后焊PCM自動生產線的設計與開發*

梁振鋒，王海濤，吳豐禮，陳天航，龐 偉，陳湘尹，甄玉珠，饒 峰

（1.廣東拓斯達科技股份有限公司，廣東東莞 523800；2.武漢久同智能科技有限公司，武漢 430074；3.東莞市東莞理工科技創新研究院，廣東東莞 523808；4.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808）

0 引言

隨著電子設備快速迭代，相應的技術也在不斷進步。PCM 板作為集PCB 印刷電路板與FPC 柔性印刷電路優勢于一體的先進技術產物，對于將電子設備系統的溫度控制穩定在理想狀態具有重要意義[1]。由于PCM 板廣泛應用于電子設備，其生產技術已成為研究熱點，其生產效率和質量直接關系到電子設備的性能和可靠性。然而，PCM 板的大規模生產仍受制于多方面的技術。首先，現行的制造過程過度依賴于手工或半自動化工藝，這不僅嚴重限制生產效率，還增加了人為錯誤的風險。此外，半自動化的生產方式往往難以滿足大規模生產的標準和需求，導致生產節奏緩慢，成本不斷攀升[2]；其次，傳統的焊接工藝在處理高性能PCM 板時，可能會對材料造成不必要的熱應力，進而影響板材的性能和穩定性，尤其是在極端溫度環境下的應用場景中，這一問題尤為突出；再者，現有技術在適應不同PCB 和FPC 的尺寸、形狀和材料方面存在局限，這不僅妨礙生產的個性化和靈活性，也意味著每個新項目都需要對生產線進行繁瑣的調整，造成時間和資源浪費。針對上述問題，學者們已經進行了一系列的研究。劉海印等[3]采用田口試驗設計方法對PCB板的焊接工藝進行了優化。廖新明[4]提出一種專用于微型步進馬達定子組與FPC焊錫設備的專用夾具機構，通過自動夾具組裝提高生產效率。這些研究成果為PCM板的生產技術提供了參考，但仍有進一步提升的空間。

本文為解決PCM 板實際生產過程中存在的PCB 板與FPC 板焊接和后處理自動化程度低等問題，設計一款后焊PCM 自動生產線設備。該設備涵蓋從PCB 和FPC 的分板、自動焊錫、點膠、燒錄，到最終的功能測試等一系列生產流程。通過高度自動化的流程，可顯著提高生產效率，減少人為錯誤，降低成本，同時能改善PCM 板的性能和穩定性，提高焊接質量，適應多樣化的需求。本文不僅關注生產效率的提升，還致力于通過自動化技術改善產品質量，以及滿足市場對高性能電子設備不斷增長的需求，旨在為電子設備智能制造領域提供一種高效、可靠、成本低且效益高的解決方案，推動行業的技術進步，減少能源消耗，并為企業帶來顯著的經濟效益。

1 總體方案設計與技術目標

本文設計的后焊PCM 自動生產線設備如圖1 所示。在產線前端，工作站配備了PCB 分板機和FPC 分板機，這2個關鍵設備將確保原材料有效地進行銑板分板，為后續的焊接和再加工步驟提供高質量的元件。設備整體尺寸為17 080 mm×2 155 mm×1 900 mm，考慮空間的最大化利用，確保設備能夠輕松適應各種生產環境，前段線可實現高達1 400 個/h 的PCM 板生產能力，為制造商提供更大的生產彈性，以滿足市場需求的波動。此外，考慮了生產過程中可能出現的材料更換和維護需求，最小化生產中斷時間，保持生產的連續性。設備夾具具有高防靜電性能，其電阻為105～109Ω，并且摩擦電壓低于100 V，有效避免了靜電干擾和對元件的潛在損害。設備中使用的傳送帶壽命長達6 個月，且更換過程僅需0.5 h。

圖1 后焊PCM自動生產線設備

本文設計后焊PCM 自動生產線設備的工藝流程如圖2 所示，以確保能夠高效完成每個步驟。在整板PCB 和整板FPC 完成分板操作后，在后焊流程開始之前，會進行一次人工檢查，確保分板質量；通過自動焊接工藝將PCB 和FPC 緊密組合；為使焊接材料在合適的溫度下固化，在此階段會使用冷卻夾具進行降溫并再次進行人工焊點檢查；隨后，采用自動點膠和紫外線固化[5]方法固定電路板和其他電子元件，并進行人工點膠檢查以確保焊接和點膠的質量；為實時跟蹤每個PCM 板制造過程的狀態，將自動掃描每個產品的信息，并將相關信息和標記燒錄于PCM 板，在完成全面功能測試確保其性能達標后，對產品進行脫扣下料與包裝操作。

圖2 設備工藝流程

2 關鍵部件設計

基于工作流程和技術要求，針對后焊PCM 自動生產線的關鍵部件進行設計，側重于合理性、緊湊性和實用性，以提升設備的穩定程度、工作效率以及流程化作業的連貫性[6]。

2.1 分板機部件設計

分板機是后焊PCM 自動生產線的關鍵組成部分，圖3 所示為PCB 分板機的結構圖和工作流程。首先，人工上料PCB 板，每次上料涉及一個料架，每個料架容納約1 800 個PCB 板，整個上料過程持續約2.5 h。此過程通過安全光柵或雙手按鈕來確保人員的安全，并在需要時提前報警以提示人工更換料架。PCB 整板被自動送至上料皮帶線[7]，該皮帶線采用防靜電材料，同時配備勾板卡料報警機制。皮帶線到位后停止，其上方設有彈夾倉儲，可緩存一個料倉。隨后，上料機器人和CCD 視覺系統開始協同作業。CCD 系統拍照并進行定位校準，同時檢測來料的正反面、載具板上是否有殘料以及物料是否放置正確。機器手將載具板置于銑板機待料位，同時吸取PCB 并將其放置于載具板上[8]。待加工完成后搬運產品至回流線，并將廢邊放入專用框中。在搬運載具板和吸取產品的過程中，實時真空檢測保證物料不會中途掉落。分板載具作為PCB 銑削和搬運的載體，在防止產品移位中起到關鍵作用，確保了產品銑削的穩定性。

圖3 PCB分板機的結構設計

銑板機置于機架兩側，便于調試和維護；分板載具由移栽平臺銷釘定位，銑板壓板下壓完成產品固定，并采用視覺拍照Mark 點來提高銑板精度，可模擬銑板路線，協助編輯程式，確保銑板路徑準確性。引入自動換刀模組[9]確保換刀不需要停機，而工業集塵器則用于吸取銑板廢料。載具移載過程采用多段速電機，具有緩啟動和停止功能，以減少產品在載板上的潛在移位。為避免過度移位導致的載具掉落和卡板現象，系統引入了機械硬限位和真空感應，同時皮帶線載具到位停止，其定位機構用于防止整板跌料和追尾現象，皮帶還增加了防靜電離子風機。下一步機器人拾取產品并使用CCD 拍照Mark 點以進行視覺定位。產品放置過程中，機械手會對空盤拍照檢查以確保載板上沒有殘料，并在放完產品后，CCD 系統對產品位置進行檢測以防止產品偏位。為防止對產品的過度壓力產生壓傷，機器人的取放板過程配備了彈簧緩沖機制[10]。最后，分板機械手使用CCD 系統進行產品的外形尺寸檢測，檢測項目包括鎳片和劃線的有無以及產品定位。隨后，PCB 單板自動分揀，機械手分別拾取已檢測的6 個產品，將其移至下相機定位處進行定位。最終，不合格產品被放入NG-box，而合格的產品則被置于后焊載具板的工位槽中。

圖4 所示為FPC 分板機的結構圖和工作流程。操作員將裝有FPC 的Tray 盤放入上料倉儲。倉儲分為物料盤區和空盤區，機械手取完物料和空盤后，倉儲自動將下一盤頂起。在填料期間，機械手會自動暫停。CCD 系統通過拍攝產品上Mark 點以取得FPC 板的定位基準和校準角度并檢測來料的正反面[11]，以及拍攝載具板的Mark 點獲得載具定位。機器人依據視覺定位基準自動調整位置和角度，將FPC 板裝入分板載具中。吸取產品或廢料時配備真空感應器，以防止吸板失敗或吸取過程中的掉落風險。機器人的取放板過程具有彈性限位，以避免對產品的過度壓力，同時在機器人取載具時也配備了真空感應限位。在產品裝入前，確認載具上是否有殘料，裝入后，增加檢測作業確保整板放置到位。載具以銷鍵定位，確保沖切的準確性。沖切模具壓板下壓住產品后進行FPC 沖切，模具上設有廢料收集槽，以定期收集廢料。龍門機械手吸取分板載具至FPC 回流線，并將廢板邊送至專用傳送帶。完成上述操作后進行一次CCD 檢測[12]，檢測產品的外形尺寸是否存在毛刺或破損以及連接器的狀態。下相機負責檢測連接器的位置和數量。機械手分別拾取6 個產品，將其移至下相機處進行拍照和定位補償。橫臂上的相機用于檢測小板連接器的情況。為防止產品掉落，夾爪配備了真空檢測。機械手將合格的產品放入后焊載具板中，將不良的產品放入NG-box 中，完成FPC分板作業。

圖4 FPC分板機的結構設計

分板機整體結構與工藝流程如圖5 所示。最終，將PCB分板機和FPC分板機集成，構建完整的自動生產線。銑板機和分板機為可分離的獨立單元，采用機器人進行分板載具的搬運。為了便于日常維護和修理，銑板機和模切機靠近機臺邊部。這些設計策略有助于提高生產線的效率和實用性，采用模塊化的設計理念[13]，允許單獨更換或升級各個組件，從而最大程度地減少因維護工作而停機的時間。

圖5 分板機整體結構與工藝流程

2.2 焊接后端工藝裝置設計

在自動線焊錫設備中，產品自動進入線體，焊接區的阻擋載具起到重要作用，通過頂升氣缸將載具頂離主線體，從而實現產品在焊接區的精確定位，隨后啟動焊接流程。焊接完成后，產品順利流入后線體，為下一個工位的處理做好準備。焊錫模組單元是焊接工藝中的關鍵組成部分，如圖6 所示，其運動軸覆蓋了載具板上產品工作區域的全范圍，確保全面焊接。焊錫單元內置CCD 系統，用于捕捉載具上的Mark點并進行對位，以保證準確的焊接位置。在焊錫焊接載具的定位策略中，載具在流入焊接區域時被阻擋，并通過頂升壓緊的方式實現可靠的定位[14]。另一方面，壓焊防黏蓋板壓住產品減少了可能發生的移位情況。焊接完成后，彈簧機構會自動釋放，防止焊錫松香黏住產品，從而確保產品的完整性和高質量。

圖6 焊錫運動軸結構

上游工位的載具進入夾具移載工位，系統通過感應機制檢測載具的到位狀態，一旦確認到位，系統會自動進入暫停模式并啟動風冷機制，將產品和載具處于適宜的工作溫度狀態。夾具移載模組負責沿橫向方向搬運載具板，將其從上游工位移動到人工檢測對接口，并順利流至下游工位。這一橫向搬運[15]設計的初衷是為了有效連接不同工位，進而實現生產流程的連續性和高效性。為確保載具在工位之間準確對接，系統采用了升降阻擋機制，能夠確保載具在到位時得到穩固的支撐，避免不必要的移位或偏移。升降阻擋結構如圖7 所示。此外，設備還配備了自動風冷系統，確保焊接后的載具和產品迅速冷卻。

圖7 升降阻擋結構

當載具到達指定位時，系統自動進入暫停狀態，等待人工介入。人工檢查焊點設備如圖8所示。操作員將載具取出并將其放置在專用檢測臺，通過人工移動滑臺，以便對每個產品進行目測檢查。同時，通過搭載CCD組件的設備，可實時觀察產品，并將觀察結果反映在顯示器上，以協助操作員進行檢查和處理，完成后將載具放回主線體。

圖8 人工檢查焊點設備

當載具進入下一工位時，自動設備進行定位。CCD系統捕捉Mark 點，隨后閥體進行點膠操作[16]，在此過程中，膠水以精確的量和位置施加于產品。根據生產線的實際需求，載具板可繼續流出或者在2號位暫緩。如圖9所示，自動點膠設備還包括擦膠機構，其功能在于確保點膠過程的質量。該機構依次旋轉無塵布圈，同時感應模組實時檢測無塵布的耗損情況，一旦檢測到無塵布短缺，系統會發出警報。為了確保點膠的準確性和穩定性，載具板側定位組件負責當載具板到位并頂起后，通過側插和定位銷的方式，確保載具板的穩定定位。

圖9 自動點膠設備

自動UV 固化操作涉及輸送載具板進入設備，并在UV 爐內進行緩慢移動，確保其充分受到UV 燈的均勻照射，實現光敏材料的快速固化。這一工藝的設計著重于確保光固化的均勻性和產品可靠性。結合現代光學技術[17]，對UV 光的傳遞和照射進行精確控制，以滿足高質量制造的要求。

在自動掃碼設備中[18]，通過下CCD 機構先進行掃碼操作，獲取產品的標識信息。隨后，載具板被提升至上CCD 機構，進行第二輪掃碼，確保獲取信息的完整性。雙重掃碼完成后，提升機構自動復位，同時載具板回到皮帶線上，為流向下一工位做好準備。

載具板進行阻擋定位后，燒錄操作啟動。載具板被頂升，為測試機構做好準備。在測試過程中，產品數據經過核對，然后脫扣并繼續流向下一個工位。燒錄測試的動作流程包括以下步驟：當載具到位時，定位機構抬起以將載具板從皮帶上脫離；如圖10所示的上下測試機構[19]進行燒錄和測試，驗證產品的性能和數據的完整性；一旦測試完成，定位機構下沉，使載具板復位到皮帶上，并將產品流出到下一個工位。

圖10 上測試上下活動機構

自動下料設備內部結構如圖11 所示。自動下料設備需完成的操作是當后焊夾具進入設備并被定位機構頂升時，載具板得到準確定位，同時CCD 系統捕捉產品相關信息[20]。隨后，機器人預設程序啟動，其夾爪移至取料位，取出產品放置在指定的tray 盤。過程循環進行，直至tray盤依次疊滿產品后送出。

圖11 自動下料設備內部結構

3 關鍵技術驗證

關鍵技術驗證的核心目的在于評估CCD 攝像系統在讀取單板二維碼方面的性能[21]。驗證方法基于以下技術規格：CCD 攝像頭安裝在SCARA 機器人上，用于檢測單板上的二維碼并執行圖像識別和檢測任務。驗證的定位標準包括單板上的二維碼圖標區域，視野范圍為150 mm×150 mm，工作距離為150～280 mm，定位誤差在±0.1 mm范圍內，視覺CT（圖像處理時間）介于300～500 ms之間。

為確保驗證的嚴謹性，本文進行了4 組實驗，每組實驗進行了10 次，實驗結果如表1 所示，掃描樣例如圖12 所示。在視野范圍內，CCD 攝像系統能夠100%檢測和識別二維碼。這一驗證結果表明，CCD 系統在讀取二維碼方面表現出高度準確和可靠的性能，為整個生產線的產品追溯性和質量控制提供了堅實的基礎。

表1 CCD掃碼準確率數據個

4 結束語

本文提出一種后焊PCM 自動化生產線設備，系統闡述了該設備的基本構造、關鍵技術以及工作流程。通過對分板機的設計和后焊工藝的精細化管理，確立了一套高效率、高精度的生產流程。特別地，本研究對CCD 攝像系統在二維碼識別應用中的高準確性和可靠性進行了驗證，對于整個生產線的質量控制至關重要，確保了產品的一致性和可追溯性。綜上，本文將高度自動化和先進制造技術集成于PCM 板制造過程中，旨在提高PCM 板的制造效率和質量，不僅滿足了當前市場對高性能電子設備的生產需求，而且為整個生產線的質量管理和追溯性提供了強有力的技術支持。通過本研究的實際落地，PCM 板制造過程的自動化程度得到了實質性的提升，為行業內其他相關技術的發展和應用奠定了基礎。未來，隨著技術的不斷發展，期待更多類似的自動生產線設備能夠涌現，為PCM 制造領域帶來更多的經濟和社會效益，進一步推動PCM制造領域的技術創新和產業升級。