精密組裝產(chǎn)線追求更穩(wěn)、更小、更快、更準(zhǔn)的組裝設(shè)備，微型線性運動模組搭配低壓伺服驅(qū)動的高精高速運動控制，是產(chǎn)品質(zhì)量提升的關(guān)鍵。
資訊科技日新月異，工業(yè)級及消費性電子產(chǎn)品不僅性能快速提升，體積也越趨精巧輕薄。在產(chǎn)線上，組裝設(shè)備要在有限空間內(nèi)取放、安裝既細小又脆弱的元組件，還要顧及產(chǎn)品良率與產(chǎn)線稼動率，對於精密電子組裝業(yè)者來說，是一大考驗。
在自動化精密組裝製程中，高速、高精確度的運動控制不可或缺，電子組裝業(yè)、半導(dǎo)體業(yè)和設(shè)備製造商等，無不積極追求更穩(wěn)、更小、更快及更準(zhǔn)的組裝設(shè)備。本文敘述精密電子行業(yè)中，如何藉由優(yōu)化組裝設(shè)備中的Z軸高速運動來提升產(chǎn)品良率，並且聚焦解說與微型線性運動產(chǎn)品，如何突破產(chǎn)業(yè)痛點。
Z軸運動是電子產(chǎn)品組裝良率關(guān)鍵
Z軸運動指垂直產(chǎn)品上下方向的運動，在精密組裝產(chǎn)線製程中，細小元件與晶片的取放、移載、壓合、貼裝、固晶、插件及檢測等，皆是Z軸運動的例子，在電子組裝產(chǎn)線與半導(dǎo)體封裝製程中，扮演著核心環(huán)節(jié)。
在精密製程中，元件的材質(zhì)與體積大多輕薄、小巧且脆弱，Z軸運動過程中的力量控制若稍有閃失，皆有可能導(dǎo)致元件受損，進而影響成品的良率與產(chǎn)量。以常見的手機與車用鏡頭模組為例，在製造時需要取放、堆疊及安裝多片玻璃或塑膠材質(zhì)的鏡片，壓力容許誤差在20g以內(nèi)，運動控制要求極高。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，裸晶的移載與固定的工藝中，壓力容許誤差只有±2g，製造技術(shù)條件更嚴苛。
Z軸運動在傳統(tǒng)機臺上，常用氣壓缸或是使用旋轉(zhuǎn)馬達搭配螺桿的方式進行驅(qū)動。氣壓缸驅(qū)動無法有效掌握力量控制的精度，也無法蒐集與監(jiān)控數(shù)據(jù)。旋轉(zhuǎn)馬達搭配螺桿，雖然具有出力較大、成本較低的優(yōu)勢，但也有機構(gòu)複雜、易因摩擦產(chǎn)生零件與能量耗損、且體積較大的特性，且因?qū)匍g接驅(qū)動，控制響應(yīng)速度較慢。兩者在追求高精度、高速運動控制的精密製程場景中，應(yīng)用上皆有不低的技術(shù)門檻。
除了準(zhǔn)確的力量控制，在電子產(chǎn)品越來越小巧的製造趨勢下，驅(qū)動Z軸運動的機構(gòu)設(shè)計與製造，必須往輕薄、緊湊的方向進行。除此之外，為追求產(chǎn)線的稼動率最佳化，多軸同動的驅(qū)動與控制也不可或缺，才能有效提升產(chǎn)量。
總而言之，為了提升Z軸運動的精密製程效率，組裝設(shè)備必須解決力量控制、力量感測、位置回授、機構(gòu)直驅(qū)及尺寸輕薄等多重難題，並盡可能縮短生產(chǎn)週期時間，才能突破製程良率的痛點。
| 圖一 : 在精密組裝產(chǎn)線製程中，元件的材質(zhì)與體積大多小巧脆弱，Z軸運動過程中的力量控制是影響成品良率與產(chǎn)量的重要因素。 |
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線性運動模組如何一舉突破良率與稼動率難題
臺達關(guān)注電子組裝與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)精密製程，因應(yīng)高精高速運動控制的需求，推出多種線性運動產(chǎn)品。其中，微型線馬致動器LPL是一款一機整合線性馬達、光學(xué)尺、力量感測器、小旋轉(zhuǎn)伺服馬達、編碼器、滑軌和框架於一體的模組型產(chǎn)品，可同時用於線性與旋轉(zhuǎn)運動，適用於組裝設(shè)備的Z軸或含旋轉(zhuǎn)的ZR軸運動。
LPL的連續(xù)推力為5至37N，特點是響應(yīng)快、力量控制可達0.1N，細微且穩(wěn)定。結(jié)合使用自製的光學(xué)尺與讀頭，位置回授解析度高達0.5 μm，符合高精度需求。零背隙的直驅(qū)設(shè)計降低摩擦耗損，有效提升設(shè)備壽命，並降低維護成本。再結(jié)合伺服驅(qū)動器，可有效滿足多數(shù)電子精密組裝、半導(dǎo)體封裝等應(yīng)用場景中的推力、行程需求。
除了線性運動外，LPL內(nèi)部也搭載厚度僅有13mm的旋轉(zhuǎn)伺服馬達，並搭配20bit 編碼器回授，在旋轉(zhuǎn)解析度可達到0.01度，可滿足高精密組裝時，最細微的微動量。
精密組裝業(yè)者最常見的製程痛點之一，是如何在最小空間體積內(nèi)確保最多自由度軸數(shù)，也因此在許多應(yīng)用中，機構(gòu)輕薄是提升稼動率的關(guān)鍵因素。LPL在精密製程上的優(yōu)勢，在於體積非常輕薄，在有限空間中只要能多裝一組馬達模組，就可有效縮短製程時間，並提升稼動率。
以tray盤上的工件移載為例，假設(shè)tray盤格子間距為10mm，若使用厚度20mm的ZR軸產(chǎn)品，就必須要移載兩次才能填完兩排。若使用臺達最薄的9mm LPL，20mm的空間內(nèi)可多裝一組，操作上一次就可以完成兩排的工件移載，稼動率即可提升一倍。
為了完全發(fā)揮LPL的體積優(yōu)勢，應(yīng)用上皆採多軸設(shè)計，因此縮小伺服驅(qū)動器的體積也格外重要。臺達的伺服驅(qū)動器ASDA-D3，採用雙驅(qū)動系統(tǒng)，兩個獨立的驅(qū)動單元實現(xiàn)雙軸同動，確保高速度、高加速度的同時，可保持系統(tǒng)的運動平滑性，對於需要在極短時間內(nèi)實現(xiàn)快速運動的Z軸高速取放至關(guān)重要。
ASDA-D3使用二軸合一的設(shè)計，一臺即可控制兩個軸向，整體體積相較於臺達同級100w單軸伺服驅(qū)動器，可節(jié)省配置空間高達70%，在同步使用多臺LPL時，可大幅提高機臺空間利用率。
| 圖二 : 透過整合配置微型線馬致動器與二軸合一的伺服驅(qū)動器，可實現(xiàn)多軸同動並有效提升產(chǎn)線稼動率。 |
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如前文所述，Z軸運動精準(zhǔn)細微的力量控制，是提升精密製程產(chǎn)品良率的關(guān)鍵所在。LPL可透過伺服驅(qū)動器內(nèi)建之二次平臺功能，實現(xiàn)軟著陸（soft landing）功能。在ASDA-D3內(nèi)建整合控制器功能，則能夠大幅縮短響應(yīng)時間，同時節(jié)省配置空間。
透過LPL的光學(xué)尺和力量感測回授，ASDA-D3可進行細微力量控制，增加元件與晶片取放應(yīng)用的效率與良率，也能幫助客戶應(yīng)付不同應(yīng)用的控制模式切換，減少對第三方感測器的整合與調(diào)適。
進一步說明軟著陸，在行程上可拆解為4個階段動作。如圖三所示，設(shè)想位在A點的吸嘴，要取位在C點的元件時，首先會採「位置模式」，高速下降到預(yù)設(shè)位置B。抵達B點後，採「速度模式」低速下降，緩速接觸位於C點的元件，此階段即所謂「軟著陸」。於C點接觸元件後，採「扭力模式」進行力量控制，加壓、保壓做定扭力輸出，透過力量感測回授確認取物，最後回到「位置模式」，完成取物。藉由速度與施力的細微調(diào)控，LPL可以在不傷及脆弱元件的條件下，順利進行取放與安裝。
| 圖三 : 軟著陸原理說明，透過實現(xiàn)細微的力量控制，強化產(chǎn)品良率。 |
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微型線馬致動器LPL結(jié)合伺服驅(qū)動器ASDA-D3的Z軸運動控制解決方案，已成功驗證並放量導(dǎo)入於取放貼標(biāo)、3C組裝、高密度貼片、AOI檢測及轉(zhuǎn)塔分選等需要進行大量Z軸高速取放應(yīng)用場景。
LPL的併排安裝搭配ASDA-D3的雙軸驅(qū)動，多軸同動配置有效提升生產(chǎn)線稼動率，並以高精高速運動控制與軟著陸功能，顯著改善了產(chǎn)品的裝配精度與良率，得以滿足客戶在精密電子組裝與半導(dǎo)體產(chǎn)線上的產(chǎn)能需求。
