第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
通讯连接器压接技术（Press Fit Pin Technology，PFPT），又称适度压入技术[1,2]。它是一种无焊锡的连接方式，能够实现通讯连接器与印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）基板之间的机械、电气的稳定连接[3,4]。压接技术起源于二十世纪七十年代，起初的目的就是将一个截面形状为矩形的金属插针插入到PCB 基板的金属化通孔（Plated Through Hole，PTH）中，从而形成紧密的机械配合和电气配合[5,6]。经过几十年的发展，如今压接技术已经发展成为一种被广泛接受和应用的无焊锡连接技术，常用于通讯、军事和汽车行业，具有很高的可靠性和可维护性。由于不同行业的连接器在外形尺寸、性能参数的要求不同，本文中将只研究通讯行业中压接技术的应用，图 1-1 为通讯连接器的一个典型的压接作业工序。PCB 基板和通讯连接器通过压接工序组装在一起，形成一个有机的整体叫做通讯背板。传统背板包括混装板、单面压接板、双面压接板。近年来又出现了一些新型背板，包括埋/盲孔多层板、光导背板、线缆连接背板[7]等。目前工程领域中传统背板的使用量较多，例如图 1-2 所示的一款双面压接板。 在大型的通讯设备中，一般采用连接器将几块或几十块通讯背板组合起来形成有机的整体。早期的通讯背板加工行业中，连接器与 PCB 基板的连接多采用焊锡连接技术。压接技术是从传统的焊锡连接技术发展而来的，传统的焊锡技术难以避免电路短路、焊点虚焊等问题，对产品的质量带来危害。近年来水洗、半水洗、特殊溶剂清洗和免清洗技术被应用到焊接加工工艺中，用来清除焊接件的表面残留物质。虽然免清洗焊接技术能够减小生产周期、减少生产废料、节约原料消耗以及延长设备保养期，但是它却会降低产品的焊接品质。其他三种清洗技术也不能完全去除表面残留导污染物质[8,9]，给产品的长期使用稳定性带来隐患。 在这样的契机之下，压接技术发展起来了。在通讯连接器的压接作业中利用压接技术，不但可以减少装配时间，很适合进行批量作业生产，而且能够满足高密度化和小型化的要求，具有非常高的生产柔性和可靠性。
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1.2 国内外研究现状
从上世纪的八十年代开始，压接技术应用于 PCB 电路板的加工中。最早的压接工序是简单的利用具有过盈尺寸的插针插入 PCB电路板上的通孔中以防止焊件在焊接时发生脱落来实现的。改革开放以后，特别是二十一世纪以来，印刷电路板技术得到了飞速的发展[12]。伴随着 PCB 技术的发展，压接技术也发展起来了，多层堆叠技术也开始应用于压接工序中。经历了多种形式的发展，压接技术最终成为今天所用的一种被广泛接受和使用的无焊锡连接技术，它被用来将一个接插件插头链接到一块 PCB 板上，具有很高的可靠性、连接安全性和操作方便性。 压接式连接，简单来讲就是把一个具有过盈尺寸的插针压接插入到 PCB 基板上的通孔中形成过盈配合。过盈配合的基本要求是插针的配合部分的直径要稍大于通孔孔径大小，这也意味着在压接插入过程中插针和通孔的配合部位会产生弹性变形和塑性变形，弹性变形产生的弹力及摩擦力会保持插针与通孔之间的过盈配合长期有效。目前的工程领域中常用到的压接式插针有两种：硬性插针，压接插入 PCB 通孔过程中不会产生变形；柔性插针，压接插入 PCB 通孔时会变形。其中，柔性插针更加适用于压接式连接技术中，而硬性插针更适用于多层 PCB 电路板的顶端的机械、电气连接。在压接技术中，利用柔性插针进行压接作业比利用硬性插针技术有很多优势： （1）柔性插针压接插入过程中，插针的配合区会因塑性变形和弹性变形而产生收缩，从而可以避免因过度变形而对 PCB 电路板通孔电镀层产生破坏，进而保证了电路板通孔与其他电路之间通讯的可靠性。（2）使用柔性插针可以增大 PCB 电镀通孔的加工公差范围，从而降低了生产成本。（3）减小了压接插入力。（4）允许在同一个通孔上进行多次插、拔操作，给后期连接器的更换、维修带来了便利。
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第 2 章 压接机运动控制系统的设计
2.1 压接机总体控制方案设计
通讯连接器全自动压接机的全部设计方案分为机械结构系统设计和控制系统设计两个部分，本文将针对控制系统进行设计研究。这里为了便于说明，对机械结构系统进行简单的介绍。整个全自动压接机的结构如图 2-1 所示。该全自动压接机拥有四个运动轴：X 轴、Y 轴、Z 轴和旋转 Φ 轴。其中，X轴和 Y 轴通过直线电机进行驱动，Z 轴和 Φ 轴通过伺服电机进行驱动。图 2-1标注了 PCB 传送带位置，没有画出具体结构。其他需要控制的执行元件包括传送带步进电机、轨道调节步进电机及气缸等。 本文中的控制系统采用了开放式的控制结构，具有模块化、可扩展、可互换等特点。如图 2-2 所示，整体控制系统是以工业 PC 作为核心，包括运动控制系统、图象识别系统和压力采集系统三个部分。 运动控制系统是整体控制系统的“手”，负责实现各个运动轴的目标位置的运动。运动控制系统主要包括基于Visual Basic的上位机运动控制程序、PARKER ACR9000 独立式运动控制器、雷赛 DMC2410B 运动控制卡、雷赛 DMC1000B运动控制卡、PARKER R 系列直线电机和松下 A5 系列伺服电机等[27,28]。
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2.2 运动控制系统方案设计
经过分析压接机整体控制方案的设计要求和实际的生产效率，可以得出以下设计准则： （1）运动控制系统必须能够实现四个轴的运动，包括水平方向 X 轴、水平方向 Y 轴、竖直方向 Z 轴、绕 Z 轴的旋转轴。 （2）因为水平方向 X 轴的运动负载为 330 kg，Y 轴的运动负载达到近 0.8吨，定位误差小于 0.05 mm，水平运动最大加速度达到 0.5 g，最大运动速度达到 1 m/s，所以水平方向两个运动轴不能采用滚珠丝杆传动机构，只能选择高精度直线电机驱动方式。 基于以上设计准则，本文设计了开放式的运动控制系统。通讯连接器全自动压接机的运动控制系统分为 3 个部分，如图 2-3 所示，利用 PARKER ACR9000独立式运动控制器来控制 X 轴和 Y 轴的运动，其中 X 轴采用直线电机和直线导轨的驱动方式，Y 轴的机械结构是采用龙门架的结构，利用两个直线电机同步驱动。采用中高端的雷赛运动控制卡 DMC2410 来控制 Z 轴和 Φ 轴的运动，采用低端的雷赛运动控制卡 DMC1000 来控制传送带轨道的三个步进电机。
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第 3 章 X 轴与 Y 轴定位精度的控制研究 ......... 26
3.1 系统误差的插值补偿 ......... 26
3.1.1 插值补偿的有效性分析 ...... 26
3.1.2 插值补偿的激光干涉法原理 ...... 27
3.1.3 插值补偿的实现方法 .......... 28
3.2 随机误差的反馈补偿 ......... 30
3.3 本章小结 ..... 33
第 4 章 自动压接工艺的控制研究 ...... 34
4.1 自动压接工艺 ..... 34
4.2 压接压力测量原理 ..... 35
4.3 自动压接压力数据采集系统 ..... 37
4.3.1 压力传导机构的机械结构 .......... 37
4.3.2 压接压力采集系统 ...... 38
4.3.3 基于 LabVIEW 的压力采集软件 ....... 38
4.4 本章小结 ..... 41
第 5 章 基于蚁群算法的压接作业路径优化 ...... 42
5.1 蚁群算法 ..... 42
5.2 压接作业中的旅行商问题 ......... 43
5.3 压接作业路径优化实验 ..... 45
5.4 本章小结 ..... 49
第 5 章 基于蚁群算法的压接作业路径优化
5.1 蚁群算法
蚁群算法（Ant Colony Optimization，ACO）起源于 1991 年，是从观察自然界中蚂蚁群体寻找食物时能够发现最短路径而发展起来的[31,32]。蚂蚁在觅食的过程中会在其行进的路线上留下一种会挥发的化学物质-信息素，信息素的浓度与路线长度成反比，并且每个蚂蚁都能感知到周围信息素的浓度，总是朝着信息素浓度大的方向移动。这样，整个蚂蚁群体的集体觅食行为就可以看作是一个信息素正反馈调节的行为。哪一条路线越短，经过的蚂蚁数量越多，则其路线上遗留的信息素的浓度越高，就会有更多的蚂蚁选择并经过这条路线，从而构成正反馈循环，逐渐逼近最优路径[33,34]。 这里用一个简单的例子来阐述 ACO 的工作原理，如图 5-1 所示。A 为蚂蚁蚁穴的位置，是蚁群出发点；F 为食物位置，是蚁群的目标点[35]。现实中总共只存在 ABCEF 和 ABDEF 两条可选路线，很明显后一条路线是最优路径。假设在时间 t=0时，分别有 24 只蚂蚁在 B 点准备出发和 E 点准备返回，此时各个节点线段上均信息素浓度均为 0，每只蚂蚁按照概率论规律随机选择路线，则从 B 点出发的蚂蚁将分别有 12 只向 C 和 D 行进，从 E 点出发的蚂蚁将分别有12 只向 C 和 D 行进。已知蚂蚁的行进速度为 1，时间 t=1时，在 B 点和 E 点又分别有 24 只蚂蚁准备出发，此时 BC、BD、EC 和 ED 之间信息素的浓度比为1:2:1:2，蚂蚁将根据各个节点线段之间的信息素的浓度比选择行进的方向，于是从 B 出发的蚂蚁将有 16 只向 D 点行进，8 只向 C 点行进，从 E 出发的蚂蚁将有 16 只向 D 行进，8 只向 C 行进。以此方式进行下去，最终所有的蚂蚁将选择最短的那条路线。
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结 论
本文针对通讯连接器压接过程中的定位精度高、压接压力量程大、压接压力精度高等要求，综合分析了压接技术和压接机设备的发展现状，提出了全自动压接机的整体控制方案，搭建了运动控制系统，研究了压接机水平面的定位误差的控制，深入研究了自动压接的控制，并基于蚁群算法对压接作业路径优化进行了研究。结合实际的工程项目，本文的主要研究成果如下：
（1）针对通讯连接器全自动压接机的设计要求，提出了具有开放式控制结构的四轴运动控制方案，搭建了直线电机的闭环控制系统。针对直线电机控制，建立了直线电机 PID 闭环控制模型，并利用了双驱动同步控制策略，实现了直线电机控制的高精度和高实时性。最后，基于 Visual Basic 编写了上位机控制软件，实现了工艺流程的控制和跨软件平台的信息通讯。
（2）针对压接机水平面内定位精度问题进行研究，提出了 “插值+反馈”误差补偿控制方案。针对系统误差，利用激光干涉法原理，设计了系统误差插值补偿系统，针对随机误差，利用图像识别 MARK 点法进行反馈补偿，经实验验证，提高了定位精度和压接作业的成功率，实现定位精度小于 10 μm，压接作业成功率大于 99%。
（3）针对压接工艺的控制问题，提出了一个巧妙的压力测试方案，搭建了基于 LabVIEW 和惠斯通电桥法的双通道压接压力监测系统，实现了压接压力的实时监测、压力上限报警、插针弯曲报警等功能。
（4）利用蚁群算法进行压接作业路径优化，通过模拟仿真实验，对于连接器数量 50 左右的通讯背板，压接作业路径缩短 15%以上，而且随着连接器数量的增多和位置不规则程度的提升，优化效果明显，提高了生产效率。
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参考文献(略)