JP4213292B2 - 表面実装機の部品認識装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘッドユニットにより電子部品を吸着してプリント基板上の所定位置に装着するように構成された表面実装機において、特に、装着に先立って吸着部品を認識する部品認識装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、部品装着用のヘッドを有するヘッドユニットにより、IC等の部品を部品供給部から吸着して、位置決めされているプリント基板上に移送し、プリント基板の所定の位置に装着するようにした表面実装機(以下、実装機と略す)が一般に知られている。
【0003】
このような実装機においては、ヘッドで部品を吸着したときの部品の位置にはある程度のバラツキがあり、部品の吸着位置ズレに応じて装着位置を補正することが要求される。そのため、吸着された部品を認識してヘッドに対する吸着位置ズレを検知したり、また部品の異常、例えばQFP等、多数のリードを有する部品であれば、このリードの折れ等を検知するようにしている。
【0004】
このような部品認識を行う装置として、従来は、吸着部品の一面(主に下面)の画像を取込み、その画像に基づいて部品を認識する装置が主流であったが、近年では、リードの折れ等をより正確に検知すべく、エリアセンサからなる2つのカメラにより吸着部品を異なる角度から撮像し、これらの画像を画像処理装置により合成することによって3次元画像を形成して部品を認識する装置が提案されている(特開平7−151522号公報)。
【0005】
この装置では、所定の撮像位置の下方に両カメラが配設され、撮像位置にセットされた部品の同一箇所を異なる角度から撮像するように両カメラが一点に指向するように傾いた状態で配設されている。そして、各カメラと撮像位置との間に、撮像に必要な光を照射する共通の照明装置が介設された構成となっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の装置では、吸着部品を上記撮像位置において一旦静止させてから部品を撮像するためタクトタイムの短縮化が妨げられるという問題がある。特に、ヘッドユニットに複数のヘッドを備えた装置では、ヘッドユニットを断続的に移動させることとなり極めて効率が悪い。
【0007】
また、2つのカメラを共通の一点に指向させる構成であるため、カメラ配置の自由度が制約されて、例えば、3次元画像のうちでも特に部品下面の画像が重視されるような場合には、次のような問題がある。すなわち、部品下面の画像を精度良く得ようとすれば必然的に両カメラのなす角度を小さくする(つまり、両カメラの光軸のなす角度を小さくする)ことが要求されるが、このようにすると、カメラの構造によっては、カメラ同士の物理的な干渉により現実の配置が困難となる場合があり、これを回避すべく撮像位置と両カメラとの距離を広げると、装置が大型化するばかりでなく、画像の鮮明度が損なわれて部品認識精度が低下するという問題がある。
【0008】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、タクトタイムの短縮に貢献でき、しかも部品下面の画像が重視されるような場合でも、装置の大型化や部品認識精度の低下を伴うことなくカメラ同士の干渉を良好に回避することができる表面実装機の部品認識装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、部品吸着用のヘッドユニットに吸着された部品を2つの撮像手段により異なる角度から撮像し、各画像から吸着部品の3次元画像を形成してこの部品画像に基づいて吸着部品を認識するように構成された表面実装機の部品認識装置において、上記2つの撮像手段としてそれぞれ素子がライン状に配列されたラインセンサカメラを用いるとともにそのラインセンサカメラが素子列互いに平行とするように配設され、上記ヘッドユニットが上記ラインセンサカメラに対して相対的に、かつ上記各ラインセンサカメラの素子列に対して直交する移動方向に移動する間に上記吸着部品を撮像するように構成するとともに、上記ヘッドユニットの上記移動方向における異なる位置で部品画像をそれぞれ取り込むように上記ラインセンサカメラを配置したものである(請求項1)。
【0010】
この装置によると、部品吸着後、ヘッドユニットが各カメラに対して相対的に移動する間に部品の画像が各カメラによりそれぞれ取り込まれる。そのため、効率的に部品画像を取り込むことができる。一方、構造上は、異なる角度の画像をそれぞれ撮像するために各センサが傾いた状態で配設されるが、ヘッドユニットの移動方向における異なる位置の部品画像をそれぞれ取り込むように各カメラが配設されているため、カメラの配置の自由度が高く、例えば部品下面の画像を精度良く得るべく両カメラのなす角度を小さくする(両カメラの光軸のなす角度を小さくする)ことが要求される場合でもカメラ同士の干渉を容易に回避することができる。
【0011】
また、上記課題を解決するために、本発明は、部品吸着用のヘッドユニットに吸着された部品を撮像手段により異なる2方向の角度から撮像し、各画像から吸着部品の3次元画像を形成してこの部品画像に基づいて吸着部品を認識するように構成された表面実装機の部品認識装置において、上記撮像手段として素子列が互いに平行に配設される2つのラインセンサを備えるとともに、これらのラインセンサに対して共通のレンズを備えたカメラを用い上記ヘッドユニットが上記カメラに対して相対的に、かつ各ラインセンサの素子列に対して直交する移動方向に移動する間に上記吸着部品を撮像するように構成するとともに、上記レンズを介して上記ヘッドユニットの上記移動方向における異なる位置で部品画像をそれぞれ取り込むように、上記レンズの光軸に対して各ラインセンサを対称に配置したものである(請求項2)。
【0012】
この装置の場合も、ヘッドユニットがカメラに対して相対的に移動する間に各ラインセンサにより部品の画像が取り込まれるため、効率的に部品の画像を取り込むことができる。また、各ラインセンサによる画像の取込み位置は各ラインセンサの配置調整により行うため、従来のようなカメラ同士の物理的な干渉が問題となることがない。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【0014】
図1及び図2は、本発明に係る部品認識装置が搭載された実装機の構造を示している。同図に示すように、実装機の基台1上には、プリント基板搬送用のコンベア2が配置され、プリント基板3がこのコンベア2上を搬送されて所定の装着作業位置で停止されるようになっている。上記コンベア2の側方には、部品供給部4が配置されている。この部品供給部4は部品供給用のフィーダーを備え、例えば多数列のテープフィーダー4aを備えている。
【0015】
また、上記基台1の上方には、部品装着用のヘッドユニット5が装備されている。このヘッドユニット5は、部品供給部4とプリント基板3が位置する部品装着部とにわたって移動可能とされ、当実施形態ではX軸方向(コンベア2の方向)およびY軸方向(水平面上でX軸と直交する方向)に移動することができるようになっている。
【0016】
すなわち、上記基台1上には、Y軸方向の固定レール7と、Y軸サーボモータ9により回転駆動されるボールねじ軸8とが配設され、上記固定レール7上にヘッドユニット支持部材11が配置されて、この支持部材11に設けられたナット部分12が上記ボールねじ軸8に螺合している。また、上記支持部材11には、X軸方向のガイド部材13と、X軸サーボモータ15により駆動されるボールねじ軸14とが配設され、上記ガイド部材13にヘッドユニット5が移動可能に保持され、このヘッドユニット5に設けられたナット部分(図示せず)が上記ボールねじ軸14に螺合している。そして、Y軸サーボモータ9の作動により上記支持部材11がY軸方向に移動するとともに、X軸サーボモータ15の作動によりヘッドユニット5が支持部材11に対してX軸方向に移動するようになっている。
【0017】
また、上記Y軸サーボモータ9及びX軸サーボモータ15には、それぞれロータリエンコーダからなる位置検出手段10,16が設けられており、これによって上記ヘッドユニット5の移動位置検出がなされるようになっている。
【0018】
上記ヘッドユニット5には、チップ部品吸着用のノズル20aを先端に備えたヘッド20が設けられ、図2に示すように当実施形態ではX軸方向に8つのヘッド20が並べて設けられている。各ヘッド20は、それぞれ、ヘッドユニット5のフレームに対して昇降及びノズル中心軸回りの回転が可能とされ、図外の昇降駆動機構及び回転駆動機構により作動されるようになっている。なお、上記昇降駆動機構は、例えば、各ヘッド20を同時に上下動させる全体昇降用サーボモータと、各ヘッド20を個別に一定ストロークだけ昇降させる所定数(8個)のエアシリンダとを備え、それらを併用することにより、各ヘッド20を所定の上昇位置と下降位置とにわたって昇降させるように構成されている。また、回転駆動手段は、1個の回転用サーボモータと、このサーボモータの回転を各ヘッドに伝える伝動機構とからなっている。
【0019】
また、上記部品供給部4の側方には、上記ヘッドユニット5の各ヘッド20に吸着された部品を認識するための2つの撮像用ユニット21,22が配設されている。
【0020】
上記撮像用ユニット21,22は、同図に示すようにX軸方向に所定距離を隔て配設されており、それぞれヘッド20に吸着された部品(吸着部品)を下方から撮像するカメラ23(撮像手段)を備えるとともに、このカメラ23の上方に、撮像時に部品に光を照射する照明部24を備えている。
【0021】
各カメラ23は、CCD固体撮像素子が上記ヘッド20の配列方向と直交する方向(Y軸方向)に並設されたラインセンサカメラで、各カメラ23の各CCD固体撮像素子が互いにX軸方向に対応するように配設されている。そして、実装時には、ヘッドユニット5の各ヘッド20によって部品が吸着された後、各ラインセンサの素子の配列方向(主走査方向;Y軸方向)と直交する方向(副走査方向;X軸方向)にヘッドユニット5が移動させられることによって、各カメラ23により、各ヘッド20に吸着された部品の主走査方向の画像が、副走査方向に順次取込まれて所定の画像信号が得られるようになっている。
【0022】
また、各カメラ23は、図3に示すように、光軸が互いに交わるように鉛直方向に対して同角度θだけ傾斜した状態で配設されるとともに、X軸方向の異なる位置で部品を撮像し得るようにそれぞれ配設されており、撮像時には、ヘッドユニット5の移動に伴い部品の同一箇所を各カメラ23により異なる角度から、かつ両カメラ23の撮像位置の間隔とヘッドユニット移動速度とに応じた時間だけずれたタイミングで取り込むようになっている。
【0023】
上記照明部24は、光源としてLEDランプを備えており、詳しく図示していないが、像入射用の空間を有した筒形のフレーム内に、多数のLEDランプ等を備えた構成となっている。
【0024】
以上のように構成された実装機は、図2に示すように、マイクロコンピュータを構成要素とする制御装置30を備えており、上記Y軸及びX軸サーボモータ9,15、ヘッドユニット5のヘッド20に対する昇降駆動機構及び回転駆動機構、撮像用ユニット21,22のカメラ23及び照明部24等はすべてこの制御装置30に電気的に接続され、この制御装置30に含まれる主制御部31により統括制御されるようになっている。
【0025】
制御装置30には、各撮像用ユニット21,22のカメラ23による画像の取込みを制御する画像取込制御部32と、取り込まれた画像を処理する画像処理部33とが含まれており、部品撮像時には、画像取込制御部32により画像を取り込みながら画像処理部33において各カメラ23により取り込まれた画像を合成して部品の3次元画像を形成し、この3次元画像に基づき主制御部31において吸着部品の認識を行うようになっている。
【0026】
なお、上記画像処理部33での3次元画像の形成は、例えば以下のように行われる。
【0027】
すなわち、図3に示すように、
各カメラ23の鉛直軸に対する傾き;θ
吸着部品の厚み;tとすると、
各カメラ23の傾きによる画像位置のずれΔX(すなわちノズル先端が通る基準面上での撮像位置をP1,P2、基準面よりtだけ下方の面上の画像位置をP1′,P2′とした場合のずれP11′又はP22′)は、
ΔX=t・ tanθ
となる。従って、
各カメラ23の撮像位置P1,P2のX軸方向の間隔;X0
各カメラ23の素子23aからノズル先端までの鉛直距離;L
とすると、画像上での部品の任意の一点から求めたX0の値;X0′(すなわち各カメラ23により取り込んだ各画像上での部品の任意の一点の位置から求められるX0の値)は、
0′=X0+2・ΔX=X0+2・t・tanθ
とすることができ、よって、この式から部品の上記任意の一点における厚みtを求めると、
t=(X0′―X0)/(2・ tanθ)
となる。
【0028】
従って、各カメラ23により取り込まれた各画像に基づいて、部品の複数箇所(特徴点)の厚みを上記同様にして求めることにより部品全体の3次元画像を得ることができる。
【0029】
上記主制御部31は、上述のようにして画像処理部33において求められた3次元画像に基づいてヘッド20に対する部品の吸着ずれ量を求めるとともに、例えばQFP等のリードを有する部品であればリード折れ等を検知して部品の良否を判断するように構成されている。
【0030】
次に、以上のように構成された部品認識装置の動作を、図4のフローチャートに基づき実装機の実装動作とともに説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上、撮像用ユニット21のカメラ23を第1カメラ23と呼び、撮像用ユニット22のカメラ23を第2カメラ23と呼ぶことにする。
【0031】
上記実装機において実装動作が開始されると、上記ヘッドユニット5が部品供給部4に移動させられ、各ヘッド20による部品の吸着が行われる。部品の吸着が完了すると、ヘッドユニット5が撮像用ユニット21、22上に移動し、部品認識のための各カメラ23に対するヘッドユニット5の移動が行われる。具体的には、ヘッドユニット5が撮像用ユニット21、22に対する移動経路の一方から他方に向かってX軸方向に(図1〜図3では右側から左側に向かって)移動させられる。
【0032】
部品認識のための移動が開始されると、図4のフローチャートに示すように、まず、ヘッドユニット5が例えば撮像用ユニット21の直前に達するタイミングで主制御部31から画像取込制御部32に画像取込み開始信号が出力され、第1カメラ23から画像処理部33への画像の取込みが開始される(ステップS1,S2)。
【0033】
そして、さらにヘッドユニット5が移動すると、ヘッドユニット5が撮像用ユニット22の直前に達するタイミングで主制御部31から画像取込制御部32に画像取込み開始信号が出力され、第2カメラ23から画像取込制御部32への画像の取込みが開始される(ステップS3,S4)。
【0034】
こうしてヘッドユニット5が上記経路に沿って撮像用ユニット21,22上を移動することにより、各カメラ23によりそれぞれ吸着部品の主走査方向の画像が副走査方向に順次取込まれることとなる。
【0035】
そして、ヘッドユニット5が撮像用ユニット21、22の上方を通過し終わると、第1カメラ23により得られた部品画像上の特徴点の抽出と、第2カメラ23により得られた部品画像上における上記特徴点に対応する点の抽出が行われ、相対応する特徴点の位置から上述したようにして各特徴点の部品の厚みtが調べられ、各特徴点のX―Y平面上での位置及びその位置での厚みtに基づいて部品の3次元画像データが作成される(ステップS5〜S7)。
【0036】
部品の3次元画像データが作成されると、主制御部31においてこの画像に基づく部品の認識が行われ、部品の吸着位置ずれの演算及び不良部品の検出が行われる。そして、以後の部品装着動作においては、求められた吸着位置ずれ及び部品の良否を加味して上記ヘッドユニット5等が制御されることとなる。
【0037】
以上のように構成された部品認識装置の構成によれば、各カメラ23に対して吸着部品を移動させながら部品を撮像するため部品の撮像を効率良く行うことができ、これによりタクトタイムの短縮化に貢献することができる。
【0038】
しかも、異なる角度で部品を撮像すべく光軸が互いに交わるように各カメラ23を配設しながらも、X軸方向における異なる位置P1,P2においてそれぞれ画像を取り込むようにしているため、例えば、部品下面の画像を精度良く得るべく両カメラのなす角度を小さくする(つまり、両カメラの光軸のなす角度を小さくする)ことが要求される場合でも撮像位置P1,P2の間隔を調整することで両カメラ23の干渉を容易に回避することができる。この場合には、各カメラ23の間隔をヘッドユニット5の移動範囲内で調整するため、実装機の大型化を伴うことがなく、またカメラ23から吸着部品までの距離が変化して部品認識精度を低下させるようなこともない。
【0039】
従って、従来のこの種の部品認識装置のようにタクトタイムの短縮化が妨げられたり、部品下面の画像を精度良く取り込み得るように各カメラを配置しようとすると実装機の大型化や部品認識精度の低下を伴うということが一切ない。
【0040】
ところで、上記部品認識装置においては、上記撮像用ユニット21,22に代えて図5に示すような撮像用ユニット40を設けるようにしてもよい。
【0041】
この図に示す撮像用ユニット40も基本的には上記撮像用ユニット21,22と同様にカメラ41と照明部42とを備えているが、カメラ41が以下のように構成されている点で構成が相違している。
【0042】
すなわち、カメラ41には、Y軸方向にCCD固体撮像素子が並設されてなる2つのラインセンサ43a,43bが内蔵されており、各ラインセンサ43a,43bは、それぞれ素子同士がX軸方向に対応するように配設されているとともに、カメラ41のレンズ41aを共有し、このレンズ41aの光軸Oを中心として対称に配置されている。そして、各ラインセンサ43a,43bにより取り込まれる画像データを上記画像取込制御部32を介して画像処理部33に出力するように構成されている。
【0043】
このような撮像用ユニット40によると、各ラインセンサ43a,43bがカメラ41の光軸Oを中心として対称に配置されていることにより、吸着部品で反射した光がそれぞれレンズ41aの中心で交差して各ラインセンサ43a,43bに入射することとなる。従って、部品吸着後にヘッドユニット5を撮像用ユニット40の上方においてX軸方向に移動させると、X軸方向の異なる位置、異なる角度の部品画像がラインセンサ43a,43bによりそれぞれ取り込まれることとなり、2つの撮像用ユニット21,22を備えた場合と同様に部品の画像を得ることができる。
【0044】
このように、2つのラインセンサ43a,43bに対してレンズ41aや照明部42を共通化した構成の撮像用ユニット40を用いるようにすれば、2つの撮像用ユニット21,22を備える場合に比べて撮像用ユニットの占有スペースが少なくなりスペース効率が向上するという利点がある。
【0045】
なお、以上説明した部品認識装置は、本発明に係る部品認識装置の例であって、その具体的な構成や、部品認識装置を搭載する実装機の構成等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。特に、3次元画像の形成方法は、上述した方法に限られるものではなく、各カメラ23により取り込んだ画像により部品の3次元画像を形成できれば他の方法に基づくものであっても構わない。
【0046】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、2つの撮像手段により撮像した吸着部品の画像から3次元画像を形成して部品を認識するようにした表面実装機の部品認識装置において、撮像手段としてラインセンサからなるカメラを設け、各ラインセンサの素子列が互いに平行になるように各カメラを配設し、ヘッドユニットを各カメラに対して相対的に移動する間に吸着部品を撮像するように構成するとともに、ヘッドユニットの移動方向における異なる位置で部品画像をそれぞれ取り込むように各カメラを配置したので、ヘッドユニットを静止させることなく効率的に部品の画像を取り込むことができ、これによりタクトタイムの短縮化に貢献することがでる。また、構造上は、ヘッドユニットの移動方向における異なる位置の部品画像をそれぞれ取り込むように各カメラが配設されているため、部品下面の画像を精度良く得るべく両カメラのなす角度を小さくすることが要求される場合でも、装置の大型化や部品認識精度の低下を伴うことなく、両カメラの干渉を回避した構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る部品認識装置を備えた表面実装機の一例を示す平面図である。
【図2】上記表面実装機を示す正面図である。
【図3】撮像用ユニット及び部品撮像時の部品との位置関係を示す模式図である。
【図4】部品認識装置の動作を説明するフローチャートである。
【図5】撮像用ユニットの他の構成を示す図3に対応した模式図である。
【符号の説明】
5 ヘッドユニット
20 ヘッド
20a ノズル
21,22 撮像用ユニット
23 カメラ
24 照明部
30 制御装置
31 主制御部
32 画像取込制御部
33 画像処理部

Claims (2)

  1. 部品吸着用のヘッドユニットに吸着された部品を2つの撮像手段により異なる角度から撮像し、各画像から吸着部品の3次元画像を形成してこの部品画像に基づいて吸着部品を認識するように構成された表面実装機の部品認識装置において、上記2つの撮像手段としてそれぞれ素子がライン状に配列されたラインセンサカメラを用いるとともにそのラインセンサカメラが素子列互いに平行とするように配設され、上記ヘッドユニットが上記ラインセンサカメラに対して相対的に、かつ上記各ラインセンサカメラの素子列に対して直交する移動方向に移動する間に上記吸着部品を撮像するように構成するとともに、上記ヘッドユニットの上記移動方向における異なる位置で部品画像をそれぞれ取り込むように上記ラインセンサカメラを配置したことを特徴とする表面実装機の部品認識装置。
  2. 部品吸着用のヘッドユニットに吸着された部品を撮像手段により異なる2方向の角度から撮像し、各画像から吸着部品の3次元画像を形成してこの部品画像に基づいて吸着部品を認識するように構成された表面実装機の部品認識装置において、上記撮像手段として素子列が互いに平行に配設される2つのラインセンサを備えるとともに、これらのラインセンサに対して共通のレンズを備えたカメラを用い上記ヘッドユニットが上記カメラに対して相対的に、かつ各ラインセンサの素子列に対して直交する移動方向に移動する間に上記吸着部品を撮像するように構成するとともに、上記レンズを介して上記ヘッドユニットの上記移動方向における異なる位置で部品画像をそれぞれ取り込むように、上記レンズの光軸に対して各ラインセンサを対称に配置したことを特徴とする表面実装機の部品認識装置。
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