模糊自适应pid控制

图1 SMT表面贴装线

图2 国内研发的贴片机

全自动贴片机通过执行定位、吸取、移动和放置等功能，实现电子元件贴装。贴片机的关键技术包括运动控制技术，软件优化技术，视觉检测技术，机械设计制造技术等。图2 展示了国内研发的某型号贴片机。

01、运动控制技术

运动控制技术是通过对运动执行器（如电机、伺服驱动器等）的精确控制，实现设备在空间中的准确运动。贴片机运动控制技术直接影响到电子元件的高精度贴装，涉及到控制贴片头、供料系统和视觉系统等各个关键部件的运动，运动控制技术主要涵盖硬件和软件两个方面。

运动控制技术中硬件组成包括伺服驱动系统、电机系统、传感器和执行机构。贴片机的伺服驱动系统是实现高精度运动控制的基石。如图3所示是常见的伺服驱动系统，现代伺服系统采用数字化控制，结合先进的反馈机制，如光电编码器，以实现对电机速度和位置的实时监测。

伺服驱动系统通过控制电机的运动，实现对贴片头的精准定位和移动。通常采用的伺服电机包括直流伺服电机和交流伺服电机，它们具有快速响应、高精度和可靠性的特点。高性能的伺服系统不仅提供了更高的动态响应，还能在不同负载条件下保持运动的平稳性和准确性。传感器用于反馈贴片头的实时位置信息，以便控制系统能够及时调整运动轨迹，保证精准的贴片操作。

随着技术的不断进步，贴片机采用的传感器也在不断升级。高分辨率的光电编码器、惯性传感器和视觉传感器等被广泛应用，以提供更准确、实时的位置和运动信息。执行机构则负责将贴片头精确地移动到目标位置，贴片机的执行机构也在不断创新，通常采用独特设计的是滑轨和直线导轨结构，确保平稳且高精度的运动。一些贴片机甚至引入了声波驱动技术，通过声波振动实现微小的位移，使得贴片过程更加精密。

除了硬件组成外，运动规划和运动控制算法同样十分重要。运动规划涉及到如何使贴片头在空间中移动，以在尽可能短的时间内达到目标位置。运动控制算法是软件中最核心的部分，它负责根据传感器反馈的实时数据，控制伺服系统实现精确的运动。

这些算法通常包括PID控制等经典控制算法，以及一些先进的自适应控制算法，以适应不同工况下的运动控制需求。模糊逻辑控制、神经网络控制等先进算法的应用，使得贴片机能够更好地适应不同工况下的运动控制需求，并提高整个系统的鲁棒性。

图3 常见的伺服驱动系统

02、软件优化技术

贴片机软件优化技术指的是通过软件算法对贴装路径、飞达排布、吸嘴交换、软件处理等贴装环节进行优化使得整体贴装效率提高的技术。

优化技术通过将这些任务分解为独立的子任务，并采用多线程技术，可以在同一时间内处理多个任务，提高软件的并行性，从而加快整体速度。选择更为高效的数据结构，减小数据结构的复杂度，以及使用更快速的算法，显著提升软件的执行速度。

通过使用自研深度学习网络与仿生学算法结合，综合考虑不同的元器件和PCB需要不同的处理参数，快速且精准的自动计算最优的贴片机取料顺序与贴装顺序，根据当前工作的特定要求进行动态调整，实现了更智能、更高效的元件排布，以提高贴装的速度与精度。

其次，通过先验数据动态规划不同尺寸元件、不同封装算法与当前系统算力调度，合理自适应安排并发多线程计算，使得图像计算结果精准又稳定的快速完成计算。保证了计算精度的同时，最大程度提升生产速度，为客户提供最优的生产方案。

引入实时传感器和反馈机制，监测元件放置情况的同时检测机器是否存在异常，工人操作是否存在异常，对于可能发生的生产事故进行及时的预警，保障安全生产的同时，避免元件的不良放置，使客户的生产取得显著的竞争优势。

03、视觉检测技术

贴片机视觉检测技术指通过视觉系统实现对电路板、电子元件进行检测以提高贴装精度和效果的技术，是贴片机研发中关键难题之一（图4）。

图4 视觉系统组成

该技术的核心组成包括高分辨率相机、光源控制和图像处理算法。通过高分辨率相机进行图像采集，并在预处理阶段应用去噪和灰度调整等技术，以确保系统获得清晰、准确的输入（图5）。

其次，特征提取与模式匹配阶段使用算法识别元件的关键特征，并将其与预定义的标准模式进行比对。

最后，判定与反馈机制形成闭环系统，根据模式匹配结果进行判定，触发反馈以确保元件准确放置。利用模式匹配和特征提取等算法，系统能够精准地识别元件的位置、形状和其他关键特征。

图5 不同元件成像

在元件识别技术上，深度学习技术的应用将成为贴片机视觉检测技术的重要推动力。深度学习技术在图像识别和分类方面取得了显著的进展，未来贴片机视觉检测系统将更多地采用深度学习算法，提高检测的准确性和鲁棒性，使系统能够更好地适应不同的生产环境和复杂的检测任务。

此外，3D视觉技术的整合将拓宽贴片机视觉检测的应用领域。传统的2D视觉技术在某些情况下存在局限性，因此未来的趋势将包括更广泛的3D视觉技术的整合，以提供更多的维度信息，帮助检测更复杂的元件和结构，提高检测的全面性和可靠性。图6展示了不同BGA元件的识别效果。

图6焊球元件识别示意图

04、机械设计制造技术

高速高精度贴片机包含多项关键技术，其中机械设计与制造技术对于提高生产效率、降低成本、提高贴装整体质量具有重要意义。在贴片机的机械设计与制造过程中，需要考虑到多个方面，包括机械结构、运动系统、材料选择、加工工艺等。

首先，贴片机的机械结构设计至关重要。机械结构决定了设备的稳定性和可靠性。贴片机通常由底座、传动系统、定位系统、贴片头等组成。底座是贴片机的支撑结构，如图7所示，负责承受整个设备的重量和振动。底座通常采用高强度、低振动的材料，如铝合金或铸铁，以确保设备在运行时不会因振动而影响贴片精度。

此外，底座的表面处理也很关键，通常采用精密加工和磨削工艺，以保证其平整度和精度。传动系统是贴片机中的关键部分，负责将电机的运动传递到贴片头。在传动系统的设计中，工程师需要考虑到高速运动和高精度定位之间的平衡。常见的传动元件包括直线导轨、滚珠丝杠和伺服电机。

图7 贴片机基座

其次，运动系统是贴片机设计中的核心之一，直接决定了设备在工作过程中的速度、精度和稳定性。在贴片过程中，贴片头需要在极短的时间内完成复杂的运动，因此运动系统的设计需要综合考虑高速运动和高精度定位的要求。

直线导轨是贴片机运动系统的基础组件之一，用于实现贴片头在X、Y轴上的直线运动。直线导轨通常采用滚珠滑块和导轨的组合，以减小摩擦力，确保平稳的运动。滚珠丝杠则用于转换电机的旋转运动为贴片头的线性运动，具有高效、精确的特点。

伺服电机是贴片机运动系统中的关键动力元件。伺服电机具有高响应性和高精度的特点，能够快速而准确地响应控制信号，实现贴片头的高速运动和精准定位。通过配合先进的运动控制系统，伺服电机能够在瞬间完成复杂的加速、减速过程，从而提高整个贴片过程的效率。图8为贴片机运动系统。

图8 贴片机XY轴龙门运动系统

材料选择也是贴片机机械设计中的重要环节。由于贴片机在工作过程中需要承受高频率的运动和重复的负载，因此选择耐磨、耐腐蚀、高强度的材料至关重要。常用的材料包括铝合金、不锈钢等，其选择需要综合考虑材料的力学性能、加工性能以及成本等因素。

在贴片机的制造过程中，加工工艺是不可忽视的一环。高精度的零部件加工需要采用先进的数控加工设备，如数控铣床、数控车床等，以确保零部件的尺寸和形状的精度。

此外，装配过程也需要较高的精密度，以保证各个零部件之间的配合精度和稳定性。同时贴片机的精密装配是保证设备性能稳定的关键步骤。在装配过程中，需要确保各个零部件之间的配合精度和稳定性，通常需要采用精密测量、清洁环境、精密调试等措施来提高装配质量。#SMT3##贴片机#

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【附作者简介】

孙昊：宁波亦唐智能科技有限公司总经理，曾在澳大利亚阿德莱德大学访问交流。

刘伟华：甬江实验室副研究员，主要从事工业视觉检测相关研究。

于兴虎：宁波亦唐智能科技有限公司董事长，入选宁波市甬江育才领军拔尖人才。

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