CN105914171A - 一种机器视觉飞行系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器视觉飞行系统，包括基座、用于拾取芯片的拾取头、CCD相机、反射镜、半透半反射镜、基板以及导轨，基板相对基座固定设置，基座可沿导轨进行左右移动，CCD相机固定设置在基座的上部，基座上还固定设置有第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮之间通过皮带传动连接或者相互啮合，拾取头的侧部固定设置与第一齿轮和/或第二齿轮啮合的直齿条，第一齿轮和/或第二齿轮转动可带动直齿条上下移动从而带动拾取头上下移动，从以上可以知晓，通过设计合理的齿轮参数，就可以使得反射镜和拾取头在运动过程中不会相互干涉。

Description

一种机器视觉飞行系统
技术领域
本发明涉及倒装芯片贴装技术领域，具体涉及一种机器视觉飞行系统。
背景技术
机器视觉是指利用机器模仿人眼来做测量和判断，以实现生产柔性化和自动化的技术手段。倒装设备中的机器视觉系统是通过图像摄取装置(CMOS或CCD)获取生产线上芯片或基板的图像，并将其转换成电信号，传送给专门的图像处理系统，以得到被摄物的形态信息，然后根据得到的像素分布、亮度和颜色等信息，转变成数字信号，再通过图像系统对这些信号进行各种运算来抽取拍摄目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
倒装设备中要准确清晰地获取工件和安装工位的图像，视觉系统中的CCD相机与被拍摄物之间要建立起良好的光学对中方式，即在拾取机构吸取工件到贴装的过程中，CCD相机能够通过设计的光路捕捉到工件的图像，而且图像要足够清晰便于分析处理；同理，拾取机构移动到安装工位后利用所设计的光路，CCD相机能够摄取到安装工位的图像。为满足倒装设备高精度、高质量、高效率的需求，达到高效快速成像的目的，设计一种简单、有效的光学对中方式至关重要。
目前大部分的倒装设备的光学对中系统采用两台CCD相机，一台竖直向上安装于拾取位与贴装位之间的固定位置，这样在拾取头吸取芯片向基板运动的过程中，经过摄像机上方，便可以获取到元件的图像；另一台固定安装在拾取机构上，当拾取模块到达贴装工位时，便可摄取到安装工位的图像。这种光学对中系统较简单，成像质量较好且利于控制，但缺点是元件成像过程中需要将拾取机构移动到静止的仰视CCD上方并作短暂停留，降低了贴装的工作效率，且拾取机构在运动的过程中需要增加额外的启停，在一定程度上增加了拾取头的振动，影响贴片质量。另一种方案是只使用一套CCD相机系统获取元件和基板位置的方案，当拾取机构吸取芯片运动到安装工位上方，此时将一套光路系统置于芯片和安装位之间，依靠光路设计同时采集芯片和基板的图像，以实现芯片和安装工位的光学对。该方案的对准精度较高，但芯片键合时需要将光路系统移开，降低了贴装的工作效率。
发明内容
鉴于以上所述，为了解决至少其中一个技术问题，本发明有必要提供一种机器视觉飞行系统。
本发明采用的技术方案为：一种机器视觉飞行系统，包括基座、用于拾取芯片的拾取头、CCD相机、反射镜、半透半反射镜、基板以及导轨，基板相对基座固定设置，基座可沿导轨进行左右移动，CCD相机固定设置在基座的上部，基座上还固定设置有第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮之间通过皮带传动连接或者相互啮合，拾取头的侧部固定设置与第一齿轮和/或第二齿轮啮合的直齿条，第一齿轮和/或第二齿轮转动可带动直齿条上下移动从而带动拾取头上下移动，反射镜被第一齿轮驱动并与基座的底边呈斜向运动，半透半反射镜倾斜的固定在基座的一个底角，反射镜在第一齿轮驱动作用下斜向下运动，同时拾取头拾取芯片并向上运动，在拾取头达到预定位置之后，芯片在反射镜的成像可通过半透半反射镜被CCD相机捕获。
进一步地，半透半反射镜的反射面在上部而透射面在下部，半透半反射镜与基座上靠近半透半反射镜的透射面所在一侧的底角呈45°夹角设置；
反射镜与相对半透半反射镜所在一侧的底角呈135°角设置。
进一步地，拾取头包括上、下两个极限位置；
拾取头在下极限位置时，拾取芯片，反射镜完全避开拾取头；
拾取头在上极限位置时，已完成拾取芯片的动作，反射镜斜向下运动，使得芯片在反射镜的成像可通过半透半反射镜被CCD相机捕获。
进一步地，拾取头还包括运动控制机构，运动控制机构用于控制并且选择性地调整拾取头和/或基板的径向以及轴向运动。
进一步的，机器视觉飞行系统还包括分析处理模块，分析处理模块与运动控制机构信号连接，分析处理模块用于获取CCD相机捕获的图像并进行处理计算得到控制信号，分析处理模块将控制信号发送到运动控制机构进而控制拾取头进行运动。
进一步地，机器视觉飞行系统还包括第一灯源以及第二灯源，第一灯源位于半透半反射镜的反射面的一侧，而第二灯源位于半透半反射镜的透射面的一侧。
进一步地，拾取头完成拾取芯片并处于上极限位置后，拾取头沿导轨向基板的方向运动直至CCD相机的镜头对准基板，此时保持第二灯源关闭，打开第一灯源，从而触发CCD相机进行拍照并发送至分析处理模块进行处理，分析处理模块计算并发送控制信号至运动控制机构，从而控制拾取头对芯片进行位置和角度校准。
进一步地，拾取头完成对芯片的位置和角度校准后，关闭第一灯源，打开第二灯源，CCD相机获取基板的位置和角度的图像，并发送至分析处理模块，分析处理模块进而计算得出控制信号，驱动运动控制机构对基板进行位置和角度的校准。
进一步地，机器视觉飞行系统在校准基板的位置和角度时，芯片到CCD相机的光路距离与基板到CCD相机的光路距离相等。
相较于现有技术，本发明的机器视觉飞行系统，利用齿轮机构将拾取头的升降运动转化为反射镜的伸缩往复运动，通过设计齿轮参数，可以实现反射镜运动不干涉拾取头的拾放功能。
本发明的优选实施方案及其有益效果，将结合具体实施方式进一步详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但不应构成对本发明的限制。在附图中，
图1：本发明的机器视觉飞行系统的构造示意图。
图2：图1所示的机器视觉飞行系统的拾取头完成拾取芯片的示意图。
图3：图1所示的机器视觉飞行系统的获取芯片图像的示意图。
图4：图1所示的机器视觉飞行系统的获取基板图像的示意图。
图5：图1所示的机器视觉飞行系统的半透半反射镜与反射镜在获取基板图像时的相对位置示意图。
各部件名称及其标号
拾取头：1 基板：5 芯片：9 导轨：13
CCD相机：2 第一齿轮：6 第一灯源：10
反射镜：3 第二齿轮：7 第二灯源：11
半透半反射镜：4 直齿条：8 基座：12
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1、图2，本发明较佳实施例提供一种机器视觉飞行系统，该机器视觉飞行系统包括基座12、用于拾取芯片的拾取头1、CCD相机2、反射镜3、半透半反射镜4、基板5以及导轨13，基板5相对基座12固定设置，基座12可沿导轨13进行左右移动，从而可以带动拾取头1以及CCD相机2左右移动，CCD相机2固定设置在基座12的上部，基座12上还固定设置有第一齿轮6和第二齿轮7，第一齿轮6与第二齿轮之间通过皮带传动连接或者相互啮合，拾取头1的侧部固定设置与第一齿轮6和/或第二齿轮7啮合的直齿条8，第一齿轮6和/或第二齿轮7转动可带动直齿条8上下移动从而带动拾取头1上下移动，反射镜3被第一齿轮6驱动并与基座12的底边呈斜向运动，半透半反射镜4倾斜的固定在基座12的一个底角，反射镜3在第一齿轮6驱动作用下斜向下运动，同时拾取头1拾取芯片9并向上运动，在拾取头1达到预定位置之后，芯片9在反射镜3的成像可通过半透半反射镜4被CCD相机2捕获。
通过以上描述，本领域技术人员可以知晓的是，通过设计合理的齿轮参数，就可以使得反射镜3和拾取头1在运动过程中不会相互干涉。优选的，参见图2-图4，根据本实施例当中的一个优选实施方式，半透半反射镜4的反射面在上部而透射面在下部，半透半反射镜4与基座12上靠近半透半反射镜4的透射面所在一侧的底角呈45°夹角设置；反射镜3与相对半透半反射镜4所在一侧的底角呈135°角设置。这样可以使得芯片9在反射镜3的成像可以较为清晰而完整的通过半透半反射镜4被CCD相机2所捕获。
同理，如图2所示，当拾取头1吸取完或贴装完芯片9之后，向上提升，带动第一齿轮6逆时针旋转，第一齿轮6通过皮带带动第二齿轮7逆时针旋转，从而使反射镜3在第一齿轮6驱动下向下伸出，便于之后的芯片9的成像操作。
如图1所示，当拾取头1向下运动吸取芯片9或贴装芯片9时，第一齿轮6在与拾取头1上的直齿条8啮合作用下作顺时针旋转运动，并通过皮带带动第二齿轮7作顺时针旋转运动，第一齿轮6通过与反射镜3上的直齿条啮合，使反射镜3向上回缩，从而避免了与拾取头1发生干涉，影响芯片9的吸取。
根据本实施例的一个优选实施方式，拾取头1包括上、下两个极限位置，拾取头1在下极限位置时，拾取芯片9，反射镜3完全避开拾取头1；
拾取头1在上极限位置时，已完成拾取芯片9的动作，反射镜3斜向下运动，使得芯片9在反射镜3的成像可通过半透半反射镜4被CCD相机2捕获。
根据本实施例的一个优选实施方式，拾取头1还包括运动控制机构，运动控制机构用于控制并且选择性地调整拾取头1和/或基板5的径向以及轴向运动。
根据本实施例的一个优选实施方式，本机器视觉飞行系统还包括分析处理模块，分析处理模块与运动控制机构信号连接，分析处理模块用于获取CCD相机捕获的图像并进行处理计算得到控制信号，分析处理模块将控制信号发送到运动控制机构进而控制拾取头进行运动。参见图3和图4，本实施例的机器视觉飞行系统还包括第一灯源10以及第二灯源11，第一灯源10位于半透半反射镜4的反射面的一侧，而第二灯源11位于半透半反射镜4的透射面的一侧。
在成像阶段，当拾取头1吸取完倒装芯片9，基座12沿导轨13向基板5的方向运动过程中，首先触发第一灯源10，使第一灯源10打开，保持第二灯源11关闭，并触发CCD相机2拍照。此时，在上侧光强的作用下，半透半反射镜4变为一个全反射镜，通过与反射镜3的联合作用，使CCD相机2拍摄到芯片9的图像，运动控制机构完成对芯片9的校准，对芯片9的校准主要是对其位置和角度进行调整。
拾取头1完成对芯片9的位置和角度校准后，关闭第一灯源10，打开第二灯源11，此时，在下侧光强的作用下，半透半反射镜4变为一个全透镜，CCD相机2可以直接拍摄到基板5的图像，因此CCD相机2获取基板5的包含位置和角度信息的图像，并发送至分析处理模块，分析处理模块进而计算得出控制信号，驱动运动控制机构对基板5进行位置和角度的校准。
对于单个CCD相机成像系统可能遇到的由于芯片9和基板5与CCD相机2的光路距离不同而所可能出现的调焦问题，只需将光路系统调至合适的位置，使芯片9到CCD相机2的光路距离与基板5到CCD相机2的光路距离相等即可避免。如图5所示，只需使L1+L2＝L3，则芯片9到CCD相机2的光路距离则等于基板5到CCD相机2的光路距离，避免了CCD相机的自动调焦，从而可以选用定焦镜头。
整个芯片贴装的流程，就是要完成芯片和基板贴装工位之间的对准。拾取头吸取芯片的部位是未知的，基板安放的方位也是未知的，为了得到芯片和基板之间的相对位置，就要知道芯片与设备(固定坐标系)之间的相对位置和基板与设备之间的相对位置，然后经过坐标变换来得到芯片与基板上芯片贴装工位之间的位置偏差。在拾取头拾取完芯片向基板运动的过程中，系统首先摄取到的是芯片的图像，这时候先纠正芯片相对于设备(固定坐标系)的偏差，当到达基板上方时，这时候系统摄取到基板的图像，在通过工作平台上的XY运动平台调整基板方位校正芯片贴装工位与设备之间的偏差，从而可以达到芯片和基板贴装工位的对位对准。
当然，也可以把两步调整合并为一步调整，即在系统摄取到芯片图像计算出芯片与设备偏差后先不做调整。当拾取头到达基板上方，系统摄取到基板图像计算出基板上芯片贴装位置与设备之间偏差后，通过坐标变换，计算出芯片相对于基板上贴装位置之间的偏差，再控制拾取头调整芯片，完成一次对位对准。
根据本实施例的机器视觉飞行系统的一种具体的工作步骤：
(1)基座从初始位置运动到翻转头上方，拾取头向下运动吸取芯片，此时反射镜斜向上缩回，避免干涉。
(2)拾取头吸取完芯片向上运动，反射镜斜向下伸出，便于后工序的成像操作。
(3)拾取头向基板运动，在运动过程中，触发第一灯源亮，使半透半反射镜变成全反射镜，同时CCD相机开始拍照，在光路系统的作用下，CCD相机得到芯片的图像，此时通过分析处理模块和运动控制机构，纠正芯片的位置偏差和角度偏差。
(4)纠正芯片的位置和角度偏差后，关闭第一灯源，基座继续向基板运动，当到达基板上方时，第二灯源打开，此时，半透半反射镜变成全透镜，CCD相机直接得到基板的图像，在分析处理模块和运动控制机构的作用下，调整基板的位置，完成基板与芯片的对准。
(5)完成对准后，关闭第二灯源，拾取头向下运动进行芯片贴装，此时反射镜斜向上缩回，避免干涉。
(6)贴装完芯片后，拾取头向上运动，反射镜斜向下伸出。
(7)重复(1)。
只要不违背本发明创造的思想，对本发明的各种不同实施例进行任意组合，均应当视为本发明公开的内容；在本发明的技术构思范围内，对技术方案进行多种简单的变型及不同实施例进行的不违背本发明创造的思想的任意组合，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机器视觉飞行系统，包括基座、用于拾取芯片的拾取头、CCD相机、反射镜、半透半反射镜、基板以及导轨，其特征在于：所述基板相对所述基座固定设置，所述基座可沿所述导轨进行左右移动，所述CCD相机固定设置在所述基座的上部，所述基座上还固定设置有第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与第二齿轮之间通过皮带传动连接或者相互啮合，所述拾取头的侧部固定设置与所述第一齿轮和/或第二齿轮啮合的直齿条，所述第一齿轮和/或第二齿轮转动可带动所述直齿条上下移动从而带动所述拾取头上下移动，所述反射镜被所述第一齿轮驱动并与所述基座的底边呈斜向运动，所述半透半反射镜倾斜的固定在所述基座的一个底角，所述反射镜在所述第一齿轮驱动作用下斜向下运动，同时所述拾取头拾取芯片并向上运动，在所述拾取头达到预定位置之后，所述芯片在所述反射镜的成像可通过所述半透半反射镜被所述CCD相机捕获。
2.根据权利要求1所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述半透半反射镜的反射面在上部而透射面在下部，所述半透半反射镜与所述基座上靠近所述半透半反射镜的透射面所在一侧的底角呈45°夹角设置；
所述反射镜与相对所述半透半反射镜所在一侧的底角呈135°角设置。
3.根据权利要求2所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述拾取头包括上、下两个极限位置；
所述拾取头在所述下极限位置时，拾取所述芯片，所述反射镜完全避开所述拾取头；
所述拾取头在所述上极限位置时，已完成拾取芯片的动作，所述反射镜斜向下运动，使得所述芯片在所述反射镜的成像可通过所述半透半反射镜被所述CCD相机捕获。
4.根据权利要求3所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述拾取头还包括运动控制机构，所述运动控制机构用于控制并且选择性地调整所述拾取头和/或所述基板的径向以及轴向运动。
5.根据权利要求4所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述机器视觉飞行系统还包括分析处理模块，所述分析处理模块与所述运动控制机构信号连接，所述分析处理模块用于获取所述CCD相机捕获的图像并进行处理计算得到控制信号，所述分析处理模块将所述控制信号发送到所述运动控制机构进而控制所述拾取头进行运动。
6.根据权利要求5所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述机器视觉飞行系统还包括第一灯源以及第二灯源，所述第一灯源位于所述半透半反射镜的反射面的一侧，而所述第二灯源位于所述半透半反射镜的透射面的一侧。
7.根据权利要求6所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述拾取头完成拾取所述芯片并处于所述上极限位置后，所述拾取头沿所述导轨向所述基板的方向运动直至所述CCD相机的镜头对准所述基板，此时保持所述第二灯源关闭，打开所述第一灯源，从而触发所述CCD相机进行拍照并发送至所述分析处理模块进行处理，所述分析处理模块计算并发送控制信号至所述运动控制机构，从而控制所述拾取头对所述芯片进行位置和角度校准。
8.根据权利要求7所述的机器视觉飞行系统，其特征在于：所述拾取头完成对所述芯片的位置和角度校准后，关闭所述第一灯源，打开所述第二灯源，所述CCD相机获取所述基板的位置和角度的图像，并发送至所述分析处理模块，所述分析处理模块进而计算得出控制信号，驱动所述运动控制机构对所述基板进行位置和角度的校准。
9.根据权利要求8所述的机器飞行视觉系统，其特征在于：所述机器视觉飞行系统在校准所述基板的位置和角度时，所述芯片到所述CCD相机的光路距离与所述基板到所述CCD相机的光路距离相等。
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