贴片机工作头测试系统的设计与应用

何旭平，任保胜，祁玉斌，孙连雨

（山东日发纺织机械有限公司，山东 聊城 252000）

贴片机工作头测试系统的设计与应用

何旭平，任保胜，祁玉斌，孙连雨

（山东日发纺织机械有限公司，山东 聊城 252000）

贴装工作头是贴片机的核心部分，主要负责完成对电子元器件的吸取与放置工作，是集气、电、精密机械、传感与控制于一体的高精密装置。由于贴装工作头本身的精度及速度将直接影响最终设备的贴装精度及速度，所以在贴装工作头安装使用前，通过使用专门的测试工装进行性能测试是非常重要的。主要介绍了一套工作头测试系统及测试方法，通过该系统保证工作头各电机动作、传感器状态等符合设计要求。

贴片机；工作头;测试系统；测试工装

1 引言

贴装工作头是贴片机进行贴装工作的直接结构，是贴片机的关键部件[1]。贴装工作头通过机电控制系统使各结构能够协同工作，在取料后经过图像处理，把元件准确贴放在 PCB 板的指定位置。贴装工作头对贴片机的速度、精度及柔性具有极其重要的作用，现在主要生产厂商都具有各自特色的贴装工作头。

从主流贴装头结构形式看，主要有平动式、转动式和组合式 3 种，转动式中又细分为转塔式、旋转式和小转塔式 3 种，而组合式则是平动式和转轮式的组合[2,4]。

本文针对贴装工作头的功能需求，设计了一套贴装工作头的测试系统，并通过该测试系统使贴装头各电机动作正常运行，传感器安装及信号正常，各动作时序正常并保证与机械充分磨合，保证气路压力值达到设计指标，提高贴装工作头的可靠性，满足贴装头正常生产需要。

2 贴装工作头原理

贴装工作头是贴片机的核心部件，主要完成对电子元器件的真空拾取、位置的检测调整和元件贴放三种动作[5]。

具体动作是，贴装工作头在 X-Y 机械手的带动下移动且定位到元件供给装置处的元件中心上，末端安装有吸嘴的拾取轴在贴装工作头本身的Z轴伺服马达的驱动下使吸嘴接触元件，此时吸嘴内通入负压将元件拾取。重复该流程直至所有吸嘴完成元件拾取后，贴装工作头移动到固定在机架上的相机上方进行拍照，以对每个元件的位置进行检测和调整。拍照完毕后，贴装工作头移动到印制电路板（PCB 板）上方，Z轴马达带动拾取轴将每个吸嘴末端吸附的电子元器件按照指定的位置放置在焊点上。与此同时，气路切换单元将负压切换为正压以使元件与吸嘴脱离。至此，贴装工作头完成整个贴装循环。

3 测试系统硬件架构图

本文主要设计了一套贴装工作头测试系统，硬件系统包括 PC 主机、运动控制卡、电源模块、伺服驱动器、贴装工作头、气路测试模块等组成部分。

PC 主机主要用来运行上位机界面，便于操作者按钮操作、检测 IO 状态，同时调试电机与控制卡的整定参数等。

控制卡是控制系统的核心部分，主要负责伺服电机、步进电机、I/O 检测等部分控制，PC 主机指令发送到运动控制卡，由控制卡将指令转换为电机实际执行的动作指令，完成控制动作的目的，同时记录测试数据。

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度定位系统，一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位。

伺服电机是伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是动作的执行者。

传感器是用来检测动作完成与否的反馈信号，通过传感器检测各组成部分的状态，再把信息传送到控制部分进行逻辑控制[3]。在运行中传感器发挥信息采集作用。如图1所示为贴装工作头测试系统的硬件架构图[6]。

气源用来提供正压 0.5 MPa，负压-100 kPa。流量计用来测量吸嘴流量。气压表用来显示工作头吸嘴的正负压值。贴装工作头气路测试的硬件架构图如图2所示。

图1 贴装工作头测试系统架构示意图

图2 贴装工作头气路测试示意图

4 测试内容及步骤

上位机操作界面分为几个部分：传感器测试部分、贴装工作头步进电机部分、贴装工作头伺服电机部分、伺服各轴原点位置及负压检测。

测试步骤为：测试时针对不同类型的工作头进行选择，进行初始化设置。

（1）贴装头传感器包括拨叉回零、吸嘴有无检测，吸嘴下降 OFF，在测试时安装 0.7 mm 标定吸嘴，点击“检测”，如果检测合格右侧的颜色会变为绿色，否则为红色，检测对应的传感器安装位置是否合适。“真空破坏电磁阀”按钮是配合吸嘴压力检测装置控制工作头吸嘴终端的压力切换，模拟实际工作中取放元件时电磁阀的动作，使用标定吸嘴测试吸嘴口的正压和负压值，工作头正压要求 6.0～8.0 kPa 之间，流量0.5 L/min；负压-80～-95 kPa 之间，流量 1.0 L/min。“吸嘴清洁电磁阀”测试要求为正压在 30～40 kPa 之间，流量 1.2 L/min。

（2） 贴装头步进电机测试，“回原点”、“上 行 ”、“下行”测试要求动作到位，回原点动作执行完成后拨叉在原点位置并且测试 100 次均满足，通过示波器测试上/下行的动作时间为 30 ms为合格，否则重新调整机械结构位置。

（3）贴装工作头伺服电机测试，首先设置 Z 轴的上 限 位 15000 cts， 下 限 位 在 6000 cts，Z 原 点 位 置13000±500 cts，R/θ 轴原点位置根据机械标签位置设定，需要在实际机器中配合固定相机拍照确定原点位置后保存记录，此处不影响其他参数的设置，具体调整步骤不再详细叙述。以上数据保存后，即可依次进行 R/θ/Z 轴的 JOG 测试，第一次电机运动速度不宜过快，依次观察电机与机械结构动作是否有异常，保持电机持续正/反转运动，无异常后适当提高电机转速至2000 rpm，保持 R/θ 轴持续运动半小时以上，再控制 Z轴运动无异常。然后电机联动控制包括步进电机、电磁阀等按照实际的工艺动作要求进行三个等级速度联动测试，每次测试时间逐渐拉长，并注意在机械结构上涂抹润滑油，在规定的测试时间内无异常即为合格。

工作头完成以上测试后，需要在整机中进一步进行验证测试工作，进行多次吸取贴装测试贴装精度。由于对机械结构件的制造精度等级进行了严格控制，并制定规范的组装工艺，每一个工作头按要求组装，就能够保证测试时快速完成参数的设置及老化测试，从而保证工作头尽快达到上机使用的目的。工作头测试界面如图3所示。

图3 贴装工作头测试界面

工作头测试工作完成后安装到整机，工作头的定位及校正是通过固定相机拍取安装在工作头上的定位装置来实现的。定位装置上有四个点，由相机拍取图像进行吸嘴标定，由图像获取各吸嘴相对定位装置标定点的坐标，获取工作头的安装精度。贴装头类型的识别通过机器视觉有两种方式：一种是识别二维码，另一种是识别字符类型。工作头的测试还需要通过实际的取放元件，由贴装精度及抛料率的数据信息来进一步判定。

吸嘴也是工作头能否完成最终工作的重要保证，吸嘴主体为不锈钢材料，为保证整体刚度，材料牌号是 SUS303CU，同时为了降低成本，仅在末端镶嵌并粘结有陶瓷材质的吸嘴。采用陶瓷吸嘴的优点为：

（1）吸嘴嘴头不存在发白现象，易于视觉分辨；

（2）在高速贴片机生产中不因速度高而带上静电；

（3）其耐磨性比钨钢和钻石钢材质都高，使用寿命更长。

工作头适合加工元件尺寸为 0402～□5。贴装精度（cpk≥1）为±40 μm。

5 结束语

本文设计的贴装工作头测试系统主要针对工作头安装到整机前的测试工作。本测试装置简单实用，保证电机与机械结构安装、传感器安装及气路测试在要求的范围内。该装置充分磨合各机械运动部位，在此基础上对影响最终精度的电机参数进行调试，整定一套满足贴装速度及精度要求的合理参数。气路测试工装的设计及测试，使气路正负压值在规定的范围内，保证吸嘴可靠地取放元件。该工装的设计实现将整机调试与贴装工作头调试同步进行，节省了贴装工作头在整机上的调试时间。本文创新之处在于实现了一套工作头测试工装，该工装满足电机、传感器及气路安装调试以及电机与机械、机械与机械的磨合等需要，并进行了电机参数的整定。

[1]王天曦，王豫明，主编.贴片机及其应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]龙绪明，主编.电子表面组装技术——SMT[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]徐大林.表面贴装工艺（SMT）[J].电子器件，1999.

[4]张婷舒.贴片机电气系统与气动系统的协调控制[D].苏州：苏州大学，2010.

[5]贾春艳.贴片机研究与结构设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[6]李强.贴片机协调控制层软件的研制与应用[D].苏州：苏州大学，2010.

Design and Application of SMT Mounting Head Test System

HE Xuping,REN Baosheng,QIYubin,SUNLianyu
（Shandong RIFA Textile Machinery Co.Ltd，Liaocheng 252000,China）

Mounting head,a high-precision device integrating gas,electricity,precision machinery,sensing and control technologies and the core of the mounting machine,is mainly responsible for drawing and placing electronic devices.The precision and speed ofthe mounting head willdirectly affectthe precision and speed of the final equipment.Before the installation,it is necessary to conduct performance test using special test equipment.The paper introduces a setof mounting head testsystem and test method,which ensure that the system meets the design requirements.

mounting machine;mounting head;testsystem;testequipment

TN605

A

1681-1070 （2017）06-0045-03

何旭平（1966—），男，浙江新昌人，本科，现就职于山东日发纺织机械有限公司。

2017-1-24