中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠有限公司 周海濤 張彬彬 徐新宇

1.概述

航天器電子產(chǎn)品所用表貼元器件因?yàn)橐紫冉?jīng)過老化篩選，所以大都使用防靜電袋散裝，在使用貼片機(jī)生產(chǎn)時(shí)，不同于民用產(chǎn)品料帶的生產(chǎn)方式，這對(duì)于應(yīng)用全自動(dòng)貼片機(jī)生產(chǎn)時(shí)，如何提高生產(chǎn)效率、規(guī)范化操作和可控性管理是一個(gè)難題。

本文通過研究設(shè)計(jì)出一套適用于散裝元器件貼裝的解決方案，包括散料放置工裝的設(shè)計(jì)和貼片程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大減少編制貼片程序和擺料所耗的時(shí)間，減少重復(fù)工序，并使產(chǎn)品具有可追溯性，并且編好程序后，只需輔助工按照輸出文件的要求將擺好器件和將散料工裝擺放在指定位置，輔助工只需接受簡(jiǎn)單的培訓(xùn)可以識(shí)別元器件即可，從而降低了生產(chǎn)和人力成本，提高生產(chǎn)效率，并在很大程度上保證產(chǎn)品的可靠性，減少出錯(cuò)率，降低了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，可以大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.散裝元器件工裝的設(shè)計(jì)

對(duì)于航天器電子產(chǎn)品表貼多為散料的特點(diǎn)，通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前對(duì)散裝元器件貼裝時(shí)的方法較為原始和隨意，散料供料器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不一，操作者操作多為臨時(shí)隨機(jī)操作，貼一種規(guī)格元器件就擺放一種元器件，沒有形成一套非常高效的操作方式，花在編程和重復(fù)擺放的時(shí)間很長(zhǎng)，效率并沒有比手工貼裝的操作方式提高多少，且難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性。

本文對(duì)散裝元器件工裝研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要包括：（1）散料工裝料槽的尺寸公差問題；（2）散料工裝的一致性問題；（3）散料工裝的精確定位問題。

2.1 散料工裝料槽的尺寸公差問題

散料的放置工裝，首先需要考慮元器件自身的封裝尺寸大小，從而對(duì)工裝上槽的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)常用元器件包括電阻、電容、二極管、功率管等進(jìn)行匯總，包括了標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的元器件尺寸范圍，用游標(biāo)卡尺測(cè)量的實(shí)際尺寸，和卷裝料料帶中槽的尺寸，進(jìn)行匯總。

常用阻容元器件的封裝規(guī)格主要包括：0805、1206、1210、1812、2225、2512等，二極管主要為兩種圓柱形MELF封裝，鉭電容主要包括CAK45和CAK45C兩種封裝，還包括SMD-0.5、SMD-1、SMD-2的供料管和LCC-20的集成電路等。對(duì)于常見的阻容及二極管器件，參考標(biāo)準(zhǔn)料單上料槽的尺寸設(shè)計(jì)即可，但對(duì)于功率管和集成電路沒有料單的情況，則需要手工測(cè)量器件實(shí)際產(chǎn)品，并查找標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的封裝尺寸工差，對(duì)料槽的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)原則為以實(shí)際測(cè)量的元器件料帶槽位尺寸為基準(zhǔn)，應(yīng)盡量大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大尺寸，超出元器件實(shí)測(cè)尺寸，并留有余量，各類不同器件槽位的深度應(yīng)保證各種器件在放進(jìn)槽位后，上表面與工裝上表面基本持平，即所有不同種類器件基本在同一平面上。

初次設(shè)計(jì)的散料工裝存在的一些問題：因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)考慮用一種規(guī)格覆蓋多種封裝的元器件，對(duì)于一些元器件存在槽的尺寸稍大的問題，有個(gè)別工裝槽的尺寸所留余量超過了1mm，在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)偶爾有拋料和掉料的問題。拋料的原因是因?yàn)?，器件放置時(shí)歪斜而不在槽的中心，吸嘴吸取后只能吸到器件的邊角，在用設(shè)備攝像機(jī)分析封裝時(shí)，會(huì)造成分析封裝有誤，導(dǎo)致拋料；而掉料的原因是因?yàn)槲煳r(shí)，沒有完全吸住器件而漏氣，導(dǎo)致掉料。后來對(duì)工裝槽的尺寸進(jìn)行了修改，減小了槽的尺寸余量，完全杜絕了掉料的發(fā)生，除了由于器件本身封裝質(zhì)量的問題造成的拋料，由于工裝尺寸設(shè)計(jì)造成的拋料已經(jīng)完全消失。部分尺寸如表1所示。

表1 鋁合金小托盤50×50

2.2 散料工裝的一致性問題

散料放置工裝由各器件專用工裝和工裝擺放圍框兩部分組成，其中專用工裝開有相應(yīng)尺寸的槽位，只擺放同一種封裝尺寸的器件，例如0805的專用工裝只擺放0805的電阻電容，工裝擺放圍框上面開有更大的槽位，用于放置專用工裝，專用工裝尺寸為50×50mm，尺寸一致，如圖 1所示。

圖1 散料工裝

圍框在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證一個(gè)工裝圍框能擺放的專用工裝應(yīng)包括所需要的各類封裝的元器件，放置的器件數(shù)量能夠保證一塊印制板的使用，所以放置的元器件應(yīng)盡可能的多，放置在設(shè)備提供的內(nèi)置托盤區(qū)，工裝圍框如圖 2所示。

圖2 散料工裝圍框

擺放元器件時(shí)，同一種規(guī)格的元器件放置在一個(gè)矩形范圍內(nèi)，可以是一個(gè)散料專用工裝，也可以是散料專用工裝上的其中一個(gè)分區(qū)。這樣每次定位時(shí)只定位第一個(gè)和最后一個(gè)元器件的位置和輸入數(shù)量，就可以定義元器件的坐標(biāo)位置。

除了50×50mm的元器件散料專用工裝以外，還設(shè)計(jì)了100×100mm的散料專用工裝，用于放置功率管、大的鉭電容和LCC-20集成電路等較大的元器件。

2.3 散料工裝的精確定位問題

圍框依靠自身的重量及定位滑塊固定，在小正方形的散料工裝的左上角留有45°的倒角，可以使用螺母固定，保證每次擺料后，工裝中器件的位置都還是最初設(shè)定的坐標(biāo)位置處，如圖3所示。在圍框上的行列號(hào)做好標(biāo)識(shí)，用以指導(dǎo)操作者擺放散料工裝。

自動(dòng)貼片機(jī)編程流程，工藝人員輸入PCB圖(CAD文件)、元器件明細(xì)表生成BOM單作為程序的輸入文件，包括了印制板上器件種類、量值與位號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再由操作者每次在設(shè)備上使用攝像機(jī)用視覺方式定義散料器件的位置。

放置時(shí)，圍框放置在設(shè)備托盤的左下角，依靠自身重量固定，即每次貼片不取下圍框，只取放專用工裝，這樣可保證散料工裝上的槽位都能在固定的坐標(biāo)位置上，便于編程。

圖3 使用螺母固定工裝

3.散裝元器件自動(dòng)貼裝軟件的設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面內(nèi)容：1是用于貼片機(jī)的BOM單生成軟件，2是設(shè)計(jì)散料放置指導(dǎo)文件生成軟件。

3.1 用于貼片機(jī)的BOM單生成軟件

PYTHON是一種解釋型、面向?qū)ο蟆?dòng)態(tài)定義、跨平臺(tái)、通用開放的腳本語言，同其他腳本語言相比，它具有高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、語法簡(jiǎn)潔優(yōu)美、易于擴(kuò)展和嵌入的優(yōu)點(diǎn)，十分適合使用數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理。

使用PYTHON語言設(shè)計(jì)BOM單生成軟件，輸入元器件明細(xì)表和印制板坐標(biāo)文件，生成貼片機(jī)BOM單，包括了元器件位號(hào)、元器件規(guī)格、XY坐標(biāo)和角度等信息，如圖 4所示。

圖4 BOM單生成軟件輸出結(jié)果

3.2 散料放置指導(dǎo)文件生成軟件

在生產(chǎn)過程中，由電裝輔助工按照程序輸出文件事先擺放好器件和散料放置工裝，然后調(diào)用程序即可，為充分發(fā)揮貼片機(jī)的效率，可以多個(gè)輔助工并行工作。做到技術(shù)人員負(fù)責(zé)離線編程，操作者只負(fù)責(zé)擺放器件，明確責(zé)任，減少出錯(cuò)環(huán)節(jié)，可靠性高。

使用PYTHON語言設(shè)計(jì)散料放置指導(dǎo)文件生成軟件，利用元器件及工裝數(shù)據(jù)庫，根據(jù)元器件數(shù)量、封裝規(guī)格、工裝數(shù)量、行列數(shù)量等參數(shù)生成用于指導(dǎo)操作者擺料的指導(dǎo)文件，包括使用的供料器種類、行列數(shù)量、擺放位置、編程料位等信息，如圖 6所示。

SQLite數(shù)據(jù)庫是一個(gè)小型的開源的嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，它支持絕大部分開源SQL語言，并提供多種編程語言接口。它速度快，易于使用，并且不需要建立單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫。PYTHON語言的Python DB API提供了簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫接口，使用cursor方法與SQLite數(shù)據(jù)庫建立連接，并獲得獨(dú)立的游標(biāo)，用于執(zhí)行和查詢檢查結(jié)果。

處理程序首先需建立兩個(gè)數(shù)據(jù)表，一個(gè)是元器件封裝表，命名為foot，另一個(gè)是元器件散料專用工裝表feed。程序處理流程如圖5所示。

圖5 程序處理流程

程序的處理流程是，首先從軟件界面獲取元器件明細(xì)表的元器件的詳細(xì)信息包括印制板編號(hào)、元器件名稱、元器件規(guī)格、所在印制板的面和所需生產(chǎn)的數(shù)量。遍歷元器件列表，根據(jù)元器件規(guī)格讀取元器件封裝表foot，獲得元器件的封裝，再讀取元器件散料專用工作表feed，獲得元器件所放置的工裝規(guī)格，工裝位置，依據(jù)共需生產(chǎn)的數(shù)量和散料托盤可放置的工裝數(shù)量，對(duì)散料工裝的排列和數(shù)量進(jìn)行合理的優(yōu)化計(jì)算，保證程序計(jì)算出的結(jié)果是最節(jié)省人力成本和時(shí)間成本，盡可能減少補(bǔ)料的操作，以提高生產(chǎn)效率。最后的信息結(jié)果還包括了散裝元器件的XY坐標(biāo)，在同一個(gè)散料工裝上的分區(qū)號(hào)和元器件所放工裝在設(shè)備上對(duì)應(yīng)的喂料器的料位號(hào)信息，以便于操作者的擺料操作及編程。生成文件結(jié)果如圖 6所示。

圖6 元器件擺放指導(dǎo)文件

4.使用散裝元器件自動(dòng)貼裝系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

（1）在貼裝過程中，元器件拋料掉料發(fā)生的情況，只與元器件本身封裝的質(zhì)量是否合格有關(guān)，沒有因?yàn)樯⒘瞎ぱb的尺寸不合格造成的元器件無法拾取和拋料掉料的事故發(fā)生。

（2）采用該系統(tǒng)進(jìn)行全自動(dòng)貼片和傳統(tǒng)半自動(dòng)手工貼片對(duì)比的方式，檢驗(yàn)貼片效率提高程度，不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)于多種印制板進(jìn)行試驗(yàn)，如采用以往手工貼裝，完成一塊印制板27套的生產(chǎn)量需要6個(gè)工作日，而采用散裝元器件自動(dòng)貼裝系統(tǒng)，包括編制程序、設(shè)置供料器、擺料和補(bǔ)料的時(shí)間，生產(chǎn)27套最多只需2個(gè)工作日，工作效率提高了200%，且批量越大生產(chǎn)效率越高。

（3）經(jīng)試驗(yàn)，在貼片程序輸入、元器件擺放、散料放置工裝擺放完全正確的情況下，對(duì)于相同印制板、相同程序、相同散料放置工裝，每次重復(fù)貼片保持一致的程度達(dá)到100%。

5.總結(jié)

散料放置工裝做好元器件公差配合、布局合理性的設(shè)計(jì)，每種工裝放置器件的數(shù)量最大程度提高效率，充分利用空間，又不會(huì)造成浪費(fèi)。

散料貼裝程序包含元器件信息全面準(zhǔn)確，可視性好，重復(fù)性和一致性高，生成輸出文件全面清晰。

該成果已應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)任務(wù)的生產(chǎn)，使生產(chǎn)效率得到有效的提高，大大節(jié)省了人力成本和時(shí)間成本，產(chǎn)品一致性高，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)完全可控可追蹤，可靠性高。

實(shí)踐證明，在未來，該成果既可以用于多品種、中小批量的模塊化產(chǎn)品生產(chǎn)，也可以用于較大批量的、元器件種類多、元器件數(shù)量多的產(chǎn)品的生產(chǎn)。使貼片機(jī)能夠得到充分的利用，而又不占用太多人力，也無需再多投入新的工裝制作，不產(chǎn)生消耗品，使生產(chǎn)成本大幅節(jié)約。

[1]王天曦,王豫明．貼片機(jī)及其應(yīng)用[M]．北京∶電子工業(yè)出版社,2011．

[2]Magnus Lie Hetland．Python基礎(chǔ)教程[M]．北京∶人民郵電出版社,2010．