桌面型贴片机可编程自动化控制器研究.pdf

第 7期 2 0 1 5年 7月 机 械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 2 5 7 桌面型贴片机可编程 自动化控制器研究 王国庆， 张善交， 王红军， 张光泽 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘要 控制器是桌面型贴片机的核心系统， 为此设计了紧凑型贴片机异构多核可编程 自动化控制器 P A C 原型。设计 了贴片机 P A C架构， 并根据独立态和组合态两种应用场合定义了P A C内部模块功能以及模块间数据总线 重点实现 了集步进电机驱动和运动控制于一体的闭环型贴片机运动控制模块，并基于运动控制模块软件功能设计了支持 G代 码 的基本指令 系统 ， 开发 了嵌入式软件 系统和上位机运动控制测试软件 。最后 ， 对 系统原 型进行 了测试 ， 验证 了控制 器 的基本功能。 关键词 贴片机； 可编程自动化控制器； 运动控制； 步进电机驱动 中图分类号 T H1 6 ； T M5 7 1 ； T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 7 0 2 5 7 0 4 Re s e a r c h o n t h e Pr o g r a mma b l e Au t o ma t i o n Co n t r o l l e r o f De s k t o p Pi c k - a n d - Pl a c e Ma c h i n e WA N G G u o - q i n g ， Z H A NG S h a n - j i a o ， WA N G Ho n g - j u n ， Z H AN G G u a n g - z e K e y L a b o r a t o r y o f R o a d C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y a n d E q u i p m e n t ， Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n C h a n g ’ ,a n U n i v e r s i t y ， S h a a n x i X i ’ a n 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a A b s t r a c t T h e c o n t r o l l e r i s t h e c o r e o fd e s k t o p p i c k - a n d - p l a c e mach i n e ，t h e p r o g r a mm a b l e a u t o m a t i o n c o n t r o l l e r P A C pr o t o t y p e pi c k- and- pl a c e mach i n e is d e s i g n e d ，wh ich i s a c o mp a c t a n d h e t e r o g e ne o u s mu l t i ．- c o r e c o n t r o l l e r ．T h e a r c h i t e c t u r e o ft h e P AC o f t h e p ic k - a n d - p l a c e m a c h i n e is d e s ig n e d ． T w o a p p l i c a t i o n s i t u a t i o n s o f P A C， i n c l u d i n g i n d e p e n d e n t m o d e a n d c o mb i n a t i o n m o d e ， i n t r o d u c e d ， a n d t h e n t h e i n t e r n a l mo d u l e n c t i o n s o f P A C are d e fined a c c o r d i n g t o t h e s e t W O s i t u ati o n s ， a n d a l l m o d u l e s c o m mu n i c a t e w i t h e ach o t h e r b y t h e c ust o m d a t a b us． T h e m o t i o n c o n t r o l m o d u l e o ft h e p i c k - a n d- pl a c e ma c h i ne i s i m pl e me n t e d ，wh i c h i n t e gr a t e s w i t h s t e p pe r mo t o r d r i v i n g a n d mo t i o n c o n t r o l ，a n d w h h s u c c e e d s r e aliz i n g c l o s e d - l o o p c o n t r o l 对s t e p p e r mo t o r s ； The b a s i c i n s t r u c t i o n s t e m，b ase d o n t h e s of t ． a r e f u n c t i o n s t h e mo t i o n c o n t r o l m o d u le， i s c o m p i l e d f o r s u p p o r t i n g t h e G - ． c o d e ， a n d t h e n t h e e mb e d d e d s q ， s y s t e m a n d t h e P C t e s t i n g S o j w a r e o f C i s d e v e l o pe d ．T h e e x pe r i me n t s are i n l e me n t e d o n t h e s t e mpr o t o t y pe ． F r o m t h e e x pe r i me n t a l r e s u l t s ，i t C an b e s e e n t h a t t h e b a s ic f u n c t i o ns 0 ， t h e c o n t r o l l e r d e s i g n e d i s f e a s i b l e a n d r e l i abl e ． Ke y W o r d s Pi c k - a n d - Pl a c e Ma c h i n e ； Pr o g r a mma b l e Au t o ma t i o n Co n t r o l l e r ； M o t i o n Co n t r o l ； S t e pp e r M o t o r Dr i v e 1引言 贴片机是现代电子制造业表面贴装技术中的关键设备㈣， 而 桌面型贴片机则以其经济性和高贴装精度备受中小型企业青睐。 控制系统作为贴片机的核心部分 ，其关键技术几乎被国外垄断。 近年来， 国内许多公司和科研院所纷纷投入到贴片机控制系统的 研发行列之中， 如文献口 】设计了由 P L C和步进电机驱动器组成的 贴片机控制系统； 文献 基于 D S P微处理器设计 了运动控制卡， 加上伺服驱动器， 实现了贴片机控制系统设计； 文献 提出了一种 由工控机、运动控制卡和步进电机驱动器组成的贴片机控制方 案。许多自动化公司也开发出了自己的贴片机控制器， 均存在驱 动和控制分开的问题， 使控制器成本高、 体积大、 使用和维护困难 等等； 部分控制器还存在未实现闭环控制的不足。 基于以上存在的问题，设计了具有自主知识产权的紧凑型 贴片机异构多核可编程自动化控制器 P A C 16 - 7 ] 。 首先介绍贴片机 控制器的总体架构，然后重点介绍了闭环步进电机驱动 ＆运控 一 体化控制系统以及运动控制软件系统 ， 最后对系统原型进行了 验证测试 。 2贴片机控制器总体架构 2 ． 1贴片机 P A C架构 ． 用于贴片机的可编程 自动化控制器 P A C 主要由主控制板、 电机驱动 ＆运控一体化控制板、 反馈板、 模拟量板 、 I O板以及可 扩展底板组成， 其总体结构 ， 如图 1 所示。 来稿 日期 2 0 1 5 - 0 1 2 5 作者简介 王国 庆， 1 9 7 2 一 ， 男， 陕西西安 人， 博士研究生， 硕士生导 师， 教授， 主要研 究方向 机器 人动力学与 控制系统研 究 2 5 8 王国庆等 桌面型贴片机可编程 自动化控制器研究 第 7期 可 扩 展 底 板 P AC 白定义总线 r一 主控制板 掣 瓣 白定义总线 广_一 卜 反馈版 自定义总线 r一 模拟量板 自定义总线 r一 卜 1 0板 白定义总线 r 一 ．_一 可扩展板 CA N l 卜 里 望 苎旦 _ [ 亘亟匝 ，一 一 1 开 关 、 传 感 器 输 入 等 驱动继 电器等 ‘ 两 图 1贴片机总体结构图 F i g ． 1 Ge ne r a l Ar c h i t e c t u r e o f P i c k a n d ～ P l a c e Ma c h i n e 主控制板是整个控制器的控制中心，是面向管理编程方式 中的 M a s t e r 主机，负责事务的处理逻辑。主控制板既可以通过 C A N总线与贴片机系统中的光源控制器、 飞达控制器实现通讯， 又可以与上位机进行通讯。在近距离运动控制场合， 主控制板通 过 U S B通讯接收上位机的运动命令； 在中短距离运动控制场合， 主控制板则通过以太网接收上位机的命令。 然后以自定义的指令 格式通过 A定义增强型 S P I 总线将命令发送给电机驱动 运控 一 体化控制板， 并接收反馈板返回的各轴实时信息以及模拟量板 返回的实时压力信号， 对整个控制系统进行管理调度， 并将运动 轴的实时信息反馈给上位机。 电机驱动 ＆运控一体化控制板以s T 公司的L 6 4 7 0 Ij 相步 进电机专用控制芯片为核心进行设计； L 6 4 7 区 动芯片内部集成 了数字控制内核和驱动电路，可实现完备的运动曲线控制方案， 只需 MC U向其发出运动命令即可，大幅降低丫控制板 MC U的 负荷 ， 可以只用一个 MC U来管理多个步进电机。 这样控制板将步 进电机驱动和运动控制集成于一体， 减小了控制器的体积， 节省 了 设计成本。同时 L 6 4 7 0 高达 1 2 8 微步的细分功能可以提高电 机运转的平稳性。 该控制板通过 自定义总线接收主控制板发送的 运动指令 自动生成电机的运动控制曲线， 并实时接收限位、 原点、 报警等专用输入信号， 同时反馈给主控制板。 反馈板主要是通过编码器接口实时采集各轴的位置信息， 计算出速度量， 通过自定义总线一并发送给主控制板。 1 0板主要包括光耦隔离数字量输入、 数字量输出、 高速数字 量输入输出以及 S P I 、 U S A R T 、 I 2 C等通讯激励。 基于贴片机的应用需求， 还设计了模拟量板。 该板主要是通过 模拟量采集模块采集贴片机贴装头吸嘴处压力传感器输出的模拟 量信号， 模数转换后反馈给主控制板。 可扩展底板是整个控制器的骨骼与联系桥梁，主要负责固定 各分板以及供电通讯。主控制板、 电机驱动 ＆运控一体化控制板、 反馈板 、 1 0板和模拟量板通过插针安装在底板上 ， 并通过底板由主 控制板给其他分板供电。主控制板和其他分板通过自定义增强型 S P I 总线相连接， 构成一个分板组合、 总线统一的P AC系统。 2 _ 2 P A G 自定义 总线 P AC自定义总线连接示意图， 如图2 所示。 在 S P I 四条信号 线 S P I S C K 、 S P I MI S O、 S P I MO S I 和S P I N S S的基础上增加了四 根片选信号线和四根中断信号线 ， 这样 P A C自定义增强型 S P I 总线不再是传统定义上的单向通信 ， 可以通过中断信号实现主机 与从机的实时切换。电机驱动 运控一体化控制板 、 反馈板、 I O 板以及模拟量板通过该总线与主控制板相连接， 实现了主机与从 机相互中断的响应式通讯连接， 构成一个“ 一主多从” 总线结构的 控制器。 主控制板 增强型 S P 1 接 口 增 ⋯ ’ j j J ， 一 体化 控制 板 l J 反馈板 I J I o板 I l 模拟量 板 增强型 S P I 接口l I 增强型S P I 接口l l 增强型S P I 接口l l 增 强型S P I 接口 图2自定义增强型 S P I 总线连接示意图 Fi g ．2 Th e Co n n e c t i o n Di a g r a m o f t h e Cu s t o m En ha n c e d S PI Bu s 3电机驱动 运控一体化控制系统 3 ． 1独立态／ 组合态两种模式 电机驱动 运控一体化控制板是贴片机控制系统的核心 ， 可分为独立态和组合态两种功能模式使用。电机驱动 运控一 体化控制板和主控制板都设计有独立态跟组合态时的电源接口、 下载调试接口和通讯接口。独立态功能模式， 即电机驱动 运控 一 体化控制板单板工作模式 ， 主要用于四路步进电机驱动 运 控一体化开环控制 、 1 3 路专用信号输入和常用的下载与通讯接 口。 如 J T A G、 U S B 、 S P I 、 C A N等。 组合态下可通过可扩展底板选择 性添加主控制板、 电机驱动 运控一体化控制板、 反馈板、 1 0板 和模拟量板， 通过自定义增强型 S P I 总线实现主机和从机的实时 切换， 满足不同的应用需求， 可以灵活地设计成单轴 、 两轴、 多轴 开环或者闭环运动控制系统。 3 ． 2系统硬件结构 电机驱动＆运控一体化控制系统主要用于四路步进电机开 环控制， 每路都有相应的专用信号作为反馈， 分别为正限位 、 负限 位和原点信号， 且共用一个报警信号。控制板采用 J T A G进行下 载调试 ， 并开发了常用的通信模块 ， 包括 U S B、 C A N、 S P I 等 ， 其中 U S B用于近距离与上位机通讯， C A N用于中短距离与其他分布 式控制器通讯， S P I 用于与铁电存储器 F R A M 通讯。控制板上的 F R AM用于保存上位机发送的指令队列， 以期实现控制系统的程 序化独立运动。在高精度贴片机应用场合， 独立态下控制板还可 以通过预留的接口直接与反馈板通讯， 获取电机的实时位置速度 信息， 实现电机的闭环控制。 一 体化控制板还包括与主控制板通讯的增强型 S P I 接口， 如图2所示。应用于组合态功能模式。 控制板主控芯片控制四个 L 6 4 7 0 ，每个 L 6 4 7 0芯片都控制 着一路步进电机， 完成了四路步进电机驱动和运动控制一体化控 制板的设计， P C B板实物图， 如图 3 所示。 4运动控制软件系统 4 ． 1基本指令系统 控制系统软件功能在 P C端主要以运动控制函数类库的形