專利名稱：基于反射式飛行視覺方法的部件定位器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，可將一個(gè)部件從供料處拾起放置到印刷電路板、芯片導(dǎo)電基座或其他工件上，并在此過程中利用飛行視覺定位技術(shù)獲取“飛行”部件位置信息，主要應(yīng)用于電子部件自動(dòng)封裝設(shè)備，此類設(shè)備用于將電子部件封裝到印刷電路板、導(dǎo)電基座或其他工件上。
背景技術(shù)：
在電子制造領(lǐng)域中，常常需要利用自動(dòng)機(jī)械裝置將電子部件從供料處拾起，并放置到印刷電路板、導(dǎo)電基座或其他工件上。電子部件被插入小孔或放置到焊點(diǎn)上(如表面封裝和倒裝焊技術(shù))。為了降低制造過程中的成本，自動(dòng)裝配設(shè)備在一定程序的控制下，自動(dòng)抓取、傳輸并將部件放置到工件的指定位置。這樣部件總是被放在預(yù)定方向的預(yù)定位置上。常用的自動(dòng)裝配設(shè)備在x-y平面上安置了一個(gè)或多個(gè)真空吸嘴，真空吸嘴可以移動(dòng)到送料處，拾取一個(gè)部件，確定部件移動(dòng)的方向，將它帶到工件上方，精確地放置到指定位置，其中元件的導(dǎo)電引腳必須確保定位無誤，這樣經(jīng)過回流焊過程后，它們可以與工件上的對(duì)應(yīng)部分導(dǎo)通。
在正常運(yùn)作中，一個(gè)自動(dòng)裝配設(shè)備的拾取和保持部分(如真空吸嘴)從送料處拾取元件的同時(shí)，也引入一個(gè)位置誤差。因?yàn)槲毂旧砭哂幸粋€(gè)坐標(biāo)系，而拾取元件的位置可能與先前在吸嘴上預(yù)設(shè)的位置存在偏差。這樣，一旦元件被真空吸嘴拾取后，就必須對(duì)位置誤差進(jìn)行一定的校正，否則無法精確地將元件放置到工件上。假設(shè)工件確定了一個(gè)x-y平面，吸嘴垂直于x-y平面，沿在z軸方向延伸，則位置誤差由三部分組成Δx，Δy，Δθ。Δx指的是元件中心與吸嘴預(yù)定位置之間在x軸方向上的位移；Δy指的是元件中心與吸嘴預(yù)定位置之間在y軸方向上的位移；Δθ指的是元件繞z軸旋轉(zhuǎn)角度與預(yù)定角度之間的偏差。
隨著集成電路技術(shù)不斷發(fā)展，芯片體積日益微小化，集成度也日益提高，在1cm2面積內(nèi)常常包含數(shù)百個(gè)電子接觸點(diǎn)，電子元件必須精確地放置到電路板上，因此需要正確的角度以及位置定位，否則設(shè)備不能工作。
過去有許多不同的器件和方法被用來校正部件與吸嘴上預(yù)設(shè)位置的偏差。經(jīng)常使用的一種器件類型是將一個(gè)電子攝像機(jī)固定在工件上方或附近的某個(gè)位置上。與真空吸嘴固聯(lián)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以使真空吸嘴上的元件在工件上方的x-y平面內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定位。真空吸嘴可沿垂直于x-y平面的z軸運(yùn)動(dòng)。真空吸嘴拾取一個(gè)元件后運(yùn)動(dòng)到固定的攝像機(jī)位置，攝像機(jī)及其相連的機(jī)器視覺系統(tǒng)基于從真空吸嘴下方朝上拍攝到的元件圖像可以確定元件位置和角度的校正信息。平臺(tái)將真空吸嘴定位到工件上方的指定位置，同時(shí)，真空吸嘴根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)給出校正信息及控制信號(hào)進(jìn)行位置偏移調(diào)整及旋轉(zhuǎn)角度校正，接著，真空吸嘴垂直向下運(yùn)動(dòng)到一定位置后關(guān)閉真空設(shè)備，于是元件被精確地放置在工件上的指定位置處。為了獲取靜止圖像從而完成整個(gè)工作流程，傳統(tǒng)方法必須使用一個(gè)固定的、仰視的攝像機(jī)或傳感器并輔以閃光燈或快門來獲得定位校正信息。系統(tǒng)必須驅(qū)動(dòng)平臺(tái)將元件從取料處攜帶到攝像機(jī)所在位置，在攝像機(jī)上方作一定時(shí)間的停留，并以特殊的照明方式(閃光燈)或機(jī)械結(jié)構(gòu)(快門)來定格圖像。這意味著放置元件的路程被拉長(zhǎng)，使得整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度大大減緩。此外，使用閃光燈或快門會(huì)造成有效光線大大降低，從而降低了圖像的質(zhì)量以及元件位置校正信息計(jì)算的精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，真空吸嘴無需經(jīng)過太多額外的路程，也不需要將元件移至電子攝像機(jī)前停留進(jìn)行攝像，能使生產(chǎn)進(jìn)程更加流暢，運(yùn)行速度得到提高。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的飛行視覺定位器主要涉及以下部分運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，CCD攝像機(jī)，照明光源，真空吸嘴，反射鏡組，元件，機(jī)器底座，送料處，工件。主要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)懸空安裝在機(jī)器底座上方，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)按照控制器的指令可以進(jìn)行左右、前后的運(yùn)動(dòng)。CCD攝像機(jī)和真空吸嘴固連在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的下部，且CCD攝像機(jī)的鏡頭以及真空吸嘴的方向豎直向下指向機(jī)器底座。CCD攝像機(jī)的光軸以及真空吸嘴的軸線均垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平面，且真空吸嘴在控制器的作用下可以沿其軸線作上下伸縮運(yùn)動(dòng)、并可繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。真空吸嘴通過與外部真空設(shè)備的連接及相應(yīng)控制可以實(shí)現(xiàn)抓取以及放置元件。照明光源的安裝位置是分布在CCD攝像機(jī)鏡頭周圍，并沿CCD攝像機(jī)光軸方向向下照明。CCD攝像機(jī)、照明光源、真空吸嘴三者的安裝位置盡量緊湊。兩個(gè)互相垂直的反射平面組成的反射鏡組反射面朝上固定在機(jī)器底座上，它可由兩塊呈90度夾角的平面反射鏡組合而成，也可以是一塊兩個(gè)垂直表面上鍍上反射膜的三棱鏡。這樣的光學(xué)結(jié)構(gòu)使得當(dāng)CCD攝像機(jī)、照明光源、真空吸嘴位于反射鏡組正上方的時(shí)候，照明光源可通過反射鏡組的兩次反射對(duì)真空吸嘴所抓取的元件進(jìn)行輔助照明，同樣經(jīng)過反射鏡組的兩次反射作用CCD攝像機(jī)也可以捕捉到元件下表面的圖像。同樣在機(jī)器底座上，反射鏡組的左側(cè)是送料處，右側(cè)是工件位置。
通過取放系統(tǒng)可將元件從送料處傳輸?shù)焦ぜ帲⒃胖迷诠ぜ闹付ㄎ恢蒙?。其中的工件可以是印刷電路板，混合電路用的陶瓷基座，多芯片模塊(MCMs)或本領(lǐng)域的其他工件。真空吸嘴從元件送料處開始移動(dòng)，越過反射鏡組到達(dá)工件上的目標(biāo)位置，在此過程中，本發(fā)明利用光學(xué)定位的方法獲得真空吸嘴上元件的位姿校正信息Δx，Δy，Δθ。CCD攝像機(jī)被固定在真空吸嘴所在的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，用于捕捉元件底部圖像。圖像的獲取借助于反射鏡組，它由兩個(gè)嚴(yán)格相互垂直的鏡面反射平面組成，通過適當(dāng)?shù)奈恢煤统叽缭O(shè)計(jì)使得真空吸嘴在每次從送料處到工件的移動(dòng)過程中可在反射鏡組上方經(jīng)過。通過這種方式，CCD攝像機(jī)可以在元件經(jīng)歷“飛行”過程(即元件借助吸嘴及運(yùn)動(dòng)平臺(tái)從送料處移動(dòng)到工件上的元件目標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)過程)時(shí)攝取元件底部圖像。反射鏡組的兩個(gè)反射面必須保證一定的尺寸和質(zhì)量，以便在元件經(jīng)過其上方時(shí)為CCD攝像機(jī)提供連續(xù)、不變的圖像。此外，元件經(jīng)過反射鏡組上方時(shí)需沿兩反射面的交線方向作一定距離的直線運(yùn)動(dòng)，以保證元件底部通過兩個(gè)反射面的反射準(zhǔn)確成像到CCD攝像機(jī)中。
本發(fā)明的一個(gè)重要特點(diǎn)是即便在真空吸嘴攜帶元件運(yùn)動(dòng)的過程中，CCD攝像機(jī)仍能捕捉到元件的靜止圖像，就仿佛真空吸嘴是靜止的一樣，這是由于CCD攝像機(jī)被固連在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，因此它與真空吸嘴處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。那樣即使是傳統(tǒng)的CCD攝像機(jī)也能滿足圖像獲取功能，無需特殊的照明方式，也無需使用快門，即可獲得相當(dāng)高質(zhì)量的圖像。若使用較輕便的微型CCD攝像機(jī)效果更好，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)平臺(tái)在支持CCD攝像機(jī)重量的同時(shí)還要保證一定的高速運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)重要特點(diǎn)是使用兩個(gè)互相垂直的反射平面組成的反射鏡組而非簡(jiǎn)單的一個(gè)鏡面反射平面，這一設(shè)計(jì)為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和CCD攝像機(jī)成像解決了許多潛在的技術(shù)難題。首先使用這種特定的反射鏡組結(jié)構(gòu)，使CCD攝像機(jī)的光軸方向可以垂直于機(jī)器底座所在的平面，這樣即使CCD攝像機(jī)在攝取機(jī)器底座上的工件圖像時(shí)也不會(huì)造成透視失真。同樣，這種特定的反射鏡組結(jié)構(gòu)使元件成虛像于CCD攝像機(jī)的正下方，并且CCD攝像機(jī)光軸垂直于虛像中元件底部所在的平面，同樣獲得的元件底部圖像也不存在透視失真。另外，本發(fā)明中的光源安裝方式可以使雜光盡可能地少，并為同軸光照明方式的實(shí)現(xiàn)提供了方便。并且將單用一個(gè)鏡面反射平面時(shí)必須控制斜照CCD攝像機(jī)角度的問題轉(zhuǎn)化為控制反射鏡組中兩個(gè)反射平面嚴(yán)格互相垂直的問題，使問題得以簡(jiǎn)化并更容易加以控制和解決。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1，CCD攝像機(jī)2，照明光源3，真空吸嘴4，反射鏡組5，元件6，機(jī)器底座7，送料處8，工件9。
圖2為本發(fā)明基于反射式飛行視覺方法的定位示意圖。
圖2中，反射鏡組5，機(jī)器底座7，送料處8，工件9，元件目標(biāo)位置10，工作路線11。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1懸空安裝在機(jī)器底座7上方，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1按照控制器的指令可以進(jìn)行左右，前后的運(yùn)動(dòng)。CCD攝像機(jī)2和真空吸嘴4固連在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的下部，且CCD攝像機(jī)2的鏡頭以及真空吸嘴4的方向豎直向下指向機(jī)器底座7。CCD攝像機(jī)2的光軸以及真空吸嘴4的軸線均垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的運(yùn)動(dòng)平面，且真空吸嘴4在控制器的作用下可以沿其軸線作上下伸縮運(yùn)動(dòng)、并可繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。真空吸嘴4通過與外部真空設(shè)備的連接及相應(yīng)控制可以實(shí)現(xiàn)抓取以及放置元件6。照明光源3的安裝位置是分布在CCD攝像機(jī)2鏡頭周圍，并沿CCD攝像機(jī)2光軸方向向下照明。CCD攝像機(jī)2、照明光源3、真空吸嘴4三者的安裝位置盡量緊湊。反射鏡組5固定安裝在機(jī)器底座7上，它由兩塊呈90度夾角的平面反射鏡組合而成，或者也可以是一塊三棱鏡，在三棱鏡的兩個(gè)垂直表面上鍍上反射膜同樣可以構(gòu)成本發(fā)明所需的光學(xué)結(jié)構(gòu)，安裝時(shí)使反射面朝上。在反射鏡組5的左側(cè)是送料處8，右側(cè)是工件位置9，它們同樣也安裝在機(jī)器底座7上。
圖2為本發(fā)明基于反射式飛行視覺方法的定位示意圖。送料處8a、8b、8c分別表示三個(gè)不同的送料位置，送料處8的右側(cè)是反射鏡組5，反射鏡組5的右側(cè)是工件9，工件9上標(biāo)出的10a、10b、10c分別是三個(gè)不同的元件目標(biāo)位置。元件從不同的送料處被拾取以后，按照如圖2所示工作示例路線11a、11b、11c經(jīng)過反射鏡組5到達(dá)不同的目標(biāo)位置。送料處8a、8b、8c與元件目標(biāo)位置10a、10b、10c以及工作示例路線11a、11b、11c分別一一對(duì)應(yīng)。
工作原理運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1首先定位到元件送料處8，真空吸嘴4沿z軸(豎直)向下運(yùn)動(dòng)，接觸或靠近元件6。打開真空設(shè)備，元件6被真空吸嘴4拾起。然后真空吸嘴4抬起，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1向工件9方向移動(dòng)，并經(jīng)過反射鏡組5上方。在經(jīng)過反射鏡組5上方時(shí)，照明光源3適時(shí)地打開，經(jīng)反射鏡組5反射后的光線對(duì)元件6進(jìn)行輔助照明，同時(shí)CCD攝像機(jī)2捕捉到元件6底部圖像，并將之傳輸?shù)綑C(jī)器視覺子系統(tǒng)中進(jìn)行處理。根據(jù)校正信息，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1繼續(xù)向工件9上元件目標(biāo)位置10運(yùn)動(dòng)。校正信息Δx，Δy用于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1定位，校正信息Δθ用于真空吸嘴4的旋轉(zhuǎn)控制。在工件9上方準(zhǔn)確定位后，真空吸嘴4降低位置，使元件6接觸或幾乎接觸工件9，然后關(guān)閉真空設(shè)備，真空吸嘴4上升同時(shí)與元件6脫離，完成放置工作。重復(fù)以上工作，直到所有元件都從送料處8放置到工件9上。
如圖2所示，真空吸嘴4將元件6從元件送料處8a，8b，8c拾起，并提升到距離反射鏡組5一定標(biāo)準(zhǔn)高度的位置。在傳輸過程中元件6經(jīng)過反射鏡組上方時(shí)所在的高度決定了CCD攝像機(jī)2的焦距。只要所有元件都以同樣的高度經(jīng)過反射鏡組上方，則CCD攝像機(jī)2可以按照設(shè)定的焦距對(duì)所有元件底部清晰攝像。真空吸嘴4攜帶元件6以如前所述的固定高度，并按示例路線11a，11b，11c經(jīng)過反射鏡組5的上方。由于元件6從送料處8a，8b，8c到達(dá)安裝位置10a，10b，10c的途中必須經(jīng)過反射鏡組5，這樣使得CCD攝像機(jī)2在元件6“飛行”越過固定的反射鏡組5時(shí)可以捕捉到元件6底部圖像。
權(quán)利要求
1.一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)懸空安裝在機(jī)器底座(7)上方，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)按照控制器的指令可以進(jìn)行左右、前后的運(yùn)動(dòng)，其特征在于CCD攝像機(jī)(2)和真空吸嘴(4)固聯(lián)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的下部，且CCD攝像機(jī)(2)的鏡頭以及真空吸嘴(4)的方向豎直向下指向機(jī)器底座(7)，CCD攝像機(jī)(2)的光軸以及真空吸嘴(4)的軸線均垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的運(yùn)動(dòng)平面，且真空吸嘴(4)在控制器的作用下可以沿其軸線作上下伸縮運(yùn)動(dòng)，并可繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，照明光源(3)分布在CCD攝像機(jī)(2)鏡頭周圍，并沿CCD攝像機(jī)(2)光軸方向向下照明，由兩個(gè)互相垂直的反射平面組成的反射鏡組(5)反射面朝上固定在機(jī)器底座(7)上，在反射鏡組5的兩側(cè)的送料處(8)和工件位置(9)安裝在機(jī)器底座(7)上。
2.如權(quán)利要求1的基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，其特征在于所述的反射鏡組(5)是兩塊呈90度夾角的平面反射鏡組合而成或是一塊兩個(gè)垂直表面上鍍上反射膜的三棱鏡。
全文摘要
一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，將CCD攝像機(jī)和真空吸嘴固連在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下部，其方向豎直向下指向機(jī)器底座，真空吸嘴可沿其軸線作上下伸縮運(yùn)動(dòng)及繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，照明光源分布在CCD攝像機(jī)鏡頭周圍并向下照明，兩個(gè)互相垂直的反射平面組成的反射鏡組反射面朝上固定在機(jī)器底座上。本發(fā)明利用光學(xué)定位的方法獲得真空吸嘴上元件的位姿校正信息，即便在真空吸嘴攜帶元件運(yùn)動(dòng)的過程中，CCD攝像機(jī)仍能捕捉到元件的靜止圖像，反射鏡組在元件經(jīng)過其上方時(shí)為CCD攝像機(jī)提供連續(xù)、不變的圖像。
文檔編號(hào)H05K13/00GK1564652SQ20041001770
公開日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月15日
發(fā)明者丁漢, 朱利民, 葉其春 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)