基于自動(dòng)化控制的電子產(chǎn)品表面貼裝用回流焊機(jī)溫度控制系統(tǒng)

張維威，胡躍明

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，廣東 廣州510665；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州510641）

基于自動(dòng)化控制的電子產(chǎn)品表面貼裝用回流焊機(jī)溫度控制系統(tǒng)

張維威1，2，胡躍明2

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院，廣東 廣州510665；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州510641）

基于模糊自整定PID，設(shè)計(jì)了一套表面貼裝用回流焊機(jī)溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)VB工程和現(xiàn)場(chǎng)控制器間的數(shù)據(jù)通信，讀取現(xiàn)場(chǎng)溫度，進(jìn)行PID參數(shù)自整定，通過(guò)上位機(jī)把整定參數(shù)傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器，驅(qū)動(dòng)SSR，達(dá)到控制溫度的目的。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方法得到的實(shí)測(cè)溫度曲線與理想溫度曲線十分接近，可以證明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有恒溫特性好、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

模糊自整定；理想溫度曲線；回流焊

0 前言

表面貼裝技術(shù)（SMT）是目前電子組裝行業(yè)中十分流行的一種技術(shù)和工藝，它具有組裝密度高、電子產(chǎn)品體積小、表面貼裝元器件質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)[1]。SMT回流焊機(jī)是伴隨微型化電子產(chǎn)品的出現(xiàn)而發(fā)展起來(lái)的一種焊接設(shè)備，主要應(yīng)用于各類表面組裝元器件的焊接[2]。在表面貼裝工藝的回流焊接過(guò)程中，傳送系統(tǒng)帶動(dòng)貼裝好元器件的電路板通過(guò)SMT回流焊設(shè)備的各個(gè)溫度區(qū)域進(jìn)行加熱，使得焊錫膏經(jīng)過(guò)干燥、預(yù)熱、熔化、潤(rùn)濕、冷卻，將元器件焊接到焊盤上[3]。SMT的回流焊機(jī)的核心環(huán)節(jié)就是利用外部熱源加熱，使焊料熔化而再次流動(dòng)浸潤(rùn)，完成電路板的焊接過(guò)程。然而在焊接過(guò)程中，SMT回流焊機(jī)的各個(gè)溫區(qū)并不是絕對(duì)獨(dú)立的，焊錫膏對(duì)每個(gè)溫度區(qū)的溫度要求又不一樣，每一個(gè)溫度區(qū)因干擾引起的變化會(huì)立刻影響到其他溫區(qū)，這對(duì)焊接質(zhì)量的影響很大[4]。為此本研究基于模糊自整定PID，設(shè)計(jì)了一套表面貼裝用回流焊機(jī)溫度控制系統(tǒng)，對(duì)于優(yōu)化表面貼裝工藝具有十分重要的意義。

1 表面貼裝回流電焊機(jī)控溫系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的效果

以8溫區(qū)表面貼裝回流電焊機(jī)為例，其溫區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示，有16個(gè)加溫區(qū)，上下對(duì)應(yīng)的加溫區(qū)為一組，共有8組。8溫區(qū)按功能來(lái)說(shuō)又分為預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)、冷卻區(qū)各2個(gè)，普遍來(lái)說(shuō)各區(qū)的溫控精度和三點(diǎn)溫差都在-1℃～1℃范圍內(nèi)，正常功率設(shè)置在12～16 kW以下。將PCB板（已貼好元件）以相同的速度穿過(guò)爐腔，回流焊接過(guò)程：首先PCB板經(jīng)過(guò)預(yù)熱區(qū)，焊盤、元器件端頭引腳均被助焊劑濕潤(rùn)，隔開(kāi)O2；進(jìn)入保溫區(qū)，充分預(yù)熱電路板和元器件，避免進(jìn)入回流區(qū)因溫度突然升高而導(dǎo)致電路板發(fā)生損壞；接著送入回流區(qū)，溫度升高，焊膏熔化，形成焊點(diǎn)；進(jìn)入冷卻區(qū)，焊點(diǎn)凝固。

圖1 回流焊機(jī)溫區(qū)結(jié)構(gòu)（8溫區(qū)）

各溫區(qū)的溫度變化對(duì)焊接質(zhì)量影響非常大，所以必須對(duì)回流焊機(jī)的熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、電加熱器件的電機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，使?fàn)t內(nèi)溫度依照預(yù)定的焊接要求和理想溫度曲線改變，從而使各溫區(qū)達(dá)到最優(yōu)效果。不同金屬含量焊膏的理想溫度曲線也是不一樣的，這就要求控制系統(tǒng)可以依照不同的工藝要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整[5]。本研究針對(duì)唯特偶LT3000的錫膏進(jìn)行溫控系統(tǒng)的測(cè)定，其理想的溫度變化曲線如圖2所示，化學(xué)成分比例為：w（Sn）= 99%，w（Ago）=0.7%，w（CuO）=0.3%。

圖2 理想溫度變化曲線

選用西門子S7-200PLC為控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器，系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。采用熱電偶采集模塊接收熱電偶輸入信號(hào)，上位監(jiān)控設(shè)備采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)控制器、下位傳感器三者的交互達(dá)到控制各溫區(qū)溫度的目的，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言VB編程上位組態(tài)軟件和PLC間數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)溫度的趨勢(shì)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)等功能。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

2 應(yīng)用模糊自整定PID控制回流焊機(jī)的溫度

2.1 自動(dòng)化控制熱風(fēng)機(jī)

通過(guò)變頻調(diào)節(jié)熱風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使?fàn)t內(nèi)進(jìn)行空氣微循環(huán)，可以達(dá)到2溫區(qū)控溫點(diǎn)中的其他點(diǎn)大致呈線性均勻分布的目的。如圖4所示，按照焊接工藝需求用上位機(jī)設(shè)定溫區(qū)控溫點(diǎn)，通過(guò)可編程邏輯控制器進(jìn)行計(jì)算，模擬量輸出到變頻控制器的引腳3344，調(diào)節(jié)熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，精確控制各溫區(qū)溫度。

圖4 變頻器控制接線

2.2 模糊邏輯PID設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

PID計(jì)算公式

式中 u（k）為k時(shí)刻的輸出；T、Ti、Td分別為采樣時(shí)間、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)；kp為比例控制系數(shù)。

依據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，確定PID，把爐溫偏差e作為輸入，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的控制輸出，通過(guò)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)消除誤差，將被控對(duì)象控制在一定的精度范圍內(nèi)。

根據(jù)模糊控制原理，確定參數(shù)kp、ki、kd和爐溫偏差變化率ec參數(shù)的模糊關(guān)系，因?yàn)椴煌膃和ec狀態(tài)對(duì)控制參數(shù)的要求不一樣，所以在工作中要持續(xù)檢測(cè)e和ec的狀態(tài)，在線調(diào)整PID參數(shù)，確保被控對(duì)象動(dòng)、靜性能優(yōu)良。Fuzzy-PID控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，控制系統(tǒng)中包含兩個(gè)控制器即PID和Fuzzy（模糊）控制器，模糊控制器可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線修改，減小靜差，改善控制精度。

圖5 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

2.3 設(shè)計(jì)爐溫控制器

控制系統(tǒng)使用的是二維控制器結(jié)構(gòu)，輸入變量有兩個(gè)，即爐溫偏差e和上升速度偏差ec，用E、Ec表示其模糊語(yǔ)言的變量。PID的修正值Δkp、Δki、Δkd為輸出量。輸入變量和輸出參數(shù)的論域情況如表1所示，由模糊控制模型，參考模糊子集隸屬賦值表，進(jìn)行推理、計(jì)算得到的輸出控制參數(shù)的修正公式

x可以是p，i，d

表1 輸入變量輸出參數(shù)的論域

設(shè)變量{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}表示負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。如表2所示，從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中得到PID參數(shù)模糊規(guī)則，利用VB編程推出參數(shù)值kp、ki、kd，再通過(guò)PID控制規(guī)律計(jì)算輸出，最終通過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器。

表2 PID參數(shù)模糊規(guī)則

2.4 設(shè)計(jì)爐溫控制軟件

軟件開(kāi)發(fā)采用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是VB，參數(shù)整定使用上位組態(tài)軟件，通過(guò)VB工程和現(xiàn)場(chǎng)控制器間的數(shù)據(jù)通信，讀取現(xiàn)場(chǎng)溫度。編寫軟件時(shí)，先設(shè)置加熱目標(biāo)的目標(biāo)溫度r（k），進(jìn)行加熱后，收集溫度數(shù)據(jù)y（k），利用模糊自整定PID方式計(jì)算如圖6所示。進(jìn)行完P(guān)ID參數(shù)自整定以后，通過(guò)上位機(jī)把整定參數(shù)傳給現(xiàn)場(chǎng)控制器，驅(qū)動(dòng)SSR，達(dá)到控制溫度的目的。

為驗(yàn)證控制系統(tǒng)可行性，用HW-RF8800C回流焊機(jī)進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)行和調(diào)試使用的焊膏為唯特偶LT3000錫膏)，設(shè)定溫度為50℃～250℃。測(cè)到的溫度曲線如圖7所示，與理想的溫度曲線（見(jiàn)圖2）對(duì)比可知兩者相近，跟蹤設(shè)定值精度比較高，可將誤差控制在-2℃～2℃，因此可知控制系統(tǒng)具有良好的恒溫特性。

3 結(jié)論

為了滿足表面貼裝回流電焊機(jī)控溫系統(tǒng)對(duì)爐溫控制的需求，通過(guò)模糊自整定PID方式得到PID參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)表面貼裝回流焊機(jī)各個(gè)溫區(qū)溫度的控制。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方法得到的實(shí)測(cè)溫度曲線和理想溫度曲線十分接近，證明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有恒溫特性好、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 模糊自整定PID流程

圖7 測(cè)試的溫度曲線

[1]王海青，姬長(zhǎng)英，劉同召，等.模糊自整定PID溫度控制系統(tǒng)的建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程，2012，38（7）：233-235，239.

[2] 史建衛(wèi).冷卻速率對(duì)無(wú)鉛再流焊焊點(diǎn)質(zhì)量的影響（續(xù)完）[J].電子工藝技術(shù)，2012，33（2）：121-126.

[3]沙建軍，潘爾順.基于模糊聯(lián)想記憶的SMT回流焊參數(shù)快速設(shè)定[J].工業(yè)工程與管理，2011（6）：75-81.

[4]宋志強(qiáng)，周好斌，徐向前，等.全鋁散熱器封頭自動(dòng)焊設(shè)備及焊接工藝[J].電焊機(jī)，2010，40（05）：155-159.

[5]李娜，袁吉，田曉明.添加工裝的無(wú)鉛PCB組件回流焊溫度場(chǎng)仿真分析[J].電焊機(jī)，2013，43（4）：162-166.

Based on the automatic control of electronic products SMT reflow welding machine temperature control system

ZHANG Weiwei1，2，HU Yueming2
（1.Guangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510665，China；2.South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

In this paper，based on fuzzy self-tuning PID，design a set of SMT reflow welding machine temperature control system. Through VB data communication between engineering and field controller，read the temperature，the PID parameter self-tuning，pass the scene the setting parameters of controller by the upper machine，drive the SSR，achieve the goal of controlling temperature. Through the verification，the design method to get the ideal temperature curve and the measured temperature curve is very close to，can prove that the designed control system has the advantages of good temperature characteristics,high sensitivity.

fuzzy self-tuning；ideal temperature curve；reflow soldering

TG402

：A

：1001-2303（2015）10-0090-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.19

2015-04-09；

：2015-05-04

張維威（1980—），女，遼寧沈陽(yáng)人，講師，國(guó)內(nèi)訪問(wèn)學(xué)者，碩士，主要從事智能檢測(cè)與控制的研究。