全自動高速分離及沖模系統設計

李 君

(東莞理工學院 計算機學院,廣東 東莞 523808)

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全自動高速分離及沖模系統設計

李 君

(東莞理工學院 計算機學院,廣東 東莞 523808)

設計了一種全自動高速分離及沖模系統，系統集成型、分離、自動放料和排管設計于一體。分析了多個模塊設計的關鍵技術環節。該系統基于DSP控制，設計了基于DSP控制CCD圖像采集及多個模塊，介紹了CMOS傳感器與DSP接口、觸摸屏、PC與DSP通信的實現以及基于可編程控制器控制模塊的設計等。結果表明,本系統具有速度高、可靠性高、無故障時間長、誤差小、操作方便等優點。

分離及沖模； 觸摸屏； DSP； PLC

0 引 言

目前,國內芯片封裝企業的生產設備主要是采用國外上世紀末的產品，而生產設備的性能指標決定了IC的生產速度及產品質量等指標。國內芯片封裝企業采用的這些設備主要是液動沖壓機，其成型與分離速度慢，工作噪聲大，生產精度也不高。筆者研制了一套全自動高速分離及沖模系統，該系統是集成電路生產的重要環節，系統集成型、分離、自動放料和成品自動排管設計于一體，具有很高的自動化水平和生產效率，并且具有友好的人機界面、操作方便、人性化設計等特點。系統采用PLC控制伺服電機驅動凸輪帶動沖頭與傳送料片機構同步沖壓機臺的方法，保證了進料、收料、料匣、模具及抓手協調運行，替代傳統的液壓驅動。使機臺成型與分離速度達到140次/min，平均無故障時間大于336 h，誤差小0.007 mm。通過相關傳感器及軟件控制可以判斷進料料盤、進料料架、收料料盤、收料架、抓手、模具的位置與狀態，實現全自動放料和收料設計，使生產自動化水平和產品生產效率大大提高。

1 系統結構

全自動高速分離及沖模系統結構如圖1所示。系統由主工作臺、光學對準系統工作臺、CCD、DSP、觸摸屏、PC、可編程控制器及伺服系統組成。CCD是一種半導體成像器件，通過CCD攝像機，IC圖像經過鏡頭聚焦至CCD芯片上，把光信號轉換成電荷信號。根據光線的強弱，CCD積累相應比例的電荷，經外部采樣放大及模數轉換電路轉換成數字圖像信號[1-4]。通過DSP TMS320DM642將所轉換的數字圖像與預先輸入的模板圖像進行相應匹配，并將匹配結果傳送到主控計算機。PLC根據計算機的處理結果控制伺服電機驅動凸輪帶動沖頭與傳送料片機構同步沖壓機臺，可實現對IC的分離及沖模。通過由CCD、DSP、計算機組成的裝置辨識IC的方向性、引腳數、外型特征，并且提供多種模具可供選擇，提高了產品的合格和優秀率。

圖1 全自動高速分離及沖模系統結構圖

進料與收料有上下前后運動與旋轉功能，模具(包括成型模具、切隔模具和分離模具)具有上下功能，可以根據料片產品編號更換不同的模具。通過相關傳感器及軟件控制可以判斷進料料盤、進料料架、收料料盤、收料料架、抓手、模具的位置與狀態(以進料為例：進料抓手上升位傳感器、進料抓手前位傳感器、進料抓手后位傳感器、進料抓手打開傳感器、進料料片上升最高位傳感器、進料料片有無檢測位傳感器等等)。

2 模塊設計

2.1 CMOS傳感器與DSP接口的實現

CMOS選用的是MT9T001，它是一種具有QXGA格式的圖像器件，能捕獲連續視頻信號或單幀運行的信號，利用I2C接口對信號進行可編程處理[5-7]。DSP選用的是TMS320DM642，它是一種視頻和圖像處理的專用數字信號處理器。它具有3路視頻口，能夠配置各種視頻標準和捕獲模式。CMOS傳感器與DSP接口如圖2所示。

2.2 觸摸屏的實現

作為最便捷、廣泛使用的一種人機交互方式，觸摸屏可實現用戶和DSP嵌入式系統的人機交互。系統選用四線制電阻式觸摸屏的A/D轉換芯片AD7843，它經過內部多路選擇開關之后，通過A/D轉換，數據通過SPI接口輸出。AD7843和DSP芯片TMS320LF2407通過SPI協議連接。AD7843與DSP接口電路如圖3所示。觸摸屏工作流程圖如圖4所示。

圖2 CMOS傳感器與DSP接口電路圖

圖3 AD7843與DSP接口電路圖

圖4 觸摸屏工作流程圖

讀寫AD7843子程序:

Void mcbsp_write()//寫數據到AD7843

{

*(DXR11)=DATA0;

}

Void mcbsp_read() // 從AD7843讀取數據

{

*(DXR11)=0x0;

DATA0=*(DRR11);

}

獲取X、Y坐標的子函數

Uint as7843_x(void)

{

Mcbsp_write(0x90); //將S標志位置1，表示使能傳輸

Return touch_read();

}

Uint as7843_y(void)

{

Mcbsp_write(0xD0); //將S標志位置1，表示使能傳輸

Return touch_read();

}

2.3 PC與DSP通信的實現

通過CAN控制器實現PC與DSP之間的通信，CAN控制器是用于各種設備監測及控制的一種網絡[8-10]。PCA82C250T是驅動CAN控制器與物理總線間的接口，供電電壓為5 V，而TMS320LF2407選用3.3 V供電，因此加入電平轉換電路。TMS320LF2407與PC接口結構圖如圖5所示。

圖5 TMS320LF2407與PC接口結構圖

TMS320LF2407與CAN卡之間通信的系統初始化子程序如下:

Void system_init()

{

asm(“setc sxm”); //抑制符號位擴展

asm(“clrc ovm”);

……

asm(“setc intm”); //禁止所有中斷

SCSR1=0X81FE;

……

IFR=0x0FFFF; //清除全部中斷標志

}

2.4 基于可編程控制器控制模塊的設計

為了實現精確的速度和位置控制，系統選用伺服電機及其配套的伺服驅動器,機械手的抓取與投放、芯片成型的壓力控制都通過伺服控制完成。可編程控制器選擇西門子公司的S7-200系列PLC，它具有緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格[11-15]。伺服驅動器選擇西門子公司的Sinamics S120，它集V/F、矢量控制于一體的驅動控制系統，其強大的定位功能將實現給定軸的絕對、相對定位。電機選用西門子伺服電機1FK，它是西門子永磁同步電機，具有高動態響應、調速范圍寬、精確定位的特點，能滿足系統的要求。基于S7-200 PLC閉環控制系統如圖6所示。

3 系統程序設計及實物圖

系統程序設計如圖7所示。CCD圖像采集實物圖如圖8所示。IC分離和自動排管實物圖見圖9。

圖6 基于S7-200 PLC閉環控制系統結構圖

圖7 系統整體流程圖

圖8 CCD圖像采集實物圖 圖9 IC分離和自動排管實物圖

4 結 語

系統具有速度高、自動化、精度高、噪音低、可靠性高等特點，同時具有芯片/封裝/系統協同優化、針對多系統目標的容錯設計、自動檢測問題與排錯顯示、可測性優化設計、嵌入式軟件設計、基于平臺的可預測系統設計方法學、可重用、支持結構化設計、模擬和數模混合信號、便于安裝與維護等特點。以國際領先技術的標準選用最先進的材料和元器件完成系統設計，大量傳感與檢測模塊實時檢測機臺運行情況，并通過液晶顯示。友好人機界面觸摸控制與液晶顯示，可顯示機臺狀態。采用成型與分離機臺協調控制設計、先進的閉環隨動驅動和定位技術、全封閉設計、高精度刀具，提高了精度，減少噪音影響(噪音<60 dB)，使成型分離誤差小0.007 mm。

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Design of Fully Automatic Separation and Punching Die System

LIJun

(College of Computer, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China)

A design of fully automatic separation and punching die system was given. The system can place and separate the molding, and automatically feed and exhaust pipe. Key techniques was multiple modules design method which was analyzed. This system was based on DSP control. Image acquisition of CCD based on DSP and many modules were devised. This paper mainly introduced the implementation of the CMOS sensor and DSP interface, the realization of the touch screen, the realization of PC and DSP communication, the design of control module based on PLC and so on. Experiments showed that this system had advantages of high rate, high reliability, long trouble-free, little error and easy operation.

separation and punching die; touch screen； DSP； PLC

2015-01-08

國家自然科學基金項目(10890095)；東莞市科技計劃項目(201010814001)

李 君(1974-)，女，湖南湘潭人，本科，工程師，研究方向為嵌入式系統、自動控制等。

Tel.:13423036612；E-mail：hushenghusheng20@163.com

TP 274.2；TH 715.1

A

1006-7167(2015)10-0055-04