SMD贴装设备结构种种之比较--电子技术资料

SMD贴装设备结构种种之比较

A Comparison of SMD Placement Machine Concepts 1．引言 SMT组装厂在投资判断新贴装设备的能力时，设备的制造成本（COP）及适应性是两个重要因素。目前，SMD贴装设备类型众多，令人迷惑。本文通过SMD贴装设备结构的特征，制造者能正确判断在特定生产环境的设备能力，并对不同类型贴装设备在各种应用要求的适应性进行比较。 2.贴片机的基本结构 2.1X-1，Y-1，Y-2结构 X-1，Y-1，Y-2三种结构十分类似，Y-2是两台Y-1简单安装在一个基座上。上述三种结构的贴片基本构件有：单个或双架空梁架上装有多个贴装头，现在大多数设备在吸持与贴装之间配置‘飞行对中’（On-the-fly）光学视觉检测系统。梁架的两边配置安装送料器件装载量不受限制的优点。吸持与贴装操作同时进行，又节省为器件对准梁架的运动，提高了系统SMD的贴装产量。 PCB单向传动轴的运动与梁架伺服系统增强了贴装精度，Y-1建成通过式或T形结构，可与SMT流水线灵活组合。这种结构的缺点有：相对长的梁架行程对贴装产量起到负面影响，中贴装过程中，PCB的运动对板上先巾SMD器件上施加一个加速度力。对小型尺寸器件贴装对准吸持，必需配置智能电动送料器。华夫盘送料器需要配置往复梭或行列检拾装置。设备占有生产场地面积较大。Y-2贴片机，需要两边进行操作。Y-1贴片机在同一个导轨上安装两个往复梭装置为避免碰撞及Y-2贴片机复杂的PCB装载都会给贴装时间带来损失。 2.2转塔结构塔结构是高速贴片机（Chipshooting）最常见的一种贴片机结构。在理想条件下，这种结构贴片机的SMD贴装产量达到40cph. 设备通常配置12-24个贴装头，每个贴装有3-6个吸嘴，能在飞中（On-the-fly）更换。从运动的送料台上吸持器件，同时在转塔的相对面贴装器件。PCB固定在X/Y轴向运动将PCB对准需要贴装的位置。器件吸持检查，器件予旋转，视觉检查，对准最种旋转定向定位等操作都同时发生在器件吸持与器件贴装之间。有些转塔结构贴片机配置一种组合送料器库，能向贴装头送给铁装器件，同时，装载区快速更换送料器。转塔结构贴片产量的理论数据与实际存在很大差别。这是因为贴装产量受到转塔的移位与PCB运动双重影响，而后者在大多数情况是决定因素，PCB变换时间相对长，大约为3-5秒左右。大尺寸器件贴装也限制了贴装产量。贴装精确度受到在贴装过程中，PCB的运动对板上先贴SMD器件上施加一个加速度力以及送料器装载台运动带来振动的影响。转塔结构贴片机不适用华夫盘送料盘。小尺寸器件吸持位置校准只能使用智能送料器才有可能。因送料器装载台的运动，转塔结构贴片机的占了空间较大。 2.3单梁结构-2，-2 这是一种最简单，低成本的贴片机结构，不适用于短周期开发型的SMT线。这种结构分别装有一个或两个机械手，设备安装占地面积小，贴装产量大约在10kcph. 首先，梁架结构机械手配置多个贴装头，以X/Y轴向平面运动，同时贴装头能以Θ角度转动，Z轴向高度升降。大多数单梁结构贴片机贴装头采用滚珠轴套组单导轨X轴向驱动（T驱动方式），或者为了高精度贴装也采用双导轨线性伺服系统X轴向驱动（H驱动方式）。器件吸持校舍准由机械手与器件对准模块在器件吸持与贴装之间进行，器件对准模块安装在设备的两边。PCB传送系统安装设备的中央，PCB的固定采用边沿夹持或定位销。] 根据需要一种柔性结构设计，在器件吸持贴装同时，吸嘴在飞行中（On-the-fly）进行变换，适配不同摄像机及多个真空负压轴管。在送料器装载区装容大量不同规格的送料器及送料车，也可配装各种华夫盘或异型松料器，为提高贴装产量，提供成组吸持及补充送料器等功能。设备的贴装精度因PCB固定PCB及送料器得到改进、缺点是PCB变换时间相对较长，大约2-3秒。单梁结构贴片机可两边进行操作。单梁结构可增装第二个机械手，在设备上对第二PCB进行器件贴装，在不同的送料器组并行吸持器件，同时在不同的PCB上贴切装器件。虽然这种配置能提高每平方米设备中用场地的贴装产量，但因两次贴装器件，许多供给的器件码被减少，PCB的两次夹持延长传送时间，在贴装过程中，加速度力对先贴器件位置的影响，贴装精度受到吸持及贴装的复杂性限制。 2.4双梁结构-1-2 双梁结构的机械手共享设备工作区PCB上同一空产间，一个机械手在吸持器件，同时另一个机械手在贴装器件，设备仅对贴装头的贴装工作量平衡及避免贴装头同步运动造成碰撞所付出很小的代价，几乎可达到双倍的贴装磁量，由于第二个机械手的运动操作会产生振动对贴装精度。双梁结构贴片机的优缺点与单梁结构相同，双梁结构的两个机械手共享一个设备基座，传送系统及控制系统，设备的贴装成本就减少。双梁结构-2的PCB传送系统可分为两部分，每个部分能在X/Y轴向移动PCB的位置，PCB进入设备后被夹持固定，然后朝前后机械手方向移动，以尽可能减少器件吸持与贴装压制距离。因为两个机械手有其独立的茶花簪，两者的碰撞是不可能的。这种结构能得到高达40kcph的贴装产量，具有单梁结构的优点，但存在PCB的传送系统的复杂性及费时较多，第二个机械手的运动操作振动降低器件贴装精度。 2.5集拾/贴装结构-1，-2 每台贴片机安装两个机械手，每个机械手装有一个旋转贴装轮，配置多个真空吸嘴的负压轴管吸嘴。当个机械手的旋转贴装轮依次吸持拾取器件时，另一个则贴装器件，由于多个吸持位置，在器件吸持与贴装间的运动时间较长。在单梁或双梁结构贴片机的多个真空吸嘴也能实现时间共享。实际上，许多双梁结构贴片机，，在梁上装有多个贴装头，也可认为是一种集拾/贴装结构的贴片机系统。这种结构提供许多双梁结构的优点；共享一个设备基座，传送系统及控制系统，设备每平方米占有场地的贴装成本就减少。然而，避免碰撞及振动影响器件贴装精度。装有径向吸嘴的贴装信纸容易损坏，吸嘴更换只能一个一个进行。贴装轮的换位运动。在吸嘴顶端增加额外的加速度力，减少了贴装产量，贴装头的垂直高度也限制器件封装高度（最高为6mm）。由于真空吸嘴数量有限，实际贴装产量小于理信纸值。设备深度产生一些问题。 -2结构与-1结构贴片机相同，只是配置双份机械手装置，每对机械手可看成一台独立的SMD贴片机。 2.6多头吸持/贴装结构（MPP）若干块PCB依次排列装载在传送系统上，并以相同的移位行程同步进行换位，贴装机械手安装在贴片机的长轴向，每个机械手配置单个吸嘴的贴装头，贴片机的前部安装一定数量的送料器，器件被吸持后，各机械手进行激光对准，移动器件到PCB上相对应的贴装位置。这种结构的贴片机采用多个贴装机械手并行操作。实现器件与贴装并行完成。整个PCB贴装区分为多个移位工序，没有PCB的传送时间而增加器件吸持贴装时间。PCB与送料器是固定的，不必以增加速度，而是通过来提高贴装产量。MPP结构可高精度贴装器件。设备安装占有场地小，贴装产量可达120kcph. 在设备不停机条件下，可补充送料器，及最少的待工时间，能更换有故障的贴装机械手，因此这种结构低制造成本适用于大批量生产。MPP结构的贴装产量最高可达35kcjph。所以制造厂只要较小投入，生产量就可增加，而与贴装机械手相关的COP保持稳定。当然MPP结构并非没有缺点，送料器的数量关系到设备的贴装机械手，这样配置就与贴装产量相关。而且PCB板上的器件布局对贴装产量也有影响。华夫盘送料器不能使用。使用复盖器件封装类型宽的真空吸嘴，但在贴装机械手上没有吸嘴变换装置，吸嘴的配置显得不足。因PCB的器件贴装需要分几个工序区，所以新PCB的贴装准备较麻烦费时，可使用智能化校准技术，但与贴装工作区只有一块PCB相比，校准仍较复杂。 3．SMD贴装设备结构分析为了对每种SMD贴装设备结构分析，对每台设备采用同样的参数建立一个时间模型。由这个时间模型就可以对不同贴片机的贴装产理进行比较，分析系统参数变化对产量的影响。本文建立时间模型的系统参数如下所列： ◆真空吸持轴管伺服运动：Amax=20m/s²,Vmax=1.5m/s,A dot=1000m/s³ u PCB伺服运动：Amax=7m/s²,Vmanx=0.75m/s,A dot=1000m/s³ u 吸持时间：60ms/每个器件 u 贴片时间：60ms/每个器件 u PCB宽度：500mm u 送料器宽度：16mm u 每台设备送料器数量：100 u PCB传送时间：2s u PCB对准时间：2s u PCB器件贴装数量：200 u 参数变量：贴装头（真空吸持轴管）的数量，相近器件贴装间的距离。Amax,Vmax 4．贴装产量时间模型测试结果 4.1X-1结构贴片机每个往复梭的贴装头多少明显影响贴装产量。Amax,Vmax的影响不明显。这主要是Vmax只对器件吸持与贴装间的长行程有利，而在器件吸持与贴装期间，Vmax没有达到。高Vmac值也只是部分作用，这是为了防止在PCB板焊膏图形上的先贴器件移位，降低Amax的允许值。当贴装头数量级大于8时，因共享时间减少，贴装数量曲线呈平坦趋势，此时，各别吸持与贴装时间成为主要的因素。 4.2Y-1结构贴片机 Y-1结构贴片机与X-1比较，Y-1结构采用T型传动方式，其贴装产量小于X-1结构，这是由于PCB送入/送出的时间较后者长所致。 4．3转塔结构贴片机转塔结构贴片机理论贴装产量，由于真空吸嘴上径向加速度的最大允许值而受到限制。吸嘴上的器件承受加速度矢量力的作用。此矢量力是离心力（m w2*R）和切向力（m*wdot*R）两者的合力，这个合力作用在器件上和器件与吸嘴端面间的磨擦力保持平衡。此磨擦力受到吸嘴端面吸力及器件/吸嘴两者间磨擦系数制约。实际上，器件与吸嘴间最大允许加速度，常规为50M/s².所以需要高贴装产量，转塔的直径应减小。制约转塔结构贴片机贴装产量另一个因素是：PCB板上先贴器件允许的加速度最大值。通常此值为7-10M/s². 转塔时间模型图有三个时间确定周期： ◆转塔移位运动加速限制 ◆PCB运动加速限 ◆送料器移位运动限制，取决于为成功吸持必需的两个送料器间的变换。这三个时间周期中，最长的周期是转塔结构贴装产量的制约因素，PCB板上两个贴装位置间捉耿30mm，会造成贴装产量降低50%。大尺寸封装，体积重的器件也会减少贴装产量。这是由于贴装此类器件是在全部小尺寸器件贴装完成后，贴装周期的终端才进行贴装。 4.4单梁架结构贴片机每个梁架配置若干个贴装头对贴装产量最明显的影响。Amax,Vmax的影响并不重要。高Vmac只对器件吸持与贴装间的长行程有利，而在器件吸持与贴装期间，Vmax没有达到。当贴装头数量大于8时，因共享时间减少，贴装数量曲线呈平坦趋势。此时，各别吸持与贴装时间成为主要的因素。 4.5双梁架结构片机双梁架结构贴片机的贴装产量可近似单梁架结构的两倍，但为了避免两个梁架间的碰撞，产量略小一些。双梁架结构的典型特征，为平衡两个梁架间的运动以避免碰撞，贴装产量略为减小。 4.6集拾/贴装结构贴片机集拾/贴装结构贴片机的贴装产量与集拾转轮配置的真空负压轴管数量有关，真空负压轴管数量超过一定值，贴装产量呈平坦趋势，最大值为12个。 4.7多头吸持/贴装结构（MPP）贴片机多头吸持/贴装结构（MPP）贴片机的时间模型可与单梁架配置一个贴装头的结构比较。每个机械手对应的送料器只有6-10个，所以被吸持的器件类型受到限制。器件吸持与贴装区的距离也受限制，这样影响了贴装产量PCB送入/送出及定位对准所需的时间没有包括在整个贴装时间内，因为设备这些操作与器件吸持及贴装时间并行。每个机械手的贴装产量达5-7kcph. 多头吸持/贴装结构（MPP）贴片机的贴装产量是每个模块的产量乘上安装在该系统机械手的数量。这种模块化结构设计，用户能根据生产量大小配置贴装机械手的数量，使其相匹配。模块组合的设备对贴装产量有正面影响。与转塔结构及集拾/贴装结构贴片机比较，多头吸持/贴装结构（MPP）贴片机的贴装成本是最低的，这是因为MPP结构由两部份组成；其一，固定部份包括设备的基座，PCB传送系统，控制系统，PCB视觉检查系统等；可变部份包括贴装机械手，送料器及真空吸嘴。 MPP结构贴片机能允许较小的投资增加贴装产量，其制造成本曲线（COP）平直。而其他设备如转塔结构，集拾/贴装结构必须对设备作大的投资（整个设备的改进），由此导致高高等成本（COP）。在低贴装产量等于或小于35kcph以下，单梁架结构及双梁架结构制造成本良好。而在磊小此值时，转塔结构，集拾/贴装结构及多头吸持/贴装结构（MPP）贴片机的贴装成本是最好的。 5．结论综上所述，PCB固定式结构的贴片在贴装过程中，PCB固定不动，具有下列优点： ◆对PCB先贴器件无加速度影响，具有更好的贴装精度。但随着电子产品的不断小型化，贴装精度将继续是贴片机的重要因素之一。 ◆高贴装产量也是重要因素之一，因PCB上的先贴器件移位问题，所以贴装产量没有限制。满足上述要求的贴片机有：单梁架结构，双梁架结构，集拾/贴装结构，MPP结构贴片机。模块化结构设计的贴片机提供设备投资与贴装产量之间的最好匹配，低成本限定贴装增量的贴片机，例：单梁架结构及双梁结构贴片机实现模块化，必须多台贴片机排列成流水线，这样需要更多的占地面积及操作人员。所以MPP结构贴片机显示贴装产量高于35kcph，最低制造成本）（COP），模块结构的MPP贴片机因低MTTR具有最高的设备机械能力。送料器与操作人员在贴片机的同一面操作，可减少设备安装占地面积及操作人员。贴片机结构的优选必须考虑贴装产量这个重要因素，这可以通过尽量减少传动部件的运动距离，辅助动作如PCB送入/送出及视觉检查与器件贴装操作并行，不需要附加贴装时间。真空吸嘴的适用性，快速变换装置如PCB定位销固定方法。 MPP结构贴片机为SMT的发展提供进一步升级能力。

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