程漢濤，王學(xué)俊，孔新偉，周晨晨

(大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧大連116034)

貼片機(jī)可視化運動仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

程漢濤，王學(xué)俊*，孔新偉，周晨晨

(大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧大連116034)

貼片機(jī)在制造過程中，需要進(jìn)行貼裝測試工作，進(jìn)行這項工作不僅需要消耗基板、元件而且費時費力，對貼片機(jī)的調(diào)試工作也很麻煩。為了解決以及更多的了解這方面的技術(shù)問題，從可視化動態(tài)仿真的角度提供新的思路，通過建立貼片機(jī)三維模型、實現(xiàn)貼片機(jī)可視化運動仿真、對仿真系統(tǒng)進(jìn)行測試與優(yōu)化幾個方面對貼片機(jī)技術(shù)進(jìn)行研究設(shè)計，實現(xiàn)了貼片機(jī)的可視化運動仿真，使貼片機(jī)的工作流程清晰形象的展現(xiàn)出來。

表面貼裝;三維建模;仿真;OpenGL

表面貼裝技術(shù)SMT(Surface Mounting Techno-logy)，是指根據(jù)PCB板上元器件坐標(biāo)值，通過自動組裝設(shè)備，精確貼裝到印制線路板(或者其他基板)上的過程，然后進(jìn)行加熱固化，最后進(jìn)行必要的清洗工作，以達(dá)到元器件自動焊接到基板上的一種電子元器件裝聯(lián)技術(shù)。貼片機(jī)是一種精密的工業(yè)機(jī)器人，是機(jī)、電、光以及計算機(jī)控制技術(shù)的綜合體，它通過吸取、位移、定位、放置等功能，在不損傷元件和印制電路板的情況下，實現(xiàn)了將SMC/SMD元件快速而準(zhǔn)確地貼裝到PCB板所指定的焊盤位置上［1］。

我國的貼片機(jī)大部分依靠進(jìn)口，貼片技術(shù)依然有待于追趕世界先進(jìn)水平。目前，貼片機(jī)朝著高性能、高精度、智能化、模組化發(fā)展。貼片機(jī)的虛擬仿真技術(shù)還在理論準(zhǔn)備或者實施準(zhǔn)備階段。因此對貼片機(jī)的仿真系統(tǒng)有很大的研究空間。

完整的貼片機(jī)可視化仿真設(shè)計不僅可以滿足工業(yè)的虛擬制造需求、貼片機(jī)的調(diào)試需要［2］，還可以應(yīng)用到貼片機(jī)的教學(xué)過程中。貼片機(jī)可視化仿真系統(tǒng)在產(chǎn)品的銷售環(huán)節(jié)會大幅度的提高貼片機(jī)產(chǎn)品的市場競爭力。

1 系統(tǒng)仿真模型的建立

貼片機(jī)仿真系統(tǒng)的需求主要包括兩個方面:應(yīng)用程序使用的需求分析和貼片機(jī)模型建立的需求分析。

貼片機(jī)仿真系統(tǒng)需要通過OpenGL圖形編程接口實現(xiàn)貼片機(jī)的三維建模以及動畫控制，將貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)以及貼裝工作過程直觀地顯示出來。

在計算機(jī)操作系統(tǒng)的控制下，貼片機(jī)在重要部件如貼裝主軸、動/靜鏡頭、吸嘴座和送料器上進(jìn)行了Mark標(biāo)識，貼裝頭根據(jù)導(dǎo)入的貼裝元件的封裝類型、元件編號等參數(shù)到相應(yīng)的位置抓取吸嘴后，吸取元件;靜鏡頭依照視覺處理程序?qū)ξ≡M(jìn)行檢測、識別與對中;對中完成后貼裝頭將元件貼裝到PCB上預(yù)定的位置［1］。這一系列元件識別、對中、檢測和貼裝的動作都是工控機(jī)根據(jù)相應(yīng)指令獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)后指令控制系統(tǒng)自動完成。

貼片機(jī)的組成根據(jù)不同貼片機(jī)的類型稍有區(qū)別，本文選取動壁式貼片機(jī)為仿真原型，基本組成部分包括:機(jī)架、基板的傳送機(jī)構(gòu)和支撐臺，X、Y以及Z伺服系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、光學(xué)識別系統(tǒng)、供料架、貼片頭等等。

在進(jìn)行貼片機(jī)程序建模之前，首先根據(jù)貼片機(jī)的組成對貼片機(jī)的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕ぷ鳎Ａ羝渲袑N片機(jī)仿真過程不可缺少的部分。針對該系統(tǒng)仿真的需求，設(shè)計保留如圖1所示的貼片機(jī)的組成部分進(jìn)行程序建模，保留部分包括:機(jī)架，基板的傳送機(jī)構(gòu)和支撐臺，X、Y以及Z伺服系統(tǒng)，供料架，貼片頭部分。貼片機(jī)的定位、光學(xué)控制系統(tǒng)等進(jìn)行省略，以便適當(dāng)簡化程序建模的工作量。

圖1 貼片機(jī)保留部分結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)貼片機(jī)仿真系統(tǒng)的需求，對貼片機(jī)仿真系統(tǒng)的需求以實例的方式直觀系統(tǒng)的展現(xiàn)，首先基本的操作流程如圖2所示。

圖2 貼片機(jī)具體使用流程圖

通過讀取PCB_CNC/CAM數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)生成的CGF格式文件，獲取貼片機(jī)仿真系統(tǒng)系統(tǒng)仿真過程中所需要的數(shù)據(jù)，主要包括如圖3所示的選擇貼裝的元件的器件標(biāo)志、元件料位、元件貼裝坐標(biāo)等信息。在獲取仿真系統(tǒng)所需要的元件信息后，需要在貼裝元件信息顯示區(qū)域的信息欄中顯示當(dāng)前等待或者正在貼裝的元件的信息，從而使操作者對仿真過程的工作狀態(tài)有詳細(xì)的了解。

圖3 貼裝元件信息顯示區(qū)域示意圖

貼片機(jī)各個部位的模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體組合構(gòu)成了貼片機(jī)的整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡單列舉如下:

在繪制貼片機(jī)圖形錢首先考慮到OpenGL繪圖時避免發(fā)生閃爍現(xiàn)象，所以采用OpenGL的雙緩沖繪圖技術(shù)。雙緩沖技術(shù)是指在兩個緩沖區(qū)內(nèi)存中繪圖，當(dāng)一個緩沖被顯示時，另一個正在繪圖，當(dāng)一幀圖形繪制完后兩個緩沖區(qū)就進(jìn)行交換，這樣就大大提高了繪圖的速度而且不會看到不完整的幀［3］。在OpenGL完成繪圖操作之后中使用SwapBuffers()交換緩沖區(qū)內(nèi)容從而實現(xiàn)雙緩沖繪圖。

在繪制貼片機(jī)的三維模型過程中需要通過多次的坐標(biāo)系統(tǒng)的平移和旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)貼片機(jī)模型的繪制過程，最終實現(xiàn)貼片機(jī)模型如圖4所示。

圖4 OpenGL繪制的貼片機(jī)模型三維效果

2 貼片機(jī)仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 CGF文件格式的解析

貼片機(jī)仿真系統(tǒng)是通過讀取PCB_CNC/CAM數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)生成的CGF格式控制命令文件獲取貼片元件信息的，CGF文件包含當(dāng)前料槽的配置、料槽內(nèi)器件的行列間距、料槽內(nèi)器件厚度、角度等配置參數(shù)，以及待貼裝元件信息及其貼裝坐標(biāo)位置。CGF格式文件的結(jié)構(gòu)主要包括3個部分，分別是:文件頭部分、料槽信息部分、元件信息部分。

文件頭部分結(jié)構(gòu)體File_Index_TypeDef的內(nèi)容包括:選擇貼裝元件的數(shù)量、對應(yīng)料槽的總數(shù)、地址信息等等，其函數(shù)簡單列舉如下:

料槽數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的內(nèi)容包括:料架編號、料架的型號、料槽旋轉(zhuǎn)角度、器件步距、器件厚度等料槽參數(shù)。每一中種料槽對應(yīng)著一個Feed_Stack_TypeDef數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，并且按照編號從小到大進(jìn)行排列，因此在CGF文件中料槽配置數(shù)據(jù)信息部分存放的是Feed_Stack_TypeDef的鏈表內(nèi)容，其函數(shù)簡單列舉如下:

在CGF文件中選擇貼裝元件信息部分中，存放著該次要進(jìn)行貼裝的元件信息，這些元件的信息是以結(jié)構(gòu)體SMT_Code_TypeDef對象的結(jié)構(gòu)體鏈表形式存放的。每個貼裝元件的信息都對應(yīng)著一個SMT_Code _TypeDef對象，SMT_Code_TypeDef對象的主要內(nèi)容包括:器件的編號、器件標(biāo)志、器件對應(yīng)的料槽編號(料位)、器件目標(biāo)貼裝點的三維坐標(biāo)值以及器件貼裝時應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度，其函數(shù)簡單列舉如下:

通過添加“打開文件”按鈕消息，該按鈕的ID為IDC_OPENFILE，在VC環(huán)境下生命函數(shù)OnBn-ClickedOpen()，通過消息宏ON_BN_CLICKED()將OnBnClickedOpen()和控件 IDC_OPENFILE相關(guān)聯(lián)，在函數(shù)OnBnClickedOpen()中進(jìn)行對CGF格式文件的讀取操作，將文件中貼片元件的信息保存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體Feed_Stack_TypeDef的鏈表中。

2.2 CGF格式文件的讀取

在打開CGF文件后，定義一個File_Index_TypeDef對象File_Index，首先從文件的頭部讀取sizeof (File_Index_TypeDef)大小的內(nèi)容保存在 File_ Index中。

從File_Index中獲取當(dāng)前CGF文件中的器件總數(shù)File_Index.Chip_Sum、料槽總數(shù)File_Index.Feed_ Sum等信息。之后逐個讀取元件信息保存在以m_ StacK_Header為鏈表頭的Feed_Stack_TypeDef數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體鏈表中，直到讀取File_Index.Feed_Sum個料槽信息為止。同樣的方法讀取 File_Index.Chip_ Sum個貼裝元件信息保存在SMT_Code_TypeDef數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體鏈表當(dāng)中。至此我們就將CGF格式文件中的數(shù)都讀取出來了。

2.3 貼片機(jī)仿真運動的實現(xiàn)

貼片機(jī)仿真運動就是將貼片機(jī)從吸嘴在料槽上吸去貼裝元件到將本次要貼裝元件全部貼裝完畢為止的過程通過計算機(jī)虛擬的平臺顯示在我們的視區(qū)內(nèi)［4］。

貼片機(jī)的仿真運動包括多個階段。先是貼片機(jī)的貼片頭運動至料槽處，通過貼片頭和吸嘴的運動將貼裝元件逐個吸取附在貼片頭的吸嘴上。

其次是貼片頭根據(jù)貼裝元件的目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行運動貼裝的過程。在貼片機(jī)的模型中，貼片機(jī)的模型數(shù)據(jù)是以CChipStrcut結(jié)構(gòu)體的形式保存的，在這個結(jié)構(gòu)體當(dāng)中包含著貼片機(jī)各個部分的模型的數(shù)據(jù)。貼片機(jī)的運動是通過在定時器中修改貼片機(jī)中運動部分模型的數(shù)據(jù)坐標(biāo)然后進(jìn)行視圖重繪來實現(xiàn)的。

在定時器中，首先要判斷當(dāng)前貼片頭的運動方式，當(dāng)前是貼片頭在運動還是吸嘴在上下運動吸取或者貼裝元件。

在貼片機(jī)的仿真過程中，貼片機(jī)的運動部分主要集中在貼片頭部分，為了使貼片機(jī)仿真過程的運動更加貼近實際，在貼片頭的運動時，根據(jù)設(shè)定的速度和加速度值，將貼片頭從起始位置運動到目標(biāo)位置的過程進(jìn)行勻加速、勻速、勻減速3個階段的劃分［5］。

首先計算出貼片頭當(dāng)前位置坐標(biāo)和目標(biāo)位置坐標(biāo)的距離，貼片機(jī)在運動過程中，首先進(jìn)行判斷當(dāng)前貼片頭中是否有吸附的元件，如果沒有貼片頭要移動到料盤附近，然后吸嘴逐個的去吸起相應(yīng)的元件，并且更新貼片頭中元件的信息。然后貼片頭根據(jù)元件中的元件的貼裝坐標(biāo)信息移動到目標(biāo)點，此后更改貼片頭運動狀態(tài)，貼片頭保持位置不變，吸嘴開始向下運動將元件放置在PCB板上目標(biāo)位置［6］。

2.4 元件的貼裝模擬

在貼裝的過程中，每次貼片頭吸嘴吸附的元件運動到目標(biāo)坐標(biāo)即完成該元件的貼裝后，就將該元件對應(yīng)的Pick_Stack_TypeDef結(jié)構(gòu)體對象中的State元素狀態(tài)由FALSE改變成TRUE。在繪制貼片機(jī)的模型的線程中，掃描Pick_Stack_TypeDef結(jié)構(gòu)體鏈表，在其中State狀態(tài)為TRUE的元件的貼裝目標(biāo)坐標(biāo)繪制圓點用來模擬電路板的貼裝效果。

電路板貼裝效果的觀測是通過ID為IDC_SHOW的按鈕實現(xiàn)，聲明函數(shù)OnBnClickedShow()，通過消息宏ON_BN_CLICKED()將OnBnClickedShow()和控件IDC_SHOW相關(guān)聯(lián)。觸發(fā)OnBnClickedShow()消息后，在定時器中修改繪制電路板時關(guān)聯(lián)。在OnBn-ClickedShow()函數(shù)中開啟定時器，在定時器中逐漸改變glRotatef(m_PCBAngle，1.0，0.0，0.0)中的參數(shù)m_PCBAngle的值，從而實現(xiàn)貼裝電路板的90°翻轉(zhuǎn)，讓操作者可以正視電路板的貼裝效果。

2.5 仿真系統(tǒng)的測試與優(yōu)化

在初始程序編制完成后，通過讀取貼片機(jī)的PCB_CAM/CNC數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件，來對貼片機(jī)的可視化運動仿真進(jìn)行測試。在測試過程中貼裝元件信息顯示區(qū)域的元件信息變化顯示十分順暢、正確無誤，貼片機(jī)的模型運動狀態(tài)也不存在閃爍現(xiàn)象。但是貼片機(jī)的貼片頭運動在某些時刻會發(fā)生跳動，經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn)是對貼片機(jī)進(jìn)行速度控制的過程中運算判斷不全面［7］。在更改后貼片機(jī)可視化運動仿真系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性較高，界面可操作性比較好［8］。最終的貼片機(jī)可視化運動仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了如圖5所示的效果。

圖5 貼片機(jī)可視化運動仿真系統(tǒng)實現(xiàn)效果

圖5中，通過左側(cè)窗口的貼裝位置X、貼裝位置Y、貼裝位置Z、旋轉(zhuǎn)角度以及最上面的運動速度這幾個文本框的數(shù)據(jù)變化來觀察記錄貼片機(jī)的運行實現(xiàn)情況。

3 結(jié)論

本文在對目前國內(nèi)外主流貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理研究分析之后，得出研究貼片機(jī)虛擬仿真加工系統(tǒng)的必要性。本設(shè)計主要是實現(xiàn)貼片機(jī)三維模型的建立以及貼片機(jī)運動的控制，并且能夠?qū)N片機(jī)仿真的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。并且為系統(tǒng)設(shè)計了友好的用戶畫面。此系統(tǒng)功能完善、運行穩(wěn)定、布局合理，可以以非常高的效率完成貼片機(jī)的仿真加工工作。

［1］ 賈春燕.貼片機(jī)研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［2］ 肖永山.片式電子元件貼裝設(shè)備綜述［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2006(5):138-140.

［3］ 楊青生.基于OpenGL的三維可視化研究［D］.西安:陜西師范大學(xué)，2002.

［4］ 李鵬程.表面貼裝系統(tǒng)的優(yōu)化軟件設(shè)計和實現(xiàn)［D］.西南交通大學(xué)，2012.

［5］ 錢佳敏，于蘭峰，曹曄.動臂式貼片機(jī)貼裝軌跡的可視化仿真［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2012，(3):121-123.

［6］ 王君.貼片機(jī)貼裝過程的優(yōu)化研究［D］.華南理工大學(xué)，2011.

［7］ 劉慧杰，靳海亮.基于VC++的OpenGL三維圖形開發(fā)設(shè)計［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2009(7):122-124+174.

［8］ Song Zhiming，Kang Fengju.Seabed Scene Simulation and Its Realization in Extending Vega［J］.Journal of Marine Science and Application，2003:262-264.

程漢濤(1987- )，男，漢族，碩士，研究方向為嵌入式產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)，624767843@qq.com;

王學(xué)俊(1963- )，男，教授，研究生導(dǎo)師，從事機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)方向研究;

孔新偉(1987- )，男，碩士研究生，從事嵌入式產(chǎn)片開發(fā)方向研究。

Research and Implementation of a Visual Simulation System on Chip Mounter

CHENG Hantao，WANG Xuejun*，KONG Xinwei，ZHOU Chenchen
(Dalian Polytechnic University，School of Mechanical Engineering and Automation，Dalian Liaoning 116034，China)

Placement machine in the process of manufacture，tests need to be pasted on the job，this job not only need to consume substrate，components and time-consuming，laborious for SMT machine debugging work is also very trouble.In order to solve the technical problems and learn more about this，from the perspective of visual dynamic simulation a new train of thought is provided，through the establishment of three-dimensional model SMT machine，SMT machine visualization simulation，the simulation system testing and optimization aspects of placement machine is analyzed in the design and implementation of the placement machine visual motion simulation，make the placement machine workflow clear image display.

surface mounted technology;simulation;OpenGL

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.022

TN605;TN305

A

1005－9490(2014)02－0270－05

2013-06-05修改日期:2013-07-01

EEACC:0170E