面向锡膏印刷的预测性维护方法
研究背景及意义
图1
随着“智能制造”概念的提出,越来越多的国家认识到了工业强国的紧迫性，相继颁布了适合自身国情的工业强国方针。美国智能制造联盟于2011年发表了“实现 21世纪智能制造”报告，主要通过融合信息物理生产系统、物联网、机器人/自动化、大数据和云计算等技术，来控制和改善供应网络各个层面的制造业务，实现数据驱动的供应协调，进而实现全厂优化、可持续生产、敏捷供应链等目标。德国在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出了《德国工业4.0战略计划实施建议》，作为第四次工业革命，其核心目标是提升制造业的智能化水平，建立一种具有自适应性、灵活性和数字化的产品生产模式。2015年5月，我国正式提出了《中国制造 2025》计划，表明我国将建设制造强国的总体战略上升到了国家层面，指出了要以创新驱动为发展主题，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推动智能制造为主攻方向,实现我国制造业由大变强的历史性跨越。
电子信息制造业具有当前全球创新最活跃、带动性最强、渗透性最广等特点，是国民经济的支柱产业，也是“中国制造2025”重点关注领域。而电子信息制造业主要通过表面贴装技术(SMT)实现PCB的加工和生产。 SMT诞生于上世纪60年代，由混合集成电路技术发展而来的新一代电子装联技术，以采用元器件表面贴装技术和回流焊接技术为特点，成为电子产品制造中新一代的组装技术。SMT的广泛应用，促进了电子产品的小型化、多功能化，为大批量生产、低缺陷率生产提供了条件。 SMT就是使用一定的工具将无引脚的表面贴装元器件准确地放置到经过锡膏印刷的PCB焊盘上，然后经过波峰焊或回流焊，使元器件与电路板建立良好的机械和电气连接。如图1所示，SMT仍然在稳定扩大市场规模，并预计在2030年达到约90亿美元。
锡膏印刷环节则是SMT中最为核心的环节之一。在SMT产线中绝大部分的故障和残次品都发生在锡膏印刷环节，一旦锡膏印刷机出现故障将极大降低SMT产线的生产效率，因此面向锡膏印刷的预测性维护尤为重要。实施面向锡膏印刷的预测性维护有利于提高制造过程的效率和可靠性，减少生产中断和成本。具体而言：
提高设备可靠性：通过开展预测性维护研究，可以监测和分析锡膏印刷设备的运行状态和健康状况。这有助于及时发现潜在问题，避免突发故障，并采取相应的维护措施，以提高设备可靠性和稳定性。 降低停机时间：通过实施预测性维护策略，可以在设备出现故障之前进行维修或更换关键部件。这可以减少非计划停机时间，提高生产线的连续运行能力，从而增加生产效率和产能利用率。
总之，面向锡膏印刷的预测性维护方法的研究意义在于提高生产效率、降低成本、增强设备可靠性，并推动制造业向智能化、高效化方向发展。
研究现状
锡膏印刷环节良率不达标的主要原因大致可分为两点：第一，锡膏印刷机出现硬件故障；第二，锡膏印刷机非硬件故障导致的印刷异常。
首先是锡膏印刷机出现硬件故障。面对硬件故障，通常会采用剩余使用寿命预测的方式预估故障发生时间，以便合理安排维修计划。剩余使用寿命预测方法可大致分为基于模型、基于数据驱动的预测方法。基于模型驱动的剩余使用寿命预测方法，主要聚焦于机械装置的物理失效机制，深入探究其根本性失效因素。数据驱动方法利用人工智能的方法根据机器及其主要部件的传感器收集的监测数据来预测机器及其主要部件的有效使用时间，通常不需要大量的专业知识来预测机器及其主要部件的有效使用时间。
然后是锡膏印刷机非硬件故障导致的印刷异常。对于非硬件故障导致的异常通常可以采用预测异常，针对性的调整印刷参数的方式进行回避。目前的研究是在生产前评估参数是否合理，能否稳定的生产良品。生产过程中实时的根据印刷质量调整参数的研究是缺失的。
研究内容
首先，研究稀缺标签数据下锡膏印刷机关键部件的剩余寿命预测问题：在实际工业场景下剩余使用寿命数据采集的成本是非常昂贵的，已有的方法难以建立有效的剩余使用寿命预测模型。而锡膏印刷机作为PCB生产的重要设备，一旦出现故障会极大地影响生产效率，因此有必要对关键部件建立剩余使用寿命预测模型，以便合理规划维护计划。
其次，研究锡膏印刷异常预测问题：锡膏印刷异常是PCB在锡膏印刷过程中不符合生产标准的缺陷。对生产效率有重大影响。对于典型的笔记本电脑制造商来说，锡膏印刷异常基本上占锡膏检查中印刷PCB总数的10%。根据我们的调研，即使通过了锡膏检查，仍有大约50-70%的PCB缺陷可以追溯到锡膏印刷环节。 因此对锡膏印刷异常进行预测是有必要的，为规避锡膏印刷的残次品做准备，可以极大降低返修成本。
然后，研究基于锡膏印刷质量的动态调整锡膏印刷参数问题：当我们能提前感知到锡膏印刷异常的出现，那么我们可以通过调整锡膏印刷机的相关参数，尽可能地规避锡膏印刷的残次品，可以极大降低返修成本。
此外，研究基于锡膏印刷质量对元件贴装缺陷进行复判：工厂为了保证出货的良品率，会对元件贴装进行极其苛刻的检测，因此会存在大量的缺陷误报。因此对于机器检测结果为残次品的PCB会进行二次人工复判。人工复判面临低效，成本高的挑战，因此有必要探索能快速且廉价的对残次品进行二次复判的方法。根据调研，锡膏印刷质量检测结果和元件贴装缺陷存在一定关联，因此我们试图通过锡膏印刷质量对元件贴装缺陷进行复判。