一种电路基板传送系统设计与应用

2017-06-01任保胜,宋长杰

电子与封装 2017年5期

一种电路基板传送系统设计与应用

任保胜，宋长杰
（山东日发纺织机械有限公司，山东聊城252000）

主要介绍了一种电路基板传送系统的设计及工作流程。该系统主要由微控制器、步进马达及传感器装置等组成，通过该系统协调控制，保证电路基板稳定地在模组之间传送，并通过双轨道双模组提升电子元件表面贴装系统单位时间的生产效率。经过实际调试及应用使其符合设计要求。

电路基板；传送系统；步进马达；协调控制

1 引言

贴片机是SMT生产设备中最关键的设备之一，能够自动地将片状元器件快速、准确地贴放在印制电路板（PCB）上的指定位置，是融合机械、电气、机器视觉和自动控制技术于一体的先进制造设备，控制系统是其核心。作为SMT设备的龙头，贴片机的发展历来备受设备厂家的重视。在国外，经过几十年的发展，SMT贴片机技术发展已经十分成熟，从最初的机械定位到图像识别位置补偿，从爪式定心到飞行对中检测，贴片机的发展经历了质的飞跃[1]。

从功能上将贴片机分成几个功能模块，如贴装头、X-Y运动、元件相机、MARK相机、送料器、PCB传送轨道等。其中，PCB轨道传送装置由调宽轨道装置、搬运机构、夹紧装置等组成，该装置要求轨道调整宽度适应不同宽度的PCB板，并保证传板的流畅性、稳定性，搬运机构运送PCB板到位及夹紧机构夹紧速度快、精度高。本文针对贴片机对PCB传送系统的需求，采用系统集成设计理念，通过带编码器的步进系统及高精度的传感器，设计了一套PCB传送轨道系统，满足贴片机对传送PCB板高效、高精度、高稳定性的生产需要，并通过双模组双轨道系统设计提高单位时间内的生产效率。

2 电路基板传送系统原理

贴片机PCB传送装置是贴片机功能模块的重要组成部分，它的作用是将电路基板通过传送轨道传送到贴片机的指定位置，并将贴装组件完成的PCB从贴片机输出并传送到表面贴片工艺的下一个设备中去[2]。PCB的指定位置是通过相应的传感器检测后由微处理器运算后控制步进电机来完成传送；当PCB到达指定位置时，再由相应的支撑装置对PCB进行固定夹紧动作；PCB的传送装置需要根据PCB的尺寸大小自动调节宽度；传送装置的各部分需要微处理器逻辑协调控制实现其功能。

其中，PCB传送装置的宽度调节采用视觉系统实现，轨道调宽无需安装回零传感器或者限位传感器，既节省了成本又提高了调宽定位精度。PCB搬运电机通过一对传感器由微处理器逻辑运算实现运动距离的计算。支撑夹紧装置采用步进电机控制，相比气缸控制支撑装置缩短了运动时间，实现平稳运行，从而保证PCB在夹紧过程中位置不会偏移。与现有技术相比，针对单轨道使用中一块电路板加工、贴装头需要等待传送轨道上板的情况，特别采用了双轨道设计，两套PCB传送轨道装置实现各自独立运行，节省了上板时间，提高了单位时间内的生产效率。

3 系统硬件架构

本文主要设计了一套电路基板传送轨道控制系统，硬件系统包括上位机、微处理器、传感器、步进驱动器、步进电机等部分。

采用步进电机控制系统，一是提高控制的平稳性，二是通过闭环逻辑控制提高控制精度。

根据步进电机驱动器的工作原理，电机控制采用共阴极的接法，步进电机控制原理图如图1所示，PUL+、PUL-是步进电机驱动器的脉冲信号输入端口，DIR+、DIR-是方向信号的输入端口。微控制器输出的脉冲方向信号功率达不到电机控制需要的功率，必须将其输出信号放大产生足够的功率才能驱动步进电机驱动器正常工作，进而驱动步进电机的正常运转。所以微控制器输出PUL+和DIR+驱动信号，经过驱动器放大后，作为电机驱动器的输入信号，驱动器根据步进电机的相数进行环形分配，再对信号进行功率放大，输出A、B相信号驱动步进电机转动。而根据步进电机的工作原理，微控制器每发生一个脉冲信号则步进电机转动一整步(1.8°)，电机的角速度为1.8/T。即通过控制脉冲信号的周期T来达到步进电机调速的目的[3]。

如图2所示为单轨道传送装置系统的硬件架构示意图。上位机主要用来监控整个装置的运行状态，发送运算数据，具体的逻辑控制都是通过微处理器独立完成，只需要给上位机反馈信息。

微处理器是控制系统的核心部分，主要负责步进电机、I/O检测等部分逻辑控制，和上位机之间通过通讯的方式实现数据及状态反馈。步进电机是执行结构，将微处理器的信号转换为机械结构的实际运动。传感器是用来检测动作完成与否的反馈信号，通过传感器检测各组成部分的状态，再把信息传送到微处理器进行逻辑控制。在运行中传感器发挥信息采集及状态监测的作用。

图1 步进电机控制原理图

图2 传送装置架构示意图

如图3所示为双模组双传送轨道系统示意图，通过微处理器的逻辑控制，实现不同尺寸PCB板的加工，提高了机器加工产品的适应性。并且该装置不会由于输送基板而中断电子元器件的贴装作业。电路板传输装置为一种并排双轨道传输装置，最多可有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4块PCB板同时存在机器内部，其中2块PCB板正在接受贴装工作时另外2块PCB板等待贴装。这样当前面2块PCB板贴装完成后贴装头可以直接对另外2块待贴装板进行贴装，无需中断贴装作业，提高了机械的生产效率。

图3 双模组双传送轨道系统示意图

4 控制逻辑设计

如图4所示为传送轨道系统流程图。首先初始化各装置，通过上位机加工电路板的输入信息而获取PCB板尺寸，上位机将该数据发送给微处理器，由机器的视觉系统检测PCB轨道上的MARK点，确定固定轨道与动轨之间的当前距离。通过设定距离与当前距离的差值，微控制器经过运算确定调宽电机运动的脉冲数，发送给步进电机执行运动，运动完成再由视觉系统重新检验是否运动到位，如果未到位根据新的当前位置重新计算运动脉冲数，3次未完成则上位机报警提示，查找原因、排除故障。如果到位则调宽完成，进行下一流程的动作。这种闭环方式可以有效保证调宽精度[4]。

上板流程为轨道前端的传感器检测有PCB板到来时，将信息发送给微处理器，根据PCB板尺寸信息，核算需要搬运电机运动的脉冲数，将PCB板运送至要求的位置，视觉系统检测PCB板MARK点是否到达指定位置，如果未到位则报警提示，如果到位则由支撑电机带动支撑结构向上运动，将PCB板固定加紧，传送电路基板工作结束。

下板流程为贴装头完成要求的工作后，上位机通过通信发送出板指令给微处理器，支撑电机向下运动指定的距离，到位后微处理器核算搬运电机运动脉冲数，轨道后端的传感器检测有PCB板，将信息发送给上位机，等待上位机查看下游设备信号是否要求送板。加工完成的电路板传送至下游工位，该轨道的PCB传送工作完成。

图4 传送轨道系统流程图

针对双模组双传送轨道，需要根据上位机的优化顺序确定整个上、下板工作流程。双轨道的每个轨道都是独立执行的，即一个轨道进行贴装作业时另一个轨道可以按照上述流程进行上、下板工作。这种工作模式始终保证贴装头在两个轨道间不停止地切换作业，无需像单轨道那样等待上板或者下板，提高了机器整体的生产效率，同时也可以实现两种不同尺寸电路板的加工。图5所示为传送轨道系统实物图。

图5 传送轨道实物图

搬运时间对比，双搬运轨道在连续运行时为0 s（本文为双轨），单搬运轨道为2 s，最大搬运能力2.5 kg，夹紧高度为800 mm（可选）。采用系统集成的设计方式，步进电机采用控制驱动一体式，上位系统只需发送简单指令，由电机自动完成动作，上下位机交互快、稳定性好，相较而言驱控一体电机成本较低。

5 结束语

本文设计的电路基板传送系统仅仅是贴片机组成的一部分，为了满足传板要求而设计的一套控制系统，该系统基本满足当前设备功能需要，运行过程中也存在各种各样的问题，包括双模组双传送轨道装置的协调控制。协调控制不仅建立在可靠、精确的硬件控制平台基础上，更需要编写功能完善、可操作性高、健壮且易于维护的软件系统，在调试过程中不断改进优化，该套装置的可靠性及稳定性得到了很大提升。

[1]龙绪明.电子表面组装技术——SMT[M].北京：电子工业出版社，2008.

[2]魏云峰，等.贴片机PCB传送机构设计研究[D].江苏：苏州大学，电工电子，2011.

[3]杨鑫.嵌入式贴片机运动控制系统[D].太原：太原理工大学，2008.

[4]魏云峰.贴片机控制系统底层软件模块与上层软件设计[D].苏州：苏州大学，2011.

Design and Application of a Substrate Transfer System

REN Baosheng,SONG Changjie
（ShanDong RIFA Textile Machinery Co.Ltd.,Liaocheng 252000,China）

The paper presents a kind of substrate transfer system.The system consists of micro controller, stepper motor and sensors.The system ensures the stable substrate transfer between modules,and improves the production efficiency ofsurface mountsystem using the double-track double-module system.

circuitboard;conveyersystem;step motor;coordination control