)計(jì)

1.1 電路板裝配流水線改造

該企業(yè)的電路板裝配生產(chǎn)流水線工序包括機(jī)器插件、手工插件、元件插后質(zhì)量檢測(cè)修整、波峰焊機(jī)焊接、剪腳分板、執(zhí)錫、焊后質(zhì)量檢測(cè)修整、打膠、ICT測(cè)試、貼標(biāo)簽、裝箱。本方案以盡量減少對(duì)原裝配線的改動(dòng)為原則，對(duì)其部分生產(chǎn)流水線進(jìn)行改造，在原焊后質(zhì)量檢測(cè)修整工位安裝電路板缺陷焊點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)識(shí)裝置，完成電路板的承載與推送以及缺陷焊點(diǎn)的檢測(cè)與標(biāo)識(shí)功能，電路板生產(chǎn)流水線如圖1所示。

圖1 電路板生產(chǎn)流水線Fig.1 Circuit board production line

1.2 裝置工作原理

電路板缺陷焊點(diǎn)自動(dòng)標(biāo)識(shí)屬于在線型裝置，其每道工序都必須在流水線的生產(chǎn)節(jié)周期內(nèi)完成。因此，本系統(tǒng)將原來(lái)的焊后質(zhì)量檢測(cè)修整拆分為等待、檢測(cè)、標(biāo)識(shí)及修整4個(gè)步驟，使得電路板焊點(diǎn)的檢測(cè)和標(biāo)識(shí)工序能夠同時(shí)進(jìn)行，不需延長(zhǎng)生產(chǎn)周期。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of device

工作流程如下：

①生產(chǎn)周期開始，系統(tǒng)初始化，具體為推板機(jī)構(gòu)下降，導(dǎo)軌支撐板兩邊檔桿收回，推板機(jī)構(gòu)和由滾珠絲杠組成的XY定位標(biāo)識(shí)機(jī)構(gòu)在伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下回到各自設(shè)定原點(diǎn)位置；

②推板機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿帶動(dòng)上升，并在伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下將3塊電路板同時(shí)向前推進(jìn)一個(gè)工位；

③電路板推送完畢，裝置兩邊的擋桿在電動(dòng)推桿的推動(dòng)下，繞檔桿支座連接點(diǎn)做圓弧上升，與推板機(jī)構(gòu)夾緊位于檢測(cè)工位與標(biāo)識(shí)工位上的電路板，確保電路板位置沒(méi)有偏差；

④上位機(jī)（AOI）對(duì)位于檢測(cè)工位的電路板進(jìn)行焊點(diǎn)檢測(cè)，下位機(jī)（微處理器）向AOI請(qǐng)求位于標(biāo)識(shí)工位的電路板的缺陷焊點(diǎn)坐標(biāo)值，控制XY定位機(jī)構(gòu)，利用可擦除水溶性PCB專用記號(hào)筆在缺陷焊點(diǎn)上進(jìn)行標(biāo)識(shí)；

⑤等待下一生產(chǎn)周期。

1.3 控制系統(tǒng)組成

電路板缺陷焊點(diǎn)在線標(biāo)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)控制方式。上位機(jī)為AOI檢測(cè)設(shè)備，微處理器作為下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信。整個(gè)系統(tǒng)按照具體功能劃分為5個(gè)部分，如圖3所示。電動(dòng)推桿用于實(shí)現(xiàn)推板的上升下降以及檔桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。接近開關(guān)用于設(shè)定XY軸絲杠以及推板機(jī)構(gòu)絲杠的安全距離。光電傳感器用于設(shè)定XY軸絲杠以及推板機(jī)構(gòu)絲杠的初始位置。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)組成，用于驅(qū)動(dòng)裝置中的3個(gè)絲杠。電磁鐵用于推動(dòng)可擦除PCB專用記號(hào)筆的下降與復(fù)位，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)功能。

圖3 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of control system

1.4 系統(tǒng)控制信號(hào)分析

為實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，從控制角度分析，系統(tǒng)所需信號(hào)及信號(hào)產(chǎn)生來(lái)源如表1所示。

表1 系統(tǒng)控制信號(hào)分析Tab.1 Analysis of system control signal

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)核心選型

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，本方案選用STM32F103VET6微處理器作為主控芯片。該微處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置512 KB閃存和64 KB SRAM；擁有80個(gè)GPIO，并多達(dá)11個(gè)定時(shí)器和13個(gè)通信接口，為控制外圍設(shè)備和與外圍設(shè)備進(jìn)行通信提供了豐富的資源[5]，適用于對(duì)性能、成本和功耗有要求的工控領(lǐng)域。

2.2 控制系統(tǒng)外部硬件構(gòu)成

根據(jù)控制原理，本控制系統(tǒng)可以將外部硬件設(shè)備分為4個(gè)模塊：伺服系統(tǒng)模塊、光電傳感器及接近開關(guān)模塊、電動(dòng)推桿及電磁鐵模塊、通信模塊。

伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)主要用于滾珠絲杠的驅(qū)動(dòng)，本裝置選用松下A5系列交流伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MBDHT2510CA1，電機(jī)型號(hào)為MHMD042G1U。該伺服系統(tǒng)帶有17位增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，分辨率高達(dá)131072，完全滿足精度要求。其中，微處理器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的連接必需使用光耦隔離[6]。

光電傳感器及接近開關(guān)光電傳感器與接近開關(guān)在本系統(tǒng)中均用于向STM32F103VET6提供電平信號(hào)。其中，光電傳感器FU-07N與接近開關(guān)TLQ5MC1-Z均工作在12～24 V，不可直接與微處理器相連。因此，在本系統(tǒng)中采用光電耦合芯片TLP521-4完成電平的轉(zhuǎn)換，將12 V的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成3.3 V。

電動(dòng)推桿及電磁鐵電動(dòng)推桿內(nèi)部已經(jīng)集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及行程開關(guān)，只需通過(guò)改變電流方向即可控制電動(dòng)推桿的伸縮。由于電動(dòng)推桿與電磁鐵均工作在24 V，本系統(tǒng)采用電磁繼電器作為中間控制器件，由STM32F103VET6控制信號(hào)經(jīng)三極管放大驅(qū)動(dòng)。

通信模塊AOI檢測(cè)設(shè)備除了包含光源系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)等模塊，還包含一臺(tái)通用PC機(jī)用作圖像分析。而采用RS-232串口來(lái)實(shí)現(xiàn)PC與下位機(jī)的通信是測(cè)控系統(tǒng)中常用的解決方案[7]。在本系統(tǒng)中，使用MAXIM公司的解決方案，采用MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

如圖4所示為本控制系統(tǒng)的程序流程圖，通過(guò)有序控制各種執(zhí)行元件，可完全實(shí)現(xiàn)裝置的工作流程。

3.2 上下位機(jī)通信程序分析

在本系統(tǒng)中，上位機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析處理，將檢測(cè)到的焊點(diǎn)像素點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換成實(shí)體焊點(diǎn)的坐標(biāo)值。但由于部分缺陷焊點(diǎn)所在位置也是元件引腳所在位置，不利于記號(hào)筆做標(biāo)記。因此，采取的辦法是建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)該型號(hào)的電路板焊點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)每一焊點(diǎn)實(shí)際情況設(shè)定所需偏移量。上位機(jī)調(diào)用串口通信程序時(shí)，先根據(jù)缺陷焊點(diǎn)編號(hào)查詢?cè)摵更c(diǎn)的偏移量，然后修正坐標(biāo)值，最終輸出到微處理器。其中，同一電路板上的坐標(biāo)值采用相對(duì)坐標(biāo)，既微處理器接收到的坐標(biāo)值是前后缺陷焊點(diǎn)坐標(biāo)值之差。

圖4 程序流程圖Fig.4 Flow chart of program

同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)的正常通信，本系統(tǒng)設(shè)定了統(tǒng)一格式的通信內(nèi)容。以STM32F106VET6為主體，通信內(nèi)容說(shuō)明如表2所示。

表2 通信內(nèi)容說(shuō)明Tab.2 Description of communication content

4 系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行

為證實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，將本裝置與相配套的AOI檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。測(cè)試中使用的AOI設(shè)備由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院開發(fā)，使用的工業(yè)相機(jī)型號(hào)為OPT-FT020-C，工業(yè)鏡頭型號(hào)為OPTLIS0205，上位機(jī)操作系統(tǒng)為Windows XP，圖像處理軟件用Matlab R2009編寫。運(yùn)行結(jié)果表明，本裝置能順利完成與上位機(jī)的通信，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)缺陷焊點(diǎn)準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)體標(biāo)識(shí)，實(shí)驗(yàn)效果如圖5所示。

圖5 標(biāo)識(shí)效果圖Fig.5 Picture of marking effect

5 結(jié)語(yǔ)

本文以某電子企業(yè)的電路板生產(chǎn)流水線為改造對(duì)象，針對(duì)通孔插裝技術(shù)的電路板缺陷焊點(diǎn)檢測(cè)不能實(shí)體在線標(biāo)注的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種電路板缺陷焊點(diǎn)在線標(biāo)識(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過(guò)與AOI檢測(cè)設(shè)備通信，進(jìn)而控制多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)缺陷焊點(diǎn)的實(shí)體在線標(biāo)識(shí)。通過(guò)對(duì)100多塊次板、幾百個(gè)缺陷焊點(diǎn)實(shí)地測(cè)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)接收AOI傳送的信息，準(zhǔn)確無(wú)誤地標(biāo)注出缺陷焊點(diǎn)，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

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