eng
Выпуск #3/2015
А.Калмыков, В.Мейлицев
Платформа Fusion: функциональность, производительность, качество
Платформа Fusion: функциональность, производительность, качество
Просмотры: 2121
В статье представлены сборочные автоматы серии Fuzion компании Universal Instruments, которые появились на российском рынке в 2014 году.
Теги: assembly line balancing automatic components pick & place machine fusion platform printed-circuit wiring автоматический установщик компонентов балансировка монтажной линии печатный монтаж платформа fusion
С
озданию новой платформы способствовало несколько рыночных тенденций в области электроники. С одной стороны, это увеличение разнообразия продуктов одновременно с ростом их технических характеристик. С другой стороны – очевидная тенденция к сокращению срока службы электронных устройств, к быстрой смене их типов и поколений. Это заставляет производителей электроники стремиться к наращиванию номенклатуры новых изделий при уменьшении сроков вывода их на рынок.
Отсюда и требования к производственной базе. В первую очередь это гибкость: приобретенное оборудование должно позволять изготавливать устройства разного назначения, разных габаритов и сложности, с самым широким ассортиментом элементной базы (рис.1). Оно должно допускать быструю переналадку при переходе от одного изделия к другому. Для любого производителя важна способность линии максимально быстро и с наименьшими затратами проходить этап отработки прототипа, многие хотели бы иметь возможность без затруднений наращивать объемы выпуска продукции. Конечно, по-прежнему актуальны и традиционные критерии: хорошее соотношение цена/функциональность/производительность, невысокая стоимость владения (затраты на электро- и пневмопитание, на зарплату персонала, аренду занимаемых площадей, расходные материалы и запасные части), минимум времени на техобслуживание. Эти характеристики и были ориентирами для компании Universal Instruments при разработке платформы Fuzion. Основными техническими решениями, обеспечившими их, стали:
перекрытие всего спектра SMD-компонентов, включая нестандартные, всего двумя типами монтажных голов;
самая большая емкость по питателям среди машин равного класса;
малое время перезарядки питателей, а также развитые возможности по их подготовке и установке в автомат без остановки процесса;
модульный принцип построения линейки моделей разной производительности, обеспечивающий их максимальную совместимость;
специальное программное обеспечение, позволяющее изготовить годным уже первое изделие новой серии (NPI).
Это только важнейшие концептуальные решения; в узлах и агрегатах платформы Fuzion реализовано множество инновационных инженерных идей, обусловивших ее техническое совершенство и экономическую рентабельность.
Две головы вместо...
Одна из двух голов, устанавливаемых в машины Fuzion, турельная 30-шпиндельная FZ30, ориентирована на максимальную скорость установки компонентов, начиная от минимального типоразмера 01005; специализация второй, рядной 7-шпиндельной FZ7, – универсальность, то есть максимально широкий спектр устанавливаемых элементов, вплоть до микросхем размером 150 × 150 мм при высоте до 35 мм.
На первый взгляд, это обычное решение: одна голова соответствует характеристикам чип-шутера, вторая является прецизионным универсальным установщиком, для которого важнейшим качеством является не быстродействие, а способность работать с самым широким спектром элементной базы. Рационально использовав эти свойства двух типов монтажных голов, инженеры компании Universal Instruments вместе с тем приняли меры по снижению степени их специализации по компонентам: области типов и размеров элементов, с которыми работают головы, сильно пересекаются (рис.2). FZ30, кроме чип-компонентов, способна работать с микросхемами размером до 30 × 30 × 6 мм, а FZ7 может устанавливать мелкие элементы размером от 0201.
Такое пересечение "зон ответственности" монтажных голов принципиально облегчает балансировку производственной линии. Если в станках линии каждая из голов специализируется на определенном диапазоне размеров компонентов, то практически всегда какая-то машина уже справится со своей работой в то время, когда другая еще будет занята; соответственно, первая машина будет простаивать. Головы же с пересекающимся спектром устанавливаемых элементов позволяют распределить операции между машинами в линии таким образом, что они будут завершать свою часть монтажа практически одновременно. На практике технологи часто размещают машину с головой FZ7 в конце линии, тогда станки со скоростными FZ30 быстро ставит основную массу компонентов, а замыкающий, укомплектованный FZ7, доустанавливает те, которые оказались не под силу FZ30.
Это новаторское решение для рынка монтажных автоматов: другие производители предлагают для комплектации своих машин более специализированные головы. Так, компания ASM использует четыре типа: револьверные головы CPP20 и Multistar устанавливают компоненты до 6 и 27 мм соответственно; предел для MS12 – 40 × 50 мм, а для размеров более 50 мм предназначена голова Twin. Также на четырех типах остановилась компания Panasonic: 16-шпиндельная голова работает с компонентами до 6 мм, 12-шпиндельная – до 12 мм, 8-шпиндельная – до 32 мм, а 3-шпиндельная "берет на себя" элементы размером 24 мм и более. Компания Fuji устанавливает в свои машины головы шести типов.
Две головы, охватывающие весь диапазон элементной базы, позволяют минимизировать потери производительности при переходе от одного продукта к другому, с существенно отличным набором компонентов, что весьма вероятно при использовании линий с бóльшим количеством менее универсальных голов.
Многие компании в своих установщиках для решения проблем балансировки линии, перехода на новый продукт и т. п. применяют принцип сменности на уровне голов либо целых модулей – когда пользователь оборудования может заменить голову или модуль в станке самостоятельно на своей площадке. Следует отметить, что этот принцип первой ввела в 1992 году именно компания Universal Instruments в семействе автоматов GSM1. И она же первой от него отказалась – как раз при проработке концепции платформы Fuzion. Во-первых, смена головы или целого модуля требует специальной оснастки и обученного персонала. Во-вторых, когда голова "лежит на полке", она не производит продукт, то есть попросту "замораживает" затраченные на нее средства. Специалисты Universal Instruments решили, что это нерационально, и создали две универсальные головы, способные выполнять все требуемые операции.
"Чип-шутер" FZ30 – механика
30-шпиндельная турельная голова FZ30 (рис.3) отличается самым большим быстродействием среди вращающихся голов – ее такт имеет длительность 55 мс. Такт 8-миллиметрового питателя, наиболее быстрого из семейства питателей ion, разработанных для платформы Fuzion, составляет 60 мс; таким образом, голова способна гарантированно поддерживать максимально высокое быстродействие автомата, обеспечивая скорость установки 35 тыс. комп./час. Она также обеспечивает самую высокую точность установки среди аналогов. Голова способна работать с компонентами размером от 01005 до 12 × 12 мм, при использовании опциональной оптики – 30 × 30 мм. Микросхемы до 20 × 20 мм захватываются всеми 30 шпинделями, при бóльших размерах шпиндели задействуются через один. Возможна работа с компонентами нестандартной формы. Высота компонента ограничена 6 мм. Это сделано с целью сокращения затрат времени на перемещение по высоте, что, с учетом наличия головы FZ7, не является значимым ограничением.
Голова приводится во вращение бесконтактным шаговым двигателем с переменным магнитным сопротивлением[1] – в этом устройстве воплощено несколько десятков патентов фирмы Universal Instruments. Такой двигатель не требует настройки и обслуживания, практически не изнашивается. В нем нет постоянных магнитов, а магнитное поле статора переменное – значит, он не производит намагничивающего воздействия на конструкцию машины и собираемое изделие.
Все 30 шпинделей универсальны, то есть могут работать с любыми компонентами из числа доступных голове FZ30. Это преимущество, так как у многих производителей, особенно если речь идет о рядных головах, шпиндели неравнозначны: например, девять из десяти предназначены для захвата чип-компонентов и лишь десятый – для микросхем. Понятно, что такая специализация чревата образованием "узких горлышек" в процессе сборки.
Шпиндель (рис.4) – полностью автономный узел, содержащий генератор вакуума, воздушные клапаны, подшипник, прецизионный серводвигатель поворота захвата вокруг продольной оси, плату управления. На нижнем торце шпинделя находится узел стыковки со сменными вакуумными захватами. Узел оборудован ключом, гарантирующим корректную фиксацию захвата. В рабочей области автоматов Fuzion для одной головы FZ30 предусмотрен магазин на 140 захватов; поскольку FZ30 работает преимущественно с элементами массовых типоразмеров, она один раз перед началом работы набирает захваты во все 30 шпинделей и в процессе монтажа их не меняет.
В конструкции шпинделя также реализовано несколько передовых решений. Прежде всего, это технология air kiss – "воздушный поцелуй". Наиболее часто встречающаяся схема работы вакуумных захватов – когда для взятия компонента из питателя в захвате образуется разрежение, а при установке на плату вакуумная полость просто открывается в окружающее пространство, откуда в нее "самотеком" заходит воздух, в результате чего компонент отделяется от захвата. В шпинделе FZ30 вместо свободного натекания реализована принудительная подача воздуха в сопло: захват как бы посылает компоненту воздушный поцелуй. Такая технология сберегает несколько миллисекунд в каждом цикле, что в целом дает существенный выигрыш в быстродействии. Стоит еще добавить, что воздушный клапан шпинделя, разработанный фирмой Universal Instruments, работает в пять раз быстрее, чем клапаны других производителей, выполненные на основе стандартных решений.
Шпиндель с его миниатюрной механикой – один из самых уязвимых узлов монтажного автомата. Поэтому Universal Instruments сделала шпиндели быстросъемными – для демонтажа нужно ослабить четыре винта и затем просто вынуть шпиндель из гнезда. Вся операция снятия дефектного узла и замены его новым занимает не более 5 минут. Компания позаботилась о ремонтопригодности и простоте обслуживания: шпиндель легко разбирается, легко чистится, сухой подшипник не требует смазки, сборка также проста. В комплект поставки входит шпиндель-тестер, выполняющий 22 функциональных теста за время, не превышающее 35 с.
Еще одна особенность головы – сенсор касания, которым оборудован каждый шпиндель; он тоже защищен патентами фирмы. По принципу действия это тензометрический датчик, отградуированный в единицах длины с шагом 25 мкм. Основное назначение сенсора – измерять истинную высоту в контролируемой точке относительно той, которая задана программой. Наличие датчика касания позволяет реализовать несколько полезных функций.
Во-первых, это автокомпенсация различий в глубине карманов упаковки и толщине компонентов – ведь даже компоненты одного типа и номинала, но от разных поставщиков, могут иметь разную толщину. Опускание шпинделя на единое фиксированное расстояние либо приведет к повреждению компонента, если программное значение этого расстояния больше реального, либо компонент не будет захвачен, если оно меньше. Замеры, сделанные датчиком, вносятся в виде поправок в управляющую программу, и эта забота с оператора снимается.
Перед началом монтажа при помощи сенсора касания создается модель платы, описывающая ее отклонения от идеальной плоскости, что исключает ошибки на этапе сборки. Далее, некоторые компоненты надо дозированно прижать – например, вдавить выводы микросхемы в паяльную пасту на контактных площадках; усилие прижима задается программой (обычно оно приведено в библиотеке элементов) и контролируется датчиком в процессе установки. Наконец, сенсор касания обеспечивает возможность монтажа по технологии "корпус-на-корпусе". В одном из тестов FZ30 укладывает друг на друга семь чип-компонентов размера 0402. Понятно, что без "ощущения" поверхности предыдущего компонента в "штабеле" невозможно правильно поставить следующий. Эта операция служит подтверждением высокой точности позиционирования головы по осям Х и Y – ведь семь чипов лежат друг на друге свободно, без всякого связующего вещества, только за счет аккуратности укладки. Кстати, у Universal Instruments есть серия монтажных платформ Genesis SC, предназначенных для полупроводниковых технологий; в этих машинах использована голова, очень близкая по конструкции и характеристикам к FZ30.
FZ30 – оптика
В голову FZ30 встроена сборка из двух оптических камер (рис.5), работающих в оттенках серого. Их назначение – инспекция компонентов и собственно захватов (пустых); технология процесса защищена патентами Universal Instruments. С компонентами производятся операции распознавания типоразмера, контроля положения по осям X и Y и угловой ориентации; при инспекции BGA-компонентов осуществляется полная проверка выводов. В случае отсутствия компонента в библиотеке камеры используются для автообучения программы – введения в ее базу нового элемента со всеми требуемыми характеристиками. Распознавание типоразмера микросхем производится чаще всего по выводам, но в некоторых случаях и по форме корпуса.
Левая камера стандартна в любой комплектации платформы Fusion. Она предназначена для работы с мелкими элементами – от 01005 до 12 × 12 мм, соответственно, ее поле зрения сравнительно невелико, зато высока разрешающая способность – 71 пикс/мм. На правую позицию опционально может быть установлена камера с разрешением 47 пикс/мм, работающая с компонентами размером до 20 × 20 мм; либо камера с меньшим разрешением – 14 пикс/мм, тогда предельный размер инспектируемого компонента равен 30×30 мм.
Обе эти камеры установлены в верхней части головы и направлены вниз, так что они обозревают объект в плоскости XY – его горизонтальную проекцию. Для наблюдения сбоку – в плоскости XZ – в нижней части головы предусмотрен еще один оптический датчик, называемый вертикальным сенсором. Он определяет наличие на захвате компонента в диапазоне размеров от 01005 до 30 × 60 × 6 мм, а у компонентов от 01005 до 0603, при высоте до 1,25 мм, дополнительно производит замер высоты (рис.6). Последнее позволяет отследить правильность захвата мелких компонентов, что очень критично: чип, захваченный за один конец, под углом, почти наверняка будет неправильно установлен или просто потерян в процессе движения шпинделя от точки взятия к точке установки. Кроме того, сенсор формирует динамические поправки в программу для компенсации колебаний высоты компонентов. В целом наличие вертикального сенсора в составе головы FZ30 кардинально улучшает качество монтажа.
При инспекции пустых захватов верхняя сборка оптических камер определяет их точное положение по осям X и Y, а также выявляет возможные загрязнения в районе сопел. Вертикальный сенсор инспектирует положение захватов по оси Z – контролирует их высоту относительно заданного программой значения.
Как работает FZ30
Перед началом монтажа при помощи стандартной камеры производится инспекция питателей, в процессе которой в управляющую программу направляются уточненные данные о положении осей лент во всех питателях. Дело в том, что между питателями всегда имеются малые различия, в каждом из них лента расположена чуть-чуть по-иному. Потому при работе с малоразмерными элементами не получится просто пользоваться стандартным значением шага установки питателей: эти различия становятся соизмеримыми с размерами компонентов. Измерив же заранее точное положение осей лент, программа переместит голову по оси Х таким образом, что центр захвата окажется точно над центром компонента. Таким образом обеспечивается возможность полностью реализовать все преимущества, заложенные в концепцию турельной головы. Когда требуется поставить большое количество одинаковых компонентов – а такая задача характерна для почти любого электронного устройства, – FZ30 единственный раз затрачивает время на передвижение от базы к питателю, а затем забирает из него 30 компонентов с максимальной скоростью – с частотой такта питателя.
Рядная голова в такой ситуации не может показать даже близкую скорость. Во-первых, у рядных голов попросту значительно меньше шпинделей. Но главное даже не это. При работе со сравнительно крупными компонентами рядная голова способна захватить их "залпом" – всеми шпинделями сразу. Но когда размер компонента уменьшается до 0402 и далее, различия в положении осей лент приводят к тому, что часть шпинделей "попадает в компонент", а другие – нет. Поэтому рядная голова должна "прицеливаться" каждым шпинделем, теряя на этом время. Отметим кстати еще одно преимущество турельной головы при массовой установке одинаковых компонентов: ей достаточно одного питателя, в то время как рядной требуется столько питателей, сколько она имеет шпинделей.
FZ30 вращается против часовой стрелки (рис.7). Забор компонента из питателя и установка его на плату производится в самой нижней позиции – "на шесть часов". При движении от точки забора к камерам шпиндель поворачивает компонент в то положение, которое он должен занять под камерой. Далее выполняется собственно инспекция. Сканирование компонента производится "на лету", причем до размера 20 × 20 мм движение головы не замедляется; при большем размере замедление становится необходимым. После прохождения под камерами компоненты поворачиваются в положение, нужное для установки на плату. За четыре позиции до точки взятия/установки находится встроенный в голову накопитель брака – "корзина", в которую сбрасываются нераспознанные, дефектные, неудачно захваченные компоненты. Наконец, за две позиции до "шести часов" располагается вертикальный сенсор.
При потере компонента программа может дать команду повторить операцию на следующем обороте головы, а может накопить данные обо всех событиях такого рода и потом произвести доустановку в режиме "ремонта"; эти варианты реализованы как опции при подготовке запуска изделия.
Полезной особенностью работы головы FZ30 является функция блокировки шпинделей – неисправных или с подозрением на неисправность. Если шпиндель регулярно неудачно захватывает компонент, или его не удается приемлемо отцентрировать, или на нем обнаружены загрязнения – такой шпиндель отключается, о чем извещается оператор. Монтаж продолжается с использованием оставшихся исправных шпинделей; для случаев, когда требуется и/или допустимо вмешательство, в управляющей программе есть опция, позволяющая приостановить процесс, снять шпиндель, почистить его или просто заменить другим.
Таким образом, в голове FZ30 компания Universal Instruments реализовала множество эффективных технических решений, направленных на повышение быстродействия, достижение максимального выхода годных изделий, упрощение и ускорение операций обслуживания, обеспечение удобства и гибкости работы оператора. Следующую часть статьи мы начнем с описания "универсала от Universal" – рядной монтажной головы FZ7.
Продолжение следует
озданию новой платформы способствовало несколько рыночных тенденций в области электроники. С одной стороны, это увеличение разнообразия продуктов одновременно с ростом их технических характеристик. С другой стороны – очевидная тенденция к сокращению срока службы электронных устройств, к быстрой смене их типов и поколений. Это заставляет производителей электроники стремиться к наращиванию номенклатуры новых изделий при уменьшении сроков вывода их на рынок.
Отсюда и требования к производственной базе. В первую очередь это гибкость: приобретенное оборудование должно позволять изготавливать устройства разного назначения, разных габаритов и сложности, с самым широким ассортиментом элементной базы (рис.1). Оно должно допускать быструю переналадку при переходе от одного изделия к другому. Для любого производителя важна способность линии максимально быстро и с наименьшими затратами проходить этап отработки прототипа, многие хотели бы иметь возможность без затруднений наращивать объемы выпуска продукции. Конечно, по-прежнему актуальны и традиционные критерии: хорошее соотношение цена/функциональность/производительность, невысокая стоимость владения (затраты на электро- и пневмопитание, на зарплату персонала, аренду занимаемых площадей, расходные материалы и запасные части), минимум времени на техобслуживание. Эти характеристики и были ориентирами для компании Universal Instruments при разработке платформы Fuzion. Основными техническими решениями, обеспечившими их, стали:
перекрытие всего спектра SMD-компонентов, включая нестандартные, всего двумя типами монтажных голов;
самая большая емкость по питателям среди машин равного класса;
малое время перезарядки питателей, а также развитые возможности по их подготовке и установке в автомат без остановки процесса;
модульный принцип построения линейки моделей разной производительности, обеспечивающий их максимальную совместимость;
специальное программное обеспечение, позволяющее изготовить годным уже первое изделие новой серии (NPI).
Это только важнейшие концептуальные решения; в узлах и агрегатах платформы Fuzion реализовано множество инновационных инженерных идей, обусловивших ее техническое совершенство и экономическую рентабельность.
Две головы вместо...
Одна из двух голов, устанавливаемых в машины Fuzion, турельная 30-шпиндельная FZ30, ориентирована на максимальную скорость установки компонентов, начиная от минимального типоразмера 01005; специализация второй, рядной 7-шпиндельной FZ7, – универсальность, то есть максимально широкий спектр устанавливаемых элементов, вплоть до микросхем размером 150 × 150 мм при высоте до 35 мм.
На первый взгляд, это обычное решение: одна голова соответствует характеристикам чип-шутера, вторая является прецизионным универсальным установщиком, для которого важнейшим качеством является не быстродействие, а способность работать с самым широким спектром элементной базы. Рационально использовав эти свойства двух типов монтажных голов, инженеры компании Universal Instruments вместе с тем приняли меры по снижению степени их специализации по компонентам: области типов и размеров элементов, с которыми работают головы, сильно пересекаются (рис.2). FZ30, кроме чип-компонентов, способна работать с микросхемами размером до 30 × 30 × 6 мм, а FZ7 может устанавливать мелкие элементы размером от 0201.
Такое пересечение "зон ответственности" монтажных голов принципиально облегчает балансировку производственной линии. Если в станках линии каждая из голов специализируется на определенном диапазоне размеров компонентов, то практически всегда какая-то машина уже справится со своей работой в то время, когда другая еще будет занята; соответственно, первая машина будет простаивать. Головы же с пересекающимся спектром устанавливаемых элементов позволяют распределить операции между машинами в линии таким образом, что они будут завершать свою часть монтажа практически одновременно. На практике технологи часто размещают машину с головой FZ7 в конце линии, тогда станки со скоростными FZ30 быстро ставит основную массу компонентов, а замыкающий, укомплектованный FZ7, доустанавливает те, которые оказались не под силу FZ30.
Это новаторское решение для рынка монтажных автоматов: другие производители предлагают для комплектации своих машин более специализированные головы. Так, компания ASM использует четыре типа: револьверные головы CPP20 и Multistar устанавливают компоненты до 6 и 27 мм соответственно; предел для MS12 – 40 × 50 мм, а для размеров более 50 мм предназначена голова Twin. Также на четырех типах остановилась компания Panasonic: 16-шпиндельная голова работает с компонентами до 6 мм, 12-шпиндельная – до 12 мм, 8-шпиндельная – до 32 мм, а 3-шпиндельная "берет на себя" элементы размером 24 мм и более. Компания Fuji устанавливает в свои машины головы шести типов.
Две головы, охватывающие весь диапазон элементной базы, позволяют минимизировать потери производительности при переходе от одного продукта к другому, с существенно отличным набором компонентов, что весьма вероятно при использовании линий с бóльшим количеством менее универсальных голов.
Многие компании в своих установщиках для решения проблем балансировки линии, перехода на новый продукт и т. п. применяют принцип сменности на уровне голов либо целых модулей – когда пользователь оборудования может заменить голову или модуль в станке самостоятельно на своей площадке. Следует отметить, что этот принцип первой ввела в 1992 году именно компания Universal Instruments в семействе автоматов GSM1. И она же первой от него отказалась – как раз при проработке концепции платформы Fuzion. Во-первых, смена головы или целого модуля требует специальной оснастки и обученного персонала. Во-вторых, когда голова "лежит на полке", она не производит продукт, то есть попросту "замораживает" затраченные на нее средства. Специалисты Universal Instruments решили, что это нерационально, и создали две универсальные головы, способные выполнять все требуемые операции.
"Чип-шутер" FZ30 – механика
30-шпиндельная турельная голова FZ30 (рис.3) отличается самым большим быстродействием среди вращающихся голов – ее такт имеет длительность 55 мс. Такт 8-миллиметрового питателя, наиболее быстрого из семейства питателей ion, разработанных для платформы Fuzion, составляет 60 мс; таким образом, голова способна гарантированно поддерживать максимально высокое быстродействие автомата, обеспечивая скорость установки 35 тыс. комп./час. Она также обеспечивает самую высокую точность установки среди аналогов. Голова способна работать с компонентами размером от 01005 до 12 × 12 мм, при использовании опциональной оптики – 30 × 30 мм. Микросхемы до 20 × 20 мм захватываются всеми 30 шпинделями, при бóльших размерах шпиндели задействуются через один. Возможна работа с компонентами нестандартной формы. Высота компонента ограничена 6 мм. Это сделано с целью сокращения затрат времени на перемещение по высоте, что, с учетом наличия головы FZ7, не является значимым ограничением.
Голова приводится во вращение бесконтактным шаговым двигателем с переменным магнитным сопротивлением[1] – в этом устройстве воплощено несколько десятков патентов фирмы Universal Instruments. Такой двигатель не требует настройки и обслуживания, практически не изнашивается. В нем нет постоянных магнитов, а магнитное поле статора переменное – значит, он не производит намагничивающего воздействия на конструкцию машины и собираемое изделие.
Все 30 шпинделей универсальны, то есть могут работать с любыми компонентами из числа доступных голове FZ30. Это преимущество, так как у многих производителей, особенно если речь идет о рядных головах, шпиндели неравнозначны: например, девять из десяти предназначены для захвата чип-компонентов и лишь десятый – для микросхем. Понятно, что такая специализация чревата образованием "узких горлышек" в процессе сборки.
Шпиндель (рис.4) – полностью автономный узел, содержащий генератор вакуума, воздушные клапаны, подшипник, прецизионный серводвигатель поворота захвата вокруг продольной оси, плату управления. На нижнем торце шпинделя находится узел стыковки со сменными вакуумными захватами. Узел оборудован ключом, гарантирующим корректную фиксацию захвата. В рабочей области автоматов Fuzion для одной головы FZ30 предусмотрен магазин на 140 захватов; поскольку FZ30 работает преимущественно с элементами массовых типоразмеров, она один раз перед началом работы набирает захваты во все 30 шпинделей и в процессе монтажа их не меняет.
В конструкции шпинделя также реализовано несколько передовых решений. Прежде всего, это технология air kiss – "воздушный поцелуй". Наиболее часто встречающаяся схема работы вакуумных захватов – когда для взятия компонента из питателя в захвате образуется разрежение, а при установке на плату вакуумная полость просто открывается в окружающее пространство, откуда в нее "самотеком" заходит воздух, в результате чего компонент отделяется от захвата. В шпинделе FZ30 вместо свободного натекания реализована принудительная подача воздуха в сопло: захват как бы посылает компоненту воздушный поцелуй. Такая технология сберегает несколько миллисекунд в каждом цикле, что в целом дает существенный выигрыш в быстродействии. Стоит еще добавить, что воздушный клапан шпинделя, разработанный фирмой Universal Instruments, работает в пять раз быстрее, чем клапаны других производителей, выполненные на основе стандартных решений.
Шпиндель с его миниатюрной механикой – один из самых уязвимых узлов монтажного автомата. Поэтому Universal Instruments сделала шпиндели быстросъемными – для демонтажа нужно ослабить четыре винта и затем просто вынуть шпиндель из гнезда. Вся операция снятия дефектного узла и замены его новым занимает не более 5 минут. Компания позаботилась о ремонтопригодности и простоте обслуживания: шпиндель легко разбирается, легко чистится, сухой подшипник не требует смазки, сборка также проста. В комплект поставки входит шпиндель-тестер, выполняющий 22 функциональных теста за время, не превышающее 35 с.
Еще одна особенность головы – сенсор касания, которым оборудован каждый шпиндель; он тоже защищен патентами фирмы. По принципу действия это тензометрический датчик, отградуированный в единицах длины с шагом 25 мкм. Основное назначение сенсора – измерять истинную высоту в контролируемой точке относительно той, которая задана программой. Наличие датчика касания позволяет реализовать несколько полезных функций.
Во-первых, это автокомпенсация различий в глубине карманов упаковки и толщине компонентов – ведь даже компоненты одного типа и номинала, но от разных поставщиков, могут иметь разную толщину. Опускание шпинделя на единое фиксированное расстояние либо приведет к повреждению компонента, если программное значение этого расстояния больше реального, либо компонент не будет захвачен, если оно меньше. Замеры, сделанные датчиком, вносятся в виде поправок в управляющую программу, и эта забота с оператора снимается.
Перед началом монтажа при помощи сенсора касания создается модель платы, описывающая ее отклонения от идеальной плоскости, что исключает ошибки на этапе сборки. Далее, некоторые компоненты надо дозированно прижать – например, вдавить выводы микросхемы в паяльную пасту на контактных площадках; усилие прижима задается программой (обычно оно приведено в библиотеке элементов) и контролируется датчиком в процессе установки. Наконец, сенсор касания обеспечивает возможность монтажа по технологии "корпус-на-корпусе". В одном из тестов FZ30 укладывает друг на друга семь чип-компонентов размера 0402. Понятно, что без "ощущения" поверхности предыдущего компонента в "штабеле" невозможно правильно поставить следующий. Эта операция служит подтверждением высокой точности позиционирования головы по осям Х и Y – ведь семь чипов лежат друг на друге свободно, без всякого связующего вещества, только за счет аккуратности укладки. Кстати, у Universal Instruments есть серия монтажных платформ Genesis SC, предназначенных для полупроводниковых технологий; в этих машинах использована голова, очень близкая по конструкции и характеристикам к FZ30.
FZ30 – оптика
В голову FZ30 встроена сборка из двух оптических камер (рис.5), работающих в оттенках серого. Их назначение – инспекция компонентов и собственно захватов (пустых); технология процесса защищена патентами Universal Instruments. С компонентами производятся операции распознавания типоразмера, контроля положения по осям X и Y и угловой ориентации; при инспекции BGA-компонентов осуществляется полная проверка выводов. В случае отсутствия компонента в библиотеке камеры используются для автообучения программы – введения в ее базу нового элемента со всеми требуемыми характеристиками. Распознавание типоразмера микросхем производится чаще всего по выводам, но в некоторых случаях и по форме корпуса.
Левая камера стандартна в любой комплектации платформы Fusion. Она предназначена для работы с мелкими элементами – от 01005 до 12 × 12 мм, соответственно, ее поле зрения сравнительно невелико, зато высока разрешающая способность – 71 пикс/мм. На правую позицию опционально может быть установлена камера с разрешением 47 пикс/мм, работающая с компонентами размером до 20 × 20 мм; либо камера с меньшим разрешением – 14 пикс/мм, тогда предельный размер инспектируемого компонента равен 30×30 мм.
Обе эти камеры установлены в верхней части головы и направлены вниз, так что они обозревают объект в плоскости XY – его горизонтальную проекцию. Для наблюдения сбоку – в плоскости XZ – в нижней части головы предусмотрен еще один оптический датчик, называемый вертикальным сенсором. Он определяет наличие на захвате компонента в диапазоне размеров от 01005 до 30 × 60 × 6 мм, а у компонентов от 01005 до 0603, при высоте до 1,25 мм, дополнительно производит замер высоты (рис.6). Последнее позволяет отследить правильность захвата мелких компонентов, что очень критично: чип, захваченный за один конец, под углом, почти наверняка будет неправильно установлен или просто потерян в процессе движения шпинделя от точки взятия к точке установки. Кроме того, сенсор формирует динамические поправки в программу для компенсации колебаний высоты компонентов. В целом наличие вертикального сенсора в составе головы FZ30 кардинально улучшает качество монтажа.
При инспекции пустых захватов верхняя сборка оптических камер определяет их точное положение по осям X и Y, а также выявляет возможные загрязнения в районе сопел. Вертикальный сенсор инспектирует положение захватов по оси Z – контролирует их высоту относительно заданного программой значения.
Как работает FZ30
Перед началом монтажа при помощи стандартной камеры производится инспекция питателей, в процессе которой в управляющую программу направляются уточненные данные о положении осей лент во всех питателях. Дело в том, что между питателями всегда имеются малые различия, в каждом из них лента расположена чуть-чуть по-иному. Потому при работе с малоразмерными элементами не получится просто пользоваться стандартным значением шага установки питателей: эти различия становятся соизмеримыми с размерами компонентов. Измерив же заранее точное положение осей лент, программа переместит голову по оси Х таким образом, что центр захвата окажется точно над центром компонента. Таким образом обеспечивается возможность полностью реализовать все преимущества, заложенные в концепцию турельной головы. Когда требуется поставить большое количество одинаковых компонентов – а такая задача характерна для почти любого электронного устройства, – FZ30 единственный раз затрачивает время на передвижение от базы к питателю, а затем забирает из него 30 компонентов с максимальной скоростью – с частотой такта питателя.
Рядная голова в такой ситуации не может показать даже близкую скорость. Во-первых, у рядных голов попросту значительно меньше шпинделей. Но главное даже не это. При работе со сравнительно крупными компонентами рядная голова способна захватить их "залпом" – всеми шпинделями сразу. Но когда размер компонента уменьшается до 0402 и далее, различия в положении осей лент приводят к тому, что часть шпинделей "попадает в компонент", а другие – нет. Поэтому рядная голова должна "прицеливаться" каждым шпинделем, теряя на этом время. Отметим кстати еще одно преимущество турельной головы при массовой установке одинаковых компонентов: ей достаточно одного питателя, в то время как рядной требуется столько питателей, сколько она имеет шпинделей.
FZ30 вращается против часовой стрелки (рис.7). Забор компонента из питателя и установка его на плату производится в самой нижней позиции – "на шесть часов". При движении от точки забора к камерам шпиндель поворачивает компонент в то положение, которое он должен занять под камерой. Далее выполняется собственно инспекция. Сканирование компонента производится "на лету", причем до размера 20 × 20 мм движение головы не замедляется; при большем размере замедление становится необходимым. После прохождения под камерами компоненты поворачиваются в положение, нужное для установки на плату. За четыре позиции до точки взятия/установки находится встроенный в голову накопитель брака – "корзина", в которую сбрасываются нераспознанные, дефектные, неудачно захваченные компоненты. Наконец, за две позиции до "шести часов" располагается вертикальный сенсор.
При потере компонента программа может дать команду повторить операцию на следующем обороте головы, а может накопить данные обо всех событиях такого рода и потом произвести доустановку в режиме "ремонта"; эти варианты реализованы как опции при подготовке запуска изделия.
Полезной особенностью работы головы FZ30 является функция блокировки шпинделей – неисправных или с подозрением на неисправность. Если шпиндель регулярно неудачно захватывает компонент, или его не удается приемлемо отцентрировать, или на нем обнаружены загрязнения – такой шпиндель отключается, о чем извещается оператор. Монтаж продолжается с использованием оставшихся исправных шпинделей; для случаев, когда требуется и/или допустимо вмешательство, в управляющей программе есть опция, позволяющая приостановить процесс, снять шпиндель, почистить его или просто заменить другим.
Таким образом, в голове FZ30 компания Universal Instruments реализовала множество эффективных технических решений, направленных на повышение быстродействия, достижение максимального выхода годных изделий, упрощение и ускорение операций обслуживания, обеспечение удобства и гибкости работы оператора. Следующую часть статьи мы начнем с описания "универсала от Universal" – рядной монтажной головы FZ7.
Продолжение следует
Отзывы читателей
