CN100558554C - 一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法及其系统，该控制方法通过锡膏印刷机的初始化、等待、自动印刷、退出、设置等多个工作状态协调控制锡膏印刷的多个关键运动轴。其系统中的直流四轴步进伺服驱动器驱动相机X轴步进电机、刮刀Z1轴步进电机和刮刀Z2轴步进电机；直流四轴步进伺服驱动器驱动平台Y1轴步进电机、平台Y2轴步进电机、平台X轴步进电机和轨宽轴步进电机；交流单轴步进伺服驱动器驱动相机Y轴步进电机。本发明能够有效提高PCB锡膏印刷机的多轴协调控制能力及对准精度，具有接线少、抗电磁干扰强、结构紧凑和控制功能丰富的特点，可应用在各种PCB锡膏印刷机中。

Description

一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法

技术领域

本发明涉及PCB板锡膏印刷机控制系统领域，特别是涉及一种用于锡膏印刷机并使用一个遵循LabVIEW技术标准的步进伺服指令VI库的串行多轴步进控制系统。

背景技术

PCB锡膏印刷机是SMT制程中的重要电子制造装备。PCB组装的过程一般包括PCB锡膏印刷、印刷后光学检查、贴片、贴片后光学检查、回流焊或波峰焊、焊后光学检查六个过程。而锡膏印刷作为SMT制程的首道工序，其印刷精度对于贴片及焊接质量直接相关，印刷质量不高可能使得PCB产生虚焊等不良状态。而PCB锡膏印刷一般包括手动、半自动、全自动印刷。随着电子元件尺度的缩小，通过销钉机械定位的手动、半自动印刷已经不能满足SMT组装的要求。而全自动锡膏印刷机采用基于机器视觉技术进行精确的丝网与PCB定位对准。其实现需要平台运动轴及相机运动轴精确运动及控制实现的。丝网与PCB的精确定位完成后，保证锡膏印刷功能实现还包括按照一定的时序对一系列轴进行运动控制，这些运动包括送板运动、平台上升运动等。比如，美国专利US5988060介绍了一种锡膏印刷机印刷装置。

由于锡膏印刷机是一个典型的多轴运动控制系统，且需保证锡膏印刷精度，选择恰当的控制结构是非常重要的。锡膏印刷机一般包括八个需要准确控制的轴，分别是相机运动X轴、相机运动Y轴、平台Y1轴、平台Y2轴、平台X轴、PCB导轨调宽轴、锡膏刮刀压力运动轴Z1/Z2。这八个轴运动不要求联动控制，但是有协同控制的要求，特别是相机运动X轴、相机运动Y轴、平台Y1轴、平台Y2轴、平台X轴运动精度直接影响PCB与丝网的准确对准。通过光学方式对准的例子如美国专利US5060063、RE34615、US5943089。这些专利提供一些独特的光学辅助对准PCB板与印刷丝网的方法，但锡膏印刷机的多轴协调控制能力与功能是确保印刷对准的基础。对于这种多轴控制可采用的方案包括总线式智能步进电机驱动系统、总线式智能步进伺服驱动系统、总线式PLC控制的步进或伺服驱动系统、非总线式的PLC或运动控制板卡式步进/伺服驱动系统。非总线式的结构对于多轴运动控制来说，可采用PLC直接发高速脉冲或采用PLC位控模块驱动，其控制结构要求配备多个PLC、位控模块、伺服驱动器，使得接线复杂。如果直接采用PLC直接发脉冲驱动，还使得系统无法补偿位置脉冲丢失引起的运动误差。总线式运动控制结构没有这些问题。德国某锡膏印刷机就是采用CANOpen串行总线的智能步进电机驱动系统，但成本较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种精确定位、抗电磁干扰强、可靠性高、成本低的采用状态机控制结构和RS485全双工或半双工的串行多轴控制系统和用于该系统的一种满足LabVIEW技术标准的步进伺服驱动指令VI库，该系统可应用在各种PCB板锡膏印刷机中。

为实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法，通过把多轴系统控制分为初始化、等待、自动印刷、退出和参数设置主状态，由上位机实现各状态的自动转换，完成锡膏印刷机的多轴协调控制，其上位机的控制包括如下步骤：

(1)上位机上运行的控制系统首先执行状态字初始化进程，并设置为初始化和等待两个状态；

(2)系统进入多轴控制状态机中的状态机循环；判断状态是否为初始状态，若是，系统将执行各轴归零进程，调用运动指令VI库的运动轴返回零点指令VI，由直流四轴步进伺服驱动器、直流四轴步进伺服驱动器和交流单轴步进伺服控制器解析，以驱动相应的步进电机返回零点；然后，系统进入等待，再返回循环状态；

(3)若为非初始状态，系统进一步判断是否为等待状态，若是，等待用户输入控制指令或操作指令，根据不同的控制指令，系统调用状态字置其它状态进程，实现状态字置为自动印刷状态、参数设置和退出状态字，随后返回循环状态；

(4)如果状态不是等待状态，系统进一步判断是否为自动打印状态，若是，系统将执行自动印刷进程，由直流四轴步进伺服驱动器、直流四轴步进伺服驱动器和交流单轴步进伺服控制器分别驱动各运动轴的准确定位，随后设置状态为等待，返回循环状态；

(5)若系统判断状态为非自动印刷，则系统进一步判断状态是否为参数设置状态，若是，系统完成各种系统参数的设置，包括各轴的运动速度、视觉部分的参数，随后设置状态为等待，再返回循环状态；

(6)若系统判断为非参数设置状态，则系统进一步判断状态是否为退出，若为否，系统进入等待状态；若是，进行系统的退出处理，保存参数。

初始化状态完成控制系统的初始化，包括各轴运动归零和控制参数初始化；等待状态为等待用户操作指令，系统将根据用户的操作转向所对应的控制状态；自动印刷状态为锡膏印刷机的自动印刷状态，该状态功能是实现电路板送进、加紧、相机运动、平台对准调整、平台上升、刮刀运动顺序动作，实现锡膏印刷循环的自动进行；退出状态为控制系统退出，该状态完成系统参数及相关数据的保存、各轴归零动作；参数设置状态为控制系统参数设置状态，该状态可完成各电机控制参数、相机参数、对准学习功能。

所述运动指令VI库遵循LabVIEW技术标准。

一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制系统，包括上位机、RS485全双工或半双工串行控制总线、两直流步进伺服驱动系统和交流步进伺服驱动系统，所述上位机、直流步进伺服驱动系统、交流步进伺服驱动系统均挂接于RS485全双工或半双工串行控制总线上；所述上位机包括多轴控制状态机和运动指令VI库，多轴控制状态机调用运动指令VI库中相关指令VI；所述直流四轴步进伺服驱动系统一中的直流四轴步进伺服驱动器驱动相机X轴步进电机、刮刀Z1轴步进电机和刮刀Z2轴步进电机；所述直流四轴步进伺服驱动系统二中的直流四轴步进伺服驱动器驱动平台Y1轴步进电机、平台Y2轴步进电机、平台X轴步进电机和轨宽轴步进电机；所述交流步进伺服驱动系统的交流单轴步进伺服驱动器驱动相机Y轴步进电机。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明对PCB锡膏印刷机采用多轴状态机结构的多轴控制系统，便于控制系统的构建、调试、修改，同时能更好地进行多轴协调控制；

(2)本发明所采用的基于RS485全双工或半双工串行总线的多轴控制系统，具有接线少、抗电磁干扰强、运动控制准确、可靠性高的特点；

(3)本发明对PCB锡膏印刷机采用基于NI公司LabVIEW技术标准的构建的运动指令VI库，具有控制功能强的特点；

(4)本发明所创建的步进伺服驱动指令库中的指令VI采用层次结构，各指令VI具有相似的输入输出接口，方便开发人员使用；

(5)本发明的步进伺服驱动指令VI库中的指令VI采用了流控制技术，其内部的指令时序采用了分级控制技术，具有更方便的使用性和灵活性。

附图说明

图1是钢网锡膏印刷机的结构及多轴控制系统与钢网锡膏印刷机的连接示意图；

图2是本发明的基于RS485全双工或半双工串行控制总线的PCB锡膏印刷机的多轴控制系统示意图；

图3是本发明的基于状态机方法的锡膏印刷机多轴控制流程图；

图4是本发明的步进伺服驱动指令库的层次示意图；

图5是各子库中的指令VI输入输出接口示意图；

图6是步进伺服驱动指令VI的内部工作流程示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一个典型的PCB板丝网锡膏印刷机主要包括钢网75、平台71、平台提升装置72、PCB板传送装置73、相机装置74、前刮刀76-1、后刮刀76-2、刮刀传动装置76-3、平台X轴传动装置81、平台Y1轴传动装置79-1、平台Y2轴传动装置79-2、PCB轨宽传动装置78、相机X轴传动装置80、相机Y轴传动装置77以及本发明的多轴控制系统。本发明的锡膏印刷机多轴控制系统的刮刀Z1步进电机5、刮刀Z2步进电机6分别与刮刀传动装置76-3连接，以完成刮刀的驱动；相机X轴步进电机4、相机Y轴步进电机7分别与相机X轴传动装置80、相机Y轴传动装置77连接，以完成相机装置74的准确定位运动；平台X轴步进电机10、平台Y1轴步进电机8和平台Y2轴步进电机9分别与平台X轴传动装置81、平台Y1轴传动装置79-1和平台Y2轴传动装置79-2连接，以完成平台相对与PCB板的准确运动定位；平台Z轴交流伺服电机16与平台提升装置72连接，以完成平台的垂直定位运动；PCB轨宽调整步进电机11与PCB轨宽传动装置78连接，以完成PCB板的夹紧与松开动作。这是一种本发明的多轴控制系统用于平台调整型结构的锡膏印刷机的示意图，该多轴控制系统也可用于钢网调整型结构的锡膏印刷机中。

如图1、2所示，用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制系统包括上位机15、RS485全双工或半双工串行控制总线14、直流步进伺服驱动系统一A、直流步进伺服驱动系统二B和交流步进伺服驱动系统。上位机15包括多轴控制状态机1和运动指令VI库2，多轴控制状态机1调用运动指令VI库2中相关指令VI。直流四轴步进伺服驱动系统一A包括直流四轴步进伺服驱动器3、相机X轴步进电机4、刮刀Z1轴步进电机5和刮刀Z2轴步进电机6，直流四轴步进伺服驱动器3上分别驱动相机X轴步进电机4、刮刀Z1轴步进电机5、刮刀Z2轴步进电机6。直流四轴步进伺服驱动系统二B包括直流四轴步进伺服驱动器12、平台Y1轴步进电机8、平台Y2轴步进电机9、平台X轴步进电机10和轨宽轴步进电机11；直流四轴步进伺服驱动器12分别驱动平台Y1轴步进电机8、平台Y2轴步进电机9、平台X轴步进电机10、轨宽轴步进电机11。交流步进伺服驱动系统包括交流单轴步进伺服驱动器13和相机Y轴步进电机7，交流单轴步进伺服驱动器13驱动相机Y轴步进电机7。RS485全双工或半双工串行控制总线上分别挂接上位机15、直流四轴步进伺服驱动器3、直流四轴步进伺服驱动器12和交流单轴步进伺服控制器13。

用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制系统采取多轴控制状态机控制结构，通过基于NI公司LabVIEW技术标准的步进伺服指令VI库发出运动控制指令，整个控制系统构架在RS485全双工或半双工串行控制总线上。其控制方法如图3所示，通过把多轴系统控制分为初始化(Initialize)、等待(Wait)、自动印刷(Autoprint)、退出(Exit)、参数设置(Setting)主状态，完成锡膏印刷机的多轴协调控制。其中，Initialize状态主要完成控制系统的初始化，包括各轴运动归零、控制参数初始化等；Wait状态主要为等待用户操作指令，系统将根据用户的操作转向所对应的控制状态；Autoprint状态为锡膏印刷机的自动印刷状态，该状态主要功能是实现电路板送进、加紧、相机运动、平台对准调整、平台上升、刮刀运动等顺序动作，实现锡膏印刷循环的自动进行；Exit状态为控制系统退出，该状态主要完成系统参数及相关数据的保存、各轴归零等动作；Setting状态为控制系统参数设置状态，该状态可完成各电机控制参数、相机参数、对准学习等功能。具体包括如下步骤：

(1)上位机15上运行的控制系统首先执行状态字初始化进程51，该进程实现状态字State的初始化，并置入初始状态字Initialize和Wait两个状态。

(2)系统进入多轴控制状态机1中的状态机循环52。判断状态是否为初始状态，该状态机循环弹出状态字State最上面的状态，第一次即弹出Initialize，然后系统经过条件判断进程，如果确定系统第一次进入初始化(Initialize)状态，系统将执行各轴归零进程53，该进程将调用运动指令VI库的运动轴返回零点指令VI，通过RS485全双工或半双工串行控制总线14发出回零运动控制指令，并由直流四轴步进伺服驱动器3、直流四轴步进伺服驱动器12和交流单轴步进伺服控制器13解析，以驱动相应的步进电机(包括平台调整电机8、9、10，相机电机4、7，刮刀电机5、6等)返回零点。然后，系统将执行置状态字进程54-1，置状态字State＝Wait，随后返回步骤52。

(3)如果上一步状态不是初始状态，系统判断是否为等待状态60-2，如果确定当前状态为等待状态(Wait)，即表示系统将进入等待用户指令的状态；当状态机循环弹出Wait状态时，系统将执行等待用户指令进程55，即等待用户输入控制指令或操作指令，根据不同的控制指令，系统进行步骤56，调用状态字置其它状态进程，实现状态字置为AutoPrint、Exit、Setting等状态字，随后返回步骤52。

(4)如果状态不是为等待状态，系统判断是否为自动印刷状态60-3，若是，当状态机循环弹出AutoPrint状态时，系统将执行自动印刷进程57，该进程将调用运动指令VI库的相关参数设置指令VI，通过RS485总线全双工或半双工串行控制总线14按时序发出运动控制指令，并由直流四轴步进伺服驱动器3、直流四轴步进伺服驱动器12和交流单轴步进伺服控制器13解析，完成相应轴的参数设置。根据指令解析结果，由直流四轴步进伺服驱动器3、直流四轴步进伺服驱动器12和交流单轴步进伺服控制器13分别驱动各运动轴的准确定位。而平台Z轴的提升定位运动将由系统通过RS232接口向PLC18发出运动指令，由PLC18解析，向交流伺服驱动器发出高速脉冲，以驱动平台Z轴交流伺服电机16。通过以上的运动指令发送，由系统控制程序实现多轴的协调控制，包括导轨宽度的调整轴的定位运动、相机X/Y轴的准确定位、平台X/Y1/Y2轴的准确定位、平台Z轴的快速提升与准确定位、刮刀电机轴Z1/Z2轴的运动。自动印刷进程57完成后，调用状态字置其它状态进程，步骤54-2设置状态字State＝Wait，随后返回步骤52。

(5)若系统判断状态为非自动印刷，则系统进一步判断状态是否为参数设置状态，若是，状态机循环弹出状态字Setting时，系统将执行参数设置进程58，该进程完成各种系统参数的设置，包括各轴的运动速度、视觉部分的参数等。参数设置进程58完成后，系统调用状态字置其它状态进程，步骤54-4设置状态字State＝Wait，随后返回步骤52。

(6)若系统判断为非参数设置状态，则系统进一步判断状态是否为退出，若为否，系统进入步骤54-4等待状态；若是，状态机循环弹出状态字Exit时，系统将执行系统退出处理进程59，该进程实现系统的退出处理，包括参数保存等。然后系统整个跳出状态机循环。

锡膏印刷机的电路板夹紧、对准，相机的运动定位，刮刀的印刷运动等，在此串行多轴步进系统的多轴控制状态机控制下按照严格的工作顺序自动完成整个锡膏印刷机的工作循环。

本发明的多轴控制系统中的步进伺服驱动指令VI库采用LabVIEW技术构建。如图4所示，指令VI库21包括System指令VI子库22、Direct指令VI子库23、多轴指令VI子库24和系统状态读指令VI子库25四个部分。各子库的指令VI26具有相似的输入输出接口，各子库平行组织。其中，System指令VI子库22包含Initialization、Parameter设置、Soft Switch等系统配置VI，该子库提供的功能VI主要实现步进伺服驱动器的参数配置；Direct指令VI子库23包含相对、绝对单轴运动指令VI、轴运动停止VI、轴运动点动VI以及各种伺服驱动器状态控制指令VI等，该子库提供的功能VI主要实现步进伺服驱动器的单轴运动控制及其控制状态控制的功能；多轴指令VI子库24包含四轴相对、绝对运动控制指令VI，该子库提供的功能VI主要实现四轴同步控制；系统状态读指令VI子库25包含Parameter Read、伺服驱动器运动位置读、通讯状态读等功能VI，该子库提供的功能VI主要实现步进伺服驱动器的位置信息、状态信息等读取。各子库所包含的指令VI具有相似的接口，其接口关系如图5所示，指令VI26包括串口引用入34、轴地址33、指令数据32、错误入口31四个输入端口，以及串口引用出27、指令状态28、返回数据29和错误出口30四个输出端口。

图6所示，针对通讯协议中的流控制要求，为了完成基于RS485串行总线的电机控制，需按照如下步骤流程完成一个完整的指令通讯过程。

(1)开始后，首先根据输入的串口引用，对该串口执行发送接收缓冲区清空，完成缓冲区清空(步骤35)；

(2)执行发送开接收关，进入发送状态(步骤36)；

(3)根据指令VI的输入参数(轴地址，指令数据)执行指令主体生成(步骤43)；

(4)对生成的指令执行校验和，得到带有校验和的控制指令(步骤42)；

(5)在完成了上述步骤(36)和步骤(42)后，执行指令发送，把指令通过RS485串行总线发送出去(步骤37)；

(6)指令发送的同时，执行延时步骤38。而延时时间由程序调用分级自动生成模块得到(步骤39)。

(7)延时时间到后，置发送关接收开(步骤41)；

(8)程序进入接收处理步骤40，该步骤接收运动控制器的响应，按照指令VI输出参数的要求输出必要的处理结果，包括通讯错误等。

本发明采用的以多轴控制状态机、运动指令VI库和RS485全双工或半双工串行控制总线为核心的PCB锡膏印刷机多轴串行步进控制系统，能够进行多轴协调控制、具有结构紧凑、接线少、抗电磁干扰强、可靠性高的特点，可用于各种PCB锡膏印刷机中。

Claims (3)

1、一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)上位机上运行的控制系统首先执行状态字初始化进程，并设置为初始化和等待两个状态；

(2)系统进入多轴控制状态机中的状态机循环；判断状态是否为初始状态，若是，系统将执行各轴归零进程，调用运动指令VI库的运动轴返回零点指令VI，由直流四轴步进伺服驱动器、直流四轴步进伺服驱动器和交流单轴步进伺服控制器解析，以驱动相应的步进电机返回零点；然后，系统进入等待，再返回循环状态；

(3)若为非初始状态，系统进一步判断是否为等待状态，若是，等待用户输入控制指令或操作指令，根据不同的控制指令，系统调用状态字置其它状态进程，实现状态字置为自动印刷状态、参数设置和退出状态字，随后返回循环状态；

(4)如果状态不是等待状态，系统进一步判断是否为自动打印状态，若是，系统将执行自动印刷进程，由直流四轴步进伺服驱动器、直流四轴步进伺服驱动器和交流单轴步进伺服控制器分别驱动各运动轴的准确定位，随后设置状态为等待，返回循环状态；

(5)若系统判断状态为非自动印刷，则系统进一步判断状态是否为参数设置状态，若是，系统完成各种系统参数的设置，包括各轴的运动速度、视觉部分的参数，随后设置状态为等待，再返回循环状态；

(6)若系统判断为非参数设置状态，则系统进一步判断状态是否为退出，若为否，系统进入等待状态；若是，进行系统的退出处理，保存参数。

2、根据权利要求1所述的一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法，其特征在于初始化状态完成控制系统的初始化，包括各轴运动归零和控制参数初始化；等待状态为等待用户操作指令，系统将根据用户的操作转向所对应的控制状态；自动印刷状态为锡膏印刷机的自动印刷状态，该状态功能是实现电路板送进、夹紧、相机运动、平台对准调整、平台上升和刮刀运动的顺序动作，实现锡膏印刷循环的自动进行；退出状态为控制系统退出，该状态完成系统参数及相关数据的保存、各轴归零动作；参数设置状态为控制系统参数设置状态，该状态可完成各电机控制参数、相机参数、对准学习功能。

3、根据权利要求1所述的一种用于锡膏印刷机的串行多轴步进控制方法，其特征在于所述运动指令VI库遵循LabVIEW技术标准。

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