圖1 SMT表面貼裝線
圖2 國內研發的貼片機
全自動貼片機透過執行定位、吸取、移動和放置等功能，實作電子元件貼裝。貼片機的關鍵技術包括運動控制技術，軟體最佳化技術，視覺檢測技術，機械設計制造技術等。圖2 展示了國內研發的某型號貼片機。
01、運動控制技術
運動控制技術是透過對運動執行器（如電機、伺服驅動器等）的精確控制，實作裝置在空間中的準確運動。貼片機運動控制技術直接影響到電子元件的高精度貼裝，涉及到控制貼片頭、供料系統和視覺系統等各個關鍵部件的運動，運動控制技術主要涵蓋硬體和軟體兩個方面。
運動控制技術中硬體組成包括伺服驅動系統、電機系統、傳感器和執行機構。貼片機的伺服驅動系統是實作高精度運動控制的基石。如圖3所示是常見的伺服驅動系統，現代伺服系統采用數位化控制，結合先進的反饋機制，如光電編碼器，以實作對電機速度和位置的即時監測。
伺服驅動系統透過控制電機的運動，實作對貼片頭的精準定位和移動。通常采用的伺服電機包括直流伺服電機和交流伺服電機，它們具有快速響應、高精度和可靠性的特點。高效能的伺服系統不僅提供了更高的動態響應，還能在不同負載條件下保持運動的平穩性和準確性。傳感器用於反饋貼片頭的即時位置資訊，以便控制系統能夠及時調整運動軌跡，保證精準的貼片操作。
隨著技術的不斷進步，貼片機采用的傳感器也在不斷升級。高分辨率的光電編碼器、慣性傳感器和視覺傳感器等被廣泛套用，以提供更準確、即時的位置和運動資訊。執行機構則負責將貼片頭精確地移動到目標位置，貼片機的執行機構也在不斷創新，通常采用獨特設計的是滑軌和直線導軌結構，確保平穩且高精度的運動。一些貼片機甚至引入了聲波驅動技術，透過聲波振動實作微小的位移，使得貼片過程更加精密。
除了硬體組成外，運動規劃和運動控制演算法同樣十分重要。運動規劃涉及到如何使貼片頭在空間中移動，以在盡可能短的時間內達到目標位置。運動控制演算法是軟體中最核心的部份，它負責根據傳感器反饋的即時數據，控制伺服系統實作精確的運動。
這些演算法通常包括PID控制等經典控制演算法，以及一些先進的自適應控制演算法，以適應不同工況下的運動控制需求。模糊邏輯控制、神經網路控制等先進演算法的套用，使得貼片機能夠更好地適應不同工況下的運動控制需求，並提高整個系統的魯棒性。
圖3 常見的伺服驅動系統
02、軟體最佳化技術
貼片機軟體最佳化技術指的是透過軟體演算法對貼裝路徑、飛達排布、吸嘴交換、軟體處理等貼裝環節進行最佳化使得整體貼裝效率提高的技術。
最佳化技術透過將這些任務分解為獨立的子任務，並采用多執行緒技術，可以在同一時間內處理多個任務，提高軟體的並列性，從而加快整體速度。選擇更為高效的數據結構，減小數據結構的復雜度，以及使用更快速的演算法，顯著提升軟體的執行速度。
透過使用自研深度學習網路與仿生學演算法結合，綜合考慮不同的元器件和PCB需要不同的處理參數，快速且精準的自動計算最優的貼片機取料順序與貼裝順序，根據當前工作的特定要求進行動態調整，實作了更智慧、更高效的元件排布，以提高貼裝的速度與精度。
其次，透過先驗數據動態規劃不同尺寸元件、不同封裝演算法與當前系統算力排程，合理自適應安排並行多執行緒計算，使得影像計算結果精準又穩定的快速完成計算。保證了計算精度的同時，最大程度提升生產速度，為客戶提供最優的生產方案。
引入即時傳感器和反饋機制，監測元件放置情況的同時檢測機器是否存在異常，工人操作是否存在異常，對於可能發生的生產事故進行及時的預警，保障安全生產的同時，避免元件的不良放置，使客戶的生產取得顯著的有利競爭。
03、視覺檢測技術
貼片機視覺檢測技術指透過視覺系統實作對電路板、電子元件進行檢測以提高貼裝精度和效果的技術，是貼片機研發中關鍵難題之一（圖4）。
圖4 視覺系統組成
該技術的核心組成包括高分辨率相機、光源控制和影像處理演算法。透過高分辨率相機進行影像采集，並在預處理階段套用去噪和灰度調整等技術，以確保系統獲得清晰、準確的輸入（圖5）。
其次，特征提取與模式匹配階段使用演算法辨識元件的關鍵特征，並將其與預定義的標準模式進行比對。
最後，判定與反饋機制形成閉環系統，根據模式匹配結果進行判定，觸發反饋以確保元件準確放置。利用模式匹配和特征提取等演算法，系統能夠精準地辨識元件的位置、形狀和其他關鍵特征。
圖5 不同元件成像
在元件辨識技術上，深度學習技術的套用將成為貼片機視覺檢測技術的重要推動力。深度學習技術在影像辨識和分類方面取得了顯著的進展，未來貼片機視覺檢測系統將更多地采用深度學習演算法，提高檢測的準確性和魯棒性，使系統能夠更好地適應不同的生產環境和復雜的檢測任務。
此外，3D視覺技術的整合將拓寬貼片機視覺檢測的套用領域。傳統的2D視覺技術在某些情況下存在局限性，因此未來的趨勢將包括更廣泛的3D視覺技術的整合，以提供更多的維度資訊，幫助檢測更復雜的元件和結構，提高檢測的全面性和可靠性。圖6展示了不同BGA元件的辨識效果。
圖6焊球元件辨識示意圖
04、機械設計制造技術
高速高精度貼片機包含多項關鍵技術，其中機械設計與制造技術對於提高生產效率、降低成本、提高貼裝整體品質具有重要意義。在貼片機的機械設計與制造過程中，需要考慮到多個方面，包括機械結構、運動系統、材料選擇、加工工藝等。
首先，貼片機的機械結構設計至關重要。機械結構決定了裝置的穩定性和可靠性。貼片機通常由底座、傳動系統、定位系統、貼片頭等組成。底座是貼片機的支撐結構，如圖7所示，負責承受整個裝置的重量和振動。底座通常采用高強度、低振動的材料，如鋁合金或鑄鐵，以確保裝置在執行時不會因振動而影響貼片精度。
此外，底座的表面處理也很關鍵，通常采用精密加工和磨削工藝，以保證其平整度和精度。傳動系統是貼片機中的關鍵部份，負責將電機的運動傳遞到貼片頭。在傳動系統的設計中，工程師需要考慮到高速運動和高精度定位之間的平衡。常見的傳動元件包括直線導軌、滾珠絲杠和伺服電機。
圖7 貼片機基座
其次，運動系統是貼片機設計中的核心之一，直接決定了裝置在工作過程中的速度、精度和穩定性。在貼片過程中，貼片頭需要在極短的時間內完成復雜的運動，因此運動系統的設計需要綜合考慮高速運動和高精度定位的要求。
直線導軌是貼片機運動系統的基礎元件之一，用於實作貼片頭在X、Y軸上的直線運動。直線導軌通常采用滾珠滾軸和導軌的組合，以減小摩擦力，確保平穩的運動。滾珠絲杠則用於轉換電機的旋轉運動為貼片頭的線性運動，具有高效、精確的特點。
伺服電機是貼片機運動系統中的關鍵動力元件。伺服電機具有高響應性和高精度的特點，能夠快速而準確地響應控制訊號，實作貼片頭的高速運動和精準定位。透過配合先進的運動控制系統，伺服電機能夠在瞬間完成復雜的加速、減速過程，從而提高整個貼片過程的效率。圖8為貼片機運動系統。
圖8 貼片機XY軸龍門運動系統
材料選擇也是貼片機機械設計中的重要環節。由於貼片機在工作過程中需要承受高頻率的運動和重復的負載，因此選擇耐磨、耐腐蝕、高強度的材料至關重要。常用的材料包括鋁合金、不銹鋼等，其選擇需要綜合考慮材料的力學效能、加工效能以及成本等因素。
在貼片機的制造過程中，加工工藝是不可忽視的一環。高精度的零部件加工需要采用先進的數控加工裝置，如數控銑床、數控車床等，以確保零部件的尺寸和形狀的精度。
此外，裝配過程也需要較高的精密度，以保證各個零部件之間的配合精度和穩定性。同時貼片機的精密裝配是保證裝置效能穩定的關鍵步驟。在裝配過程中，需要確保各個零部件之間的配合精度和穩定性，通常需要采用精密測量、清潔環境、精密偵錯等措施來提高裝配品質。#SMT3##貼片機#
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【附作者簡介】
孫昊：寧波亦唐智慧科技有限公司總經理，曾在澳洲阿德雷德大學存取交流。
劉偉華：甬江實驗室副研究員，主要從事工業視覺檢測相關研究。
於興虎：寧波亦唐智慧科技有限公司董事長，入選寧波市甬江育才領軍拔尖人才。
