基于總線結構的全自動高精密焊膏印刷機控制系統開發*

張國琦，胡志偉，曹 捷，毛曉琦，強鵬飛

（1.中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119；2.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

0 引言

近年來，隨著電子產品的小型化，印刷電路板（PCB）上電子元器件的密度和復雜性不斷增加，對全自動焊膏印刷機控制系統的定位精度以及穩定性提出了更高、更嚴格的要求[1]。焊膏印刷機是把焊膏準確無誤地分配到指定的焊接板上，焊膏機的性能直接影響到PCB板的質量。據統計，電路板成品中要返工或者報廢的有60%左右是由焊膏印刷質量不良造成的[2-3]。國產印刷機控制系統的穩定性、精度與國外相比還有一定的差距。目前，PLC因可靠性高、操作靈活、通用性強等特點已被廣泛應用于各種工業控制系統的設計與開發中[4-6]；與此同時，采用工業控制機加PLC的上下位機總線結構，可以有效保證控制系統的實時性以及系統優良的人機交互[7-8]。通過與中科院西安光學精密機械研究所合作，本文開發了基于總線結構的上下位機高精度全自動視覺焊膏印刷機控制系統，提高控制系統的穩定性，縮短了系統印刷節拍時間，并且具有優良的人機交互界面。

1 全自動視覺焊膏印刷機

全自動視覺焊膏印刷機由PCB板的自動輸送平臺、視覺系統、上網板糾偏系統、刮刀印刷系統以及控制系統組成，如圖1所示。

圖1 全自動視覺焊膏印刷機組成

全自動視覺焊膏印刷機的運動組成如圖2所示，PCB板的自動輸送平臺由步進電機、導軌、PCB板頂升氣缸、真空吸盤以及限位開關等組成，完成PCB板的自動輸送、定位以及夾緊（圖2（a））；視覺系統由步進電機帶動工業相機在X、Y兩個方向運動，實現對上網板和PCB板上Mark點的圖像采集，并將圖像通過總線傳輸給控制系統，控制系統完成圖像處理以及坐標定位，為了保證坐標的準確，視覺系統的定位采用了光柵尺、精密導軌，如圖2（b）所示；上網板糾偏系統具有沿x、y軸方向平動以及繞z軸轉動3個自由度(DOF)，由上網板、驅動機構、驅動器、伺服電機等組成，如圖2（c）所示；糾偏系統根據控制系統提供的上網板與PCB板上Mark點的位置偏差，驅動伺服系統使PCB板與上網板的Mark點對應重合，實現上網板的姿態糾偏。刮刀印刷系統實現焊膏的涂膠，由印刷電機、刮刀、驅動機構組成。

圖2 全自動視覺焊膏印刷機運動組成

影響印刷機精度的因素很多，如系統硬件模塊性能、機械部件的制造、裝配誤差以及控制系統的穩定性等[9]。表1所示為本系統的主要硬件模塊選型。系統的檢測部件采用了精度達到4μm的光柵尺以及最高分辨率為4 384×328的工業相機，確保上網板和PCB板上Mark點的精確定位；系統的驅動部件采用了直流伺服電機完成上網板糾偏控制；相機以及PCB傳輸的驅動部件采用高精密絲杠導程5 mm以及步距角1.8°的兩相混合制步進電機，上述控制系統的硬件配置可以有效保證焊膏機找正定位精度。

表1 焊膏印刷機主要模塊選型

根據PCB板印刷的工藝要求，全自動視覺焊膏印刷機的控制流程如圖3所示。首先PCB板通過自動輸送平臺進入，遇到止檔器PCB板到位停止，由真空吸盤進行固定、夾緊，同時，頂升氣缸將PCB板頂升；然后，工業相機移動實現PCB板和上網板Mark點的圖像采集，并通過485總線發送到上位工控機，通過計算得到PCB板與上網板的位置偏差；在此基礎上，由上位機通過485總線控制伺服系統進行上網板糾偏；最后，由刮刀完成焊膏涂膠；涂膠后，PCB板落下，真空吸盤松開，PCB板由輸送平臺輸送出印刷機，至此完成一個印刷流程。

圖3 全自動視覺焊膏印刷機控制流程圖

2 基于總線的焊膏機控制系統

全自動視覺焊膏印刷機控制系統采用基于總線的上下位機控制結構如圖4所示。上位機控制系統以工業計算機（DELL-Inspiron3471）為硬件核心，實現人機交互，圖像處理以及上網板糾偏控制；采用九代i3-9100的處理器，8 G內存，1 TB機械盤，保證控制系統的響應速度；下位機系統包括圖像采集模塊、上網板糾偏伺服模塊以及PLC運動控制模塊。上下位機之間通過RS485總線實現數據交換。圖像采集模塊通過485總線將圖像傳輸給上位機；上位機對圖像進行處理，得到PCB板和上網板Mark點在相機視野當中的位置，并結合光柵尺得到的相機位置，得到PCB板和上網板Mark點在焊膏印刷機坐標系下的偏差，在此基礎上，通過糾偏算法得到3個糾偏伺服電機的控制量，再通過485總線直接控制電機運動，實現糾偏功能；PLC運動控制模塊通過高速脈沖輸出分別控制PCB傳輸、工業相機X、Y移動以及刮刀移動4個步進電機；利用高速計數接口讀取光柵尺的位置脈沖；PLC的通用數字量輸入和輸出則實現氣缸、真空吸盤等執行機構控制和接近開關、壓力開關等檢測元件的信號獲取?；诳偩€結構的控制系統將人機交互、圖像處理以及運動驅動3個功能模塊分離，通過RS485總線方式實現各控制模塊之間的數據交互，有利于提高控制系統的可靠性以及控制效率。

圖4 控制系統總體方案

2.1 人機交換

全自動視覺焊膏印刷機控制系統的人機交互在上位機上采用Labview編程語言實現，其主要功能是實現操作人員和設備之間的信息交互，包括：設備參數的設置，運行狀態的顯示，以及生產設備運行匯總、檢索等。

根據工藝動作流程需要，本控制系統設計了手動控制和自動控制兩種模式。手動控制模式主要用于系統調試、標定和故障處理。圖5（a）所示為系統手動操作模式下的人機界面，左邊為運動控制區，可以通過手動操作完成相機拍攝、刮刀運行、真空平臺升降以及PCB板夾緊等運動；界面中間為手動糾偏操作以及相機運動控制區，設定糾偏伺服電機的位移量以及相機的位置，可以實現上網板手動糾偏，并控制相機到指定位置拍照，同時也可設定相機移動過程中的速度；界面右邊為傳感器狀態顯示區，該區域實時顯示設備運行過程中各傳感器的狀態。自動操作模式下，控制程序根據各傳感器檢測的到位信號，為印刷流程的執行機構設計了互鎖安全機制，防止印刷中各機構的誤動作，系統能自動完成整個印刷流程。在該模式下，人機界面如圖5（b）所示，實時顯示工業相機拍攝到的畫面，上網板和PCB板Mark點的坐標，以及工業相機當前坐標等信息。

圖5 人機操作界面

2.2 PLC控制模塊

圖6 PLC的I/O分配圖

PLC控制模塊是整個焊膏印刷機運動控制的核心，本系統以深圳市合信自動化技術有限公司的CTH200系列的PLC為主控制器，該系列PLC集成1個以太網口，兩個RS485通訊口，14DI/10DO共24個數字量I/O，程序空間12 kB，數據空間8 kB，4個單相高速計數器，最高頻率為50 kHz，支持1個AB相高速計數30 k，3路50 kHz高速輸出。全自動視覺焊膏印刷機控制系統共有45個傳感器信號，需要有35路控制信號，因此本系統擴展了兩個CTH2 223-1PL32PLC模塊，每個CTH2 223-1PL32PLC有16個輸入（DI）接口，16個輸出（DO）接口。圖6所示為全自動視覺焊膏印刷機PLC控制模塊的I/O分配，2個高速計數口對工業相機X、Y軸的光柵尺計數，以精確定位相機坐標；2路高速脈沖輸出控制工業相機的X與Y軸移動步進電機；系統的數字量輸入信號包括各種限位信號（PCB板以及刮刀到位檢測等），檢測真空吸盤固定PCB板的壓力開關信號等；PLC控制模塊的數字量輸出用于PCB傳輸平臺、刮刀的步進電機和上網板Z軸移動的氣缸等控制。

3 實驗驗證

實驗是在GJ-300全自動視覺焊膏印刷機上進行的，該印刷機控制系統是本課題組與中科院西安光學精密機械研究所合作開發。經過測試，控制系統完成了PCB板的自動輸送、視覺對準與定位、上網板糾偏、涂膠等一系列運動，系統自動印刷節拍大約15 s。

全自動視覺焊膏印刷機的精度主要受制于系統上網板與PCB板的定位精度，本實驗在GJ-300印刷機上利用手動控制模式進行了上網板與PCB板定位精度的測試。實驗按以下幾個步驟進行：（1）初始化系統，工業相機與上網板糾偏系統運動至各自的基準位置，并對相機進行標定；（2）手動控制PCB板至指定位置，并通過吸盤固定；（3）工業相機對PCB板和上網板的Mark點進行拍照并回到基準位置；（4）上位機對相機獲取的圖像進行處理，并結合光柵尺的讀數，計算出各Mark點的物理坐標；（5）糾偏算法計算出各伺服電機的輸出位移；（6）上位機控制上網板糾偏系統進行糾偏；（7）糾偏后在手動模式下再次控制工業相機對PCB和上網板Mark點進行拍照，并回到基準位；（8）上位機計算糾偏后PCB板和上網板對應Mark點的位置誤差；（9）重復步驟（2）～（8），得到30組實驗數據，表2所示為其中任意的15組數據，表中分別給出了糾偏后PCB板和上網板對應的2個Mark點的坐標，以及位置誤差，其中，位置誤差為X坐標與Y坐標誤差平方和的算術平方根；綜合誤差為Mark點1和Mark點2位置誤差的平均值。圖7所示為30組實驗數據繪制的系統定位精度曲線，X軸為實驗次數，Y軸為Mark點的綜合誤差。從圖中可以看出：本控制系統PCB板和上網板Mark點的對位精度穩定在±10μm之內，達到了系統精度的設計要求。

圖7 Mark點的對位精度曲線

4 結束語

本文開發的控制系統采用基于總線的上下位機控制結構形式，上位機以工業計算機（DELL-Inspiron3471）為硬件核心，實現人機接口、糾偏伺服控制以及圖像處理功能；下位機包括糾偏驅動模塊、圖像采集模塊以及PLC運動控制模塊，上下位機之間通過RS485總線進行數據交互?？刂葡到y中，上網板糾偏控制采用了伺服系統，視覺相機的定位是通過PLC的高速口對光柵尺計數實現，保證了系統的定位精度。實驗結果表明，本控制系統實現了PCB板的自動輸送、視覺對準與定位、上網板糾偏、涂膠等運動，上網板找正定位精度達到了10μm，印刷節拍時間為15 s左右，達到了設計要求。

表2 測試實驗數據表