Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Не для распространения Введение в технологию поверхностного монтажа

Такие операции, как проверка наличия компонента, предварительный поворот, центрирование и конечный поворот производятся параллельно, между захватом и установкой компонента. В некоторых случаях использование раздельной базы питателей позволяет осуществлять захват компонентов с одной базы питателей, и параллельно с этим производить замену питателей на второй базе в целях ускорения переналадки.

Автоматы с установочным модулем карусельного типа обладают рядом преимуществ:

∙надежные, хорошо зарекомендовавшие себя системы;

∙параллельный захват и установка;

∙высокая гибкость;

∙быстрая переоснастка;

∙центрирование компонентов без дополнительных затрат времени;

∙смена вакуумных захватов на лету;

∙высокая производительность: до 53000 комп./ч.

Что касается недостатков, то это, прежде всего, подвижность питателей, что делает невозможным пополнение питателей во время работы, а также приводит к значительным вибрациям и, как следствие, неточностям. Более того, подвижность питателей делает необходимым увеличение длины автомата до размера, превышающего четыре длины базы питателей. Из-за подвижности ПП возникают инерционные усилия на ПП при установке ПМИ. Для обслуживания автоматов данного типа требуется большое число операторов, так как питатели расположены со стороны, противоположной рабочему месту операторов.

Максимальная скорость пошагового перемещения карусели ограничена максимально допустимым угловым ускорением, зависящим от силы трения на захвате, препятствующей смещению компонента. Это ограничивает диаметр карусели. На практике максимально допустимое ускорение в точке контакта захвата и компонента ограничено величиной 50 м/с2. Поэтому увеличение производительности требует уменьшение диаметра карусели.

Рис. 3.25. Зависимость производительности от смещения ПП

На Рис. 3.25 показано, что, если расстояние между двумя позициями установки составляет 30 мм, то это приведет к снижению производительности примерно на 50%. Установка больших и тяжелых компонентов также приведет к снижению производительности (см. Рис. 3.26). Это является доводом в пользу установки тяжелых компонентов в конце, после того, как установлены все компоненты с малыми размерами.

71

Недостатки автоматов данного типа состоят в относительно большом времени смены ПП (2-3 с) и необходимости обслуживания с двух сторон.

Некоторые автоматы оснащаются вторым установочным модулем с одним порталом для параллельной сборки двух ПП в одном автомате, причем захват компонентов осуществляется из другого набора питателей. Хотя такая конфигурация позволяет получить относительно большой съем с квадратного метра производственной площади, количество типономиналов компонентов уменьшается вдвое, и транспортировка ПП занимает больше времени. Точность ограничена сложностью коррекции захвата и установки.

Рис. 3.28. Производительность в зависимости от количества головок Amax=20м/с2

Из данных, представленных на Рис. 3.28 и Рис. 3.29 можно сделать вывод, что количество установочных головок на портале имеет наибольшее влияние на производительность. Зависимость производительности от максимальной скорости и ускорения не столь существенна. Высокая скорость перемещения полезна только в случае наличия больших расстояний между позициями захвата и установки. Непосредственно во время захвата и установки компонентов максимальная скорость достигнута не будет.

Рис. 3.29. Производительность в зависимости от ускорения с Vmax= 1,5 м/с и 4 головками

3.3.3.2.Схемы “два портала”

Вданном случае два портала устанавливают компоненты на одну ПП (см. Рис. 3.19). Пока один портал захватывает компоненты, другой может устанавливать компоненты, почти удваивая максимальную производительность. Однако имеется незначительный недостаток, заключающийся в сбалансированном распределении нагрузки между порталами и синхронизации перемещения порталов в целях избежания столкновения. Существуют автоматы с H-приводом для повышения точности, хотя из-за

73

вибраций, возникающих по причине перемещения другого портала, улучшение точности может не наблюдаться.

Рис. 3.30. Схема “два портала 1”

Обычно в автоматах по схеме “два портала 2” система транспортировки ПП разделена на две, каждая из которых может перемещать ПП по осям X и Y. При входе в автомат ПП, успешно прошедшие контроль, фиксируются и перемещаются в переднюю или заднюю рабочую зону, сокращая расстояние между позициями захвата и установки. Так как оба портала имеют свою отдельную рабочую область, то столкновение исключено.

Автоматы с такой конфигурацией обладают максимальной производительностью до 40000 комп./ч, разделяя преимущества автоматов с одним порталом, но имеют недостатки, заключающиеся в сложной системе транспортировки ПП с большим временем цикла и некоторым снижением точности из-за вибраций, возникающих при перемещении второго портала, в момент, когда первый устанавливает компоненты.

Рис. 3.31. Производительность в зависимости от числа головок при Amax=20 м/с2 и Vmax=1,5 м/с

3.3.4. Схемы автоматов с роторными головками

Каждый автомат состоит из двух установочных модулей, оснащенных роторами с головками с несколькими захватами. В то время как один портал осуществляет последовательный захват компонентов каждой головкой “ротора”, другой последовательно устанавливает компоненты, причем циклы захвата и установки сбалансированы для оптимальной производительности.

Такая конфигурация обладает многими преимуществами, свойственными схемам “два портала”, к примеру, уменьшенной стоимостью установки компонента благодаря использованию единой станины, конвейерной системы и системы управления. Однако необходимость избегания столкновения и необходимость сбалансированного распределения рабочей загрузки делают данную конфигурацию более сложной, а вибрации и T-привод снижают точность.

74

Y

φ

Z

Рис. 3.32. Схема автоматов с роторной головкой (ЦК – центрирование компонентов, КР – коррекция по реперным знакам)

В Табл. 3.1 сведены основные недостатки и преимущества схем “роторная головка 1” и “роторная головка 2”. На Рис. 3.33 и Рис. 3.34 показаны зависимости производительности от количества головок при заданных значениях максимальной скорости и ускорения для обеих схем.

75

Рис. 3.34. Производительность в зависимости от число головок на "роторе" при Amax=20 м/с2 и Vmax=1,5 м/с (схема “роторная головка 2”)

3.3.5. Схемы автоматов, захватывающих и устанавливающих сразу

несколько компонентов

Принцип параллельной установки компонентов, как правило, используется для крупносерийного производства. Несколько независимых головок одновременно устанавливают компоненты на ПП (см. Рис. 3.35). Если автомат оборудован 16-ю установочными модулями, каждый из которых устанавливает по одному компоненту в секунду, суммарная производительность автомата будет составлять 64000 комп./ч. Головки устанавливают компоненты на свой участок ПП по мере продвижения ПП по конвейеру.

76

связанных с отклонениями размеров деталей автомата, погрешностей монтажа – отклонение осей от перпендикулярности, отклонение установочной головки от вертикали, радиальное биение при вращении головки и т.д.

Случайная составляющая ошибки установки характеризует повторяемость (Repeatability). Для изучения случайной составляющей можно воспользоваться методами теории вероятностей.

Как было отмечено выше, случайная составляющая ошибки установки – величина, на которую оказывает влияние большое количество факторов, не зависимых друг от друга. Из теории вероятностей известно, что случайная величина характеризуется функцией распределения, которая определяет вероятность попадания случайной величины в определенный интервал. Доказывается, что если на случайную величину оказывает влияние большое количество взаимонезависимых факторов и никакой из факторов не имеет решающего влияния, то эта случайная величина имеет нормальное распределение. По этой причине случайную составляющую ошибки установки можно считать распределенной нормально.

Нормальное распределение можно описать функцией плотности распределения, которая выражается следующей формулой:

Рис. 3.36. График функции плотности нормального распределения

Функция плотности нормального распределение характеризуется математическим ожиданием (средним значением μ) и среднеквадратическим отклонением (σ), определяющим рассеяние случайной величины относительно среднего значения. Вероятность попадания случайной величины, распределенной нормально, в определенный интервал характеризуется площадью, которую занимает область, ограниченная этим интервалом, под кривой плотности нормального распределения.

Вероятность попадания случайной величины в интервал, ограниченный определенным количеством сигм (плюс-минус одна сигма, две сигмы и т.д.), величина стандартная и приводится в справочниках (см. Табл. 3.3). Соответственно, вероятность выхода из указанного интервала, равна 1-вероятность попадания в этот интервал. Вероятность выхода за пределы интервала, если она очень мала, часто выражается в ppm (parts per million – число исходов на миллион возможностей).

78

Табл. 3.3. Вероятность попадания и выхода нормально распределенной случайной величины из интервалов, кратных среднеквадратическому отклонению σ

Итак, чем большему количеству сигм соответствует интервал, тем с большей вероятностью мы попадаем в данный интервал, и, соответственно, с меньшей вероятностью выходим за пределы этого интервала.

Производители автоматов характеризуют их точность, указывая предельно допустимое отклонение в функции сигм. Этот метод имеет право на существование, если допустить, что систематическая ошибка установки равна нулю или представляет собой величину, малую по сравнению со случайной ошибкой. (Заметим в скобках, что в функции сигм определяется на самом деле не точность, а повторяемость).

Итак, допустим, что систематическая ошибка путем проведения калибровки автомата сведена практически к нулю. Что же означает для пользователя автомата установки, например, такая характеристика точности: 30 мкм (3σ)?

Это означает, что допустимое отклонение ±30 мкм соответствует интервалу ±3σ кривой плотности нормального распределения (1σ=10 мкм). А это в свою очередь означает, что вероятность выхода за пределы интервала ±30 мкм составляет 2700 ppm (см. Табл. 3.3). Т.е. из миллиона установленных компонентов не более 2700 компонентов выйдут за пределы интервала ±30 мкм. Такой подход позволяет оценивать вероятность выхода за пределы любого интервала. Данный автомат, например, выйдет за пределы интервала ±60 мкм с вероятностью 0,002 ppm.

Из всего вышесказанного следует, что указание точности автомата без привязки к сигмам не имеет смысла. Можно указать любой интервал, и, предположим, из миллиона установок обязательно найдется некоторое их количество, которое в этот интервал попадет. Если же точность привязана к сигмам, то в этом случае можно судить о том, насколько точно будет работать автомат в вероятностном смысле.

Подчеркнем еще раз, что точность, указанная в технической спецификации автомата с привязкой к сигмам, относится большей частью к случайной составляющей погрешности установки. Если автомат не откалиброван, т.е. если систематическая ошибка сравнима или превышает случайную, то результат может оказаться гораздо хуже ожидаемого.

В этой связи возникает вопрос, насколько автомат способен в реальных производственных условиях устанавливать реальные компоненты в пределах заданных допусков и, если способен, насколько велика вероятность выхода за пределы допуска. Т.е. насколько процесс установки воспроизводим. Существуют коэффициенты, которые определяют воспроизводимость процесса. Это индексы Ср и Срк. Индекс Ср характеризует воспроизводимость процесса и определяется отношением допустимых отклонений к естественному разбросу, определяемому как 6 сигм (±3σ).

= верхнееотклонение − нижнееотклонение

C p 6σ

В случае симметричного допуска Cp вычисляется следующим образом:

= отклонение

C p 3σ

79