（计算机应用技术专业论文）基于蚁群算法的表面贴装优化研究.pdf

摘要 摘要 在表面贴装技术中，印刷电路板的表面贴装生产过程是其中的一个重要的环 节，贴装速度会直接影响到生产效率的高低。表面贴装过程的优化早期是由人工 凭经验完成的。虽然近年来设备供应商给硬件机器配备了一些方法，但功能比较 单一，不能适应表面贴装的实际生产状况。而蚁群算法系统的分御式并行计算功 能、自组织及正反馈等特点非常适合解决印制电路板表面贴装的路径优化问题， 并可以提供高效、优质的解决方案。 本文将蚁群算法优化思想扩展到表面贴装路径优化问题，提出了适应该问题 的优化模型及新的自适应蚁群优化方法。文章转化该问题为车辆路径问题，以此 为基础建立相应的数学模型，使得蚁群优化方法能够适用于表面贴装路径优化问 题，解决了多贴片头并行贴装的问题。 本文在讨论了基本蚁群算法原理的基础上，分析了两种具有代表性的蚁群优 化算法：蚂蚁系统和a n t qs y s t e m 。通过一系列仿真测试，从而对蚁群算法应用 于表面贴装路径优化问题进行了有益的探索，并在此基础上提出一种新的自适应 蚁群算法，改进了信息素更新规则，解决了部分参数自适应的问题。 目前蚁群算法的严格数学理论基础尚未奠定，国内外的相关研究还处于试验 探索和初步应用中，己公布的参数设定是针对特定问题的经验值。因此，蚁群算 法的数学理论分析和各个参数的自适应问题会是一个研究方向。此外，带有多喂 料器、多机多生产线的优化问题将是下一阶段表面贴装路径优化中重点研究的问 题。 关键诃：表面贴装技术印刷电路板蚁群算法车辆路径问题 a b s t j r a c i a b s t r a c t t h ep r o c e s so fp r i n tc i r c u i tb o a r d ss u r f a c em o u n t i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p h a s e i nt h es u r f a c em o u n t t e c h n o l o g y t h em o u n t i n gs p e e dw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h e p r o d u c t i v i t y t h ep r o c e s sa b o u to p t i m i z a t i o no fs u r f a c em o u n t i n gi sf i n i s h e dm a n u a l l y a tb e f o r e a l t h o u g hi nr e c e n ty e a r s ，d e v i c ep r o v i d e r sh a v ee q u i p p e ds o m em e t h o df o r h a r d w a r ed e v i c e s ，t h o s em e t h o d sa r es i m p l e ，u n s u i t a b l ef o rt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n t h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e dc o m p u t i n g , s e l f - o r g a n i z e ，a n dp o s i t i v ef e e d b a c ki na n t c o l o n ya l g o r i t h ma r ev e r ys u i t a b l ef o rp a t ho p t i m i z a t i o np r o b l e mi np r i n tc i r c u i tb o a r d s u r f a c em o u n t i n g ，a n dp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea n ds u p e r i o rs o l u t i o n t h i sp a p e re x t e n d st h et h i n k i n go fa n tc o l o n ya l g o r i t h mt ot h ep a t ho p t i m i z a t i o no f s u r f a c em o u n t i n gp r o b l e m ，g i v e sa no p t i m i z e dm o d e la n dan e wa d a p t i v ea n tc o l o n y a l g o r i t h mc a t e r i n gf o rt h ep r o b l e m t h i sp a p e rt r a n s f e r st h i sp r o b l e mt ot h ev e h i c l e r o u t i n gp r o b l e m ，a n do nt h eb a s i so fw h i c hb u i l d st h em a t hm o d e l ，m a k e st h ea n t c o l o n yo p t i m i z a t i o nm e t h o da d a p t i v et os e t t l et h es u r f a c em o u n t i n gp a t ho p t i m i z a t i o n p r o b l e ma n ds e t t l e st h ec o l l a t e r a lm o u n t i n gp r o b l e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fb a s i ca n tc o l o n ya l g o r i t h m ，a n do ut h eb a s i s o fw h i c ha n a l y s e st w ok i n d so fr e p r e s e n t a t i v ea n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ：a n t c o l o n ys y s t e ma n da n t - qs y s t e m a c c o r d i n g t oas e r i e so fs i m u l a t i o nt e s t s ，t h i sp a p e r m a k e ss o m eu s e f u le x p l o r a t i o na b o u tt h ea p p l i c a t i o no fa n tc o l o n ya l g o r i t h mt ot h e s u r f a c em o u n t i n gp a t ha l g o r i t h mp r o b l e m ，a n dg i v e san e w a d a p t i v ea n tc o l o n y a l g o r i t h mo nt h eb a s i so fa b o v e ，i m p r o v e st h ep h e r o m o n eu p d a t i n gr u l e ，a n ds e t t l e sp a r t p a r a m e t e ra d a p t i v ep r o b l e m a tp r e s e n t ，t h es t r i c tm a t ht h e o r yb a s eo fa n tc o l o n ya l g o r i t h mi sn o te s t a b l i s h e d ， r e l a t i v er e s e a r c hi na n da b r o a di ss t i l li nt h ep h a s eo fe x p e r i m e n ta n da b e c e d a r i a n a p p l i c a t i o n ，t h ep a r a m e t e ra n n o u n c e da i m so n l ya tt h es p e c i f i cq u e s t i o n ，t h e r e f o r et h e m a t h e m a t i c a lt h e o r ya n a l y s i so fa n tc o l o n ya l g o r i t h ma n dt h ep r o b l e mo fp a r a m e t e r a u t o a d a p t e da r et h em a i ng o a l sw h i c ht h ef u t u r ew i l lp u r s u e m o r e o v e r , t h eb a l a n c e o p t i m i z a t i o nq u e s t i o no fm u l t i p r o d u c t i o nl i n e sw h i c hh a v et h em a n ym a c h i n e sa n di s t h en e x tk e y q u e s t i o n k e y w o r d s ：s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ( s m t ) p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) a n t c o l o n ya l g o r i t h m v e h i c l er o u t i n gp r o b l e m ( v r p ) 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：签盥 日期：兰翌! ! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：猃塾空 导师签名 日期：兰! ! ! ! ! 日期：趣2 ：么：z ! 第一章绪论 第一章绪论 随着全球电子制造服务工业迅速发展，表面贴装技术( s u r f a c em o u n t t e c h n o l o g y , s m t ) 在印刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 板级电子产品制造 中得到越来越广泛的应用，并且在许多领域部分的或全部取代了传统电子装联技 术。s m t 是采用自动贴装设备将新型片式、微型无引线或短引线的电子元器件及 电路贴装在p c b 上，经过自动焊接、检测等工艺，使之具有一定电子功能并能满 足特定应用要求的封装技术i l j 。而如何优化表面贴装技术，提高生产效率，降低生 产成本则成为目前科研工程人员研究的重要课题。 1 1 表面贴装优化问题概论 2 0 世纪6 0 年代，工程人员开发出无引线电子元件，实现了电子表的微型化， 并将其直接焊接到印制板的表面，这就是“表面贴装技术”的雏形。 现代的表面贴装技术是指将表面贴装元器件( 无引脚或短引脚的元器件) 贴、焊 n e r j $ 0 电路板表面规定位置上的电路贴装技术，所用的印制电路板无需钻插装孔。 其生产过程可简单的描述为：先在印制电路板焊盘上涂布焊锡膏，再将表面贴装 元器件准确地放到涂有焊锡膏的焊盘上，通过加热印制电路板直至焊锡膏熔化， 冷却后便实现了元器件与印制电路之间的互联。2 0 世纪7 0 年代，同本电子行业敏 锐地发现了s m t 的先进性，并迅速在电子行业推广，很快推出s m t 专用焊料f 焊 锡膏) 和专用设备f 贴装机、再流焊炉、印刷机) o a r 各种片式元器件，极大地丰富 了s m t 的内涵，也为s m t 的发展奠定了举实的基础。2 0 世纪8 0 年代，s m t 生 产技术日趋完善，用于表面贴装技术的元器件大量生产，价格大幅度下降，各种 技术性能好、价格低的设备纷纷面世。用s m t 贴装的电子产品具有体积小、性能 好、功能全、价位低的综合优势，因而s m t 作为新一代电子装联技术被广泛地应 用于各个领域的电子产品中。航空、航天、通信、计算机、医疗电子、汽车、办 公自动化、家用电器等行业，s m t 均有涉及。到了2 0 世纪9 0 年代，s m t 相关产 业更是飞速发展，i c 封装电路封装形式继塑封有引脚芯片载体( p l a s t i cl e a d l e s s c h i pc a r d e r ，p l c c ) 和多引脚的方形扁平封装( q u a df l a tp a c k a g e ，q f p ) 之后又出现 了球栅阵列形的表面封装器件( b a l lg r i d a r r a y ，b g a ) ，c s p ( c h i ps c a l ep a c k a g e ) 和 f c 等。而与元件相匹配的印制板也从早期的双面板发展为多层板，最多可达5 0 多层，板面上线宽己从缩d , n0 1 5 m m ，0 1 0 r a m ，甚至到0 0 5 m m 。片式阻容元件 体积也缩d , n2 0 世纪7 0 年代的o 8 8 。作为s m t 生产主要设备之一的贴装机也 2 肇十蚊群算法的表面贴装优化研究 从早期的低速( 1 秒片) 、机械对中，发展为高速( 0 0 6 秒片) 、光学对中，并向多 功能、柔性连接模块化方向发展。再流焊炉也由最初的热板式加热发展为氮气热 风红外式加热，能适应通孔元件再流焊且带局部强制冷却的再流焊炉也已经投入 实用，再流焊时的不良焊点率已下降到百万分之十以下，接近无缺陷焊接f 2 】o s m t 还可以根据组装对象的需求不同，采取多种工艺流程，一般单面组装的 典型工艺流程为：上料一涂布( 上焊膏或点胶) 一贴片再流焊一清洗一测试一下 料。其生产线如图1 1 所示，主要由自动上板机、自动丝网印刷机或自动点胶机、 自动贴片( 装) 机、自动固化焊接炉、自动清洗机、在线测试仪和功能测试仪、自动 下板机等自动化组装和测试设备组成【3 】o 图1 _ 1s m t 生产线的基本组成形式 在电子装联生产的传统模式中，设计一般是由设计工程师在计算机上利用多 种电子设计自动化工具( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，e d a ) 来完成；生产制造则在 各种数控设备( 如贴装机等) 上完成，每一种产品在加工之前，制造工程师首先 必须对数控设备编程并反复实验，以确保操作规程的可行性和j 下确性，然后进行 试生产，反复修改直到最后定型，再投入实际的批量生产。生产准备时佃j 很长， 投入的资金很大。事实上，s m t 生产线中数控设备的编程所需的大多数数据完全 可从e d a 系统的有关数据文件中获取。例如元件在p c b 上的坐标位置、角度、 物理特征参数和电气参数等。这些数据包括在贴装机、点胶机、在线测试等设备 上元件的位置坐标等。因此，使用计算机来仿真优化贴装过程，免去为得到更好 的贴装序列而产生的试贴等额外开销，进而制定更好的生产计划。本文就是利用 计算机及相关技术来优化s m t 贴装路径，达到提高s m t 生产效率的目的。 由于在p c b 生产过程中要涉及诸多方面，研究中不可能包含每个可能的变化 因素。因此，本文为便于研究结合实际情况做出如下假设： 1 p c b 需要所有元件通过一个喂料器输送，并且喂料器可以输送任何的元件 类型。 2 喂料器和元件是有效合格的，在生产时，有足够的合格喂料器和元件。 3 在丌始制造之前，所有的p c b 处理数据是己知的 第一章绪论 1 2 课题来源与研究意义 本课题来源于信息产业部5 4 研究所和西安电子科技大学共同承担的预研项目 “p c b 组件表面贴装流程仿真及设计制造过程优化”r 项目号：4 1 5 0 1 1 0 0 4 ) ，该项 目利用5 4 所的s m t - p c b 柔性生产线和西安电子科技大学c a d 所多年的电子设计 自动化软件开发基础和经验，以5 4 所承担地面通讯设备级模块加工为突破口，展 开军用板级电路模块虚拟制造基础应用技术研究。 为了适应电子装备整机单位板级电路模块的多品种、变批量、短周期、低成 本、高质量、小型化以及升级换代快的要求，s m t 表面贴装生产线被广泛地应用。 但若依靠人工无法达到产品要求，因而，s m t 的优化系统应运而生了。在这一领 域中，c o m m a s t e r 公司较早的投入资金研究开发s m t 系统的优化系统。 s m t 的优化系统是计算机技术、通信以及机械技术高度集成的应用。目前s m t 系统的优化在我国的应用g l t j n t j 起步，目前在这方面还未有s m t 系统优化标准，s m t 系统从运行的平台、工作模式、到数据库、关键算法的设计都有许多不完善的地 方，但是其市场前景广阔。本文对其制造过程中最关键、最复杂的设备一贴装机 的贴装路径优化进行了有益的尝试和研究。研究的重点在于提高s m t 系统的生产 效率，总结归纳出优化原则，使得贴装机在贴装时所需时间最少，从而在更短的 时间内达到更高的产量，以期更快的获得投资利润。 1 3 本文工作 本文在对表面贴装技术研究的基础上结合前人工作，对p c b 表面贴装优化进 行了细致地研究，具体内容如下： 1 将p c b 表面贴装优化问题抽象为相应数学模型，然后对问题模型的特点进 行分析，选择蚁群算法作为解决问题的算法方案。 2 考虑到s m t 系统实际生产的需求，分析了影响s m t 系统生产效率的主要 因素，并结合实际生产中的约束条件和抽象模型的特点，提出基于蚁群算法的总 体设计方案。 3 将表面贴装路径优化问题转化为车辆路径问题，借鉴a n t qs y s t e m 的算法 思想，对信息素更新规则进行合理改进，通过动态调整q 值，克服了基本蚁群算 法计算时问长、易于陷入停滞的缺点。并结合节约算法提高收敛速度和解的质量， 最终获得满意的效果。 4 通过仿真试验测试，证明了设计方案的可行性和高效性。从而对蚁群算法 应用于表面贴装路径优化问题进行了有益的尝试。 4摹干蚁群算法的表面贴装优化研究 本文以多贴片头多吸嘴贴装机为例展开上述研究工作，所采用的思想、方法、 算法等均具有通用性，对p c b 表面贴装路径优化具有一定的普遍借鉴意义。 第二章表面贴装技术原理 第二章表面贴装技术原理 随着全球的电子制造服务( e l e c t r o n i cm a n u f a c t u r i n gs e r v i c e s ，e m s ) 市场不断蓬 勃地发展，电子行业间的竞争越来越激烈，p c b 也变得越来越复杂，表面贴装技 术在装联中的地位也愈加重要。高速度、高精度自动贴装机成为表面贴装技术中 最核心的机器。本章将讨论表面贴装技术，重点阐述表面贴装技术组成、工艺以 及贴装机的结构特性。 2 1 表面贴装技术的结构和工艺流程 表面贴装技术组成结构通常包括：表面贴装元器件、表面贴装电路板及图形 设计、表面贴装专用辅料焊锡膏及贴片胶、表面贴装设备、表面贴装焊接技术( 包 括双波峰焊、再流焊、汽相焊、激光焊) 、表面贴装测试技术、清洗技术以及表面 贴装生产管理等( 详见图2 1 ) 。 表面贴装技术组成结构也可以归纳为以下三个方面： 1 设备，即运行s m t 的硬件。 2 装联工艺，即运行s m t 的软件。 3 电子元器件，它既是s m t 的基础，又是s m t 发展的动力，它推动着s m t 专用设备和装联工艺不断更新和深化。 表面贴装技术是一组技术密集、知识密集的技术群，涉及到元器件封装、电 路基板技术、印刷技术、自动控制技术、软钎焊技术、物理、化工、新型材料等 多种专业和学科。在设备方面，如贴装机，多为从国外引进，近年来又引进柔性 好适应面宽的设备，这些设备都采用计算机控制，由计算机、图像识别系统、传 感器、伺服系统组成控制系统，涉及计算机控制理论、图像识别等多种学科知识。 一般贴装机采用焊接结构为基础机架，采用大量精密灵敏组件如滚动丝杆、滑动 直线导轨、磁性流体阻尼器件等，巧妙地与气动系统、真空系统、电气控制、机 械式凸轮分配轴系统相结合，广泛采用同步带传动，涉及到机械学的各个领域。 中、高速贴装机运行速度快，振动频率高，一旦紧固松动、传感器移位、结构件 错位、任何一个电接触浮动都会导致设备不能j 下常运行。事故原因需从机、电、 光几个方面寻找，故要求s m t 人员机电并通，具有丰富的机电一体化学科知识。 在新型材料方面，焊膏和胶水都是触变性质流体，它- f r i l l 起的缺陷占s m t 总缺陷 的6 0 ，熟练掌握这些材料知识才能保证s m t 质量。s m t 还涉及多种装联工艺， 6摹于蚁群算法的表面贴装优化研究 如印刷工艺、点胶工艺、贴放工艺、固化工艺，只要其中任意一个环节工艺参数 漂移，就会导致不良品的产生忆 表面组装技术 r 关键技术一各种的开发与s m d 制造技术 片式元器件j 产品设计一结构设计、端子形状、尺寸精度、可焊性 l 包装一盘带式、标式、华夫盘、散装式 装配工艺 贴装材料 焊锡膏与无铅焊料 黏结剂贴片胶 助焊剂 导电胶 贴装印制板 篙淼享，言簇袅等登兰喜嚣板 涂布工艺 嚣弄惹嘉罢型主羊艺及同化丁艺 叫篡嘉篙面 贴片t 艺：最优化编程 焊接工艺 瞄? 篡：嚣淼定 再流焊 红外热风式 ，保护再流焊 汽相焊 激光焊 通孔器件再流焊 清洗技术：清洗剂与清洗_ 丁艺，清洗质量的评估 检测技术：焊点质量检测，在线测试，功能检测 防静电 生产管理 f 印刷机，贴片机，焊接设备 设备j ( 波峰焊、再流焊、汽相焊机、激光设备) i 焊点测试设备，清洗机及测试仪，维修站 图2 1 表面装联 艺技术的组成 而表面贴装技术的工艺流程即把元件贴放在p c b 上的过程，由于对p c b 的需 求是多品种、小批量的，为了满足这种高度动念变化的需求，装联过程也由人工 转为自动。传统的p c b ，也就是常见的含铅通孔板，是由带孔的环氧树脂薄片和 上面的铜皮电路而成，元件穿过通孔。而表面贴装使用贴片式元件，可以有效地 第二章表囱贴装技术原理7 降低原材料费用，提高装联密度。s m t 相对于其他装连技术而言，更易于自适应 生产制造，提高产能，s m t 的另一个优点在于可以双面贴装。图2 2 是典型的双 面板的贴装过程。虽然表面贴装元件没有使用通孔，可是在某些p c b 的设计实现 中依然要使用带有引脚的元件，因此出现了混合装联技术。 图2 2 双面板的贴装过程 2 2 表面贴装技术与传统插装技术的比较 首先分析表面贴装技术的优点如下： 1 贴装密度高 片式元器件比传统穿孑l 元件所占面积和重量都大为减少。一般来说，采用s m t 可使电子产品体积缩小6 0 ，重量减轻7 5 。通孔安装技术元器件，它们按2 5 4 m m 网格安装元件，而s m t 贴装元件网格从1 2 7 r a m 发展到了目前的0 6 3 m m 网格， 个别达0 5 m m 网格的安装元件，密度更高。例如一个6 4 引脚的双列直插( d i p ) 集 成块，它的贴装面积为2 5 m m x 7 5 m m ，而同样引脚采用引线间距为0 6 3 m m 的方形 扁平封装集成块( q f p ) ，它的贴装面积为1 2 m m x l 2 m m 。 2 可靠性高 8基于蚁群算法的表血贴装优化研究 由于片式元器件的可靠性高，器件小而轻，故抗震动能力强，自动化生产程 度高。贴装可靠性高，一般不良焊点率小于百万分之十，比通孔插元件波峰焊接 技术低一个数量级，用s m t 贴装的电子产品平均无故障时f j j ( m t b f ) 为2 5 万小时， 目前几乎有9 0 的电子产品采用s m t5 1 2 艺。 3 高频特性好 由于片式元器件贴装牢固，器件通常为无引线或短引线，降低了寄生电感和 寄生电容的影响，提高了电路的高频特性。采用s m c 及s m d 设计的电路最高频 率达3 g h z ，而采用通孔元件仅为5 0 0 m h z 。采用s m t 也可缩短传输延迟时i 日j ， 可用于时钟频率为1 6 m h z 以上的电路。若使用多芯片模块m c m 技术，计算机工 作站的高端时钟频率可达1 0 0 m h z ，由寄生电抗引起的附加功耗可降低2 至3 倍。 4 成本低 印制板使用面积减小，面积为采用通孔技术面积的1 1 2 ，若采用c s p 安装， 则其面积还可大幅度下降；印制板上钻孑l 数量减少，节约返修费用；频率特性提 高，减少了电路调试费用；片式元器件体积小、重量轻，减少了包装、运输和储 存费用；片式元器件( s m c s m d ) 发展快，成本迅速下降，一个片式电阻已同通孔 电阻价格相当。 5 便于自动化生产 目前穿孔安装印制板要实现完全自动化，还需扩大4 0 原印制板面积，这样 才能使自动插件的插装头将元件插入，若没有足够的空间间隙，将碰坏零件。而 自动贴装机采用真空吸嘴吸放元件，真空吸嘴小于元件外形，可提高安装密度。 事实上小元件及细间距q f p 器件均采用自动贴装机进行生产，以实现全线自动化 生产。 其次，s m t 生产也存在一些诸如：元器件上的标称数值看不清，维修工作困 难、维修调换器件困难需专用工具、元器件与印制板之白j 热膨胀系数( c r e ) 一致性 差等问题。但这些缺陷随着专用拆装设备及新型的低膨胀系数印制板的出现，它 们已不再成为阻碍s m t 深入发展的障碍。 最后，将表面贴装技术与传统的插装式技术进行比较如下： 电子电路装联技术的发展主要受元器件类型的支配，一代元器件，一代装联 工艺。由于s m t 生产中采用“无引线或短引线”的元器件，故从装联工艺角度分 析，表面贴装和通孔插装( a n t ) 技术的主要区别一是所用元器件、p c b 的外形不完 全相同；二是前者是“贴装”，即将元器件贴装在p c b 焊盘表面，而后者则是“插 装”，即将长引脚元器件插入p c b 焊盘孔内。前者是预先将焊料一锡膏涂放在焊 盘上，贴装元件后一次加热而完成焊接过程，而后者是通过波峰焊机利用熔融的 焊料流，实现升温与焊接。比较结果见表2 - 1 。 第二章表面贴装技术原理 9 表2 - 1 表面贴装与通孔插装的比较 类型 1 1 t s m t 双列直插或d i p 针 s o i c ，s o t ，s s 0 1 c ，p l c c ，q f p ，p q f p 尺寸比d i p 元器件阵歹ip o a 有引线电要小许多倍，片式电阻、电容 阻、电容 印制电路板，印制电路板，l2 7m m 罔或更细，导电孔仅在层与层互 基板 2 5 4 r a m 阿，申08 m m联调用 03 r a m 05 a a ) ，布线密度要高2 倍以上，犀 0 9 r a m 通孔 膜电路、薄膜电路。05 r a m 眄格或更细 焊接方法 渡峰焊再i 利旱。预先将焊锡富印在焊盘上 面积 大小。缩小比约1 ：3 1 ：1 0 贴装方法穿孔插入 表面贴装 自动化程度自动插装机自动贴装机，生产效率高 2 3 贴装机的结构和特性 s m t 生产中的贴片技术通常是指用一定的方式将片式元器件准确地贴放到 p c b 指定的位置上，这个过程英文称之为“p i c ka n dp l a c e ”，显然它是指吸取拾取 与放置两个动作。在s m t 初期，由于片式元器件尺寸相对较大，人们用镊子等简 单的工具就可以实现上述动作，至今尚有少数工厂仍采用或部分采用人工放置元 件的方法。但为了满足大生产需要，特别是随着s m c 俗m d 的精细化，人们越来 越重视采用贴装机来实现商速、高精度的贴装元器件。近3 0 年来，贴装机己由早 期的低速度( 1 1 5 秒片) 和低精度( 机械对中) 发展到高速( 0 0 8 秒片) 和高精度 ( 光学对中，贴片精度6 0 。m 4 仃) 。高精度全自动贴装机是由计算机、光学、精密 机械、滚珠丝杆、直线导轨、线性马达、谐波驱动器以及真空系统和各种传感器 构成的机电一体化的高科技装备【5 】。从某种意义上来说，贴装机技术己成为s m t 的支柱和深入发展的重要标志。贴装机是整个s m t 生产中最关键、最复杂的设备， 也是人们在初次建立s m t 生产线时最难选择的设备1 6 j 。 目前贴装机大致可分为4 种类型：动臂式、复合式、转塔式和大型平行系统。 动臂式机器属于中速贴装机，贴装精度高，可支持多种不同类型的喂料器且价格便 宜，特别适合于多品种、少批量的生产。后三种类型属于高速贴装机，贴装速度 高，但只能使用散装式或带式两种喂料器且价格昂贵，主要适用于大规模、批量 化生产i l j 。无论是全自动贴装机还是手动贴装机，无论是高速贴装机还是中低速贴 装机，它的总体结构均有类似之处，图2 3 是一种通用贴装机的内部结构示意图。 1 0 摹十蚁群算法的表面贴装优化研究 遵孰 避料嚣 图2 3 贴装机的内部结构示意图 薯蝤尺 如上图所示贴装机的结构可分为：机架，p c b 传送机构及支撑台，x 、y 与 矾伺服，定位系统，光学识别系统，贴片头，喂料器，传感器和计算机控制系统。 1 机架 机架是机器的基础，所有的传动、定位、传送机构均牢固地固定在它上面， 大部分型号的贴装机及其各种送料器也安置在上面，因此机架应有足够的机械强 度和刚性。目前贴装机有各种形式的机架，大致可分为两类。 ( 1 ) 整体铸造式 整体铸造的机架的特点是整体性强，刚性好，整个机架铸造后采用时效处理， 机架的变形微小，工作时稳固。高档机多数采用此类结构。 ( 2 ) 钢板烧焊式 这类机架由各种规格的钢板等烧焊而成，再经时效处理以减少应力变形。它 的整体性要比整体铸造低一些，但具有加工简单、成本较低的特点。在外观上可 见到焊缝。 机器采用哪种结构的机架，取决于机器的整体设计和承重。通常机器在运行 过程中应平稳，轻松，无振动感，从某种意义上来讲机架起着关键作用。 2 x ，y 与z 0 伺服、定位系统 ( 1 ) 功能 ) ( ，y 定位系统是贴装机的关键机构，也是评价贴装机精度的主要指标，它包 括x ，y 传动机构和x ，y 伺服系统。它的功能有两种，一种是支撑贴片头，即贴片 第二章表面贴装技术原理 1 1 头安装在x 导轨上，x 导轨沿y 方向运动从而实现在x y 方向贴片的全过程，这 类结构在通用型贴装机中多见；另一种功能是支撑p c b 承载平台并实现p c b 在 x y 方向移动，这类结构常见于塔式旋转头类的贴装机中。这类高速机中，其贴 片头仅做旋转运动，而依靠送料器的水平移动和p c b 承载平面的运动完成贴片过 程。上述两种x y 定位系统中，x 导轨沿y 方向运动，从运动的形式来看，属于 连动式结构，其特点是x 导轨受y 导轨支撑，并沿y 轴运动，它属于动式导轨结 构。 还有一类贴装机，贴装机的机头安装在x 导轨上，并仅做x 方向运动，而p c b 的承载台仅做y 方向运动，工作时两者配合完成贴片过程。其特点是x ，y 导轨 均与机座固定，它属于静式导轨结构。 ( 2 ) 结构 x ，y 传动结构两大类：一类是滚珠丝杠一直线导轨，另一类是同步齿形带一 直线导轨。 a 滚珠丝杠一直线导轨 典型滚珠丝杠一直线导轨的结构是，贴片头固定在滚珠螺母基座和对应的直 线导轨上方的基座上，马达工作时，带动滚珠螺母做x 方向往复运动，以有导向 的直线导轨支撑，保证运动方向平行，x 轴在两平行滚珠丝杠一直线导轨上作y 方向移动，从而实现了贴片头在x y 方向j 下交平行移动。同理，p c b 承载平台也 以同样的方法，实现x y 方向正交平行移动。贴片速度的提高，意味着x y 传动 机构运行速度的提高，这将会导致x y 传动机构因动作过快而发热，通常钢材的 线膨胀系数为1 5 1 0 5 ，铝的线膨胀系数为钢的1 5 倍，而滚珠丝杠是主要热源， 其热量的变化会影响贴装精度。最新研制的x ，y 传动系统，在导轨内部设有冷却 系统，以减小因热膨胀带来的误差。此外，在高速机中采用无摩擦线性马达，和 空气轴承导轨传动，运行速度能做得更快。 b 同步带一直线轴承驱动 同步齿形带由传动马达驱动小齿轮，使同步带在一定范围内作直线往复运动。 这样带动轴基座在直线轴承往复运动，两个方向传动部件组合在一起便组成x y 传动系统。 由于同步齿形带载荷能力相对较小， 德国西门子贴装机，该系统运行噪音低， ( 3 ) x ，y 伺服系统( 定位控制系统) 仅适用于支持贴片头运动，典型产品是 工作环境好。 随着s m c s m d 尺寸的减少及精度的不断提高，对贴装机贴装精度的要求越 来越高，换言之，对x ，y 定位系统的要求越来越高。而x ，y 定位系统则由x ，y 伺 服系统来保证，即上述的滚珠丝杠一直线导轨及齿形带一直线导轨，是由交流伺 服电机驱动，并在位移传感器及控制系统指挥下实现精确定位，因此位移传感器 1 2罐f 蚁群算法的表面贴装优化研究 的精度起着关键的作用。目i j 贴装机上使用的位移传感器有圆光栅编码器、磁栅 尺和光栅尺，它们的结构与原理如下。 a 圆光栅编码器 通常圆光栅编码器的转动部位上装有两片圆光栅，圆光栅是由玻璃片或透明 塑料制成，并在片上镀有明暗相问的放射状铬线，相邻的明暗f | 自j 距称为一个栅节， 整个圆周总栅节数为编码器的线脉冲数。铬线数的多少，也表示其精度的高低， 显然，铬线数越多，其精度越高。其中一片光栅固定在转动部位作指标光栅，另 一片则随转动轴同步运动并用来计数，因此指标光栅与转动光栅组成一对扫描系 统，相当于计数传感器。编码器在工作时，可以检测出转动件的位置、角度及角 加速度，它可以将这些物理量转换成电信号，传输给控制系统，控制系统就可以 根据这些量来控制驱动装置，因此，圆光栅编码器通常装在伺服电机中，而电机 直接与滚珠丝枉相连，贴装机在工作时，将位移量转换为编码信号，输入编码器 中，当电机工作时，编码器就能记录丝杠的旋转数，并将信息反馈给比较器，直 至符合被测线性位移量，这样就将旋转运动转换成了线性运动，保证贴片头运行 到所需位置上。采用圆光栅编码器的位移控制系统结构简单，抗干扰性强，测量 精度取决于编码器中光栅数及滚珠丝杠导轨的精度。 b 磁栅尺 磁栅尺由磁栅尺和磁头检测电路组成，利用电磁特性和录磁原理对位移进行 测量。磁栅尺是在非导磁性标尺基础上采用化学涂覆或电镀工艺在非磁性标尺上 沉积一层磁性膜( 一般1 0 2 0 # m ) ，在磁性膜上录制代表一定长度具有一定波长的 方波或正弦波磁轨迹信号。磁头在磁栅尺上移动和读取磁信号，并转变成电信号 输入到控制电路，最终控制a c 伺服电机的运行。通常磁栅尺直接安装在x ，y 导 轨上。 磁栅尺的优点是制造简单，安装方便，稳定性高，量程范围大，测量精度高 达1 5 p m 。一般高精度自动贴装机采用此装置。贴片精度一般在0 0 2 m m c 光栅尺 该系统同磁栅尺系统相类似，它也由光栅尺、光栅读数头与检测电路组成。 光栅尺是在透明玻璃或金属镜面上真空沉积镀膜，利用光刻技术制作均匀密集条 纹( 每毫米1 0 0 - 3 0 0 条纹) ，条纹距离相等且平行。光栅读数头由指示光栅、光源、 透镜及光敏器件组成。指示光栅有相同密度的条纹，光栅尺是根据物理学的莫尔 条纹形成原理进行位移测量，测量精度高，一般在o 1 一m 。光栅尺在高精度贴装 机中应用，其定位精度比磁栅尺还要高1 2 个数量级。 ( 4 ) y 轴方向运行的同步性 由于支撑着贴装机头的x 轴是安置在两根丫导轨上，为了保证运行的同步性， 早期的贴装机采用齿轮、齿条和过桥装置将两y 导轨相连接。但这种做法，机械 第二章表血贴装技术原理 1 3 噪音大，运行速度受到限制，贴片头的停止与启动均会产生应力，导致震动并可 能会影响贴片精度。目前设计的新型贴装机x 轴运行采用完全同步控制回路的双 a c 伺服电机驱动系统，将内部震动降至最低，从而保证了y 方向同步运行，其速 度快，噪音低，贴片头运行流畅轻松。 r 5 ) z 轴伺服，定位系统 在通用型贴装机中，支撑贴片头的基座固定在x 导轨上，基座本身不做“z ” 方向的运动。这罩的z 轴控制系统，特指贴片头的吸嘴运动过程中的定位，其目 的是适应不同厚度p c b 与不同高度元器件的贴片需要。z 轴控制系统常见的形式 有下列几种。 a 圆光栅编码器一a c d c 马达伺服系统 在通用型贴装机中，吸嘴的z 方向伺服控制与x y 伺服定位系统类似，即采 用圆光栅编码器的a c d c 伺服马达滚珠丝杠或同步带机构。采用a c d c 伺服 马达一滚珠丝杠控制时，其马达一滚珠丝杠安装在吸嘴上方；采用a c d c 伺服马 达一同步带控制时，其马达则可安装在侧位，通过齿轮转换机构实现吸嘴在z 方 向的控制。由于吸嘴z 方向运动行程短，以及采用光栅编码器，通常控制精度均 能满足要求。 b 圆筒凸轮控制系统 在松下m v b 型贴装机中，吸嘴z 方向运动则是依靠特殊设计的圆筒凸轮曲线 实现吸嘴的上、下运动，贴片时在p c b 装载台的配合下，完成贴片程序。 ( 6 ) z 轴的旋转定位 早期贴装机的z 轴吸嘴的旋转控制是采用气缸和档块来实现的，只能做到0 。 和9 0 。控制，现在的贴装机已直接将微型脉冲马达安装在贴片头内部，以实现方向 高精度的控制。松下m s r 型贴装机的微型脉冲马达的分辨率为0 0 7 2 。，脉冲，它通 过高精度的谐波驱动器，直接驱动吸嘴装置，由于谐波驱动器具有输入轴与输出 轴同心度高、问隙小、振动低等优点，故吸嘴的实际分辨率高达0 0 0 2 4 。脉冲，确 保了贴片精度的提高。 2 贴片头 贴片头是贴装机关键部件，它拾取元器件后能在校j 下系统的控制下自动校正 位置，并将元器件准确地贴放到指定的位置。贴片头的发展是贴装机进步的标志， 贴片头已由早期的单头、机械对中发展到多头光学对中。 ( 1 ) 组合式贴片头 如安必昂f c m 型贴装机由1 6 个独立贴片头组合而成。1 6 个头可以同时贴放 元件，每小时可以贴放9 6 万个片式元件，但对于每个贴片头来说，每小时只贴 6 0 0 0 个片式元件，仅相当于一台中速机的水平，因此工作时贴片精度高，故障率 小，噪音低，对一个需贴装的产品来说，只要将所要贴放的元件按照一定的程序 1 4 基十蚁群算法的表面贴装优化研究 分配到1 6 个贴片头上，就能实现均衡组合，并可获得极高的速度。 ( 2 ) 固定单头 早期单头贴装机是由吸嘴、定位爪、定位台和z 轴、0 角运动系统组成，并固 定在x ，y 传动机构上。当吸嘴吸取一个元件后，通过机械对中机构实现元件对中 并给喂料器一个信号( 电信号或机械信号) ，使下一个元件进入吸片位置。但这种 方式贴片速度很慢，通常贴放一只片式元件需1 秒。为了提高贴片速度，人们采 取增加贴片头的数量的方法，即采用多个贴片头来增加贴片速度。 ( 3 ) 固定式多头 这是通用型贴装机采用的结构，它在原单头的基础上进行了改进，即由单头 增加到了3 - 6 个贴片头。它们仍然固定在x ，y 轴上，但不再使用机械对中，而改 为多种形式的光学对中。工作时分别吸取元器件，对中后再依次贴放到p c b 指定 位置上。目前这类机型的贴片速度己达3 万个元件4 时的水准，而且这类机器的 价格较低，并可组合联用。 随着贴片头由机械式改为吸嘴式，其吸嘴的技术要求也相应提高。 a 吸嘴的真空系统 吸嘴在吸片时，必须达到一定的真空度方能判别拾起元件是否正常，当元件 侧立或因元件“卡带”未能被吸起时，贴装机将会发出报警信号。 b 吸嘴的软着陆 贴片头吸嘴拾起元件并将其贴放到p c b 上的瞬间，通常是采取两种方法贴放， 一是根据元件的高度，即事先输入元件的厚度，当贴片头下降到此高度时，真空 释放并将元件贴放到焊盘上，采用这种方法有时会因元件厚度的超差，出现贴放 过早或过迟现象，严重时会引起元件移位或“飞片”缺陷；另一种更先进的方法 是，吸嘴会利用元件与p c b 接触的瞬问产生的反作用力，在压力传感器的作用下 实现贴放的软着陆，又称为z 轴的软着陆，故贴片轻松，不易出现移位与飞片缺 陷。 c 吸嘴的材料与结构 随着元件微型化，现已出现0 6 m m x 0 3 m m 的片式元件，而吸嘴又高速与元件 接触，其磨损是非常严重的，特别是高速贴装机中，故吸嘴的材料与结构也越来 越受到人们的重视。早期采用合会材料，以后又改为碳纤维耐磨塑料材料，更先 进的吸嘴则采用陶瓷材料及会刚石，使吸嘴更耐用。 吸嘴的结构也做了改进，特别是在0 6 0 3 元件的贴片中，为了保证吸起的可靠 性，在吸嘴上个孔，以保证吸取时的平衡。此外还考虑到，不仅是元件本身尺寸 在减小，而且与周围元件的日j 隙也在减小，因此不仅要能吸起元件，而且要不影 响周边元件，故改进后的吸嘴即使元件之间的问隙为0 1 5 r a m ，也能方便地贴装。 ( 4 ) 旋转式多头 第一二章表面贴装技术原理 1 5 高速贴装机多采用旋转式多头结构，目前这种方式的贴片速度己达到4 5 5 万只4 , 时。每贴一个元件仅需0