淺析貼片機(jī)國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵技術(shù)

李鑒明

摘 要：表面貼裝技術(shù)（Surface Mount System）是評(píng)估電子加工行業(yè)技術(shù)水平的重要依據(jù)。貼片機(jī)是一種高精度的機(jī)電一體化設(shè)備，是靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)將電子元器件從供料器中吸取出來并經(jīng)過校準(zhǔn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)中調(diào)整后貼裝到電路板（PCB）上的。由于貼裝元器件微型化和差異化及貼裝技術(shù)對(duì)速度和精度的要求，必須采取多種精密而高端的機(jī)電一體化技術(shù)，才能達(dá)到機(jī)器生產(chǎn)和使用要求。作為SMT生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，外國(guó)生產(chǎn)商一直壟斷著貼片機(jī)市場(chǎng)，價(jià)格相當(dāng)高昂，因此貼片機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化是我國(guó)發(fā)展的終極目標(biāo)。當(dāng)前我國(guó)的貼片機(jī)技術(shù)發(fā)展日趨成熟，該文將圍繞貼片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：貼片機(jī) 表面貼裝技術(shù) 機(jī)電一體化

中圖分類號(hào)：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（b）-0087-01

我國(guó)作為電子加工行業(yè)的第一大國(guó)，表面貼裝技術(shù)的先進(jìn)與否直接影響著生產(chǎn)的效率與質(zhì)量。而貼片機(jī)是SMT中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的集光/機(jī)/電一體化的設(shè)備，一般情況下表面貼裝設(shè)備占整條SMT生產(chǎn)線總投資額的60%以上，生產(chǎn)線的效率與質(zhì)量主要取決于設(shè)備的快與慢，好與壞。目前，我國(guó)貼片機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)正在逐步與國(guó)際先進(jìn)水平接軌。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：機(jī)械運(yùn)動(dòng)技術(shù)、工控機(jī)與信息處理技術(shù)、視覺檢測(cè)與傳感技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等。

1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)技術(shù)

在SMT生產(chǎn)工作中，因?yàn)橘N片機(jī)高速運(yùn)動(dòng)，以及被抓放的元器件尺寸微小，所以主要執(zhí)行部件要求微型化和高速化。貼片機(jī)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的要求有以下幾點(diǎn)：（1）微型、精密化、高精度機(jī)械零件設(shè)計(jì)制造與裝配技術(shù)；（2）運(yùn)動(dòng)機(jī)械快速響應(yīng)、低損耗、高效、精密定位機(jī)構(gòu)復(fù)合傳動(dòng)技術(shù)；（3）高精度、智能化高速度貼片頭技術(shù)，貼裝頭是貼片機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了使貼片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定并達(dá)到精度要求，貼片機(jī)通常采用滾珠絲杠副傳動(dòng)。依據(jù)貼片機(jī)的類型導(dǎo)軌可以選擇整體式導(dǎo)軌或活動(dòng)式導(dǎo)軌。新型的SMT設(shè)備正從傳統(tǒng)的單路印制PCB輸送向多路印制PCB的輸送結(jié)構(gòu)發(fā)展，貼裝頭在向多吸嘴結(jié)構(gòu)和多吸嘴聯(lián)動(dòng)方向發(fā)展。

2 工控機(jī)與信息處理技術(shù)

由于伺服控制對(duì)工控機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格，同時(shí)SMT設(shè)備需要具備多任務(wù)同步處理的能力，如在線編程、多任務(wù)界面以及實(shí)時(shí)工作等。因此，需要為SMT設(shè)備建立并行處理的實(shí)時(shí)多任務(wù)控制模型，其運(yùn)行于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)上，作為控制SMT的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。信息處理包括信息的存取、交換、運(yùn)算、判斷和決策等，計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具。信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用是促進(jìn)貼片機(jī)發(fā)展及機(jī)電一體化技術(shù)的最活躍因素。貼片機(jī)的控制都是由計(jì)算機(jī)來完成的，一般采取二級(jí)計(jì)算機(jī)控制：每一臺(tái)貼片機(jī)都有自身的一套控制軟件，達(dá)成對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的操控；主控計(jì)算機(jī)采用軟件實(shí)現(xiàn)編程和人機(jī)接口。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，windows操作系統(tǒng)已完全取代了DOS、OS2等平臺(tái)，這使得貼片機(jī)的操作更加可視化、智能化。貼片機(jī)的智能水平已得到了巨大提升。

3 視覺檢測(cè)與傳感器技術(shù)

視覺檢測(cè)與傳感器技術(shù)的研究方向是傳感器及其信號(hào)檢測(cè)裝置，大力展開視覺檢測(cè)與傳感器技術(shù)的研究對(duì)發(fā)展機(jī)電一體化技術(shù)具有相當(dāng)重要的意義。因?yàn)闄C(jī)器視覺在增強(qiáng)可檢測(cè)性、提高檢測(cè)精度等方面的先進(jìn)性，所以隨著機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)水平的提升，機(jī)器視覺在SMT元件、SMT產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。如今，基本所有高精度貼片機(jī)系統(tǒng)中都帶有定位用的視覺子系統(tǒng)。利用這些子系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)原始位置信息并進(jìn)行處理，得到計(jì)算機(jī)需要的反饋信息，為精密的元件貼裝提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。視覺檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)元器件的抓取進(jìn)行精確定位和校準(zhǔn)。因?yàn)楝F(xiàn)在電子元器件對(duì)貼裝精度的要求越來越高，所以在高精度微電子裝備中使用的面向表面貼裝技術(shù)的新型全視覺技術(shù)采用高精度、高速的圖像處理與特征抽取方法。此外采取視覺技術(shù)還能對(duì)貼裝IC進(jìn)行圖像識(shí)別，用于元器件分類、廢料拋除等，提高貼裝質(zhì)量與效率。機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)包含有：（1）面向貼片的高速圖像處理技術(shù)；（2）機(jī)器視覺高速識(shí)別技術(shù)；（3）照明技術(shù)等。一些先進(jìn)的貼片機(jī)的機(jī)器視覺采用飛行檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子元件的定位修正和缺陷檢測(cè)。該項(xiàng)技術(shù)具有在元件拾取、定位和貼裝過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)與定位的能力，使貼片機(jī)在保證精度的條件下，達(dá)到提高貼裝效率的目的。

貼裝設(shè)備需要高可靠、高精度機(jī)電檢測(cè)定位技術(shù)。為了讓貼片機(jī)的貼裝頭各機(jī)構(gòu)能協(xié)同工作，貼裝頭安裝著多種多樣的傳感器，它們宛如貼片機(jī)的眼睛一樣，時(shí)時(shí)刻刻監(jiān)測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀況，并能高效地調(diào)整貼片機(jī)的工作狀態(tài)。傳感器使用越多，預(yù)示著貼片機(jī)的智能化水平越高。應(yīng)用于貼片機(jī)的傳感器主要類型有位置傳感器、負(fù)壓傳感器以及壓力傳感器等。（1）位置傳感器是為了監(jiān)測(cè)各種運(yùn)動(dòng)位置的極限位置；（2）負(fù)壓傳感器監(jiān)測(cè)著負(fù)壓的變化，當(dāng)吸嘴吸不到或吸不住元件時(shí)，負(fù)壓數(shù)據(jù)發(fā)生異常，傳感器把異常信息反饋到計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)就能及時(shí)報(bào)警；（3）壓力傳感器是為了讓貼裝頭將元器件貼裝到電路板上的時(shí)候可以調(diào)節(jié)貼裝力度，避免力度過大損傷PCB或力度過小貼裝不到位。

4 自動(dòng)化控制技術(shù)

自動(dòng)化控制技術(shù)范圍很廣泛，它包括自動(dòng)控制理論、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、可靠運(yùn)行等從理論到實(shí)踐的整個(gè)過程。又因?yàn)槲⑿蜋C(jī)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化控制技術(shù)更多地與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)參合在一起，已成為機(jī)電一體化中相當(dāng)重要的核心技術(shù)。自動(dòng)化控制技術(shù)是整個(gè)貼裝設(shè)備的核心。以貼片機(jī)為例，由于元器件的貼裝速度受到PCB尺寸、所用元器件和送料器（feeder）類型等的影響，因以選擇控制技術(shù)時(shí)應(yīng)該綜合考慮到各種因素，并且優(yōu)化貼裝頭的運(yùn)動(dòng)順序與路徑等，使其在整個(gè)電路板的總行程時(shí)間最短，以達(dá)到最高效目的。由于貼片機(jī)對(duì)時(shí)間的嚴(yán)格要求以及IC引腳間距的細(xì)小化，PCB上IC的定位在高速的運(yùn)動(dòng)條件下（如直線速度最高達(dá)100km/h，加速度最達(dá)5～6g），定位精度需保持在0.1mm之內(nèi)，與其同時(shí)元器件的貼裝力度也需要嚴(yán)格控制，因此要達(dá)到速度、加速度、振動(dòng)、沖擊和貼裝力度等指標(biāo)要求，貼片機(jī)需要建立以實(shí)現(xiàn)高精度、高效減振和高速為目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制模型和制定智能控制策略。

5 結(jié)語

該文通過對(duì)當(dāng)今貼片機(jī)的分析，概括出其中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，并提出了對(duì)貼片機(jī)技術(shù)的研究方向的看法。希望通過開展貼片機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和研究，可以為貼片機(jī)開發(fā)理論的完善和發(fā)展提供基礎(chǔ)積累，為我國(guó)電子設(shè)備研制的發(fā)展提供技術(shù)支持與依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 南京熊貓電子集團(tuán)張文典.研制國(guó)產(chǎn)貼片機(jī)時(shí)不我待[N].中國(guó)電子報(bào)，2005.

[2] 鮮飛.貼片機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2007（5）.

[3] 潘長(zhǎng)開.面向精密電子貼裝的視覺關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.