核心提示：本项目采用模块化设计, 在LED贴片机的研制过程中, 坚持系统集成的研发理念,将贴片机的整体技术难点,从学科上划分为机械、控制、视觉、软件四个部分：从功能上将贴片机分成18个功能模块,如贴装头、X-Y 运动副、送料器、吸嘴等。
摘要：本项目采用模块化设计, 在LED贴片机的研制过程中, 坚持系统集成的研发理念,将贴片机的整体技术难点,从学科上划分为机械、控制、视觉、软件四个部分：从功能上将贴片机分成18个功能模块,如贴装头、X-Y 运动副、送料器、吸嘴等。学科的划分,有利于明确技术人员的专业分工, 功能模块的划分,则有利于对整机优化和设计改进,形成自己的核心技术。
关键字：LED；贴片机；自主研发
一、引言
随着电子技术与信息产业的飞跃发展,在电子产品的生产过程中,电子装联的技术装备已从原来的劳力密集型的手工机械操作转为技术密集型的自动化电子装联系统。SMT技术的出现从根本上改变了传统的电装生产形式,成为现代电子装配技术一个新的里程碑。SMT是一项综合技术。贴片机是SMT生产线中极其关键的设备之一[1]。它的功能就是在不对元件和印制电路板造成任何损伤的情况下,快速准确地从料盘上取出表面贴装元件,再准确地贴放在印制电路板的对应位置上。贴片机的发展直接影响到表面贴装技术(SMT)的发展, 贴片机在国外已经更新改进了几代,目前市场上大部分贴片机设备是高速高精密全自动贴片机。当今国内所使用的贴片机都是国外的进口产品,仅2008年进口9000 多台, 金额近 100 亿元。 在国内市场上占主导地位的主要贴片机制造商有：西门子、松下、环球、富士、雅马哈、Juki、三星等[3] 。而这些贴片机的高额价格严重制约了国内电子加工行业的发展。因此,研制开发国产贴片机一直是国内SMT领域的目标。
本项目响应国家节能减排的号召,针对LED照明行业巨大的市场前景所开发的LED专用贴片机是涉及精密机械、自动控制、图像处理、生产管理软件设计等多学科的精密自动化设备。在研发过程中,如何处理各学科之间的关系并把其有机的联系起来共同实现贴片机功能,这是研制成功的关键[2] 。
二、LED贴片机的设计思想
本项目采用模块化设计,在LED贴片机的研制过程中,坚持系统集成的研发理念, 将贴片机的整体技术难点,从学科上划分为机械、控制、视觉、软件四个部分；学科的划分, 有利于明确技术人员的专业分工,功能模块的划分,则有利于对整机优化和设计改进, 形成自己的核心技术。下面本文针对这四部分介绍一下 LED 贴片的设计。
2.1、机械部分
机械系统根据功能划分为：机头、X-Y-Z运动机构、夹持机构、送料装置等17个模块,各模块分别实现不同的功能。
其中X-Y-Z运动机构的设计为技术难点。本设计中,贴装头的运动是由X-Y两轴联动实现的定位,X-Y运动机构的功能是驱动贴装头在x轴方向做往复运动,同时驱动线路板在y轴方向做进给运动。可实现贴装头快速、准确、平稳地到达指定位置。
采用两组交流伺服电机分别驱动X方向运动和Y方向运动,其传动机构是相同的。贴装头固定在滚珠螺母基座和对应的滚动导轨上方的基座上,伺服电机工作时,带动螺母做X方向往复运动,由滚动导轨导向,保证运动方向平行,线路板在平行滚珠丝杠的滚动导轨做Y方向运动,实现贴装头X-Y移动系统。
在每一块PCB板贴装时,贴片机都要完成：自动取放吸嘴、自动取放元件、自动运动到静镜头位置进行图像摄取等一系列动作。生产管理程序已经设置了与这些动作有关的数据,但如果因机械运动精度发生变化等原因,使其中的参数发生了改变,会导致贴片机不能完成正确的贴装过程。在机械设计时,采用知名品牌的精密滚珠丝杆、滚动直线导轨、专用轴承、气动元件等,由十个模块组合完成送板、送料、定位、对中、检测、贴装等全部贴装动作。在这些模块上的指定位置进行标识,机器每次开机和关机时都会自动识别标识点坐标,修正系统的初始坐标值。[6]
贴片机将精密机械与视觉系统有机结合,从而避免了机械加工的难度以及运动精度对贴装精度的影响,使整机能长时间高速平稳工作。
2.2 控制部分
控制系统模块根据贴片机高速、高精度和高可靠性以及元件无损伤的贴装要求,为提高系统的可靠性,尽量减少干扰源,保证控制系统的相对稳定。
控制系统主要由计算机、伺服控制器、伺服驱动器、伺服电机、I/O板,图像采集卡、相机等几部分组成：如图1。
在设计控制系统时,按功能将其划分为不同的模块：X,Y,Z,R轴控制、图像的控制、LED控制、气动阀的控制、辅助传动部分的控制。贴片机的控制系统由高配置研华工业PC机做为控制系统的核心,保证控制系统的快速响应性, 实现数据的采集传送、数据分析处理,向各部分发出指令,配合机械、视觉模块,完成机械传动、图像处理及检测功能,实现整机功能。附加高精度伺服运动控制卡,保证运动的准确性和实时性。运动控制卡与伺服电机相配合,采用闭环控制,主要实现四轴的高速、高精度定位及伺服的反馈信号的采集；I/O板卡,主要负责气动阀及信号灯的控制,各种报警信号及控制信号的读取；图像采集卡,主要实现采集和传送各种贴装元器件和PCB板上标识的数据用于校正之前设定的数据。通过模块化编程,使程序流程更为清晰,不易出错。使用多线程技术,使程序并行行运,缺少程序等待响应时间。
2.3 视觉部分
视觉系统模块主要是通过高精度的光学装置、程序控制照明光源和高分辨率高帧率的专用摄像机来获取高品质的图像数据, 然后通过高效算法进行快速图像处理。通过视觉模块系统不仅可以对元器件的自动检测、修正及PCB板原点进行检测,同时,能够在进行贴装工作之前,对生产程序进行设定和形状参数进行标定。作为设备的眼睛,视觉系统从捕捉定位点(MARK)到自动计算修正贴装正确位置[5],起着重要作用,是提高设备准确度的核心模块。为了提高贴片机的贴装速度以及定位精度,我们对图像边界识别算法进行了改进[4],针对本项目的开发一种新的边缘检测的微分算子,灵敏度明显超过常用的Sobel算子和Prewitt算子,而且计算量不会有较大的增加。
改进的对象, 二维拉普拉斯算子：
边缘识别采用图像灰度分布与二维高斯函数的拉普拉斯值相卷积:
高斯函数:
对应的拉普拉斯值:
其中s为高斯分布的均方差。
此算子可以高速精准的描述出图像中元件的外观。对于已知的元件轮廓,通过带入偏移与旋转计算方程,很快就可以得出元器件抓取时的偏移量,比传统通过对比图片来计算偏移量的算法,准确,快捷。
2.4 软件部分
为了方便用户通过软件界面完成贴片机的各种运动控制、视觉识别和多种方式的贴片工作,开发专用系统软件。
软件开发上分为生产管理、运动控制、视觉处理三大部分组成,实现贴片机工艺的联机和脱机编程、设备的调试和控制及工艺优化,具有良好的运行性能和符合多数现场操作人员需求的应用程序。
软件采用Windows XP Professional Edition作为操作系统平台,具备多任务功、兼容性强、占用资源少、安全漏洞少、对数据库完美支持等特点；元件数据库作为生产管理部分的重要组件之一,包含多种元件特性参数,为精确贴装复杂封装类型的元器件提供了可靠的数据支持,软件还提供与多种电路设计软件(如 CAD)的接口,实现了自动从设计文件中提取贴片数据的功能,提高了操作人员的编程效率。
将贴片机的研发分为四大模块,降低了研制难度,可以有效的利用现有技术,集中力量去开发核心技术,如:视觉系统,伺服控制,工艺优化等。也能各设计人员任务清晰,分工明确,保证研发的速度与质量。
三、LED专用贴片机的发展趋势
LED贴片相对于通用型贴片机,精度要求不高,一般在+/-0.05mm到+/-0.1mm之间,属于低精度高速度贴片机,在LED产业的拉动下,国内外许多厂家开始着手于LED专用贴片机的研发,如SONY的SIG200MK5新型高速贴片机,采用四贴片头两机组结构,每小时最高可实现132000贴装点,可应用于LED长尺寸基板的贴装；Manncorp公司的MC-388LED贴片机,适用于1.2mmLED电路板,贴片速度为每小时6500-10000贴装点；三星推出SLM120LED贴片机,速度可达每小时43000贴装点[2] 。
国内LED贴片机的发展非常迅速,主要有两个方向发展,一个是经济型贴片机,贴装精度一般在+/-0.1mm,速度在每小时3000-8000贴装点,该类贴片机的特点在于不带视觉校正系统,运动轴均由步进加皮带传送,造价低。LED贴片机的另一个发展方向是高精度高速型贴片机,该类贴片机带视觉校正系统,贴装精度在+/-0.05mm以内,速度在15000CPH以上,其本质仍为通用型拱架式贴片机,只是贴装区域有所加长,以应对LED长板贴装。
4 结束语
本项目针对当前LED发展趋势,开发的高性价比的高精度高速LED贴片机,是附合国家发展文向的,其中的研究课题是具有挑战性的,成功后具有非常大的市场潜力及发展前景。
煌牌公司自主研发制造SMT自动贴片机超过20年，丰富的研发经验，稳定的产品性能，高效的生产团队，始终走在国内贴片机的前沿。更与广东工业大学成立联合实验室，主打产品全视觉在线多功能高速贴片机和全自动视觉高速锡膏丝印机目前已经在国内同类产品中处于领先地位，与国外同类产品相比也更具性价比优势。其中的直驱电机更是煌牌的独家专有技术。于此同时，研发中心以一流技术为先导，不断创新，将为客户提供更加专业可靠的整条SMT生产线的设备解决方案及工艺方案。
16年煌牌公司将引进美国先进贴片机技术，填补国内贴片机精确度及稳定性方面的技术空白。
