Nutzlose Pauschalzeiten eliminiert

Leo van de Vall, Assembléon, Eindhoven

Elektronikhersteller, die Bestückungsautomaten des mittleren Leistungsbereiches vergleichend bewerten, multiplizieren häufig die optimalen Taktzeiten mit einem allgemeinen Lastminderungs-Faktor, um die tatsächlichen Leistungen vergleichen zu können. Dies führt dazu, dass viele Unternehmen nicht die theoretischen, guten Werte erreichen, wenn sie ihre neuen Maschinen in Betrieb nehmen. Ein aussagekräftiger Vergleich umfasst die tatsächlich benötigte Maschinenzeit zur Aufnahme eines Bauteils, das Prüfen seines Vorhandenseins, den effektiven Transport zum Platzierungsort, das Absetzen sowie die Rückkehr zur Ausgangsposition. Einige Lieferanten nehmen all diese Vorgänge in ihre Angaben auf, andere hingegen lassen die Informationen zur Aufnahme der Bauteile oder des Prüfens des Vorhandenseins der Komponente weg. Das Ergebnis ist eine unterschiedliche Interpretation der optimalen Taktzeit, was zu Unterschieden in der Leistung von ungefähr 10 % führen kann.

Ein weiterer Grund für die Unklarheiten ist der Umstand, dass Benutzer und Lieferanten von Maschinen Worte wie Durchsatz, Leistung und Bestückungsrate gern so verwenden, als wären dies Synonyme. Dabei werden hier verschiedene Merkmale beschrieben. Maschinenlieferanten setzen die optimale Taktzeit manchmal einfach mit der bestmöglichen Bestückungszeit gleich, ohne, sogenannte, Pauschalzeiten, wie das Einlegen, das Befestigen und das Entnehmen von Leiterplatten, das Bad-Mark-Sensing und die Bezugswert-Korrektur zu berücksichtigen. Eine Taktzeit von 0,3 s wird somit in eine Bestückungsrate von 12000 Bauteile/h übersetzt, obwohl der tatsächliche Durchsatz beziehungsweise die Leistung durch die Auswirkung der obenausgeführtengenannten Pauschalzeiten geringer ist. Um wie viel, zeigen die folgenden Beispiele. Wird eine Pauschalzeit von 7 s für eine Leiterplatte mit 100 Bauteilen angenommen, liegt der Durchsatz bei 37 s/Platine und somit bei 9730 Bauteile/h. Dies ergibt einen Unterschied von 19 % im Vergleich zum angenommenen Wert. Bei einer Leiterplatte mit 500 Bauteilen liegt der Durchsatz bei 157 s/Platine und somit bei 11465 Bauteile/h und macht einen Unterschied von nur 4,5 % aus. Die Konsequenz daraus ist, dass Definitionen und Berechnungsmethoden vor dem Vergleich von Zahlen zu überprüfen sind.

Der optimale Taktzeit-Wert eines Bestückungsautomaten wird von folgenden wichtigen Parametern bestimmt:

•Maximale Geschwindigkeitszu- und -abnahme in der X- und Y-Achse (die maximale X-/Y-Geschwindigkeit wird üblicherweise nicht berücksichtigt, da es einige kürzere X-/Y-Bewegungen nicht zulassen, dass die Bestückungsköpfe die Höchstgeschwindigkeit erreichen)

•Höchstgeschwindigkeit des Bestückungskopfes in Z-Richtung sowie maximale Geschwindigkeitszu- und -abnahme

•Kleinste Bewegungsdistanz

•Geschwindigkeit des Vakuumaufbaus

•Höchstgeschwindigkeit der Abgleichmethode.

Die Lastminderung spiegelt die Beziehung zwischen der optimalen und der tatsächlichen Bestückungsrate wieder und ist dann gültig, wenn ein spezifischer, nicht ein allgemeiner, Wert pro Maschine verwendet wird. Der tatsächliche Durchsatz für eine spezifische Leiterplatte hängt jedoch vom Konzept der Maschinenkonstruktion und der Qualität der Prozessoptimierung beziehungsweise dem Linienabgleich ab. Die Bestimmung des Lastminderungs-Faktors der Maschine allein ist nicht genug. Statt dessen sollte auch der Lastminderungs-Faktor der Optimierungs-Software berücksichtigt werden, um anzuzeigen, wie nahe die angewendeten Algorithmen an den optimalen Höchstwert heranreichen können.

Bei Maschinen mittleren Bestückungsvolumens können drei Unterkategorien unterschieden werden:

•Die Bestückungsköpfe bewegen sich in Richtung der X- und Y-Achse, die Platte steht fest (Fig.1a.) (Bild 1a)

•Die Bestückungsköpfe bewegen sich in Richtung der X-Achse, die Platte in Richtung der Y-Achse (Fig.1b) (Bild 1b)

•Die Bestückungsköpfe bewegen sich in Richtung X-Achse, die beiden Platinen bewegen sich in Richtung der Y-Achse (Fig.1c) (Bild 1c)

Jedes dieser Maschinenkonzepte verfügt über spezifische Eigenschaften und funktioniert bei unterschiedlichen Leiterplat-ten verschieden. Daraus ist ersichtlich, dass der Versuch, einen allgemeinen Lastminderungsfaktor zu verwenden, jeden Vergleich verfälscht. Viele Faktoren füh-ren zu einer Abweichung zwischen der optimalen Taktzeit und dem tatsächlichen Durchsatz. Maschinen müssen deshalb im Hinblick auf ihre Relevanz für die spezifische Anwendung bewertet werden.

Eine notwendige Pauschalzeit ohne Wertschöpfung muss in die Berechnung einbezogen werden, kann jedoch durch eine Reihe von Konstruktionsmaßnahmen reduziert werden. Ein In-Line-Fördersystem ist beispielsweise eine wichtige Anforderung für Bestückungsautomaten mittleren Volumens. Dadurch wird das Einlegen und Entnehmen der Platten automatisiert und Wartezeiten sowie Produktionsunterbrechungen wegen nicht vorhandener Leiterplatten oder unaufmerksamen Bedienern eliminiert.

Aus Qualitätsgründen ist ein manuelles Handhaben von PCB-Komponenten auf feuchter Lötpaste oder Kleber in keinem Fall sinnvoll. Ein Zwischenstop in der Fördereinrichtung, der bislang nur in Hochgeschwindigkeits-Be- stückungsautomaten zu finden war, schafft eine Warteposition für eine Leiterplatte nahe am Arbeitsbereich des Automaten, und sorgt für einen kontinuierlichen Fluss der Platinen durch die Maschine. Dies ermöglicht das gleichzeitige Bewegen von drei Leiterplatten (eine in Warteposition, zwei im Arbeitsbereich) und eliminiert praktisch die Pauschalzeit für das Beladen. Dabei liefert ein servo-gesteuertes Fördersystem das Höchstgeschwindigkeits-Profil und ermöglicht einen schnellen Plattentransfer ohne Kollisionsgefahr für die Leiterplatten.

Ist es nicht möglich, die Pauschalzeit des Plattentransfers zu vermeiden, kann diese zu einer Vorabaufnahme von Bauteilen genutzt werden. Durch Programmieren der Kopf-Warteposition als erste Aufnahmeposition wird die Bewegungszeit des Bestückungskopfes vom Programmbeginn bis zur ersten Aufnahme eliminiert.

Weil sich die Bestückungsköpfe in relativ kleinen Abständen bewegen, sind maximale Geschwindigkeitszu- beziehungsweise -abnahmen von grundlegender Bedeutung. Bei größeren Platinen ist die maximale Bewegungsgeschwindigkeit in der X-/Y-Achse auch von Bedeutung und hängt unter anderem vom Motortyp (linear, AC, DC, Schrittschaltmotor), der Motorleistung, der Servosteuerung, der Masse der Kopfbaugruppe,des Bestückungskopfes, der Übertragungsart (Leitspindel, Bänder), der Reibung und so weiter ab. Die Auswirkung der maximal erreichbaren Geschwindigkeit wird jedoch oft überbewertet, da viele andere Faktoren die tatsächliche Maschinenleistung wesentlich stärker beeinflussen. Die Bezugswert-Korrektur ist eine weitere Pauschalzeit. Ihre Taktzeit ist abhängig vom Profil der Bewegungsgeschwindigkeit in der X-/Y-Achse und der Bezugswert-gestützten Bildverarbeitungs-Geschwindigkeit. Werden zwei oder mehrere Maschinen niedrigen Bestückungsvolumens kombiniert, um ein mittleres VolumenBestückungsvolumen zu erreichen und wird nur ein einziges optisches Erkennungssystem eingesetzt, so verzögern sich die Bezugswert-Korrekturen, weil die Module jeweils die erforderlichen Messergebnisse der optischen Erkennung abwarten müssen.

Der klassische Ansatz für das Bad-Mark-Sensing besteht in dem schrittweisen Abarbeiten und dem Wiederholen des Bestückprogramms, bis ein Nutzen aus mehreren Leiterplatten fertiggestellt ist. Dies bedeutet, dass der Düsentausch, falls erforderlich, bei jeder Bestückung einzeln ausgeführt wird. Darüber hinaus können die Köpfe von Mehrkopf-Baugruppen eventuell nicht vollständig gefüllt werden, wenn pro Board nur ein paar Bauteile verwendet werden. Ein besserer Ansatz ist hier das Erweitern des Bestückungsprogramms in ein Programm für den kompletten Leiterplatten-Nutzen, wobei die Funktion des Bad-Mark-Sensing beibehalten wird. Dabei werden alle Bad-Marks aller Einzelplatinen des Nutzens vorab kontrolliert, anstellestatt vor jeder einzelnen Teilbestückung. Der Düsentausch wird dann nur einmal pro Nutzen-Platte durchgeführt, die Mehrkopf-Baugruppen sind besser ausgenutzt und liefern somit eine Leistung, die näher am Optimum liegt.

Die tatsächliche Leistung liegt auch dann näher an der optimalen Leistung, wenn die Bewegungszeit zwischen Aufnehmen und Absetzen auf mehrere Bestückungsköpfe verteilt wird. Je mehr Köpfe pro Baugruppe vorhanden sind, desto höher ist die Leistung. Bei einem Einkopf-Automaten beispielsweise muss von der Bauteil-Aufnahme bis Bestückungsort eine Transferzeit von 0,4 s/Kopf zur Taktzeit der Komponente addiert werden. Bei einem Achtkopf-Automaten liegt der Faktor der Transferzeit bei lediglich bei 0,05 s/Kopf. Schwankungen der Transferzeit werden auch über mehrere Köpfe verteilt und somit ebenfalls verringert. Bei Mehrkopf-Baugruppen ist auch der Abstand der einzelnen Köpfe untereinander (Pitch) ein weiterer Schlüsselaspekt.

Je kleiner der Pitch des Bestückungskopfes, desto weniger muss sich die Kopf-Baugruppe während des Aufnehmens und des Absetzens bewegen. Bei den meisten Maschinen wird das Vorhandensein einer Komponente auf der Düse durch einen Vakuum-Kontrollmechanismus geprüft. Üblicherweise bewegt sich der Kopf erst dann nach oben, nachdem das Vakuum einen Grenzwert erreicht hat, der bei einigen Maschinen programmierbar ist. Hier kann Zeit eingespart werden, wenn der Kopf sich bereits nach oben bewegt, wenn das Vakuumniveau beim Prüfen auf BauteilpräsenzVorhandensein des Bauteils 30 % erreicht hat. Somit kann die Maschinenleistung erhöht werden, ohne ihre Funktion zu gefährden.

Ein weiteres Kriterium zum Erreichen der Höchstleistung bei den meisten Automaten mit Mehrkopf-Baugruppen ist das Optimieren der Frequenz und Effizienz bei der gleichzeitigen Komponentenaufnahme. Ziel ist hierbei ein Verringern der Entfernung, die von den Köpfen zurückzulegen ist. Bei einer großen und komplexen Leiterplatte, die einen Großteil der Feeder-Plätze der Maschine beansprucht, ist ein technisch ausgefeiltes Optimierungspaket erforderlich. Bei den meisten Maschinen ist ein zeitgleiches Aufnehmen nur aus einem einzigen Feeder-Typ möglich. Dies führt zu vermehrten Forderungen nach höherer Leistung, weil dieser Umstand zu einer verlängerten Durchlaufzeit führt. Die gleichzeitige Aufnahme aus jeder Kombination von Tape-Feedern der Größe 8 bis 44 mm liegt jedoch nicht in der Konstruktion der Maschine, sondern in der Konstruktion des Feeders begründet.

Um die Fertigungs-Anforderungen heutiger Flach-Baugruppen zu erfüllen, müssen Automaten mittleren Bestückungsvolumens eine Reihe von Düsenwechsel während eines Bestückungszyklus vornehmen. Je eingeschränkter die Anzahl der pro Düse setzbaren Komponenten ist, desto mehr Wechsel sind erforderlich, um alle Bestückungsköpfe nutzen zu können. Die tatsächlich zum Düsenwechsel benötigte Zeit kann je nach Maschinentyp zwischen 1 und 5 s pro Wechsel liegen. Eine sorgfältige Analyse sowohl des Komponentenbereichs als auch der resultierenden Wechselzeit ist daher ratsam.

Vision-on-the-Fly-Systeme, bei denen ein Vermessen der Komponenten ohne Unterbrechung der Kopfbewegung erfolgt, führen nicht zu Differenzen zwischen optimaler Taktzeit und tatsächlichem Durchsatz. Das Vermessen der Komponenten durch Anhalten im Inspektions-Bereich der CCD-Kameras nimmt dagegen je nach Maschinenkonstruktion weitere 1,5 bis 5 s in Anspruch. Obwohl diese relativ langsamen Vorgänge nicht in den Berechnungen der optimalen Taktzeit enthalten sind, kann die Auswirkung auf den tatsächlichen Durchfluss durchaus erheblich sein.

Je nach Maschinenkonstruktion können nicht alle Feeder von allen Köpfen erreicht werden, besonders wenn zwischen den einzelnen Köpfen einer Mehrkopf-Baugruppe ein großer Abstand liegt. Durch eine nicht optimale Konstruktion des Automaten können zusätzliche Düsenwechsel notwendig und die Möglichkeiten zur gleichzeitigen Aufnahme eingeschränkt werden. Zusätzlich muss in Betracht gezogen werden, dass die Funktion der Optimierungs-Software eingeschränkt werden kann. Diese Probleme können praktisch nur durch eine entsprechende Maschinenkonstruktion gelöst werden.

Das Beschicken der Magazine mit Fine-Pitch-Komponenten und ihr Wechsel kann erhebliche Zeit in Anspruch nehmen. Da Magazine im Vergleich zu Tapes nur sehr wenige Komponenten aufnehmen können, kann das Wiederauffüllen erhebliche Ausfallzeit verursachen. Der wirtschaftlichste Ansatz zur Magazinbeschickung ist das manuelle Beladen des Bestückungsautomaten. Dieses Verfahren erlaubt jedoch nur eine beschränkte Anzahl von Magazinen, was zu einer erheblichen Interaktion des Bedieners führt und die Effizienz der Maschine senkt. Alternativ kann ein automatischer Magazinwechsler auf der Maschine angebracht werden, der den Wechsel direkt in die Workstation ermöglicht. Dieser belegt jedoch Feederplätze und die Leiterplatten-Breite ist wegen des Hineinragens des Magazins in den Arbeitsbereich eingeschränkt. Eine bessere Alternative bildet ein Sequenzer-Modul, das üblicherweise einen Shuttle-Mechanismus enthält, die Tray-Komponenten in den Arbeitsbereich der Maschine transportiert und zurückgewiesene Bauteile wieder zurückbringt.ausgibt. Die Leistung wird erhöht, wenn der Sequenzer parallel zur Maschine arbeitet, also die Komponenten setzt, während der Sequenzer Magazine austauscht oder Bauteile transferiert. Die Konstruktion des Shuttle sollte den gleichzeitigen Transfer mehrerer Bauteile ermöglichen, da hierdurch die Wechselzeit pro Teil gesenkt wird.

Beim Verarbeiten unterschiedlicher Tray-Komponenten sollten mehrere Typen auf einder Magazinpalette angeboten werden. Dies erlaubt dann die gleichzeitige Eingabe von verschiedenen Fine-Pitch-Bauelementen in den Sequenzer-Shuttle und minimiert gleichzeitig die Wechsel. Für eine ununterbrochene Produktion in Anwendungen mit kurzen Taktzeiten muss der Bestand an Magazinen so hoch wie möglich sein, um die Stillstandszeit durch notwendige Eingriffe durch den Bediener so gering wie möglich zu halten. Außerdem sollte das Auffüllen von Magazinen während des laufenden Betriebs der Maschine möglich sein, ohne die Ablaufsteuerung anhalten zu müssen.

Eine geringe Entfernung zwischen Kamera(s), Düsen-Wechseleinheit, Feedern, Sequenz-Shuttle und eventuell der Front-Förderschiene, garantiert auch die Nähe der Leiterplatte zu den wichtigsten Maschinenmodulen und gewährleistet damit minimale Bewegungszeiten beziehungsweise ermöglicht einen hohen Durchsatz (Bild 2).

Bei einer Kaufentscheidung kann es sich auszahlen, wenn die Differenzen zwischen der optimalen Taktzeit und dem tatsächlichen Durchsatz eines Bestückungsautomaten folgendermaßen bestimmt wird:

•Analyse einer beschränkten Anzahl von Automaten im Hinblick auf die genannten Faktoren

•Auswahl einer durchschnittlich komplexen Platine für eine Studie der Vergleichswerte, Senden dieser Platine und ihrer Darten an die Maschinenlieferanten für eine Kalkulation, die Plattentransfer, Bezugswertkorrektur, Düsenwechsel

•Besuch beim Lieferanten (oder Anforderung eines Videos) zum Prüfen des tatsächlichen Durchsatzes sowie des Angebots an Dienstleistungen, Training, Services und Ersatzteilen.

Die beste Lösung wäre eine branchenweite Vergleichsplatine, die von allen Benutzern und Lieferanten unterstützt wird. Bis dies jedoch umgesetzt wird, müssen sich potentielle Käufer auf ihre eigenen Analysen bzw. empirische Forschungen verlassen.

EPP 187