基于六軸機器人的PCB智能插裝站控制系統(tǒng)的研究

（機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

自20世紀50年代中期起，電路印刷板（PCB）已逐漸成為“電子產(chǎn)品之母”，其應(yīng)用幾乎滲透電子產(chǎn)業(yè)的各個終端領(lǐng)域，包括計算機、通信、消費電子、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、國防軍工、航天航空等等。未來隨著新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，智能手機、汽車電子、LED、IPTV、數(shù)字電視等新興電子產(chǎn)品不斷升級換代，PCB生產(chǎn)將在這種變革中起到至關(guān)重要的作用。而目前PCB生產(chǎn)的后道工藝中，異形件的插裝基本依靠人力手工作業(yè)，極大制約了生產(chǎn)效率的提高和不良率的降低，本文以智能家電主控PCB板異形件插裝工作站控制系統(tǒng)為研究目標，引入工業(yè)6軸機器人、精密視覺檢測技術(shù)、PLC控制技術(shù)、人機交互和上位機數(shù)據(jù)庫，形成一套柔性化智能自動插裝站的完整控制系統(tǒng)，結(jié)合工藝設(shè)備實現(xiàn)了PCB板異形件的全自動高效智能插裝。

1 PCB智能插裝站的設(shè)備組成

PCB智能插裝站以2臺機器人及周邊設(shè)備為一組，主要由6軸機器人本體、抓手單元、喂料單元、管腳整形單元、軌道輸送單元、控制系統(tǒng)硬件單元組成。以六軸機器人為核心，具備自動喂料、視覺識別、元件抓取、定位補償、元件插裝、PCB板自動輸送等功能。這種插裝站靈活方便，可根據(jù)用戶實際插裝工藝需求，單獨使用或多個組成插裝生產(chǎn)線，機械和電控硬件連接部分設(shè)計為標準接口。同時，PCB板型、插裝電子元件種類和順序均可按照用戶生產(chǎn)需求和任務(wù)的下達，通過網(wǎng)絡(luò)交互或人工手動方式在工作站上位機數(shù)據(jù)庫中設(shè)定后投入使用。智能空調(diào)內(nèi)機PCB主控板如圖1所示，PCB智能插裝站設(shè)備組成示意如圖2所示，其中2個插裝站已連接為小型插裝產(chǎn)線。

圖1 智能空調(diào)內(nèi)機PCB主控板

圖2 PCB智能插裝站組成示意圖（2個站）

2 PCB智能插裝站的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)硬件配置及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

PCB智能插裝站控制系統(tǒng)的硬件配置：三菱MELSEC-Q系列高性能CPU作為主控單元，F(xiàn)x3U系列小型CPU作為周邊設(shè)備輔助控制單元，2臺機器人控制器、4臺視覺相機、2臺上位工控機、1臺顯示器、1臺觸摸屏及一臺以太網(wǎng)交換機，并預(yù)留與車間MES系統(tǒng)的硬件接口。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)整體基于以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，主控CPU、機器人、上位機、HMI均通過以太網(wǎng)交換機進行高速數(shù)據(jù)通訊；視覺相機直接通過以太網(wǎng)卡連接至上位機。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖3所示。

2.2 主控PLC系統(tǒng)

主控PLC系統(tǒng)的核心是主控CPU，它是整個系統(tǒng)的大腦，是主邏輯的運行載體。本系統(tǒng)中它的協(xié)調(diào)控制功能主要體現(xiàn)在，通過以太網(wǎng)的高速數(shù)據(jù)交換，控制帶特定夾具的插件機器人、視覺系統(tǒng)、輔助上料設(shè)備、軌道及其他機構(gòu)實現(xiàn)完整自動流程，并與信息系統(tǒng)交換生產(chǎn)信息。

其中，針對設(shè)備的控制分為兩類，輸送軌道貫穿各個工作工位，每個工位均設(shè)的輔助定位裝置和升降機構(gòu)以及其他相對簡單的周邊設(shè)備與主邏輯動作密切相關(guān)，所以直接由主控CPU處理；而周邊相對比較復(fù)雜、獨立性強的自動上料機等裝備采用小型CPU單獨控制，與主CPU只做IO點交互即可，硬件固化為標準航插，整機即插即用，方便靈活的同時又減輕了主控CPU的工作負荷，提高了運行效率。

根據(jù)PCB智能插裝站的工藝設(shè)計要求，每臺機器人插裝4種不同工件的時間節(jié)拍為9s，插裝精度為0.1mm（圓形誤差空間），所以主控CPU的處理速度必須要快，網(wǎng)絡(luò)通訊時間必須要短，存儲區(qū)容量則必須要大。三菱MELSEC-Q系列CPU基本分為三類，本控制系統(tǒng)主CPU選用了其中內(nèi)置以太網(wǎng)口，高速處理、高精度運算和系統(tǒng)擴展性強的“高性能型”處理器QnUDE；而自動上料機屬于常規(guī)小型設(shè)備的控制，選用了集成IO點一體的Fx3U小型處理器。

控制程序在GX Works2編程軟件中采用梯形圖方式編寫，按照一個主程序嵌套調(diào)用若干子程序的思路，以PCB從軌道線上板到插裝完畢下板為主線，將輔助設(shè)備或機構(gòu)的控制獨立編寫為不同的設(shè)備子程序塊，將與上位機通訊、數(shù)據(jù)存儲與計算、與機器人交互、故障處理等獨立編寫為功能子程序塊，在主程序中按照邏輯需求進行調(diào)用。軟件系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

2.3 機器人控制系統(tǒng)

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖4 軟件系統(tǒng)方框圖

目前，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流及未來的發(fā)展方向，這種應(yīng)用在保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的同時避免了大量的工傷事故。本文的PCB智能插裝站中，選用了三菱MELFA，垂直多關(guān)節(jié)型RV-F系列6軸機器人來替代人工為PCB板插裝異形電子元件。機器人控制系統(tǒng)硬件包含2臺6軸機器人本體，2臺緊湊型控制器及1臺觸摸屏；軟件系統(tǒng)包括用MELFA BASIC V語言在RT ToolBox2軟件中開發(fā)的機器人自動控制程序及在三菱高端工業(yè)觸摸屏GT2310中開發(fā)的機器人手自動控制及報警、故障處理的HMI界面，如圖5所示。

此次機器人軟件系統(tǒng)的開發(fā)突破了對于常規(guī)使用示教器進行編程和操作的依賴和局限性，采用RT ToolBox2軟件進行了插裝全過程的離線仿真，并于后期使用在線模式進行編程調(diào)試。單臺機器人插裝流程仿真如圖6所示。

圖5 機器人操作界面

圖6 單臺機器人插裝仿真

2.4 機器視覺系統(tǒng)

所謂機器視覺就是通過軟硬件的組合。賦予機器類似于人類視覺的功能。它以視覺處理理論為中心，是圖像處理、模式識別、計算機技術(shù)和生理心理學(xué)為基礎(chǔ)的信息處理科學(xué)中的一個重要分支。本視覺系統(tǒng)包含了硬件和軟件兩個部分，其中硬件系統(tǒng)組成為2組工業(yè)相機、鏡頭、光源、采集卡和計算機。軟件系統(tǒng)包含了圖像處理分析、特征提取、模式識別等視覺檢測功能，同時開發(fā)了與機器人和主控PLC基于以太網(wǎng)的通訊功能。其中，視覺檢測功能又分為兩個部分，即PCB板的識別和電子元件管腳的識別；安裝在機器人第六軸的頂部相機是用來識別PCB板的準確位置，安裝在軌道平臺的底部相機是用來識別電子元件管腳的位置，通過圖像處理分析技術(shù)和相應(yīng)數(shù)據(jù)計算得出所拍照PCB板、電子元件的實際坐標與基準坐標的偏差量，機器人接收這些數(shù)據(jù)后換算為自身坐標系中電子元件管腳在PCB板上的實際插裝位置，從而將其精確地插入PCB板。

作為檢測中最重要的電子元件管腳輪廓和姿態(tài)識別，本系統(tǒng)采用了底部打光，而為了防止真空吸附或夾爪夾取后電子元件意外位姿改變而造成的圖像處理偏差，采用了德國Basler相機和日本VST的百萬像素鏡頭，為了保證精度，相機采用元件到位直接觸發(fā)方式。單個電子元件的視覺糾偏流程如圖7所示。

圖7 視覺糾偏流程

2.5 插裝站數(shù)據(jù)庫

PCB智能插裝站的上位機數(shù)據(jù)庫主要是根據(jù)用戶靈活排產(chǎn)的需要，設(shè)立PCB類型庫及需要插裝的電子元器件類型庫，兩個庫數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，調(diào)出一種PCB板型，與該板型相關(guān)的編碼信息、尺寸數(shù)據(jù)、需要插裝電子元件的數(shù)量、種類及其在PCB板上的標準插裝位置、對應(yīng)相機的標定參數(shù)等數(shù)據(jù)即會自動加載，更新數(shù)據(jù)庫軟件界面（如圖8所示）的同時將其加載至PLC、機器人及相機中。實際生產(chǎn)中，一旦更換生產(chǎn)板型，只需在軟件界面中從PCB類型庫中選擇并加載相應(yīng)的PCB板，再結(jié)合機械工裝手抓的調(diào)整，即可在很短的時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)產(chǎn)，實現(xiàn)插裝生產(chǎn)的智能化和兼容多種板型的柔性化。并且，生產(chǎn)任務(wù)的下達也可以通過上級生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，這里預(yù)留了與MES的接口。

圖8 數(shù)據(jù)庫軟件界面

3 結(jié)論

本控制系統(tǒng)投入實際運行以來，穩(wěn)定可靠，設(shè)備工作狀況良好，使用及維護簡潔方便，各項性能指標均達到了研究目標，受到了用戶的好評。PCB智能插裝站目前已大量應(yīng)用于智能空調(diào)內(nèi)外機主控板的生產(chǎn)，將異型元件插件效率提升了31%，插件反向、插錯、漏插等品質(zhì)不良下降了50%，同時解決了異形元件上料難，頻繁換料等問題，從很大程度上突破了制約PCB板生產(chǎn)自動化程度提高的瓶頸。未來，隨著插裝站適應(yīng)能力的提高，還可延伸到更多PCB板生產(chǎn)自動化的領(lǐng)域。

[1]戎罡.三菱電機中大型可編程序控制器應(yīng)用指南[M].機械工業(yè)出版社,2011.

[2]崔成龍.三菱電機小型可編程序控制器應(yīng)用指南[M].機械工業(yè)出版社,2012.

[3]肖南峰,等.工業(yè)機器人[M].機械工業(yè)出版社,2011.

[4]Carsten Steger,Markus Ulrich.機器視覺算法與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2008.

[5]Milan Sonka,Vaclav Hlavac,Roger Boyle.圖像處理分析與機器視覺[M].清華大學(xué)出版社,2011.