专利名称：基于反射式飞行视觉方法的部件定位器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于反射式飞行视觉方法的部件定位器，可将一个部件从供料处拾起放置到印刷电路板、芯片导电基座或其他工件上，并在此过程中利用飞行视觉定位技术获取“飞行”部件位置信息，主要应用于电子部件自动封装设备，此类设备用于将电子部件封装到印刷电路板、导电基座或其他工件上。
背景技术：
在电子制造领域中，常常需要利用自动机械装置将电子部件从供料处拾起，并放置到印刷电路板、导电基座或其他工件上。电子部件被插入小孔或放置到焊点上(如表面封装和倒装焊技术)。为了降低制造过程中的成本，自动装配设备在一定程序的控制下，自动抓取、传输并将部件放置到工件的指定位置。这样部件总是被放在预定方向的预定位置上。常用的自动装配设备在x-y平面上安置了一个或多个真空吸嘴，真空吸嘴可以移动到送料处，拾取一个部件，确定部件移动的方向，将它带到工件上方，精确地放置到指定位置，其中元件的导电引脚必须确保定位无误，这样经过回流焊过程后，它们可以与工件上的对应部分导通。
在正常运作中，一个自动装配设备的拾取和保持部分(如真空吸嘴)从送料处拾取元件的同时，也引入一个位置误差。因为吸嘴本身具有一个坐标系，而拾取元件的位置可能与先前在吸嘴上预设的位置存在偏差。这样，一旦元件被真空吸嘴拾取后，就必须对位置误差进行一定的校正，否则无法精确地将元件放置到工件上。假设工件确定了一个x-y平面，吸嘴垂直于x-y平面，沿在z轴方向延伸，则位置误差由三部分组成Δx，Δy，Δθ。Δx指的是元件中心与吸嘴预定位置之间在x轴方向上的位移；Δy指的是元件中心与吸嘴预定位置之间在y轴方向上的位移；Δθ指的是元件绕z轴旋转角度与预定角度之间的偏差。
随着集成电路技术不断发展，芯片体积日益微小化，集成度也日益提高，在1cm2面积内常常包含数百个电子接触点，电子元件必须精确地放置到电路板上，因此需要正确的角度以及位置定位，否则设备不能工作。
过去有许多不同的器件和方法被用来校正部件与吸嘴上预设位置的偏差。经常使用的一种器件类型是将一个电子摄像机固定在工件上方或附近的某个位置上。与真空吸嘴固联的运动平台可以使真空吸嘴上的元件在工件上方的x-y平面内进行运动定位。真空吸嘴可沿垂直于x-y平面的z轴运动。真空吸嘴拾取一个元件后运动到固定的摄像机位置，摄像机及其相连的机器视觉系统基于从真空吸嘴下方朝上拍摄到的元件图像可以确定元件位置和角度的校正信息。平台将真空吸嘴定位到工件上方的指定位置，同时，真空吸嘴根据机器视觉系统给出校正信息及控制信号进行位置偏移调整及旋转角度校正，接着，真空吸嘴垂直向下运动到一定位置后关闭真空设备，于是元件被精确地放置在工件上的指定位置处。为了获取静止图像从而完成整个工作流程，传统方法必须使用一个固定的、仰视的摄像机或传感器并辅以闪光灯或快门来获得定位校正信息。系统必须驱动平台将元件从取料处携带到摄像机所在位置，在摄像机上方作一定时间的停留，并以特殊的照明方式(闪光灯)或机械结构(快门)来定格图像。这意味着放置元件的路程被拉长，使得整个系统运行速度大大减缓。此外，使用闪光灯或快门会造成有效光线大大降低，从而降低了图像的质量以及元件位置校正信息计算的精确性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于反射式飞行视觉方法的部件定位器，真空吸嘴无需经过太多额外的路程，也不需要将元件移至电子摄像机前停留进行摄像，能使生产进程更加流畅，运行速度得到提高。
为实现这样的目的，本发明的飞行视觉定位器主要涉及以下部分运动平台，CCD摄像机，照明光源，真空吸嘴，反射镜组，元件，机器底座，送料处，工件。主要系统结构如下，运动平台悬空安装在机器底座上方，运动平台按照控制器的指令可以进行左右、前后的运动。CCD摄像机和真空吸嘴固连在运动平台的下部，且CCD摄像机的镜头以及真空吸嘴的方向竖直向下指向机器底座。CCD摄像机的光轴以及真空吸嘴的轴线均垂直于运动平台的运动平面，且真空吸嘴在控制器的作用下可以沿其轴线作上下伸缩运动、并可绕其轴线进行旋转。真空吸嘴通过与外部真空设备的连接及相应控制可以实现抓取以及放置元件。照明光源的安装位置是分布在CCD摄像机镜头周围，并沿CCD摄像机光轴方向向下照明。CCD摄像机、照明光源、真空吸嘴三者的安装位置尽量紧凑。两个互相垂直的反射平面组成的反射镜组反射面朝上固定在机器底座上，它可由两块呈90度夹角的平面反射镜组合而成，也可以是一块两个垂直表面上镀上反射膜的三棱镜。这样的光学结构使得当CCD摄像机、照明光源、真空吸嘴位于反射镜组正上方的时候，照明光源可通过反射镜组的两次反射对真空吸嘴所抓取的元件进行辅助照明，同样经过反射镜组的两次反射作用CCD摄像机也可以捕捉到元件下表面的图像。同样在机器底座上，反射镜组的左侧是送料处，右侧是工件位置。
通过取放系统可将元件从送料处传输到工件处，并将元件放置在工件的指定位置上。其中的工件可以是印刷电路板，混合电路用的陶瓷基座，多芯片模块(MCMs)或本领域的其他工件。真空吸嘴从元件送料处开始移动，越过反射镜组到达工件上的目标位置，在此过程中，本发明利用光学定位的方法获得真空吸嘴上元件的位姿校正信息Δx，Δy，Δθ。CCD摄像机被固定在真空吸嘴所在的运动平台上，用于捕捉元件底部图像。图像的获取借助于反射镜组，它由两个严格相互垂直的镜面反射平面组成，通过适当的位置和尺寸设计使得真空吸嘴在每次从送料处到工件的移动过程中可在反射镜组上方经过。通过这种方式，CCD摄像机可以在元件经历“飞行”过程(即元件借助吸嘴及运动平台从送料处移动到工件上的元件目标位置的运动过程)时摄取元件底部图像。反射镜组的两个反射面必须保证一定的尺寸和质量，以便在元件经过其上方时为CCD摄像机提供连续、不变的图像。此外，元件经过反射镜组上方时需沿两反射面的交线方向作一定距离的直线运动，以保证元件底部通过两个反射面的反射准确成像到CCD摄像机中。
本发明的一个重要特点是即便在真空吸嘴携带元件运动的过程中，CCD摄像机仍能捕捉到元件的静止图像，就仿佛真空吸嘴是静止的一样，这是由于CCD摄像机被固连在运动平台上，因此它与真空吸嘴处于相对静止状态。那样即使是传统的CCD摄像机也能满足图像获取功能，无需特殊的照明方式，也无需使用快门，即可获得相当高质量的图像。若使用较轻便的微型CCD摄像机效果更好，这是因为运动平台在支持CCD摄像机重量的同时还要保证一定的高速运动。
本发明的另一个重要特点是使用两个互相垂直的反射平面组成的反射镜组而非简单的一个镜面反射平面，这一设计为系统结构和CCD摄像机成像解决了许多潜在的技术难题。首先使用这种特定的反射镜组结构，使CCD摄像机的光轴方向可以垂直于机器底座所在的平面，这样即使CCD摄像机在摄取机器底座上的工件图像时也不会造成透视失真。同样，这种特定的反射镜组结构使元件成虚像于CCD摄像机的正下方，并且CCD摄像机光轴垂直于虚像中元件底部所在的平面，同样获得的元件底部图像也不存在透视失真。另外，本发明中的光源安装方式可以使杂光尽可能地少，并为同轴光照明方式的实现提供了方便。并且将单用一个镜面反射平面时必须控制斜照CCD摄像机角度的问题转化为控制反射镜组中两个反射平面严格互相垂直的问题，使问题得以简化并更容易加以控制和解决。
图1为本发明结构示意图。
图1中，运动平台1，CCD摄像机2，照明光源3，真空吸嘴4，反射镜组5，元件6，机器底座7，送料处8，工件9。
图2为本发明基于反射式飞行视觉方法的定位示意图。
图2中，反射镜组5，机器底座7，送料处8，工件9，元件目标位置10，工作路线11。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明结构示意图如图1所示。运动平台1悬空安装在机器底座7上方，运动平台1按照控制器的指令可以进行左右，前后的运动。CCD摄像机2和真空吸嘴4固连在运动平台1的下部，且CCD摄像机2的镜头以及真空吸嘴4的方向竖直向下指向机器底座7。CCD摄像机2的光轴以及真空吸嘴4的轴线均垂直于运动平台1的运动平面，且真空吸嘴4在控制器的作用下可以沿其轴线作上下伸缩运动、并可绕其轴线进行旋转。真空吸嘴4通过与外部真空设备的连接及相应控制可以实现抓取以及放置元件6。照明光源3的安装位置是分布在CCD摄像机2镜头周围，并沿CCD摄像机2光轴方向向下照明。CCD摄像机2、照明光源3、真空吸嘴4三者的安装位置尽量紧凑。反射镜组5固定安装在机器底座7上，它由两块呈90度夹角的平面反射镜组合而成，或者也可以是一块三棱镜，在三棱镜的两个垂直表面上镀上反射膜同样可以构成本发明所需的光学结构，安装时使反射面朝上。在反射镜组5的左侧是送料处8，右侧是工件位置9，它们同样也安装在机器底座7上。
图2为本发明基于反射式飞行视觉方法的定位示意图。送料处8a、8b、8c分别表示三个不同的送料位置，送料处8的右侧是反射镜组5，反射镜组5的右侧是工件9，工件9上标出的10a、10b、10c分别是三个不同的元件目标位置。元件从不同的送料处被拾取以后，按照如图2所示工作示例路线11a、11b、11c经过反射镜组5到达不同的目标位置。送料处8a、8b、8c与元件目标位置10a、10b、10c以及工作示例路线11a、11b、11c分别一一对应。
工作原理运动平台1首先定位到元件送料处8，真空吸嘴4沿z轴(竖直)向下运动，接触或靠近元件6。打开真空设备，元件6被真空吸嘴4拾起。然后真空吸嘴4抬起，运动平台1向工件9方向移动，并经过反射镜组5上方。在经过反射镜组5上方时，照明光源3适时地打开，经反射镜组5反射后的光线对元件6进行辅助照明，同时CCD摄像机2捕捉到元件6底部图像，并将之传输到机器视觉子系统中进行处理。根据校正信息，运动平台1继续向工件9上元件目标位置10运动。校正信息Δx，Δy用于运动平台1定位，校正信息Δθ用于真空吸嘴4的旋转控制。在工件9上方准确定位后，真空吸嘴4降低位置，使元件6接触或几乎接触工件9，然后关闭真空设备，真空吸嘴4上升同时与元件6脱离，完成放置工作。重复以上工作，直到所有元件都从送料处8放置到工件9上。
如图2所示，真空吸嘴4将元件6从元件送料处8a，8b，8c拾起，并提升到距离反射镜组5一定标准高度的位置。在传输过程中元件6经过反射镜组上方时所在的高度决定了CCD摄像机2的焦距。只要所有元件都以同样的高度经过反射镜组上方，则CCD摄像机2可以按照设定的焦距对所有元件底部清晰摄像。真空吸嘴4携带元件6以如前所述的固定高度，并按示例路线11a，11b，11c经过反射镜组5的上方。由于元件6从送料处8a，8b，8c到达安装位置10a，10b，10c的途中必须经过反射镜组5，这样使得CCD摄像机2在元件6“飞行”越过固定的反射镜组5时可以捕捉到元件6底部图像。
权利要求
1.一种基于反射式飞行视觉方法的部件定位器，运动平台(1)悬空安装在机器底座(7)上方，运动平台(1)按照控制器的指令可以进行左右、前后的运动，其特征在于CCD摄像机(2)和真空吸嘴(4)固联在运动平台(1)的下部，且CCD摄像机(2)的镜头以及真空吸嘴(4)的方向竖直向下指向机器底座(7)，CCD摄像机(2)的光轴以及真空吸嘴(4)的轴线均垂直于运动平台(1)的运动平面，且真空吸嘴(4)在控制器的作用下可以沿其轴线作上下伸缩运动，并可绕其轴线进行旋转，照明光源(3)分布在CCD摄像机(2)镜头周围，并沿CCD摄像机(2)光轴方向向下照明，由两个互相垂直的反射平面组成的反射镜组(5)反射面朝上固定在机器底座(7)上，在反射镜组5的两侧的送料处(8)和工件位置(9)安装在机器底座(7)上。
2.如权利要求1的基于反射式飞行视觉方法的部件定位器，其特征在于所述的反射镜组(5)是两块呈90度夹角的平面反射镜组合而成或是一块两个垂直表面上镀上反射膜的三棱镜。
全文摘要
一种基于反射式飞行视觉方法的部件定位器，将CCD摄像机和真空吸嘴固连在运动平台下部，其方向竖直向下指向机器底座，真空吸嘴可沿其轴线作上下伸缩运动及绕其轴线进行旋转，照明光源分布在CCD摄像机镜头周围并向下照明，两个互相垂直的反射平面组成的反射镜组反射面朝上固定在机器底座上。本发明利用光学定位的方法获得真空吸嘴上元件的位姿校正信息，即便在真空吸嘴携带元件运动的过程中，CCD摄像机仍能捕捉到元件的静止图像，反射镜组在元件经过其上方时为CCD摄像机提供连续、不变的图像。
文档编号H05K13/00GK1564652SQ20041001770
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月15日 优先权日2004年4月15日
发明者丁汉, 朱利民, 叶其春 申请人:上海交通大学