The Relationship Between Throughput and the Number of Placement Heads
贴片机的头越多，并不总是能够增加更多的产量。
By Gary Burroughs and Gerry Padnos
初看起来，增加贴片机头的数量似乎是增加产量的最好方法。可是，贴片头只是许多对整个贴装速率起作用的因素之一。定位系统、定中心、送料器提前、吸嘴转换时间、贴放顺序的优化、送料器位置和 PCB 传送时间等，是决定实际产量的其它一些因素。还有，在作大多数产量决定的时候，要考虑到利润回报的问题。
吸放设备 (pick-and-place machine) 制造商提供不同的贴片头的设计，每个都有优点与缺点。常见的贴片头设计有转塔式 ( 射片机， chipshooter) 、旋转式 (revolver) 和简单的线性组合式头 / 吸嘴。
贴片头的设计
转塔式贴片头设备是在一个旋转的转塔上安装许多贴片头。塔在水平面内旋转，在塔的一边吸取组件，另一边贴放组件，在其间定中心。塔的设计对高速射片机是最常见的。可是，这种设备随着贴片头数量的增加 ( 因而增加塔的尺寸 ) ，要求很大的地面空间；并且可能作业期间的转换困难。
旋转式贴片头设备与转塔式设备类似，有几个头附着在旋转的圆形基础上。不同的是转塔上的头平行于 PCB ，而旋转设备上的头是垂直的，象毂上的轮辐。旋转式头在垂直平面内旋转，在底部的每个头吸取组件，旋转期间定中心，然后贴放。旋转式头通常比转塔式头更紧凑，但是， " 收集 - 贴放 " 两步的原则意味着它不能以连续的高速度运行。另外，它使用复杂的软件运算法则，这可能使故障检定困难。
在简单的组合头系统中，几个贴片头一起安装在一个 X-Y 定位拱架上，贴片头上下移动来吸取和贴放组件。这些设计的使用在单一的梁上从一个头到 16 个头都有。它没有头支座的旋转运动。通常，贴片头可以单独地或共同地吸取组件 ( 成组吸取， gang picks) 。成组吸取以减少总的吸取时间是转塔式和旋转式贴片机都不能做到的。使用现有的设计，几乎没有可能同时贴出一个以上的组件 ( 成组贴放， gang place) 。因为它要求贴片头间距在 PCB 上完美的贴放位置分布。
本文焦点集中在组合式线性设计上，中等至大批量系统中最流行的类型。表一和表二显示了头的数量是怎样影响贴片速度的模拟结果。使用一到四个头的结果是每增加一个头有超过 10% 的改进。第五个头改进减少到 8% 并继续迅速下降。
表一、简单组合头的每个组件贴装速度
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贴片头数量 |
每头时间 ( 秒 ) |
速度改进 (%) |
|
1 |
0.524 |
- |
|
2 |
0.333 |
36.4 |
|
3 |
0.270 |
19.0 |
|
4 |
0.239 |
11.7 |
|
5 |
0.220 |
8.0 |
|
6 |
0.207 |
5.8 |
|
7 |
0.198 |
4.4 |
|
8 |
0.191 |
3.4 |
表二、吸取和贴放组件的总的周期时间
|
贴片头数量 |
周期时间 ( 毫秒 ) |
每个组件的时间 |
|
1 |
520 |
520 |
|
2 |
660 |
330 |
|
3 |
800 |
267 |
|
4 |
940 |
235 |
|
5 |
1080 |
216 |
|
6 |
1220 |
203 |
|
7 |
1360 |
194 |
|
8 |
1500 |
188 |
循环时间
在组成吸取 - 贴放循环时间的主要四个步骤中，可以找到对这个降低的解释：
- 吸取时间。增加更多的头不会增加吸取时间 ( 假设贴片头可以同时吸取组件 ) 。注意旋转式与转台式头单独地吸取所有组件，这个时间本文假定为 100 毫秒。
- X-Y 从吸取到贴片位置的运行时间。同样，这不依靠头的数量。这个时间假定为 140 毫秒。
- 贴放时间，包括 X-Y 从第一个到最后一个贴片的运行时间。这个时间随着头的数量而增加，因为机器不能同时贴放组件。 PCB 不是按机器头的构造设计的。假设每个组件花 140 毫秒。如果机器贴装一个组件的贴装时间是 140 毫秒，那么八个组件将花 1120 毫秒。
- X-Y 从最后一个贴片位到吸取位置的运行时间。与头的数量无关。再假定 140 毫秒为标准。因此，吸取 - 贴放的周期时间随着头的数量增加而减少。
多少头才足够？
头的数量通过同时吸取多个组件减少吸取时间和 X-Y 运行时间，如果可能，但是增加贴放时间。在有两个头的机器情况下，吸取和 X-Y 运行时间合计 (380 毫秒 ) 是总的周期时间的 57.6% 。可是，在八个头的情况下，这个时间减少到只有 25.3% ，当使用数量多的头时，大大地减少了返回时间。
另一个问题是随着头数量的增加，同时吸取组件的机会通常会降低。从一个简单的统计可以看到，需要更多的组件同时在合适的位置可能性减少。因此，有理由认为多头设备上更少的同时吸取机会，减少了总的吸取时间的优势。
对一个简单的成组贴片头设备，增加吸取 - 贴片时间的最有效方法是减少贴片时间。传统上，通过减少贴放时间，使 Z 轴 ( 上下 ) 运动最小，增加 X-Y 运行速度，或增加 Z 轴速度，来完成。新的设计已增加了双梁方法，单台机器有两个 X 梁，每个有一个分开的成组贴片头系统。一个头吸取时另一个头在贴放。可是，具有 16 个头的双梁设备 ( 每个梁八个头 ) 是效率不高的，因为很难实现优化。
几乎 75% 的周期时间 (1120 毫秒 ) 是在贴片。在一个双梁系统上，一个梁贴片时，另一个在吸取。因为吸取时间短很多，吸取梁 ( 或头 ) 必须等待贴放的梁。估计大约有 740 毫秒是浪费的时间。
最佳的结构是一个双头系统，有四个成组头在每个支座上，总计八个吸嘴 (2 头 x 4 吸嘴 ) 。两个头安装在单个 X 梁上，但在 X 方向用各自的马达和线性编码器独立移动。象一个八头的机器，它可同时吸取八个组件，但不象双梁机器，它可以同时贴放两个组件。由于头的排列和位置系统，该机几乎在实际生产时达到一个四头 / 单梁机器贴片速率的两倍。具有两套八个组合头的双梁机器实际产量只有 50% 的增加。
结论
由于吸取时间与贴放时间比较相对较短，增加更多头的好处在第四个头之后迅速减少，通常实得其返地影响平均 SMT PCB 的产量。在 X-Y 拱架系统上增加产量的最好方法是减少最长的组件贴放时间。使用每个头上有四个吸嘴的双头系统，机器可以同时吸取八个组件和贴放两个组件。这将有近乎两倍的实际产量，相当于一个具有四个吸嘴的单头设备。一台类似的双梁机器只有理论贴片
