Особенности автоматизации процесса сборки печатных узлов

В современных условиях постоянно растущей номенклатуры радиоэлектронных составных частей изделий военного и гражданского назначения очевидна необходимость повышения уровня автоматизации технологических операций, уменьшения доли ручного труда. Для снижения временных затрат на сборку печатных узлов – время подготовительных операций, собственная трудоемкость изготовления – и повышения процента выхода годных изделий рассматривается возможность внедрения линии поверхностного монтажа и пайки, предназначенной для автоматизированной сборки плат с поверхностномонтируемыми элементами.

При этом возникает ряд проблем, касающихся применения данного оборудования в условиях изготовления составных частей изделий военного назначения:

1. Отсутствие в требуемом количестве необходимых отечественных аналогов импортных материалов и приборов контроля параметров работы линии.
2. Поставка покупных комплектующих изделий (ПКИ) в подходящей для автоматического монтажа упаковке.
3. Разброс геометрических параметров ПКИ отечественного производства.
4. Ремонтопригодность составных частей линии и способы обеспечения оперативного устранения неполадок силами эксплуатирующего предприятия.

Автоматизированная линия сборки узлов поверхностного монтажа представляет собой комплекс установок, схематично изображенных на рисунке 1, поэтапно выполняющих операции подготовки, монтажа и пайки электрорадиоэлементов (ЭРЭ) на печатные платы в едином цикле без необходимости остановки после каждой операции.

Цикл сборки начинается с размещения плат в загрузочном устройстве, с которого они перемещаются в бестрафаретный каплеструйный принтер, позволяющий наносить паяльную пасту на одну сторону печатной платы в среднем за несколько минут. В данном принтере используется кассета, частью которой является выполняющий роль пропускного механизма эжектор, что проиллюстрировано на рисунке 2.

Особенность данной детали заключается в том, что при нанесении на печатную плату паста под давлением выталкивается сквозь небольшое отверстие в эжекторе. Диаметр отверстия обуславливает применение паяльной пасты с определенным показателем вязкости. Также одним из основных факторов, влияющих на выбор пасты, является необходимость применения материалов отечественного производства, поскольку применение импортных материалов, равно как и ПКИ, для изделий военного назначения затруднительно [1]. При анализе рынка отечественных производителей паяльных материалов было выявлено полное отсутствие отечественных аналогов зарубежных паяльных паст для каплеструйных принтеров.

Обычно паста для бестрафаретных принтеров содержит в себе безотмывочный флюс и имеет специальный показатель вязкости. Отечественные производители паст для печатных плат выпускают пасты для трафаретного способа нанесения и нанесения с помощью дозатора. Высокий показатель вязкости данных паст не позволяет использовать их для нанесения при помощи каплеструйной подачи. К примеру, паста ППК‑62–4-90 А ТУ 1723–001–07518266–2009 производства ПАО «Авангард» выпускается в шприцах, но применение ее в условиях подачи через отверстие эжектора приведет выходу из строя системы подачи. По последней информации, полученной от производителей, разработки в данном направлении ведутся, но готовое конкретное решение на данный момент отсутствует.

Следующим звеном линии является автоматический установщик компонентов, производительность монтажа при использовании подобных машин может достигать 40000 компонентов в час.

Захват компонентов производится насадками из питателей, в которые вставляются ленты с ПКИ. На данном этапе возникает проблема закупки ПКИ в упаковке, подходящей для использования в условиях автоматического монтажа. Такой упаковкой может являться лента, пенал или поддон с ячейками. В связи с особенностями подачи ленты питателями для ее корректной фиксации с обеих сторон минимальная длина должна быть от 1 метра. Это наглядно отображено на рисунке 3.

Это обеспечит как необходимую фиксацию ленты между катушкой и питателем, так и возможность захвата ПКИ с большей части ленты за исключением последних 20–30 см, ячейки на которых обычно производители компонентов при упаковке оставляют пустыми. При небольшом количестве используемых ПКИ каждого типономинала закупка производится короткими частями лент или россыпью, что делает невозможным использование автоматического установщика либо приводит к необходимости приобретения дополнительного оборудования для упаковки компонентов в ленту.

Выбор материала ленты также оказывает существенное влияние на скорость захвата компонента из питателя и возникновение ошибок обработки первичной информации о местоположении компонента в процессе монтажа. В частности, при использовании пластиковых лент (к примеру, как это изображено на рисунке 4) для подачи резисторов в зону захвата при поднятии края покрывной пленки ножом питателя может произойти смещение элемента из ячейки в момент его забора. В некоторых случаях начальное ускорение, полученное элементом при подаче, вследствие недостаточно плотной исходной фиксации покрывной пленкой приводит к выпадению ПКИ из рабочей зоны. Следствием этого является невозможность дальнейшего использования этих компонентов для автоматизированного монтажа, а также вероятность повреждения чувствительных к воздействию статического электричества ПКИ. Также управляющая программа воспринимает данную ситуацию как ошибку. Немаловажную роль в предотвращении подобных ситуаций играет качество приклеивания покрывной пленки к ленте. Неравномерное приклеивание приводит к неконтролируемому разделению ножом питателя покрывной пленки и ленты, при этом высвобождается не только подлежащий захвату элемент, но и один или несколько соседних, которые при последующих перемещениях ленты выпадают из нее. На наш взгляд, во избежание данных ситуаций более предпочтительным является использование бумажной ленты. Сцепление покрывной пленки в таких лентах более качественное, а также фиксация элемента между пленкой и лентой более надежная.

В программном обеспечении автоматического установщика компонентов существует база данных основных типоразмеров компонентов, которую также необходимо дополнять собственной информацией о корпусах применяемых ПКИ. Основным параметром на этапе обучения корпусов являются их размеры. При работе с отечественными ПКИ размеры корпуса одного и того же компонента варьируются в пределах допусков, но при этом могут иметь большой разброс на одной и той же партии. В связи с этим они не распознаются установкой как годные для монтажа на плату и происходит сброс компонентов с установочной головы машины. Во избежание подобной ситуации приходится искусственно расширять допуски на габаритные размеры элементов в управляющей программе. Таким образом, обработка одних и тех же корпусов вызывает проблемы, происходит частый сброс компонентов и они становятся непригодными для автоматического монтажа на плату.

После установки компонентов производится оплавление пасты в конвейерной конвекционной печи по заранее заданному температурному профилю (термопрофиль – зависимость изменения температуры от времени). Пример подобной печи приведен на рисунке 5.

Для снятия характеристик профиля используется импортный термопрофилометр, который не имеет отечественных аналогов и не входит в государственный реестр средств измерений. В связи с этим поверка прибора в государственных центрах, а также использование полученных с его помощью данных для внесения в официальные протоколы приемо-сдаточных испытаний составных частей изделий военного назначения не представляется возможным. При возникновении дефектов в паяном соединении или печатной плате в результате пайки для выявления причин брака и проведения рекламационной работы необходимы данные температурного профиля с поверенных приборов.

Немаловажным аспектом эксплуатации подобного сложного многосоставного оборудования является его обслуживание и ремонт. При выходе из строя отдельных составных частей необходимы знания об их функционировании и взаимодействии с другими устройствами линии. Минимальный набор таких знаний предоставляется предприятию-потребителю оборудования при обучении работе с ним. На практике их зачастую оказывается недостаточно. При возникновении более серьезных проблем появляется необходимость работы с отладочным инструментарием программного обеспечения машин, в некоторых случаях – на более высоком уровне доступа, не предоставляющемся предприятию-потребителю. Вызов специалиста фирмы-поставщика является дорогостоящей услугой; обучение собственных специалистов также предполагает дополнительные затраты и чаще всего узконаправлено.

Авторы считают, что отличительной особенностью данной работы является комплексный, системный подход к освещению проблем и постановке вопросов, возникающих при автоматизации процесса сборки печатных узлов. Необходимость целостного анализа всех аспектов данной технологии в условиях ее применения на предприятиях отечественного оборонно-промышленного комплекса связана с требованиями по импортозамещению, снижению издержек, сокращению трудоемкости и влияния человеческого фактора на производство продукции. По этой причине решение отдельно взятой узкой задачи по адаптации конкретного материала, ЭРЭ или установки к использованию в производственном цикле очевидно выглядит нерациональным, будучи при этом сопряженной с чрезмерными трудозатратами и потерями времени.

Решение возникающих проблем авторы видят в необходимости создания единой системы стандартизации при разработке и производстве материалов, ПКИ и оборудования для такого крупного направления как сборка печатных узлов с поверхностно-монтируемыми ЭРЭ. Именно в унификации требований к вышеперечисленным элементам системы заключается возможный комплексный подход к освоению и массовому внедрению в производство систем автоматизации для данной технологии.