具有改进的元件拾起检测的拾取和放置机器的制作方法

专利名称：具有改进的元件拾起检测的拾取和放置机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有改进的元件拾起检测的拾取和放置机器。
背景技术：
一般地，拾取和放置机器用于制造电路板。通常，将空白印刷电路板提供给拾取和放置机器，然后该拾取和放置机器从元件进料器中拾取电子元件，并将这些元件放置在所述板上。所述元件暂时由焊膏(solder paste)固定在所述板上，或者粘着着直到接下来的熔化所述焊膏的步骤为止，或者粘合剂被全部硬化(cure)。
拾取和放置机器的操作是复杂的。由于机器速度与生产量一致，因此拾取和放置机器运转得越快，所制造的板的成本越低。此外，放置的准确性非常重要。许多电子元件，例如芯片电容器和芯片电阻器，相对较小，并且必须被准确地放置在同样小的放置位置上。其它元件虽然较大，但具有非常多的相互间以微距间隔的引线或导体。也必须准确地放置这些元件以确保将每个引线放置在合适的衬垫上。因此，所述机器不仅必须非常快地工作，而且它还必须非常准确地放置元件。
为了提高板的制造质量，通常在放置操作之后以及焊料回流之前和之后检测全部或部分组装板，目的是识别那些被不合适地放置或丢失的元件或可能发生的任何一种错误。执行这样的操作的自动系统是十分有用的，因为其有助于在焊料回流之前识别元件放置问题，使得基本上更容易重做，或者有助于在回流之后识别需要重做的有缺陷的板。该系统的一个例子是从明尼苏达州的Golden Valley计算机光学公司可获得的、以商标KS Flex销售的系统。此系统可用于识别这样的问题，例如对准和旋转错误；丢失和翘起的元件；公告板式(billboard)；墓碑式(tombstone)；元件缺陷；不正确的极性；和坏掉的元件。回流之前对错误的识别提供了许多好处。重做更为容易；利于闭环制造控制；在错误的产生和弥补之间存在较少的正在进行中的工作。虽然这样的系统提供了十分有用的检测，但是它们的确消耗了车间房屋面积以及编程时间、维护工作等。
在Asai等人的美国专利6317972中公开了一种最新的尝试，以提供设置在拾取和放置机器自身内部的放置后检测的益处。该参考文献报导了一种方法，用于将电子元件安装在元件放置之前获得安装位置的图像之处，而且在元件放置之后与安装位置的图像进行比较以检测元件级的放置操作。虽然Asai等人的公开进行了一种采用机器内元件级检测以检测元件放置操作的尝试，但是拾起元件的过程仍然是个挑战，而且主要地决定了拾取和放置机器的整个操作质量。
拾起元件要求放置头被定位在目标元件的拾起点上。在吸嘴定位后，将其降至元件正上方的位置，并通过该吸嘴提供真空，真空将元件吸起并暂时将其吸附在吸嘴端部。由元件进料器机构将每个元件定位在其拾取点。典型的进料器机构包括带式进料器、振动式进料器和盘式进料器。当需要配置拾取和放置机器以装配新工件时，操作员根据由拾取和放置机器程序所确定的排序方案将元件进料器插入它们的位置。而且，可以在进料器机构上设置识别标记，例如条形码，以确保将合适的进料器设置在拾取和放置机器里合适的位置和顺序中。在吸嘴拾起元件之后，进料器机构必须将另一元件移动进入拾取位置。
如果元件拾取操作不成功，则产生有缺陷的工件。工件上已知由错误的拾取操作所造成的缺陷有墓碑式元件、丢失的元件、错误的元件、错误的元件极性和错位元件。此外，下列情况都会造成缺陷操作员将进料器装载在不正确的位置或者使进料器用完元件；有缺陷的或坏掉的进料器、元件传送带和吸嘴；没有被正确编程的吸嘴拾取高度；和没有正确定位元件。

发明内容
本发明的实施例改进了由拾取和放置机器执行的元件级检测。这些改进包括通过收集机器内部拾取事件的图像并在错误发生时识别错误来检测拾取和放置机器中的拾取操作。通过对在机器中所发生的该信息进行监测和显示，操作员或机器可以采取迅速且有效的正确动作。
根据本发明的一个实施例，在拾起元件之前和之后对拾取位置拍摄图像，在拾取完成之后立即对其进行处理并显示给操作员。除了图像之外，也可以将拾取相关的测量显示给操作员以有助于在发生问题时对其进行诊断。拾取相关的测量或参数包括在正确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；拾起之前元件的正确取向和极性；被拾取在吸嘴上之后元件的正确位置；吸嘴的条件；拾起元件时吸嘴的高度；以及拾取操作过程中进料器的条件和移动。通过指导机器在监测到拾取错误时停止，如果监测到有缺陷的拾取操作则重新拾取元件，或者产生可以由拾取和放置机器或其它外部控制系统遵照或保存的错误信息，还可以将这些拾取相关的测量和参数用于控制拾取和放置机器的操作。
根据本发明的另一实施例，可以将图像和从这些图像中提取的拾取相关的参数收集保存起来以便以后查看。可以比较拾取相关的参数并就多个工件的装配进行趋势分析。可以建立信息数据库以跟踪征兆的图像和作为所显示征兆的结果而采取的正确操作。此外，可以将收集在数据库中的图像和数据与远离拾取和放置机器的专家进行共享以诊断和改正问题。这种设置的一个例子是在生产线末端的再工作站，或者可以将图像发送至拾取和放置机器出售者，以便可以在确定问题原因时获得出售者的专家的帮助。
根据本发明的另一实施例，设置图像获取系统，以在拾取操作期间获取图像。在拾取和放置机器中设置的典型摄像机，例如基准摄像机，是向下拍摄的，而且当放置头被定位在拾取位置上时摄像机被物理地阻碍而不能获取拾取位置的图像。在此实施例中，摄像机被安装在放置头上，而且其主光学轴与吸嘴成角度，使其能够在元件被拾取的同时获取图像。
根据本发明的另一实施例，设置图像获取系统，以在拾取操作期间获取在拾取位置周围区域的图像。使用该图像，图像处理系统确定用于将元件提供给放置吸嘴的进料器机构的特征。可以确定的进料器机构的特征包括进料器位置；传送带的条件；传送带的合适的标定指数；使用标记(如条形码)或其它形式的记号对进料器的识别；以及在拾取操作期间进料器的移动和振动。
通过下面的描述，本发明的这些及其它方面的优点将变得明显。


图1是可以实现本发明实施例的卡笛尔拾取和放置机器的示图。
图2是可以实现本发明实施例的转动架拾取和放置机器的平面示图。
图3是与元件放置机器的拾起点对准的图像获取系统的简示图。
图4是附有图像取景器的拾取和放置机器的示图，所述图像取景器设置用于显示与拾取和/或放置操作相关的图像和数据。
图5是使用图像获取和显示来启动的拾取和放置机器的操作的方框图。
图6是本发明优选实施例的输出显示的屏幕图像的示例。
图7是说明使用数据库来存储放置信息的方法的方框图。
图8是根据本发明实施例的产生拾取指示的方法的示图。
具体实施例方式
图1是可以实现本发明实施例的示范性卡笛尔拾取和放置机器201的示图。拾取和放置机器201经由传输系统或传送设备202接收工件，例如电路板203。然后放置头206从元件进料器(未示出)获得一个或多个将要安装在工件203上的电子元件，并在x、y和z方向上移动以将元件以合适取向放置在工件203上的合适位置。放置头206可以包括对准传感器200，当放置头206将元件从拾起位置移动到放置位置时对准传感器200可以在由吸嘴208、210、212所持的元件下面经过。传感器200使得放置机器201查看由吸嘴208、210、212所持的元件的下部，以便可以在元件被从元件拾起位置移动至放置位置时在一定程度上实现元件取向和元件检测。其它拾取和放置机器可以采用在固定摄像机上方移动以给元件摄像的放置头。放置头206还可以包括向下拍摄的摄像机209，摄像机209通常用于在工件203上设置基准标记，以便可以容易地计算出放置头206相对于工件203的相对位置。
图2是可以实现本发明实施例的示范性转动架拾取和放置机器10的示图。机器10包括与机器201相似的一些元件，类似的元件由相似的标号标注。对于转动架拾取和放置机器10，经由传送设备将工件203装载到x-y阶(未示出)上。附在主转动架20上的放置头210围绕旋转的转动架以规则的角度相间隔。在每个拾取和放置过程中，转动架20运转(index)与相邻的放置吸嘴210之间的角度距离相等的角度距离。在转动架20旋转进入位置而且工件203由x-y阶定位之后，放置吸嘴210在指定的拾取点16从元件进料器14获得元件104(图3示出)。在这个相等的间隔过程中，另一个吸嘴210在预先编程的放置位置106处将元件104放置在工件203上。此外，当转动架20暂停拾取和放置操作时，向上拍摄的摄像机30获得另一元件104的图像，其提供该元件的对准信息。当在若干步骤之后定位放置吸嘴210以放置元件104时，拾取和放置机器10使用该对准信息来定位工件203。在拾取和放置过程完成之后，转动架20运转至下一个角度位置，并在x-y方向上重新定位工件203，以将放置位置移动至与放置位置106对应的位置。
在初始启动拾取和放置机器的过程中，应当准确地配置和设定多个参数和变量以确保工件的精密装配。下面是应当确定的设定参数列表·元件的类型；·处理元件所需的进料器的类型；·拾取和放置机器内部进料器的位置；·包括元件放置顺序和位置的序列程序；·每个元件所需的吸嘴类型；·工件的尺寸和设计；·工件上基准的位置和类型；·每种元件的放置速度；
·每种元件的真空压力；·吸嘴的纵向行程；·工件支撑销的放置和选择；·工件的取向；·元件对准的视觉参数；和·元件对准的光照参数。
在启动拾取和放置机器的过程中，典型地，操作员根据程序将进料器装载到合适的位置中，将吸嘴装载在卡式盒中，并使用适宜的放置程序来装配工件。在装配第一个工件或第一组工件之后，操作员直观地或者使用自动的光学检测系统来检测每个工件。如果发现错误，则调查错误原因，并执行改正动作。作为拾取和放置机器的初始启动部分，检查进料器的位置、进料器中元件的位置、用于拾起元件的真空量、当施加真空时元件上方吸嘴的高度、以及元件取向和极性，以确定所有元件的拾取是否都是合适的。在执行改正动作之后，装配并检测另一组工件。重复该装配、检测和改正动作的循环，直到操作员确定该拾取和放置机器已最优化或者已正确地设定用于生产。
图3是根据本发明实施例的放置头的示图。图3示出了在吸嘴210将元件104从进料器14中的位置16中拾取之前和之后、设置用于获得元件104的拾取位置16的图像的图像获取设备100。设备100在拾取元件104之前和之后立即获得进料器14上位置16的拾取图像。这些之前和之后图像的比较便于元件级的拾取检测和确认。此外，还拍摄元件拾取位置16周围的区域。由于通常当放置吸嘴210位于拾取位置16上方时获取拾取位置16的图像，因此重要的是，能够在拍摄拾取位置16的同时最小化或减少来自元件104自身或部分放置吸嘴210的干扰。因而优选的是，机器100采用允许以相对于吸嘴210成角度θ倾斜取景的光轴。设备100以角度θ倾斜的另一个好处是可以通过确定图像获取之间项目的转变来检查和测量元件104、进料器和元件运送带/运送盘的纵向运动。这还有助于精确地定时图像获取间隔，以便拾取位置16和放置头210彼此相互对准，而且从摄像机的角度来看元件104在进料器14中是看得见的。在拾取周期过程中，在拾取元件104之后，应当定时第二图像，以便其在预先选择的时间处进行。在序列号为10/970355的待审申请中描述了一种精确地定时这两个图像的获取的方法。
本发明的实施例通常获得预期的拾起位置的两个或更多个连续的图像(即拾取之前和之后)。由于拾取相对较快，而且由于十分不希望减慢机器的吞吐量，因此有时有必要非常快地获得两个连续的图像，因为放置头和拾取位置之间的相对运动的停止是非常短暂的。例如，可能有必要在大约10微秒的周期里获得两个图像。
根据本发明的不同方面，可以利用不同的方法迅速获得多个连续的图像。一种方法是使用商业上可获得的CCD器件并将其以非标准的方式运行，以比可以从器件读取的速率更快的速率获得图像。另一种方法是使用设置用于通过公共光学器件对预期的放置位置进行取像的多个CCD阵列(如美国专利6549647中所述)。
为了供拾取和放置操作员使用，由图像获取设备100捕获的图像和数据应当被耦合至一设备或由一设备提供，用以显示该信息。图4示出了提供这样的显示的系统示例。将处理器222和监视器220安装在拾取和放置机器10上。选择监视器220的位置，以向机器的操作员提供在拾取事件之后立即从图像获取系统100收集到的图像和数据。由于在生产过程的第一块板的组装中操作员可获得图像和数据，所以操作员能够比当前实践更快地对拾取和放置机器的设定进行改变。
图5是说明本发明实施例的操作的方框图。经由公共视频接口228将图像获取系统100获得的图像发送至处理系统222。一个这样的视频接口是IEEE1394标准摄像机接口。处理系统222将之前和之后的图像进行比较，以确定该元件是否被合适地拾取在吸嘴上。处理系统222可以采用任何已知的或今后开发出来的适宜的图像分析技术来提供关于元件拾取操作的有用信息。例如，可以在处理系统222内部使用已知的边缘监测和位置算法，以产生取向、位置、尺寸和/或元件存在信息。此外，还可以使用模糊监测技术，以产生或有助于产生这样的信息。可以采用的模糊监测技术的类型包括傅立叶变换分析和/或自相关技术。而且，可以使用已知的光学字符识别(OCR)技术或图案匹配算法，例如标准化灰度级相关，来确定元件极性。可以标志的普通缺陷有错过拾取(没有零件被拾取)、进料器中没有零件、在拾取之后元件端部在其端部或侧部翘起的墓碑式或公告板式的元件、谎报拾取、错误的零件取向或极性、进料器或进料器传送带的过度振动、不完善的进料器标定指数、拾取时不正确的吸嘴高度、以及进料器中过度的元件谎报。在处理系统222完成其任务之后，在监视器220上显示其结果。
图6是由系统222提供的图形输出的示例。在该输出中，显示拾取点240的图像。该图像可以在拾取之前的图像、拾取之后的图像和区别图像之间转换。此外，可以将拾取的质量指示236加入该图像，作为给操作员的图形辅助。以允许操作员快速地浏览当前拾取和放置结果及以前的拾取和放置结果的历史的列表表格238，来显示该图像处理的结果。进料器振动239的图形显示在屏幕的下部示出。该振动显示通过将当前拾取振动量显示为进料器的函数，可以帮助操作员。此外，可以显示元件上方吸嘴的高度。使用此高度信息，操作员可以快速地确定拾起高度设定得是否合适。
图7中示出本实施例的进一步完善，图7是前面所述的增加有数据库服务器230的系统的框图。在此实施例中，如前所述，将图像和数据显示在监视器220上，并且经由公共接口链接226，例如以太网通信链路，还将图像和数据发送至数据库服务器230。在将图像和放置数据存储在数据库服务器上之后，就可以查询并和其它外部的信息使用者234共享该图像和数据。这些使用者可以包括拾取和放置机器出售者方面的专家、统计过程应用程序和/或装配工件的最终买主。由于这些使用者并不典型地与放置设备一起位于工厂中，所以可以使用熟悉的互联网通信协议232从数据库服务器230中获得数据和图像。
图8是根据本发明实施例的产生拾取指示的方法的示图。可以使用设置在放置头或其它的上面的任何适宜的图像获取设备来执行方法300。而且，任何适宜的图像处理技术，例如那些对应于图5所提出的图像处理技术，可以用于从获得的图像产生有用的信息。方法300从块302开始，在块302中，获得待拾取的元件的拾取前图像。将所获得的拾取前图像存储在适宜的存储介质中。接下来，如块304所示，通过将真空管或吸嘴接近元件并在此施以真空或者将元件粘在或吸附在吸嘴/管上，拾取和放置机器执行元件拾取操作。在拾起元件之后，获得在拾取操作之前元件所设置的拾取位置的拾取后图像。如上所述，拾取前和拾取后图像的视角可以恰好是元件所占的区域或者可以是包括元件周围所选择区域的更宽阔的区域。在块308，比较拾取前和拾取后图像。通过基于这两个图像产生区别图像，可以实现比较，或者可以通过将两个图像都提供给显示器并基于技术人员的直观比较从技术人员接收输入，来实现比较。根据本发明的实施例可以使用其它用于将图像处理为加亮、或者聚焦在两个图像之间的区别上的技术。此外，可以将图像分析技术应用于拾取前和拾取后图像之一或二者，以产生或计算与拾取操作相关的感兴趣参数。例如，可以分析图像之一或二者，以确定图像中是否有模糊。如果存在模糊，可以用已知的技术进行测量，而且模糊系数可以用于提供拾取位置和放置头之间相对运动的指示。在块310，提供拾取指示。所述指示可以包括向技术人员或拾取和放置机器提供信息，即拾取已成功。但是，拾取指示也可以包括错误信息，例如要在正确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；拾起前元件的正确取向和极性；元件被拾取在吸嘴上之后其正确的位置；吸嘴的条件；拾起元件时吸嘴的高度；以及拾取操作过程中进料器的条件和移动。而且，拾取指示可以包括这些信息的组合。最后，拾取指示也可以包括进料器信息，例如用于将元件提供给放置吸嘴的进料器机构的特征。可以确定的进料器机构的特征包括进料器位置；传送带的条件；传送带的合适的标定指数；使用标记(如条形码)或其它形式的记号识别进料器；以及在拾取操作期间进料器的移动和振动。
虽然参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以认识到可以对形式和细节进行变化，而不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于装配工件的拾取和放置机器，该机器包括放置头，具有用于可释放地拾起并持有元件的至少一个吸嘴；自动化系统，用于产生放置头和工件之间的相对移动；图像获取设备，设置用于获得元件拾起位置的至少一个图像；和图像处理设备，用于分析由图像获取设备产生的至少一个图像，以确定元件拾起过程的至少一个特征。
2.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括不存在要在正确拾取位置拾取的元件。
3.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括拾取之后在所述至少一个吸嘴上不存在元件。
4.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括拾起之前元件的正确取向。
5.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括拾起之前元件的极性。
6.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括被拾取在吸嘴上之后元件的正确位置。
7.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括吸嘴的条件。
8.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括拾起元件时吸嘴的高度。
9.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括拾取操作过程中包含组件的进料器的条件。
10.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述至少一个特征包括拾取操作过程中包含组件的进料器的移动。
11.如权利要求1所述的拾取和放置机器，其中所述图像获取设备设置用于在拾起元件之前获得元件拾起位置的之前图像，并在拾起元件之后获得元件拾起位置的之后图像；所述图像处理设备比较由所述图像获取设备所获得的两个图像；以及所述图像处理设备基于所述比较，确定元件拾起过程的至少一个特征。
12.一种用于装配工件的拾取和放置机器，该机器包括放置头，具有用于可释放地持有元件的至少一个吸嘴；自动化系统，用于产生放置头和工件之间的相对移动；图像获取设备，设置用于获得元件拾起位置的图像；触发机构，设置用于在拾起周期过程中检查放置头的位置；以及其中所述图像获取设备以所选的间隔被触发来产生拾起周期的图像序列。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述图像是在拾起单个元件过程中获得的。
14.如权利要求12所述的系统，其中所述图像是在拾起若干个元件过程中获得的。
15.一种在拾取和放置操作过程中拾起元件的方法，该方法包括在元件由拾取和放置机器拾起之前捕获元件的图像；在拾起元件之后至少捕获一次元件的图像；比较拾起前获得的图像和拾起后获得的图像，以确定拾起操作的特征；基于所述比较产生拾取指示。
16.如权利要求15所述的方法，还包括感测至少一个图像的运动模糊；和根据所感测的模糊来检查运动量。
17.一种用于对拾取和放置机器进行编程以装配工件的方法，该方法包括获得元件拾起操作的至少一个图像；显示元件拾起操作的至少一个图像；以及使用所显示的图像来调节拾取和放置程序的至少一个参数。
全文摘要
本发明的实施例改进了由拾取和放置机器(10，201)所执行的元件级检测。此改进包括通过收集机器(10，201)内部拾取事件的图像并在发生错误时进行识别来检测拾取和放置机器(10，201)中的拾取操作。通过检查并显示机器上所产生的信息，操作员或机器可以采取迅速而有效的改正动作。
文档编号H05K13/04GK101032200SQ200580033036
公开日2007年9月5日 申请日期2005年10月5日 优先权日2004年10月5日
发明者史蒂文·K·凯斯, 保罗·R·豪根, 戴维·W·杜基特, 戴维·D·马德森, 戴维·菲什拜因, 朗斯·K·费歇尔, 斯瓦米纳坦·马尼卡姆, 蒂莫西·G·巴达尔 申请人:赛博光学公司