SMT贴片机结构特性介绍

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       尽管现在市场上有上百种各种各样的贴片机，其性能、参数和自动化程度多种多样，但基本功能都是将元器件正确、准确、快速地贴装到印制电路板上。因此，在主流贴片机中，具有一些共性的结构特性，了解这些特性，有助于举一反三，抓住贴片机的主要特征，从而全面把握贴装技术。

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一、转塔式结构

转塔式结构（Turret Head）是以前高速贴片机最常用的结构。这种结构自从20世纪80年代问世以来，很长一段时间都是高速贴片机的主力机型。这种结构通常都有一个固定的转塔在旋转的同时进行元件的吸取、照相、贴装和吸嘴的更换等，元件送料器由在机器后面进行往复运动的料车供给，线路板由X、Y工作台带动来实现高速贴装。由于采用了凸轮联动，机械结构较为稳定，在贴装小型元器件时的效率很高，速度较快，目前最快的转塔式贴片机的理论速度已达到了50000 点/h以上。但由于机械结构的限制，采用这种结构的贴片机的速度已经发展到了极限，已经很难再提高。转塔式结构示意图及贴片头如下图所示。

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1、转塔式结构优缺点

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（1）转塔式结构的优点

• 多达6 个不同尺寸的吸嘴适用于转塔上的任何贴片头，工作中不需要更换吸嘴。也就是说，任何吸嘴都能够随时拾取元件，取消过多的和不必要的运行操作步骤。• 视觉系统安装在转塔式贴片机的拾取点和贴片点之间，可以在“飞行”中进行图像处理。• 简单的机械齿轮传动式转塔设计可保持供电用电缆、伺服系统、编码器、传感器和摄像机等静止不动，这样不会由于运动产生的恒定弯应力使线路断裂而出现的电气问题（例如，当台架始终不断从送料器向摄像机和电路板运行时可能出现故障）。• 现在转塔式贴片机的贴片速度可达54500 点/h以上（如HT122）。而最好的单头台架式贴片机仅能贴装约15000 点/h。为使台架式贴片机达到同等的速度需要多台机器，这就意味着，将有更多的零部件需要维护、润滑、校准和返修。• 使用转塔式设计，只在贴片机的一侧安装送料器。这样，可使贴片机前后宽度减少1 m左右，为此，就不必在生产线的另一侧额外安装送料器和元件储存装置，从而减少了整个操作区域的面积。

（2）转塔式结构的缺点

• 由于机械结构的限制，其贴装速度已经达到极限，不能够再大幅度提高，而且占用空间太大，噪声大。• 转塔式贴片机只能贴装带式包装或者散料包装的元件，而管料和盘料就无法进行贴装。• 转塔式贴片机相对PCB贴装部位而言其贴装头位置是固定的，PCB通过沿X-Y方向运行使其精确的定位于规定的贴片位置，由于高速运动产生的震动，会使已经贴好的元件发生位置偏移，最终影响贴片精度。• 可贴装元件范围限于片式元件，不适合贴IC器件。
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（3）转塔式结构的局限性

转塔式结构在运动时，由于真空吸嘴上径向加速度的最大允许值受限而使贴装速度受到限制。吸嘴上的器件承受加速度矢量力的作用。此矢量是离心力和切向力两者的合力，该作用在器件上的合力和器件与吸嘴端面间的摩擦力保持平衡。此摩擦力受到吸嘴端面吸力大小以及器件/吸嘴两者间摩擦系数的制约。

根据机械运动工程力学计算，器件与吸嘴间最大允许加速度常规不超过50 m/s2。所以当需要高贴装产量时，转塔的直径应减小。制约转塔结构贴片机贴装速度的另一个因素是：PCB上先贴器件允许的加速度最大值，通常此值为7～10 m/s2。

转塔时间有3 个时间确定周期：转塔移位运动加速限制、PCB运动加速限制以及送料器移位运动限制，在这3 个时间周期中，最长的周期是转塔结构贴装产量的制约因素。另外PCB上两个贴装位置间间距超过30mm，会造成贴装产量降低50%，两个送料器间的变换时间也会对产能造成影响。大尺寸封装及体积重的器件也会减少贴装产量。这是由于贴装此类器件是在全部小尺寸器件贴装完成后，贴装周期的终端才进行贴装。

所以转塔式贴片机多用于阻容式元件多，装配密度大的场合，像计算机板卡、手机和家电等产品。

2、转塔式结构特点

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转塔式贴片机的主要结构可以简单地分为以下3个部分（如下图所示）。

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（1）线路板传送及工作台

线路板由上端传送轨道送入机器的载入轨道，再送入工作台。工作台进行 X、Y 方向的移动从而实现不同坐标元件的贴装。当元件贴装完毕后，线路板由工作台送至送出轨道和下端传送轨道。一般线路板在载入轨道和送出轨道都为皮带传送，进入工作台时由气动或电动推动臂将线路板从载入轨道推至工作台，时间为2.5～4s。在富士（FUJI）的CP系列，采用的是搬运爪搬运方式，用工作台上的搬运爪将线路板从载入轨道上抓下来，贴装完毕后再送到送出轨道上，使线路板的传送时间仅为1.4s。

工作台带着线路板在转塔贴装头下按照贴装程序中设定的位置在 X、Y 方向上运动定位。转台式贴片机的X、Y工作台一般采用伺服电动机驱动、编码器反馈全闭环控制。

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（2）元件吸取、识别、校正和贴装的转塔（Turret）

元件从送料器上吸取后，经过检查、识别、校正和角度更正后贴装在线路板上，然后将未通过识别的元件抛掉，再更换吸嘴和预旋转，准备下一次吸料。转塔式贴片机的转塔一般有12～24个贴装头。下面以12贴装头的转塔为例，介绍贴装头在各位置时的功能。

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每一个贴装头一般有5～6 只吸嘴，有的在一个圆环内呈环形分布，也有呈星形放射状分布的，可根据元件的需要选用合适的吸嘴。由于元件在料带中并不一定是在中心，所以吸嘴在吸料时根据上一次校正的吸料偏差进行补正。吸嘴呈环形分布的贴装头可以通过转塔的旋转和贴装头的旋转来补偿吸料 X、Y 方向的微量偏差；吸嘴呈星形放射状分布的贴装头，通过转塔的旋转来补偿吸料 X方向，通过 Y轴凸轮的转动来补偿吸料 Y方向的偏差（如下图所示）。

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由于元件的大小和重量不一，转塔在处理不同大小和重量的元件时的速度也不同。对于较小的元件，如0201，0402，0603 和0805 等，转塔一般可以全速转动和贴装；对于较大元件，如钽电容、SOIC、PLCC和QFP等元件，转塔需要在所有的过程中降速。如果在转塔上有一个贴装头上的元件需要降速，整个转塔的速度将会随着这个元件的需要而下降。

元件在识别时可以采用不同的灯光和强度，如前光、侧光和背光等。转塔式贴片机的元件在识别时只能采用一次识别，不可以进行多视野识别。

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（3）元件供应和切换的送料器料车（Feeder Carriage）

安装送料器的料车在机器后面进行往复运动，以便贴装头随着转塔运动转到12 点钟的位置吸取需要的元件。由于贴片元器件是装在需要高速进行往复运动的送料器料车中，元器件必须在稳定的容器内，所以这种结构的贴片机只能接受带装元件和盒装散料。转塔式贴片机的送料器都采用机械式送料器（如下图所示），当料车将需要的送料器送到12 点钟贴片头吸料的位置时，在贴片头后有一个机械推杆推动送料器的压簧，送料器进行送料。转塔式高速机的送料器由于是机械式的，需要按照元器件料带的宽度不同、材料不同和步进的距离不同而准备不同的送料器。

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转塔式高速机的送料器切换时间一般会比理论元件贴装时间较长，如环球的4797 系列的理论贴装时间为0.072 s，而送料器切换的时间为0.09 s。因此在程序编辑优化时，应尽量考虑减少送料器料车的切换。

二、拱架式结构

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拱架式结构又称动臂式结构，也可以叫做平台式结构（Platform）或者过顶悬梁式结构（Overhead Gantry）。现在几乎所有的多功能贴片机和中速贴片机都采用这种结构。

这种结构一般采用一体式的基础框架（Base Frame），将贴装头横梁的X、Y定位系统安装在基础框架上，线路板识别相机（下视相机）安装在贴装头的旁边。线路板传送到机器中间的工作平台上固定，送料器安装在传送轨道的两边，在送料器旁安装有元件识别照相机（如下图所示）。

（1）X、Y定位系统

在较为经济的中速贴片机中，X、Y驱动系统采用电动机丝杠驱动，编码器反馈。一般多功能贴片机和部分较高精度的中速贴片机采用电动机丝杠驱动，线性光栅尺反馈；也有的较高精度的贴片机采用线性电动机驱动，线性光栅尺反馈。根据功能和速度的要求不同，可以采用不同的横梁数量，安装不同数量的贴装头（如下图所示）。

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① 单横梁单头。横梁在基础框架上沿Y轴运动，贴装头在横梁上沿X轴运动，线路板上基准点的识别及元件的吸取、识别、校正和贴装都由一个贴装头完成。

② 单横梁双头。在单个横梁的两边都装有贴装头，前面的贴装头在前面的送料器吸取和贴装元器件，后面的贴装头在后面的送料器吸取和贴装元器件。一般，在单横梁两侧所安装的贴装头的功能、元件范围及精度不完全相同，以便整个机器有更高的灵活性和更大的元件范围。

③ 双横梁双头。机器的基础框架上装有两个横梁，每个横梁上分别装有一个贴装头。当线路板进入工作平台，前贴装头在进行基准带识别时，后贴装头可以先吸料；当前贴装头开始吸料时，后贴装头就可以先贴装元件。双横梁结构也可以安装两个功能不一样的贴装头，使得整个机器有更高的灵活性和更大的元件范围。

④ 有的拱架式贴片机采用横梁在机器的基础框架上沿 X 轴运动，贴装头在横梁上沿 Y轴运动。元件的识别相机安装在 Y 横梁上，当贴装头的各吸嘴吸取完元件后，经过元件识别相机的上方时即可识别和校正。

⑤ 还有一种拱架式结构的贴片机，它的横梁固定在机器的基础框架上，一个或两个贴装头在横梁上沿 X 方向运动，吸取和照相校正贴装元件，并在线路板上产生 X 轴的位移。线路板由传送板的装置送至工作台后，工作台沿 Y 方向运动，控制线路板 Y 轴的位移（如下图所示）。

（2）贴装头系统

传统的拱架式结构的贴装头有单吸嘴结构和多吸嘴并列结构（如下图所示）。单吸嘴贴装头在一个贴装循环中只能贴装一个元件，相对贴装的精度较高。多吸嘴并列贴装头有着2～12 个并列平行的吸嘴贴装轴（Spindle），在一个贴装循环中可以吸取、校正和贴装多个元件，从而可以提高贴装的速度。

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在多吸嘴并列结构的贴装头中，吸嘴与吸嘴之间的距离和送料器各轨道之间的距离相同，在使用相同的送料器时，多个吸嘴能够同时下降到送料器的高度来同时吸料（Gang Pick），这样可以提高吸料的速度。

由于贴片元件的大小不一，而贴片头上贴装轴的数量有限，因此在拱架式贴片机上一般都有一个专门的吸嘴储藏机构（Nozzle Stocker），供贴装头在需要时进行吸嘴更换，以便贴装头采用合适的吸嘴来吸取和贴装元件。

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（3）元件识别系统

一般拱架式结构贴片机的元件识别相机安装在线路板传送轨道的旁边，贴片的步骤为：吸料→在固定照相机上识别校正→贴装（如下图所示），这也叫一个贴装循环（Task Block）。有的贴装头上配备有头上移动照相机（On the Head Camera），对于较小的物料可以实现吸料→在移动中同时照相校正→贴装，从而减少元件校正时间，提高了贴装速度。

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元件在识别时可以采用不同的灯光和强度，如前光、侧光和背光等。拱架式结构的元件在上视相机识别时对于元件大小超过相机的一个视野的元器件可以采用多视野识别。

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（4）元件供料系统

拱架式结构贴片机可以接纳不同形式元件包装的送料器，如卷带装、管装、托盘装和散料盒装。有的卷带装送料器为电动送料器，不需要机械推动或者气动，送料器内置驱动电动机，并且可以调整送料器步进的跨距，减少备用送料器的数量。拱架式多功能贴片机还可以接纳立式插件元件送料器、铆钉送料器和晶圆盘的倒装芯片送料器等异型送料器。

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三、平行式结构

平行式结构（Parallel）也叫并行式结构，这是一种模块组合（Modular）式结构。一部分生产厂商根据模块单元能否独立构成贴装功能，又把这种结构分为模块式和模组式两种，其中组合单元具有单独贴装元件功能的称为模组式贴片机，而组合单元不具有单独贴装元件功能的称为模块式贴片机。对于模组式贴片机而言，每个模组单元都相当于一台简单的拱架式结构的贴片机。

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1、简单平行式结构贴片机

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早期的简单平行式结构贴片机也可以看做一条贴片生产流水线。当线路板运行到流水线的某一个工位时停下时，在这个工位上会有一些固定的装有真空吸嘴的机械臂将元件从送料器中同时吸取，再同时贴装到线路板上固定的位置，然后再到下一个工位贴装其他元件，直到所有元件完成。在线路板上的每一个元件贴装位置需要一个贴装机械臂来贴装，流水线的长度和贴装机械臂的多少可根据产品贴装元件的数量来配置。

这种简单平行式贴片机的优点是：

① 结构简单，相对成本较低。

② 由于多个机械臂同时吸料和贴装，所以整机的贴装速度也较快。

但这种简单平行式结构的缺点也是显而易见的：

① 线路板没有基准点校正，元件一般也没有对中系统，靠贴装位置的调校来实现准确贴装。机器的精度一般只能贴装0603（英制）以上的元件和1mm以上跨距的IC。

② 每一个贴装位置都需要占用一个机械臂来吸取和贴装，对于元件数量多的产品需要大量的机械臂来贴装，而且整个流水线将会很长。

③ 机器的灵活性很差。由于每一个贴装位置都需要机械调校，元件数量多的产品需要花费大量的时间来调校。因此一般只适合产品较为简单、精度要求较低、产量较大、一般不频繁转线的产品。

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2、模块式结构超高速贴片机

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模块式结构超高速贴片机是从简单平行式结构的贴片机发展而来的，它克服解决了简单平行式结构的很多缺点。如下图所示是一种模块式结构超高速贴片机实例。

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这种贴片机的结构可以分为机器的基座和各贴装模块两部分。

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机器的基座包括线路板在机器内的传送，线路板传入轨道和线路板传出轨道。线路板由上端机器传入机器后，在机器的内部有多个工作台行进接力传送，在线路板经过每个贴装模组时，都会有元件贴装到线路板上，直到整个线路板贴装完成后传出机器。

机器的各贴装模块都类似一台窄的拱架式贴片机，具有X、Y定位系统驱动的单吸嘴贴装头。每个贴装头都可以安装线路板识别相机，可以分别进行线路板基准点的校正。较小的元件可以用激光平行校正，较大的元件也可以用上视相机进行校正。每个贴装头还可根据需要更换吸嘴。

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这种结构的优点如下：

① 线路板的传送和元件的贴装都同时进行；各机械贴装臂的元件贴装也同时进行。整个机器的贴装速度快，贴装效率高。

② 模块式的结构，可以根据贴装元件的多少和速度的需要来配置模块的数量。

③ 每个模块都有相近的产能，可以自由更换。每个模块上的贴装头具有单独的X、Y定位系统，类似于一台小型贴片机。

④ 元件的校正模式有激光和照相机两种，兼顾高速、高精度和多功能。

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但这种结构也还有如下一些缺点：

① 机器的灵活性相对较差，产品更换的时间相对较长。

② 元件的供料方式只能接受卷带装和散料盒装，对于盘装和管装不能接受。

③ 每个模块只有一个吸嘴在进行取料和贴装，整个机器有过多的时间浪费在贴装头X、Y方向的移动上。

④ 机器的元件贴装范围还不能覆盖所有的元件，对于一些大型元件还需要专门的多功能贴片机。

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3、模组式超高速多功能贴片机

在平行式结构中有一种功能较为完善的超高速多功能贴片机，可以覆盖所有常见的元件范围，并且可以接受所有的元件包装形式，可作为电子生产线中贴片机的整体解决方案。NXT是这种贴片机的一个实例。

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这种贴片机的主要结构也可以分为基座和各贴装模组。

（1）基座NXT的基座与AX501的不同，它不负责线路板的传送，它主要负责给各贴装模块提供电、气、中心控制平台。NXT的基座可以分为两种：4M为可安装4 个窄模组（M3）的基座；2M为为可安装2 个窄模块的基座。

（2）贴装模块

① 传送由各模块完成，每个模块的轨道都相当于一个工作台。

② M3的模块的宽度为325mm；M6的模块的宽度为650mm。当M3模块上贴装线路板长度超过280mm时，需要双模块生产。

③ 在各模块都可以安装贴片吸嘴数分别为12，8，4 和1 的贴装工作头，从而实现从高速贴装小型片状元件到精确贴装高精密度元件以及异型元件的贴装。

④ 每个模块都可以接纳各种元件包装，托盘供料器一般安装在机器的M6模组上，在机器的后段。

⑤ 生产线的配置以产品的特点和生产线的产能要求而自由组合，包括模组、贴片头和送料器。

但这种设备仍然存在着一些不足：

① 当产品线路板的长度超过280mm时，在M3 上贴装需要双模块，这样就会降低使用效率。

② 线路板的长度限制在534mm，对于一些大线路板的产品，如服务器和背板等无法处理。

③ 尽管模组可以按需要自由组合，但M3 模块必须是2 的整数倍。在模块组合时，基座的电路控制管理和真空控制的组合较为复杂，有时会造成浪费。

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四、复合式结构

复合式结构是由拱架式结构发展来的，严格地说，复合式结构也是拱架式结构的一种。一般所认为的复合式贴片机有两种，一种是垂直旋转或者水平旋转的小转塔贴片头和拱架式结构相结合的贴片机；另一种是采用双模组的拱架式贴片机。由于这种贴片机具有其他两种以上结构的特性，所以把它单独分出来叫做复合式结构贴片机。

1、旋转头复合式结构

旋转头复合式结构的贴片机是一种较为常见的中高速贴片机。它集成了拱架式结构和旋转头技术，从而降低了贴装横梁的运动频率，使得贴片机的贴装速度和运行效率得以提高。

（1）基本结构

旋转头复合式的基本结构和拱架式的一致，有单臂单头、单臂双头和双臂双头等多种平台式基本结构，下图所示是其中两种结构示意图。

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（2）线路板传送

线路板传送的方式与拱架式的基本相同。为了提高传送板的效率和整机的速度，有的复合式贴片机分别采用以下几种方式。

① 双轨道传送：当线路板的宽度较窄时，可以采用两个轨道同时传送线路板，当一个轨道上的线路板贴装元件时，另一个轨道可以传输线路板。

② 单工作台双线路板：当线路板的长度较短时，在单轨道的工作台上可以停放两块线路板，减少线路板传输时间。

③ 智能 Y 轴定位工作台：传统的单轨道传送板系统在线路板较窄时，线路板会比较靠近传送轨道的定边，对于双臂双头的贴片机，由于贴装头在 Y 方向上的运动距离不等，因而造成时间的损失。智能 Y 轴定位工作台可以根据双臂双头的工作情况运行到靠近中间位置，使得两个贴装头在Y方向上的运动距离相等从而提高机器的效率。

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（3）贴装头结构

复合式贴片机的旋转贴装头有3种（如下图所示）：

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① 一种是水平方向旋转的贴装头，类似于转塔式贴片机的转塔，俗称小转塔；

② 一种是竖直方向旋转的贴片头，一般叫做星形贴片头和闪电头；

③ 还有一种是在一定的倾角上进行旋转的贴装头。

旋转贴片头的吸嘴数从8～30 个不等。各种旋转贴装头都是在吸料时旋转一圈，可以吸取与吸嘴数相等数量的元件，通过识别和校正后，再贴装到线路板上。不同的是第一种旋转贴装头一般在元件吸取完后，需要通过固定在平台上的上视相机飞行校正；第二和第三种旋转贴装头一般在贴装头上带有头上元件识别相机，在元件吸取贴装头旋转时，元件就可以通过识别和校正。第一种旋转贴装头可以通过跳过相邻的吸嘴来吸取较大元件，第二和第三种旋转贴装头元件的大小范围受机械条件限制。

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（4）送料器系统

复合式贴片机的送料器大部分采用电动送料器，以提高送料的速度和精度。为了增加物料种类的能力，很多复合式贴片机配备有在同一只送料器上可以安装两种8mm物料的双轨送料器。

2、双模块化复合式结构

双模块复合式贴片机采用将模组式结构和拱架式结构相结合的方式。通过双模块的形式使贴片机只在长度和面积小量增加的情况下，使得贴片机的速度成倍地增加，既保持了拱架式结构的灵活性和高精度，又具有模块式结构的高产能和高效率的特点。

（1）基本结构

双模块复合式结构就像两台机器黏合在一起（如下图所示）。

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① 一种结构是双工作平台，4 个横梁，4 个贴装头。这4 个贴装头可以都安装高速贴装头，成为一款超高速贴片机。也可以在工作平台1 安装2 个高速贴装头，工作平台2 安装一个高速贴装头和一个多功能贴装头，成为一款高速多功能贴片机。

② 另一种结构是双工作平台，3 个横梁，4 个贴装头。在工作平台1 的2 个横梁各安装一个高速贴装头，成为高速贴片模组。在工作平台2 的单个横梁前面安装高速贴装头，后面安装多功能贴装头，成为多功能模块。

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（2）贴装头

双模块复合式结构的高速贴装头有旋转贴装头和多吸嘴并列贴装头两种。多功能贴装头有多吸嘴并列贴装头和单吸嘴贴装头两种，一般都具备自动更换吸嘴的功能。

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（3）传送板系统

双模块复合式结构的传送板系统与旋转头复合式大致相同，但在工作平台1 和工作平台2之间一般还会有一段缓冲区域，供线路板等待进入工作平台2。

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（4）送料器

复合式贴片机的送料器大部分采用电动送料器，在安装多功能贴片头的工作平台上也可以安装盘装送料器。

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somethingabc

贴片机就是流水线上放器件的那个机器，有高速的

modengxian111

双模块复合式结构的高速贴装头有旋转贴装头和多吸嘴并列贴装头两种

jay_xu

分析的具体清晰