Повышение мобильности и качества сборки электронных модулей в многономенклатурном производстве

Введение

Рынок электронной промышленности стремительно набирает обороты. Динамично развивающаяся отрасль старается усовершенствовать оборудование, его точность, качество выходного продукта. Это приводит к необходимости разрабатывать и производить большое количество электронных устройств различного назначения. Большинство предприятий отрасли изготавливают довольно сложную радиоэлектронную аппаратуру на основе электронных модулей с поверхностным монтажом, которая обладает далеко не простой конструкцией с точки зрения ее реализации и миниатюрности применимых компонентов. Необходимо отметить также сложность конструкции самих печатных плат и многообразие корпусов электронных компонентов, которые используются в конструкции изделий.

В современных условиях для большинства предприятий очень характерна широкая номенклатура изделий при малой программе выпуска (как пример, компания «Точка Пайки», https://solderpoint.ru/montazh-pechatnyx-plat-smd). Данная ситуация приводит к тому, что для реализации сборки сложных изделий, содержащих 5–10 плат, понадобится 3–8 часов рабочего времени. Оно затрачивается на создание рабочих программ для установщиков поверхностного монтажа, программы на принтер трафаретной печати, на описание всех корпусов электронных компонентов в заказе, переналадки конвейеров, зарядку питателей, проверку соответствия электронных компонентов заявленным в конструкторской документации и другие промежуточные операции, отнимающие много времени. Впрочем, на автоматизированном оборудовании весь цикл сборки такого количества электронных модулей занимает лишь 10–15 минут.

Таким образом, в условиях многономенклатурного выпуска электронных модулей и для обеспечения высокой скорости вывода новых конкурентоспособных изделий на рынок необходимо эффективное сборочное производство, сочетающее высокую автоматизацию производственных процессов с гибкой переналадкой оборудования.

Исключение ошибок в комплектовании электронных компонентов

При комплектовании электронных компонентов одним из самых распространенных видов автоматизированной обработки данных является система штрихкодирования — особый набор графических изображений (буквенных и цифровых символов), визуально представляющих собой пробелы и черные штрихи. Кодировка такого типа включает уникальный код, присваиваемый электронному компоненту, несущий информацию о типе компонента и его основных параметрах, что дает возможность эффективного учета компонентов, поступающих на сборку (рис. 1а).

Рис. 1.

а) Катушка чип-резистора с индивидуальным штрихкодом;

б) сканер штрихкодов установщика компонентов

Технология штрихкодирования (IT system) основана на различных графических представлениях кодов (символиках), не только понятных человеку, но и предназначенных для считывания специальными устройствами — сканерами штрихкодов (рис. 1б). Штрихкод разрабатывается с учетом оптимизации таких параметров, как высокая информационная плотность, оптимальное расположение данных и легкость дешифровки. Основное назначение системы штрихкодирования — уникальная связь с информацией, сохраненной внутри компьютерной системы ID Register, которая может быть максимально быстро, легко и точно извлечена из базы данных (рис. 2).

Рис. 2. Структурная схема IT system

Система штрихкодирования помогает автоматизировать и тем самым ускорить производственный процесс сборки изделий. Но наиболее существенно то, что IT system исключает возможность ошибочной установки на печатную плату неправильного компонента. При поступлении на производство компонент пересчитывается, проверяется и получает уникальный штрихкод, регистрируемый в базе.

Во избежание ошибки на этом этапе оклейка штрихкодами компонентов и сверка осуществляются разными людьми.

Также индивидуальный ID-номер есть и у каждого питателя с компонентами. При сканировании штрихкода определенному питателю присваивается определенный компонент. При зарядке питателя в установщик он не примет питатель с не просканированным штрихкодом. Установщик принимает информацию о компоненте, о его количестве и присваивает питателю позиционное место. При попытке установить питатель в другую позицию установщик выдает ошибку и не позволяет запустить процесс до исправления данной ошибки (рис. 3).

Рис. 3. Регистрация компонента в установщике

Данная система исключает возможность ошибки. Человеческий фактор более не участвует в зарядке установщика компонентами. Оператору нет необходимости в сверке компонента и в поиске места зарядки, как не нужно обладать знаниями о том, где какой компонент и что собой представляет, так как при сканировании штрихкода компьютер сам укажет, куда следует поместить питатель.

Подготовка рабочих программ

Офлайн-программирование позволяет создавать программы на установщики компонентов, описывать компоненты и исправлять ошибки CAD-файлов на удаленном компьютере, что значительно облегчает работу технолога, оптимизирует время на наладку производственного процесса. И что не менее важно, подготовка рабочих программ на следующий заказ происходит во время сборки действующего заказа. Это позволяет сэкономить производственное время и в спокойной обстановке, без спешки осуществить контроль соответствия конструкторской документации.

Основные элементы офлайн-программирования:

1. ASCII data convertion — инструмент, позволяющий конвертировать текстовые данные Gerber-файлов, несущие информацию о габаритах платы, названии электронных компонентов, координаты их геометрических центров и местоположения реперных меток, в формат, подходящий для установщиков. Основные элементы конвертации (рис. 4):

• • Board Size — размер заготовки по X, Y и ее толщина;
  • Board Fiducial — координаты реперных знаков на технологических полях всей заготовки;
  • Board Badmark — координаты репера на заготовке, по которому происходит сверка на годность заготовки;
  • Block Offset — смещение базового репера и угол поворота платы на мультиплицированной заготовке;
  • Block Fiducial — координаты реперов на мультиплицированной заготовке;
  • Block Badmark — координаты реперного знака на плате мультиплицированной заготовки, по которому идет сверка на годность платы;
  • Mount Information — информация об установке компонентов, координаты центров компонентов и углы поворотов;
  • BOM Data — перечень элементов, привязка названия компонентов к их позиционным обозначениям и координатам.

2. Board Explorer позволяет проводить манипуляции с отдельными станками и целыми производственными линиями, регистрировать или удалять линии и машины. Содержит информацию о наличии программ на всех видах автоматов в линии.
3. Board Editor — непосредственный редактор рабочих программ, воспроизводящий все настройки установщиков компонентов. Он несет всю информацию об электронных компонентах: корпусах, координатах, углах установки, настройках взятия, установки, параметрах вакуума. Каждому компоненту указываются допуски, по которым скан-камера установщика определяет годность и правильность положения взятого компонента (рис. 5).
4. Программа Feeder Viewer (просмотр питателей) позволяет проверить положение питателей на пластине по графическому изображению. Это помогает обнаружить ошибки установки питателей и предотвратить возможные помехи движущимся деталям, а также другие проблемы. Позволяет распределять питатели вручную с учетом информации об их применяемости и тем самым сбалансировать время сборки на разных машинах (рис. 6).
5. Optimizer — данная утилита позволяет, проводя симуляцию сборки, просчитать наиболее простые алгоритмы сборки, автоматически расставляя питатели, указывая короткие траектории, по которым монтажные головки будут проносить компоненты до платы, порядок взятия с учетом нужных насадок на головках. Благодаря встроенной программе Line Data Distribution нетрудно распределить компоненты между всеми машинами сборки в линии в зависимости от возможностей определенных машин и времени сборки каждой машины (рис. 7).

Рис. 4. Пошаговая конвертация

Рис. 5. Основные панели Board Editor

Рис. 6. Панель Feeder Viewer

Рис. 7. Панель Optimizer

Основные этапы оптимизации в программе Optimizer:

• • Cycle time — время сборки печатной платы, которое должно быть не просто минимальным, но и равным циклу сборки в других станках и повышать общую производительность;
  • Point — точки установки, распределяют питатели по применяемости компонента;
  • Total Pickup Times — общее время захвата компонентов. Просчитывает все траектории взятия и установки компонентов с учетом проноса их над камерой.

6. Visual Editor — программа, позволяющая осуществить офлайн-программирование, не имея CAD-данных (рис. 8). Основные возможности программы:

• • cоздание и редактирование библиотек компонентов за счет полученного реального изображения компонента и его описания;
  • создание и редактирование библиотек реперных знаков с использованием изображения отсканированной платы и реперов на ней;
  • написание программы непосредственно по изображению печатной платы посредством ее сканирования, определения на ней реперных знаков и размеров, а также с указанием координат, где должны находиться компоненты.

Рис. 8. Панель Visual Editor

Создание мультиплицированной заготовки платы

Создание мультиплицированной заготовки печатной платы с top- и bot-стороной (рис. 9) одновременно и, следовательно, создание трафарета с рисунком обеих сторон позволяет исключить переналадку принтера, переходя на вторую сторону, снизить стоимость заказа, ускорить выход первой полностью пропаянной платы для последующего контроля.

Рис. 9. Заготовка с двухсторонней реализацией одной платы

Универсальные магазины и питатели

Обычно на выполнение заказа требуется минимум четыре магазина для загрузчика и разгрузчика плат. Чтобы переставить стандартный магазин на новую ширину, опытному оператору нужно 3–4 мин. Универсальный магазин с быстрой настройкой ширины (рис. 10) всегда сохраняет параллельность и отличается вертикальной устойчивостью, обладает антистатической защитой. Регулировка ширины магазина по размеру платы происходит за 5 с.

Рис. 10. Универсальный магазин для загрузчиков с быстрой регулировкой

Устройство автоматической замены питателей Feeder Exchange System (FES) (рис. 11) позволяет осуществить перезарядку питателей со старого заказа на новый за пару минут вместо получасовой перезарядки. Система представляет собой самостоятельное устройство, в котором зарядка питателей происходит независимо от работающего установщика. В офлайн-режиме можно зарядить все питатели на заказ, проверить номиналы и маркировки, затем одним движением устройство устанавливается в машину сборки, а питатели со старого заказа идут на разрядку. В результате самый длительный период переналадки производства можно свести к нескольким минутам, поскольку основная работа происходит одновременно и независимо от предыдущего заказа.

Рис. 11. Ленточный питатель SS Feeder

Выводы

При контрактной сборке электронных модулей в многономенклатурном мелкосерийном производстве главной проблемой являются сроки выхода изделий с момента поставки комплектующих без потери качества и с максимальным выходом годной продукции. На производстве ООО «Нанотех» (Минск) внедрение следующих технологий и программ позволило обеспечить значительные преимущества:

• IT system — оптимизирован процесс приемки, распределения и хранения комплектации; ускорена операция установки питателей в машину сборки, полностью исключена возможность ошибки — неправильной установки компонента;
• офлайн-программирование — за счет автономного написания программ, их сверки с конструкторской документацией и отладки данная процедура, занимающая от 2 до 10 ч, протекает одновременно со сборкой других заказов, сводя вынужденные простои линии к нулю;
• Top+bot-трафарет — исключен процесс переналадки с одной стороны на другую;
• универсальный магазин быстрой наладки, смарт питатели и автономная станция зарядки позволяют упорядочить и оптимизировать процессы подготовки производства, что в несколько раз уменьшает этап подготовки производства.

Таким образом, полностью исключив моменты простоя линии, повысив производительность и общую скорость сборки заказов любой сложности, мы смогли добиться точной сборки и высокого качества изделий. Внедрение данных технологий поможет превратить сборочное производство в эффективное и высокотехнологичное.