初探国产贴片机研制与生产的途径
上海航天局第812研究所 张申雄
摘 要：本文简述SMT贴片机制造技术的现代。探讨研制与生产国产贴片机途径中的一些问题。
关键词：贴片机
引言
随着电子技术与信息产业的飞跃发展，在电子产品的生产过程中，电子装联的技术装备已从原来的劳力密集型的手工机械操作转为技术密集型的自动化电子装联系统。SMT技术的出现从根本上改变了传统的电装生产形式，成为现代电子装配技术一个新的里程碑。
SMT是一项综合技术。贴片机是SMT生产线中极其关键的设备之一。
本文就我们进行贴片机研制开发和参与其生与制造的实践加以回顾和反思。
简述贴片机的制造技术
贴片机是机-电-光以及计算机控制技术的综合体。它通过吸取-位移-定位-放置等功能，实现了将SMD元件快速而准确地贴装到PCB板所指定的焊盘位置。
现将其加以分述：
1. 贴装头
从电装机器人的概念来说，贴装头就是一只智能的机械手，它能按要求拾取元件，精确地贴放到预置的焊盘上。
a. 元件拾放
拾取元件一般是采用真空负压的吸嘴吸住元件，它结构简单便于维护，近年这种产生负压的微型真空发生器组件已经成为多家公司的系列产品，专供贴装头的设计者选用。
在拾放的动作中，吸嘴在做Z方向的移动时，既要拾放速度快，而且还要平稳。早期的吸嘴Z方向移动是选用微型气缸完成的，在近十年的使用中发现气缸易磨损，寿命短，噪音大。目前不少新机型都选用了新颖的机电一体化传动杆代替，使Z向运动状态都可以控制，大大提高Z方向运动综合性能。
b. 吸嘴
当真空负压产生之后吸嘴是直接接触SMD元件的零件，吸嘴孔的大小与SMD元件的外形有每一台贴片机都有一套实用性很强吸嘴。为了贴片机适应不同元件的贴装，所以还配有一个自动更换吸嘴的装置。吸嘴与吸管之间还有一个弹性补偿的缓冲机构，保证在拾取过程对贴片元件的保护，提高元件的贴装率。
c. 气动电磁阀
贴装头的微型气动电磁是贴装头上又一个重要组件，它管理着移动和拾放等功能，随贴片机的发展集成电磁阀组亦有了相当大的发展，有些单个电磁阀厚度仅为10-18毫米。而且电磁铁驱动功率小，一般电路的驱动电平都可直接驱动，随着市场的不断发展，这些新颖的气动都能从市场上采购， 给贴片机的设计开发提供有利条件。
d. 元件的定位
贴片头的元件定位系统是贴片质量的一个重要环节，也是研究贴片技术难点之一，当被贴元件吸住元件之后，元件就处于不移稳定的悬浮状态。早期的技术用机械爪进行被动定位，从而解决了早期贴片机的元件定位问题，但必竟是机械方式，机械制造中的各种误差，直接反映到元件定位的质量，特别是贴片速度提高时，机械的噪音，零件的磨损和精度的寿命等都限制了纯机械定位爪的进一步发展。
近年视觉系统的采样技术，伺服机构，计算机图像处理等，已经改变了单纯用机械来解决定位问题。而是用非接触的红外，激光对中系统，并在移动过程中对偏离值进行自动修正。
e. 元件旋转
当吸嘴头吸持器件移动定位时，大部分元件都作一定量的回转运动（q角），首先是修正板上元件的安装轴线和元件在移动过程中轴线的角度(q’ 角)，其二是解决送料器上元件与PCB板元件焊盘轴线的角度差（q ”角）q = q’+q” 修正元件贴装角度偏差的这一机构，早其采用开环步进电机控制，通过小型同步皮带进行回转操作。现在一些新颖的贴片机已被一些专用微电机所代替，使机构的性能有很大的提高。为了提高贴片速度在贴片头都采用了多吸嘴的组合，它的操作程序都由计算机精密控制。
f. 其他
使贴头各机构能协同工作安装着多种形式的传感器，有效地协调贴片的工作状态。当贴片功能决定之后，贴片头总体结构设计就成了贴片机的关键，贴片头是一个高速运动的组件要提高精度就必须减小它的重量和体积，所以设计一个结构凑功能全齐的贴片头，也是贴片的设计重点。
在设计贴片头之前要多研究分析各种贴装的特点，还要充分由集机电一体化技术发展的各种器件性能，结构、材料等，如传感器，微电机，激光器，真空发生器，视觉识别系统，微型电磁阀，微型珠滚丝杆等。对设计方案还要进行大量工艺研究和实践的摸索和试验，克服各种不正常现象如飞片，立片，漏片等，不然是无法研究自已的贴片头，假如贴片是采用国外引进的，那么你的贴片机国产化的水平永远将是滞后的。
g. 完成贴装头设计后如何制造也是一个棘手的问题，一般说，加工最好是加工中心或数控机床，这类设备上进行，以达到高精度效率。由于加工尺寸的离散性小，能保证装配上的要求。
2.承载机构
PCB板的承载机构，有承载平台，真空支撑杆，PCB板移动的传输带，固定位 PCB板的定位销钉，反映定位状态的传感器、PCB板的压板，PCB板在这承载平台上传动平稳，定位准确。
贴片机和所有机械设备一样，还有一个承载框架，以前常用金属型材和钢板等材料，通过焊接方法制造，随着贴片机速度精度的提高，对框架基座的稳定性提出了更高的要求，近几年国外不少机型又选用机床设备传统的铸件结构，我国的铸造技术有相当水平，这一工艺技术又便于一般的小批量生产，这也是我们开发贴片机的一个有利条件。
3． 片机X-Y座标传动的伺服系统
贴片机X-Y座标传动伺服系统有两种形式，一种是PCB板作X-Y方向的正交运动。另一种方法是由贴片头作 X-Y座标平移运动，而PCB板仍定位在一定精度的承载平台上。这两种相对运动的方法都是为了将被贴的元件准确拾放到 PCB板的焊盘上。
a. X-Y机构的有关参数
驱动X / Y二维运动构件的参数也是贴片机精度的关键，假如贴片装头它的直线移动速度为1米/秒，滚珠丝杆的导程为20毫米，那么当贴片头移动1米，丝杆需要旋转50转，伺服电机的转速达到3000转/分，如果伺肥电机的反馈码盘取4000线，它每转就产生4000脉冲。若对20毫米导程的丝杆，那么每脉冲的移为5毫米，在3000转/分的条件反馈脉冲的输出频率要达到200千赫，伺服电机的工作，实际是一组采样数据的控制系统，它是由电脑直接控制，负责接受位移参数指令，采集位置传感器的反馈信号，计算机控制函数（即控制规律），以及产生数字形式的控制信号。数字形式的控制信号，数字形式控制信号经过D/A转换和伺服放大后，驱动执行机构，使输出轴上贴片头跟踪被贴元件PCB板上位置的指令运动，从而组成数字闭环控制系统。在系统控制设计之后就需要有一组的合理结构装置和相应的传动元件。
b. X-Y结构按装
X-Y的二维运动都是在X/Y轴的导轨上进行。驱动的动力伺服电有步进电机等 ，它们都应很好的动态特性和位置精度，承载运动件导轨是运动导向精度的关键零件。目前，大部分的精刻滚珠直线导轨，这种导轨摩擦系数小，精度高，寿命长，安装维护方便，便于标准化生产，常用直线轴承导轨的断面形状也有多种，在机构形式上也有大跨距双丝杆的横梁结构，单悬肩双导轨式等。
在导轨安装时要保证两导轨在空间平行，并保持水平工作面，导轨应直线性好，并不应有扭弯等几何变形，滚珠丝杆与伺服电机联结处，有一个高精度高性能的弹性联轴器有效地消除安装过程中产生的不同轴不同心等现象。从目前市场供货情况来看交流伺服电机，高精度大导程滚珠丝杆，小型伺服电机，传动轴上联轴器等都可从市场选购，这也是有利确保贴片的设计和生产质量。
4. 自从贴片机问世以来，贴片机的控制都是由电脑解决，所以每台贴片机都有它自已的一套操作软件，它有种位号输入输出和一个良好的操作程序，随着计算机技术的发展，Windows操作平台上软件的编制和操作的高智能化、可视化，而使得显视屏上的人机界面都有很大的改进和创新，又由于计算机辅助设计CAD技术的高，电路CAD设计版本不断升级如Protel软件使贴片机的智能化水平有很大的发展。
对国产贴片机研制与生产途径的思考
1． 贴片机的状况
从二十世纪八十年代开始，在国家的大力支持下，国内一些研究所、大学、大厂就开展SMT生产线中各种设备（指印、贴、焊等设备）的研制工作。
至今精密印刷机、波峰焊机、回流焊机都已有国产机型供应市场。唯独全自动国产贴片机仍是空白。
2. 反思与探讨
进口全自动贴片机仍然一统国内SMT领域的局面，使我们认为，仿制和引进的方法来解决设备国产化。这十几年的实践证明仿制和引进对一般家电产品赶上国际潮流是有效的。但对于技术含量的具有相当知识产权的贴片机来说，简单仿制是难以奏效的。当年全国有四家研究所进行了贴片机的研制，虽然他们都完成各自的研制课题和样机，取得了一定的成绩，但最后都无法将成果应用到生产线上去。
为此，我们认为要使国产全自动贴片机早日问世 ，应注意以下几点：
A. 更新观念，走出单一仿制，紧跟SMT发展，研制出适合我国企业要求的新机型。
B. 新设计的贴片机应在SMT的服务与生产过程中不断完善，使之尽快实用化，商品化。
C. 研制与生产者应认识生产工艺对SMT设备研制的重要性。
D. 只有充分重视自我人才的培养，才能真正做到新技术的创新和发展。
结束语
我们认为SMT国产贴片机的研制一定要立足国内，观注国外SMT发展趋势，汇集各路人才，彻底改变落后状态，早日推出具有国际先进水平的SMT贴装机。
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