彭 涛
广东木几智能装备有限公司
摘要：本文通过开发一种适用于贴片机领域的XY轴（伺服电机）以及PCB传输机构（步进电机）集成控制上层系统，以实现贴片机相机触发控制技术、路径优化技术和实时反馈技术。
关键词 贴片机 X轴 Y轴 PCB控制系统
贴片机是现代电子制造装备的标志性设备，它横跨电子、机械、自动化、光学和计算机等众多学科，涉及精密视觉检测、高速高精度控制、精密机械加工和计算机集成制造等核心技术，贴片机的发展与进步直接影响着整个国家电子信息产业的发展，然而基于贴片机研发高难度和高成本，高端国产贴片机的产业化以及技术水平与国外贴片机的市场占有率及先进的技术相比还有很大的差距，严重制约了国家电子信息产业的发展与进步，为此特研发具有完全独立自主技术的高集成模块化贴片机上层控制系统。针对贴片机控制的特殊性，开发一种适用于贴片机领域的XY轴（伺服电机）以及PCB传输机构（步进电机）集成控制系统的上层控制系统。
运动控制技术经历了从直流电气传动到交流电气传动、从开环控制到闭环控制、从专用型到开放式，最终形成了基于网络的运动控制系统。运动控制技术的发展能够带动产业的快速发展和技术的迅速提升。开放式的运动控制系统能够有效利用控制器强大的计算能力来完成复杂的运动，这样也就促使控制系统朝着响应速度更快、定网势位精度更准确以及稳态误差更小的方向发展；充分利用网络可以减小系统元件之间直接连接，从而可以降低各个设备之间数据传输的误差，从而提高系统运行的可靠性。[ 刘明晓.贴片机X、Y轴的高速高精度运动控制[D].西南交通大学，2015.]
贴片机XY轴和PCB运动控制系统的工作流程主要包括：微处理器通过串口从上位机软件中获取所需的通信数据，从中解析出贴装的动作和相关元件贴装坐标信息以及对应的料站信息；根据得到的运动坐标以及物料仓对应的坐标进行轴运动，并在移动过程中进行插补运算和速度规划，到达目标位置后根据解析后的动作进行贴装；通过相机捕捉到的Mark点坐标加入偏差矫正，根据下发数据量进行重复贴装动作。
一、系统基本组成
本高集成模块化贴片机上层控制系统基于计算机控制系统，通过CPU控制着伺服运动系统制机械臂的运动、进出板系统控制PCB板的传送、气动控制系统控制着所有气动部件的动作，CPU通过报警与检测系统保证运动安全和状态，数据处理系统则时时提供着相关数据信息，而通信系统保持着所有信息的传递。
1.处理器，采用ST公司CORTEX-M4系列处理器；
2.通信方式，采用CAN通信，速率要求1Mbit/s；
3.电机控制，采用位置控制方式，加减速采用S型曲线加减速方式，控制算法限制在加减速时间10ms至1000ms；
4.电机驱动，采用（SVPWM）空间矢量信号，作为IGBT输入，产生可以驱动电机的三相正弦驱动信号；
5.数据采集，采用10路ADC通道采集压力传感器的气压值；
6.输入输出控制，采用处理器GPIO经达林顿管产生输出控制信号，处理器GPIO经光耦隔离产生输入控制信号；
7.上层通过C++封装控制卡API，支持多线程控制。
二、系统算法设计
系统采用编程算法设计，使用最多的是逻辑结构的判断语句，快速排序等，算法简单，方便操作，容易上手，方便操作工人的操作。
三、系统模块设计
系统主要包括六大子系统：控制卡初始化、电机加减速控制系统、电机状态反馈系统、CAN通讯系统、相机触发控制系统、路径优化控制系统。
1. 控制卡初始化系统
初始化就是把变量赋为默认值，把控件设为默认状态，把没准备的准备好。在每次故障处理前，对通讯线路连接、数据记录、中断设置等模块进行确定，是系统正常使用所必须的前提。
系统进入初始化部分后，先进行时钟设置，然后再对需要用到的中断、通讯线路检测、A/D转换器进行设置。
2.电机加减速控制系统
贴片机是一种电气相结合的自动化机器，运动系统既有伺服运动又有气动运动系统。其中包含大量气动部件，贴片头的吸贴元件动作，以及料站的开合都是气动控制。
3.电机状态反馈系统
本系统主要为用户提供电机运行状态信息的反馈。当贴片机在工作时，工作界面会弹出信息确认信息及电机运行参数信息，以保证设备正常稳定的工作。
4.相机触发控制系统
相机触发控制系统是保证贴装精度的关键之一，它对元件在吸取后贴装前的位置状态进行时时检测与反馈，系统通过反馈数据根据精度测算算法对元件位置进行修正，将修正结果发送到主处理器控制运动系统修正最终贴装位置，同时飞行相机和IC相机都是固定安装机架上，进一步保证相机拍照的稳定性，保证精度。
5.CAN通信系统
软件中的所有的操作和数据的发送和接收都需要通过一定方式和原则进行，同时为实现上层与下层控制之间的数据快捷传递和接口衔接简易化，本系统采用CAN通信方式，实现各控制器与CPU间的数据传递。
6路径优化控制系统
通用的遗传算法基础上，结合贴片机实际生产中的特性运动方式，设定吸嘴->料站->贴装头->坐标的顺序优化条件模式，每个环节中都可人为的设置条件也可不做任何设置，系统自动根据目前数据优化进行数据多重分支模拟，对比计算出最佳运动路径方案，最大限度提高生产效率。
四、接口设计
1.Mark相机：将mark点相机的图像数据传递个电脑进行数据处理。
2.飞行相机：将飞行相机的拍摄的元件图片信息传递给电脑处理。
3.鼠标与键盘接口：进行键盘和鼠标的信息传递。
4.插槽：方便对电脑上数据的转移。
5.气压接口：接入气压，为气动元件提供动力。
五、系统出错处理设计
1.出错信息
运行时如气压不足等机器会有相关压力检测仪器报警，提示用户不可生产操作，用户要按照标准的相关设定，确认相关参数是否达标，确认好后机器才能进行生产。
2.补救措施
软件及数据本身存放于单一文件夹中，用户可简单的进行复制黏贴的备份处理，普通操作性出错只需关闭软件，再行启动即可；如发生数据丢失，软件无法运行，即可把备份的文件夹覆盖原有文件夹即可。
六、系统维护设计
软件本身操作简单，只需对所用文件夹进行定期备份处理，以确保数据不必要丢失。
软件的部分数据需要根据市场产品进行数据库的数据更新，该部分可通过开发完成的数据库替换即可，这样可以保持数据库的信息和市场同步，提高软件的应变能力。
七、结论
通过贴片机XY轴和PCB运动控制系统设计，可以很好地实现以下功能：
1.相机触发控制技术
通过相机触发控系统保证贴装精度及对元件在吸取后贴装前的位置状态进行时时检测与反馈，系统通过反馈数据根据精度测算算法对元件位置进行修正，将修正结果发送到主处理器控制运动系统修正最终贴装位置，同时飞行相机和IC相机都是固定安装机架上，进一步保证相机拍照的稳定性，保证精度。
2.路径优化技术
在可通用的遗传算法基础上，结合贴片机实际生产中的特性运动方式，设定吸嘴->料站->贴装头->坐标的顺序优化条件模式，每个环节中都可人为的设置条件也可不做任何设置，系统自动根据目前数据优化进行数据多重分支模拟，对比计算出最佳运动路径方案，最大限度提高生产效率。
3.实时反馈技术
当贴片机在工作时，工作界面会弹出信息确认信息及电机运行参数信息，以保证设备正常稳定的工作。