pcb阻焊油墨技術(shù)論文(2)
pcb阻焊油墨技術(shù)論文篇二
PCB缺陷焊點實體標(biāo)記自動控制系統(tǒng)
摘 要：針對人工用肉眼檢查電路板焊點容易造成漏檢和誤檢的問題，文章設(shè)計了一種PCB缺陷焊點實體標(biāo)記自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103VET6微處理器為核心，通過串口接收工控機(jī)的參數(shù)與處理結(jié)果，結(jié)合開關(guān)模塊，分別控制三個電動直線推桿和三臺步進(jìn)電機(jī)，利用電磁鐵推動標(biāo)記筆，實現(xiàn)缺陷焊點的自動標(biāo)識。通過試驗測試表明，該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)電路板缺陷焊點自動標(biāo)記功能。
關(guān)鍵詞：焊點缺陷;標(biāo)記;STM32F103VET6;步進(jìn)電機(jī)
隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的不斷發(fā)展，電路板朝著小面積、小元件、高密度的方向發(fā)展。但從成本、工藝以及技術(shù)要求等方面考慮，在不需要小型化的產(chǎn)品中仍有大量電路板采用通孔插裝技術(shù)，因此一般需要采用波峰焊來完成元件引腳與焊盤之間的連接[1]。但由于技術(shù)上的瓶頸，波峰焊的工藝流程容易引起焊點質(zhì)量問題，主要表現(xiàn)為焊點短路、焊點漏焊、焊點不飽滿或表面有針孔等。為了解決上述焊點缺陷問題，企業(yè)一般采用傳統(tǒng)的人工目測來檢查并修補(bǔ)。此方法雖然方便實用、適應(yīng)性強(qiáng)，預(yù)先成本最低，但人工目測主觀性較強(qiáng)，而且由于人的視覺疲勞以及勞動強(qiáng)度的影響，不可避免的會有焊點缺陷的漏檢和誤檢[2]。
因此，針對上述問題，文章以某企業(yè)的電路板裝配生產(chǎn)流水線為改造對象，設(shè)計出一種電路板缺陷焊點實體標(biāo)記自動控制系統(tǒng)，通過接收機(jī)器視覺檢測設(shè)備的檢測結(jié)果，在電路板有缺陷焊點的地方進(jìn)行自動標(biāo)記。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
1.1 電路板裝配流水線改造
某企業(yè)的電路板裝配線以流水線方式對已經(jīng)完成機(jī)器插件的電路板進(jìn)行裝配和檢測，其生產(chǎn)工序包括手工插件、元件插后質(zhì)量檢測、波峰焊機(jī)焊接、剪腳分板、執(zhí)錫、焊后質(zhì)量檢測、打膠、ICT測試、貼標(biāo)簽、裝箱。本方案以盡量減少對原裝配線的改動，滿足原生產(chǎn)工藝規(guī)范為原則，對其流水線改造如圖1所示。
電路板缺陷焊點實體自動標(biāo)識裝置安裝在波峰焊機(jī)和傳送帶之間，工人把經(jīng)過波峰焊機(jī)焊接完畢的電路板進(jìn)行剪腳、分板和執(zhí)錫后，放入電路板推送裝置中的等待區(qū)。原來的焊后質(zhì)量檢測工位分為檢測工位以及標(biāo)識工位，以滿足原生產(chǎn)流水線的生產(chǎn)節(jié)拍。其中，檢測工位安裝缺陷焊點檢測設(shè)備，標(biāo)識工位安裝缺陷焊點自動標(biāo)記裝置。
1.2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計
電路板缺陷焊點實體自動標(biāo)記裝置由電路板推送裝置和標(biāo)記裝置組成。推送裝置負(fù)責(zé)在每個生產(chǎn)周期開始時，將三塊電路板推送至下一工位，其主要由一臺步進(jìn)電機(jī)和三個電動直線推桿驅(qū)動。標(biāo)記裝置負(fù)責(zé)實現(xiàn)電路板缺陷焊點的實體標(biāo)記識別，主要由兩臺步進(jìn)電機(jī)和三個電磁鐵驅(qū)動。整個系統(tǒng)的控制核心是微處理器，作為下位機(jī)，與運(yùn)行缺陷焊點檢測軟件的工控機(jī)進(jìn)行通信，包括發(fā)送指令和接收參數(shù)、檢測結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，微處理器首先通過串口，接收工控機(jī)的參數(shù)，控制推送裝置的推送距離，然后在完成了推送電路板工作后，發(fā)送指令給工控機(jī)，命令工控機(jī)開始進(jìn)行電路板焊點檢測工作，最后根據(jù)檢測結(jié)果，控制由步進(jìn)電機(jī)帶動的標(biāo)記裝置進(jìn)行焊點實體標(biāo)記。為了保證裝置運(yùn)行安全可靠，在控制系統(tǒng)中加入多個開關(guān)模塊。控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
硬件部分主要包括：微處理器控制模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、電動直線推桿控制模塊、電磁鐵控制模塊以及開關(guān)模塊等五部分。
2.1 微處理器選型
系統(tǒng)選用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6微處理器作為主控芯片。該微處理器采用Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)置512KB閃存和64KB SRAM;擁有80個GPIO，并多達(dá)11個定時器和13個通信接口，為控制外圍設(shè)備和與外圍設(shè)備進(jìn)行通信提供了豐富的資源[3，4]。
2.2 微處理器核心控制模塊
微處理器核心控制模塊的設(shè)計內(nèi)容主要是處理器的最小系統(tǒng)設(shè)計以及GPIO的規(guī)劃配置。STM32F102VET6使用型號為AMS1117-3.3的電源芯片供電，并且使用振蕩頻率為8MHz的晶振，通過倍頻設(shè)置，使芯片工作在72MHz。本設(shè)計主要使用的PE口作為信號控制端，與外部設(shè)備相連，并工作在推挽輸出模式;PA9和PA10是串口通信端，通過串口通信模塊與工控機(jī)相連。同時，由于系統(tǒng)需要接收多種外部信號，通過外部中斷觸發(fā)，根據(jù)硬件設(shè)計，將需要中斷輸入的GPIO配置為上拉輸入模式。
2.3 步進(jìn)電機(jī)控制模塊
步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行需要驅(qū)動器提供電流和微處理器提供信號。為了滿足設(shè)計的精度要求，本控制系統(tǒng)選用型號為2M542的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。該驅(qū)動器主要用于驅(qū)動2相4線的步進(jìn)電機(jī)，能夠提供1.00A-4.20A的驅(qū)動電流，并且細(xì)分驅(qū)動最高可達(dá)25000步。為了防止由于長時間運(yùn)行而燒毀步進(jìn)電機(jī)，因此驅(qū)動器的工作電流設(shè)定為1.46A。微處理器主要提供脈沖信號和方向信號。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與微處理器連接如圖3所示。PE5連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的脈沖輸入端，PE6連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的轉(zhuǎn)向控制端。其余兩臺步進(jìn)電機(jī)控制方式一樣，不再敘述。
2.4 電動直線推桿控制模塊
電動直線推桿是一種將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動的電力驅(qū)動裝置。在本裝置的電路板推送機(jī)構(gòu)中需要使用三個電動直線推桿，分別控制推送支架的上升下降和電路板檔桿的往復(fù)運(yùn)動。本控制系統(tǒng)中選用直流電機(jī)作驅(qū)動的電動直線推桿。由于該直流電機(jī)屬于小容量電機(jī)，所以采取直接啟動方式[5]，通過控制電機(jī)電流方向來控制推桿的往復(fù)運(yùn)動，其控制電路如圖4所示。
2.5 電磁鐵控制模塊
由于要針對三種不同的缺陷焊點做實體標(biāo)記，因此使用三種不同顏色并可擦除的PCB專用標(biāo)記筆對電路板上的缺陷焊點進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記方法為通過導(dǎo)通推拉式電磁鐵，由推桿推動標(biāo)記筆向下運(yùn)動，在缺陷焊點旁打點標(biāo)記。電磁鐵控制電路如圖5所示。
2.6 開關(guān)模塊 為了保證系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確和安全可靠，需要在裝置中分別安裝3個光電開關(guān)和6個限位開關(guān)。3個光電開關(guān)分別固定在3個電動滑臺導(dǎo)軌的原點處，保證推送電路板距離和標(biāo)記裝置定位符合程序要求;6個限位開關(guān)則分別固定在3個電動滑臺導(dǎo)軌的兩端，防止由于程序出錯引起步進(jìn)電機(jī)帶動的滑臺碰撞導(dǎo)軌兩端，設(shè)定安全距離。開關(guān)模塊的控制電路圖如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括微處理器的硬件配置，裝置工作狀態(tài)初始化和中斷服務(wù)程序。硬件配置主要根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，分別配置時鐘頻率、GPIO工作模式、中斷源和中斷優(yōu)先級等。裝置工作狀態(tài)初始化確保裝置標(biāo)記準(zhǔn)確。中斷服務(wù)包括外部中斷、定時器中斷和串口中斷。
3.1 主程序設(shè)計
當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，微處理器對硬件進(jìn)行配置，配置的內(nèi)容包括系統(tǒng)時鐘配置、GPIO工作模式、定時器配置、中斷配置、串口配置。然后微處理器正式開始主任務(wù)，主程序流程如圖7所示。首先進(jìn)行參數(shù)接收確定推送距離，然后初始化裝置工作狀態(tài)，輸出脈沖控制三臺步進(jìn)電機(jī)，使得標(biāo)識機(jī)構(gòu)和推架都位于設(shè)定的原點位置。完成初始化后，生產(chǎn)節(jié)拍開始計時，電路板推送裝置的推架上升，分別把三塊電路板推送至傳送帶、標(biāo)記工位以及檢測工位后，與上升檔桿共同固定電路板，然后發(fā)送指令給工控機(jī)，開始缺陷焊點檢測。待檢測完畢，微處理器根據(jù)接收處理的結(jié)果，等待XY方向步進(jìn)電機(jī)帶動標(biāo)記機(jī)構(gòu)完成定位，然后對缺陷焊點進(jìn)行標(biāo)記。直到當(dāng)前電路板所有缺陷焊點標(biāo)記結(jié)束后，推架和標(biāo)識機(jī)構(gòu)回到原點，等待下個生產(chǎn)節(jié)拍。
3.2 中斷服務(wù)程序
3.2.1 外部中斷程序?？刂葡到y(tǒng)用到多個外部中斷，來源主要是開關(guān)模塊以及步進(jìn)電機(jī)脈沖。當(dāng)系統(tǒng)接收到光電開關(guān)的信號時，改變程序中原點標(biāo)記變量，告知主程序該方向上的步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)到達(dá)原點處。若接收到限位開關(guān)的信號，則發(fā)送“error”給工控機(jī)，并停止運(yùn)行。將步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)送到外部中斷，用于脈沖數(shù)量的計數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù)。
3.2.2 定時器中斷程序。設(shè)計中使用了系統(tǒng)滴答定時器和通用定時器。系統(tǒng)滴答定時器主要用于生產(chǎn)節(jié)拍的計時，控制生產(chǎn)節(jié)拍的周期。在每個生產(chǎn)節(jié)拍開始時，啟動電路板推送裝置的步進(jìn)電機(jī)，將電路板推送至下一工位。通用定時器則主要用于控制輸出步進(jìn)電機(jī)脈沖的頻率。由于步進(jìn)電機(jī)在工作時，頻率不能突變，否則將會失步或過沖。因此每次改變頻率時，應(yīng)該保持電機(jī)在該頻率下持續(xù)運(yùn)行一定的時間。本系統(tǒng)使用的是指數(shù)型調(diào)速，根據(jù)公式
f(t)=f0+(fm-f0)×(1-e-t/T) (1)
可得出每個頻率下步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)[6]。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走完當(dāng)前頻率下的步數(shù)時，定時器輸出下一個頻率的脈沖。
3.2.3 串口中斷程序。系統(tǒng)的微處理器與工控機(jī)采用串口方式通信。微處理器在接收工控機(jī)的檢測結(jié)果時，采用中斷接收處理，然后根據(jù)結(jié)果，分別確定XY方向步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和步數(shù)。系統(tǒng)的通信格式是“+/-xxxx+/-xxxxN”。“+/-”表示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，“xxxx”表示步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的步數(shù)，且前5位表示X方向的步進(jìn)電機(jī)，第6-10位表示Y方向的步進(jìn)電機(jī)。最后一位“N”表示當(dāng)前電路板所有缺陷焊點已經(jīng)完成標(biāo)記，若未完成，則為空格字符。
4 系統(tǒng)測試
完成了組裝后，在實驗室對控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試。當(dāng)系統(tǒng)通電啟動后，本裝置按照設(shè)定流程工作：推架和標(biāo)識機(jī)構(gòu)回到原點;推架推送電路板;工控機(jī)顯示屏顯示接收到的指令;標(biāo)記機(jī)構(gòu)根據(jù)檢測結(jié)果，移動到缺陷焊點旁;電磁鐵動作，PCB標(biāo)記筆向下做標(biāo)記;電路板缺陷焊點標(biāo)記完畢后，推架和標(biāo)記機(jī)構(gòu)回到原點處。為了進(jìn)一步測試步進(jìn)電機(jī)的精度是否滿足設(shè)計要求，對其進(jìn)行了測量。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器，采用直連方式與電動滑臺導(dǎo)軌相連。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈時，滑臺對應(yīng)的直線移動距離為75mm，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動選擇1600步/轉(zhuǎn)，采用游標(biāo)卡尺測量數(shù)據(jù)如表1所示。
從表1可知，滑臺實際移動距離與理論值存在一定的誤差，但不足影響工人對標(biāo)記的判定，工人仍可以通過記號鎖定區(qū)域，快速尋找缺陷焊點并進(jìn)行修補(bǔ)。
5 結(jié)束語
文章以某企業(yè)的電路板生產(chǎn)流水線為改造對象，以解放勞動力為主要目的，設(shè)計了一種電路板缺陷焊點實體標(biāo)記自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要通過接收工控機(jī)的檢測結(jié)果，控制多種機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)缺陷焊點的實體標(biāo)記。在實驗室的運(yùn)行測試表明，該系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期效果，本裝置已申請發(fā)明專利和軟件著作權(quán)各一件。
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作者簡介：鄒恩(1956-)，女，博士，教授，主要研究方向為非線性系統(tǒng)的智能控制。
黃浩揚(yáng)(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向為計算機(jī)控制。
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