專利名稱：具有改進的元件拾起檢測的拾取和放置機器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有改進的元件拾起檢測的拾取和放置機器。
背景技術：
一般地，拾取和放置機器用于制造電路板。通常，將空白印刷電路板提供給拾取和放置機器，然后該拾取和放置機器從元件進料器中拾取電子元件，并將這些元件放置在所述板上。所述元件暫時由焊膏(solder paste)固定在所述板上，或者粘著著直到接下來的熔化所述焊膏的步驟為止，或者粘合劑被全部硬化(cure)。
拾取和放置機器的操作是復雜的。由于機器速度與生產量一致，因此拾取和放置機器運轉得越快，所制造的板的成本越低。此外，放置的準確性非常重要。許多電子元件，例如芯片電容器和芯片電阻器，相對較小，并且必須被準確地放置在同樣小的放置位置上。其它元件雖然較大，但具有非常多的相互間以微距間隔的引線或導體。也必須準確地放置這些元件以確保將每個引線放置在合適的襯墊上。因此，所述機器不僅必須非常快地工作，而且它還必須非常準確地放置元件。
為了提高板的制造質量，通常在放置操作之后以及焊料回流之前和之后檢測全部或部分組裝板，目的是識別那些被不合適地放置或丟失的元件或可能發生的任何一種錯誤。執行這樣的操作的自動系統是十分有用的，因為其有助于在焊料回流之前識別元件放置問題，使得基本上更容易重做，或者有助于在回流之后識別需要重做的有缺陷的板。該系統的一個例子是從明尼蘇達州的Golden Valley計算機光學公司可獲得的、以商標KS Flex銷售的系統。此系統可用于識別這樣的問題，例如對準和旋轉錯誤；丟失和翹起的元件；公告板式(billboard)；墓碑式(tombstone)；元件缺陷；不正確的極性；和壞掉的元件。回流之前對錯誤的識別提供了許多好處。重做更為容易；利于閉環制造控制；在錯誤的產生和彌補之間存在較少的正在進行中的工作。雖然這樣的系統提供了十分有用的檢測，但是它們的確消耗了車間房屋面積以及編程時間、維護工作等。
在Asai等人的美國專利6317972中公開了一種最新的嘗試，以提供設置在拾取和放置機器自身內部的放置后檢測的益處。該參考文獻報導了一種方法，用于將電子元件安裝在元件放置之前獲得安裝位置的圖像之處，而且在元件放置之后與安裝位置的圖像進行比較以檢測元件級的放置操作。雖然Asai等人的公開進行了一種采用機器內元件級檢測以檢測元件放置操作的嘗試，但是拾起元件的過程仍然是個挑戰，而且主要地決定了拾取和放置機器的整個操作質量。
拾起元件要求放置頭被定位在目標元件的拾起點上。在吸嘴定位后，將其降至元件正上方的位置，并通過該吸嘴提供真空，真空將元件吸起并暫時將其吸附在吸嘴端部。由元件進料器機構將每個元件定位在其拾取點。典型的進料器機構包括帶式進料器、振動式進料器和盤式進料器。當需要配置拾取和放置機器以裝配新工件時，操作員根據由拾取和放置機器程序所確定的排序方案將元件進料器插入它們的位置。而且，可以在進料器機構上設置識別標記，例如條形碼，以確保將合適的進料器設置在拾取和放置機器里合適的位置和順序中。在吸嘴拾起元件之后，進料器機構必須將另一元件移動進入拾取位置。
如果元件拾取操作不成功，則產生有缺陷的工件。工件上已知由錯誤的拾取操作所造成的缺陷有墓碑式元件、丟失的元件、錯誤的元件、錯誤的元件極性和錯位元件。此外，下列情況都會造成缺陷操作員將進料器裝載在不正確的位置或者使進料器用完元件；有缺陷的或壞掉的進料器、元件傳送帶和吸嘴；沒有被正確編程的吸嘴拾取高度；和沒有正確定位元件。
發明內容
本發明的實施例改進了由拾取和放置機器執行的元件級檢測。這些改進包括通過收集機器內部拾取事件的圖像并在錯誤發生時識別錯誤來檢測拾取和放置機器中的拾取操作。通過對在機器中所發生的該信息進行監測和顯示，操作員或機器可以采取迅速且有效的正確動作。
根據本發明的一個實施例，在拾起元件之前和之后對拾取位置拍攝圖像，在拾取完成之后立即對其進行處理并顯示給操作員。除了圖像之外，也可以將拾取相關的測量顯示給操作員以有助于在發生問題時對其進行診斷。拾取相關的測量或參數包括在正確拾取位置上待拾取的元件存在和不存在；在拾取之后吸嘴上的元件存在和不存在；拾起之前元件的正確取向和極性；被拾取在吸嘴上之后元件的正確位置；吸嘴的條件；拾起元件時吸嘴的高度；以及拾取操作過程中進料器的條件和移動。通過指導機器在監測到拾取錯誤時停止，如果監測到有缺陷的拾取操作則重新拾取元件，或者產生可以由拾取和放置機器或其它外部控制系統遵照或保存的錯誤信息，還可以將這些拾取相關的測量和參數用于控制拾取和放置機器的操作。
根據本發明的另一實施例，可以將圖像和從這些圖像中提取的拾取相關的參數收集保存起來以便以后查看。可以比較拾取相關的參數并就多個工件的裝配進行趨勢分析。可以建立信息數據庫以跟蹤征兆的圖像和作為所顯示征兆的結果而采取的正確操作。此外，可以將收集在數據庫中的圖像和數據與遠離拾取和放置機器的專家進行共享以診斷和改正問題。這種設置的一個例子是在生產線末端的再工作站，或者可以將圖像發送至拾取和放置機器出售者，以便可以在確定問題原因時獲得出售者的專家的幫助。
根據本發明的另一實施例，設置圖像獲取系統，以在拾取操作期間獲取圖像。在拾取和放置機器中設置的典型攝像機，例如基準攝像機，是向下拍攝的，而且當放置頭被定位在拾取位置上時攝像機被物理地阻礙而不能獲取拾取位置的圖像。在此實施例中，攝像機被安裝在放置頭上，而且其主光學軸與吸嘴成角度，使其能夠在元件被拾取的同時獲取圖像。
根據本發明的另一實施例，設置圖像獲取系統，以在拾取操作期間獲取在拾取位置周圍區域的圖像。使用該圖像，圖像處理系統確定用于將元件提供給放置吸嘴的進料器機構的特征。可以確定的進料器機構的特征包括進料器位置；傳送帶的條件；傳送帶的合適的標定指數；使用標記(如條形碼)或其它形式的記號對進料器的識別；以及在拾取操作期間進料器的移動和振動。
通過下面的描述，本發明的這些及其它方面的優點將變得明顯。
圖1是可以實現本發明實施例的卡笛爾拾取和放置機器的示圖。
圖2是可以實現本發明實施例的轉動架拾取和放置機器的平面示圖。
圖3是與元件放置機器的拾起點對準的圖像獲取系統的簡示圖。
圖4是附有圖像取景器的拾取和放置機器的示圖，所述圖像取景器設置用于顯示與拾取和/或放置操作相關的圖像和數據。
圖5是使用圖像獲取和顯示來啟動的拾取和放置機器的操作的方框圖。
圖6是本發明優選實施例的輸出顯示的屏幕圖像的示例。
圖7是說明使用數據庫來存儲放置信息的方法的方框圖。
圖8是根據本發明實施例的產生拾取指示的方法的示圖。
具體實施例方式
圖1是可以實現本發明實施例的示范性卡笛爾拾取和放置機器201的示圖。拾取和放置機器201經由傳輸系統或傳送設備202接收工件，例如電路板203。然后放置頭206從元件進料器(未示出)獲得一個或多個將要安裝在工件203上的電子元件，并在x、y和z方向上移動以將元件以合適取向放置在工件203上的合適位置。放置頭206可以包括對準傳感器200，當放置頭206將元件從拾起位置移動到放置位置時對準傳感器200可以在由吸嘴208、210、212所持的元件下面經過。傳感器200使得放置機器201查看由吸嘴208、210、212所持的元件的下部，以便可以在元件被從元件拾起位置移動至放置位置時在一定程度上實現元件取向和元件檢測。其它拾取和放置機器可以采用在固定攝像機上方移動以給元件攝像的放置頭。放置頭206還可以包括向下拍攝的攝像機209，攝像機209通常用于在工件203上設置基準標記，以便可以容易地計算出放置頭206相對于工件203的相對位置。
圖2是可以實現本發明實施例的示范性轉動架拾取和放置機器10的示圖。機器10包括與機器201相似的一些元件，類似的元件由相似的標號標注。對于轉動架拾取和放置機器10，經由傳送設備將工件203裝載到x-y階(未示出)上。附在主轉動架20上的放置頭210圍繞旋轉的轉動架以規則的角度相間隔。在每個拾取和放置過程中，轉動架20運轉(index)與相鄰的放置吸嘴210之間的角度距離相等的角度距離。在轉動架20旋轉進入位置而且工件203由x-y階定位之后，放置吸嘴210在指定的拾取點16從元件進料器14獲得元件104(圖3示出)。在這個相等的間隔過程中，另一個吸嘴210在預先編程的放置位置106處將元件104放置在工件203上。此外，當轉動架20暫停拾取和放置操作時，向上拍攝的攝像機30獲得另一元件104的圖像，其提供該元件的對準信息。當在若干步驟之后定位放置吸嘴210以放置元件104時，拾取和放置機器10使用該對準信息來定位工件203。在拾取和放置過程完成之后，轉動架20運轉至下一個角度位置，并在x-y方向上重新定位工件203，以將放置位置移動至與放置位置106對應的位置。
在初始啟動拾取和放置機器的過程中，應當準確地配置和設定多個參數和變量以確保工件的精密裝配。下面是應當確定的設定參數列表·元件的類型；·處理元件所需的進料器的類型；·拾取和放置機器內部進料器的位置；·包括元件放置順序和位置的序列程序；·每個元件所需的吸嘴類型；·工件的尺寸和設計；·工件上基準的位置和類型；·每種元件的放置速度；
·每種元件的真空壓力；·吸嘴的縱向行程；·工件支撐銷的放置和選擇；·工件的取向；·元件對準的視覺參數；和·元件對準的光照參數。
在啟動拾取和放置機器的過程中，典型地，操作員根據程序將進料器裝載到合適的位置中，將吸嘴裝載在卡式盒中，并使用適宜的放置程序來裝配工件。在裝配第一個工件或第一組工件之后，操作員直觀地或者使用自動的光學檢測系統來檢測每個工件。如果發現錯誤，則調查錯誤原因，并執行改正動作。作為拾取和放置機器的初始啟動部分，檢查進料器的位置、進料器中元件的位置、用于拾起元件的真空量、當施加真空時元件上方吸嘴的高度、以及元件取向和極性，以確定所有元件的拾取是否都是合適的。在執行改正動作之后，裝配并檢測另一組工件。重復該裝配、檢測和改正動作的循環，直到操作員確定該拾取和放置機器已最優化或者已正確地設定用于生產。
圖3是根據本發明實施例的放置頭的示圖。圖3示出了在吸嘴210將元件104從進料器14中的位置16中拾取之前和之后、設置用于獲得元件104的拾取位置16的圖像的圖像獲取設備100。設備100在拾取元件104之前和之后立即獲得進料器14上位置16的拾取圖像。這些之前和之后圖像的比較便于元件級的拾取檢測和確認。此外，還拍攝元件拾取位置16周圍的區域。由于通常當放置吸嘴210位于拾取位置16上方時獲取拾取位置16的圖像，因此重要的是，能夠在拍攝拾取位置16的同時最小化或減少來自元件104自身或部分放置吸嘴210的干擾。因而優選的是，機器100采用允許以相對于吸嘴210成角度θ傾斜取景的光軸。設備100以角度θ傾斜的另一個好處是可以通過確定圖像獲取之間項目的轉變來檢查和測量元件104、進料器和元件運送帶/運送盤的縱向運動。這還有助于精確地定時圖像獲取間隔，以便拾取位置16和放置頭210彼此相互對準，而且從攝像機的角度來看元件104在進料器14中是看得見的。在拾取周期過程中，在拾取元件104之后，應當定時第二圖像，以便其在預先選擇的時間處進行。在序列號為10/970355的待審申請中描述了一種精確地定時這兩個圖像的獲取的方法。
本發明的實施例通常獲得預期的拾起位置的兩個或更多個連續的圖像(即拾取之前和之后)。由于拾取相對較快，而且由于十分不希望減慢機器的吞吐量，因此有時有必要非常快地獲得兩個連續的圖像，因為放置頭和拾取位置之間的相對運動的停止是非常短暫的。例如，可能有必要在大約10微秒的周期里獲得兩個圖像。
根據本發明的不同方面，可以利用不同的方法迅速獲得多個連續的圖像。一種方法是使用商業上可獲得的CCD器件并將其以非標準的方式運行，以比可以從器件讀取的速率更快的速率獲得圖像。另一種方法是使用設置用于通過公共光學器件對預期的放置位置進行取像的多個CCD陣列(如美國專利6549647中所述)。
為了供拾取和放置操作員使用，由圖像獲取設備100捕獲的圖像和數據應當被耦合至一設備或由一設備提供，用以顯示該信息。圖4示出了提供這樣的顯示的系統示例。將處理器222和監視器220安裝在拾取和放置機器10上。選擇監視器220的位置，以向機器的操作員提供在拾取事件之后立即從圖像獲取系統100收集到的圖像和數據。由于在生產過程的第一塊板的組裝中操作員可獲得圖像和數據，所以操作員能夠比當前實踐更快地對拾取和放置機器的設定進行改變。
圖5是說明本發明實施例的操作的方框圖。經由公共視頻接口228將圖像獲取系統100獲得的圖像發送至處理系統222。一個這樣的視頻接口是IEEE1394標準攝像機接口。處理系統222將之前和之后的圖像進行比較，以確定該元件是否被合適地拾取在吸嘴上。處理系統222可以采用任何已知的或今后開發出來的適宜的圖像分析技術來提供關于元件拾取操作的有用信息。例如，可以在處理系統222內部使用已知的邊緣監測和位置算法，以產生取向、位置、尺寸和/或元件存在信息。此外，還可以使用模糊監測技術，以產生或有助于產生這樣的信息。可以采用的模糊監測技術的類型包括傅立葉變換分析和/或自相關技術。而且，可以使用已知的光學字符識別(OCR)技術或圖案匹配算法，例如標準化灰度級相關，來確定元件極性。可以標志的普通缺陷有錯過拾取(沒有零件被拾取)、進料器中沒有零件、在拾取之后元件端部在其端部或側部翹起的墓碑式或公告板式的元件、謊報拾取、錯誤的零件取向或極性、進料器或進料器傳送帶的過度振動、不完善的進料器標定指數、拾取時不正確的吸嘴高度、以及進料器中過度的元件謊報。在處理系統222完成其任務之后，在監視器220上顯示其結果。
圖6是由系統222提供的圖形輸出的示例。在該輸出中，顯示拾取點240的圖像。該圖像可以在拾取之前的圖像、拾取之后的圖像和區別圖像之間轉換。此外，可以將拾取的質量指示236加入該圖像，作為給操作員的圖形輔助。以允許操作員快速地瀏覽當前拾取和放置結果及以前的拾取和放置結果的歷史的列表表格238，來顯示該圖像處理的結果。進料器振動239的圖形顯示在屏幕的下部示出。該振動顯示通過將當前拾取振動量顯示為進料器的函數，可以幫助操作員。此外，可以顯示元件上方吸嘴的高度。使用此高度信息，操作員可以快速地確定拾起高度設定得是否合適。
圖7中示出本實施例的進一步完善，圖7是前面所述的增加有數據庫服務器230的系統的框圖。在此實施例中，如前所述，將圖像和數據顯示在監視器220上，并且經由公共接口鏈接226，例如以太網通信鏈路，還將圖像和數據發送至數據庫服務器230。在將圖像和放置數據存儲在數據庫服務器上之后，就可以查詢并和其它外部的信息使用者234共享該圖像和數據。這些使用者可以包括拾取和放置機器出售者方面的專家、統計過程應用程序和/或裝配工件的最終買主。由于這些使用者并不典型地與放置設備一起位于工廠中，所以可以使用熟悉的互聯網通信協議232從數據庫服務器230中獲得數據和圖像。
圖8是根據本發明實施例的產生拾取指示的方法的示圖。可以使用設置在放置頭或其它的上面的任何適宜的圖像獲取設備來執行方法300。而且，任何適宜的圖像處理技術，例如那些對應于圖5所提出的圖像處理技術，可以用于從獲得的圖像產生有用的信息。方法300從塊302開始，在塊302中，獲得待拾取的元件的拾取前圖像。將所獲得的拾取前圖像存儲在適宜的存儲介質中。接下來，如塊304所示，通過將真空管或吸嘴接近元件并在此施以真空或者將元件粘在或吸附在吸嘴/管上，拾取和放置機器執行元件拾取操作。在拾起元件之后，獲得在拾取操作之前元件所設置的拾取位置的拾取后圖像。如上所述，拾取前和拾取后圖像的視角可以恰好是元件所占的區域或者可以是包括元件周圍所選擇區域的更寬闊的區域。在塊308，比較拾取前和拾取后圖像。通過基于這兩個圖像產生區別圖像，可以實現比較，或者可以通過將兩個圖像都提供給顯示器并基于技術人員的直觀比較從技術人員接收輸入，來實現比較。根據本發明的實施例可以使用其它用于將圖像處理為加亮、或者聚焦在兩個圖像之間的區別上的技術。此外，可以將圖像分析技術應用于拾取前和拾取后圖像之一或二者，以產生或計算與拾取操作相關的感興趣參數。例如，可以分析圖像之一或二者，以確定圖像中是否有模糊。如果存在模糊，可以用已知的技術進行測量，而且模糊系數可以用于提供拾取位置和放置頭之間相對運動的指示。在塊310，提供拾取指示。所述指示可以包括向技術人員或拾取和放置機器提供信息，即拾取已成功。但是，拾取指示也可以包括錯誤信息，例如要在正確拾取位置拾取的元件的存在和不存在；拾取之后吸嘴上元件存在或不存在；拾起前元件的正確取向和極性；元件被拾取在吸嘴上之后其正確的位置；吸嘴的條件；拾起元件時吸嘴的高度；以及拾取操作過程中進料器的條件和移動。而且，拾取指示可以包括這些信息的組合。最后，拾取指示也可以包括進料器信息，例如用于將元件提供給放置吸嘴的進料器機構的特征。可以確定的進料器機構的特征包括進料器位置；傳送帶的條件；傳送帶的合適的標定指數；使用標記(如條形碼)或其它形式的記號識別進料器；以及在拾取操作期間進料器的移動和振動。
雖然參考優選實施例描述了本發明，但是本領域技術人員可以認識到可以對形式和細節進行變化，而不脫離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于裝配工件的拾取和放置機器，該機器包括放置頭，具有用于可釋放地拾起并持有元件的至少一個吸嘴；自動化系統，用于產生放置頭和工件之間的相對移動；圖像獲取設備，設置用于獲得元件拾起位置的至少一個圖像；和圖像處理設備，用于分析由圖像獲取設備產生的至少一個圖像，以確定元件拾起過程的至少一個特征。
2.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括不存在要在正確拾取位置拾取的元件。
3.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括拾取之后在所述至少一個吸嘴上不存在元件。
4.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括拾起之前元件的正確取向。
5.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括拾起之前元件的極性。
6.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括被拾取在吸嘴上之后元件的正確位置。
7.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括吸嘴的條件。
8.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括拾起元件時吸嘴的高度。
9.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括拾取操作過程中包含組件的進料器的條件。
10.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述至少一個特征包括拾取操作過程中包含組件的進料器的移動。
11.如權利要求1所述的拾取和放置機器，其中所述圖像獲取設備設置用于在拾起元件之前獲得元件拾起位置的之前圖像，并在拾起元件之后獲得元件拾起位置的之后圖像；所述圖像處理設備比較由所述圖像獲取設備所獲得的兩個圖像；以及所述圖像處理設備基于所述比較，確定元件拾起過程的至少一個特征。
12.一種用于裝配工件的拾取和放置機器，該機器包括放置頭，具有用于可釋放地持有元件的至少一個吸嘴；自動化系統，用于產生放置頭和工件之間的相對移動；圖像獲取設備，設置用于獲得元件拾起位置的圖像；觸發機構，設置用于在拾起周期過程中檢查放置頭的位置；以及其中所述圖像獲取設備以所選的間隔被觸發來產生拾起周期的圖像序列。
13.如權利要求12所述的系統，其中所述圖像是在拾起單個元件過程中獲得的。
14.如權利要求12所述的系統，其中所述圖像是在拾起若干個元件過程中獲得的。
15.一種在拾取和放置操作過程中拾起元件的方法，該方法包括在元件由拾取和放置機器拾起之前捕獲元件的圖像；在拾起元件之后至少捕獲一次元件的圖像；比較拾起前獲得的圖像和拾起后獲得的圖像，以確定拾起操作的特征；基于所述比較產生拾取指示。
16.如權利要求15所述的方法，還包括感測至少一個圖像的運動模糊；和根據所感測的模糊來檢查運動量。
17.一種用于對拾取和放置機器進行編程以裝配工件的方法，該方法包括獲得元件拾起操作的至少一個圖像；顯示元件拾起操作的至少一個圖像；以及使用所顯示的圖像來調節拾取和放置程序的至少一個參數。
全文摘要
本發明的實施例改進了由拾取和放置機器(10，201)所執行的元件級檢測。此改進包括通過收集機器(10，201)內部拾取事件的圖像并在發生錯誤時進行識別來檢測拾取和放置機器(10，201)中的拾取操作。通過檢查并顯示機器上所產生的信息，操作員或機器可以采取迅速而有效的改正動作。
文檔編號H05K13/04GK101032200SQ200580033036
公開日2007年9月5日 申請日期2005年10月5日 優先權日2004年10月5日
發明者史蒂文·K·凱斯, 保羅·R·豪根, 戴維·W·杜基特, 戴維·D·馬德森, 戴維·菲什拜因, 朗斯·K·費歇爾, 斯瓦米納坦·馬尼卡姆, 蒂莫西·G·巴達爾 申請人:賽博光學公司