JP2005537648A - Multiple light source alignment sensor with improved optics - Google Patents
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Abstract
本発明の特徴は、コンパクトな部品整列センサに対する比較的厳しい包囲要件に適応することができる光学的レイアウトを提供する。特に、本発明の或る局面は、発散の程度を低減し、好ましくは、部品ゾーンに入る前に複数の発散光源(212,214)からの光を実質的に平行にする単一の光学的構成要素を提供する。この点に関して、パーツ数が低く保たれ、そして光学的トレーンの物理的サイズが比較的小さい。The features of the present invention provide an optical layout that can accommodate the relatively tight enclosure requirements for compact component alignment sensors. In particular, certain aspects of the present invention reduce the degree of divergence, preferably a single optical that substantially collimates the light from the multiple divergent light sources (212, 214) before entering the component zone. Provide components. In this regard, the number of parts is kept low and the physical size of the optical train is relatively small.
Description
[発明の背景]
本発明は、電気部品を、印刷回路板、回路トレース(circuitry traces)を含むハイブリッド基板、及び回路トレースの他のキャリヤーのような表面上へピック・アンド・プレイス・マシン(pick−and−place machines)によって正確な位置に配置する制御システムに関する。より詳細には、本発明は、非接触型光ベースのセンサ・システムであって、部品の角度的向き及び位置(x,y)を正確に決定して、ピック・アンド・プレイス・マシンが当該部品の角度的向きを当該ピック・アンド・プレイス・マシンの座標系に対して適正な位置に補正するの可能にする非接触型光ベースのセンサ・システムに関する。
[Background of the invention]
The present invention relates to pick-and-place machines that move electrical components onto surfaces such as printed circuit boards, hybrid substrates including circuit traces, and other carriers of circuit traces. The control system is arranged at an accurate position. More particularly, the present invention is a non-contact light-based sensor system that accurately determines the angular orientation and position (x, y) of a component and allows the pick and place machine to The present invention relates to a non-contact light-based sensor system that enables the angular orientation of a part to be corrected to an appropriate position with respect to the coordinate system of the pick and place machine.
電子デバイス組立産業は、ピック・アンド・プレイス・マシンを用いて、部品を標準化されたフィーダ(送り)機構から自動的に「ピックアップし(拾い上げ)」、そして、そのような部品を、印刷回路板のような適切なキャリヤー上に「配置」する。所与の印刷回路板は、多数のそのような部品を含み得て、従って、印刷回路板への部品の配置の自動化は、コスト効果の高い製造にとって本質的である。所与のピック・アンド・プレイス・マシンの重要な局面は、配置する前に部品の向き及び位置を検出する方法である。一部のピック・アンド・プレイス・マシンは、部品を検査ステーションへ搬送し、そこにおいて、部品は、検査カメラ又は類似のもの(即ち、オフヘッド・システム(off−head systems))により像形成される。ひとたび、像形成されると、制御器、又は他の適切な装置が、向き及び位置の情報をその部品の像から計算する。そのようなシステムに係る1つの欠点は、部品を像形成ステーションまで移送し、当該部品を像形成し、そしてその部品を像形成ステーションから配置位置まで移送するのに必要とされる追加時間である。別のタイプのピック・アンド・プレイス・マシンは、「オンヘッド(on−head)」センサを用いて、部品フィーダから配置位置まで移送されながら、当該部品を本質的に像形成する。こうして、上記の事例とは対照的に、オンヘッド部品検査システムは、典型的には、より高い部品スループットを可能にし、従って、より低いコストの製造を可能にする。 The electronic device assembly industry uses a pick-and-place machine to automatically “pick up” parts from a standardized feeder mechanism and place such parts on a printed circuit board. “Place” on a suitable carrier such as A given printed circuit board can include a large number of such components, and thus automation of the placement of the components on the printed circuit board is essential for cost-effective manufacturing. An important aspect of a given pick and place machine is the method of detecting the orientation and position of a part prior to placement. Some pick and place machines transport the part to an inspection station, where the part is imaged by an inspection camera or the like (ie, off-head systems). The Once imaged, a controller or other suitable device calculates orientation and position information from the image of the part. One drawback with such a system is the additional time required to transfer the part to the imaging station, to image the part, and to transfer the part from the imaging station to the deployment location. . Another type of pick and place machine uses an “on-head” sensor to essentially image the part as it is transferred from the part feeder to the placement location. Thus, in contrast to the above case, on-head component inspection systems typically allow for higher component throughput and thus allow for lower cost manufacturing.
オンヘッド・センサを組み込むピック・アンド・プレイス・マシンは既知である。1つのそのような装置は、Skunes他へ発行され、本発明の譲受人へ譲渡された米国特許No.5,278,634に教示されている。米国特許No.5,278,634は、単一の光源を用いて、照射を関心の部品に及びそれを通り過ぎるよう指向させるオンヘッドの部品検出器を開示する。部品は、Skunes他の’634のセンサのハウジングの固定の大きさの窓に嵌る。光が活性状態にされたとき、部品は、検出器上へ投影された影の幅がモニタリングされながら真空クイルにより回転させられる。最小影幅は、矩形の部品の側部が検出器に対して垂直に整列されるとき、登録される。関連の電子装置は時にピック・アンド・プレイス・マシンに存在するが、当該関連の電子装置は、ノズルの所望の回転運動を(当該ピック・アンド・プレイス・マシンの基準軸を知って)計算する。これは、部品の角度的向き、並びに部品の位置を決定し、且つ適正な位置に補正するのを可能にする。 Pick and place machines that incorporate on-head sensors are known. One such device is disclosed in U.S. Pat. No. 5,096,096 issued to Skunes et al. 5,278,634. U.S. Pat. No. 5,278,634 discloses an on-head component detector that uses a single light source to direct illumination to and through the component of interest. The part fits into a fixed size window in the housing of the Skunes et al. '634 sensor. When the light is activated, the part is rotated by a vacuum quill while the width of the shadow projected onto the detector is monitored. The minimum shadow width is registered when the sides of the rectangular part are aligned perpendicular to the detector. The associated electronics are sometimes present in the pick and place machine, but the associated electronics calculate the desired rotational movement of the nozzle (knowing the reference axis of the pick and place machine). . This allows the angular orientation of the part as well as the position of the part to be determined and corrected to the proper position.
他のピック・アンド・プレイス・マシンは、センサ内に複数の光源を有するセンサを採用して、様々な大きさの部品に適応する。
Skunes他により教示されたシステムはピック・アンド・プレイス・マシンにおける電子部品配置の技術に著しい進歩を提供したとはいえ、広範囲の大きさを有する部品に対する使用に適合された効率的センサは、異なる大きさの窓を有するセンサを交換するため、より早い配置及びより少ないマシン中断時間を提供するであろう。
Other pick and place machines employ sensors having multiple light sources within the sensor to accommodate various sized parts.
Even though the system taught by Skunes et al. Has provided a significant advance in the technology of electronic component placement in pick and place machines, efficient sensors adapted for use with components having a wide range of sizes are different. Replacing a sensor with a sized window will provide faster placement and less machine downtime.
[発明の概要]
本発明の特徴は、コンパクトな部品整列センサのための比較的厳しい包囲要件に適応することができる光学的レイアウトを提供する。特に、本発明の或る局面は、発散の程度を低減する単一の光学的部品を設け、そして、部品ゾーンに入る前に複数の発散光源からの光を実質的に平行にすることが好ましい。この点に関しては、パート数が低く保たれ、そして光学縦列自体の物理的大きさが比較的小さい。
[Summary of Invention]
The features of the present invention provide an optical layout that can accommodate the relatively tight enclosure requirements for compact component alignment sensors. In particular, certain aspects of the present invention preferably provide a single optical component that reduces the degree of divergence and substantially collimates light from multiple divergent light sources before entering the component zone. . In this regard, the number of parts is kept low and the physical size of the optical column itself is relatively small.
便宜上、異なる図面において同じ参照番号を有するアイテムは、適宜、同じものであるか、又は同じ又は類似の機能を供する。 For convenience, items having the same reference number in different drawings are the same, or provide the same or similar function, as appropriate.
[好適な実施形態の詳細な説明]
図1Aは、本発明の実施形態が特に有効であるピック・アンド・プレイス・マシン150の平面図である。図1Aの説明がピック・アンド・プレイス・マシン150に関して提供されるであろうが、スプリット・ガントリー設計(split gantry designs)のような他の形式のピック・アンド・プレイス・マシンを用いることができる。図1Aに示されているように、ピック・アンド・プレイス・マシン150は、印刷回路板のような加工品を移送するよう適合されている移送機構152を含む。移送機構152は、取り付けセクション154及びコンベヤ156を含む。移送機構152は、加工品がコンベヤ156により取り付けセクション154へ搬送されるように基台158上に配設されている。フィーダ機構160は、一般的に、移送機構152の両側に配設され、そしてそれへ電子部品を供給する。フィーダ機構160は、電子部品を提供するよう適合された任意の適切な装置であり得る。
[Detailed Description of Preferred Embodiments]
FIG. 1A is a plan view of a pick and
ピック・アンド・プレイス・マシン150は、基台158上に配設されたヘッド162を含む。ヘッド162は、複数のフィーダ機構160のいずれかと取り付けセクション154との間で移動可能である。分かることができるように、ヘッド支持部材164は、レール166上を移動可能であり、それによりヘッド162が基台158上でy方向に移動するのを可能にする。y方向におけるヘッド162の移動は、モータ170がモータ作動信号に応答してボールねじ172を回転させるとき生じ、当該ボールねじ172は、ヘッド支持部材164のうちの1つと係合することによりヘッド支持部材164をy方向に変位させる。ヘッド162はまた、レール168上に支持され、基台158に対してx方向のヘッドの移動を可能にする。x方向におけるヘッド162の移動は、モータ174がモータ作動信号に応答してボールねじ176を回転させるとき生じ、当該ボールねじ176は、ヘッド162と係合し、ヘッド162をx方向に変位させる。他のピック・アンド・プレイス設計、例えば、x及びy方向の移動において排他的には動作しないピック・アンド・プレイス設計は、本発明との使用に適合され得る。
The pick and
ヘッド162は、一般的に、本体178、ノズル取り付け部180、ノズル182、及びセンサ184を含む。ノズル取り付け部180は、本体178内に配設され、そしてノズル182のそれぞれを当該本体178内に取り付ける。本明細書で用いられるように、「ノズル」は、部品を解放可能に保持することができる任意の装置を意味することを意図している。ノズル182のそれぞれは、z方向(上下方向)、x方向、及びy方向に移動可能であり、そしてサーボ・モータのような任意の適切な作動部材によりz軸の周りに回転可能である。センサ184は、ノズル182により保持された部品と関連した影情報を獲得するよう適合されている。センサ184は、適切な照射装置及び検出装置を含み、それによりセンサ184が部品の向き及びオフセット(偏り)に基づいて変わる影情報を提供することができる。センサ184は、ヘッド162上に取り付けられることができ、又は代替として、センサ184は、ヘッド162に対して固定の位置に取り付けられることができる。センサ184により処理電子装置34へ与えられる情報を用いて、それぞれの部品の向き及びオフセットを計算することができる。そのような情報は、x軸及びy軸のオフセット、並びに回転方向オフセットを計算することを含む。
The
図2は、本発明の一実施形態に従った部品の向き及び位置検出システム10の図である。部品の向き及び位置検出システム10は、照射16を部品18上へ少なくとも2つの異なる角度から指向させるよう構成されている光源12、14を含む。光源12、14がそれぞれの光源について考えてみると十分な強度の照射を与える限り、光源12、14は、任意の適切な光源であることができる。従って、光源12、14は、非コヒーレントな、又はコヒーレントな照射であることができる。光源12、14はレーザ・ダイオードであることが好ましいが、しかし一部の実施形態においては、光源12、14は発光ダイオード(LED)である。光源12、14は、それら光源の一方と検出器上の2つの点(当該検出器上の始めのピクセルと終わりのピクセル)により規定される実質的に同じ平面に照射を与えるよう配置することができる。1対の光源12、14が示されているが、3つの光源のような任意の適切な数の光源を用いることができる。光源12、14からの照射16は、部品18により或る程度まで遮られ、それにより検出器24上にそれぞれの影20、22を発生する。なお、検出器24は、直線状電荷結合デバイス(CCD)センサ又は相補形金属酸化半導体(CMOS)センサであることが好ましい。検出器24は、或る一定数の光電素子又はピクセルを含む。検出器24は、本質的に、影20、22を短い瞬時に捕捉し、そして当該捕捉された影のイメージと関連したデータ(例えば、検出器出力)を検出器電子装置26へリンク28を介して与える。希望される場合には、追加の光学的部品(例えば、レンズ、プリズム等)が、検出器24の前に配置され得て、それにより部品の像(像形成(image)された、又は焦点合わせされた影)が検出器24上に入射し、次いで、検出器24は、影よりむしろ影の像を表す検出器出力を与える。本明細書で用いられるように、「影」は、関心の部品による少なくとも部分的遮断に基づいて変わる光の強度により部分的に発生される任意の表示を意味することを意図している。従って、影は、検出器上に落ちる前に、焦点合わせされてもされなくともよい。
FIG. 2 is a diagram of a component orientation and
部品18がノズル30に保持され、又はさもなければノズル30に付着されるので、部品18は、光源12、14が選択的に励起される間に矢印32により示されるように回転される。分かることができるように、部品18の回転中に、影20、22は、照射の所与のビーム16を遮断する部品18の断面範囲に基づいて大きさ及び位置を変えるであろう。検出器24からの信号は、部品18の回転中に、読み取られ及び/又は記憶され、それにより検出器24からのデータを用いて、ノズル30に対する部品18の回転の向き、並びに部品18の位置(x,y)を計算する。検出器電子装置26は、このデータを処理電子装置34へリンク36を介して与える。図2に示されるように、処理電子装置34は、部品18の回転中に光源12、14の励起を制御するように光源制御電子装置38に結合されるのが好ましい。光源制御電子装置38又は励起電子機器38は、或る実施形態においては、センサ184内に取り付けられている。処理電子装置34は、適切なパーソナル・コンピュータ内に存在することができ、そして角度的向き及びオフセットを計算するための適切なソフトウエアを含む。処理電子装置34はまた、エンコーダ40に結合され、それにより、処理電子装置34は、ノズル30の角度的向きを示す信号をエンコーダ40から与えられる。従って、どの光源が励起されているかを本質的に知り、エンコーダ40により示されるようにノズル30の角度的向きを知り、そして回転されている間に部品18により投影される影の像を検出することにより、処理電子装置34は、センサの内部幾何学の適切な知識を与えられると、部品の向き及び位置を計算する。
Since
図2は、部品18の2つの端部の影が検出器24上に落ちるので光源12、14のいずれか一方を考えてみると二重端部測定を示す。
FIG. 2 shows a double end measurement when considering either one of the
本発明の様々な実施形態は、検査下での部品の単一の端部又は二重の端部の測定を用いて、部品の情報(部品の大きさ、センター・オフセット、及び角度的向き等)を抽出することができるよう設計されている。典型的には、二重端部測定は、図2に示されるように、部品の寸法により部品の両端部の影が、オーバラップすること無しに、同じ部品の測定時間中に、検出器の上に落ちることが可能になる場合用いられる。従って、部品の少なくとも2つの端部が、同じ部品の測定時間内で異なる光源により検出器上に影を作ることができる。単一端部測定と二重端部測定との相違は、単一端部測定プロセス中に、部品の唯1つの端部は、部品が部品の他方の端部の影が検出器上に落ちないであろう程大きいことに起因して、いずれの光源により検出器上にその影を形成される。 Various embodiments of the present invention use single end or double end measurements of a part under inspection to provide part information (part size, center offset, angular orientation, etc. ) Is designed to be extracted. Typically, double-ended measurements are performed as shown in FIG. 2, during the measurement time of the same part, without the shadows at both ends of the part overlapping due to part dimensions. Used when it is possible to fall down. Thus, at least two ends of the part can be shaded on the detector by different light sources within the same part measurement time. The difference between single-ended and double-ended measurements is that during the single-ended measurement process, only one end of the part will not cause the part to shadow the other end of the part on the detector. Due to the fact that it will be so large, any light source will cause its shadow on the detector.
2つ又はそれより多い光源は、像情報が計算のため収集される前の経過時間を低減するよう順序付けられる。これは、3つの光源が当該光源、及びCCD又は像形成アレイ(例えば、図1Bを参照)により定義される平面に対して別々に離間される場合特に有利である。光源が一般的に、検出器24の表面に対して垂直であるノズル30から引かれた線に対して互いから異なる角度位置にあるので、光源12、14のそれぞれは、部品18上へ入射するとき、その主要光線をこの法線に対して異なる角度で指向させるであろう。本明細書で用いられるように、主要光線は、検出器本体の機械的軸から公称として参照された放射源により発生された照射の中心から発する主要光線であり、それにより、発した放射のコア(なお、それは典型的には対称である。)は主要光線により二分にされる。これは、端部情報のような、影に含まれる情報が部品の異なる空間位置を表すことを可能にする。即ち、図2に示されるように、1つの側の端部が、光源12に対して整列され得て、そして90度未満の部品の回転で、別の側の端部が、光源14に対して整列され得る。
Two or more light sources are ordered to reduce the elapsed time before image information is collected for calculation. This is particularly advantageous when the three light sources are separately spaced relative to the plane defined by the light source and the CCD or imaging array (see, eg, FIG. 1B). Each of the
光源12、14は、任意の適切な要領で順序付けられる。例えば、光源12、14を、検出器24のフル・フレーム読み出し速度(例えば、2kHzライン読み出し速度)で順序付けることは、これらの光源の間で経過する時間量を低減する。なお、その時間量は、その間隔中における部品の角度回転量が比較的小さいように順序付けられている。光源をそのように順序付けることにより、いずれかの光源から導出された影の像を個々に得ることができ、それにより、いずれの特定の影の像間の部品の運動を低減することができ、従って粒状度(granularity)を低減し、且つその特定の光源からの一連の像の解像度を増強する。各光源は、影の像を部品の異なる回転位置から収集することを可能にする。部品に対する異なる光源位置に基づいて、部品の2以上の角度位置からの影の像は、比較的短い時間内で収集される。部品の情報は、単一の光源が励起されてデータを収集する場合要求されるであろう時間より少ない時間で収集することができる。それは、部品の全回転が角度情報を得るため要求されるからである。
The
本発明の実施形態の別の重要な特徴は、測定エンベロープ、又は変化する寸法の検知フィールドを生成する能力にある。本明細書で用いられるように、「検知フィールド」は、ハウジングのような任意の機械的遮蔽物により変更されるように、(全ての光源が励起されたとき、)励起された光源によりセンサに照射された累積的空間である。従って、検知フィールドは、機械的ハウジングすら要求するとは限らない。検知フィールドは、単一のセンサが大きさの変化する部品の向きを検知することができるように配置された複数の光源を適応させることにより形成される。例えば、部品が横方向に25mmである場合、部品の公称中心から12.5mmに配置され且つ検出器に対して垂直に配設される1つの励起された光源は、その主要光線を有し、検知フィールドで回転しつつあった部品の端部を捕捉するであろう。この実施形態は、その最も単純な形式で、或るサイズの部品につき唯1つの励起された光源を要求する。光源は、それらから放出される光の指定された円錐の立体角を有し、そのため、上記説明したように、公称中心からそして検出器表面に対して横方向又はおおよそ平行である距離は、パーツの端部の影を投影するためこの光源の発散を与えるよう調整することができる。しかしながら、例えば、ノズル30から8ミリメートルの位置に且つ検出器24に平行な部品18の直径に沿って向かう光源の主要光線を有して配置される光源は、光の立体角の相対的向き並びに光源の位置に依存して遮られるであろう。各光源12、14の立体角、及び部品の大きさに基づいて、各光源は、部品の様々な区域を照射する。複数の光源のうちのどの1つ又はそれより多くの光源を励起すべきかを選択することは、重要である。それは、異なった大きさの部品が影の一部分でさえ発生するため異なる光源の使用となるからである。光源制御電子装置38はまた、選択的な光源励起を、予想される部品の大きさに基づいて与えることができる。しかしながら、光源制御電子装置38は、処理を促進するため、又は部品についての追加の情報を提供するため同じ大きさの部品に対して変化する励起順序を与えることができる。
Another important feature of embodiments of the present invention is the ability to generate a measurement envelope or sensing field of varying dimensions. As used herein, a “sensing field” is a sensor that is excited by a light source (when all light sources are excited), as modified by any mechanical shield such as a housing. The cumulative space irradiated. Thus, the sensing field does not necessarily require even a mechanical housing. The detection field is formed by adapting multiple light sources arranged so that a single sensor can detect the orientation of a component of varying size. For example, if the part is 25 mm laterally, one excited light source located 12.5 mm from the nominal center of the part and arranged perpendicular to the detector has its principal ray, It will capture the end of the part that was rotating in the sensing field. This embodiment, in its simplest form, requires only one excited light source per size component. The light sources have a specified conical solid angle of the light emitted from them, so that, as explained above, the distance that is transverse or roughly parallel to the nominal center and to the detector surface is Can be adjusted to give the divergence of this light source to project the shadow of the edge of the light source. However, a light source arranged, for example, with the principal ray of the light source going 8 mm from the
部品が同じセンサにおいて小さいパーツから大きいパーツへ交換されるにつれ、検出器24に対して平行な線又は検出器24から横方向の線に沿ってますます遠くに向けられるがしかし検出器24に対して垂直の線からノズル30又は部品の回転の中心を介して測定された主要光線を有する光源は、光源12、14を選択的に順序付けることにより、ますます大きい部品の端部を像形成するであろう。(図1Bにおける矢印Aを参照)。光源12、14は、(各光源が1つの側の影を投影するケースにおいては、)影を部品18の対向する両側から同じ部品測定時間間隔で投影するよう順序付けられる。適切な光源の選択は、一般的に、予期されるパーツの大きさのアプリオリの知識に基づいて、光源をオンにすることを可能にし、それにより部品18の端部を検出器24上に像形成することができる。これは、固定の測定エンベロープ又は検知フィールド型である複数のセンサの使用を必要としないで、大きさが変化する部品を検出器24上に像形成することを可能にする。
As parts are swapped from small parts to large parts in the same sensor, they are directed more and more along a line parallel to
上記の説明は、単一のノズルが検知フィールド内に配設される実施形態に焦点を合わせたが、他の実施形態は、任意の適切な数のノズルを検知フィールドに設けることができる。図3は、本発明の別の実施形態に従って部品の向きを検出するためのシステム20の図である。システム20は、図2に示されたシステム10と同じ又は類似の構成要素の多くを含み、そして類似の構成要素は、類似の番号が付されている。図3は、2以上のノズル30が検知フィールド31に配設されることができ、それにより複数の部品の向き及び位置が処理時間を低減するため実質的に同時に像形成されることができることを示す。
While the above description has focused on embodiments where a single nozzle is disposed within the sensing field, other embodiments can provide any suitable number of nozzles in the sensing field. FIG. 3 is a diagram of a
検知フィールド31は、放射(光)源と検出器との間の範囲であり、そこにおいては、ノズル上に配置された部品は、光をそれら部品の上に指向させる。この実施形態においては、部品の端部からの影は、検出器24上に投影される。ノズル30及び光源12、14の位置に依存して、特に所定の大きさである部品18は、様々な光源12、14を順序付ける等により測定され、それにより部品18の影は、他のノズル上の部品の影から区別されることができる。光源制御電子装置38が光源12を最初に励起し、次いで光源14を励起するという光源12、14の時間的順序付けが、図3に示されている。これは、2以上の部品18を検知範囲において実質的に同一時間に測定することを可能にする利点を有する。更に、ノズル30同士の間隔に依存して、ノズル30は、大きさが変化する部品を保持することができ、それでもなお、そのような部品をノズル30上を回転させながら部品の測定を達成することを可能にする。
The
図3は、部品18の2つの端部の影が検出器24上に落ちるので、光源12、14に関して考えてみると二重の端部測定の一例を示す。
FIG. 3 shows an example of a double edge measurement when considered with respect to the
図4は、本発明の別の実施形態に従った部品測定システム50の図である。図4は、検知フィールド31を示し、そこにおいては、検出器24が、離間した2つの検出器部分24A、24Bを備え、それらの検出器部分のそれぞれが、光源12、14から入射した光を受け取る。検出器部分24A、24Bは、それぞれの光源−検出器対が独立に動作するので、互いに隣接して且つ様々な角度で配設することができる。検出器24Aの主軸は、検出器24Bの主軸と同じ平面にあるとは限らない。更に、検出器24A及び24Bは、部品の異なるパーツからの影を像形成するよう構成されることができる。分離している検出器部分を用いることにより、より小さい検出器部分の使用が可能になり、そして、必要ならば、検出器部分24A、24Bを別々にパッケージ化することも可能になる。このようにして、非常に長い検出器24は、同じ大きい部品検知エンベロープ又はフィールド31を確立するため必要とされない。しかしながら、光源12、14の順序付けは、前の実施形態におけると本質的に同じである。
FIG. 4 is a diagram of a
図4は、部品18の2つの端部の影が検出器24A、24Bのそれぞれの上に落ちるので、光源12、14に関して考えてみると二重の端部測定の一例である。
FIG. 4 is an example of a double end measurement when considered with respect to the
図5は、本発明の別の実施形態に従った部品測定システム60の図である。部品測定システム60は、図4に示される部品測定システム50に対して多くの類似性を有し、そして類似の部品は類似の番号が付されている。部品測定システム60と50との主要な相違は、検出器部分24A及び24Bの相対的向きである。詳細には、図4に言及すると、検出器部分24A及び24Bの表面が、ほぼ同じ平面に存在し、そして、2次元で見たとき共平面に見える。しかしながら、図5に示される部品測定システム60は、検出器部分24A及び24Bの主軸が同じ平面に存在しないように配設されている検出器部分24A及び24Bを示す。従って、部品測定システム60の検出器部分24A及び24Bは、互いに対して共平面に見えない。代わりに、検出器部分24A及び24Bは、各検出器部分に関してそれぞれの光源からの照射の中心線に対して垂直に配設されている。例えば、検出器部分24Aは、端部62及び64が光源14から等距離であるように光源14に対して配向されているように見える。検出器部分24Aも、影20の平面に配設され、そして、光源の順序付けは、図5の相対的タイミング図に示されるように動作する。検出器部分24A及び24Bが、互いに対して比較的僅かな角度で配設されているように示されているが、90度のような任意の適切な角度を用いることができる。
FIG. 5 is a diagram of a
図5は、部品18の2つの端部の影が検出器24A、24Bのそれぞれの上に落ちるので、各光源に関して考えてみると二重の端部測定の一例である。
FIG. 5 is an example of a double end measurement when considered for each light source, as the shadows at the two ends of the
図6は、本発明の別の実施形態に従った部品測定及び検出システム70の図である。部品測定及び検出システム70は、図2に示される実施形態に類似しており、そして類似の構成要素は、類似の番号を付されている。図6のシステム70と図2のシステム10との間の主要相違は、反射鏡面72、74を設けることにある。分かることができるように、光源12、14は、最初に、それらの照射を検出器部分24から遠ざかるように指向され、当該その照射は、反射鏡面72、74(典型的には、実質的に鏡)上に落ち、そしてノズル30及び検出器34に向けて指向される。この実施形態は、光源12、14の配置に関する柔軟性を与える。図6に示されるように検出器24はまた、図4又は図5に示されるそれぞれの検出器のレイアウトのいずれかを組み込むことができるであろう。しかしながら、分割された検出器部分及び鏡面反射体を用いた実施形態においては、1つの光源は、鏡面反射体を利用することができるであろうし、そして一方別の光源は、その主要光線が部品上に直接入射し、従って鏡面反射体を必要としないように配置されることができるであろう。更に、図6が光源12、14と部品との間に鏡面反射体を使用することを示すが、そのような鏡面反射体は、部品と検出器34との間に配設されることができるであろう。
FIG. 6 is a diagram of a component measurement and
図7は、本発明の実施形態に従った部品測定及び検出システム80の図である。部品測定及び検出システム80は、本発明の実施形態を用いて、特大の部品に対する部品のオフセット及び回転の向きを検出する仕方(例えば、単一の端部測定)を示すよう図示されている。この説明は、単一の端部測定のための回転及び位置(x,y)のオフセットの計算を詳述するよう与えられおり、そして二重端部測定へ拡張することができる。Deleyへの米国特許No.5,559,727はまた、異なる光源/検出器配置の場合の両側測定のための回転及び位置のオフセットを計算することを提供する。図7は、1個の端部の唯1つの影が検出器部分24A、24Bのそれぞれの上に落ちるので、光源12、14のどちらか一方に関して片側測定の一例を示す。そのような部品は、一般的に、対向する両側の影を任意の単一の検出器部分上に同時に適合させるには大き過ぎる。
FIG. 7 is a diagram of a component measurement and
図7は、影を検出器部分24A及び24B上に投影する部品100を示す。しかしながら、各検出器部分は単一の影を捕捉するのみである。それは、部品100がその対向する両側の影が検出器部分24A及び24B上に落ちない程大きいからである。この実施形態においては、検出器出力28A及び28Bは、部品100のそれぞれの片(側部)が光源12、14のいずれか一方から発する所与の光線と整列されるときを示す影の最小を検出するため当該部品100が回転されながらモニタリングされる。例えば、図7に示される事例においては、僅かな反時計回りの回転は、部品100の端部102を光源14から発する光線と整列する状態にするであろう。そのような整列は、極小を検出器部分24A上に発生するであろう。図7において、検出器が光源に対して直角に位置されるように見えるが、非直交位置もまた採用し得ることが理解されるであろう。
FIG. 7 shows a
図7における、x軸及びy軸のオフセット、部品の幅、部品の側部の全ての長さ、及び部品の回転オフセットを決定するため、図8に示される、図7の1個の光源−検出器対の類似の例を考える。最小幅の長さは、影端部と検出器点O1との間の距離D1を求めることにより測定される。距離D1は、次のように部品の寸法L1と関連している。距離D1が最小であるとき、 The single light source of FIG. 7 shown in FIG. 8 to determine the x-axis and y-axis offsets in FIG. 7, the width of the part, the total length of the side of the part, and the rotational offset of the part Consider a similar example of a detector pair. The length of the minimum width is measured by determining the distance D 1 of the between Kagetan portion and the detector point O 1. The distance D 1 is associated with the dimension L 1 of the parts as follows. When the distance D 1 is a minimum,
であり、そこで、 And there
及び as well as
である。
LC及びα1_side_aに関する式は、side_c(側部C)が図8におけるside_a(側部A)のような類似の位置へ回転されるとき同様に導出されることができる。エンコーダ及びエンコーダ電子装置は、エンコーダ回転E1を捕捉する。なお、D1は最小である。連続したエンコーダ回転間のステップの大きさがTである場合、side_a(側部A)がピック・アンド・プレイス・マシンの基準軸に整列されており、且つ検出器24bの主軸に垂直であるとき、パーツ回転エンコーダ値は、
It is.
Equations for L C and α 1 _side_a can be similarly derived when side_c (side C) is rotated to a similar position such as side_a (side A) in FIG. Encoder and encoder electronics captures the encoder rotation E 1. Incidentally, D 1 is the smallest. If the step size between successive encoder rotations is T, when side_a (side A) is aligned with the reference axis of the pick and place machine and is perpendicular to the main axis of the
である。
ここで、α1_side_aが、点光源12において検出器24b上のO1への線とS1への線と間に形成される角度であり、そしてθ1が、光源12において検出器24b上のO1への線とピック・アンド・プレイス・マシンの基準軸との間に形成される角度である。部品の幅Wacは、次式のように計算することができる。
It is.
Where α 1 _side_a is the angle formed between the line to O 1 on the
そして、パーツの中心からの線Wに沿ったノズル軸30(回転軸)のオフセットは、次式により与えられる。 The offset of the nozzle shaft 30 (rotation axis) along the line W from the center of the part is given by the following equation.
式1から式6により数学的に記述した計算プロセスは、部品100の残りの対向する両側に対して繰り返されることができること任意であり、それから、直交した幅及びオフセットを計算することができる。このプロセスは、部品100に繰り返し適用することができ、そこにおいて、値La、Lb、Lc、Ld(部品100の側部の長さ)は、光源12、14を励起する順序付けと、光源12、14に対する部品100の回転とにより決定されるように、光源12、14による検出器24b、24a上への使用可能な最小投影の任意のシーケンスから導出することができる。
The calculation process described mathematically by Equations 1 through 6 is optional that it can be repeated for the remaining opposing sides of the
図9は、本発明の一局面に従った部品の向き及び配置検出システム210の図である。図9は、図1に幾分類似していて、類似の構成要素は同様の番号を付されている。部品の向き及び配置検出システム210は、照射216を部品218上へ少なくとも2つの異なる角度から指向するよう構成されている光源212、214を含む。光源212、214は、それら光源が各光源について考えてみると十分な強度の照射を与える限りいずれの適切な光源であることができる。従って、光源212、214は、非コヒーレントな又はコヒーレントな照射源であることができる。光源212、214は、レーザ・ダイオードであることが好ましいが、しかし一部の実施形態においては、光源212、214は、発光ダイオードである。光源212、214は、それらの光源のいずれか一方と検出器上の2点(検出器上の始めのピクセルと終わりのピクセル)とにより規定されるように、実質的に同じ平面に照射を与えるよう配置されることができる。
FIG. 9 is a diagram of a component orientation and
光源212からの発散する照射は、光学素子217を通り、当該光学素子217は、当該照射の発散の程度を低減し、そして好ましくは通過する光を実質的に平行にするよう機能する。図示されているように、光源212から光学素子217を通過する照射は、低減した発散を有する第1のビーム219を形成し、一方光源214から光学素子217を通過する照射は、低減した発散を有する第2のビーム221を形成する。光学素子217は、球面か又は円筒形であるレンズであることが好ましい。しかしながら、円筒形のレンズがより好ましい。光学素子217から発する照射は、その発散がより少なく、さもなければ存在するであろう光線束(ray bundle)より一層コンパクトな光線束を提供し、それにより、部品の回転がより少なくしか必要とされないので、部品の整列の計算を迅速化する。その上、当業者は、光学素子217が光学的に理想の向きから反対方向に配設されることを認めるであろう。このように、光学素子217は、部品のゾーン223に近接した平坦な表面を有する。光学素子217が平坦な表面を部品ゾーンに近接して有することにより、部品の向き及び配置検出システム210に汚染物に対する便利なシールが提供される。
Divergent illumination from the
本発明の一局面に従って、フィルタ225は、検出器224上に落ちる周囲光を低減するため、検出器224に近接して配設される。フィルタ225は、入射光の角度及び/又は波長に基づいてフィルタリングすることができる。
In accordance with one aspect of the invention, the
当業者は、4つの側部を有する部品に対して、完全な部品の測定を約225度(両方の端部を像形成するための180度+第1の端部を像形成するため最大45度)の回転で実行することができる。これは、部品の完全な1回転を必要とするより著しく早い。 One skilled in the art would have a complete part measurement of about 225 degrees (180 degrees to image both ends + up to 45 to image the first edge) for a four-sided part. In degrees) rotation. This is significantly faster than requiring a full revolution of the part.
或るケースにおいては、ピック・アンド・プレイス・マシンは、部品の大きさの任意のアプリオリの知識を持たなくよい。そのようなケースにおいては、ピック・アンド・プレイス・マシンは、「光源走査」を実行することができ、そこにおいては、複数の光源が順次励起されて、それら光源のうちのいずれかが少なくとも1つの影部分を少なくとも1つの検出器上に投影するよう部品に対して配設されているかどうかを決定する。そのような組み合わせが見つけられる場合、部品の測定及び整列は、その選択された検出器/光源の組み合わせでもって実行することができる。 In some cases, the pick and place machine may not have any a priori knowledge of part size. In such a case, the pick and place machine can perform a “light source scan” in which a plurality of light sources are sequentially excited and any one of the light sources is at least one. It is determined whether or not one shadow portion is disposed on the part to project onto at least one detector. If such a combination is found, the measurement and alignment of the part can be performed with the selected detector / light source combination.
本発明の実施形態の動作は、一般的に、次のステップを含む。第1のステップは、光源、ノズル及び検出器位置を相互に対して較正することである。この動作のため用いることができる多数の技術が存在する。例えば、様々なセンサ素子の位置の計算は、座標測定機械の適所に固定された試験構成要素を有するセンサを配置し、次いで当該座標測定機械を用いて、試験構成要素の全ての相対的位置を識別し、それにより、1つ又は複数の光源から検出器上へ入射する光線の位置をノズルの位置及び検出器の位置に対して知ることにより実行されることができる。 The operation of an embodiment of the present invention generally includes the following steps. The first step is to calibrate the light source, nozzle and detector positions relative to each other. There are a number of techniques that can be used for this operation. For example, the calculation of the position of the various sensor elements can be done by placing a sensor having a test component fixed in place on a coordinate measuring machine and then using the coordinate measuring machine to determine all relative positions of the test component. It can be performed by identifying and thus knowing the position of light rays incident on the detector from one or more light sources with respect to the position of the nozzle and the position of the detector.
第2のステップとして、1つ又は複数の光源から入射する光による検出器上への各部品の投影からの1つ又は複数の影は、端部を抽出するよう処理される特性強度プロフィールを有する。端部位置は、サブピクセル位置へ補間されることができる。そのような補間は、重心計算又は曲線適合を含むいずれの多くの技術を用いて実行することができる。次いで、これは、特定の端部位置をエンコーダ位置及び既知の光源光線位置と関連づける。次いで、影の定義された端部が1つの(r,θ)対を与える。なお、θは、ノズルのシャフト上にある又はその相対的角度位置を示すノズル・シャフトに取り付けられているエンコーダの位置であり、そして(r,θ)は、光源から、検出器上の端部位置であって部品の位置を角度空間及び時間におけるその特有の点において定義する上記端部位置までの距離である。(r,θ)対は、ノズル上での部品の回転中に収集される。これら複数の(r,θ)対を用いて、且つ図7のように既知の幾何学的技術を用いて、(r,θ,B1)を導出する。ここで、θは、αと一緒に用いて、パーツの角度的向きを計算する。なお、部品の情報は、部品の幅、部品の長さ、回転中心のノズル・オフセットx、回転中心のノズル・オフセットy、及びノズルの角度位置に対して部品の基準の定義されたフレームの角度位置を含む。この情報を用いて、部品の位置が、機械的基準の特定のピック・アンド・プレイス・マシンのフレームの中にソフトウエアを介して翻訳することができ、そして部品は、印刷回路板上のその目標位置上に配置されるよう適正に位置決めされることができる。 As a second step, one or more shadows from the projection of each part onto the detector by light incident from one or more light sources has a characteristic intensity profile that is processed to extract the edges. . End positions can be interpolated to sub-pixel positions. Such interpolation can be performed using any of a number of techniques including centroid calculation or curve fitting. This then associates a particular end position with the encoder position and the known source beam position. The defined end of the shadow then gives one (r, θ) pair. Where θ is the position of the encoder on the nozzle shaft or attached to the nozzle shaft indicating its relative angular position, and (r, θ) is from the light source to the end on the detector Position, the distance to the end position that defines the position of the part in its particular point in angular space and time. (R, θ) pairs are collected during rotation of the part on the nozzle. (R, θ, B 1 ) is derived using the plurality of (r, θ) pairs and using a known geometric technique as shown in FIG. Here, θ is used together with α to calculate the angular orientation of the part. The component information includes the component width, the component length, the rotation center nozzle offset x, the rotation center nozzle offset y, and the angle of the frame in which the component reference is defined with respect to the nozzle angular position. Includes location. With this information, the position of the part can be translated via software into a specific pick and place machine frame of mechanical reference, and the part It can be properly positioned to be placed on the target position.
本発明が好適な実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなしに、変更を形式及び詳細について行い得ることを認めるであろう。例えば、検出器24の複数の部分が、同じ平面内に又は同じ平面内で無しに配置されることができるであろう。更に、そのような検出器部分は、物理的に隣接しているとは限らないで、検出器のセグメントであり得て、それにより、光源及び検出器に対する多重ノズルの位置が、部品及び検出器部分に対してオンにされる光源の選択に基づいて部品をそのような検出器部分上に像形成することを可能にする。
Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. For example, multiple portions of
Claims (12)
センサと、
前記センサ内の部品ゾーンを照射するよう配設された前記センサ内の複数の発散光源と、
前記部品が前記部品ゾーンに少なくとも一部分配設されたとき、前記部品が前記複数の発散光源のうちの少なくとも1つの発散光源からの少なくとも幾らかの照射を遮って、前記部品の少なくとも一部の影を検出器上に形成するように前記光源に対して位置決めされた検出器であって、前記部品が回転しながら複数の検出器出力を与えるよう適合された前記検出器と、
前記部品ゾーンと前記複数の発散光源との間に介在されて、それらの間を通過する光の発散を低減する光学手段と、
前記検出器出力を受け取って、前記配置情報を計算する電子計算装置と
を備えるセンサ・システム。 A sensor system for calculating placement information about a part in an electronic part handling machine adapted to hold the part releasably and rotate the part, comprising:
A sensor,
A plurality of divergent light sources in the sensor arranged to illuminate a component zone in the sensor;
When the component is at least partially disposed in the component zone, the component blocks at least some illumination from at least one divergent light source of the plurality of divergent light sources, and shadows at least a portion of the component. A detector positioned relative to the light source to form a detector on the detector, wherein the detector is adapted to provide a plurality of detector outputs as the part rotates;
Optical means interposed between the component zone and the plurality of divergent light sources to reduce the divergence of light passing therebetween;
A sensor system comprising: an electronic computing device that receives the detector output and calculates the placement information.
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