用于贴片机的散装元器件自动贴装系统

中国空间技术研究院北京卫星制造厂有限公司 周海涛 张彬彬 徐新宇

1.概述

航天器电子产品所用表贴元器件因为要首先经过老化筛选，所以大都使用防静电袋散装，在使用贴片机生产时，不同于民用产品料带的生产方式，这对于应用全自动贴片机生产时，如何提高生产效率、规范化操作和可控性管理是一个难题。

本文通过研究设计出一套适用于散装元器件贴装的解决方案，包括散料放置工装的设计和贴片程序的优化设计，大大减少编制贴片程序和摆料所耗的时间，减少重复工序，并使产品具有可追溯性，并且编好程序后，只需辅助工按照输出文件的要求将摆好器件和将散料工装摆放在指定位置，辅助工只需接受简单的培训可以识别元器件即可，从而降低了生产和人力成本，提高生产效率，并在很大程度上保证产品的可靠性，减少出错率，降低了质量风险，可以大大提高经济效益。

2.散装元器件工装的设计

对于航天器电子产品表贴多为散料的特点，通过调研，发现目前对散装元器件贴装时的方法较为原始和随意，散料供料器标准规格不一，操作者操作多为临时随机操作，贴一种规格元器件就摆放一种元器件，没有形成一套非常高效的操作方式，花在编程和重复摆放的时间很长，效率并没有比手工贴装的操作方式提高多少，且难以保证产品的质量稳定性和一致性。

本文对散装元器件工装研究的重点和难点主要包括：（1）散料工装料槽的尺寸公差问题；（2）散料工装的一致性问题；（3）散料工装的精确定位问题。

2.1 散料工装料槽的尺寸公差问题

散料的放置工装，首先需要考虑元器件自身的封装尺寸大小，从而对工装上槽的尺寸进行设计，通过对常用元器件包括电阻、电容、二极管、功率管等进行汇总，包括了标准中规定的元器件尺寸范围，用游标卡尺测量的实际尺寸，和卷装料料带中槽的尺寸，进行汇总。

常用阻容元器件的封装规格主要包括：0805、1206、1210、1812、2225、2512等，二极管主要为两种圆柱形MELF封装，钽电容主要包括CAK45和CAK45C两种封装，还包括SMD-0.5、SMD-1、SMD-2的供料管和LCC-20的集成电路等。对于常见的阻容及二极管器件，参考标准料单上料槽的尺寸设计即可，但对于功率管和集成电路没有料单的情况，则需要手工测量器件实际产品，并查找标准中规定的封装尺寸工差，对料槽的尺寸进行设计。

设计原则为以实际测量的元器件料带槽位尺寸为基准，应尽量大于标准规定的最大尺寸，超出元器件实测尺寸，并留有余量，各类不同器件槽位的深度应保证各种器件在放进槽位后，上表面与工装上表面基本持平，即所有不同种类器件基本在同一平面上。

初次设计的散料工装存在的一些问题：因为设计时考虑用一种规格覆盖多种封装的元器件，对于一些元器件存在槽的尺寸稍大的问题，有个别工装槽的尺寸所留余量超过了1mm，在试验过程中，发现偶尔有抛料和掉料的问题。抛料的原因是因为，器件放置时歪斜而不在槽的中心，吸嘴吸取后只能吸到器件的边角，在用设备摄像机分析封装时，会造成分析封装有误，导致抛料；而掉料的原因是因为吸嘴吸取时，没有完全吸住器件而漏气，导致掉料。后来对工装槽的尺寸进行了修改，减小了槽的尺寸余量，完全杜绝了掉料的发生，除了由于器件本身封装质量的问题造成的抛料，由于工装尺寸设计造成的抛料已经完全消失。部分尺寸如表1所示。

表1 铝合金小托盘50×50

2.2 散料工装的一致性问题

散料放置工装由各器件专用工装和工装摆放围框两部分组成，其中专用工装开有相应尺寸的槽位，只摆放同一种封装尺寸的器件，例如0805的专用工装只摆放0805的电阻电容，工装摆放围框上面开有更大的槽位，用于放置专用工装，专用工装尺寸为50×50mm，尺寸一致，如图 1所示。

图1 散料工装

围框在设计时应保证一个工装围框能摆放的专用工装应包括所需要的各类封装的元器件，放置的器件数量能够保证一块印制板的使用，所以放置的元器件应尽可能的多，放置在设备提供的内置托盘区，工装围框如图 2所示。

图2 散料工装围框

摆放元器件时，同一种规格的元器件放置在一个矩形范围内，可以是一个散料专用工装，也可以是散料专用工装上的其中一个分区。这样每次定位时只定位第一个和最后一个元器件的位置和输入数量，就可以定义元器件的坐标位置。

除了50×50mm的元器件散料专用工装以外，还设计了100×100mm的散料专用工装，用于放置功率管、大的钽电容和LCC-20集成电路等较大的元器件。

2.3 散料工装的精确定位问题

围框依靠自身的重量及定位滑块固定，在小正方形的散料工装的左上角留有45°的倒角，可以使用螺母固定，保证每次摆料后，工装中器件的位置都还是最初设定的坐标位置处，如图3所示。在围框上的行列号做好标识，用以指导操作者摆放散料工装。

自动贴片机编程流程，工艺人员输入PCB图(CAD文件)、元器件明细表生成BOM单作为程序的输入文件，包括了印制板上器件种类、量值与位号的对应关系，再由操作者每次在设备上使用摄像机用视觉方式定义散料器件的位置。

放置时，围框放置在设备托盘的左下角，依靠自身重量固定，即每次贴片不取下围框，只取放专用工装，这样可保证散料工装上的槽位都能在固定的坐标位置上，便于编程。

图3 使用螺母固定工装

3.散装元器件自动贴装软件的设计

软件的设计包括两个方面内容：1是用于贴片机的BOM单生成软件，2是设计散料放置指导文件生成软件。

3.1 用于贴片机的BOM单生成软件

PYTHON是一种解释型、面向对象、动态定义、跨平台、通用开放的脚本语言，同其他脚本语言相比，它具有高级数据结构、语法简洁优美、易于扩展和嵌入的优点，十分适合使用数据库对数据进行处理和管理。

使用PYTHON语言设计BOM单生成软件，输入元器件明细表和印制板坐标文件，生成贴片机BOM单，包括了元器件位号、元器件规格、XY坐标和角度等信息，如图 4所示。

图4 BOM单生成软件输出结果

3.2 散料放置指导文件生成软件

在生产过程中，由电装辅助工按照程序输出文件事先摆放好器件和散料放置工装，然后调用程序即可，为充分发挥贴片机的效率，可以多个辅助工并行工作。做到技术人员负责离线编程，操作者只负责摆放器件，明确责任，减少出错环节，可靠性高。

使用PYTHON语言设计散料放置指导文件生成软件，利用元器件及工装数据库，根据元器件数量、封装规格、工装数量、行列数量等参数生成用于指导操作者摆料的指导文件，包括使用的供料器种类、行列数量、摆放位置、编程料位等信息，如图 6所示。

SQLite数据库是一个小型的开源的嵌入式关系型数据库，它支持绝大部分开源SQL语言，并提供多种编程语言接口。它速度快，易于使用，并且不需要建立单独的数据库。PYTHON语言的Python DB API提供了简单、标准化的数据库接口，使用cursor方法与SQLite数据库建立连接，并获得独立的游标，用于执行和查询检查结果。

处理程序首先需建立两个数据表，一个是元器件封装表，命名为foot，另一个是元器件散料专用工装表feed。程序处理流程如图5所示。

图5 程序处理流程

程序的处理流程是，首先从软件界面获取元器件明细表的元器件的详细信息包括印制板编号、元器件名称、元器件规格、所在印制板的面和所需生产的数量。遍历元器件列表，根据元器件规格读取元器件封装表foot，获得元器件的封装，再读取元器件散料专用工作表feed，获得元器件所放置的工装规格，工装位置，依据共需生产的数量和散料托盘可放置的工装数量，对散料工装的排列和数量进行合理的优化计算，保证程序计算出的结果是最节省人力成本和时间成本，尽可能减少补料的操作，以提高生产效率。最后的信息结果还包括了散装元器件的XY坐标，在同一个散料工装上的分区号和元器件所放工装在设备上对应的喂料器的料位号信息，以便于操作者的摆料操作及编程。生成文件结果如图 6所示。

图6 元器件摆放指导文件

4.使用散装元器件自动贴装系统的技术指标

（1）在贴装过程中，元器件抛料掉料发生的情况，只与元器件本身封装的质量是否合格有关，没有因为散料工装的尺寸不合格造成的元器件无法拾取和抛料掉料的事故发生。

（2）采用该系统进行全自动贴片和传统半自动手工贴片对比的方式，检验贴片效率提高程度，不断进行优化设计，通过对于多种印制板进行试验，如采用以往手工贴装，完成一块印制板27套的生产量需要6个工作日，而采用散装元器件自动贴装系统，包括编制程序、设置供料器、摆料和补料的时间，生产27套最多只需2个工作日，工作效率提高了200%，且批量越大生产效率越高。

（3）经试验，在贴片程序输入、元器件摆放、散料放置工装摆放完全正确的情况下，对于相同印制板、相同程序、相同散料放置工装，每次重复贴片保持一致的程度达到100%。

5.总结

散料放置工装做好元器件公差配合、布局合理性的设计，每种工装放置器件的数量最大程度提高效率，充分利用空间，又不会造成浪费。

散料贴装程序包含元器件信息全面准确，可视性好，重复性和一致性高，生成输出文件全面清晰。

该成果已应用于多个型号任务的生产，使生产效率得到有效的提高，大大节省了人力成本和时间成本，产品一致性高，自动化程度高，生产完全可控可追踪，可靠性高。

实践证明，在未来，该成果既可以用于多品种、中小批量的模块化产品生产，也可以用于较大批量的、元器件种类多、元器件数量多的产品的生产。使贴片机能够得到充分的利用，而又不占用太多人力，也无需再多投入新的工装制作，不产生消耗品，使生产成本大幅节约。

[1]王天曦,王豫明．贴片机及其应用[M]．北京∶电子工业出版社,2011．

[2]Magnus Lie Hetland．Python基础教程[M]．北京∶人民邮电出版社,2010．