一款基于STM32的貼片機控制系統設計與實(shí)現

摘要：本文采用STM32F103RBT6芯片設計并實(shí)現了一款小型化桌面型的貼片機。首先介紹了貼片機的結構及各個(gè)模塊的組成，分析了其中運動(dòng)控制系統模塊的硬件組成、軟件設計方案，對核心電路部分、舵機的驅動(dòng)程序以及串口通訊數據包的設計做了詳細的介紹。經(jīng)過(guò)調試，該設計方案能夠較為準確和高效的完成自動(dòng)貼片工作。

貼片機又稱(chēng)“表面貼裝系統”(Surface Mount System)，是一種通過(guò)移動(dòng)、吸取、安放動(dòng)作把表貼元件精準放置在指定位置的一種自動(dòng)化設備。在實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)中，先由點(diǎn)膠機對PCB板進(jìn)行點(diǎn)膠操作，然后由貼片機進(jìn)行貼裝操作，最后由回流焊機焊接，完成整個(gè)PCB板的焊接任務(wù)，是SMT流水線(xiàn)中不可或缺的一環(huán)。目前發(fā)達國家壟斷了貼片機的主要領(lǐng)域，我國的貼片機產(chǎn)業(yè)完全靠進(jìn)口。而且在實(shí)際生產(chǎn)中，國際上的自動(dòng)貼片機雖然效率與精度最高，但大都造價(jià)昂貴，功能單一，適用于大型企業(yè)。而手動(dòng)貼片機造價(jià)低廉，但效率極低，精度取決于操作者得水平，且無(wú)法解放雙手。

本文以STM32F103RBT6為主控芯片，設計了一種適應于個(gè)體經(jīng)營(yíng)者、學(xué)校實(shí)驗以及科研制板等領(lǐng)域的自動(dòng)貼片機，既能解放雙手，增加效率，又能不失精度，價(jià)格適中。

1 貼片機模塊設計方案

本文將貼片機模塊化的進(jìn)行設計與編程，模塊化后的整機系統由3個(gè)部分組成：機械傳動(dòng)系統、機器視覺(jué)系統和運動(dòng)控制系統，如圖1所示。

1.1 貼片機機械傳動(dòng)系統的設計方案

1.1.1 貼片機X軸Y軸設計方案

本方案采用X—Y軸兩軸聯(lián)動(dòng)，Z軸獨立運動(dòng)的設計方案。其中X-Y軸由步進(jìn)電機通過(guò)同步帶傳動(dòng)進(jìn)行機械運動(dòng)。具體實(shí)現結構如圖2所示。

如圖所示，Y軸步進(jìn)電機固定于底座上，帶動(dòng)同步帶輪旋轉，同步輪帶動(dòng)同步帶做直線(xiàn)運動(dòng)，光軸滑塊與同步帶相連。從而跟隨同步帶演光軸導軌做Y軸方向的的運動(dòng)。X軸整體機構與Y軸相似，提供X軸方向上的直線(xiàn)運動(dòng)。其整體固定與Y軸滑塊之上，當Y軸運動(dòng)時(shí)同時(shí)帶動(dòng)X(jué)軸運動(dòng)。從而實(shí)現X—Y兩軸聯(lián)動(dòng)。

1.1.2 貼片機Z軸設計方案

本設計方案中Z軸由舵機、光軸導軌、吸筆、拖拽針、攝像頭組成。其結構如圖3所示。

其中吸筆由空心軸步進(jìn)電機制作而成，當步進(jìn)電機旋轉時(shí)，帶動(dòng)吸筆吸盤(pán)選擇，從而提供了貼片機旋轉軸的運動(dòng)。旋轉吸筆用于改變元器件貼裝方向。拖拽針與吸筆固定在同一直線(xiàn)上，用于拖拽料盤(pán)，從而實(shí)現送料功能。拖拽針與吸筆分別固定在2組光軸導軌上，底部安裝有彈簧，用于拖拽針與吸筆復位。舵機控制壓桿左右旋轉，從而壓動(dòng)吸筆與拖拽針進(jìn)行向下運動(dòng)，當壓桿處于中間態(tài)時(shí)，彈簧將吸筆與拖拽針

彈起，回到初始位置。攝像頭安裝在工作臺上方，用于俯視PCB板。

1.2 機器視覺(jué)系統設計方案

本方案采用兩臺CCD相機、環(huán)形LED光源及圖像處理設備組成。其中一臺CCD相機安裝在貼片機Z軸上。與貼裝頭一起運動(dòng)，用于俯視PCB板，采集各定位點(diǎn)坐標信息，計算X—Y軸運動(dòng)偏移量，輔助定位。另外一臺CCD相機固定在工作臺上，向上仰視。當貼裝頭吸取原件后，運動(dòng)至相機上方，相機采集元器件圖像。計算旋轉角度偏移量及X—Y軸運動(dòng)偏移量。環(huán)形LED光源提供相機采集圖像時(shí)的背光，提高成像質(zhì)量。計算機用于處理采集到的圖像數據，分析計算后將控制指令傳送至運動(dòng)控制系統。

1.3 運動(dòng)控制系統設計方案

運動(dòng)控制部分由軟件系統與硬件設備組成。其中軟件部分分為上位機及下位機。上位機即計算機。下位機采用STM32F103RBT6微控制器作為核心控制器。上位機與下位機由串口數據線(xiàn)連接。硬件設備由步進(jìn)電機、步進(jìn)電機驅動(dòng)器、舵機、電磁閥等組成。

運動(dòng)控制系統工作流程如圖4所示。

2 運動(dòng)控制系統硬件設計

2.1 運動(dòng)控制系統結構

貼片機控制系統模塊所完成的主要任務(wù)是，在上層控制器的控制下，對步進(jìn)電機驅動(dòng)器進(jìn)行控制，使各軸能夠進(jìn)行“受控運動(dòng)”，實(shí)現運動(dòng)控制系統所需求的各軸起制動(dòng)、正反轉、調速和保護等功能。

控制系統的控制模式是以PC機為平臺、以微控制器為核心協(xié)調工作。通用PC機負責數控程序編輯、人機界面管理等功能;微控制器用來(lái)管理子程序以及負責機械本體的運動(dòng)控制和邏輯控制，支持用戶(hù)的開(kāi)發(fā)和擴展，并具有上、下兩級的開(kāi)放性。

本設計方案采用STN32F103微控制器作為核心器件，協(xié)調3個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)器控制步進(jìn)電機的運行。同時(shí)獲取編碼器數據，限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并控制舵機、電磁閥等器件的運行。各器件連接圖如圖5所示。

本設計方案所采用的主控芯片STM32F103RBT6是一款基于A(yíng)RM Codex—M3內核的32位處理器，具有杰出的功耗控制與眾多外設。該芯片內置128K FLASH、20K SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、RTC、51個(gè)可用IO口。其電路圖如圖6所示。