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,並設計了由上位機、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製過程中的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。
貼片機 (SMT) 生產線主要設備包括印刷機、貼片機和
行。首先,貼片頭通過 X 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後真空電磁閥得電,貼片頭
回焊爐,輔助設備包括檢測設備、返修設備、清洗設備、幹
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 板上塗有錫膏
PLC
處形成負氣壓將元件吸牢。然後,經傳感器檢測吸附成功
後,
T軸完成旋轉,經Y軸和X 軸移動到PCB板上預定的焊接
位置。最後,
Z 軸方向移動接觸到 PCB 板後,真空電磁閥失
PCB 版
電,貼片頭由負氣壓變為零氣壓,元件脫離貼片頭在
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,再重複進行上述的貼片過程;如此循環直到整個
的相應位置 。貼片機運動控制的方法有很多,其中基於
的運動控制開發難度小、穩定性和拓展性好,易於熟悉和掌
握,硬體功能組態方便,使用靈活,技術成熟,可靠性高[3-4]
。
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本文在分析某中低速貼片機控制要求的基礎上,提出基
於 PLC 的控制系統軟硬體設計思路,並就其中的關鍵技術進
行了闡述。
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
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 X 方1
向、貼片頭的 X -Y-Z-T
2
方向、卷料與撕料電機控
制,共 7 個動作 。開關
[5]
貼片機各軸運動示意圖量控制有電磁閥與指示燈控制。PCB板與貼片頭5個軸的運動控制是貼片貼片機工作流程
機控制的核心部分,也是控制設計的重點。
運動控制系統組成
貼片機的工作流程包括吸片、移動、檢測、定位、貼裝
貼片機運動控制系統的 個動作,都是由步進電機驅動
實現,各軸的硬體設計及控制方法基本相同。圖3所示為貼片
機運動控制系統硬體框圖 (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。
(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;脈衝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,以免過衝。
(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-後退動作;卷料電機通
過連續轉動帶動齒輪機構卷繞料帶的薄膜,由於在捲動過程
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衝數需要多次
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
使得力矩小於卷好料帶後的阻力矩,實現上抬空轉;脈衝數
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。
貼片機運動控制系統組成
上位機是裝有應用軟體的計算機,主要負責人機互動、
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衝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,並驅動電機實現正反、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,屬於最終的
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,
因此採用的是步進電機。
(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
過衝的前提下,採用最大的啟動頻率、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。
3 控制系統硬體和軟體設計
(1) 硬體系統設計
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,電晶體輸出,最多可支持 10 軸脈衝輸出,支持 MOD
BUS通訊 。上位的工業計算機、可編程邏輯控制器和步進電
5 結束語
目前我國貼片機的保有量已位居世界前列,但是由於沒
有掌握貼片機的核心技術,幾乎全部來自進口。研製開發具
有自主智慧財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。本文設計並實
現了基於 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。
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) 軟體設計
控制系統軟體包括PLC程序設計和上位機應用程式設計。
PLC 程序編寫與調試採用信捷 XCP Pro 編程軟體和梯形圖語
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
位機參數設定結束後,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。上位機應用程式採用.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
(1) 各軸回零控制
動化技術與應用
XCM 系列運動控制型 PLC 操作手
貼片機的貼片動作速度快、頻率高,如果不能精確回
零,一定時間後因誤差的積累,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幹擾
而導致回零失敗或不精確回零。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衝寄
存器清零,由於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。
#貼片機#