全视觉多功能贴片机的研制

7全视觉多功能贴片机的研制ResearchandManufactureofSMT2505FullVisionandMultifunctionalPick&PlaceEquipment广州市羊城科技实业有限公司宋福民张小丽马如震GuangzhouYangchengScience&TechnologyEnterprisesco.,ltdSONGFu-minZHANGXiao-liMARu-zhen摘要：SMT2505全视觉多功能贴片机是电子元件贴装专用设备，是国内首台全视觉贴片机，对该机性能的检测和验收符合国际贴装标准IPC9850。它通过全视觉识别系统对不同元件进行视觉识别，能高速高精度贴装微小片状元件、精细IC元件或异形元件。该机具有自动化水平高，操作方便，运行平稳等特点。其贴装精度、识别元件范围、贴装速度等性能达到国际水平。关键词：贴片机；全视觉；精密机械；自动控制；生产管理软件；Abstract:SMT2505fullvisionandmultifunctionalpick&placeequipmentistheelectroniccomponentsurfacemountequipment.SMT2505isthefirstfullvisionmounterofourcountry.ThecapabilityparametersofSMT2505arecoincidentwiththeIPC9850standard.SMT2505canidentifydifferentcomponentbyit’svisionalsystemandplaceChip、IC、SOICrapidlyandaccurately.Theplacementaccuracy、placementvelocityandidentifycapabilityhavereachtheinternationallevel.Keyword:Mounter;Fullvision;Exactmachine;Auto-control;Manufacturemanagingsoftware引言贴片机主要用于电子装联领域，是新一代电子组装技术中的重要设备。它的功能就是在不对元件和印制电路板造成任何损伤的情况下，快速准确地从料盘上取出表面贴装元件，再准确地贴放在印制电路板的对应位置上。贴片机的发展直接影响到表面贴装技术（SMT）的发展，贴片机在国外已经更新改进了几代，目前市场上大部分贴片机设备是高速高精密全自动贴片机。当今国内所使用的贴片机都是国外的进口产品，而这些贴片机的高额价格严重制约了国内电子加工行业的发展。因此，研制开发国产贴片机一直是国内SMT领域的目标。广州市羊城科技实业有限公司经过广泛的市场调研、方案论证，组织力量，进行技术攻关，成功地研制开发出SMT2505全视觉多功能贴片机。该机通过了广东省科技厅组织的科技成果鉴定，目前产品已经面世。在SMT2505全视觉多功能贴片机的研制过程中，研发团队在机械、控制、视觉、生产管理软件等方面形成了一套核心技术。跳出了传统的仿制或从散件进口组装开始逐步升级换代的跟踪型研发方法，走出了一条适合中小科技企业快速形成核心技术能力的研发之路。一技术性能与指标衡量贴片机性能的重要指标：贴装精度、元件的识别范围、贴装速度等，SMT2505全视觉多功能贴片机将全视觉识别系统与精密机械、自动控制和软件设计有机地结合起来，实现了贴片机的整机使用性能。为使SMT2505贴片机更好的与国际市场接轨，我们采用国际贴装设备标准IPC9850，对整机进行检测和验收，目前该机的贴装精度、贴装范围等多种指标已达国际水平。SMT2505全视觉多功能贴片机的主要技术指标：贴片速度:1.6秒/片7贴装精度：Chip元件±0.1mm，QFP元件±0.05mm贴片种类：Chip(0603以上)、SOIC、QFP、BGA等PCB板尺寸：300×350mm贴装头数量：1头送料器数量：40个（以8mm送料器为计）用户操作界面：全中文二工作原理和生产流程1、工作原理SMT2505全视觉多功能贴片机在重要部件如贴装主轴、动/静镜头、吸嘴座、送料器上进行了Mark（直径为1.0mm的圆孔）标识，机器视觉能自动求出这些Mark中心系统坐标，建立贴片机系统坐标系和PCB、贴装元件坐标系之间的转换关系，计算得出贴片机三维运动的精确坐标；贴装头根据导入的贴装元件的封装类型、元件编号等参数到相应的位置抓取吸嘴、吸取元件；静镜头依照视觉处理程序对吸取元件进行检测、识别与对中；对中完成后贴装头将元件贴装到PCB上预定的位置。这一系列元件识别、对中、检测和贴装的动作都是工控PC机根据相应指令获取相关的数据后指导控制系统自动完成。2、生产流程SMT2505的生产流程框图如图1所示7图1生产流程框图三SMT2505全视觉多功能贴片机研制根据SMT2505贴片机所要完成的元件识别、对中、检测和贴装等功能，在研制设计过程中，必须解决：X-Y-Z三个方向的微米级精度的运动控制技术；贴装元件的自动进给；贴装元件的拾取和贴放；PCB板的进出和定位；贴装元件的对中、方向调整及管脚缺陷检查等多个技术难点问题。SMT2505贴片机是一台涉及精密机械、自动控制、图像处理、生产管理软件设计等多学科的精密自动化设备。在研发过程中，如何处理各学科之间的关系并把其有机的联系起来共同实现贴片机功能，这是SMT2505研制的关键。在SMT2505贴片机的研制过程中，应用模块化的设计理念，巧妙地分解贴片机的技术开机将PCB板数据导入数据初始化自动学习PCBMark点进板吸嘴选择送料器选择LED灯控制视觉对中贴装元器件将吸嘴放回吸嘴座出板生产结束7难点。将贴片机的技术划分为机械、控制、视觉、管理软件四大模块，在各模块中又根据需要进行功能模块划分。模块化有利于形成核心技术，增强产品的技术竞争力。模块化也能使设计任务清楚，从而保证研发的速度与质量，同时也将大大加快新一代产品的开发速度。SMT2505贴片机的总体模块划分框图如图2所示：贴装头X-Y运动副送板结构……三坐标运动控制图像摄取控制LED灯开关控制……元器件识别视觉定位自动纠正偏差……运动控制软件视觉软件生产管理软件……图2SMT2505贴片机整体模块划分框图1、机械系统的设计SMT2505贴片机机械系统根据功能划分为：贴装头、X-Y运动机构、送板机构、送料装置等17个模块，各模块分别实现不同的功能。在每一块PCB板贴装时，贴片机都要完成：自动取放吸嘴、自动取放元件、自动运动到静镜头位置进行图像摄取等一系列动作。生产管理程序已经设置了与这些动作有关的数据，但如果因机械运动精度发生变化等原因，使其中的参数发生了改变，会导致贴片机不能完成正确的贴装过程。在机械设计时，采用知名品牌的精密滚珠丝杆、滚动直线导轨、专用轴承、气动元件等，由十个模块组合完成送板、送料、定位、对中、检测、贴装等全部贴装动作。在这些模块上的指定位置进行标识，机器每次开机和关机时都会自动识别标识点坐标，修正系统的初始坐标值。SMT2505贴片机将精密机械与视觉系统有机结合，从而避免了机械加工的难度以及运动精度对贴装精度的影响，使整机能长时间高速平稳工作。精密机械控制系统视觉系统软件系统SMT2505全视觉多功能贴片机72、控制系统的设计SMT2505贴片机的控制系统主要完成：X-Y-Z三坐标运动控制、图像采集、PCB板的自动进出与定位、送料器的自动进给、吸嘴真空电磁阀自动控制等功能。SMT2505贴片机的控制系统由工业PC、运动控制卡、图像卡、I/O接口板等组成，实现了三坐标和外围I/O接口控制，保证运动的准确性和快速响应性，配合机械、视觉模块实现整机功能。工业PC是整个控制系统的核心，实现整机数据的采集传送、分析处理功能，并向各部分发出指令，完成机械传动、图像处理及检测功能。运动控制卡主要实现三坐标运动控制信号的采集，传送各种加工数据，动作执行指令功能等。图像卡主要是采集和传送各种贴装元器件和PCB板上标识点的数据。贴片机要求高速、高精度和高可靠性以及元件无损伤。为提高系统的可靠性，尽量减少干扰源，保证控制系统的相对稳定，在设计控制系统时，按功能将其划分为不同的模块：三坐标控制、图像控制、LED灯控制、辅助控制部分(进板部分，送料部分)等。目前，SMT2505贴片机的X-Y伺服运动系统的速度达到1.5sm/，加速度达到152/sm，运动行程为800x500mm，并且运行平稳，振动小，噪声低。SMT2505贴片机的控制系统原理图如图3所示。逻辑板LED灯控制器运动控制卡电脑动镜头图像卡光电开关输入信号强电输出真空阀输入信号和伺服准备好信号X伺服电机C步进电机W步进电机编码器反馈Y伺服电机Z轴步进驱动器Z步进电机开关运动控制接口板COM1C轴步进驱动器W轴步进驱动器X轴伺服驱动器Y轴伺服驱动器J2J1J3J4CN12CN14CN13CN7CN5CN6CN8SIGSIG编码器反馈IFIF电机线电机线CN2CN1LED1LED2LED3LED4静镜头图3SMT2505贴片机控制系统原理图3、视觉系统的设计SMT2505贴片机视觉系统主要完成：贴装作业中元件质量检查、元件定位、PCB板标识点检测、影像学习坐标点和系统标定的功能。SMT2505贴片机视觉系统主要由动/静摄像头、图像卡、LED程控光源组成。静摄像头用于检查贴片元件的缺陷、相对于吸嘴中心的位置偏移和贴放角度的偏移；动摄像头用于检测PCB板的标识点、各模块标识点以及送料器上元件位置的学习。动/静摄像头所获取的视频图像信号传送到图像采集卡，由工业PC控制图像采集卡完成图像采集，通过显示器就可以对图像进行实时观测；工控PC将采集的视频图像处理后，将结果返回给主控程序，完成7其它相应的控制过程。LED光源的主要功能是控制光源的开关、亮度和照射方向。视觉系统可以通过人机交互界面与数据库系统、控制系统和系统标定系统交换信息，也可以自动交换信息。通过人机界面可以触发视觉系统进行图像实时采集、关闭采集、读入图像、显示图像等功能。人机界面系统发送自动作业命令时，由视觉系统发送坐标值，实现准确贴装。4、生产管理软件生产管理软件是专用于SMT2505贴片机的工业级应用软件，主要用于SMT2505贴片机贴片工艺的联机和脱机编程、作业调度和控制及工艺优化。软件采用MicrosoftWindowsNTWorkstation作为操作系统平台，具备多任务、强壮的安全保护和平稳的数据库、网络支持等特性。软件的核心由运动控制、视觉处理及生产管理三大部分组成，用户可通过视窗界面完成贴片机的各种运动控制、视觉识别和多种方式的贴片作业；软件支持工艺数据编程的在线测试，真正实现了工艺编程的所见即所得特性；同时软件支持多种方式的作业模拟与仿真，使操作人员在批量作业前验证和测试作业数据，避免出现不合格品。作为软件的组成部分包括多种元件特性参数的元件数据库也为精确贴装诸如BGA、FBGA、TQFP等复杂封装类型的元件提供了可靠的数据支持；作为功能选项软件还提供与多种电路设计CAD软件的接口，实现了自动从设计文件中提取贴片数据的功能，可提高操作人员的编程效率。该软件采用业界普遍使用的MicrosoftVisualC++6.0开发工具开发，具有良好的运行性能和符合人机工程学原理的界面。四技术特点1、视觉系统在SMT2505贴片机的视觉系统中，主要解决了两大难题：一是视觉系统的集成，它包括LED光源程控、图像摄取、数据传输、图像处理等技术。二是算法，主要涉及到元件识别、图像处理速度等问题。SMT2505贴片机视觉系统采用了索尼摄像头和MATROX图像处理卡，实现PCB板的定位，元件的自动识别、对中与检测，系统坐标的自动标识，自动修正贴装位置偏差等功能，有“机器的眼睛”之称。SMT2505贴片机上下各有一个摄像头，上为动摄像头，下为静摄像头。通过这两个摄像头，可以进行图像处理，从而自动修正PCB板和元件位置坐标值，完成精确定位贴装。使用摄像头定位系统，降低了对机械精度的要求，相应降低了机械组件加工