一款基于STM32的貼片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文采用STM32F103RBT6芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款小型化桌面型的貼片機(jī)。首先介紹了貼片機(jī)的結(jié)構(gòu)及各個(gè)模塊的組成，分析了其中運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模塊的硬件組成、軟件設(shè)計(jì)方案，對(duì)核心電路部分、舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序以及串口通訊數(shù)據(jù)包的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹。經(jīng)過調(diào)試，該設(shè)計(jì)方案能夠較為準(zhǔn)確和高效的完成自動(dòng)貼片工作。

貼片機(jī)又稱“表面貼裝系統(tǒng)”(Surface Mount System)，是一種通過移動(dòng)、吸取、安放動(dòng)作把表貼元件精準(zhǔn)放置在指定位置的一種自動(dòng)化設(shè)備。在實(shí)際生產(chǎn)線中，先由點(diǎn)膠機(jī)對(duì)PCB板進(jìn)行點(diǎn)膠操作，然后由貼片機(jī)進(jìn)行貼裝操作，最后由回流焊機(jī)焊接，完成整個(gè)PCB板的焊接任務(wù)，是SMT流水線中不可或缺的一環(huán)。目前發(fā)達(dá)國家壟斷了貼片機(jī)的主要領(lǐng)域，我國的貼片機(jī)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(jī)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(jī)造價(jià)低廉，但效率極低，精度取決于操作者得水平，且無法解放雙手。

本文以STM32F103RBT6為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于個(gè)體經(jīng)營者、學(xué)校實(shí)驗(yàn)以及科研制板等領(lǐng)域的自動(dòng)貼片機(jī)，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(jī)模塊設(shè)計(jì)方案

本文將貼片機(jī)模塊化的進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程，模塊化后的整機(jī)系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

1.1 貼片機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.1.1 貼片機(jī)X軸Y軸設(shè)計(jì)方案

本方案采用X—Y軸兩軸聯(lián)動(dòng)，Z軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。其中X-Y軸由步進(jìn)電機(jī)通過同步帶傳動(dòng)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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

1.1.2 貼片機(jī)Z軸設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案中Z軸由舵機(jī)、光軸導(dǎo)軌、吸筆、拖拽針、攝像頭組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中吸筆由空心軸步進(jìn)電機(jī)制作而成，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)吸筆吸盤選擇，從而提供了貼片機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)吸筆用于改變?cè)骷N裝方向。拖拽針與吸筆固定在同一直線上，用于拖拽料盤，從而實(shí)現(xiàn)送料功能。拖拽針與吸筆分別固定在2組光軸導(dǎo)軌上，底部安裝有彈簧，用于拖拽針與吸筆復(fù)位。舵機(jī)控制壓桿左右旋轉(zhuǎn)，從而壓動(dòng)吸筆與拖拽針進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)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(tái)上方，用于俯視PCB板。

1.2 機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

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

1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

運(yùn)動(dòng)控制部分由軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)備組成。其中軟件部分分為上位機(jī)及下位機(jī)。上位機(jī)即計(jì)算機(jī)。下位機(jī)采用STM32F103RBT6微控制器作為核心控制器。上位機(jī)與下位機(jī)由串口數(shù)據(jù)線連接。硬件設(shè)備由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)、電磁閥等組成。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

貼片機(jī)控制系統(tǒng)模塊所完成的主要任務(wù)是，在上層控制器的控制下，對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，使各軸能夠進(jìn)行“受控運(yùn)動(dòng)”，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需求的各軸起制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速和保護(hù)等功能。

控制系統(tǒng)的控制模式是以PC機(jī)為平臺(tái)、以微控制器為核心協(xié)調(diào)工作。通用PC機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)控程序編輯、人機(jī)界面管理等功能;微控制器用來管理子程序以及負(fù)責(zé)機(jī)械本體的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，支持用戶的開發(fā)和擴(kuò)展，并具有上、下兩級(jí)的開放性。

本設(shè)計(jì)方案采用STN32F103微控制器作為核心器件，協(xié)調(diào)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)獲取編碼器數(shù)據(jù)，限位開關(guān)狀態(tài)，并控制舵機(jī)、電磁閥等器件的運(yùn)行。各器件連接圖如圖5所示。

本設(shè)計(jì)方案所采用的主控芯片STM32F103RBT6是一款基于ARM Codex—M3內(nèi)核的32位處理器，具有杰出的功耗控制與眾多外設(shè)。該芯片內(nèi)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。