PCB孔插針機控制系統的設計與研究

黃志敏，羅維平，藺紹江

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PCB孔插針機控制系統的設計與研究

黃志敏1,2，羅維平1*，藺紹江2

（1.武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200；2.湖北理工學院 機電工程學院，湖北 黃石 435003）

為了解決傳統PCB板手工插針的難度及效率問題，研究一套基于三菱PLC與威綸觸摸屏的控制系統。控制系統采用步進電機驅動滾珠絲杠并帶動工作臺（X-Y平臺）運動，通過光電開關檢測滾珠絲杠沿X軸方向、Y軸方向的極限位置，并將信號實時反饋給PLC進行處理。插針機構控制部分通過接近開關檢測氣缸伸出與縮回位置并驅動電磁閥動作，當插針順利落入插針孔內，通過頂針連續將插針打入對應PCB孔內。該系統配有視覺識別系統，通過相機光源實時拍照采集數據圖像，并傳送給工業控制機進行處理并對照顯示，通過與合格標準樣件進行對比，工人能很快發現PCB孔插針的正確與否。實踐應用證明，該系統符合工業現場生產要求，可靠性高，穩定性好。

PCB；三菱PLC；威綸觸摸屏；步進電機；滾珠絲杠；光電開關；接近開關

插針機是連接器制造業中的常用機型設備，插針機速度的提升可以起到提高效率、減少人力、降低成本等作用。傳統的兩塊PCB（印制電路板）之間的電氣連接是通過手工定位和插針的方式實現，隨著PCB板上集成元器件數量的不斷增多和焊盤的密集程度以及孔徑大小不一等情況，傳統的生產方式已不再適應于現在工業柔性化生產的需求，同時在大批量生產時還會增加工人的勞動強度，以及操作難度。針對上述現狀所產生的問題，本文設計了一套基于三菱PLC與WEINVIEW HMI組成的插針機控制系統，用于將連接插針打入兩塊PCB對應的過孔中，實現兩塊PCB之間的電氣連接，從而來代替傳統的手工插接方式，提高生產效率。

1 PCB孔插針機控制系統原理框圖

PCB孔插針機控制系統主要由三菱FX3U系列PLC、WEINVIEW HMI、開關電源、接近開關、光電開關、步進電機、步進電機驅動器、電磁閥、相機光源、工業控制機等組成。PCB孔插針機控制系統原理框圖如圖1所示。

圖1 PCB孔插針機控制系統原理框圖

圖2 PCB孔插針控制原理圖

1.1 PCB孔插針控制原理

PCB孔插針機插針部分主要由振動盤、氣泵、電磁閥、氣缸、塑料軟導管、接近開關等組成，PCB孔插針控制原理如下圖2所示。工作原理：首先把PCB板放置在X-Y平臺固定夾具的四個定位銷上，振動盤(Vibrator Bowl)作為插針的送料裝置，和塑料軟導管配合起來用于實現物料的輸送功能。將零散的插針放入振動盤料斗內，由于振動盤脈沖電磁鐵的作用，使料斗作垂直方向振動，由傾斜的彈簧片帶動料斗繞其垂直軸做扭擺振動。插針由于受到這種振動而沿螺旋軌道上升，插針在上升的過程中經過一系列軌道的篩選（插針大小識別）或者姿態變化（重新落入底層螺旋軌道），使插針物料能夠按照預期的要求呈統一狀態（沿螺旋軌道，依次首尾排列）自動進入氣缸1擋塊的插針孔內，氣缸1伸出使插針落入PCB定位孔內，然后通過氣缸2動作壓下頂針將插針順利打入對應PCB板孔內，當插針打入PCB板對應孔內后，氣缸2縮回，氣缸2是否縮回通過接近開關檢測信號；通過PLC延時幾秒之后氣缸1縮回，通過接近開關1檢測氣缸1是否縮回到位，以此往復循環完成PCB孔的插針；氣缸的伸出與縮回則通過電磁閥控制氣路的通與斷來實現的，氣泵（Air pump）通過電力不斷壓縮空氣，產生氣壓。它的作用是產生0.1MPa到0.3MPa左右大小的氣壓，使氣缸1產生推力、氣缸2產生壓力，保證氣缸1和氣缸2能正常的伸出和縮回以及將插針順利打入PCB對應孔內。通過反復不斷的實驗測試，插針能按照預期的要求打入對應的PCB孔內，能夠保證系統可靠和穩定的工作。

1.2 PLC控制步進電機原理

步進電機是一種將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件，三菱FX3UPLC通過PLSY指令產生脈沖與方向控制信號，步進電機驅動器在接收到PLC輸入的脈沖信號后，進行脈沖分配和功率放大，最后步進電機旋轉帶動滾珠絲杠及工作臺（X-Y平臺）運動，三菱FX3U系列PLC控制步進電機原理框圖如下圖3所示。X軸步進電機正轉帶動X軸滾珠絲杠正向旋轉，并拖動X-Y平臺沿X軸正方向運動；步進電機反轉X軸滾珠絲杠反向旋轉，并拖動X-Y平臺沿X軸反方向運動，當X軸滾珠絲杠帶動X-Y平臺運動到X軸正方向或反方向的極限位置時，由光電開關將檢測到的信號反饋給PLC并進行處理，控制步進電機停止旋轉，使工作臺靜止，從而實現工作臺的極限定位功能。Y軸步進電機驅動滾珠絲杠旋轉以及拖動X-Y工作臺原理與X軸步進電機方式一樣。

2 三菱PLC與威綸觸摸屏的程序控制算法策略

2.1 三菱PLC程序控制算法策略

PCB孔插針機控制系統的輸入元件有：接近開關、光電開關等；輸出元件有：電磁閥、步進電機驅動器等，對其進行I/0地址分配如表1所示。其中A+和A-為步進電機的一相，B+和B-為步進電機的另一相,當需步進電機停止時，只需給定一個脫機信號，即可使A、B兩相中的其中一相步進電機轉子鎖住。三菱PLC軟件編程采用GX Works軟件，威綸觸摸屏組態監視和控制畫面采用官方軟件EB8000編寫程序。

表1 PLC軟元件I/O地址分配表

圖3 PLC控制步進電機原理圖

PLC算法流程圖如圖4所示。

圖4 PLC算法流程圖

2.2 威綸觸摸屏程序編寫

根據需求分析，選取了威綸觸摸屏TK6070系列觸摸屏作為三菱PLC的畫面監視和控制，并通過EB8000軟件進行程序的編寫，程序下載到觸摸屏后，通過USB轉RS232數據線實現三菱FX3U系列PLC與威綸觸摸屏之間的通信與數據交換。觸摸屏工作原理是修改或者顯示PLC寄存器狀態或者數值，它作為一種友好的人機界面，省去了很多繁瑣的開關按鈕、繼電器接線等問題；同時還能與PLC進行靈活的交互式功能，展現了PLC寄存器的狀態，它可以實時的將PLC檢測到設備的故障在觸摸屏上顯示出來，當設備進行到某個狀態時，當前各個氣缸、電磁閥、各個設備運行到某個狀態時的顯示。諸如上述的諸多優點，觸摸屏在工業控制領域廣泛應用。插針機控制系統的組態畫面分為：自動頁面，手動頁面，檔案設定，參數設置，警報頁面，I/O監視，操作說明，安全退出，選擇菜單等。在進行畫面程序編寫時，一定要注意選擇三菱PLC型號與威綸觸摸屏參數設置，否則程序不能正常編寫，參數設置畫面如圖5所示，組態畫面編寫部分如圖6所示。

圖5 參數設置

圖6 組態畫面

3 圖像處理系統

圖像處理系統主要由工業相機、工控機等組成。工業相機通過CCD圖像傳感器可直接將光學信號轉換為模擬電流信號，電流信號經過放大和模數轉換，從而實現圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現。工業相機型號選擇為SunWay U2D300，Usb2.0數據接口，支持Windows XP(32位)、Win7(32/64位)、Win8(32/64位)等操作系統，鏡頭接口為C/CS接口，排照格式支持RAW、BMP、JPG、PNG等。工業控制機（俗稱工業平板電腦），+12V直流電源供電，支持Windows XP(32位)、Win7(32/64位)、Win8(32/64位)等操作系統，通過采用Bsaic語言進行編程，將采集的數據圖像通過VGA或HDMI顯示輸出。通過相機拍照獲取PCB板孔插針圖像，并實時動態顯示PCB插針情況，有助于工人對于生產節拍的控制和防錯，提高生產效率。圖像處理系統工作原理如圖7所示。

圖7 圖像處理系統

4 結語

本文是基于工業現場生產需求的PLC控制系統設計與研究，通過采用數字化的自動控制方式，實現了PCB板孔插針的自動化，同時提高生產效率和增加了防錯功能。通過對PLC、觸摸屏以及工控機的硬件和軟件學習，以期為后續復雜工業控制系統研究和應用提供基礎理論和技術參考。

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Design and Study of Control System of PCB Hole Insertion Machine

HUANG Zhi-min1,2，LUO Wei-ping1，LIN Shao-jiang2

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Hubei Polytechnic University，Huangshi Hubei 435003, China)

In order to solve the difficulty and efficiency of traditional PCB, a set of control system based on Mitsubishi PLC and WEINVIEW HMI was designed. Control system adopts stepper motor to drive the ball screw and drive the workbench (x-y platform) movement, through the photoelectric switch to detect the ball screw along the X axis and Y axis of the limit position, and real-time feedback signal to PLC for processing. Pin mechanism control part through proximity switch test cylinder extended and retracted position and drive solenoid valve movement, when the pin insert into the pinhole smoothly, through the thimble continuous pin into the corresponding PCB hole. The system is equipped with a visual identification system, through the camera light source image real-time photo collection data, and transmit to the industrial control machine for processing and display, through comparing with standard sample, the workers can quickly find the PCB hole pin correctly or not. The practical application proves that the system is in line with the requirements of industrial production, with high reliability and good stability.

PCB; Mitsubishi PLC; WEINVIEW HMI; Stepping motor; Ball screw; Optoelectronic switch; Proximity switch

羅維平（1967-），女，教授，研究方向：檢測與智能控制、信號與信息處理.

TP273

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2095－414X(2018)05－0017－05