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以线性运动模组精密控制 提升产线良率与稼动率
[作者 台達機電事業群]   2024年03月22日 星期五 浏览人次: [1024]

精密组装产线追求更稳、更小、更快、更准的组装设备,微型线性运动模组搭配低压伺服驱动的高精高速运动控制,是产品质量提升的关键。


资讯科技日新月异,工业级及消费性电子产品不仅性能快速提升,体积也越趋精巧轻薄。在产线上,组装设备要在有限空间内取放、安装既细小又脆弱的元组件,还要顾及产品良率与产线稼动率,对於精密电子组装业者来说,是一大考验。


在自动化精密组装制程中,高速、高精确度的运动控制不可或缺,电子组装业、半导体业和设备制造商等,无不积极追求更稳、更小、更快及更准的组装设备。本文叙述精密电子行业中,如何藉由优化组装设备中的Z轴高速运动来提升产品良率,并且聚焦解说与微型线性运动产品,如何突破产业痛点。


Z轴运动是电子产品组装良率关键

Z轴运动指垂直产品上下方向的运动,在精密组装产线制程中,细小元件与晶片的取放、移载、压合、贴装、固晶、??件及检测等,皆是Z轴运动的例子,在电子组装产线与半导体封装制程中,扮演着核心环节。


在精密制程中,元件的材质与体积大多轻薄、小巧且脆弱,Z轴运动过程中的力量控制若稍有闪失,皆有可能导致元件受损,进而影响成品的良率与产量。以常见的手机与车用镜头模组为例,在制造时需要取放、堆叠及安装多片玻璃或塑胶材质的镜片,压力容许误差在20g以内,运动控制要求极高。在半导体产业中,裸晶的移载与固定的工艺中,压力容许误差只有正负2g,制造技术条件更严苛。


Z轴运动在传统机台上,常用气压缸或是使用旋转马达搭配螺杆的方式进行驱动。气压缸驱动无法有效掌握力量控制的精度,也无法搜集与监控数据。旋转马达搭配螺杆,虽然具有出力较大、成本较低的优势,但也有机构复杂、易因摩擦产生零件与能量耗损、且体积较大的特性,且因属间接驱动,控制响应速度较慢。两者在追求高精度、高速运动控制的精密制程场景中,应用上皆有不低的技术门槛。


除了准确的力量控制,在电子产品越来越小巧的制造趋势下,驱动Z轴运动的机构设计与制造,必须往轻薄、紧凑的方向进行。除此之外,为追求产线的稼动率最隹化,多轴同动的驱动与控制也不可或缺,才能有效提升产量。


总而言之,为了提升Z轴运动的精密制程效率,组装设备必须解决力量控制、力量感测、位置回授、机构直驱及尺寸轻薄等多重难题,并尽可能缩短生产周期时间,才能突破制程良率的痛点。



图一 : 在精密组装产线制程中,元件的材质与体积大多小巧脆弱,Z轴运动过程中的力量控制是影响成品良率与产量的重要因素。
图一 : 在精密组装产线制程中,元件的材质与体积大多小巧脆弱,Z轴运动过程中的力量控制是影响成品良率与产量的重要因素。

线性运动模组如何一举突破良率与稼动率难题

台达关注电子组装与半导体产业精密制程,因应高精高速运动控制的需求,推出多种线性运动产品。其中,微型线马致动器LPL是一款一机整合线性马达、光学尺、力量感测器、小旋转伺服马达、编码器、滑轨和框架於一体的模组型产品,可同时用於线性与旋转运动,适用於组装设备的Z轴或含旋转的ZR轴运动。


LPL的连续推力为5至37N,特点是响应快、力量控制可达0.1N,细微且稳定。结合使用自制的光学尺与读头,位置回授解析度高达0.5 μm,符合高精度需求。零背隙的直驱设计降低摩擦耗损,有效提升设备寿命,并降低维护成本。再结合伺服驱动器,可有效满足多数电子精密组装、半导体封装等应用场景中的推力、行程需求。


除了线性运动外,LPL内部也搭载厚度仅有13mm的旋转伺服马达,并搭配20bit 编码器回授,在旋转解析度可达到0.01度,可满足高精密组装时,最细微的微动量。


精密组装业者最常见的制程痛点之一,是如何在最小空间体积内确保最多自由度轴数,也因此在许多应用中,机构轻薄是提升稼动率的关键因素。LPL在精密制程上的优势,在於体积非常轻薄,在有限空间中只要能多装一组马达模组,就可有效缩短制程时间,并提升稼动率。


以tray盘上的工件移载为例,假设tray盘格子间距为10mm,若使用厚度20mm的ZR轴产品,就必须要移载两次才能填完两排。若使用台达最薄的9mm LPL,20mm的空间内可多装一组,操作上一次就可以完成两排的工件移载,稼动率即可提升一倍。


为了完全发挥LPL的体积优势,应用上皆采多轴设计,因此缩小伺服驱动器的体积也格外重要。台达的伺服驱动器ASDA-D3,采用双驱动系统,两个独立的驱动单元实现双轴同动,确保高速度、高加速度的同时,可保持系统的运动平滑性,对於需要在极短时间内实现快速运动的Z轴高速取放至关重要。


ASDA-D3使用二轴合一的设计,一台即可控制两个轴向,整体体积相较於台达同级100w单轴伺服驱动器,可节省配置空间高达70%,在同步使用多台LPL时,可大幅提高机台空间利用率。



图二 : 透过整合配置微型线马致动器与二轴合一的伺服驱动器,可实现多轴同动并有效提升产线稼动率。
图二 : 透过整合配置微型线马致动器与二轴合一的伺服驱动器,可实现多轴同动并有效提升产线稼动率。

如前文所述,Z轴运动精准细微的力量控制,是提升精密制程产品良率的关键所在。LPL可透过伺服驱动器内建之二次平台功能,实现软着陆(soft landing)功能。在ASDA-D3内建整合控制器功能,则能够大幅缩短响应时间,同时节省配置空间。


透过LPL的光学尺和力量感测回授,ASDA-D3可进行细微力量控制,增加元件与晶片取放应用的效率与良率,也能帮助客户应付不同应用的控制模式切换,减少对第三方感测器的整合与调适。


进一步说明软着陆,在行程上可拆解为4个阶段动作。如图三所示,设想位在A点的吸嘴,要取位在C点的元件时,首先会采「位置模式」,高速下降到预设位置B。抵达B点後,采「速度模式」低速下降,缓速接触位於C点的元件,此阶段即所谓「软着陆」。於C点接触元件後,采「扭力模式」进行力量控制,加压、保压做定扭力输出,透过力量感测回授确认取物,最後回到「位置模式」,完成取物。藉由速度与施力的细微调控,LPL可以在不伤及脆弱元件的条件下,顺利进行取放与安装。



图三 : 软着陆原理说明,透过实现细微的力量控制,强化产品良率。
图三 : 软着陆原理说明,透过实现细微的力量控制,强化产品良率。

微型线马致动器LPL结合伺服驱动器ASDA-D3的Z轴运动控制解决方案,已成功验证并放量导入於取放贴标、3C组装、高密度贴片、AOI检测及转塔分选等需要进行大量Z轴高速取放应用场景。


LPL的并排安装搭配ASDA-D3的双轴驱动,多轴同动配置有效提升生产线稼动率,并以高精高速运动控制与软着陆功能,显着改善了产品的装配精度与良率,得以满足客户在精密电子组装与半导体产线上的产能需求。


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