XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Проведем обзор и сравнительный анализ установщиков SMD компонентов. В качестве прототипа взята модель NeoDen3V. Произведен выбор элементов установщика.

На сегодняшний день практически каждый из нас пользуется такими устройствами, как: мобильный телефон, телевизор и компьютер. Основой таких и других электрических устройств является плата, которая создана по спроектированной электрической схеме c элементами и токопроводящими дорожками.

Для того чтобы электронные устройства, в которых находиться данные платы, были максимально доступны, т.е. имели низкую стоимость и выпускались в необходимом объёме, была придумана технология поверхностного монтаже (SMT).

Данная технология примечательна тем, что сами компоненты отличаются от «обычных»: вместо привычных выводы компонентов имеют площадки. Площадки могут быть в виде: «ножек», которые имеют определенные параметры (т.е. не обрезаются), в отличие от «обычных», a также в виде контактной площадки на самом элементе.

В условиях единичного и мелкосерийного производства данное устройство позволяет не только ускорить процесс создания платы, но также значительно облегчить процесс ее создания, a в некоторых случаях (когда элементы слишком малы) без такого устройства не обойтись.

Обзор существующих установщиков SMD компонентов и их анализ. Выбор прототипа

Существуют отечественные производители таких установщиков (таблица 1), они выпускают, как пример: автоматический установщик B800 «НАУТИЛУС». Он имеет достаточно особенность, такое как универсальные посадочные места для питателей, в том числе большое их количество (до 100 питателей). Что позволяет создавать довольно сложные по наличию компонентов платы. Цена 794 605 руб. [1].

SMD-TAXI - недорогой установщик SMD-компонентов для мелкосерийного производства. Станок собран из доступных комплектующих, которые можно недорого купить и заменить самостоятельно, сводя время простоя к минимуму. Для максимально точного позиционирования компонентов, настройки, калибровки станка поиска компонентов в россыпи, предварительного просмотра расстановки. Станок рассчитан на мелкосерийное производство, поэтому может работать не только со стандартно упакованными компонентами, но и с отрезками лент и даже с россыпью компонентов. Точность станка позволяет устанавливать компоненты размером до 0402 (0.5мм на 1мм). Цена 560 000 руб.[2].

Но больше выбора предоставляют зарубежные (таблица 2) производители (в основном это КНР). Они предлагают установщик SMD компонентов NEODEN 3/3V, CHMT530P4, NeoDen 4, SMT 660, TM802A и др. Каждый из них имеет свои конструктивные особенности, но возможности установщиков не сильно различаются, a вот цены довольно хорошо варьируются от 150 до 500 тыс. руб.[3].

Таблица 1. Обзор установщиков российского производства

Модель и произв-ность	Питатели	Макс. размер ПП	Точность позиц-ния	Опер. система	Габариты	Вес	Цена
B800 «НАУТИЛУС» 1500 ком/час	40 слева, 40 справа, 20 сзади. Итого: 100. Ленточного типа	460 х 360	±30 мкм	Отдельный компьютер со специализированным ПО	1140 х 915 х 1400	250 кг	794 605 руб.
SMD-TAXI 1000 ком/час	Ленточные питатели (спереди): 8мм - 40шт, (сзади): 8мм - 20шт, 16/12/8мм - 14шт (комбинированные). 2 ленточных питателя для 24мм лент. Возможно изготовление питателей других размеров. Вибропитатель -1 шт (до 8 пеналов SO-8). Место для поддонов и отрезков лент - 3шт. Места для россыпи – 6шт.	300 x 300мм; 300 x 600мм без мест для поддона	±40 мкм	Программа работает под управлением ОС Linux, и полностью на русском языке.	-	-	560 000 руб.

Таблица 2. Обзор установщиков зарубежного производства

Модель и произв-ность	Точность позиц-ния	Питатели	Макс. размер ПП, мм	Операционная система	Габариты	Вес, кг	Цена, $
МТ-60 6200 ком/час	0,025 мм	56 штук, из них 50 для 8 мм компонентов, 4 для 12 мм компонентов и 2 для 16 мм компонентов	300×400	Windows XP	1566×884 ×367	110	7335
M802A 5500 ком/час	±0.025 мм		330*340			60 брутто	4590
CHMT48VA 7000 ком/час	± 0,025 мм		355 * 355	Linux/ Protel 99SE, Altium Designer	960*705* 335	73 кг брутто	6513
NeoDen3V (стандартная) 5000 ком/час	± 0,02 мм	Ленточный питатель: 24 (все по 8 мм) Обычно, если на заданы другие параметры, стандартный набор питателей включает: 18x8 мм, 4x12 мм, 1x16 мм.	320*420	WindowsXP-NOVA	1001(Д)*961(Ш)*568(В) мм	55 кг	341 211 руб

В качестве прототипа можно выбрать NeoDen3V. Он достаточно прост в конструкционном плане (перемещение по 3-м координатам). По точности позиционирования не сильно уступает остальным, размеры возможной печатной платы довольно большие.

Рис. 1. Пример прототипа установщика (NeoDen3V)

Кинематическая и структурная схема установщика

Кинематическая схема установщика будет иметь вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Кинематическая схема установщика

Структурная схема у всех моделей похожа и приведена на рис. 3.

Ее элементами является:

Четыре шаговых двигателя c драйверами, которые обеспечивают перемещение по 3-м координатам X, Y и Z, a также вращение вокруг оси ОZ;

Концевые выключатели, ограничивающие перемещение;

Видеокамера, для повышения точности позиционирования;

Блок питания;

Питатели (место хранения компонентов);

Управляющая программа, для задавания координат компонентов;

Исполнительный механизм, для захвата компонента и представляет собой шаговый двигатель c его драйвером и вращающимся соединение, коннектором и сопло (далее обозначено ка насос);

ЖК-дисплей, для отображения процессов установщика и ручного управления;

Микроконтроллер, для управления шаговыми двигателями и т.д.

Рис. 3. Структурная схема установщика

Так как в данной статье рассматриваются установщики для мелкосерийного и единичного производства, слишком жёсткие требования к элементам не предъявляются. Главное чтобы обеспечивали необходимую точность позиционирования, имели небольшую стоимость, простоту в эксплуатации и были легко заменяемы (в случае необходимости).

Подбор элементов установщика

Двигатели

Nema 17 – биполярный шаговый двигатель, который чаще всего используется в 3D принтерах и ЧПУ станках. Серия 170хHSхххА мотора является универсальной.

Основные  характеристики двигателя:

Угловой шаг 1,8°, то есть на 1 оборот приходится 200 шагов;

Двигатель — двухфазный;

Рабочие температуры от -20С до 85С;

Номинальный ток 1,7А;

Момент удержания 2,8 кГсм;

Оснащен фланцем 42 мм для легкого и качественного монтажа;

Высокий крутящий момент – 5,5 кг х см.

Рис. 4. Двигатели

Почему шаговые двигатели?

Они позволяют непосредственно преобразовать управляющий сигнал в виде последовательности электрических импульсов пропорционально числу импульсов и фиксированный угол поворота вала без использования датчика обратной связи. Это позволяет упростить конструкцию установщика, ведь наличие датчиков усложнит её и понизит его надежность.

Концевые выключатели

Механический концевой датчик ЕndStор для 3D пpинтеpа и других устройств с кабелем. Имеет 3 вывода +, - и сигнал. Простые, a значит весьма надежны.

Рис. 5. Концевые выключатели

Управляющая плата

В качестве управляющей платы была выбрана плата arduino Mega 2560. Подключение к ПК происходит c помощь USB. Для подключения драйверов двигателей, концевых выключателей, ЖК-дисплея, вентилятора (если необходимо) и питания 12V используется плата RAMPS 1.4.

Микроконтроллер ATmega2560:

• Напряжение питания 5В

• Входное напряжение (рекомендуемое) 7-12В

• Входное напряжение (предельное) 6-20В

• Цифровой ввод-вывод 54 линии (14 из них = ШИМ)

• Аналоговый ввод 16 линий

• Постоянный ток на линиях ввода-вывода 40мА

• Постоянный ток на линии 3.3В 50мА

• Flash-память 256КВ, 4 КВ из них использованы для загрузчика

• SRAM-память 8КВ

• EEPROM-память 4КВ

• Тактовая частота 16МГц

Рис. 6. Плата Arduino mega 2560

Рис. 7. Плата Ramps 1.4

ЖК-дисплей

Используется ЖК-дисплей 12864 для индикации работы установщика, a также для управления двигателями без работы программы управления. В дисплеи имеется разъём для SD карты, что позволяется управлять установщиков без использования ПК в автоматическом режиме.

Рис. 8. ЖК-дисплей

Драйвера

Плата создана на базе микросхемы A4988 компании Allegro - драйвера биполярного шагового двигателя. Особенностями A4988 являются регулируемый ток, защита от перегрузки и перегрева, драйвер также имеет пять вариантов микрошага (вплоть до 1/16-шага). Он работает от напряжения 8 - 35 В и может обеспечить ток до 1 А на фазу без радиатора и дополнительного охлаждения (дополнительное охлаждение необходимо при подаче тока в 2 A на каждую обмотку).

Рис. 9. Драйвера А4988 для шаговых двигателей

Источник питания

Для питания установщика используется импульсный источник питания 400Вт 12В 33А. Подобран источник питания: по напряжению необходимого для питания платы и по большому току, необходимый для двигателей.

Рис. 10. Источник питания

Исполнительный механизм

Исполнительный механизм [4] представляется собой: вращающиеся соединение, шаговый двигатель, коннектор и сопло. Задачей данной механизма является захват компонента, удержание его во время перемещения и последующую его установку на рассчитанное программой место.

Для установки различные по размеру компонентов используются разные сопла, которые в процессе работы установщика должны меняться.

Контроль исполнительного механизма осуществляется через контроль шагового двигателя, который в свою очередь управляется через драйвер микроконтроллером.

В зависимости от сложности конструкции и управления установщика, количество исполнительных механизмов может быть не равное 1.

 

Сопло

Коннектор

Шаговый двигатель

Вращающееся соединение

Рис. 11. Исполнительный механизм

Рис. 12. Исполнительный механизм (c драйвером)

Заключение

В результате выполненной работы, определена структура, выбраны и приобретены основные элементы установщика SMD компонентов на печатные платы. Следующим этапом работы будет произведена сборка установщика, определены и выбраны питатели, разработаны алгоритм и программа управления.

На заключительном этапе работы будет произведена отладка всех систем установщика.

Список литературы

Автоматический установщик B800 «НАУТИЛУС» [электронный ресурс]: http://dialsmt.ru/equipment/ustanovka_komponentov/avtomaticheskiy_ustanovshchik_b800_nautilus_/

SMD-TAXI [электронный ресурс]: https://www.smd-taxi.ru/

Зарубежные установщики [электронный ресурс]: https://eurasia-group.ru/catalog/oborudovanie/oborudovanie-dlya-raboty-s-pechatnymi-platami/oborudovanie-dlya-ustanovki-smd/?utm_source=GoogleAdWords&utm_medium=cpc&utm_term=ustanovschiki_smd&utm_campaign=GA_Ustanovka_SMD&gclid=EAIaIQobChMI7sn435P83wIViumaCh05jgR6EAAYASAAEgJM6PD_BwE

Исполнительный механизм [электронный ресурс]: https://ru.aliexpress.com/item/JUKI-SMT-DIY/32882745789.html?spm=a2g0v.search0204.3.3.2c996c289WFVad&transAbTest=ae803_5&ws_ab_test=searchweb0_0%2Csearchweb201602_1_10065_10068_319_317_10696_453_10084_454_10083_10618_431_10307_10301_537_536_10059_10884_10889_10887_100031_321_322_10915_10103_10914_10911_10910-10889%2Csearchweb201603_1%2CppcSwitch_0_ppcChannel&algo_pvid=c1e421e9-a3c6-49d6-89dd-fd9ab2bc692d&algo_expid=c1e421e9-a3c6-49d6-89dd-fd9ab2bc692d-0

Код для цитирования: Скопировать