基于最小二乘法的吸咀吸取压力的研究

何旭平，任保胜，祁玉斌

(山东日发纺织机械有限公司，山东 聊城 252000)

基于最小二乘法的吸咀吸取压力的研究

何旭平，任保胜，祁玉斌

(山东日发纺织机械有限公司，山东 聊城 252000)

表面贴装技术生产线中的电子元件实装机通过吸咀内的负压将电子元件吸附，从而实现对电子元器件的拾取和贴装。为便于准确掌握吸咀取料是否成功，通过将负压传感器检测到的压力变化与PMAC板卡上的A/D转换值进行对应并将其量化，对得到的数据利用最小二乘法的原理在MATLAB软件环境下进行多项式拟合，得到最优的数据曲线和数据结果。

表面贴装技术；吸咀；可编程多轴控制器；模/数转换；矩阵实验室；最小二乘法

表面贴装技术 (Surface Mount Technology即SMT)是将表面电子元器件贴装到印制电路板（PCB板）上，通过再流焊等加热方式实现电子元器件互联的技术[1]。在SMT生产线中最重要的设备就是电子元件实装机[2]。电子元件实装机通过吸咀及吸咀管道内的负压将电子元器件吸附从而完成拾取和贴装动作。吸咀内的负压会通过负压传感器PSE541将信号输送至PMAC板卡自带OPT-12模块-12位A/D（数字量转换为模拟量）转换。对得到的数据利用最小二乘法[3]的原理在MATLAB[4]软件环境下进行多项式拟合[5]，得到最优的数据曲线和数据结果。

本文主要研究OPT-12模块转换值与负压传感器负压值之间的对应关系及A/D转换值分辨精度，以期准确掌握负压变化率与所对应的A/D值的关系，即负压变化1 kPa时所对应的A/D值，这将对提高电子元件实装机的可靠性[6]，降低元器件的抛料率[7]大有益处。

1 实验测试平台的搭建

本文设计的实验平台如图1所示。主要测试工具有：PMAC卡带OPT-12模块、DC5/24 V开关电源、负压传感器PSE541、负压显示表ZSE30、万用表、注射器、三通件φ4管径及相应的气管及线缆等。

图1 实验测试平台

在测试过程中，额定输出电压为5 V的开关电源为PMAC供电，额定输出电压为24 V的开关电源为负压传感器 PSE541及负压显示表ZSE30供电。负压传感器PSE541的输出信号接在PMAC的J3引脚45模拟量输入端口，用万用表测试该端口的电压值。另外，为了模拟吸咀内的真空压力，用三通管的一端接负压传感器，一端接负压表显示压力值，另一端接注射器抽真空，各部分之间用气管相连，并保证气密性良好。

2 实验数据的采集和分析

A/D数据转换最前端的一个环节就是利用负压传感器PSE541将压力变化转换成电信号。负压传感器PSE541的额定输入为DC 12～24 V，输出为1～5 V模拟量电压，压力-电压曲线如图2所示。

图2 负压传感器的压力-电压曲线

其中，A=0 kPa，B=-101 kPa，C=10.1 kPa。（A/B/C为三个不同的压力值）负压传感器PSE541的详细参数可参照表1。

表1 负压传感器本征参数表

结合图2及表1，得到输出电压U与负压F的线性关系为：

其中，U为输出电压，F为测试负压。

PMC板卡自带的12位OPT-12模块A/D转换值对应212=4096，对应负压变化范围为±10 V，可得线性公式为：D=204.8U (其中U为电压，D为A/D转换值)，即1～5 V对应A/D转换值为204.8～1024。

由以上压力传感器及PMAC的A/D转换值可以得到当前负压与A/D值的理论公式：

其中，F为当前负压，B为固定值-101 KPa，D为A/D转换值。

利用搭建好的实验平台对实验数据进行采集，所获得的4组数据如表2所示。

表2 数据采集表

利用式(1)及式(2)分别计算4组数据条件下的输出电压U及A/D转换值D，所得结果如表3所示。

表3 数据核算对照表

根据测试的4组数据（见图3所示），利用理论公式推算出的数据与实际测试的结果有偏差，需要对实际测量值进行优化并导出最精确的公式以保证数据的准确性。

图3 四组实验数据测试图

3 实验数据的优化

最小二乘法（又称最小平方法）是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。最小二乘法还可用于曲线拟合。

MATLAB利用函数p=polyfit（x，y，n）进行多项式曲线拟合。函数p=polyfit（x，y，n）采用最小二乘法对给定数据进行多项式拟合，最后给出多项式的系数。即采用n次多项式p来拟合数据x和y，从而使得p（x）与y的最小均方差最小。

对于式（1）利用采集到的实验数据进行多项式拟合，拟合得到的曲线如图4所示。其MATLAB程序如下：

图4 式（3）的多项式曲线拟合

计算结果为以下三组数据：

即所得多项式为

对于式 (2)利用采集到的实验数据进行多项式拟合，拟合得到的曲线如图5所示。其MATLAB程序如下：

计算结果为以下三组数据：

图5 式（4）的多项式曲线拟合

即所得多项式为：

4 结论

通过实验测算及数据优化，最终得知负压传感器压力值与A/D转换值之间的关系为d=-0.001 f2-7.706 f+214.148，即1 kPa对应的A/D值为10.28。

针对具有多支吸咀的贴片头来说，当切换至真空状态时，其中的任意一支吸咀是否取料成功，将通过系统程序进行监视。即通过获取某支吸咀真空负压的A/D转换值来表征该吸咀是否取料成功。这将显著降低人为因素的干扰，降低劳动强度并提高机器的运转稳定性和可靠性。

[1] 黄永定.SMT技术基础与设备[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2] 罗磊，王石刚，蔡建国.表面贴装关键技术[J].组合机床与自动化加工技术，2003，(2)：70-72.

[3] 王可，毛志伋.基于Mat lab实现最小二乘曲线拟合[J].北京广播学院学报（自然科学版），2005，(12)：52-56.

[4] 刘保柱，苏彦华，张宏林.MATLAB7.0从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5] 曹绪，张倩，刘红星.基于最小二乘法及多项式拟合的气温变化预测[J].中国科技论文在线，2009，(12)：3-5.

[6] 鲜飞.贴片机现状及发展趋势[J].武汉：电子测试.2007，(5)：71-76.

[7] 龙绪明.电子表面组装技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

Research of Suction Nozzle Pressure Based on the Least Squares

HE Xuping，REN Baosheng，QI Yubin

(ShanDong RIFA Textile Machinery Co.Ltd，Liaocheng，252000，China)

SMT production line of electronic components in the real installed by negative pressure of suction nozzle will electronic component adsorption，so as to realize pick-up and placement of electronic components.To accurately grasp the suction nozzle material success，in this paper，through the negative pressure sensors to detect changes in pressure and with PMAC board on the A/D conversion value and the quantification，the corresponding to the data by using the principle of least square method under the environment of MATLAB software，polynomial fitting，get the optimal data curves and data results.

Surface mount technology(SMT)；Suction nozzle；Programmable multi-axis controller；A/D conversion；Matrix laboratory；Least square method

TN605

B

1004-4507(2017)04-0056-04

何旭平（1966-），男，汉，本科，浙江新昌人，山东日发纺织机械有限公司。

2017-05-07

祁玉斌（1986-），男，汉，硕士研究生，机械工程师，山东日发纺织机械有限公司。

任保胜（1985-），男，汉，硕士研究生，电气工程师，山东日发纺织机械有限公司。