高速自動電鍍線的電氣設計
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時璇胡子卿孟超楊敏
中國電子科技集團公司第二研究所山西太原030024
摘要簡單介紹了高速自動電鍍生產線的系統功能闡述了設計中的控制原理和方法繪制了控制框圖和軟件流程圖并指出了設計中的關鍵技術
關鍵詞電鍍工藝高速自動電鍍線總線控制
中圖分類號TQ153.1+3文獻標識碼B文章編號1004-4507201208-0044-06
收稿日期2012-06-04電鍍工藝通過在引線框架上鍍錫保證集成電路元件的貼裝性能使元器件的引腳能和線路板形成良好的擴散焊接鍍層的質量影響產品的成品率和可靠性作為封裝后道工序電鍍設備需要滿足高效率高可靠性等要求
傳統的電鍍工藝采用掛鍍方式掛鍍線由一系列按照特定順序排列的鍍槽組成每個鍍槽根據工藝要求配置整流器加熱器過濾機陰極移動等外設為實現自動流水線作業掛鍍生產線設置若干行車搬運掛具掛鍍線的行車行走路線需要特殊復雜的演算方法實際運作中還必須防止各種意外狀況不能隨意切換生產工藝掛鍍線需要人工將料片用銅絲綁定在掛具上每條生產線需要多名操作人員執行上下料的工作因此傳統掛鍍線存在技術水平落后產能低對環境及人身污染嚴重電鍍質量差合格率低等問題
高速自動電鍍線一般由兩部分組成即傳送裝置和電鍍槽系統電鍍槽系統采用子母槽結構將母槽的溶液由泵提升至子槽在子槽中對料片完成前處理電鍍清洗等工序溶液再從子槽流回母槽如此周而復始保證電鍍過程的連續進行傳送裝置采用環形設計利用鋼帶式傳動結構和自動上下料系統將料片依次浸入各工位鍍槽中
高速自動電鍍線具有如下特點適合IC行業鍍件尺寸小批量大的特點采用高效率的連續電鍍生產方式鍍速一般可達到7～8m/min自動化程度高控制準確減少人為因素對產品質量的影響可24h連續生產鍍層質量高最主要的鍍種為錫或錫合金可滿足特殊的可焊性導電率一致性等要求廢水量少甚至可以達到零排放全密封無廢氣散逸現場環境好
高速自動電鍍線是一個復雜的系統工程涉及電鍍工藝自動上下料鋼帶傳輸控制高壓水去溢料整流器控制等課題
1系統概述
生產線工藝流程自動上料→電解除油1→電解除油2→高壓去溢料→去氧化→噴淋風刀→預浸→鍍錫1→鍍錫2→鍍錫3→鍍錫4→噴淋風刀→中和→噴淋風刀→熱水洗→烘干→自動下料→鋼帶退鍍1→鋼帶退鍍2→噴淋吹干生產線的布局如圖1所示
設備的主要技術指標
引線框架尺寸長度180～260mm寬度28～80mm
額定傳輸速度6m/min,約1800條/h
最大傳輸速度8m/min
鍍層種類錫合金或純錫
框架材料Cu194/Cu7025合金
鍍層厚度范圍7～20μm
鍍層CPK1.67
設備MTBF>72h
2電氣設計原理
高速自動電鍍生產線采用總線控制方式將設備控制分為三層信息層控制層和元件層其中信息層由工控機和主機PLC構成組態軟件實時監控生產線狀態并可通過配方選擇來切換生產工藝控制層由主機PLC和上料機PLC通過ControlLink總線構成進行高效大容量的數據鏈接實現高速連續自動上下料功能同時保證料片間距在工藝要求范圍內元件層是通過PLC使用DeviceNet總線采集傳感器信號控制生產線的加熱器柱塞泵循環泵電磁閥鋼帶驅動電機等外設保證工藝要求的溫度壓力循環量電鍍時間等參數使用485總線控制各工位整流器實現電鍍過程中電流密度的控制通過對電鍍電源的控制要求及控制方法的分析討論了影響鍍層質量的關鍵因素即通信協議宏的執行調度這一關鍵因素采用分組調度算法對通信協議宏的執行順序進行改進有效地提高了電鍍電源的實時響應性同時通過相關實驗得到了驗證
2.1電氣控制結構圖
生產線20個工位分布在30m長的范圍內傳感器循環泵加熱器以及整流器等外設分布較分散為實現通過通信的數字化并使時間分割多重化多點化成為可能從而實現高性能化高可靠化保養簡便化節省配線的現代設備柔性控制要求生產線采用了總線控制方式并將設備的控制分為三層
電氣控制結構圖如圖2所示
2.1.1信息層
工控機和主機PLC構成信息層工控機中運行組態軟件完成實時監控歷史數據查詢配方選擇三大功能通過232串口讀取PLC中數據以動畫方式實時監控生產線的狀態如泵閥控制鍍槽液位鋼帶速度高壓水壓力整流器輸出狀態等生產線運行過程中操作人員觸發的操作事件工藝參數超出設定范圍觸發的報警事件設備故障信息都保存在Access數據庫中通過數據庫報表可以追溯每一產品的生產過程便于質量管理工藝員可以為每種產品定義生產配方信息包括料片的長度寬度電鍍面積電流密度鋼帶線速度高壓水設定值溫度設定值以及外設by-pass處理等操作員只需選擇下載生產配方生產線即可自動完成每種產品的上下料操作和工藝過程控制
2.1.2控制層
主機PLC和上料機PLC通過ControlLink總線構成控制層進行高效大容量的數據鏈接ControlLink總線數據傳輸最大速度為2Mbps通信周期約34ms[15]上料機PLC讀取主機PLC控制下的鋼帶線速度啟停狀態料片長度寬度信息料片通過距離等參數控制氣爪準確貼料上料機觸摸屏可監控整個生產線的運行狀態
2.1.3原件層
PLC通過DeviceNet總線采集傳感器信號并控制生產線的加熱器循環泵電磁閥等外設的執行通過485總線控制各工位整流器的啟停模式切換電流電壓調節及狀態輪詢等操作
2.2自動上料
要滿足封裝生產中的大規模生產需要設備采用自動上料方式采用自動上料系統的目的即為保證鋼帶連續不間斷夾取工件提高上料速度保證裝料的準確性減少人為干擾
如圖3所示上料采用前后料框輪換方式自動推料對齊通過貼料氣爪將工件從料盒中自動取出并夾持在鋼帶上且保證料片間的間距小于2mm
2.3鋼帶速度控制
如圖4所示全線傳輸機構的驅動系統由交流變頻調速器控制電機驅動傳輸主動輪從動傳輸輪使運送料片的不銹鋼帶連續運轉鋼帶速度0～8m/min可調
根據電機額定轉速減速機速比及主動輪輪盤直徑鋼帶線速度的控制轉換電機頻率的控制PLC通過DA模塊輸出4～20mA模擬量控制變頻器并通過旋轉編碼器閉環反饋鋼帶線速度料片傳送過程中落料卡料檢測傳感器信號將強制中止鋼帶運行
2.4整流器控制
電鍍是利用電解原理使金屬或合金沉積在制件表面形成均勻致密結合力良好的金屬層的過程整流器通過如圖5所示的直流導電系統在溶液中形成電場料片進入鍍槽后溶液中的錫離子在電位差的作用下移動到料片（陰極）上形成鍍層陽極的金屬錫形成離子進入溶液以保持被鍍覆的錫離子的濃度
電流密度是電鍍工藝中最重要的參數之一只能在有限的電流密度范圍內沉積出所要求性能的鍍層因此整流器的控制是生產線最核心的技術之一
鋼帶運行且該工位鍍槽內有料片進入后PLC向整流器發送啟動命令鋼帶停止或該工位鍍槽內沒有料片時PLC向整流器發送停止命令該工位鍍槽內料片電鍍面積發生變化時PLC向整流器發送電流電壓設置命令及時調整輸出電流值通過發送模式設置命令可以切換整流器的控制模式選擇穩流控制或穩壓控制PLC發送狀態查詢命令整流器將返回當前電流電壓輸出控制模式等參數如電流電壓值超出設定范圍將觸發報警事件
整流器的控制包括啟停控制電流電壓調節模式切換輸出狀態輪詢等由于鍍速達到8m/min料片在很短的時間內即可完成鍍覆因此整流器的實時響應能力對料片鍍層的一致性至關重要
2.5溫度控制
在各工位的儲槽中設置聚四氟乙烯加熱管配套溫控模塊和Pt100組成溫度自動控制系統采用ON/OFF模式控溫并且設置了液位保護裝置當溶液高度低于設定值時液位保護報警同時斷開加熱防止液位太低干燒加熱管至損壞在烘干工位和熱水噴淋工位采用PID模式控溫
2.6故障停機
生產線運行過程中實時監控各工位溫度電流電壓值超出工藝設定范圍則觸發報警事件并停機低液位卡料等傳感器信息也觸發停機報警料片因故散落在鍍槽中可能導致后續料片的堵塞系統必須及時檢測出料片的散落工位并觸發停機報警如圖6各個工藝槽位的進出口位置分別設置接近檢測開關并在程序中設置FIFO隊列模擬料片進出鍍槽的過程鋼帶上旋轉編碼器的脈沖信號執行插入操作將入口處傳感器的狀態寫入FIFO隊列中同時將隊尾刪除比較隊尾記錄的料片有無信息一旦和出口處傳感器的檢測狀態不符則判斷有料片散落在鍍槽中起到掉片檢測的功能
2.7現場總線Devicenet
DeviceNet是具有優良施工性能的一種現場網絡覆蓋廣闊的應用領域從傳感器層到元件層直到控制器層各種控制器件如PLC機器人傳感器和傳動器能容易地連接到一個單獨的網絡中這樣就能夠在設備和生產線的設計制造安裝調試維護等各個制造現場的環節上降低成本同時節約時間通過到主站網絡的無縫連接能向客戶提供PLP和SCM對策的進一步的附加值
隨國界概念在制造業中的不斷消失世界上有了通過標準化來簡化配線工作減少配線時間和提高配線精確性的需求DeviceNet因為符合國際IEC標準和其它地方性和行業團體標準已經有了這個無國界時代的制造行車所需要的標準化例如在世界上任何地方采購電纜時你只需要采購DeviceNet專用電纜即可用DeviceNet可以節省大量時間因為在生產現場建造設備或組裝線時不再需要進行特殊配線規劃的特殊培訓或詳細的手冊就能在不同國家或不同層次的工程師之間進行有效溝通DeviceNet也是第一個通過了中國國家標準的多廠商網絡
DeviceNet是能夠將PLC電腦傳感器驅動系統等各種控制設備簡單地進行相互連接的開放式現場網絡使用DeviceNet不僅能夠通過節省配線來降低配線成本及維護成本而且由于能夠連接不同廠家的DeviceNet兼容設備因此設備的選擇范圍較廣能夠構筑舒適且更經濟的系統具有的特點
（1）節省配線使用專用電纜可進行T分支及支線分支等自由配線有助于縮減現場的配線成本及維護成本
（2）多廠商網絡由于通信規格開放化因此能夠連接國內外不同廠家的DeviceNet兼容設備利用元器件及各種傳感器等的組合能夠支持現場級的各種應用程序
（3）遠程I/O通信和報文通信DeviceNet不僅能夠進行遠程I/O通信還能夠進行報文通信可通過報文通信進行設備的設定及監控
（4）DeviceNet對設備外形進行了定義因此保證了多廠商環境下設備的兼容性和可更換性
（5）在CPU單元和從站（不需在CPU單元中編程）之間進行自動數據傳送的遠程I/O通信
（6）使用特殊指令（IOWR和CMND）報文信息可以在裝有DeviceNet單元的其他CPU單元發送讀/寫報文及控制操作
此外根據子協議數據利用配置器能夠很簡單地進行各種設備的參數設定和監控
3電氣控制的關鍵技術
3.1溶液溫度的ON/OFF模式控制
使用ON/OFF控制首先要設定一個設定點在反向操作時達到設定值時溫度控制器將控制輸出轉為OFF控制輸出關斷時系統溫度將開始降落當系統溫度降到低于設定點時控制輸出將重新轉為ON這種ON/OFF操作是圍繞設定點反復動作的
控制靈敏度設定決定在控制輸出重又轉為ON之前系統溫度降落到低于設定點多遠控制操作設定決定單元是用正向操作（冷卻）還是用反向操作（加熱）用正向操作操作量隨PV增加而增加對反向操作操作變量值隨PV增加而減小
ON/OFF控制中ON和OFF切換產生一個穩定的遲滯環遲滯環的寬度稱作控制靈敏度
3.2烘箱溫度的PID控制
PID是比例（P）積分（I）微分（D）之意標準PID的控制值是與偏差（設定值與實際值之差）偏差對時間的積分偏差對時間的微分三者之和成正比
使用自動調整功能（AT）自動計算設定點運行的最佳PID常數溫度控制單元使用有限周期法通過強制改變操作變量來測定控制系統的特性
3.3高壓水壓力的PID控制
實現高壓水壓力的PID控制對有關參數作合理選定是重要的PID控制參數多是先確定采樣周期T再比例系數K然后為積分常數Ti再就是微分常數Td而且這些參數選定多都是在憑經驗在現場調試中具體確定一般是先取一組數據將系統投運然后對系統人為加一定擾動如改變設定值再觀察調節量的變化過程若等不到滿意的性能則重選一組數據反復調試直到滿意為止
4結束語
本文在闡述了高速自動電鍍線必要性的前提下簡單介紹了設備的整體組成,工作原理和技術難點通過對電鍍電源的控制要求及控制方法作分析提出了影響鍍層質量的關鍵因素即通信協議宏的執行調度這一關鍵因素
采用分組調度算法對通信協議宏的執行順序進行改進有效地提高電鍍電源的響應實時性同時通過實驗得到了驗證
參考文獻略
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