5G城堡板子卡机贴技术及其应用_李红兵.pdf

2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology第44卷第1期61作者简介：李红兵（1 9 6 7-），男，毕业于西安电子科技大学，中兴通讯供应链首席生产专家，长期从事S MT 工艺技术及数字化方向的研 究工作。摘要：5G AAU等系列产品的主板实现了模块化设计，单张主板需要额外集成416张功放模块子卡，极大增加了人工贴装作业量，且贴装精度很难达到要求。自研打造了一套集成化自动贴装系统，实现全系子卡机械臂贴装，消除子卡贴装工序的瓶颈隐患，提升全系城堡单板合格率，并大幅缩减转线时子卡贴装程序的调试时间，降低过程人员投入。经过实际生产测试，生产效率、贴装精度、单板合格率、转线效率均有较大程度的提升。该技术研究与实践取得了较好的结果反馈，证实了技术方向的准确性及技术方案的可靠性。关键词：机械臂；视觉系统；上位机控制；5G城堡板；机贴技术中图分类号：TN6文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）01-0061-06Abstract:The motherboards of 5G AAU and other series products have achieved a modular design.A single motherboard needs to integrate 4 to 16 additional power amplifier module daughter cards,which greatly increases the workload of manual placement,and the accuracy of manual placement is difficult to meet the requirements.A set of integrated automatic placement system has been built,which realizes the placement of the entire system of daughter card robotic arms and eliminates the potential bottleneck of the daughter card placement process,to improve the pass rate of all castle veneers.At the same time,the debugging time of the daughter card placement program during line transfer is greatly reduced,and the investment of process personnel is reduced.After the actual production test,the production effi ciency,placement accuracy,single board qualifi cation rate and line transfer effi ciency have been greatly improved.The technology research and practice has achieved good feedback,which confirms the accuracy of the technical direction and the reliability of the technical solution.Key Words:robotic arm;vision system;host computer control;5G castle board;machine sticker technologyDocument Code:A Article ID:1001-3474(2023)01-0061-065G城堡板子卡机贴技术及其应用5G Castle Board Machine Sticker Technology and Its Application李红兵，统雷雷，石启鹏，陈辉，胡德志LI Hongbing,TONG Leilei,SHI Qipeng,CHEN Hui,HU Dezhi（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057）(Zhongxing Telecommunication Equipment Corporation,Shenzhen 518057,China)电子组装疑难工艺问题解析doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.01.0162023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology620 引言AAU等产品单板均为城堡板，即由剔除功放模块的大板以及数张功放模块子卡贴合装配制成，子卡贴装区域如图1中白色方框所示。从大板中剥离出功放模块，是为了降低大板生产和维护的成本，提升主板的模块化水平以及可靠性。图1 A A U 主流型号单板子卡贴装区域示意图图2 单张子卡特征焊点分布示意图图4 线体升级布局局部示意 （a）定位柱插装 （b）子卡拾取 （c）子卡放置图3 手补子卡流程单张子卡拥有多达80个的特征焊点，如图2所示，可偏移角度容差很小，贴装精度需达到0.2 mm。将子卡贴装到大板之前，需要分别单独给子卡以及大板焊盘印锡。推进自动化贴装落地前，由产线人员将印锡子卡搬运至大板贴片模组前工位，再按序手工完成子卡定位柱插装、子卡拾取、子卡放置作业，如图3所示。经测算，单张子卡手工贴装耗时达到16 s以上，而单块城堡板子卡数量最多可达16张。手工作业很大程度上影响了单位时间的产出，不利于交付任务的达成，同时，引入的过程质量问题也不容小觑。这与精益生产以及提升自动化程度的智造目标是不相匹配的，亟待改善。1 方案介绍1.1 线体布局升级原有的单轨线体无法满足大板印锡、子卡印锡、子卡贴装同时高效运行的要求。线体布局升级，既要满足产品生产需求，也要考虑设备投入成本、自动化提升、产品在线率等因素。机械臂的投入能够很大程度上改变产品线体的布局，缩减线体规模，提高产品的制造效率，降低产线人员的参与度，提升产品生产全流程的自动化水平。房子建1等人为实现机械臂表面贴装，也从机械臂的定位和控制出发，尝试性进行了一些研究。如图4所示，升级后的线体有2条轨道，1轨负责大板印锡作业，2轨负责子卡印锡作业，再由机械臂拾取2轨的印锡子卡，并贴装至1轨大板表面。1.2 自动化作业流程城堡板子卡贴装系统应是一对多的架构，上位机部署自研控制软件，实现对机械臂、相机等硬件的调试作业，完成子卡贴装程序制作、调用、编辑等一站式管理作业。如图5和图6所示，视觉相机与机械臂前端固联，1轨的大板到达贴片前停板位后，触发机械臂相机进行标识（Mark）点照取，完成大板定位。2轨的子卡到达停板位后，也触发机械臂相机进行Mark点照取，完成子卡定位和偏移角度修正。只有在视觉定位正常、拾取动作正常的情况下，才能执行子卡贴装作业，实现了过程防呆，有效保障过程质量。图5 系统作业流程针对子卡表贴工序，大胆创新，多举并进，完成了线体布局升级、自动贴装硬件系统设计、软件系统设计，实现了5G城堡板子卡机贴技术成功落地应用。2 硬件系统设计硬件系统组成如图7所示，机械臂、视觉相机、第44卷第1期63图6 自动化作业示意图7 系统通信线路图8 通用Mo d b u s 帧上位机处于同一局域网内。上位机与机械臂的通讯基于Modbus/TCP协议，机械臂根据上位机软件发送的指令码执行对应的代码块，可以是空间移动或是完成拾取，也可以是间接操纵相机完成拍照、识别，相机与机械臂的通讯是基于EtherNet/IP协议。上位机安装有相机控制Insight软件，上位机与相机的通讯基于TCP协议，相机完成拍照后会将图片存储至上位机本地，自研上位机软件可以直接调用本地的Insight图片，可视化调试相机，判断是否正常运行。可以通过远程接入服务器的方式，访问和控制上位机，高效管理。2.1 机械臂2.1.1 机械臂选型双轨轨道间距2.1 m，机械臂需要能够覆盖半径1 m以上区域内的作业。每张子卡的停板状态不尽相同，在将其贴装至主板的过程中，需要对其角度、位置进行修正，对机械臂的自由度和重复精度同样提出很高的要求。通过对比关键参数（见表1），兼顾成本以及以往的使用体验，最终采用品牌4机械臂完成贴装作业。元相对封闭，故利用其内部寄存器状态值区分控制不同的作业类型。将机械臂各段控制程序的触发指令封装到软件中，上位机软件依据I/O信号获得贴装系统的各动作节点信息，调用机械臂寄存器参数，根据特征动作节点状态修改寄存器参数数值，以执行对应的作业程序。2.1.3 Mo d b u s 通信协议Modbus协议目前存在用于串口、以太网以及其他支持互联网协议的网络的版本。对于通过TCP/IP（例如以太网）的连接，存在多个Modbus/TCP变种，这种方式不需要校验和计算。Modbus协议采用问答式的通信方式，具有简单、通用性强、使用方便的特点，容易开发和实现2。基于Modbus通信协议，不同厂家的设备都能够连接在一个通信网络中，从而通过上位机设备实现集中监控3。如图8所示，Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元（PDU）。特定总线或网络上的MODBUS协议映射能够在应用数据单元（ADU）上引入一些附加域。品牌轴数(自由度)/个额定负载/k g最大工作半径/mm重复定位精度/mm品牌162 01 1 0 00.0 5品牌265 02 1 8 0.50.1 0品牌3427 0 00.0 1 5品牌461 61 1 0 30.0 2表1 主流型号机械臂关键性能对比Modbus协议建立了客户机启动的请求格式。用一个字节编码 MODBUS 数据单元的功能码域。有效的码字范围是十进制 1-255（128-255 为异常响应保留）。当从客户机向服务器设备发送报文时，功能码域通知服务器执行哪种操作。从客户机向服务器设备发送的报文数据域包括附加信息，服务器使用这个信息执行功能码定义的操作。这个域还包括离散项目和寄存器地址、处理的项目数量以及域中的实际数据字节数。机械臂预留的数据接口基于Modbus通讯协议，上位机发送指令时，需要将指令值转换为基于Modbus/TCP协议的编码进行传输。2.2 标定相机机械臂的作业精度能够达到0.02 mm，但是整套机械臂贴装系统的精度会极大降低，这是源于多重误差累加的影响：大板与托盘工装配合误差、托盘工装与轨道配合误差、子卡与轨道配合误差、设备物理位置偏移误差等。机器视觉是一类多学科相交所产生的技术，主要实现对待组装目标元件图像采集、图像自动检测和分析4。因此，需要引入标定相机对各个环节潜在2.1.2 机械臂控制采用品牌4机械臂作为作业主体，其运动控制单李红兵，等：5 G 城堡板子卡机贴技术及其应用2023年1月电子工艺技术Electronics Process Technology64的误差进行测量，进而控制机械臂将其消除。图9展示了相机照取Mark点的作业场景。照取大板Ma r k 点 照取子卡Ma r k 点大板Ma r k 点识别影像 子卡Ma r k 点识别影像图9 相机照取Ma r k 点的作业场景图1 1 贴装子卡至大板图1 2 相机误差校正图1 0 大板及子卡的Ma r k 点影像2.2.1 标定作业介绍采用Cognex工业相机作为标定相机，需要标定相机参与的作业过程有两个：大板Mark点照取以及子卡Mark点照取。利用Insight管理软件能够调整相机光源类型、光照强度等参数，优化Mark点识别准度。Mark点即板面上的金属通孔，大板与子卡均有两个Mark点，它们是处于斜对角的关系，通过相机照取两个Mark点便可以识别大板或子卡坐标系的精确位置和角度。大板及子卡的Mark点影像如图10所示。如图11所示