用于貼片機的散裝元器件自動貼裝系統(tǒng)

中國空間技術研究院北京衛(wèi)星制造廠有限公司 周海濤 張彬彬 徐新宇

1.概述

航天器電子產(chǎn)品所用表貼元器件因為要首先經(jīng)過老化篩選，所以大都使用防靜電袋散裝，在使用貼片機生產(chǎn)時，不同于民用產(chǎn)品料帶的生產(chǎn)方式，這對于應用全自動貼片機生產(chǎn)時，如何提高生產(chǎn)效率、規(guī)范化操作和可控性管理是一個難題。

本文通過研究設計出一套適用于散裝元器件貼裝的解決方案，包括散料放置工裝的設計和貼片程序的優(yōu)化設計，大大減少編制貼片程序和擺料所耗的時間，減少重復工序，并使產(chǎn)品具有可追溯性，并且編好程序后，只需輔助工按照輸出文件的要求將擺好器件和將散料工裝擺放在指定位置，輔助工只需接受簡單的培訓可以識別元器件即可，從而降低了生產(chǎn)和人力成本，提高生產(chǎn)效率，并在很大程度上保證產(chǎn)品的可靠性，減少出錯率，降低了質(zhì)量風險，可以大大提高經(jīng)濟效益。

2.散裝元器件工裝的設計

對于航天器電子產(chǎn)品表貼多為散料的特點，通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前對散裝元器件貼裝時的方法較為原始和隨意，散料供料器標準規(guī)格不一，操作者操作多為臨時隨機操作，貼一種規(guī)格元器件就擺放一種元器件，沒有形成一套非常高效的操作方式，花在編程和重復擺放的時間很長，效率并沒有比手工貼裝的操作方式提高多少，且難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性。

本文對散裝元器件工裝研究的重點和難點主要包括：（1）散料工裝料槽的尺寸公差問題；（2）散料工裝的一致性問題；（3）散料工裝的精確定位問題。

2.1 散料工裝料槽的尺寸公差問題

散料的放置工裝，首先需要考慮元器件自身的封裝尺寸大小，從而對工裝上槽的尺寸進行設計，通過對常用元器件包括電阻、電容、二極管、功率管等進行匯總，包括了標準中規(guī)定的元器件尺寸范圍，用游標卡尺測量的實際尺寸，和卷裝料料帶中槽的尺寸，進行匯總。

常用阻容元器件的封裝規(guī)格主要包括：0805、1206、1210、1812、2225、2512等，二極管主要為兩種圓柱形MELF封裝，鉭電容主要包括CAK45和CAK45C兩種封裝，還包括SMD-0.5、SMD-1、SMD-2的供料管和LCC-20的集成電路等。對于常見的阻容及二極管器件，參考標準料單上料槽的尺寸設計即可，但對于功率管和集成電路沒有料單的情況，則需要手工測量器件實際產(chǎn)品，并查找標準中規(guī)定的封裝尺寸工差，對料槽的尺寸進行設計。

設計原則為以實際測量的元器件料帶槽位尺寸為基準，應盡量大于標準規(guī)定的最大尺寸，超出元器件實測尺寸，并留有余量，各類不同器件槽位的深度應保證各種器件在放進槽位后，上表面與工裝上表面基本持平，即所有不同種類器件基本在同一平面上。

初次設計的散料工裝存在的一些問題：因為設計時考慮用一種規(guī)格覆蓋多種封裝的元器件，對于一些元器件存在槽的尺寸稍大的問題，有個別工裝槽的尺寸所留余量超過了1mm，在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)偶爾有拋料和掉料的問題。拋料的原因是因為，器件放置時歪斜而不在槽的中心，吸嘴吸取后只能吸到器件的邊角，在用設備攝像機分析封裝時，會造成分析封裝有誤，導致拋料；而掉料的原因是因為吸嘴吸取時，沒有完全吸住器件而漏氣，導致掉料。后來對工裝槽的尺寸進行了修改，減小了槽的尺寸余量，完全杜絕了掉料的發(fā)生，除了由于器件本身封裝質(zhì)量的問題造成的拋料，由于工裝尺寸設計造成的拋料已經(jīng)完全消失。部分尺寸如表1所示。

表1 鋁合金小托盤50×50

2.2 散料工裝的一致性問題

散料放置工裝由各器件專用工裝和工裝擺放圍框兩部分組成，其中專用工裝開有相應尺寸的槽位，只擺放同一種封裝尺寸的器件，例如0805的專用工裝只擺放0805的電阻電容，工裝擺放圍框上面開有更大的槽位，用于放置專用工裝，專用工裝尺寸為50×50mm，尺寸一致，如圖 1所示。

圖1 散料工裝

圍框在設計時應保證一個工裝圍框能擺放的專用工裝應包括所需要的各類封裝的元器件，放置的器件數(shù)量能夠保證一塊印制板的使用，所以放置的元器件應盡可能的多，放置在設備提供的內(nèi)置托盤區(qū)，工裝圍框如圖 2所示。

圖2 散料工裝圍框

擺放元器件時，同一種規(guī)格的元器件放置在一個矩形范圍內(nèi)，可以是一個散料專用工裝，也可以是散料專用工裝上的其中一個分區(qū)。這樣每次定位時只定位第一個和最后一個元器件的位置和輸入數(shù)量，就可以定義元器件的坐標位置。

除了50×50mm的元器件散料專用工裝以外，還設計了100×100mm的散料專用工裝，用于放置功率管、大的鉭電容和LCC-20集成電路等較大的元器件。

2.3 散料工裝的精確定位問題

圍框依靠自身的重量及定位滑塊固定，在小正方形的散料工裝的左上角留有45°的倒角，可以使用螺母固定，保證每次擺料后，工裝中器件的位置都還是最初設定的坐標位置處，如圖3所示。在圍框上的行列號做好標識，用以指導操作者擺放散料工裝。

自動貼片機編程流程，工藝人員輸入PCB圖(CAD文件)、元器件明細表生成BOM單作為程序的輸入文件，包括了印制板上器件種類、量值與位號的對應關系，再由操作者每次在設備上使用攝像機用視覺方式定義散料器件的位置。

放置時，圍框放置在設備托盤的左下角，依靠自身重量固定，即每次貼片不取下圍框，只取放專用工裝，這樣可保證散料工裝上的槽位都能在固定的坐標位置上，便于編程。

圖3 使用螺母固定工裝

3.散裝元器件自動貼裝軟件的設計

軟件的設計包括兩個方面內(nèi)容：1是用于貼片機的BOM單生成軟件，2是設計散料放置指導文件生成軟件。

3.1 用于貼片機的BOM單生成軟件

PYTHON是一種解釋型、面向?qū)ο蟆討B(tài)定義、跨平臺、通用開放的腳本語言，同其他腳本語言相比，它具有高級數(shù)據(jù)結構、語法簡潔優(yōu)美、易于擴展和嵌入的優(yōu)點，十分適合使用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行處理和管理。

使用PYTHON語言設計BOM單生成軟件，輸入元器件明細表和印制板坐標文件，生成貼片機BOM單，包括了元器件位號、元器件規(guī)格、XY坐標和角度等信息，如圖 4所示。

圖4 BOM單生成軟件輸出結果

3.2 散料放置指導文件生成軟件

在生產(chǎn)過程中，由電裝輔助工按照程序輸出文件事先擺放好器件和散料放置工裝，然后調(diào)用程序即可，為充分發(fā)揮貼片機的效率，可以多個輔助工并行工作。做到技術人員負責離線編程，操作者只負責擺放器件，明確責任，減少出錯環(huán)節(jié)，可靠性高。

使用PYTHON語言設計散料放置指導文件生成軟件，利用元器件及工裝數(shù)據(jù)庫，根據(jù)元器件數(shù)量、封裝規(guī)格、工裝數(shù)量、行列數(shù)量等參數(shù)生成用于指導操作者擺料的指導文件，包括使用的供料器種類、行列數(shù)量、擺放位置、編程料位等信息，如圖 6所示。

SQLite數(shù)據(jù)庫是一個小型的開源的嵌入式關系型數(shù)據(jù)庫，它支持絕大部分開源SQL語言，并提供多種編程語言接口。它速度快，易于使用，并且不需要建立單獨的數(shù)據(jù)庫。PYTHON語言的Python DB API提供了簡單、標準化的數(shù)據(jù)庫接口，使用cursor方法與SQLite數(shù)據(jù)庫建立連接，并獲得獨立的游標，用于執(zhí)行和查詢檢查結果。

處理程序首先需建立兩個數(shù)據(jù)表，一個是元器件封裝表，命名為foot，另一個是元器件散料專用工裝表feed。程序處理流程如圖5所示。

圖5 程序處理流程

程序的處理流程是，首先從軟件界面獲取元器件明細表的元器件的詳細信息包括印制板編號、元器件名稱、元器件規(guī)格、所在印制板的面和所需生產(chǎn)的數(shù)量。遍歷元器件列表，根據(jù)元器件規(guī)格讀取元器件封裝表foot，獲得元器件的封裝，再讀取元器件散料專用工作表feed，獲得元器件所放置的工裝規(guī)格，工裝位置，依據(jù)共需生產(chǎn)的數(shù)量和散料托盤可放置的工裝數(shù)量，對散料工裝的排列和數(shù)量進行合理的優(yōu)化計算，保證程序計算出的結果是最節(jié)省人力成本和時間成本，盡可能減少補料的操作，以提高生產(chǎn)效率。最后的信息結果還包括了散裝元器件的XY坐標，在同一個散料工裝上的分區(qū)號和元器件所放工裝在設備上對應的喂料器的料位號信息，以便于操作者的擺料操作及編程。生成文件結果如圖 6所示。

圖6 元器件擺放指導文件

4.使用散裝元器件自動貼裝系統(tǒng)的技術指標

（1）在貼裝過程中，元器件拋料掉料發(fā)生的情況，只與元器件本身封裝的質(zhì)量是否合格有關，沒有因為散料工裝的尺寸不合格造成的元器件無法拾取和拋料掉料的事故發(fā)生。

（2）采用該系統(tǒng)進行全自動貼片和傳統(tǒng)半自動手工貼片對比的方式，檢驗貼片效率提高程度，不斷進行優(yōu)化設計，通過對于多種印制板進行試驗，如采用以往手工貼裝，完成一塊印制板27套的生產(chǎn)量需要6個工作日，而采用散裝元器件自動貼裝系統(tǒng)，包括編制程序、設置供料器、擺料和補料的時間，生產(chǎn)27套最多只需2個工作日，工作效率提高了200%，且批量越大生產(chǎn)效率越高。

（3）經(jīng)試驗，在貼片程序輸入、元器件擺放、散料放置工裝擺放完全正確的情況下，對于相同印制板、相同程序、相同散料放置工裝，每次重復貼片保持一致的程度達到100%。

5.總結

散料放置工裝做好元器件公差配合、布局合理性的設計，每種工裝放置器件的數(shù)量最大程度提高效率，充分利用空間，又不會造成浪費。

散料貼裝程序包含元器件信息全面準確，可視性好，重復性和一致性高，生成輸出文件全面清晰。

該成果已應用于多個型號任務的生產(chǎn)，使生產(chǎn)效率得到有效的提高，大大節(jié)省了人力成本和時間成本，產(chǎn)品一致性高，自動化程度高，生產(chǎn)完全可控可追蹤，可靠性高。

實踐證明，在未來，該成果既可以用于多品種、中小批量的模塊化產(chǎn)品生產(chǎn)，也可以用于較大批量的、元器件種類多、元器件數(shù)量多的產(chǎn)品的生產(chǎn)。使貼片機能夠得到充分的利用，而又不占用太多人力，也無需再多投入新的工裝制作，不產(chǎn)生消耗品，使生產(chǎn)成本大幅節(jié)約。

[1]王天曦,王豫明．貼片機及其應用[M]．北京∶電子工業(yè)出版社,2011．

[2]Magnus Lie Hetland．Python基礎教程[M]．北京∶人民郵電出版社,2010．