Automaty pick and place - wyzwania i trendy rozwojowe

| Prezentacje firmowe

Terminem "pick and place" nazywa się maszyny, które służą do precyzyjnego układania komponentów SMD na płytkach PCB. Używa się ich ze względu na dużą szybkość i precyzję pozycjonowania, szerokie spektrum obsługiwanych komponentów, takich jak: kondensatory, rezystory, układy scalone, diody, itp. Technologia montażu powierzchniowego została opracowana w latach 60. ubiegłego wieku i zastosowana na szeroką skalę w latach 80. Pionierem w tej dziedzinie była firma IBM, która w 1960 r. zaprezentowała niewielki komputer sterujący rakietami Saturn wykonany w technologii SMT. Rozwój był też wynikiem tego, że ręczny montaż stał się niewystarczający z uwagi na szybkość i wymaganą precyzję i powtarzalność.

Automaty pick and place - wyzwania i trendy rozwojowe

Wiele dróg

Rozwój maszyn pick and place odbywał się w różnych kierunkach. Jednym z nich był system karuzelowy składający się z pipet obracających się na karuzeli i ruchomego podajnika oraz układu przesuwającego całą płytkę pod głowicę. Rozwiązanie było szybkie, czasem jednak okazywało się, że siła odśrodkowa powstająca podczas obrotu głowicy była tak duża, że komponenty odrywały się od pipet.

Kolejnym pomysłem było urządzenie typu collect-and-place wyposażone w obrotową głowicę (pozioma oś obrotu) umieszczoną w układzie robota XY. Kilka komponentów było gromadzonych w głowicy, co redukowało czas potrzebny na ich pobieranie i na ruch pomiędzy płytką a podajnikami. Najpopularniejsze rozwiązanie wykorzystywało kilka pipet umieszczonych obok siebie.

Celem zmian i nowości takich jak collect-and-place było dążenie do zminimalizowania liczby ruchów wykonywanych przez maszynę. W zależności od koncepcji głowica w tym przypadku może być wyposażona w jedną pipetę, dwie lub cztery pipety, po nawet 20 w przypadku głowic obrotowych.

Podajnik komponentów

Kolejnym ważnym elementem maszyn pick and place jest system podający komponenty, gdyż od niego zależy wydajność i elastyczność. Komponenty są dostarczane w różnych formach: jako tzw. Stick, w tackach (tray) oraz w taśmach nawiniętych na szpulach.

Magazyn typu Stick został zaprojektowany we wczesnych latach rozwoju przemysłu układów scalonych. Używany jest do transportu i magazynowania komponentów elektronicznych. Magazynki te są używane również do zasilania maszyn układających komponenty do montażu powierzchniowego i przewlekanego.

Wykonane są najczęściej z przezroczystego PVC. Tacki są wykorzystywane w procesie produkcyjnym układów scalonych, jak również w czasie transportu. Są też wykorzystywane w układzie podawania komponentów w maszynach pick & place. Tacki są zaprojektowane pod komponenty, które mają nóżki z czterech stron (QFP i TQFP) i wymagają izolacji wyprowadzeń podczas transportu i manipulowania. Mogą być ustawiane jedna na drugiej, a najpopularniejszym standardem określającym wymiary tacek jest JEDEC.

Z kolei taśmy stanowią zarówno opakowanie zasilające automaty, jak opakowanie transportowe. Zaprojektowane zostały do magazynowania komponentów służących do montażu powierzchniowego. Mogą być używane dla praktyczne każdego rodzaju komponentów SMT i zapewniają izolację wyprowadzeń podczas transportu i innych czynności. Komponenty są umieszczone w nich pojedynczo w równych odstępach.

Jak jest faktyczna wydajność?

Wydajność maszyn do układania komponentów określa się głównie za pomocą parametru określającego zdolność maszyny do ułożenia określonej liczby komponentów w jednostce czasu (najczęściej na godzinę). Wydajność automatów p&p podawana jest w CPH (components per hour), czyli liczby podzespołów, które maszyna może pobrać, sprawdzić (inspekcja) i położyć w ciągu godziny.

Aby ułatwić porównanie wydajności maszyn pochodzących od różnych producentów, została opracowana norma IPC 9850 standaryzująca parametry, procedury pomiaru i metodologię używaną do charakteryzowania parametrów maszyn, ale niestety producenci zwykle określają wydajność według własnych standardów.

Na rynku panuje opinia, że wartości podane przez producenta należy pomniejszyć o 30%, aby uzyskać rzeczywistą szybkość maszyny. Niemniej porównanie nie jest łatwe nawet dla standardu IPC 9850. Powszechna opinia głosi, że w porównaniu do rzeczywistych wartości wyniki te należy pomniejszyć o 20%.

Choć można się zabawić w pogromcę mitów i obalić tę teorię, dobierając inaczej elementy do testów. Zgodnie z normą układanych jest 400 komponentów (kondensatorów) na płytce o wymiarach 200×200 mm. Niemniej w sytuacji, gdy do położenia jest 800 komponentów na mniejszej płytce, teoretycznie można uzyskać wyższą wydajność, ponieważ głowice mają mniejszy dystans do pokonania i mniej czasu tracą na wjazd/wyjazd płytki.

Stąd trzeba pamiętać, że standard IPC 9850 pozwala na teoretyczne porównanie maszyn, ale ma się nijak do rzeczywistych sytuacji i w efekcie tego maszyna o teoretycznie większej wydajności może się okazać w praktyce wolniejsza w przypadku niektórych aplikacji. Norma IPC 9850 oparta jest na komponentach o rozmiarze 1608.

W 2012 roku ukazała się nowelizacja IPC 9850A, która oparta jest na komponentach 1005 i 0603. Jest więc bardziej adekwatna do obecnych komponentów używanych w produkcji. Nie wszyscy producenci podają wyniki oparte już na nowej normie, trzeba upewnić się więc, według której zostały podane wartości w karcie katalogowej.

System wizyjny

Kolejnym ważnym elementem maszyny pick & place jest system wizyjny. Pozwala on na identyfikację i sprawdzenie ułożenia elementu trzymanego przez pipetę, umożliwiając jego prawidłowe ułożenie w docelowym miejscu. Dzisiejszy poziom zaawansowania kamer cyfrowych umożliwia wykonanie zdjęć dużej rozdzielczości.

Ważne jest też, że te obrazy trzeba przetworzyć w bardzo krótkim czasie, by nie opóźniały pracy maszyny. Często kamery umieszczone są razem z pipetami na ramieniu robota po to, aby móc wykonać zdjęcia w czasie ruchu, nie powodując dodatkowych opóźnień. Popularne są też systemy wizji w locie, gdzie kamera jest nieruchoma, a głowica przesuwa się nad nią bez zatrzymywania.

Rynek determinuje rozwój

Rozwój maszyn pick & place jest ściśle związany z wymaganiami, jakie stawia rynek. Jednym z obecnych trendów jest zwiększenie użycia płytek wykonanych z materiałów elastycznych FPC (Flexible Printed Circuits). Kolejnym jest nieustanna miniaturyzacja, która wymaga od maszyn coraz większej precyzji działania.

Wprowadzenie komponentów 03015 o wymiarach 0,3×0,15 mm jest wielkim wyzwaniem dla maszyn pick & place. Rozwój technologii diod emitujących światło (LED) również odciska swój wpływ na rozwój maszyn montujących komponenty. Wyzwaniem jest też zwiększająca się konieczność montowania podzespołów zarówno elektrycznych, jak i mechanicznych. Wymóg coraz większej automatyzacji sprawia, że budowane są całe linie, które montują np. czujniki. Na nich elementy elektroniczne jak i mechaniczne są klejone, lutowane i montowane w całość i na końcu linii pojawia się gotowy wyrób.

Grzegorz Szypulski
AMB Technic

www.amb.pl

Zobacz również