摘要
　　一般來說，貼裝速度與貼裝精度是具有一定的關(guān)聯(lián)性的：貼裝速度越高，貼裝精度就越難保證。只有在很多尖端技術(shù)及設(shè)計的支持下，高速高精度貼裝才能得以實現(xiàn)。例如：旋轉(zhuǎn)貼裝頭的控制、氣路控制、線性馬達(dá)閉環(huán)控制技術(shù)、數(shù)字影像識別與計算等。作為SMT業(yè)內(nèi)一位主要貼片設(shè)備供應(yīng)商，西門子一貫以高速度高精度享譽(yù)于業(yè)界。本文將會從貼裝系統(tǒng)的幾個主要組成部分：貼裝頭、供料系統(tǒng)、影像系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)，逐一探討高速高精度貼裝的實現(xiàn)。當(dāng)然，作為一個生產(chǎn)設(shè)備，我們還要考慮它對不同產(chǎn)品及生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，也就是靈活性。本文也將在此方面作簡要探討。
　　各種貼裝頭原理
　　一般來說，貼裝速度越快，精度就越難保證。這就是低端設(shè)備很難進(jìn)入高端領(lǐng)域的一個重要原因。
　　目前常用的貼裝原理有：
　　一，大轉(zhuǎn)塔式貼裝。早期的高端設(shè)備采用的都是此原理。這種原理有較多缺點(diǎn)：離心力太大，不能續(xù)接料帶，貼裝好的元件易隨PCB板的快速運(yùn)動而丟失。所以，這種原理已被淘汰。
　　二，單吸嘴平行貼裝。這種貼裝精度容易實現(xiàn)但用料多的元件需要分很多料才能達(dá)到一定速度，不能靈活應(yīng)對實際生產(chǎn)中元件使用的變化。所以這種原理的設(shè)備市場應(yīng)用非常有限。
　　三，矩陣式吸嘴貼裝。這種貼裝沒有離心力，但貼裝頭在X軸方向移動最為頻繁，除同時取料外，每取一個料都需移動。該貼裝原理只有在同時取料時才能保證較高速度，但實際生產(chǎn)條件下，同時取料機(jī)率非常有限。
　　四，小轉(zhuǎn)塔收集貼裝（水平星型）。這種貼裝頭小，容易驅(qū)動。但元件范圍偏小，需要頻繁配置不同的貼裝頭來應(yīng)對產(chǎn)品的變化。
　　五，旋轉(zhuǎn)收集貼裝頭（直立星型、錐形星型）。該貼裝頭集成有元件相機(jī)，能對每個元件進(jìn)行獨(dú)立高精度的識別。元件范圍大，適應(yīng)能力強(qiáng)。由于集成了元件相機(jī)，該貼裝頭尺寸偏大，對驅(qū)動要求較高。
　　表1是對三、四、五類貼裝頭的一個簡單對比。

　　貼裝頭高速高精度的實現(xiàn)
　　貼裝頭主要由貼裝軸Z軸，元件角度q軸，真空發(fā)生及控制單元，PCB相機(jī)等組成。以西門子最新最快的20吸嘴收集貼裝頭為例（圖1），除了以上部分外，它還有一個旋轉(zhuǎn)星軸和一個集成在頭里面的元件相機(jī)。該貼裝頭的兩個軸Z軸、q軸都采用了直接驅(qū)動閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　為了達(dá)到最好的貼裝質(zhì)量，它還采用一些附加功能技術(shù)。如元件探測器，該探測器采用激光探測原理，在取料前后、貼裝前后檢測元件是否在吸嘴上，是真空檢測的一個補(bǔ)充功能。對于小元件，由于吸嘴通道小，真空檢測容易誤判。而激光探測就不會有此局限，它是直接檢測，具有100％的準(zhǔn)確率。高精度的貼裝離不開高精度的識別。為了實現(xiàn)高精度識別，西門子20吸嘴收集貼裝頭采用了逐一識別原理，并配有256級可調(diào)4層光源。逐一識別能讓每個元件的識別互不干擾，達(dá)到最佳效果。該貼裝頭獨(dú)立控制每個吸嘴單元的角度調(diào)整，并且在時間充裕的星軸旋轉(zhuǎn)過程中就實現(xiàn)了角度調(diào)整。從而更好地保證了角度精度。
　　高速高精度驅(qū)動系統(tǒng)
　　早期的驅(qū)動系統(tǒng)采用了開環(huán)控制步進(jìn)馬達(dá)系統(tǒng)。隨著精度要求的提高，該系統(tǒng)逐漸被伺服馬達(dá)系統(tǒng)取代。對于貼裝頭而言，伺服馬達(dá)不是真正意義上的閉環(huán)驅(qū)動控制。因為伺服馬達(dá)閉環(huán)控制的是馬達(dá)，從馬達(dá)到貼裝頭還要經(jīng)過絲杠或皮帶傳動。真正對貼裝頭進(jìn)行閉環(huán)控制的是線性馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)。由于線性馬達(dá)的運(yùn)動位置由固定在導(dǎo)軌處的高精度（1微米）光柵尺控制，它能在很長時間內(nèi)保持精度，機(jī)器不需要大修。驅(qū)動臂的選材對保證精度也很重要，尤其是“T”字型驅(qū)動臂。所以“T”字型臂一般采用的是高科技材料，如西門子采用的碳纖維復(fù)合材料。對“工”字型的驅(qū)動臂來講，選材可以稍微差一些。“T”子型臂的主要難點(diǎn)在控制懸臂振動，所以它還采用了懸端支撐及阻尼技術(shù)。“工”字型臂的主要難點(diǎn)在如何同步兩端的雙固定軌道，所以高端的設(shè)備都采用了雙驅(qū)動技術(shù)。對基座進(jìn)行有限元分析，采用正弦信號控制電路，這些都能進(jìn)一步控制振動帶來的精度誤差。
　　高精度驅(qū)動技術(shù)還不足以應(yīng)對實際生產(chǎn)中的一些隨機(jī)變化，如PCB表面的不平整或翹曲、公差范圍內(nèi)元件厚度的變化、元件在料槽中的位置變動。所以西門子設(shè)備還采用了獨(dú)特的在線自學(xué)習(xí)功能。取料位置自學(xué)習(xí)功能動態(tài)計算取料點(diǎn)的變化，從而使每次取料都盡量靠近預(yù)設(shè)取料點(diǎn)，大大降低拋料率。Z軸自學(xué)習(xí)功能加上壓力控制的貼裝功能能自動感應(yīng)PCB的變形及元件厚度的變化，從而使貼裝頭能更快地運(yùn)作而不影響貼裝質(zhì)量。
　　供料器高速高精度的實現(xiàn)
　　供料器的精度主要取決于三個因素：馬達(dá)及其控制系統(tǒng)、齒輪系統(tǒng)、分度輪。西門子SIPLACE X供料器是目前已知速度最快精度最高的供料器。它采用了三個無刷直流電機(jī)，前進(jìn)、后退、卷覆蓋膜分別由不同馬達(dá)驅(qū)動，沒有復(fù)雜的中間齒輪系統(tǒng)。其中前進(jìn)、后退馬達(dá)由分度輪上的磁性編碼尺進(jìn)行閉環(huán)控制。該磁性尺上有回零點(diǎn)，連續(xù)使用時沒有累積誤差，所以供料器終身不需要校準(zhǔn)。其它供料器一般只用了一個或兩個馬達(dá)，由中間復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)把馬達(dá)的運(yùn)動轉(zhuǎn)換成前進(jìn)、后退、卷覆蓋膜所需的運(yùn)動。精度比較差。此外，供料器在供料臺上的定位方式對其供料精度也有較大影響。SIPLACE X供料器底部采用了“W”形狀的機(jī)械接口。固定可靠，并保證供料器在機(jī)器工作時能安全地推進(jìn)、拉出。SIPLACE X供料器與機(jī)器之間沒有線纜連接，它依賴前方的電源數(shù)據(jù)模塊與機(jī)器上的電源數(shù)據(jù)接口進(jìn)行非接觸式聯(lián)接。電源由感應(yīng)產(chǎn)生，信號由光信號傳遞。
　　SIPLACE X供料器還具有極高的智能。一般我們常常聽到的智能供料器只具有基本智能，如唯一編碼、狀態(tài)顯示；不具備一些高級智能，如供料間距與速度程序?qū)�入、熱插拔、熱互換、料帶更換探測、料帶續(xù)接識別、任意放置等。SIPLACE X供料器具有以上所有智能功能。
　　高精度影像識別系統(tǒng)
　　西門子不僅采用高分辨率的工業(yè)相機(jī)，還采用了獨(dú)特的多層光源系統(tǒng)（4－6層）。它能保證識別各種各樣的復(fù)雜元件。例如CBGA需要比較理想的90o光源，把發(fā)亮的球體區(qū)別于對比度很差的背景－白色發(fā)亮的陶瓷基材；而CCGA又需要比較理想的0o光源，避免柱狀引腳產(chǎn)生陰影，難以識別。
　　除了高精度的識別外，西門子最新的數(shù)字影像系統(tǒng)還能識別元件翻轉(zhuǎn)與側(cè)立，以及一些來料質(zhì)量問題（圖2）。這些質(zhì)量問題能夠被記錄下來，作為跟蹤來料質(zhì)量或不斷提高生產(chǎn)良品率的重要依據(jù)。對于難以識別的基準(zhǔn)點(diǎn)，如軟板上的鍍金基準(zhǔn)點(diǎn)（由于都是黃色，對比度很差），西門子也有特有的解決方案，即采用彩色相機(jī)去識別。

　　影像識別精度的核心其實在算法軟件。好的算法軟件都是好的技術(shù)與經(jīng)驗的結(jié)晶。西門子采用了區(qū)別于傳統(tǒng)灰度計算法的幾何形狀過濾法。算法更準(zhǔn)確更可靠，能不受相似幾何形狀的干擾。
　　生產(chǎn)靈活性
　　靈活雙軌生產(chǎn)被越來越多的SMT組裝廠接受。在這種設(shè)備配置下，進(jìn)行雙軌異步生產(chǎn)時，能省掉了2－4秒的傳板時間；進(jìn)行雙軌同步生產(chǎn)時，能自動平衡正反面或者兩種元件數(shù)相差很大的板子的產(chǎn)出量，提高機(jī)器整體利用率。當(dāng)PCB板較大時，雙軌能由軟件變更為單軌。
　　西門子于去年又率先推出了三軌產(chǎn)品 （圖3）。利用三軌，機(jī)器能夠以串放的方式并聯(lián)生產(chǎn)。這樣并聯(lián)的機(jī)器貼裝的元件數(shù)會較多，從而提高機(jī)器的實際貼裝效率。同時，當(dāng)某臺機(jī)器發(fā)生故障時，生產(chǎn)線不必停下來。因為三軌能使板子通過故障機(jī)器，在另外一臺機(jī)器上繼續(xù)貼裝。定期設(shè)備保養(yǎng)時，可以先保養(yǎng)一臺機(jī)器，通過三軌使板子通過該機(jī)器，之后再以同樣方式保養(yǎng)另外的機(jī)器。

　　總結(jié)
　　高速高精度的貼裝需要很多實用的技術(shù)應(yīng)用才能真正得以實現(xiàn)。從貼裝頭的角度來講，不僅需要精密的基礎(chǔ)設(shè)計，還需要各種輔助技術(shù)及工藝控制技術(shù)，如元件在位檢測，貼裝壓力控制等。直接閉環(huán)控制的線性馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)是目前精度最高的驅(qū)動系統(tǒng)，配以良好的驅(qū)動臂材料及阻尼振動控制技術(shù)，能最終實現(xiàn)高速高精度的貼裝。具有高智能的SIPLACE X供料器，由于有分度輪上磁性尺的閉環(huán)控制，高精度得以實現(xiàn)，并且終生不用校準(zhǔn)。只有對每個元件逐一識別，并配以能靈活調(diào)節(jié)的0o－90o的多層光源，元件識別精度才能達(dá)到最高。西門子的靈活雙軌、三軌方案能為貼裝生產(chǎn)帶來實際的效率提升以及創(chuàng)新的生產(chǎn)運(yùn)行模式。