湯 雄，肖曙紅，田 甜

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術的迅猛發(fā)展，電子設備的生產(chǎn)和制造正朝著高速、高精、高效、高智能及多功能等方向發(fā)展，與之相伴的電子組裝技術也發(fā)生了日新月異的變化。表面貼裝技術（SMT）是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術和工藝［1］，是一門涉及電子元器件、組裝裝備、焊接方法和組裝輔助材料等內容，用來將電子元器件組裝（又稱為貼裝）到印刷電路板（PCB）上的綜合性技術，它將傳統(tǒng)的電子元器件壓縮成為體積只有幾十分之一的SMD器件，從而實現(xiàn)電子產(chǎn)品組裝的高密度、高可靠、小型化、低成本以及生產(chǎn)的自動化。

SMT生產(chǎn)線主要設備由印刷機、點膠機、貼片機、回流焊和清洗及各工序檢測設備等組成。貼片機是整個SMT生產(chǎn)中最關鍵、最復雜的設備，它通過貼裝頭吸取、移動、定位和放置等幾個動作，把SMD元件快速而準確地貼裝到PCB上的焊盤位置，是融合機械、電氣、視覺和自動控制技術于一體的先進制造設備，控制系統(tǒng)是其核心［2］。其價格通常占裝配線設備總價的50%，因而它歷來是SMT成套設備研究人員研究的重點［3］。

1 貼片機系統(tǒng)的結構

貼片機實際上是一種精密的工業(yè)機器人，它充分發(fā)揮現(xiàn)代精密機械、機電一體、光電結合，以及計算機控制技術的高技術成果，實現(xiàn)高速度、高精度和智能化的電子組裝制造。其按速度可分為中低速機、高速機和超高速機；按結構可分為拱架式、平行式、轉塔式以及復合式貼片機。貼片機根據(jù)貼裝工藝的要求，在結構上可分為機架、PCB傳送機構、元件送料機構、X軸Y軸伺服機構和貼片頭機構等。從整體上說，貼片機由軟、硬件組成，具體的功能劃分如圖1所示。

圖1 貼片機系統(tǒng)功能劃分

本項目研制的樣機如圖2所示。樣機采用雙臂雙頭結構，貼片頭具有多吸嘴且吸嘴間距動態(tài)可調、同步吸貼的功能，可實現(xiàn)理論貼裝速度為30000～50000CPH，非常適合于少品種芯片的高速高效貼裝。

圖2 貼片機整機結構

2 貼片機控制系統(tǒng)任務

控制軟件控制著貼片機快速、精確、有序地工作。貼片機通過吸取元件、位移和放置，按照SMT組裝工藝要求，在不損傷元器件和PCB的情況下，將元件貼裝到PCB上的指定位置，其基本工藝流程如圖3所示。

圖3 貼片機基本工藝流程

控制系統(tǒng)是貼片機的核心，由于元件的貼放速度受到電路板尺寸、元件類型和送料器類型的影響，因此控制系統(tǒng)應該綜合考慮各種因素，同時需要優(yōu)化貼片頭的運動軌跡，使其在整個電路板的總行進時間最短，以達到最優(yōu)目的。根據(jù)貼片機系統(tǒng)功能劃分，控制系統(tǒng)主要分為運動控制系統(tǒng)和信號控制系統(tǒng)［4］。運動控制系統(tǒng)包含X軸、Y 軸、Z軸、R軸和L軸的伺服控制，R軸是用來調整芯片角度的伺服軸，L軸是貼片頭上用來自動調整吸嘴之間距離的坐標軸。信號控制主要包括各種輸入輸出的數(shù)字量或者模擬量的檢測與控制，包括各種傳感器、電磁閥、真空閥和相機的光源控制信號等。視覺系統(tǒng)可作為獨立的一部分進行考慮，也可作為運動控制系統(tǒng)的一部分來考慮［5］。通過獲取吸取元件的圖像，并加以分析和處理得到元件的位置偏移和角度偏差等數(shù)據(jù)，傳遞給控制系統(tǒng)，再通過控制系統(tǒng)將這些偏差給修正過來，以提高元件的貼裝精度和準確度。

3 控制系統(tǒng)硬件結構設計

基于PC總線的控制器以DSP和FPGA作為核心處理器，以PC機作為信息處理、人機交互和聯(lián)網(wǎng)通信平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即“PC+運動控制器”的模式。將PC的高效數(shù)據(jù)處理能力、友好的人機交互、強大的聯(lián)網(wǎng)通信功能和開放式的特點，與DSP的高速數(shù)據(jù)處理功能、FPGA的超強邏輯處理能力有機地融合在一起，可以實現(xiàn)更加高級的控制算法、運動規(guī)劃、實時插補算法、伺服濾波控制、誤差補償和更復雜的運動學、動力學計算，使控制系統(tǒng)更加高速、平穩(wěn)、高精度和智能化。

鑒于此，系統(tǒng)采用工控機+控制卡的控制模式，選用固高公司的GT-800系列控制器，可以實現(xiàn)高速的點位運動。其核心由DSP和FPGA組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算。其特點如下：

a.以IBM-PC及其兼容機為主機，提供標準的PCI總線的產(chǎn)品，提供高速緩沖器實現(xiàn)快速預處理功能，提供16路數(shù)字量輸入輸出。

b.運動控制器提供C語言等函數(shù)庫和 Windows動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)復雜的控制功能。用戶能夠將這些控制函數(shù)與控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示和用戶接口等應用程序模塊集成在一起。

c.分為位置和速度控制模式，具有可編程的S曲線和梯形曲線等運動控制方式。

除此之外，控制系統(tǒng)的硬件部分還包括各種傳感器、氣路閥門、真空閥門、氣缸、伺服電機和編碼器等。

4 控制系統(tǒng)設計

4.1 控制系統(tǒng)軟件設計

貼片機樣機的控制軟件是在Windows操作系統(tǒng)下，以Visual C＃作為編程語言，基于 Visual Studio開發(fā)環(huán)境編寫的。在系統(tǒng)軟件設計開發(fā)中，將貼片機控制系統(tǒng)軟件分為上位機軟件和下位機軟件。其結構如圖4所示。

圖4 貼片機控制系統(tǒng)軟件結構

從圖4可以看出，在整個軟件系統(tǒng)中，上位機包括人機交互界面以及協(xié)調控制程序設計等，主要負責系統(tǒng)的總體管理，由多個操作界面組成。下位機軟件包括貼片機運動控制系統(tǒng)、PCB數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、貼片機圖像識別與處理系統(tǒng)及運行監(jiān)測系統(tǒng)，其功能主要是用來實現(xiàn)各個軸的伺服運動控制、各種參數(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)等的管理、校正和生產(chǎn)中的圖像處理以及運行中的監(jiān)控等。在系統(tǒng)上電運行過程中，上位機負責整個系統(tǒng)的協(xié)調工作，完成整個系統(tǒng)的總體管理；而作為下位機的運動控制器，則負責對系統(tǒng)運動的控制與協(xié)調。上位機軟件的協(xié)調控制是建立在下位機軟件的基礎上，人機交互界面通過調用下位機軟件實現(xiàn)協(xié)調控制。通過上位機與下位機運動控制器的協(xié)調控制，來完成系統(tǒng)的總體控制。在系統(tǒng)中雙臂多頭貼片控制流程如下：

a.啟動雙臂貼裝模式，左臂控制器發(fā)出信號給X軸和Y軸電機，使貼片頭移動到吸料位。

b.控制器發(fā)出Z軸電機控制信號，Z軸電機驅動吸嘴從供料系統(tǒng)吸料。

c.吸料后，由數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)吸料后的氣壓數(shù)據(jù)判斷元件是否吸取。

d.飛行CCD對吸取元件進行拍照，通過視覺系統(tǒng)獲得元件當前位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)，控制器通過與數(shù)據(jù)庫里的標準數(shù)據(jù)對比后，向R軸電機發(fā)出控制信號，修正吸取元件的角度。

e.根據(jù)X，Y的坐標偏移量求出準確的貼裝點坐標，控制X軸、Y軸電機使左臂貼片頭到達準確貼裝點。

在左臂貼裝流程中，當完成貼裝的同時啟動右臂貼裝組件工作。右臂貼裝組件工作流程與左臂貼裝組件工作流程相同。左右臂交替進行貼裝，完成一次完整的雙臂貼裝流程。如此循環(huán)多次，直至完成整個PCB板的貼裝作業(yè)。

4.2 多目標同步識別視覺系統(tǒng)設計

視覺系統(tǒng)是保證貼片機貼裝精度的重要部分，一般分為2部分，一部分是安裝在貼片頭上的基準相機，通常采用面陣電荷耦合裝置采集圖像，完成對PCB上的原點、MARK點以及貼裝點位置的示教，對送料器及吸嘴更換機構位置進行校正，對PCB板的識別以及貼裝后元件的檢查工作；另一分部分是固定在機架上的上視固定相機，采用掃描吸嘴吸取的元件圖像，對元件的類型、位置偏差、角度偏差以及引腳進行識別和校正［6］。

系統(tǒng)貼片頭采用的是多吸嘴同時吸貼的結構，所以在圖像處理時，要求對多吸嘴上的多個芯片進行同步處理。處理的重點是對多芯片元件目標進行圖像分割處理，以同時獲得圖像分割后的目標元件的質心坐標及偏移角度坐標等參數(shù)［7］。為了實現(xiàn)這個功能，采用了像素標記法［8］。在不要求任何先驗信息的前提下對二值圖像進行掃描，并按像素間的連通性決定像素是屬于哪個目標的，最后所有像素都有標記該像素屬于哪個目標的特征量。在此基礎之上，通過統(tǒng)計每個目標的像素來得到目標的面積、位置坐標等特征。

具體算法流程為（如圖5所示）：將采用閾值分割法得到的理想二值圖像，從左到右，從上到下進行掃描。為了標記當前被掃描的像素，需要檢查該像素與它之前掃描到的若干個近鄰像素的連通性。然后第2次掃描圖像，將每個標記用它所在的等價組的標記代替。在第1次掃描時，對每個灰度為1的當前點的8個連通區(qū)域的所有8個相鄰像素作如下統(tǒng)計：如果當8個像素中至少有一個是背景點（灰度為0），則當前點屬于目標邊界點，否則屬于目標內部點。顯然，經(jīng)過這次處理后得到的是單像素邊界。經(jīng)過2次掃描以后，就得到所有屬于目標的像素點的坐標，從而就可以進一步進行圖像識別。

圖5 算法流程

多目標圖像處理仿真過程是在VS 2010上進行的，仿真用的是240像素×240像素的圖片，圖片取自貼片機常用的貼片電阻的圖像。預處理后的二值化圖像和根據(jù)算法元素記錄值勾勒出的各個目標物體的邊緣效果如圖6所示。仿真結果表明，在主頻為1.7GHz，幀幅240像素×240像素時，全部仿真時間不大于10ms（包括二值化圖像所用的時間），滿足小于20ms的實時系統(tǒng)要求。在實際應用中，可以由源圖像預處理后送出二值化圖像，節(jié)省了圖像處理的時間，提高了對元件的識別，位置及角度參數(shù)的獲取能力。

圖6 多目標圖像處理仿真前后的比較

5 結束語

通過對高速高效貼片機的結構和功能劃分，采用工控機+GT系列控制卡模式，在圖像處理環(huán)節(jié)采用像素標記法對多元件目標進行圖像分割處理，設計了貼片機樣機的軟、硬件系統(tǒng)。經(jīng)過初步調試證明，所研制的雙臂雙頭多吸嘴同步吸貼高速高效貼片機控制系統(tǒng)，具有精度高、速度快的特點，貼裝速度達到了30000CPH以上，貼裝精度達到0.03 mm，滿足了貼片機的使用要求。

［1］王天曦，王豫明.貼片工藝與設備［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］王天曦，王豫明.貼片機及其應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［3］Schmitt R.Machine and process capability analysis in SMT manufacturing［J］.First Electronic System Integration Technology Conference，2006，（9）：5-7.

［4］胡躍明，杜 娟，吳忻生，等.基于視覺的高速高精度貼片機系統(tǒng)的程序實現(xiàn)［J］.計算機集成制造系統(tǒng)-CIMS，2003，9（9）：760-764.

［5］鐘江生，李秦川，夏毓鵬，等.貼片機視覺系統(tǒng)構成原理及其視覺定位［J］.電子工業(yè)專用設備，2005，（12）：26-29.

［6］解楊敏，劉 強.高精度貼片機視覺系統(tǒng)圖像預處理算法研究［J］.機械工程師，2007，（11）：63-65.

［7］楊益軍，趙春椿，汪文秉.一種適合于目標檢測的圖像分割方法［J］.信號處理，2002，18（2）：183-185.

［8］張新宇，劉廣智，李建勛，等.一種圖像分割的目標描述方法及實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術，2003，25（2）：219-222.