一種貼裝實驗平臺的設計與實現*

呂曉娟，張大興

（1.中山職業技術學院機電工程學院，廣東中山 528400；2.西安電子科技大學機電工程學院，西安 710000）

0 引言

表面貼裝技術（Surface Mount Technology，SMT）作為新一代的電子裝聯技術，近十年來發展神速，應用范圍十分廣泛，己經浸透到各個行業，各個領域，并且在許多領域中己經部分或完全取代了傳統的線路板通孔插裝技術[1]。這對SMT提出了更高的要求[2]。評價一條SMT生產線最直觀的體現就是貼裝速度、貼裝精度和可貼裝元器件范圍這3項指標[3-4]。本文設計并搭建了一個貼裝實驗平臺，用于貼片機關鍵技術的研究，并提供了一個開放式的實驗平臺。

1 貼裝平臺硬件系統

1.1 貼裝平臺工作原理

貼片平臺融合了精密機械、視覺檢測、智能化控制、計算機數字控制等現代機光電一體化綜合技術[5]。依照貼裝工藝的要求，通過合理控制各個軸和部件的動作，通過吸取、移位、定位、貼裝等功能，準確快速地將元器件貼放到目標貼裝位置上，并且不能損傷到元器件或者電路板[6]。貼裝基本過程如圖1所示。

圖1 貼裝基本過程

1.2 貼裝平臺工作流程

貼裝流程一般可分為獲取數據、優化工藝和自動貼裝。數據獲取如PCB板需要貼裝的點數、每個貼裝點的坐標、所要貼裝的元件的種類及拾取位置等。貼裝工藝優化階段主要是為了提高貼裝效率而進行的優化貼裝順序[7]。

貼裝平臺的整個工作流程如圖2所示。

圖2 貼裝平臺工作流程

1.3 貼裝平臺控制系統硬件組成

貼裝平臺控制系統的硬件主要由基礎平臺和貼裝頭兩大部分組成，它們可獨立運行，分別包括控制器及執行部件。

基礎平臺部分由DVP-20PMOOM控制的三軸伺服運動機構、檢測裝置以及與觸摸屏組成，它可以與DVP-20PMOOM進行信息交互[8]；貼裝頭部分由PMC-20MT-3控制器、步進電機驅動系統以及氣動控制模塊組成[9]。如圖3所示。

圖3 控制系統硬件

圖4 初始化流程圖

2 貼裝平臺控制系統

控制系統是貼裝平臺電氣系統協調運作的基礎。貼片機是一個復雜的系統，不止是讓機構運動那么簡單，除了要進行復雜的數學運算，同時得具備良好的人機用戶界面[10]。本文所研究的貼片機通過DVP-20PMOO與PMC-20MT-3共同作用，在貼裝平臺上實現貼裝功能。DVP-20PMOOM控制三軸伺服機構運動，到達指定位置后，PMC-20MT-3控制貼片頭開始工作，連貫實現整個貼裝過程。

2.1 DVP-20PMOOM設計與實現

2.1.1 初始化設計

為了保證正常通信，控制系統設計的首要任務就是對DVP-20PMOOM進行初始化程序設計[11]。初始化流程如圖4所示。

2.1.2 原點回歸設計

本貼裝實驗平臺是拱架型。帶有貼裝頭的機器臂從初始位置移動到第一個待貼元件所在的喂料槽上方，吸取該元件后，移動到PCB上方貼裝元件到相應預先確定的位置；貼裝完后，機器臂再移動到喂料槽上吸取第二個元件，再貼裝到PCB上相應位置。所以平臺每次都要執行原點回歸，讓坐標重新回到原點位置執行后續的任務與操作[12]。

原點回歸模式設計如圖5所示。原點回歸方向：反轉；回歸模式：正常；原點回歸脈沖：P=0；原點：N=2時；觸發DOG動作：下降沿檢測時。

圖5 原點回歸模式

2.1.3 軸運動實現

X-Y-Z在多軸聯動前需要設定相應的參數，通過運動指令或G碼指令實現。下面是一段用G代碼編寫的軌跡程序，通過PMSoft的仿真，結果與實際行走軌跡保持一致。

G90

G01 X-20.0 Y20.0 F20.0

G01 X60.0 Y20.0 F20.0

G01 X60.0 Y100.0 F20.0

G03 X60.0 Y100.0 R20.0 F20.0

G02 X20.0 Y100.0 R20.0 F20.0

G01 X-20.0 Y20.0 F20.0

2.2 PMC-20MT-3設計與實現

PMC-20MT-3用于實現貼裝頭部分的動作，包括驅動程序的啟動、給伺服機構通電、坐標軸的回零、傳感器的檢測、氣壓是否正常等[13]。

2.2.1 動作設計

貼裝頭部分主要實現吸片和貼片。貼裝的實施步驟如下：

（1）吸嘴運動到取料點吸取元件；

（2）將元件移動到上視相機處進行檢測，然后運動至貼裝點；

（3）根據位置補償使元器件中心對準貼裝點進行貼片；

（4）貼裝完畢后，由出板機構將其運送出貼裝平臺。

吸片、貼片如圖6所示（左側為吸片，右側為貼片）。

圖6 吸片與貼片動作流程圖

2.2.2 動作實現

按照貼裝平臺的工作過程，當基礎平臺移動到指定位置時，貼片與吸片才會動作，通過“DM整數跳轉”指令來實現。通過設定值與DM寄存器的賦值來比較，當值相等時，便跳轉執行后續的程序；當貼片或吸片程序完成后，再賦值給DM寄存器，程序則跳轉回判斷語句處。實現流程如圖7所示。

3 貼裝平臺系統測試

3.1 基礎平臺原點回歸測試

首先，設置各軸原點回歸速度和減速度分別為3 000 pps和400 pps，并通過觸摸屏手動控制將各軸移動到任意位置，然后進行原點回歸。完成原點回歸后，記錄光柵尺反饋的實際位置，重復執行50次同樣的操作，然后利用Matlab軟件將50組測試結果繪制成曲線，3個軸原點回歸誤差曲線如圖8所示。

圖7 程序總體流程

圖8 原點回歸測試結果

由圖可以看出，在50次的重復歸零測試中，3個軸的最大偏差均在20個脈沖以內，說明了貼裝平臺能夠準確找到第二個Z脈沖，并將其設定為原點。因此，本文設計的方法能夠滿足原點回歸的精度要求，方法可行。

3.2 基礎平臺定位精度測試

在半閉環情況下，讓X軸在工作范圍內絕對運動一個來回，并給速度分別賦值1 000 pps、2 000 pps和3 000 pps。如圖9所示，可以看出，在不同速度下，誤差值并沒有發生太大變化，保持在-60～0，其他軸測試結果與X軸類似[14]。

給X、Y、Z軸設定相同速度3 000 pps，運行一個來回后的定位誤差測試結果均保持在i 30μm以內，滿足設計的精度要求。圖10所示的測試結果表明誤差補償方法設計合理。

圖9 X軸在不同速度下各點誤差值

圖10 各軸測試結果

3.3 貼裝平臺整體運行測試

為了檢測貼裝平臺能否完整地執行吸片和貼片流程，必行進行整體運行測試[15]。貼裝平臺進行整體運行時，需要基礎平臺與貼裝平臺相互配合，因此需要通過上位機軟件操作，由此檢驗自動貼裝算法的可執行性。

DVP-20PMOOM中已預存了取料點和上視相機的位置坐標，在上位機軟件主界面的自動貼裝區中，輸入位置坐標和運行速度，點擊“自動貼裝”按鈕，平臺運動至取料點吸取元器件后，繼續運動到上視系統檢測區，模擬元器件進行檢測與校正，最后運動到貼裝點并將元器件放置到PCB板上。

4 結束語

本文設計的貼片實驗平臺已經在實踐中證明是可行的，實現了部分功能，取得一定進展，但仍處在初級階段，還有很大的開發空間。后期希望在視覺檢測和元器件的檢測與糾偏中取得大的突破。