貼片機(jī)核心部件貼裝頭的設(shè)計技術(shù)進(jìn)展

王劍薇，吳文鏡

（1. 中國人民解放軍空軍第一航空學(xué)院 電子技術(shù)教研室，河南 信陽 464000；2. 中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100080）

貼片機(jī)核心部件貼裝頭的設(shè)計技術(shù)進(jìn)展

王劍薇1，吳文鏡2

（1. 中國人民解放軍空軍第一航空學(xué)院 電子技術(shù)教研室，河南 信陽 464000；2. 中國機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100080）

闡述了全自動貼片機(jī)的核心部件貼裝頭的主要設(shè)計技術(shù)，即傳統(tǒng)設(shè)計、整體化設(shè)計及模塊化設(shè)計。針對模塊化設(shè)計，提出了多種單模塊設(shè)計方案。同時，指出模塊化設(shè)計、直接驅(qū)動技術(shù)是未來貼裝頭設(shè)計的主要發(fā)展方向。

貼片機(jī)；貼裝頭；模塊化；表面貼裝技術(shù)

1 貼片機(jī)及貼裝頭

我國電子產(chǎn)品制造業(yè)的發(fā)展速度較快，近年來，其平均增長速度超過20%。在電子信息產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動下，我國表面貼裝技術(shù)（surface mount technology，SMT）及其生產(chǎn)線也得到了迅猛的發(fā)展。自動貼片機(jī)是表面貼裝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其市場需求量年均增長速度達(dá)27.2%。截至2012年底，我國共進(jìn)口自動貼片機(jī)1萬多臺，交易金額達(dá)17億美元[1]。目前，我國自主開發(fā)的自動貼片機(jī)還處于試用期，市場上的自動貼片機(jī)幾乎全部依賴進(jìn)口。

SMT貼片機(jī)實際上是一種精密的工業(yè)機(jī)器人，是“機(jī)-電-光”以及計算機(jī)控制技術(shù)的綜合體。其通過拾取、位移、定位、放置等功能，在不損傷原件和印制電路板（printed circuit board，PCB）的情況下，通過視覺處理和運動控制系統(tǒng)聯(lián)合作用，將表面貼裝器件（surface mounted devices，SMD）元件快速而準(zhǔn)確地貼裝到PCB板指定的焊盤位置上[2]。貼片機(jī)的發(fā)展直接影響著表面貼裝技術(shù)的發(fā)展。貼片機(jī)在國外已經(jīng)更新?lián)Q代多次，目前，市場上大部分貼片機(jī)設(shè)備為高速高精密全自動貼片機(jī)。貼片機(jī)種類繁多，但其基本組成結(jié)構(gòu)相同，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 貼片機(jī)系統(tǒng)組成Fig.1 Components of surface mounting machine system

其中，貼裝頭是貼片機(jī)的核心部件，其完成的功能有Z向直線運動、θ角轉(zhuǎn)動、芯片吸取與放置。Z向直線運動完成芯片吸放時的上下運動，θ角轉(zhuǎn)動完成芯片的偏置校正。目前，市場上主流產(chǎn)品的貼裝速度為5 000～20 000片/h ；貼片精度為：絕對精度±0.05mm，重復(fù)精度±0.03mm，Z軸精度0.05mm；θ角轉(zhuǎn)動最小角位移為0.01°[3]。

為提高貼裝速度，目前的技術(shù)一般是將多個貼裝頭組合在一塊。表1為簡單組合頭的每個元件貼裝速度，其反映了不同頭數(shù)對貼裝速度的影響。從表1中可以看出：頭數(shù)越多，速度越快，但是隨著頭數(shù)的增加，復(fù)雜性增加，貼裝頭整體的慣量增大，影響X-Y軸的加速度與速度，對于整機(jī)的功率要求也相應(yīng)增大。目前，國外一般采用8頭或者更多的貼片頭[4]。

表1 簡單組合頭的每個元件貼裝速度Table 1 Mounting speed of each component of simple combination head

目前，該技術(shù)為國外西門子（Siemens）、雅馬哈（Yamaha）等大型企業(yè)所掌握，國內(nèi)少數(shù)公司及單位也開始研發(fā)貼片機(jī)，但是貼裝頭則完全依賴進(jìn)口。

2 貼裝頭設(shè)計技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計思路設(shè)計的貼裝頭如圖2所示，其內(nèi)含2個貼裝頭，體積較大。單電機(jī)、離合器實現(xiàn)雙頭Z向控制，單電機(jī)、同步帶實現(xiàn)轉(zhuǎn)角雙頭同時控制。該設(shè)計思路設(shè)計的貼裝頭，整體機(jī)械總成體積大，不易擴(kuò)展，貼裝速度較低。

圖 2 貼裝頭傳統(tǒng)設(shè)計Fig. 2 Traditional design of surface mounting head

2.2 整體化設(shè)計

為減小體積，提高貼裝頭數(shù)目，出現(xiàn)了一種陣列式貼裝頭[5]的設(shè)計方案（見圖3）。在該方案中，Z軸通過微型空心軸氣缸加Z軸電機(jī)實現(xiàn)，其中，Z軸電機(jī)通過絲杠帶動8軸同時進(jìn)行向微調(diào)，以適應(yīng)不同厚度芯片的貼裝任務(wù)；θ角通過一個電機(jī)進(jìn)行8軸聯(lián)調(diào)（其原理如圖4所示）；氣路設(shè)計由空心軸氣缸加上真空發(fā)生器和控制閥即可實現(xiàn)。

圖3 貼裝頭整體化設(shè)計Fig. 3 Integrated design of surface mounting head

圖4 θ角8軸聯(lián)調(diào)原理圖Fig. 4 Principle of 8-axis alignment of θ angle

這種整體化設(shè)計思路，將多軸貼裝頭系統(tǒng)作為一個整體來考慮，可降低成本，使整體機(jī)械總成體積極大減小，貼裝頭間距達(dá)25 mm，但是該設(shè)計思路增加了控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且貼裝頭無法擴(kuò)展。

2.3 模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計思路充分利用模塊化設(shè)計原理，其設(shè)計的貼裝頭如圖5所示。微型模塊化貼裝頭[6]以用戶和市場實際需求為目標(biāo)，實現(xiàn)了機(jī)械總成模塊化和控制模塊化；系統(tǒng)CANopen控制如圖6所示，該系統(tǒng)的控制通過EPOS24/1控制器實現(xiàn)，EPOS24/1控制器是一種微型全數(shù)字智能運動控制器。該控制器在CANopen網(wǎng)絡(luò)里作為從動裝置響應(yīng)主機(jī)命令，通過RS232端口與主機(jī)進(jìn)行交互，通過單一RS232 端口的CANopen 網(wǎng)關(guān)技術(shù)，可將多達(dá)127軸的應(yīng)用集成到統(tǒng)一的主機(jī)界面中。該方案采用二自由度（Z向+θ角）微型貼裝組件，整個系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制算法和相應(yīng)精確的電機(jī)執(zhí)行設(shè)備，形成完整的控制回路，控制精度高，響應(yīng)速度快，貼裝速率高，整機(jī)體積尺寸小，可靠性高；模塊化設(shè)計便于系統(tǒng)集成及系統(tǒng)優(yōu)化；采用微型扁平狀的貼裝組件，使得各吸嘴軸間距極大縮小，貼裝頭機(jī)械總成的體積及質(zhì)量極大減小。

圖5 貼裝頭模塊化設(shè)計Fig. 5 Modular design of surface mounting head

圖6 系統(tǒng)CANopen控制Fig. 6 CANopen control of SMT system

3 單模塊設(shè)計拓展

貼裝頭的模塊化設(shè)計是未來貼片機(jī)的主要發(fā)展方向，故針對SMT產(chǎn)業(yè)開發(fā)出微型、高性能的貼裝模塊是全自動貼片機(jī)發(fā)展的必然之路[7]。

圖7a為一種單模塊的拓展設(shè)計，Z向運動通過Maxon直流電機(jī)、減速箱、多頭微型絲杠傳動控制實現(xiàn)，θ角通過Maxon電機(jī)、減速箱以及齒輪傳動實現(xiàn)。整個系統(tǒng)加上真空系統(tǒng)可以完成芯片貼吸運動。該設(shè)計θ角采用半閉環(huán)控制，再加上齒輪的加工誤差，因而θ向精度稍差。圖7b為方案一（即圖7a）的改進(jìn)原理圖，Z向和θ向機(jī)械解耦，可以提高θ向的精度。整個模塊厚度達(dá)16 mm。

圖7 Maxon單模塊方案Fig. 7 Scheme of Maxon’s single module

圖8a為采用音圈電機(jī)設(shè)計的貼裝頭模塊[3]。一方面，由于音圈電機(jī)輸出力大，可直接帶動旋轉(zhuǎn)電機(jī)及輸出軸一起作Z向運動；另一方面，由于目前音圈電機(jī)成本較高，也限制了該方案的發(fā)展。圖8b為直接驅(qū)動貼裝頭模塊，這是一種二維電機(jī)模型，將轉(zhuǎn)角和Z向移動合二為一，直接對空心電機(jī)軸實現(xiàn)二自由度伺服控制[8]。應(yīng)用該二維電機(jī)進(jìn)行貼裝頭設(shè)計可以極大減小貼裝頭的體積，同時，其舍棄了復(fù)雜的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，有利于貼片機(jī)實現(xiàn)高速、高精度貼裝。

圖8 貼裝頭模塊Fig. 8 Surface mounting head module

4 結(jié)語

貼裝頭是SMT貼片機(jī)的核心部件，其性能直接影響到貼片機(jī)的貼裝速度與貼裝精度。從傳統(tǒng)設(shè)計到整體化設(shè)計，再到模塊化設(shè)計，貼裝頭的性能不斷提升，結(jié)構(gòu)日趨優(yōu)化。模塊化設(shè)計使得貼裝頭的成本極大降低，并使之具有更高的適應(yīng)性與可維護(hù)性；直接驅(qū)動技術(shù)提升了貼裝頭的性能，并且使其體積極大減小，同時更利于貼片機(jī)實現(xiàn)高速度與高精度貼裝。模塊化設(shè)計、直接驅(qū)動技術(shù)是未來貼裝頭的發(fā)展方向，兩者的有機(jī)結(jié)合將會使貼片機(jī)具有更強(qiáng)的市場競爭力。

[1] 陳 澄. 模型參考自適應(yīng)辨識方法在貼片機(jī)運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]. 蘇州：蘇州大學(xué)，2013. Chen Cheng. Application of Model Reference Adaptive Identification Method on Surface Mounting Machine Motion Control System[D]. Suzhou：Suzhou University，2013.

[2] 湯 雄，肖曙紅，田 甜. 高速高效貼片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機(jī)械與電子，2013(7)：44-47. Tang Xiong, Xiao Shuhong, Tian Tian. Design and Implementation of Control System for High-Speed High-Efficiency Placement Machine[J]. Machinery & Electronics, 2013(7)：44-47.

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[6] 北京航空航天大學(xué). 高速全自動貼片機(jī)微型模塊化貼裝頭：中國，ZL200610089576.5[P]. 2006-07-04. Beijing University of Aeronautics and Astronautics. Mini Modular Mounting Head for High Speed Automatic Surface Mounting Machine：China，ZL200610089576.5[P]. 2006-07-04.

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[8]尹告民. SMT貼片機(jī)貼裝頭雙自由電機(jī)研究和開發(fā)[D].廣州：廣州工業(yè)大學(xué)，2013. Yin Gaomin. Research and Development of Dual-DOF Motor for Mounting Head in Surface Mounting Machine [D]. Guangzhou：Guangzhou University of Technology，2013.

（責(zé)任編輯：徐海燕）

On Design Technology of Mounting Head of Surface Mounting Machine

Wang Jianwei1，Wu Wenjing2
（1. Electronic Technique Department，The First Aeronautical College of People’s Liberation Army Air Force，Xinyang Henan 464000，China；2. Science and Technology Research Institute Co., Ltd.，China National Machinery Industry Corporation，Beijing 100080，China）

Expounds the main design technologies on mounting head of surface mounting machine, including traditional design, integer design and modularization design, and proposes different design schemes of single module based on modularization design. Meanwhile points out that the modular design and direct drive technology are the main development direction of future mount head design.

surface mounting machine；mounting head；modularization；surface mount technology

TH162；TP273

：A

：1673-9833(2014)01-0022-04

2013-11-10

王劍薇（1981-），女，江西玉山人，中國人民解放軍空軍第一航空學(xué)院講師，碩士，主要研究方向為半導(dǎo)體設(shè)備與微電子裝備，E-mail：wwjww@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.005