CN114535738B - 一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊锡机自动焊接技术领域，一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法，包括以下步骤：(1)机械臂坐标变换建模及模型参数标定，(2)通过解析待加工线路板设计文件中的数控钻孔文件，获得线路板钻孔设计坐标，(3)将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示为离散标记点，(4)通过指定离散标记点来指定焊盘并获得焊盘中心设计坐标，(5)利用步骤2、3、4，建立通过图形操作来选择焊点的操作环境，(6)建立线路板钻孔设计坐标与线路板焊点对应的机械臂坐标的变换模型，(7)将线路板钻孔设计坐标及设定的机械臂旋转轴角度，变换为待加工线路板对应焊点的机械臂坐标，(8)对加工线路板进行示教编程。本发明是利用带旋转轴的自动焊锡机机械臂坐标变换模型，建立从线路板钻孔设计坐标到线路板焊点对应的机械臂坐标的变换，以图形操作方式使烙铁头以指定位姿自动到达指定焊点位置，提高示教编程效率。

Description

一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法

技术领域

本发明涉及一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法，属于焊锡机自动焊接技术领域。

背景技术

自动焊锡机主要应用于电子制造业，特别适用于混装电路板SMT后段工序中接插件的焊接。自动焊锡机包括焊锡系统和机械臂两大部分。焊锡系统主要包括自动送锡机构和焊枪(温控、发热体、烙铁头)。机械臂主要有三轴系统和四轴系统。三轴自动焊锡机是X轴(左右)、Y轴(前后)、Z轴(上下)移动，会存在焊接死角。四轴自动焊锡机是在三轴自动焊锡机的基础上增加一个Z转动轴，可以绕Z轴360度旋转，基本达到无死角焊接加工，目前己成为自动焊锡机的主流方式。

示教编程是自动焊锡机的基本功能，使自动焊锡机可以按照示教编程文件进行焊接。传统的示教编程方式为：准备好需要焊接的样品，人工放置样品到夹具上，并放置夹具到自动焊锡机机台上固定；人工操作示教器使自动焊锡机沿着某个方向(坐标系的某个轴)移动或旋转；在对某个焊点进行示教编程时需要移动焊枪-观察-再移动焊枪，不断重复此操作，直到对准目标焊点；记录目标焊点对应的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，在此基础上设置此焊点的焊接参数(包括速度、送料参数、上抬高度、送锡速度等)；对所有焊点进行上述的示教操作，配合焊锡机系统的数据处理形成具有运动轨迹的示教编程文件。因此，传统的示教编程在对准目标焊点过程中存在操作繁琐、效率低等缺点。特别是对于带旋转轴的自动焊锡机，旋转角度的变化将导致焊枪X、Y坐标的变化，对准焊点位置将需要更频繁的操作。因而如何简化示教操作，提高示教编程的效率，是自动焊锡机操作的一个难题。

针对此问题，CN 102990178 A提出了通过解析PCB板的Gerber文件，得到Gerber文件图形中的焊接图层，再转换为标准的图像文件(bmp.jpg等)，使图像上的焊点和PCB板上的焊点对应起来，建立图像坐标和实物坐标的关系；在图像上选定待焊接的焊点，根据坐标转换关系，得到实际物理坐标，根据此实际物理坐标的位置进行参数设置。此方法存在的缺陷是：第一，所建立的坐标转换关系是Gerber文件图形中的焊接图层图像与实际焊点的对应关系，在Gerber焊接图层图像上取点时存在随机性，无法保证坐标值的一致性，将影响图像坐标和实物坐标对应关系的准确性，进而会影响示教编程的效率；第二，该方法不支持具有旋转轴的自动焊锡机。CN 102990170 A提出了解析PCB板的CAD文件，生成相应的CAD图形，再转换为标准的图像文件(bmp.jpg等)，使图像上的焊点和PCB板上的焊点对应起来，建立图像坐标和实物坐标的关系；在图像上选定待焊接的焊点，根据坐标转换关系，得到实际物理坐标，根据此实际物理坐标的位置进行参数设置。但此方法也同样存在上述两个缺陷。针对上述这些不足之处，本发明提出相应的改进措施，以有效地提高带旋转轴的自动焊锡机示教编程的效率。

发明内容

为了克服已有技木存在的问题，本发明目的是提供一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法。设计线路板时，线路板上每个接插件焊盘中心都具有数控钻孔设计坐标。当线路板固定在自动焊锡机机台上后，焊盘数控钻孔设计坐标与烙铁头对准目标焊盘时自动焊锡机的机械臂坐标存在固定的变换关系。本发明提出一种利用机械臂坐标变换模型及线路板数控钻孔文件，建立焊盘数控钻孔设计坐标与烙铁头对准目标焊盘时自动焊锡机机械臂坐标的变换关系，并利用图形操作方式使烙铁头以指定位姿自动到达指定焊点位置，来提高带旋转轴的自动焊锡机示教编程的效率。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法，包括以下步骤：

步骤1、机械臂坐标变换建模及模型参数标定，具体包括以下子步骤：

(a)、机械臂坐标变换建模，对于带旋转轴的自动焊锡机，当线路板通过夹具固定在自动焊锡机机台上后，线路板上某个焊点对应的机械臂坐标由(X，Y，Z，α)^T，即直角坐标(X，Y，Z)^T和旋转轴角度坐标α确定，通过夹具使线路板所在的平面与机械臂坐标系的XY平面平行，使机械臂坐标系Z轴垂直于线路板平面，这样，对于线路板平面上的一个焊点P，对应的机械臂v坐标值为固定值Z_Const，多种(X，Y，Z_Const，α)^T机械臂坐标组合使烙铁头以不同的位姿到达同一个焊点P，当α为零时，将焊点P对应的机械臂坐标表示为(X0，Y0，Z_Const，0)^T，当烙铁头以位姿(X0，Y0，Z_Const，0)^T到达焊点P时，机械臂Z轴通过线路板所在平面上的E点，设EP长度为r，当机械臂在E点绕Z轴旋转一个角度α，烙铁头将离开P点到达Q点，若将机械臂平移，即只改变机械臂的X、Y坐标，使烙铁头重新到达P点，则机械臂Z轴将通过F点，此时机械臂坐标为(X，Y，Z_Const，α)^T，当烙铁头以任意角度到达P点时，机械臂Z轴通过线路板所在平面的点都在以P点为圆心、半径即EP长度为r的圆上，线路板所在平面的点PQEF组成平行四边形，假设以P点为原点建立坐标系X′PY′，X′、Y′轴分别与机械臂坐标系的X、Y轴平行且方向相同，设EP与X′轴之间的锐角夹角绝对值为θ，对于同一个焊点P，当α为零时对应的机械臂坐标(X0，Y0，Z_Const，0)^T和当α为任意值时对应的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T之间的关系，通过公式(1)-(4)进行描述，

X＝X0-ΔX (1)

Y＝Y0-ΔY (2)

ΔX＝-r(cosθCosα+sinθsinα)+r·cos(θ) (3)

ΔY＝r(sinθcosα-cosθsinα)-r·sin(θ) (4)

式中，X0和Y0表示当旋转轴角度坐标α为零时焊点P对应的机械臂X坐标和Y坐标之值；ΔX表示当旋转轴角度坐标为零和为任意值α时，同一个焊点P对应的机械臂X坐标的差值；ΔY表示当旋转轴角度坐标为零和为任意值α时，同一个焊点P对应的机械臂Y坐标的差值；r表示在线路板所在平面上，自动焊锡机烙铁头端点到机械臂Z坐标轴的垂直距离，是自动焊锡机系统的一个固有特征参数；θ表示当α为零时，在线路板所在平面上，自动焊锡机烙铁头到机械臂Z坐标轴的垂线与坐标系X′PY′中的X′轴之间的锐角夹角，也即是自动焊锡机烙铁头到机械臂Z坐标轴的垂线与机械臂坐标系X轴之间的锐角夹角，是自动焊锡机系统的另一个固有特征参数；

(b)机械臂坐标变换模型参数的标定，机械臂坐标变换模型参数r、θ通过机械臂系统标定来获得，具体包括以下子步骤：

(b1)通过点动操作，以(X0，Y0，Z_Const，0)^T和(X，Y，Z_Const，α)^T两种位姿将烙铁头移动到并固定在机台上的线路板上任意选择的同一个焊点P的位置，α为旋转范围(-π，π]内的任意值，通过公式(5)-(6)进行描述，

ΔX＝X0-X (5)

ΔY＝Y0-Y (6)

(b2)计算参数r，θ，通过公式(7)-(9)进行描述，

式中，是为了表达式中表示方便而假设的一个中间变量，选择多个焊点位置，计算出多组r，θ的值，然后计算参数r、θ的平均值；

步骤2、通过解析待加工线路板设计文件中的数控钻孔文件，获得线路板钻孔设计坐标(x，y)^T，具体包括以下子步骤：

(a)、通过线路板设计软件输出待加工线路板的数控钻孔文件即NC Drill Files，数控钻孔文件是线路板设计软件的一种标准输出文件，其格式为文本格式，具有明显的规律；

(b)、解析数控钻孔文件的方法是，查看文本格式的数控钻孔文件，根据其明显的规律，编写软件代码，通过所要加工焊盘的钻孔直径进行筛选，提取出线路板要焊接的焊盘钻孔的设计坐标(x，y)^T；

步骤3、将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示为离散标记点，具体包括以下子步骤：

(a)、计算解析出的线路板钻孔设计坐标在x与y方向的最大值xMax、yMax，最小值xMin、yMin；

(b)、规划图形窗口四周空白区域，设x与y方向空白间隔分别为Marginx与Marginy，以保证离散标记点完全显示在窗口内；

(c)、计算图形窗口内显示区域的范围，通过公式(10)-(11)进行描述，

DispW＝WinW-2*Marginx (10)

DispH＝WinH-2*Marginy (11)

式中，DispW表示显示区域宽度，表示显示区域高度DispH，WinW表示图形窗口宽度，WinH表示图形窗口高度；

(d)、计算缩放比例，通过公式(12)-(14)进行描述，

xScale＝(xMax-xMin)/DispW (12)

yScale＝(yMax-yMin)/DispH (13)

totalScale＝Max(xScale，yScale) (14)

式中，xScale＝(xMax-xMin)/DispW表示x坐标缩放因子，yScale＝(yMax-yMin)/DispH表示y坐标缩放因子，totalScale＝Max(xScale，yScale)表示总体缩放因子，其中，Max取最大值计算；

(e)、钻孔设计坐标(x，y)^T到图形窗口中离散标记点显示坐标(px，py)^T的变换，通过公式(15)一(16)进行描述，

px＝Marginx+(x-xMin)/totalScale (15)

py＝Marginy+(y-yMin)/totalScale (16)

(f)、对解析出的线路板钻孔设计坐标进行上述变换，并以变换后的坐标(px，py)^T为中心在图形窗口中画小圆，即可将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示成离散标记点；

步骤4、通过指定离散标记点来指定焊盘并获得焊盘中心设计坐标，首先在图形上找到对应某个焊盘的离散标记点，在其附近即可，不需要精确操作；再将数控钻孔文件中解析出的线路板钻孔设计坐标在图形上画出的标记点位置与指定位置进行比较，找到距离最近的标记点，此标记点的钻孔设计坐标即为所需的焊盘中心设计坐标(x，y)^T；

步骤5、综合利用步骤2、步骤3、步骤4，即可建立通过图形操作来选择焊点的操作环境；

步骤6、建立线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与α为零时线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换模型，并计算模型参数，具体包括以下子步骤：

(a)、线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换，通过公式(17)-(19)进行描述，

T＝[t_x t_y]^T (18)

式中，T表示平移向量，R表示旋转矩阵；

(b)、计算旋转矩阵R和平移矢量T，具体包括以下子步骤：

(b1)线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T一一对应，设有N组对应坐标，并设线路板数控钻孔文件中的钻孔设计坐标表示为：

P_A＝(x，y)^T (20)

机械臂X、Y坐标表示为：

P_B＝(X0，Y0)^T (21)

将两个坐标系下的坐标都看作质点，对应点的质心分别为：

(b2)、计算协方差矩阵，

(b3)、对H进行奇异值分解(SVD)，得[U，S，V]＝SVD(H) (25)

(b4)、计算旋转矩阵，R＝VU^T (26)

(b5)、如果计算得到的旋转矩阵R的行列式，determinant(R)＜0时，则将R的第二列各项乘以-1，即

r₂＝r₂*(-1) (28)

r₄＝r₄*(-1) (29)

(b6)、计算平移矢量，T＝-R*centroid_A+centroid_B (30)

(c)、获得对应点坐标，具体包括以下子步骤：

(c1)、线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标P_B＝(X0，Y0)^T的获取步骤是：在固定于机台上的线路板上选择一个焊点，通过点动操作使烙铁头以α为零的姿态移到此焊点，此时的机械臂坐标为(X0，Y0，Const_Z，0)，即可得到P_B＝(X0，Y0)^T；

(c2)、对应线路板焊点的钻孔设计坐标的获取步骤是：利用步骤5建立的图形操作选择焊点的操作环境，即可获得P_A＝(x，y)^T；

(c3)、重复步骤6子步骤(c)子步骤(c1)、步骤6子步骤(c)子步骤(c2)，至少获取2组对应点坐标即可利用步骤6子步骤(b)，计算出参数旋转矩阵R和平移矢量T；

步骤7、将线路板钻孔设计坐标(x，y)^T及设定的机械臂旋转轴角度α，变换为待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，具体包括以下子步骤：

(a)、利用步骤6中计算出的参数旋转矩阵R和平移矢量T和公式(17)，将线路板钻孔设计坐标(x，y)^T变换为焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T；

(b)、利用步骤1中计算出的参数r，θ和公式(3)、(4)、(1)、(2)，步骤7子步骤(a)计算的(X0，Y0)^T，以及机械臂旋转轴角度α，得到待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T；

步骤8、对待加工线路板进行示教编程，具体包括以下子步骤：

(a)、在步骤5建立的图形操作环境中，选择一个焊点，获得其焊点中心设计坐标，根据此线路板上此焊点周边器件布置情况设定焊接姿态所需的旋转轴角度α，然后利用步骤7得到待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，通过控制命令使烙铁头以指定位姿自动到达指定焊点位置，在此基础上设置该焊点的焊锡参数，包括速度、送料参数、上抬高度、送锡速度，完成对此焊点示教编程所需数据的确定；

(b)对线路板上所有需要焊接的焊点重复步骤8子步骤(a)，完成对所有焊点示教编程所需数据的确定，配合焊锡机系统的数据处理形成具有运动轨迹的示教编程文件；通过解析线路板数控钻孔文件，建立从线路板钻孔设计坐标到线路板焊点对应的焊枪坐标的变换，以图形操作指导计算出待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，大幅减少示教编程时的移动焊枪-观察-再移动焊枪的人工操作，降低示教操作对准难度，提高示教编程的效率。

本发明有益效果是：一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法，包括以下步骤：(1)机械臂坐标变换建模及模型参数标定，(2)通过解析待加工线路板设计文件中的数控钻孔文件，获得线路板钻孔设计坐标(x，y)^T，(3)将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示为离散标记点，(4)通过指定离散标记点来指定焊盘并获得焊盘中心设计坐标，(5)综合利用步骤2、步骤3、步骤4，即可建立通过图形操作来选择焊点的操作环境，(6)建立线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与α为零时线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换模型，(7)将线路板钻孔设计坐标(x，y)^T及设定的机械臂旋转轴角度α，变换为待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，(8)对待加工线路板进行示教编程。本发明为了支持无死角焊接加工的四轴自动焊锡机基于设计文件的示教编程，首先提出了四轴自动焊锡机机械臂坐标变换模型。根据此模型，可以实现从线路板设计坐标到机械臂加工坐标的变换。其次，针对现有的自动焊锡机基于PCB板Gerber文件或CAD文件设计文件的示教编程方法存在的缺陷，提出了基于线路板数控钻孔文件的示教编程方法。现有的基于解析PCB板Gerber文件或CAD文件的方法，只是在转换的图像上取点，这种方式存在操作带来的随机性，无法保证从设计文件中获得示教编程所需的对应坐标值的一致性，将影响示教编程所需坐标和实物坐标对应关系的准确性，进而会影响示教编程的精度和效率。本发明通过解析线路板数控钻孔文件，提取出线路板要焊接的焊盘钻孔的设计坐标，保证了从设计文件中获得示教编程所需的对应坐标值的唯一性，解决了现有方法获得示教编程所需的对应坐标值存在由于人工操作而带来的随机性的问题，有助于提高示教编程的精度和效率。本发明实现的四轴自动焊锡机基于设计文件示教编程，解决了四轴自动焊锡机由于旋转角度的变化导致的X、Y坐标变化而带来的定位焊点位置将需要更加频繁操作的难题，可提高示教编程的精度和效率，为自动化生产节省大量的规划和准备时间，进而提高生产效率，创造更多的效益。

附图说明

图1是本发明方法步骤流程图。

图2是带旋转轴的自动焊锡机示意图。

图3是自动焊锡机机械臂坐标变换模型的示意图。

图4是一个实际线路板图像示例图。

图5是图4线路板中所要加工的接插件焊盘的钻孔设计坐标在图形窗口中显示的离散标记点图像示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法，包括以下步骤：

步骤1、机械臂坐标变换建模及模型参数标定，具体包括以下子步骤：

(a)、机械臂坐标变换建模，对于带旋转轴的自动焊锡机，当线路板通过夹具固定在自动焊锡机机台上后，线路板上某个焊点对应的机械臂坐标由(X，Y，Z，α)^T，即直角坐标(X，Y，Z)^T和旋转轴角度坐标α确定，通过夹具使线路板所在的平面与机械臂坐标系的XY平面平行，使机械臂坐标系Z轴垂直于线路板平面，这样，对于线路板平面上的一个焊点P，对应的机械臂Z坐标值为固定值Z_Const，多种(X，Y，Z_Const，α)^T机械臂坐标组合使烙铁头以不同的位姿到达同一个焊点P，当α为零时，将焊点P对应的机械臂坐标表示为(X0，Y0，Z_Const，0)^T，当烙铁头以位姿(X0，Y0，Z_Const，0)^T到达焊点P时，机械臂Z轴通过线路板所在平面上的E点，设EP长度为r，当机械臂在E点绕Z轴旋转一个角度α，烙铁头将离开P点到达Q点，若将机械臂平移，即只改变机械臂的X、Y坐标，使烙铁头重新到达P点，则机械臂Z轴将通过F点，此时机械臂坐标为(X，Y，Z_Const，α)^T，当烙铁头以任意角度到达P点时，机械臂Z轴通过线路板所在平面的点都在以P点为圆心、半径即EP长度为r的圆上，线路板所在平面的点PQEF组成平行四边形，如图3所示。假设以P点为原点建立坐标系X′PY′，X′、Y′轴分别与机械臂坐标系的X、Y轴平行且方向相同，设EP与X′轴之间的锐角夹角绝对值为θ，对于同一个焊点P，当α为零时对应的机械臂坐标(X0，Y0，Z_Const，0)^T和当α为任意值时对应的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T之间的关系，通过公式(1)-(4)进行描述，

X＝X0-ΔX (1)

Y＝Y0-ΔY (2)

ΔX＝-r(cosθCosα+sinθsinα)+r·cos(θ) (3)

ΔY＝r(sinθcosα-cosθsinα)-r·sin(θ) (4)

式中，X0和Y0表示当旋转轴角度坐标α为零时焊点P对应的机械臂X坐标和Y坐标之值；ΔX表示当旋转轴角度坐标为零和为任意值α时，同一个焊点P对应的机械臂X坐标的差值；ΔY表示当旋转轴角度坐标为零和为任意值α时，同一个焊点P对应的机械臂Y坐标的差值；r表示在线路板所在平面上，自动焊锡机烙铁头端点到机械臂Z坐标轴的垂直距离，是自动焊锡机系统的一个固有特征参数；θ表示当α为零时，在线路板所在平面上，自动焊锡机烙铁头到机械臂Z坐标轴的垂线与坐标系X′PY′中的X′轴之间的锐角夹角，也即是自动焊锡机烙铁头到机械臂Z坐标轴的垂线与机械臂坐标系X轴之间的锐角夹角，是自动焊锡机系统的另一个固有特征参数；

(b)机械臂坐标变换模型参数的标定，机械臂坐标变换模型参数r、θ通过机械臂系统标定来获得，具体包括以下子步骤：

(b1)通过点动操作，以(X0，Y0，Z_Const，0)^T和(X，Y，Z_Const，α)^T两种位姿将烙铁头移动到并固定在机台上的线路板上任意选择的同一个焊点P的位置，α为旋转范围(-π，π]内的任意值，通过公式(5)-(6)进行描述，

ΔX＝X0-X (5)

ΔY＝Y0-Y (6)

(b2)计算参数r，θ，通过公式(7)-(9)进行描述，

式中，是为了表达式中表示方便而假设的一个中间变量，选择多个焊点位置，计算出多组r，θ的值，然后计算参数r、θ的平均值；

步骤2、通过解析待加工线路板设计文件中的数控钻孔文件，获得线路板钻孔设计坐标(x，y)^T，具体包括以下子步骤：

(a)、通过线路板设计软件输出待加工线路板的数控钻孔文件即NC Drill Files，数控钻孔文件是线路板设计软件的一种标准输出文件，其格式为文本格式，具有明显的规律；

(b)、解析数控钻孔文件的方法是，查看文本格式的数控钻孔文件，根据其明显的规律，编写软件代码，通过所要加工焊盘的钻孔直径进行筛选，提取出线路板要焊接的焊盘钻孔的设计坐标(x，y)^T

步骤3、将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示为离散标记点，具体包括以下子步骤：

(a)、计算解析出的线路板钻孔设计坐标在x与y方向的最大值xMax、yMax，最小值xMin、yMin；

(b)、规划图形窗口四周空白区域，设x与y方向空白间隔分别为Marginx与Marginy，以保证离散标记点完全显示在窗口内；

(c)、计算图形窗口内显示区域的范围，通过公式(10)-(11)进行描述，

DispW＝WinW-2*Marginx (10)

DispH＝WinH-2*Marginy (11)

式中，DispW表示显示区域宽度，表示显示区域高度DispH，WinW表示图形窗口宽度，WinH表示图形窗口高度；

(d)、计算缩放比例，通过公式(12)-(14)进行描述，

xScale＝(xMax-xMin)/DispW (12)

yScale＝(yMax-yMin)/DispH (13)

totalScale＝Max(xScale，yScale) (14)

式中，xScale＝(xMax-xMin)/DispW表示x坐标缩放因子，yScale＝(yMax-yMin)/DispH表示y坐标缩放因子，totalScale＝Max(xScale，yScale)表示总体缩放因子，其中，Max取最大值计算；

(e)、钻孔设计坐标(x，y)^T到图形窗口中离散标记点显示坐标(px，py)^T的变换，通过公式(15)-(16)进行描述，

px＝Marginx+(x-xMin)/totalScale (15)

py＝Marginy+(y-yMin)/totalScale (16)

(f)、对解析出的线路板钻孔设计坐标进行上述变换，并以变换后的坐标(px，py)^T为中心在图形窗口中画小圆，即可将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示成离散标记点；

步骤4、通过指定离散标记点来指定焊盘并获得焊盘中心设计坐标，首先在图形上找到对应某个焊盘的离散标记点，在其附近即可，不需要精确操作；再将数控钻孔文件中解析出的线路板钻孔设计坐标在图形上画出的标记点位置与指定位置进行比较，找到距离最近的标记点，此标记点的钻孔设计坐标即为所需的焊盘中心设计坐标(x，y)^T；

步骤5、综合利用步骤2、步骤3、步骤4，即可建立通过图形操作来选择焊点的操作环境；

步骤6、建立线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与α为零时线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换模型，并计算模型参数，具体包括以下子步骤：

(a)、线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换，通过公式(17)-(19)进行描述，

T＝[t_x t_y]^T (18)

式中，T表示平移向量，R表示旋转矩阵；

(b)、计算旋转矩阵R和平移矢量T，具体包括以下子步骤：

(b1)线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T一一对应，设有N组对应坐标，并设线路板数控钻孔文件中的钻孔设计坐标表示为：

P_A＝(x，y)^T (20)

机械臂X、Y坐标表示为：

P_B＝(X0，Y0)^T (21)

将两个坐标系下的坐标都看作质点，对应点的质心分别为：

(b2)、计算协方差矩阵，

(b3)、对H进行奇异值分解(SVD)，得[U，S，V]＝SVD(H) (25)

(b4)、计算旋转矩阵，R＝VU^T (26)

(b5)、如果计算得到的旋转矩阵R的行列式，determinant(R)＜0时，则将R的第二列各项乘以-1，即

r₂＝r₂*(-1) (28)

r₄＝r₄*(-1) (29)

(b6)、计算平移矢量，T＝-R*centroid_A+centroid_B (30)

(c)、获得对应点坐标，具体包括以下子步骤：

(c1)、线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标P_B＝(X0，Y0)^T的获取步骤是：在固定于机台上的线路板上选择一个焊点，通过点动操作使烙铁头以α为零的姿态移到此焊点，此时的机械臂坐标为(X0，Y0，Const_z，0)，即可得到P_B＝(X0，Y0)^T；

(c2)、对应线路板焊点的钻孔设计坐标的获取步骤是：利用步骤5建立的图形操作选择焊点的操作环境，即可获得P_A＝(x，y)^T；

(c3)、重复步骤6子步骤(c)子步骤(c1)、步骤6子步骤(c)子步骤(c2)，至少获取2组对应点坐标即可利用步骤6子步骤(b)，计算出参数旋转矩阵R和平移矢量T；

步骤7、将线路板钻孔设计坐标((x，y)^T及设定的机械臂旋转轴角度α，变换为待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，具体包括以下子步骤：

(a)、利用步骤6中计算出的参数旋转矩阵R和平移矢量T和公式(17)，将线路板钻孔设计坐标((x，y)^T变换为焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T；

(b)、利用步骤1中计算出的参数r，θ和公式(3)、(4)、(1)、(2)，步骤7子步骤(a)计算的(X0，Y0)^T，以及机械臂旋转轴角度α，得到待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T；

步骤8、对待加工线路板进行示教编程，具体包括以下子步骤：

(a)、在步骤5建立的图形操作环境中，选择一个焊点，获得其焊点中心设计坐标，根据此线路板上此焊点周边器件布置情况设定焊接姿态所需的旋转轴角度α，然后利用步骤7得到待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，通过控制命令使烙铁头以指定位姿自动到达指定焊点位置，在此基础上设置该焊点的焊锡参数，包括速度、送料参数、上抬高度、送锡速度，完成对此焊点示教编程所需数据的确定；

(b)对线路板上所有需要焊接的焊点重复步骤8子步骤(a)，完成对所有焊点示教编程所需数据的确定，配合焊锡机系统的数据处理形成具有运动轨迹的示教编程文件；通过解析线路板数控钻孔文件，建立从线路板钻孔设计坐标到线路板焊点对应的焊枪坐标的变换，以图形操作指导计算出待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，大幅减少示教编程时的移动焊枪-观察-再移动焊枪的人工操作，降低示教操作对准难度，提高示教编程的效率。另外，还要对确定的焊点示教编程数据进行处理，形成具有运动轨迹的G代码示教编程文件。对一个焊点的机械臂坐标，设置烙铁头的运行路径，形成此焊点加工路径的G代码。例如，对于目标焊点对应的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，一个简单、安全的运行路径可以是：首先将焊枪抬高到一个安全高度Z_Safe，即控制机械臂Z坐标移动到Z_Safe；然后，控制机械臂移动到(X，Y，Z_Safe，α)^T；最后，控制机械臂移动到(X，Y，Z_Const，α)^T，即到达目标焊点；根据焊点设置的焊锡参数，设置送锡机构的动作，并据此形成此焊点焊锡加工的G代码；将此焊点的焊点加工路径G代码和焊锡加工G代码组合形成此焊点完整的加工G代码；将所有焊点的加工G代码集合起来形成线路板的加工G代码，并保存成线路板加工G代码文件，就完成了对此线路板的自动焊锡机示教编程。

Claims (1)

1.一种基于模型及数控钻孔文件的自动焊锡机示教编程方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、机械臂坐标变换建模及模型参数标定，具体包括以下子步骤：

(a)、机械臂坐标变换建模，对于带旋转轴的自动焊锡机，当线路板通过夹具固定在自动焊锡机机台上后，线路板上某个焊点对应的机械臂坐标由(X，Y，Z，α)^T，即直角坐标(X，Y，Z)^T和旋转轴角度坐标α确定，通过夹具使线路板所在的平面与机械臂坐标系的XY平面平行，使机械臂坐标系Z轴垂直于线路板平面，这样，对于线路板平面上的一个焊点P，对应的机械臂Z坐标值为固定值Z_Const，多种(X，Y，Z_Const，α)^T机械臂坐标组合使烙铁头以不同的位姿到达同一个焊点P，当α为零时，将焊点P对应的机械臂坐标表示为(X0，Y0，Z_Const，0)^T，当烙铁头以位姿(X0，Y0，Z_Const，0)^T到达焊点P时，机械臂Z轴通过线路板所在平面上的E点，设EP长度为r，当机械臂在E点绕Z轴旋转一个角度α，烙铁头将离开P点到达Q点，若将机械臂平移，即只改变机械臂的X、Y坐标，使烙铁头重新到达P点，则机械臂Z轴将通过F点，此时机械臂坐标为(X，Y，Z_Const，α)^T，当烙铁头以任意角度到达P点时，机械臂Z轴通过线路板所在平面的点都在以P点为圆心、半径即EP长度为r的圆上，线路板所在平面的点PQEF组成平行四边形，假设以P点为原点建立坐标系X′PY′，X′、Y′轴分别与机械臂坐标系的X、Y轴平行且方向相同，设EP与X′轴之间的锐角夹角绝对值为θ，对于同一个焊点P，当α为零时对应的机械臂坐标(X0，Y0，Z_Const，0)^T和当α为任意值时对应的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T之间的关系，通过公式(1)-(4)进行描述，

X＝X0-ΔX (1)

Y＝Y0-ΔY (2)

ΔX＝-r(cosθcosα+sinθsinα)+r·cos(θ) (3)

ΔY＝r(sinθcosα-cosθsinα)-r·sin(θ) (4)

式中，X0和Y0表示当旋转轴角度坐标α为零时焊点P对应的机械臂X坐标和Y坐标之值；ΔX表示当旋转轴角度坐标为零和为任意值α时，同一个焊点P对应的机械臂X坐标的差值；ΔY表示当旋转轴角度坐标为零和为任意值α时，同一个焊点P对应的机械臂Y坐标的差值；r表示在线路板所在平面上，自动焊锡机烙铁头端点到机械臂Z坐标轴的垂直距离，是自动焊锡机系统的一个固有特征参数；θ表示当α为零时，在线路板所在平面上，自动焊锡机烙铁头到机械臂Z坐标轴的垂线与坐标系X′PY′中的X′轴之间的锐角夹角，也即是自动焊锡机烙铁头到机械臂Z坐标轴的垂线与机械臂坐标系X轴之间的锐角夹角，是自动焊锡机系统的另一个固有特征参数；

(b)机械臂坐标变换模型参数的标定，机械臂坐标变换模型参数r、θ通过机械臂系统标定来获得，具体包括以下子步骤：

(b1)通过点动操作，以(X0，Y0，Z_Const，0)^T和(X，Y，Z_Const，α)^T两种位姿将烙铁头移动到并固定在机台上的线路板上任意选择的同一个焊点P的位置，α为旋转范围(-π，π]内的任意值，通过公式(5)-(6)进行描述，

ΔX＝X0-X (5)

ΔY＝Y0-Y (6)

(b2)计算参数r，θ，通过公式(7)-(9)进行描述，

式中，是为了表达式中表示方便而假设的一个中间变量，选择多个焊点位置，计算出多组r，θ的值，然后计算参数r、θ的平均值；

步骤2、通过解析待加工线路板设计文件中的数控钻孔文件，获得线路板钻孔设计坐标(x，y)^T，具体包括以下子步骤：

(a)、通过线路板设计软件输出待加工线路板的数控钻孔文件即NC DrillFiles，数控钻孔文件是线路板设计软件的一种标准输出文件，其格式为文本格式，具有明显的规律；

(b)、解析数控钻孔文件的方法是，查看文本格式的数控钻孔文件，根据其明显的规律，编写软件代码，通过所要加工焊盘的钻孔直径进行筛选，提取出线路板要焊接的焊盘钻孔的设计坐标(x，y)^T；

步骤3、将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示为离散标记点，具体包括以下子步骤：

(a)、计算解析出的线路板钻孔设计坐标在x与y方向的最大值xMax、yMax，最小值xMin、yMin；

(b)、规划图形窗口四周空白区域，设x与y方向空白间隔分别为Marginx与Marginy，以保证离散标记点完全显示在窗口内；

(c)、计算图形窗口内显示区域的范围，通过公式(10)-(11)进行描述，

DispW＝WinW-2*Marginx (10)

DispH＝WinH-2*Marginy (11)

式中，DispW表示显示区域宽度，表示显示区域高度DispH，WinW表示图形窗口宽度，WinH表示图形窗口高度；

(d)、计算缩放比例，通过公式(12)-(14)进行描述，

xScale＝(xMax-xMin)/DispW (12)

yScale＝(yMax-yMin)/DispH (13)

totalScale＝Max(xScale，yScale) (14)

式中，xScale＝(xMax-xMin)/DispW表示x坐标缩放因子，yScale＝(yMax-yMin)/DispH表示y坐标缩放因子，totalScale＝Max(xScale，yScale)表示总体缩放因子，其中，Max取最大值计算；

(e)、钻孔设计坐标(x，y)^T到图形窗口中离散标记点显示坐标(px，py)^T的变换，通过公式(15)-(16)进行描述，

px＝Marginx+(x-xMin)/totalScate (15)

py＝Marginy+(y-yMin)/totalScale (16)

(f)、对解析出的线路板钻孔设计坐标进行上述变换，并以变换后的坐标(px，py)^T为中心在图形窗口中画小圆，即可将解析出的线路板钻孔设计坐标在图形窗口中显示成离散标记点；

步骤4、通过指定离散标记点来指定焊盘并获得焊盘中心设计坐标，首先在图形上找到对应某个焊盘的离散标记点，在其附近即可，不需要精确操作；再将数控钻孔文件中解析出的线路板钻孔设计坐标在图形上画出的标记点位置与指定位置进行比较，找到距离最近的标记点，此标记点的钻孔设计坐标即为所需的焊盘中心设计坐标(x，y)^T；

步骤5、综合利用步骤2、步骤3、步骤4，即可建立通过图形操作来选择焊点的操作环境；

步骤6、建立线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与α为零时线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换模型，并计算模型参数，具体包括以下子步骤：

(a)、线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T的变换，通过公式(17)-(19)进行描述，

T＝[t_x t_y]^T (18)

式中，T表示平移向量，R表示旋转矩阵；

(b)、计算旋转矩阵R和平移矢量T，具体包括以下子步骤：

(b1)线路板钻孔设计坐标(x，y)^T与线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T一一对应，设有N组对应坐标，并设线路板数控钻孔文件中的钻孔设计坐标表示为：

P_A＝(x，y)^T (20)

机械臂X、Y坐标表示为：

P_B＝(X0，Y0)^T (21)

将两个坐标系下的坐标都看作质点，对应点的质心分别为：

(b2)、计算协方差矩阵，

(b3)、对H进行奇异值分解(SVD)，得[U，S，V]＝SVD(H) (25)

(b4)、计算旋转矩阵，R＝VU^T (26)

(b5)、如果计算得到的旋转矩阵R的行列式，determinant(R)＜0时，则将R的第二列各项乘以-1，即

r₂＝r₂*(-1) (28)

r₄＝r₄*(-1) (29)

(b6)、计算平移矢量，T＝-R*centroid_A+centroid_B (30)

(c)、获得对应点坐标，具体包括以下子步骤：

(c1)、线路板焊点对应的机械臂X、Y坐标P_B＝(X0，Y0)^T的获取步骤是：在固定于机台上的线路板上选择一个焊点，通过点动操作使烙铁头以α为零的姿态移到此焊点，此时的机械臂坐标为(X0，Y0，Const_z，0)，即可得到P_B＝(X0，Y0)^T；

(c2)、对应线路板焊点的钻孔设计坐标的获取步骤是：利用步骤5建立的图形操作选择焊点的操作环境，即可获得P_A＝(x，y)^T；

(c3)、重复步骤6子步骤(c)子步骤(c1)、步骤6子步骤(c)子步骤(c2)，至少获取2组对应点坐标即可利用步骤6子步骤(b)，计算出参数旋转矩阵R和平移矢量T；

步骤7、将线路板钻孔设计坐标(x，y)^T及设定的机械臂旋转轴角度α，变换为待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，具体包括以下子步骤：

(a)、利用步骤6中计算出的参数旋转矩阵R和平移矢量T和公式(17)，将线路板钻孔设计坐标(x，y)^T变换为焊点对应的机械臂X、Y坐标(X0，Y0)^T；

(b)、利用步骤1中计算出的参数r，θ和公式(3)、(4)、(1)、(2)，步骤7子步骤(a)计算的(X0，Y0)^T，以及机械臂旋转轴角度α，得到待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T；

步骤8、对待加工线路板进行示教编程，具体包括以下子步骤：

(a)、在步骤5建立的图形操作环境中，选择一个焊点，获得其焊点中心设计坐标，根据此线路板上此焊点周边器件布置情况设定焊接姿态所需的旋转轴角度α，然后利用步骤7得到待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，通过控制命令使烙铁头以指定位姿自动到达指定焊点位置，在此基础上设置该焊点的焊锡参数，包括速度、送料参数、上抬高度、送锡速度，完成对此焊点示教编程所需数据的确定；

(b)对线路板上所有需要焊接的焊点重复步骤8子步骤(a)，完成对所有焊点示教编程所需数据的确定，配合焊锡机系统的数据处理形成具有运动轨迹的示教编程文件；通过解析线路板数控钻孔文件，建立从线路板钻孔设计坐标到线路板焊点对应的焊枪坐标的变换，以图形操作指导计算出待加工线路板对应焊点的机械臂坐标(X，Y，Z_Const，α)^T，大幅减少示教编程时的移动焊枪-观察-再移动焊枪的人工操作，降低示教操作对准难度，提高示教编程的效率。