一种应用于柔性电子制造的热压控制系统及方法
技术领域
本发明涉及柔性电子制造领域,具体涉及一种应用于柔性电子制造的热压控制系统及方法。
背景技术
柔性电子以其可弯曲特性获得广泛关注,具有代表性的柔性RFID标签,使用各向异性导电胶完成基板与芯片间的热压固化封装。热压工艺是RFID标签封装工艺的重要一环,热压效果直接影响到成品的性能参数。温度、压力及位置的精度和一致性,直接影响产品性能好坏及一致性。
目前用于RFID标签封装设备的多数热压控制系统,对于整个封装设备来说,相对比较独立,没有同时对温度、压力和位置进行闭环控制,有对温控通道的异常状态进行监控并进行相应的自我修复,缺乏对热压固化过程中温度出现异常时的及时处理能力。一旦温度出现异常,整个系统需要停机处理,浪费时间和原材料,产品的性能和一致性也缺乏保障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种应用于柔性电子制造的热压控制系统及方法。
本发明的技术方案如下:
提供一种应用于柔性电子制造的热压控制系统,包括:
热压板,该热压板上设置有热压头和压力传感器,通过热压板上下直线移动带动热压头进行压合,压力传感器负责测量热压头上下运动压合时的压力值;
温度控制单元,与所述热压头连接,负责对热压头进行加热控制;
压力控制单元,分别与所述热压头、温度控制单元连接,负责控制热压头进行压合时的压力;
位置控制单元,分别与所述热压板、温度控制单元、压力控制单元连接,负责控制热压头在压合时上下移动的位置;
PLC控制器,包括信号处理单元,所述信号处理单元分别与所述温度控制单元、压力传感器、压力控制单元、位置控制单元连接,负责温度信号、压力信号、位置信号的处理;
上位机,包括工控机,所述工控机与所述信号处理单元连接,负责各控制信号的给定值设置和各单元的状态监控。
进一步的,所述温度控制单元包括温控器、电流放大器、发热芯和温度传感器,所述信号处理单元与所述温控器连接,所述温控器的信号输出端依次通过所述电流放大器、发热芯与所述热压头连接,所述发热芯、温度传感器均设置在所述热压头中,所述温度传感器与所述温控器的信号输入端连接。
进一步的,所述温度传感器包括热敏电阻和A/D转换模块,所述热敏电阻通过A/D转换模块与所述温控器连接。
进一步的,所述压力控制单元包括气压控制器、I/O信号处理器、电磁阀、气压调压阀和气压传感器,所述信号处理单元分别与所述气压控制器、I/O信号处理器连接,所述气压控制器的信号输出端与所述气压调压阀连接,所述气压调压阀的气体输入端连通气源,所述气压调压阀的气体输出端通过气压输出口与所述热压头连接,所述气压调压阀上设置有气压传感器,所述气压传感器与所述气压控制器的信号输入端连接,所述电磁阀设置在气源与所述气压调节阀之间,所述I/O信号处理器与所述电磁阀连接。
进一步的,所述气源处设置有过滤器。
进一步的,所述位置控制单元包括位置控制器、电机驱动器、电机和编码器,所述信号处理单元与所述位置控制器连接,所述位置控制器依次通过所述电机驱动器、电机与所述热压板连接,所述编码器分别与所述信号处理单元、位置控制器、电机驱动器、电机连接。
进一步的,所述热压板上设置有若干个热压头,每一热压头对应一温度控制单元。
提供一种应用于柔性电子制造的热压控制方法,基于上述所述的一种应用于柔性电子制造的热压控制系统,包括:
温度控制,根据PLC控制器给定的温度值与温度传感器反馈的温度值进行比较温度偏差后,再进行PID运算,运算后给出控制指令给电流放大器,电流放大器通过发热芯给热压头进行加热控制;
压力控制,压力传感器将热压头上下运动压合的压力值反馈给PLC控制器,PLC控制器根据压力传感器反馈的压力值进行闭环计算后输出给定压力给气压控制器进行闭环控制;
位置控制,根据PLC控制器输出的给定位置和编码器反馈的信号进行闭环计算后输出速度指令给电机驱动器,电机驱动根据位置控制器输出的速度指令和编码器反馈的信号进行闭环计算,驱动电机转动,电机转动驱动热压头上下运动,使热压头进行压合动作。
进一步的,所述温度控制包括若干个温控通道,每一温控通道对应控制一热压头。
进一步的,所述温度控制中包括温度异常状态检测,该温度异常状态检测包括以下步骤:
(1)读取各个温控通道采集的温度值;
(2)根据读取的温度值识别各个温控通道是否连接有热压头;
(3)开通连接有热压头的温控通道,对其热压头进行加热;
(4)采集热压头加热过程中的加热时间与温度值;
(5)计算出加热时间与温度值的特征关系;
(6)判断温控通道的状态是否有异常;
(7)根据温控通道的不同状态进行相应的处理。
相对于现有技术,本发明的有益效果在于:本发明实现了自动检测温控通道有无连接负载、负载或环境变化时自动调整PID参数、环境变化时自动调整设定温度,自动检测负载或线路故障并报警等功能,从而提高了系统的自我诊断和自我修复能力,提升了温控精度,节约了故障停机时间和原材料的浪费,提高了产品性能和一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一所述一种应用于柔性电子制造的热压控制系统的结构示意图;
图2为本发明实施例一所述一种应用于柔性电子制造的热压控制系统的结构组成框图;
图3为本发明实施例一所述一种应用于柔性电子制造的热压控制系统的原理框图;
图4为本发明实施例二所述一种应用于柔性电子制造的热压控制方法中温度异常状态检测的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案,下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一
请参阅图1,本实施例提供的一种应用于柔性电子制造的热压控制系统,该系统主要包括热压头1、温度控制单元2、压力控制单元3、位置控制单元4、PLC控制器5、上位机6、压力传感器9、热压板10,热压头1和压力传感器9均安装在热压板10上,热压头1中设置有发热芯7和温度传感器8。其中,热压头1通过热压板10上下直线移动带动进行压合,热压头1中的发热芯7负责给热压头表面传导热量,温度传感器8负责温度采集;压力传感器9直接测量热压头1上下运动压合时的压力值并反馈给PLC控制器5进行闭环控制;温度控制单元2,与热压头1连接,负责对热压头1进行加热控制;压力控制单元3,分别与热压头1、温度控制单元2连接,负责控制热压头1进行压合时的压力;位置控制单元4,分别与热压板10、温度控制单元2、压力控制单元3连接,负责控制热压头1在压合时上下移动的位置,位置控制单元4驱动热压板10上下Z向运动,同时带动热压头1上下Z向运动进行压合,压合过程中通过高温进行热压固化;PLC控制器5,负责整个系统的控制,其包括信号处理单元,信号处理单元分别与温度控制单元2、压力传感器9、压力控制单元3、位置控制单元4连接,负责温度信号、压力信号、位置信号的处理;上位机6,包括工控机,工控机与信号处理单元连接。
该热压控制系统同时包括温度控制、压力控制和位置控制,对于温度控制单元2、压力控制单元3和位置控制单元4的具体结构,如图2所示,温度控制单元2包括温控器、电流放大器、发热芯7和温度传感器8,信号处理单元与温控器连接,温控器的信号输出端依次通过电流放大器、发热芯7与热压头1连接,发热芯7、温度传感器8均设置在热压头1中,温度传感器8与温控器的信号输入端连接。温控器根据给定的温度值与温度传感器反馈的温度值进行比较得到温度偏差后,再进行PID运算,运算后给出控制指令给电流放大器,电流放大器通过给发热芯给热压头1进行加热控制。发热芯发热过程中将热量传递给热压头1,从而对热压头1进行加热控制,使热压头1表面温度维持在一个恒定的设定温度值,并对温控部分出现的异常情况进行自动识别和自动修复。
其中,所述温度传感器包括热敏电阻和A/D转换模块,热敏电阻通过A/D转换模块与温控器连接。温度传感器将采集到的温度模拟信号进行A/D转换,以供PLC控制器5进行温度值的读取。
较佳的,热压板10上设置有若干个热压头1,每一热压头1对应一温度控制单元2。从而形成若干个单独控制的温控通道。
进一步的,压力控制单元3包括气压控制器、I/O信号处理器、电磁阀、气压调压阀、气压传感器和过滤器,信号处理单元分别与气压控制器、I/O信号处理器连接,气压控制器的信号输出端与气压调压阀连接,气压调压阀的气体输入端连通气源,气源处设置过滤器,气压调压阀的气体输出端通过气压输出口与热压头连接,气压调压阀上设置有气压传感器,气压传感器与气压控制器的信号输入端连接,电磁阀设置在气源与气压调节阀之间,I/O信号处理器与电磁阀连接。气压控制器根据信号处理单元输出的气压指令和气压传感器反馈的气压值,调节气压调压阀的大小,从而控制气压调压阀输出的气压大小,保证热压头1进行热压固化时的精确压力。I/O信号处理器根据信号处理单元输出的指令控制电磁阀的开闭,从而控制经过电磁阀的开闭。气源经过过滤器过滤后先流向电磁阀,再流向气压调压阀,保证热压头1进行热压固化时的精确位置。
进一步的,位置控制单元包括位置控制器、电机驱动器、电机和编码器,信号处理单元与位置控制器连接,位置控制器依次通过电机驱动器、电机与热压板连接,编码器分别与信号处理单元、位置控制器、电机驱动器、电机连接。位置控制器根据信号处理单元输出的位置指令和编码器反馈的位置值进行计算处理,输出速度指令给电机驱动器,电机驱动器根据位置控制器输出的速度指令驱动电机转动,电机通过转动驱动热压板和热压头上下运动进行精确压合。
信号处理单元,根据上位机给定的温度信号、压力信号和位置信号及各传感器反馈的信号进行处理,处理后输出相应的指令给温控器或气压控制器或位置控制器。负责整个系统的启停、各模块的控制、各模块的状态识别和报警信息处理;上位机主要负责各控制信号的给定值设置和各模块的状态监控等。
如图3所示,TR表示反馈的实际温度,TS表示温度信号处理后的给定温度,Δe表示给定温度TS与实际反馈温度TR比较后的偏差。P1S表示压力信号处理后的给定压力,P1R表示气压传感器反馈回来的压力值,P3R表示压力传感器9反馈回来的压力值,Δe1表示给定压力值P1S与实际反馈压力值P1R比较后的偏差。P2S表示位置信号处理后的给定位置,P2R表示编码器反馈回来的压力值,Δe2表示给定压力值P2S与实际反馈压力值P2R比较后的偏差。原理:PLC控制器5将设定温度传送给温度控制器,温度控制器根据给定的温度值TR与温度传感器反馈的温度值TS进行比较得到温度偏差Δe后,再进行PID运算,运算后给出控制指令给电流放大器,电流放大器通过给发热芯给热压头进行加热控制。同时,温度传感器反馈的热压头表面温度传送给PLC控制器5,PLC控制器5根据反馈的温度和热压系统所处的3种工况,进行热压温控通道的状态诊断,并根据诊断的结果进行PID参数调整,或给出报警信息。3种不同工况均由系统自动识别。第1种工况是开启各温控通道的控制开关后,热压头1的升温阶段;第2种工况是热压系统处于空闲状态;第3种工况是热压系统处于工作状态,正在进行热压固化处理;每隔一定时间进行一次温度的采集并保存其值,采集的起止时间在不同情况下各不相同,第1种工况下,起止时间是开启通道控制开关后到热压头1温度上升到设定值;第2种工况下,起止时间是热压系统上次工位工作结束后到下次工位工作开始之前;第3种工况下,起止时间是每一个工位工作的开始时间和结束时间。压力控制采用双闭环控制,气压控制器根据压力信号处理输出的给定压力P1S,对气压调压阀进行闭环控制,压力传感器直接将热压头1上、下运动压合的压力值P3R反馈给PLC控制器5,PLC控制器5根据压力传感器反馈的值P3R进行闭环计算后输出给定压力P1S给气压控制器进行闭环控制。位置控制采用多闭环控制,编码器反馈的信号P2R同时反馈给电机驱动器、位置控制器和PLC控制器5。PLC控制器5将位置信号处理后的给定位置P2S输出给位置控制器后,位置控制器根据PLC控制器5输出的给定位置P2S和编码器反馈的信号P2R进行闭环计算后输出速度指令给驱动器,驱动根据位置控制器输出的速度指令和编码器反馈的信号P2R进行闭环计算,驱动电机转动,电机转动驱动热压头上下精确运动,使热压头能够进行精确压合。PLC控制器5根据编码器实时反馈的信号,对热压头1的位置进行冗余监控,确保安全。上位机负责各控制信号的给定值设置和各模块的状态监控等。
实施例二
提供一种应用于柔性电子制造的热压控制方法,基于实施例所述的一种应用于柔性电子制造的热压控制系统,该方法包括:
温度控制,根据PLC控制器给定的温度值与温度传感器反馈的温度值进行比较温度偏差后,再进行PID运算,运算后给出控制指令给电流放大器,电流放大器通过发热芯给热压头进行加热控制;
压力控制,压力传感器将热压头上下运动压合的压力值反馈给PLC控制器,PLC控制器根据压力传感器反馈的压力值进行闭环计算后输出给定压力给气压控制器进行闭环控制;
位置控制,根据PLC控制器输出的给定位置和编码器反馈的信号进行闭环计算后输出速度指令给电机驱动器,电机驱动根据位置控制器输出的速度指令和编码器反馈的信号进行闭环计算,驱动电机转动,电机转动驱动热压头上下运动,使热压头进行压合动作。
其中,所述温度控制包括若干个温控通道,每一温控通道对应控制一热压头。
其中,所述温度控制中包括温度异常状态检测,如图4所示,该温度异常状态检测包括以下步骤:
(1)读取各个温控通道采集的温度值;
(2)根据读取的温度值识别各个温控通道是否连接有热压头;
(3)开通连接有热压头的温控通道,对其热压头进行加热;
(4)采集热压头加热过程中的加热时间与温度值;
(5)计算出加热时间与温度值的特征关系;
(6)判断温控通道的状态是否有异常;
(7)根据温控通道的不同状态进行相应的处理。
所述步骤(1),在系统上电启动后,先关闭所有温控通道的控制开关,只读取所有温控通道采集到的温度值。
所述步骤(2),正常情况下,没有开启通道控制开关之前,每个温控通道读取到的温度值应在室温值与设定值之间,如果是,则代表通道上连接有热压头,如果不是,则代表温控通道上没有连接热压头,不需要对该通道进行控制。
所述步骤(3),识别出连接有热压头的所有通道后,先将连接有热压头的通道总数量与设定的加热通道总数进行比较,判断实际连接的热压头通道数是否与设定的一致。如果不一致,则要将多余的热压头拆掉,将少接入的热压头补齐。然后,开启连接有热压头的通道的控制开关,对连接的热压头进行加热控制。
所述步骤(4),加热时间与温度值的采集分为3种工况,3种不同工况均由系统自动识别。第1种工况是开启各温控通道的控制开关后,对热压头进行加热升温;第2种工况是温度已经上升到设定温度后,没有进行热压固化;第3种工况是热压系统正在进行热压固化;每隔一段时间进行一次温度的采集并保存其值,采集的起止时间在不同情况下各不相同,第1种工况下,起止时间是开启通道控制开关后到热压头温度上升到设定值;第2种工况下,起止时间是热压系统上次工位工作结束后到下次工位工作开始之前;第3种工况下,起止时间是每一个工位工作的开始时间和结束时间。
所述步骤(5),将时间与温度的关系进行线性化处理,得出起止时间内时间与温度的之间的特征关系。将时间与温度的关系进行分段线性化,将设定温度与室温之间的差值均分为M段,每段N个记录点,N根据每段的的温度差值除以系统允许的温控误差而定,Xi表示记录的第i个温度值,i=1,2,3,...MN,采用最小二乘法算出每段温度值内时间与温度的线性关系函数:
其中,yj(x)表示第j段温度值内时间与温度的线性关系函数,线性函数yj(x)的斜率aj表示升温的速度,常数bj表示升温滞后的时间,j=1,2,3,...M。
至于采用最小二乘法,具体过程为:
先对记录的温度值X
i进行求和运算
记录,对记录的时间值y
i进行求和运算
然后对温度值X
i的平方进行求和运算
对温度值X
i和时间值y
i的乘积进行求和运算
再算出第j段温度值内时间与温度的线性关系函数yj(x)的斜率aj和常数bj,斜率aj表示升温的速度,常数bj表示升温滞后的时间,j=1,2,3,...M。
最后算出每段温度值内时间与温度的线性关系函数。
所述步骤(6),根据步骤(5)算出的第k个热压头在第j段温度值内时间与温度的线性关系函数的斜率akj和常数bkj,对多个热压头的升温特性进行一致性测度进行测量和判断,对单个热压头的升温滞后性的合理性进行判断。
其中,对单个热压头的升温滞后性的合理进行判断的具体实现方式为:根据第k个热压头在第j段温度值内时间与温度的线性关系函数的常数bkj,对第k个热压头在第j段温度值内升温的时间滞后性进行评估,k=1,2,3,...n,n代表系统总热压头的个数,j=1,2,3,...M,M代表对测量温度值进行分段的段数。根据经验,定义一个阈值ξb,当bkj<ξb时,表示第k个热压头在第j段温度值内升温的时间滞后性正常,当bkj≥ξb时,表示第k个热压头在第j段温度值内升温的时间滞后性不正常,发生了线路故障或元器件故障。
对多个热压头的升温特性的一致性测度进行测量和判断,其具体步骤为:
先根据第k个热压头在第j段温度值内时间与温度的线性关系函数的斜率akj,先根据斜率akj组成矩阵P,矩阵P的第k列代表第k个热压头在各段温度值内时间与温度的线性关系函数的斜率;
然后将n个热压头时间与温度的线性关系函数的斜率的相关矩阵定义为R=P.P’,P的相关系数为:
其中,C(k,j)是向量的协方差,D(k,k)、D(j,j)是向量的方差,相关系数矩阵Rp(k,j)的第k列是第k个热压头与其它热压头数据的相关系数rpkk’。
再算出第k个热压头与其它第k’个热压头升温特性的相关系数rpkk’,rpkk’越大,相关性越大,定义第k个热压头的一致性测度为:
其中,0≤HPk≤1,由热压头组T=(t1,t2,...,tn)得到k温度时的一致性向量为PT=[HP1,HP2,...,HPn]。
最后,定义一个阀值ξp,将测得的值与阀值ξp进行比较,HPk≥ξp表示第k个热压头的测量值与大多数热压头的测量值一致;HPk<ξp,表示第k个热压头的测量值与大多数热压头的测量值不一致,代表PID参数不合理、发生了线路故障、元器件故障或受到了干扰。
所述步骤(7),对步骤(6)中发现的异常状态进行自动修复或报警处理,其分3种不同工况对多个热压头的加热状态进行诊断和处理。第1种工况,识别和解决热压头在升温阶段的通道PID参数不合理、热压头的线路故障、元器件故障或受到了干扰的问题。对有异常的通道自动进行PID重新调整或输出报警信息;第2种工况,识别在热压系统处于空闲状态时,监控实际温度值TR与设定温度值TS之间的偏差Δe是否合理,识别哪些温控通道是否有异常,对有异常的自动进行PID重新调整或输出报警信息;第3种工况,识别在热压系统处于工作状态时,热压头的温度跳变是否比较大,识别哪些温控通道是否有异常,并且对有异常的温控通道进行处理。
综上所述,本发明实现了自动检测温控通道有无连接负载、负载或环境变化时自动调整PID参数、环境变化时自动调整设定温度,自动检测负载或线路故障并报警等功能,从而提高了系统的自我诊断和自我修复能力,提升了温控精度,节约了故障停机时间和原材料的浪费,提高了产品性能和一致性。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。