表面贴装工艺中的点胶路径规划研究

表面贴装工艺中的点胶路径规划研究

殷尧

株洲中车时代电气股份有限公司  湖南省株洲市  412000

摘要：针对点胶中的路径优化，提出一种k-means自适应信息挥发素动态调整蚁群算法。本课题构建点胶路径优化问题模型，搭建三轴点胶实验平台，通过Mark圆检测算法实现生产中PCB板定位，完成点胶位置的坐标变换。通过对用于点胶路径规划中的蚁群算法的分析，分别针对蚁群算法求解大规模TSP问题存在求解时间较长和容易陷入局部最优解的主要问题，提出算法改进的方向。在求解时间优化上，采用分而治之的思想，利用k-means聚类算法将数据分组，再分别对子问题进行路径优化求解，并进行子问题的类间连接，得出最终优化路径。在求解质量的改进上，本课题提出对蚁群算法进行信息挥发速率动态调整，在分组后的子问题求解上采用此算法，以达到跳出局部最优解的目的。在算法测试上，采用国际通用的TSPlib数据集对蚁群算法和本课题提出的改进算法进行测试。实验验证方面，在三轴点胶平台上验证改进算法在优化点胶路径上的有效性，并和原有X向、Y向路径优化算法及蚁群算法的求解进行对比。

关键词：表面贴装工艺；点胶路径；规划研究

引言

针对现有的点胶加工方法中算法实现复杂、路径规划效率低与规划不合理等问题，本文提出一种基于Canny算法与SOM神经网络相结合的智能规划表面贴装点胶路径的方法。该方法首先通过视觉技术与线激光扫描仪获取生产线的表面贴装模型，通过识别提取表面贴装边缘轨迹点，逐步规范表面贴装点胶规划点形成二维点胶地图映射，对所有表面贴装点胶路径点通过竞争学习算法连接形成表面贴装点胶的路径，用于六轴机械手的运动轨迹控制。

1表面贴装点胶路径规划方法

1.1阀值分割

在实际应用中，工件通常有的两种边缘轮廓。单边缘是指内部没有其他子边缘，反之就是嵌套边缘，若是嵌套边缘，还可继续划分为外边缘和内边缘。根据表面贴装点胶实际情况，表面贴装点云数据拟合针对的便是嵌套边缘。我们要处理的表面贴装工件，明显是嵌套边缘，而且外边缘和内边缘还是一个高度不均匀的曲面。在进行图像处理时，线激光轮廓传感器扫描表面贴装曲面得到的是一组三维点云数据信息，这些图像信息包括表面贴装信息、支撑表面贴装平台信息、传送带信息以及其他噪声信息。

1.2二值形态学处理

图像的二值形态学处理，是基于数据集合的概念，能将图像信息进行简单分类，去除不太相关的数据信息，保持图像信息的基本轮廓特征，并能实现数据并行处理。基本的二值形态学运算有腐蚀、膨胀、开运算和闭运算。

2表面贴装工艺流程

表面贴装技术是目前电子组装行业里最流行的一种工艺。它是一种将无引脚或短引线表面组装元器件（简称SMC/SMD，中文称片状元器件）安装在印制电路板（PrintedCircuitBoard，PCB）的表面或其它基板的表面上，通过回流焊或浸焊等方法加以焊接组装的电路装连技术。

印刷电路板PCB是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，可实现电子元器件自动贴装或插装。在表面贴装工艺中，点胶机点胶工艺属于前序步骤，将粘合剂以点的形式打到PCB阻焊表面的适当位置，使之固化后能牢固粘接接下来放置在其上的SMD元器件，以保证经过波峰焊时元器件不会移动或掉落。粘合剂通常选用红胶，红胶是一种聚稀化合物，与锡膏不同的是哈尔其受热后便固化，其凝固点温度为150℃。红胶具有粘度流动性、温度特性、润湿特性等。PCB板从前置工序流出后，进入点胶工艺，由点胶设备的传送机构传入指定位置。然后，点胶设备扫描PCB板上的条码，将条码信息发送到MES系统。MES系统从数据库系统中查询点胶信息并传回给点胶平台。机器视觉系统采集图像，运用图像处理算法识别PCB板上的Mark点，完成PCB板定位，通过得到的Mark点坐标信息，计算更新点胶位置的实际坐标。利用点胶位置信息，采用点胶软件中集成的算法对点胶路径进行规划，求解得到近似最优解的路径长度及点位顺序。胶阀开始按照规划的路径进行点胶，点胶任务完成后，将信息保存到本地并上传至MES系统。最后，传送机构将PCB板流出，PCB板进入下一道工艺，点胶工艺结束。

2.1三轴点胶机平台

为三轴点胶平台，三轴点胶机器人XYZ三轴均采用伺服电机、精密滚珠丝杠，XYZ三轴均有正向限位开关、负向限位开关、原点开关，定位精度为50μm，重复精度为25μm。X轴和Y轴做水平方向运动，最大速度为1000mm/s，最大加速度为1g，Z轴做垂直方向运动。传输轨道作为PCB板等工件运输的载体，负责PCB板的传送。轨道调宽电机根据工件宽度自动调整工作轨道的宽度。送料电机带动传送皮带运动，将前一道工艺中流出的PCB板传入点胶设备，物料感应器感应工件正常输送，挡料气缸将工件固定在一定位置，待点胶工艺完成后，将PCB板传送至下一道工艺的设备中。视觉系统硬件部分、点胶阀刚性连接于Z轴上。点胶阀用于对PCB板中元器件组装的点胶固定，由胶阀控制器控制精密出胶。点胶区域尺寸参数为340530mm，最大可适应340530mm电路板等产品组装。可接受的最大基板厚度为6mm。加热模块可对工件进行预热和点胶加热，通过控制XYZ三轴，可带动与Z轴刚性连接的相机、光源，可通过机器视觉系统检测识别PCB板上Mark点，完成PCB板的定位，进而通过坐标变换对初始点胶位置的坐标进行更新；点胶路径规划算法对点胶位置的先后顺序进行优化，求解一条近似最优路径，按先后顺序输出更新后的点胶位置。XYZ三轴带动点胶系统运动到更新后的点胶位置，点胶系统中的胶阀在胶阀控制器的控制下将携带的粘合剂打到传输轨道上PCB阻焊表面的合适位置。

2.2控制通信部分

点胶机器人需要对各运动轴实现运动控制，对机器视觉模块中的相机和光源进行控制，完成图像采集和处理，对点胶阀进行调压控制。在运动控制系统上，采用运动控制卡和工业PC机结合的运动控制系统。为了实现这些功能，将上位机、运动控制卡、驱动器、伺服电机、I/O控制模块、光源、相机等作为控制系统的组成部分。上位机要求满足CPU双核，主频在2.4G或以上，内存1G或以上，PCI插槽3个或以上，带串口，带千兆网口，为工业电脑。运动控制卡的需求如下，支持4轴或以上高速脉冲输出能力，高速脉冲输出频率可达500K以上，支持模拟量输入输出或者可扩展支持；支持连续轨迹预处理功能。运动控制卡通过控制驱动器带动电机驱动轴的刚性运动，传送机构进出料模块为直线运动，运动控制卡采用松下利器CN1运动控制卡；控制XYZ三轴运动的运动控制卡选取了固高GTS运动控制卡。

工控机PC串口和设备间点对点的通信方式采用串口通信，串口通讯的物理层协议采用RS232通信协议，应用层通讯协议采用Modbus协议。其中，COM2串口连接光源控制器。

在进行点胶实验时，设置线激光传感器、机械手IP地址，使相机连接机械手，读取手眼标定矩阵。线激光传感器扫描鞋底，采集图像，获取鞋模轮廓参数，提取轮廓点坐标，并转换为机器人运动坐标，发送给机器人进行点胶。由于线激光传感器与机器人之间有一定的距离差，线激光传感器扫描之后，要延时5.6s机器人再开始运行。在进行点胶实验时，调整鞋模在实验平台的前后左右位置，进行20次点胶实验。旋转鞋模180度，对调鞋跟和鞋尖位置，再次调整鞋模在实验平台的前后左右位置，进行20次点胶实验。通过实验可以看到，机器人每次在不到4s时间就可以准确完成鞋底点胶工作，完成率为100%。

结语

本章分析了表面贴装的主要工艺流程，搭建了三轴式点胶机器人实验平台用以后续完成表面贴装工艺中的点胶工艺。主要完成了机械结构部分和机器视觉定位系统硬件结构部分的设计选型，同时，结合三轴式点胶机器人的功能和特点，设计了控制通信部分完成上位机对点胶设备各模块的控制，并设计了用户交互模块，方便用户通过点胶控制软件完成对三轴点胶机的控制。

参考文献

[1]沈飞.表面贴装工艺中的点胶路径规划研究[D].杭州:浙江工业大学,2016.