pcb阻焊油墨技术论文(2)
pcb阻焊油墨技术论文篇二
摘 要：针对人工用肉眼检查电路板焊点容易造成漏检和误检的问题，文章设计了一种PCB缺陷焊点实体标记自动控制系统。系统以STM32F103VET6微处理器为核心，通过串口接收工控机的参数与处理结果，结合开关模块，分别控制三个电动直线推杆和三台步进电机，利用电磁铁推动标记笔，实现缺陷焊点的自动标识。通过试验测试表明，该控制系统可实现电路板缺陷焊点自动标记功能。 关键词：焊点缺陷;标记;STM32F103VET6;步进电机
随着现代电子工业的不断发展，电路板朝着小面积、小元件、高密度的方向发展。但从成本、工艺以及技术要求等方面考虑，在不需要小型化的产品中仍有大量电路板采用通孔插装技术，因此一般需要采用波峰焊来完成元件引脚与焊盘之间的连接[1]。但由于技术上的瓶颈，波峰焊的工艺流程容易引起焊点质量问题，主要表现为焊点短路、焊点漏焊、焊点不饱满或表面有针
孔等。为了解决上述焊点缺陷问题，企业一般采用传统的人工目测来检查并修补。此方法虽然方便实用、适应性强，预先成本最低，但人工目测主观性较强，而且由于人的视觉疲劳以及劳动强度的影响，不可避免的会有焊点缺陷的漏检和误检[2]。
因此，针对上述问题，文章以某企业的电路板装配生产流水线为改造对象，设计出一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统，通过接收机器视觉检测设备的检测结果，在电路板有缺陷焊点的地方进行自动标记。
1 系统方案设计
1.1 电路板装配流水线改造
某企业的电路板装配线以流水线方式对已经完成机器插件的电路板进行装配和检测，其生产工序包括手工插件、元件插后质量检测、波峰焊机焊接、剪脚分板、执锡、焊后质量检测、打胶、ICT测试、贴标签、装箱。本方案以尽量减少对原装配线的改动，满足原生产工艺规范为原则，对其流水线改造如图1所示。
电路板缺陷焊点实体自动标识装置安装在波峰焊机和传送带之间，工人把经过波峰焊机焊接
完毕的电路板进行剪脚、分板和执锡后，放入电路板推送装置中的等待区。原来的焊后质量检测工位分为检测工位以及标识工位，以满足原生产流水线的生产节拍。其中，检测工位安装缺陷焊点检测设备，标识工位安装缺陷焊点自动标记装置。
1.2 控制系统总体设计
电路板缺陷焊点实体自动标记装置由电路板推送装置和标记装置组成。推送装置负责在每个生产周期开始时，将三块电路板推送至下一工位，其主要由一台步进电机和三个电动直线推杆驱动。标记装置负责实现电路板缺陷焊点的实体标记识别，主要由两台步进电机和三个电磁铁驱动。整个系统的控制核心是微处理器，作为下位机，与运行缺陷焊点检测软件的工控机进行通信，包括发送指令和接收参数、检测结果。当系统开始运行时，微处理器首先通过串口，接收工控机的参数，控制推送装置的推送距离，然后在完成了推送电路板工作后，发送指令给工控机，命令工控机开始进行电路板焊点检测工作，最后根据检测结果，控制由步进电机带动的标记装置进行焊点实体标记。为了保证装置运行安全可靠，在控制系统中加入多个开关模块。控制系统框图如图2所示。
2 系统硬件设计
硬件部分主要包括：微处理器控制模块、步进电机控制模块、电动直线推杆控制模块、电磁铁控制模块以及开关模块等五部分。
2.1 微处理器选型
系统选用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6微处理器作为主控芯片。该微处理器采用Cortex-M3内核，最高工作频率可达72MHz，内置512KB闪存和64KB SRAM;拥有80个GPIO，并多达11个定时器和13个通信接口，为控制外围设备和与外围设备进行通信提供了丰富的资源[3，4]。
2.2 微处理器核心控制模块
微处理器核心控制模块的设计内容主要是处理器的最小系统设计以及GPIO的规划配置。STM32F102VET6使用型号为AMS1117-3.3的电源芯片供电，并且使用振荡频率为8MHz的晶振，通过倍频设置，使芯片工作在72MHz。本设计主要使用的PE口作为信号控制端，与外部设备相连，并工作在推挽输出模式;PA9和PA10是串口通信端，通过串口通信模块与工控机相连。同时，由于系统需要接收多种外部信号，通过外部中断触发，根据硬件设计，将需要中断输入的GPIO配置为上拉输入模式。
2.3 步进电机控制模块
步进电机的正常运行需要驱动器提供电流和微处理器提供信号。为了满足设计的精度要求，本控制系统选用型号为2M542的步进电机驱动器。该驱动器主要用于驱动2相4线的步进电机，能够提供1.00A-4.20A的驱动电流，并且细分驱动最高可达25000步。为了防止由于长时间运行而烧毁步进电机，因此驱动器的工作电流设定为1.46A。微处理器主要提供脉冲信号和方向信号。步进电机驱动器与微处理器连接如图3所示。PE5连接步进电机驱动器的脉冲输入端，PE6连接步进电机驱动器的转向控制端。其余两台步进电机控制方式一样，不再叙述。
2.4 电动直线推杆控制模块
电动直线推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。在本装置的电路板推送机构中需要使用三个电动直线推杆，分别控制推送支架的上升下降和电路板档杆的往复运动。本控制系统中选用直流电机作驱动的电动直线推杆。由于该直流电机属于小容量电机，所以采取直接启动方式[5]，通过控制电机电流方向来控制推杆的往复运动，其控制电路如图4所示。
2.5 电磁铁控制模块
由于要针对三种不同的缺陷焊点做实体标记，因此使用三种不同颜并可擦除的PCB专用标记笔对电路板上的缺陷焊点进行标记。标记方法为通过导通推拉式电磁铁，由推杆推动标记笔向下运动，在缺陷焊点旁打点标记。电磁铁控制电路如图5所示。
2.6 开关模块 为了保证系统运行准确和安全可靠，需要在装置中分别安装3个光电开关和6个限位开关。3个光电开关分别固定在3个电动滑台导轨的原点处，保证推送电路板距离和标记装置定位符合程序要求;6个限位开关则分别固定在3个电动滑台导轨的两端，防止由于程序出错引起步进电机带动的滑台碰撞导轨两端，设定安全距离。开关模块的控制电路图如图6所示。
3 系统软件设计
系统软件设计主要包括微处理器的硬件配置，装置工作状态初始化和中断服务程序。硬件配置主要根据控制系统的需要，分别配置时钟频率、GPIO工作模式、中断源和中断优先级等。装置工作状态初始化确保装置标记准确。中断服务包括外部中断、定时器中断和串口中断。
3.1 主程序设计
当系统开始运行时，微处理器对硬件进行配置，配置的内容包括系统时钟配置、GPIO工作模式、定时器配置、中断配置、串口配置。然后微处理器正式开始主任务，主程序流程如图7所示。首先进行参数接收确定推送距离，然后初始化装置工作状态，输出脉冲控制三台步进电机，使得标识机构和推架都位于设定的原点位置。完成初始化后，生产节拍开始计时，电路板推送装置的推架上升，分别把三块电路板推送至传送带、标记工位以及检测工位后，与上升档杆共同固定电路板，然后发送指令给工控机，开始缺陷焊点检测。待检测完毕，微处理器根据接收处理的结果，等待XY方向步进电机带动标记机构完成定位，然后对缺陷焊点进行标记。直到当前电路板所有缺陷焊点标记结束后，推架和标识机构回到原点，等待下个生产节拍。
3.2 中断服务程序
3.2.1 外部中断程序。控制系统用到多个外部中断，来源主要是开关模块以及步进电机脉冲。当系统接收到光电开关的信号时，改变程序中原点标记变量，告知主程序该方向上的步进电机已经到达原点处。若接收到限位开关的信号，则发送“error”给工控机，并停止运行。
将步进电机的脉冲发送到外部中断，用于脉冲数量的计数，控制步进电机转动步数。
3.2.2 定时器中断程序。设计中使用了系统滴答定时器和通用定时器。系统滴答定时器主要用于生产节拍的计时，控制生产节拍的周期。在每个生产节拍开始时，启动电路板推送装置的步进电机，将电路板推送至下一工位。通用定时器则主要用于控制输出步进电机脉冲的频率。由于步进电机在工作时，频率不能突变，否则将会失步或过冲。因此每次改变频率时，应该保持电机在该频率下持续运行一定的时间。本系统使用的是指数型调速，根据公式
f(t)=f0+(fm-f0)×(1-e-t/T) (1)
可得出每个频率下步进电机转动的步数[6]。当步进电机走完当前频率下的步数时，定时器输出下一个频率的脉冲。
3.2.3 串口中断程序。系统的微处理器与工控机采用串口方式通信。微处理器在接收工控机的检测结果时，采用中断接收处理，然后根据结果，分别确定XY方向步进电机的转向和步数。系统的通信格式是“+/-xxxx+/-xxxxN”。“+/-”表示步进电机的转向，“xxxx”表示步进电机需要转动的步数，且前5位表示X方向的步进电机，第6-10位表示Y方向的步进电机。最后一位“N”表示当前电路板所有缺陷焊点已经完成标记，若未完成，则为空格字符。
4 系统测试
完成了组装后，在实验室对控制系统进行了测试。当系统通电启动后，本装置按照设定流程工作：推架和标识机构回到原点;推架推送电路板;工控机显示屏显示接收到的指令;标记机构根据检测结果，移动到缺陷焊点旁;电磁铁动作，PCB标记笔向下做标记;电路板缺陷焊点标记完毕后，推架和标记机构回到原点处。为了进一步测试步进电机的精度是否满足设计要求，对其进行了测量。步进电机通过联轴器，采用直连方式与电动滑台导轨相连。当步进电机转动一圈时，滑台对应的直线移动距离为75mm，步进电机细分驱动选择1600步/转，采用游标卡尺测量数据如表1所示。
从表1可知，滑台实际移动距离与理论值存在一定的误差，但不足影响工人对标记的判定，工人仍可以通过记号锁定区域，快速寻缺陷焊点并进行修补。
5 结束语
文章以某企业的电路板生产流水线为改造对象，以解放劳动力为主要目的，设计了一种电路板缺陷焊点实体标记自动控制系统。该系统主要通过接收工控机的检测结果，控制多种机构
协调工作，实现缺陷焊点的实体标记。在实验室的运行测试表明，该系统能达到预期效果，本装置已申请发明专利和软件著作权各一件。
参考文献
[1]方明.波峰焊工艺技术研究[D].广东：华南理工大学，2012.
[2]马灿.PCB缺陷智能视觉检测系统研究与设计[D].湖南：湖南大学，2012.
[3]陈福彬，伍毅，王铁流.基于STM32的人行通道智能控制与管理系统设计[J].自动化与仪表，2010，25(1)：45-48.
[4]李晶，李东泽，石坚.基于STM32的时间压力采集系统[J].自动化与仪表，2013，28(12)：42-45.
[5]贺昱曜.运动控制系统[M].西安：西安电子科技大学，2009.16.
[6]李大成，高金吉.基于可编程控制器的转速测量及步进电机升降速控制研究[J].北京化工大学学报，2011，38(4)：119-123.
作者简介：邹恩(1956-)，女，博士，教授，主要研究方向为非线性系统的智能控制。
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