基于PLC的電路板尺寸檢測機控制系統設計

徐艷波，尤麗華，江建平

（江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

隨著機電產品逐漸向輕型化、多功能化的發展，其機電融合程度大大提高，印制電路板不僅是電路的載體，在機電產品中更是成為具有精確尺寸要求的部件，所以對機電產品中的印刷電路板的機械尺寸的要求也越來越高[1]。從而對電路板尺寸檢測設備的精度和速度的要求也越來越高。為了滿足不斷提升的市場需求，急需研制一臺能夠快速、高精度、自動化的電路板檢測設備。

1 檢測機的結構組成

檢測機檢測的尺寸包括電路板輪廓尺寸、孔徑、孔距、孔與邊的距離以及通槽尺寸等。技術要求有：檢測速度：2s/塊；檢測精度：±0.075 mm；電路板厚度范圍：0.3～2.7 mm；檢測電路板尺寸范圍：50 mm×50 mm－300 mm×250 mm。

電路板機械尺寸檢測機的基本組成如圖1所示，檢測機由機械系統、自動控制系統、圖像檢測系統等組成。機械系統由以下幾部分組成：用于存放待測電路板的料庫機構；用于將待測電路板抓取到檢測工位的上料機械手；用于構成圖像檢測系統的精密位移掃描機構；用于對電路板進行分揀的下料機械手；用于存放檢測完畢的電路板收料庫。控制系統是采用基于PLC的伺服運動控制檢測機的方案。圖像檢測系統由精密機械掃描位移控制系統、照明系統、圖像采集系統、工業控制計算機和系統應用軟件等組成[2]。

圖1 檢測機的結構組成Fig.1 Structure diagram of the dimension testing machine

2 控制系統硬件設計

根據檢測機技術要求以及檢測機要完成的功能，設計出如圖2所示的控制系統硬件結構圖[3]。

圖2 控制系統硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of control system

從上圖可知，1#PLC本身集成的高速脈沖輸出口控制料庫伺服電機，擴展的三個EM253位控模塊控制上料機械手和檢測工位伺服電機。2#PLC本身集成的高速脈沖輸出口控制收料庫伺服，擴展的位控模塊EM253控制下料機械手。兩個PLC之間通過PPI協議進行通訊。工控機將檢測合格與否信號發送給2#PLC，2#PLC控制下料機械手對電路板進行分揀，工控機與PLC之間通過自由口進行通訊。

2.1 硬件選型

檢測機控制系統主要硬件配置清單如表1所示[4]。

表1 硬件配置清單Tab.1 Hardware configuration list

2.2 PLC控制回路設計

圖3 PLC控制回路原理圖Fig.3 PLCcontrol diagram

以1#PLC為例，它的控制回路如圖3所示[4]。CPU224 XP有兩個高速脈沖輸出口，分別為Q0.0、Q0.1。用Q0.0作為高速脈沖輸出口，發送高速脈沖給伺服驅動器內部，脈沖的頻率決定伺服電機的速度，脈沖的個數決定單軸機器人的行程。用Q0.1作為方向控制信號，Q0.2為伺服使能信號，只有當Q0.2有輸出時伺服電機才有可能啟動。Q0.4和Q0.5控制上料真空吸盤，Q0.4控制真空吸附，Q0.5控制真空吹氣。

2.3 伺服系統控制回路設計

伺服系統控制回路如圖4所示[5]。圖中單相電源引出后，通過電機斷路器（FS2）進行短路或過載保護，然后連接交流接觸器（KM2），接觸器出來進入伺服驅動器的主電路L1、L2為驅動器供電，伺服驅動器控制電路（L1C、L2C）先于主電路（L1、L2）接通，以便于完成一些初始化任務。

本系統中，伺服電機采用位置控制模式。伺服驅動器接受EM253發出的脈沖和方向信號控制伺服電機。EM253P0口向伺服驅動器發送一定頻率的脈沖信號，通過發送脈沖頻率的大小來實現伺服電機的速度控制，通過改變發送的脈沖個數來實現運動位置的控制。EM253P1口是方向控制信號，DIS端口發送伺服使能信號，CLR端口發送清零信號。定位模塊EM253與S7-200通過擴展電纜連接，進行數據通信。伺服驅動器中的CN7口專用于連接光電編碼器，為編碼器提供+5 V電源且將編碼器旋轉產生的A相、B相和相脈沖信號反饋回來，完成伺服驅動單元的半閉環位置控制[6]。

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件包括PLC程序、PLC與工控機通信程序以及觸摸屏界面等。檢測機的動作流程如圖5所示。系統上電后，當接收到自動循環信號時，系統就開始執行檢測功能。首先對電路板進行上料，將電路板放置在定位掃描裝置上，當開始檢測傳感器檢測到電路板時，就會觸發線陣相機進行拍照，線陣相機的曝光頻率由定位掃描機構的伺服驅動器內部的虛擬編碼器脈沖頻率控制。當檢測結束時，工控機將檢測合格與否的信號發送給PLC，PLC根據檢測結果對電路板進行分揀歸類，收料庫進行收板。整個檢測過程結束，如此循環往復。

4 實驗結果

文中主要設計了電路板機械尺寸檢測機控制系統，該系統能夠使得檢測人員方便有效地對電路板進行檢測，采用了觸摸屏作為人機界面。如圖6、圖7所示。

圖4 伺服系統控制原理圖Fig.4 Servo system control schematic diagram

圖5 控制流程圖Fig.5 Control flow chart

圖6 控制箱Fig.6 Controlling instrument

圖7 人機界面Fig.7 Human-computer interface

5 結 論

文中所設計的控制系統，可靠性高，抗干擾能力強。試驗表明，完全達到了電路板的檢測要求，大大提高了檢測速度和精度，減小了作業強度。

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