貼片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫 劍，謝寶智

（1.海沃機(jī)械（中國）有限公司，江蘇揚(yáng)州 225006；2.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

貼片機(jī)（SMT）生產(chǎn)線主要設(shè)備包括印刷機(jī)、貼片機(jī)和回焊爐，輔助設(shè)備包括檢測設(shè)備、返修設(shè)備、清洗設(shè)備、干燥設(shè)備和物料存儲設(shè)備等。其中，貼片機(jī)完成的是SMT生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵工序，它通過貼片頭吸取-位移-定位-放置等幾個(gè)動(dòng)作，把所需元件快速準(zhǔn)確地貼到PCB板上涂有錫膏的相應(yīng)位置[1-2]。貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的方法有很多，其中基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)難度小、穩(wěn)定性和拓展性好，易于熟悉和掌握，硬件功能組態(tài)方便，使用靈活，技術(shù)成熟，可靠性高[3-4]。

本文在分析某中低速貼片機(jī)控制要求的基礎(chǔ)上，提出基于PLC的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)思路，并就其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。

1 控制系統(tǒng)分析

貼片機(jī)控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與開關(guān)量控制系統(tǒng)兩部分。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有PCB板、貼片頭控制與供料控制3部分。具體為PCB板的移動(dòng)X1方向、貼片頭的X2-Y-Z-T方向、卷料與撕料電機(jī)控制，共7個(gè)動(dòng)作[5]。開關(guān)量控制有電磁閥與指示燈控制。如圖1所示，PCB板與貼片頭5個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制是貼片機(jī)控制的核心部分，也是控制設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖1 貼片機(jī)各軸運(yùn)動(dòng)示意圖

貼片機(jī)的工作流程包括吸片、移動(dòng)、檢測、定位、貼裝等。如圖2所示，整個(gè)貼片過程在PLC控制下是順序自動(dòng)執(zhí)行。首先，貼片頭通過X2軸和Y軸的移動(dòng)，到達(dá)供料器的相應(yīng)料口，Z軸方向移動(dòng)接觸到元件后真空電磁閥得電，貼片頭處形成負(fù)氣壓將元件吸牢。然后，經(jīng)傳感器檢測吸附成功后，T軸完成旋轉(zhuǎn)，經(jīng)Y軸和X1軸移動(dòng)到PCB板上預(yù)定的焊接位置。最后，Z軸方向移動(dòng)接觸到PCB板后，真空電磁閥失電，貼片頭由負(fù)氣壓變?yōu)榱銡鈮?，元件脫離貼片頭在PCB板上，從而完成了一個(gè)完整的貼片過程。接著，判斷是否所有貼片都已經(jīng)完成，沒有完成則貼片頭移動(dòng)到供料器拾取下一個(gè)元件，再重復(fù)進(jìn)行上述的貼片過程；如此循環(huán)直到整個(gè)PCB板所有元件都貼片完成，貼片頭和PCB板都回到零位，等待下一個(gè)PCB板的貼片指令[6-7]。

圖2 貼片機(jī)工作流程

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的7個(gè)動(dòng)作，都是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，各軸的硬件設(shè)計(jì)及控制方法基本相同。圖3所示為貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件框圖（以Y軸為例），由上位PC機(jī)、控制面板、PLC、Y軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、Y軸步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)。其他軸的控制結(jié)構(gòu)及控制方法也與之相同，只是電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有所不同。

圖3 貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

上位機(jī)是裝有應(yīng)用軟件的計(jì)算機(jī)，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、參數(shù)設(shè)定。PLC根據(jù)上位PC機(jī)或控制面板發(fā)出的控制命令，運(yùn)行內(nèi)部程序輸出數(shù)字脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。驅(qū)動(dòng)器的功能是進(jìn)行功率變換，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反、轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。貼片機(jī)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由執(zhí)行電機(jī)、傳送機(jī)構(gòu)以及貼片裝置等組成，屬于最終的被控對象。常用的執(zhí)行電動(dòng)機(jī)一般有步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字式交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)，本貼片機(jī)系統(tǒng)是中低精度要求，因此采用的是步進(jìn)電機(jī)。

3 控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

（1）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需要控制的負(fù)載種類與數(shù)量，選用無錫信捷科技有限公司XCM-60T-E運(yùn)動(dòng)控制型PLC，此PLC輸入36點(diǎn)/輸出24點(diǎn)，晶體管輸出，最多可支持10軸脈沖輸出，支持MODBUS通訊[8]。上位的工業(yè)計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是貼片機(jī)控制系統(tǒng)的核心，通過7個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別控制7個(gè)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；此外還控制兩個(gè)電磁閥與多個(gè)指示燈開關(guān)量。

（2）軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件包括PLC程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。PLC程序編寫與調(diào)試采用信捷XCP Pro編程軟件和梯形圖語言。根據(jù)控制原理，設(shè)計(jì)的PLC程序共分4個(gè)部分：初始化及各軸回零、各軸點(diǎn)動(dòng)與長動(dòng)、參數(shù)保存、自動(dòng)循環(huán)貼片。在上位機(jī)參數(shù)設(shè)定結(jié)束后，貼片機(jī)可脫離上位機(jī)在操作面板控制下，由工人發(fā)出具體的控制命令經(jīng)由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立完成自動(dòng)貼片。上位機(jī)應(yīng)用程序采用.NET框架設(shè)計(jì)，包括程序界面、系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)定和操作控制等功能模塊。通過開發(fā)的用戶程序界面可實(shí)現(xiàn)貼片機(jī)各參數(shù)的輸入和修改，顯示貼片過程中出現(xiàn)的異常?；贛ODBUS通訊協(xié)議，上位機(jī)可以讀寫PLC控制程序或?qū)崟r(shí)監(jiān)控PLC的執(zhí)行過程[9]。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

（1）各軸回零控制

貼片機(jī)的貼片動(dòng)作速度快、頻率高，如果不能精確回零，一定時(shí)間后因誤差的積累，將會(huì)大幅降低貼片的精度。因此，每個(gè)動(dòng)作都必須設(shè)置零位，在啟動(dòng)機(jī)器和每個(gè)動(dòng)作的結(jié)束都要實(shí)現(xiàn)精確回零。一般選擇非接觸式的光電傳感器作為回零傳感器，如透光型光電開關(guān)。這類傳感器的體積小、靈敏度高；只接受紅外光，不會(huì)受外界其他光線信號的干擾而導(dǎo)致回零失敗或不精確回零[10]。此外，各軸回零還要考慮開機(jī)時(shí)各軸在零點(diǎn)的特殊情況，以免不能正確將累計(jì)脈沖寄存器清零，由于零點(diǎn)的不統(tǒng)一造成精度降低，甚至發(fā)生碰撞等嚴(yán)重的意外事故。

（2）步進(jìn)電機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)具有不要反饋就能對位置和速度進(jìn)行控制、位置誤差不累積、快速啟停和保持制動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。但是在具體設(shè)置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要兼顧高速性、平穩(wěn)性、發(fā)熱和噪音等指標(biāo)，選擇合適的電壓與電流；細(xì)分?jǐn)?shù)的選擇以避開電機(jī)的共振頻率；脈沖指令中起動(dòng)頻率設(shè)定不能超過牽入轉(zhuǎn)矩曲線，以免失步；設(shè)定好加減速時(shí)間，以免過沖。

（3）供料控制

貼片機(jī)的供料由撥料電機(jī)與卷料電機(jī)配合實(shí)現(xiàn)。撥料電機(jī)通過凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下壓-前移-上抬-后退動(dòng)作；卷料電機(jī)通過連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)卷繞料帶的薄膜，由于在卷動(dòng)過程中直徑在不斷變化，需要在一定的時(shí)候打滑上抬空轉(zhuǎn)，否則會(huì)拉斷薄膜或誤撥料。在設(shè)計(jì)時(shí)撥料電機(jī)的脈沖數(shù)需要多次調(diào)試，才能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)4個(gè)動(dòng)作。卷料電機(jī)的工作頻率的選擇要使得力矩小于卷好料帶后的阻力矩，實(shí)現(xiàn)上抬空轉(zhuǎn)；脈沖數(shù)要根據(jù)直徑最小時(shí)需要轉(zhuǎn)過的角度來換算得到。只有這樣，兩個(gè)電機(jī)才能準(zhǔn)確協(xié)調(diào)地實(shí)現(xiàn)供料動(dòng)作。

（4）貼片速度與精度的提高

為提高貼片的速度，貼片機(jī)7個(gè)軸都需要在不失步與不過沖的前提下，采用最大的啟動(dòng)頻率、最高的工作頻率和最小的加減速時(shí)間。各個(gè)軸的負(fù)載不一樣，步進(jìn)電機(jī)不完全相同，所以需要逐一調(diào)試確定。此外，還需要進(jìn)行貼片過程的優(yōu)化，解決好速度與精度的矛盾。

5 結(jié)束語

目前我國貼片機(jī)的保有量已位居世界前列，但是由于沒有掌握貼片機(jī)的核心技術(shù)，幾乎全部來自進(jìn)口。研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性價(jià)比的貼片機(jī)，可以節(jié)約大量外匯、打破國外的技術(shù)壟斷、推動(dòng)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于PLC和步進(jìn)電機(jī)的中低速貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，樣機(jī)測試表明能夠達(dá)到貼片要求的預(yù)期精度和速度。