PCB電路板被廣泛應(yīng)用于通訊電子、消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療器械、國(guó)防和航空航天等領(lǐng)域，市場(chǎng)需求巨大。其中PCB板的電子器件插件又是線路板制作流程的核心工藝，以電阻、電容、晶體管、LED燈、連接器和按鍵等電子元件為主的PCB板插件工藝經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即人工插件、自動(dòng)插件機(jī)、高速異性插件機(jī)等。本文重點(diǎn)介紹了正運(yùn)動(dòng)技術(shù)開發(fā)的PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制解決方案，用戶可將PCIE464嵌入在標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)中，以快速實(shí)現(xiàn)高性能的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制功能。

　　文/深圳市正運(yùn)動(dòng)技術(shù)有限公司

　　最傳統(tǒng)模式是人工插件，效率低下，并且錯(cuò)插、漏插現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量低下;隨著自動(dòng)化的興起和發(fā)展，自動(dòng)插件機(jī)市場(chǎng)逐漸崛起，插件效率和準(zhǔn)確率大大提升，但是只能夠插單一類型的電子元器件，對(duì)生產(chǎn)廠家在成本和換料操作方面造成了一定的困擾;全球智能制造的進(jìn)一步提升以及普及，產(chǎn)能、精度以及易操作已經(jīng)成為越來越重要的性能指標(biāo)，自動(dòng)異形插件機(jī)，可裝載多種器件供料裝置、多工位多頭夾取、高精度視覺定位等處理，能夠極大地提高生產(chǎn)效率和降低成本，逐漸成為行業(yè)需求的風(fēng)向標(biāo)。

人工插件 

全自動(dòng)異性插件

　　1 EtherCAT總線PCIe運(yùn)動(dòng)控制卡PCIE464產(chǎn)品介紹

　　正運(yùn)動(dòng)技術(shù)PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡，提供高效的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制解決方案，用戶可將PCIE464嵌入標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)中，以快速實(shí)現(xiàn)高性能的EtherCAT運(yùn)動(dòng)控制功能。

正運(yùn)動(dòng)技術(shù)PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡

　　在“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的模式下，可充分利用PC的高效數(shù)據(jù)處理和開放性特性，以及控制卡高速PWM、多維位置比較輸出PSO等功能，實(shí)現(xiàn)出色的多軸同步控制和高速點(diǎn)位以及復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)控制等功能，確保了控制卡與上位機(jī)的無縫實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，極大地提升運(yùn)動(dòng)控制的效率和精度，同時(shí)利用PC Windows的特性，可簡(jiǎn)單快速對(duì)接到MES等數(shù)據(jù)中心，可被廣泛應(yīng)用于3C電子制造、半導(dǎo)體、裝配、精密加工、鋰電和光伏、機(jī)器人等領(lǐng)域。

PC+運(yùn)動(dòng)控制卡解決方案

　　硬件特性如下：

　　l 可選6-64軸運(yùn)動(dòng)控制，支持EtherCAT總線/脈沖/步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器;

　　l 聯(lián)動(dòng)軸數(shù)最高可達(dá)16軸，EtherCAT周期最快125us;

　　l 標(biāo)配8進(jìn)8出，其中4路高速鎖存輸入和8路高速PWM、PSO輸出，更多IO請(qǐng)選配ACC37接線板擴(kuò)展板;

　　l 支持PWM輸出、精準(zhǔn)輸出、PSO硬件位置比較輸出、視覺飛拍等;

　　l 支持30+機(jī)械手模型正逆解模型算法，比如SCARA、Delta、UVW、4軸/5軸 RTCP......;

　　l 支持掉電存儲(chǔ)和掉電中斷，提供程序更安全機(jī)制;

　　l 具有螺距補(bǔ)償控制，在單軸/多軸上通過多個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)進(jìn)行精確調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。

　　2 PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡在高速異性插件機(jī)的應(yīng)用

　　異形插件機(jī)是一種用于自動(dòng)化電子裝配過程的機(jī)器，能夠按照預(yù)設(shè)程序?qū)⒕帋Щ蛘吖┝掀鞯碾娮釉骷_地安裝到印刷電路板上。異性插件機(jī)的設(shè)備控制主要由視覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和人機(jī)交互三大部分組成。

　　以往常用的控制系統(tǒng)方案配置是PC+機(jī)器視覺+PLC，PLC的網(wǎng)口交互效率并不高，導(dǎo)致產(chǎn)能不夠。得益于PCI/PCIE運(yùn)動(dòng)控制卡的高實(shí)時(shí)和高響應(yīng)，PC+運(yùn)動(dòng)控制卡+機(jī)器視覺的方案逐漸替代傳統(tǒng)的PLC方案，在效率、精度和可操作性方面得到了極大的提升，實(shí)現(xiàn)了從異性插件機(jī)到高速異性插件機(jī)的跨越。

　　(1)人機(jī)交互

　　Windows運(yùn)行環(huán)境，操作界面、IO監(jiān)控、視覺監(jiān)控、手動(dòng)運(yùn)動(dòng)、設(shè)備參數(shù)、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)等。

　　(2)視覺系統(tǒng)

　　①電子元件針腳視覺識(shí)別和定位，主要對(duì)電子元件的外輪廓和針腳進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)與定位;

　?、趯?duì)PCB板通過圓孔、方孔、不規(guī)則點(diǎn)等進(jìn)行MARK定位，電子元件精確的插到PCB上。

引腳視覺處理 

PCB定位圖片

　　(3)運(yùn)動(dòng)控制

　　工業(yè)電腦PC與PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡高效配合控制，EtherCAT連接18個(gè)EtherCAT總線驅(qū)動(dòng)，包含直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及遠(yuǎn)程IO等，可實(shí)時(shí)調(diào)整切換驅(qū)動(dòng)器位置模式、速度模式和力矩模式，實(shí)現(xiàn)異性插件機(jī)設(shè)備的高效、高精度的運(yùn)動(dòng)控制。

　　工業(yè)電腦PC+PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡高效配合控制

　　正運(yùn)動(dòng)技術(shù)的PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡，EtherCAT周期最快125us，高速的PCIe接口，視覺飛拍，SS曲線加加速度平滑等功能，特別適用于高速高柔的運(yùn)動(dòng)控制，應(yīng)用在高速異性插件機(jī)上，插件頭拾取元件后，XY直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到檢測(cè)相機(jī)上方進(jìn)行飛拍，對(duì)元件引腳進(jìn)行檢測(cè)和定位，從而保證插件更加精準(zhǔn)，優(yōu)化路徑、保證XY平臺(tái)運(yùn)行路徑最短，可實(shí)現(xiàn)0.6s/pcs的節(jié)拍，重復(fù)定位精度可達(dá)±0.01mm，滿足高速高精的市場(chǎng)需求。

　　3 PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡在高速異性插件機(jī)的核心功能

　　(1)方案配置

　　(2)運(yùn)動(dòng)控制核心功能

　?、賁曲線、SS曲線

　　S形速度曲線同樣用于表達(dá)速度與時(shí)間的關(guān)系。但與梯形曲線的區(qū)別在于對(duì)梯形曲線的加速和減速階段進(jìn)行平滑，平滑后曲線形狀如字母S。S形速度曲線如下圖所示。

　　正運(yùn)動(dòng)提供了專門的SRAMP指令實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際運(yùn)動(dòng)應(yīng)用中，通過SRAMP指令進(jìn)行對(duì)應(yīng)的值設(shè)置，可使運(yùn)動(dòng)中的速度曲線更加平滑，從而減少對(duì)控制過程中的沖擊，并使插補(bǔ)過程具有柔性。

S曲線 加速度連續(xù)

　　SS速度曲線又名加加速度曲線，用于表達(dá)加速度與時(shí)間的關(guān)系。加加速度是描述加速度變化快慢的物理量，即加速度的變化率。

　　正運(yùn)動(dòng)提供了 VP_MODE 指令的模式6和7可實(shí)現(xiàn)SS曲線，即對(duì)加速度的加速和減速階段進(jìn)行平滑，如下圖所示。

SS曲線 加加速度連續(xù)

　　在高速異性插件機(jī)中，對(duì)加加速度進(jìn)行平滑后，可降低機(jī)構(gòu)因加速度變化率太快而導(dǎo)致的沖擊過大和抖動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)更柔性化生產(chǎn)，提升產(chǎn)能。

　　②視覺飛拍

　　電子元件在供料系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)整形，在夾爪抓取元件之后，會(huì)走到下相機(jī)位置，對(duì)電子元件的引腳進(jìn)行視覺識(shí)別和定位，視覺識(shí)別主要檢測(cè)引腳缺失、變形等，OK繼續(xù)往下，NG廢料處理;視覺定位是通過對(duì)引腳的視覺處理，進(jìn)行夾爪上電子元件的對(duì)位糾偏，方便插到PCB上去。到相機(jī)位置進(jìn)行拍照和視覺處理，往往造成設(shè)備不需要的停頓動(dòng)作，每次插件都停頓1-2s，1000次貼裝都要停頓半小時(shí)，對(duì)產(chǎn)能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

定拍V-T圖 

飛拍V-T圖

　　使用視覺飛拍技術(shù)，當(dāng)夾爪抓取元件運(yùn)動(dòng)到拍照區(qū)域，由PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡高速硬件位置比較輸出觸發(fā)相機(jī)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)無停頓拍照，微秒級(jí)的拍攝速度，數(shù)毫秒間輸出視覺運(yùn)算結(jié)果，再利用相機(jī)回傳的位置數(shù)據(jù)，對(duì)視覺缺陷和角度位置進(jìn)行判斷、修正補(bǔ)償。在2m/s的運(yùn)行速度下，插件精度依然能夠確保在±0.01mm的精度，并且效率提升5%以上。

　　(3)動(dòng)作流程

　?、俟┝希弘娮釉ㄟ^飛達(dá)等裝置，經(jīng)過供料槽預(yù)整形后輸送至供料器外端;

　?、谖≡簷C(jī)器的夾爪從供料器外端夾取電子元件，準(zhǔn)備去PCB插件，同時(shí)同步輪轉(zhuǎn)一個(gè)角度，下一個(gè)元件到供料位置;

　?、垡曈X飛拍：夾爪夾取的電子元件，按照預(yù)設(shè)路徑，經(jīng)過下相機(jī)，進(jìn)行視覺飛拍，并進(jìn)行圖形處理(針腳檢測(cè)與定位糾偏等)，把視覺圖形結(jié)果給到PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡;

　?、躊CB板MARK點(diǎn)定位后，夾爪把夾取的電子元件精準(zhǔn)的插入到PCB上;

　?、輮A爪返回供料位，再去取料，繼續(xù)把其他元件插件到PCB上，直到單個(gè)PCB板元件插完;

　　⑥傳送裝置把插好的PCB板流出到下一個(gè)工位待焊接，同時(shí)下一塊待插件的PCB板就位。

　　4 PCIE464運(yùn)動(dòng)控制卡在高速異性插件機(jī)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

　　(1)適用于支持WindowsXP/7/10/11，Linux等操作系統(tǒng)，適用性更廣;

　　(2)統(tǒng)一開放的API函數(shù)接口，讓用戶開發(fā)更靈活更高效;

　　(3)PCIe接口相較于PCI接口，傳輸效率更快，更適用于高速高精的應(yīng)用場(chǎng)景;

　　(4)支持上位機(jī)+RTBasic腳本語(yǔ)言混合開發(fā)，極大提高指令的實(shí)時(shí)執(zhí)行效率;

　　(5)支持C語(yǔ)言編譯，程序執(zhí)行效率更快，提升設(shè)備運(yùn)行效率;

　　(6)EtherCAT同步周期可快至125us，提升設(shè)備產(chǎn)能;

　　(7)一維/二維/三維硬件位置比較輸出，可視覺飛拍，縮短設(shè)備整體CT;

　　(8)更安全機(jī)制，內(nèi)置RTBasic程序執(zhí)行，確保Windows系統(tǒng)在“藍(lán)屏”情況下程序不會(huì)“宕機(jī)”。