基于PLC控制的全自动打点装置设计与试验

武文娟，吴小伟，钟志堂，史志中，张　璐，崔　军，丁　莉

(1．南京交通职业技术学院汽车工程系，江苏南京　211188；2．江苏省农业机械技术推广站，江苏南京　210017)

0　引言

目前，国内芯片及相关电子厂家在进行芯片打点时，大部分采用手工的形式，即利用Mark笔进行打点，仅有少数采用激光打点的形式。激光打点技术对操作者要求很高，很容易对芯片表面产生损坏，提高了企业设备成本，同时给企业带来了经济损失。因此，迫切需要一种新装置来完成芯片在催盘机(芯片放在专用的盘上以固定芯片，载盘可以在同步带上移动，以此来带动芯片移动)上成批作业时的打点任务。

对于步进电机控制相关技术研究内容比较广泛，如采用高性能PLC对5轴机器人用步进电机进行控制[1]；采用PLC脉冲环形分配软件和位置控制软件并配合光电码盘以控制步进电机速度和精确定位[2-8]。利用RS485数字技术驱动电机，采用高速计数器模块用于位置反馈，并进行电机分度设计[9-11]。对于系统在运行过程中的丢步问题也有学者进行了相关研究[12-16]。然而，利用PLC脉冲技术对芯片进行打点控制尚属首次，不仅要考虑打点装置本身特点，还要考虑该装置与整机的匹配性。

文中结合前人研究相关进展和本课题的特殊要求，同时考虑产品的总体成本控制以及控制精度要求，采用PLC脉冲控制方法对步进电机运动位置进行精确控制，开发出一套具备平面高位置控制精度的执行系统，以满足生产中芯片打点自动化的要求，具有一定的实际应用价值。

1　打点装置的总体设计

打点装置结构如图1所示，由打点笔左右控制机构、打点笔前后控制机构、打点笔上下工作控制机构及相关的支架组成。打点工作时，左右同步电机与前后同步电机按照设定的运动参数完成XY平面的精确位置运动。当打点笔运动到芯片的上方时，气缸快速下压在芯片表面做出标记，并迅速缩回，完成一个芯片的打点工作。然后前后步进电机移动一个芯片间距，气缸再下压，如此往复地完成整盘芯片的打点工作。

图2为系统电气连接，主要介绍了PLC与传感器、步进电机驱动器、步进电机之间的连接方法。打点装置在催盘机上的位置如图3所示。图3中1位置为芯片烧录区、2为芯片待烧录区、3为芯片打点区、4为芯片烧录完成区。催盘机工作时，催盘运动路线为：位置2—位置1—位置3—位置4，催盘在位置3处停留，进行芯片的打点操作。

(a)打点机构主视图

(b)打点机构俯视图1—前后同步电机；2—左右从同步轮；3—左限位传感器；4—左挡块；5—滑块导轨；6—横梁；7—气缸；8—传感器挡片；9—支板；10—右挡块；11—右限位传感器；12—左右主同步轮；13—标记笔；14—夹持架；15—前后从同步轮；16—前挡块；17—前限位传感器；18—滑块导轨；19—后限位传感器；20—后挡块；21—前后同步电机；22—电机轴；23—前后主同步轮；24—后挡块；25—左右同步电机；26—电机轴；27—滑块导轨；28—前挡块

图2　PLC电气连接图

1—芯片烧录区；2—芯片待烧录区；3—芯片打点区；4—芯片烧录完成区

2　控制程序设计

控制程序设计主要围绕技术工艺进行，要求对PLC、步进电机等设备进行正确选型并对相关参数进行合理设置。史国生等研究了以OMRON的C系列PLC为基础，给出了PLC选型及点数分配等详细的程序设计过程[17]。Liu Wei研究了利用PLC脉冲控制进行步进电机的位置控制研究，主要包括PLC模块选择，步进电机选择[18]。

该控制系统选用松下FPOR系列PLC作为控制器，选取步距角为1．8°的步进电机，步进电机驱动器选择细分为6 400。将PLC的输出端口改成脉冲输出的形式，同时需要注意的是：只能设置主控PLC作为脉冲输出，将4个端口全部改成脉冲输出的形式，主要是因为整个机器中一共有4个步进电机。

启动打点装置以后，XY坐标系统首先要进行回原处理，到达原点以后，要对脉冲寄存器进行清空。通过触摸屏上的方向按钮可调整打点笔的位置，当调整到第一点芯片所在的恰当位置时，选择保存按钮将当前的坐标值脉冲存储下来；参照上一步骤，保存最后一点芯片位置脉冲。保存的两点坐标脉冲之间的差值除以所对应的XY轴芯片数量，所得值为移动两个芯片之间距离所需的脉冲数量，系统设置流程图如图4所示。

图4　系统设置流程图

2．1XY轴回原程序设计

为了防止XY轴电机由于某些突发情况产生停机后再启动时发生碰撞，要求系统再次启动后必须要进行回原处理。回原处理分为3种情况：一是回原前系统两轴都在原点位置；二是回原前系统两轴都不在原点位置；三是系统两轴有一个轴在原点。当处理回原前系统两轴都在原点位置时，要求必须进行XY轴微小距离的前进运动，此次回原主要是为了系统的重新调整及相关复位操作，更新相关数据。如果回原前系统两轴都不在原点，此时系统回原时，直接进行回原处理即可。当系统两轴只有一个轴在原点时，XY轴的运动将综合前2种情况，在原点的执行微小前进移动，不在原点的执行直接回原。原点的检测主要靠前限位传感器与右限位传感器配合完成，回原控制流程如图5所示。

图5　回原控制流程图

2．2打点位置计算程序设计

打点位置计算主要包括初始点和末点的位置计算、运行过程中的两个芯片行列间距计算、结束条件判断。在进行初始点和末点计算之前要进行回原操作，回原的目的之一就是要清空脉冲寄存器里的数值，保证下次计算的脉冲值与前一次相同。清空脉冲寄存器后，通过触摸屏上的四个方向箭头，调整初始点位置，调整好位置后选择“设为初始点”按钮，保存第一点位置脉冲。参照第一点位置调整方法，设置好第二点位置并保存。打点过程的执行顺序示意如图6所示。图中黑色圆点代表打点笔位置，箭头方向为打点笔的运动轨迹。

图6　打点笔运动路线图

假设第一点位置的脉冲坐标为(Xcd，Ycd)，末点的脉冲坐标为(Xmd，Ymd)，所设置的行值为m，列值为n，则每移动一个行间距及列间距所需的脉冲可通过式(1)、式(2)计算：

(1)

(2)

式中：Mhc为行间距脉冲；Nlc为列间距脉冲；Xcd为初始点行脉冲；Ycd为初始点列脉冲；Xmd为末点行脉冲；Ymd为末点列脉冲。

2．3脉冲与速度、距离计算

在进行步进电机相关参数计算前，要明确所设计的控制系统采用何种驱动模式。所谓驱动模式是指如何将传送装置的运动转换为步进电机的旋转。文中根据控制系统特性，选择加/减速时间控制模式。驱动脉冲速度是指在设定的定位时间中电机旋转过一定角度所需要的脉冲数。驱动脉冲数可根据必要脉冲数、定位时间和加/减速时间计算得出。加/减速模式运行下，电机首先以一个较低的速度启动，经过一个加速过程后达到正常的驱动脉冲速度，运行一段时间后，再经过一个减速过程后电机停止的运行方式。其定位时间包括加速时间、减速时间和以驱动脉冲速度运行的时间。加/减速模式下，必要脉冲数可通过式(3)计算：

(3)

加/减速时间需要根据传送距离、速度和定位时间来计算。在加/减速运行方式中，因为速度变化较小，所以需要的力矩要比自启动方式下的力矩小。加/减速运行方式下的驱动脉冲计算可通过式(4)完成：

(4)

式中：驱动脉冲速度，Hz；启动脉冲数，Hz；加/减速时间，s；定位时间，s．

3　人机界面设计

人机界面是操作者与机器设备之间双向沟通的桥梁，是用户可以自由地组合文字、按钮、图形、数字等来处理、监控、管理或应付随时可能变化信息的多功能显示屏幕[19-22]。使用人机界面还可以使机器的配线标准化、简单化，同时还能减少PLC监控器所需的I/O点数，降低生产成本[23]。人机界面产品由硬件和软件2部分组成，其中硬件部分包括处理器、显示模块、输入模块、通信模块和数据存储模块等[24]。

文中选用4．3英寸MT4000系列人机界面产品，该产品采用32位RISC CPU和精简的LINUX内核，能显示各种真彩图形格式，支持与绝大多数的PLC直接通信，能够轻松实现与其所连设备之间的数据交换。MT4000系列拥有直接在线模拟、间接在线模拟、大容量用户组态程序存储空间、与标准C语言兼容的宏指令等贴合客户需求的功能，能迅速有效地完成现场数据采集、运算、控制等功能。

系统人机主控界面如图7所示，主要功能有：坐标脉冲保存、移动到初始点(第一点坐标位置)、移动到末点(最后一点坐标位置)、打点驱动程序的复位功能、设置行列值、位置移动、打点测试等。

图7　人机界面控制总图

通过4个方向箭头可以改变打点笔在XY平面上的位置，箭头所指方向与实际芯片放置方向一致，提高了系统的可操作性。为了缩短打点笔往对角点移动的时间，该系统设计了1 mm/步和10 mm/步2种移动速度，点击图中“1 mm”按钮可进行快速移动与慢速移动之间的转换。打开控制界面后，对打点笔的第一点位置进行调整，当第一点位置调整好以后，按下“设为初点”按钮，将当前的XY轴坐标脉冲值保存到系统的寄存器中。参照上一步骤设置末点，点击“设为末点”按钮，保存将当前的脉冲值。此时，位置的调整工作已经结束，如果需要演示打点效果，可以点击“打点测试”按钮，系统将进行单盘的打点测试。如果进行测试时发现有误差可以对设定的初始点和末点进行重新设置，设置方法如下：点击“移动到初点”按钮，点击“气缸伸出”按钮，这时气缸伸出按钮文字变成了气缸缩回，观察打点笔在芯片上的位置，进行细微调整，调整好位置后，点击“设为初点”按钮重新保存第一点位置；然后再点击“气缸缩回”按钮，并点击“移动到末点”按钮，将第二点重新进行位置调整后，点击“设为末点”按钮，重新保存第二点位置。

不同尺寸的芯片对应不同的催盘大小，当芯片尺寸发生改变时，要重新进行位置调整工作，同时要重新输入行列值。所有参数设置完成后，点击“设置完成”按钮保存所有设置参数并退出设置界面，执行打点控制程序。

4　试验分析

4．1试验条件

在实验室内对所设计的自动打点机构进行实际演示，来观察步距误差大小，得出该控制系统所能适应的最小芯片尺寸。步进电机细分选择为6 400；步进电机转速为200 r/min．通过PLC发脉冲指令对步进电机进行控制。

根据对市场的调查分析，常用的适于打点的芯片有8脚、16脚、24脚等等，该次试验以常用的小8脚芯片(尺寸为3 mm×5 mm，其中空白区域尺寸为1．5 mm×2．5 mm)和16脚芯片(尺寸为8 mm×8 mm，其中空白区域尺寸为4 mm×4 mm)作为试验对象。

通过对上述选择的2种芯片进行试验，每次试验数量为60块，对每种芯片进行3次重复性试验，通过标记点的位置是否落在芯片表面的空白区来判断控制精度是否合格。

4．2试验结果

按照操作要求设置好相关参数后，进行3次重复性试验，从试验发现：小8脚芯片的测试效果比16脚芯片差，小8脚芯片的实际打点位置与理论打点位置最大相差2 mm，然而85%的小8脚芯片标记位置满足要求，15%的小8脚芯片表面标识码被打点液覆盖，但所有标记都落在芯片表面上；而16脚芯片的实际打点位置与理论打点位置误差与小8脚相比基本一致，因此，16脚芯片打点时所有的标记点都落在芯片表面的空白处，位置控制精度完全满足要求。

通过分析可知，误差产生主要来源于以下几个方面：一是系统在运动过程中的振动，导致芯片位置的变化；二是每次催盘放置位置之间存在误差；三是系统在高速运动时，产生的微小丢步导致了距离尺寸误差。

针对上述可能出现的误差来源分析，采用降低系统运行速度和增加夹持机构的办法来降低系统运行中的芯片振动和减小芯片放置随机误差。现步进电机转速降为100 r/min(这里的100 r/min主要根据芯片烧录的时间确计算定)。通过对系统再次试验知：小8脚芯片的实际打点位置与理论打点位置的最大误差变为1．2 mm，满足打点精确位置要求。

通过综合分析可知，该打点装置完全满足于16脚芯片及以上尺寸芯片，如果允许打点标记覆盖芯片表面标识码或降低系统运作速度，打点装置也可用于小尺寸芯片打点作业。

5　结束语

针对芯片打点技术的工艺特点，设计了一套用于芯片打点用的装置。该装置利用PLC电控技术对步进电机的运动进行了精确控制，操作界面简单、直观，可学习性较好，具有一定的应用价值。

通过试验表明：小8脚尺寸芯片的位置控制效果比16脚芯片差，但所有标点位置都落在芯片表面；而16脚芯片的位置控制精度较好，所有标点都落在芯片表面空白处。因此，该打点装置完全满足于16脚芯片及以上尺寸芯片，如果允许打点标记覆盖芯片表面标识码或降低系统运转速度，该打点装置也可用于小尺寸芯片打点作业。

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