PCB缺陷焊點實體標記自動控制系統*

摘 要：針對人工用肉眼檢查電路板焊點容易造成漏檢和誤檢的問題，文章設計了一種PCB缺陷焊點實體標記自動控制系統。系統以STM32F103VET6微處理器為核心，通過串口接收工控機的參數與處理結果，結合開關模塊，分別控制三個電動直線推桿和三臺步進電機，利用電磁鐵推動標記筆，實現缺陷焊點的自動標識。通過試驗測試表明，該控制系統可實現電路板缺陷焊點自動標記功能。

關鍵詞：焊點缺陷；標記；STM32F103VET6；步進電機

隨著現代電子工業(yè)的不斷發(fā)展，電路板朝著小面積、小元件、高密度的方向發(fā)展。但從成本、工藝以及技術要求等方面考慮，在不需要小型化的產品中仍有大量電路板采用通孔插裝技術，因此一般需要采用波峰焊來完成元件引腳與焊盤之間的連接[1]。但由于技術上的瓶頸，波峰焊的工藝流程容易引起焊點質量問題，主要表現為焊點短路、焊點漏焊、焊點不飽滿或表面有針孔等。為了解決上述焊點缺陷問題，企業(yè)一般采用傳統的人工目測來檢查并修補。此方法雖然方便實用、適應性強，預先成本最低，但人工目測主觀性較強，而且由于人的視覺疲勞以及勞動強度的影響，不可避免的會有焊點缺陷的漏檢和誤檢[2]。

因此，針對上述問題，文章以某企業(yè)的電路板裝配生產流水線為改造對象，設計出一種電路板缺陷焊點實體標記自動控制系統，通過接收機器視覺檢測設備的檢測結果，在電路板有缺陷焊點的地方進行自動標記。

1 系統方案設計

1.1 電路板裝配流水線改造

某企業(yè)的電路板裝配線以流水線方式對已經完成機器插件的電路板進行裝配和檢測，其生產工序包括手工插件、元件插后質量檢測、波峰焊機焊接、剪腳分板、執(zhí)錫、焊后質量檢測、打膠、ICT測試、貼標簽、裝箱。本方案以盡量減少對原裝配線的改動，滿足原生產工藝規(guī)范為原則，對其流水線改造如圖1所示。

電路板缺陷焊點實體自動標識裝置安裝在波峰焊機和傳送帶之間，工人把經過波峰焊機焊接完畢的電路板進行剪腳、分板和執(zhí)錫后，放入電路板推送裝置中的等待區(qū)。原來的焊后質量檢測工位分為檢測工位以及標識工位，以滿足原生產流水線的生產節(jié)拍。其中，檢測工位安裝缺陷焊點檢測設備，標識工位安裝缺陷焊點自動標記裝置。

1.2 控制系統總體設計

電路板缺陷焊點實體自動標記裝置由電路板推送裝置和標記裝置組成。推送裝置負責在每個生產周期開始時，將三塊電路板推送至下一工位，其主要由一臺步進電機和三個電動直線推桿驅動。標記裝置負責實現電路板缺陷焊點的實體標記識別，主要由兩臺步進電機和三個電磁鐵驅動。整個系統的控制核心是微處理器，作為下位機，與運行缺陷焊點檢測軟件的工控機進行通信，包括發(fā)送指令和接收參數、檢測結果。當系統開始運行時，微處理器首先通過串口，接收工控機的參數，控制推送裝置的推送距離，然后在完成了推送電路板工作后，發(fā)送指令給工控機，命令工控機開始進行電路板焊點檢測工作，最后根據檢測結果，控制由步進電機帶動的標記裝置進行焊點實體標記。為了保證裝置運行安全可靠，在控制系統中加入多個開關模塊?？刂葡到y框圖如圖2所示。

2 系統硬件設計

硬件部分主要包括：微處理器控制模塊、步進電機控制模塊、電動直線推桿控制模塊、電磁鐵控制模塊以及開關模塊等五部分。

2.1 微處理器選型

系統選用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6微處理器作為主控芯片。該微處理器采用Cortex-M3內核，最高工作頻率可達72MHz，內置512KB閃存和64KB SRAM；擁有80個GPIO，并多達11個定時器和13個通信接口，為控制外圍設備和與外圍設備進行通信提供了豐富的資源[3，4]。

2.2 微處理器核心控制模塊

微處理器核心控制模塊的設計內容主要是處理器的最小系統設計以及GPIO的規(guī)劃配置。STM32F102VET6使用型號為AMS1117-3.3的電源芯片供電，并且使用振蕩頻率為8MHz的晶振，通過倍頻設置，使芯片工作在72MHz。本設計主要使用的PE口作為信號控制端，與外部設備相連，并工作在推挽輸出模式；PA9和PA10是串口通信端，通過串口通信模塊與工控機相連。同時，由于系統需要接收多種外部信號，通過外部中斷觸發(fā)，根據硬件設計，將需要中斷輸入的GPIO配置為上拉輸入模式。

2.3 步進電機控制模塊

步進電機的正常運行需要驅動器提供電流和微處理器提供信號。為了滿足設計的精度要求，本控制系統選用型號為2M542的步進電機驅動器。該驅動器主要用于驅動2相4線的步進電機，能夠提供1.00A-4.20A的驅動電流，并且細分驅動最高可達25000步。為了防止由于長時間運行而燒毀步進電機，因此驅動器的工作電流設定為1.46A。微處理器主要提供脈沖信號和方向信號。步進電機驅動器與微處理器連接如圖3所示。PE5連接步進電機驅動器的脈沖輸入端，PE6連接步進電機驅動器的轉向控制端。其余兩臺步進電機控制方式一樣，不再敘述。

2.4 電動直線推桿控制模塊

電動直線推桿是一種將電動機的旋轉運動轉變?yōu)橥茥U的直線往復運動的電力驅動裝置。在本裝置的電路板推送機構中需要使用三個電動直線推桿，分別控制推送支架的上升下降和電路板檔桿的往復運動。本控制系統中選用直流電機作驅動的電動直線推桿。由于該直流電機屬于小容量電機，所以采取直接啟動方式[5]，通過控制電機電流方向來控制推桿的往復運動，其控制電路如圖4所示。

2.5 電磁鐵控制模塊

由于要針對三種不同的缺陷焊點做實體標記，因此使用三種不同顏色并可擦除的PCB專用標記筆對電路板上的缺陷焊點進行標記。標記方法為通過導通推拉式電磁鐵，由推桿推動標記筆向下運動，在缺陷焊點旁打點標記。電磁鐵控制電路如圖5所示。

2.6 開關模塊

為了保證系統運行準確和安全可靠，需要在裝置中分別安裝3個光電開關和6個限位開關。3個光電開關分別固定在3個電動滑臺導軌的原點處，保證推送電路板距離和標記裝置定位符合程序要求；6個限位開關則分別固定在3個電動滑臺導軌的兩端，防止由于程序出錯引起步進電機帶動的滑臺碰撞導軌兩端，設定安全距離。開關模塊的控制電路圖如圖6所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括微處理器的硬件配置，裝置工作狀態(tài)初始化和中斷服務程序。硬件配置主要根據控制系統的需要，分別配置時鐘頻率、GPIO工作模式、中斷源和中斷優(yōu)先級等。裝置工作狀態(tài)初始化確保裝置標記準確。中斷服務包括外部中斷、定時器中斷和串口中斷。

3.1 主程序設計

當系統開始運行時，微處理器對硬件進行配置，配置的內容包括系統時鐘配置、GPIO工作模式、定時器配置、中斷配置、串口配置。然后微處理器正式開始主任務，主程序流程如圖7所示。首先進行參數接收確定推送距離，然后初始化裝置工作狀態(tài)，輸出脈沖控制三臺步進電機，使得標識機構和推架都位于設定的原點位置。完成初始化后，生產節(jié)拍開始計時，電路板推送裝置的推架上升，分別把三塊電路板推送至傳送帶、標記工位以及檢測工位后，與上升檔桿共同固定電路板，然后發(fā)送指令給工控機，開始缺陷焊點檢測。待檢測完畢，微處理器根據接收處理的結果，等待XY方向步進電機帶動標記機構完成定位，然后對缺陷焊點進行標記。直到當前電路板所有缺陷焊點標記結束后，推架和標識機構回到原點，等待下個生產節(jié)拍。

3.2 中斷服務程序

3.2.1 外部中斷程序?？刂葡到y用到多個外部中斷，來源主要是開關模塊以及步進電機脈沖。當系統接收到光電開關的信號時，改變程序中原點標記變量，告知主程序該方向上的步進電機已經到達原點處。若接收到限位開關的信號，則發(fā)送“error”給工控機，并停止運行。將步進電機的脈沖發(fā)送到外部中斷，用于脈沖數量的計數，控制步進電機轉動步數。

3.2.2 定時器中斷程序。設計中使用了系統滴答定時器和通用定時器。系統滴答定時器主要用于生產節(jié)拍的計時，控制生產節(jié)拍的周期。在每個生產節(jié)拍開始時，啟動電路板推送裝置的步進電機，將電路板推送至下一工位。通用定時器則主要用于控制輸出步進電機脈沖的頻率。由于步進電機在工作時，頻率不能突變，否則將會失步或過沖。因此每次改變頻率時，應該保持電機在該頻率下持續(xù)運行一定的時間。本系統使用的是指數型調速，根據公式

f（t）=f0+（fm-f0）×（1-e-t/T） （1）

可得出每個頻率下步進電機轉動的步數[6]。當步進電機走完當前頻率下的步數時，定時器輸出下一個頻率的脈沖。

3.2.3 串口中斷程序。系統的微處理器與工控機采用串口方式通信。微處理器在接收工控機的檢測結果時，采用中斷接收處理，然后根據結果，分別確定XY方向步進電機的轉向和步數。系統的通信格式是“+/-xxxx+/-xxxxN”?！?/-”表示步進電機的轉向，“xxxx”表示步進電機需要轉動的步數，且前5位表示X方向的步進電機，第6-10位表示Y方向的步進電機。最后一位“N”表示當前電路板所有缺陷焊點已經完成標記，若未完成，則為空格字符。

4 系統測試

完成了組裝后，在實驗室對控制系統進行了測試。當系統通電啟動后，本裝置按照設定流程工作：推架和標識機構回到原點；推架推送電路板；工控機顯示屏顯示接收到的指令；標記機構根據檢測結果，移動到缺陷焊點旁；電磁鐵動作，PCB標記筆向下做標記；電路板缺陷焊點標記完畢后，推架和標記機構回到原點處。為了進一步測試步進電機的精度是否滿足設計要求，對其進行了測量。步進電機通過聯軸器，采用直連方式與電動滑臺導軌相連。當步進電機轉動一圈時，滑臺對應的直線移動距離為75mm，步進電機細分驅動選擇1600步/轉，采用游標卡尺測量數據如表1所示。

從表1可知，滑臺實際移動距離與理論值存在一定的誤差，但不足影響工人對標記的判定，工人仍可以通過記號鎖定區(qū)域，快速尋找缺陷焊點并進行修補。

5 結束語

文章以某企業(yè)的電路板生產流水線為改造對象，以解放勞動力為主要目的，設計了一種電路板缺陷焊點實體標記自動控制系統。該系統主要通過接收工控機的檢測結果，控制多種機構協調工作，實現缺陷焊點的實體標記。在實驗室的運行測試表明，該系統能達到預期效果，本裝置已申請發(fā)明專利和軟件著作權各一件。

參考文獻

[1]方明.波峰焊工藝技術研究[D].廣東：華南理工大學，2012.

[2]馬燦.PCB缺陷智能視覺檢測系統研究與設計[D].湖南：湖南大學，2012.

[3]陳福彬，伍毅，王鐵流.基于STM32的人行通道智能控制與管理系統設計[J].自動化與儀表，2010，25（1）：45-48.

[4]李晶，李東澤，石堅.基于STM32的時間壓力采集系統[J].自動化與儀表，2013，28（12）：42-45.

[5]賀昱曜.運動控制系統[M].西安：西安電子科技大學，2009.16.

[6]李大成，高金吉.基于可編程控制器的轉速測量及步進電機升降速控制研究[J].北京化工大學學報，2011，38（4）：119-123.

作者簡介：鄒恩（1956-），女，博士，教授，主要研究方向為非線性系統的智能控制。

黃浩揚（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為計算機控制。