基于六轴机器人的PCB智能插装站控制系统的研究

（机科发展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

自20世纪50年代中期起，电路印刷板（PCB）已逐渐成为“电子产品之母”，其应用几乎渗透电子产业的各个终端领域，包括计算机、通信、消费电子、工业控制、医疗仪器、国防军工、航天航空等等。未来随着新一代信息技术产业的发展，智能手机、汽车电子、LED、IPTV、数字电视等新兴电子产品不断升级换代，PCB生产将在这种变革中起到至关重要的作用。而目前PCB生产的后道工艺中，异形件的插装基本依靠人力手工作业，极大制约了生产效率的提高和不良率的降低，本文以智能家电主控PCB板异形件插装工作站控制系统为研究目标，引入工业6轴机器人、精密视觉检测技术、PLC控制技术、人机交互和上位机数据库，形成一套柔性化智能自动插装站的完整控制系统，结合工艺设备实现了PCB板异形件的全自动高效智能插装。

1 PCB智能插装站的设备组成

PCB智能插装站以2台机器人及周边设备为一组，主要由6轴机器人本体、抓手单元、喂料单元、管脚整形单元、轨道输送单元、控制系统硬件单元组成。以六轴机器人为核心，具备自动喂料、视觉识别、元件抓取、定位补偿、元件插装、PCB板自动输送等功能。这种插装站灵活方便，可根据用户实际插装工艺需求，单独使用或多个组成插装生产线，机械和电控硬件连接部分设计为标准接口。同时，PCB板型、插装电子元件种类和顺序均可按照用户生产需求和任务的下达，通过网络交互或人工手动方式在工作站上位机数据库中设定后投入使用。智能空调内机PCB主控板如图1所示，PCB智能插装站设备组成示意如图2所示，其中2个插装站已连接为小型插装产线。

图1 智能空调内机PCB主控板

图2 PCB智能插装站组成示意图（2个站）

2 PCB智能插装站的控制系统

2.1 控制系统硬件配置及网络构成

PCB智能插装站控制系统的硬件配置：三菱MELSEC-Q系列高性能CPU作为主控单元，Fx3U系列小型CPU作为周边设备辅助控制单元，2台机器人控制器、4台视觉相机、2台上位工控机、1台显示器、1台触摸屏及一台以太网交换机，并预留与车间MES系统的硬件接口。

控制系统网络整体基于以太网的TCP/IP协议，主控CPU、机器人、上位机、HMI均通过以太网交换机进行高速数据通讯；视觉相机直接通过以太网卡连接至上位机。系统网络拓扑图如图3所示。

2.2 主控PLC系统

主控PLC系统的核心是主控CPU，它是整个系统的大脑，是主逻辑的运行载体。本系统中它的协调控制功能主要体现在，通过以太网的高速数据交换，控制带特定夹具的插件机器人、视觉系统、辅助上料设备、轨道及其他机构实现完整自动流程，并与信息系统交换生产信息。

其中，针对设备的控制分为两类，输送轨道贯穿各个工作工位，每个工位均设的辅助定位装置和升降机构以及其他相对简单的周边设备与主逻辑动作密切相关，所以直接由主控CPU处理；而周边相对比较复杂、独立性强的自动上料机等装备采用小型CPU单独控制，与主CPU只做IO点交互即可，硬件固化为标准航插，整机即插即用，方便灵活的同时又减轻了主控CPU的工作负荷，提高了运行效率。

根据PCB智能插装站的工艺设计要求，每台机器人插装4种不同工件的时间节拍为9s，插装精度为0.1mm（圆形误差空间），所以主控CPU的处理速度必须要快，网络通讯时间必须要短，存储区容量则必须要大。三菱MELSEC-Q系列CPU基本分为三类，本控制系统主CPU选用了其中内置以太网口，高速处理、高精度运算和系统扩展性强的“高性能型”处理器QnUDE；而自动上料机属于常规小型设备的控制，选用了集成IO点一体的Fx3U小型处理器。

控制程序在GX Works2编程软件中采用梯形图方式编写，按照一个主程序嵌套调用若干子程序的思路，以PCB从轨道线上板到插装完毕下板为主线，将辅助设备或机构的控制独立编写为不同的设备子程序块，将与上位机通讯、数据存储与计算、与机器人交互、故障处理等独立编写为功能子程序块，在主程序中按照逻辑需求进行调用。软件系统方框图如图4所示。

2.3 机器人控制系统

图3 控制系统网络拓扑图

图4 软件系统方框图

目前，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向，这种应用在保证产品质量，提高生产效率的同时避免了大量的工伤事故。本文的PCB智能插装站中，选用了三菱MELFA，垂直多关节型RV-F系列6轴机器人来替代人工为PCB板插装异形电子元件。机器人控制系统硬件包含2台6轴机器人本体，2台紧凑型控制器及1台触摸屏；软件系统包括用MELFA BASIC V语言在RT ToolBox2软件中开发的机器人自动控制程序及在三菱高端工业触摸屏GT2310中开发的机器人手自动控制及报警、故障处理的HMI界面，如图5所示。

此次机器人软件系统的开发突破了对于常规使用示教器进行编程和操作的依赖和局限性，采用RT ToolBox2软件进行了插装全过程的离线仿真，并于后期使用在线模式进行编程调试。单台机器人插装流程仿真如图6所示。

图5 机器人操作界面

图6 单台机器人插装仿真

2.4 机器视觉系统

所谓机器视觉就是通过软硬件的组合。赋予机器类似于人类视觉的功能。它以视觉处理理论为中心，是图像处理、模式识别、计算机技术和生理心理学为基础的信息处理科学中的一个重要分支。本视觉系统包含了硬件和软件两个部分，其中硬件系统组成为2组工业相机、镜头、光源、采集卡和计算机。软件系统包含了图像处理分析、特征提取、模式识别等视觉检测功能，同时开发了与机器人和主控PLC基于以太网的通讯功能。其中，视觉检测功能又分为两个部分，即PCB板的识别和电子元件管脚的识别；安装在机器人第六轴的顶部相机是用来识别PCB板的准确位置，安装在轨道平台的底部相机是用来识别电子元件管脚的位置，通过图像处理分析技术和相应数据计算得出所拍照PCB板、电子元件的实际坐标与基准坐标的偏差量，机器人接收这些数据后换算为自身坐标系中电子元件管脚在PCB板上的实际插装位置，从而将其精确地插入PCB板。

作为检测中最重要的电子元件管脚轮廓和姿态识别，本系统采用了底部打光，而为了防止真空吸附或夹爪夹取后电子元件意外位姿改变而造成的图像处理偏差，采用了德国Basler相机和日本VST的百万像素镜头，为了保证精度，相机采用元件到位直接触发方式。单个电子元件的视觉纠偏流程如图7所示。

图7 视觉纠偏流程

2.5 插装站数据库

PCB智能插装站的上位机数据库主要是根据用户灵活排产的需要，设立PCB类型库及需要插装的电子元器件类型库，两个库数据关联，调出一种PCB板型，与该板型相关的编码信息、尺寸数据、需要插装电子元件的数量、种类及其在PCB板上的标准插装位置、对应相机的标定参数等数据即会自动加载，更新数据库软件界面（如图8所示）的同时将其加载至PLC、机器人及相机中。实际生产中，一旦更换生产板型，只需在软件界面中从PCB类型库中选择并加载相应的PCB板，再结合机械工装手抓的调整，即可在很短的时间内完成转产，实现插装生产的智能化和兼容多种板型的柔性化。并且，生产任务的下达也可以通过上级生产信息管理系统，这里预留了与MES的接口。

图8 数据库软件界面

3 结论

本控制系统投入实际运行以来，稳定可靠，设备工作状况良好，使用及维护简洁方便，各项性能指标均达到了研究目标，受到了用户的好评。PCB智能插装站目前已大量应用于智能空调内外机主控板的生产，将异型元件插件效率提升了31%，插件反向、插错、漏插等品质不良下降了50%，同时解决了异形元件上料难，频繁换料等问题，从很大程度上突破了制约PCB板生产自动化程度提高的瓶颈。未来，随着插装站适应能力的提高，还可延伸到更多PCB板生产自动化的领域。

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[3]肖南峰,等.工业机器人[M].机械工业出版社,2011.

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