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讓機器“働”起來

發布于:2019-07-26 14:42:47 編輯:Tiger 文章來源:中福必易  瀏覽:

一項在十多年前就有的工藝技術——混裝工藝,直到今天才被更多的廠家“挖掘”出來,并給予足夠多的重視!是什么樣的原因造成了這樣的結果呢?再有,電子信息產品生產設備的功能越來越多,做為使用者的企業又利用了多少?設備技術人員又是否掌握和充分地發揮出這些設備的能力了呢?

本文將分享混裝工藝的改善過程,結合現階段生產實際驗證的結果,介紹如何充分運用設備的能力,使其真正地“働”起來,進而與業界同仁一起,推動混裝工藝的進一步發展。

SMT混裝工藝的發展及變遷

筆者是2004年加入電子制造行業的,當時臺式機更新換代極為迅速,而SMT的應用也正處于高速發展階段,我所供職的流水線式的工作車間每天產出3萬片計算機的主板,每條流水線平均有80名左右的一線員工,工作強度相對較大(圖1的SMT生產線配置是當時電子制造業的主流生產模式)。

圖1:標準PCBA生產流程

插件機最初主要應用于家電行業,主要是為了解決發達國家人力成本高漲的問題,插裝的元器件多為編帶式的電容、電阻和電感等被動元件,插裝精度和PCB的設計復雜程度都不高。隨著發達國家將制造工廠轉移到中國,在二十世紀的后十年到二十一世紀的前十年,中國的廉價勞動大軍“攻城拔寨”,迅速“打敗”了自動化插裝設備,全自動插件機漸漸“銷聲匿跡”。

但是,隨著電子信息技術的發展和產品的不斷升級換代,功能復雜化、尺寸小型化的產品逐漸興盛,這樣的趨勢直接造成設計的困難,導致許多波峰焊工藝的元器件被迫轉移到了SMT設備上,通孔回流焊技術“應運而生”,原來插件生產線上的員工漸漸地被設備所替代,形成了第一代的PCBA混裝工藝生產模式——通孔回流焊PCBA生產流程(如圖2所示),并且這一模式越來越多地應用在了電子信息產品制造領域。

通孔回流焊有以下幾個優點:第一,解決了部分PCB的設計瓶頸,使得設計人員不再受波峰焊工藝的最小上錫間距困擾,在設計PCB和選擇元器件的過程中有了更大的選擇空間;第二,避免導致這類元器件的焊接品質問題;第三,減少了PCBA的生產工序,將手插工藝轉換為SMT自動插裝,減少插件員工的同時提升了生產效率。

但通孔回流焊也有一些缺點,比如,將普通的手插元器件轉換到SMT,這類元器件的耐溫值將從100℃+,提升到250℃以上,增加了元器件的成本;另外,元器件設計需要符合SMT相關的設計標準,會增加更多的工藝挑戰。

圖2:通孔回流焊PCBA生產流程

隨著經濟的高速成長,我國的人力成本也在不斷提高,設備替代人工成為消減成本的不二選擇,使得自動插件機趁勢回歸,第二代PCBA混裝工藝生產模式也應變而生——部分混裝工藝PCBA生產流程(如圖3所示)。

新的生產模式帶來了很多優點:第一,自動插裝設備代替了50%以上的人工,極大地提高了生產效率,節約了直接人力成本;第二,推動了自動插裝設備的改進,使之適應新模式的技術要求,間接地刺激SMT設備市場的發展;第三,推動電子制造行業自動化的進程,推動了行業技術的改善;第四,促進了手工插件到自動化插裝的改革,形成了新的行業標準。

新模式的前景一片大好,但是也不能忽視在推動過程中產生的困難。首先,設備選擇面較窄,到現在為止,市面上還沒有形成大規模的需求,各家大型企業還處在驗證階段,沒有穩定準確的數據對比;其次,元器件的設計和包裝沒有相應的標準,推動元器件廠商改善相對困難;再次,還沒有形成市場規模效應,制造企業的投資風險,元器件和設備廠商的開發風險較大。

基于上述分析,現階段還需要穩步推進各方面的試驗,由制造企業、元器件廠商和設備廠商三方協同作業,使第二代的混裝工藝趨向成熟。

圖3:部分混裝工藝PCBA生產流程

最終,SMT混裝工藝的模式必將使用自動化的設備替代所有的人工,達到關燈工廠的終極效果,第三代PCBA混裝工藝生產模式——全混裝工藝PCBA生產流程(如圖4所示)。這是混裝工藝的最終目標,也是第二代PCBA混裝工藝的延伸,主要方向以元器件改善為主,設備及其特殊備件為輔,形成混裝工藝相關設計、元器件、設備的標準。

這種全新的模式將會成為電子制造行業的主流配置,手插件的工藝將完全被自動化取代,“用工荒”的問題將得到很大程度的解決,生產效率大幅度提升,企業整體的制造成本大幅降低。

圖4:全混裝工藝PCBA生產流程

混裝工藝的自動化案例分享

“働”來源于日本的精益制造文化,其含義是強調人和設備的最佳組合,給設備賦予人的智慧,使設備達到代替人工和自動判別不良而自動停機的目的。

在混裝工藝發展的過程中,筆者希望技術人員更多地利用現有的設備,利用創新的思維和方法,基于設備的工作原理,自主開發出更多新的功能,使設備利用率最大化,讓設備在人的智慧幫助下“働”起來!

就混裝工藝本身而言,最主要的改善方向就是將所有的手工插件作業轉化為便于設備自動插裝的工藝,工作的原理和SMT貼裝模式一樣,就是需要技術人員按照不同的元器件開發不同的供料器和專用的吸嘴,利用這些專用備件將手插件轉換到自動插裝。

在此案例中,將元器件的外形和可抓取方式分為四種類型,對于不同類型的元器件,設計匹配的供料器和專用吸嘴或夾爪,應用于插件機上,在解決混裝工藝難點的基礎上,增強設備的插裝功能,應用人的智慧賦予設備更多的“働”能。

第一類,超長型轉接器(圖5),例如DIMM、PCIE這類連接器;

圖5:超長型轉接器

第二類,具有可吸取面的連接器和電容(圖6);

圖6:具有可吸取面的連接器和電容

第三類,無可吸取面的連接器(圖7);

圖7:無可吸取面的連接器

第四類,特殊連接器(圖8)。

圖8:特殊連接器

對于不同類型的連接器,現階段會依據SMT設備的工作方式進行思考,如何將這些不同類型的手插件轉換成適合SMT設備的吸取和包裝方式,需要參考相應的SMT標準,同時工藝技術人員也具備相應的能力進行驗證,并提供改善的方法。

超長型連接器,提供兩種不同的方法供讀者參考,拾取和供料部份需要定制相應的夾爪和供料器,物料識別部份需要分拍至少三張影像,由設備合成后再和元器件數據庫的元器件數據比對。插裝部份需要增加3~5公斤的壓力,確保這類元器件高效高質量插裝到PCB上,不產生浮高和折腳的不良。

具有可吸取面的連接器相對比較簡單,通知供貨商將散裝或盤裝的包裝方式改為卷裝的方式,使用標準的SMT吸嘴即可正常插裝,電容則使用相對應的供料器,可以直接由供料器完成剪腳動作,使用專用電容吸嘴實現自動插裝。

無可吸取面的連接器有兩種方式可以實現自動化插裝,第一種需要物料供貨商增加可吸取的吸取蓋或聚酯薄膜(Mylar),將不可吸取改善為可吸取的模式,利用標準的SMT吸嘴即可實現自動化插裝。但是,這種改善會增加相應的物料成本,并且生產過程中會增加取吸取蓋或撕聚酯薄膜的額外動作,不是最合適的方法。第二種是定制夾爪和碗式振動供料器,方法相對簡單,不過會增加相應的治具和特殊夾爪,不同的物料就會有不同的夾爪和振動盤,通用性較差。

類似圖8展示的特殊連接器,排針或者電池座,目前只能使用夾爪和碗式振動盤的方式實現自動插裝,實際驗證的效果在目前階段是可以接受的。

不同的元器件應用不同的插裝方法,供料器和專用吸嘴也是改善的重中之重。區別于標準的SMT供料器和吸嘴,在不改變元器件設計和包裝方式的情況下,手插件需要設計專用供料器和專用吸嘴,為了提高它們的通用性,需要將元器件劃分為相似的幾類。目前階段,可以根據元器件設計夾爪或供料器,通用性不是很高;但是,在元器件設計標準日趨成熟的未來,在設計元器件的時候就可以預留夾爪的位置,元器件包裝的設計考慮供料器的通用性,像SMT的標準吸嘴和供料器一樣,手插件專用夾爪和供料器也會逐漸減少,標準化程度逐步提升,如圖9所示。

圖9:吸嘴、特殊夾爪、供料器及改善物料

通過現場的實際驗證,所開發的供料器和專用吸嘴或夾爪彌補了元器件設計和其包裝設計的不足,已經可以解決80%左右的手工插件的自動化應用。對于其它類型的異形物料,需還要工藝、設備技術人員共同研究和開發相應的吸嘴和供料器,并且還需要改善這些吸嘴和供料器的通用性的問題,最終才能實現全混裝工藝PCBA的自動化生產。

混裝工藝存在的問題及發展趨勢

上一部分和讀者分享了筆者所在企業現階段混裝工藝上的一些改善,下面我們有必要討論更深層次的話題。

從改善案例的過程中可以發現,技術人員做了許多的改善,將手插件逐步轉化成了自動化生產,但這僅僅是針對自己公司的特定產品和特定的元器件,如何將這些有用的改善方法應用到其它制造場所才是我們關注的重點。

總結改善過程中存在的問題,主要有以下六點:

手插件的包裝各式各樣,有盤裝、卷裝、盒裝、散裝四種,不同的包裝都需要不同的供料器和專用吸嘴,需要對BOM上的每一顆元器件單獨設計插裝方式;

沒有適用手插件的供料器,對應不同的手插件,需要設備廠商開發專用供料器,開發過程中還需要不斷的驗證和改善,并且沒有通用性;

專用吸嘴的設計也需要適用不同類型的手插件,通用性差,大規模推廣困難;

元器件設計沒有統一的標準,沿用了適用波峰焊工藝的設計思路,如果更改新的標準,前期成本提升較高,廠商配合的積極性不高;

設備的備件損耗率提升,原來在SMT可以使用一年甚至更長時間的備件,在異形插件機上,最多能用三個月,需要建立新的使用標準,減少相關人員的疑慮;

所有上述的問題最終歸結為成本問題,每一項改善都增加了相應的開發成本,在前期開發投入過程中,只能預想到人力成本降低和生產效率提高,并能有實際的數據支撐,需要決策層具有長遠發展的考慮和資金的投入。

混裝工藝的發展是勢在必行的,符合行業發展和技術發展的趨勢,也符合《中國制造2025》的戰略規劃。雖然中國擁有“世界制造工廠”的優勢,但也面臨成本上升的壓力,我們需要效仿發達國家,快速建立相關標準,利用標準獲取豐厚的前期利潤。

圖10:混裝工藝存在的問題

混裝工藝標準體系的建立

在整個混裝工藝中缺乏相應的標準,所以混裝工藝的改善過程顯得雜亂無章,導致整個改善進程相對緩慢。制造企業可以與元器件供應商、設備廠商一起協同開發,建立一套類似于SMT標準的體系,推動混裝工藝的發展進程。按筆者的思路,目前可以建立五個標準:

物料包裝標準。SMT已經實現了包裝標準化,所以才有了現如今的規模發展,而對于手插物料,供應商之間還沒有相應的適合自動化生產的包裝標準,造成自動化改善推動緩慢;

供料模式的標準。供料模式的標準是建立在物料包裝標準基礎上的,如果建立了手插物料的包裝標準,供料模式的標準也會形成;

手插物料的設計標準。之所以手插物料設計的各式各樣,主要是參考了相應連接器的標準,而現場工藝技術人員并沒有相應的改善需求,所以物料的設計人員也不會有專門為了適應自動化生產而產生的設計方法和思路。一旦現場工藝人員有了自動化改善的需求,就會和設計人員一起,在不改變連接器標準的前提下,設計出符合自動化生產的手插物料,促進手插物料的標準化;

吸嘴夾爪的標準化。手插物料的設計標準形成后,很容易實現吸嘴和夾爪的標準化,我們依據物料設計出通用性的吸嘴和夾爪,從而減少特殊化的吸嘴和夾爪,以推動批量化的生產;

設備備品的標準化。手插物料的設計,在很多方面是考慮其在PCBA上的強度和電氣連接可靠性,在使用設備時,需要比貼裝SMT物料時用的壓力增加幾倍,甚至幾十倍,作用于相關備件的力促使其更快的損耗,因此需要對受力較大的品重新設計,依據新的加工工藝的標準增強其使用強度,降低保養維護設備的頻率,確保生產過程的連續性和可靠性。

所有標準的建立最終希望可以解決制造成本的問題,因為缺乏標準,整個生產供應鏈的各個廠商沒有相應權威的依據可參考,會產生許許多多的定制化的物件產生,極大地浪費了企業的資源。IPC標準是SMT行業最權威的參考依據,它的建立推動了眾多企業規模化、模組化的生產,節約了相當多的成本,也節約了社會資源。因此,手插件也應該建立一套相應的自動化生產標準,降低企業的生產成本,獲得更多的利潤。

圖11:混裝工藝標準發展趨勢

讓公司的機器真正“働”起來

改善是無止境的,精益生產充分發揮了人的主觀能動性,也激發了人的更多的智慧,促使企業的成本大幅降低,而對于設備的應用,技術工作者還停留在設備的基本使用階段。混裝工藝的發展,一方面我們需要建立相應的標準去輔助它,另一方面我們還需要開發設備更多的功能,提升設備的適用性,促進混裝工藝的變革。

混裝工藝最大的目的就是使用設備代替人工,而設備的基本原理并未發生本質的變化,在主體功能不變的情況下,設計出符合混裝工藝生產的吸嘴、供料器,建立手插件的標準,將SMT貼裝的工藝方法應用于手插件,減少手插人員的數量,不但提升了生產的效率和品質,還降低了生產制造的成本,達到一舉多得的效果。

設備的自“働”化不僅是讓設備變得智能而已,更多的是發揮人的智慧,依托設備進行輔助化的革新,充分利用設備的基本功能,突破性的創造出設備的新功能。

人的思維是無限延伸的,在實際工作中,技術工作者應該不斷的嘗試、創新,挖掘設備的深層次應用,讓公司的設備不僅僅局限應用其基本功能,而讓設備真正的“働”起來。



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