SMT贴片机的检测与传感系统详解

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机器的相关部位有不同功能的传感器，以保证机器运动配合和功能的实现。传感器是能感受规定的被测物并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换电路组成。传感器是一种检测装置，能感受到被测物的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

一、贴片机中的传感器

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贴片机由很多部分组成，它的运行条件是要求许多部位在一种正常状态下才能运行，怎样知道各组成部分是处在正常运行条件下呢？传感器完成这一使命。通过传感器检测各组成部分的状态，再把信息传送到控制部分进行显示，告诉操作者是否可运行，如果不能运行设备，会显示错误信息条款，操作者就会按提示进行排除故障，使设备能正常运行。

贴片机中装有多种形式的传感器，主要以力和光学传感器为主，在贴片机工作的各方面发挥信息采集作用。随着贴片机自动化和智能化程度的提高，传感器的种类和数量会越来越多。一般情况下，机器中传感器种类和数量越多，反映贴片机的自动化和智能化水平越高。下表是目前贴片机常用的传感器种类及功能。

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二、压力传感器

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贴片机的空气压力系统包括各种气缸工作压力和真空发生器，均对空气压力有一定要求，当低于设备规定时机器就不能正常运转。气压压力传感器始终监视着压力变化，一旦异常，及时报警，提醒操作者处理。

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贴片头上吸嘴靠负压吸取元器件，因此，负压的变化反映了吸嘴吸取元器件的情况（如下图所示）。如果供料器没有元器件，或元件过大卡在料包中，吸嘴都将吸不到元器件；或者吸嘴虽然吸到元器件，但是元器件吸着错误，都会使吸嘴压力发生变化，通过检测压力变化，就可以控制贴装情况。当然，如果负压不够，吸嘴也将吸不起元器件，或者虽然吸到元器件，但在贴片头运动过程中，由于受到运动力的作用而掉落，这些异常状态都由负压传感器监测。如果发现吸不到元器件或吸不住元器件，系统会报警，提醒操作者更换供料器或查看吸嘴负压系统是否堵塞。

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目前新型负压传感器已经实现微小型化，负压传感器与转换和处理电路集成在一起，形成一体化部件。这种将传感器与转换和处理电路集成的部件通常称为变送器，变送器输出标准电信号（0～5 V电压或4～20 mA电流）。小型负压传感器重量可小于70 g，因而可以直接装到贴片头上（如下图1所示）。由于在多吸嘴贴片头工作时，每个吸嘴按顺序吸取和贴装，因而也可通过电磁阀使两个吸嘴共用一个负压传感器（如下图2所示）。

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三、 位置传感器

印制板的传输定位包括PCB的记数、贴片头和工作台运动的实时检测和辅助机构的运动等，它们对位置有严格要求，如贴片机原点定位，或为了机械安全运行，通常在运动区域内设有光电传感器，利用光电原理监控运行空间，以防外来物体带来的损伤。这些都是通过各种形式的位置传感器来实现的。下面以环球用FLEXJET头的贴片机为例，说明贴片头上的OTHC相机的两个位置传感器，如下图所示。

另外，FLEXJET头Z轴还有Home传感器，感应Spindle在Z轴方向已经全程回到上位；固定在 X轴和 Y 轴横梁的Read Head读取头上，与对应轴的光删尺一起工作，感应检测轴所在位置也是一种位置传感器。

• Mirror In-range/Clear：（滑动镜片在范围内/让开）传感器。• Mirror Clear：该传感器用来确保在Spindle运动期间，镜片已经安全离开让开道路，Mirror In-range传感器确保滑动镜片到位以便照相。线的长度必须是可调的，以便当镜子离合器激励时，镜片全程拉下，直到In-range传感器触发；当镜子离合器不触发时，连接线要足够长以允许镜片到达并激励Mirror Clear传感器。

区域检测传感器事实上也是一种位置传感器，例如，对于各种类型的贴片机，机器的X-Y 定位系统都存在一个工作范围，当超出时，就要发生错误甚至撞坏机器。因此就要在 X轴和 Y 轴横梁端部设定极限开关，当轴的运动超出工作范围时出发，机器产生极限错误而停止运动，从而起区域检测作用。

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1、压合通断电气传感器

通过机械接触，传感器接通或断开电路，检测物件是否到达规定位置。例如，安全盖关闭传感器和元件供给部分安全保护装置（Z轴侧安全连锁和盒式浮子传感器）。

2、光电式位置传感器
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光电式位置传感器通常也称为光电开关，按照投光源和受光器位置，常见光电式位置传感器有以下3种：

（1）投光源和受光器分离

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投光源和受光器分离的传感器的工作原理是，在设备正常运行中，由投光源发出一束光，则由受光器接受，当有物体遮蔽光线，受光器无法接受光线时，传感器将这信息传送到控制器，进行显示报警。

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这种传感器用来检测供料器是否安装到位，一般安装在供料器机座的两端，如下图所示。

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（2）投光源和受光器一体

其工作原理是当运动部件（如贴装头）的规定部分挡住光线时，传感器接收到该部件（贴片头）的信息，将此信息传送到控制部分，告诉机器这部分已准备完毕（如下图所示）。

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这类传感器常用来检测贴装头是否到位，各机械部分是否回零点，或机械位置是否到极限位置等。

（3）投光源和受光器在同一平面

投光源和受光器在同一平面的工作原理是反射式检测，如下图所示，当被测物到达检测位置时，将投光源发出的光反射到受光器，传感器输出状态改变，达到位置检测目的。

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在贴片机工作时，当基板经过基板搬送减速传感器时，基板开始减速，当基板到达检测位置时，止动器前进限位传感器给出信息，止动气缸向下，使基板止动，停在规定位置，这时工作台上升，止动气缸向上，止动器返回限位，传感器得到信息，贴片开始；当贴片完成后，工作台下降，给出基板送出信息使基板送出。

3、贴片头Z轴控制传感器

随着贴片速度的提高以及精度的提高，对贴片头将元件贴放到PCB上的“贴放力”要求越来越高，这就是通常所说“Z 轴软着陆功能力”。借助安装在贴片头上的传感器以及伺服电动机的负载特性实现Z轴软着陆。机器软件用传感器来感应。下面以环球FLEXJET贴片头Touchdown传感器为例介绍Z轴运动控制。

在FLEXJET2/FLEXJET3贴片头上使用新型Touchdown传感器，用于控制吸嘴与电路板、送料器和吸嘴的平稳接触。返回接收器的光度不像光的一致性那么重要，这是因为现在寻找的是光度的改变，传感器在希望的接触终点之上0.100"处锁定（以避免在加速期间出错）。在此点，传感器的光密度被捕捉到，在Touchdown接触期间以及密度达到锁定值的80%的时候，软件认为已经发生接触。当这些Touchdown传感器的小圆镜变脏时，传感器很宽容，因为采集光密度决定何时发生接触。小圆镜从而降低光密度，因此小圆镜还需要清洁但不那么频繁。Touchdown传感器工作示意图如下图所示。

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四、激光和视觉传感器

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1、激光传感器

激光传感器已广泛地应用在贴片机中，它的最大优势是反映速度快，因而能实现“飞行对中”，提高贴装速度。激光传感器可以精确地反映元件位置和方向，并可以判别器件引脚的共面性；激光传感器还能识别器件的高度，这样能缩短生产预备时间。同时，它有能力处理各种形状和大小的元件。不过，即使最复杂的激光系统，也不能测量引脚和引脚间距。

激光传感器的工作原理如下图所示。

2、视觉传感器

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目前常用的图像传感器为电荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD），分为线阵CCD和面阵CCD两种。前者用于尺寸和位移的测量，后者用于平面图形和文字的传递等。目前面阵CCD已作为数码相机（DC）、数码摄像机（DV）及各种数码摄像头和工业视觉系统等。贴片机中用于识别PCB基准和检测元器件的照相机，就属于用于工业视觉系统。

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（1）CCD的作用原理

CCD由许多光敏像元组成，每一个像元就是一个MOS（金属-氧化物-半导体）电容器，如下图所示。在P型硅衬底上通过氧化形成一层SiO2，再在SiO2表面蒸镀一层金属层（多晶硅）作为电极。P型硅中的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子。当电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是，带正电荷的空穴被排斥到远离电极处，带负电荷的电子被吸引到紧靠SiO2层的表面上来。这种现象便形成了对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。

当一束光线投射到MOS电容上时，光子穿过多晶硅电极及SiO2 层，进入P型硅衬底，光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现电子被吸引并储存在势阱中。射入的光线越强，势阱中收集的电子就越多，从而实现了光和电的转换。而势阱中的电子处于被储存状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。

（2）面型传感器的构成

面型传感器通常称为图像传感器。如下图所示，由光电二极管的二维阵列组成的面型传感器。为了取出各光电二极管的电荷，在图的垂直方向配置了进行电荷转移的垂直CCD。来自光电二极管的电荷通过场效应管（转移控制栅）的控制被垂直CCD读入。转移到垂直CCD的电荷向水平CCD转移，进行水平方向的传送，最后信号从MOS场效应管读出。读出各光电二极管电荷的脉冲由3 部分组成，即由加到控制栅上的脉冲、加到各CCD像素上的脉冲以及加在输出MOS场效应管栅极上的联合控制脉冲。

在上面所介绍的实例中，光电二极管部分（感光部分）和CCD部分（转移部分）是在半导体衬底上同一体制作出来的，这种电荷转移方式称为行间（Inter-line）转移方式。这种方式有利于得到高速度的图像处理。但由于每个像素上不感光部分占用了较大的面积，感光效率不高。与行间方式相对应，感光部分与转移部分分离制作的方式称为帧转移方式。

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（3）与图像处理技术的结合

照相机只能将二维光强度分布转换成一连续随时间变化的模拟电信号（称为图像信号），但仅此还不是人类视觉器官能感知的视觉信号。为得到视觉信号，必须依靠计算机作进一步的信号处理。通常图像信号被转换成数字信号，这些数字信号很容易存储在计算机的存储器中，然后根据需要进行图像处理。

贴片机视觉检测系统有专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，转变成数字化信号，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置和长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，包括尺寸、角度、个数、合格/不合格和有/无等，实现自动识别功能。

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传感器是能感受规定的被测物并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换电路组成