基于SCARA机器人的异型插件控制系统设计

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摘 要：针对现有异型器件的特殊性，提出设计基于scara机器人的异型插件控制系统，对系统的整体结构进行具体的介绍，系统控制装置核心是PLC控制器，通过RS485通信方式与工业机器人和工控机进行信息传递，通过对异型插件流程的分析，确定系统硬件及软件设计，实现异型器件的自动插件。

关键词：异型器件；工业机器人；自动控制；PLC

引言

随着电子产品的需求量的逐年增长，电子产品的自动化装配技术也变得越来越重要，尤其以PCB的装配技术最为突出。异型器件在PCB的装配中可以采用两种方式，一种是手工装配，一种是自动装配[1]。采用手工装配影响产品质量，人工成本上升，增加产品成本。采用自动装配由于异型器件自身使得传统的自动插件机无法快速的将其插入到PCB板中，随着工业机器人技术的不断发展，在高精度装配领域，工业机器人与机器视觉结合的方案逐渐成为提高产品装配精度的主流趋势[2]。

我们提出设计一种专门针对异型器件的自动插件控制系统，它可以替代人工，解决招工难以及人工效率低等问题，还可以提高产品质量、加快生产速度、降低返工，节约成本，提高产品生产能力和质量功能，在生产率和收益率方面取得更高的利益，使企业在市场上保持强有力的竞争地位。

1 总体方案设计

异型器件插件是通过PCB输送线配合传感器实现PCB板料的自动供应控制，当PCB板到达插装位置后，启动异型器件供料系统和工业机器人手臂进行取件和插件。本课题研究内容主要涉及异型器件插件工艺环节的自动化操作过程分析、异型自动插件系统模块组成和配套控制系统设计。

1.1 PLC控制系统

由于PLC信号处理时间短，速度快，所有的I/O信号均采用光电隔离，使工业现场的外电路与控制器内部电路之间实现电气上隔离，防止噪声干扰，系统采用PLC为主控制器，负责发送采集数据和输出控制的命令，通过接收采集到的数据对工业机器人和供料系统发送指令实现异型器件的自动插件，同时实现与其他控制器的通信以及参数的设置。

1.2 工业机器人

工业机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，SCARA机器人有三个旋转关节，轴线相互平行，一个移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动，最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业[3]。主要负责运动控制和机械手臂和气爪的控制，通过接受PLC的指令完成异型器件的抓取和插件动作。

1.3 上位机

系统采用的上位机是研华工控机，主要通过RS485进行串行通讯，实现人机界面和视觉算法，对采集到的数据进行显示存储及查询历史数据功能。

1.4 视觉系统

视觉系统由三个摄像机、光学镜头、多通道图像采集卡、工业计算机以及图像处理软件组成。CCD1负责异型元器件缺陷检测；CCD2负责异型元器件夹持位姿偏差计算；CCD3负责PCB板定位误差的计算。通过CCD的图像采集实现PCB板的精确定位。通过元器件检测与定位CCD实现对元器件的检测与加持位姿计算，保证元器件准确无误的插装到PCB上。

2 系统硬件系统设计

该系统主要实现PCB的自动供应、异型器件的自动供应、异型器件的自动取件和插件，根据系统需要完成的任务，硬件系统主要分为以下几个部分：

2.1 PCB传送电动机

该机构主要是实现PCB的自动供应，通过控制PCB输送线电机的启停，实现PCB板的持续自动供应，电机选用单相交流电机。

2.2 传感器

异型器件采用振动盘的方式实现，振动料斗上的光纤传感器判断异型器件是否到位，到位后PLC通过通信电缆向SCARA机器人发送抓取器件指令。通过光电传感器感应PCB板是否到达指定位置，PLC通过这些信号实现异型器件的自动取件和插件控制。

2.3 执行器

系统中所用到的执行器包括电磁阀、气缸、气爪等，其中PCB的定位、夹紧、送料气缸主要通过对应的电磁阀进行控制，气爪通过电磁阀实现异型器件的抓取，供料系统振动盘的起动通过继电器进行控制。

3 系统软件设计

系统以PLC为基础编写程序，开发了异型插件机的控制系统，系统通过传感器采集信号，对相应的信号和状态进行分析，确定是否抓取器件，然后经过定位计算，准确快速的进行异型器件的插件工作，由于需要采集的信号和状态众多，要将所有的信号对应到软件中去，并对不同信号进行编程，具体的系统总体流程图如图1所示。

4 通信

整个系统中的通信主要包括PC机与PLC，PLC与SCARA机器人之间的通信，其中各控制器之间采用RS485的方式进行通信，RS485采用的电气接口方式是差分平衡方式，可以从根本上消除地线信号，抑制噪音，不受节点间接地电平差异的影响，同时还可以实现距离较长的高速通讯[4]。

5 实验结果

通过对该系统的组装和调试，最终以耳机插座、USB2.0作为测试器件进行系统测试，通过实验数据统计，系统整合了SMT、机械手、CCD的特点，每个异型插件所需时间为2S，基本达到预期目的。

6 结束语

本控制系统采用SCARA机器人与机器视觉结合的解决方案，运用机器人控制、图像处理、PLC逻辑控制以及现场通讯等技术实现了异型电子元器件的快速、精确插装，具有自动化程度高、稳定性高、精度高以及抗干扰性强等特点。有效保障产品质量、节约大量成本，具有很广泛的应用价值[5]。

参考文献

[1]孙越.电子装配表面安装技术探析[J].价值工程，2012（22）.

[2]胡志勇.异型器件的自动化贴装[J].印制电路信息，2014（10）.

[3]鲜飞.贴片机现状及发展趋势[J].印制电路信息，2013（2）.

[4]戴亦宗.基于PLC的全自动LCD贴片机的系统设计[J].扬州职业大学学报，2014（3）：32-35.

[5]曹志宏.全自动插件机定异型元件的自动传送装置研究与应用[J].电子制作，2014（17）.