基于PLC的焊線機焊接壓力控制研究

凌璟

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院電子與通信工程系，江蘇蘇州215000）

基于PLC的焊線機焊接壓力控制研究

凌璟

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院電子與通信工程系，江蘇蘇州215000）

介紹了IC芯片金絲焊線機的基本焊接工藝。設計了焊線機的焊接壓力控制系統(tǒng)的硬件組成，以及PLC下位機軟件，討論了初始焊接和終止焊接時的焊接壓力，針對焊接過程中焊接劈刀對芯片施加的焊接壓力對芯片焊點質(zhì)量的關鍵性作用，設計了基于焊接壓力反饋的模糊PID閉環(huán)同步控制系統(tǒng)，并通過仿真驗證了模糊PID控制器的優(yōu)越性。

PLC；焊線機；焊接壓力控制；模糊PID

0 前言

IC芯片焊線機作為微電子分裝裝備中的核心設備，是集自動控制、精密機械、超聲波焊接等多學科于一體的高科技設備。其工作原理是通過控制工作臺和焊頭的精確運動，定位并拉出待焊接的金絲線，通過超聲波熱壓的方法焊接芯片。在焊線機焊線過程中，由焊接電磁鐵通電產(chǎn)生的焊接壓力保證兩條金絲線金屬鍵合在一起，因此焊接壓力對金絲焊接點的質(zhì)量起著決定性的作用。本研究設計的以PLC為控制核心的金絲焊線機焊接壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)正是以保證焊接壓力的穩(wěn)定性為目的，具有重要意義。

1 金絲焊線機工藝

IC芯片焊線機通過超聲波發(fā)生器輸出正弦波電信號，電信號通過換能器轉(zhuǎn)換成機械振動，變幅桿的杠桿放大機械振動的振幅后將機械能輸出給焊接劈刀，劈刀的高頻大幅振動驅(qū)動待焊金線金屬間接觸面產(chǎn)生相對運動，相對運動引起劇烈摩擦并產(chǎn)生熱量使金屬迅速熔化。焊接原理如圖1所示。

圖1 焊線機原理示意

焊接準備階段，利用劈刀振動摩擦來消除焊接區(qū)域內(nèi)的雜質(zhì)和金屬氧化膜，為正式焊接做準備。在焊接階段，工作臺帶動焊點運動到劈刀下后，劈刀迅速下移至被焊面，焊接區(qū)域內(nèi)高溫不能在短時間內(nèi)散熱，局部高溫使接觸面迅速熔化，同時壓力電磁鐵通電產(chǎn)生磁力，電磁鐵和變幅桿上的吸盤，另一端劈刀受到向下的壓力，此焊接壓力促使兩種金屬線鍵合到一起。焊接時間結束后，超聲波停止作用，焊接壓力延時保壓一定時間，使金屬線接頭凝固成型形成一個強度足夠的焊點。初始焊點焊接完成后，工作臺移至終焊點，劈刀拉絲并執(zhí)行相同焊接動作直至焊接完成后，扯絲完成金絲線的扯斷。在焊線過程中，焊接壓力嚴重影響金絲焊接點的焊接質(zhì)量。

2 焊接壓力控制硬件設計

采用模塊化的設計方法完成整個系統(tǒng)的設計。焊線機控制系統(tǒng)硬件主要有電源、工控機、PLC控制器、D/A轉(zhuǎn)換模塊、電子放大器、壓力傳感器和A/ D轉(zhuǎn)換模塊。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

電源為整個控制系統(tǒng)提供電源，焊線機控制系統(tǒng)選用西門子s7-200型PLC作為核心控制器，控制焊接過程的相應動作；研華工控機作為整個控制系統(tǒng)上位機，以軟件界面的形式為操作用戶顯示當前焊接參數(shù)，進行實時監(jiān)控、打印報表等。在變幅桿力臂恒定的情況下，精確調(diào)節(jié)壓力電磁鐵的電量可實現(xiàn)對焊接壓力的實時調(diào)整；AD/DA轉(zhuǎn)換模塊完成焊接參數(shù)模擬量的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換；驅(qū)動模塊實現(xiàn)電磁鐵電信號的放大。此外還有壓力傳感器負責焊接壓力檢測。

3 焊接壓力控制軟件設計

單片機下位機PLC程序設計，環(huán)境為STEP7-Microwin V4.0，以模塊化的編程思想完成系統(tǒng)主程序和各個子程序的設計。包括系統(tǒng)主程序、工作臺運動子程序、金絲線夾控制程序、焊接壓力控制子程序、焊接時間控制子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、與上位機串口通訊子程序、面板指示燈顯示子程序等。PLC軟件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

PLC各子程序的主要功能如下：

圖3 PLC軟件系統(tǒng)框圖

（1）面板指示燈顯示子程序主要顯示當前焊接過程工藝參數(shù)、指示燈指示焊接正常、報警燈等功能。

（2）工作臺運動子程序精確控制裝載IC芯片工作臺在XY平面上的運動，使劈刀能在較短時間內(nèi)完成焊點的查找和對正，為焊接起始做準備。

（3）金絲線夾控制程序主要完成初始焊點和終了焊點之間金絲線的放線、扯斷，形成一條完整的金絲。

（4）焊接壓力控制模塊主要利用PLC運算輸出模擬量控制焊接電磁鐵電流設定值，并根據(jù)壓力傳感器的反饋值實時調(diào)整電磁鐵電流值，保證焊接壓力在設定值范圍內(nèi)。

（5）焊接時間控制子程序主要利用PLC定時器延時斷開功能，以焊接時間變量控制電子開關的開閉，控制焊接壓力的持續(xù)時間。

（6）A/D轉(zhuǎn)換子程序是利用PLC的模擬量輸入輸出通道接口對從壓力傳感器輸入的檢測壓力值進行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字量值反饋給PLC進行處理，實現(xiàn)焊接壓力系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

（7）與上位機串口通訊子程序主要利用串口通訊協(xié)議實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)的發(fā)送和接收，實現(xiàn)下位機（PLC）與上位機（工控機）之間的通訊。

4 焊接壓力模糊PID閉環(huán)控制

常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的比例、積分參數(shù)不能在線整定，不能滿足不同工況下焊接壓力的相應速度和調(diào)節(jié)精度，影響控制效果，進而影響焊線機芯片焊點質(zhì)量。本研究將基于規(guī)則的模糊控制理論同PID控制器相結合，設計出了自整定模糊-PID控制器作為焊接壓力閉環(huán)控制[1]。其以焊接工作臺劈刀壓力與焊接壓力設定值之間的偏差e和偏差變化率ec作為輸入，利用模糊控制理論對PID參數(shù)進行在線校正，其結構框圖如圖4所示。

根據(jù)自整定模糊PID控制的設計原理可得KP的模糊控制規(guī)則表如表l所示，KI和KD的模糊控制規(guī)則表與表1類似[2]。該模糊控制控制器的控制規(guī)則采用如果e并且ec那么KP的形式建立。

圖4 模糊-PID控制器結構框圖

在Matlab中利用模糊控制工具箱和Simulink控制工具箱來完成系統(tǒng)仿真。打開Matlab中的Simulink庫中的“Fuzzy Logic Toolbox”項，將以表1的模糊規(guī)則創(chuàng)建的模糊推理系統(tǒng)（FIS）結構裝載在Matlab工作區(qū)中，并完成FIS結構與模糊控制器的連接[3]，建立如圖5所示的仿真模型。設置輸入階躍信號幅值為1，仿真時間10 s，仿真后得到模糊PID控制及常規(guī)控制方式的階躍響應曲線，如圖6所示。

表1 KP的模糊規(guī)則表

圖5 模糊PID控制系統(tǒng)Simulink仿真模型

圖6 常規(guī)PID與模糊PID階躍響應曲線

5 結論

仿真結果表明，自整定模糊PID控制器的單位階躍響應曲線具有超調(diào)量小、響應快、到達穩(wěn)態(tài)時間短等優(yōu)點。設計的焊接壓力模糊PID閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠快速調(diào)節(jié)實際焊接壓力值與設定壓力值的偏差，通過模糊PID控制器的校正，使輸出與輸入之間具有較好的實時跟隨調(diào)節(jié)。實踐證明，金絲焊線接焊接壓力輸出的穩(wěn)定性滿足IC芯片焊接要求。

[1]陶永華.新型PID控制及其應用（第二版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]韓瑞珍.PID控制器參數(shù)模糊自整定研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學，2011.

[3]李素敏，王杰，宋北光.一種改進的PID控制算法[J].微計算機信息，2013，22（9-1）：40-41.

Research on welding pressure control system of wire bonders based on PLC

LING Kun
（Suzhou Vocational Institute of Industry Technology，Department of electronics and Communication Engineering，Suzhou 215000，China）

This paper introduces the IC chip gold wire bonders welding process.The hardware and software of welding pressure control system has been designed，and welding pressure of the initial welding and the end welding are focused on，for the key role of the welding pressure in welding process of welding chopper chip，welding pressure based on feedback fuzzy PID closed-loop control system synchronization has been redesigned，the simulation results demonstrate the superiority of the fuzzy PID controller.

PLC；wire bonders；welding pressure control；fuzzy PID

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0182-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.41

2015-04-06

璟凌 （1978—），女，四川人，碩士，講師，主要從事電子電氣控制與通信的研究工作。