摘要：采用全闭环控制和吸头平台同步加热技术，有效的解决了FPCB全自动贴增强机贴装增强板的稳定控制难点，无论是在PI的贴合还是在不锈钢的贴合应用上都取得了比较好的效果，提升了挠性印制电路板贴增强板品质和效率。
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FPCB贴增强板技术概况
目前市面上FPC使用的增强材料有FR-4、PI和不锈钢等，通过冷压或热压的形式将增强材料压到FPC上，冷压采用3M等压敏胶手工贴合即可，操作方便但可靠性不高。热压时需采用热固性纯胶片等作为粘合剂，通过热压机加压将补强压合上去，此种粘接强度高，可靠性佳，因此更多的客户选用热压增强的方式。针对卷装增强材料的贴合，为了提高贴合效率，通过热压增强方式的FPC全自动贴增强机一般采用共用Y轴发热平台双线贴合的方式，一种方式是采用背靠背式直线伺服模组，通过前后线（即前线X轴和后线X轴）共用Y轴发热平台的方式实现前后线的独立贴合，一种是采用左右动子的直线电机模组，来实现左右线（即左线X轴和右线X轴）共用Y轴发热平台的方式实现左右线的混合贴合。提升挠性印制电路板贴增强板品质和效率有很多关键技术，这些技术体现在FPC全自动贴增强机上，主要包括机械结构的轻量化设计、机加件的加工精度和装配精度的把控、送料机构的平稳性、运动机构动态定位能力、旋转贴装头的稳定性、机器视觉的匹配性和软件算法的适应性。综合起来分析，FPC全自动贴增强机的机械结构是整体性能的硬件基础，电气控制和软件算法在全自动贴补强机的高精度高强度的贴合过程起着决定性作用，本文就全自动贴补强机的电气控制设计方面来实现高精度和高强度贴增强板，从而提升挠性印制电路板贴增强板品质和效率。
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提高增强板贴装精度的控制技术
全自动贴补强机贴增强的贴装精度控制主要集中在Y轴平台上FPC的定位控制和增强板的定位控制，由于FPC其材质薄且质量轻，极容易受外界的一些干扰使软板在载物平台上发生一定偏移即使使用精确的定位机构也难以保证其定位效果，所以对FPC的定位通过机械定位结构结合电气控制的方式，在贴装发热平台上有定位块，通过气缸来控制升降，发热平台的风道腔体通过高温鼓风机来抽成真空，高温鼓风机通过变频器来控制，增大变频器的运行频率，设定为50 Hz~75 Hz来增大真空吸附平台的吸附能力从而防止FPC软板在贴合过程中的滑动。
补强板的抓取、拍照、搬运和贴合过程中，各个运动轴的定位控制十分关键。在高精密数控设备中，传统全闭环控制方法是通过上位机（运动控制卡或者数控系统）发模拟量信号给到伺服驱动器，伺服驱动器采用速度控制模式，完成速度环的控制，上位机通过在运动轴的外部编码器如光栅尺信号的位置反馈来实现位置环的控制，通过伺服完成速度环而通过上位机如运动控制卡来实现位置环的控制，这样构成全闭环控制。
从运动控制的角度分析，全自动贴增强板的整个贴装过程都是在做点位运动，需要精准定位，无需轨迹轮廓的控制，伺服采用位置控制模式的方式，有利于提高定位精度，由于采用位置控制模式的时候，运动控制卡是发出的数字量脉冲指令，相对模拟量指令而言，电气控制系统干扰小，控制精度更高。采用运动控制卡作全闭环控制可以满足高速高精度贴增强板的轴定位要求。日本NOVA公司的8轴运动控制卡MC8082P各个轴通道的脉冲输出能力均为4MPPS，设定的脉冲当量为1 μm/1pulse，则轴定位控制精度为1 μm。采用NOVA MC8082P运动控制卡作全闭环控制来实现全自动贴增强机的系统框图如图1所示，在原来各个运动轴的半闭环控制系统中，增加编码器的反馈信号至运动控制卡MC8082P的各个轴口的外部编码器的接收通道，伺服电机采用位置控制模式，运动控制卡MC8082P的各个轴口全部采用数字量发脉冲的控制方式，构成全闭环控制。该系统的图像采集卡，光源控制器和相机组成了机器视觉系统，运动控制部件结合机器视觉系统完成补强机的取料，拍照，和贴合动作，核心运动部件是直线电机的左右动子驱动的贴装旋转轴，贴装旋转轴可以升降和旋转，左右贴装旋转轴由独立的伺服轴驱动升降和旋转动作。
图1 全自动贴增强机全闭环控制原理系统框
左右旋转轴的直线电机为YAMAHA的MF30D，装配好旋转轴后的MF30D左右动子的干涉仪数据如下：
从干涉仪的数据来看，直线电机左右动子的实际精度在22 μm以内,左右旋转轴的实际工作区间在500 mm以内，故采集500 mm的干涉仪数据作为X轴运动机构的补偿数据，该数据补偿可以通过MC8282P运动控制卡来进行处理，弥补实际物理结构的装配间隙，在该系统的控制中，设定的脉冲当量为一个脉冲，一个微米，所以23 μm的误差数据补偿后，实际的精度可以控制在5 μm以内。
Y轴伺服电机连接滚珠丝杠，驱动贴装平台的前后运动，实际贴增强的有效行程在500 mm以内，故采集500 mm的干涉仪数据作为Y轴运动机构的补偿数据，Y轴的干涉仪数据如图4所示，从Y轴干涉仪的数据来看，实际的精度为55 μm，由于Y轴平台采用的伺服电机驱动丝杆的结构，所以可以通过在大理石平台上安装光栅尺的方式来提高Y轴的定位精度，将雷尼绍分辨率为1 μm 的RGH24光栅尺安装在大理石平台上，共用Y轴的原点信号，通过光栅尺读数头RGH24X30A00A采集的A相B相和Z相信号反馈至MC8082P的外部编码器的接收口，将Y轴干涉仪数据作为Y轴运动机构的补偿数据，输入到MC8082P运动控制卡中进行补偿处理，补偿之后的控制精度可以控制在5 μm以内。
通过MC8082P来完成误差补偿功能主要是提供间隙误差补偿和丝杆补偿，从而提高运动控制的定位精度，前提是必须有测得的实际干涉仪数据，提供反向间隙表或误差曲线，计算应该补偿的量并转换为反向间隙补偿表的格式，在执行程序中输入补偿表并定义相关参数，直线电机或者伺服电机执行程序的过程中，MC8082P自动读取误差补偿表，并将其作为电机的位置指令进入到MC8082P运动控制卡中，而这个过程必须通过软件完成，软件再执行补偿数据的处理过程中，还需要处理图像数据，比较耗计算机的CPU资源，故运动指令全部在MC8082P中完成，利用计算机的强大资源来处理这些补偿数据，一方面可以实现误差补偿的功能，也可以弥补MC8082P运动控制卡的对补偿数据的PID运算能力的不足，提高了系统的效率和控制精度。
单独测试X轴Y轴和θ轴，实际位置和运动指令的比较，通过运动控制的UI界面的监控发现各个轴的实际定位误差在3 μm~4 μm。通过实际贴增强的老化测试，X轴Y轴和θ轴的运动控制的精度也都在5 μm以内，这样的控制精度比半闭环的控制方式要高。采用全闭环的控制方式提高了控制精度，控制精度的提高，也是对增强贴装精度的提高。
利用NOVA 8轴MC8082P运动控制卡采用全闭环控制结合误差补偿的方式来提高全自动贴增强机的贴装精度的优势在于，有效的解决了全自动贴增强机贴装精度的稳定控制难点，无论是在PI的贴合还是在不锈钢的贴合应用上都取得了比较好的效果。
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实现高强度贴增强板的加热控制技术
通过热压增强方式的全自动贴增强方法有两种，一种是采用吸头加热的方式，一种是通过贴装平台加热的方式。 吸头加热的方式的优点是能耗低，缺点是无法实现高强度的贴合，在取放贴合好补强材料的FPCB软板时容易脱落。吸头加热的方式的优点是贴合的强度稳定可靠，缺点能耗较高，在贴合PI的时候，有的背胶需要高达160℃的高温，长时间的高温加热导致室内温度升高，在FPC的组装车间需要有长时间的开空调来降温。本文结合两种方式的优缺点，采用吸头加热和贴装平台加热的方式来实现高强度的贴增强。目前采用直线电机左右动子来实现左右线贴合增强的方式，贴合效率可到1PCS/S，在这样的贴合效率情况下，同步加热控制是在保证贴合效率的同时保证补强的贴合强度。
Y轴贴装平台的加热控制原理图如图5所示，Y轴平台采用隔热材料的真空吸附腔体结构，平台表面贴上高温胶布，设定的加热温度的上线为180 ℃，正常工作温度的设定在100 ℃~160 ℃之间。
Y轴贴装平台的加热控制主要由漏电开关QF1，接触器KM1，电力调整器，PT100铂电阻，温控器和发热管组成。漏电开关的型号为上海良信的NDM1L-32 C32/3PN，接触器的型号为Schneider的LC1D32M7，电力调整器型号为TAISEE的ST6-4-4-028P ，PT100铂电阻，温控器的型号为OMRON的E5CC-QX2DSM-802，PT100铂电阻的型号为广州敏扬的R8-PT100-1-5-50mm-304-TF-7M-M8*1.25，10根发热管采用Y型连接的方式。
左右吸头的加热控制原理图如图6所示，吸头加热的温度上限位150 ℃。
吸头加热控制由固态继电器、继电器、温控器、PT10铂电阻、发热管和导电滑环组成，固态继电器型号为TAISEE的TPSSR1-20，继电器的型号为APT的ZY2N-JD2DC24V，温控的型号为OMRON的E5CC-QX2DSM-802，导电滑环的型号为森瑞普的SNH012-0210-02S，铂电阻的型号为上海川菊的PT100 0.5 m 。由于贴装头需要旋转，固采用过孔式导电滑环来防止加热电缆的打搅从而避免造成电路故障。
无论是贴装平台的加热控制还是吸头的加热控制，采用的都是通过温控器设定好需要的加热温度后，通过PT100铂电阻的探测反馈来实现闭环的控制，在采用温控器设定温度之前，需要先通过PID整定完成对温度反馈的调整。Y轴平台与左右吸头的加热可以分别独立控制，通过吸头加热的方式，增加了补强材料的预热过程，在补强板与FPCB软板贴合过程中，吸头和贴装平台同时发热，减少了单片的贴合时间，从而提高了贴合效率。
对于PI材料的贴合，可以只开启Y轴平台的加热控制，或者只开启吸头的加热控制，针对不同厂家生产的PI，温度设定稍有不同，一般集中在120℃-160℃就可以满足实际的贴补强的生产需求。对于不锈钢的材料的贴合测试表明，通过Y轴平台的加热控制方式优于通过吸头加热的方式，如果同时开启Y轴平台的加热控制和吸头的加热控制，贴合质量最佳，贴合的效果优于单独使用Y轴平台加热或者单独使用吸头加热的方式。
在热压自动贴增强过程中，采用吸头加热和Y轴平台加热同时进行的方式，增强贴合的效果好。吸头取料后，在搬运过程中有预热的作用，而FPCB软板放在在Y轴贴装平台上后一直就处于加热状态，增强板在贴合的过程中通过吸头和Y轴平台的上下加热方式，可以进行牢固可靠的贴合。
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总结
通过全闭环控制和吸头平台同步加热控制技术实现挠性印制电路板贴增强板高精度高强度的贴合，优化了全自动贴增强机的整体效能，提升了自动贴增强板的品质和效率。
来源：《印制电路信息》11月刊
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