CN107613750A - 基于EtherCAT通讯控制的自动插件机 - Google Patents

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杜继红
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Abstract

本发明公开了一种基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，包括异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块、视觉控制***和主控制器，主控制器包括异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块；视觉控制***包括异型元器件识别与筛选定位模块、PCB识别定位模块。本发明通过EtherCAT通讯结合主控制器、伺服控制***和视觉控制***实现异型电子元器件的高速、精确插装，具有稳定性高、精度高以及抗干扰性强的优点。

Description

基于EtherCAT通讯控制的自动插件机
技术领域
本发明涉及电子行业高精度装配领域，尤其涉及一种基于EtherCAT通讯控制的自动插件机。
背景技术
随着电子产品不断的普及和更新换代，电子产品的使用也越来越广泛。而随着人口红利逐渐下降，电子产品的自动化装配技术尤其是PCB自动装配技术将会得到越来越广泛的应用。对于如电阻等常规电子元器件的插件设备已经较为成熟，但对于USB、AV端子、接插头等异型元件的插件基本还依靠手工操作实现。而同时传统的插件机其插件精度完全依赖于机械定位，无法补偿由机械手的重复定位以及PCB定位所带来的定位误差，同时由于异型元件插件数量较少、精度要求高、种类多，异型元器件来料一致性差，使得传统的插件机已经无法满足实际要求。
随着工业自动化通讯控制技术的不断的发展，EtherCAT通讯控制传输速率快，接线方便、稳定性高等特点使其在工业自动化应用领域越来越广泛。在高精度装配领域，通过EtherCAT通讯技术使传统的伺服控制***与机器视觉控制***相结合的方案逐渐成为提高产品装配速度和精度的主流趋势。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，可适应多种器件的插装，可对插装异型元器件的质量进行筛选，实现异型元器件的插装位置的识别。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，包括异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块、视觉控制***和主控制器，所述异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块、视觉控制***均分别与主控制器电信号连接，所述主控制器包括异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块；视觉控制***包括异型元器件识别与筛选定位模块、PCB识别定位模块；
所述视觉控制***在被检测物运动到视觉控制***的检测范围之内由主控制器发出指令启动视觉控制***运动，视觉控制***根据主控制器发出的指令，视觉控制器进行场景和运动指令切换，得到被检测物的位置信息并将该信息返回至主控制器；
所述PCB传送夹紧装置通过控制传送线电机启动或停止传送线工作，并可控制传送速度的变化，将PCB传送到工作位置，然后通过限位气缸和夹紧气缸实现PCB的限位夹紧；
所述PCB识别定位模块设置于伺服运动机构处，PCB识别定位模块用于获取PCB在运动机构坐标系中的位置信息；
所述异型元器件识别与筛选定位模块设置在异型元器件供应模块处，异型元器件识别与筛选定位模块用于获取异型元器件本身信息和在运动机构坐标系中位置信息；
所述异型元器件拾取模块通过异型元器件供应模块的信号判断异型元器件是否到位，如果异型元器件已到位，则主控制器发出异型元器件拾取指令；
当伺服运动控制模块接收到主控制器发出的异型元器件抓取指令后，通过控制异型元器件拾取装置实现异型元器件的拾取，并使异型元器件处于视觉控制***的检测范围之内；当接收到主控制器发出的元器件插装位置数据后，调整异型元器件拾取装置的位置实现元器件的精确插装。
为了更好地实现本发明，所述视觉控制***包括用于异型元器件图像捕获的元件CCD、用于Mark图像捕获的标记CCD，所述元件CCD、标记CCD均与视觉控制***连接，所述视觉控制***与主控制器通过EtherCAT通讯连接；所述视觉控制***用于识别与计算异型元器件在运动机构基准坐标系中的坐标值、PCB在运动机构基准坐标系中的坐标值、主控制器结合这些坐标值和PCB原始插件数据计算得到异型元器件的插件位置数据。
作为优选，所述元件CCD包括图像搜索匹配模块、运动平台数据模块和位置角度输出模块。
作为优选，所述标记CCD包括图像搜索匹配模块、运动平台数据模块、位置角度输出模块。
作为优选，所述PCB夹紧装置包括PCB限位气缸、PCB夹紧气缸、电磁阀和可调速度的传送装置，所述传送装置包括拾取装置气缸，所述电磁阀与传送装置与主控制器连接，所述电磁阀与PCB限位气缸、PCB夹紧气缸、传送装置分别连接。
作为优选，所述异型元器件拾取装置由若干元件夹持气爪组成，每个元件夹持气爪通过电磁阀和光电传感器与主控制器连接。
作为优选，所述主控制器与伺服运动控制***、视觉控制***基于EtherCAT通信。
作为优选，所述主控制器为主控制器，所述主控制器采用EtherCAT进行通讯控制。
本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明通过EtherCAT通讯结合主控制器、伺服控制***和视觉控制***实现异型电子元器件的高速、精确插装，具有稳定性高、精度高以及抗干扰性强的优点。
附图说明
图1为本发明基于EtherCAT通讯控制的自动插件机的原理结构框图。
其中，附图中的附图标记所对应的名称为：
1-主控制器，2-伺服控制***，21-运动平台X轴，22-运动平台Y轴，23-运动平台Z轴，24-运动平台θ轴，3-视觉控制***，31-元件CCD，32-标记CCD，4-光电传感器，5-光纤传感器，6-光源控制器，7-电磁阀，8-PCB传送电机，9-供料装置，10-PCB夹紧气缸，11-PCB限位气缸，12-拾取装置气缸。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：
实施例
如图1所示，一种基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，包括主控制器1、伺服控制***2、运动平台X轴21、运动平台Y轴22、运动平台Z轴23、运动平台θ轴24、视觉控制***3、元件CCD31、标记CCD 32、光电传感器4、光纤传感器5、光源控制器6、电磁阀7、PCB传送电机8、供料装置9、PCB夹紧气缸10、PCB限位气缸11、拾取装置气缸12。光电传感器4、光纤传感器5、光源控制器6、电磁阀7、PCB传送电机8、供料装置9、伺服运动控制器2和视觉控制***3均与主控制器1连接，具体地，主控制器1与伺服运动控制器2、视觉控制***3基于EtherCAT通信。
PCB传送夹紧装置包括PCB夹紧气缸10、PCB限位气缸11、电磁阀7，电磁阀7分别与PCB夹紧气缸10、PCB限位气缸11电连接，电磁阀7与主控制器1(主控制器1优选为PLC控制器)连接；当PCB到达工作位置后，主控制器1通过电磁阀7工作驱动PCB夹紧气缸10和PCB限位气缸11实现PCB的限位和夹紧。
异型元器件拾取装置由伺服控制***2、运动平台X轴21、运动平台Y轴22、运动平台Z轴23、运动平台θ轴和若干夹持气爪组成，异型元器件拾取装置用于实现异型元器件的拾取。具体地，当异型元器件满足拾取条件时，主控制器1接收到该条件满足指令，则驱动伺服控制***2移动到拾取装置，然后通过驱动电磁阀7使拾取装置气缸12完成元件拾取工作。
光电传感器4分别设置在PCB入口处、PCB工作位置处和PCB出口处，用于获取PCB在传送线上的位置信息，具体地，当PCB到达入口处时，高速传送PCB到工作位置，光电传感器4向主控制器1发出信号，主控制器1将执行自动插件循环动作，待插件完毕后，主控制器1发出完毕信号，PCB将由工作位置传送到出口处。
光纤传感器5设置在供料装置的出料口处，光纤传感器5用于获取异型元器件的位置信息。具体地，当PCB到达供料装置的出料口处时，光纤传感器5向主控制器1发出元件到位信号。
视觉控制***3在异型元器件处于视觉控制***3的检测范围之内后启动，其用于计算异型元器件的插装位置信息并将该信息发出至主控制器1，具体地，视觉控制***3包括用于用于异型元器件图像捕获的元件CCD、用于Mark图像捕获的标记CCD。CCD31、CCD32均与视觉控制***连接，视觉控制器通过EtherCAT通讯与伺服控制***2和主控制器1连接，所述视觉控制器用于进行异型元器件的筛选和得到在运动机构基准坐标系中的坐标值、PCB在运动机构基准坐标系中的坐标值并传送到主控制器1。同时主控制器1将初始PCB插件数据和坐标数据进行汇合计算，最终得到实际插件坐标数据。
具体地，元件CCD31(元件CCD31为视觉相机CCD)捕获元器件图像，将图像传送回视觉控制***，视觉控制***设置有图像搜索匹配模块、运动平台数据模块和位置角度输出模块，这些模块不仅完成异型元器件的缺陷检测同时也可以计算出元器件在伺服运动机构基准坐标系中的偏差值。如元件引脚中心像素数据PR、PC，而元件相机手眼标定转化矩阵为TC，则可以得到元件引脚中心在伺服运动机构基准坐标系中的坐标数据(PX，Py，Pθ)，其具体计算公式为PX＝PR×TC，Py＝Pc×TC，Pθ＝θ(θ为初始设定角度)。
标记CCD 32(标记CCD 32为视觉相机CCD)捕获PCB的Mark图像，将该图像传送回视觉控制***，视觉控制***设置有图像搜索匹配模块、运动平台数据模块和位置角度输出模块。通过这些模块，可以计算出PCB在伺服运动机构基准坐标系中的位置数据。如Mark1通过标记CCD 32得到的像素数据为PX1，PY1，Mark2通过CCD32得到的像素数据为PX2，PY2，而Mark相机手眼标定转化矩阵为Tm，则可以得到Mark1在伺服运动机构基准坐标系中的位置数据X1＝PX1×Tm，Y1＝PY1×Tm，Mark2在伺服运动机构基准坐标系中的位置数据X2＝PX2×Tm，Y2＝PY2×Tm。
通过得到的Mark位置数据的X1，Y1，X2，Y2，可以得到PCB在伺服运动机构基准坐标系中的中心点数据为XZ＝(X1+X2)/2，YZ＝(Y1+Y2)/2。
根据PCB的Mark原始数据，Mark1为MX1、MY1，Mark2为MX2、MY2。则可以得到PCB在伺服运动机构基准坐标系中的旋转弧度Rad和角度Deg。如K1＝(MX1-MX2)/(MY1-MY2)，K2＝(X1-X2)/(Y1-Y2)，则Tank＝(K1-K2)/(1+K1*K2)，Rad＝ATAN(Tank)，最终可得到旋转角度
Deg＝∏/180*Rad。
根据PCB原始坐标插件数据和得到的PCB在伺服运动机构基准坐标系中位置数据，可以得到元件不偏移情况下的插件坐标数据，其中(XC、YC、θC)为元件插件原始，数据具体的计算公式为：
XCL＝XZ+(XC-(MX1+MX2)/2)*COS(Rad)-(YC-(MY1+MY2)/2)*SIN(Rad)
YCL＝YZ+(YC-(MY1+MY2)/2)*COS(Rad)+(XC-(MX1+MX2)/2)*SIN(Rad)
θCL＝θC+Deg
主控制器1综合异型元器件在伺服运动机构基准坐标系中的坐标数据(PX，Py，Pθ)、元件不偏移情况下的插件坐标数据(XCL，YCL，θCL)，最终得到实际的插件坐标数据(XCS，YCS，θCS),其具体计算公式为XCS＝XCL+PX，YCS＝YCL+Py，θCS＝θCL+Pθ。
下面说明本实施例***的工作原理。
当自动运动生产开始后，供料装置9的光纤传感器5感应到当前运动生产程序的异型元器件已全部准备完成并将该信号传送到主控制器1。主控制器1接收到该信号，则向伺服控制***2发出移动指令，伺服控制***2移动拾取装置到元件拾取位置，然后主控制器1向电磁阀8发出指令驱动拾取装置气缸12完成元件拾取。拾取完成后，主控制器1接收到该信号，则向伺服控制***2发出移动到元件CCD31指令，当伺服控制***2移动拾取装置到元件CCD31位置后，主控制器1向视觉控制器3发出工作命令，视觉控制器启动元件CCD31进行元件图像捕获并将元件图像发回视觉控制***，视觉控制***通过图像搜索匹配模块、运动平台数据模块和位置角度输出模块得到元件在伺服运动机构基准坐标系中的坐标数据(PX，Py，Pθ)，并将该数据传送回主控制1进行存储。同时当PCB到达工作位置后，主控制器1通过向电磁阀7发出动作指令，控制限位气缸11和夹紧气缸10完成PCB的限位和夹紧。当主控制器1接收到PCB夹紧完成信号后，则向伺服控制***2发出移动指令，伺服控制***2移动标记CCD32到PCB的Mark1位置，当伺服控制***2移动Mark1位置后，主控制器1向视觉控制器3发出工作命令，视觉控制器启动标记CCD32进行Mark1图像捕获并将元件图像发回视觉控制***，然后再按上流流程进行Mark2图像捕获并将元件图像发回视觉控制***，视觉控制***通过图像搜索匹配模块、运动平台数据模块和位置角度输出模块得到PCB在伺服运动机构基准坐标系中的Mark1的数据(MX1、MY1)，Mark2的数据(MX2、MY2)。根据PCB原始坐标插件数据和得到的PCB在伺服运动机构基准坐标系中位置数据，可以计算得到元件不偏移情况下的插件坐标数据(XCL，YCL，θCL)。最后主控制器1综合异型元器件在伺服运动机构基准坐标系中的坐标数据(PX，Py，Pθ)、元件不偏移情况下的插件坐标数据(XCL，YCL，θCL)，最终得到实际的插件坐标数据(XCS，YCS，θCS)。主控制器1将插件坐标数据(XCS，YCS，θCS)发出到伺服控制***，伺服控制***驱动拾取装置移动坐标数据位置，然后主控制器1向电磁阀8发出指令驱动拾取装置气缸12完成元件插件动作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：包括异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块、视觉控制***和主控制器，所述异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块、视觉控制***均分别与主控制器电信号连接，所述主控制器包括异型元器件供应模块、异型元器件拾取模块、异型元器件识别与筛选定位模块、PCB传送夹紧装置、PCB识别定位模块、伺服运动控制模块；视觉控制***包括异型元器件识别与筛选定位模块、PCB识别定位模块；
所述视觉控制***在被检测物运动到视觉控制***的检测范围之内由主控制器发出指令启动视觉控制***运动，视觉控制***根据主控制器发出的指令，视觉控制器进行场景和运动指令切换，得到被检测物的位置信息并将该信息返回至主控制器；
所述PCB传送夹紧装置通过控制传送线电机启动或停止传送线工作，并可控制传送速度的变化，将PCB传送到工作位置，然后通过限位气缸和夹紧气缸实现PCB的限位夹紧；
所述PCB识别定位模块设置于伺服运动机构处，PCB识别定位模块用于获取PCB在运动机构坐标系中的位置信息；
所述异型元器件识别与筛选定位模块设置在异型元器件供应模块处，异型元器件识别与筛选定位模块用于获取异型元器件本身信息和在运动机构坐标系中位置信息；
所述异型元器件拾取模块通过异型元器件供应模块的信号判断异型元器件是否到位，如果异型元器件已到位，则主控制器发出异型元器件拾取指令；
当伺服运动控制模块接收到主控制器发出的异型元器件抓取指令后，通过控制异型元器件拾取装置实现异型元器件的拾取，并使异型元器件处于视觉控制***的检测范围之内；当接收到主控制器发出的元器件插装位置数据后，调整异型元器件拾取装置的位置实现元器件的精确插装。
2.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述视觉控制***包括用于异型元器件图像捕获的元件CCD、用于Mark图像捕获的标记CCD，所述元件CCD、标记CCD均与视觉控制***连接，所述视觉控制***与主控制器通过EtherCAT通讯连接；所述视觉控制***用于识别与计算异型元器件在运动机构基准坐标系中的坐标值、PCB在运动机构基准坐标系中的坐标值、主控制器结合这些坐标值和PCB原始插件数据计算得到异型元器件的插件位置数据。
3.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述元件CCD包括图像搜索匹配模块、运动平台数据模块和位置角度输出模块。
4.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述标记CCD包括图像搜索匹配模块、运动平台数据模块、位置角度输出模块。
5.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述PCB夹紧装置包括PCB限位气缸、PCB夹紧气缸、电磁阀和可调速度的传送装置，所述传送装置包括拾取装置气缸，所述电磁阀与传送装置与主控制器连接，所述电磁阀与PCB限位气缸、PCB夹紧气缸、传送装置分别连接。
6.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述异型元器件拾取装置由若干元件夹持气爪组成，每个元件夹持气爪通过电磁阀和光电传感器与主控制器连接。
7.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述主控制器与伺服运动控制***、视觉控制***基于EtherCAT通信。
8.按照权利要求1所述的基于EtherCAT通讯控制的自动插件机，其特征在于：所述主控制器为主控制器，所述主控制器采用EtherCAT进行通讯控制。
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