Reglas de encóder de acero flotantes para SMT
¿Qué es un encóder?
En encóder lineal se compone de una cabeza lectora de medición de posición y una regla (con graduación de precisión). Para medir la posición, la cabeza lectora detecta directamente las marcas de graduación de espaciado uniforme y envía la información en señales analógicas o digitales. A continuación, la señal se transforma en una lectura de posición mediante una lectura digital (DRO) o un control de movimiento. Las reglas de encóder lineal pueden ser largas y sensibles a cambios térmicos.
Encóderes y comportamiento térmico
El comportamiento térmico de las reglas de encóder es muy importante en el momento de seleccionar un sistema de encóder. Las reglas de encóder de Renishaw son, principalmente, independientes térmicamente del sustrato (flotantes) o dependientes térmicamente del sustrato (adaptables).
Las reglas flotantes se expanden y contraen con el mismo coeficiente de expansión térmica (CTE) que el material de la regla, con un CTE conocido, que permite el uso efectivo de la compensación de temperatura de la regla activa.
Tecnología de montaje en superficie (SMT)
Las máquinas SMT sujetan los componentes electrónicos (pasivos, chips invertidos y paquetes Quad-Flat) y los colocan en una ubicación determinada en una placa de circuito impreso (PCB) antes de la soldadura por reflujo. Una placa PCB es un laminado multicapa con un CTE en el plano (x-y) de entre 6 y 14 ppm/K normalmente, dependiendo de los requisitos de la aplicación. La colocación precisa en decenas de micras es crucial para garantizar que los componentes hagan un buen contacto eléctrico con la placa PCB.
Una máquina SMT típica incluye: un transportador para transferencia de PCB, un eje X de pórtico montado sobre dos rieles paralelos accionados por motor (eje Y), un módulo de cabezal de selección y colocación y un sistema de alimentación automática de componentes. El módulo del cabezal tiene muchas boquillas de succión individuales para sujetar los componentes y está montado sobre un carro accionado por tornillo sin fin que se mueve horizontalmente a lo largo del pórtico, como muestra la Figura 2.
Cada boquilla puede moverse hacia arriba o hacia abajo (eje Z) y girar en el plano de la placa PCB para orientar correctamente cada componente antes de colocarlo. Se utilizan sistemas de visión para verificar que cada componente tenga el ángulo de rotación correcto.
Figura 2: Máquina SMT que muestra un módulo de cabezal accionado por tornillo sin fin con boquillas de succión (rojo), cámara de componentes (azul), cámara de referencia (amarilla) y panel PCB (verde).Cuando la placa PCB entra en la máquina SMT, entra en contacto con un tope de placa que también actúa como punto de referencia de la máquina. Cuando la placa está colocada, se sujeta en su posición. Antes de iniciar el procedimiento de selección y colocación, generalmente se utilizan dos o tres referencias en las esquinas de cada PCB para determinar la orientación, la posición y la expansión o contracción lineal de la placa.
Los encóderes lineales se montan en los ejes X e Y para proporcionar información precisa al control de la máquina.
Ejemplo de aplicación
Una máquina SMT con estructura de acero en una fábrica con una temperatura ambiente del aire que aumenta 5 ºC durante un ciclo de producción.
La máquina tiene un eje X de 2 m de longitud y un eje Y de 3 m (eje longitudinal). Los componentes del dispositivo de montaje en superficie (SMD) se instalan en un panel PCB estándar con unas medidas de 610 x 457 mm. Se marcan tres esquinas con referencias globales para corregir la compensación del panel y se facilita un punto de datum (0,0).
En este caso, se selecciona una regla lineal flotante para mediciones de precisión y se montan en los ejes de la máquina. Estas reglas tienen un CTE conocido y pueden compensarse térmicamente con un sensor de temperatura, por ejemplo, un termoacoplamiento, sujeto a la regla. Cada regla de encóder dispone de una posición de datum fija que corresponde al datum de la máquina, como muestra la Figura 1.
El comportamiento térmico del material de la placa PCB es tal que su temperatura se mantiene y es aproximadamente igual a la temperatura de la regla, teniendo en cuenta el equilibrio térmico con el aire. La falta de desfase de fase entre los gráficos de temperatura y el tiempo de la regla y el PCB permite compensar el factor de la regla de la expansión térmica lineal de la placa PCB. Por tanto, la diferencia de expansión térmica entre la regla del encóder y la placa PCB es proporcional a la diferencia de CTE entre el material de la regla y el laminado de PCB.
Como muestra la Figura 3, se puede lograr una alta precisión de colocación con poca o ninguna compensación térmica porque se reduce el desajuste de CTE entre la regla de acero y el material de la placa PCB. Esto minimiza el impacto del error en la temperatura de la regla medida.
Por ejemplo, la regla RTLC de Renishaw es de cinta de acero inoxidable con un CTE de 10 ppm, que se ubica en el medio del valor de CTE típico de las placas PCB.
Una placa PCB con un CTE X-Y de 10 ppm estaría compensada térmicamente por la expansión lineal de la regla, lo que permitiría operaciones de selección y colocación de alta precisión que solo necesitan tener en cuenta la rotación de la placa y los desplazamientos de traslación. Otra PCB con un CTE más alto de 14 ppm estaría ampliamente compensado por la expansión de la regla. Una ligera discrepancia en el CTE entre la regla y la placa PCB minimiza los errores al aplicar la compensación térmica activa.
Las reglas de acero flotantes que se expanden aproximadamente a la misma velocidad que el panel de PCB permiten una precisión y exactitud de colocación significativamente mejores que las que se logran con reglas costosas y de bajo CTE.
Resumen
Los sistemas de encóder de regla flotante, como el encóder QUANTiC™ con regla RTLC de Renishaw, permiten maximizar la precisión de colocación y la producción de sus máquinas de montaje en superficie. Además, las reglas de acero flotantes son un buen sustituto de las reglas de baja expansión en aplicaciones SMT. Estos sistemas de regla de encóder también permiten una compensación activa del comportamiento térmico de la regla, lo que proporciona una buena metrología en este caso.
Los equipos de servicio técnico de Renishaw ayudan a los clientes a decidir si una regla de encóder por sustrato o una de codificador flotante es adecuada para sus necesidades de metrología.
Para obtener más información sobre encóder lineales, visite www.renishaw.es/opticalencoders