贴装技术实验平台的设计分析报告文案

1、. . . 贴装技术实验平台设计分析报告36 / 37摘要：随着电子信息技术产业的飞速发展，电子制造面临微型化和高集成度方面的巨大挑战，电子先进制造技术中的SMT(Surface Mount Technology)需要不断适应这些变化。贴片机作为SMT设备中价值比重最大的设备，也一直向着高速度与高精度的趋势发展，它的发展引起了各领域技术人员越来越多的关注。表面贴装技术(SMT)是将表面贴装元器件(无引脚或短引脚的元器件)贴并焊到印制电路板(PCB)表面规定位置上的电子装联技术。它包括表面贴装元件、表面贴装器件、表面贴装印刷电路板、点胶、丝印、贴装、回流焊与在线测试等一系列工艺过程。因此SMT生

2、产线上包含上料装置、编带机、丝印机、贴片机、检测仪、回流焊、清洗机和下料装置等一系列工艺设备构成。在PCB的生产中元器件的贴装是工作量和技术难度最大的关键工序，而贴片机是完成贴装任务的核心设备，主要功能是把各种片式元器件贴装到PCB上或裸芯片贴到封装基板上。贴片机在贴片过程中需要保证元器件无损失、拾取和放置的位置准确、贴装可靠性高，该环节涉与到图像处理、运动控制、智能优化、机械传动等多个领域，因此贴片机是SMT生产线中需求量和技术难度最大、生产工艺最复杂以与价格最高的生产设备，被视为SMT生产线上的“心脏”，是整条生产线的瓶颈和提高贴装效率的突破点，也是目前国际电子信息产品制造领域的竞争热点之

3、一。因此对贴片机贴片过程的优化，对提高生产效率和降低生产成本有着重要的现实意义。为了研究贴片机的关键技术，为开发人员提供一个开放式的实验平台，本文设计了一个贴装技术实验平台。本文基于设计搭建的硬件平台，设计了实验平台运动控制程序和贴装头贴装演示程序。论文主要工作如下：首先简单介绍了贴装工艺过程，然后简单分析了贴装精度的一些影响因素，接着就贴装技术实验平台的总体结构以与工作原理和工作过程进行了一系列的研究与设计。关键词：贴装技术，工艺流程，贴装精度，实验平台，PLC，运动控制1、 贴装工艺过程分析:1、 研究背景：随着全球电子资讯产品市场的繁荣和经济全球化的发展态势,世界围的跨国直接投资发展迅速

4、。中国因为其巨大的劳动力资源和市场优势以与加入世界贸易组织后的良好契机,成为众多国外电子公司投资建厂的首选地。二十一世纪伊始,中国的电子产业随着外资企业的进驻以与民营企业的加盟,发展迅速。而经历了 2000年到 2004 年的爆炸式发展后,产业规模也大大扩大。到目前为止,中国已经成为全球电子资讯产品最大的制造基地。而表面贴装工艺(Surface Mount Technology,SMT)相关产业作为电子制造业重要的基础性产业,随着整个电子产业在新世纪的崛起,以与SMT技术在电脑,网络通信,消费电子以与汽车电子等产品中的广泛应用,也相应地有了非常大程度的发展。目前,中国绝大多数的SMT产业集中在

5、三角洲,长江三角洲以与环渤海地区,并基本形成了较完整的产业链。但是最近两到三年，整个中国的SMT产业却由发展的黄金期,转而进入平缓调整期，原因如下:经过五到七年的发展,SMT技术在国已经得到极大普与,应用已经非常广泛;欧美日与港台企业将电子制造基地向中国转移的部署基本完成;国新的热点电子产品大批量制造尚未启动;新的投资热潮已经涌向印度以与东南亚国家。在这样的经济环境下,整个市场的订单需求下降，SMT相关企业必须加强企业竞争力才能在市场竞争中获得优势。电子产品的特点是刷新频率越来越高，更新换代越来越快，生命周期越来越短，这会催生新材料,新工艺的出现。而新材料和新工艺的出现会对企业现有的工艺系统造

6、成冲击，促使工艺更新。而工艺要更新，就要对现有工艺进行重新设计。这就要求企业必须具有较强的工艺设计能力，才能在同行业的竞争中占据优势。除此之外，环境限制法令也会催生新材料和新工艺。如2002年底欧盟议会通过废电器与电子设备指令（The waste Electrical and Electronic Equipment，WEEE）和危害物质禁用指令（Restriction of Hazardous Materials，Ro HS）指令，要求从2006年7月1日起，在欧盟市场上销售的各类电子产品不得含金属铅等有害物质；接着，日本，美国加州也有相似法令出台，我国也相应的推出了限制法令。在这样的环境要

7、求下，所有的电子原材料都必须使用非有害物质重新进行设计。目前各SMT相关企业都已经或正在改变工艺，以适应以上环境要求。另外，在Ro HS相关法令之后，电子行业正在酝酿更进一步的环境约束要求即“无卤素工艺(Halogen Free)”，这一环境要求旨在推行不含卤素的电子产品，目前已经有相关企业在推出无卤素电子产品。无卤素电子产品的推出必将催生新一轮的新材料新工艺的产生，并对企业的工艺系统造成新的冲击。企业如果不具备较强的工艺设计能力，将无法在新一轮的竞争中获得优势。2、表面贴装工艺设计概述 ：（1）表面贴装工艺流程 ：表面贴装工艺又称为表面贴装技术，简称SMT,是一种无需在印制板上钻插装孔，直接

8、将表面组装元器件贴焊到印制线路板的规定位置上，用焊料使元器件与印制线路板之间构成机械和电气连接的电子组装技术。需要进行表面贴装的电子产品一般由印制线路板和表面贴装元器件组成。印制线路板(Printed Wire Board，PWB),是含有线路和焊盘的单面或双面多层材料。表面贴装元器件主要包括表面贴装元件和表面贴装器件两大类。表面贴装元件是指各种片状无源元件，如电阻，电容，电感等；表面贴装器件是采用封装的电子器件，通常是指各种有源器件，如小外形封装器(Small Outline Package，SOP),球栅阵列封装器(Ball Grid Array，BGA)等。印制线路板和表面贴装元器件通过

9、表面贴装工艺完成表面贴装工作。表面贴装工艺主要包括核心工艺和辅助工艺两大部分。核心工艺由印刷，贴片和回流焊三个部分组成，任何类型产品的生产都要经过这三道工序，所以每个部分必不可少；辅助工艺主要由“点胶”工艺和光学辅助自动检测工艺等组成，并非必需，需根据产品的特性以与顾客的需求来决定是否需要。印制线路板有单面双面之分，电子产品也相应分为单面产品(印制线路板的一面需要贴装元器件)和双面产品(印制线路板的两面均需要贴装元器件),单面产品的表面贴装工艺的流程如图1所示，双面产品的表面贴装工艺的流程如图2所示:印刷工艺的目的是使焊膏通过模板和印刷设备的共同作用，准确地印刷到印制线路板上。印刷工艺涉与到的

10、工艺元素主要是焊膏，模板和印刷系统。 焊膏是用来将元器件与印制线路板连接导通以实现其电气和机械连接的重要材料。焊膏主要由合金金属和助焊剂两部分组成。在焊接过程中，这两部分分别发挥功效执行焊接工作。模板的作用就是将焊膏准确的印到印制线路板上，模板的制作方法和开孔设计对印刷质量有很大影响。印刷系统主要是指印刷设备和印刷参数。印刷设备的好坏对印刷准确度的影响很大，而印刷设备本身的重复印刷精度与印刷参数设置的合理匹配，是准确印刷的重要保证。印刷参数很多，但对印刷效果影响最大的关键参数主要有印刷速度，刮刀压力，脱模速度和脱模距离等。需要对这些关键参数进行设置并使其相互匹配，才能提高印刷质量。 贴片工艺的

11、目的是确保所有零件准确，快速的被贴片到印制线路板上。贴片工艺涉与到的工艺元素主要是贴片机与其贴片能力。贴片机的贴片能力是准确贴片的重要保证。贴片机的主要关键技术包括:（1） 运动，执行与送料机构高速，微型化技术。 （2） 高速机器视觉识别与照明技术。 （3） 高速，高精度智能控制技术。 （4） 并行处理的实时多任务技术。 （5） 设备开放式柔性模块化技术与系统集成技术。 回流焊工艺，是指通过熔化预先分配到印制线路板焊盘上的焊膏，实现表面贴装元器件的焊接面或引脚与印制线路板焊盘之间机械和电气连接的焊接。回流焊的目的是保证优异的焊接效果。回流焊工艺的主要工艺元素是回流焊炉与其焊接能力。回流焊炉的焊

12、接能力主要体现在回流焊炉的加热系统，冷却系统，助焊剂管理系统，惰性气体保护系统四个方面。加热系统主要看加热效率，温控精度，温度均匀性以与稳定性。冷却系统的作用主要有两方面。第一方面就是回流焊峰值温度较高，如果不能快速冷却，机板出回流焊炉口的温度过高，容易造成机板板弯；第二方面就是快速冷却可以细化组织，防止金属间化合物增厚，提高可靠性。助焊剂在回流焊的过程中会挥发，如果没有一个理想的助焊剂管理系统与时将挥发的助焊剂抽走并过滤循环，助焊剂就会跟随高温气流进入冷却区，凝结在散热片和炉，降低冷却效果并污染设备和机板。当机板匹配使用的焊膏活性不够好或者线路板上有超细间距元件和复杂芯片，再加上机板需要多次

13、过回流焊炉时，需要考虑在回流焊炉充入惰性气体，降低氧化的机会，提高焊接活性。一般使用的惰性气体是氮气。回流焊炉的焊接能力还要通过对回流焊炉的控制程序进行编辑才能发挥其能力。完成贴片的线路板在通过回流焊炉时，一般经历四个阶段:预热阶段，保温阶段，回流阶段以与冷却阶段。要提高焊接质量，就要通过回流焊炉的控制程序对以上四个阶段进行管控，才能确保焊接效果。 最后是辅助工艺。辅助工艺的目的是协助贴装的顺利进行并进行积极的预防检测和事后检测。辅助工艺主要由“点胶”工艺和光学辅助自动检测工艺组成。“点胶”工艺主要是通过将专用胶水“点贴”到需要的元器件的下方或周边，对元器件进行适当的保护，保护的目的主要有:第

14、一:确保元器件在经受多次回流焊接时,不至于脱落。第二:减少元器件在贴装的过程中受到的应力冲击。第三:保护元器件在复杂的使用环境中不致受损。“点胶”工艺的工艺元素主要包括“点胶”设备，专用胶水和“点胶”参数的设置。需要合理选择设备，胶水并设计好参数设置才能确保工艺的效果。光学辅助自动检测工艺主要是指：一是使用专门光学设备在印刷后量测印刷后的焊膏的厚度均匀性和印刷准确度，在贴片后检测贴片准确度，在回流焊前将有缺陷的线路板检测出来并与时报警；二是在回流焊后使用专门的光学设备对焊点进行检测，将有焊点缺陷的线路板检测出来并报警。专门的光学量测设备主要有可见光检测设备和 X 光检测设备。前者主要是自动光学

15、检测设备（Automatic Optional Inspection，AOI），后者主要是三维的 X-RAY 和五维的 X-RAY 设备。前者主要用于检测可视焊点，而后者除了可以检测可视焊点外，还可以检测不可目视的 BGA 类零件的焊点。辅助工艺并非必需，需要根据需贴装的产品的特性来决定是否需要。 （2）表面贴装工艺设计容： 上面提与的工艺设计的概念，均指的是表面贴装工艺设计，而表面贴装工艺设计的容主要是围绕上述工艺流程而展开的。完整的表面贴装工艺设计容主要包括以下几个方面。第一:选择何种设备设施组成生产流水线。任何需要表面贴装的产品都需要经过印刷，贴片和回流焊三个核心工艺，因此，印刷机设备，

16、贴片机设备和回流焊炉是表面贴装必需的设备。如何选择印刷机，贴片机和回流焊炉是表面贴装工艺设计的重要容。上面已经提到，印刷机的重复印刷精度和贴片机的重复贴片精度是确保印刷和贴片质量的重要技术保证。但是设备评估并不可能以设备的技术能力作为唯一的评价标准，而技术能力也并不是越先进越昂贵越好。设备评估应该尽量满足各种需求。设备用来生产，因此首先要对产品需求进行分析，确保设备的各项技术特性符合产品的精度要求。另外，公司投资购买设备当然期望设备能够为公司带来回报，因此要对公司这一部顾客的需求进行充分分析和挖掘，比如公司的需成本恰当和服务优异，就要对设备的采购成本和投入使用后的运营成本进行评估以确保恰当的成

17、本支出，还要对设备供应商的资质和它所能提供的服务如设备保固(指免费维修，保养，更换备品)年限，保固期结束以后的服务方式，服务人员的技术水平和服务质量，教育训练的提供状况等确认，以确保服务质量的预期可以满足公司这一部顾客的需求。但是公司还可能有其他需求，如希望设备具有较强的扩充性，不至于使用四五年就因为无法适应新产品的技术需求而被淘汰。除了产品需求和公司这一部顾客需求外，产品涉与到外部顾客的，如产品是外部顾客委托公司生产的，还要充分考虑外部顾客的需求。外部顾客可能会要求公司使用指定的设备进行生产，这对设备评估影响巨大。因此，如何充分挖掘产品需求，部顾客需求，外部顾客需求并确认这些需求的重要程度对

18、于设备评估的质量有重大影响。辅助工艺也会涉与到相关设备，设备的评估同样也要对以上需求进行挖掘和重要度评价。因此，新的工艺设计质量控制方法需要能够解决需求的挖掘和重要度评价问题。第二:除了必需的设备评估以外，还需要对设备进行有效的匹配以组成生产流水线。鉴于印刷机和回流焊炉，可以在较短的时间一次完成一面印制线路板的印刷和回流焊工作，所以对于单面产品，生产流水线只需要一台印刷机和一台回流焊炉即可；但是贴片机设备不同，生产流水线需要配置的贴片机数量和贴片机的类型与需要贴装的电子产品的元器件的多寡以与生产能力要求密切相关。生产能力包括生产速度和生产多种不同产品的兼容性。如果是研究机构架设生产线，对生产能

19、力的要求比较低，只配置一台贴片机也没问题，如果是生产企业，就要根据生产能力的需求以与产品的需求(元器件的多寡)来进行配置，结果有可能是需求一台，也有可能是需求多台，而且多台贴片机的匹配，有可能是一样型号的贴片机组合，也有可能是不同功能不同型号的贴片机的组合，因此还要解决如何让多台贴片机互相匹配的问题。这就需要解决如何将需求映射到和匹配相关的技术特征上的问题。目前，这一映射过程主要靠人员的经验。因此，新的工艺设计质量控制方法除了同样需要解决需求的挖掘和重要度评价问题之外，还需要能够用较科学的方法将映射过程可控化。 第三:生产线确定以后，还要考虑选择何种生产耗材进行生产。对于核心工艺，生产耗材是指

20、焊膏，是生产必需的耗材。对于辅助工艺，生产耗材不一定必需，如果需要的话，一般是指“点胶”专用胶水。如何选择焊膏和专用胶水是表面贴装工艺设计的容。以焊膏为例，上面已经提到焊膏是由合金金属和助焊剂两部分组成，合金金属是焊接的重要介质，而助焊剂就是辅助金属进行焊接的重要催化剂。选择何种焊膏，跟产品需求息息相关。如产品的要不含Ro HS禁用的物质，焊膏就必须选用不含禁用物质的合金，如产品的要不含卤素，选择焊膏的助焊剂中就不可以含有卤素。除了产品需求会对焊膏的选择有影响外，来自公司的部需求也会有影响。比如，虽然焊膏不像设备那样需要一次进行高额投资，但是因为焊膏是消耗品，持续使用会造成累计投入较高，因此，

21、在选择时要对成本进行考虑。另外还要像设备选择一样，考虑焊膏的供应商的资质和服务等问题。除此之外，如果外部顾客要求公司使用指定的生产耗材进行生产，这对耗材选择也有重大影响。因此，在选择过程中要充分对各种需求进行挖掘和重要度评价。第四:生产耗材确定以后，还要对工艺流程中涉与到的各项工艺元素进行管控设计。以印刷系统的印刷参数设计为例，为了达到需求的印刷质量，需要将需求映射到具体的印刷参数上去，目前主要是通过两类途径进行映射，第一类是借鉴经验或使用试验-失败-再试验的方法，第二类是使用实验设计法(Design of Experiment，DOE)或田口实验法。实验设计法通过对所有参数进行全因子匹配实验

22、，并对每一组实验的结果进行分析，获得最优的参数组合。在实验设计法的基础上，日本学者田口玄一又进行了探索，发明了田口实验法。这种方法将实验设计法的全因子实验的理论与工程师的经验结合，透过更少的实验组合，获得更接近全因子实验的结果。但是实验设计法和田口实验法的应用有很大局限性，只有参数可以量化的工艺才能应用。但是，表面贴装工艺流程中涉与到的诸多工艺元素，并非每一个都是具有这种条件的，因此，需要寻求适用性较广的方法将映射过程可控化。完整的表面贴装工艺设计容主要包括以上四个部分，但是设计完成的工艺还需要实际生产的反馈来确认设计的质量。因此，现有的以经验为主的设计方法并不能确保设计的质量，需要充分对需求

23、进行挖掘，并对需求重要度进行评价，再将需求和结果之间使用可控的方法进行映射获得设计方案，并对设计方案实际生产的效果进行反馈才能保证设计的质量。如下图所示，为SMT生产线示意图。（3）表面贴装工艺设计时机 ：表面贴装工艺设计的容已如上所述，表面贴装工艺设计的时机主要有以下几种情况。 第一:创建新的产品生产项目时，需要进行表面贴装工艺设计。此种情况下，所有的工艺全部没有，因此，表面贴装工艺设计的所有容如设备评估，生产线配置，耗材选择，工艺元素设计都需要进行设计。 第二:新项目已经有了，基本的设计也已经完成了，但是在项目运行过程中，有新的产品导入，新产品带来了新材料，新元器件等新工艺，需要进行表面贴

24、装工艺设计。设计时需要将新产品的需求映射到新的工艺需求，并将新的工艺需求转为具体可执行的设计方案。这种情况，只需要对表面贴装工艺设计的部分容重新设计即可。 第三:既没有新项目也没有新产品时，为了优化现有的工艺，也会根据优化的需求对表面贴装工艺设计的全部或部分容进行重新设计。 表面贴装工艺设计的时机主要包括以上三个方面，因此要求新的表面贴装工艺设计方法能够在每一个设计时机都可以运用。二、贴装精度分析：1、国外SMT贴片机的发展现状：（1）国外SMT贴片机的发展现状：贴片装备的出现是从PCB用电子器件封装的革新起步的。SMC/SMD的发明与雏形的SMT最早在欧美国家形成，发展比较缓慢，SMT贴片装

25、备尤其如此。美国一直在重要电子设备领域应用SMT的高组装密度和高可靠性方面的优点，并早期就进行着SMT贴片装备的研发和使用。到20世纪70年代中期，善于引进西方技术和再创新的日本企业加快了SMT的进一步发展，并开始研发自主的SMT贴装设备。20世纪70年代后期，日本大型的电子企业率先研制成功了自动化贴片机，并逐步改进为商业化使用的通用设备，广泛地应用在家用电子等产品生产中。20世纪80年代初期，由于集成化高、体积小、重量轻、电磁兼通性好和电气可靠性高等诸多优点，因此SMT成为先进电路板级组装工艺技术主流方向，同时SMT贴片设备作为电子工业的一个标志在各个国家开始大规模发展起来。在经历了手动贴片

26、机、半自动化专业贴片机、自动化贴片机和现在使用的高速高精度视觉型贴片机之后，发达工业国家基本上都开发出了自己的SMT系统化的贴装设备。走在SMT研发和使用最前端的公司比较多，著名的有日本的SONY（索尼），JUKI（富士），YAMAHA（雅马哈），PANASONIC（松下），德国的SIEMENS（西门子），国的SAMSUNG（三星），美国的UNIVERSAL（环球）和新加坡的FULLUN（富莱恩）等，这些公司都有自己整套的SMT贴装工艺生产解决方案，其中就包括核心设备高速高精度视觉型全自动化贴片机。对于大型电子产品生产企业来说，购买上述公司整个SMT贴装生产线设备能够达到很好的效益。在市面上常

27、见到的国外SMT生产线上的核心设备贴片机，在这里进行简要介绍先进类型的SMT贴片机的技术特性。富士的XP系列机见图1.1，其贴片围：0402（0.5×0.25mm）类元器件以上，SOP、SOJ、QFP、BGA封装高度在3mm以下的元器件，贴片围很广；由于控制多贴装头贴片，贴片速度：21800 chip/h；配置了工业用视觉系统，贴片精度达：±0.025mm；前后方供料共计100个站位，台车换料方式，避免频繁加换料，贴装效率更高。三星的SM系列机见图1.2，贴片速度：3000042000 chip/h；贴装精度达到：±0.03mm；贴装元件围：0201（0.5

28、15;0.25mm）44mm，SOP、PLCC、QFP、BGA、SOT封装的元器件，贴装的元器件高度可达到7mm；多达120个供料站位。图3：富士贴片机和三星贴片机 西门子的HS系列机见图4，其贴片围：0201（0.5×0.25mm）55.0×55.0 mm，可贴Flip Chip、QFP、TSOP、PLCC to PLCC44、SO to SO32、DRAM、BGA、u BGA、TQFP、CSP等封装类型的元器件，可谓使用围十分广；贴片速度：50000 chip/h；贴片精度可达：±0.075 um（在4 sigma时），可见精度已经非常高；有多达120个供料站

29、位。环球的GC系列机见图1.4，贴片速度：57000 chip/h；其贴片围：0402（0.5×0.25mm）30×30mm；贴装头上装有双视觉系统，贴片识别精度达：±217um；有多达100个供料站位。图4：西门子贴片机和环球贴片机 目前市面上优秀的国外贴片机都带有视觉系统包括基准点识别相机和元器件识别与调整相机、伺服驱动系统、自动化气动供料系统（有多达100种以上的供料站位）、自动化输送PCB板系统（包括板检测系统、到位后拍边加紧系统、输送轨道精密调宽机构等）、多贴装头贴装系统和上位机贴装控制软件等部分。上述介绍的几个在SMT贴片机领域世界领先的国家的一些高性

30、能贴片机的机械和硬件性能基本相当，但软件和控制系统各有独特之处。这些机器均有贴装精度高、贴装围很广、自动化程度高和装性能十分稳定的优点，使用在SMT生产线上能很好地与其他相关设备共同完成电路板级组装工艺的全过程，很适合于大批量生产。同时此类贴片机价格昂贵，有些先进产品更是售外限制，对于小批量生产的使用者来说存在着诸多现实约束。另据SMT行业发展趋势来看，随着表面贴装元器件的封装工艺在二维方面的技术趋于极限，未来引领SMT自动化装备发展的发达国家在这一行业可能会出现更好的技术。（2）国SMT贴片机的发展现状：据早期的SMC/SMT技术专家回忆我国最早引进SMT以手工贴片方式生产的时间可追溯到上世

31、纪80年代，当时国没有这方面的技术，因此根本没有相应设备的开发经验。上世纪90年代之后，世界新兴电子制造产业在发展中国家蓬勃发展，我国开始大量的引进来自欧美和日本的先进生产和工艺技术，其中包括表面贴装技术和相应的设备。随着在这一领域近几十年的发展，我国出现了许多SMT贴片机方面的研究，一些院校进行了贴片机控制和贴片软件的开发如大学、科技大学等；还有一些企业开发出来自己的系列化高精度的贴片机产品，如同志科技T8全自动多功能贴片机和科亚迪公司的TYD-KP6280型全自动视觉贴片机等见图3所示，与国外某种先进贴片机相比在贴片围、贴片速度、贴片精度都做得很优秀。图5:同志科技T8全自动多功能贴片机和

32、TYD-KP6280型全自动视觉贴片机我国企业在SMT与其设备研发方面的引进、消化吸收和再创新是有目共睹的，国市场上也已经存在诸多类型的SMT贴片机，但是国的贴片机在贴片性能上还是和国外同期先进SMT贴片机存在着不少的差距，尤其是在视觉系统、供料系统、贴装模块的贴装头、贴片自动化软件等方面。中国制造2025已经开启，在SMT贴片机方面更是有着诸多技术挑战亟待装备制造业努力发展，面对电子产品制造业市场各类需求，做出高性能贴片机在当前国贴片机市场有很大的效益。2、与精度相关的指标一CMM测量参数 本标准规定以下测量过程用于收集计算机器重复性精度和精确度的数据。首先将4块检测样板表面贴上双面胶，按给

33、定器件的贴装程序，在4块检测样板上贴装器件。接下来将4块检测样板送入光学坐标测量系统(CMM)测量每个贴装器件沿X、Y、轴向器件贴装位置偏差。（1）重复性精度： 本标准规定的重复性精度定义是在多块检测样板PVP上贴装一定数量的器件样本，测量器件计算贴装位置偏差的标准偏差。标准偏差表示贴片机在重复贴装一个器件时，所得到的器件贴装位置偏差的离散性。贴装位置偏差的定义是贴装器件实际中心位置与相对于检测样板基准标志CAD坐标的给定位置，两者之间的物理距离。重复性精度的主要指标有X轴向平均偏差、Y轴向平均偏差、轴向转动平均偏差。（2）精确度： 许多贴片机制造厂关于贴装精确度的技术指标，是以X, Y,(转

34、动)轴分别表述，这种传统的表述贴片机性能方法，认为每个传动轴是独立的。本标准提出一种新的表述方法，把X, Y, 8(转动)轴的影响集总起来加以考虑。其优点是与SMT焊接工艺的关系更密切连接起来，因为即使X, Y, (转动)轴分别符合技术指标要求，但有时三个传动系统集中起来，也会对焊点的形成产生不良影响。本标准用引脚与焊盘接触面积百分比LTL来表示。该量度表示是X, Y,(转动)轴综合误差作用最终得到引脚与焊盘的搭接面积，也就是引脚顶端(脚趾)最终外伸焊盘图形部分(如图6所示)。图6：最大顶角顶端偏差示意图（3）引脚/焊盘搭接能力的CPK值： 标准规定贴片机能力因素CPK分为2.0, 1.33两

35、级水平，这表示贴片机的贴装重复性精度分别为99.9968%, 99.9999%。其中Cpk=1.33相当于4-sigma，这是目前大多数贴片机所能达到的指标。 经CMM测量得到X, Y, (转动)轴一组贴装偏差数据，各器件的引脚/焊盘搭接的LTL可由上述公式2-1计算得到。接下来就可计算这组样本数据的LTL的平均值和标准偏差。最后根据电子产品分类规定的引脚/焊盘搭接标准，即可计算出引脚/焊盘搭接能力的CPK值。 例:假定，选用QFP-100器件样本，144个引脚/焊盘搭接贴装的平均面积为85%，标准偏差为5%，则相对50%引脚/焊盘搭接标准，CPK= ( 85-50 )/(3X5)=2.33。

36、3、几种类型的贴片机与其优化算法研究：（1）单吸嘴单贴装头的顺序贴片机：特点描述： 这类贴片机只有一个贴装头安装在机架上。机架只能在Y轴方向上运动，同时贴装头可以在机架上作X轴方向的运动。贴装头上的吸嘴可以在Z轴方向上运动，以执行拾取和贴装操作。贴片机贴装操作开始时，贴装头先到吸嘴站装上一个合适的吸嘴，然后到喂料器上拾取一个元件，再移动到对应的元件贴装位置贴装元件。此后，如果当前吸嘴还可以处理下一个要拾取和贴装的元件，贴装头就直接移动到元件喂料器拾取元件，然后再进行贴装操作;否则，贴装头先到吸嘴站更换吸嘴，然后才去拾取、贴装元件。贴装头从喂料器移到贴装位置再返回到喂料器的这个过程(包括换嘴操作

37、、元件拾取和贴装操作)，被称为拾取贴装循环。显然，顺序贴片机总是按顺序完成一个元件的拾取和贴装操作后，才进行下一个元件的拾取和贴装操作。而不像其它类型的贴片机，贴装头可以在执行某个元件的拾取操作的同时还执行另一个元件的贴装操作，或者可以同时拾取多个元件再依次贴装多个元件(具有这种特点的贴片机也被称为并行贴片机，如转盘式贴片机、多贴装头贴片机等)。此类贴片机是结构和原理最为简单的贴片机，但其贴装效率也较低。Quad IIIC贴片机就属于这类贴片机。优化问题分析和相关算法研究： 单吸嘴单贴装头的顺序贴片机因为其结构、原理简单，分析和建模也较为容易，其贴装时间优化问题被研究的最多，同时也是研究其它复

38、杂贴片机优化问题的基础。在每个拾取贴装循环中，贴装头要从上一个元件的贴装位置移动到下一个元件的喂料器位置(称为拾取行程)、再从元件喂料器位置移动到PCB上该元件对应的贴装位置上(称为贴装行程)，还可能包括移到吸嘴站更换吸嘴的动作(称为换嘴行程)。因此，拾取贴装循环时间等于贴装头的拾取行程时间、贴装行程时间和换嘴行程时间之和(实际上还应该包括贴装头拾取、贴装元件的动作时间和吸嘴更换的动作时间，但由于这些动作时间均为常数，对优化问题没有本质影响，因而在优化问题中忽略不计)。由于贴装头在每个拾取贴装循环中只能拾取和贴装一个元件，因此整个贴装时间等于所有元件的拾取贴装循环时间之和。很显然，总的贴装时间

39、取决于两个因素:各个元件喂料器所分配的喂料槽位置和PCB上各个元件的拾取贴装顺序。前者常被称为喂料器分配(feeder setup)问题，后者常被称为贴装排序(placement sequencing)问题。这两个优化Ip题高度关联、互相影响，使得求解问题最优解相当困难。许多文献都通过简化问题或通过近似处理的方法将问题分解为两个独立的优化问题，从而应用算法求解。也有文献将其作为一个完整的优化问题来求解。 Kumar和Li将顺序贴片机的贴装时间优化问题建模为一个线性整数规划问题。他们根据各类元件使用吸嘴的不同，将整个贴装过程按吸嘴的不同分成多个贴装子过程，每个子过程只涉与一种吸嘴的元件拾取和贴装

40、操作。然后，他们通过数学方法建立优化问题的两种数学模型，然后对第一种模型采用近似处理的方法将问题分解为喂料器分配和元件贴装排序两个优化子问题，并求解得到最优贴装时间的上限值。他们对第二种模型应用线性规划松弛方法得到最优贴装时间的下限值，并利用贴装时间上限值和下限值之间的差值作为判断它们与最优值接近程度的标准。在他们设计的软件方法中，最近邻法、最近插入法、最远插入法和随机生成方法等启发性算法被用于构造初始的元件贴装序列，2-opt, 3-opt等启发性方法被用于对初始的元件贴装序列进行改良。优化结果显示，在实际生产中，他们的算法平均可以节省25%的生产时间。（2）多贴装头直列式贴片机：特点描述：

41、 这类贴片机的贴装头机构上装配有多个贴装头，每个贴装头装配一个或多个吸嘴。由于贴装头之间位置相对固定且排成一条直线，而且吸嘴的间距是喂料槽间距的整数倍，因此贴装头机构一次可以同时从喂料器上拾取多个元件。拾取元件后，贴装头机构在X-Y方向上同时运动，并让各个贴装头的吸嘴依次对准PCB板上的元件贴装位置，然后通过贴装头的Z轴运动和吸嘴动作将元件贴装在PCB上。贴装过程中，PCB平台可以是可移动的，也可以是固定不动的，取决于具体机型。对于前者，PCB平台需在贴装头拾取元件和移向贴装位置的时候在X-Y方向上运动，完成贴装位置的定位。这类贴片机常常配有前后两个喂料机构，而且是固定不动的。完成一组元件的拾

42、取和贴装操作后，贴装头又按照同样的步骤开始下一组元件的拾取和贴装操作。如果当前贴装头所用的吸嘴己经无法拾取和贴装新的元器件，贴装头还必须在拾取元件前到吸嘴站更换吸嘴。这种类型的贴片机有YAMAHA的YV88和YV 100系列贴片机等。优化问题分析和相关算法研究： 多贴装头直列式贴片机与顺序贴片机在结构上的不同之处仅在于它的贴装头机构上配备了多个贴装头和吸嘴，可以在一个拾取贴装循环拾取和贴装多个元件。由于优化问题的复杂度(complexity)随着贴装头数目的增加而指数增长，单贴装头贴片机的优化算法无法直接用于多贴装头的情况。此外，多贴装头贴片机的贴装时间优化问题已被证明是NP难度的组合优化问题

43、，单一采用经典优化算法(如线性规划、动态规划、整数规划等)求解大规模的优化问题已无法获得较好的优化效果。在实际研究中，研究者们常常将构造性启发式算法(如最近邻方法、k-opt方法等)、领域搜索算法(如模拟退火算法、遗传算法等)等新型算法与经典算法结合使用，获得了较好的优化效果。 Lee等人研究了多贴装头直列式贴片机的贴装时间优化问题。他们采用由简单到复杂的方法，先研究单贴装头贴片机的贴装时间优化问题。他们提出了一种分链遗传算法，先用两个分链分别表示喂料器分配方式和元件贴装排序方式，然后通过合并两个分链来构造出一个新的链，再利用分链运算和参数调整的方法不断搜索具有良好适应度(fitness)的链

44、，达到同时求解喂料器分配问题和元件贴装排序问题的目的。在解决单贴装头情形的优化问题后，他们将多贴装头情形的优化问题转化为单贴装头情形求解。考虑到多贴装头可同时拾取一组元件的特点，他们将目标放在拾取时间的优化上。如果能够将元件喂料器适当分组，使得元件可以同时拾取且拾取次数最少，拾取时间就能减到最少。他们通过三个步骤解决了这些问题:首先将各个喂料器按使用吸嘴不同分配给各个贴装头，并使所用吸嘴的数量最小(以减少换嘴次数)和各贴装头的工作量相当;然后构造可同时拾取的元件喂料器组;最后构造元件拾取组，确定每组的元件组成和各元件组的拾取顺序。他们将每个元件拾取组看作单个元件、贴装头组看作单个贴装头，则多贴

45、装头贴装时间优化问题就转化为单贴装头贴装时间优化问题。最后，再次应用分链GA算法。此时有四个分链:表示喂料器一贴装头分配方式的分链;表示喂料器组构造方式的分链;表示喂料器组分配方式的分链;表示元件拾取组构造方式的分链。将这四个分链组合起来，就可以得到求解多贴装头贴片机优化问题的GA链，从而可以应用分链运算和参数调整方法求解问题。仿真数据表明，采用遗传算法优化后的贴装时间比启发性算法平均减少了5.69%-15.95%。而且，随着贴装头数量、元件种类和数量的增加，算法的优化效果会更好。Bruke等人提出了一种三阶段启发性算法处理多种类型不同数量PCB的贴装时间优化问题，使得PCB类型变换时无需进行

46、元件更换等生产准备工作。实验结果显示，他们的算法得到了较好的优化效果。他们提出的问题和解决方法己经突破了以往只研究一种类型PCB贴装时间优化的畴，更加接近实际生产环境，具有很强的实际意义和建设性，这也是未来贴片机优化问题研究的发展方向之一。三、贴装技术实验平台结构分析1、贴装平台总体结构： 本项目搭建的贴装平台结构如图7所示。贴装平台的基座由花岗岩制造而成，整体为U型结构，两侧立柱侧面设有减重孔，也可兼作搬运用，立柱顶面有用于安装线性模组和直线导轨的螺丝孔，基座中间的凹槽平面用于安装送料装置、上视相机送板装置等。贴装平台上搭建有X、Y、Z三轴传动机构，整体呈拱架式结构：Y轴作为三轴传动机构的主

47、要承载轴，采用“线性模组+直线导轨”方式进行传动和支撑，其中线性模组为滚珠丝杠和U型轨的组合体，配有马达座，可通过联轴器与伺服电机相连，直线导轨无驱动器件，作为副轨起支撑传导作用。X轴传动机构也采用线性模组，横跨在Y轴线性模组与直线导轨上，与Y轴组成贴装平台的主传动机构。Z轴的线性模组长度较短，安装在X轴滑块上，用于调整工作组件高度。基础平台三个轴上均安装有拖链，这样便于电源线、信号线、软管等的走线，同时也有助于减轻线的拖拽和磨损。Z轴滑块上安装有贴装头和下视相机，贴装头由Z轴、轴以与真空模块组成。Z轴用于控制吸嘴的上下运动，轴则控制吸嘴的旋转运动，真空模块则负责产生真空压力，使元件能吸附于吸

48、嘴之上。下视相机则用于观察PCB电路板的基准点，进行电路板的定位。固定于基座上的上视相机用于识别元器件的姿态和位置，配合X轴、Y轴以与轴调整姿态，完成最后的贴装。该平台包含X、Y、Z以与四个方向的运动，因此能满足元器件贴装需求的自由度。图7：贴装平台结构图 X-Y 平面传动结构的运动围，以贴装工艺的要求为主，兼顾其它功能的需要合理确定，原则上应保证整机尺寸合理、结构紧凑、便于安装和维护，并具备一定的扩空间。如图8所示，贴装头和下视摄像机可以移动的最大围的交集，即为有效工作围，最大有效工作围为：S=X×Y=250 x 320mm2。图8：贴装有效工作围2、 贴装平台工作原理与流程： （

49、1）贴装平台工作原理： 贴装平台融合了精密机械、视觉检测、智能化控制、计算机数字控制等现代机-光-电一体化综合技术，通过吸取、移位、定位、贴装等功能，在不损伤元器件和印刷电路板的情况下，将元器件快速而准确地贴装到印刷电路板所指定的焊盘位置上。吸取的前提条件是准确移动到器件所在的料位，贴装则需要对元器件进行检测并判定器件的预放置位置和角度。贴装基本过程如图9所示。图9：贴装基本过程（2）贴装平台工作流程 为了较好的理解贴装平台的工作原理，了解该平台的工作流程是必要的。虽然贴装平台有些部分还没搭建，但本实验平台是依照标准贴片机的工作流程对其进行规划的，所以在这里按一个完整贴装平台的工作流程进行介绍

50、。总体上看，贴装流程大体可分为：贴装数据获取阶段、工艺优化阶段和自动贴装阶段。贴装数据获取阶段主要是对所要加工的PCB板进行数据准备，如所要贴装的点数，每个贴装点在机器坐标系中的坐标，贴装点上所要贴装的元件的种类，元件的拾取位置等。在贴装前还要进行工艺上的优化，如贴装顺序的优化等，以提高贴装效率。这些准备好之后，就可以进行自动贴装了。自动贴装过程中的动作按先后顺序依次为：利用上板机构将待贴装的PCB板传送定位后，通过下视相机获取其基准点，再运动至取料点吸取元器件，通过上视相机检测后运动至贴装点进行贴片，PCB板贴装完成后再由出板机构工作将其运送出贴装平台。 贴装平台的贴装数据获取、工艺优化和自

51、动贴装整个工作流程如图10所示。其中，初始化包括贴装平台各坐标轴回零、气泵和真空泵启动等，准备工作做完后开始进行自动贴装。图10：贴装平台流程图3、 基础平台控制系统硬件组成：（1）贴装平台控制系统硬件组成： 贴装平台控制系统的硬件组成主要分为两大部分：基础平台部分和贴装头部分，它们均有控制器与执行部件，因此可独立运行。基础平台部分由DVP-20PMOOM控制的X-Y-Z轴伺服运动机构、X-Y-Z轴上的检测装置以与与DVP-20PMOOM进行信息交互的触摸屏组成；贴装头部分由控制器PMC-20MT-3、用于元器件位置调整的步进电机驱动系统以与气动控制模块组成。控制系统硬件组成如图11所示，下面

52、对系统中的每部分进行介绍。图11：控制系统硬件组成图（2）控制器DVP-20PMOOM与模块：图12：台达DVP-20PMOOM 基础平台控制器选用台达DVP-20PMOOM型PLC，如图2.6所示，此款PLC专用于三轴运动控制。DVP-20PMOOM是台达公司开发的一款重要产品，与DVP-20PMOOD同属DVP-20PM系列，是专用于工业自动化领域、具有数字运算操作功能的一种工业控制计算机，其硬件结构与微型计算机基本一样，如图13所示。DVP-20PMOOM交流电源输入电压为100V240V，围宽广;它即可作为主机也可作从机使用;带有MANU/AUTO开关，用于控制部程序的执行;带有可扩展

53、口，用于特殊功能模块的扩展;有两个通信接口(RS-232,RS-485)，用于程序下载或与其他设备通信;配有输入输出指示灯，方便观察执行状态;结合了PLC顺序控制与双轴补间定位控制的功能，在程式的规划上主要分为0100主程式、OX运动副程式与Pn副程式三大类。图13:DVP-20PMOOM硬件结构图 由于DVP-20PMOOM用于对三轴基础平台进行控制，但是它只能接收两路高速计数脉冲输入，由于本系统是通过光栅尺反馈构成的全闭环控制系统，X,Y,Z三个运动轴实际走过的位移需实时反馈给控制器，X,Y两个运动轴上光栅尺的反馈脉冲信号由DVP-20PMOOM部高速计数器对应的外部接口接收，所以为Z轴配

54、置了高速计数模块。本平台选择的高速计数模块型号为DVP01HC-H，其可接收一组外部200kHz的计数脉冲信号，并有两个输出点，其与光栅尺和DVP-20PMOOM的连接如图14所示。通过该计数模块和DVP-20PMOOM本身自带的两路高速计数器，用户就可以通过上位机对三个轴的运动情况进行实时的监控，便于精确控制。图14：DVP-O1HC连线图（3） 伺服电机与驱动器：基础平台选用的交流伺服电机与驱动器均为台达产品，伺服电机额定电压220V,额定转速3000rpm,额定输出功率400 W。驱动器输入电压220V,额定输入功率400W,主回路采用SVPWM控制方式，可以实现转矩、速度和位置三种控制

55、模式。其中贴装平台Z轴方向伺服电机配有电磁刹车，用来降低伺服电机持续输出很大的抗力而产生的大量热量，以致电机寿命降低，电磁刹车作用在伺服关闭之后。DVP-20PMOOM与伺服驱动器与伺服电机的连接如图15所示。图15：DVP-20PMOOM与伺服驱动器连接图 伺服电机作为系统地执行元件，用于将控制系统的电信号转换为机械运动，其工作性能将影响整个伺服系统的调速性能、动态特性和运行精度等。本平台伺服电机的后端都装有增量型编码器，电机每转一圈，编码器会输出固定数目的脉冲信号。伺服电机转动角度与编码器输出的脉冲数一一对应，那么单位时间的脉冲数就可以表示电机转速，对转速求导数就表示电机的转矩。伺服驱动器

56、起到对控制信号进行转换和放大的作用，其部主要包括控制电路和功率电路两部分。伺服驱动器部有电流环、速度环和位置环，配合先进的控制算法，可以根据上位机发出的命令或者通信数据控制伺服电机的位置、速度、转矩。伺服驱动器的外部接口主要包括电源接口、控制信号输入输出端口、伺服电机与编码器接口、通信端口等。通过驱动器上的操作面板可对其进行设定、调试和监控，操作面板由“数码显示器”和“操作按钮”两部分组成。数码显示器可显示驱动器的伺服状态、参数、异警等基本信息，操作按钮用于对数字面板进行操控。如表16所示为驱动器相关参数设置。表16：伺服驱动器相关参数设置表在位置模式(端子输入)下，驱动器接收脉冲命令，命令由

57、外部端子输入，控制伺服电机运动到目标位置，信号形态为脉波。驱动器电子齿轮比是控制器的位置单位与驱动器部的位置单位的比例，即电子齿轮比=(N/M)=(P1-44)/M（P1-45），根据式（1）可计算出电子齿轮比后转一圈所需脉冲数。 式（1）式中，f1为驱动器位置单位，f2为控制器位置单位，0.02 < (N/M) < 25600。 由于伺服电机分辨率为1280000pulse/rev，设定完电子齿轮比后转一圈只需控制器发送10000个脉冲。伺服电机旋转一圈带动机构移动距离为10mm，脉冲相对于机构移动距离对应关系0.001 mm/pulse，这样与光栅尺的脉冲当量就对应了。（4）检

58、测装置： 检测装置通过检测规定的目标物并将检测信号经传换元件按照一定的规律转换成可用信号传送到控制器，基础平台上安装的检测装置包括光电开关和光栅尺，X,Y,Z轴上各有一条光栅尺和三个光电开关，用以保证机器运动的相互配合和功能的实现。 贴装平台选用Omron EE-SX671A凹槽式光电开关，属于遮光On型，如图17所示，在X,Y,Z轴线性模组的两端安装光电开关用于限定各轴的运动围，当运动到极限位置时，运动机构上安装的挡块会进入到传感器槽，遮住发射光线，经过部电路处理，产生输出信号送至控制器，通过检测到的这类输出信号来控制伺服电机执行相应的停止动作。此外各轴需要安装零位指示光电开关，以便使伺服电机能够确定系统零点，进行精确控制。图17：光电开关与部电路原理图 虽然伺服电机驱动系统采用了