8. SISTEME DE MONTAJ CU ROBOŢI ŞI MANIPULATOARE PENTRU INDUSTRIA ELECTRONICĂ

8.1. Sisteme robotizate pentru asamblarea plăcilor cu circuite imprimate

Plăcile cu circuite imprimate (PCI) reprezintă structuri de bază ale aparaturii electronice. In construcţia convenţională a PCI (fig.8.1) componentele prevăzute cu terminale din sârmă subţire se introduce în găurile practicate în prealabil în placă, urmând apoi lipirea terminalelor.

Tehnologia PCI s-a perfecţionat pe parcursul timpului, următorii factori de progres fiind cei mai reprezentativi:

a) - utilizarea plăcilor multistrat, ceea ce permite aglomerarea mai mare a componentelor pe ambele feţe ale stratului;

b) - tipizarea geometriei componentelor (distanţe între găuri, dimensiuni de terminale, conectori);

c) - automatizarea procesului de fabricaţie, găurirea pe maşini cu comandă numerică, lipirea prin transferarea plăcii deasupra unui val de aliaj de lipire, implantarea automată a componentelor, testarea automată a plăcilor asamblate.

d) - proiectarea asistată de calculator a plăcilor şi utilizarea datelor din proiect pentru programarea maşinilor de găurit şi de implantare.

Implantarea automată a componentelor se realizează cu ajutorul unor automate speciale de montaj.

Placa găurită este aşezată pe o masă în coordinate, comandată numeric pe axele X Y Z. O nacelă cu mişcare de translaţie preia componenta orientată în prealabil într-un magazin cu bandă sau cartuş vertical (fig.8.2) şi o aduce în capul de implantare.

1

Mecanismele acestui cap realizează succesiv următoarele operaţii: formarea terminalelor prin tăiere şi îndoire, coborârea componentei până în imediata apropiere a plăcii şi inserţia extremităţilor în găurile poziţionate anterior de masa în coordonate XY, introducerea componentei la adâncimea necesară, tăierea conexiunilor sub placă urmată de îndoirea lor.

Automatele de acest fel sunt folosite pe scară largă în fabricaţia în serie mare. Capacitatea unui astfel de automat este de 200CH-3000 componente pe oră.

Pentru implantarea automată a întregii a întregii game de componente sunt necesare trei automate diferite, respectiv:

a) - automatul de inserţie pentru componente axiale;b) - automatul de inserţie pentru tranzistori;c) - automatul de inserţie pentru circuite integrate.Această varietate de maşini este determinată de diversitatea de forme şi

dimensiuni a componentelor, care reclamă dispozitive diferenţiate de apucare a componentelor pentru fiecare automat de montaj. Acest dezavantaj poate fi înlăturat prin utilizarea roboţilor.

Robotul preia direct, cu dispozitivul său de apucare, diferitele componente care sunt introduse în câmpul său de acţiune, sub formă de benzi, în magazine încărcător sau prin alimentatoare vibratoare.

Un sistem de montat componente în găuri echipat cu un robot specializat se prezintă schematic în figura 8.3.

Robotul este de tip cartezian, cu 4 grade de libertate: o mişcare de translaţie de-a lungul batiului maşinii; a doua mişcare este de translaţie, perpendiculară pe prima, a treia tot de translaţie pe verticală şi de rotaţie a dispozitivului de apucare în jurul axei verticale.

Robotul preia succesiv componentele din alimentatoarele înşiruite sub cadrul mobil şi le aduce în poziţia de inserţie prin translaţii şi rotaţii, introducându-le apoi în găurile din placă. Un dispozitiv de tăiere a terminalelor după inserţie circulă sub placă, fiind solidar cu cadrul mobil.

Maşina poate repeta ciclul de lucru în cazurile în care inserţia unei componente nu a reuşit. Sunt necesare maşini diferite pentru componente cu terminale axiale, terminale radiale şi circuite integrate.

Capetele de inserţie sunt reglabile pentru distanţe de 5-=-12,5 [mm] între găuri.

2

Ciclul unei inserţii durează 0,5-K),8 secunde, rezultând o capacitate de 4000-^6000 componente pe oră.

Robotizarea montajului componentelor în găuri implică respectarea aceloraşi condiţii ca şi montarea cu automate speciale. Aşezarea componentelor pe placă trebuie să se facă, de preferat, pe o singură axă (X), cel mult pe două (XY), respectându-se reţeaua de găuri cu modulul de distanţă de 2,54 [mm] (0,1'). Se vor respecta distanţele minime între componente, care să permită accesul şi retragerea dispozitivului de apucare. Pentru aşezarea corectă a plăcii în raport cu coordonatele maşinii, se vor prevedea pe placă două găuri de poziţionare, ca bază tehnologică unică. Dimensiunea terminalelor trebuie să ţină seama de d însumarea următoarelor câmpuri de toleranţă: repetabilitatea poziţionării plăcii în limite de ±0,05 [mm], repetabilitatea poziţionării robotului şi a dispozitivului de apucare ±0,05 [mm] şi repetabilitatea poziţiei găurilor pe placă ±0,1 [mm]. Însumarea acestor câmpuri de toleranţă conduce la recomandarea ca diametrul găurilor să fie cu o,4 [mm] mai mari decât dimensiunea maximă a terminalului.

Sistemele de implantare automată a componentelor electronice cu roboţi reprezintă o alternativă tehnologică valabilă pentru producţia de serii relativ mici, cu numeroase reglaje, in care flexibilitatea şi termenele scurte de execuţie condiţionează competitivitatea.

8.2. Sisteme robotizate pentru tehnologia montării componentelor la suprafaţă

O nouă tehnologie a prins tot mai mult teren în fabricaţia plăcilor cu circuite imprimate numită SMT (Surface Mounting Technology), denumire prescurtată Tehnologia montării la suprafaţă, prezentată schematic în figura 8.4.

Conform acestui procedeu dispar găurile din plăci, conectarea componentelor făcându-se pe suprafaţa plăcilor pe care s-au dispus „urme" corespunzătoare din material conductor. Componentele au o configuraţie aparte, fiind prevăzute cu suprafeţe de contact (fig. 8.5)

3

Poziţionarea componentelor se poate face pe ambele feţe ale plăcii. Spre deosebire de plăcile cu montajul componentelor în găuri, lipirea se face prin scufundarea feţei cu componente a plăcii în aliajul de lipit. Din acest motiv, componentele pentru montare la suprafaţă trebuie să suporte expunerea la temperaturile ridicate de lipire (10 secunde la 200 °C). Se utilizează două moduri de fixarea componentelor pe placă:

a) - în prima variantă componenta se lipeşte pe placă cu o picătură de adeziv;b) - la a doua variantă, aderarea la placă se face cu ajutorul unei paste de lipit

care îndeplineşte atât funcţia de adeziv cât şi cea lipit.Principalele variante de SMT sunt arătate în figura 8.6. Adezivul se depune pe

placă cu ajutorul unui dozator, mărimea picăturii depinde de diametrul ajutajului. Pentru întărirea adezivului placa este trecută printr-un tunel cu raze infraroşii. Lipirea se face într-o instalaţie cu „val". Paste de lipit se aplică printr-un procedeu serigrafic.

Primele automate de asamblare de tip SMT au fost automate rigide, la care poziţionarea componentelor se realiza cu ajutorul mai multor capete de lucru, a căror

4

aşezare în planul XY se făcea cu ajutorul unor şabloane. Prin transferarea plăcii în dreptul unui şir de astfel de dispozitive s-au realizat automate cu capacităţi variabile. Cerinţa prioritară de flexibilitate a impus trecerea la echipamente de asamblare SMT robotizate. Există o mare varietate de sisteme de acest fel, care se pot clasifica în două structuri de bază (fig.8.7).

a) - automatele la care placa este aşezată pe o masă în coordonate XY, iarrobotul are două sau trei grade de libertate, deplasarea orizontală şi verticală pentrupreluarea componentei, rotirea şi depunerea ei pe placă (fig.8.7.a);

b) - automatele la care atât preluarea şi depunerea componentei, cât şipoziţionarea ei pe placă se face de către robot, acest lucru necesitând patru grade delibertate (fig.8.7.b).

In ultimul timp se întrevăd avantajele structurii a doua (fig8.7.b), datorită posibilităţilor de cuplare a mai multor unităţi într-o linie cu transfer automat al plăcii de la un post la altul printr-o deplasare liniară.

5

8.3. Sisteme flexibile integrate pentru asamblarea şi testarea PCI

Un sistem flexibil complex pentru plăci SMT este prezentat în figura 8.8.

Plăcile imprimate sunt stocate în magazia automată MA, cu containere orizontale, care conţin mai multe plăci aşezate vertical, în ghidaje similare celor folosite în construcţia sertarelor pentru PCI.

Robotul de manipulare RJVI preia din magazie containerul cu tipul programat de plăci şi-1 depune pe linia de echipare. Dacă se aplică tehnologia de lipire cu pastă, depunerea se face la intrarea în maşina de serigrafiere, iar dacă se lucrează cu adeziv, containerul se depune în magazinul intermediar de containere ST.

Robotul RM preia succesiv, plăcile din containere şi le depune pe dispozitivele de alimentare ale maşinii de serigrafiere sau a primului automat din seria de automate robotizatele echipare RE programat pentru depunerea adezivului. In continuare sistemul de transfer liniar TR conduce succesiv plăcile la celelalte automate de echipare. Acelaşi sistem de transfer liniar alimentează fie instalaţia de uscare a adezivului şi lipire cu ,,val" LV, fie instalaţia de lipit Reflow LR. Alt robot RM încarcă plăcile în containere şi care apoi sunt preluate de robocarele RC. Acestea transportă containerele la echipamentele de testare automată TS.

Alimentarea testerelor din containere şi încărcarea cu plăci testate, separat cele bune de cele defecte, se face de asemenea robotizat. Robocarele conduc containerele mai departe la magazia centrală MA sau la compartimentul de reparaţii. Plăcile reparate reintră din nou în sistem, trecând din nou prin posturile de testare.

Roboţii RM de tip portal au o structură de bază carteziană XYZ. Mâna dispune de două grade de libertate suplimentare pentru rotirea plăcilor în poziţiile orizontal-vertical, precum şi translaţia rapidă pentru introducerea şi scoaterea plăcilor din containere.

Roboţii care deservesc MA circulă pe structura metalică a magaziei automate şi

sunt prevăzuţi cu dispozitive speciale de încărcare şi descărcare a containerelor din şi în magazie. Identificarea containerelor la ieşirea şi intrarea în magazie sunt identificate prin etichete cu cod cu bare.

Testerele pentru plăci cu circuite imprimate asistate de calculator (CAQ) efectuează automat întregul ciclu de testare (fig.8.9).

Dacă placa nu corespunde testului funcţional, aceasta va parcurge în continuare o testare „în circuit" pentru diagnosticarea defectului (găsirea componentei defecte), componenta defectă se conturează cu o culoare ( de obicei roşu), iar scurtcircuitele cu galben.

în cadrul sistemului flexibil este integrată şi repararea plăcilor defecte asistată de un calculator (CAR - computer Aided Repair). Plăcile defecte sunt aduse la punctul de reparaţie cu robocarul în containere. Reparatorul identifică codul plăcii cu un dispozitiv cu laser de citire a codului şi solicită afişarea defectului. Vizualizarea defectelor se face prin apariţia pa ecranul staţiei a desenului plăcii (lay-out), pe care sunt conturate cu roşu componentele defecte, contururile plăcii PCI cu verde,componentele bune cu albastru, etc.

Pentru a facilita lucrul la punctele de reparaţii operatorul are la dispoziţie un meniu de exploatare, adică o specificaţie a operaţiilor şi comenzilor pe care trebuie să le execute. La fiecare fază din acest din acest meniu este ataşat un cod cu bare, prin citirea căruia se declanşează automat programul respectiv de reparaţie.

Echipamentul de comandă al unui astfel de sistem flexibil de asamblare a PCI constă dintr-o ierarhie de automate programabile AP (fig.8.10)

Nivelul inferior este cel al utilajelor de producţie (serigrafiere, echipare, lipire, testare), fiecare din acestea fiind comandate de un AP propriu. Automatele de echipare sunt prevăzute cu propriile console de programare şi monitor de supraveghere vizuală a procesului. La acest nivel se primesc dispoziţiile de programare a producţiei, se emit rapoartele de producţie şi se raportează eventualele defectări.

La nivelul al doilea se află sistemul de AP-uri supraordonat, care controlează manipulările şi fluxul de containere între operaţii, roboţii de manipulare şi robocarele. La acest nivel se face şi controlul funcţionării utilajelor din sistem şi se concentrează rapoartele de producţie.

La nivelul superior (3) un calculator (de proces) asigură primirea şi defalcarea sarcinilor de producţie. Prin meniul şi programul instalate pe acest calculator se supraveghează mersul producţiei, se face evaluarea statistică a producţiei şi a calităţii procesului. Lot la acest nivel se face şi anunţarea defectărilor din sistem. Acestui calculator îi sunt subordonate calculatoarele de la magazia automată, testare şi reparaţii.

Cele două niveluri superioare de comandă depun de calculatoare şi programecare permit reprezentarea grafică a procesului (diagrame, tabele, scheme), precum şi diagnosticarea automată a defectelor AP-urilor din subordine.

In realizarea unui astfel de sistem este raţional ca integrarea producţiei cu calculatorul (CIM - Computer Integrateg Manufacturing) să fie dusă până la capăt prin utilizarea pentru comanda procesului de asamblare, a datelor obţinute direct de la proiectarea asistată de calculator (CAD) a plăcilor, creându-se astfel o bază de date proprie, care include toate tipurile de plăci lansate în producţie şi necesarul de materiale pentru fiecare tip. Baza de date astfel constituită poate fi utilizată şi pentru aprovizionarea cu plăci neechipate şi cu componente, asigurând practic o legătură directă între sectorul de proiectare, producţie şi aprovizionare prin terminalele

interactive.Avantajele economice obţinute prin aplicarea sistemului CIM sunt:

a) - realizarea unui proces de producţie uşor de supravegheat; b) - eliminarea timpilor de aşteptare, reducerea ciclurilor de fabricaţie,

respectarea termenelor de livrare;c) - reducerea la minim a stocurilor;d) - calitate sporită prin controlul 100% a produsului finit.