毕业设计（论文）-SMT贴装设备的工作原理及故障分析.doc

毕业设计（论文、作业）毕业设计（论文、作业）题目： SMT贴装设备的工作原理及故障分析 分校（站、点）： 年级、专业： 09秋机电一体化 教育层次： 大学专科 学生姓名： 学 号： 指导教师： 张帆老师 完成日期： 2012-5-19 目 录内容摘要和关键词 一、贴片机简介 1二、贴片机的种类 1三、贴片机的技术参数 1四、FUJI CP643贴片机的机构功能 1(一）机架 1(二）供料机构 2(三）置件机构 2(四）基板搬运机构 4(五）影像处理装置 4(六）控制系统 4五、机器动作流程 6六、贴装设备(FUJI CP643)故障及处理过程 8(一）CP st17 st19报警 8(二）SERVO AMP ALARM报警 11七、贴片机的发展前景 14参考文献 15致谢 16内 容 摘 要表面贴装技术（SMT）是当今国际上最热门的一种电子组装技术和工艺，曾被誉为电子组装技术一次革命，其中贴片技术则是SMT技术的支柱和技术发展的重要标志，同时又是一个设计制造一体化的设备， 本文主要对FUJI CP643贴片机机构功能和动作流程进行分析，以及贴片机的故障分析和其解决方案。关键词：贴片机；机构功能；控制系统；动作流程；故障处理。SMT贴装设备的工作原理及故障分析一、贴片机简介中国大陆地区电子制造商从上世纪八十年代后期开始从国外引进贴片机制造，那时规模大，主要是一些电视机厂用于彩电调谐器生产，所以贴片机国内市场的真正繁荣实际上是从九十年代中期开始的。伴随着香港、台湾地区电子制造商逐渐将其生产线移向大陆，以及国际几大顶级EMS公司如伟创力、旭电、天泓、四海、捷普等也纷纷到中国投资设厂，再加上中国本地OEM和EMS公司的崛起，使得中国贴片机产业迅速壮大。贴片机：又称“贴装机”，在生产线中，它配置在点胶机或丝网印刷机之后，是通过移动贴装头把表面贴装元器件准确地放置PCB焊盘上的一种设备。二、贴片机的种类贴片机根据贴片速度的快慢，可以分为：低速贴片机、中速贴片机、高速贴片机、超高速贴片机。超高速贴片机的速度可以达到每小时贴96000个贴片元件，即1秒钟贴2667个贴片元件。当然，超高速贴片机的价格也非常昂贵，还必须配备相应的其它设备和技术，进行合理的工艺编捧，才能发挥它的超高速的特性。在实际应用中，中速贴片机应用的更加广泛目前贴装设备大致可分为四种类型：动臂式、复合式、转盘式和大型平行系统。不同种类的贴片机各有优劣，通常取决于应用或工艺对系统的要求，在其速度和精度之间也存在一定的平衡。我公司目前使用的是转塔式CP643高速贴片机和QP341动臂式两种贴片机。三、贴片机的技术参数 各种不同速度、不同功能、不同结构的贴机的技术参数基本相同，主要有以下几种：（1）贴装精度与能力；（2）照相机参数；（3）元件贴装范围；（4）贴装速度；（5）基板支持范围；（6）最大装料能力；（7）机器的电、气参数及环境要求；（8）机器的外观尺寸、重量及物理承重要求。前面两种参数决定贴装设备的主要功能，能贴什么样的元件；贴装速度决定贴装设备的产能；基板支持范围和最大装料能力决定能支持多大的线路板和最多能容纳多少品种的元件；后两个参数则决定机器的安装条件。表面贴装技术的优点是把元器件精确、快速地贴放到印制板的电路焊盘上，因此贴装精度和贴装速度是贴装设备最重要的两个参数。四、FUJI CP643贴片机的机构功能（一）机架常见机架有整体铸造式和焊接式。但无论哪种工艺制成的机架都保证机器运行中的稳定，无位移；机架不随机器震动而产生震颤。（二）供料机构供料器是按照每次运动供一颗料运动的，并带动同步棘轮运行。按照料带来分，可以分为纸带的和胶带的。靠贴装头运动过程中敲击进给供料器进给柄实现驱动。（三）置件机构1.凸轮轴通过9组圆板凸轮和2组桶形凸轮来实现对旋转主轴的控制9组圆板凸轮：第1站吸嘴取料上下第1站飞达推料第1站切刀（以及低16站真空消除） 第3站预转离合器上下第10站最终置件角度旋转离合器上下(以及第5站误差角度修正) 第11站吸嘴贴装上下（以及第11站真空开关切换） 第12站精确还原离合器上下第13站预转还原离合器上下第18站吸嘴切换2组桶形凸轮：第3站置件角度预转第13站置件角度与转还原 第11站吸嘴上下第10站FQ离合器上下 吸嘴驱动装置 第3站PQ旋转R/L 第3站PQ离合器上下R/L 第一站送料凸轮轴B第1站吸嘴上下凸轮轴A第12站FRQ离合器上下第13站PRQ离合器上下THETA驱动装置第1站废料带切除第18站NC离合器上下第13站PRQ旋转R/L2.驱动装置3.置件工作头装备有6个种类的吸嘴，在零件的吸取和置件位置处下降和上升。4.吸嘴转换机构使用侦测器检知吸嘴的种类，用伺服马达将其进行转换20个置件工作头所在的位置被称为工作站，1-11站是本次置件的工作过程，12-19站为下次置件做准备。（四）基板搬运机构 机器上的基板搬运是通过基板搬运爪，在载入侧搬运轨道、置件平台和送出侧搬运轨道之间进行的。搬运爪可分为载入侧搬运爪与送出侧搬运爪 2 种。它们都是根据置件时的生产程序、由汽缸来驱动的。载入侧搬运轨道（In-conveyor）将基板搬送到机器内并Lifter(升降台)将其抬高后, 将基板过渡给后退过来的In-Carrier。载入侧搬运(In-carrier)，从In-conveyor ，基板抓取后搬运到XYtable上方位置。置件平台(XY-table)：将基板固定后送往指定置件位置，置件完成后过渡给Out-carrier。送出侧 搬运 爪(Out-carrier) ： 将 基 板 从 XY-table 上 抓 取后搬运到Out-conveyor。从 Out-Carrier 得到基板后将基板搬运出机器。（五）影像处理装置 机器影像处理是显著影响元件安装的第二个因素，机器需要知道电路板的准确位置并确定元件与板的相对位置才能保证自动组装的精度。成像通过使用视像系统完成。视像系统一般分为俯视、仰视，俯视摄象机在电路板上搜寻目标（称作基准），以便在组装前将电路板置于正确位置;仰视摄象机用于在固定位置检测元件，一般采用CCD技术，在安装之前，元件必须移过摄象机上方，以便做视像处理。目前的CCD硬件性能都具备相当的水平。（六）控制系统控制系统的功能可分为两大块：即电路控制和气路控制，主要由控制卡，各种传感器，各种阀和气缸，伺服电机和编码器等组成，是贴片机上最复杂，最核心的部分。1.电路控制（1）CPU板机器主控制板，所有功能由它决定，如各种信号。另外，程序，元件数据，固有参数，状态等资料储存在这。程序可存10个。（）COLOR板AVME-311AF/FH1017A彩显区动卡。控制显示器荧屏显示等。注意，不能显示黑色和白色零件图像。（）VISION板两块板中左边的板作用：本块板中的CPU，RAM，SCSI控制器和计算器插槽接口板两块板中右边的板作用图像数字转换器，RGB显示控制器序列线控制器和照相输入。图像处理接收是由棱镜系统上装着的SONY或TOSHIBA CCD相机摄取。图像质料然后转载到VP FRAME GRABBER(图像处理抓取器) ，然后通过CPU(25MHZ时) 处理。最后综合资料被汇报给CP643的主CPU。综合资料指的不是XY的补偿值就是其它不良代码。（）SERVO BOARDS伺服驱动卡，介于CPU与伺服放大之间，第一块卡：C，FRQ，Z轴；第二块卡：X，Y，FQ轴；第三块卡D1，D2，NC轴。（）I/O适配卡这块卡把CPU板(VME BUS)与编程逻辑控制器相连，因此是信号的中间转换单元。比如在LOADING状态，首先是IN CONVEYOR处SENSOR感应该处有无PCB，若有，SENSOR就把信号传到I/O，通过I/O把信号传给CPU板，CPU板再把信号通过I/O传给PLC，PLC把命令发出通过继电器把马达电源打开，马达转动，从而把PCB送到MAIN CONVEYOR，然后接到CPU，I/O，PLC发出的命令也转动，把PCB送到目的位置。若无，SENSOR就把信号传到I/O，通过I/O把信号传给CPU板，CPU板再把信号通过I/O传给PLC， PLC把命令发出通过继电器把马达电源打开，马达转动，直到有PCB到SENSOR位置，再重复上面动作。（）SCSI适配卡RAM板是作为VP图像处理软件适配卡，当POWER ON时，图像处理器用它自身的ROM激活，在这VP软件(固软件结合物处理运算法则)从ROM卡(SCSI) 传到VP板(图像处理板) 。（）MP板作用1：电源故障检测。作用2：侦测主交流电压的降压。气路控制气路控制电磁阀等气缸组件由外部气源控制。气源如图，外部气源接口(45kg/c)NOZZLE真空废料带吸取由机器后面的真空磅产生，机器后真空发生器3伺服系统伺服系统由9个伺服马达组成：X，Y，Z，D1，D2，PRQ，FQ，CAM，NC，它们属于运动部分，完成CPU通过SERVE 卡及伺服放大器而执行的动作。如图：五、机器动作流程基板由In-conveyor载入，到达Out-conveyor后载出，其间机器需进行载板、定位、置件等诸多动作。下面将针对这些动作讲述一个完整的动作流程。检测基板有板基板没有，待板基板载入上载，由in-carrier传送载入XY-table执行预取件动作MARK定位零件影像处理影像错误则被抛入不良零件盒置件基板完成生产，XY-table会移向Out-carrier方向XY-table上升基板转到Out-carrie上基板被载出当启动键被按下后，检测输送带上是否存在基板，若已存在基板，基板会被载入，则会有基板载入到In-conveyor)。然后，被载入的基板被上载并输送到In-carrier，此时，机器执行预取件动作，基板由In-carrier转送至XY-table的同时，机器执行预先取件的动作；当基板被载入到XY-table后，使用定位相机读取基准定位点对基板进行定位，18站进行吸嘴切换，为确认选择了一个正确的吸嘴，然后第19站进行吸嘴检测；当所选定的Nozzle移到第1站，同时吸嘴位于吸件位置时，机器将会调整凸轮的速度，同时吸嘴在吸件位置下降并在一瞬间将零件吸取，为减少置件时间及增加置件精度，在第10站执行最终置件角度旋转之前，在第3站先进行预转动作，第6站使用CCD相机对零件进行影像处理，依据被侦测零件的尺寸可使用宽视野相机或窄视野相机进行检测，未通过影像处理的零件将不被置件而在第16站抛入不良零件收集盒内。随后机器依据机上设定或Part Data自动执行补件动作，在第10站，依据定位相机和零件相机所读取的资料，对零件角度进行最终调节，第11站进行置件，当XY-table到达置件位置时，零件被置放，第13站将Nozzle Holder转回原位（即将第3站和第10站所旋转的角度还原）反复动作，直到目前XY-table所夹持的基板完成生产；当目前基板完成时，XY-table会移向Out-carrier方向，在基板送出位置，XY-table将上升并将基板转到Out-carrier，随后Out-carrier移向Out-conveyor，并由Out-lifter(输出侧基板升降台)将基板放置在Out-conveyor上，基板排出要求信号被送往下一机台。若由下一机台接收到基板载入要求信号时，此基板被排除。六、贴装设备(FUJI CP643)故障及处理方法（一）ST17 ST19 报警原因分析及处理方法 在处理这个问题的时候,我们要知道一个前提，那就是这个设备是归过零的，如果不能确定是否归零的，最好做一下手动归零(F6+-)。这是因为如果设备没有完全归零的话，各个马达都不知道当前的位置,特别是CAM轴要归零。因为如果在CAM轴归零过程中设备报错的话，机器就不会要求再次归零了，而其他轴在归零过程中报错中断后，待报警消除后,系统会再次提示你归零的。这个时候因为CAM轴没有归零完全，所有它的位置是不正确的，这样就会引起 ST12，ST15，ST17，ST19错误。当这个现象出现时，设备报警,并提示：ST17/ST19 SHAFT ? NOZZLE ? ERROR这个报错的直接原因是机器本身没有感应到ST17或者ST19 SENSOR的信号，没有感应到holder上反光面上的反光信号，对于这个最直接的原因,我分析了一下，就要有以下几个方面产生的。1、sensor系统出现问题了主要包括 sensor本身不好,amplifier没有调好,或者连线松了。在判断这个问题之前，我们必须确认，那个报警的shaft的位置是好的，即HOLDER没有发生偏转。一般而言,当传感器系统出现问题的时候，基本上每个shaft都可能报警的，如果是固定的几个SHAFT报警的话，基本上可以排除这个错误。 ST17，ST19传感器结构图ST17，ST19 传感器系统结构原理：ST17，ST19 传感器系统是一样的，都有三个光电传感器组成的，三个传感器的组合可以组成8中不同的序列，而CP643上每个HOLDER上面都有6个吸嘴，通过这三个传感器设备就可以区分每个吸嘴的型号了。每个吸嘴对应的序列号如下: ST17 为当前吸嘴转换前的检测机构， 比如系统下一部要使用2号吸嘴，那么它需要检测确认一下当前的吸嘴再确定ST18 nozzle change 转多少角度，ST17没有唯一性,只要它检测到的序列号符合上面表中6中吸嘴的一种就可以了。而ST19是检测吸嘴转换后的吸嘴型号是否和系统要求的一致，它是唯一的，这里只有当检测到2号吸嘴的序列码时它才可以， 故很多时候ST17没有报警而ST19肯定要报的原因就在这里。处理方法：先归零，选一个好shaft ，将 NOZZLE转到2号吸嘴，并将给shaft转动相应位置（如果ST17报警，就转动ST17位置，如果ST19报警就转到ST19位置），将cam转动200度,看放大器读数，是不是为090如果这个值正确,然后进入I/O里面查看状态是否和放大器上的相同。看完2号吸嘴后，再将吸嘴转到6号吸嘴，看放大器的状态数值是不是 909，如是再查看I/O对比。I/O中的状态只有两种，一种是ON，另一种是OFF，而放大器上面的数值为0，19。放大器上面的读数是表示灵敏度的强弱，一般而言 0-4是对表OFF状态，59代表ON。正常的话，OFF状态下放大器的读数应该是0，1也可以接受，当超过3时就要调放大器灵敏度了。同理，ON 状态下放大器数值应该为9，8也可以接受，低于0.7的就要调节放大器灵敏度了。放大器的灵敏度的调节可以参考相关资料。2、固定的SHAFT报警如果系统报警集中在固定的几个SHAFT上面的时候，很可能是holder的反光面太脏了，特别是保养之后。这个我们只要檫洗holder的反光面就可以了，如果檫干净之后，该shaft还报错的话，我们可以和其他shaft对换一个holder看看，到底故障有没有转移，如果转移了，就更换holder。另外的情况就是，很多SHAFT 都报警的话，也有可能是SENSOR太脏了，同样只要檫一下就可了。3、HOLDER本身没有转到正确位置它与正确位置错了一个角度，从而造成SENSOR感应不到。这种情况的原因是多方面的了,大致有一下几种:（1）1ST12 meshing check sensor 没有调好主体表现的现象是，在CAM轴归零的时候，所有位置不对的shaft 不会在ST12站转到正确的位置，从而当该SHAFT转动ST17的时候就报警。判断ST12 meshing check sensor好坏的方法: 将ST11站的shaft 故意转偏，然后手摇cam轴摇到200度，这个时候,一定要保证，st12上面的clutch和shaft上的clutch 不能啮合。然后看ST12 meshing check sensor 放大器上的读数是不是为9，如果这个数值低于7，就要调整sensor 了。 ST12 meshing check sensor的调整方法可以参考相关资料.（）ST12 clutch origin sensor 太脏或者这个sensor 出了问题了判断方法:先将该传感器檫干净，然后将CAM轴转动200度,然后在手工转ST12位置上shaft,当sensor发出的光线对正shaft上面的clutch上面的小点的时候看放大器上的读数，看是否正确。（）shaft本身比较脏,引起转不到位一般有两个位置脏会引起ST17,ST19报错， 一个是shaft 上面的clutch 外表面，另外一个地方是clutch与大齿轮连接的地方，要把shaft向下拉的时候才能保养。（二）SERVO AMP ALARM 故障及处理过程在3月26日夜班生产过程中，LINE7 CP643 设备突然停止生产，并且报警SERVO AMP ALARM ，检查发现在主电源箱内的空气开关M1MS1没有吸合，并且9个轴的SERVO AMP都没有工作（所有的指示灯都不亮）。1、我们依照电路图检查了其中的一些元件，M1MS1、M1SK2、M1SK3、M1SK4，一切都正常 。然后我们测试了其中的电压，发现M1MS1空气开关的控制线路不正常，也就是没有输入电压。2、发现了以上的问题后，我们检查了这个空气开关控制线路一个重要的继电器M1CR31X，如图（1）所示。将其中认为有问题的件进行了调换，发现所有的件都是正常的，检查了连线，一切正常，测试电压后，发现继电器输入电位差为0，单相对地为24V，我们在电路图上看到在M1PCB0板子上有一个开关RY02，如图（2）所示。但是我们拥有的资料里没有控制这个开关的信息，联系代理商，依然没有答案。3、于是我们寻找了可以控制SERVO AMP的另外一条线路SERVO AMP CONTROL CIRCUIT，如图（3）所示。发现电压经过的相关路线都很正常，并且输入9个轴SERVO AMP的电压都是110伏，检查SERVO AMP 发现X 轴的一个Fuse断路，更换Fuse 后故障依旧。又检查了其他SERVO AMP未发现异常。相关电路图 （1）SERVO AMP POWER CIRCUIT （2）M1CR31X控制线路图（3）SERVO AMP CONTROL CIRCUIT首先，我们确认了510线路是否正常，换掉了M1SR1一切都没有变化，然后断开M1CR2X的24号线，测两边的电压，发现24号线的一端为24V，而继电器地一端为0伏，因此可以证明这条线路是正确的。M1CR31X 控制线路图我们又返回SERVO AMP CONTROL CIRCUIT继续检查线路，发现R4与T4之间的电压并不是220V正确的电压，更换M1SK21，M1SK5以后，电压还是不正常，我们考虑可能是保险丝的问题，于是我们根据线路图查到R2T相保险丝烧坏。更换保险丝以后，在没有提供SERVO AMP POWER时，SERVO PACK可以正常运做，当提供SERVO AMP POWER时，M1MS1吸合后立即断开，并且伴随开关M1CP0的关闭， S2T线上的保险丝烧坏。这时我们怀疑是线路中某处短路，因为在设备里看到老鼠的大便，我们检查了所有可以看到的线路，没有发现被老鼠咬过的痕迹。观察线路图看到R2、S2、T2三相电源同时给三处供电，SERVO AMP、SOUND PROOF BOX、冷却风扇马达，我们将所有SOUND PROOF BOX的连线断掉，这时提示C 轴SERVO AMP ALARM，提供SERVO AMP POWER发现设备依然跳闸，并且伴随保险丝的烧坏。将C 轴SERVO AMP的输出断掉，提供SERVO AMP POWER，现象依然，再断掉所有SERVO AMP的输出，现象依然，再断掉冷却风扇马达，现象依然。R2、S2、T2控制的电路部分根据图纸中提示，查出问题出现的部分。R2、S2、T2控制的电路部分首先，完全断开SERVO AMP POWER CIRCUIT电压的提供，单独确认SOUND PROOF BOX和冷却风扇马达的工作情况。如果SOUND PROOF BOX和冷却风扇马达工作正常，逐级检查SERVO AMP POWER CIRCUIT线路，这样可能损坏很多的保险丝。首先，完全断开SERVO AMP POWER CIRCUIT电压的提供，分别确认SOUND PROOF BOX和冷却风扇马达的工作情况。确认SOUND PROOF BOX和冷却风扇马达工作正常。 然后，我们逐个检查SERVO PACK的工作情况，因为我们曾经发现X轴的保险丝烧坏，也就是它坏的可能性最大，我们把它放到最后测量，这样避免损坏更多的保险丝，因为SERVO PACK更换十分不方便，所以用的时间也是最多(大约一天的时间)。最后我们确认是X 轴的SERVO PACK 的系统出现毛病。 连接X 轴伺服系统分为动力电源输入、动力电源输出、控制电源输入、与伺服马达ENCODE的数据传送、与主控制板的连接和一个阻排。我们先后排除了马达和阻排的可能性，因为设备里ENCODE 不太可能导致设备保险丝的烧断，它的可能性也可以排除，而我们引起设备故障的原因不是很了解，所以不敢轻易用更换备件的方法确认，只好等到周一代理商上班时，打电话进行确认后，再更换备件检查什么地方的毛病。 在联系代理商以后，我们把SERVO PACK 换到 LINE 8 CP643发现症状和原来的设备一样，我们把 LINE 8的SERVO PACK 放到 LINE 7 CP643上，发现设备一切正常，于是我们断定是X轴的SERVO PACK 发生损坏。以后就是尽快和代理商联系购买备件，以便恢复设备正常状态。控制电源动力电源输入动力电源输出ENCODE伺服控制板SERVO PACKX 轴 伺 服 系 统 图随着现代工业和现代制造技术的发展，制造系统的自动化、集成化越来越高。在这样的生产环境条件下，一旦某台设备出现了故障，而又未能及时发现和排除，就可能会造成整台设备停转，甚至整个流水线、整个车间停产，从而造成巨大的经济损失。因此，对设备故障的研究越来越受到人们的重视。故障研究的目的是要查明故障模式，追寻故障机理，探求减少故障的方法，提高机电设备的可靠程度和有效利用率。同时设备维修还要求速度要快，减少因设备故障造成的损失；要求维修人员要精确的找出故障的位置，分析产生此类故障的原因，并进行安全可靠的维修，想出可行的办法尽量避免此类