本文以STM32F103RBT6為主控芯片，設(shè)計了一種自動貼片機。

　　1、貼片機模塊設(shè)計方案

　　本文將貼片機模塊化的進行設(shè)計與編程，模塊化后的整機系統(tǒng)由3個部分組成：機械傳動系統(tǒng)、機器視覺系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，如圖1所示。

　　圖1貼片機系統(tǒng)框圖

　　1.1、貼片機機械傳動系統(tǒng)的設(shè)計方案

　　1.1.1、貼片機X軸Y軸設(shè)計方案

　　本方案采用X—Y軸兩軸聯(lián)動，Z軸獨立運動的設(shè)計方案。其中X-Y軸由步進電機通過同步帶傳動進行機械運動。具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2貼片機X-Y軸傳動機構(gòu)圖

　　如圖所示，Y軸步進電機固定于底座上，帶動同步帶輪旋轉(zhuǎn)，同步輪帶動同步帶做直線運動，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軸方向的的運動。X軸整體機構(gòu)與Y軸相似，提供X軸方向上的直線運動。其整體固定與Y軸滑塊之上，當Y軸運動時同時帶動X軸運動。從而實現(xiàn)X—Y兩軸聯(lián)動。

　　1.1.2、貼片機Z軸設(shè)計方案

　　本設(shè)計方案中Z軸由舵機、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Z軸機構(gòu)圖

　　其中吸筆由空心軸步進電機制作而成，當步進電機旋轉(zhuǎn)時，帶動吸筆吸盤選擇，從而提供了貼片機旋轉(zhuǎn)軸的運動。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，從而實現(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。舵機控制壓桿左右旋轉(zhuǎn)，從而壓動吸筆與拖拽針進行向下運動，當壓桿處于中間態(tài)時，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上方，用于俯視PCB板。

　　1.2、機器視覺系統(tǒng)設(shè)計方案

　　本方案采用兩臺CCD相機、環(huán)形LED光源及圖像處理設(shè)備組成。其中一臺CCD相機安裝在貼片機Z軸上。與貼裝頭一起運動，用于俯視PCB板，采集各定位點坐標信息，計算X—Y軸運動偏移量，輔助定位。另外一臺CCD相機固定在工作臺上，向上仰視。當貼裝頭吸取原件后，運動至相機上方，相機采集元器件圖像。計算旋轉(zhuǎn)角度偏移量及X—Y軸運動偏移量。

　　1.3、運動控制系統(tǒng)設(shè)計方案

　　運動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及下位機。上位機即計算機。下位機采用STM32F103RBT6微控制器作為核心控制器。上位機與下位機由串口數(shù)據(jù)線連接。硬件設(shè)備由步進電機、步進電機驅(qū)動器、舵機、電磁閥等組成。

　　運動控制系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

　　圖4運動控制系統(tǒng)工作流程圖

　　2、運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1、運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)的控制模式是以PC機為平臺、以微控制器為核心協(xié)調(diào)工作。通用PC機負責數(shù)控程序編輯、人機界面管理等功能;微控制器用來管理子程序以及負責機械本體的運動控制和邏輯控制，支持用戶的開發(fā)和擴展，并具有上、下兩級的開放性。

　　本設(shè)計方案采用STN32F103微控制器作為核心器件，協(xié)調(diào)3個步進電機驅(qū)動器控制步進電機的運行。同時獲取編碼器數(shù)據(jù)，限位開關(guān)狀態(tài)，并控制舵機、電磁閥等器件的運行。各器件連接圖如圖5所示。

　　圖5運動控制系統(tǒng)連接圖

　　本設(shè)計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SPI、3個串口、1個USB、1個CAN、2個12位的ADC、RTC、51個可用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，輸入輸出的電壓差典型值為1.8V，內(nèi)部集成過熱保護和限流電路，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0.1μF的非極性獨石電容和1個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總線于上位機進行通信，采用MAX232芯片來完成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、步進電機驅(qū)動電路

驅(qū)動器的作用是對控制脈沖進行環(huán)形分配、功率放大，使步進電機繞組按一定順序通電，控制電機轉(zhuǎn)動。本設(shè)計采用DM442數(shù)字式步進電機驅(qū)動器。該驅(qū)動器可以設(shè)置512內(nèi)的任意細分以及額定電流內(nèi)的任意電流值，能夠滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用需要。電路連線如圖9所示。

　　圖9步進電機驅(qū)動器連線圖

　　通過步進電機驅(qū)動器控制步進電機的方法較為簡單，僅需通過單片機IO口給出不同頻率的方波脈沖信號即可控制步進電機的速度，通過另一個IO口給出高低電平控制電機旋轉(zhuǎn)方向。本文所采用的步進電機步距角為1.8°，因此驅(qū)動器每接收200個脈沖信號，步進電機旋轉(zhuǎn)一周。

　　3、運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　下位機控制程序由串口收發(fā)程序，限位開關(guān)檢測程序，舵機驅(qū)動程序、步進電機驅(qū)動等部分組成。下面將對舵機驅(qū)動和串口收發(fā)部分做詳細的介紹。

　　3.1、舵機驅(qū)動程序

　　根據(jù)1.1.2中的介紹，舵機用來控制吸筆和拖拽針的運動，在單片機的控制中常用PWM（PulseWidthModulation）調(diào)制來驅(qū)動它。在舵機控制系統(tǒng)中，輸出的PWM信號通過功率器件將所需的電流和能量傳送到舵機線圈繞組中，來控制舵機的正反轉(zhuǎn)。

　　STM32的定時器除了TIM6和TIM7，其他的定時器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出。其中高級定時器TIM1和TIM8可以同時產(chǎn)生多達7路的PWM輸出。而通用定時器也能同時產(chǎn)生多達4路的PWM輸出，這樣，STM32最多可以同時產(chǎn)生30路PWM輸出。由于只控制一個舵機，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）開啟TIM3時鐘，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來控制占空比。

　　由于舵機所需的控制信號標準周期是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?？煽胤秶话愣际?.5～2.5毫秒。即控制舵機運行至兩個機械極限位置的信號周期為0.5～2.5毫秒，對應(yīng)占空比為2.5%-12.5%。本方案中舵機需保持在3個狀態(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，首現(xiàn)需要一個頻率為50赫茲的PWM波，然后調(diào)節(jié)其占空比為2.5%-12.5%。PWM輸出頻率的計算公式為：

　　這里系統(tǒng)時鐘頻率為72000000赫茲，所需PWM頻率為50赫茲。為方便計算，同時保證自動重裝載值和預(yù)分頻系數(shù)均為整數(shù)，這里取自動重裝載值為1000。計算得預(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輸出波形占空比計算公式為：

　　由此計算得到：

　　左極限位置時TIM3-》CCR2=25，

　　右極限位置時TIM3-》CCR2=125，

　　中間位置時TIM3-》CCR2=75。

　　3.2、串口通信配置

　　STM32的串口配置需要開啟串口時鐘，并設(shè)置相應(yīng)IO口的模式，配置波特率、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗位等信息。STM32的串口波特率計算公式如下：

　　上式中，fPCLKx是給串口的時鐘;USARTDIV是一個無符號定點數(shù)。

　　3.3、串口數(shù)據(jù)包格式設(shè)計

　　表1為串口與單片機通信的數(shù)據(jù)包格式，每幀有9個字節(jié)，開始六個字節(jié)是包頭標志、器件地址、數(shù)據(jù)類型、起始地址以及數(shù)據(jù)長度，其中數(shù)據(jù)類型有：讀數(shù)據(jù)指令r（0x72）、預(yù)設(shè)參數(shù)w（0x77）、運動指令m（0x6D）、請求重發(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個字節(jié)的數(shù)據(jù)位，通常數(shù)據(jù)位為2個4字節(jié)的數(shù)據(jù)，為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊問題，在后面加入兩個值為0的字節(jié)。最后是兩個字節(jié)的校驗位和結(jié)束標志位，采用CRC16進行校驗。

　　表1串口數(shù)據(jù)包格式

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

　　圖10串口收發(fā)程序流程圖

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

　　4、結(jié)束語

　　本文根據(jù)目前貼片機市場上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了低成本，小型化的設(shè)計方案。對貼片機整機的機械結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。分別對貼片機的機械傳動系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)及運動控制系統(tǒng)給出了設(shè)計思路。