（机械电子工程专业论文）表面贴装设备自动定位系统研究与开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着电子产品向微型化、便携式、网络化和多媒体方向迅速发展，s m t ( s u r f a r e m o u n t t e c h n o l o g y 表面贴装技术) 在电子工业中正得到越来越广泛的应用，并且在许多 领域部分或全部取代了传统电子装配技术，s m t 的出现使传统电子装配技术发生了根 本的、革命性的变革。在s m t 装备研制过程中，涉及到两项关键技术：其一是视觉位 置误差反馈信号的计算与获取，另一个是运动控制系统的精确定位。本课题引入欧姆龙 视觉传感器为p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 印刷电路板) 的定位提供位置反馈信号，大大 缩短了工控机i p c 的c p u 占用时间，提高了系统响应的实时性，并对现有运动控制卡、 驱动器和开关量信号输入卡进行了硬件和软件两方面的改进，提高了系统定位精度和响 应速度，本论文具体完成以下工作： 1 应用欧姆龙视觉传感器为锡膏印刷机p c b 的定位提供位置反馈信号，提高系统定 位精度和锡膏印刷的生产效率。 2 改进现有运动控制卡，充分利用现有运动控制芯片对回原点运动的原点信号与驱动 器相位信号叠加功能的支持，将驱动器初相位信号输入运动控制卡，便电机回原位 的定位精度得到很大的提高， 3 改进现有步进电机驱动器，从现有驱动器控制芯片中引出电机初相位信号，并输入 运动控制卡，配合运动控制卡进行电机回原位动作的控制，提高电机回原位动作的 定位精度。 4 改进开关量输入卡，在现有输入卡的基础上，添加一块a t 8 9 c 2 0 5 1 单片机，通过 该单片机为系统提供中断响应和中断优先权分配功能，提高系统的实时响应性能。 5 在l i n u x 操作系统下编写运动控制卡的驱动程序，并将其置入内核，提高运动控制 的灵活性、实时性，并完成锡膏印刷机控制系统应用软件的开发。 6 设计机构单独测试、机构故障自诊断，机构故障自恢复等智能化控制功能，提高锡 膏印刷机控制系统的稳定性、可靠性。 关键词：运动控制；机器视觉；设备驱动；l i n a x 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to na u t o m a t i cp o s i t i o ns y s t e mf o r s u r f a c em o u n t e dd e v i c e s a b s t r a c t w i t ht h em i n i a t u r i z a t i o no f e l e c t n i cp r o d u c t ，s m th a sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r i ne l e c t r o n i ci n d u s 廿y w eh a v et od e a lw i t ht w ok e y t c c h n o l o g i e si nt h er e s e a r c ha n d d e v d o p m e n to fs m td e v i c e s o n ei st h e 蛳l a c e m e n tc a l c u l a t i o nu s i n gm a c h i n ev i s i o n ，t h e o t h e ri sp r e c i s em o t i o nc o n t r 0 1 t 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c eo m r o nm a c h i n ev i s i o ns 既i s o rt o p r o v i d em a c h i n ev i s i o nd i s p l a c e m e n tc a l c u l a t i o n ，a n di m p r o v eo t lt h em o t i o nt e n e lc a r d ， s t e pm o t o rd d v e ra n ds i g n a li n p u tc a r dt op r o v i d ep r e c i s em o t i o nc o n t r 0 1 b l o wi st h em a i n c o n t e n t st h i sp a p e rw o r k e dw i t h ： 1 u s i n go n l r o nm a c h i n ev i s i o ni n s p e c t o rt op r o v i d ef e e d b a c kf o rm o t i o nc o n t r 0 1 2 i m p r o v eo nc u r r e n tm o t i o nc o n t r o lc a r d ，i n p u tp h a s es i g n a li n t oc o n t r o lc h i pt oa 山a n c e t h ep r e c i s i o no f o r i g i nr 研u r n ，c o n t r o lc h i pw i l ls t o pg e n e r a t ep u l s e so n l yw h e nt h eo r g s i r e da n dp h a s es i g n a li sa v a i l a b l ea tt h es s x l l et i m e 3 t a k eo u tp h a s es i g n a lf r o mc u r r e n ts t e pm o t o rd r i v e r c o o p e r a t ew i t hm o t i o nc o n t r o lc a r d t oe l t h a n c et h ep r e c i s i o no f o r i g i n1 1 时哪 4 p r o v i d ei n t e r r u p tr e s p o n s ea n di n t e r r u p tp r i 嘶t yd i s t r i b u t ef u n c t i o nf o rs i g n a li n p u tc a r d 5 w r i t ed e v i c ed r i v ef o rm o t i o nc o n t r o lc a r do nl i n u x 。a n dm o u n ti ti nk e r n e lm o d e i m p r o v et h es y s t e m sf l e x i b i l i t ya n d r e a lt i m er e s p o n s i b i l i t y 6 w r i t ec o n t r o ls o f t w a r ef o r s t e n c i lp r i n t e ri nl i n u x 7 p r o v i d ed e v i c es e p a r a t et e s t ，f a u l td i a g n o s e ，s y s t e ms e l f r e s u m ea n ds o m eo t h e rf u n c t i o n s t oi m p r o v et h es t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n da u t o m a t i cc o n t r o li n t e l l i g e n c eo f s t e n c i lp r i n t e r k e y w o r d s ：m o t i o nc o n t r o l ；m a c h i n ev i s i o n ；d e v i c ed r i v e r ；l i n u x i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盐纽日期：! ! 奎! 叠 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、搏士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丝红 导师签名： 世年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 自从无线电技术发明的那天起，电子装联技术就相伴诞生了。但在电子管时代，人 们仅用手工烙铁焊接电子线路，电子管收音机是当时主要产品。新兴学科的兴起，犹如 一石激起千层浪，2 0 世纪4 0 年代，晶体管的诞生，高分子聚合物的出现，以及印刷电 路板的研制成功，人们开始尝试搀晶体管以及通孔元件板上，使电子产品结构变得紧凑， 体积开始缩小。2 0 世纪5 0 年代，英国人研制出世界上第一台波峰焊接机，人们将晶体 管一类通孔元件插装在印制电路板上，采用波峰焊接技术实现了通孔元件的装联后，半 导体收音机、黑白电视机迅速在世界各地普及流行。波峰焊接技术的出现开辟了电子产 品大规模工业化生产的新纪元，它对全世界电子工业生产技术发展的贡献是无法估量 的。 2 0 世纪6 0 年代，在电子表行业中，为了实现电子表的微型化，人们开发出了无引 线电子元件，并将其直接焊接到印刷板的表面，实现了电子表微型化的目的，这就是今 天称之为“表面贴装技术”的雏形。 表面贴装技术，英文称之为“s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ”简称s m t ，它是将表面 贴装元器件贴、焊到印制电路板表面规定位置上的电路贴装技术，所用的印制电路板无 需钻插装孔。具体的说，就是首先在印制电路板焊盘上涂布焊锡膏，再将表面贴装元器 件准确地放在涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电路板直至焊锡膏熔化，冷却后便实 现了元器件与印制电路板的互联。进入2 0 世纪7 0 年代，以发展消费类产品著称的日本 电子行业敏锐地发现了s m t 的先进性，并迅速在电子行业推广，很快推出了s m t 专用 焊料( 焊锡膏) 和专用设备( 贴片机、再流焊炉、印刷机) 以及各种片式元器件，极大 的丰富了s m t 的内涵，也为s m t 的发展奠定了坚实的基础。2 0 世纪8 0 年代，s m t 生 产技术日趋完善，用于表面安装技术的元器件大量生产，价格大幅度下降，各种技术性 能好、价格低的设备纷纷面世。用s m t 贴装的电子产品具有体积小、性能好、动能全、 价位低的综合优势，故s m t 作为新一代电子装联技术被广泛应用于各个领域的电子产 品装联中。航空、航天、通信、计算机、医疗电子、汽车、办公自动化、家用电器等行 业，真可谓哪里有电子产品，哪里就有s m t 。到了2 0 世纪9 0 年代，s m t 相关产业更 是发生了惊人的变化，片式电容元件自2 0 世纪7 0 年代生产以来，尺寸从最初的 3 2 r a m 1 6 m i n x1 2 m m 已发展到现在的0 6 m i n x 0 3 r a m 0 3 m m ，体积从最初的6 1 4 r a m 3 发展到现在的0 0 1 4 r a m 3 ，其体积缩小到原来的0 8 8 。 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 片式元件的的发展还可以从i c 外形封装尺寸的演变过程来看，i c 引脚中心距已从 最初的1 2 7 r a m 快速过渡到0 6 5 r a m 、0 5 m m 和0 4 r a m 。如今i c 封装形式又以展新的面 貌出现在人们面前，继塑封有引脚芯片载体( p l a s t i cl e a d l e s sc h i pc a r d e r ，简称p l c c ) 和多引脚方形扁平封装( q u a df l a tp a c k a g e ，简称q f p ) 之后又出现了球栅阵列形的表 面封装器件( b a l lg r i da r r a y ，简称b g a ) ，c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 和f c 等，令人 目不暇接。与元件相匹配的印制电路板也从早期的双面板发展为多层板，最多可达5 0 多层，版面上线宽已从0 2 0 3 m m 缩小到o 1 5 m m ，0 1 0 m m ，甚至到0 0 5 r a m 。 如今人们所见到的电子产品，无论是外形尺寸还是重量更是大幅度减小。以手提摄 像机为例，2 0 世纪9 0 年代初体积为2 5 0 0 m m 3 ，重2 5 k g ，到了1 9 9 9 年，体积仅为5 0 0 m m 3 ， 重5 0 0 9 。再如手提电话，2 0 世纪9 0 年代初重4 0 0 9 ，每台售价达2 万元之多，到了2 0 世纪9 0 年代末，仅重5 7 9 ，价格降至2 0 0 0 元上下。用于s m t 大生产的主要设备 贴片机也从早期的低速( 1 秒片) 、机械对中，发展为高速( o 0 6 秒片) 、光学对中， 并向多功能、柔性连接模块化方向发展；再流焊炉也由最初的热板式加热发展为氮气热 风红外式加热，能适应通孔元件再流焊且带局部强制冷却的再流焊炉也已经实用化，再 流焊时的不良焊点率已下降到百万分之十以下，几乎接近无缺陷焊接。 s m t 技术作为新一代装联技术，仅有4 0 多年的历史，但却充分显示出其强大的生 命力，它以非凡的速度，走完了从诞生、完善直至成熟的路程，迈入了大范围工业应用 的旺盛期。因此把它称之为装联技术的“第二次革命”是当之无愧的。 1 2 表面贴装技术的优点以及工艺流程 1 2 1 s 盯的优点 ( 1 ) 贴装密度高 片式元器件比传统穿孔元件所占面积和重量都大为减少。一般来说，采用s m t 可 使电子产品体积缩小6 0 ，重量减轻7 5 。通孔安装技术元器件，它们按2 5 4m m 网格 安装元件，而s m t 贴装元件网格从1 2 7 r a m 发展到了目前的0 6 3m i l l 网格，个别达0 5n 1 1 n 网格的安装元件，密度更高。例如一个6 4 引脚的双列直插( d i p ) 集成块，它的贴 装面积为2 5m i n x 7 5n l l n ，而同样引脚采用引线间距为0 6 3m i l l 的方形扁平封装集成块 ( q f p ) ，它的贴装面积为1 2 r n m x1 2 r a m 。 ( 2 ) 可靠性高 由于片式元器件的可靠性高，器件小而轻，故抗震动能力强，自动化生产程度高。 贴装可靠性高，一般不良焊点率小于百万分之十，比通孔插元件波峰焊接技术低一个数 大连理工大学硕士学位论文 量级，用s m t 贴装的电子产品平均无故障时间( m t b f ) 为2 5 万小时，目前几乎有9 0 的电子产品采用s m r 工艺。 ( 3 ) 高频特性好 由于片式元器件贴装牢固，器件通常为无引线或短引线，降低了寄生电感和寄生电 容的影响，提高了电路的高频特性。采用s m c 及s m d 设计的电路最高频率达3 g h z ， 而采用通孔元件仅为5 0 0 m h z 。采用s m t 也可缩短传输延迟时间，可用于时钟频率为 1 6 m h z 以上的电路。若使用多芯片模块m c m 技术，计算机工作站的高端时钟频率可达 1 0 0 m h z ，由寄生电抗引起的附加功耗可降低2 至3 倍。 ( 4 ) 降低成本 印制板使用面积减小，面积为采用通孔技术面积的1 1 2 ，若采用c s p 安装，则其 面积还可大幅度下降： 印制板上钻孔数量减少，节约返修费用； 频率特性提高，减少了电路调试费用： 片式元器件体积小、重量轻，减少了包装、运输和储存费用： 片式之器件( s m c s 姗) 发展快，成本迅速下降，一个片式电阻己同通孔电阻价格 相当，约0 3 美分，合2 分人民币。 ( 5 ) 便于自动化生产 目前穿孔安装印制板要实现完全自动化，还需扩大4 0 原印制板面积，这样才能使 自动插件的插装头将元件插入，若没有足够的空问间隙，将碰坏零件。而自动贴片机采 用真空吸嘴吸放元件，真空吸嘴小于元件外形，可提高安装密度。事实上小元件及细间 距q f p 器件均采用自动贴片机进行生产，以实现全线自动化生产。 当然，s 埘大生产也存在一些问题，如： 元器件上的标称数值看不清，维修工作困难： 维修调换器件困难，并需专用工具： 元器件与印制板之间热膨胀系数( c t e ) 一致性差。随着专用拆装设备及新型的低 膨胀系数印制板的出现，它们已不再成为阻碍s m t 深入发展的障碍。 1 2 2 表面贴装技术的组成以及工艺流程 表面贴装技术通常包括：表面贴装元器件、表面贴装电路板及图形设计、表面贴装 专用辅料焊锡膏及贴片胶、表面贴装设备、表面贴装焊接技术( 包括双波峰焊、再流 焊、汽相焊、激光焊) 、表面贴装测试技术、清洗技术以及表面贴装大生产管理等多方 面内容。这些内容可以归纳为三个方面：一是设备，人们称它为s m t 的硬件；二是装联 - 3 一 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 工艺，人们称它为s m t 的软件；三是电子元器件，它既是s 婀的基础，又是s m t 发展的 动力，它推动着s m t 专用设备和装联工艺不断更新和深化。 表面贴装技术是一组技术密集、知识密集的技术群，涉及到元器件封装、电路基板 技术、印刷技术、自动控制技术、软钎焊技术、物理、化工、新型材料等多种专业和学 科。在设备方面，如贴片机，多为从国外引进，近年来又引进柔性好适应面宽的设备， 这些设备都采用计算机控制，由计算机、图像识别系统、传感器、伺服系统组成控制系 统，涉及计算机控制理论、图像识别等多种学科知识。一般贴片机采用焊接结构为基础 机架，采用大量精密灵敏组件如滚动丝杆、滑动直线导轨、磁性流体阻尼器件等，巧妙 地组装上气动系统、真空系统和电气控制，与机械式凸轮分配轴系统相结合，广泛采用 同步带传动，涉及到机械学的各个领域。中、高速贴片机运行速度快，振动频率高，一 旦紧固松动、传感器移位、结构件错位、任何一个电接触浮动都会导致设备不能正常运 行。事故原因需从机、电、光几个方面寻找，故要求s m t 人员机电并通，具有丰富的机 电一体化学科知识。在新型材料方面，焊膏和胶水都是触变性质流体，它们引起的缺陷 占s m t 总缺陷的6 0 ，熟练掌握这些材料知识才能保证s 仃质量。s 婀还涉及多种装联 工艺，如印刷工艺、点胶工艺、贴放工艺、固化工艺，只要其中任一环节工艺参数漂移， 就会导致不良品产生。 。 s m t 生产线装备主要包括锡膏印刷机、点胶机、贴片机、超声波回流焊和质量检测 装置。其主要工艺流程如下：p c b 锡膏印刷锡膏印刷质量检测元件贴装点胶一 一点胶质量检测元件贴装贴装质量检测超声波回流焊接焊接质量检 测p c b 性能检测。 s m tt 艺有两类最基本的工艺流程，一类是锡膏一再流焊工艺，另一类是贴片一波 峰焊工艺。在实际生产中，应根据所用元器件和生产装备的类型以及产品的需求，选择 单独进行或者重复、混合使用，以满足不同产品生产的需要。现将基本的工艺流程图示 如下： ( 1 ) 锡膏一再流焊工艺，如图2 1 所示。该工艺流程的特点是简单，快捷，有利 于产品体积的减小。 大连理工大学硕士学位论文 = ：j _ 盛删鼻青 謦蔓元停 凹，一长元件) 图2 ，1 锡膏一再流焊工艺流程图 ( 2 ) 贴片一波峰焊工艺，如图2 - 2 所示。该工艺流程的特点是利用双面板空间，电 子产品的体积可以进一步减小，且仍使用通孔元件，价格低廉。但设备要求增多，波峰 焊过程中缺陷较多，难以实现高密度贴装。 一氲j 州啪整一 匕当匕当 当- 毛芦 秘确 瓶燃斛 骶 曰 广_ j 、! r r r 图2 2 贴片一波峰焊工艺流程图 凸 若将上述两种工艺流程混合与重复则可以演变成多种工艺流程供电子产品贴装之 用，如混合安装。 ( 3 ) 混合安装。该工艺流程特点是充分利用p c b 双面空间，是实现安装面积最小化 的方法之一，并仍保留通孔元件廉的优点，多用于消费类电子产品的贴装。 ( 4 ) 双面均采用锡膏一再流焊工艺。该工艺流程的特点是采用双面锡青一再流焊 工艺，能充分利用p c b 空间，并实现安装面积最小化，工艺控制复杂，要求严格，常用 于密集型或超小型电子产品，移动电话是典型产品之一。 一5 - 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 1 3 表面贴装技术发展的国内外现状 1 3 1 锡膏印刷机国内外公司和装备技术指标 锡膏印刷机是将锡膏印刷在需要焊接的敷铜条上，此类设备分为半自动和视觉全自 动。生产此类设备的公司有德国西门子、a t l a n t i c 、日本日立、三洋、松下、英国得可 ( d e k ) 、韩国三星、l g 、美国m p m 、合资企业日东、科隆等。美国m p m 公司的 m p mu p3 0 0 0u l t r a f l e x 视觉全自动印刷机具有专利光学式双镜头视觉定位系统( 光学 定位重复精度0 0 2 5 姗 6s i g m a ) 、闭路印刷头或挤压式印刷头、锡膏不足自动添 加、p c b 板厚自动检测、z d 锡膏覆盖率自动检查、3 d 锡膏厚度自动检查等功能。日 本三洋公司的t p m 1 0 0 高速高精度印刷机也具有专用光学定位系统，重复印刷精 度小于1 0 z m ，印刷节拍8s e e 块( 包含印刷时间) 。日本松下公司的s p 2 8 p - - d h 超 高速印刷机重复印刷精度达7 5 o n 。 1 3 2 点胶机国内外公司和装备技术指标 点胶机处于锡膏印刷机和贴片机之间的点胶工序上，完成贴片位置的点胶工作。生 产此类设备的公司有美国c 0 0 k s o n 电子设备公司的c a m a l o tx y f l e xp r o 点胶封胶 机，最高速度达1 2 万点1 小时。 1 3 3 贴片机国内外公司和装备技术指标 i c 贴片机将s m t 元件粘贴在p c b 的相关位置上，此类设备分为中速、高速高精 度和超高速高精度等几种。生产此类设备的公司有德国西门予、a t l a n t i c 、a u t o t r o n i k 、 日本日立、富士、三洋、松下、雅马哈、韩国三星、l g 、美国m p m 、环球仪器公司、 港资企业日东电子设备等。 三洋高科技有限公司的t c m 一3 0 0 0 系列直接驱动高速高精密贴片机中d d ( 直 接驱动) 机械旋转头分辨率0 0 0 7 。脉冲，带x 、y 、z 三轴实时校正补偿功能。 a s s e r n b l e o n 公司的a c mm i c r o 多功能高精度贴片机，用于高精度贴装异形组 件，产能4 5 0 0 片1 小时，贴装精度9 n n 3s i g m a ；f c mm u l t i f l e x 超高速表面贴装 机，产能1 0 万片小时，贴装精度7 5 o n 3 s i g m a ；雅马哈公司的y v l 8 0 x g 超高速 贴片机，产能9 5 m s 片，贴装精度5 0 i z m ；曰立高科技株式会社的t n 订5 l o o 系列 高质量多功能贴片机，其贴装头具有2 组共4 套直接驱动机械旋转头，超高分辨率0 0 0 7 。脉冲；富士公司的c p 7 4 3 e 高速贴片机产能6 8 m s 片；西门子公司的s i p l a c e h s - - 5 0 超高速贴片机，产能5 万片1 小时，贴片精度6 7 5 p n 3s i g m a ；日本c a s l 0 6 大连理工大学硕士学位论文 公司y c m 一8 8 0 0 v f 贴片机，产能9 6 m s 片，贴装精度4 1 - 3 0 a n ，全光学视觉系统， 装有8 台元件识别摄像机，4 台p c b 标记识别摄像机；松下公司o h 4 0 2 - - l 超高速贴 片机，产能6 0 m s 片。 1 3 4 质量检测设备国内外公司和装备技术指标 质量检测设备根据生产批量的不同要求又分为全自动检测机、人工检测机或混合式 检测机。全自动质量检查机是利用光学或x 光对焊锡膏印刷、贴片精度、焊接质量进 行非接触检查的设备，在s m t 生产线上位于印刷机、贴片机和回流焊机的后工序。生 产此类设备的公司有日本欧姆龙公司、南韩三星公司、德国a t l a n t i c 公司、p h o e n i x 公 司、美国a g i l e n t 科技公司、英国d o g e 公司、台湾帝仕高公司等。德国a t l a n t i c 公司 的o p t r i x 2 d 3 d 焊锡膏全自动二维三维光学检测机可用于检测焊膏厚度和元件贴 装位置，检测速度可达1 1 5 c m 2 s 。台湾帝仕高公司的m v p 系列a o i 自动光学检查机， 用于检查器件的虚焊，最快扫描速度1 2 0 个图像秒，图像定位用线性电机控制，精度 达2 o n 。德国p h o e n i x 公司的b e n e h l m a t ex 光检测系统，用于精密间距焊点虚焊、短 路等故障的检测，多轴控制，分辨率 3 a n 。英国d o g e 公司的x l 6 5 0 0 系列x 光检 测系统甚至能检测锡球气泡，全方位3 6 0 。探测，分辨率达到了1 o n 。日本欧姆龙公司 系列自动光学检测系统，检测速度1 2 5 m s - 2 5 0 m s 屏，共有4 7 种分辨率。 m a c r o t r o n 公司的x 光检测仪最小聚焦点1 3 l a n ，台湾德徕科技股份有限公司的 t r - - 7 1 0 0 超高速影像检测机速度高达3 0 0 幅s 。 1 3 5 运动控制国内外公司和性能指标 运动控制经历了直流调速、交流调速和变频调速的发展阶段，对于精密高速运动则 侧重发展了步进电机开环控制，直流伺服闭环控制和交流伺服闭环控制技术。其中步进 电机技术成熟并且成本低，主要应用于打印机，复印机，小型机床和自动生产线上；直 流伺服控制由于直流电动机的碳刷易磨损并且成本高，逐渐被可靠性更高的交流伺服系 统所取代，伺服系统广泛应用于机器入、数控机床、印刷、雷达和生产线等机械设备上。 生产此类产品的公司有国内的雷赛、众为兴、摩信等公司，美国的a n i r a a t i c s 公司， 丹麦的丹佛斯公司，日本的三洋电机、日立、三菱、松下、欧姆龙等公司。大部分运动 控制卡是以专用运动控制芯片为内核的，这种控制卡成本低但是性能有限，如雷赛公司 的d m c 系列运动控制卡，也有用d s p 芯片为内核的，这种控制卡成本高，但是可以达 到很高的控制精度和更短的响应时间，如摩信公司的m c t 系列运动控制器是基于网络 技术的开放式高性能d s p8 轴运动控制器，控制器的c p u 采用美国t i 公司的 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 t m $ 3 2 0 c 3 24 0m h zd s p ，主控机与控制器之间采用双向高速f i f o 进行通讯，可提供 1 8 轴高速、高精度直流交流伺服控制，实现8 轴插补控制、3 2 轴同步控制，内置 e e p r o m ，可预先将运动轨迹下载到e e p r o m 中，然后无须上位机c p u 的参与，由控 制卡自主控制电机运动。a n i m a t i c s 公司已经推出了控制卡、驱动器、电机一体化的运 动控制系统，最高可达到1 0 kr r a i n 的旋转速度，可选择双编码器实现位置全闭环控 制，提供r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 通信接口。丹佛斯公司在j 5 0 0 0 系列变频器上加上专用的同 步及定位控制卡完全实现了异步电机的伺服定位功能。欧姆龙公司的d r a g o n $ e r v o 系列 鼠笼型电动机伺服控制器，适用电机功率为0 2 2 2 0 k w ，上位机可通过r s - - 4 2 2 串行 接口进行多轴控制和同步控制。 1 3 6 机器视觉技术国内外公司和装备技术指标 欧姆龙v t 系列自动光学检测( a o i ) 设备以专利技术c o l o rh i g h l i g h ts y s t e m 为核 心，开创了p c b 自动光学检测系统新纪元。其中v r - r b t p 型适用于锡膏印刷后工序， 可检测锡膏印刷质量；v t - w i n 型适用于回流炉后工序，检测元件贴装及焊点的缺陷； v t - r b t s 型适用于贴片机后工序，检测元件贴装缺陷。 同类产品还有美国d v t 智能图像传感器、日本松下电工图像检查系统、德国西门 子一体化智能相机、美国d t 图像捕获卡等。 1 4 表面贴装装备的关键技术 s m t 装备是一项复杂的系统工程，其技术领域涉及到诸多学科，其中包括： 高速运动的精密定位 用于p c b 锡膏印刷工序p c b 的定位，点胶机的点胶头定位，贴片机直接驱动贴片 头的定位，光学和x 光检测装置中p c b 的定位等。它涉及步进电机、伺服电机、运动 曲线规划、位置信号反馈、运动执行机构积累误差实时校正补偿、运动控制的实时性、 系统动态响应及稳定性等诸多问题。 机器视觉位里偏差分析和反馈 用于高速运动的精密定位、工艺质量的二维或三维误差分析等。本课题利用机器视 觉作为运动控制精密定位的反馈信号，涉及视觉传感器与光学系统、图像处理技术等。 高速精密机械加工和装配 为了减小运动部件的转动惯量、提高系统的响应性能，还需要涉及到执行机构的小 型化、微型化设计，各部件的精密加工和装配。 大连理工大学硕士学位论文 1 5 本课题的研究内容和拟解决的技术关键问题 1 5 1 研究内容和技术关键问题 s m 本课题属于光机电一体化领域，研究内容涉及为精密定位算法提供必要反馈信 号的运动控制系统的硬件优化设计、自动产生定位误差反馈信号的机器视觉系统、l i n u x 平台下的驱动与控制软件编写、多轴运动控制定位算法的优化、强化软件系统的自诊断 能力，提高系统的稳定性和可靠性。具体来说，本课题主要研究以下内容： 1 针对p c b 锡膏半自动印刷机的p c b 手动定位精度差、速度慢等技术难题，利 用机器视觉系统产生定位误差反馈信号，自动调节p c b 与丝印模板的定位误差。 2 优化运动控制系统的硬件设计和定位控制算法，提高系统的定位精度，实现 p c b 锡膏印刷机的视觉自动精密定位，从而达到提高整条s m t 生产线生产效率的目的。 3 利用l i n u x 软件平台的实时性提高运动控制的快速响应能力。 4 针对p c b 锡膏视觉全自动印刷机的多运动机构的复杂性，强化软件系统的自 诊断能力，在保证系统高速响应和精密定位的前提下，提高系统的稳定性和可靠性。 1 5 2 本论文的独特之处 在现有专用2 4 0 芯片运动控制卡的基础上，增加中断响应、相位叠加、多轴运动同步 控制等功能 基于l i n u x 平台的运动控制卡低层驱动程序，放入操作系统内核，提高运动控制的实 时性和定位精度 利用独立的机器视觉传感器作为p c b 定位的反馈信号，提高p c b 定位精度和系统生 产效率 基于l i n u x 平台的p c b 锡膏印刷机控制系统应用软件 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 2 锡膏印刷机的组成与总体分析 2 1 锡膏印刷机系统概述 锡膏印刷机系统的基本组成包括如下子系统和总成：多轴运动总成、p c b 夹紧子系 统、p c b 固定子系统、可编程刮板头总成、视觉子系统、锡膏自动分配子系统、丝印模 板框架总成、清洗溶剂子系统、电气控制子系统。 锡膏印刷机系统的主要工作流程为：p c b 通过传输系统进人锡膏印刷机后。p c b 被夹紧子系统的专用夹具夹紧，通过多轴运动总成的z 轴驱动上升到印刷工位并由固定 子系统的夹紧装置固定，视觉系统依次根据p c b 和丝印模板上的各自两个定位孔的偏 差发出位置反馈信号，通过多轴运动总成的x 、y 、口方向的驱动，调节p c b 左右( 横 向) 、前后( 纵向) 移动，或旋转角度，使p c b 与丝印模板中心准确对齐。可编程刮 板头上的刮板前后移动将锡膏均匀地印刷在p c b 相应的敷铜条上，清洗溶剂予系统按 照预先编程设定的时间间隔定时清洗丝印模板，保持丝印模板间隙的清洁。p c b 固定子 系统放松，多轴运动总成的z 轴驱动p c b 夹具下降，夹具放松后p c b 被输送带送到点 胶机工序，完成一个工作循环。 2 2 多轴运动总成 锡膏印刷机结构简图如图2 1 所示。图中的x 轴框架、y 轴框架、口轴框架和z 轴 升降塔构成多轴运动总成，是印刷机中最关键的部分，其运动控制要求高速响应、精密 定位。 x 轴框架由步进电机驱动，使p c b 左右移动，并有左、右限位功能。y 轴框架由 步进电机驱动，使p c b 前后移动并有前、后限位功能。z 轴升降塔由伺服电机驱动，使 p c b 上下运动，并有上下限位功能。口轴由步进电机驱动，使p c b 顺时针或逆时针旋 转，转角范围一3 。+ 3 。 x 、y 、护轴的运动应同步进行，并且与视觉系统框架的x y 方向运动协调控 制。它们在高速运动情况下不仅要求定位准确，而且要求多次工作循环回原位不能有积 累误差，需要进行运动机构误差实时校正补偿。 z 轴升降塔由伺服电机驱动已被夹紧的p c b 快速上升下降。它有一个丝印传感器， 使p c b 自动上升到高度零位，即保证p c b 与丝印模板之间的距离保持恒定的设定值。 同时它也可设定可编程刮板头的高度，保证印刷锡膏的厚度为恒定的设定值。丝印传感 器发送丝印模板的位置信号给工控机i p c ，由工控机i p c 自动计算z 轴升降塔p c b 和 可编程刮板头相对于丝印模板的位置。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 锡膏印刷机结构简图 f i g 2 1s t e n c i lp r i n t e rs t r u c t u r ed i a g r a m 2 3 视觉系统 视觉系统结构简图如图2 2 所示。它由x y 门架总成和探测器组成，用于丝印 模板与p c b 中心自动对准。x y 门架的x 轴由一个步进电机驱动，并有+ 、一方向限 表面贴装设各自动定位系统研究与开发 位传感器限位；y 轴由两个步进电机驱动，并有+ 、一方向限位传感器。在x 、y 轴 三个步进电机的驱动下，带动探测器在x 、y 方向移动，寻找p c b 与丝印模板上四个 定位孔并输出其位置误差信号，使多轴运动总成的x - - y - - p 轴相应移动，完成p c b 与 丝印模板中心对准。 f l 嘎重俺蓐 图2 2 视觉系统结构简图 f i g 2 2v i s i o ns y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 探测器由摄像头、丝印模板灯、p c b 灯和视觉处理器灯组成。丝印模板灯和p c b 灯 使定位孔周围的光强维持恒定，避免外来光源对视觉系统的干扰。视觉处理器保存原来 设定的对准目标或基准图像，当摄像头摄入p c b 定位孔图像并传送到视觉处理器，视 觉处理器找出摄像头视觉范围内不同的对准目标，然后计算出调节定位误差所需要的 x 、y 轴移动量和p 轴转动量，并发送到工控机i p c 。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 丝印模板框架 利用激光精密加工而成的丝印模板利用适配条固定在框架上，框架上四个定位孔由 四个气动夹紧装置夹紧。在锡膏印刷期间，丝印模板框架固定不动。为了避免剩余锡膏 阻塞丝印孔隙，需要定时使用溶剂对它进行清洗，否则会使后续工序的元器件管脚虚焊 2 5 电气控制系统 电气控制系统原理框图如图2 ，3 所示。它主要由下列部分组成：电磁阀、运动控制 卡、机器视觉电源和信号放大视频处理单元；计算机和i 0 模块；步进电机驱动模块 和伺服放大器：环境控制单元。 电磁阀在气动系统中用于控制p c b 的夹紧、固定，丝印模板的定位、固定，p c b 进人、推出印刷工位等机械动作。机器视觉电源和视觉传感器为视觉系统提供稳定的光 源和视觉信号的提取、放大、转换、计算。计算机采集众多的输入光电隔离信号、传感 器信号，经处理后输出众多的执行器驱动信号、报警信号和故障自诊断信号。步进电机、 伺服电机驱动器按照计算机预先规划的运动曲线驱动相应的机械机构，并提供硬件、软 件的限位保护、运动机构定位误差实时校正补偿。环境控制单元借助温度湿度传感器 完成对印刷机内的温度进行控制、湿度显示和温度湿度超限报警功能。 图2 3 电气控制系统框图 f i g 2 3 e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 2 6 锡膏印刷机的技术规格 锡膏印刷机的技术规格如表2 1 所示： 表2 1 锡膏印刷机的技术规格 t a b l e2 1s t e n c i lp r i n t e rs p e c i f i c a t i o n s 参数名称 参数范围 机器尺寸 轨迹长度 电源 气压 温度 p c b 尺寸 印刷区域 模板框架尺寸 p c b 输入和输出高度 模板调整范围 视觉系统 视觉性能 可视范围 最大可调范围 精度 重复性 可编程橡胶滚轴 滚轴支架 滚轴类型 长；1 7 4 0 m ( 关门) 2 2 4 2 唧( 开门) 宽：1 1 9 4 n n 最大高度：2 2 6 1 n 重：1 1 2 5 k g 标准：1 2 9 5 嗍 可选：1 6 7 6 n n 2 2 0 v 5 0 6 0 h z2 0 a 3 6 公斤6 5 平方厘米- - 5 6 2 5 公斤6 5 平方厘米 1 0 一3 5 ”c 5 0 8 m m 4 0 5 m m ( 最大) 5 1 m i n x 5 1 m m ( 最小) 4 5 7 m m x 4 0 6 m m ( 最大) 7 3 7 m m x7 3 7 m m ( 更小的可调框架可选) 8 6 4 m m - - 1 0 4l m 可调 x 轴+ 1 2 7 m m 到1 2 7 m m y 轴：1 2 7 m m 到一1 9 1 r a m 旋转：+ 3 。到一3 。 x 轴：4 4 5 m m y 轴：4 0 5 r a m 水平：9 5 2 5 m m 垂直：7 6 2 m m 3 3 m m 3 3 m m 0 0 2 5 4 m m 0 0 1 2 7 m m 2 0 3 m m , 3 0 5 m m , 4 0 6 m m , 4 8 3 m m 双五面聚乙烯材料 双不锈钢 大连理工大学硕士学位论文 可调角度 自动模板擦拭机构 冲程 擦拭纸大小 粘贴机构 粘贴筒类型 分发路径 监视器 计算机系统 c p u 内存 硬盘 聚亚胺脂 每支架5 。 5 1 r a m 到4 0 6 r a m 可调 标准4 5 7 m m ，可选3 0 4 r a m 7 5 m l 和1 8 0 m l 4 0 6 r a m 1 4 v g a p e u t i u m i i i 1 2 8 m b 2 0 g b 表2 2 视觉系统技术规格 t a b l e2 2v i s i o ns y s t e ms p e c i f i c a t i o n s 参数名称参数范围 精度 + 一0 0 2 5 4 m m 重复性 + 一0 0 1 2 7 m m 可视范围9 5 2 5 m m 水平x 7 6 2 m m 垂直 可控范围3 3 m 肼2 对准方式 必须具有唯一形状 必须出现于印刷板或模板上 0 7 6 2 m m 到2 5 3 8 m m 表面贴装设备自动定位系统研究与开发 3 锡膏印刷机运动控制部件的分析与设计 系统电机驱动考虑使用步进电机和伺服电机，x - y - o 多轴运动总成和z 轴以外 的运动机构使用步进电机，z 轴使用伺服电机。步进电机驱动器选用m i c r o s y s t c m s 公 司的a 3 9 5 5 s b ，伺服电动机控制器选用欧姆龙公司的d r a g o ns e r v o 系列伺服电动机控制 器。下面着重分析步进电机和伺服电机的基本原理和应用中的技术问题。技术问题的解 决将在第四章阐明。 3 1 步进电机基本原理及应用 3 1 1 步迸电机基本原理 步进电机的种类很多，就常用的旋转式步进电机的转子结构来说，可将其分为以下 三种： 可变磁阻型 该类电机由定子绕组产生的反应电磁力吸引用软磁钢制的齿形转子作步进驱动，故 又称作反应式步进电机。这类电机的转子结构简单、转予直径小，有利于高速响应。不 过该类电机的定子与转子均不含永久磁铁，故无励磁时没有保持力。 永磁型 永磁型步进电机的转子采用永久磁铁、定子采用软磁钢制成，绕组轮流通电，建立 的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸引与排斥产生转矩。这种电机由于采用了永久磁 铁，即使定子绕组断电也能保持一定转矩，故具有记忆能力，可用作定位驱动。 混合型 这种电机转子上嵌有永久磁铁，故可以说是永磁型步进电机，但从定子和转子的导 磁体来看，又和可变磁阻型相似，所以是永磁型和可变磁阻型相结合的一种形式，故称 为混合型步进电机。它不仅具有v r 型步进电机步距角小，响应频率高的优点，而且还 具有p m 型步进电机励磁功率小。效率高的优点，是一种很有发展前途的步进电机。 这种类型的电机由转子铁芯的凸极数和定子的副凸极数决定步距角的大小，可制造 出步距角较小( 0 9 。3 6 。