贴片机控制系统的设计与实现

孙 剑，谢宝智

（1.海沃机械（中国）有限公司，江苏扬州 225006；2.常州工业职业技术学院，江苏常州 213164）

0 引言

贴片机（SMT）生产线主要设备包括印刷机、贴片机和回焊炉，辅助设备包括检测设备、返修设备、清洗设备、干燥设备和物料存储设备等。其中，贴片机完成的是SMT生产中的一个关键工序，它通过贴片头吸取-位移-定位-放置等几个动作，把所需元件快速准确地贴到PCB板上涂有锡膏的相应位置[1-2]。贴片机运动控制的方法有很多，其中基于PLC的运动控制开发难度小、稳定性和拓展性好，易于熟悉和掌握，硬件功能组态方便，使用灵活，技术成熟，可靠性高[3-4]。

本文在分析某中低速贴片机控制要求的基础上，提出基于PLC的控制系统软硬件设计思路，并就其中的关键技术进行了阐述。

1 控制系统分析

贴片机控制系统包括运动控制系统与开关量控制系统两部分。运动控制系统有PCB板、贴片头控制与供料控制3部分。具体为PCB板的移动X1方向、贴片头的X2-Y-Z-T方向、卷料与撕料电机控制，共7个动作[5]。开关量控制有电磁阀与指示灯控制。如图1所示，PCB板与贴片头5个轴的运动控制是贴片机控制的核心部分，也是控制设计的重点。

图1 贴片机各轴运动示意图

贴片机的工作流程包括吸片、移动、检测、定位、贴装等。如图2所示，整个贴片过程在PLC控制下是顺序自动执行。首先，贴片头通过X2轴和Y轴的移动，到达供料器的相应料口，Z轴方向移动接触到元件后真空电磁阀得电，贴片头处形成负气压将元件吸牢。然后，经传感器检测吸附成功后，T轴完成旋转，经Y轴和X1轴移动到PCB板上预定的焊接位置。最后，Z轴方向移动接触到PCB板后，真空电磁阀失电，贴片头由负气压变为零气压，元件脱离贴片头在PCB板上，从而完成了一个完整的贴片过程。接着，判断是否所有贴片都已经完成，没有完成则贴片头移动到供料器拾取下一个元件，再重复进行上述的贴片过程；如此循环直到整个PCB板所有元件都贴片完成，贴片头和PCB板都回到零位，等待下一个PCB板的贴片指令[6-7]。

图2 贴片机工作流程

2 运动控制系统组成

贴片机运动控制系统的7个动作，都是由步进电机驱动实现，各轴的硬件设计及控制方法基本相同。图3所示为贴片机运动控制系统硬件框图（以Y轴为例），由上位PC机、控制面板、PLC、Y轴步进电机驱动器、Y轴步进电机、传动机构组成了一个开环控制系统。其他轴的控制结构及控制方法也与之相同，只是电机、电机驱动系统、传动机构有所不同。

图3 贴片机运动控制系统组成

上位机是装有应用软件的计算机，主要负责人机交互、参数设定。PLC根据上位PC机或控制面板发出的控制命令，运行内部程序输出数字脉冲信号给步进电机驱动器，由步进电机驱动器控制步进电机动作。驱动器的功能是进行功率变换，并驱动电机实现正反、转动与停止。贴片机中的执行机构由执行电机、传送机构以及贴片装置等组成，属于最终的被控对象。常用的执行电动机一般有步进电机、数字式交流伺服电机和直流伺服电机，本贴片机系统是中低精度要求，因此采用的是步进电机。

3 控制系统硬件和软件设计

（1）硬件系统设计

根据需要控制的负载种类与数量，选用无锡信捷科技有限公司XCM-60T-E运动控制型PLC，此PLC输入36点/输出24点，晶体管输出，最多可支持10轴脉冲输出，支持MODBUS通讯[8]。上位的工业计算机、可编程逻辑控制器和步进电机驱动器是贴片机控制系统的核心，通过7个步进电机驱动器分别控制7个步进电机运动；此外还控制两个电磁阀与多个指示灯开关量。

（2）软件设计

控制系统软件包括PLC程序设计和上位机应用程序设计。PLC程序编写与调试采用信捷XCP Pro编程软件和梯形图语言。根据控制原理，设计的PLC程序共分4个部分：初始化及各轴回零、各轴点动与长动、参数保存、自动循环贴片。在上位机参数设定结束后，贴片机可脱离上位机在操作面板控制下，由工人发出具体的控制命令经由PLC、步进电机驱动器驱动步进电机独立完成自动贴片。上位机应用程序采用.NET框架设计，包括程序界面、系统管理、参数设定和操作控制等功能模块。通过开发的用户程序界面可实现贴片机各参数的输入和修改，显示贴片过程中出现的异常。基于MODBUS通讯协议，上位机可以读写PLC控制程序或实时监控PLC的执行过程[9]。

4 系统关键技术与实现

（1）各轴回零控制

贴片机的贴片动作速度快、频率高，如果不能精确回零，一定时间后因误差的积累，将会大幅降低贴片的精度。因此，每个动作都必须设置零位，在启动机器和每个动作的结束都要实现精确回零。一般选择非接触式的光电传感器作为回零传感器，如透光型光电开关。这类传感器的体积小、灵敏度高；只接受红外光，不会受外界其他光线信号的干扰而导致回零失败或不精确回零[10]。此外，各轴回零还要考虑开机时各轴在零点的特殊情况，以免不能正确将累计脉冲寄存器清零，由于零点的不统一造成精度降低，甚至发生碰撞等严重的意外事故。

（2）步进电机控制

步进电机具有不要反馈就能对位置和速度进行控制、位置误差不累积、快速启停和保持制动等优点，是自动控制系统中常用的执行部件。但是在具体设置步进电机驱动器时需要兼顾高速性、平稳性、发热和噪音等指标，选择合适的电压与电流；细分数的选择以避开电机的共振频率；脉冲指令中起动频率设定不能超过牵入转矩曲线，以免失步；设定好加减速时间，以免过冲。

（3）供料控制

贴片机的供料由拨料电机与卷料电机配合实现。拨料电机通过凸轮机构实现下压-前移-上抬-后退动作；卷料电机通过连续转动带动齿轮机构卷绕料带的薄膜，由于在卷动过程中直径在不断变化，需要在一定的时候打滑上抬空转，否则会拉断薄膜或误拨料。在设计时拨料电机的脉冲数需要多次调试，才能准确实现4个动作。卷料电机的工作频率的选择要使得力矩小于卷好料带后的阻力矩，实现上抬空转；脉冲数要根据直径最小时需要转过的角度来换算得到。只有这样，两个电机才能准确协调地实现供料动作。

（4）贴片速度与精度的提高

为提高贴片的速度，贴片机7个轴都需要在不失步与不过冲的前提下，采用最大的启动频率、最高的工作频率和最小的加减速时间。各个轴的负载不一样，步进电机不完全相同，所以需要逐一调试确定。此外，还需要进行贴片过程的优化，解决好速度与精度的矛盾。

5 结束语

目前我国贴片机的保有量已位居世界前列，但是由于没有掌握贴片机的核心技术，几乎全部来自进口。研制开发具有自主知识产权的高性价比的贴片机，可以节约大量外汇、打破国外的技术垄断、推动电子产业的发展。本文设计并实现了基于PLC和步进电机的中低速贴片机运动控制系统，样机测试表明能够达到贴片要求的预期精度和速度。