談貼片機控制系統設計實現

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摘要：分析了貼片機的工作流程，選擇步進電機作為執行元件，并設計了由上位機、薄膜開關面板、PLC、步進電機驅動器、執行機構組成的控制系統。論述了貼片機控制系統研制過程中的4個關鍵技術：回零控制、步進電機控制、供料控制、速度與精度的提高。樣機測試表明該控制系統結構簡單、控制可靠、成本低且達到了設計的精度和速度要求。

關鍵詞：貼片機；PLC；控制系統

引言

貼片機（SMT）生產線主要設備包括印刷機、貼片機和回焊爐，輔助設備包括檢測設備、返修設備、清洗設備、干燥設備和物料存儲設備等。其中，貼片機完成的是SMT生產中的一個關鍵工序，它通過貼片頭吸取－位移－定位－放置等幾個動作，把所需元件快速準確地貼到PCB板上涂有錫膏的相應位置[1-2]。貼片機運動控制的方法有很多，其中基于PLC的運動控制開發難度小、穩定性和拓展性好，易于熟悉和掌握，硬件功能組態方便，使用靈活，技術成熟，可靠性高[3-4]。本文在分析某中低速貼片機控制要求的基礎上，提出基于PLC的控制系統軟硬件設計思路，并就其中的關鍵技術進行了闡述。

1控制系統分析

貼片機控制系統包括運動控制系統與開關量控制系統兩部分。運動控制系統有PCB板、貼片頭控制與供料控制3部分。具體為PCB板的移動X1方向、貼片頭的X2-Y-Z-T方向、卷料與撕料電機控制，共7個動作[5]。開關量控制有電磁閥與指示燈控制。如圖1所示，PCB板與貼片頭5個軸的運動控制是貼片機控制的核心部分，也是控制設計的重點。貼片機的工作流程包括吸片、移動、檢測、定位、貼裝等。如圖2所示，整個貼片過程在PLC控制下是順序自動執行。首先，貼片頭通過X2軸和Y軸的移動，到達供料器的相應料口，Z軸方向移動接觸到元件后真空電磁閥得電，貼片頭處形成負氣壓將元件吸牢。然后，經傳感器檢測吸附成功后，T軸完成旋轉，經Y軸和X1軸移動到PCB板上預定的焊接位置。最后，Z軸方向移動接觸到PCB板后，真空電磁閥失電，貼片頭由負氣壓變為零氣壓，元件脫離貼片頭在PCB板上，從而完成了一個完整的貼片過程。接著，判斷是否所有貼片都已經完成，沒有完成則貼片頭移動到供料器拾取下一個元件，再重復進行上述的貼片過程；如此循環直到整個PCB板所有元件都貼片完成，貼片頭和PCB板都回到零位，等待下一個PCB板的貼片指令。

2運動控制系統組成

貼片機運動控制系統的7個動作，都是由步進電機驅動實現，各軸的硬件設計及控制方法基本相同。圖3所示為貼片機運動控制系統硬件框圖（以Y軸為例），由上位PC機、控制面板、PLC、Y軸步進電機驅動器、Y軸步進電機、傳動機構組成了一個開環控制系統。其他軸的控制結構及控制方法也與之相同，只是電機、電機驅動系統、傳動機構有所不同。上位機是裝有應用軟件的計算機，主要負責人機交互、參數設定。PLC根據上位PC機或控制面板發出的控制命令，運行內部程序輸出數字脈沖信號給步進電機驅動器，由步進電機驅動器控制步進電機動作。驅動器的功能是進行功率變換，并驅動電機實現正反、轉動與停止。貼片機中的執行機構由執行電機、傳送機構以及貼片裝置等組成，屬于最終的被控對象。常用的執行電動機一般有步進電機、數字式交流伺服電機和直流伺服電機，本貼片機系統是中低精度要求，因此采用的是步進電機。

3控制系統硬件和軟件設計

（1）硬件系統設計根據需要控制的負載種類與數量，選用無錫信捷科技有限公司XCM-60T-E運動控制型PLC，此PLC輸入36點/輸出24點，晶體管輸出，最多可支持10軸脈沖輸出，支持MOD⁃BUS通訊[8]。上位的工業計算機、可編程邏輯控制器和步進電機驅動器是貼片機控制系統的核心，通過7個步進電機驅動器分別控制7個步進電機運動；此外還控制兩個電磁閥與多個指示燈開關量。（2）軟件設計控制系統軟件包括PLC程序設計和上位機應用程序設計。PLC程序編寫與調試采用信捷XCPPro編程軟件和梯形圖語言。根據控制原理，設計的PLC程序共分4個部分：初始化及各軸回零、各軸點動與長動、參數保存、自動循環貼片。在上位機參數設定結束后，貼片機可脫離上位機在操作面板控制下，由工人發出具體的控制命令經由PLC、步進電機驅動器驅動步進電機獨立完成自動貼片。上位機應用程序采用.NET框架設計，包括程序界面、系統管理、參數設定和操作控制等功能模塊。通過開發的用戶程序界面可實現貼片機各參數的輸入和修改，顯示貼片過程中出現的異常。基于MODBUS通訊協議，上位機可以讀寫PLC控制程序或實時監控PLC的執行過程[9]。

4系統關鍵技術與實現

（1）各軸回零控制貼片機的貼片動作速度快、頻率高，如果不能精確回零，一定時間后因誤差的積累，將會大幅降低貼片的精度。因此，每個動作都必須設置零位，在啟動機器和每個動作的結束都要實現精確回零。一般選擇非接觸式的光電傳感器作為回零傳感器，如透光型光電開關。這類傳感器的體積小、靈敏度高；只接受紅外光，不會受外界其他光線信號的干擾而導致回零失敗或不精確回零[10]。此外，各軸回零還要考慮開機時各軸在零點的特殊情況，以免不能正確將累計脈沖寄存器清零，由于零點的不統一造成精度降低，甚至發生碰撞等嚴重的意外事故。（2）步進電機控制步進電機具有不要反饋就能對位置和速度進行控制、位置誤差不累積、快速啟停和保持制動等優點，是自動控制系統中常用的執行部件。但是在具體設置步進電機驅動器時需要兼顧高速性、平穩性、發熱和噪音等指標，選擇合適的電壓與電流；細分數的選擇以避開電機的共振頻率；脈沖指令中起動頻率設定不能超過牽入轉矩曲線，以免失步；設定好加減速時間，以免過沖。（3）供料控制貼片機的供料由撥料電機與卷料電機配合實現。撥料電機通過凸輪機構實現下壓-前移-上抬-后退動作；卷料電機通過連續轉動帶動齒輪機構卷繞料帶的薄膜，由于在卷動過程中直徑在不斷變化，需要在一定的時候打滑上抬空轉，否則會拉斷薄膜或誤撥料。在設計時撥料電機的脈沖數需要多次調試，才能準確實現4個動作。卷料電機的工作頻率的選擇要使得力矩小于卷好料帶后的阻力矩，實現上抬空轉；脈沖數要根據直徑最小時需要轉過的角度來換算得到。只有這樣，兩個電機才能準確協調地實現供料動作。（4）貼片速度與精度的提高為提高貼片的速度，貼片機7個軸都需要在不失步與不過沖的前提下，采用最大的啟動頻率、最高的工作頻率和最小的加減速時間。各個軸的負載不一樣，步進電機不完全相同，所以需要逐一調試確定。此外，還需要進行貼片過程的優化，解決好速度與精度的矛盾。

5結束語

目前我國貼片機的保有量已位居世界前列，但是由于沒有掌握貼片機的核心技術，幾乎全部來自進口。研制開發具有自主知識產權的高性價比的貼片機，可以節約大量外匯、打破國外的技術壟斷、推動電子產業的發展。本文設計并實現了基于PLC和步進電機的中低速貼片機運動控制系統，樣機測試表明能夠達到貼片要求的預期精度和速度。

參考文獻：

[1]顧俊強.QuadQSP_2型貼片機運動控制系統的改造設計與實現[D].蘇州:蘇州大學,2008.

[2]王洪洋,李述.自動化貼片機系統設計與實現[J].微電機,2017,50(09):79-82.

[3]李鑒明.淺析貼片機國產化的關鍵技術[J].科技資訊,2015,13(08):87.

[4]楊鑫.嵌入式貼片機運動控制系[D].太原:太原理工大學,2008.

[5]孫斐.基于PLC的貼片機控制系統[J].信息技術,2012(9):91-93.

[6]謝寶智.基于SFC的自動貼片機PLC程序設計[J].自動化技術與應用,2013,32(11):108-110.

[7]謝寶智.基于PLC的步進電機控制在貼片機中的應用[J].自動化技術與應用,2013,32(02):87-89.

[8]信捷科技電子有限公司.XCM系列運動控制型PLC操作手冊[K].2010.

[9]信捷科技電子有限公司.XC系列可編程控制器用戶手冊(基本指令篇)[K].2010.

[10]王建平,靖新.利用PLC脈沖輸出和高速計數功能實現軸的精確定位控制[J].沈陽建筑大學學報,2006,22(1):168-172.

作者：孫劍 謝寶智 單位：海沃機械（中國）有限公司