PCB电路板被广泛应用于通讯电子、消费电子、计算机、汽车电子、工业控制、医疗器械、国防和航空航天等领域，市场需求巨大。其中PCB板的电子器件插件又是线路板制作流程的核心工艺，以电阻、电容、晶体管、LED灯、连接器和按键等电子元件为主的PCB板插件工艺经历了三个发展阶段，即人工插件、自动插件机、高速异性插件机等。本文重点介绍了正运动技术开发的PCIE464运动控制卡工业运动控制解决方案，用户可将PCIE464嵌入在标准PC机中，以快速实现高性能的EtherCAT运动控制功能。

　　文/深圳市正运动技术有限公司

　　最传统模式是人工插件，效率低下，并且错插、漏插现象严重，产品质量低下;随着自动化的兴起和发展，自动插件机市场逐渐崛起，插件效率和准确率大大提升，但是只能够插单一类型的电子元器件，对生产厂家在成本和换料操作方面造成了一定的困扰;全球智能制造的进一步提升以及普及，产能、精度以及易操作已经成为越来越重要的性能指标，自动异形插件机，可装载多种器件供料装置、多工位多头夹取、高精度视觉定位等处理，能够极大地提高生产效率和降低成本，逐渐成为行业需求的风向标。

人工插件 

全自动异性插件

　　1 EtherCAT总线PCIe运动控制卡PCIE464产品介绍

　　正运动技术PCIE464运动控制卡，提供高效的工业运动控制解决方案，用户可将PCIE464嵌入标准PC机中，以快速实现高性能的EtherCAT运动控制功能。

正运动技术PCIE464运动控制卡

　　在“PC+运动控制卡”的模式下，可充分利用PC的高效数据处理和开放性特性，以及控制卡高速PWM、多维位置比较输出PSO等功能，实现出色的多轴同步控制和高速点位以及复杂的轨迹运动控制等功能，确保了控制卡与上位机的无缝实时数据交互，极大地提升运动控制的效率和精度，同时利用PC Windows的特性，可简单快速对接到MES等数据中心，可被广泛应用于3C电子制造、半导体、装配、精密加工、锂电和光伏、机器人等领域。

PC+运动控制卡解决方案

　　硬件特性如下：

　　l 可选6-64轴运动控制，支持EtherCAT总线/脉冲/步进伺服驱动器;

　　l 联动轴数最高可达16轴，EtherCAT周期最快125us;

　　l 标配8进8出，其中4路高速锁存输入和8路高速PWM、PSO输出，更多IO请选配ACC37接线板扩展板;

　　l 支持PWM输出、精准输出、PSO硬件位置比较输出、视觉飞拍等;

　　l 支持30+机械手模型正逆解模型算法，比如SCARA、Delta、UVW、4轴/5轴 RTCP......;

　　l 支持掉电存储和掉电中断，提供程序更安全机制;

　　l 具有螺距补偿控制，在单轴/多轴上通过多个补偿点进行精确调整，从而实现更高的加工精度。

　　2 PCIE464运动控制卡在高速异性插件机的应用

　　异形插件机是一种用于自动化电子装配过程的机器，能够按照预设程序将编带或者供料器的电子元器件精确地安装到印刷电路板上。异性插件机的设备控制主要由视觉系统、运动控制系统和人机交互三大部分组成。

　　以往常用的控制系统方案配置是PC+机器视觉+PLC，PLC的网口交互效率并不高，导致产能不够。得益于PCI/PCIE运动控制卡的高实时和高响应，PC+运动控制卡+机器视觉的方案逐渐替代传统的PLC方案，在效率、精度和可操作性方面得到了极大的提升，实现了从异性插件机到高速异性插件机的跨越。

　　(1)人机交互

　　Windows运行环境，操作界面、IO监控、视觉监控、手动运动、设备参数、生产管理数据等。

　　(2)视觉系统

　　①电子元件针脚视觉识别和定位，主要对电子元件的外轮廓和针脚进行识别检测与定位;

　　②对PCB板通过圆孔、方孔、不规则点等进行MARK定位，电子元件精确的插到PCB上。

引脚视觉处理 

PCB定位图片

　　(3)运动控制

　　工业电脑PC与PCIE464运动控制卡高效配合控制，EtherCAT连接18个EtherCAT总线驱动，包含直线电机和旋转电机以及远程IO等，可实时调整切换驱动器位置模式、速度模式和力矩模式，实现异性插件机设备的高效、高精度的运动控制。

　　工业电脑PC+PCIE464运动控制卡高效配合控制

　　正运动技术的PCIE464运动控制卡，EtherCAT周期最快125us，高速的PCIe接口，视觉飞拍，SS曲线加加速度平滑等功能，特别适用于高速高柔的运动控制，应用在高速异性插件机上，插件头拾取元件后，XY直线运动平台移动到检测相机上方进行飞拍，对元件引脚进行检测和定位，从而保证插件更加精准，优化路径、保证XY平台运行路径最短，可实现0.6s/pcs的节拍，重复定位精度可达±0.01mm，满足高速高精的市场需求。

　　3 PCIE464运动控制卡在高速异性插件机的核心功能

　　(1)方案配置

　　(2)运动控制核心功能

　　①S曲线、SS曲线

　　S形速度曲线同样用于表达速度与时间的关系。但与梯形曲线的区别在于对梯形曲线的加速和减速阶段进行平滑，平滑后曲线形状如字母S。S形速度曲线如下图所示。

　　正运动提供了专门的SRAMP指令实现。在实际运动应用中，通过SRAMP指令进行对应的值设置，可使运动中的速度曲线更加平滑，从而减少对控制过程中的冲击，并使插补过程具有柔性。

S曲线 加速度连续

　　SS速度曲线又名加加速度曲线，用于表达加速度与时间的关系。加加速度是描述加速度变化快慢的物理量，即加速度的变化率。

　　正运动提供了 VP_MODE 指令的模式6和7可实现SS曲线，即对加速度的加速和减速阶段进行平滑，如下图所示。

SS曲线 加加速度连续

　　在高速异性插件机中，对加加速度进行平滑后，可降低机构因加速度变化率太快而导致的冲击过大和抖动现象，实现更柔性化生产，提升产能。

　　②视觉飞拍

　　电子元件在供料系统中进行预整形，在夹爪抓取元件之后，会走到下相机位置，对电子元件的引脚进行视觉识别和定位，视觉识别主要检测引脚缺失、变形等，OK继续往下，NG废料处理;视觉定位是通过对引脚的视觉处理，进行夹爪上电子元件的对位纠偏，方便插到PCB上去。到相机位置进行拍照和视觉处理，往往造成设备不需要的停顿动作，每次插件都停顿1-2s，1000次贴装都要停顿半小时，对产能产生严重的影响。

定拍V-T图 

飞拍V-T图

　　使用视觉飞拍技术，当夹爪抓取元件运动到拍照区域，由PCIE464运动控制卡高速硬件位置比较输出触发相机，进行动态无停顿拍照，微秒级的拍摄速度，数毫秒间输出视觉运算结果，再利用相机回传的位置数据，对视觉缺陷和角度位置进行判断、修正补偿。在2m/s的运行速度下，插件精度依然能够确保在±0.01mm的精度，并且效率提升5%以上。

　　(3)动作流程

　　①供料：电子元件通过飞达等装置，经过供料槽预整形后输送至供料器外端;

　　②吸取元件：机器的夹爪从供料器外端夹取电子元件，准备去PCB插件，同时同步轮转一个角度，下一个元件到供料位置;

　　③视觉飞拍：夹爪夹取的电子元件，按照预设路径，经过下相机，进行视觉飞拍，并进行图形处理(针脚检测与定位纠偏等)，把视觉图形结果给到PCIE464运动控制卡;

　　④PCB板MARK点定位后，夹爪把夹取的电子元件精准的插入到PCB上;

　　⑤夹爪返回供料位，再去取料，继续把其他元件插件到PCB上，直到单个PCB板元件插完;

　　⑥传送装置把插好的PCB板流出到下一个工位待焊接，同时下一块待插件的PCB板就位。

　　4 PCIE464运动控制卡在高速异性插件机应用的优势

　　(1)适用于支持WindowsXP/7/10/11，Linux等操作系统，适用性更广;

　　(2)统一开放的API函数接口，让用户开发更灵活更高效;

　　(3)PCIe接口相较于PCI接口，传输效率更快，更适用于高速高精的应用场景;

　　(4)支持上位机+RTBasic脚本语言混合开发，极大提高指令的实时执行效率;

　　(5)支持C语言编译，程序执行效率更快，提升设备运行效率;

　　(6)EtherCAT同步周期可快至125us，提升设备产能;

　　(7)一维/二维/三维硬件位置比较输出，可视觉飞拍，缩短设备整体CT;

　　(8)更安全机制，内置RTBasic程序执行，确保Windows系统在“蓝屏”情况下程序不会“宕机”。