基于STM32F103的贴片机控制系统的设计与实现

贴片机又称“表面贴装系统”(Surface Mount System)，是一种通过移动、吸取、安放动作把表贴元件精准放置在指定位置的一种自动化设备。在实际生产线中，先由点胶机对PCB板进行点胶操作，然后由贴片机进行贴装操作，最后由回流焊机焊接，完成整个PCB板的焊接任务，是SMT流水线中不可或缺的一环。目前发达国家垄断了贴片机的主要领域，我国的贴片机产业完全靠进口。而且在实际生产中，国际上的自动贴片机虽然效率与精度最高，但大都造价昂贵，功能单一，适用于大型企业。而手动贴片机造价低廉，但效率极低，精度取决于操作者得水平，且无法解放双手。

本文以STM32F103RBT6为主控芯片，设计了一种适应于个体经营者、学校实验以及科研制板等领域的自动贴片机，既能解放双手，增加效率，又能不失精度，价格适中。

1 贴片机模块设计方案

本文将贴片机模块化的进行设计与编程，模块化后的整机系统由3个部分组成：机械传动系统、机器视觉系统和运动控制系统，如图1所示。

1.1 贴片机机械传动系统的设计方案

1.1.1 贴片机X轴Y轴设计方案

本方案采用X—Y轴两轴联动，Z轴独立运动的设计方案。其中X-Y轴由步进电机通过同步带传动进行机械运动。具体实现结构如图2所示。

如图所示，Y轴步进电机固定于底座上，带动同步带轮旋转，同步轮带动同步带做直线运动，光轴滑块与同步带相连。从而跟随同步带演光轴导轨做Y轴方向的的运动。X轴整体机构与Y轴相似，提供X轴方向上的直线运动。其整体固定与Y轴滑块之上，当Y轴运动时同时带动X轴运动。从而实现X—Y两轴联动。

1.1.2 贴片机Z轴设计方案

本设计方案中Z轴由舵机、光轴导轨、吸笔、拖拽针、摄像头组成。其结构如图3所示。

其中吸笔由空心轴步进电机制作而成，当步进电机旋转时，带动吸笔吸盘选择，从而提供了贴片机旋转轴的运动。旋转吸笔用于改变元器件贴装方向。拖拽针与吸笔固定在同一直线上，用于拖拽料盘，从而实现送料功能。拖拽针与吸笔分别固定在2组光轴导轨上，底部安装有弹簧，用于拖拽针与吸笔复位。舵机控制压杆左右旋转，从而压动吸笔与拖拽针进行向下运动，当压杆处于中间态时，弹簧将吸笔与拖拽针

弹起，回到初始位置。摄像头安装在工作台上方，用于俯视PCB板。

1.2 机器视觉系统设计方案

本方案采用两台CCD相机、环形LED光源及图像处理设备组成。其中一台CCD相机安装在贴片机Z轴上。与贴装头一起运动，用于俯视PCB板，采集各定位点坐标信息，计算X—Y轴运动偏移量，辅助定位。另外一台CCD相机固定在工作台上，向上仰视。当贴装头吸取原件后，运动至相机上方，相机采集元器件图像。计算旋转角度偏移量及X—Y轴运动偏移量。环形LED光源提供相机采集图像时的背光，提高成像质量。计算机用于处理采集到的图像数据，分析计算后将控制指令传送至运动控制系统。

1.3 运动控制系统设计方案

运动控制部分由软件系统与硬件设备组成。其中软件部分分为上位机及下位机。上位机即计算机。下位机采用STM32F103RBT6微控制器作为核心控制器。上位机与下位机由串口数据线连接。硬件设备由步进电机、步进电机驱动器、舵机、电磁阀等组成。[page]

运动控制系统工作流程如图4所示。

2 运动控制系统硬件设计

2.1 运动控制系统结构

贴片机控制系统模块所完成的主要任务是，在上层控制器的控制下，对步进电机驱动器进行控制，使各轴能够进行“受控运动”，实现运动控制系统所需求的各轴起制动、正反转、调速和保护等功能。

控制系统的控制模式是以PC机为平台、以微控制器为核心协调工作。通用PC机负责数控程序编辑、人机界面管理等功能;微控制器用来管理子程序以及负责机械本体的运动控制和逻辑控制，支持用户的开发和扩展，并具有上、下两级的开放性。

本设计方案采用STN32F103微控制器作为核心器件，协调3个步进电机驱动器控制步进电机的运行。同时获取编码器数据，限位开关状态，并控制舵机、电磁阀等器件的运行。各器件连接图如图5所示。

本设计方案所采用的主控芯片STM32F103RBT6是一款基于ARM Codex—M3内核的32位处理器，具有杰出的功耗控制与众多外设。该芯片内置128K FLASH、20K SRAM、2个SPI、3个串口、1个USB、1个CAN、2个12位的ADC、RTC、51个可用IO口。其电路图如图6所示。

数据由上位机即PC主动发送，下位机即单片机被动等待接收，系统在每次上电初始化时进行一次握手，下位机在接收到的包头数据中匹配自己的器件地址，一致时则接收命令，否则将收到的数据包抛弃。当上层控制器向单片机发送读数据指令r(0x72)时，其数据位均为0;单片机收到指令后，将状态信息填入数据位，回发给上位机。当上位机向单片机发送预设参数w(0x77)数据包时，将参数信息填入相应数据位;单片机收到后，将数据写入EEPROM中并发送反馈，反馈帧以同样的类型、将存好的数据再次读出填入数据位，发送给上位机进行匹配校验。当上位机向单片机发送运动指令m(0x6D)时，将数据位按设定的格式填入数据位;单片机读取并按照指令内容进行运动。

单片机正确接收到除预设参数之外的数据时向主机回发正常返回指b(0x62);若收到上一组主机的数据后发现数据出错，则请求重发指令c(0x63)，主机接收到此回应指令后执行重发操作;若连续通信错误并超过最大限制后则发送的放弃指令q(0x71)。因为不涉及有效数据，所以这三种指令的起始地址、数据长度、有效数据均为0。

4 结束语

本文根据目前贴片机市场上的应用现状，提出了低成本，小型化的设计方案。对贴片机整机的机械结构进行了优化设计。分别对贴片机的机械传动系统，机器视觉系统及运动控制系统给出了设计思路。针对运动控制系统，设计了具体的硬件与软件实现方案，并对整机工作过程进行详细说明。本文设计的贴片机运动控制程序经过调试，达到了预期目标，现已在学校实验室的应用中取得了不错的成果。