CompactRIO ermöglicht wegweisende Fortschritte bei der Inspektion elektronischer Baugruppen

Alan Smith, Amfax Limited

"Das CompactRIO-System hat sich als absolut zuverlässige und kosteneffiziente Lösung für diese leistungsstarke, innovative Anwendung erwiesen. Der Einsatz von CompactRIO als Steuerungseinheit hat die Entwicklungszeit erheblich verkürzt und die Ausführung der verschiedenen unabhängigen Prüfschritte mit viel strafferen Zeitvorgaben ermöglicht, als der sonst bei den meisten SPSen üblichen Taktung von 1 ms."

- Alan Smith, Amfax Limited

Die Aufgabe:

Entwurf und Entwicklung einer bahnbrechenden Prüftechnik durch dreidimensionale Inspektion zur Qualitätsverbesserung gefertigter elektronischer Baugruppen

Die Lösung:

Kombination der FPGA-basierten Hardware CompactRIO mit den Vorteilen der Software LabVIEW für die Erstellung von Benutzeroberflächen zur Entwicklung des derzeit genauesten Prüfsystems für elektronische Baugruppen, mit dem OEMs und CEMs die Kosten für die Inspektion elektronischer Baugruppen über den gesamten Lebenszyklus reduzieren können

 

 

Amfax, seit 23 Jahren einer der globalen NI Platinum Alliance Partner, entwirft und fertigt Lösungen im Bereich Prüftechnik für Kunden weltweit. Zu unserem breiten Kundenstamm gehören führende Unternehmen im Luft- und Raumfahrt-, Eisenbahn-, Transport-, Energie-, Telekommunikations- und Unterhaltungselektroniksektor.

 

Viele Unternehmen in der Baugruppenfertigung stehen bereits seit vielen Jahren vor einem Problem: dem genauen und wiederholten Überprüfen elektronischer Baugruppen auf korrekte Bauteilplatzierung und hochwertige Lötstellen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit in der Anwendung. Dieser Herausforderung sind wir mit der Entwicklung des a3Di-PCBA-Prüfsystems begegnet.

 

Anfangs wurde die Sichtkontrolle von Baugruppen am Ende des Produktionsvorgangs von einem menschlichen Prüfer durchgeführt. Als dies unwirtschaftlich wurde und sich aufgrund der kurzen Konzentrationsspanne der menschlichen Prüfer nur bedingt wiederholen ließ, stellten vielen Unternehmen auf Systeme für die automatische optische Inspektion (AOI) um. Diese automatischen Systeme verwenden Kameras anstelle von Prüfern, um Bilder der Leiterplatte aufzunehmen und diese bei einem anschließenden Vergleich mit einem Referenzbild auf Fehler bei den elektronischen Baugruppen zu untersuchen. Die Systeme bieten erhebliche Vorteile gegenüber dem Prüfverfahren durch den Menschen.


Bei AOI-Systemen werden die aufgenommenen Bilder mit Referenzbildern abgeglichen. Ein Unterschied zwischen den Bildern erzeugt eine Fehlermeldung im System. Viele dieser Fehler sind zwar keine tatsächlichen Fehler, werden aber vom System als mögliche Fehler gekennzeichnet. Der Bediener des Systems fällt dann die endgültige Entscheidung darüber, ob die Leiterplatte fehlerhaft ist oder nicht. Diese möglichen Fehler werden als Pseudofehler bezeichnet.

 

Der Anteil von Pseudofehlern bei 2D- und 3D-AOI-Systemen führt dazu, dass bei der Prüfung elektronischer Baugruppen immer ein Bediener anwesend sein muss. Dadurch entstehen zusätzliche Betriebskosten. Zudem muss der Bediener die Maschine jedes Mal anhalten, wenn ein möglicher Fehler identifiziert wird, um die Baugruppe zu überprüfen und darüber zu entscheiden, ob ein echter Fehler vorliegt oder nicht.

 

 

 

Wodurch zeichnet sich das a3Di-System aus?

Das a3Di-System von Amfax geht mit einem ganz anderen Ansatz an diese Herausforderungen heran. Das System nutzt eine auf Doppellasern basierende Messtechnik, um Millionen von Messungen von drei Achsen (xyz) mit einer Genauigkeit von unter drei Mikrometern zu erfassen. Es tastet die gesamte elektronische Baugruppe innerhalb weniger Sekunden ab. Anschließend können die Messungen mit den ursprünglichen CAD-Daten vergleichen werden, um Probleme mit Lötstellen, Lage und Ausrichtung der Bauteile, Fremdkörper oder Verzüge der Leiterplatte zu identifizieren. Da das a3Di-System Tests anhand realer Messungen durchführt, ist kein Bediener erforderlich, da keine Pseudofehler auftreten: Entweder besteht die Leiterplatte den Test oder nicht. Darin liegt der Vorteil des Testens anhand echter 3D-Messungen im Vergleich zur automatischen optischen Inspektion.

 

Bei Einsatz eines a3Di-Systems werden somit die Kosten für mindestens einen Bediener eingespart und der Produktdurchsatz wird erheblich gesteigert, da Tests kontinuierlich und ohne Anhalten der Maschine laufen können. Ein Hersteller von Unterhaltungselektronik in Asien testet pro Tag beispielsweise über 18.000 Leiterplatten mit einem a3Di, was eine deutliche Verbesserung im Vergleich zur vorherigen Lösung darstellt.

 

 

 

CompactRIO: Das Herzstück der Maschine

Das a3Di-Steuerungssystem verwaltet alle Aspekte des Maschinenbetriebs. Wir entschieden uns beim a3Di für ein CompactRIO-Steuerungssystem, das einen FPGA und die Digital-I/O-Hardware NI-9375 beinhaltet. Die CompactRIO-Lösung steuert folgende I/O und Sensoren des a3Di:
• Motoren der Maschine
• Bedienschalter
• Optische Positionssensoren
• Wechselrichter
• Vor- und rückwärtslaufende Transportbandsteuerung gemäß SMEMA (Surface Mount Equipment Manufacturers Association)
• Signalsäule
• Pneumatik
• Manuelle Einstellung der Breite der Leiterplatten
• Not-Aus des Systems

 

Beim a3Di handelte es sich um eine ganz neue Entwicklung für Amfax. Als NI Platinum Alliance Partner zogen wir sofort den Einsatz von CompactRIO in Betracht. Das CompactRIO-System hat sich als absolut zuverlässige und kosteneffiziente Lösung für diese leistungsstarke, innovative Anwendung erwiesen. Der Einsatz von CompactRIO als zentrale Steuerungseinheit hat die Entwicklungszeit erheblich verkürzt und die Ausführung der verschiedenen unabhängigen Prüfschritte mit viel strafferen Zeitvorgaben ermöglicht, als der sonst bei den meisten SPSen üblichen Taktung von 1 ms.

 

Unsere Entwickler (mit Zertifizierungen als CLD bzw. CLA) arbeiteten mit dem technischen Support in den NI-Niederlassungen in Großbritannien und Irland zusammen. Der Support half dem Team bei einigen spezifischen Herausforderungen bezüglich der Steuerung, die während des Systementwurfs aufkamen.

 

LabVIEW: Die naheliegende Wahl in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit

Die Entscheidung für den Einsatz von LabVIEW fiel schon zu einem frühen Zeitpunkt der a3Di-Produktspezifizierung, und zwar nicht nur zur Steuerung, sondern auch als Benutzeroberfläche zur Bedienung des Systems. Dank der Möglichkeit, hochwertige und ansprechende Benutzeroberflächen flexibel zu erstellen, ist das Software-Frontend des a3Di zu einem Alleinstellungsmerkmal geworden.

 

Wir haben für unser a3Di-System NI-Komponenten verwendet, um eine hochwertige, innovative und umfassend unterstützte Lösung für OEMs und CEMs bereitzustellen, die ihre Prüfprozesse für elektronische Baugruppen verbessern und ihre Betriebskosten deutlich verringern wollen.

 

Das a3Di bietet Herstellern elektronischer Baugruppen zudem neue Wettbewerbsvorteile und ein Alleinstellungsmerkmal gegenüber Kunden. Sie können dank des a3Di erzielte Einsparungen weitergeben und gewährleisten, dass die hergestellten Leiterplatten durch das genaueste auf dem Markt erhältliche System getestet wurden.

 

Unsere Technologie fand schnell entsprechende Anerkennung. Das Innovation Department der britischen Regierung würdigte das a3Di als einen bedeutenden Fortschritt bei der Fertigung. Amfax gehörte mit seinem a3Di-System zu den Finalisten, die 2016 von Innovate UK im britischen Parlament ausgezeichnet wurden.

 

 

 

Informationen zum Autor:

Alan Smith
Amfax Limited
Clump Farm Industrial Estate
Blandford, Dorset
United Kingdom
Tel: +44 (0) 1258 480777
alans@amfax.co.uk

Abb. 1: Das a3Di-Entwicklungsteam von Amfax
Abb. 2: 3D-Bild der a3Di-Messdaten: Die abgebildeten Farben stehen für die Höhe, mit einer Auflösung entlang der z-Achse von weniger als einem Mikrometer. Der blaue Abschnitt im oberen Bereich deutet auf eine verzogene Leiterplatte hin. Auf einigen der integrierten Schaltkreise sind mittels Laser eingravierte Bauteilinformationen zu sehen.
Abb. 3: CompactRIO als Herzstück des a3Di-Steuerungssystems
Abb. 4: Mit LabVIEW entwickelte Benutzeroberfläche des a3Di-Hauptsystems
Abb. 5: Kundenlösung und Einzelheiten zur Auszeichnung durch UK Innovation auf der Website der britischen Regierung