本文以STM32F103RBT6為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)貼片機(jī)。

　　1、貼片機(jī)模塊設(shè)計(jì)方案

　　本文將貼片機(jī)模塊化的進(jìn)行設(shè)計(jì)與編程，模塊化后的整機(jī)系統(tǒng)由3個(gè)部分組成：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。

　　圖1貼片機(jī)系統(tǒng)框圖

　　1.1、貼片機(jī)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　1.1.1、貼片機(jī)X軸Y軸設(shè)計(jì)方案

　　本方案采用X—Y軸兩軸聯(lián)動(dòng)，Z軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。其中X-Y軸由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2貼片機(jī)X-Y軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

　　如圖所示，Y軸步進(jìn)電機(jī)固定于底座上，帶動(dòng)同步帶輪旋轉(zhuǎn)，同步輪帶動(dòng)同步帶做直線運(yùn)動(dòng)，光軸滑塊與同步帶相連。從而跟隨同步帶演光軸導(dǎo)軌做Y軸方向的的運(yùn)動(dòng)。X軸整體機(jī)構(gòu)與Y軸相似，提供X軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)。其整體固定與Y軸滑塊之上，當(dāng)Y軸運(yùn)動(dòng)時(shí)同時(shí)帶動(dòng)X軸運(yùn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)X—Y兩軸聯(lián)動(dòng)。

　　1.1.2、貼片機(jī)Z軸設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)方案中Z軸由舵機(jī)、光軸導(dǎo)軌、吸筆、拖拽針、攝像頭組成。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3貼片機(jī)Z軸機(jī)構(gòu)圖

　　其中吸筆由空心軸步進(jìn)電機(jī)制作而成，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)吸筆吸盤(pán)選擇，從而提供了貼片機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)吸筆用于改變元器件貼裝方向。拖拽針與吸筆固定在同一直線上，用于拖拽料盤(pán)，從而實(shí)現(xiàn)送料功能。拖拽針與吸筆分別固定在2組光軸導(dǎo)軌上，底部安裝有彈簧，用于拖拽針與吸筆復(fù)位。舵機(jī)控制壓桿左右旋轉(zhuǎn)，從而壓動(dòng)吸筆與拖拽針進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓桿處于中間態(tài)時(shí)，彈簧將吸筆與拖拽針彈起，回到初始位置。攝像頭安裝在工作臺(tái)上方，用于俯視PCB板。

　　1.2、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本方案采用兩臺(tái)CCD相機(jī)、環(huán)形LED光源及圖像處理設(shè)備組成。其中一臺(tái)CCD相機(jī)安裝在貼片機(jī)Z軸上。與貼裝頭一起運(yùn)動(dòng)，用于俯視PCB板，采集各定位點(diǎn)坐標(biāo)信息，計(jì)算X—Y軸運(yùn)動(dòng)偏移量，輔助定位。另外一臺(tái)CCD相機(jī)固定在工作臺(tái)上，向上仰視。當(dāng)貼裝頭吸取原件后，運(yùn)動(dòng)至相機(jī)上方，相機(jī)采集元器件圖像。計(jì)算旋轉(zhuǎn)角度偏移量及X—Y軸運(yùn)動(dòng)偏移量。

　　1.3、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　運(yùn)動(dòng)控制部分由軟件系統(tǒng)與硬件設(shè)備組成。其中軟件部分分為上位機(jī)及下位機(jī)。上位機(jī)即計(jì)算機(jī)。下位機(jī)采用STM32F103RBT6微控制器作為核心控制器。上位機(jī)與下位機(jī)由串口數(shù)據(jù)線連接。硬件設(shè)備由步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)、電磁閥等組成。

　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

　　圖4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程圖

　　2、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)的控制模式是以PC機(jī)為平臺(tái)、以微控制器為核心協(xié)調(diào)工作。通用PC機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)控程序編輯、人機(jī)界面管理等功能;微控制器用來(lái)管理子程序以及負(fù)責(zé)機(jī)械本體的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，支持用戶的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展，并具有上、下兩級(jí)的開(kāi)放性。

　　本設(shè)計(jì)方案采用STN32F103微控制器作為核心器件，協(xié)調(diào)3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)獲取編碼器數(shù)據(jù)，限位開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并控制舵機(jī)、電磁閥等器件的運(yùn)行。各器件連接圖如圖5所示。

　　圖5運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)連接圖

　　本設(shè)計(jì)方案所采用的主控芯片STM32F103RBT6是一款基于ARMCodex—M3內(nèi)核的32位處理器，具有杰出的功耗控制與眾多外設(shè)。該芯片內(nèi)置128KFLASH、20KSRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、2個(gè)12位的ADC、RTC、51個(gè)可用IO口。其電路圖如圖6所示。

　　圖6STM32F103RBT6芯片

　　2.2、電源電路

　　電源電路采用AMS1117—3.3作為電壓轉(zhuǎn)換芯片。AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，在輸出1A電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值為1.8V，內(nèi)部集成過(guò)熱保護(hù)和限流電路，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　圖7電源電路圖

　　該電路輸入端與輸出端各接1個(gè)0.1μF的非極性獨(dú)石電容和1個(gè)220μF的極性電容。這兩組電容起到了穩(wěn)壓濾波的作用。

　　2.3、串口電平轉(zhuǎn)換電路

　　串行接口是嵌入式系統(tǒng)中較為常用的一種接口。本系統(tǒng)采用RS-232總線于上位機(jī)進(jìn)行通信，采用MAX232芯片來(lái)完成RS-232串行接口的電平轉(zhuǎn)換。串口通信電路如圖8所示。

　　圖8串口電平轉(zhuǎn)換電路

　　2.4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)器的作用是對(duì)控制脈沖進(jìn)行環(huán)形分配、功率放大，使步進(jìn)電機(jī)繞組按一定順序通電，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用DM442數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器可以設(shè)置512內(nèi)的任意細(xì)分以及額定電流內(nèi)的任意電流值，能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用需要。電路連線如圖9所示。

　　圖9步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連線圖

　　通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的方法較為簡(jiǎn)單，僅需通過(guò)單片機(jī)IO口給出不同頻率的方波脈沖信號(hào)即可控制步進(jìn)電機(jī)的速度，通過(guò)另一個(gè)IO口給出高低電平控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。本文所采用的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，因此驅(qū)動(dòng)器每接收200個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周。

　　3、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　下位機(jī)控制程序由串口收發(fā)程序，限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)程序，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等部分組成。下面將對(duì)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)和串口收發(fā)部分做詳細(xì)的介紹。

　　3.1、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

　　根據(jù)1.1.2中的介紹，舵機(jī)用來(lái)控制吸筆和拖拽針的運(yùn)動(dòng)，在單片機(jī)的控制中常用PWM（PulseWidthModulation）調(diào)制來(lái)驅(qū)動(dòng)它。在舵機(jī)控制系統(tǒng)中，輸出的PWM信號(hào)通過(guò)功率器件將所需的電流和能量傳送到舵機(jī)線圈繞組中，來(lái)控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

　　STM32的定時(shí)器除了TIM6和TIM7，其他的定時(shí)器都可以用來(lái)產(chǎn)生PWM輸出。其中高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)7路的PWM輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM輸出，這樣，STM32最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出。由于只控制一個(gè)舵機(jī)，這里我們僅利用TIM3的CH2產(chǎn)生一路PWM輸出。具體步驟如下：

　　1）開(kāi)啟TIM3時(shí)鐘，配置PA7為復(fù)用輸出。

　　2）設(shè)置TIM3的ARR和PSC，控制輸出PWM的周期。

　　3）設(shè)置TIM3_CH2的PWM模式。

　　4）使能TIM3的CH2輸出，使能TIM3。

　　5）修改TIM3_CCR2來(lái)控制占空比。

　　由于舵機(jī)所需的控制信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)周期是20毫秒，最低不得少于15毫秒。中位脈沖寬度是1.5毫秒，脈沖寬度在加減1.5毫秒之間內(nèi)變化。可控范圍一般都是0.5～2.5毫秒。即控制舵機(jī)運(yùn)行至兩個(gè)機(jī)械極限位置的信號(hào)周期為0.5～2.5毫秒，對(duì)應(yīng)占空比為2.5%-12.5%。本方案中舵機(jī)需保持在3個(gè)狀態(tài)，分別是左極限，右極限和中間位置。用于控制拖拽針下移，吸筆下移和復(fù)位。

　　因此，要控制舵機(jī)，首現(xiàn)需要一個(gè)頻率為50赫茲的PWM波，然后調(diào)節(jié)其占空比為2.5%-12.5%。PWM輸出頻率的計(jì)算公式為：

　　這里系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為72000000赫茲，所需PWM頻率為50赫茲。為方便計(jì)算，同時(shí)保證自動(dòng)重裝載值和預(yù)分頻系數(shù)均為整數(shù)，這里取自動(dòng)重裝載值為1000。計(jì)算得預(yù)分頻系數(shù)為1440-1=1439。因此調(diào)用PWM初始化函數(shù)為：PWM_Init（1000，1439）;

　　PWM輸出波形占空比計(jì)算公式為：

　　由此計(jì)算得到：

　　左極限位置時(shí)TIM3-》CCR2=25，

　　右極限位置時(shí)TIM3-》CCR2=125，

　　中間位置時(shí)TIM3-》CCR2=75。

　　3.2、串口通信配置

　　STM32的串口配置需要開(kāi)啟串口時(shí)鐘，并設(shè)置相應(yīng)IO口的模式，配置波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)位等信息。STM32的串口波特率計(jì)算公式如下：

　　上式中，fPCLKx是給串口的時(shí)鐘;USARTDIV是一個(gè)無(wú)符號(hào)定點(diǎn)數(shù)。

　　3.3、串口數(shù)據(jù)包格式設(shè)計(jì)

　　表1為串口與單片機(jī)通信的數(shù)據(jù)包格式，每幀有9個(gè)字節(jié)，開(kāi)始六個(gè)字節(jié)是包頭標(biāo)志、器件地址、數(shù)據(jù)類(lèi)型、起始地址以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，其中數(shù)據(jù)類(lèi)型有：讀數(shù)據(jù)指令r（0x72）、預(yù)設(shè)參數(shù)w（0x77）、運(yùn)動(dòng)指令m（0x6D）、請(qǐng)求重發(fā)指令c（0x63）、正常返回指令b（0x62）和放棄通信指q（0x71）。然后是10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)位，通常數(shù)據(jù)位為2個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)齊問(wèn)題，在后面加入兩個(gè)值為0的字節(jié)。最后是兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位和結(jié)束標(biāo)志位，采用CRC16進(jìn)行校驗(yàn)。

　　表1串口數(shù)據(jù)包格式

　　數(shù)據(jù)由上位機(jī)即PC主動(dòng)發(fā)送，下位機(jī)即單片機(jī)被動(dòng)等待接收，系統(tǒng)在每次上電初始化時(shí)進(jìn)行一次握手，下位機(jī)在接收到的包頭數(shù)據(jù)中匹配自己的器件地址，一致時(shí)則接收命令，否則將收到的數(shù)據(jù)包拋棄。當(dāng)上層控制器向單片機(jī)發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令r（0x72）時(shí)，其數(shù)據(jù)位均為0;單片機(jī)收到指令后，將狀態(tài)信息填入數(shù)據(jù)位，回發(fā)給上位機(jī)。當(dāng)上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送預(yù)設(shè)參數(shù)w（0x77）數(shù)據(jù)包時(shí)，將參數(shù)信息填入相應(yīng)數(shù)據(jù)位;單片機(jī)收到后，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入EEPROM中并發(fā)送反饋，反饋幀以同樣的類(lèi)型、將存好的數(shù)據(jù)再次讀出填入數(shù)據(jù)位，發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行匹配校驗(yàn)。當(dāng)上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令m（0x6D）時(shí)，將數(shù)據(jù)位按設(shè)定的格式填入數(shù)據(jù)位;單片機(jī)讀取并按照指令內(nèi)容進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

　　圖10串口收發(fā)程序流程圖

　　單片機(jī)正確接收到除預(yù)設(shè)參數(shù)之外的數(shù)據(jù)時(shí)向主機(jī)回發(fā)正常返回指b（0x62）;若收到上一組主機(jī)的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯(cuò)，則請(qǐng)求重發(fā)指令c（0x63），主機(jī)接收到此回應(yīng)指令后執(zhí)行重發(fā)操作;若連續(xù)通信錯(cuò)誤并超過(guò)最大限制后則發(fā)送的放棄指令q（0x71）。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　本文根據(jù)目前貼片機(jī)市場(chǎng)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了低成本，小型化的設(shè)計(jì)方案。對(duì)貼片機(jī)整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。分別對(duì)貼片機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)給出了設(shè)計(jì)思路。