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开放式蠕动点胶机控制系统的研究 摘要 点胶是微电子封装工业中一道很重要的工序，点胶广泛用于集成电路封 装( a i c e ) 和表面贴装( s m t ) ，它利用某种方法将一定量的粘接剂挤压到基板 或基片上，以实现芯片和基板之间的粘接。胶滴的直径、一致性等质量问题 直接关系到封装产品的质量。随着点胶技术的发展，将使集成电路的总成本 大幅度降低。 基于运动控制器的数控系统，将p c 的灵活性与d s p 运算的高速性进行 系统集成，具有灵活的软硬件结构。本课题组针对点胶工艺流程的要求对点 胶机进行了设计和研究。根据点胶机实验装置的特点，结合深圳固高公司 g t 4 0 0 s v 运动控制器，以v c + + 6 0 为工具，确定了数控系统由研华 i p c ( i n d u s t r yp e r s o n a lc o m p u t e r ) 和深圳固高公司g t 4 0 0 s v 运动控制器组成， 开发了一套接触式蠕动点胶实验装置，且能达到较高的控制精度。本文主要 研究工作及结论如下： 首先，对点胶机蠕动泵的工作原理进行了介绍，接着分析了点胶系统对 点、线基本轨迹进行点胶的运动过程，得出了点胶时间和点胶厚度，点胶时 间和点胶长度的关系。通过对平面上整规的点阵列、散乱点、封闭曲线、非 封闭曲线的点胶过程进行分析，从运动控制角度提出了各种情况相应的改进 控制方法。由于z 轴的运动曲线会对点胶效果产生严重的影响，同时也为 了提高该轴的稳定性，通过阐述和分析直线型和指数型加减速曲线的优缺 点，我们最后决定选取s 形曲线作为该轴的运动曲线。根据蠕动泵的特点及 对自行设计的驱动电路的工作原理的介绍，我们用自行设计的驱动电路来驱 动步进电机，从而带动蠕动泵进行点胶，达到了较高的点胶精度。 硬件系统中通过对固高运动控制卡与外围部件的连接及运动控制卡和 各个轴的初始化，运动平台工作参数的设定，保证了点胶硬件系统正常工作。 重点对点胶平面内规则排列的点阵、不规则排列的散乱点等欲加工点如何进 行点胶的轨迹规划进行了较深入的探讨，根据数据结构中的图论方法，在分 析了回溯算法思想后，指出了它的缺点，我们运用解路径反转，找出其重复 解，然后运用从解空间树中将其删除的方法对回溯算法加以改进从而提出了 改进的回溯算法。由于点胶对时间要求很严格，虽然回溯算法计算出的解为 最优解，但是计算量太多，在欲加工点较多的情况下，改进的回溯算法也不 能较好地满足点胶的实时性要求。通过分析设计了能满足实际要求且算法复 杂度较小的最短闭合回路的算法，该算法避免了浩瀚的计算量，不是计算出 最短路径的最优解，在对实时性要求较高的点胶系统中，算出了近似的最短 路径( 近似最优解) 。该算法在点数较多的情况下，大幅度地提高了点胶速 度。 根据软件工程中的面向对象的方法、模块化的思路及多线程技术，自主 开发了点胶装置的软件控制系统。该系统具有代码编辑、数控代码查错解释、 参数设定、手动调校、自动滴胶、故障诊断、图形仿真等功能，同时也解决 了与其他c a d 软件的兼容性。 关键词：蠕动泵，点胶，最短封闭路径，运动控制器 i i r e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mf o r o p e n p e r i s t a l s i sd i s p e n s i n gm a c h i n e a b s t r a c t d i s p e n s i n g a so n eo fm o s t i m p o r t a n tp r o c e s s i nm i c r oe l e c t r o n i c e n c a p s u l a t i o nf i e l d ，i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ea d v a n c e di n t e g r a t e dc i r c u i t e n c a p s u l a t i o n ( a i c e ) a n ds u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ( s m t ) ，w h i c hi su s e dt o s q u e e z et h eq u a n t i t a t i v ea d h e s i v ef l u i di nas y r i n g eo n t ob o a r d so rs u b s t r a t e sb y s o m em e t h o d sf o rb o n d i n gb e t w e e nt h ec h i pa n db o a r d t h ep r o b l e m so ft h e g l u e ，s u c ha st h ed i a m e t e ra n dc o n s i s t e n c ya n ds oo n ，h a v eac l o s er e l a t i o n s h i p w i t ht h eq u a l i t yo ft h ep a c k a g i n gp r o d u c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i s p e n s i n g t e c h n o l o g y ，t h et o t a lc o s to fi n t e g r a t e dc i r c u i t w i l ld e c r e a s eg r e a t l y t h ec n cs y s t e mb a s e do nt h em o t i o nc o n t r o l l e ri n t e g r a t e dt h ep c s f l e x i b i l i t yw i t hh i g h s p e e do p e r a t i o no ft h ed s p ，w h i c hh a saf l e x i b l es t r u c t u r e f o rt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e a i m i n ga tt h er e q u i r e m e n tf o rt h ed i s p e n s i n g p r o c e s s ，w er e s e a r c ha n dd e s i g nt h ep e r i s t a l s i sd i s p e n s i n gm a c h i n e ( p d m ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep d ma n dt h eg o o g o l t e c hg t 4 0 0 s v m o t i o nc o n t r o l l e r ，v c + + 6 0a sat o o l ，ap e r i s t a l s i sd i s p e n s i n gm a c h i n eh a sb e e n d e v e l o p e d 。w h i c hc n cs y s t e m i s c o m p o s e do fa d v a n t e c hi p c ( i n d u s t r y p e r s o n a lc o m p u t e r ) a n dg o o g o l t e c hg t 4 0 0 s vm o t i o nc o n t r o l l e r a n di th a s r e a c h e dah i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n t h em a i nc o n t e n ta n dc o n c l u s i o no ft h i s d i s s e r t a t i o ni ss h o w na sf o l l o w s ： f i r s t l y ，a f t e rt h ep r i n c i p l eo f t h ep e r i s t a l t i cp u m po ft h ep d m ，w e a n a l y s e s t h ep r o c e s so fd i s p e n s i n gp o i n t sa n dl i n e st oa r r i v ea tt h er e l a t i o n s h i p so f d i s p e n s i n gt i m ea n dt h i c k n e s s ，d i s p e n s i n gt i m ea n dl e n g t h t h r o u g ha n a l y s i so ft h ed i s p e n s i n gp r o c e s so fr e g u l a rs p o ta r r a y ，s c a t t e r e d p o i n t s ，c l o s e d c u r v ea n dn o n c l o s e dc u r v e ，t h e p a p e rp u t s f o r w a r dt h e i m p r o v e m e n to fd i s p e n s i n gm e t h o d si nt h er e s p e c to fm o t i o nc o n t r 0 1 s i n c et h ez a x i sm o t i o n a lc u r v e s ss e r i o u se f f e c t so ng l u ee f f e c ta n dt h ea i mt oi m p r o v et h e s t a b i l i t y ，t h r o u g hi l l u s t r a t i n ga n da n a l y s i s i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f 1 i i l i n e a rc u r v ea n di n d e xc u r v e ，w es e l e c t e dss h a p ec u r v ea sza x l e sm o v e m e n t c u r v ea t l a s t a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ep d ma n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fa no w nd e s i g n e dd r i v e nc i r c u i tw h i c hi su s e df o rd r i v i n gs t e p p i n g m o t o rt oc a r r yt h ep d m d i s p e n s i n g ，t h es y s t e mr e a c h e dah i g h e rd i s p e n s i n g p r e c i s i o n j o i n i n gw i t hg o o g o l t e c hg t 4 0 0 s vm o t i o nc o n t r o l l e ra n dp e r i p h e r a lp a r t s ， i n i t i a l i z i n gt h em o v e m e n tc o n t r o lc a r d sa n de a c ha x i s e sa n dd e s i g n i n gt h e w o r k i n gp a r a m e t e r so fm o v e m e n tp l a t f o r mh a v ee n s u r e dt h en o r m a lw o r k i n go f d i s p e n s i n gh a r d w a r es y s t e m si nh a r d w a r es y s t e m ad e e pd i s c u s s i o na b o u th o w t op l a nt h ed i s p e n s i n gt r a j e c t o r yt ot h en o n - w o r k e dd o t ss u c ha st h er e g u l a ra n d n o n r e g u l a rr a n g e dd o t sl a t t i c eo nap l a n e ，o nt h eb a s i so ft h eg r a p h i c st h e o r yi n t h ed a t as t r u c t u r e ，a f t e ra n a l y s i s i n gt h er e c u r s i v ea l g o r i t h m ，a n dt h e np o i n t i n go u t i t ss h o r t c o m i n g s ，w eu s et h es o l u t i o n p a t h r e v e r s i o nt of i n do u ti t s r e p e a t s o l u t i o n s ，a n dt h e ni m p r o v et h er e c u r s i v ea l g o r i t h mb yd e l e t i n gt h er e p e a t s o l u t i o n sf r o mt h es o l u t i o n st r e e st oa r r i v ea tt h ei m p r o v e dr e c u r s i v ea l g o r i t h m a l t h o u g ht h er e s u l tb yr e c u r s i v ea l g o r i t h mi s t h eb e s ts o l u t i o n ，i ti s v e r y c o m p l i c a t e da n dt h ed i s p e n s i n gi ss t r i c t e dt ot h et i m e ，t h ei m p r o v e dr e c u r s i v e a l g o r i t h md i dn o ta l s om e e tt h er e q u i r e m e n tt oi m m e d i a c yw i t ht h em o r e n o n w o r k e dd o t s b ya n a l y s i s i n gas h o r t e s tl o o pp a t ha l g o r i t h mw h i c hc a nm e e t t h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n t ，h a ss m a l l e rc o m p l e x i t ya n da v o i dt h ea b u n d a n t c o m p u t a t i o n ，i tc a nc o m p u t ea na p p r o x i m a t es h o r t e s tp a t h ( a p p r o x i m a t eb e s t s o l u t i o n ) ，n o tt h eb e s ts o l u t i o ni nt h ed i s p e n s i n gs y s t e m ，w h i c hh a sah i g h e r r e q u i r e m e n t t ot h ei m m e d i a c y t h i sm e t h o dc a ng r e a t l ys h o r tt h ed i s p e n s i n gt i m e u n d e rt h em o r ed o t sc i r c u m s t a n c e s a c c o r d i n gt ot h em e t h o do ft h eo r i e n t e do b j e c to ft h es o f t w a r ee n g i n e e r i n g ， m o d u l a r i z a t i o nt h i n k i n ga n dm u l t i t h r e a dp r o c e s s ，ao w ns o f t w a r ec o n t r o ls y s t e m f o rd i s p e n s i n gh a sb e e nd e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a st h eb e l o wf u n c t i o n ss u c ha s c o d ee d i t o r ，c o d ec h e c k i n ga n dc o m p i l i n g ，p a r a m e t e rs e t t i n g ，h a n d l ea d j u s t ， a u t o m a t i cd i s p e n s i n g ，f a u l td i a g n o s t i c i a na n dg r a p h i c si m i t a t i o ne t c i nt h em e a n w h i l e ，i ta l s os o l v e dt h ec o m p a t i b l ep r o b l e m sw i t ho t h e rc a ds o f t w a r e k e yw o r d s ：p e r i s t a l t i c p u m p ，d i s p e n s i n g ，s h o r t e s tl o o pp a t h ，m o t i o n c o n t r o l l e r i v 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒琏， 日 期： 2 q q 坌生哟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：圭建导师签名：逸墨墨日期： 1 绪论 1 1 课题背景 集成电路产业已成为国民经济发展的关键，集成电路设计、制造和封装测试是集成 电路产业发展的三大支柱产业。微电子封装不但影响着集成电路本身的电性能、机械性 能、光性能和热性能，还影响其可靠性和成本，在很大程度上决定着电子整机系统的小 型化、多功能化、可靠性和成本，微电子封装越来越受到重视随着微电子技术的发展， 集成电路复杂度的增加，一个电子系统的大部分功能都可集成于一个单芯片的封装内【- 】。 这就要求半导体封装具有很高的性能：更多的引线、更密的内连线、更小的尺寸、更大 的热耗散能力、更好的电性能、更高的可靠性、更低的单个引线成本等。由于封装的热、 电、可靠性等性能直接影响着集成电路的性能，所以从上世纪8 0 年代起，半导体封装 技术，又称高级集成电路封装或a i c e ( a d v a n c e di n t e g r a t e dc i r c u i te n c a p s u l a t i o n ) 已逐 渐成了影响微电子技术发展的重要因素之一，并逐渐发展成为一门多学科交叉的热门科 技，如图1 1 所示。 图1 - l 封装设备关系图 f i g 1 - 1e n c a p s u l a t i o ne q u i p m e n tr e l a t i o n s h i p 表面贴装技术最显著的特点是提高了电路的密度，改善了电子性能；同时可以降低 工艺成本、提高产品质量和可靠性。表面贴装技术的核心是在焊接之前将元件贴装到印 制板焊盘区域使用的机器上 2 1 。这种机器和通孑l 元件插装机器比较，它是通用型的，能 够贴装不同类型的元件，它的设备度、精度和柔性都很高。随着表面贴装技术的发展， 半导体封装工业又将其用于芯片固定( d i e a t t a c h ) ，倒扣封装( u n d e r f i l l ) ，填充涂层 ( c o a t i n g ) 等方面。 陕两科技大学硕十学位论文 我国的集成电路市场需求量非常大，2 0 0 7 年我国石英晶体元器件的产量达到7 8 亿只； 预计2 0 0 8 年将达到8 3 亿只；2 0 0 9 年将达到8 8 亿只；2 0 1 0 年将达到9 2 亿只，但很多高 端产品的设计与制造的能力还十分薄弱，急待改善，】。 半导体封装过程中要广泛使用到各种封装流体，以对芯片进行机械保护及消除热应 力。封装过程中，流体的传送或转移一般都是通过点胶( d i s p e n s i n g ) 来完成。流体点胶 技术广泛用于芯片涂层( d i ec o a t i n gf o rc o b ) ，微机电产品( m e m s ) ，系统芯片( s y s t e m o nc h i p ) ，石英晶体谐振器等工艺过程，以及一些精度要求不太高的电子产品生产过程， 如磁头、电路板、变压器等。为了实现高质量的封装，除了选择合适的封装流体外，高 精度的点胶技术是一个关键因素t 。，。 1 2 点胶技术发展历史与趋势 1 2 1 传统的点胶技术 传统的点胶方式主要为大量式点胶，具体分为针移式点胶和屏刷式点胶 s - 6 。 a 针移式 针移式点胶过程中如图1 2 所示，针头以一种模式机械地移动到需要粘接的地方， 针头浸在胶液中且胶液在针头凝结。然后针头移到电路板的上方以便胶液接触到电路板， 这样胶滴就被从针头转移到基板上，胶滴的质量决定于胶液本身的材料、针的直径、停 留时间和偏移高度。它是把黏合剂放到印刷电路板上的最快的方法之一，在自动化生产 中应用非常普遍。 针头| l4in 丛额 图1 - 2 针移式点胶 f i g 1 - 2p i ns h i f td i s p e n s i n g b 屏刷式 屏刷式点胶过程中如图1 3 所示，与需要点胶模式相匹配的工艺方法是在刷屏上切 割或展开，电路板放在屏幕下，橡胶扫刷把粘合剂刷到刷屏上，粘合剂被刷到刷屏上并 转移到电路板表面。关键参数包括刷屏厚度、橡胶扫刷压力、粘合剂材料和橡胶扫刷速 度。屏刷式也有一些缺点，就象针移式一样，屏刷式采用的是固定工具，所以缺乏灵活 2 性。但比起针移式，屏刷式能用更多不同的粘合剂材料。 图1 - 3 屏刷式点胶 f i g 1 - 3s c r e e nb r u s hd i s p e n s i n g 这种技术应用于一些简单电路板的封装过程中，例如收音机，电视机，汽车等一些 简单电路板的封装。 针移式和屏刷式这些传统的点胶方法优点：速度快，缺点：缺乏灵活性。同传统的 点胶方式相比，当前出现的接触式或非接触式点胶技术具有其独特的优越性。 1 2 2 点胶技术研究现状与趋势 a 点胶技术的分类 点胶过程简单讲就是将胶体运送到p c b 板固定的位置，以固定或保护元器件的一 个过程。随着s m t 不断变革，点胶技术也在不断的发生变化，适应的环境越来越广， 采用的胶体种类、粘度范围也越来越多。根据点胶技术的特征现代点胶技术可分成：接 触式点胶( c o n t a c td i s p e n s i n g ) 和非接触式点胶( n o n - c o n t a c td i s p e n s i n g ) 。 1 ) 接触式点胶( c o n t a c td i s p e n s i n g ) 接触式点胶根据点胶头的类型又可以分成如下几种t m 】： ( 1 ) 时间压力型点胶 如图1 - 4 ( a ) 所示，由于时间压力型点胶技术采用脉动的空气压力和针管实现对胶 水流体的控制，所以使用控制简单易于实现。 优点：经济、操作方便，适用性好，方便清洗，可用于变压器、扬声器、芯片、塑 料壳体等各种物件。 缺点：时间压力型点胶技术采用脉动压缩空气会加热胶体并改变其粘度和胶体大小； 随着针筒内的胶量的改变，点出的胶量也会跟着变化，响应速度越来越慢。 陕两科技人学硕i 学位论文 a ) 时闸，压力点股b ) 括赛泉点驳c ) 旋转螺纹点肢 图1 4 接触式点脞的分类 f i g1 - 4 t h ec l a s so f c o n t a c t d i s p e n s e r ( 2 ) 活塞泵点胶 活塞式点胶采用类似活塞一气缸的机构柬点胶。如图1 4 ( b ) 所示，点胶过程是采用 恒定的气压使胶体流入到开口的气缸中，然后由电机驱动的活塞将气缸密闭并产生运动， 直到将腔l i 的胶液体从点胶头挤出。 优点；点出胶屋一致性较好，对胶体粘度、温度、和压力不敏感。 缺点：利用机械运动来点胶，速度不快；点胶量太小不好调节。 ( 3 ) 螺杆计量泵点胶 如图l _ 4 ( c ) 所示，螺杆计量泵点胶技术，采用全新设计的点胶头来提高点胶性能。 典型的计量泵为阿基米得计量管。点胶过程是采用恒定的气压使腔体流入螺纹空隙，电 机带动螺杆使胶水从针头流出。 优点：控制简单，适用的胶体较广可以用软件编程决定点出的胶量，控制灵活且精 确度比时问压力型高，有较高的一致性。采j ；i 移动式点胶头的方法能够较方便地点胶出 曲线等基本图元。 缺点：这种技术对胶体粘度删样比较敏感，螺纹反复旋转会降低粘度，点胶量一致 性受到波面高度、气压、胶体粘度、温度等影响。 阻上介绍的三种接触式点胶，该方式点胶针尖和被点胶工件之间的距离对点胶效果 具有很大的影响，为了克服这个缺点，非接触点胶技术应运而生，这种最近发展的点胶 技术其基本原理与喷墨打印机喷墨的原理类似。 2 ) 非接触式点胶( n o n c o n t a c td i s p e n s i n g ) 非接触式点胶不需要z 轴方向的运动，这点与接触式点胶不_ j ，这样的话就极大 了减少了点胶周期，且不需考虑针尖剩p c b 板之间距离对点胶质量的影响，一致性也 有所提高。常用的非接触式点胶方式有： ( 1 ) 喷射式点胶( j e td i s p e n s i n g ) 如图1 - 5 ( a 、，胶体被注射器内的恒压挤到喷嘴和活塞之| 1 i j 的空腔内，通过马达快速 驱动活塞上下往复运动喷射出胶体，可以实现高速点胶。但机械结构复杂，清洁麻烦； 成本很高，不方便维护；同样还受到流体粘度变化影响。 ( 2 ) 压电式点胶( p i e z o e l e c t r i c d i s p e n s i n g ) 如图1 5 ( b 1 ，压电陶瓷是具有双向作用的介质，可以实现电- 力相互转化。在压电陶 瓷上通以高频率交流电，产生的作用力可以使压电陶瓷做同频震动。在点胶过程中，胶 体被注射器内的恒压挤到喷嘴和压电陶瓷之间的空腔内，压电陶瓷沿喷嘴轴向震动，挤 出胶体。 a ) 喷射武点胶b ) 压电式点胶 圈l - 5 非接触式点胶的分类 f i gl 5t h ec l a s s o f n o n - c o n t a c t d i s p e n s e r 非接触式点胶过程中，喷嘴不与工作面接触，喷嘴尺寸一定的情况f t 可以通过在 同一位置连续喷射多点叠加柬达到调节胶点尺寸的目的。该方式的缺点是机械问题复杂 并经常需要拆卸清洗，且需要一个加热器并要大约2 0 分钟的预热。影响非接触式点胶 质量的主要冈素有：胶体温度、活塞的直径、喷嘴内径、和行程等。 这几种点胶方式的应用领域与技术水平如表1 - l 所示h ： 表1 - 1 几种点胶技术参数的对比 t a b l - 1p a r a m e k bc o m p a r i s o n o f s e v e r a ld i s p e n s i n g t e c h n o l o g y 陕两科技大学硕士学位论文 b 点胶技术的发展趋势 点胶技术受到内部和外部因素的影响，质量很难实现一致性。对点胶来说，点胶体 积和点胶形状是衡量点胶效果两个重要的指标，我们希望胶点体积能保持一致性以及胶 点有比较稳定的形状。由于点胶中作用参数和流体运动的复杂性，对点胶系统来说很难 实现这种一致性的结果。 对于接触式点胶来说，该技术发展较早而且相对成熟，在生产实践过程中，获得了 很多经验，也总结出了许多对点胶质量产生影响的参数和因索，如流体粘度、流体温度、 针筒剩余流体高度、针筒内气压、针头的直径和长度、点胶高度、点胶结束时的回溯高 度和速度等等，但是对于这些因索分析都是停留在定性分析上，不同的人可能会有所变 化。这种不精确的、非定量的、不完整的总结，在不同工况下，对于生产的指导意义有 限。 国内外这些年来在减少电子产品的尺寸和降低生产成本方面上投入了大量的研究， 这样电路芯片和封装尺寸就一直有减少的趋势。超大规模集成电路向着超小体积但每片 却含更多的元件这样的趋势发展方向，这必然影响到点胶技术的发展，点胶技术也必然 要适应集成电路工业发展的需要，未来点胶技术发展的趋势应是：适应智能微系统和小 尺寸元件的需要，使点胶出来的点、线尺寸更小；在降低生产成本的基础上，提高点胶 速度、精度和一致性；使点胶效果在不确定的环境中更加稳定。 1 3 开放式数控技术的发展及其特点 数控技术是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量技 术、机械制造等多项技术。数控系统( 包括数控装置和伺服单元) 作为数控技术的核心 部件，其性能的改进及技术的发展给予机械加工设备以“质”的变化，奠定了现代柔性 制造技术、计算机集成制造技术及未来的智能制造技术的基础。自1 9 5 2 年美国人帕森斯 研制成功了首台数控系统后，5 0 年来机床数控系统比任何一种用于机床的控制技术发展 都快。特别是过去的1 0 年，为了满足市场和科学技术发展的需求，现代制造技术对数控 设备提出了更高的要求。从性能上而言，除了高速、高精度、高可靠性和柔性化，集成 化、智能化与网络化成为新一代数控发展的必然趋势；从市场适应性而言，加工的多样 化和专业化对加工“个性化”的要求日益增强。只有开发研制能较方便地增加专用功能 的、带有个性化的数控系统才能切实地满足多样化、专业化市场的需求。 根据i e e e 的定义，开放式数控系统应能使各种应用系统有效地运行于不同供应商 提供的平台上【- o 】，具有与其他应用系统相互操作及用户交换的特点。可概括为j i l l ： ( 1 ) 开放性：建立开放结构控制器平台，使控制系统具有硬件无关性，用户可根据 需求选用p c 机，利用p c 机上w i n d o w s 环境形成良好的人机界面。 6 ( 2 ) 移植性：用户可随意增加或减少控制功能，配置不同的伺服轴数和p l c 点数， 并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 ( 3 ) 扩展性：通过开放结构控制系统平台，可任意添加应用模块。 ( 4 ) 开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通信接口( 同轴电 缆或光缆) 和通信协议，用于高速通信和网络互连。 作为工业应用越来越广泛的工业p c 机，除了具有一般通用计算机的特点外，还由 于具有开放式的模块化结构、较强的数据处理能力、很好的实时性能、较强的工业环境 适应性、高可靠性、丰富的过程i o 、良好的软件开发环境，以及高性能的网络和通信 支持等优良性能，使其在世界各国工业界得到广泛的应用。基于工业p c 机的c n c 系统 是一种新型的开放式数控系统，可以满足开发者和用户适应环境改变或新技术出现而要 求修改、扩展系统功能的要求，可以更好地适应现代制造系统发展的要求。 就工业p c 与数控系统结构形式而言，当今世界上的开放式c n c 系统大致可分为三 种类型： ( 1 ) “p c 嵌入n c 结构的开放式数控系统：把一块p c 主板插入传统的c n c 机器 中，p c 板主要运行于非实时控制，c n c 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制； ( 2 ) “n c 嵌入p c 结构的开放式数控系统：把运动智能控制板插入p c 机的i s a p c i 标准槽中作为实时控制用，而p c 机主要作非实时控制，主要处理一些对实时性要求不 严格的任务； ( 3 ) 纯p c 型开放数控系统：其开放式功能完全由软件实现，这种系统目前正处于 研究探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。 “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统，是以软件技术的研究和开发作为主体，辅 之以智能运动控制卡的控制系统，主要硬件设备采用市场流行的工业p c 机和多轴运动 控制器。这种系统的特点是灵活性好、性能稳定、可共享计算机的所有资源，是当今最 为理想的开放式数控系统。p c + n c 系统的典型代表有，美国d e l t at a u 公司用p m a c 多 轴运动控制卡构造的p m a c - n c 系统、日本m a z a k 公司用三菱公司的m e l d a s m a g i c 构造的m 地t r o l 6 4 0 c n c 系统等 i h 。 目前，基于p c 平台，使用运动控制器的开放式数控系统正在得到广泛的应用。由 于p c 的通用性、开放性，各种接口、协议的透明与稳定，许多厂家开始生产专门的基 于p c 的运动控制器。这些运动控制器遵循标准的p c 总线，如i s a 、p c i 等。提供各种 函数、动态链接库等作为应用程序与运动控制器的接口。在通用p c 平台的基础上，用 户只需要选择适合自己需要的运动控制器，使用通用的编程语言和运动控制器厂家提供 的a p i ，就可以搭建十分个性化的数控系统。这种模式以模块化的方式向用户提供运动 控制器，不仅适应了开放式系统的发展趋势，同时在很大程度上减少了用户的开发风险， 7 陕西科技大学硕十学位论文 缩短了开发周期，提高了系统的柔性，并且为设备改造节约了大量的人力物力，使用户 从底层的开发中解放出来，可以将精力集中在对设备更好的控制上。目前，各种形式的 运动控制器在机床行业得到了广泛的应用。 1 4 课题研究内容及意义 1 4 1 课题研究内容 蠕动点胶机是一个复杂的系统，需要精确控制点胶流量和点胶的位置。针对课题需 要，以自主研发的蠕动泵为基础，开发一套基于开放式蠕动点胶机应用系统，通过高性 能的运动控制卡和高精度的运动平台实现点胶系统的准确定位。基于p c 机设计软件实 现对点胶系统的控制。为了实现对点胶过程的分析和控制，提出了以工业p c 机为核心、 采用g t 4 0 0 s v 运动控制器控制的蠕动式点胶机的数控系统。 利用工控机、运动控制器，研制开放式蠕动点胶机数控系统，系统能对点胶整个加 工过程进行控制，该系统具有加工仿真可视化，人机交互界面的友好性，系统高可靠性 等优点。具体研究内容包括如下几点： ( 1 ) 结合硬件和机床本体，开发可视的、交互的数控点胶编程系统； ( 2 ) 对数控程序进行编译处理，生成可直接来控制加工的数据； ( 3 ) 对平面内不规则排列的点在进行点胶时的轨迹规划进行了初步探讨，采用图论 的方法，对各种最短闭合回路的程序算法进行比较后，给出满足实际要求且算法复杂度 较小的最短闭合回路的程序算法； ( 4 ) 在参数设置及处理模块中，介绍了对数控系统各轴的基本参数进行设置，根据 具体的胶液设置蠕动泵的延时时间，z 轴距点胶基板的高度等； ( 5 ) 对数控编程结果进行运动模拟、各种校验； 1 4 2 本课题研究的核心技术 ( 1 ) 运动控制技术 ( 2 ) 点胶加工工艺技术 ( 3 ) 人机交互界面设计 ( 4 ) 轨迹优化设计 ( 5 ) 软件模块化设计技术 8 2 蠕动点胶机的关键部件及运动分析 根据点胶工艺需要，点胶装置为一个三维伺服运动平台，其机械结构采用笛卡尔直 角坐标结构，可以分为水平臂的x 方向运动，工作平台的y 方向运动以及z 轴的垂直 往复运动。通过控制交流伺服电机，带动滚珠丝杆转动，从而带动丝杆螺母副的直线运 动，进而控制工作台和z 轴的运动。 在现实的工业点胶过程中，为了满足点胶效果的要求和生产进度的需要，很有必要 对点胶过程进行分析，然后在此基础上，对蠕动点胶机的运动进行合理的规划，达到良 好的点胶效果和生产效率。 本章首先介绍了蠕动点胶机的总体结构，接着讲述了关键部件蠕动泵的工作原理， 着重分析了在对点、线进行点胶加工的时序，接着对点胶过程中x 、y 和z 轴的运动进 行了分析，相应地提出采用何种运动方式进行点胶，并对其中的关键部件z 轴的运动模 式做了详细分析，得出了z 轴的运行过程时间表达式，最后对z 轴的运动加减速的轮廓 曲线进行了数学分析。 2 1 蠕动式点胶机介绍 2 1 1 蠕动点胶机技术指标 点胶装置所要求的运动速度、运动精度比较高，要能够实现在高速、高加速的情况 下，高精度点位控制和轨迹控制。当前基于i p c 平台，使用运动控制器的开放式数控系 统正在得到广泛的应用，这种系统的特点是灵活性好、性能稳定、可共享计算机的所有 资源。硬件结构利用工业p c 机作为主体，运动控制器插在其p c i 标准插槽上，因此该 搭配完全可以满足点胶要求，所以采用i p c 机外接高精度的控制板卡( g t - 4 0 0 运动控制 卡) ，通过p c i 接口( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 将运动控制器插入i p c 中，外 接端子板、输入输出接口卡、伺服电机驱动模块、自主设计的蠕动泵等构成硬件总体结 构构成点胶机系统。 点胶试验装置所需达到的技术指标为： ( 1 ) 运动平台工作范围：3 0 0 x 3 0 0 8 0 m m ； ( 2 ) x y z 轴运动设计参数：最大加速度0 4 9 ；x 、y 轴最大速度5 0 0 m m s ；z 最大 速度5 0 0 m m s ： ( 3 ) x y z 轴运动精度：x y 轴0 0 3 m m ；z 轴0 0 1 0m m ； ( 4 ) x y z 轴运动重复定位精度：x y 轴0 0 2 5m l i l ；z 轴o 0 1i i l l n ； ( 5 ) 运动分辨率：x 。y 轴耋0 0 2 5m m ；z 轴耋0 0 2i l l l l l ； 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 1 2 蠕动点胶机总体结构 点胶机总体结构示意图如图2 - 1 所示： 圈2 - i 蠕动点胶机示意图 f i g2 - 1p e r i s t a l s i sd i s p e n s i n gm a c h i n es k e t c hm a p 点胶机开机后开始正常工作，当x y 平台定好位置后，z 轴带动点胶器运动到点胶 高度。z 轴的运动状态将直接关系到胶滴质量的好坏，特别是z 轴的运动重复性影响点 胶高度，而点胶高度对胶滴的一致性起着至关重要的作用：如果点胶的高度过低，则 有可能会发生损坏针头、破坏胶滴的圆整性以及刮伤基板等情况；如果布胶高度过高， 则会引起拖尾拉丝、胶滴不均匀以及漏点和黏接搭桥等现象m i 。同时z 轴的运动速度对 胶滴的一致性也有较大影响，为了提高点胶效率，在点胶过程中采用z 轴向下运动的过 程与挤腔过程同时进行，z 轴运行速度及速度的变化都会对胶液从针头的流动状态产生 较大的影响，所以对z 轴的控制和其控制参数的选取都至关重要。 因为课题组为了克服传统接触式时间压力型点胶机点胶质量不精确、点胶泵清洁和 保存困难等缺点，采用蠕动泵进行点胶。通过高精度的步进电机驱动蠕动泵提高了点胶 质量，而点胶加工最基本的加工为涂点、涂线，涂线过稗也可以理解为连续的涂点过程， 又从前面分析可知z 轴的往复运动对胶点的质量起关键作用，所以下面重点讨论蠕动点 胶机的关键部件蠕动泵的工作原理和对点、线进行点胶z 轴动作的步骤和每个动作的时 序。 2 2 蠕动泵工作原理 传统的点腔机主要采用接触点胶中的时间压力型点胶系统，其主要存在着以下缺 点，如对温度十分敏感，对周围温度的变化和在点胶过程中产生的内部热都饭敏感、由 于气压传送中受到影响和胶体非线性的流变特性等因素，点胶质量难以保持一致：清洁 和保存繁杂：对于高粘度的股体，接触式点胶中针尖胺体易残留，即拖尾效应明显，严 重影响点胶一致性m l 。为了克服时间压力型点胶机的以上缺点，课题组采用步进电机带 动蠕动泵进行点胶。蠕动泵工作原理图如图2 - 2 所示 豳2 - 2 蠕动泵t 怍原理 f i g2 - 2 t h e 叩n c i p l e o f p e t i s t a h i cp u m p 蠕动泵的工作原理是基于弹性软管通过凸块同方向挤压产生交替伸缩来输送胶体， 它的运行就像我们的喉管和食道那样。内壁光滑、强度u t 靠的软管安装在泵体内部通 过转盘上的两个凸块同