Righe mobili in acciaio per SMT
Cos'è un encoder
Gli encoder lineari sono composti da un lettore che misura la posizione e da una riga con marcature estremamente accurate. Il lettore misura la posizione tramite il rilevamento diretto delle tacche poste sulla riga a intervalli regolari e produce dati in formato analogico o digitale. Il segnale viene poi convertito in una lettura della posizione da un lettore digitale (DRO) oppure usando un sistema di controllo del movimento. Le righe lineari possono avere una lunghezza variabile e sono sensibili alle variazioni di temperatura.
Comportamento termico degli encoder
Nella scelta di un encoder, è indispensabile prendere in considerazione il comportamento termico della riga. Le righe per encoder di Renishaw sono possono essere indipendenti dalla superficie di montaggio (mobili) oppure dipendere dal substrato (vincolate).
Le righe mobili si espandono e contraggono con un coefficiente di espansione termica (CTE) molto simile a quello del materiale con cui sono composte e hanno un CTE noto che permette di utilizzare in modo efficace la compensazione termica attiva della riga.
SMT (Surface Mount Technology)
Le macchine con SMT prelevano componenti elettronici (ad esempio componenti passivi, flip-chip e package Quad-Flat) e li posizionano in un punto stabilito del circuito stampato (PCB) prima della saldatura a rifusione. I circuiti stampati sono lamine multistrato con un CTE in piano (x-y) generalmente compreso fra 6 e 14 ppm/K, in base ai requisiti dell'applicazione. La precisione del posizionamento (con uno scarto di pochi micron) è essenziale per garantire che i contatti elettrici fra componenti e PCB siano corretti.
In genere, una macchina SMT include: un trasportatore per il trasferimento dei PCB, un gantry con asse X montato su due guide parallele motorizzate (asse Y), un modulo testa pick-and-place e un sistema automatico di alimentazione dei componenti. Il modulo testa è dotato di numerosi ugelli di aspirazione per il prelievo dei componenti ed è montato su un carrello azionato da vite a ricircolo di sfere che si muove orizzontalmente lungo il gantry, come mostrato nella figura 2.
Ogni ugello può muoversi verso l'alto o verso il basso (asse Z) e ruotare nel piano del PCB per orientare correttamente ciascun componente prima del posizionamento. I sistemi di visione permettono di verificare che ciascun componente abbia un angolo di rotazione corretto.
Figura 2: macchina SMT con modulo testa azionato da vite, dotato di ugelli di aspirazione (rosso), telecamera componenti (blu), telecamera fiduciale (giallo) e pannello PCB (verde).Quando un PCB entra nella macchina SMT, va a contatto con un fermo scheda che funge anche da riferimento Una volta che la scheda è in posizione e ferma, viene bloccata. Prima di avviare la procedura pick-and-place, due o tre fiduciali posti agli angoli di ciascun PCB vengono tradizionalmente utilizzati per determinare l'orientamento, la posizione e l'espansione o contrazione lineare della scheda.
Sugli assi X e Y vengono installati encoder lineari che forniscono al controllo della macchina un feedback di posizione accurato.
Esempio di applicazione
Consideriamo una macchina SMT con struttura in acciaio e situata all'interno di uno stabilimento, dove la temperatura ambiente aumenta di 5 ºC durante una sessione di produzione.
La macchina ha un asse X lungo 2 m e un asse Y lungo 3 m (asse longitudinale). I componenti SMD (Surface-Mount Device) sono montati su un pannello PCB standard di dimensioni 610 x 457 mm. Tre angoli del pannello sono marcati con fiduciali globali per correggere eventuali offset del pannello e fornire un punto di riferimento (0,0).
In questo caso, per misurazioni di precisione è stata scelta una riga lineare mobile, montata sugli assi della macchina. Queste righe hanno un CTE noto e possono essere compensate termicamente mediante un sensore di temperatura, come una termocoppia fissata alla riga. Ogni encoder lineare ha una posizione di riferimento fissa che corrisponde al riferimento macchina, come illustrato nella figura 1.
Il comportamento termico del materiale del PCB è tale che la temperatura del PCB segue, ed è approssimativamente uguale, a quella della riga, (presumendo una condizione di equilibrio termico con l'aria). L'assenza di ritardo di fase tra i grafici temperatura-tempo della riga e del PCB consente la compensazione del fattore di scala della dilatazione lineare termica del PCB. Di conseguenza, la differenza nella dilatazione termica tra la riga dell'encoder e il PCB è proporzionale alla differenza tra il CTE del materiale della riga e quello del laminato del PCB.
Come mostrato in Figura 3, è possibile ottenere un'elevata precisione di posizionamento con poca o nessuna compensazione termica, perché il disallineamento di CTE tra la riga in acciaio e il materiale del PCB è ridotto. Questo minimizza l'impatto dell'errore nella temperatura misurata della riga.
Ad esempio, il modello RTLC di Renishaw è una riga a nastro in acciaio inossidabile con un CTE di 10 ppm, che si colloca nel mezzo del tipico intervallo di CTE dei PCB.
Un PCB con un CTE X-Y di 10 ppm verrebbe compensato termicamente dalla dilatazione lineare della riga, consentendo operazioni di pick-and-place ad alta precisione che devono solo considerare gli offset di rotazione e traslazione della scheda. Anche un PCB con un CTE più elevato, di 14 ppm, verrebbe comunque in gran parte compensato dalla dilatazione della riga. Un piccolo disallineamento di CTE tra riga e PCB contribuisce a minimizzare gli errori quando si applica la compensazione termica attiva.
Le righe mobili in acciaio che si dilatano a circa la stessa velocità del pannello PCB dovrebbero consentire una precisione e accuratezza di posizionamento significativamente migliori rispetto a quanto ottenibile con costose righe a basso CTE.
Riepilogo
Gli encoder con riga mobile, come il sistema QUANTiC™ di Renishaw con riga RTLCe, aiutano i progettisti a massimizzare l'accuratezza del posizionamento e la resa delle macchine pick-and-place. Inoltre, nelle applicazioni SMT, le righe mobili in acciaio rappresentano un'eccellente alternativa alle righe a basso coefficiente di espansione. Tali righe compensano attivamente il comportamento termico e, in questi casi, assicurano una buona metrologia.
I team dell'assistenza tecnica Renishaw possono aiutare gli utenti a valutare l'opzione migliore, fra righe vincolate e mobili, in base alle esigenze metrologiche.
Per maggiori informazioni sugli encoder lineari, visita il sito Web : www.renishaw.it/ opticalencoders