孫 劍，謝寶智

（1.海沃機械（中國）有限公司，江蘇揚州 225006；2.常州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇常州 213164）

0 引言

貼片機（SMT）生產線主要設備包括印刷機、貼片機和回焊爐，輔助設備包括檢測設備、返修設備、清洗設備、干燥設備和物料存儲設備等。其中，貼片機完成的是SMT生產中的一個關鍵工序，它通過貼片頭吸取-位移-定位-放置等幾個動作，把所需元件快速準確地貼到PCB板上涂有錫膏的相應位置[1-2]。貼片機運動控制的方法有很多，其中基于PLC的運動控制開發(fā)難度小、穩(wěn)定性和拓展性好，易于熟悉和掌握，硬件功能組態(tài)方便，使用靈活，技術成熟，可靠性高[3-4]。

本文在分析某中低速貼片機控制要求的基礎上，提出基于PLC的控制系統(tǒng)軟硬件設計思路，并就其中的關鍵技術進行了闡述。

1 控制系統(tǒng)分析

貼片機控制系統(tǒng)包括運動控制系統(tǒng)與開關量控制系統(tǒng)兩部分。運動控制系統(tǒng)有PCB板、貼片頭控制與供料控制3部分。具體為PCB板的移動X1方向、貼片頭的X2-Y-Z-T方向、卷料與撕料電機控制，共7個動作[5]。開關量控制有電磁閥與指示燈控制。如圖1所示，PCB板與貼片頭5個軸的運動控制是貼片機控制的核心部分，也是控制設計的重點。

圖1 貼片機各軸運動示意圖

貼片機的工作流程包括吸片、移動、檢測、定位、貼裝等。如圖2所示，整個貼片過程在PLC控制下是順序自動執(zhí)行。首先，貼片頭通過X2軸和Y軸的移動，到達供料器的相應料口，Z軸方向移動接觸到元件后真空電磁閥得電，貼片頭處形成負氣壓將元件吸牢。然后，經傳感器檢測吸附成功后，T軸完成旋轉，經Y軸和X1軸移動到PCB板上預定的焊接位置。最后，Z軸方向移動接觸到PCB板后，真空電磁閥失電，貼片頭由負氣壓變?yōu)榱銡鈮海撾x貼片頭在PCB板上，從而完成了一個完整的貼片過程。接著，判斷是否所有貼片都已經完成，沒有完成則貼片頭移動到供料器拾取下一個元件，再重復進行上述的貼片過程；如此循環(huán)直到整個PCB板所有元件都貼片完成，貼片頭和PCB板都回到零位，等待下一個PCB板的貼片指令[6-7]。

圖2 貼片機工作流程

2 運動控制系統(tǒng)組成

貼片機運動控制系統(tǒng)的7個動作，都是由步進電機驅動實現(xiàn)，各軸的硬件設計及控制方法基本相同。圖3所示為貼片機運動控制系統(tǒng)硬件框圖（以Y軸為例），由上位PC機、控制面板、PLC、Y軸步進電機驅動器、Y軸步進電機、傳動機構組成了一個開環(huán)控制系統(tǒng)。其他軸的控制結構及控制方法也與之相同，只是電機、電機驅動系統(tǒng)、傳動機構有所不同。

圖3 貼片機運動控制系統(tǒng)組成

上位機是裝有應用軟件的計算機，主要負責人機交互、參數(shù)設定。PLC根據上位PC機或控制面板發(fā)出的控制命令，運行內部程序輸出數(shù)字脈沖信號給步進電機驅動器，由步進電機驅動器控制步進電機動作。驅動器的功能是進行功率變換，并驅動電機實現(xiàn)正反、轉動與停止。貼片機中的執(zhí)行機構由執(zhí)行電機、傳送機構以及貼片裝置等組成，屬于最終的被控對象。常用的執(zhí)行電動機一般有步進電機、數(shù)字式交流伺服電機和直流伺服電機，本貼片機系統(tǒng)是中低精度要求，因此采用的是步進電機。

3 控制系統(tǒng)硬件和軟件設計

（1）硬件系統(tǒng)設計

根據需要控制的負載種類與數(shù)量，選用無錫信捷科技有限公司XCM-60T-E運動控制型PLC，此PLC輸入36點/輸出24點，晶體管輸出，最多可支持10軸脈沖輸出，支持MODBUS通訊[8]。上位的工業(yè)計算機、可編程邏輯控制器和步進電機驅動器是貼片機控制系統(tǒng)的核心，通過7個步進電機驅動器分別控制7個步進電機運動；此外還控制兩個電磁閥與多個指示燈開關量。

（2）軟件設計

控制系統(tǒng)軟件包括PLC程序設計和上位機應用程序設計。PLC程序編寫與調試采用信捷XCP Pro編程軟件和梯形圖語言。根據控制原理，設計的PLC程序共分4個部分：初始化及各軸回零、各軸點動與長動、參數(shù)保存、自動循環(huán)貼片。在上位機參數(shù)設定結束后，貼片機可脫離上位機在操作面板控制下，由工人發(fā)出具體的控制命令經由PLC、步進電機驅動器驅動步進電機獨立完成自動貼片。上位機應用程序采用.NET框架設計，包括程序界面、系統(tǒng)管理、參數(shù)設定和操作控制等功能模塊。通過開發(fā)的用戶程序界面可實現(xiàn)貼片機各參數(shù)的輸入和修改，顯示貼片過程中出現(xiàn)的異常?；贛ODBUS通訊協(xié)議，上位機可以讀寫PLC控制程序或實時監(jiān)控PLC的執(zhí)行過程[9]。

4 系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)

（1）各軸回零控制

貼片機的貼片動作速度快、頻率高，如果不能精確回零，一定時間后因誤差的積累，將會大幅降低貼片的精度。因此，每個動作都必須設置零位，在啟動機器和每個動作的結束都要實現(xiàn)精確回零。一般選擇非接觸式的光電傳感器作為回零傳感器，如透光型光電開關。這類傳感器的體積小、靈敏度高；只接受紅外光，不會受外界其他光線信號的干擾而導致回零失敗或不精確回零[10]。此外，各軸回零還要考慮開機時各軸在零點的特殊情況，以免不能正確將累計脈沖寄存器清零，由于零點的不統(tǒng)一造成精度降低，甚至發(fā)生碰撞等嚴重的意外事故。

（2）步進電機控制

步進電機具有不要反饋就能對位置和速度進行控制、位置誤差不累積、快速啟停和保持制動等優(yōu)點，是自動控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行部件。但是在具體設置步進電機驅動器時需要兼顧高速性、平穩(wěn)性、發(fā)熱和噪音等指標，選擇合適的電壓與電流；細分數(shù)的選擇以避開電機的共振頻率；脈沖指令中起動頻率設定不能超過牽入轉矩曲線，以免失步；設定好加減速時間，以免過沖。

（3）供料控制

貼片機的供料由撥料電機與卷料電機配合實現(xiàn)。撥料電機通過凸輪機構實現(xiàn)下壓-前移-上抬-后退動作；卷料電機通過連續(xù)轉動帶動齒輪機構卷繞料帶的薄膜，由于在卷動過程中直徑在不斷變化，需要在一定的時候打滑上抬空轉，否則會拉斷薄膜或誤撥料。在設計時撥料電機的脈沖數(shù)需要多次調試，才能準確實現(xiàn)4個動作。卷料電機的工作頻率的選擇要使得力矩小于卷好料帶后的阻力矩，實現(xiàn)上抬空轉；脈沖數(shù)要根據直徑最小時需要轉過的角度來換算得到。只有這樣，兩個電機才能準確協(xié)調地實現(xiàn)供料動作。

（4）貼片速度與精度的提高

為提高貼片的速度，貼片機7個軸都需要在不失步與不過沖的前提下，采用最大的啟動頻率、最高的工作頻率和最小的加減速時間。各個軸的負載不一樣，步進電機不完全相同，所以需要逐一調試確定。此外，還需要進行貼片過程的優(yōu)化，解決好速度與精度的矛盾。

5 結束語

目前我國貼片機的保有量已位居世界前列，但是由于沒有掌握貼片機的核心技術，幾乎全部來自進口。研制開發(fā)具有自主知識產權的高性價比的貼片機，可以節(jié)約大量外匯、打破國外的技術壟斷、推動電子產業(yè)的發(fā)展。本文設計并實現(xiàn)了基于PLC和步進電機的中低速貼片機運動控制系統(tǒng)，樣機測試表明能夠達到貼片要求的預期精度和速度。