PCB 電路板質量自動檢測裝置設計

劉鵬祥 ，孫立環

（東北大學秦皇島分校，秦皇島，066004）

0 引言

PCB 電路板質量自動檢測裝置的設計， 關鍵在于二維工作臺各部件的選擇和設計， 包括步進電機、導軌副、滾珠絲桿副和聯軸器。采用步進電機的開環伺服系統驅動結構 簡單、適應性強、加工精度高和工作質量穩 定，PCB 電路板自動監測裝置的設計對于提 高勞動生產率和產品質量，節約經濟成本有 重要意義。

1 二維工作臺系統總體設計

二維工作臺可以實現X和Y兩個方向的運動，通過兩個方向運動的合成可以實現任 意平面軌跡。本文設計的X-Y二維工作臺為開環伺服系統.通過步進電機的驅動，經傳 動機構帶動工作臺運動。工作臺主要參數如下：（1）PCB電路板尺寸 300mmX300mm；（2）工作臺移動速度 2mm/s-50mm/s；（3）加速度2s 達到額定速度；（4）定位精度 0.01mm。

X-Y 工作臺系統總體框圖如圖 1 所示：

圖 1 X-Y 二維工作臺系統總體框圖Fig.1 Overall Block Diagram of The 2D Worktable

圖 2 二維作臺結構模型Fig.2 Model of The 2D Worktable Structure

2 二維工作臺機械結構設計

首先根據PCB電路板基本尺寸，初步估 計載荷重量，選取導軌副。然后進行受力分 析，根據最大動載荷選擇滾珠絲桿副。接著根據負載和轉矩選擇步進電機的型號。最后根據設計的 X-Y 工作臺，畫出如圖2所示的結構圖。

2.1 導軌副的選擇

根據給定的工作載荷FZ和估算的X向和Y向重量GX和GY，計算導軌靜安全系數 fSL=CO/P，式中CO為導軌的基本靜額定載荷； 工作載荷P=0.5（FZ+W）；fSL=1.0-3.0（一般 運行狀況）根據計算工作狀況取fSL=3.0。

初步選擇絲杠材質為CrWMn鋼，HRC為58-60，導程 Ph=5mm。滾珠絲桿軸向力：Fmax=KFX,Y+f（FZ+WX,Y）其中 K=1.15，摩擦系數f=0.003-0.005 ； FX= （ 0.1-0.6 ） FZ，FY=(0.15-0.7)FZ。 取f=0.004，FX=0.5FZ，FY=0.6FZ。壽命系數其中滾珠絲桿轉速T=1500h。最大動載荷式中fH為載荷系數，HRC≥ 58 時為 1.0，fw為載荷系數，中等沖擊時為 1.2-1.5，取 fw=1.2。所以，根據最大動載荷選擇滾珠絲桿為濟寧絲杠廠型號為 2505-2。

2.2 滾珠絲杠副的選擇

根據計算的額定靜載荷初選導軌：其型號為GGC9BAK。

共發放調查問卷1 200份，回收有效問卷1 077份，有效回收率89.75%。977名醫學生中，男403例，女574例，其中18歲以下者占2.97%，18～25歲者占比96.93%，2017級227例（23.23%），2016級275例（28.15%），2015級263例（26.92%），2014級212例（21.7%）；參與過醫患溝通課程者93例（2014級麻醉專業46例、2014級臨床專業47例），未參加過者884例，及100名非醫學生。

2.3 步進電機的選擇

連通域指的是圖像被二值化之后的若干像素的集合，假設前景像素為1，背景像素為0的前提下，連通域具有以下兩個屬性：一是只有前景像素的集合，二是在同一個連通域中的兩個像素間總能找到一條路徑由這個集合中的像素組成，也就是說像素之間兩兩互通。連通域算法在數字圖像處理中進行目標跟蹤、目標識別、多目標分割等方面都有應用，在這里進行顆粒狀農產品的分選也可以采用連通域算法，先將灰度圖像采用閾值分割得到二值圖像，這個二值圖像中包含了對圖像分割后的多個連通域，然后采用連通域算法給出其屬性，進而對圖像中的目標進行識別、跟蹤以及判斷[7]。在這里采用種子填充法實現。

2.3.2 快速空載啟動時步進電機轉軸上的等效負載轉矩 Teq1

3.3.3 最大工作負載狀態下電機轉軸承受的負載轉矩Teq2

組分中藥是指由有效組分配伍而成的現代中藥，是創新中藥研究的一種途徑，其特點是“兩個相對清楚”，即物質基礎相對清楚及其作用機制相對清楚；組分中藥具有滿足現代藥物質量可控要求，安全性、有效性證據較充分的特征，既保持了中藥方劑的優勢，又提高了中藥制劑的質控水平[1-4]。本課題組對益元康方按照組分中藥的研究思路開展基礎研究，就該方組成藥材之一淫羊藿中主要有效成分黃酮類成分進行提取、分離、純化，得到淫羊藿總黃酮提取物。本研究中，本課題組采用高效液相色譜法（HPLC）建立了淫羊藿總黃酮提取物的指紋圖譜，并對其中8種成分的含量進行了測定，旨在為有效控制其質量提供參考。

考慮到步進電機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據Teq來選擇步進電機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取 K=4,則最大靜轉矩滿足：

2.3.4 步進電機最大靜轉矩

綜上選擇步進電機型號為 90BYG550A。

深部綜掘巷道超前支護機組是由一系列的超前支架組成，如圖1所示。機組在工作時沿巷道掘進方向排開，掘進機在機組下方工作，機組提供一段超前支護區域，同時兩幫可以在超前支護時安裝錨桿。

(1)最快工作速度時，電機輸出轉矩校 核。工作臺最快工作速度Vax=30000mm/min， 脈沖當量 =0.01mm/脈沖，由此求出電機對應的運行頻率，從圖 3電機運行矩頻特性曲線可以看出在此頻率下，電機的輸出轉矩 ，遠遠大于負載轉矩 q。

式中，Jq為折算到電機軸上的慣性負載；J0為步進電機的轉動慣量；J1為齒輪1的轉動慣量；J2為齒輪2的轉動慣量；J3為滾珠絲桿的轉動慣量；M為移動部件質量。對于圓柱形零件可以按下式計算：J=0.78x103xDxL，其中D為零件直徑，L為圓柱形零件長度。

2.3.5 步進電機性能校核

圖 4 90BYG550A 電動機的運行矩頻特性曲線 Fig.3 The Torque-Frequency Characteristic Curve of The Motor

竹韻有些犯難了，自己跟海力不過是普通主雇關系，上班拿了工資獎金，豈能再收他如此貴重的禮物？從馬麗亞眼里的敵視來看，她已經隱隱感覺出了些什么。但是，不收又如何拒絕呢？何不暫時把電腦收下，今后努力工作來回報公司，或者今后用工資付帳也行，其實她也早就想給龍斌買臺電腦了。想到這里，她伸手接過電腦，臉上也露出了笑容。

（2）最快空載移動是電機運行頻率校核。工作臺最快工作速度Vax=30000mm/min，參考機械設計手冊可知，步進電機90BYG550A 的空載運行頻率可達30KHz，可見沒有超出上限。（3）啟動頻率校核。已知電機轉軸上的總轉動慣量電機轉軸空載啟動頻率 f=3000Hz，所以步進電機克服慣性負載的啟動頻 率：。

3 誤差分析

（1）滾珠絲桿副因為兩端固定，中間 重力作用會彎曲，導致摩擦力增大，產生定 位誤差。補償辦法：施加預緊力，消除軸向 間隙，提高滾珠絲杠剛度。

（2）導軌副表面粗糙度不同，影響定 位精度，所加載荷大小不同，也影響導軌直 線度。補償方法：導軌采用滾珠導軌，加潤 滑油，減小摩擦。

四是到2015年，種植業和水產業使用的非傳統水資源的安全利用量（包括處理過的污水和咸水）在基準年2005—2007年的基礎上增加25%，同時，使按照世界衛生組織和聯合國糧農組織及聯合國環境規劃署制定的污水處理利用大綱來指導污水利用的國家數量保持同步增長，這些國家過去利用沒有達標的污水開展種植業和養殖業。

（3）機械傳動結構中的摩擦是伺服系統誤差的主要因素之一，摩擦影響機床運動 精度并在低速運行時表現出很強的非線性， 即爬行現象。補償方法：根據產生誤差的位 置和時刻，增加額外的指令脈沖抵消爬行。

圖 5 二維工作臺實物模型Fig.4 The Physical Model of The 2D Worktable

4 總結

二維工作臺以步進電機為驅動，通過機械機構的傳動，構成開環控制伺服系統。本 設計利用二維工作臺沿 X 向和 Y 向的移動， 通過電子顯微鏡記錄 PCB 電路板的長和寬， 得出電路板的質量。系統的定位精度可達0.01mm，測量范圍 300mm以內，動態響應快。結構設計簡單，工作效率高，特別適用于企業自動化生產。

[1]裘祖榮.精密機械設計基礎.北京：機械工業出版社，2009

[2]聞邦椿.機械設計手冊.北京：機械工業出版社，2010

[3]＜日＞坂本正文著，王自強譯.步進電機技術.北 京：科學出版社，2010.1

[4]張建民，唐水源.機電一體化系統設計[M].北京： 高等教育出版社，2005

[5]陳立德主編.機械制造裝備課程設計.北京：高 等教育出版社，2012.8

[6]樊軍慶主編.數控技術.北京：機械工業出版社，2012

[7]王靜、朱賢華主編.機械原理課程設計.武漢： 華中科技大學出版社，2013.3

[8] 李斌，李曦主編.數控技術.武漢：華中科技大 學出版社，2010.4

[9] 賈振元，王福吉主編. 機械制造技術基礎.北 京：科學出版社，2011.2

[10] 湯蘊璆編著.電機學.北京：機械工業出版社，2011.7