基于最小二乘法的吸咀吸取壓力的研究

何旭平，任保勝，祁玉斌

(山東日發紡織機械有限公司，山東 聊城 252000)

基于最小二乘法的吸咀吸取壓力的研究

何旭平，任保勝，祁玉斌

(山東日發紡織機械有限公司，山東 聊城 252000)

表面貼裝技術生產線中的電子元件實裝機通過吸咀內的負壓將電子元件吸附，從而實現對電子元器件的拾取和貼裝。為便于準確掌握吸咀取料是否成功，通過將負壓傳感器檢測到的壓力變化與PMAC板卡上的A/D轉換值進行對應并將其量化，對得到的數據利用最小二乘法的原理在MATLAB軟件環境下進行多項式擬合，得到最優的數據曲線和數據結果。

表面貼裝技術；吸咀；可編程多軸控制器；模/數轉換；矩陣實驗室；最小二乘法

表面貼裝技術 (Surface Mount Technology即SMT)是將表面電子元器件貼裝到印制電路板（PCB板）上，通過再流焊等加熱方式實現電子元器件互聯的技術[1]。在SMT生產線中最重要的設備就是電子元件實裝機[2]。電子元件實裝機通過吸咀及吸咀管道內的負壓將電子元器件吸附從而完成拾取和貼裝動作。吸咀內的負壓會通過負壓傳感器PSE541將信號輸送至PMAC板卡自帶OPT-12模塊-12位A/D（數字量轉換為模擬量）轉換。對得到的數據利用最小二乘法[3]的原理在MATLAB[4]軟件環境下進行多項式擬合[5]，得到最優的數據曲線和數據結果。

本文主要研究OPT-12模塊轉換值與負壓傳感器負壓值之間的對應關系及A/D轉換值分辨精度，以期準確掌握負壓變化率與所對應的A/D值的關系，即負壓變化1 kPa時所對應的A/D值，這將對提高電子元件實裝機的可靠性[6]，降低元器件的拋料率[7]大有益處。

1 實驗測試平臺的搭建

本文設計的實驗平臺如圖1所示。主要測試工具有：PMAC卡帶OPT-12模塊、DC5/24 V開關電源、負壓傳感器PSE541、負壓顯示表ZSE30、萬用表、注射器、三通件φ4管徑及相應的氣管及線纜等。

圖1 實驗測試平臺

在測試過程中，額定輸出電壓為5 V的開關電源為PMAC供電，額定輸出電壓為24 V的開關電源為負壓傳感器 PSE541及負壓顯示表ZSE30供電。負壓傳感器PSE541的輸出信號接在PMAC的J3引腳45模擬量輸入端口，用萬用表測試該端口的電壓值。另外，為了模擬吸咀內的真空壓力，用三通管的一端接負壓傳感器，一端接負壓表顯示壓力值，另一端接注射器抽真空，各部分之間用氣管相連，并保證氣密性良好。

2 實驗數據的采集和分析

A/D數據轉換最前端的一個環節就是利用負壓傳感器PSE541將壓力變化轉換成電信號。負壓傳感器PSE541的額定輸入為DC 12～24 V，輸出為1～5 V模擬量電壓，壓力-電壓曲線如圖2所示。

圖2 負壓傳感器的壓力-電壓曲線

其中，A=0 kPa，B=-101 kPa，C=10.1 kPa。（A/B/C為三個不同的壓力值）負壓傳感器PSE541的詳細參數可參照表1。

表1 負壓傳感器本征參數表

結合圖2及表1，得到輸出電壓U與負壓F的線性關系為：

其中，U為輸出電壓，F為測試負壓。

PMC板卡自帶的12位OPT-12模塊A/D轉換值對應212=4096，對應負壓變化范圍為±10 V，可得線性公式為：D=204.8U (其中U為電壓，D為A/D轉換值)，即1～5 V對應A/D轉換值為204.8～1024。

由以上壓力傳感器及PMAC的A/D轉換值可以得到當前負壓與A/D值的理論公式：

其中，F為當前負壓，B為固定值-101 KPa，D為A/D轉換值。

利用搭建好的實驗平臺對實驗數據進行采集，所獲得的4組數據如表2所示。

表2 數據采集表

利用式(1)及式(2)分別計算4組數據條件下的輸出電壓U及A/D轉換值D，所得結果如表3所示。

表3 數據核算對照表

根據測試的4組數據（見圖3所示），利用理論公式推算出的數據與實際測試的結果有偏差，需要對實際測量值進行優化并導出最精確的公式以保證數據的準確性。

圖3 四組實驗數據測試圖

3 實驗數據的優化

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數學優化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數據，并使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。

MATLAB利用函數p=polyfit（x，y，n）進行多項式曲線擬合。函數p=polyfit（x，y，n）采用最小二乘法對給定數據進行多項式擬合，最后給出多項式的系數。即采用n次多項式p來擬合數據x和y，從而使得p（x）與y的最小均方差最小。

對于式（1）利用采集到的實驗數據進行多項式擬合，擬合得到的曲線如圖4所示。其MATLAB程序如下：

圖4 式（3）的多項式曲線擬合

計算結果為以下三組數據：

即所得多項式為

對于式 (2)利用采集到的實驗數據進行多項式擬合，擬合得到的曲線如圖5所示。其MATLAB程序如下：

計算結果為以下三組數據：

圖5 式（4）的多項式曲線擬合

即所得多項式為：

4 結論

通過實驗測算及數據優化，最終得知負壓傳感器壓力值與A/D轉換值之間的關系為d=-0.001 f2-7.706 f+214.148，即1 kPa對應的A/D值為10.28。

針對具有多支吸咀的貼片頭來說，當切換至真空狀態時，其中的任意一支吸咀是否取料成功，將通過系統程序進行監視。即通過獲取某支吸咀真空負壓的A/D轉換值來表征該吸咀是否取料成功。這將顯著降低人為因素的干擾，降低勞動強度并提高機器的運轉穩定性和可靠性。

[1] 黃永定.SMT技術基礎與設備[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2] 羅磊，王石剛，蔡建國.表面貼裝關鍵技術[J].組合機床與自動化加工技術，2003，(2)：70-72.

[3] 王可，毛志伋.基于Mat lab實現最小二乘曲線擬合[J].北京廣播學院學報（自然科學版），2005，(12)：52-56.

[4] 劉保柱，蘇彥華，張宏林.MATLAB7.0從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 曹緒，張倩，劉紅星.基于最小二乘法及多項式擬合的氣溫變化預測[J].中國科技論文在線，2009，(12)：3-5.

[6] 鮮飛.貼片機現狀及發展趨勢[J].武漢：電子測試.2007，(5)：71-76.

[7] 龍緒明.電子表面組裝技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

Research of Suction Nozzle Pressure Based on the Least Squares

HE Xuping，REN Baosheng，QI Yubin

(ShanDong RIFA Textile Machinery Co.Ltd，Liaocheng，252000，China)

SMT production line of electronic components in the real installed by negative pressure of suction nozzle will electronic component adsorption，so as to realize pick-up and placement of electronic components.To accurately grasp the suction nozzle material success，in this paper，through the negative pressure sensors to detect changes in pressure and with PMAC board on the A/D conversion value and the quantification，the corresponding to the data by using the principle of least square method under the environment of MATLAB software，polynomial fitting，get the optimal data curves and data results.

Surface mount technology(SMT)；Suction nozzle；Programmable multi-axis controller；A/D conversion；Matrix laboratory；Least square method

TN605

B

1004-4507(2017)04-0056-04

何旭平（1966-），男，漢，本科，浙江新昌人，山東日發紡織機械有限公司。

2017-05-07

祁玉斌（1986-），男，漢，碩士研究生，機械工程師，山東日發紡織機械有限公司。

任保勝（1985-），男，漢，碩士研究生，電氣工程師，山東日發紡織機械有限公司。