如何從編程的角度最大限度地實(shí)現(xiàn)銑刀式分板機(jī)設(shè)計(jì)

摘 要

作者總結(jié)十多年來(lái)在汽車(chē)電子工廠從事銑刀式分板機(jī)（這里說(shuō)的是帶毛刷式的）編程與工藝實(shí)踐的心得體會(huì)，針對(duì)目前工廠中要求低周期時(shí)間（Cycle Time）、高分割精度、低應(yīng)力、低粉塵、低振動(dòng)、低成本等情況，結(jié)合設(shè)備、夾具、銑刀、電路板拼板設(shè)計(jì)、電路板基材、成本投入等現(xiàn)狀，初步探析如何從編程的角度最大限度地滿足工廠及客戶(hù)要求。

一、前言

隨著最近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)汽車(chē)電子行業(yè)的不斷興起，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，拼產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格成為大勢(shì)所趨。為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，很多時(shí)候不得不購(gòu)買(mǎi)高性能的設(shè)備，而高性能的設(shè)備往往意味著高昂的價(jià)格甚至高昂的維護(hù)。高昂的設(shè)備價(jià)格又造成產(chǎn)品的價(jià)格的提升，而產(chǎn)品價(jià)格的提升又造成產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力的下降。

對(duì)于分板工藝，以半自動(dòng)設(shè)備為例，基本配置的高性能設(shè)備本身就有近80萬(wàn)人民幣，如果配置稍高些就達(dá)130萬(wàn)人民幣。再加上除塵設(shè)備也要20萬(wàn)人民幣至40萬(wàn)人民幣不等，總體價(jià)格就不菲了。考慮到周期時(shí)間可能需要配置額外的設(shè)備，那線體總價(jià)就更令人瞠目了。

毫無(wú)疑問(wèn)，分板工藝需要經(jīng)濟(jì)效益最大化。也就意味著也用最小的投資創(chuàng)造最大的價(jià)值。在現(xiàn)有設(shè)備已定的情況下，如何提高產(chǎn)出（包括數(shù)量及質(zhì)量）、減少成本成了企業(yè)要面臨的問(wèn)題。

根據(jù)筆者十多年來(lái)從事分板工藝的經(jīng)驗(yàn)，很多時(shí)候編程的作用被低估了。一個(gè)好的程序，可以達(dá)到一個(gè)理想的周期時(shí)間,也能達(dá)到一個(gè)理想的分割邊緣輪廓及應(yīng)力。甚至能對(duì)粉塵及振動(dòng)有特別要求的產(chǎn)品有一個(gè)很好改善,同時(shí)可以提高銑刀的壽命。而編程本身可以由工廠技術(shù)人員完成，是不需要額外投資的。也就是說(shuō)通過(guò)好的程序可以減少對(duì)設(shè)備的依賴(lài)（不同品牌、型號(hào)及配置），可以減少夾具（不同的設(shè)計(jì)）的限制，可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，可以增加銑刀的壽命，從而最終實(shí)現(xiàn)低投入高產(chǎn)出、產(chǎn)品的成本降低，在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力提升。

二、分板工藝編程現(xiàn)狀概述

目前有些企業(yè)人員流動(dòng)頻繁，資深的工程師鳳毛麟角，很難會(huì)有技術(shù)的沉淀。對(duì)于分板機(jī)的編程能夠獨(dú)立完成已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了，更別談做得盡善盡美了。遺憾的是客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，而企業(yè)為了減少成本會(huì)購(gòu)買(mǎi)低價(jià)的原材料，為了提高產(chǎn)出，需要設(shè)備提高運(yùn)行速度，工藝的管控難度大大提升。而為了減少人力成本，會(huì)接收一些學(xué)歷、技能不高的操作工甚至采用外包工，這對(duì)設(shè)備維護(hù)和使用無(wú)疑增加了不少不確定因素。加上一些工廠管理不善，造成設(shè)備的使用與維護(hù)處于一種很危險(xiǎn)狀態(tài)。于是各種質(zhì)量問(wèn)題、設(shè)備停機(jī)等紛至沓來(lái)。

好的分板程序，需要考慮由于設(shè)備可能會(huì)的失效造成的潛在風(fēng)險(xiǎn)（停機(jī)、質(zhì)量、成本等）,需要考慮設(shè)備的長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性?？上У氖?，能明白這些并且做好的并不多見(jiàn)。

三、分板編程經(jīng)驗(yàn)匯總

首先，為了保證分板的精度，原則上分板路徑坐標(biāo)及基準(zhǔn)點(diǎn)（fiducial mark）坐標(biāo)取來(lái)自產(chǎn)品圖紙，或由軟件自動(dòng)生成或由編程者手動(dòng)輸入。

盡量避免通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)教導(dǎo)（teach）來(lái)生成，因?yàn)楫a(chǎn)品本身有誤差（一般誤差±0.125mm），產(chǎn)品放在治具中在會(huì)有水平度和角度等誤差，對(duì)于復(fù)雜圖形（如多圓弧相連圖形）的連接點(diǎn)起始點(diǎn)的確認(rèn)也會(huì)存在誤差，這些都會(huì)造成分板路徑及基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)不準(zhǔn)確，對(duì)于有精度要求的分板工藝控制是相背離的。

由于本文闡述的是毛刷式分板編程，一般為了避免元件被毛刷或切割頭損壞，一般工作頭面向電路板輔面（也就是包含最簡(jiǎn)單、數(shù)量最少元件面）。

3.1 半自動(dòng)分板機(jī)（也叫離線分板機(jī)）

半自動(dòng)分板機(jī)指板子分割由設(shè)備XYZ軸驅(qū)動(dòng)主軸按程序及PLC指令自動(dòng)完成但板子的取放由操作工手動(dòng)完成，所以設(shè)備不能和軌道流水線對(duì)接，又稱(chēng)“離線分板機(jī)”。英文叫“Offline Depaneling”或“Stand Alone Depaneling”也稱(chēng)“Semi-Automatic Depaneling”(半自動(dòng)分板機(jī))。具體操作步驟是操作工把待分割的拼板放入夾具并固定好，然后把通過(guò)按鈕或手動(dòng)把夾具/工作臺(tái)送入機(jī)器，然后機(jī)器自動(dòng)完成板子分割后自動(dòng)退出，操作工把分割好的放入下一站W(wǎng)PC或作為在制品放入Tray盤(pán)。

以下以毛刷式分板機(jī)（上集塵）為例，此設(shè)備的特點(diǎn)是主軸在電路板上面，銑刀四周由毛刷密封。

3.1.1編程之除塵取向

（俯視圖1）（剖面圖）

（俯視圖2）（剖面圖）

備注：假設(shè)以上每個(gè)子板的四個(gè)角都有預(yù)分割（這里指來(lái)自PCB原材料的預(yù)分割）或下刀孔；

注意：只有預(yù)分割區(qū)域或下刀孔等非板材區(qū)域才可以下刀，否則會(huì)有板子分層風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)分割時(shí)粉塵在銑刀行進(jìn)方向的右側(cè)，靠近拼板邊緣部分要逆時(shí)針?lè)较蚍指睢?/p>

銑刀行進(jìn)方向的右側(cè)朝向不容易積累粉塵的元件或?qū)Ψ蹓m不敏感的元件，如片式元件（chip component）等。不可朝向容易積累粉塵的元件（一般為大元件如鋁電解電容、連接器等）或?qū)Ψ蹓m敏感的元件（如IC、連接器等）。

3.1.2 編程之周期時(shí)間取向

由于分板機(jī)關(guān)注于銑切工藝，X、Y軸一般采用高速的線性馬達(dá)可達(dá)1500 mm/sec， Z軸一般只用于在空板的地方下刀或打孔測(cè)試而不用于臺(tái)階式銑刀，故Z軸精度和速度都不需要太高，速度一般20–50 mm/sec，因此要減少Z軸下刀以便節(jié)省分割時(shí)間，通常銑切路徑走近似“8”字形路線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2.1 不考慮MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，主要用于產(chǎn)品追溯，多用于汽車(chē)電子產(chǎn)品)中打叉板或報(bào)廢板不分割，以下面板子為例：

以上分割順序分9步，其中黑色字體部分1~6為一次下刀，紅色字體7~9為第二次下刀。

3.1.2.2 考慮MES中打叉板或報(bào)廢板不分割：

以上分割順序分10步，其中黑色字體部分1~2、3~4、5~6、7~8分別4次下刀，剩余9、10為第5、6次下刀。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1) 前4刀在聯(lián)MES時(shí)，當(dāng)有打叉板時(shí)可以跳過(guò)。如當(dāng)?shù)赑CB1為打叉板時(shí)5~6可以跳過(guò)不分割。但是如果第5步和第4步連接在一起為一刀或6和7連接在一起為一刀，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)區(qū)分哪一刀屬于哪塊板子，也就無(wú)法跳過(guò)PCB1而不分割。

2) 5~6屬于PCB1專(zhuān)屬部分，可以用于區(qū)分它與另外3塊板子的區(qū)別，當(dāng)它打叉時(shí)跳過(guò)不分割，也可以獨(dú)立把PCB1留在邊框上。

3.1.3 編程之分割質(zhì)量取向

此分割質(zhì)量包括分割輪廓精度與粉塵，由于粉塵問(wèn)題比較特殊，而且在不同類(lèi)型設(shè)備（半自動(dòng)和全自動(dòng)）中表現(xiàn)不一樣所以獨(dú)立闡述，此處質(zhì)量問(wèn)題重點(diǎn)討論分割輪廓。

3.1.3.1不考慮MES中打叉板或報(bào)廢板不分割，以下以抽屜式分板機(jī)為例，板子方向?yàn)榉职宸胖梅较颉?/p>

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1)對(duì)于拼板中每個(gè)子板單個(gè)分割會(huì)達(dá)到好的板邊質(zhì)量；

2)每個(gè)子板的最后一刀落在板子結(jié)構(gòu)相對(duì)結(jié)實(shí)的地方，防止收刀時(shí)板子被拉動(dòng)而影響分割質(zhì)量；

3)一般來(lái)講，拼板要從左往右，從下往上。同時(shí)每個(gè)子板以逆時(shí)針?lè)指?，?dāng)然，這只是一個(gè)大致的規(guī)律，具體還得視情況來(lái)調(diào)整。如步驟1的下方如果有積累粉塵的元件或?qū)Ψ蹓m敏感的元件可以調(diào)整分割方向。

4)盡量避免銑刀從子板上方通過(guò)，防止銑刀或毛刷損傷到元件。有時(shí)銑刀會(huì)掉刀或程序設(shè)定抬刀高度不夠等，當(dāng)銑刀從子板上方通過(guò)時(shí)會(huì)造成元件損傷。還有些元件會(huì)有帶蓋子的（如電感）或易變形的（如某些彈簧類(lèi)元件），當(dāng)毛刷從元件上方經(jīng)過(guò)會(huì)損傷到它。

3.1.3.2考慮MES中打叉板或報(bào)廢板不分割。以下以抽屜時(shí)分板機(jī)為例，板子方向?yàn)榉职宸胖梅较颉?/p>

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）在聯(lián)MES時(shí)，銑刀所走路徑仍然依照3.1.3.1的規(guī)律，不同的是要考慮相鄰板子公共邊（如第1和11步，第4和6步，第5和15步，第12和14步）。

2）特殊情況，有時(shí)在最后一刀（如本例中第16步）收刀時(shí)板子會(huì)被帶起來(lái)，這一般是因?yàn)槊寻遄游饋?lái)造成的，包括聯(lián)或不聯(lián)MES的任何情況。分析進(jìn)一步的原因，首先在設(shè)備選型最好選擇毛刷和銑刀分離控制式的設(shè)備（即毛刷獨(dú)立控制型的，如Grohmann的PRM100等）其次程序的制作也有很多技巧。固然有些設(shè)備有關(guān)閉吸塵器之功能 ，但是收效甚微而且還會(huì)造成周期時(shí)間（CycleTime）變長(zhǎng)、粉塵在收刀時(shí)有堆積等問(wèn)題，這是由于設(shè)備殘留的真空無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)消除造成的。在實(shí)際運(yùn)用中，最好的方法是把最后一刀先抬刀并保持毛刷下壓待毛刷脫離板子時(shí)再抬起。如果設(shè)備有毛刷獨(dú)立控制功能，可以在子板分割完成后先抬刀至毛刷脫離分割后的子板再抬毛刷效果更佳。

3）綜上所述，聯(lián)MES與不聯(lián)MES的區(qū)別主要在于相鄰板子的公共部分要分割兩次，這樣當(dāng)有打叉板子需要跳過(guò)時(shí)另外一塊板子也能得到分割。同時(shí)每個(gè)子板要有獨(dú)立部分，不可與其它子板共用，是為了保證有打叉板跳過(guò)時(shí)仍能獨(dú)立把當(dāng)前子板留在板邊上而不被分割?？紤]到業(yè)界不聯(lián)MES的多，以下內(nèi)容就不再考慮聯(lián)MES的例子了。

3.2 全自動(dòng)分板機(jī)（也叫在線分板機(jī)）

在自動(dòng)分板機(jī)指板子分割由設(shè)備XYZ軸驅(qū)動(dòng)主軸按程序及PLC指令自動(dòng)完成，每個(gè)子板的固定和放置由機(jī)械手完成或者機(jī)械手驅(qū)動(dòng)夾具(此運(yùn)用很少，下文就不再考慮了)完成，拼板分割及分割后的子板的運(yùn)輸均是在軌道流水線上完成，又稱(chēng)“在線分板機(jī)”。英文叫“Inline Depaneling”或“Fully Automatic Depaneling”(全自動(dòng)分板機(jī))。

具體操作步驟是物料員把料架（magazine）中待分割的板子放入上板機(jī)（loader）,上板機(jī)把待分割的板子傳送到分板機(jī)中，分板機(jī)分板后把子板放入工件托架(WPC)中傳送到下一個(gè)工序。或者放到托盤(pán)（Tray）中作為在制品（WIP:Work In Progress）。

以下以毛刷式分板機(jī)（下集塵）為例，此設(shè)備的特點(diǎn)是主軸在電路板上面，銑刀四周由毛刷密封。

3.2.1編程之除塵取向（Dust Removal Orientation）

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1)根據(jù)分割時(shí)粉塵在銑刀行進(jìn)方向的左側(cè)，靠近拼板邊緣部分要順時(shí)針?lè)较蚍指睢?/p>

2)銑刀行進(jìn)方向的左側(cè)朝向不容易積累粉塵的元件或?qū)Ψ蹓m不敏感的元件，如chip component片式元件等。不可朝向容易積累粉塵的元件（如鋁電解電容、連接器等）或?qū)Ψ蹓m敏感的元件（如IC、連接器等）。

3.2.2 編程之周期時(shí)間取向

由于自動(dòng)分板機(jī)要使用夾爪，而有時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)品沒(méi)有預(yù)分割，或者預(yù)分割不充分無(wú)法先用夾爪夾住待分割的產(chǎn)品，往往需要對(duì)設(shè)備先進(jìn)行分割然后再下夾爪。另外考慮到每個(gè)子板分板（multi-gripper工作原理類(lèi)似，此處也不討論了）后夾爪把產(chǎn)品放到下一工序(WPC或tray 盤(pán)等)并返回待分割產(chǎn)品也需要時(shí)間，在此期間為了提高設(shè)備利用率也會(huì)先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行部分預(yù)分割，待夾爪返回后夾住產(chǎn)品繼續(xù)完成剩余工作。

以下就以產(chǎn)品沒(méi)有預(yù)分割（或預(yù)分割不充分無(wú)法先下夾爪）和預(yù)分割充分為例來(lái)討論實(shí)際工作中如何處理問(wèn)題的,考慮全自動(dòng)分板分割順序相對(duì)復(fù)雜，以下就以8拼板來(lái)舉例。

3.2.2.1 產(chǎn)品沒(méi)有預(yù)分割或預(yù)分割不充分：

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）其實(shí)有時(shí)也無(wú)法完全把周期時(shí)間取向與質(zhì)量取向分開(kāi)，因?yàn)闊o(wú)法完全不考慮分割質(zhì)量；

2）由于這個(gè)產(chǎn)品的特殊性，如果從拼板邊緣分割如PCB7分割，剩余的PCB5、PCB3、PCB1由于重力作用會(huì)下沉，在下夾爪前板子就向下傾斜造成潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。要從拼板中間逐步向兩邊分割，這樣就能盡量減少分割后剩余板子下沉而造成的質(zhì)量隱患。

3）由于全自動(dòng)分板機(jī)只能要一塊板一塊板地分割（multi-gripper穩(wěn)定性相對(duì)差，維護(hù)困難，使用的少，本文就不闡述了），因此為了減少周期時(shí)間，整體要一個(gè)方向（順時(shí)針或逆時(shí)針）分割。

4）拼板要從長(zhǎng)度方向先分割，然后再?gòu)膶挾确较蛲瓿伞?/p>

5）為了下夾爪，需要在夾爪設(shè)計(jì)方向（一般夾爪為鏡向的一對(duì)，一邊2個(gè)夾指，共4個(gè)夾指），所以下夾爪前需要把夾爪的位置留出來(lái)，或在分板機(jī)上完成或在PCB來(lái)料時(shí)完成。

3.2.2.2 產(chǎn)品有充分預(yù)分割

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）此分割順序與3.2.2.1 產(chǎn)品沒(méi)有預(yù)分割或預(yù)分割不充分大致相同，所不同的是下夾爪的步驟，整體分割順序更細(xì)化了。

2）由于每個(gè)子板有兩個(gè)分割點(diǎn)，為了減少周期時(shí)間可以在夾爪拾放期間多分割一部分。此拼板分割點(diǎn)多，以上順序只是一個(gè)例子，由于不同產(chǎn)品放置位置、夾爪機(jī)器手運(yùn)行速度、分割速度不一樣、產(chǎn)品的差異等，可能實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中會(huì)有差異。一個(gè)原則是讓設(shè)備利用率最大化，盡量讓銑刀不要停下來(lái)，利用夾爪拾取過(guò)程來(lái)多分割一部分。

3.2.3 編程之分割質(zhì)量取向

3.2.3.1 產(chǎn)品沒(méi)有預(yù)分割或預(yù)分割不充分

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）此分割順序與3.2.2.1 產(chǎn)品沒(méi)有預(yù)分割或預(yù)分割不充分大致相同,因?yàn)樗部紤]了一定的質(zhì)量問(wèn)題。

2）其實(shí)以上分割順序并非完美，有時(shí)做一個(gè)完善的程序不太容易甚至不太可能即使只為質(zhì)量取向的，這時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況做個(gè)取舍。比如PCB3中是主要考慮粉塵問(wèn)題，當(dāng)銑刀從第3步到第4步過(guò)程中，如果有特殊元件（如鋁電容類(lèi)高元件或彈簧等易損元件），可能會(huì)被毛刷或銑刀損傷到。此時(shí)可以通過(guò)加大抬刀距離、抬毛刷等方法來(lái)解決，或者如果產(chǎn)品粉塵不嚴(yán)重（如高元件并不高或不容易沾染粉塵或者后面有清潔工藝可除塵等），可以考慮調(diào)整第3、4步的分割方向。其它分割步驟也有類(lèi)似情況，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3.2 產(chǎn)品有充分預(yù)分割

此問(wèn)題相對(duì)復(fù)雜也很有代表性，本文用兩個(gè)工作中非常典型的例子來(lái)闡述，以便讀者理解。

例1：

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）此分割順序與3.2.2.2 產(chǎn)品有充分預(yù)分割相同,因?yàn)樗部紤]了一定的質(zhì)量問(wèn)題。

2）對(duì)于全自動(dòng)分板設(shè)備，不像半自動(dòng)設(shè)備板子有夾具固定相對(duì)很牢固，全自動(dòng)設(shè)備用夾爪固定板子相對(duì)穩(wěn)定性差一些。因此要注意在夾爪設(shè)計(jì)及夾爪位置調(diào)整好的基礎(chǔ)上，下夾爪前板子要盡量平整。要做到這一點(diǎn)，產(chǎn)品要相對(duì)邊預(yù)留有分割點(diǎn)，如果是對(duì)角有預(yù)留分割點(diǎn)就更好了， 這樣板子在下夾爪前的支撐會(huì)更好些不容易變形。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

每個(gè)產(chǎn)品的最后一刀很重要，最好是向著最近的夾指位置分割，或者說(shuō)最后一刀收刀點(diǎn)要在板子固定很好的地方，以下圖中拼板中最后一刀為例來(lái)說(shuō)明。

例2：

下面板子由一臺(tái)預(yù)分板機(jī)（Premilling）和一臺(tái)終分板機(jī)(FinalMilling)完成，板子長(zhǎng)400mm,寬度為200mm。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1）預(yù)分板機(jī)和終分板機(jī)都是由PCB6?PCB3?PCB5?PCB2?PCB4?PCB1的順序來(lái)完成 ；

2）“0.x”屬于子板間公共邊，要先分割開(kāi)來(lái)，這樣可以使整個(gè)拼板應(yīng)力釋放,以免夾爪夾住產(chǎn)品分割時(shí)由于應(yīng)力累積而造成板子位置移動(dòng)或不平而影響分割質(zhì)量。

3）由于板邊框中間連接“筋”很細(xì)（最細(xì)處小于2mm）又很長(zhǎng)(400mm)，那邊以PCB1為例，先分割左下角與弱“筋”連接點(diǎn)?再分割右上角與邊框連接的強(qiáng)點(diǎn)?。同時(shí)，切割方向要走順時(shí)針?lè)较颍@樣由于切割向力板子如果有移動(dòng)只會(huì)“多肉”（切的少留的多）不會(huì)“少肉”（切的多留的少）或露銅。

四、結(jié)束語(yǔ)

以上是針對(duì)分板工藝的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，由于不同設(shè)備編程方法也不盡相同，所以具體編程步驟本文就不涉及了。簡(jiǎn)單來(lái)講，DXF格式的panel drawing是一種常用的編程數(shù)據(jù)來(lái)源，或把它導(dǎo)入軟件生成分割坐標(biāo)點(diǎn)，或通過(guò)CAD來(lái)測(cè)量相關(guān)分割路徑坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

為了以后維護(hù)的方便，建議使用直接坐標(biāo)，最好不要使用銑刀補(bǔ)償?shù)拈g接坐標(biāo)，否則可能會(huì)影響周期時(shí)間，閱讀起來(lái)也不直觀?；鶞?zhǔn)點(diǎn)（fiducial mark）最好先在拼板邊框?qū)?，以更好的補(bǔ)償板子分割位置。

審核編輯：劉清