CN105228437A - 一种基于复合定位的异形电子元器件装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于复合定位的异形电子元器件装配系统，包括一进料系统、一待装系统与一机械手系统，所述机械手系统将电子元器件从所述进料系统夹起，插入所述进料系统的电路板中，其特征在于，其还包括一视觉系统与一处理器在送料阶段，进行机械、视觉双重定位，提高了定位精度，提升了效率；在管脚识别阶段，设置了绝对管脚平面位置检测与相对管脚平面位置检测双重检测，消除了部分电子元器件引脚同向弯折报废的问题，节省了生产成本；在插孔识别阶段，进行机械定位与视觉定位双重定位，提高了定位精度，消除了由于电路板误差引起的插件错误。

Description

一种基于复合定位的异形电子元器件装配系统及方法

技术领域

本发明涉及电子元器件装配领域，特别是一种基于复合定位的异形电子元器件装配系统及方法。

技术背景

电子设备都需要电路来进行控制，目前的电路主要是以电路板作为载体。电路板本身在制备的过程之中就可以把走线与衬底集成在一起，但是由于电子电路中的器件复杂多样，形貌多变，需要占有一定的空间体积，在非集成电路领域无法做到统一集成，需要人工或者机械将电子元器件唯一的插入到电路板中预留的插孔中。

人工插板效率低下，并且电子元器件中或多或少地含有重金属元素，长时间工作会对工人的身体健康造成危害。

而目前的插板通常采用机械手，将电子元器件从上料系统夹起，然后通过预设程序所指定的机械手运动路径，运动到指定的地点，进行插件。

此种自动化插件方法存在严重的弊端，首先，电子产品普遍具有细长的管脚，有一些器件的管脚较为粗壮，而另一些器件的管脚较为纤细，在运送过程中极易弯折，传统自动化插件设备和插件方法无法检测这些管脚的弯折，即使是碰到管脚弯折的电子元器件也会硬插到电路板上。从而造成废品的产生。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于复合定位的异形电子元器件装配系统，包括一进料系统、一待装系统与一机械手系统，所述机械手系统将电子元器件从所述进料系统夹起，插入所述进料系统的电路板中，其特征在于，其还包括一视觉系统与一处理器；

所述视觉系统能够识别并获取所述进料系统中的电子元器件平面位置数据、所述待装系统中电路板插孔位置数据与所述机械手夹持状态的电子元器件管脚平面位置数据，并传送至所述处理器；

所述处理器能够获取所述视觉系统传输的数据，对所述进料系统中的电子元器件进行定位，对电子元器件管脚位置与所述电路板插孔位置进行匹配。

较佳的，所述视觉系统包括一第一视觉模块、一第二视觉模块与一第三视觉模块；

所述第一视觉模块设置于所述进料系统上方，用于识别、获取电子元器件位置数据；

所述第二视觉模块设置于所述进料系统与所述待装系统之间，用于识别、获取电子元器件引脚平面位置数据；

所述第三视觉模块设置于所述待装系统上方，用于识别、获取电路板插孔平面位置数据。

一种基于复合定位的异形电子元器件装配方法，包括步骤：

S1，电子元器件进入进料系统，第一视觉模块识别电子元器件轮廓、获取电子元器件代码，传送至处理器；

S2，处理器访问夹具数据库，确定夹具与电子元器件匹配；

S3，第一视觉模块获取电子元器件轮廓数据，送至处理器；

S4，第三视觉模块识别电路板插孔位置信息，送至处理器；

S5，处理器定位电子元器件位置，控制机械手夹持电子元器件，第二视觉模块检测管脚，获取管脚平面位置信息，送至处理器匹配插孔位置与管脚位置；

S6，处理器控制机械手进行插件。

较佳的，所述步骤S4包括子步骤：

步骤S41，第三视觉模块根据机械定位确定识别区域；

步骤S42，处理器指导第三视觉模块进行区域范围修正；

步骤S43，第三视觉模块定位插孔。

较佳的，所述步骤S42中，区域范围修正通过下式确定：

$\mathrm{\λ}=(1+\mathrm{\η})\frac{D_{max}}{(D_{max}-d)}\frac{D_{min}}{(D_{\min }-k)}$

式中，λ为增加的面积与原始面积的比值，η为电路板的尺寸误差，D_max为距离最远的两个插孔之间的距离，D_min为距离最近的两个插孔之间的距离，d为插孔内径，k为第三视觉模块的视觉识别误差。

较佳的，所述步骤S5包括子步骤：

步骤S51，处理器定位电子元器件，控制机械手夹持电子元器件达到指定位置；

步骤S52，第二视觉模块电子元器件轮廓并定位电子元器件；

步骤S53，第二视觉模块识别管脚平面位置，处理器判断管脚绝对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，转至步骤S55，若不符合误差范围则继续；

所述绝对位置为管脚与电子元器件本体的相对位置；

步骤S54，第二视觉模块虚化电子元器件轮廓，处理器判断管脚相对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，转至步骤S55，若不符合误差范围则转至步骤S56；

所述相对位置为管脚之间相对位置；

步骤S55，处理器完成电子元器件引脚与电路板插口匹配；

步骤S56，处理器判定电子元器件为废品并将其丢弃。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：在送料阶段，进行机械、视觉双重定位，提高了定位精度，提升了效率；在管脚识别阶段，设置了绝对管脚平面位置检测与相对管脚平面位置检测双重检测，消除了部分电子元器件引脚同向弯折报废的问题，节省了生产成本；在插孔识别阶段，进行机械定位与视觉定位双重定位，提高了定位精度，消除了由于电路板误差引起的插件错误。

附图说明

图1为本发明装配系统的结构示意图；

图2为本发明装配方法的流程图；

图3为本发明装配方法中步骤S4的具体流程图；

图4为本发明装配方法中步骤S5具体流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员对本发明的技术方案和有益效果进行理解，特结合附图对具体实施方式进行如下描述。

实施例一：

本发明所述的基于复合定位的异形电子元器件装配系统，请参见图1所示，图1为本发明所述的装配系统结构图。

本发明所述的装配系统主要包括一进料系统1、一机械手系统2、一待装系统3、一视觉系统4与一处理器5。

所述进料系统1与所述待装系统3构成目前主流的电子元器件插件装备或者是流水线。工人一侧是进料系统，另一侧是需要进料系统送至的电子元器件插入的电路板。

在传统工作流程中，工人从进料系统获取电子元器件，然后将其插到待装系统的电路板上。

在本发明所述的装配系统中，所述进料系统1能够将成批的电子元器件运送所述进料系统的指定位置，电子元器件通常是成批插在软质基板上，当一批电子元器件全部被插到电路板上之后，所述进料系统将前一批电子元器件的基板从指定位置移除，将下一批电子元器件运送至指定位置。

所述待装系统3包括用于定位并且固定电路板的固定装置、用于传送电路板至所述固定装置的传送装置，所述传送装置通常采用传送带等技术实现。

工作流程中，传送装置将需要插入电子元器件的电路板运送至所述待装系统上的指定位置，机械臂(传统流程中对应工人)将电子元器件插好，然后传送装置将插好的电路板运送至下一道工序，比如下一个插件的传送装置，或者进入后续的焊接工序。然后传送装置将下一个待插入电子元器件的电路板运送至所述待装系统上的指定位置。

所述机械手系统2主要包括机械手与控制器，所述机械手能够代替原有的工人，将电子元器件从所述进料系统1中夹持起来，插入到所述待装系统3上的电路板上，所述机械手上设置有直接与电子元器件接触的夹具，每种夹具与一种或几种电子元器件相匹配；所述控制器可以与所述处理器5集成，用于控制所述机械手的动作。

所述视觉系统4包括三个视觉模块：第一视觉模块41、第二视觉模块42与第三视觉模块43。

所述第一视觉模块41设置在所述进料系统上方，能够拥有所述进料系统指定位置的视场。也就是说，在电子元器件进入所述进料系统1的时候，所述第一视觉模块41对基板上的所有电子元器件轮廓进行识别，继而进行定位。

所述第一视觉模块41对电子元器件的轮廓识别有两个作用：

首先，其能够识别当前电子元器件的型号，由于不同的电子元器件需要不同的机械手夹持头进行夹持，如果采用错误的夹持头将会造成机械手的损伤及电子元器件的报废。当所述第一视觉模块41识别当前电子元器件轮廓，确定电子元器件型号，将型号数据送至所述处理器5，所述处理器5在电子元器件型号与机械手夹持头不匹配的情况下控制机械手对夹持头进行更换。

其次，其识别当前电子元器件的轮廓，将本批电子元器件的轮廓数据传送至所述处理器5中。

所述处理器5接收所述第一视觉模块41传送来的电子元器件轮廓数据，将其转换为坐标数据，并根据该坐标数据控制机械手对电子元器件进行精确夹持。

所述机械手夹持电子元器件从所述进料系统1向所述待装系统3方向运动，在运动过程中，所述机械手将电子元器件停止在所述第二视觉模块42的位置，所述第二视觉模块42能够获得电子元器件管脚的视场图像。

所述第二视觉模块42设置在所述进料系统1与所述待装系统3中间，用于对所述机械手夹持起的电子元器件进行检测，检测其管脚平面位置。

通常为了节省时间与空间，通常设置在所述待装系统与所述进料系统1之间，方向朝上，这样机械手夹持电子元器件(管脚向下)机械手无需进行额外的动作，只需在移动中间某位置停下即可完成管脚的检测。但本专利并不对所述第二视觉模块42的位置、朝向进行限定，其可以设置在任何位置。

所述第二视觉模块42将检测到的管脚平面位置数据传送至所述处理器5中。

所述的平面位置，是指所述第二视觉模块42能够对平面上的位置进行获取，而无法获取三维立体位置，三维立体位置依赖于所述处理器进行后续的处理与判断，所述第一视觉模块41与所述第三视觉模块43同理。

所述第二视觉模块42进行检测的同时，所述第三视觉模块43对所述待装系统3上的电路板进行检测，识别电路板上对应当前电子元器件的插孔形状与位置坐标，传送至所述处理器5中。

所述处理器5能够接受所述第一视觉模块传送的电子元器件轮廓数据，对进料系统指定位置的电子元器件进行定位，并且以此指导所述机械手对电子元器件进行精确夹持；处理器5能够接受所述第二视觉模块42传递的引脚位置数据与所述第三视觉模块43所接收到的电路板插口位置数据，并进行匹配，判断当前电子元器件是否能够正常插入电路板的岔口当中。

请参见图2所示，其为本发明所述装配方法的流程图，本发明所述的基于复合定位的异形电子元器件装配方法采用下述步骤实现：

步骤S1，工件进入进料系统，第一视觉模块识别工件轮廓并确定工件代码；

为便于解释，以下将电子元器件称为工件。首先，工件成批插设在基板上，所述进料系统将基板运送至进料系统的指定位置。

所述第一视觉模块41对基板上的所有电子元器件轮廓进行识别，根据电子元器件的轮廓确定电子元器件的工件代码，并将其传送至所述处理器。

步骤S2，处理器访问夹具数据库，确定夹具与工件匹配；

由于工件，尤其是异形工件的轮廓具有较强的特异性，所以一种工件需要对应一种夹具。所述处理器5接收所述第一视觉模块41传送的工件代码，访问夹具数据库，确认当前所述机械手上的工件是否与当前工件代码匹配，若匹配，则继续，若夹具与工件不匹配，则处理器控制机械手更换与工件匹配的夹具。

步骤S3，第一视觉模块获取工件轮廓数据，送至处理器；

第一视觉模块41在所述处理器5确认夹具与工件匹配无误的情况下，继续对工件轮廓进行视觉识别，获取轮廓的位置数据，传送至所述所述处理器5。

步骤S4，第三视觉模块43识别电路板插孔平面位置信息，送至处理器；

所述第三视觉模块对所述待装系统3上的电路板进行识别，获取将要插入工件的电路板插口位置信息，并送至处理器。

步骤S5，处理器定位工件位置，控制机械手夹持工件，第二视觉模块检测管脚，获取管脚平面位置信息，送至处理器匹配插孔位置与管脚平面位置；

所述处理器能够接受所述第一视觉模块41传送的工件轮廓位置信息，并且根据这些位置信息对工件进行定位。所述处理器根据这些位置信息控制机械手对工件进行定位，从而实现精准夹持。

此种方法设置采用先使用机械定位、再使用视觉定位的方法，对于工件位置进行精确定位，大大提升了机械手对工件夹持的准确定，消除了传统操作方法中，由于工件在基板上的位置偏移引起的机械手夹歪的问题。

在机械手将工件夹起转移到电路板上的过程中，会在所述第二视觉模块42同一垂直线位置进行短暂的停顿，此时所述第二视觉模块42对工件引脚的平面位置进行识别，将工件引脚平面位置信息送至所述处理器5。

处理器接收所述第二视觉模块42送来的工件引脚平面位置信息，与所述第三视觉模块43送来的电路板插口平面位置信息。将二者进行匹配，如果

步骤S6，处理器控制机械手进行插件。

在处理器完成工件管脚与电路板插口的位置匹配后，处理器控制机械手将工件插入电路板的插口之中，完成工件的插件。

请参见图3所示，其为本发明所述装配方法中步骤S4的具体流程示意图。

步骤S4包括若干子步骤：

步骤S41，第三视觉模块根据机械定位确定一小块区域；

所述待装系统在电路板上会通过机械方式进行固定，通过机械方式进行固定一方面能够稳定电路板，使其固定在所述待装系统上，另一方面，可以通过机械固定的方式对电路板进行第一次定位，也是较为粗略的定位。

第三视觉模块在机械固定好的电路板上确定一小块区域，待插件的工件就需要被插在此块区域中的插口中。由于视觉识别需要的计算量比较大，通过机械定位的方式减小识别区域的面积能够提升识别速度和识别效率。

通常第三视觉模块选定的区域为插孔所在区域面积的10倍。

步骤S42，处理器指导第三视觉模块进行区域范围修正；

机械方式定位的电路板会存在一些误差，这些误差通常通过以下几个方面造成：待装系统在对电路板进行固定的时候会产生误差，电路板在生产的时候本身会存在一些误差。

所以，即使固定好的电路板也会存在误差，这样就造成了这样一种隐患：由于工件的引脚可能非常小，而且可能会比较密集，所以在一块电路板的误差范围之内会有另外一组引脚与插件引脚相匹配，造成次品的产生。

步骤S42中，处理器指导第三视觉模块43对区域范围进行修正，具体来说，就是增大在步骤S41中选定的范围。

选定的范围面积增加量通过下式确定，其中，λ为增加的面积与原始面积的比值，

$\mathrm{\λ}=(1+\mathrm{\η})\frac{D_{max}}{(D_{max}-d)}\frac{D_{min}}{(D_{\min }-k)}$

式中，η为电路板的尺寸误差，D_max为距离最远的两个插孔之间的距离，D_min为距离最近的两个插孔之间的距离，d为插孔内径，k为第三视觉模块43的视觉识别误差。

采用此步骤确定的视觉识别范围可以消除电路板以及系统误差引起的电路板插孔识别错误的情况。

步骤S43，第三视觉模块定位插孔。

在经过步骤S42后，所述第三视觉模块确定了视觉识别的范围，并且在该范围内进行视觉识别，将插孔平面位置信息传送至所述处理器5。

请参见图4所示，其为本发明所述装配方法步骤S5的具体流程示意图。

所述步骤S5包括若干子步骤：

步骤S51，处理器定位工件，控制机械手夹持工件达到指定位置；

处理器接收所述第一视觉模块41传送的工件平面位置数据，并对工件进行定位，根据定位结果，控制机械手夹起工件，向所述待装系统3移动，在移动过程中，在与所述第二视觉模块统一垂直线的位置进行短暂的停止。

步骤S52，第二视觉模块42工件轮廓并定位工件；

处理器控制机械手夹持工件在所述第二视觉模块42垂直线位置停止，从而使所述第二视觉模块42能够获得工件引脚的视场。

第二视觉模块首先识别工件轮廓，根据工件轮廓定位工件位置，并将定位信息传送至处理器5。

步骤S53，第二视觉模块识别管脚平面位置，处理器判断管脚绝对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，转至步骤S55，若不符合误差范围则继续；

所述第二视觉模块42继续识别工件管脚平面位置，并将该管脚平面位置信息传送至所述处理器5，处理器5判断管脚的绝对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，则代表这个工件引脚位置良好，能够顺利地插入电路板的插口之中，若不符合误差范围，则代表这个工件引脚位置不佳，无法插入电路板插口之中。

所述绝对位置指工件引脚与工件轮廓之间的相对位置。

步骤S54，第二视觉模块虚化工件轮廓，处理器判断管脚相对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，转至步骤S55，若不符合误差范围则转至步骤S56；

在实际操作过程中有这样一种情况，工件的引脚相对工件本体来说确实有位置的误差，但是所有的引脚均向着近乎同一方向、统一偏移量产生偏移，这样的情况下，工件还是有可能插入电路板的插口中的。

在工件引脚绝对位置不符合要求的情况下，第二视觉模块对工件轮廓进行虚化，并识别管脚相对位置，将相对位置数据传送至处理器，处理器对其进行处理，判断管脚相对位置是否符合误差范围。

若处理器判断引脚相对位置符合误差范围，则能够完成工件引脚与电路板插口的匹配。若处理器判断引脚相对位置仍然不符合插范围，则此工件只能够丢弃。

而且，这种情况实际上相当普遍，由于工件的引脚金属非常纤细、有一些工件的引脚还很长，在各阶段的运送过程中极易发生弯折。所以，此步骤的设置能够消除那些同向同尺寸弯折的引脚被丢弃的问题，能够为企业节省一部分成本。

所述相对位置指工件引脚之间的相对位置。

步骤S55，处理器完成工件引脚与电路板插口匹配；

步骤S56，处理器判定工件为废品并将其丢弃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变和修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于复合定位的异形电子元器件装配系统，包括一进料系统、一待装系统与一机械手系统，所述机械手系统将电子元器件从所述进料系统夹起，插入所述进料系统的电路板中，其特征在于，其还包括一视觉系统与一处理器；

所述视觉系统能够识别并获取所述进料系统中的电子元器件平面位置数据、所述待装系统中电路板插孔位置数据与所述机械手夹持状态的电子元器件管脚平面位置数据，并传送至所述处理器；

所述处理器能够获取所述视觉系统传输的数据，对所述进料系统中的电子元器件进行定位，对电子元器件管脚位置与所述电路板插孔位置进行匹配。

2.如权利要求1所述的基于复合定位的异形电子元器件装配系统，其特征在于，所述视觉系统包括一第一视觉模块、一第二视觉模块与一第三视觉模块；

所述第一视觉模块设置于所述进料系统上方，用于识别、获取电子元器件位置数据；

所述第二视觉模块设置于所述进料系统与所述待装系统之间，用于识别、获取电子元器件引脚平面位置数据；

所述第三视觉模块设置于所述待装系统上方，用于识别、获取电路板插孔平面位置数据。

3.一种基于复合定位的异形电子元器件装配方法，其特征在于，包括步骤：

S1，电子元器件进入进料系统，第一视觉模块识别电子元器件轮廓、获取电子元器件代码，传送至处理器；

S2，处理器访问夹具数据库，确定夹具与电子元器件匹配；

S3，第一视觉模块获取电子元器件轮廓数据，送至处理器；

S4，第三视觉模块识别电路板插孔位置信息，送至处理器；

S5，处理器定位电子元器件位置，控制机械手夹持电子元器件，第二视觉模块检测管脚，获取管脚平面位置信息，送至处理器匹配插孔位置与管脚位置；

S6，处理器控制机械手进行插件。

4.如权利要求3所述的基于复合定位的异形电子元器件装配方法，其特征在于，所述步骤S4包括子步骤：

步骤S41，第三视觉模块根据机械定位确定识别区域；

步骤S42，处理器指导第三视觉模块进行区域范围修正；

步骤S43，第三视觉模块定位插孔。

5.如权利要求4所述的基于复合定位的异形电子元器件装配方法，其特征在于，所述步骤S42中，区域范围修正通过下式确定：

$\mathrm{\λ}=(1+\mathrm{\η})\frac{D_{max}}{(D_{max}-d)}\frac{D_{min}}{(D_{\min }-k)}$

式中，λ为增加的面积与原始面积的比值，η为电路板的尺寸误差，D_max为距离最远的两个插孔之间的距离，D_min为距离最近的两个插孔之间的距离，d为插孔内径，k为第三视觉模块的视觉识别误差。

6.如权利要求3所述的基于复合定位的异形电子元器件装配方法，其特征在于，所述步骤S5包括子步骤：

步骤S51，处理器定位电子元器件，控制机械手夹持电子元器件达到指定位置；

步骤S52，第二视觉模块电子元器件轮廓并定位电子元器件；

步骤S53，第二视觉模块识别管脚平面位置，处理器判断管脚绝对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，转至步骤S55，若不符合误差范围则继续；

所述绝对位置为管脚与电子元器件本体的相对位置；

步骤S54，第二视觉模块虚化电子元器件轮廓，处理器判断管脚相对位置是否符合误差范围，若符合误差范围，转至步骤S55，若不符合误差范围则转至步骤S56；

所述相对位置为管脚之间相对位置；

步骤S55，处理器完成电子元器件引脚与电路板插口匹配；

步骤S56，处理器判定电子元器件为废品并将其丢弃。