貼片機核心部件貼裝頭的設計技術進展

王劍薇，吳文鏡

（1. 中國人民解放軍空軍第一航空學院 電子技術教研室，河南 信陽 464000；2. 中國機械工業集團有限公司 科學技術研究院有限公司，北京 100080）

貼片機核心部件貼裝頭的設計技術進展

王劍薇1，吳文鏡2

（1. 中國人民解放軍空軍第一航空學院 電子技術教研室，河南 信陽 464000；2. 中國機械工業集團有限公司 科學技術研究院有限公司，北京 100080）

闡述了全自動貼片機的核心部件貼裝頭的主要設計技術，即傳統設計、整體化設計及模塊化設計。針對模塊化設計，提出了多種單模塊設計方案。同時，指出模塊化設計、直接驅動技術是未來貼裝頭設計的主要發展方向。

貼片機；貼裝頭；模塊化；表面貼裝技術

1 貼片機及貼裝頭

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

SMT貼片機實際上是一種精密的工業機器人，是“機-電-光”以及計算機控制技術的綜合體。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聯合作用，將表面貼裝器件（surface mounted devices，SMD）元件快速而準確地貼裝到PCB板指定的焊盤位置上[2]。貼片機的發展直接影響著表面貼裝技術的發展。貼片機在國外已經更新換代多次，目前，市場上大部分貼片機設備為高速高精密全自動貼片機。貼片機種類繁多，但其基本組成結構相同，其結構如圖1所示。

圖1 貼片機系統組成Fig.1 Components of surface mounting machine system

其中，貼裝頭是貼片機的核心部件，其完成的功能有Z向直線運動、θ角轉動、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角轉動完成芯片的偏置校正。目前，市場上主流產品的貼裝速度為5 000～20 000片/h ；貼片精度為：絕對精度±0.05mm，重復精度±0.03mm，Z軸精度0.05mm；θ角轉動最小角位移為0.01°[3]。

為提高貼裝速度，目前的技術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，其反映了不同頭數對貼裝速度的影響。從表1中可以看出：頭數越多，速度越快，但是隨著頭數的增加，復雜性增加，貼裝頭整體的慣量增大，影響X-Y軸的加速度與速度，對于整機的功率要求也相應增大。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，該技術為國外西門子（Siemens）、雅馬哈（Yamaha）等大型企業所掌握，國內少數公司及單位也開始研發貼片機，但是貼裝頭則完全依賴進口。

2 貼裝頭設計技術

2.1 傳統設計

根據傳統設計思路設計的貼裝頭如圖2所示，其內含2個貼裝頭，體積較大。單電機、離合器實現雙頭Z向控制，單電機、同步帶實現轉角雙頭同時控制。該設計思路設計的貼裝頭，整體機械總成體積大，不易擴展，貼裝速度較低。

圖 2 貼裝頭傳統設計Fig. 2 Traditional design of surface mounting head

2.2 整體化設計

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

圖3 貼裝頭整體化設計Fig. 3 Integrated design of surface mounting head

圖4 θ角8軸聯調原理圖Fig. 4 Principle of 8-axis alignment of θ angle

這種整體化設計思路，將多軸貼裝頭系統作為一個整體來考慮，可降低成本，使整體機械總成體積極大減小，貼裝頭間距達25 mm，但是該設計思路增加了控制系統和軟件系統的復雜性，而且貼裝頭無法擴展。

2.3 模塊化設計

模塊化設計思路充分利用模塊化設計原理，其設計的貼裝頭如圖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，實現了機械總成模塊化和控制模塊化；系統CANopen控制如圖6所示，該系統的控制通過EPOS24/1控制器實現，EPOS24/1控制器是一種微型全數字智能運動控制器。該控制器在CANopen網絡里作為從動裝置響應主機命令，通過RS232端口與主機進行交互，通過單一RS232 端口的CANopen 網關技術，可將多達127軸的應用集成到統一的主機界面中。該方案采用二自由度（Z向+θ角）微型貼裝組件，整個系統采用先進的控制算法和相應精確的電機執行設備，形成完整的控制回路，控制精度高，響應速度快，貼裝速率高，整機體積尺寸小，可靠性高；模塊化設計便于系統集成及系統優化；采用微型扁平狀的貼裝組件，使得各吸嘴軸間距極大縮小，貼裝頭機械總成的體積及質量極大減小。

圖5 貼裝頭模塊化設計Fig. 5 Modular design of surface mounting head

圖6 系統CANopen控制Fig. 6 CANopen control of SMT system

3 單模塊設計拓展

貼裝頭的模塊化設計是未來貼片機的主要發展方向，故針對SMT產業開發出微型、高性能的貼裝模塊是全自動貼片機發展的必然之路[7]。

圖7a為一種單模塊的拓展設計，Z向運動通過Maxon直流電機、減速箱、多頭微型絲杠傳動控制實現，θ角通過Maxon電機、減速箱以及齒輪傳動實現。整個系統加上真空系統可以完成芯片貼吸運動。該設計θ角采用半閉環控制，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）的改進原理圖，Z向和θ向機械解耦，可以提高θ向的精度。整個模塊厚度達16 mm。

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

圖8a為采用音圈電機設計的貼裝頭模塊[3]。一方面，由于音圈電機輸出力大，可直接帶動旋轉電機及輸出軸一起作Z向運動；另一方面，由于目前音圈電機成本較高，也限制了該方案的發展。圖8b為直接驅動貼裝頭模塊，這是一種二維電機模型，將轉角和Z向移動合二為一，直接對空心電機軸實現二自由度伺服控制[8]。應用該二維電機進行貼裝頭設計可以極大減小貼裝頭的體積，同時，其舍棄了復雜的機械傳動環節，有利于貼片機實現高速、高精度貼裝。

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

4 結語

貼裝頭是SMT貼片機的核心部件，其性能直接影響到貼片機的貼裝速度與貼裝精度。從傳統設計到整體化設計，再到模塊化設計，貼裝頭的性能不斷提升，結構日趨優化。模塊化設計使得貼裝頭的成本極大降低，并使之具有更高的適應性與可維護性；直接驅動技術提升了貼裝頭的性能，并且使其體積極大減小，同時更利于貼片機實現高速度與高精度貼裝。模塊化設計、直接驅動技術是未來貼裝頭的發展方向，兩者的有機結合將會使貼片機具有更強的市場競爭力。

[1] 陳 澄. 模型參考自適應辨識方法在貼片機運動控制系統中的應用研究[D]. 蘇州：蘇州大學，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. 高速高效貼片機控制系統設計與實現[J]. 機械與電子，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.

[3] 付 宇. RFID標簽封裝設備貼裝頭設計與實現[D]. 武漢：華中科技大學，2011. Fu Yu. Design and Implementation of Mounting Head for RFID Label Packaging Equipment[D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology，2011.

[4]姜鳳鵬. 基于ADAMS和ANSYS的貼片機力學分析與結構優化[D]. 上海：上海交通大學，2008. Jiang Fengpeng. Dynamic Analysis and Structure Optimization of Surface Mounting Machine Based on ADAMS and ANSYS[D]. Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2008.

[5] 北京航空航天大學. 高速全自動貼片機陣列式貼裝頭：中國，ZL200610089487.0[P]. 2006-06-29. Beijing University of Aeronautics and Astronautics. Array Mounting Head for High Speed Automatic Surface Mounting Machine：China，ZL200610089487.0[P]. 2006-06-29.

[6] 北京航空航天大學. 高速全自動貼片機微型模塊化貼裝頭：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.

[7] 賈春艷. 貼片機研究與結構設計[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2011. Jia Chunyan. Research and Mechanical Design of Surface Mounting Machine[D]. Harbin：Harbin Engineering University，2011.

[8]尹告民. SMT貼片機貼裝頭雙自由電機研究和開發[D].廣州：廣州工業大學，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院講師，碩士，主要研究方向為半導體設備與微電子裝備，E-mail：wwjww@163.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.005