（控制理论与控制工程专业论文）电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制.pdf

，二1 j一，1 _量1， 苏州大学学位论文使用授权声明 i i i ii i i i i i ii ii i iirill y 17 3 2 7 7 2 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在钆月解密后适用本规定。 非涉密论文囱 论文作者签名：筮童垒垫日期：2 “丛! l 二塑 导师签名： 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制中文摘要 中文摘要中又捅要 s m t 贴片机是电子制造业常用装备，贴片头是贴片机进行贴片工作的直接机 构，是贴片机关键技术之一。本课题根据报废的q s p 2 贴片机，利用它并不落后 的机械部分作为研发样机的机械平台，对贴片头已损坏和不可用的部件通过设计 加工和更换，完成贴片头的结构设计与控制。本课题具体工作有： 对贴片头的工作过程进行分析，加工设计了贴片头吸嘴，完成了贴片头的 气动部分设计，检查光学系统的可用性并购置了图像采集卡，检查伺服电机可用 性，设计制作贴片头的实效部分。 对贴片头的t 轴、z 轴电机的工作原理、模型和机械特性进行分析，接着 对电机进行基本参数测定，在研制样机的工控机上用固高的运动控制卡结合a m c b 3 0 a 8 伺服驱动器进行p i d 参数整定，完成t 轴与z 轴的控制。 结合t 轴与z 轴直流无刷电机的特性和系统设计要求制定了系统的控制优 化策略，详细论述了模糊p i d 控制器设计，并在m a t l a b 6 5 s i m u l i n k 环境下对模糊 控制的双闭环控制系统进行仿真分析，进行控制优化。 仿真结果证明了该方法的有效性，同时验证了参数自整定模糊p i d 控制优于 传统p i d 控制，前者具有响应速度更快、超调更小、稳定性和跟踪性能更好的特 点。 关键词：贴片头；结构设计；电机控制；模糊p i d 控制器；仿真 作者：徐玲艳 指导教师：张茂青 s t r u c t u r a ld e s i g na n dc o n t r o lo fm o u n t e dh e a do f e l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n gm o u n t e d e q u i p m e n t a b s t r a c t s m tm o u n t e dm a c h i n ei sa l l i m p o r t a n te q u i p m e n to f t e nu s e di ne l e c t r o n i c m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a n di t sm o u n t e dh e a di st h ed i r e c ts t r u c t u r ei nt h em o u n t i n g w o r kt h a tm o u n t e dm a c h i n ec a r r i e so n i ti sak e yt e c h n o l o g yt h a th e l p sa l lo t h e r s t r u c t u r e sw o r kt o g e t h e rt h r o u g he l e c t r o m e c h a n i c a lc o n t r o ls y s t e m t h i sr e s e a r c hb a s e s o ns c r a p p e dq s p 一2m o u n t e dm a c h i n e ，a d o p t si t sd e v e l o p e dm e c h a n i c a lp a r ta san e w m e c h a n i c a lp l a t f o r m ，c h a n g e st h eu n u s a b l ep a r to fi t sm o u n t e dh e a d ，a n df i n i s h e st h e s t r u c t u r a lr e d e s i g na n dc o n t r o lo fi t sm o u n t e dh e a d t h es p e c i f i cw o r ko ft h i sp a p e ri sa s f o l l o w s ： a n a l y z et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h em o u n t e dh e a d ，d e s i g nt h es u c t i o nn o z z l eo f t h em o u t e dh e a di np r o c e s s ，c o m p l e t et h ep n e u m a t i cp a r to ft h em o u n t e dh e a d ，i n s p e c t t h eu s a b i l i t yo f o p t i c a ls y s t e ma n dp u r c h a s ei m a g eg a t h e r i n gc a r d ，c h e c kt h eu s a b i l i t yo f s e r v om o t o r , d e s i g na n dm a k et h eo p e r a t i v ep a r to ft h em o u n t e dh e a d a n a l y z et h eta n dza x i se l e c t r i cm a c h i n eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，p a t t e r na n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em o u n t e dh e a d ，t h e nm e a s u r et h ee s s e n t i a l p a r a m e t e ro f e l e c t r i cm a c h i n e ，u s et h ef i x e d - h e i g h tm o t i o nc o n t r o lc a r dt oc o m b i n ea m c b 30 a 8 s e r v od r i v e rt os e tp i dp a r a m e t e ro nt h ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ro fr e s e a r c h i n g s a m p l e s ，f i n i s hc o n t r o l l i n gt a n dza x i s e s c o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t so fta n dza x i s d i r e c tc u r r e n tb r u s h l e s sm a c h i n et od r a wu ps y s t e m sc o n t r o lo p t i m u mt a t i c s ，d i s c u s s i n d i s t i n c tp i dc o n t r o l l e ri nd e t a i l s ，h a v eas i m u l a t i o na n a l y s i so nt h et w oc l o s e dl o o p c o n t r o ls y s t e mc o n t r o l l e dv a g u e l yu n d e rt h em a t l a b 6 5 s i m u l i n ke n v i r o n m e n ta n dc a r r y o na no p t i m u mc o n t r 0 1 s i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e st h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o d ，a n dm e a n w h i l ev e r i f i e st h a t p a r a m e t e r sa u t o t u n i n gi n d i s t i n c tp i dc o n t r o li ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 1 i t h ef o n i l e rh a sb e t t e rc h a r a c t e r i s t i c so ff a s t e rr e s p o n s es p e e d ，s m a l l e ro v e r s h o o t ， s t a b i l i t ya n dt r a c k i n gp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m o u n t e dh e a d ；s t r u c t u r a ld e s i g n ；c o n t r o lo fb l d c m ；f u z z y p i d c o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o n i i i w r i t t e n b y ：l i n g y a nx u s u p e r v i s e db y ： m a o q i n gz h a n g 目录 第一章绪论1 1 1 s m t 贴片机概述及研究意义1 1 1 1 表面贴装技术的概况，1 1 1 2 贴片机的组成”1 1 1 3 贴片机关键技术2 1 1 4 研究意义2 1 2 贴片头的国内外发展状况3 1 2 - 1 贴片头的国内的研究现状3 1 2 2 贴片头的国外的研究现状3 1 2 3 对q u a dq s p 2 型贴片机的研究4 1 3 课题来源7 1 4 论文的内容安排7 第二章贴片机的贴片头结构设计8 2 1 贴片机的贴片头工作过程分析8 2 2 贴片头吸嘴设计”1 0 2 3 贴片头的气动与真空系统设计”11 2 3 1 真空取料部分1 3 2 3 2 吸嘴气压控制回路1 4 2 3 3 吸嘴更换器的气动电路”1 5 2 3 4 真空度检测电路一1 5 2 4 光学视觉系统1 6 2 4 1 视觉系统的光源1 7 2 4 2 摄像器件1 7 2 4 3 图像采集卡1 7 2 5 伺服电机18 2 6 本章小结l8 第三章t 轴z 轴电机的工作原理与控制实现一1 9 3 1t 轴z 轴电机的结构1 9 3 1 1 电机本体2 0 3 1 2 逆变器”2l 3 1 3 转子位置传感器“2 l 3 2t 轴z 轴电机工作原理2 2 3 2 1 电枢绕组的联结方式”2 4 3 2 2 换相2 5 3 3t 轴z 轴电机的运行特性2 5 3 3 1 起动特性2 6 3 3 2 工作特性”2 6 3 3 3 机械特性和调速特性2 7 3 4t 轴z 轴无刷直流电机的数学模型2 8 3 5t 轴z 轴无刷直流电机的控制3 1 3 5 1t 轴z 轴无刷直流电机的基本参数测定3 1 3 5 2t 轴z 轴电机的驱动3 3 3 5 3t 轴z 轴电机的定位3 5 3 5 4t 轴z 轴电机的p i d 控制3 6 3 5 4 1 常规p i d 控制器3 6 3 5 4 2 固高运动控制器3 7 3 5 4 3 带有速度前馈和加速度前馈的p i d 控制器的设计3 8 3 5 4 3 贴片头t 轴z 轴电机的p i d 控制软件一3 9 3 6 本章小结4 0 第四章t 轴z 轴电机模糊p i d 控制器设计与仿真4 1 4 1 模糊控制基本理论4 l 4 2 模糊p i d 控制器设计4 2 4 2 1 模糊p i d 控制器思想4 2 4 2 2 变量模糊化及隶属函数的确定4 3 4 2 3 模糊控制规则表4 4 4 2 4 模糊条件语句一4 6 4 2 5 模糊推理及判决4 7 4 2 6 模糊p i d 参数的选取4 7 4 3t 轴z 轴电机调速系统模型的建立4 8 4 3 1t 轴z 轴无刷直流电机本体模块4 8 4 3 2 电流环控制模块5 1 4 3 - 3 速度控制模块5 l 4 3 4 三相参考电流模块5 2 4 3 5 转矩计算模块和转速计算模块5 3 4 3 6 逆变器模块5 4 4 4 控制系统仿真及其结果分析5 6 4 5 本章小结- 5 7 第五章结论5 8 5 1 总结5 8 5 2 展望5 8 5 - 3 心得与体会“5 8 参考文献5 9 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 2 致谢6 3 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 第章绪论 第一章绪论 1 1 s m t 贴片机概述及研究意义 1 1 1 表面贴装技术的概况 表面贴装技术，简称s m t ( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ) ，是无需对印制板钻 插装孔，直接将片式元器件或适合于表面组装的微型元器件贴装或焊接到印制或 其他表面规定位置上的装联技术【l 】。具体地说，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到涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电 路板直至焊锡膏溶化，冷却后便实现了元器件与印制电路之间的互联。 自从1 9 6 3 年世界上出现第一只表面贴装元器件和飞利浦公司推出第块表面 贴装集成电路以来，s m t 已由初期主要应用在军事、航空、航天等行业的尖端产 品和投资类产品逐渐广泛应用到计算机、通讯、军事、工业自动化、消费类电子 产品等各行各业，发展非常迅猛。进入8 0 年代s m t 技术已成为国际上最热门的 新一代电子组装技术，被誉为电子组装技术一次革命。我国s m t 技术的发展，仅 有十几年的历史，目前无论是片式元件生产线，还是贴装生产线，几乎全从国外 引进，而且这种状态还会延续下去。但在电子组装工艺技术方面的研究和应用还 是相当实力的，特别是近几年来随着大型的中外合资电子公司的增加，其工艺水 准基本达到与国外同步水平。 s m t 生产线主要设备包括印刷机、贴片机和回焊炉，辅助设备包括检测设备、 返修设备、清洗设备、干燥设备和物料存储设备等，其核心设备是贴片机。 1 1 2 贴片机的组成 贴片机实际上是一种精密的工业机器人，是机电光以及计算机控制技术的综 合体。贴片机的种类很多，但由于基本功能和要求是相同的，即要求能把元件高 速、高精度的贴装在印刷电路板的指定位置，按照各个功能模块，大体可分为以 下七个部分，如图1 1 所示。 第一章绪论 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 贴片帆 1 召辫il 贴片头il 元件供料系统li ，j 、搿计i 噍剿i 涂胶头i 旧卸系统 主 轴 驯陲 非 榷 驰 雏霎憔 葛i j | | | 图1 1 贴片机的组成 1 1 3 贴片机关键技术【2 】 1 精密机械一体化技术( 运动和执行机构以及相关技术；新型的运动机构， 解决大运动空间和小占有体积间的矛盾；宏微驱动能力的检测方法和技术相关。) 2 视觉与图像识别技术( 双照相机应用；下视、上视照相机；飞行对中技术； 高效、高速的图像采集、传输处理技术) 3 智能化精密控制技术( x y 运动机构高效、高速、减振、高可靠性精度控 制；贴片头系统复杂运动智能控制；z 轴运动及贴装力精密控制技术；吸取、检测、 贴装全过程最优化控制技术等) 4 模块化及系统集成技术( 高效、灵活、可升级的模块化结构；模块化应用 管理系统；安全、完善的设备接1 3 和通信协议；表面贴装生产线系统优化和集成 技术) 5 高效智能化软件技术( 高效实时多任务并行处理操作系统；产品设计文件 转化成贴片机程序；智能化程序优化贴片机管理及故障自动诊断系统；组装生产 最优化综合管理系统) 1 1 4 研究意义 一、从研发水平来看：我国贴片机的科研水平同发达国家相比，有很大差距， 缺少拥有自主知识产权的尖端技术，关键技术被国外垄断，国内制造业只能买上 百万的整机成品，处于十分被动的地位。 二、从技术本身来看：采用贴片机技术使得组装密度更高，电子产品体积更 小，重量更轻，可靠性更高，抗震能力增强，高频特性好，而且易于实现自动化， 提高生产效率，降低生产成本，一般来讲，采用贴片机生产的产品体积缩小4 0 - - - , 2 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 第一章绪论 6 0 ，重量减轻6 0 - - 8 0 。 三、从我国总体环境来看：我国特别是沿海地区电子工业蓬勃发展，大量引 进和购置了各种各类的贴片工艺设备。世界电子工业的中心已经转移到亚洲，而 亚洲又以中国市场为最大。同时中国电信工业的高速发展，大力推动了我国贴片 机技术的发展。并且苏州电子制造业发达，贴片机有很好的应用和发展前途。 1 2 贴片头的国内外发展状况 1 2 1 贴片头的国内研究现状 随着改革开放的逐步深入和我国的电子工业蓬勃发展，对表面贴装设备的需 要也日益增大。但是由于我国此类设备核心技术的薄弱，大部分的企业没有能力 研发具有自主知识产权的表面贴装设备，尤其是贴片机设备国内重要负责周边配 套设备的生产以及贴片机的调试、维护等服务工作。 目前关于手动贴片机国内已经有很多研究，也有一些产品问世。高进度的智 能化机器有些高校和企业也投了大量的资金，取得了很大的成就。就贴片头来说 上海交通大学已经研制申请关于贴片头的实用新型专利，专利号为0 3 2 3 0 7 7 7 t 引该 实用新型包括：贴片轴、滚珠、滚珠保持架、外套、支承轴承，其中，贴片轴插 入滚珠保持架，贴片轴和滚珠保持架一起设置在外套中，贴片轴的圆弧形槽和滚 珠配合，滚珠又和外套内孔的圆弧形槽相配合，外套的一端封住以防滚珠保持架 脱出，支承轴承安装在外套两端。由于滚珠在运动过程中作纯滚动，减少了运动 过程中的摩擦力和磨损，提高了整个贴片头的使用寿命。 1 2 2 贴片头的国外研究现状 西门子首先改进了贴片头。在s m t 的发展初期，s m t 机器都有一个很大很重 的贴片头，它围绕一个固定轴作中心旋转，而其它的组件( 如线路板、喂料器等) 则在贴片头附近移动。如果贴片元件的尺寸变化和设计变化不是很大，这样做 也无妨。但实际情况是，随着半导体和集成电路工业的发展，越来越多的功能被 压缩到一块芯片里，贴片元件也必须作相应的变化，这使得贴片元件的类型日 益复杂，因而贴片头的设计也要进行修改。西门子的s i p l a c e 系列贴片机采用 了其独特的线路板和喂料器不动而贴片头移动的技术。这就大大减轻了贴片头 的重量，体积也变得很小，整个机器也就变得很小了：大约只有一般贴片机的 三分之一。同时，其产量也大幅提高。 成品制造商们在购置设备和生产过程中，常常遇到这样三个问题：1 资金不 第一章绪论电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 足，无边购置大型、高精度和多功能贴片机；2 另一方面，大型、高精度和多功 能贴片机的功能太多，有些功能用不上，而要用到某项功能，专贴某一种元件时， 又显得速度不够，因而总体上看不太合理。3 随着倒装片等异形元件的出现，许 多大型、高精度和多功能贴片机显得不能胜任。 为此，f u j i 公司引入了一个新概念：柔性贴片系统川p 2 4 2 e 。它由主控机 和6 个工作模块即为一个贴片工作台，6 个工作模块分别负责6 种不同元器件的贴 装，即：小型与中型的c h i p 、最小脚间距为0 5 8 的q f p 、最小脚间距为0 2 8 的 q f p 、大型q f p 、b g a 与p l c c 、倒装片与c s p 。每个工作模块均配有独立的摄 像头、伺服马达驱动系统、带式传动系统和控制系统，每个工作模式还配有吸嘴 盒，可以自动而迅速地更换吸嘴，从而保证了系统具有足够高的速度和可靠的高 精度。由于主机采用了智能管理软件，整个系统的各个模块之间采用通讯网络进 行连接，因而无论使用几个工作模块或其中某个工作模块，整个系统都在主机的 监控下作为整体一起工作【4 j 。 如今，国外的各大公司都拥有自己的保密技术，贴片头的发展趋向于小型一 体化发展，具有高精度视觉辅助定位系统，如卡西欧贴片头图1 2 ，富士贴片头1 3 所示。 图1 2 卡西欧贴片头图1 3 富士贴片头 1 2 3 对q u a dq s p 2 型贴片机的研究 q u a dq s p 2 型贴片机是9 0 年代中期的主流机型，其生产厂家为美国q u a d 公 司，主要生产中型中速贴片机，同时也销售相关配件【5 1 。但目前在国内外已经很少 听说q u a d 的机器，调查发现其是被美国泰科电子集团( t y e oe l e c t r o n i c s ) 所收购， 在三星集团中也有其部分机型。因此，由于此类机型大部分已遭淘汰，q u a d 贴片 4 互i ! 冀：l - 一蒋 ；，蚋4 ：o ；_ 猷气 ：，0 ： ? ” 一， i i ： 图1 4 q u a dq s p - 2 贴片机 具体性能参数为： 表1 1q u a dq s p 2 型贴片机性能参数 基本参数 最大贴片速度( c p h ) 1 4 0 0 0 可贴装元件尺寸范围0 4 0 2 q f p 2 0 8 可贴装元件厚度( m m ) l o m m 料槽容量 1 3 4 贴片头主轴数( 个) 4 - 贴片头数( 个) 2 贴片平均精度( r a m ) 0 0 0 7 6 贴片重复精度( t u r n ) 0 0 2 5 4 贴片压力( g ) 2 1 0 3 6 0 机身尺寸( 伽) 。 2 1 4 1 2 0 1 8 8 输入电压( 功 2 0 8 2 4 0 功率( 峰值) ( k w ) 4 4 定位系统参数 x y 轴驱动电机无刷直流电机 5 第一章绪论电子制造装薪贴片机的贴片头结构设计与控制 x _ y 轴位置反馈系统r s f m s 系列光栅尺 x - y 轴脉冲精度( r a m ) 0 0 0 5 x y 轴重复精度( m m ) o 0 2 x - y 轴定位精度( 朋m ) 0 0 2 5 x 吖轴最大速度( 砌) 1 5 x 轴加速度( m s 2 ) 9 8 y 轴加速度( m s 2 ) 1 4 7 z 轴驱动电机无刷直流电机，带齿轮齿条 z 轴位置反馈系统旋转编码器 z 轴脉冲精度c r a m ) 0 0 0 5 z 轴重复精度( m m ) 0 0 2 5 t h e t a ( 0 ) 轴驱动电机 无刷直流电机，带齿轮齿条 t h e t a ( 0 ) 轴脉冲精度( 脚朋) 0 0 0 3 5 。 t h e t a ( 0 ) 轴重复精度( 脚肌) 0 0 1 。 传送机构与支撑台 p c b 板尺寸范围( r a m ) 6 6 0 4 7 6 2 3 8 1x 4 5 7 2 p c b 板厚度范围( r a m ) 0 3 8 1 5 0 8 传送带高度( m m ) 9 5 2 5 1 2 7 传送速度( r a m s e e ) 1 2 7 5 0 8 计算机控制系统 操作系统 w i n d o w sf o rw o r k g r o p u s3 11 p c 处理器 d u a li n t e l4 8 6p r o c e s s o r sw i t hs v g am o n i t o r 视觉系统 视觉引擎 i c o sm v s2 0 0 ，2 5 6 灰度 处理时间( 舰s ) 1 5 0 照明系统 l e d 照明区域( r a m ) 7 1 8 x 9 6 5 6 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 第一章绪论 1 3 课题来源 课题以苏州大学s m t 实验室的q u a dq s p 2 型贴片机为研究对象，研究和开 发贴片头的结构以及控制问题，主要完成结构改进和提高贴片机结构的控制精度。 s m t 实验室是苏州大学与旭电( 苏州) 科技有限公司合作建立，为中央与地方共 建实验室，拥有总价值7 0 0 万人民币的整套s m t 生产线，是苏州大学和旭电( 苏 州) 科技有限公司的技术人才培养基地，同时也是苏州大学s m t 科研实验的基地。 贴片头部分包含了电子电气系统、视频识别系统和气动系统，还包括吸嘴等 部件，本课题要设计新型运动机构，解决解决大运动空间和小占有体积间的矛盾。 我们充分保留原有可利用的并不太落后的机械结构，如机架的双路输送轨道、供 料器等，重新设计加工替换了贴片头吸嘴等一系列部件，并对研制样机进一步改 造设计，改善机器的运行特性。我们的研究工作对于提高我国s m t 生产线的国产 化和自动化水平、推动我国s m t 技术和i t 技术的发展具有一定的现实意义和应 用前景。 1 4 论文的内容安排 本课题在深入研究q u a dq s p 2 型贴片机运动控制系统的基础上，立足于工程 实际，进行了贴片头的结构改造与设计，协助小组的其它成员完成贴片机的整体 联动。具体工作安排如下： 第一章介绍了贴片头运动控制系统的特点，国内外发展状况，以及本文的研 究意义和论文的内容安排。 第二章对贴片头的工作过程进行了分析，设计加工了吸嘴，设计了贴片头上 的气动系统，检测其余零件的有用性，为贴片机的联动打下了实验基础。 第三章详细介绍了t 轴z 轴电机的结构及工作原理，推导了电机的数学模型， 并在实验样机上用固高运动控制卡结合b 3 0 a 8 伺服驱动器完成对t 轴z 轴电机的 驱动。 第四章首先介绍了模糊的基本概念，依据无刷直流电机调速系统的特点设计 了模糊p i d 控制器，在s i m u l i n k 环境下建立了模糊控制系统模型，实现电机转速 模糊控制的双闭环控制系统仿真。 第五章最后对论文进行了总结，并简单说明了今后进步研究的工作方向。 7 第二章贴片机的贴片头结构设计电子制造装备贴j 机的贴片头结构没计与控制 第二章贴片机的贴片头结构设计 贴片头是贴片机进行贴片工作的直接机构，是贴片机的关键部件。贴片头一 般配置一个或多个机械夹具或真空吸嘴，通过机电控制系统使各部件能协同工作。 在取料后经过自动校正，把元件准确贴放在指定的位置。 2 1 贴片机的贴片头工作过程分析 本实验室研究的对象为报废的q u a dq s p 2 型贴片机，贴片头是平动式。贴装 时p c b 板固定，贴片头在x y 方向平动，吸嘴随贴片头平动，做z 轴直线运动和 t 轴转动，如图2 1 所示。 贴片头z 轴 勰 进板系统夕 - w 轴 x 轴 图2 1 贴片系统各轴组成 贴片头上的吸嘴吸取元件前，先进行真空检测，以确认上一循环贴片成功且 吸嘴完好：取料后，再进行真空检测，以确认元件拾取元件成功，而后面临的就 是“对中 问题，即将元件的中心与贴装头的主轴中心线保持一致，所以需要一 个视觉拍照过程( 视频检测) 和角度位置调整过程( t 轴调整) 【6 1 。真空检测时如 发现有错误或拍照中识别错误，则需要进行抛片操作，即进行一次吹气操作( 抛料 过程) 。取料不成功，有可能是吸嘴被异物堵塞，抛料过程的吹气操作可以将异物 去除；拍照中影像识别错误，可能是拾取元件有误或所拾取的元件有缺陷，抛片 后可在下一个循环中重新取料。贴片前再进行一次真空检测，以确认吸嘴上元件 正常，可进行贴片操作。若贴装真空检测发现错误，该吸嘴贴片失败，直接进入 下一个循环的取料过程。吸嘴操作流程如图2 2 所示。 8 一一 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 第二章贴片机的贴片头结构设计 图2 2 吸嘴操作流程 本课题的任务是更换实验样机贴片头上不能用的零部件，重新设计加工吸嘴， 理清贴片头上的气路走向，检测贴片头上光学视频系统等硬件是否可用，最终实 现t 轴z 轴的精确控制，协助实验室的小组成员完成贴片机的整体联动。贴片头 的结构如图2 3 所示。 图2 3q u a dq s p 一2 型贴片头 9 第二章贴片机的贴片头结构设计电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 2 2 贴片头吸嘴设计 贴片机的吸嘴不仅是贴片机吸取元件进行贴、放动作的关键零件，而且也是 光学视觉系统的照相机拍照时的背景，它主要是运用真空的吸附原理进行元件的 吸取工作，而运用吹气把吸附在吸嘴的元件放到电路板的坐标位置上。如图2 4 和 2 5 所示i 空腔内不断加入 气体形成高压腔 图2 4 吸嘴真空吸取元件图2 5 吸嘴吹气吹出元件 在实际的运用过程中，针对不同的元件要选用不同的吸嘴。由于细小元件的 应用，吸嘴越来越小给加工带来了新的挑战。现在普遍采用的吸嘴材料和加工方 法并非无懈可击：例如，钻石头吸嘴并不是真正的钻石，而是钻石与金属的复杂 混合物，它价格过高且易于裂缝和破碎；氧化锆吸嘴也较贵，但没有金属化材料 硬，且使用不当的话易于破碎和裂片；p v d 涂覆的吸嘴在涂覆工艺中承受了相当 大的热，需要严格的清洗过程，尤其吸嘴是小孔时，涂覆不当会造成堵塞孔；工 具钢不仅难以加工且相对较贵i _ 7 。 基于实验室实验的需求，我们实验贴片采用都是的大元件，这样的话便于元 件的吸取和定位，所以笔者首先设计加工的是一款闪电头吸嘴。吸嘴的泛光识别 参数一般在0 - - - , 2 0 0 之间，基于试验经验我们选取得的识别参数为3 0 ，加工设计有 方向带刃边的闪电头吸嘴。力n - r - 完的吸嘴及示意图如2 5 和2 6 所示。 1 0 电予制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制第二章贴片机的贴片头结构设计 凳刃边的吸嘴曳( 佣税) 图2 5 闪电头吸嘴图2 6 有方向带刃边的吸嘴 吸嘴轴也是一个关键的设计元素，通过保持整个吸嘴与轴装配直接对中，消 除了过压现象。过压是由于当贴装头上下运动时所产生的惯性造成的。如果吸嘴 和轴不在一条直线，就产生一点抖动或过压。过压造成定位精度的变化，它决定 于运动速度、吸嘴重量和元件重量。通过消除过压，直接对中减少与元件吸取和 贴装有关的负面因素的数量。所以笔者在设计的过程中注重吸嘴抵抗弯曲机体结 构，在吸嘴的中部加工了一个凹槽，这样当程序设计不当或贴片故障的时候，吸 嘴下端会自动折损以保护贴片头，尽量减少经济损失。 吸嘴的材料很重要，以尽量减少吸嘴的磨损，延长其使用寿命。早期使用合 金材料和碳纤维耐磨材料，现在甚至出现了陶瓷吸嘴、金刚石吸嘴。表2 1 介绍的 是实验室实验用闪电头吸嘴的组成材料。 表2 - 1 闪电头吸嘴的组成材料 项目描述材料 l 过滤网不锈钢 2密封环上面一层不透明的亚加力卡，下面一层透明双面胶，聚 酯材料的肖式硬度8 0 3 卡环 不锈钢 4 吸嘴本体r t p 材料 5 吸嘴头铝+ r t p 材料 2 3 贴片头的气动系统设计 气动系统是贴片机的重要组成部分，在贴片机中，应用气动的部分包括停板 塑兰重贴片机的贴片头结构蛆l 乜予制造装稀贴片机的贴片头结构设计与控制 和夹板机构、板支撑、吸嘴更换器、贴片头的取料和贴片( 取料时建立真空，贴 片时提供吹气) 等都需要用到。一些送料器材也应用气动，如气动送料器、管式 送料器和可移动送料车等。 首先，进入机器系统的压力空气必须经过除湿和过滤，保证用气的洁净干燥， 以免影响机器的正常运行甚至引起损坏；还需要保证充分的流量和压力。因此， 在实际应用中，要配备足够大的空压机和储气罐及干燥机如图2 7 所示。 图2 7 空压机和储气罐 贴片机本身有一套气源，包括调压阀、压力表和过滤器等，压力一般调节为 8 5 p s i 左右，机器还附有低压传感器，在压力过低时报警，机器也将不能归零和动 作。实验样机气动通路的原理图如图2 8 所示。 1 2 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 第二章贴片机的贴片头结构设计 图2 8 实验样机气动系统 2 3 1 真空取料部分 真空取料部分包括真空产生回路和贴片头上控制回路两个部分，其中产生的 真空全部用于贴片头进行取料工作。除此之外，为了保证真空取料的可靠进行， 还应当实时监测当前真空回路的真空度。 实验样机的真空发生回路如图2 9 所示。从进气部分输出的干燥、纯净的压缩 空气进入气动系统之后，打开面板上“h o u s ea i r ”总开关，气动系统即可开始工 作。进入系统的气体分成两路，一路经过调压阀进入贴片头的压缩空气端，另一 路则经过面板上调压阀调节进入具空发生器和p c b 支撑部分。压力表显示当前的 工作环境气压，供机器运行中观察监视。与压力表并联的压力开关检测阀值是 7 0 p s i ，正常时输出+ 5 v 电压，超过阀值将输出o v 的低电平报警。该报警信号除以 光信号( l e d ) 通知操作人员之外，还将反馈回机器的控制主机。 第二章贴片机的贴片头结构设计也子制造皱器贴片机的贴片头结构设计与控制 进 头 图2 9 真空发生部分 2 3 2 吸嘴气压控制回路 贴片头部分的控制回路主要通过控制吸嘴处的气压来完成取料贴片的工作。 图2 1 0 所示的即为一个贴片头上两只吸嘴的控制回路结构，虚线以上是面板上的 压力表，显示该吸嘴上的真空通路的气压值：虚线以下是贴片头上的元件。起主 要控制作用的是贴片头上的一对二位五通电磁阀，型号为4 4 a b a a g d f a 1 8 a 。 该电磁阀额定电压为2 4 vd c ，消耗功率4 0 w 。 在不通电时，吸嘴与一个小气缸相通，未有负压产生；通电之后，电磁阀的 状态为右位，吸嘴与真空负压端相通，吸嘴处产生负压，小气缸与压缩空气通路 相通，其内部将充满高压气体，只需控制电磁阀的通电，便可以准确的控制吸嘴 处的气压了。电磁阀相应时间为6 m s ，吸嘴处的气体可以在1 0 m s 之内完成切换。 图2 1 0 贴片头部分控制回路 为了保证真空取料动作的可靠实现，避免出现“抛料”的情况，需要保证吸 嘴处的真空通路压力达到真空度的要求。 得当真空通路的气压不符合要求的时候， 这就需要加入真空度监测的环节，以使 贴片机向操作者发出警报。 1 4 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制第二章贴片机的贴片头结构设计 2 3 3 吸嘴更换器的气动电路 试验样机有吸嘴更换器，现在就以它为例来说明气动工作原理。 在图2 1 2 所示为没有外加控制信号的时候，对于更换器上下驱动支路来说， 压力气体从左右五通换向阀v 1 的进气口p 经过b 口和气路1 进入其驱动气缸左 侧的有杆腔，右侧的无杆腔经过气路2 连接v 2 的a 口再到排气口e a 。因此，这 时候右侧的无杆腔为低压腔，这样就保证了此时吸嘴更换器处于下位。同理，吸 嘴更换器开闭支路处于夹板关闭位置。当需要更换吸嘴时，对于吸嘴更换器上下 驱动支路来说，v 1 左侧的电磁阀得电，在电磁力推动下，阀右位切入工作，压力 气体从v 1 的进气口p 经过a 口和气路2 进入右侧的无杆腔，推动左侧的有杆腔 经过气路1 连接v 1 的b 口再到排气口e b ，这样就驱动缸杆伸出，即吸嘴更换器 上升，准备更换吸嘴。同理，吸嘴更换器开闭支路夹板打开，以保证更换吸嘴。 嘴吸蔓换器上下吸嘴更换嚣f 两 c 1 c2 图2 1 2 吸嘴更换器气动工作原理 2 3 4 真空度检测电路 实验样机贴片头真空检测所使用的传感器是2 6 p c c fa 1 g 。这是一款带有温度 补偿功能的压力传感器，补偿范围是0 5 0 。0 ；输出电压范围1 0 0 m v ；测量范围 1 5 p s i ( 约0 1 0 3 m p a ) ，适合用于真空环境；响应时间l m s t 8 1 。 该传感器输出的电压经过电流变送器芯片x t r l 0 4 变为4 - - 2 0 m a 的标准电流 输出。x t r l 0 4 作为电桥输入式4 - - - 2 0 m a 电流变送器，集中了电桥激励电路、仪 表放大电路、线性化校正电路、电流输出电路【9 】，使用十分方便。使用电流输出的 模式，模拟信号的抗干扰能力得到很大的增强，十分适合于环境复杂的工业环境。 图2 1 0 是完整的实验样机真空检测电路。 第二章贴片机的贴片头结构设计 电子制造装备贴片机的贴片头结构设计与控制 m i x d l 。2 6 p c c f l上 + f - - - r 4 1 2 01 r 3 1 5 k ? w i n v 肿i o v l n 4 v r e f b a s r ge h 棚t r g z a 划睫nz a r l i nz a u x t r l 0 4 a p 图2 1 0 真空检测电路 2 4 v q 1 1 , , u 0 4 4 h 1l 2 4 光学视觉系统 实验样机采用的是“飞行对中 ，对中的速度较机械对中有了明显的提高， 同时元件也不容易受到损坏。本课题的视觉系统有两台摄像头，分别为下视摄像 头和上视摄像头。下视摄像头主要用于p c b 板检测和贴片头定位。上视摄像头用 于贴片元件的检测，检测的范围主要包括：贴片元件是否为所要求的元件、贴片 元件是否存在引脚缺损、贴片元件偏差角度的补偿。两个摄像头相配合，从而达 到高贴片精度的要求。 视觉系统的元器件是比较落后的，但是能完成贴片机基本的图像采集处理功 能，考虑到经济的角度还是采用原来的系统，但购置了一款图像采集卡，具体试 验工作有其余的同学在做。现简单描述一下视觉系统的结构如图2 1 3 所示。 贴片元件视觉定位系统的组成包括图像采集模块、图像处理模块和伺服运动 控制器模块【1 0 1 。图像采集模块包括照明系统( 光源) 、光学成像系统( 镜头) 、c c d 摄像器件、基于p c 机的图像采集