高速高精度的表面贴装是怎样实现的
摘要
一般来说，贴装速度与贴装精度是具有一定的关联性的：贴装速度越高，贴装精度就越难保证。只有在很多尖端技术及设计的支持下，高速高精度贴装才能得以实现。例如：旋转贴装头的控制、气路控制、线性马达闭环控制技术、数字影像识别与计算等。作为SMT业内一位主要贴片设备供应商，西门子一贯以高速度高精度享誉于业界。本文将会从贴装系统的几个主要组成部分：贴装头、供料系统、影像系统、驱动系统，逐一探讨高速高精度贴装的实现。当然，作为一个生产设备，我们还要考虑它对不同产品及生产环境的适应性，也就是灵活性。本文也将在此方面作简要探讨。
各种贴装头原理
一般来说，贴装速度越快，精度就越难保证。这就是低端设备很难进入高端领域的一个重要原因。
目前常用的贴装原理有：
一，大转塔式贴装。早期的高端设备采用的都是此原理。这种原理有较多缺点：离心力太大，不能续接料带，贴装好的元件易随PCB板的快速运动而丢失。所以，这种原理已被淘汰。
二，单吸嘴平行贴装。这种贴装精度容易实现但用料多的元件需要分很多料才能达到一定速度，不能灵活应对实际生产中元件使用的变化。所以这种原理的设备市场应用非常有限。
三，矩阵式吸嘴贴装。这种贴装没有离心力，但贴装头在X轴方向移动最为频繁，除同时取料外，每取一个料都需移动。该贴装原理只有在同时取料时才能保证较高速度，但实际生产条件下，同时取料机率非常有限。
四，小转塔收集贴装（水平星型）。这种贴装头小，容易驱动。但元件范围偏小，需要频繁配置不同的贴装头来应对产品的变化。
五，旋转收集贴装头（直立星型、锥形星型）。该贴装头集成有元件相机，能对每个元件进行独立高精度的识别。元件范围大，适应能力强。由于集成了元件相机，该贴装头尺寸偏大，对驱动要求较高。
表1是对三、四、五类贴装头的一个简单对比。
贴装头高速高精度的实现
贴装头主要由贴装轴Z轴，元件角度q轴，真空发生及控制单元，PCB相机等组成。以西门子最新最快的20吸嘴收集贴装头为例（图1），除了以上部分外，它还有一个旋转星轴和一个集成在头里面的元件相机。该贴装头的两个轴Z轴、q轴都采用了直接驱动闭环控制系统。
为了达到最好的贴装质量，它还采用一些附加功能技术。如元件探测器，该探测器采用激光探测原理，在取料前后、贴装前后检测元件是否在吸嘴上，是真空检测的一个补充功能。对于小元件，由于吸嘴通道小，真空检测容易误判。而激光探测就不会有此局限，它是直接检测，具有100％的准确率。高精度的贴装离不开高精度的识别。为了实现高精度识别，西门子20吸嘴收集贴装头采用了逐一识别原理，并配有256级可调4层光源。逐一识别能让每个元件的识别互不干扰，达到最佳效果。该贴装头独立控制每个吸嘴单元的角度调整，并且在时间充裕的星轴旋转过程中就实现了角度调整。从而更好地保证了角度精度。
高速高精度驱动系统
早期的驱动系统采用了开环控制步进马达系统。随着精度要求的提高，该系统逐渐被伺服马达系统取代。对于贴装头而言，伺服马达不是真正意义上的闭环驱动控制。因为伺服马达闭环控制的是马达，从马达到贴装头还要经过丝杠或皮带传动。真正对贴装头进行闭环控制的是线性马达驱动系统。由于线性马达的运动位置由固定在导轨处的高精度（1微米）光栅尺控制，它能在很长时间内保持精度，机器不需要大修。驱动臂的选材对保证精度也很重要，尤其是“T”字型驱动臂。所以“T”字型臂一般采用的是高科技材料，如西门子采用的碳纤维复合材料。对“工”字型的驱动臂来讲，选材可以稍微差一些。“T”子型臂的主要难点在控制悬臂振动，所以它还采用了悬端支撑及阻尼技术。“工”字型臂的主要难点在如何同步两端的双固定轨道，所以高端的设备都采用了双驱动技术。对基座进行有限元分析，采用正弦信号控制电路，这些都能进一步控制振动带来的精度误差。
高精度驱动技术还不足以应对实际生产中的一些随机变化，如PCB表面的不平整或翘曲、公差范围内元件厚度的变化、元件在料槽中的位置变动。所以西门子设备还采用了独特的在线自学习功能。取料位置自学习功能动态计算取料点的变化，从而使每次取料都尽量靠近预设取料点，大大降低抛料率。Z轴自学习功能加上压力控制的贴装功能能自动感应PCB的变形及元件厚度的变化，从而使贴装头能更快地运作而不影响贴装质量。
供料器高速高精度的实现
供料器的精度主要取决于三个因素：马达及其控制系统、齿轮系统、分度轮。西门子SIPLACE X供料器是目前已知速度最快精度最高的供料器。它采用了三个无刷直流电机，前进、后退、卷覆盖膜分别由不同马达驱动，没有复杂的中间齿轮系统。其中前进、后退马达由分度轮上的磁性编码尺进行闭环控制。该磁性尺上有回零点，连续使用时没有累积误差，所以供料器终身不需要校准。其它供料器一般只用了一个或两个马达，由中间复杂的齿轮系统把马达的运动转换成前进、后退、卷覆盖膜所需的运动。精度比较差。此外，供料器在供料台上的定位方式对其供料精度也有较大影响。SIPLACE X供料器底部采用了“W”形状的机械接口。固定可靠，并保证供料器在机器工作时能安全地推进、拉出。SIPLACE X供料器与机器之间没有线缆连接，它依赖前方的电源数据模块与机器上的电源数据接口进行非接触式联接。电源由感应产生，信号由光信号传递。
SIPLACE X供料器还具有极高的智能。一般我们常常听到的智能供料器只具有基本智能，如唯一编码、状态显示；不具备一些高级智能，如供料间距与速度程序导入、热插拔、热互换、料带更换探测、料带续接识别、任意放置等。SIPLACE X供料器具有以上所有智能功能。
高精度影像识别系统
西门子不仅采用高分辨率的工业相机，还采用了独特的多层光源系统（4－6层）。它能保证识别各种各样的复杂元件。例如CBGA需要比较理想的90o光源，把发亮的球体区别于对比度很差的背景－白色发亮的陶瓷基材；而CCGA又需要比较理想的0o光源，避免柱状引脚产生阴影，难以识别。
除了高精度的识别外，西门子最新的数字影像系统还能识别元件翻转与侧立，以及一些来料质量问题（图2）。这些质量问题能够被记录下来，作为跟踪来料质量或不断提高生产良品率的重要依据。对于难以识别的基准点，如软板上的镀金基准点（由于都是黄色，对比度很差），西门子也有特有的解决方案，即采用彩色相机去识别。
影像识别精度的核心其实在算法软件。好的算法软件都是好的技术与经验的结晶。西门子采用了区别于传统灰度计算法的几何形状过滤法。算法更准确更可靠，能不受相似几何形状的干扰。
生产灵活性
灵活双轨生产被越来越多的SMT组装厂接受。在这种设备配置下，进行双轨异步生产时，能省掉了2－4秒的传板时间；进行双轨同步生产时，能自动平衡正反面或者两种元件数相差很大的板子的产出量，提高机器整体利用率。当PCB板较大时，双轨能由软件变更为单轨。
西门子于去年又率先推出了三轨产品 （图3）。利用三轨，机器能够以串放的方式并联生产。这样并联的机器贴装的元件数会较多，从而提高机器的实际贴装效率。同时，当某台机器发生故障时，生产线不必停下来。因为三轨能使板子通过故障机器，在另外一台机器上继续贴装。定期设备保养时，可以先保养一台机器，通过三轨使板子通过该机器，之后再以同样方式保养另外的机器。
总结
高速高精度的贴装需要很多实用的技术应用才能真正得以实现。从贴装头的角度来讲，不仅需要精密的基础设计，还需要各种辅助技术及工艺控制技术，如元件在位检测，贴装压力控制等。直接闭环控制的线性马达驱动系统是目前精度最高的驱动系统，配以良好的驱动臂材料及阻尼振动控制技术，能最终实现高速高精度的贴装。具有高智能的SIPLACE X供料器，由于有分度轮上磁性尺的闭环控制，高精度得以实现，并且终生不用校准。只有对每个元件逐一识别，并配以能灵活调节的0o－90o的多层光源，元件识别精度才能达到最高。西门子的灵活双轨、三轨方案能为贴装生产带来实际的效率提升以及创新的生产运行模式。
