为什么未来的SMT定位需要绝对式光栅反馈

 时间：2015-05-18

2016年3月2日

现代化的机械手采用高分辨率识别摄像头和微调系统，通过每个轴上的精密直线光栅，在进行焊接前将电子元件准确、快速地放在印刷电路板 (PCB) 上。由于电子产品变得越来越复杂，对表面安装技术 (SMT) 定位过程的高质量保证要求日益提高，这对光栅反馈性能也产生了积极影响。

本文探讨了SMT定位技术的一些未来发展趋势，重点关注领先的Frost and Sullivan（弗若斯特沙利文咨询公司）预测在2015到2020年间短期市场发展的主要推动力，以及绝对式光栅系统的影响作用。

2013年，SMT定位设备全球市场出货量达到19,000台，实现收入40亿美元，预计到2020年市场收入将达到60亿美元，其中消费电子产品以及计算和存储行业占到42%。自全球经济衰退以来，消费电子产品的需求显著上升，尽管智能手机、平板和液晶电视的单位销量增长预计未来几年将会减缓。

SMT定位设备市场还同时面临着降价、竞争激烈和二手设备市场交易兴旺等诸多不利因素。总体来说，对机器出货量的需求是呈上升趋势的，预计在2015-2020年期间，全球SMT定位设备销售总收入每年平均增长7.2%。大部分SMT定位设备的收入来源于消费电子产品、计算与存储、电信和汽车行业。

最强劲的增长预计来自于亚太地区，其将占据SMT定位设备市场收入的半壁江山，原因可部分归结为发展中国家在消费电子行业的发展以及其自身的增长需求。

SMT的技术发展趋势

随着对多品种和中小批量生产环境的需求持续增加，SMT定位设备制造商正在通过更大的进料处理能力和多功能定位头提高机器的灵活性。为增大生产量，机器灵活性和定位速度将成为SMT设备市场两个最重要的指标。此外，随着生产复杂性和产品换代的不断增加，智能进料技术有望成为标准。

智能进料可以与定位系统控制器通信，并且通过存储有关进料类型、可调整的进料参数和安装组件的信息来消除设置误差的影响。

短期市场的主要推动力和绝对式光栅的影响作用总结如下：

表面安装技术 (SMT) 机器示例

技术创新

由于制造商可能会强调低拥有成本和高投资回报的必要性，技术因此将成为SMT设备的关键推动力。除了价位考量之外，产品创新和差异性将成为促成客户购买行为的最终决定性因素。

对于那些可以实现产量最大化、与工厂生产线上的其他SMT设备通信和提高效率的SMT定位设备，客户的需求将不断增加，以便确保他们的生产过程继续保持竞争力和可行性。特别是在中高速SMT定位市场领域，随着其价格止跌回稳，该推动力的影响在未来五年内预计将会持续提升。

SMT定位技术当前的创新主要围绕以下方面：整个垂直市场的生产改进、进料技术、灵活和模块化的龙门系统、通过加强跟踪提高合格率 (FPY)、先进的工厂管理系统和机器间的通信平台。

近期高精度绝对式光栅系统的问世为SMT定位设备提供了新的创新机会。绝对式光栅可通过提高可靠性、加快初始化、提高安全性、降低运行成本并消除常见的碰撞风险来改善性能。

灵活和快速响应的制造

电子行业千变万化的需求使得精益生产和加快生产响应速度变得更有必要，而且突出体现在需要灵活、响应快速的生产线。对高灵活度生产的需求催生了双龙门和四龙门的多头和多轴机器以及需要对复杂的定位路径进行协调的灵活输送机。增量式光栅系统要求所有轴在停机后重新启动生产时返回零位（返回参考点），也只有这样，控制系统才能检测到轴的实际位置。多头从轴上未定义的位置回零是导致机器停机时间增加的重要原因。如果操作人员一开始没有分析碰撞路径，也没有相应选择参考零位循环，那么一旦发生定位头或龙门碰撞，安装设备就会严重受损。如果发生这类碰撞，就会造成整个机器的非生产时间延长，增加不必要的成本，而且停机严重影响经济效益。

旋转头定位机器：一种相对较新的技术
，旨在最大程度增大灵活龙门
系统的定位速度。参阅：电子元件组装手册和SMTA认证指南。2014.SMTA

绝对式光栅的另一个优势是可以根据需要计算位置，雷尼绍的RESOLUTE™是首款将此功能与内置误差校验算法结合的光栅，可立即标记出任何栅尺的误读。这可通过消除栅尺的计数错误、位置漂移和丢数，防止非受控运动和相关的碰撞风险，对提高产品合格率、产量和安全性非常有利。因此，绝对式光栅既能提高制程可靠性、缩短非生产时间，又能防止发生碰撞造成高昂损失。

SMT组件尺寸微型化

另一个需要重点解决的方面是减小产品占用空间和降低每个电路板的成本。消费类电子产品一方面元件密度正在变得非常高，另一方面尺寸越变越小，这种趋势催生了对自动化和高精度定位设备的需求。电子行业正在通过增加对更小无源元件（比如01005，尺寸因数接近<0.5 mm，0.3 mm超细栅距/高针数QFP和仅有150 μm栅距的倒装芯片）的使用缩小终端产品尺寸。提高元件密度将增加对自动化SMT定位设备的需求，主要原因是该设备可利用先进的软件和进料技术降低每个电路板的成本，同时提高定位精度和速度。此外，越来越多的客户选择升级原有的SMT定位设备或整个软件平台，这在未来几年也会推动市场的发展。

高性能设备预计也会促进对先进的SMT软件平台的需求。随着产品复杂性不断增加，对高速定位过程的高质量保证要求也日益提高，由于旋转定位头可安装在沿X和Y方向移动的龙门架梁上，因此高架龙门式旋转头系统将越来越多地占据主导地位。

机器必须能够高速定位成千上万个组件，比如为贴片机供料时每小时放置元件 (CPH) 的数量超过100,000个，同时提供高精度定位 (X,Y) 和旋转 (θ) 校准，确保满足日益严格的质量标准。现代化的机械手龙门设备要求光栅能够具备高速（用于提高产量）和高分辨率（用于放置小型元件）性能。数字增量式光栅的最大速度取决于接收电子装置的最大输入频率 (MHz) 和所需的分辨率。因此，由于接收电子装置的最大频率已固定，因此提高分辨率将导致最大速度相应降低，反之亦然。绝对式光栅不会受到这种情况的影响，可确保高速和高分辨率运行。这是因为位置根据需求和使用串行通信确定，这使得设计师能够设计在高速和高分辨率下工作的龙门系统。

SMT机器中直线轴上的RESOLUTE绝对式光栅

SMT定位机器也越来越多地在X和Y轴上使用直线电机来提高精度、速度和伺服环刚性。绝对式光栅输出可靠的高保真度信号，有效提高伺服环增益水平。高伺服环增益可提高轴加速度和减速度、缩短恢复时间并减少感应电机发热 — 这有助于机器延长运行时间而且运行更可靠，同时减少因冷却需要的计划停机次数。绝对式光栅可进一步确保在没有返回参考点的情况下立即正确换向；相较于增量式光栅系统（需要霍尔效应传感器这类附加传感器为直线电机换向），可简化伺服设计并降低组件复杂性。

此外，RESOLUTE光栅的误差校验算法通过减少电路板的错误定位提高了定位可靠性，有助于达到最高合格率 (FPY) 并降低总拥有成本。

SMT定位的前景

快速发展的商品市场对一系列先进的高技术产品的需求正在主导着电子制造业的发展前景。这一趋势也正在鞭策制造商通过开发更加灵活的模块化SMT定位设备，紧跟市场对产品持续微型化并融合各种不同技术的需求。此外，无线技术在医疗设备中的应用正在快速发展 — 这对更小批量的多品种生产提出新的要求，因此也增加对灵活SMT定位设备的需求。

由于多个行业的微型化趋势导致印刷电路板 (PCB) 的复杂性增加，这也进一步提升了对SMT定位设备的需求水平。在中欧和西欧地区，SMT定位设备市场正在迎来消费电子、电信和汽车电子制造业重大的新发展商机。该区域也是吸引全球顶尖供应商的低成本制造地区，当前正在进一步扩大对SMT生产设备的需求。亚太地区依然是SMT收入的最大来源，同时带动对高速SMT定位设备的需求。

高性能绝对式光栅系统的广泛应用促进了SMT定位设备制造商不断满足电子元件行业日益提高的技术要求。SMT定位设备采用的光栅技术直接关系到定位精度和重复性以及各轴速度的提高，由此将机器生产效率提升到更高的水平。

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雷尼绍在此感谢达特茅斯学院泰勒工学院的Ronald C. Lasky教授（性能工程博士）提供的宝贵专业意见。

关于雷尼绍

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