От оборудования для SMD-монтажа – к высокоточной робототехнике: развитие платформы ТИТАН

10 лет назад автоматизированный поверхностный монтаж на российских предприятиях был представлен исключительно импортными станками, и нашей первой разработкой, прежде всего для нужд собственного производства, стал автоматический SMD-установщик САТУРН – координатная мехатронная платформа с техническим зрением, сменными вакуумными насадками и разными способами подачи компонентов (рис. 1). Он работает с компонентами от 0201 до корпусов 35×35 мм, включая QFN, QFP и BGA. Компоненты могут подаваться из лент, отрезков, JEDEC-поддонов, пеналов и россыпи. Две цифровые камеры используются для распознавания, поиска реперов и коррекции положения. Заявленная точность – ±35 мкм при 3σ, производительность – 2300 компонентов в час по IPC-9850.

Построенный спустя два года на том же шасси автоматический дозатор АТЛАС использует близкие алгоритмы машинного зрения и единое программное обеспечение. Он наносит паяльную пасту, клей и другие технологические материалы без трафарета; заявленные характеристики – ±50 мкм и не менее 3200 доз в час.

Следующим шагом в 2021 г. стало появление комбинированного станка САТУРН-АТЛАС, где дозирование и установка объединены на одном шасси (рис. 2). Машина может откалибровать положение платы, нанести материал, найти и сориентировать компонент техническим зрением и установить его в заданную точку.

Российская линия SMD-монтажа

Со временем мы расширили перечень разработанных и производимых устройств, выполняющих технологические операции от нанесения пасты и установки компонентов до оплавления собранной платы, объединив их в компактной линии поверхностного монтажа ИНИЦИАТИВА.

Линия ИНИЦИАТИВА предназначена для прототипирования, опытного и мелкосерийного производства. В ее составе серийно производятся установщик SMD-компонентов САТУРН, дозатор АТЛАС и комбинированный станок САТУРН-АТЛАС. В номенклатуру также входят принтеры ФЕБА и ФЕНРИР, система визуальной инспекции МАТИ, комбинированные печи МЕРКУРИЙ, счетчик компонентов в лентах СКАДИ, а также питатели, специализированная мебель и оснастка.

В эти дни подходит к успешному завершению разработка нового станка, и в наших планах уже в начале 2027 г. представить скоростной универсальный установщик ЮПИТЕР (рис. 3). Достигнутые показатели нового скоростного класса за счет усовершенствованной мехатроники и программной эргономики управления позволят полноценно применять ЮПИТЕР в среднесерийном поточном производстве, сохраняя при этом преимущества оперативной работы с малыми задачами.

Первые машины ТИТАН

Взаимодействие с задачами самых разных заказчиков дало нашей команде разработки большой практический опыт. С 2018 г. было поставлено более 200 станков от Минска до Камчатки. Именно поставка и поддержка серийных машин постепенно вывела нас за пределы классического SMD-монтажа. Заказчики стали обращаться с задачами, где объектом манипуляции была уже не печатная плата со стандартным набором компонентов, а отдельные миниатюрные детали, кварцевые пластины, элементы внутри корпусов и детали микросборок. Логика кажется знакомой: увидеть объект, определить координаты, взять, перенести и установить. Однако требования существенно жестче. Так возникло семейство ТИТАН.

Первым практическим опытом стала автоматизация операций с кварцевыми резонаторами. Были разработаны автономный сортировщик кварцевых пластин по частоте и автомат сборки кварцевых резонаторов. В них использован задел по координатной механике, техническому зрению, вакуумному захвату, дозированию и ПО, но с углублением в специфику задачи появился новый набор технологических требований. Новые сложности по сравнению с SMD-компонентами вызвала работа с прозрачными кварцевыми пластинами. Для камеры такая деталь ведет себя иначе, чем обычный корпус микросхемы: контраст зависит от фона и освещения, возникают отражения, границы объекта могут выглядеть по-разному. Следовательно, одного режима подсветки недостаточно. Потребовались управляемые, в том числе поляризационные режимы освещения и отдельные алгоритмы выделения реперных и геометрических признаков.

Другой класс проблем связан с оснасткой. Чем меньше и легче деталь, тем в большей мере влияют геометрия вакуумного захвата и режим прижима. Для части изделий применяются профильные и мягкие насадки, специализированные паллеты и вакуумные кроватки. Важно не только взять деталь, но установить и освободить ее без смещения (рис. 4).

По сравнению с нанесением паяльной пасты, дозирование клеев и компаундов, как оказалось, содержало в себе новые нюансы. На геометрию дозы влияют вязкость материала, состояние сопла, время открытия клапана и поверхностное натяжение. Для легкой кварцевой пластины слишком большая или неправильно сформированная капля может вызвать выталкивание пластины на поверхность и её смещение после установки. Поэтому дозирование приходится связывать с оптическим контролем, траекторией подвода и режимом прижима.

На существующих автономных машинах семейства ТИТАН подтверждены точность ±35 мкм при 3σ, производительность сортировки 1500 операций/ч и дозирования не менее 1600 доз/ч. Эти машины стали инженерным заделом для следующего шага – унифицированной высокоточной платформы.

От отдельной машины – к универсальной платформе

Так сформировалась концепция ТИТАН-ДЕКАРТ ( рис. 5). Это не еще один SMD-установщик и не замена САТУРНА и АТЛАСА, а универсальная декартова робототехническая платформа для высокоточных операций со сменными рабочими органами, оснасткой и программными маршрутами. Базовая кинематика X/Y/Z c управляемой осью поворота θ сама по себе не является новшеством. Инженерная инновация начинается там, где одна платформа должна работать с разными процессами и сохранять требуемую точность после смены инструмента, оснастки и физического перемещения изделия между несколькими станциями. Именно эта граница между уже отработанными механизмами и новой архитектурой зафиксирована в проекте ТИТАН-ДЕКАРТ. Одна из ключевых задач ТИТАН-ДЕКАРТ – межстанционная метрологическая привязка.

Изделие размещается на паллете с реперными элементами. После транспортирования на следующую станцию система технического зрения определяет фактическое положение реперов, вычисляет смещение и корректирует координаты следующей операции. Целевой показатель – точность не хуже ±35 мкм при 3σ после межоперационного транспортирования и повторного базирования без ручной коррекции оператором. Исследовательская цель – ±25 мкм при 3σ.

Вторая задача – сменный рабочий орган. Подход к автоматической смене инструмента не нов, существенно другое: после смены машина должна определить рабочий орган, проверить его соответствие технологической карте, выполнить метрологическую проверку и применить индивидуальную калибровочную поправку. При несоответствии инструмента запуск операции блокируется. Эти требования уже заложены в техническую архитектуру разрабатываемого комплекса. Рабочими органами могут быть вакуумные захваты, дозирующие модули, специализированные захваты для хрупких деталей, измерительные и контрольные головки. Одна платформа тем самым выполняет разные операции без отдельного станка под каждую.

Не менее важна программная архитектура: технологический маршрут изделия, диспетчеризация паллет между станциями, параметры оснастки и рабочих органов, журналирование операций, результаты контроля и электронный паспорт изделия или партии. В этом смысле ТИТАН-ДЕКАРТ развивается уже не как отдельный автомат, а как программно-конфигурируемый робототехнический комплекс.

Что дальше?

На общей платформе ТИТАН-ДЕКАРТ планируется отработать три направления: сортировку кварцевых пластин, сборку кварцевых резонаторов и сборку микроэлектронных компонентов и микросборок. При этом система не ограничивается кварцевой промышленностью. Есть большой пласт задач между ручной сборкой и дорогими узкоспециализированными автоматами: опытное и мелкосерийное производство, нестандартные корпуса и материалы, специальные операции дозирования, сортировка по результатам измерений, установка хрупких компонентов. Мы видим ТИТАН как универсальный высокоточный дозатор, сортировщик и манипулятор, адаптируемый под технологию выбором рабочего органа, оснастки, питателя и программы.

Семейство устройств ИНИЦИАТИВА при этом остается самостоятельным серийным направлением для SMD-монтажа, выходя на более высокий уровень задач с новым скоростным универсальным установщиком ЮПИТЕР. ТИТАН также использует накопленные компетенции, но переносит их в другой класс изделий и требований.

Следующий этап – создание и испытания унифицированной платформы, развитие паллетного транспорта и межстанционной метрологии, автоматической инструментальной системы, новых захватов и питателей, расширение оптического контроля и объединение станций в программно управляемые модульные линии. В текущем проекте именно эти подсистемы относятся к новой разработке, тогда как существующие автономные машины используются как подтвержденный инженерный задел. Мы не пытаемся создать один станок на все случаи жизни. Идея в другом: стандартизировать мехатронику, управление, техническое зрение, метрологию и программную архитектуру, а технологическую часть – рабочий орган, паллету, питатель и режим обработки – адаптировать под конкретное изделие заказчика.

Так, опыт серийного оборудования SMD-линии ИНИЦИАТИВА и первых специализированных машин ТИТАН постепенно превращается в универсальную робототехническую платформу для задач электронной промышленности, которые пока еще выполняются вручную или требуют дорогого специализированного оборудования.