CN201274636Y

CN201274636Y - 图像识别视觉全自动贴片机

Info

Publication number: CN201274636Y
Application number: CNU2008201507494U
Authority: CN
Inventors: 孙珂; 孙嘉德; 赵越堂; 刘呈则
Original assignee: SHANGHAI MODERN TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SHANGHAI MODERN TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2018-07-11

Abstract

本实用新型涉及一种电子信息类工艺制造技术领域的图像识别视觉全自动贴片机。主要包括：高速计算机、人机界面、运动控制及驱动系统、XY运动平台、贴片工作头、PCB板传送系统、送料器系统，其特征在于，还包括快速图像识别系统，所述的快速图像识别系统，主要是对吸取的器件进行识别，以得出修正值。本实用新型提高了全自动贴片机的三大主要性能：更广的适用范围，更高的精度，更快的速度。

Description

图像识别视觉全自动贴片机

技术领域

本实用新型涉及一种电子信息类工艺制造技术领域的设备；具体为一种电子生产技术中的表面贴装SMT技术，属表面贴装设备；更具体为一种图像识别视觉全自动贴片机。

背景技术

1.SMT技术

表面贴装技术，又称SMT技术(Surface Mounting Technology)，是目前电子信息类产品的最核心制造技术。

SMT技术将传统的电子器件大大缩小，并采用新的工艺及新设备将器件组装到电路基板上(印刷电路板或其他基板)，而生产出各种高性能的电子产品。这种新的器件、工艺及设备分别称之为SMD器件、SMT工艺及SMT设备，因此，SMT技术实际上是包括了新器件、新技术、新工艺及新设备的系统技术。

SMT技术也是国际上最先进的第四代电子生产组装技术，从20世纪80年代开始，随着超大规模集成电路及小型片式电阻电容的出现，电子组装技术从原来的插装器件变成贴片器件，从而导致了SMT技术的出现及推广，使电子组装技术从第三代变为第四代。这场生产组装技术的变革，使电子产品产生了一个突破性飞跃。产品性能大大提高，体积大大缩小，从而导致了新一代电子产品的出现及升级。

2、自动贴片机

自动贴片机是电子生产核心设备，其主要功能是通过自动控制的原理将电子元器件快速自动吸取，并自动放置于印刷电路板(PCB板)上(或其它基板上)。

为了实现这一功能，贴片机必须有如下的功能部件：①贴片头②PCB板传递系统③送料器系统④运动控制及驱动系统⑤计算机控制及人机对话系统⑥X、Y轴运动平台有这些系统，贴片机就可以根据人们的设置将器件自动地吸取并贴放到对应的X、Y座标位置上，以完成自动组装。

3、采用机械爪式传统的自动贴片机存在的不足处。

由于被贴的器件大小不一致，排列也不相同，因此必须将“器件定中心”。传统设备采用机械爪的方法来完成定中心，同时PCB印刷电路板(或其它类板)也通过定位孔来定中心，以确保中心坐标的一致性，这种采用机械定中心的贴片机就是传统的机械爪式自动贴片机(现有技术中已研制并生产)，但这种贴片机的局限和主要不足是：①定位精度低；②无法贴装BGA及非规则的元器件，由于SND器件不断向小型化集成发展，因此无法适用于新器件。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种图像识别视觉全自动贴片机。本实用新型通过在传统自动贴片机的基础上引入快速图像识别系统，集合成快速图像识别视觉系统的全自动贴片机，完成将规定坐标上的器件取出，并正确地贴装于规定坐标位置的PCB板上(或其它基板上)，具有精度高、速度快、全自动，适用于各种电子元器件的贴装等性能。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括：高速计算机、人机界面、运动控制及驱动系统、XY运动平台、贴片工作头、PCB板传送系统、送料器系统，其特征在于，还包括快速图像识别系统，其中：

所述的高速计算机，通过I/O输入输出及总线对整个系统进行实时运动控制与图像处理以及人机对话；

所述的运动控制及驱动系统，用于运动控制X轴、Y轴、Z轴及转角θ的运动；包括相连接的运动控制卡、交流伺服控制器，运动控制及驱动系统的信号输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接，其信号输出输入端分别与贴片工作头输入输出口连接，其信号输出端与XY运动平台信号输入端连接；从而实现运动控制卡通过总线接受高速计算机发出的运动位置指令，运动控制卡上的DSP对目标坐标与即时位置坐标进行处理并通过信号线发出调速信号给XY运动平台及贴片头；所述交流伺服控制器通过信号连接电缆检测电机位置信号并把它反馈给运动控制卡，同时接收运动控制卡上的信号产生变频调整信号，并通过信号电缆驱动电机进行调速，使运动速度产生变化；

所述的XY运动平台，其信号输入端与运动控制及驱动系统的信号输出端连接，接受来自运动控制及驱动系统控制信号带动贴片工作头作X、Y向运动；同时通过信号电缆与高速计算机I/O输入输出口连接完成自身的X、Y向的运动；

所述的贴片工作头，直接按装于XY运动平台上并跟随产生X、Y运动；其输入输出端分别与运动控制及驱动系统的输出输入端连接，完成Z轴的上下运动及θ的转角运动；其输入输出端分别与高速计算机输出输入端连接完成贴片头吸头产生负压及正压用以吸取及贴放元器件；

所述的PCB板传送系统，其输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接，用来传递PCB板(或基板)使其可以与其它设备构成生产线，通过信号线接受来自高速计算机I/O输出的控制信号驱动传送电机产生运动；通过与高速计算机I/O口的连接电缆检测位置传感器并驱动档块运动；

所述的送料器系统，其输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接，接受来自高速计算机I/O输出的控制信号使各式元器件被放于规定坐标位置上，并能在器件被吸取后自动把下一个器件放置上来；

所述的快速图像识别系统，其输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接，主要是对吸取的器件进行识别，以得出修正值。

所述的快速图像识别系统，包括光源、脉冲型电源、可变光学镜头、CCD摄像头、图像采集处理卡、图像实时采用处理模块，其中：高速高清晰的CCD摄像头与图像处理采集卡连接，经拍摄后的图像通过数字传输线迅速传送给图像采集处理卡，用专用的DSP处理器来快速处理图像，将采集的图像进行实时识别，由图像实时采用处理模块完成将采集图像与数据库内标准的图形进行比较，以求得偏差值△X、△Y、△θ，产生的△X、△Y、△θ修正值传给高速计算机，高速计算机处理修正后传给运动控制卡。

所述的图像实时采用处理模块，把采集的图像与标准的图像进行实时比较、进行实时处理，以便求出偏差值△X、△Y、△θ，然后通过运行控制卡对实际的目标值进行修正，即：X2＝X1—△X，Y2＝Y1—△Y，θ2＝θ1—△θ，其中X1、Y1、θ1为器件应该到达的目标位置，X2、Y2、θ2为经过修正后实际到达的位置，△X、△Y、△θ为器件的偏差值，通过这样的修正最终可以获得良好的贴装效果，克服由于元器件被吸取时与标准的图形产生偏差的问题。

本实用新型图像识别视觉全自动贴片机是在计算机控制下全自动运行，其过程如下：

A、通过显示器与键盘，操作者把被贴装器件的坐标(即从哪里取器件)与贴装到PCB板上的坐标(器件送到哪里去)输入到计算机实行人机对话。

B、根据坐标位置计算机向运动控制及驱动系统发指令，运动控制及驱动系统驱动X、Y移动平台，带动贴片工作头作X向及Y向的复合运动，同时运动控制驱动系统驱动贴片工作头作Z轴及θ转角运动。

C、高速计算机向工作头发出指令，打开贴片工作头上的负压发生器产生吸力而把器件从送料器系统中取出，完成取元器件。

D、高速计算机再次发出指令通过运动控制及驱动系统及X、Y运动平台，驱动吸有器件的工作头，经过图像识别系统到达经过误差修正PCB板上对应贴放器件的坐标位置。

E、高速计算机向工作头发出指令关闭负压发生器，打开正压发生器(产生吸力)从而把器件放在PCB板对应的位置上。

F、重复进行上述运动将所需要贴装的器件依次全部贴好。然后高速计算机启动PCB传送装置将完工的PCB板送出，并取入一块新的PCB板准备贴装。

G、每取去一个元器件，送料器在高速计算机的控制下将下一个器件送到对应的取入坐标上。

H、每次取起元器件，均对元器件进行一次图形识别，确定是否在中心，若有偏差进行修正。

与现有技术相比，本实用新型改进后的快速图像识别处理全自动贴片机增加了快速图像识别系统，把采集的图像与标准的图像进行实时比较，进行实时处理，对吸取的器件进行识别并给与修正，克服由于元器件被吸取时与标准的图形产生偏差的问题，实现良好的贴装效果。本实用新型提高了全自动贴片机的三大主要性能：更广的适用范围，更高的精度，更快的速度。

附图说明

图1为本实用新型整体功能模块结构示意图。

图2为本实用新型中快速图像识别系统的结构模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：高速计算机、人机界面、运动控制及驱动系统、XY运动平台、贴片工作头、PCB板传送系统、送料器系统，其特征在于，还包括快速图像识别系统，其中：

所述的运动控制及驱动系统，用于运动控制X轴、Y轴、Z轴及转角θ的运动；包括相连接的运动控制卡、交流伺服控制器，运动控制卡通过总线接受高速计算机发出的运动位置指令，运动控制卡上的DSP对目标坐标与即时位置坐标进行处理并通过信号线发出调速信号给XY运动平台及贴片头；所述交流伺服控制器通过信号连接电缆检测电机位置信号并把它反馈给运动控制卡，同时接收运动控制卡上的信号产生变频调整信号，并通过信号电缆驱动电机进行调速，使运动速度产生变化；

所述的XY运动平台，接受来自运动控制及驱动系统控制信号带动贴片工作头作X、Y向运动；同时通过信号电缆与高速计算机I/O输入输出口连接完成自身的X、Y向的运动；

所述的贴片工作头，直接按装于XY运动平台上并跟随产生X、Y运动；其输入输出端分别与运动控制及驱动系统连接，完成Z轴的上下运动及θ的转角运动；其输入输出端分别与高速计算机连接完成贴片头吸头产生负压及正压用以吸取及贴放元器件；

所述的PCB板传送系统，用来传递PCB板(或基板)使其可以与其它设备构成生产线，通过信号线接受来自高速计算机I/O输出的控制信号驱动传送电机产生运动；通过与高速计算机I/O口的连接电缆检测位置传感器并驱动档块运动；

所述的送料器系统，接受来自高速计算机I/O输出的控制信号使各式元器件被放于规定坐标位置上，并能在器件被吸取后自动把下一个器件放置上来；

所述的快速图像识别系统，主要是对吸取的器件进行识别，以得出修正值。

如图2所示，所述的快速图像识别视觉处理系统，包括光源、脉冲型电源、可变光学镜头、CCD摄像头、图像采集处理卡、图像实时采用处理模块，其中：高速高清晰的CCD摄像头与图像处理采集卡连接，经拍摄后的图像通过数字传输线迅速传送给图像采集处理卡，用专用的DSP处理器来快速处理图像，将采集的图像进行实时识别，由图像实时采用处理模块完成将采集图像与数据库内标准的图形进行比较，以求得偏差值△X、△Y、△θ，产生的△X、△Y、△θ修正值传给高速计算机，高速计算机处理修正后传给运动控制卡。

所述的图像实时采用处理模块，把采集的图像与标准的图像进行实时比较、进行实时处理，以便求出偏差值△X、△Y、△θ，然后通过运行控制卡对实际的目标值进行修正，即：X2＝X1—△X，Y2＝Y1一△Y，θ2＝θ1—△θ，其中X1、Y1、θ1为器件应该到达的目标位置，X2、Y2、θ2为经过修正后实际到达的位置，△X、△Y、△θ为器件的偏差值，通过这样的修正最终可以获得良好的贴装效果，克服由于元器件被吸取时与标准的图形产生偏差的问题。

实施例中各功能模块的实施方法及步骤如下：

1、计算机控制部分，即高速计算机

①构成

——PC主机

CPU 奔腾4处理器以上

内存 8G

外存 100G

——显示器、键盘、鼠标

——I/O板、64路输入、64路输出

——总线

②主要功能

A、整个设备的控制中心。

B、通过I/O输入输出及总线对整个系统进行实时运动控制与图像处理。

③工作步骤

A、计算机内存上存放着运行处理程序、人机对话表格及数据库。

B、通过人机界面，操作人员将所需的每个元器件的吸取人坐标与贴放坐标通过键盘及显示器填入表格中，完成人机对话。

C、主机根据每个坐标通过总线向运动控制器发出指令，而运动控制由下层的DSP数值处理器直接控制，不需主机直接管理。

D、在运动到位后，主动机通过I/O口驱动对应的电磁阀进行吸放器件。

E、在完成一个器件拾取后通过I/O口驱动送料器送入下一个器件。

F、在完成整板贴装后，驱动PCB板传送带运动，送出PCB板。

G、通过总路线及I/O启动摄像头及图像卡工作，，在图像识别处理卡完成一次图像处理后，通过总线接收该数据信号，并进行修正后再次发给运动控制卡。

2.运动控制及驱动系统

①构成

A、运动控制卡，采用美国PMAC公司生产的四轴型。

B、交流伺服控制器，4只(X、Y、Z及θ角)，采用日本三菱公司生产的17位分辨率。

C、交流电机，4只(X、Y、Z、θ)带有131072线光编码器。

②工作原理及步骤

A、上位主机(即高速计算机)通过总线向运动控制卡发出运动的位置指令。

B、运动控制卡上的DSP对目标坐标与即时位置坐标进行处理并发出调速信号。

C、交流伺服控制器，检测电机位置信号并把它反馈给运动控制卡，同时接收运动控制卡上的信号产生变频调整信号，以驱动电机进行调速，使运动速度产生变化，越接近目标速度越慢，到达目标时速度为0。

3、XY移动平台

①构成：

A、平台由Y轴移动装置及X轴移动装置构成，其中X轴装在Y轴上

B、Y轴装置包括：(1)直线导轨 1付(2根)

(2)直线滚株丝杆 1根

(3)直线连轴器 1只

(4)Y轴交流伺服电机 1只

C、X轴装置包括：(1)直线导轨 1付

(2)直线滚株丝杆 1根

(3)直线连轴器 1只

(4)X轴交流伺服电机 1只

(5)X轴横梁 1根

②工作原理及步骤：

A、X轴的横梁装在Y轴的直线导轴的滑块上，Y轴滚珠丝杆的螺母也装在X轴横梁上

B、当Y轴的交流电机产生传动时，通过连轴器带动直线滚珠丝杆旋转，于是推动X轴的横梁运动，电机正转，横梁向前，电机反转，横梁向后。电机转速直接变为移动的直线速度。

C、X轴的横梁上也装有直线导轨及滚珠丝杆、X轴电机，而贴片头也同样装在X轴的滑块上及滚珠丝杆的螺母上。

D、当X轴电机运动时，带动滚珠丝杆旋转使贴片头产生移动，电机正反转，则贴片头产生左右移动。

E、当X、Y同时工作时就使贴片工作头产生X、Y的复合运动

4、贴片工作头

①结构：

A、吸头 4根

B、正、负发生器 4只

C、真空表 4只

D、底部位置传感器 4只

E、z轴移动装置：含直线导轴、滚珠丝杆、Z轴电机

F、θ转角装置：含转角电机、齿轮及同步胶带

G、贴片头底板用于装Z轴移动装置

H、贴片头顶面板装于z轴滑块上，吸头系统及转角装置均安装于上

②工作原理及步骤

A、当Z轴电机转动时，通过直线导轨及滚珠丝杆使工作头顶板产生Z轴向上下移动

B、当转角电机转动时，通过同步胶带子使每个吸头上的齿轮转动，从而使吸头产生转动。

C、在吸取器件时，当吸头到达底部传感器时，主机送出信号打开负压发生器，吸头产生吸力吸取器件，在贴放时，则主机送出信号关闭负压发生器，打开正压发生器，产生吹力把器件贴放在PCB板上。

D、真空表主要检测吸力的真空度，当真空度达不到要求值，则器件吸力不够，它会反馈给主机报警，以进一步检查。

5、PCB板传送系统

①结构

A、传送导板，1付(二块)，用于装传送带及电机。

B、传送电机。

C、传送带及滑轮

D、位置传感器，3只(准备位、工作位、结束位)。

E、定位销及档块。

②工作步骤：

A、当运行时主机打开驱动开关使电机转动，带动传送带运动。此时若有PCB板放在传递带上而会产生移动。

B、当PCB板进入准备位时，传感器检查到，如果上一块未贴完，则准备位挡块升起，不让PCB板前进，反之则让其流入。

C、进入工作位后，当传感器检测到PCB板时，档块及定位销上升使PCB板固定于规定位置。

D、当贴装完毕后，定位销及档块下落，PCB板进入下一台设备。

E、上述定位销及挡块均由电磁阀驱动气缸产生运动，控制信号来自于主机I/O输出。

6、送料器系统

①结构：送料器由送料平台及送料器组成

A、带式送料器，为成品采购件，有8、12、16、24、36mm多种宽度供选择。

B、送料器平台

C、电磁阀

②工作步骤

A、带式送料器的功能是将带式元器件在爪轮的作用下每运动一次将下一个器件推放到规定的吸取窗口。

B、将送料器插入送料平台上(平台可放多只带式送料器)，每只送料器插入平台后其器件的坐标位置也就确定了。

C、平台上装有电磁阀，工作时在计算机控制下打开，即可推动带式送料器上气缸，产生送料动作。

7、快速图像识别处理系统

①结构，见图2所示。

A、高分辨率低照度CCD摄像头

像素：1000*1000线，100万像素，照度：0.1L。

B、高精度可变光学镜头，f：8-35mm，F：1.6。

C、光源：电源24V，发光体：红色快速高光度二极管。

D、脉冲型电源：电源24V功能。

E、图像采集处理卡。

上述物品均为外购件。

②工作原理及步骤

A、当器件通过CCD上方到达规定的坐标值时，计算机向CCD摄像头发出触发脉冲，同时触发脉冲电源，使光源瞬时点亮。

B、CCD采用高速电子快门及光照进行图像的高速照相

C、经拍摄后的图像通过数字传输线迅速传送给图像采集处理卡

D、图像采集卡将采集的图像进行实时识别，并与标准的图形(放在数据库内)进行比较，以求得偏差值△X、△Y、△θ。

E、产生的△X、△Y、△θ修正值传给主机，主机又快速修正后传给运动控制卡，由于图像卡上有采用DSP器件，故实时性很强，整个过程约为30ms左右，因此当器件还没有到达目标坐标其修正过程已经全部完成。

与现有技术相比，本实用新型改进后的快速图像识别处理全自动贴片机具有如下有益效果：

Claims

1.一种图像识别视觉全自动贴片机，包括：高速计算机、人机界面、运动控制及驱动系统、XY运动平台、贴片工作头、PCB板传送系统、送料器系统，其特征在于，还包括快速图像识别系统，其中：

所述的运动控制及驱动系统，包括相连接的运动控制卡、交流伺服控制器，运动控制及驱动系统的信号输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接，其信号输出输入端分别与贴片工作头输入输出口连接，其信号输出端与XY运动平台信号输入端连接；

所述的贴片工作头，直接安装于XY运动平台上并跟随产生X、Y运动；其输入输出端分别与运动控制及驱动系统的输出输入端连接，完成Z轴的上下运动及θ的转角运动；其输入输出端分别与高速计算机输出输入端连接完成贴片头吸头产生负压及正压用以吸取及贴放元器件；

所述的PCB板传送系统，其输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接；

所述的快速图像识别系统，其输出输入端分别与高速计算机I/O输入输出口连接。

2.如权利要求1所述的图像识别视觉全自动贴片机，其特征在于，所述的快速图像识别系统，包括光源、脉冲型电源、可变光学镜头、CCD摄像头、图像采集处理卡、图像实时采用处理模块，其中：高速高清晰的CCD摄像头与图像处理采集卡连接，经拍摄后的图像通过数字传输线迅速传送给图像采集处理卡。