元件搭载装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种元件搭载装置，用于使搭载头移动到元件供给机构上方并将元件供给机构中的电子元件安装在电路板上，本发明还涉及一种元件搭载方法，用于矫正电子元件的安装姿态。该元件搭载装置，用于将元件供给机构中的电子元件安装在电路板上，包括搭载头、吸嘴，其结构特点在于还具有：用于检测所述电子元件横向投影长度的检测机构，其安装在搭载头上，包括图像传感器和投射机构，所述投射机构将检查光经由吸著/握持在吸嘴前端的电子元件投射在图像传感器上；控制机构，其根据检测机构输出的检测值确定电子元件的姿态是否良好及调节角度。本发明结构简单体积小，成本低，能在不牺牲元件搭载速度的情况下进行行进中矫正。
【专利说明】
元件搭载装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种元件搭载装置，用于使搭载头移动到元件供给机构上方并将元件供给机构中的电子元件安装在电路板上，本发明还涉及一种元件搭载方法，用于矫正电子元件的安装姿态。
【背景技术】
[0002]电子产品生产柔性化、个性化是未来电子行业的发展趋势，作为印刷电路板生产线的重要一环，元件搭载装置小型化是以上发展的基础。现有常见的元件搭载装置速度快、稳定性好、精度高，但存在体积庞大、结构复杂、价格昂贵等问题，为企业进入能够独立生产的电子行业设置了较高的门槛。
[0003]元件搭载装置包括搭载头上的吸嘴，搭载头能够相对于基座移动，其设计为将从元件供给机构中的电子元件吸著/握持到吸嘴并将其安装到定位在基座上的电路板上。吸嘴吸著/握持电子元件在水平方向上移动，在安装到电路板上之前在安装于基座上的元件照相机上方通过，在元件照相机对元件进行图像识别之后再将电子元件安装到电路板上。由获得的图像信息，检测元件在吸嘴轴向上的偏差等，利用这些偏差信息计算将电子元件安装到电路板上时使用的位置偏差修正量。
[0004]元件搭载速度是衡量元件搭载装置性能的重要指标，为了提高元件搭载速度，需要在吸嘴吸著/握持电子元件并将其安装到电路板上的过程中进行电子元件的姿态矫正(行进中矫正)。现有的大型元件搭载装置通过在搭载头上设置摄像头来进行行进中矫正，这种摄像头体积庞大结构复杂，难以做到小型化;现有的小型元件搭载装置无法做到行进中矫正，需要将搭载头移动到预定位置由固定在基座上的元件照相机进行姿态识别，牺牲了元件搭载速度。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单体积小，成本低，在不牺牲元件搭载速度的情况下进行行进中矫正的元件搭载装置。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是该元件搭载装置，用于将元件供给机构中的电子元件安装在电路板上，包括搭载头，其可自由地在所述元件供给机构上方与所述电路板上方之间以水平方向移动;吸嘴，其安装在一上下移动轴前端用于吸著/握持所述电子元件，所述上下移动轴以自由上下移动的方式设置在搭载头上，其结构特点在于还具有:
[0007]用于检测所述电子元件横向投影长度的检测机构，其安装在搭载头上，包括图像传感器和投射机构，所述投射机构将检查光经由吸著/握持在吸嘴前端的电子元件投射在图像传感器上；
[0008]控制机构，其根据检测机构输出的检测值确定电子元件的姿态是否良好及调节角度。大型元件搭载机构中由搭载头上另设的摄像头对电子元件整体进行摄像或者摄取元件表面反射光的亮度，从而分析出电子元件中心位置的偏差，并在行进中进行矫正。本发明通过安装在搭载头上的图像传感器检测电子元件的横向投影长度，配合吸嘴的旋转从测得的电子元件投影长度中提取出电子元件边长数据与预存标准元件数据进行比较，判断电子元件是否落入/落出吸嘴，将吸著/握持不合格的电子元件舍弃；另一方面配合吸嘴的旋转从测得的电子元件投影长度中测算出电子元件的中心位置及偏差，进而由控制机构在行进中执行矫正。这种结构舍弃了摄像头上的透镜等光学元件，显著有利于元件搭载装置的小型化。
[0009]作为优选，所述图像传感器排布方式为一维线阵。一维线阵提取的数据少，便于控制机构的运算，结构更加简单，在满足基本技术要求的情况下成本更加低廉，该图像传感器可以是CCD或者CMOS。
[0010]作为优选，所述检查光为弱衍射效应光或高照度光，由于弱衍射效应光或高照度光的衍射效应比较小，使得电子元件的投影边缘比较锐利，有利于提高投影长度的准确性。
[0011]作为优选，所述控制机构在将所述电子元件正常保持在所述吸嘴上时，使所述电子元件受检查光的投影落在所述图像传感器的检测范围内，以及根据基准值和输出值来调整电子元件的姿态进行搭载或舍弃，该基准值是所述吸嘴吸著/握持电子元件旋转前所述检测机构根据所述电子元件横向投影长度输出的检测值或正常搭载该电子元件时的理论值，该输出值是吸嘴旋转过程中所述检测机构根据电子元件横向投影长度输出的检测值。
[0012]作为优选，所述检测机构有节拍地向控制机构输出检测值，减少了数据的采集量，降低了控制机构的功耗。
[0013]作为优选，在所述投射机构的检查光投射路径上还设置有遮光机构，其至少具有一片中部开口的遮光片，所述开口的大小不大于开口处检查光的光照宽度。该遮光机构能够有效降低检查光路上的漫反射，使得投影边缘更加锐利，有利于识别电子元件的姿态。
[0014]作为优选，所述控制机构还具有吸嘴旋转定位单元，用于当吸嘴在预定高度定位并检测时，使该吸嘴在轴心上旋转定位于多个角度，该吸嘴旋转定位单元能够在各角度分别检测所述检测机构的输出值，记录各个旋转角度的定位才能够在后续矫正中作出基于基准位置的调整。
[0015]本发明还包括一种电子元件搭载方法，其保持电子元件并安装到电路板上，所述电子元件搭载方法包括:
[0016]确定吸嘴中心，首次搭载前，投射机构投射检查光到吸嘴上，并在其对侧的图像传感器上形成第一投影，旋转吸嘴并对第一投影进行采样，叠加采样信息求得吸嘴的中心位置信息；
[0017]确定电子元件中心及吸著/握持姿态，吸嘴吸著/握持电子元件后上升，直至电子元件仅遮蔽所述图像传感器的检测范围的一部分形成第二投影，定位此时吸嘴的位置为基准位置，吸嘴旋转α，α大于或等于180°，旋转时图像传感器对第二投影按节拍进行采样，比较采样数据，识别出电子元件中心位置信息及姿态信息；
[0018]搭载矫正，根据吸嘴中心位置信息、电子元件中心位置信息和姿态信息在电子元件被安装到电路板上之前进行矫正判定，进而将电子元件矫正并安装到电路板上或者直接舍弃。通过旋转吸嘴并多次取像的方法，用图像传感器代替摄像头，舍弃了摄像头上的透镜等光学元件，同时还保证了吸嘴中心位置、电子元件中心位置和姿态信息的确定，解决了大型元件搭载装置中行进中矫正单元无法小型化的问题。
[0019]作为优选，确定电子元件中心及吸著/握持姿态步骤中，该图像传感器仅对第二投影垂直于吸嘴中轴线的一维线状投影的受光量进行采样。
[0020]作为优选，确定电子元件中心及吸著/握持姿态的采样数据来源于电子元件的顶部投影。顶部的投影特征更加明显，有利于图像传感器识别。
[0021]本发明同现有技术相比具有以下优点及效果:1、由于舍弃了摄像头上的透镜等光学元件，用设置在搭载头上的图像传感器代替，解决了具有行进中矫正功能的元件搭载装置其检测机构的小型化问题，从而使元件搭载装置更加经济紧凑;2、元件搭载装置的小型化大幅降低了进入电子行业的成本，提高了独立发明人的创新效率;3、实现了现有小型元件搭载装置不具备的行进中矫正功能。
【附图说明】
[0022]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0023]图1为本发明元件搭载装置的整体结构图
[0024]图2为本发明元件搭载装置的X-Y运动机构示意图
[0025]图3为本发明搭载头的结构示意图
[0026]图4为本发明吸嘴吸附元件时的检查光投射图
[0027]图5为本发明检测机构的结构示意图
[0028]图6为本发明指令传送关系示意图
[0029]图7为本发明控制机构内部模块示意图
[0030]图8为本发明行进中矫正流程图
[0031 ]图9为本发明横向投影长度波形变化示意图
[0032]标号说明:元件搭载装置100、电路板传输机构110、电路板保持机构120、元件供给机构130、基座140、电子元件P、元件加载与传输装置200、搭载头210、吸嘴211、吸嘴调节机构212、直线驱动电机212A、旋转驱动电机212B、上下移动轴213、X-Y运动机构220、X轴运动机构221、Y轴运动机构222、检测机构300、投射机构310、图像传感器CCD320、遮光机构330、遮光片331、开口 332、控制机构400、决定装置410、存储装置420、元件库431、驱动模块432、板信息433、吸嘴旋转定位单元440。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0034]常见的元件搭载装置100如图1、图2所示，基本包括电路板传输机构110，用于承接从上游侧供给到电路板保持机构120的电路板。元件供给机构130，用于向电路板提供待搭载电子元件P。元件加载与传输装置200，包括搭载头210和X-Y运动机构220。搭载头210上安装有用于吸著/握持电子元件P的吸嘴211与调整吸嘴211姿态的吸嘴调节机构212^-Υ运动机构220包括X轴运动机构221、Y轴运动机构222，Y轴运动机构222被安置在X轴运动机构221的两端，这样X轴运动机构221可在Y轴方向上被驱动。搭载头210被安装在X轴运动机构221上，从而可在基座140上方的X和Y方向自由移动。
[0035]检测机构300，用于检测吸嘴211上的电子元件P的吸著/握持姿态是否良好，将在下文详述;控制机构400，用于控制元件搭载进程，包括但不止于向吸嘴调节机构212下达角度调整与上下移动的指令;上述电路板传输机构110、电路板保持机构120、元件供给机构130、元件加载与传输装置200加载在基座140上。
[0036]本实施例中，检测机构300安装在搭载头210上。
[0037]如图3、图4所示，搭载头210包括安装在上下移动轴213前端用于吸著/握持电子元件的吸嘴211、调整吸嘴211姿态的吸嘴调节机构212与用于检测元件保持状态是否良好的检测机构300。吸嘴调节机构212包括直线驱动电机212Α，用于驱动上下移动轴213沿着等同于吸嘴211轴的方向的Z轴方向上下移动;旋转驱动电机212Β，用于围绕所述Z轴的方向上旋转吸嘴211。
[0038]检测机构300包括投射机构310、与投射机构310隔着吸嘴211相向设置的图像传感器CCD320以及控制机构400。检测机构300是用于执行获取吸嘴211之下电子元件P的横向投影长度工作的装置。
[0039]投射机构310的检查光投射平面与与正常吸著/握持状态下的电子元件P顶部平行。区别于现有的摄像头直接摄取吸嘴工作状态的图像信息或是电子元件P反射光亮度，本实施例的图像传感器CCD320用于获取电子元件P的横向投影长度信息，舍弃了摄像头的光学元件，处理数据量更少，速度更快。
[0040]尽管图像传感器在本实施例中是CCD，但并没有限定图像传感器的种类，只要电子元件P的横向投影长度的获取可以被执行。例如，也可以使用CMOS。
[0041]本实施例中投射机构310为高照度LED，但并没有限定投射机构310的种类，只要能够在图像传感器CCD320上形成边缘清晰的投影。例如，也可以为方向性更强的激光发射器。
[0042]工作时投射机构310将检查光经由吸嘴211顶端吸著/握持的电子元件P将其阴影投射到图像传感器(XD320上，经吸嘴211多次旋转并由图像传感器(XD320多次成像后，将横向投影长度的检测值传送至控制机构400，由控制机构400基于横向投影长度的检测值获取电子元件P的姿态信息，并确定电子元件P的姿态是否良好。
[0043]控制机构400将在下面进行说明。如图5、图6所示，控制机构400与电路板传输机构110、元件供给机构130、元件加载与传输装置200、检测机构300相连接。控制机构400具有存储在其中的元件库431、驱动模块432、板信息433。元件库431存储有关于不同类型标准电子元件P的数据并通过与将在后面说明的横向投影长度的比较而被用于检测电子元件P的姿态偏差。驱动模块432是驱动元件搭载装置100的各个装置的程序。板信息433具有不同的电路板的形状数据和将被安置的电子元件P的位置数据。
[0044]控制机构400还具有基于从图像传感器CCD320处所获得的横向投影长度与元件库431中的标准电子元件P的数据进行比较来确定电子元件P是否被吸入或者落出吸嘴211的决定装置410，以及吸嘴旋转定位单元440。决定装置410具有存储部分420，当投射机构310在电子元件P保持在吸嘴211上的状态中投射检查光时，基于从投射机构310对侧的图像传感器CCD320所获得的电子元件P的横向投影长度被存储在所述存储部分420中。存储部分420可以安装到控制机构400中。吸嘴旋转定位单元440用于获取、存储吸嘴211所定位的旋转角度并将对吸嘴211的动作指令发送到吸嘴调节机构212。
[0045]如图7所示，通过具有上述检测机构300的元件搭载装置100，所进行的元件搭载操作将在下面简要说明。
[0046]初次搭载前，电路板通过电路板传输机构110由电路板保持机构120保持并安置在X-Y方向上。同时，搭载头210通过X-Y运动机构220在X和Y方向上运动，以从元件供给机构130中通过吸嘴211吸著/握持电子元件P。
[0047]在吸嘴211吸著/握持电子元件P之前，投射机构310投射检查光到吸嘴211上，并在其对侧的图像传感器CCD320上形成第一投影，吸嘴旋转定位单元440向吸嘴调节机构212发送连续旋转的动作指令，由图像传感器CCD320对第一投影进行采样并输出到控制机构400的存储部分420中，根据采样信息求得吸嘴211的中心位置信息与各角度偏移量并存储。
[0048]下面将介绍通过检测机构300确定元件保持姿态的操作。
[0049]在电子元件P被吸著/握持之后被安装到电路板之前，吸嘴旋转定位单元440向吸嘴调节机构212发送上升的动作指令，吸嘴211上升至电子元件仅遮蔽图像传感器CCD320的检测范围的一部分形成第二投影，定位此时吸嘴211的位置为基准位置，吸嘴211旋转α，α大于或等于180°，旋转时图像传感器CCD320对第二投影按节拍进行连续采样并输出到控制机构400的存储部分420中，得到如图8所述波形，由控制机构400比较采样数据，获取电子元件P的最大横向投影长度与最小横向投影长度以及对应的电子元件P中心的位置信息并存储于存储部分420。
[0050]控制机构400将存储部分420中电子元件P的最大横向投影长度与最小横向投影长度同元件库431中存储的标准电子元件P的规格数据相比较。电子元件P的最大横向投影长度(对角线长)与最小横向投影长度(短边长)同元件库431中存储的标准电子元件P的规格数据一致时，决定装置410判定为电子元件P吸著/握持良好，并根据最大横向投影长度、最小横向投影长度和吸嘴旋转定位单元440的旋转定位数据计算出当前电子元件P的中心位置信息与电子元件P的姿态。当电子元件P的最大横向投影长度与最小横向投影长度同元件库431中存储的标准电子元件P的规格数据不一致时，决定装置410判定为电子元件P吸著/握持不良(可能落入或落出吸嘴211)，将该电子元件P舍弃。
[0051]控制机构400根据吸嘴中心位置信息、各角度偏移量、当前电子元件P中心位置信息和姿态信息在电子元件P被安装到电路板上之前进行矫正，进而将电子元件矫正并贴装到电路板或者直接舍弃。
[0052]如图7所示，通过如上构造的元件搭载装置所构成的吸嘴211的图像获取操作将在此处进行说明。
[0053]确定吸嘴211中心，首次搭载前进行初始化，投射机构投射检查光到吸嘴上，并在其对侧的图像传感器CCD320上形成第一投影，旋转吸嘴211并对第一投影进行采样，根据采样信息求得吸嘴211的中心位置信息；
[0054]确定电子元件P中心及吸著/握持姿态，吸嘴吸著/握持电子元件P后上升，直至电子元件P仅遮蔽所述图像传感器CCD320的检测范围的一部分形成第二投影，定位此时吸嘴211的位置为基准位置，吸嘴211旋转α，α大于或等于180°，旋转时图像传感器对第二投影按节拍进行采样，比较采样数据，识别出电子元件中心位置信息及姿态信息；
[0055]搭载矫正，根据吸嘴211中心位置信息、各角度偏移量、电子元件P中心位置信息和姿态信息在电子元件被安装到电路板上之前进行矫正判定，进而将电子元件矫正并贴装到电路板上或者直接舍弃。
[0056]为了减小检查光的漫反射干扰，提高检测精度，在作为元件搭载装置100的修改示例的元件搭载装置100中，这样的布置可以对具有检测机构300的搭载头210所采用，下文将详细说明。
[0057]图9指示了设置在元件搭载装置100的遮光机构330、遮光片331和开口332。除了遮光机构330、遮光片331和开口 332之外的其它构成部分与上述的元件搭载装置100构成相同，并在此处省略对其的说明。遮光机构330至少具有一片中部开口 332的遮光片331，所述开口 332的大小不大于开口 332处检查光的光照宽度333，从而能够提高横向投影的清晰度，进而提尚检测精度。
[0058]为了减小运算量，提高精度，在作为元件搭载装置100的修改示例的元件搭载装置100中，这样的布置可以对具有检测机构300的搭载头210所采用，下文将详细说明。
[0059]图像传感器CCD320以一维阵列的形式排布在投射机构310对侧的检测机构300构件上;也可以同时在确定电子元件中心及吸著/握持姿态步骤中，该图像传感器CCD320仅对第二投影垂直于吸嘴中轴线的一维线状投影进行采样，且确定电子元件中心及吸著/握持姿态的采样数据来源于电子元件的顶部投影。除了图像传感器CCD320排布方式与采样位置之外的其它构成部分与上述的元件搭载装置100构成相同，并在此处省略对其的说明。
[0060]此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种电子元件搭载装置，用于将元件供给部中的电子元件安装在电路板上，包括搭载头，其可自由地在所述元件供给部上方与所述电路板上方之间移动;吸嘴，其安装在一上下移动轴前端用于吸著/握持所述电子元件，所述上下移动轴以自由上下移动的方式设置在搭载头上，其特征在于还具有: 用于检测所述电子元件横向投影长度的检测机构，其安装在搭载头上，包括图像传感器和投射机构，所述投射机构将检查光经由吸著/握持在吸嘴前端的电子元件投射在图像传感器上； 控制机构，其根据检测机构输出的检测值确定电子元件的姿态是否良好及调节角度。2.根据权利要求1所述的电子元件搭载装置，其特征在于:所述图像传感器排布方式为一维线阵。3.根据权利要求1所述的电子元件搭载装置，其特征在于:所述检查光为弱衍射效应光或高照度光。4.根据权利要求1所述的电子元件搭载装置，其特征在于:所述控制机构在将所述电子元件正常保持在所述吸嘴上时，使所述电子元件受检查光的投影落在所述图像传感器的检测范围内，以及根据基准值和输出值来调整电子元件的姿态进行搭载或舍弃，该基准值是所述吸嘴吸著/握持电子元件旋转前所述检测机构根据所述电子元件横向投影长度输出的检测值或正常搭载该电子元件时的理论值，该输出值是吸嘴旋转过程中所述检测机构根据电子元件横向投影长度输出的检测值。5.根据权利要求1所述的电子元件搭载装置，其特征在于:所述检测机构有节拍地向控制机构输出检测值。6.根据权利要求1所述的电子元件搭载装置，其特征在于:在所述投射机构的检查光投射路径上还设置有遮光机构，其至少具有一片中部开口的遮光片，所述开口的大小不大于开口处检查光的光照宽度。7.根据权利要求1所述的电子元件搭载装置，其特征在于:所述控制机构还具有吸嘴旋转定位单元，用于当吸嘴在预定高度定位并检测时，使该吸嘴在轴心上旋转定位于多个角度，该吸嘴旋转定位单元能够在各角度分别检测所述检测机构的输出值。8.—种电子元件搭载方法，其保持电子元件并安装到电路板上，所述电子元件搭载方法包括: 确定吸嘴中心，首次搭载前，投射机构投射检查光到吸嘴上，并在其对侧的图像传感器上形成第一投影，旋转吸嘴并对第一投影进行采样，根据采样信息求得吸嘴的中心位置信息与各角度偏移量； 确定电子元件中心及吸著/握持姿态，吸嘴吸著/握持电子元件后上升，直至电子元件仅遮蔽所述图像传感器的检测范围的一部分形成第二投影，定位此时吸嘴的位置为基准位置，吸嘴旋转α，α大于或等于180°，旋转时图像传感器对第二投影按节拍进行采样，比较采样数据，识别出电子元件中心位置信息及姿态信息； 搭载矫正，根据吸嘴中心位置信息、各角度偏移量、电子兀件中心位置信息和姿态信息在电子元件被安装到电路板上之前进行矫正判定，进而将电子元件矫正并安装到电路板上或者直接舍弃。9.根据权利要求9所述的电子元件搭载方法，其特征在于:确定电子元件中心及吸著/握持姿态步骤中，该图像传感器仅对第二投影垂直于吸嘴中轴线的一维线状投影进行采样。10.根据权利要求9所述的电子元件搭载方法，其特征在于:确定电子元件中心及吸著/握持姿态的采样数据来源于电子元件的顶部投影。
【文档编号】H05K13/04GK105979761SQ201610523369
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】翁建永
【申请人】杭州纽登科技有限公司