Cách hoạt động của máy đặt và lấy linh kiện: Giải thích chu trình hoạt động hoàn chỉnh

Thông số kỹ thuật không tạo ra bảng mạch. Các vòng điều khiển mới là yếu tố quyết định.

Nếu bạn từng xem một dây chuyền SMT và nghĩ “đó chỉ là một robot di chuyển nhanh”, bạn đang bỏ qua phần quyết định liệu sản phẩm bạn xuất xưởng là hàng tốt hay phế phẩm. Máy đặt linh kiện hiện đại cơ bản là một hệ thống toán học phối hợp: nó chuyển đổi tọa độ CAD thành tọa độ máy, điều chỉnh sai lệch bằng hệ thống thị giác, xác minh vị trí đặt linh kiện bằng phản hồi chân không, và lặp lại quy trình đó hàng nghìn lần mỗi giờ trong khi dây chuyền sản xuất âm thầm cố gắng làm hỏng nó bằng ma sát băng keo, bo mạch in bị cong, vòi phun mòn và dữ liệu thư viện sai.

Vậy chu kỳ hoạt động thực sự là gì? Và những giây đó thực sự đi đâu?

Nguyên lý hoạt động của máy đặt và lấy linh kiện được thiết kế để đơn giản hóa.

Nguyên lý hoạt động của máy đặt linh kiện (pick and place machine), nói một cách đơn giản, là “đo lường → quyết định → di chuyển → kiểm tra → lặp lại”. Các bộ phận “hấp dẫn” (đầu di chuyển tốc độ cao, động cơ tuyến tính, camera hiện đại) rất quan trọng. Nhưng bí quyết thực sự nằm ở những phần “nhàm chán”: biến đổi tọa độ, hiệu chuẩn, ngưỡng và xử lý lỗi.

Đây là sự thật khó khăn mà tôi không thấy trong các tài liệu quảng cáo của nhà cung cấp: phần lớn các vấn đề về vị trí lắp đặt không phải là “máy không thể đặt chính xác các linh kiện”. Đó là các vấn đề về dữ liệu đầu vào và kỷ luật trong quá trình sản xuất - sự biến động trong đóng gói linh kiện, thói quen cài đặt bộ cấp liệu, lựa chọn vòi phun, và liệu đội ngũ của bạn có coi thư viện hình ảnh như một hệ thống sống động hay chỉ là một mục kiểm tra một lần.

Quy trình làm việc hoàn chỉnh của máy đặt và lấy linh kiện: chu kỳ hoạt động mà bạn có thể kiểm tra.

Tôi sẽ trình bày quy trình làm việc hoàn chỉnh của máy đặt linh kiện theo cách mà kỹ sư dây chuyền sản xuất kiểm tra - từng bước một, bao gồm cả những phần phức tạp.

1) Nhập chương trình và ánh xạ thư viện (nơi các lỗi phát sinh)

Tệp centroid đã được nhập. Tệp Gerber đã được nhập. Thư viện gói đã được áp dụng.

Nếu định nghĩa gói của bạn không chính xác (kích thước thân, khoảng cách dây dẫn, điểm lấy, góc xoay), máy vẫn sẽ đặt các linh kiện. Tuy nhiên, chúng sẽ được đặt sai vị trí theo tỷ lệ. Đó là cách bạn gặp phải các “lỗi bí ẩn” xuất hiện dưới dạng tiếng ồn AOI hoặc lỗi hàn chảy sau này.

Và đúng vậy, đây vẫn là một phần của chu kỳ hoạt động, vì máy móc sẽ tiếp tục phải chịu hậu quả của sai lầm này trong mỗi chu kỳ.

2) Chỉ mục nguồn cấp và trình bày thành phần

Các bộ cấp liệu di chuyển băng. Túi chứa linh kiện đưa linh kiện đến vị trí lấy hàng.

Điều này trông có vẻ đơn giản cho đến khi bạn đo đạc. Độ ma sát của băng keo, góc bóc băng keo, dung sai của túi và chất lượng mối nối đều ảnh hưởng đến độ ổn định của vị trí linh kiện khi vòi phun hạ xuống. Bạn muốn có sự ổn định trong quá trình trình bày. Hiếm khi bạn đạt được sự trình bày hoàn hảo.

Đó là lý do tại sao chất lượng và bảo trì của hệ thống cấp liệu không chỉ là “điều nên có”. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian chu kỳ và năng suất.

3) Chọn: vòi phun hướng xuống, bật chế độ hút chân không, xác nhận thu gom.

Đầu di chuyển đến điểm lấy hàng. Trục Z hạ xuống. Hệ thống hút chân không hoạt động. Trục Z nâng lên.

Tiếp theo là phần mà hầu hết mọi người thường quên: kiểm tra xác nhận. Bộ điều khiển theo dõi áp suất chân không (và đôi khi là lưu lượng) để xác nhận “phần đã được gắn”. Một mối nối yếu hoặc vòi phun bị nứt có thể đôi khi vượt qua kiểm tra và đôi khi không, đây là loại lỗi tồi tệ nhất vì nó làm mất niềm tin vào các cảnh báo của bạn.

Câu ngắn: Lựa chọn sai lầm có thể xảy ra.

4) Tầm nhìn: căn chỉnh trước, điều chỉnh trọng tâm, xoay

Bây giờ máy kiểm tra xem nó đã chọn những gì.

Đối với nhiều trường hợp, camera ghi lại hình ảnh và tính toán các độ dịch chuyển: dịch chuyển X/Y, xoay theta, đôi khi thậm chí cả độ nghiêng. Nếu bạn chạy chế độ “on-the-fly” (thời gian thực), quá trình này diễn ra trong khi đầu đang di chuyển, điều này giúp tiết kiệm thời gian nhưng làm tăng độ nhạy cảm với sự thay đổi ánh sáng và hiệu chỉnh camera.

Bạn có muốn một câu hỏi khó chịu không? Bạn thường xuyên kiểm tra lại ngưỡng thị lực của mình sau khi thay đổi cuộn phim hoặc nhà cung cấp không?

5) Đăng nhập bảng, kẹp chặt và thu thập điểm tham chiếu (đặt lại tọa độ thực)

Bo mạch in (PCB) được đưa vào trên băng tải. Nó được kẹp hoặc đỡ. Máy tìm các điểm tham chiếu.

Các điểm tham chiếu (fiducials) không phải là “điểm đánh dấu đẹp mắt”. Chúng là các điểm neo của máy. Bộ điều khiển sử dụng chúng để tính toán độ lệch và góc xoay của bảng mạch, đảm bảo tọa độ đặt linh kiện trong phần mềm CAD khớp với vị trí thực tế của bảng mạch in (PCB) đang được đặt trong máy.

Đây là nơi câu hỏi “máy đặt linh kiện hoạt động như thế nào” của bạn trở thành vấn đề thuần túy về hình học. Nếu không có các điểm tham chiếu (hoặc các điểm tham chiếu kém chất lượng), bạn đang đặt linh kiện một cách mù quáng.

6) Vị trí: đường cong chuyển động, điều khiển trục Z, lực đặt và thời gian ổn định.

Đầu di chuyển đến tọa độ đặt. Z xuống. Phần được đặt. Z lên.

Nhưng bên trong “vị trí” còn ẩn chứa nhiều yếu tố phức tạp. Máy móc phải kiểm soát độ cao đặt, tiếp xúc và thời điểm thả để chi tiết giữ nguyên trên lớp keo và không bị dịch chuyển. Nếu ấn quá mạnh, keo sẽ bị lem hoặc chi tiết bị nghiêng. Nếu ấn quá nhẹ, chi tiết có thể dính vào vòi phun và “rơi sau đó”, gây ra hỗn loạn.

Và đúng vậy—thời gian ổn định là có thật. Đầu cần một khoảng dừng nhỏ để ngăn chặn rung động chuyển thành lỗi định vị ở tốc độ cao.

7) Kiểm tra sau khi đặt và xử lý ngoại lệ (nơi lưu lượng xử lý của bạn bị mất)

Nếu máy móc phát hiện có sự cố, nó không chỉ đơn giản là bỏ qua. Nó sẽ thực hiện một hành động:

• Thử lại việc chọn
• Gửi phần bị từ chối vào thùng rác.
• Dừng lại để thao tác
• Đánh dấu vị trí là “nghi ngờ”
• Kích hoạt dừng nếu tỷ lệ lỗi tăng đột biến.

Mỗi trường hợp ngoại lệ đều tốn thời gian. Và các trường hợp ngoại lệ thường xảy ra theo cụm. Một cuộn phim hỏng có thể làm chậm cả ca làm việc.

8) Lặp lại: tối ưu hóa đường dẫn đầu, giảm thiểu quãng đường di chuyển, cân bằng các bộ cấp liệu.

Đây là quy trình đặt linh kiện SMT quy mô lớn: bộ điều khiển tối ưu hóa đường di chuyển và cố gắng giữ cho đầu đặt linh kiện thực hiện công việc hữu ích thay vì di chuyển qua lại trên bàn làm việc.

Nhưng bố trí hệ thống cấp liệu vẫn chiếm ưu thế. Nếu đặt các bộ phận có tần suất sử dụng cao cách xa nhau, bạn sẽ buộc phải di chuyển quãng đường dài hơn mãi mãi. Nếu đặt các bộ phận có hình dạng đặc biệt vào “khu vực sai”, bạn sẽ phải chịu hậu quả là chu kỳ quan sát chậm hơn.

9) Cổng ra của bảng mạch đến quy trình tiếp theo (quá trình hàn lại, kiểm tra quang học tự động (AOI), kiểm tra in mực tự động (SPI))

Ban điều hành ra đi. Ban điều hành tiếp theo vào. Chu kỳ bắt đầu lại.

Đây là lúc tôi trở nên có ý kiến: nếu bạn không thiết kế... dòng Và nếu bạn chỉ “mua một máy in”, bạn sẽ tiếp tục đổ lỗi cho nhà cung cấp về các vấn đề do cài đặt máy in, độ sạch của khuôn in, tình trạng mực in và quá trình chuyển giao trên băng tải gây ra.

Nếu bạn đang lên kế hoạch cho một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh, hãy tìm hiểu cách các dây chuyền “turnkey” thường được thiết kế và triển khai, chứ không chỉ đơn thuần là bán sản phẩm. Phương pháp "giải pháp dây chuyền SMT turnkey" thường giúp phát hiện các điểm nghẽn sớm hơn, đặc biệt là trong chiến lược cấp liệu và tích hợp kiểm tra. (Máy đặt và lấy linh kiện)

Thời gian chu kỳ của máy đặt và lấy linh kiện: điều mà các chuyên gia toán học thường tránh đề cập.

Thời gian chu kỳ không giống với “CPH tối đa” (số linh kiện trên giờ). Các thông số kỹ thuật thường được đo trong điều kiện lý tưởng: linh kiện nhỏ, bố trí tối ưu, chi phí kiểm tra thị giác tối thiểu, không có lỗi của bộ cấp liệu, không thay đổi vòi phun, không có lần thử lại.

Hãy làm toán thực sự.

Nếu một máy được đánh giá ở 50.000 CPH, Thời gian lý thuyết cho mỗi lần đặt là:

• 3.600 giây/giờ ÷ 50.000 lượt đặt/giờ = 0,072 giây cho mỗi lần đặt

Giờ hãy giả sử bảng của bạn có 350 vị trí. Thời gian đặt chỗ lý thuyết thuần túy:

• 350 × 0,072 = 25,2 giây

Nhưng thời gian thực tế trên bảng của bạn không phải là 25,2 giây, vì bạn còn phải trả tiền cho:

• Thời gian phát hiện điểm tham chiếu
• Băng tải tải/xả hàng
• Thời gian kiểm tra cho các bộ phận không tiêu chuẩn
• Thay đổi vòi phun
• Biến động chỉ số nguồn cấp
• Thử lại và từ chối

Đó là lý do tại sao “thời gian chu kỳ của máy đặt và lấy” cần được đo lường trên của bạn BOM, của bạn bảng, của bạn Kế hoạch cấp nguồn.

Và nếu bạn đang sản xuất các lô hàng hỗn hợp hoặc mẫu thử, bạn sẽ cảm nhận điều này rõ ràng hơn nữa — việc chuyển đổi, đóng gói và tuân thủ quy trình thiết lập chiếm ưu thế. Đó là lý do tại sao các dây chuyền sản xuất mẫu thử và lô hàng nhỏ là một phân loại riêng biệt, không phải là một chú thích. (Máy đặt và lấy linh kiện)

Các thành phần quan trọng: bộ cấp liệu, vòi phun, hệ thống quan sát (và các bộ phận mà nhà cung cấp thường đơn giản hóa quá mức)

Mọi người thích liệt kê các thành phần như thể đó là một danh mục. Cách hữu ích là: điều gì có thể hỏng hóc, và nó hỏng hóc nhanh như thế nào?

• Bộ cấp liệuXác định tính nhất quán trong cách hiển thị các thành phần. Các bộ cấp liệu kém chất lượng gây ra lỗi chọn sai, lệch hướng và các lần thử lại tốn thời gian.
• Vòi phunXác định độ tin cậy của quá trình thu thập và độ ổn định của vị trí đặt. Mài mòn, ô nhiễm và việc lựa chọn vòi phun không đúng có thể làm giảm năng suất một cách âm thầm.
• Hệ thống thị giácXác định xem máy móc có điều chỉnh thực tế hay lặp lại những giả định sai lầm. Sự thay đổi ánh sáng và ống kính bẩn gây ra những “lỗi ngẫu nhiên” không thực sự ngẫu nhiên.

Nghiên cứu lắp ráp hiện đại luôn tập trung vào ba trụ cột chính—định vị trực quan, lập kế hoạch quỹ đạo và phối hợp lực/vị trí—bởi vì ba yếu tố này quyết định liệu quá trình lắp ráp tự động có duy trì độ chính xác khi hoạt động ở tốc độ cao hay không. ([PMC

][3])

Tuân thủ và an toàn: phần mà việc mua sắm linh kiện thường bỏ qua

Nếu bạn đang hoạt động trong Liên minh Châu Âu (EU) hoặc xuất khẩu sản phẩm vào EU, việc tuân thủ an toàn máy móc không phải là tùy chọn. Yêu cầu pháp lý đang chuyển từ “tài liệu đầy đủ” sang “chứng minh được”. Quy định (EU) 2023/1230 Cập nhật khung công nghệ máy móc và siết chặt các yêu cầu về an toàn, tài liệu kỹ thuật và hệ thống điều khiển hiện đại. (EUR-Lex)

Tại sao điều đó lại quan trọng đối với một bài viết về chu kỳ vận hành? Bởi vì các biện pháp bảo vệ, cơ chế khóa liên động và thiết kế chuyển động an toàn có thể thay đổi cách người vận hành tương tác với các bộ cấp liệu, quyền truy cập bảo trì và các bước khôi phục sau khi xảy ra lỗi. Thiết kế an toàn ảnh hưởng đến thời gian ngừng hoạt động.

Áp lực thực tế: Tự động hóa đang gia tăng, và SMT đang nằm trong vùng ảnh hưởng trực tiếp.

Dưới đây là một con số quan trọng vì nó giải thích áp lực kinh doanh đằng sau việc cần có các chu kỳ nhanh hơn và đáng tin cậy hơn: Trung Quốc đạt 470 robot công nghiệp trên 10.000 công nhân vào năm 2023., vượt qua Đức, theo một báo cáo của IFR được Reuters đưa tin. (Reuters) Bản tin của IFR mô tả đây là sự chuyển đổi nhanh chóng về mật độ tự động hóa trong các nhà máy trên toàn cầu. (Liên đoàn Robot Quốc tế (IFR))

Và tại Châu Âu, các công ty EMS đã báo cáo €57,3 tỷ Trong năm 2023, doanh thu PCBA (tăng trưởng 11%) được tổng hợp trong một cuộc khảo sát quy mô lớn do trang web của Hiệp hội Điện tử Toàn cầu (Global Electronics Association) thực hiện, đồng thời cũng chỉ ra áp lực về tồn kho và quá trình hợp nhất. (điện tử.org)

Dịch: Nhiều bảng mạch hơn, nhiều biến thể hơn, thời gian giao hàng ngắn hơn, ít lý do hơn. Chu kỳ hoạt động của hệ thống đặt linh kiện không thể chỉ “đủ tốt”. Nó phải có thể giải thích được và kiểm soát được.

Các điểm kiểm tra chu kỳ hoạt động mà bạn nên đo lường (không nên tranh cãi về)

Nếu bạn muốn một mô hình hỗ trợ thực tế—phụ tùng, đào tạo, kỳ vọng về phản hồi—đừng giấu điều đó trong email mua sắm. Hãy đưa nó vào kế hoạch. “Đào tạo & hỗ trợ sau bán hàng” nên được xem như bảo hiểm thời gian hoạt động, không phải là nội dung tiếp thị. (Máy đặt và lấy linh kiện)

Câu hỏi thường gặp

Máy đặt linh kiện hoạt động như thế nào trong quy trình SMT?

Máy đặt linh kiện (pick and place machine) hoạt động trong quy trình SMT bằng cách đọc dữ liệu đặt linh kiện trên bảng mạch in (PCB), sử dụng camera để căn chỉnh bảng mạch và từng linh kiện, lấy linh kiện từ bộ cấp liệu bằng vòi hút chân không, điều chỉnh độ lệch, và đặt linh kiện lên lớp keo hàn với chuyển động được kiểm soát, sau đó lặp lại chu trình khép kín này cho đến khi bảng mạch được lắp đầy đủ linh kiện. Sau đó, PCB di chuyển đến giai đoạn hàn chảy, nơi các mối hàn được hình thành. Tốc độ của máy chỉ quan trọng nếu các bước chọn linh kiện, định vị bằng camera và xử lý lỗi duy trì ổn định trên toàn bộ danh sách linh kiện (BOM).

Chu kỳ hoạt động của máy đặt linh kiện là gì?

Cycle hoạt động của máy đặt linh kiện là chuỗi lặp lại các bước sau: trình bày bộ cấp liệu, lấy linh kiện và kiểm tra bằng chân không, căn chỉnh bằng hệ thống thị giác, căn chỉnh theo điểm tham chiếu trên bảng mạch in (PCB), đặt linh kiện với chuyển động Z được kiểm soát và thả ra, cùng với xử lý các trường hợp ngoại lệ, cho đến khi tất cả các vị trí đặt linh kiện hoàn tất và bảng mạch được chuyển sang bước tiếp theo của quy trình SMT. Nếu bạn không thể xác định thời gian ngừng hoạt động của mình thuộc một trong các giai đoạn đó, hệ thống ghi nhật ký của bạn chưa đủ chi tiết.

Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến thời gian chu kỳ của máy đặt và lấy linh kiện?

Thời gian chu kỳ của máy đặt linh kiện chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố không liên quan đến việc đặt linh kiện—như việc xác định điểm tham chiếu, chuyển giao bằng băng tải, thời gian xử lý hình ảnh cho các bộ phận phức tạp, thay đổi vòi phun, độ tin cậy của bộ cấp liệu và logic thử lại—vì các bước này gây ra các độ trễ cố định hoặc đột biến, tích lũy qua các bảng mạch ngay cả khi tốc độ CPH (số linh kiện đặt trên mỗi giờ) trông có vẻ cao. Các đầu đặt linh kiện nhanh không thể cứu bạn khỏi các bộ cấp liệu kém chất lượng. Chúng chỉ làm tình hình tồi tệ hơn.

Các thành phần chính của máy đặt linh kiện (máy cấp liệu, vòi phun, hệ thống quan sát) là gì?

Các thành phần chính của máy đặt linh kiện là các bộ cấp liệu cung cấp linh kiện một cách đều đặn, các vòi phun tạo ra lực hút chân không đáng tin cậy và giải phóng ổn định, và hệ thống quan sát đo lường độ lệch và góc xoay để điều chỉnh sự biến động trong thực tế, giúp bộ điều khiển chuyển động của máy đặt từng linh kiện chính xác lên các pad mục tiêu. Xem xét chúng như một hệ thống, không phải ba thành phần riêng lẻ. Một thành phần yếu sẽ ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ lỗi của bạn.

Làm thế nào để giảm thiểu lỗi đặt linh kiện trong quy trình làm việc của máy đặt linh kiện tự động?

Giảm thiểu lỗi đặt linh kiện trong quy trình làm việc của máy đặt linh kiện hoàn chỉnh đòi hỏi phải tối ưu hóa chuỗi dữ liệu-phần cứng: thư viện CAD chính xác, điểm lấy linh kiện đã được xác minh, thiết lập bộ cấp linh kiện ổn định, vòi phun sạch và tương thích, ánh sáng và hiệu chuẩn camera nhất quán, cùng với các thực hành hỗ trợ fiducial và bảng mạch nghiêm ngặt để các điều chỉnh của máy phản ánh thực tế trong mỗi chu kỳ. Ngoài ra, cần kiểm tra các trường hợp ngoại lệ hàng tuần. Lỗi thường có các mẫu nhất định.

Cách nhanh nhất để tăng năng suất mà không cần mua máy mới là gì?

Cải thiện năng suất mà không cần mua máy mới có nghĩa là loại bỏ thời gian chết không cần thiết: tối ưu hóa bố trí bộ nạp để giảm khoảng cách di chuyển, giảm thời gian chuyển đổi bằng cách sử dụng bộ dụng cụ và xe đẩy tiêu chuẩn, loại bỏ các lỗi lặp lại của bộ nạp, và điều chỉnh việc sử dụng hệ thống quan sát sao cho chỉ các bộ phận cần quan sát đầy đủ mới phải chịu thời gian chờ, trong khi các bộ phận khác hoạt động dựa trên các thông số ổn định. Nếu bạn sản xuất với khối lượng lớn, hãy thiết kế dây chuyền sản xuất cho mục đích đó ngay từ ngày đầu. Mô hình dây chuyền sản xuất hàng loạt tốc độ cao có sự khác biệt là có lý do. (Máy đặt và lấy linh kiện)

Sẵn sàng để đo lường thời gian thực tế của quy trình thay vì tranh cãi về các thông số kỹ thuật?

Nếu bạn muốn, chúng tôi có thể chuyển đổi dữ liệu BOM + bảng mạch của bạn thành ngân sách thời gian chu kỳ (đặt linh kiện so với chi phí chung), sau đó quyết định xem bạn cần một thiết lập tập trung vào mẫu thử nghiệm hay một bố trí tốc độ cao. Hãy bắt đầu với các kỳ vọng về dịch vụ của chúng tôi để bạn biết hỗ trợ sẽ như thế nào khi có sự cố xảy ra vào lúc 2 giờ sáng.Máy đặt và lấy linh kiện)

Và nếu bạn muốn nhận câu trả lời trực tiếp từ con người, không phải từ tài liệu quảng cáo, hãy liên hệ với chúng tôi kèm theo số lượng bo mạch, 20 linh kiện hàng đầu theo vị trí lắp đặt và thời gian takt mục tiêu. (Máy đặt và lấy linh kiện)

[3]: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10302618/ ”Đánh giá công nghệ lắp ráp thông minh cho thiết bị điện tử nhỏ gọn – PMC“