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全视觉贴片机研制解析Parse the Research and Manufacture of Full Visual Mounter广州市羊城科技实业有限公司 宋福民 张小丽 马如震Guangzhou Yangcheng Science&Technology Enterprises co.,ltdSONG Fu-min ZHANG Xiao-li MA Ru-zhen摘要：本文以全视觉贴片机的研制为例，全面深层次揭示了中小企业在研制具有自主知识产权的电子装备产品中，应该如何正确选择研发策略和建立研发平台、研发管理机制等问题。Abstract: This paper takes the R&D of the full visual Monuter as the example and explains deeply how to correctly choose strategies of R&D and establish platform、management system of R&D. Small and middle corporations should pay attention on this when they research and manufacture themselves electronic equipment.关键词：SMT；贴片机；全视觉；电子贴装；系统集成；模块化；研发策略；研发平台；研发管理Key word: SMT； Surface Pick and Place equipment；Mounter；Full vision ； Integrate system ；Modularize；Method of R&D ；Platform of R&D； Management of R&D随着网络时代的到来和人们生活水准的不断提高，电子信息产业得到了飞速的发展，而高速发展的电子信息产业又引导着电子元器件以及电子装配技术的发展。自从第一块片式电子元器件诞生以来，SMT技术得到了迅速的发展。如今的片式元件越来越小型化和异型化，其规格从0402已发展到0201，0101也正在研究中，同时BGA、CSP、FC、MCM等封装形式的元器件也大量涌现并推广应用。这些表面贴装元件（SMC）/表面贴装器件（SMD）必须依靠SMT贴片机才能把它们贴装在印刷电路板（PCB）上。贴片机是SMT生产设备中最关键的设备之一，能够自动地将片状元器件快速、准确地贴放在印制电路板（PCB）上的指定位置，在电子贴装行业中占有举足轻重的地位。作为SMT设备的龙头，贴片机的发展历来备受设备厂家的重视。在国外，经过几十年的发展，SMT贴片机技术发展已经十分成熟，从最初的机械定位到图像识别位置补偿，从爪式定心到飞行对中检测，贴片机的发展经历了质的飞跃。长期以来，国外贴片机一统国内SMT市场， 其中，2001年全国进口3千多台贴片机，金额近40亿人民币，2002年进口4千多台，金额接近50亿人民币。多年来，为了促进国内电子信息产业的发展，国家也花了大力气研制贴片机，但由于技术以及体制等多方面的原因，一直没有国产全视觉贴片机问世。2002年2月，广州市羊城科技实业有限公司研制的SMT2505全视觉多功能贴片机通过了广东省科技成果鉴定；同年9月，羊城公司贴片机项目被列为广东省重大攻关项目； 11月，SMT2505全视觉多功能贴片机正式走向市场，为广州市格宁电器有限公司成功组建了第一条国产商业贴片机生产线。羊城科技公司从2000年开始立项研制贴片机，三年后就将贴片机推向了市场。作为一个中型民营科技型企业，羊城公司是如何走出快速研发国产贴片机的成功之路呢？分析羊城公司在研发国产贴片机的成功之路中所持有的研发理念和采用的管理模式，也许能给正在从事高科技产品研发的中小型企业有所借鉴。贴片机是典型的机电一体化产品，属于高速精密机械。研制贴片机是SMT行业公认的难题，将难题变成易题是解决问题的出路。老子曰：“天下大事作于细；天下难事作于易。”这句话的意思是说：做成大事要从做好细节入手； 难事是由许多易事组成，做好多个易事，难事自然解决。一、 准确的市场定位全球电子信息产业的飞速发展，促使各种SMC/SMD和PCB板一直处于不断小型化进程之中。SMC的发展趋势是从0805-0603-0402-0201，越来越小型化； 同时，SMD的尺寸也越来越小，引脚越来越多；IC集成化程度提高，更新的封装形式如BGA、CSP、COB、Filp- Chip也大量出现。图1为全球SMC用量的变迁过程，图2为IC封装的发展趋势。图1 全球SMC用量的变迁 图2 IC封装的发展趋势随着SMC/SMD的不断发展，国外SMT贴片机也随之发展，多种先进的、高效的贴片机不断涌现，目前，市场上占有率较高的贴片机有 ：雅马哈YV系列、西铁城A531、天龙MT系列、松下CM95R、飞利浦ACM、卡西欧YC M系列等，种类繁多，风格各异，都是追求高速、多功能的贴装性能。贴片机是一种涉及多学科的复杂设备，不少专家一直认为中国难以研制出自己的贴片机。我国自1988年研制出第一台低速贴片机的样机以来，十几年过去了，仍没有开发出推向市场的商品化机型，在此方面与国外的差距巨大。的确，从技术角度而言，我国SMT技术的发展，仅有十几年的历史；再者，由于我国基础工业相对落后，无法同工业大国相比，如果想在技术领域迅速赶上和超越国外厂商，这是一项很艰巨的任务，取得成功的可能性也很小。但是，我国是一个电子装配大国，生产线市场很大，需要不同档次的贴片机。我们若从研制低档的SMT贴片机入手，降低贴片机研制的难度，快速进入电子装备行业，这却是可行的。片式元件的全球化趋势向国内电子厂商提出了使用SMT技术的要求，但纵观市场上现有的贴片机，绝大多数是高速、高精度同时也是高价格的品种，是面向实力雄厚的大电子企业集团的。而我国大部分的中小电子企业因企业规模小，产品多样，生产批量小，组织形式复杂，他们更追求低价位、多功能和简单易用的产品，迫切希望能有适合他们生产特点的贴片机。综合考虑自身的技术实力和我国电子企业的实际特点，在经过充分的市场调研之后，我们将自己的产品市场定位于国内中小型企业，我们的目标是：生产国内中小企业用的起、用的好的贴片机。二、研发策略SMT贴片机实际上是一种精密的工业机器人，是机-电-光以及计算机控制技术的综合体。它通过吸取-位移-定位-放置等功能，在不损伤元件和印制电路板的情况下，实现了将SMD元件快速而准确地贴装到PCB板所指定的焊盘位置上。贴片机虽然品种繁多，但其基本构成如图3所示：贴片机贴装头PCB板自动输送机构三坐标驱动机构本体结构功能控制系统操作软件视觉对中系统元件角旋转机构元件吸放机构真空发生系统图3 贴片机的基本构成1、 系统集成的研发理念贴片机研制所涉及的知识极为广泛，包括精密机械，自动控制，机器视觉，电气工艺和软件开发等多门专业技术。如果每一个技术点都依靠自己从头开始去研发，对于一个中型企业而言，这种铺大摊子的研发策略不论从技术上、人力上，还是从资金上、时间上都是不可能的、也是不现实的。当然，对于技术含量较高的贴片机来说，依靠简单仿制也难以获得成功。立足于本企业的实际情况，为了保证研发的成功率和速度，也为了能紧跟SMT的发展，确定研制适合我国企业要求的新机型。在贴片机的研制过程中，我们在原则上是采取系统集成的研制策略。在系统集成的研发体系中，我们一方面通过采购、引进等方式集成现有的各专业技术，另一方面集中力量研发贴片机的关键技术，形成自己的核心技术。系统集成的方法不仅降低了研发成本，提高了速度，同时成功率也高。采用系统集成的方法，我们将贴片机按照功能分解成不同的模块，自己开发关键技术，其它则利用现有的先进技术。在关键技术的研发上，我们主要做了如下工作：研发先进的视觉技术，实现精确定位，减少对机械精度的要求；研究高速度、高加速度运动与贴片精度的难题，在理论与实践上找出实用的解决方法；开发图象处理的算法和软件编程；开发贴片机的系统管理平台，解决系统信息的处理和加工。集中开发关键技术，大大节省了我们在硬件和软件两个方面的时间，降低了工作量和工作难度，从而，提高了贴片机研制的进度。2、 模块化设计在SMT2505全视觉贴片机的研制过程中，坚持系统集成的研发理念，将贴片机的整体技术难点，从学科上划分为机械、控制、视觉、软件四个部分；从功能上将贴片机分成18个功能模块，如贴装头、X-Y运动副、送料器、吸嘴等。 学科的划分，有利于明确技术人员的专业分工，功能模块的划分，则有利于对整机优化和设计改进，形成自己的核心技术。机械模块：通过结构力学分析与计算，有限元模拟，三维仿真设计等， 进行贴片机的机械本体结构设计。SMT2505贴片机通过将精密机械与视觉系统有机结合，巧妙回避了机械加工的难度以及运动速度对贴装精度的影响，使设备能长时间高速平稳工作。在机械设计中，重要的原器件采用知名品牌，如：精密滚珠丝杆、滚动直线导轨、专用轴承、气动元件等均采用世界著名厂商所制造的产品。在贴片机的18个功能模块中，由十个模块组合完成送板、送料、定位、对中、检测、贴装等全部贴装动作。在这些模块上的指定位置进行标识，机器每次开机和关机时都会自动识别标识点坐标，修正系统的初始坐标值，以保证贴片机完成精确的贴装过程。运动控制模块：根据贴片机高速、高精度和高可靠性以及元件无损伤的贴装要求，为提高系统的可靠性，尽量减少干扰源，保证控制系统的相对稳定。在设计控制系统时，按功能将其划分为不同的模块：三坐标控制、图像控制、LED光源控制、辅助控制部分(进板部分，送料部分)等。SMT2505贴片机的控制系统由工业PC、运动控制卡、图像卡、I/O接口板等组成，实现了三坐标和外围I/O接口控制，保证运动的准确性和快速响应性，配合机械、视觉模块实现整机功能。工业PC是整个控制系统的核心，实现整机数据的采集传送、数据分析处理，并向各部分发出指令，完成机械传动、图像处理及检测功能。运动控制卡主要实现三坐标运动控制信号的采集，传送各种加工数据，动作执行指令功能等。图像卡主要是采集和传送各种贴装元器件和PCB板上标识点的数据。机器视觉模块：SMT2505贴片机的视觉模块主要是通过高精度的光学装置、程控的照明光源和高解析度的摄像机获取高质量的图像，然后通过高精度的算法进行快速图像处理。通过视觉系统，不仅可以实现对元器件的自动检测、修正，同时，能够在进行贴装工作之前，对模块按程序设定的尺寸和形状参数进行标定。SMT2505贴片机的视觉模块可以实现PCB板的定位、SMC/SMD器件的对中和检测、系统坐标的标定。作为设备的眼睛，视觉系统从捕捉定位点（MARK）到自动计算修正贴装正确位置，起着重要作用，是提高设备准确度的核心模块。生产管理软件模块：为了方便用户通过视窗界面完成贴片机的各种运动控制、视觉识别和多种方式的贴片作业，SMT2505贴片机的生产管理软件由运动控制、视觉处理及生产管理三大部分组成，是专用于SMT2505贴片机的工业级应用软件，主要用于SMT2505贴片机贴片工艺的联机和脱机编程、作业调度和控制及工艺优化，具有良好的运行性能和符合人机工程学原理的界面。软件采用Microsoft Windows NT Workstation作为操作系统平台，具备多任务、强壮的安全保护和平稳的数据库、网络支持等特性。软件支持工艺数据编程的在线测试，真正实现了工艺编程的所见即所得特性；同时，软件支持多种方式的作业模拟与仿真，使操作人员在批量作业前验证和测试作业数据，避免出现不合格品。作为软件的组成部分包括多种元件特性参数的元件数据库也为精确贴装诸如BGA、FBGA、TQFP等复杂封装类型的元件提供了可靠的数据支持；作为功能选项，软件还提供与多种电路设计CAD软件的接口，实现了自动从设计文件中提取贴片数据的功能，可提高操作人员的编程效率。通过模块化分解贴片机的研制难度，可以有效的利用现有技术，集中力量去开发核心技术，如：贴装头、视觉系统、操作软件等。跳出了传统的仿制或从散件进口组装开始逐步升级换代的跟踪型研发方法；也能使各设计人员任务清楚，责任明晰，保证研发的速度与质量；同时大大加快新一代产品的开发速度。3、 可靠性设计为了保证产品能够实现规定的性能参数，在SMT2505全视觉贴片机的研制过程中，从产品的设计到零部件的选材、特殊工艺的采用等全方位采取各种保障措施。可靠性设计准则用以指导设计人员进行可靠性设计，也是评价产品可靠性设计的一种依据。按照准则设计，可以避免设计过程中只考虑性能设计而忽略可靠性设计的情况；避免一些不该发生的质量问题，从而提高产品的固有可靠性。我们正是通过制定可靠性设计准则来规范贴片机的设计工作，保证实现产品规定的可靠性要求。我们的可靠性设计准则是根据系统集成设计理念，通过认真分析相关产品或技术，把一些已有的同类产品的可靠性设计经验；有关SMT电子装备产品设计标准和手册等提出的可靠性设计准则；可供参考采用的通用可靠性设计准则等总结起来，使其条理化、系统化，成为设计人员在进行SMT贴片机可靠性设计时遵循的标准。SMT贴片机的可靠性设计准则涵盖了SMT2505贴片机设计的各个方面，包括：设计简化、热设计、机械环境设计、电磁兼容性设计、安全性设计、性能稳定性设计等等，从设计的角度保证了产品的质量和性能。在进行可靠性设计的同时，综合考虑了贴片机设备零部件的技术指标及国内的精密机械制造水平和其它各种因素。在SMT2505贴片机的研制中，一些重要部件采用了进口件，一些加工除了选择国内一流的加工厂外，还通过合理选材、采用特殊制造与安装工艺，提高技术指标、降额使用等各种方式来保证可靠性，从而提高整个系统的可靠性和安全性。整机还配备了多重报警和保护功能，加强对关键部件的保护。如X-Y运动副模块的运动位置检测，不仅有软件限位，还有机械限位开关以及弹性材料的撞块三重位置极限保护。4、 制造策略为了保证贴片机的生产质量和生产速度，我们对机械部件的生产主要采取OEM方式。企业只对来料进行严格的质量检验、装配和测试。在进行了充分的市场调查之后，确定机械部件的制造采用与国营大型机床制造厂进行合作的方式，利用国营大型机床制造厂先进的机械加工设备与熟练的技术工人为我们制造机械部件。既保证了产品质量，也保证生产进度，同时降低生产成本；对于贴片机的关键件，如滚珠丝杆、导轨、运动控制卡、图像卡、摄像机与镜头等部件，采用国外品牌产品，以保证贴片机的质量；对于其它的非关键部件，则选用国内的高质量产品。这种制造策略，能使我们集中有限的人力和资金去发展核心技术，在保证产品质量的同时，极大地提高研发和生产速度。三、研发平台准确的市场定位和正确的研发策略，使贴片机的研制有了成功的保证，但是羊城公司研发速度的提高，在很大程度上应归功于企业内部的信息管理系统。在羊城公司有一个基于产品数据管理（PDM）的完善的信息管理系统，以PDM软件SMAR TEAM为主线，共建立了四大平台：管理平台、研发平台、生产平台、销售平台。整个公司的数据能有效的实现资源共享,极大地提高了工作效率，缩短了产品的生产周期。研发平台主要是通过Internet网络和内部网来协同公司的内外数据，并通过数据的共享，为SMT2505全视觉贴片机的研制提供信息支持。平台上的外部数据是专人通过互联网、各种学术性杂志、书籍等收集各种相关专业技术文章，了解最新的技术动态，在对其分类整理后，提供给各部门的专业人员，为他们研制SMT贴片机 提供最有效的技术信息。SMT研发人员通过研发平台共享这些技术信息，在产品的研制中进行借鉴。另一方面，研发平台上也及时共享了SMT贴片机的研发人员在研发过程中产生的各种研发图档，有利于不同专业之间技术人员对资料的利用，提高了工作效率，同时，极大地避免了由于人才的流动造成的技术流失。SMT的研发平台，是羊城公司可持续发展的基础。不仅能提高现有的研发速度，而且对后期产品的更新换代起到了不可估量的作用。同时，在人才培训、避免人力资源流动风险方面也起到了很好的效果。四、研发管理SMT贴片机的研制是一个非常复杂的工程，羊城公司能在三年的时间内成功开发出SMT2505全视觉贴片机，除上述各因素外，最重要的是它拥有一套完善的项目管理体制。从运作方式和管理思维模式上最大限度地利用了内外资源，从根本上改善了管理人员的工作程序，实现了员工的自我管理，提高了工作效率。1、项目计划对于一个中型民营企业，要较快的研制贴片机，制定详细的实施计划非常重要。它将直接影响项目的人力资源管理、进度管理、成本和质量管理等各个方面。在SMT2505贴片机研制过程中采用了国际通用的项目管理技术WBS(Work Breakdown Structure，工作分解结构)、CPM（关键路径）、PERT（计划评审技术）等技术来制定工作计划，通过制定计划将整个项目不断细分。在计划制订过程中，首先根据项目的各个核心技术模块来确定项目整体研发流程，例如机械、控制、视觉、软件开发流程等。在确定技术研发流程后，再根据各技术模块中功能子模块确定工作计划。将整个研发任务由大目标到小目标，直至任务分解成每月之内可以完成的任务书。所有任务书的完成过程都包括：任务书制订更改执行评审等过程，如图4；同时，贴片机研发整体工作的计划细分过程在任务书的完成过程中不断完善和改进。任务书制订任务书修改任务执行任务评审周志通报例会图4 任务书过程在制定任务计划时，针对各功能子模块与各核心技术模块列出了不同阶段的里程碑，以便检查项目是否按期实施；同时，由各专业负责人组成任务质量评审小组，在项目进行的各个阶段及时进行检查和考核，根据检查的结果，及时调整原有任务书的内容。 2、研发进度的控制 在产品的研制阶段，问题的出现是难以预料的，不确定因素很多。为了更有效的控制SMT贴片机的研发进度，我们在很多方面采取了控制措施，尽量保证在规定的时间周期内，利用有限的人力、物力和财力来达到既定的目标。1） 任务交流体系：任务交流体系能够使项目负责人定期跟踪和掌握每位开发人员的工作进展情况，尽量避免或及早发现开发阶段可能出现的拖延项目进度的因素，及早采取应对措施。该体系包括员工工作周志、任务月报、项目进程总结报告等。在工作周志中包括上周工作总结和本周工作计划两部分，上周工作总结除了对已完成工作和未完成工作的介绍，还有一项重要内容就是：工作中遇到的困难与问题，需要何种支持？这样，项目负责人就可以方便掌握任务的进展情况以及遇到的问题，根据这些反馈，及时解决问题，避免影响整体进度。为了促进员工之间的思想交流，公司还建立了一个非正式的公共网络平台，供员工随意地进行信息交流。2） 有效配置资源：在确定研发队伍时，项目负责人针对每个岗位，规定了岗位开发人员的职责以及其所必须具备的技能，并以此来配置研发人员。同时，在研发过程中鼓励员工提高效率，尽可能地给出开发目标的时间期限，让员工产生一种紧迫感、责任感，自觉地提高工作效率，保证项目进度。3） 完善的采购流程：为了保证产品的质量，在贴片机的设计过程中，一些涉及关键技术的元器件均采用国外进口件。因为这些元器件价格贵且数量少，需要考虑进口周期。为确保项目进度并适应研发需要，在每个子模块计划做出的同时，对重要元器件的采购也做好准备工作。3、绩效管理SMT贴片机的研发是以科学的绩效管理系统为基础，强调“以人为本”的原则。在管理过程中，强调了绩效管理是一个互动沟通过程，不仅包括绩效考核，还包括任务的控制、反馈过程和任务计划的修改，图5是目前的绩效管理流程。公司目标任务计划绩效考核任务评审奖惩计划调整执行任务组织结构岗位职责图5 绩效管理流程我们的绩效管理系