基于六軸機器人的PCB智能插裝站控制系統的研究

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

自20世紀50年代中期起，電路印刷板（PCB）已逐漸成為“電子產品之母”，其應用幾乎滲透電子產業的各個終端領域，包括計算機、通信、消費電子、工業控制、醫療儀器、國防軍工、航天航空等等。未來隨著新一代信息技術產業的發展，智能手機、汽車電子、LED、IPTV、數字電視等新興電子產品不斷升級換代，PCB生產將在這種變革中起到至關重要的作用。而目前PCB生產的后道工藝中，異形件的插裝基本依靠人力手工作業，極大制約了生產效率的提高和不良率的降低，本文以智能家電主控PCB板異形件插裝工作站控制系統為研究目標，引入工業6軸機器人、精密視覺檢測技術、PLC控制技術、人機交互和上位機數據庫，形成一套柔性化智能自動插裝站的完整控制系統，結合工藝設備實現了PCB板異形件的全自動高效智能插裝。

1 PCB智能插裝站的設備組成

PCB智能插裝站以2臺機器人及周邊設備為一組，主要由6軸機器人本體、抓手單元、喂料單元、管腳整形單元、軌道輸送單元、控制系統硬件單元組成。以六軸機器人為核心，具備自動喂料、視覺識別、元件抓取、定位補償、元件插裝、PCB板自動輸送等功能。這種插裝站靈活方便，可根據用戶實際插裝工藝需求，單獨使用或多個組成插裝生產線，機械和電控硬件連接部分設計為標準接口。同時，PCB板型、插裝電子元件種類和順序均可按照用戶生產需求和任務的下達，通過網絡交互或人工手動方式在工作站上位機數據庫中設定后投入使用。智能空調內機PCB主控板如圖1所示，PCB智能插裝站設備組成示意如圖2所示，其中2個插裝站已連接為小型插裝產線。

圖1 智能空調內機PCB主控板

圖2 PCB智能插裝站組成示意圖（2個站）

2 PCB智能插裝站的控制系統

2.1 控制系統硬件配置及網絡構成

PCB智能插裝站控制系統的硬件配置：三菱MELSEC-Q系列高性能CPU作為主控單元，Fx3U系列小型CPU作為周邊設備輔助控制單元，2臺機器人控制器、4臺視覺相機、2臺上位工控機、1臺顯示器、1臺觸摸屏及一臺以太網交換機，并預留與車間MES系統的硬件接口。

控制系統網絡整體基于以太網的TCP/IP協議，主控CPU、機器人、上位機、HMI均通過以太網交換機進行高速數據通訊；視覺相機直接通過以太網卡連接至上位機。系統網絡拓撲圖如圖3所示。

2.2 主控PLC系統

主控PLC系統的核心是主控CPU，它是整個系統的大腦，是主邏輯的運行載體。本系統中它的協調控制功能主要體現在，通過以太網的高速數據交換，控制帶特定夾具的插件機器人、視覺系統、輔助上料設備、軌道及其他機構實現完整自動流程，并與信息系統交換生產信息。

其中，針對設備的控制分為兩類，輸送軌道貫穿各個工作工位，每個工位均設的輔助定位裝置和升降機構以及其他相對簡單的周邊設備與主邏輯動作密切相關，所以直接由主控CPU處理；而周邊相對比較復雜、獨立性強的自動上料機等裝備采用小型CPU單獨控制，與主CPU只做IO點交互即可，硬件固化為標準航插，整機即插即用，方便靈活的同時又減輕了主控CPU的工作負荷，提高了運行效率。

根據PCB智能插裝站的工藝設計要求，每臺機器人插裝4種不同工件的時間節拍為9s，插裝精度為0.1mm（圓形誤差空間），所以主控CPU的處理速度必須要快，網絡通訊時間必須要短，存儲區容量則必須要大。三菱MELSEC-Q系列CPU基本分為三類，本控制系統主CPU選用了其中內置以太網口，高速處理、高精度運算和系統擴展性強的“高性能型”處理器QnUDE；而自動上料機屬于常規小型設備的控制，選用了集成IO點一體的Fx3U小型處理器。

控制程序在GX Works2編程軟件中采用梯形圖方式編寫，按照一個主程序嵌套調用若干子程序的思路，以PCB從軌道線上板到插裝完畢下板為主線，將輔助設備或機構的控制獨立編寫為不同的設備子程序塊，將與上位機通訊、數據存儲與計算、與機器人交互、故障處理等獨立編寫為功能子程序塊，在主程序中按照邏輯需求進行調用。軟件系統方框圖如圖4所示。

2.3 機器人控制系統

圖3 控制系統網絡拓撲圖

圖4 軟件系統方框圖

目前，工業機器人自動化生產線成套設備已成為自動化裝備的主流及未來的發展方向，這種應用在保證產品質量，提高生產效率的同時避免了大量的工傷事故。本文的PCB智能插裝站中，選用了三菱MELFA，垂直多關節型RV-F系列6軸機器人來替代人工為PCB板插裝異形電子元件。機器人控制系統硬件包含2臺6軸機器人本體，2臺緊湊型控制器及1臺觸摸屏；軟件系統包括用MELFA BASIC V語言在RT ToolBox2軟件中開發的機器人自動控制程序及在三菱高端工業觸摸屏GT2310中開發的機器人手自動控制及報警、故障處理的HMI界面，如圖5所示。

此次機器人軟件系統的開發突破了對于常規使用示教器進行編程和操作的依賴和局限性，采用RT ToolBox2軟件進行了插裝全過程的離線仿真，并于后期使用在線模式進行編程調試。單臺機器人插裝流程仿真如圖6所示。

圖5 機器人操作界面

圖6 單臺機器人插裝仿真

2.4 機器視覺系統

所謂機器視覺就是通過軟硬件的組合。賦予機器類似于人類視覺的功能。它以視覺處理理論為中心，是圖像處理、模式識別、計算機技術和生理心理學為基礎的信息處理科學中的一個重要分支。本視覺系統包含了硬件和軟件兩個部分，其中硬件系統組成為2組工業相機、鏡頭、光源、采集卡和計算機。軟件系統包含了圖像處理分析、特征提取、模式識別等視覺檢測功能，同時開發了與機器人和主控PLC基于以太網的通訊功能。其中，視覺檢測功能又分為兩個部分，即PCB板的識別和電子元件管腳的識別；安裝在機器人第六軸的頂部相機是用來識別PCB板的準確位置，安裝在軌道平臺的底部相機是用來識別電子元件管腳的位置，通過圖像處理分析技術和相應數據計算得出所拍照PCB板、電子元件的實際坐標與基準坐標的偏差量，機器人接收這些數據后換算為自身坐標系中電子元件管腳在PCB板上的實際插裝位置，從而將其精確地插入PCB板。

作為檢測中最重要的電子元件管腳輪廓和姿態識別，本系統采用了底部打光，而為了防止真空吸附或夾爪夾取后電子元件意外位姿改變而造成的圖像處理偏差，采用了德國Basler相機和日本VST的百萬像素鏡頭，為了保證精度，相機采用元件到位直接觸發方式。單個電子元件的視覺糾偏流程如圖7所示。

圖7 視覺糾偏流程

2.5 插裝站數據庫

PCB智能插裝站的上位機數據庫主要是根據用戶靈活排產的需要，設立PCB類型庫及需要插裝的電子元器件類型庫，兩個庫數據關聯，調出一種PCB板型，與該板型相關的編碼信息、尺寸數據、需要插裝電子元件的數量、種類及其在PCB板上的標準插裝位置、對應相機的標定參數等數據即會自動加載，更新數據庫軟件界面（如圖8所示）的同時將其加載至PLC、機器人及相機中。實際生產中，一旦更換生產板型，只需在軟件界面中從PCB類型庫中選擇并加載相應的PCB板，再結合機械工裝手抓的調整，即可在很短的時間內完成轉產，實現插裝生產的智能化和兼容多種板型的柔性化。并且，生產任務的下達也可以通過上級生產信息管理系統，這里預留了與MES的接口。

圖8 數據庫軟件界面

3 結論

本控制系統投入實際運行以來，穩定可靠，設備工作狀況良好，使用及維護簡潔方便，各項性能指標均達到了研究目標，受到了用戶的好評。PCB智能插裝站目前已大量應用于智能空調內外機主控板的生產，將異型元件插件效率提升了31%，插件反向、插錯、漏插等品質不良下降了50%，同時解決了異形元件上料難，頻繁換料等問題，從很大程度上突破了制約PCB板生產自動化程度提高的瓶頸。未來，隨著插裝站適應能力的提高，還可延伸到更多PCB板生產自動化的領域。

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