Chương 1. GIỚI THIỆU DE TÀI 1. Giới thiệu về máy gắp thả linh kiện SMD Công nghệ gắn bề mặt (Surface-mount technology — gọi tắt là SMT), còn được gọi là hệ thống đặt linh kiện hay máy gắp và đặt (pick-and-place machines - PnPs), là các thiết bị robot quan trọng trong việc đặt các linh kiện gan bề mặt (SMDs) lên các bảng mạch in (PCBs) [1]. Những máy này cho phép đặt linh kiện điện tử như tụ điện, điện trở và mạch tích hợp một cách nhanh chóng và chính xác.
Các PCB được sản xuất bằng những máy này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy tính, điện tử tiêu dùng, cũng như trong các ngành công nghiệp, y tế, 6 tô, quân sự và viễn thông. Lịch sử của các dây chuyền lắp ráp SMT trong thập niên 1980 và 1990 sử dụng hai loại máy gắp và đặt theo trình tự. Các “chip shooter” đặt các linh kiện đơn giản với tốc độ cao sử dụng một vòng xoay và băng cấp, đạt tốc độ lên đến 53,000 linh kiện mỗi giờ. Tiếp theo là các máy đặt linh kiện chính xác, sử dụng camera độ phân giải cao và bộ mã hóa tuyến tinh dé đặt các linh kiện lớn hơn hoặc có hình dạng không déu.
Từ những năm 2000, các nhà sản xuất chuyền sang các máy modul với nhiều đầu và cấu trúc gantry, có khả năng đặt các linh kiện đa dạng một cách nhanh chóng, với tốc độ lên đến 200,000 linh kiện mỗi giờ. Những phát triển gần đây tập trung vào các máy da năng, có thé đáp ứng hiệu suất cao, thường tích hợp hệ thống xử lý anh dé giải pháp tiết kiệm chi phí trong lắp ráp SMT nhưng van đảm bảo độ chính xác cao. Các nhà sản xuất chính bao gồm Juki, Fuji, Panasonic, Yamaha, Hanwha Precision Machinery, Kulicke & Soffa, ASM Assembly Systems, Universal Instruments va cac công ty khác cho thay sự tiến bộ liên tục trong công nghệ va ứng dung của công nghệ SMT.1: Hệ thong PnP Neodeo YY1 Bên cạnh các hệ thống SMT với nhiều đầu cho phép tăng thời gian hoàn thành và số lượng sản phẩm thì giá thành của chúng chính là hạn chế lớn nhất khi muốn ứng dụng chúng vào các trường đại học và các phòng thí nghiệm đề phục vụ cho việc nghiên cứu va giảng dạy. Từ đó, việc mô hình đơn giản với chi phi thấp đã được đề xuất như minh họa trong hình 1.
Thực trạng ngành công nghiệp máy SMT hiện nay Hiện nay, ngành công nghiệp máy gắp và đặt SMT (Surface Mount Technology) đang có những xu hướng và đặc điêm chính sau: - Téc độ và độ chính xác cao: Máy SMT hiện đại đạt tốc độ lên đến hàng trăm nghìn linh kiện mỗi giờ và độ chính xác cao với nhiều dau hút thả dé phù hợp với nhiều loại linh kiện va rút ngắn thời gian hoàn thành sản phẩm. - Da dạng hóa linh kiện: Máy có khả năng đặt nhiều loại linh kiện từ nhỏ đến lớn và phức tạp. Cụ thê là máy có thể gắp thả các linh kiện cắm lỗ và dán - Tích hợp công nghệ thị giác: Sử dụng hệ thong nhận diện hình ảnh (top camera và bottom camera) và công nghệ AI để giám sát, phát hiện và điều chỉnh vị trí linh kiện. Giảm thiểu thời gian chuyên đôi va downtime: Thiết bị được thiết kế dé chuyên đồi nhanh giữa các sản phẩm và giảm thiéu thời gian ngừng may.
Mục tiêu và phạm vi của đề tài 1. Mục tiêu Đã có những nghiên cứu cụ thé về hệ thống SMT với mục đích thu nhỏ kích thước máy dé hướng đến giả thành rẻ [2]. Từ đó, mục tiêu của khoá luận sẽ hướng tới việc tối ưu hoá công suất và nhân lực trong quy trình lắp ráp linh kiện công nghệ dán bề mặt (SMD) lên PCB để thiết kế và chế tạo một máy gắp và đặt linh kiện (PnP) chuyên dụng có khả năng xử lí nhiều loại linh kiện với độ chính xác cao, từ đó có thé tự động hoá quy trình lắp ráp mạch điện tử, giảm thiểu sự can thiệp của con người, nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất. Ngoài ra hệ thống PnP có kích thước nhỏ với chỉ phí thấp hơn có thể phục vụ cho việc sản xuất nhỏ hoặc nghiên cứu.
Pham vi nghiên cứu Dé tài sẽ nghiên cứu va co câu của khung máy gap và thả linh kiện trong quy trình sản xuât pcb và nguyên lý vận hành của máy với động cơ của các trục hoạt động độc lập. Đồng thới, dé tài cũng thiết kế bộ phận gap thả (nozzle), top camera và bottom camera đề phục vụ cho quá trình phát hiện, gắp thả linh kiện và kiểm tra lỗi. Như đã trình bay tại mục 1.1, kinh phí thực hiện đề tài là van đề khó khăn lớn nhất bởi giá thành của các bộ phận, thiết bị không rẻ. Tuy nhiên, với mục tiêu ban đầu chính là giảm chi phí thiết kế cho nên cơ cấu khung sẽ sử dụng loại nhôm định hình 20x20, bộ phận cánh tay sẽ sử dụng động cơ bước loại 42 (không phải loại động cơ servo như các máy công nghiệp) dẫn đến độ chính xác của hệ thống và thời gian thực hiện một sản phẩm cũng tương đối.
Phương pháp thực hiện e Nghiên cứu va phân tích các giải pháp may PnP hiện có trên thị trường. e Lựa chọn và thiết kế cho máy PnP, bao gồm: o Hệ thống máy học dựa trên hệ trục Cartesian với 3 trục chính theo hệ toa độ Oxyz. o Hệ thống gap: bộ máy hút bao gồm động co bước trục rong va camera dé xác định linh kiện. o_ Hệ thống cấp linh kiện o Cơ chế chuyền động của máy được điều khién bang MCU STM32 e Lắp ráp và tích hợp các bộ phận © Tích hợp trình điều khiển: o Giao diện người dùng o_ Điều khiển chuyên động cho đầu hút o Quản lí hệ thống cấp linh kiện e Kiểm tra và đánh giá: o Độ chính xác o Tốc độ o Độ tin cậy Chương 2.
TONG QUAN DE TÀI 2. Surface Mount Technology (SMT) Surface Mount Technology (SMT) là một lĩnh vực của lắp ráp điện tử được sử dụng dé gan các linh kiện điện tử lên bề mặt của bang mạch in (PCB) thay vì gắn các linh kiện qua các lỗ như trong lắp ráp truyền thống. SMT được phát triển nhằm giảm chi phí sản xuất và sử dụng không gian của PCB một cách hiệu quả hơn. Việc giới thiệu công nghệ dán bề mặt đã cho phép tạo ra các mạch điện tử phức tạp hơn trong các cụm nhỏ hơn với độ lặp lại cao nhờ mức độ tự động hóa cao.
Quá trình lắp rap SMT Quá trình lắp ráp một hệ thống SMT hoàn chỉnh được minh họa như hình 2. Cụ thé từng giai đoạn là: - Ap dụng keo han: Keo hàn được áp dụng lên các vị trí trên PCB nơi các linh kiện sẽ được gan. - Dat linh kiện: Các linh kiện được đặt chính xác lên keo han bằng các may gap và dat (Pick and Place) tự động. - Han linh kiện: PCB sau đó được đưa qua lò han dé làm nóng chảy keo han, kết nối chắc chăn các linh kiện vào PCB.
- _ Kiểm tra và kiểm định: Các bang mach được kiểm tra bằng các phương pháp như kiểm tra bằng quang học tự động (AOI) hoặc kiểm tra bằng X-quang dé đảm bảo chất lượng lắp ráp. Placement machines > ì | -}ˆ l a Stencil printer prevention Hinh 2.1: Quy trinh lap dat SMT 2. Các thiết bị chính trong SMT May in keo hàn (Solder Paste Printer): In keo hàn lên PCB thông qua một khuôn in nhằm giúp quá trình đặt linh kiện lên PCB không bị trượt đồng thời sau khi đặt xong sẽ đi vào lò nướng để linh kiện dán cứng trên pcb Máy gắp và đặt (Pick and Place Machine): Đặt các linh kiện lên PCB với tốc độ và độ chính xác cao. Lò han (Reflow Oven): Làm nóng chảy keo hàn dé gắn kết linh kiện.
Máy kiểm tra quang học tự động (AOI): Kiểm tra các lỗi hình ảnh trên PCB sau khi lắp ráp. Lich sử và phát triển 2. Giai đoạn đầu tiên (Thập niên 1960 - 1970) Hệ thống PnP đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960 khi công nghệ vi mạch bắt đầu phổ biến. Việc lắp ráp linh kiện lên bảng mach in chủ yếu dựa vào kỹ thuật thông qua lỗ (Through Hole Technology - THT).
Quá trình lắp ráp hoàn toàn thủ công và đòi hỏi kỹ thuật viên phải thực hiện từng bước. Giai đoạn phát triển tự động hóa (Thập niên 1980) Vào những năm 1980, sự ra đời của công nghệ dán bề mặt (SMT) đã mang đến một bước tiến quan trọng trong tự động hóa lắp ráp mạch điện tử. Máy PnP đầu tiên được thương mại hóa bởi các công ty như Fuji, Siemens, va Universal Instruments, giúp tăng năng suất lắp ráp lên gấp nhiều lần so với phương pháp thủ công. Giai đoạn phỗ biến (Thập niên 1990 - 2000) Vào những năm 1990, công nghệ PnP ngày càng phổ biến và tiếp tục phát triển với nhiều tính năng tiên tiến như hệ thống nhận diện linh kiện bang camera, bộ điều khiển chính xác dựa trên hệ thống servo, và khả năng xử lý linh kiện siêu nhỏ.
Các hãng sản xuất nồi tiếng như Panasonic, Yamaha, va Juki đã cho ra đời hàng loạt mẫu máy PnP với độ chính xác cao và tốc độ vượt trội. Giai đoạn hiện đại (Thập niên 2010 - nay) Ngày nay, hệ thống PnP hiện đại đã trở nên đa dạng với các công nghệ tiên tiến như thị giác máy tính (machine vision), hệ thống AI hỗ trợ kiểm tra lỗi tự động, và hệ điều hành nhúng tiên tiến. Các mẫu máy PnP hiện đại có thé lắp ráp linh kiện với độ chính xác dưới 10 micron và tốc độ đặt lên đến hàng chục nghìn linh kiện mỗi giờ. Xu hướng hiện tại và tương lai Hiện tại, các hệ thống PnP đang tập trung vào việc nâng cao hiệu quả bằng cách tích hợp thêm các tính năng kiểm tra, cải tiến tốc độ và độ chính xác thông qua thị giác máy tinh và học máy.
May PnP cỡ nhỏ với chi phí thấp cũng đang trở nên phô biến trong sản xuất quy mô nhỏ. Hệ máy Pick and Place Hệ máy Pick & Place (P&P) được thiết kế dựa theo hệ tọa độ Cartesian [13]. Hệ máy P&P được vận hành bởi bốn trục chính: X, Y, Z và C. Mỗi trục này có chức năng riêng biệt và chuyền động độc lập dé thực hiện các nhiệm vụ cụ thé trong quy trình lắp ráp và sản xuất.
Trục X và Y chịu trách nhiệm di chuyên đầu gắp theo hai hướng ngang, trục Z điều khiển chuyển động lên xuống, trong khi trục C quay đầu gap dé định vị chính xác các linh kiện.