贴片机资料.doc

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贴片技术与贴片机

   SMT生产中的贴片技术通常FS75R12W2T4是指用一定的方式将片式元器件准确地贴放到PCB指定的位置上，这个过程英文称为“PickandPlace”，显然它是指吸取／拾取与放置两个动作。

在SMT初期，由于片式元器件尺寸相对较大，人们用镊子等简单的工具就可以实现上述动作，至今尚有少数工厂仍采用或部分采用人工放置元器件。

但为了满足大批量生产的需要，特别是随着SMC/SMD的精细化，人们越来越重视采用自动化的机器——贴片机来实现高速、高精度的元器件贴放。

   近30年来，贴片机已由早期的低速度（1～1.5s/片）、低精度（机械对中）发展到高速（0.08s/片）、高精度（光学对中，贴片精度±60lvl,m/4盯）。

全自动贴片机是由计算机、光学系统、精密机械（包括滚珠丝杆、直线导轨、线性电动机、谐波驱动器以及真空系统和各种传感器）构成的机电一体化高科技装备。

从某种意义上来说，贴片机技术已成为SMT的支柱和深入发展的重要标志，贴片机是整个SMT生产中最关键、最复杂的设备，也是人们在初次建立SMT生产线时最难选择的设备。

   本章将着重讨论贴片机的主要结构、工作原理、各类贴片机的主要特点，以及IPC最新摊出的贴片机验收标准，为选购贴片机以及组织验收贴片机提供依据。

   目前世界上生产贴片机的厂家有几十家，贴片的品种达几百种之多，但无论是全自动贴片机还是手动贴片机，无论是高速贴片机还是中低速贴片机，它们的总体结构都是大体类似的，图11.1和图11.2所示分别是一种通用贴片机的外观和内部结构示意图。

    贴片机的结构可分为：

机架，PCB传送机构及支撑台，X.Y与Z/O伺服、定位系统，光学识别系统，贴片头，供料器，传感器，计算机操作软件

机架

   机架是机器的基础，所有N330KH18的传动、定位、传送机构均牢固地固定在机架上。

对于大部分型号的贴片机，各种送料器也安置在机架上面，因此机架应有足够的机械强度和刚性。

目前贴片机有各种形式机架，大致可分为两类。

   1．整体铸造式

   整体铸造的机架的特点是整体性强、刚性好，整个机架铸造后采用时效处理，机架的变形小，工作时稳固，如图11.3所示，高档机多数采用此类结构。

   2．钢板烧焊式

   这类机架是由各种规格的钢板等烧焊而成的，再经时效处理以减少应力变形。

它的整体性要比整体铸造式差一些，但具有加工简单、成本较低的特点。

在外观上（去掉机器外壳）可见到焊缝。

   当然，机器采用哪种结构的机架还取决于机器的整体设计和承重，但通常机器图11.3整体铸造式结构在运行过程中应保持平稳、轻松，设备无震动感（用金属币立于机器上不会出现翻倒），从某种意义上来讲机架起到关键的作用

送机构与支撑台

   1．功能

   传送机构就是图11.2中的轨道，它的N330KH20作用是将需要贴片的PCB送到预定位置，贴片完成后再将SMA送至下一道工序。

    2．构成

   传送机构是在轨道上安放有超簿型皮带线传送系统，通常皮带轮安置在轨道边缘，皮带线通常分为A、B、C兰段，并在B区传送部位设有PCB夹紧机构。

在A、C区装有红外传感器，更先进的机器还带有条形码阅读器，它能识别PCB的进出和记录PCB数量，如图11.4和图11.5所示。

整体式导轨

   在这种方式贴片机中，PCB的进入、贴片、送出始N330KH22终在导轨上。

当PCB送到导轨上并前进至B区时，PCB会有一个后退动作并遇到后限制位块，于是PCB停止运行，与此同时在PCB下方带有定位销的顶块上行并将销钉顶入PCB的工艺孔中，并且B区上的压紧机构将PCB压紧，如图11.6所示。

   在PCB下方有一块支撑台板，台板上有阵列式圆孔，并可以安装支撑杆，在PCB进入B区后，可根据PCB结构需要在台板上安装适当数量的支撑杆。

随着台面的上移，支撑杆将PCB支撑在水平位，这样当贴片头工作时不会将PCB下压而影响贴片精度，如图11.7所示。

   若PCB事先没有预留工艺孔，则可以采用光学辨认系统确认PCB的位置，此时只要将定位块上的定位销钉拆除，当PCB到位后，由PCB前、后限位块以及夹紧机构共同完成PCB的定位，如图11.8所示。

   通常光学定位的精度相对机械定位的精度高，但对准时间稍长。

   在另一类高速贴片机中，B区导轨相对A区、C区是固定不变的，A区和C区导轨可以上、下升降，当PCB由印刷机送到轨道A区时，A区导轨处于高位并与印刷机导轨相接。

当PCB运行至B区时，A区导轨下沉并与B区导轨在同一水平面上，PCB由A区移到B区，并由B区夹紧定位。

当PCB贴片完成后送到C区导轨，C区导轨由低位（与B区同水平）再上移与下一道工序的设备导轨同一水平并将PCB由C区送到下一道工序。

在最新面世的松下MSR型贴片机中，其A、C区导轨为固定导轨，而B区导轨部分设计成可做X.Y，移动的PCB承载平台，并可以做上、下升降运动。

由此可见，不同机型的导轨有不同结构，其做法主要取决于贴片机的整体结构。

X-y与z/o间服及定位系统

   X-Y定位系统是贴片机的N330KH24关键机构，也是评估贴片机精度的主要指标，它包括X-Y传动机构和X-Y伺服系统。

它的功能有两种。

一种功能是支撑贴片头，即贴片头安装在Ⅳ导轨上，X导轨在y导轨上运行，从而能实现在X-Y方向贴片的全过程。

这类结构在通用型贴片机中多见，如图11.9所示。

另一种功能是支撑PCB承载平台并实现PCB在X-Y方向移动，这类结构帝见于塔式旋转头类的贴片机中。

在这类高速机中，其贴片头仅做旋转运动，而依靠送料器的水平移动和PCB承载平面的运动完成贴片过程（详见11.3.1节）。

   在上述两种X-Y定位系统中，X导轨沿，方向运动，从运动的形式来看，属于联动式结构，其特点是X导轨受，导轨支撑，并沿，轴运动，它属于动式导轨（MovingRail）结构。

   还有一类贴片机，贴片机的机头安装在X导轨上，并仅做x方向运动，而PCB的承载台仅做y方向运动，工作时两者配合完成贴片过程，如图11.10所示。

其特点是X.Y，导轨均与机座固定，它属于静式导轨（StaticRail）结构。

   从理论上讲，分离式结构的导轨在运动中变形量要小于联动式，但在分离式的结

构中，PCB处于运动状态，对贴装后的元器件是否产生位移应是需要考虑的问题。

滚珠丝杠一直线导轨

   X-y传动机构主要有N330SH20两大类，一类是滚珠丝杠．直线导轨，另一类是同步齿形带一直线导轨。

（1）滚珠丝杠一直线导轨

   图11.9是典型的滚珠丝杠一直线导轨结构，贴片头固定在滚珠螺母基座和对应的直线导轨上方的基座上，电动机工作时，带动滚珠螺母做X方向往复运动，有导向的直线导轨支承，保证运动方向平行，X轴在两平行滚珠丝杠一直线导轨上做Y，方向移动，从而实现了贴片头在五y方向正交平行移动。

同理，PCB承载平台也以同样的方法实现五y方向正交平行移动。

   贴片速度的提高意味着X-Y，传动机构运行速度的提高，这将会导致X.Y，传动机构因运动过快而发热。

通常钢材的线膨胀系数为15ym/℃，铝的线膨胀系数为钢的1.5倍，而滚珠丝杆是主要热源，其热量的变化会影响贴装精度，故最新研制出的X-Y传动系统，在导轨内部设有冷却系统以保证因热膨胀带来的误差，如图11.11所示。

   此外在高速机中采用无摩擦线性电动机和空气轴承导轨传动，运行速度能做得更快。

（2）同步齿形带一直线导轨

   典型同步齿形带一直线导轨的典型机构如图11.12所示。

    同步齿形带由传动电动机驱动小齿轮组成，使同步带在一定范围内做直线往复运动。

这样带动轴基座在直线轴承往复运动，两个方向传动部件可组合在一起便可组成X-Y传动系统。

   由于同步齿形带载荷能力相对较小，仅适用于支持贴片头运动。

其典型严品是德国西门子贴片机，该系统运行噪声低、工作环境好，如图11.13所示

X-Y伺服系统（定位控制系统）

   随着SMC/SMD尺寸的减小而精N330SH20-26度不断提高，对贴片机贴装精度的要求也越来越高。

换言之，对X-Y定位系统的要求越来越高，而X-Y，定位系统是由X-y伺服系统来保证的，即上述的滚珠丝杠一直线导轨以及同步齿形带．直线导轨，是由交流伺服电动机驱动的，并在位移传感器以及控制系统指挥下实现精确定位，因此位移传感器的精度起到关键的作用。

目前贴片机上使用的位移传感器常带有圆光栅编码器、磁栅尺、光栅尺，现将它们的结构与原理介绍如下。

   圆光栅编码器

   通常圆光栅编码器的转动部位上装有两片圆光栅，圆光栅是由玻璃片或透明塑料制成的，并在片上镀有明暗相间的放射状铬线，相邻的明暗间距称为一个栅节，整个圆周总栅节数为编码器的线脉冲数。

铬线数的多少也表示其精度的高低，显然，铬线数越多，其精度越高。

其中一片光栅固定在转动部位用做指标光栅，另一片则随转动轴同步运动并用来计数，因此指标光栅与转动光栅组成一对扫描系统，相当于计数传感器。

   编码器在工作时，可以检测出转动件的位置、角度及角加速度，它可以将这些物理量转换成电信号，传输给控制系统，控制系统就可以根据这些量来控制驱动装置。

因此，圆光栅编码器通常装在伺服电动机中，而电动机直接与滚珠丝杆相连，如图11.14和图11.15所示。

   图1115带编码器的AC电动机与滚珠丝杆相连接，构成X-Y伺服、定位系统

   在贴片机工作时，将位移量转换为编码信号，输入编码器中。

在电动机工作时，编码器就能记录丝杆的旋转数并将信息反馈给比较器，直至符合被测线性位移量，这样就将旋转运动转换为线性运动，保证贴片头运行到所需位置上。

   采用圆光栅编码器的位移控制系统结构简单，抗干扰性强，测量精度取决编码器中光栅盘上的光栅数以及滚珠丝杆导轨的精度。

磁栅尺

   磁栅尺由磁栅尺、磁头检测N330SH26电路组成，利用电磁特性和录磁原理对位移进行测量。

磁栅尺是在非导磁性标尺基础上采用化学涂敷或电镀工艺在非磁性标尺上沉积一层磁性膜（一般10～20ym），在磁性膜上录制代表一定长度、具有一定波长的方波或正弦波磁轨迹信号。

磁头在磁栅尺上移动读取磁信号，并转变成电信号输入控制电路，最终控制AC伺服电机的运行，通常磁栅尺直接安装在X,Y，导轨上，它的工作原理与安装示意如图11.16和图11.17所示。

   磁栅尺的优点是制造简单，安装方便，稳定性高，量程范围大。

其测量精度高达1～5pLm，一般高精度自动贴片机采用此装置；贴片重复精度一般为0.02mm。

    光栅尺

   该系统同磁栅尺系统相类似，也是由光栅尺、光栅读数头与检测电路组成的。

光栅尺在透明玻璃或金属镜面上真空沉积镀膜，利用光刻技术制作均匀密集的条纹（每毫米100～300条条纹），条纹距离相等且平行，光栅读数头由指示光栅、光源、透镜及光敏器件组成。

指示光栅有相同密度的条纹。

光栅尺根据物理学的莫尔条纹形成原理进行位移测量，测量精度高，一般为0.1～1Um。

光栅尺在高精度贴片机中应用，其定位精度比磁栅尺还要高1～2个数量级。

   西门子贴片机最早采用光栅尺-AC伺服电动机系统，但装有光栅尺的贴片机对环境要求比较高，特别是需要防尘，尘埃落在光尺上将会引起贴片机出故障。

   总之，上述三种测量方法均能获得很高的运动定位精度，但仅能对单轴向运动位置的偏