基于三軸協(xié)調(diào)控制的貼片機運動系統(tǒng)設計*

陳方斯，吳文軒，周瑜，陳立嫻

（廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對各種工業(yè)設備的自動化程度和控制精度的要求與日俱增，新型制造技術要求運動控制系統(tǒng)要靈活地適應多種自動化的解決方案[1]。但僅依靠操控單獨的電動機，工作效率則遠遠不夠，比如生產(chǎn)流水線中多種機械配合的運作、機器人運動的路徑規(guī)劃等。為此，研究與設計協(xié)調(diào)控制多機運動系統(tǒng)是很有現(xiàn)實意義的[2]。

貼片機是現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的核心設備，而現(xiàn)代工業(yè)對貼片機的精度和工作效率的要求越來越高[3]。本文以全自動貼片機的運動控制方式為研究背景提出一種基于三軸協(xié)調(diào)運動控制算法，并對比傳統(tǒng)的單一控制算法與提出的三軸協(xié)調(diào)控制算法的工作效率。計算結果表明所提出的三軸協(xié)調(diào)控制算法滿足全自動貼片機的生產(chǎn)要求。

1 全自動貼片機的工作原理

全自動貼片機作為集高速度與高精度要求于一身的機電設備，其需要利用到運動控制、圖像識別等技術，并可由計算機上的人機交互界面對其進行操控[4]。在工業(yè)上通常將全自動貼片機的框架水平平移方向設定為X軸和Y軸，全自動貼片機貼片頭的垂直移動設定為Z軸。當前世界上各大產(chǎn)商所生產(chǎn)的成品貼片機，主要分為以下兩個結構：轉(zhuǎn)塔式和框架式。轉(zhuǎn)塔式結構的全自動貼片機是將印制電路板安置在框架上通過X和Y軸的協(xié)同運作來達成的，框架式結構的全自動貼片機是將貼片頭安置在框架上在X和Y軸的協(xié)同運作來達成的。貼片機的工作流程如圖1所示[5]。

圖1 全自動貼片機工作過程

2 全自動貼片機的運動結構設計

全自動貼片機設計目標參數(shù)如表1所示：

表1 全自動貼片機的設計目標

作為高水平的全自動貼片機，其X軸和Y軸的運動速度需達到2 m/s，Z軸的運動速度需達到0.5 m/s，并且總體的精度要達到±0.04 mm，故本運動控制系統(tǒng)設計中 X軸和Y軸將采用同步帶傳動。因為同步帶傳動屬于柔性傳動，運行中的一些松動等問題會導致定位的精度比校難確定，所以設計中使用雙驅(qū)動同步帶的傳動方案。經(jīng)過對電動機速度和電動機精度的考量，運動控制系統(tǒng)采用臺達伺服電動機作為驅(qū)動，其最高分辨率可以達到0.001 mm，因此它滿足設計的要求。

綜上所述，設計出全自動貼片機運動控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

由圖2可看出全自動貼片機要對X,Y,Z三軸進行運動控制：X軸由2臺伺服電動機驅(qū)動一個同步輪實現(xiàn)貼片頭在X軸上的移動；Y軸是H型的拱架式結構，也是利用2臺伺服電動機來驅(qū)動同步輪實現(xiàn)貼片頭在Y軸上的移動。Z軸是各使用4臺伺服電動機來對貼片頭的上下移動和旋轉(zhuǎn)進行驅(qū)動。其中4臺伺服電動機用于驅(qū)動全自動貼片頭在Z軸上位移，另外4臺伺服電動機用來調(diào)整全自動貼片頭的旋轉(zhuǎn)角度。

圖2 全自動貼片機運動控制系統(tǒng)結構

3 全自動貼片機傳統(tǒng)單一控制算法

全自動貼片機的傳統(tǒng)運動貼片過程，首先讓貼片頭在X軸上運動到所需要到達的坐標點，到達后發(fā)出信號讓貼片頭在Y軸上運動到所需要到達的坐標點，接下來貼片頭在Z軸上再通過垂直運動進行工作。這種工作形式X軸、Y軸、Z軸分別單一控制進行。

圖3 X 軸、Y 軸直線運動軌跡

在運動路徑平面建立平面直角坐標系，如圖3中所示。O點是全自動貼片機的零點，是出發(fā)的位置。取料區(qū)，此處為取料位置，所有的待貼元件都在這邊準備被貼片頭提取。檢測區(qū)為檢測環(huán)節(jié)區(qū)域，若是檢測元件出現(xiàn)不合格，將進入廢料區(qū)進行投放，若是元件合格，將進入貼片區(qū)進行貼片環(huán)節(jié)。廢料庫，功能為若是元件檢測出不合格，將會將元件放入廢料庫。貼片區(qū)為進行貼片的區(qū)域，該區(qū)域中放置PCB板，將貼片頭所提取的元件依次在PCB板上進行貼片操作。

首先將全自動貼片機的水平運動控制單獨進行分析，那么就是對其X軸與Y軸的運動進行分析。根據(jù)以上區(qū)域劃分，并且由貼片機的運動步驟，可以得出貼片機運動軌跡如圖 3所示。

（1）提取元件階段。X軸從原點0處出發(fā)，經(jīng)0-1 段、1-2 段到達提取元件區(qū)域，水平方向共運動65 cm，后Y軸重復該過程。由貼片機X軸Y軸設計目標可知，運動速度為2 m/s，則用時為0.65 s；到達之后Z軸垂直運作，4個貼片頭分別運動10 cm 進行提取元件操作，共運行距離為80 cm，運動速度為1 m/s，則用時為0.8 s；所以整個取料階段用時為t1=1.45 s。

（2）檢測元件階段。X軸從點2處出發(fā)，經(jīng)2-3段、3-4 段到達檢測元件區(qū)域，水平方向共運動125 cm，后Y軸重復該過程，則水平方向總用時為1.25 s；到達之后Z軸垂直運作，4個貼片頭同時下降，運動2 cm 使貼片頭到達距離檢測攝像頭3 cm處，檢驗完畢后再上升到原處，共運行距離為7 cm，運動速度為1 m/s，則用時為0.07 s；在檢測階段，圖像處理的時間為0.1 s；所以整個檢測階段用時為t2=1.348 s。

（3）貼片階段。X軸從點4處出發(fā)，經(jīng)4-5段、5-6段到達貼片工作區(qū)域的PCB板上方，X軸水平方向共運動100 cm，后Y軸重復該過程，則用時1 s；到達之后Z軸垂直運作，假設貼片僅在PCB板同一位置，則4個貼片運動所花時間與提取元件階段的Z軸運動時間相同，所用時間為0.8 s；所以在貼片階段所用時間為t3=1.8 s。

（4）回到原點階段。X軸從點6處出發(fā)，經(jīng)過6-7段、7-1段、1-0段回到取料區(qū)的2處，后Y軸重復該過程，準備下一輪的工作，X軸Y軸水平運動距離為300 cm，則用時t4=1.5 s。

由上可得，若進行直線運動，一輪貼片的總用時為：

4 貼片機協(xié)調(diào)運動控制分析

如圖4所示，X軸Y軸從原點0處出發(fā)，經(jīng)0-1段到達取料區(qū)，X軸Y軸協(xié)調(diào)運作；在XY軸協(xié)調(diào)運作的同時，Z軸也進行協(xié)調(diào)運動，如圖0-1段垂直方向下降；在Z軸接下來提取過程要求4個貼片頭協(xié)調(diào)控制。如圖1-2，2-3段，這個過程的運動步驟為：Z1軸向下移動提取元件，Z1軸拾取完元件往上移動，同時Z2軸向下移動拾取元件，Z3與Z4軸重復相同的運動步驟。X軸Y軸從點取料區(qū)處出發(fā)，X軸Y軸的水平方向檢測區(qū)協(xié)調(diào)運作。Z軸需要在此過程中將4個貼片頭同時下降，如圖中3-4段所示，4個元件同時開始進行圖像處理檢測。X軸Y軸從點2處出發(fā)，經(jīng)檢測區(qū)到達貼片工作區(qū)域的PCB板上方，此時Z軸需要在這個過程中將4個貼片頭同時上升，如圖4-5段；到達之后Z軸垂直運作，假設貼片僅在PCB板同一位置，則4個貼片運動所花時間與提取元件階段的Z軸運動時間相同，如圖5-6、6-7段所示。X軸與Y軸從貼片區(qū)域回到原點0處，準備下一輪的工作，Z軸同時上升至原處，如圖中7-0段所示。

（1）提取元件階段。由上一章節(jié)分析，可得X軸Y軸協(xié)調(diào)運作，水平方向共運動47.17 cm，總耗時0.236 s；在XY軸協(xié)調(diào)運作的同時，Z軸也進行協(xié)調(diào)運動，如圖0-1段垂直方向下降5 cm；在Z軸接下來提取過程要求4個貼片頭協(xié)調(diào)控制。如圖1-2，2-3段，這個過程的運動步驟為：Z1軸向下移動5 cm提取元件，Z1軸拾取完元件往上移動，同時Z2軸向下移動5 cm拾取元件，Z3與Z4軸重復相同的運動步驟，所以這拾取元件的幾個步驟一共耗時0.25 s；則整個提取元件階段用時為 t1=0.486 s。

（2）檢測元件階段。X軸Y軸從點取料區(qū)處出發(fā)，X軸Y軸的水平方向共運動91.79 cm；Z軸需要在此過程中將4個貼片頭同時下降2 cm，如圖中3-4段所示，在到達檢測區(qū)域前，所以此過程共用時0.459 s；由于4個元件檢測同時開始，圖像處理時間耗時t4=0.1 s；所以在檢測元件階段總用時為 t2=0.559 s。

（3）貼片階段。X軸Y軸從點2處出發(fā)，經(jīng)檢測區(qū)到達貼片工作區(qū)域的PCB板上方，X軸與Y軸水平方向共運動76.16 cm，此時Z軸需要在這個過程中將4個貼片頭同時上升2 cm，如圖4-5段，用時0.381 s；到達之后Z軸垂直運作，假設貼片僅在PCB板同一位置，則4個貼片運動所花時間與提取元件階段的Z軸運動時間相同，如圖5-6、6-7段所示，即0.25 s；所以整個貼片階段總用時為 t3=0.631 s。

（4）回到原點階段。X軸與Y軸從貼片區(qū)域回到原點0處，準備下一輪的工作，X軸Y軸水平運動距離為111.8 cm，Z軸同時從5 cm處上升至10 cm，如圖中7-0 段所示，用時t4=0.559 s。

由上可得，若進行X軸Y軸Z軸插補運動，一輪貼片的總用時為：

T2 = t1 + t2 + t3 + t4 = 2.235 s

圖4 貼片機X 軸、Y軸、Z 軸插補運動軌跡

5 傳統(tǒng)單一控制與協(xié)調(diào)控制的時間對比

根據(jù)上述得出的計算結果，將各個時間段所用時間用標注代替，如下表5-1所示。為了可以很清晰地看出全自動貼片機進行1次貼片工作，采用傳統(tǒng)單一控制運動所花的時間遠遠大協(xié)調(diào)控制運動所需要的時間，我們將用兩種辦法來直觀體現(xiàn)，第1種是使用時間軸，從感官上直接看出協(xié)調(diào)控制運動一個周期的時間遠遠小于傳統(tǒng)單一控制運動的一個軸時間。第2種是計算出在1 h中2種工作方式的效率值，用數(shù)據(jù)說明傳統(tǒng)單一控制運動的工作效率遠低于協(xié)調(diào)控制運動。

表2 參數(shù)說明

按照貼片機1 h的工作時間進行計算，若是采用傳統(tǒng)單一控制運動的方式，則1 h的貼片數(shù)量為：

采用三軸協(xié)調(diào)控制運動的方式，則1 h的貼片數(shù)量為：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出表3：

表3 貼片效率對比

根據(jù)上表可以明顯看出采用協(xié)調(diào)控制貼片機的貼片效率比傳統(tǒng)單一控制貼片機的貼片效率提高了2.73倍，貼片機的貼片效率大幅度提高。使貼片機達到高速度的要求。

6 總結

本文以全自動貼片機為背景，提出了一種三軸協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)。經(jīng)驗證，該控制方式與傳統(tǒng)控制方式相比，貼片機的工作效率提高了2.73倍，符合現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的需求。

[1] 石玗,樊丁.基于多軸運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)研究[J]，甘肅工業(yè)大學學報,2002(02): 5-8.

[2] 盧金鐸.多軸運動控制系統(tǒng)人機界面設計與控制策略的研究[D].濟南:山東大學,2006.

[3] 羅愛玲.貼片機的運動控制及貼裝優(yōu)化[D].成都:西南交通大學,2015.

[4] 項小東,白國振.基于運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)開發(fā)研究[J],機電工程技術,2010(11):20-22.

[5] 鐘智雄.基于T-S模糊模型的非線性互聯(lián)大系統(tǒng)的魯棒控制與濾波[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2015.