SMT自动定位控制系统研究

摘要: 通过分析贴片头机械手的控制结构，构建了位置控制系统的数学模型，讨论了采用常规PID控制的设计方法，分析了稳态误差。首先讨论了smt技术的国内外发展状况，指出了研究的意义。列出了SMT中的一些关键技术，并进行了详细的阐述，把对贴片机的运动控制作为本设计的主要研究内容，并对贴片机的运动控制进行了深入的分析，围绕典型的控制部件贴片机的贴片头展开了研究，把贴片头看作一个四关节的机械手，基于底层的伺服控制建立了贴片头机械手的运动控制模型。

关键词：SMT；机械手；运动控制

中图分类号： F407 文献标识码： A

1 引言

随着微电子产业的发展，微电子集成芯片在尺寸、种类、形态结构以及制造周期方面有了很大变化。由于电子行业对电子产品小型化的要求，高集成度IC一般都采用表面贴装形式。SMT(表面贴装技术Surface Mount Technology)是目前电子贴装行业里面的主流技术，被誉为电子组装技术的一次革命。当前发达国家在计算机、通信、军事、工业自动化、消费类电子产品中，几乎都采用了SMT技术。因此自主开发 SMT生产设备不仅是发展我国半导体产业的需要，也是我国国民经济健康、持续发展的迫切需求。

SMT生产线中的主要设备由滴胶机、丝印机、贴片机、回流焊机、清洗机和检测机等组成，同时还配备了如上下料机、接驳台、涂敷设备、周转设备等辅助设备。贴片机、滴胶机、丝印机和检测机是关键设备，其中贴片机是SMT生产线设备当中最关键的设备，它的技术含量最高、价格最昂贵。图1是典型的SMT工艺流程图：

图1 smt工艺流程图

Fig. 1 Smt flow chart

2 贴片机的运动控制分析

由前面的贴片机关键技术分析可知，控制技术是核心问题，也是本文要研究的主要问题。贴片机的控制问题主要是对贴片机的运动控制研究。

贴片机的发展经历了手动、半自动、全自动贴片机三个时期，目前绝大多数正在使用的贴片机都属于全自动贴片机类型。全自动贴片机是机-电-光及自动控制、计算机技术的综合应用。它通过拾取、移动、定位、贴装等功能，将表面贴装器件(SMD)快速而准确地贴装到PCB板指定的焊盘位置上。贴片机对所有元件的贴装是按顺序进行的：拾取/贴装头先移动到指定的喂料器位置上拾取要贴装的元件，再通过视觉处理系统对贴装元件进行检测和对中，最后移动到PCB板上的指定焊盘位置上贴装元件；在这一过程结束后，拾取贴装头又移动到喂料器拾取下一批元件、再进行识别、贴装操作，如此周而复始，直到所有元件都贴装完。整个流程完全由计算机控制自动完成，无需人力介入。所以，对运动控制部分的速度、精度等都提出了很高的要求。

根据生产任务在计算机上进行编程，主要任务有三项[8] ：

(1) 对每个需要贴装的元器件，按照元器件轨道设置文件进行装料，并安放于分配到的元器件供料轨道上。

(2) 根据待加工PCB的宽度将贴片机传输轨道调整到相应的宽度。

(3) 依据贴片任务需要来设定吸嘴配置，进行相应的吸嘴更换。其次，等这些准备工作结束后，就进入PCB坐标识别步骤，对PCB定位处理。若该块PCB的基准点不能够被识别，就放弃贴片，并传送到输出端轨道处；若该块PCB通过视觉系统的判别，则它就被正确定位于贴片工作区。旋转头按照加工程序到相应的供料轨道上取料，然后到指定的贴片位置进行贴装。如果在贴片过程中发生故障，如元器件供料轨道、机器驱动及气路等控制有问题，机器会做出相应的报警提示。假如排故成功可继续贴片，直至完成所有的元器件的贴装，否则退出贴片作业，PCB传输到输出端轨道上。对一块PCB贴片作业完成后，自动进入下一个PCB作业循环。

3 贴片机的各轴组成和运动方式

图2 贴片机运动各轴组成

Fig. 2 Mounter movement various axes composition

表1 各轴功能表

Tablet 1 Various axes function table

各个轴需要实现的运动控制方式分为基本运动和组合运动，基本运动包括所有轴的原点复位、恒速运动、以给定的加速度，速度运动到目标位置；组合运动包括X、Y轴的直线插补运动、匀加速的之字形运动；Z、PU轴的匀加速上下运动；R、W轴的匀加速正反运动等。运动控制的种类如图3所示。

图3 各轴的运动控制种类

Fig. 3 Various axes movement control type

4 贴片头运动控制模型的建立

贴片头可以看成四个自由度的机械手，其动态特性具有高度的非线性。其驱动执行机构由伺服电动机来完成。本论文研究的贴片头驱动机构为直流伺服电机。

由于机械零部件比较复杂，例如机械部件可能因承受负载而弯曲，关节可能具有弹性及机械摩擦等等，所以在实际上不可能建立准确的模型。一般采用近似模型，在设计模型时，假设贴片头机械手各段是理想刚体，因此所有关节都是理想的，不存在摩擦和间隙。

4.1直流传动系统的建模

在建立贴片头机械手控制模型之前，我们有必要研究一下机械手运动的执行机构-直流伺服电动机的模型。

图4表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。

图4 直流电动机工作原理图

Fig. 4 Direct current motor work schematic diagram

图中伺服电动机的参数规定如下：

―励磁回路电阻与电感；

―励磁回路电流与电压；

―电枢回路电阻与电感；

―电枢回路电流与电压；

―电枢（转子）角位移与转速；

―电动机转子转动惯量及粘滞摩擦系数；

―电动机转矩及转矩常数；

―电动机反电势常数；

―负载角位移与转速；

―减速比；

―负载转子转动惯量及粘滞摩擦系数；

首先求出电枢控制直流伺服电机传递函数。我们可以建立以下方程式子

(4-1)

(4-2)

(4-3)

式中 ，分别表示传动系统对转动轴的总转动惯量和总粘滞摩擦系数。对上述三式进行拉氏变换，则变为：

(4-4)

(4-5)

(4-6)

其等效方框图见图5。

图5 电枢控制直流电机传递函数框图

Fig. 5 Armature control direct current machine transfer function diagram

根据式(4-4)至(4-6)可以得到电动机的开环传递函数如下：

(4-7)

2.2贴片头位置控制的基本结构

贴片头的位置控制结构可以采用以下两种形式，即关节空间控制和直角坐标控制结构，分别如图6 (a)，(b)所示。

图6 贴片头的位置控制基本结构

Fig. 6 Mount-header the position control basic structure

在图(a)中，是期望的关节位置矢量，别是期望的关节速度矢量和加速度矢量，是实际关节位置矢量和速度矢量。是关节驱动力矩矢量，是相应的控制矢量。

在图(b)中，是期望的工具位姿，其中表示期望的工具的位置，表示期望的工具的姿态。，其中是期望的工具线速度，是期望的工具角速度，是期望的工具加速度，是实际的工具位置和工具速度。

本文采用第一种控制结构来研究和设计贴片头的控制系统。这种控制结构的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而比较容易实现关节的伺服控制。

参考文献

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

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