淺析新型大功率LED 球面成型模壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

康茂

（佛山市多譜光電科技有限公司，廣東 佛山 528200）

大功率LED 作為照明光源具有體積小、耗電小、發(fā)熱小、壽命長、響應(yīng)速度快、安全低電壓、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。為了滿足國內(nèi)封裝企業(yè)對(duì)性價(jià)高封裝工藝和球面成型機(jī)迫切需求，研制出新型大功率LED 球面成型模壓機(jī)，該模壓機(jī)采用分離膜脫模的方式進(jìn)行封裝，對(duì)模壓位置、封裝壓力、真空和溫度等要求比較高，本文研究模壓機(jī)的特點(diǎn)和主要構(gòu)成，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)方案。其中，基于MECHATROLINK 總線控制的伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和壓力閉環(huán)控制是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 模壓機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

新型大功率LED 封裝球面成型模壓機(jī)采用數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模壓壓機(jī)四軸平衡移動(dòng)、高精密球面成型模具、無頂出機(jī)構(gòu)的脫模與光學(xué)透鏡成型技術(shù)，主控系統(tǒng)采用總線控制實(shí)現(xiàn)在機(jī)械動(dòng)作中變的更切換速度、轉(zhuǎn)矩、位置控制，可自由控制和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械的動(dòng)作，采用真空合模技術(shù)，合模后抽真空、模具加熱，封裝膠在高溫、真空條件下自然脫泡，采用分離膜進(jìn)行脫模，無須頂出機(jī)構(gòu)、無須對(duì)模具進(jìn)行清模，器件光學(xué)光學(xué)鏡面潔凈度高，無清模膠溢出異味，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率及優(yōu)良率。

2 模壓機(jī)的主要組成

模壓機(jī)的主要組成：壓機(jī)主體單元、分離膜收放單元、真空單元、溫控單元、主控單元。主要介紹壓機(jī)單元、溫控單元和主控器關(guān)鍵部分。

2.1 壓機(jī)主體單元

壓機(jī)主體采用伺服電機(jī)帶動(dòng)同步輪方式實(shí)現(xiàn)模架上下運(yùn)動(dòng)。伺服單元采用安川的Σ-V 系列SGDV，MECHATROLINKII 總線通信型，通過通訊可進(jìn)行位置控制、速度控制和扭矩控制。

2.2 溫控系統(tǒng)單元

溫控系統(tǒng)采用宇電AI-7048 型溫度控制器，該控制器輸入數(shù)字校正，各輸入回路均具備數(shù)字濾波，且濾波強(qiáng)度可獨(dú)立調(diào)整；4 路獨(dú)立的加熱PID 控制，SSR 電壓輸出，先進(jìn)的AI 人工智能調(diào)節(jié)、自整定、自適應(yīng)，控制精確更穩(wěn)定，具有高速采樣周期、遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。觸摸屏直接控制溫控儀表，方便數(shù)據(jù)采集和控制。

2.3 主控制單元

為了以后方便擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)全部采用總線式控制。主控采用安川的MP2300 多功能集成型運(yùn)動(dòng)控制器，MP2300 除了具有強(qiáng)大的軸控能力外，還具有強(qiáng)大的PLC 功能，眾多的輸入輸出模塊可供選擇，其自帶的PLC 功能可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。

MP2300 控制器具有如下特點(diǎn)：

（1）MECHATROLINK-II 總線控制。MECHATROLINK 是一個(gè)用在工業(yè)自動(dòng)化的開放式通訊協(xié)定，最早由日本安川電機(jī)開發(fā)。MECHATROLINK-II 總線最快速度可達(dá)10Mbps，最多允許30 個(gè)從站。MP2300 基本模塊可以通過MECHATROLINK-II總線控制16 個(gè)伺服軸，通過同一根總線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制信息（位置、速度、力矩、IO 等）實(shí)時(shí)通信，最短通訊周期可達(dá)0.5ms，保證與各子站之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交流，快速響應(yīng)。

（2）順序&運(yùn)動(dòng)控制的完全同步處理。由于新高速化，不僅提高了CPU 的處理速度，還實(shí)現(xiàn)了順序&運(yùn)動(dòng)控制的完全同步處理。

（3）運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。通過伺服驅(qū)動(dòng)器連接用高速化運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)在機(jī)械動(dòng)作中在線變更增益；切換速度、轉(zhuǎn)矩、位置控制，可自由控制和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械的動(dòng)作。

（4）簡單設(shè)置。由于可以自動(dòng)識(shí)別連接在MP2300 上的選購模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器，因此，以往那些必須的定義輸入現(xiàn)在都不需要了。

3 模壓機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 MECHATROLINK 總線設(shè)計(jì)方案

模壓機(jī)采用運(yùn)動(dòng)控制器MP2300 作為控制器，并結(jié)合人機(jī)界面設(shè)計(jì)。伺服系統(tǒng)和IO 控制采用MECHATROLINK-II 總線控制方式，溫控采用RS485 總線控制?？刂葡到y(tǒng)如圖1 所示。

3.2 壓力閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

該模壓機(jī)關(guān)鍵核心是壓力控制，在固化過程中，要保持恒壓。合模時(shí)，壓力采用PID 閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力，檢測(cè)和控制伺服轉(zhuǎn)矩，使壓力保持恒定（圖2）。

3.3 程序設(shè)計(jì)

本機(jī)的驅(qū)動(dòng)模式采用伺服電機(jī)的位置控制與壓力控制相結(jié)合的方式，保證機(jī)臺(tái)快速響應(yīng)，伺服系統(tǒng)采用總線控制，在運(yùn)行中可切換速度、轉(zhuǎn)矩、位置控制，使控制精度更高、更穩(wěn)定。MP2300 讀取壓力值，與設(shè)定值比較，再執(zhí)行PID 控制。在此過程中，先進(jìn)行延時(shí)、轉(zhuǎn)矩限幅、尺度轉(zhuǎn)換、PID 參數(shù)等操作，控制流程如圖3。

圖1 控制系統(tǒng)圖

圖2

圖3

表1 溫度測(cè)試結(jié)果

表2 壓力測(cè)試結(jié)果

3.4 結(jié)果分析（表1、2）

實(shí)際封裝設(shè)置與檢測(cè)：

溫度設(shè)置值與測(cè)量值的偏差控制在±0.1℃，滿足性能要求。

壓力設(shè)置值與測(cè)量值的偏差控制在±0.1kN，滿足性能要求。

封裝出來的產(chǎn)品無氣泡，球面光滑，無溢膠，效果好。

圖4

本文設(shè)計(jì)了大功率封裝模壓機(jī)的控制系統(tǒng)，采用MP2300總線方式設(shè)計(jì)，接線簡單，開發(fā)周期短，設(shè)備運(yùn)行可靠穩(wěn)定，控制精度高。壓力PID 控制響應(yīng)快速穩(wěn)定。總線控制方式也適合多臺(tái)設(shè)備，一個(gè)MP2300 主控制器，可以控制多臺(tái)封裝壓機(jī)，從壓機(jī)的IO 和伺服驅(qū)動(dòng)模塊等都采用總線形式，接線簡單，集中控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，MECHATROLINK Ⅲ速度更高，可實(shí)現(xiàn)了100Mbps 的高速通信。同時(shí)，它還能滿足運(yùn)動(dòng)控制中高速周期通信以及大數(shù)據(jù)量消息通信的需求，并能精確同步地和62 個(gè)從站進(jìn)行信息交互。MECHATROLINK 總線控制方式廣泛應(yīng)用于LED 封裝壓機(jī)、食品包裝、鑄膜機(jī)等多個(gè)行業(yè)。