CN109240359A - 一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法 - Google Patents

Abstract

一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法，包括以下步骤：1)设计类S型的加速方式；2)根据贴片机机头吸嘴的机械结构、气泵吸力大小、步进电机型号以及现场的测试，确定机头吸嘴在取料后的最大的起始速度v_min，以及步进电机最大加速度a_max和最小速度突变a_min；3)设计加加速段和减加速段不对称分段加速方式，计算得到加速度表为(a₁,a₂,...,a_m)和(a_m+1,a_m+2,...,a_n)；4)根据测得的起始速度以及加加速段和减加速段的加速度表计算得到对应的速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)；5)针对贴片机贴装路程多样，设定两种速度曲线，根据当前速度是否大于最大速度v_max和当前路程s_p是否满足来判断进入匀速段或是减速段。本发明能有效提高贴片机机头运行速度、提供更加平滑速度规划，避免在高速和高加速情况下电机失步堵转的问题。

Description

一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法

技术领域

本发明涉及一种速度规划方法，尤其是一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法，属于运动控制领域。

背景技术

近年来，随着现代电子技术的发展，电子设备的生产和制造正向着智能化、高速化等方向发展，电子组装技术的快速发展是现代电子技术发展的重要体现。表面贴装技术(SMT)是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工业，是一种涉及多项内容，将电子元件贴装到PCB电路板上的综合技术。

PCB电路板上的电子元器件体积较小，并且各电子元器件之间间隔很小，排列很紧密。电子元器件根据不同的型号分别放在贴片机周围的料栈里面，根据设计好贴装顺序由机头的吸嘴到对应的料栈吸取电子元件，并快速运动到PCB电路板上指定的位置，将电子元器件贴到电路板上，此过程就完成了一次贴片。然而，PCB电路板上所需电子元件众多，在完成一次完整的贴装时，机头吸嘴要不间断快速的来回多次运动，其速度直接影响生产的效率，所以必须是高速的贴装过程。由于机头吸嘴取料到PCB电路板的距离较短，在这样短行程之内要达到高速运行，则必须要有较高的起始速度和较大的加速度，但是在以较高速度启动并进行加速时会产生抖动，特别是当速度曲线规划的不合理的时候抖动更加明显，这样将会影响机头吸嘴吸取的元器件角度位置发生偏移，从而导致贴装的位置发生错误。与此同时，由于机头负载的存在，在其加速到最大速度的过程中会因速度曲线的规划不合理而引起电机的失步堵转，因此迫切需要一种新的速度规划方法来提高贴片机机头运动步进电机的最大转速和启动加速过程中的稳定性。

发明内容

为了提高现有贴片机机头吸嘴取放料运动过程中的速度，为了克服其在快速启停过重中因抖动影响元器件贴放角度以及在高加减速情况下电机因机头负载而引起失步堵转的问题，本发明提供了一种能够实现步进电机平稳起步和停止、快速提速、提升步进电机最高转速、有效避免因快速加速到最高速时会失步以及提高稳定性的智能贴片机吸嘴取放元件速度规划方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法，所述方法包括以下步骤：

1)为了使贴片机机头能够更平稳的启停和平滑的加速到最大速度，设计了类S型的加速方式，其中，在机头运行低速阶段，保持加加速J₁不变，加速度匀速增加的加速运动，在机头运行高速加速阶段，采用的是加加速减小的加速运动，即加速曲线的加加速段和减加速段是不对称的；

2)根据贴片机机头吸嘴的机械结构、气泵吸力大小、步进电机型号以及现场的测试，确定机头吸嘴在取料后的最大的起始速度v_min，以及步进电机所能承受的最大速度突变Δv_max和最小速度突变Δv_min；

3)在确定贴片机机头最大起始速度v_min的条件下，根据步骤1)中平稳启停的要求确定最大的加速度a_max，令a_t表示对应规划周期的加速值，其中t为整数，表示速度规划序列，令a_max＝a_m，当t≤m时，采用的是加加速不变，加速度匀速增加的加速运动，得到其加速表为(a₁,a₂,...,a_m)，当m＜t≤n时，采用加加速和加速度均减小的加速运动，得到加速度表为(a_m+1,a_m+2,...,a_n)，下标1到n表示的是加速度的规划顺序；

4)根据步骤3)，由确定的起始速度v_min和加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)得到相应的速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)；

5)根据贴片机机头吸嘴吸取元件处到PCB电路板的距离s以及步骤4)中的加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)和速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)，由运行的实际路程情况调用对应加速度值，从而规划出对应的速度曲线。

进一步，在步骤2)中，根据现场测试所得到的机头吸嘴最大起始速度v_min，需满足吸取元件后的吸嘴在启停瞬间和加减速过程中，不会因机头抖动而影响吸嘴上元件的位置和角度，并且保证在启动运行到最大速度突变时能够稳定运行，同时对应步进电机的最小速度突变需满足电机运行在高速阶段变化时不会引起电机的失步堵转现象。

再进一步，在步骤3)中，为了确保机头吸嘴吸取元器件后能够平稳起步并且平稳的进行加速，所以加速度是一个缓慢增加过程，其最大加速度a_max＝Δv_max＝a_m，在速度不断接近最大速度v_max的过程中，加速度先增大后减小，高速阶段加速度逐渐减到最小，即a_min＝Δv_min＝a_n，对应计算得到的加速度表为(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)，因实际控制需要，采用的是不对称加加速段和减加速度段的加速方式，启动后的初始加速度大于最小加速度，即a₁＞a_n，a₁＞a_min a₁＞a_min，加速表(a₁,a₂...a_m...a_n)的计算公式如下：

其中，a_t表示对应每个规划周期的加速度，f₁,f₂分别表示两段加速度规划函数对应的系数，t是对应某个规划周期，t₁表示加加速段规划周期个数，t₂表示整段速度规划的周期个数，令m＝t₁,n＝t₂，则因此加速度表示为

再进一步，在步骤4)和5)中，根据起始速度v_min和加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)得到相应速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)，在贴片机贴装过程中，由于其运行的路程不定，因此会有两种运行方式，分别是：加速、匀速、减速三段(行程较长能够到达最高速度)和加速、减速两段(行程较短达不到最大速度)的速度曲线。

本发明的有益效果表现在：(1)机头运行过程中其加速方式采用的是直接调用事先规划好的加速度表，相比实时计算当前时刻的加速值的方法，本方法减少了系统计算的时间，提高了运行效率；(2)控制系统采用分段不对称的加速方式，即在低速阶段采用的是恒加加速匀变加速度加速运动，可使系统启动后低速段的加速更加平滑，而在高速段采用的是加加速减小的变加速度加速运动，这样可避免在高速阶段电机失步堵转，使加速曲线更加平滑，从而有效提高最大速度和运动稳定性。(3)控制方法基于STM32F103C8T6实现，资源丰富并能减少贴片机控制器的体积。

附图说明

图1为贴片机机头运行速度控制流程图。

图2为贴片机机头运行加速度曲线规划图。

图3为贴片机机头运行速度曲线规划图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照图1、图2和图3，一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法，所述方法包括以下步骤：

1)为了使贴片机机头能够更平稳的启停和平滑的加速到最大速度，设计了类S型的加速方式，其中，在机头运行低速阶段，保持加加速J₁不变，加速度匀速增加的加速运动，在机头运行高速加速阶段，采用的是加加速减小的加速运动，即加速曲线的加加速段和减加速段是不对称的；

2)根据贴片机机头吸嘴的机械结构、气泵吸力大小、步进电机型号以及现场的测试，确定机头吸嘴在取料后的最大的起始速度v_min，以及步进电机所能承受的最大速度突变Δv_max和最小速度突变Δv_min；

3)在确定贴片机机头最大起始速度v_min的条件下，根据步骤1)中平稳启停的要求确定最大的加速度a_max，令a_t表示对应规划周期的加速值，其中t为整数，表示速度规划序列，令a_max＝a_m，当t≤m时，采用的是加加速不变，加速度匀速增加的加速运动，得到其加速表为(a₁,a₂,...,a_m)，当m＜t≤n时，采用加加速和加速度均减小的加速运动，得到加速度表为(a_m+1,a_m+2,...,a_n)，下标1到n表示的是加速度的规划顺序；

4)根据步骤3)，由确定的起始速度v_min和加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)得到相应的速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)。

5)根据贴片机机头吸嘴吸取元件处到PCB电路板的距离s以及步骤4)中的加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)和速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)，由运行的实际路程情况调用对应加速度值，从而规划出对应的速度曲线。

进一步，在步骤2)中，根据现场测试所得到的机头吸嘴最大起始速度v_min，需满足吸取元件后的吸嘴在启停瞬间和加减速过程中，不会因机头抖动而影响吸嘴上元件的位置和角度，并且保证在启动运行到最大速度突变时能够稳定运行，同时对应步进电机的最小速度突变需满足电机运行在高速阶段变化时不会引起电机的失步堵转现象。

再进一步，在步骤3)中，为了确保机头吸嘴吸取元器件后能够平稳起步并且平稳的进行加速，所以加速度是一个缓慢增加过程，其最大加速度a_max＝Δv_max＝a_m，在速度不断接近最大速度v_max的过程中，加速度先增大后减小，高速阶段加速度逐渐减到最小，即a_min＝Δv_min＝a_n，对应计算得到的加速度表为(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)，因实际控制需要，采用的是不对称加加速段和减加速度段的加速方式，启动后的初始加速度大于最小加速度，即a₁＞a_n，a₁＞a_min，加速表(a₁,a₂...a_m...a_n)具体计算公式如下：

其中，a_t表示对应每个规划周期的加速度，f₁,f₂分别表示两段加速度规划函数对应的系数，t是对应某个规划周期，t₁表示加加速段规划周期个数，t₂表示加速度段规划的周期个数，令m＝t₁,n＝t₂，则因此加速度表示为

再进一步，在步骤4)和5)中，根据起始速度v_min和加速度表依次递增得到相应速度表其中v₁＝v_min，对应计算过程表示如下：

v_t＝v_t-1+a_t-1 (2)

其中v_t表示对应规划周期步进电机的可达到的是速度，最后将计算好的加速表和离散速度表存入到控制器的存储单元中。

再进一步，在贴片机贴装过程中由于运行路程多样，因此会有两种速度运行方式，分别是：加速、匀速、减速三段(行程较长能够到达最高速度)和加速、减速两段(行程较短达不到最大速度)的速度曲线，在加速阶段机头以最小速度离散速度表v_min启动，每匀速运行一个速度规划周期就根据对应的加速度表提升一次对应时刻的速度，当速度达到最大速度v_max之后进入匀速运行阶段并记加速度段脉冲数为s₁，当满足条件s-s_p≤s₁时(s_p为已发送脉冲数)进入减速阶段，在路程较短运行达不到最高速度的时候，根据路程(即要发送的脉冲总数量)的一半作为判断条件，当满足条件就立即转为与加速段对称的减速运动。

本发明提供的是一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法，采用的是一种类S型五段速度运行方式，即加加速段、减加速段、匀速段、减减速段、加减速段，且加加速段和减加速段是不对称的速度规划方式，根据对贴片机的实际测试，事先规划好对应的加速表和速度表，并存入控制器的存储单元，在运动过程中直接调用加速，相比实时计算的速度规划方式，该方法有效减少了系统处理数据的时间，其不对称加加速段和减加速段的加速方式可以满足贴片机机头在适宜启动速度下首先能进行平稳快速加速，在高速段加速时逐渐减小加速度使速度曲线更加平滑，在保证加速流畅的前提下有效提高了最高运行速度，从而提高了贴片机运动的控制效率。

Claims (4)

1.一种贴片机机头吸嘴取放元件的速度规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)为了使贴片机机头能够更平稳的启停和平滑的加速到最大速度，设计了类S型的加速方式，其中，在机头运行低速阶段，保持加加速不变，加速度匀速增加的加速运动，在机头运行高速加速阶段，采用的是加加速减小的加速运动，即加速曲线的加加速段和减加速段是不对称的；

2)根据贴片机机头吸嘴的机械结构、气泵吸力大小、步进电机型号以及现场的测试，确定机头吸嘴在取料后的最大的起始速度v_min，以及步进电机所能承受的最大速度突变Δv_max和最小速度突变Δv_min；

3)在确定贴片机机头最大起始速度v_min的条件下，根据步骤1)中平稳启停的要求确定最大的加速度a_max，令a_t表示对应规划周期的加速值，其中t为整数，表示速度规划序列，令a_max＝a_m，当t≤m时，采用的是加加速不变，加速度匀速增加的加速运动，得到其加速表为(a₁,a₂,...,a_m)，当m＜t≤n时，采用加加速和加速度均减小的加速运动，得到加速度表为(a_m+1,a_m+2,...,a_n)，下标1到n表示的是加速度的规划顺序；

4)根据步骤3)，由确定的起始速度v_min和加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)得到相应的速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)；

5)根据贴片机机头吸嘴吸取元件处到PCB电路板的距离s以及步骤4)中的加速度表(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)和速度表(v₁,v₂,...,v_n+1)，由运行的实际路程情况调用对应加速度值，从而规划出对应的速度曲线。

2.如权利要求1所述的一种贴片机机头吸嘴取放料速度规划方法，其特征在于：所述步骤3)中，为了确保机头吸嘴吸取元器件后能够平稳起步并且平稳的进行加速，所以加速度是一个缓慢增加过程，其最大加速度a_max＝Δv_max＝a_m，在速度不断接近最大速度v_max的过程中，加速度先增大后减小，高速阶段加速度逐渐减到最小，即a_min＝Δv_min＝a_n，对应计算得到的加速度表为(a₁,a₂,...,a_m,a_m+1,...,a_n)，因实际控制需要，采用的是不对称加加速段和减加速度段的加速方式，启动后的初始加速度大于最小加速度，即a₁＞a_n，a₁＞a_min，加速表(a₁,a₂...a_m...a_n)的计算公式如下：

其中，a_t表示对应每个规划周期的加速度，f₁,f₂分别表示两段加速度规划函数对应的系数，t是对应某个规划周期，t₁表示加加速段规划周期个数，t₂表示整段速度规划的周期个数，令m＝t₁,n＝t₂，则因此加速度表示为

3.如权利要求1或2所述的一种贴片机机头吸嘴取放料速度规划方法，其特征在于：所述步骤4中，根据起始速度v_min和加速度表依次递增得到相应速度表其中v₁＝v_min，对应计算过程表示如下：

v_t＝v_t-1+a_t-1 (2)

其中v_t表示对应规划周期步进电机的可达到的是速度，最后将计算好的加速表和离散速度表存入到控制器的存储单元中。

4.如权利要求1或2所述的一种贴片机机头吸嘴取放料速度规划方法，其特征在于：所述步骤5)中，根据贴片机贴装不同路程，有两种不同的速度曲线，分别是：加速、匀速、减速三段和加速、减速两段的速度曲线，在加速阶段机头以最小速度离散速度表v_min启动，每匀速运行一个速度规划周期就根据对应的加速度表提升一次对应时刻的速度，当速度达到最大速度v_max之后进入匀速运行阶段，在路程较短运行达不到最高速度的时候，根据路程的一半作为判断条件，当已发送的脉冲数s_p满足条件就立即转为与加速段对称的减速运动。