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
技術領域：
本發明涉及一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，可將一個部件從供料處拾起放置到印刷電路板、芯片導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獲取“飛行”部件位置信息，主要應用于電子部件自動封裝設備，此類設備用于將電子部件封裝到印刷電路板、導電基座或其他工件上。
背景技術：
在電子制造領域中，常常需要利用自動機械裝置將電子部件從供料處拾起，并放置到印刷電路板、導電基座或其他工件上。電子部件被插入小孔或放置到焊點上(如表面封裝和倒裝焊技術)。為了降低制造過程中的成本，自動裝配設備在一定程序的控制下，自動抓取、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定方向的預定位置上。常用的自動裝配設備在x-y平面上安置了一個或多個真空吸嘴，真空吸嘴可以移動到送料處，拾取一個部件，確定部件移動的方向，將它帶到工件上方，精確地放置到指定位置，其中元件的導電引腳必須確保定位無誤，這樣經過回流焊過程后，它們可以與工件上的對應部分導通。
在正常運作中，一個自動裝配設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，也引入一個位置誤差。因為吸嘴本身具有一個坐標系，而拾取元件的位置可能與先前在吸嘴上預設的位置存在偏差。這樣，一旦元件被真空吸嘴拾取后，就必須對位置誤差進行一定的校正，否則無法精確地將元件放置到工件上。假設工件確定了一個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軸旋轉角度與預定角度之間的偏差。
隨著集成電路技術不斷發展，芯片體積日益微小化，集成度也日益提高，在1cm2面積內常常包含數百個電子接觸點，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設位置的偏差。經常使用的一種器件類型是將一個電子攝像機固定在工件上方或附近的某個位置上。與真空吸嘴固聯的運動平臺可以使真空吸嘴上的元件在工件上方的x-y平面內進行運動定位。真空吸嘴可沿垂直于x-y平面的z軸運動。真空吸嘴拾取一個元件后運動到固定的攝像機位置，攝像機及其相連的機器視覺系統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。平臺將真空吸嘴定位到工件上方的指定位置，同時，真空吸嘴根據機器視覺系統給出校正信息及控制信號進行位置偏移調整及旋轉角度校正，接著，真空吸嘴垂直向下運動到一定位置后關閉真空設備，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工作流程，傳統方法必須使用一個固定的、仰視的攝像機或傳感器并輔以閃光燈或快門來獲得定位校正信息。系統必須驅動平臺將元件從取料處攜帶到攝像機所在位置，在攝像機上方作一定時間的停留，并以特殊的照明方式(閃光燈)或機械結構(快門)來定格圖像。這意味著放置元件的路程被拉長，使得整個系統運行速度大大減緩。此外，使用閃光燈或快門會造成有效光線大大降低，從而降低了圖像的質量以及元件位置校正信息計算的精確性。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，真空吸嘴無需經過太多額外的路程，也不需要將元件移至電子攝像機前停留進行攝像，能使生產進程更加流暢，運行速度得到提高。
為實現這樣的目的，本發明的飛行視覺定位器主要涉及以下部分運動平臺，CCD攝像機，照明光源，真空吸嘴，反射鏡組，元件，機器底座，送料處，工件。主要系統結構如下，運動平臺懸空安裝在機器底座上方，運動平臺按照控制器的指令可以進行左右、前后的運動。CCD攝像機和真空吸嘴固連在運動平臺的下部，且CCD攝像機的鏡頭以及真空吸嘴的方向豎直向下指向機器底座。CCD攝像機的光軸以及真空吸嘴的軸線均垂直于運動平臺的運動平面，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動、并可繞其軸線進行旋轉。真空吸嘴通過與外部真空設備的連接及相應控制可以實現抓取以及放置元件。照明光源的安裝位置是分布在CCD攝像機鏡頭周圍，并沿CCD攝像機光軸方向向下照明。CCD攝像機、照明光源、真空吸嘴三者的安裝位置盡量緊湊。兩個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，也可以是一塊兩個垂直表面上鍍上反射膜的三棱鏡。這樣的光學結構使得當CCD攝像機、照明光源、真空吸嘴位于反射鏡組正上方的時候，照明光源可通過反射鏡組的兩次反射對真空吸嘴所抓取的元件進行輔助照明，同樣經過反射鏡組的兩次反射作用CCD攝像機也可以捕捉到元件下表面的圖像。同樣在機器底座上，反射鏡組的左側是送料處，右側是工件位置。
通過取放系統可將元件從送料處傳輸到工件處，并將元件放置在工件的指定位置上。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)或本領域的其他工件。真空吸嘴從元件送料處開始移動，越過反射鏡組到達工件上的目標位置，在此過程中，本發明利用光學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攝像機被固定在真空吸嘴所在的運動平臺上，用于捕捉元件底部圖像。圖像的獲取借助于反射鏡組，它由兩個嚴格相互垂直的鏡面反射平面組成，通過適當的位置和尺寸設計使得真空吸嘴在每次從送料處到工件的移動過程中可在反射鏡組上方經過。通過這種方式，CCD攝像機可以在元件經歷“飛行”過程(即元件借助吸嘴及運動平臺從送料處移動到工件上的元件目標位置的運動過程)時攝取元件底部圖像。反射鏡組的兩個反射面必須保證一定的尺寸和質量，以便在元件經過其上方時為CCD攝像機提供連續、不變的圖像。此外，元件經過反射鏡組上方時需沿兩反射面的交線方向作一定距離的直線運動，以保證元件底部通過兩個反射面的反射準確成像到CCD攝像機中。
本發明的一個重要特點是即便在真空吸嘴攜帶元件運動的過程中，CCD攝像機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攝像機被固連在運動平臺上，因此它與真空吸嘴處于相對靜止狀態。那樣即使是傳統的CCD攝像機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，即可獲得相當高質量的圖像。若使用較輕便的微型CCD攝像機效果更好，這是因為運動平臺在支持CCD攝像機重量的同時還要保證一定的高速運動。
本發明的另一個重要特點是使用兩個互相垂直的反射平面組成的反射鏡組而非簡單的一個鏡面反射平面，這一設計為系統結構和CCD攝像機成像解決了許多潛在的技術難題。首先使用這種特定的反射鏡組結構，使CCD攝像機的光軸方向可以垂直于機器底座所在的平面，這樣即使CCD攝像機在攝取機器底座上的工件圖像時也不會造成透視失真。同樣，這種特定的反射鏡組結構使元件成虛像于CCD攝像機的正下方，并且CCD攝像機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現提供了方便。并且將單用一個鏡面反射平面時必須控制斜照CCD攝像機角度的問題轉化為控制反射鏡組中兩個反射平面嚴格互相垂直的問題，使問題得以簡化并更容易加以控制和解決。
圖1為本發明結構示意圖。
圖1中，運動平臺1，CCD攝像機2，照明光源3，真空吸嘴4，反射鏡組5，元件6，機器底座7，送料處8，工件9。
圖2為本發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，機器底座7，送料處8，工件9，元件目標位置10，工作路線11。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。
本發明結構示意圖如圖1所示。運動平臺1懸空安裝在機器底座7上方，運動平臺1按照控制器的指令可以進行左右，前后的運動。CCD攝像機2和真空吸嘴4固連在運動平臺1的下部，且CCD攝像機2的鏡頭以及真空吸嘴4的方向豎直向下指向機器底座7。CCD攝像機2的光軸以及真空吸嘴4的軸線均垂直于運動平臺1的運動平面，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動、并可繞其軸線進行旋轉。真空吸嘴4通過與外部真空設備的連接及相應控制可以實現抓取以及放置元件6。照明光源3的安裝位置是分布在CCD攝像機2鏡頭周圍，并沿CCD攝像機2光軸方向向下照明。CCD攝像機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，在三棱鏡的兩個垂直表面上鍍上反射膜同樣可以構成本發明所需的光學結構，安裝時使反射面朝上。在反射鏡組5的左側是送料處8，右側是工件位置9，它們同樣也安裝在機器底座7上。
圖2為本發明基于反射式飛行視覺方法的定位示意圖。送料處8a、8b、8c分別表示三個不同的送料位置，送料處8的右側是反射鏡組5，反射鏡組5的右側是工件9，工件9上標出的10a、10b、10c分別是三個不同的元件目標位置。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經過反射鏡組5到達不同的目標位置。送料處8a、8b、8c與元件目標位置10a、10b、10c以及工作示例路線11a、11b、11c分別一一對應。
工作原理運動平臺1首先定位到元件送料處8，真空吸嘴4沿z軸(豎直)向下運動，接觸或靠近元件6。打開真空設備，元件6被真空吸嘴4拾起。然后真空吸嘴4抬起，運動平臺1向工件9方向移動，并經過反射鏡組5上方。在經過反射鏡組5上方時，照明光源3適時地打開，經反射鏡組5反射后的光線對元件6進行輔助照明，同時CCD攝像機2捕捉到元件6底部圖像，并將之傳輸到機器視覺子系統中進行處理。根據校正信息，運動平臺1繼續向工件9上元件目標位置10運動。校正信息Δx，Δy用于運動平臺1定位，校正信息Δθ用于真空吸嘴4的旋轉控制。在工件9上方準確定位后，真空吸嘴4降低位置，使元件6接觸或幾乎接觸工件9，然后關閉真空設備，真空吸嘴4上升同時與元件6脫離，完成放置工作。重復以上工作，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5一定標準高度的位置。在傳輸過程中元件6經過反射鏡組上方時所在的高度決定了CCD攝像機2的焦距。只要所有元件都以同樣的高度經過反射鏡組上方，則CCD攝像機2可以按照設定的焦距對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經過反射鏡組5的上方。由于元件6從送料處8a，8b，8c到達安裝位置10a，10b，10c的途中必須經過反射鏡組5，這樣使得CCD攝像機2在元件6“飛行”越過固定的反射鏡組5時可以捕捉到元件6底部圖像。
權利要求
1.一種基于反射式飛行視覺方法的部件定位器，運動平臺(1)懸空安裝在機器底座(7)上方，運動平臺(1)按照控制器的指令可以進行左右、前后的運動，其特征在于CCD攝像機(2)和真空吸嘴(4)固聯在運動平臺(1)的下部，且CCD攝像機(2)的鏡頭以及真空吸嘴(4)的方向豎直向下指向機器底座(7)，CCD攝像機(2)的光軸以及真空吸嘴(4)的軸線均垂直于運動平臺(1)的運動平面，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動，并可繞其軸線進行旋轉，照明光源(3)分布在CCD攝像機(2)鏡頭周圍，并沿CCD攝像機(2)光軸方向向下照明，由兩個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器底座(7)上，在反射鏡組5的兩側的送料處(8)和工件位置(9)安裝在機器底座(7)上。
2.如權利要求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攝像機和真空吸嘴固連在運動平臺下部，其方向豎直向下指向機器底座，真空吸嘴可沿其軸線作上下伸縮運動及繞其軸線進行旋轉，照明光源分布在CCD攝像機鏡頭周圍并向下照明，兩個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器底座上。本發明利用光學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動的過程中，CCD攝像機仍能捕捉到元件的靜止圖像，反射鏡組在元件經過其上方時為CCD攝像機提供連續、不變的圖像。
文檔編號H05K13/00GK1564652SQ20041001770
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月15日 優先權日2004年4月15日
發明者丁漢, 朱利民, 葉其春 申請人:上海交通大學