JP4260280B2

JP4260280B2 - 表面実装機の部品認識装置

Info

Publication number: JP4260280B2
Application number: JP10578799A
Authority: JP
Inventors: 泰明青島
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2000299600A

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、吸着された部品の認識を行うためのラインセンサからなる撮像手段及び照明手段を備えた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、例えば、ラインセンサからなる撮像手段と照明手段とを実装機の基台上に設置し、部品吸着後のヘッドユニットを撮像手段上で移動させながら、照明手段により部品認識用の所要の光を継続的に吸着部品に照射ししつつ撮像手段により撮像を行って部品画像を一ライン分ずつ取込み、この取込み画像に基づいて部品認識を行うようにした装置が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにして部品認識を行う場合、従来では、例えば照明手段としてＬＥＤランプを使用し、ＬＥＤランプへの供給電流値を一定に保った状態、つまり照明手段の光度を一定として部品を撮像していたが、撮像手段に対するヘッドユニットの移動速度が変動すると各ライン毎の照明時間が変動し、これに伴い光量が変化して撮像された部品画像の鮮明度等に影響が出て画像認識率が悪化する場合があった。
【０００６】
そこで、近年では、ヘッドユニットの移動速度に拘わらず一定の光量が得られるように、ヘッドユニットの移動速度を検出し、この検出速度に応じてＬＥＤランプへの供給電流値を制御する、具体的には、移動速度が高まるに伴い電流値を上げてＬＥＤランプの光度を高めることも行われているが、この場合、応答性が必ずしも良いとはいえず、画像認識率を高める観点からは未だ不十分である。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、撮像手段に対する部品（ヘッドユニット）の移動速度変化に拘わらず光量を一定に保つことができ、これにより部品認識精度を向上させ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。
【０００８】
【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を有するヘッドユニットと、ヘッドユニットの移動経路内に配置され、ヘッドユニットが相対的に移動する間にヘッドに吸着された部品を撮像するラインセンサからなる撮像手段と、この部品の撮像時に、部品に光を照射する照明手段とを備え、撮像手段により取り込まれた部品の画像に基づいてヘッドに吸着された部品の認識を行うように構成された表面実装機の部品認識装置において、撮像手段に対するヘッドユニットの移動速度を検出する移動速度検出手段と、照明手段による照明時の光量を検出する光量検出手段と、撮像手段による部品の撮像時に、部品の画像１ライン毎に予め設定された照明オン時間だけ照明がオンするように移動速度検出手段による検出速度に応じて照明手段をオンオフ制御する制御手段と、を備え、光量検出手段は、画像１ライン毎にその照明時の光量を検出し、制御手段は、前回の画像１ライン分における光量検出手段による検出光量と予め定められている適正光量とに基づき次回の画像１ライン分の照明手段による照明オン時間を補正するものである（請求項１）。
【０００９】
この構成によれば、ヘッドユニットの移動速度に対応した時間間隔で照明手段による照明が間欠的に行われることにより部品が１ラインずつ撮像される。そして、ヘッドユニットの移動速度に変動が生じても、その移動速度に応じた照明のオンオフ動作が行われつつ、１ライン毎の照明オン時間が一定とされて、各ラインの撮像時の光量が一定に保たれる。
【００１０】
上記の装置においては、照明時の光量を検出する光量検出手段がさらに設けられ、制御手段は、光量検出手段による検出光量に基づいて照明時間を調整するように構成される（請求項２）。
【００１１】
この構成によると、光源の経年劣化等により照明時の光量に変動が生じた場合等でも、検出光量に基づいて照明オン時間が補正されることにより、経時劣化等による撮像時の光量不足等を回避することが可能となる。すなわち、光量は光度が一定であれば照明オン時間に略比例するため、上記のように、照明時毎にその光量が検出され、前回の照明時における検出光量と予め定められた適正光量とに基づいて、次回以降の照明オン時間が補正されることにより、光量不足等の発生が未然に防止される。
【００１２】
なお、適正光量は部品の種類により異なるため、上記の部品認識装置においては、適正光量に相当する照明オン時間の指令値が部品の種類に応じて設定され、前記制御手段は、この指令値に基づいて照明オン時間を調整するのが望ましい（請求項２）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る部品認識装置の一例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撮像用ユニット２１が配設されている。
【００２０】
上記撮像用ユニット２１は、図３に示すように、ヘッド２０に吸着された部品（吸着部品）を撮像するカメラ２２（撮像手段）を備えるとともに、このカメラ２２の上方に、撮像時に部品に光を照射する照明部２３（照明手段）を備えている。上記カメラ２２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からなり、スリット部を介して一次元的に部品画像を取り込むようになっている。
【００２１】
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、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、上記カメラ２２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（１ラインの画像）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】
上記照明部２３は、光源としてＬＥＤランプ（以下、単にＬＥＤという）を備え、図３に示す例では、カメラ２２への像入射用の空間の片側に位置して縦基板に多数のＬＥＤ２４ａを配設したＬＥＤボード２４、上記ＬＥＤ２４ａからの光を上記吸着部品に向けるとともに吸着部品からカメラ２２に向かう光を透過させるように上記空間に介装されたハーフミラー２５、これらの上方で上記空間の両側に位置して横基板に多数のＬＥＤ２６ａを配設したＬＥＤボード２６、ＬＥＤ２６ａからの光を上記吸着部品に向けるプリズム２７等を有している。さらに空冷ファン２８が照明部２３に組み込まれている。そしてこの照明部２３とカメラ２２とが、実装機の基台１に固定されるフレーム２９に取り付けられている。
【００２３】
さらに撮像用ユニット２１には、光量検出手段としてフォトダイオードからなるフォトセンサ３０が組み込まれている。このセンサ３０は、例えば照明部２３のＬＥＤ配設部分の近傍で、かつ、上記吸着部品に向かう光の経路外に設けられている。
【００２４】
また、上記実装機の基台１上において、上記撮像用ユニット２１の近傍には、ヘッドユニット５が撮像用ユニット２１に近づいたことを検知するヘッド検知センサ３１（図４に示す）が設けられており、部品認識時には、このヘッド検知センサ３１によりヘッドユニット５が検知されることによって上記ラインセンサ２４による部品画像の取込み開始タイミングが計られるようになっている。
【００２５】
以上のように構成された実装機は、全体構成を省略しているが、マイクロコンピュータを構成要素とする制御装置を備えており、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のカメラ２２及び照明部２３等はすべてこの制御装置に電気的に接続されて統括制御されるようになっている。
【００２６】
この制御装置には、図４に示すように、システム制御部３２、信号発生部３３、照明制御部３４及び画像認識部３５を含んでいる。
【００２７】
システム制御部３２は、実装機の動作を統括的に制御するもので、部品の吸装着動作を行うべく予め記憶されたプログラムに従って上記ヘッドユニット５等を制御するとともに、部品装着時には、画像認識部３５での部品の認識結果に応じて部品の目標装着位置に対する補正量を求め、この補正量を加味してヘッドユニット５等を制御する。また、部品認識に先立って行われるカメラ２２による部品の撮像時には、予め記憶されている光量に関するデータ、すなわち部品の撮像に要求される光量に相当する照明オン時間の指令値Ｘに関するデータを照明制御部３４に出力するように構成されている。
【００２８】
上記信号発生部３３は、上記照明部２３及び画像認識部３５に対して各種タイミング信号を出力するものである。具体的には、上記位置検出手段１６から出力されるパルス列信号に基づいてヘッドユニット５の移動速度を検出し、この検出速度に応じた時間間隔で撮像指令信号を照明制御部３４及び画像認識部３５に出力する。なお、撮像指令信号の出力は、上記ヘッド検知センサ３１によりヘッドユニット５が検知された後、ヘッドユニット５が撮像用ユニット２１の直前に達するタイミングで開始される。
【００２９】
信号発生部３３は、また、上記撮像指令信号をカウントし、このカウント値が部品に応じて予め設定されている所定のカウント数に達すると一部品撮像終了信号を上記画像認識部３５に出力する。そして、さらに一部品撮像終了信号をカウントし、このカウント値がヘッドユニット５に吸着されている部品数に達すると上記撮像指令信号の出力を停止するように構成されている。
【００３０】
上記画像認識部３５は、上記撮像指令信号の入力に基づき、上記カメラ２２によって取込まれた画像データを所定のクロック信号に同期して画像メモリに書き込み、この画像データに所定の画像処理を施すことによって部品を認識するものである。
【００３１】
上記照明制御部３４は、照明ドライブ回路を有し、上記信号発生部３３からの撮像指令信号の入力に基づきこのドライブ回路から上記撮像用ユニット２１の照明部２３に制御電流を出力して各ＬＥＤ２４ａ，２６ａを発光させる。照明ドライブ回路には例えば定電流回路が組み込まれており、これにより照明時のＬＥＤ２４ａ，２６ａの光度が一定に保たれるように構成されている。
【００３２】
また、照明制御部３４は、ドライブ回路からの制御電流の出力時間を管理するタイマーと、このタイマーの設定値を補正する補正手段とを有し、部品の撮像時には、タイマー値に応じた時間だけ制御電流を出力することによりその時間だけ照明をオン（点灯）とする一方、このときの光量を上記フォトセンサ３０により検出してこの検出光量に基づいてタイマー値を補正するように構成されている。
【００３３】
図５は、照明制御部３４において行われる上記のようなタイマー値の補正フローを示している。
【００３４】
このフローがスタートすると、先ずタイマー値Ｔとして初期値Ｔ₀を設定してこの値Ｔを記憶する（ステップＳ１）。初期値Ｔ₀は、吸着部品を撮像するのに適した光量に対応する値で上記照明部２３の光度との関係で例えば実験的に求められて照明制御部３４内の図外の記憶部に記憶されている。
【００３５】
そして、部品の撮像動作が開始されて上記撮像指令信号の出力により照明部２３が発光すると、上記フォトセンサ３０によりこの時の検出光量Ｙを検出しそのデータを取込むとともに上記指令値Ｘをシステム制御部３２から読込み、指令値Ｘと検出光量Ｙとに基づいて上記照明部２３の照明オン時間Ｔ₁を演算し、この値Ｔ₁をタイマー値Ｔとして更新設定する（ステップＳ２〜S６）。この場合、光量と照明オン時間とが比例関係にある場合には、例えば、
Ｔ₁＝（１/Y）・Ｘ・Ａ＋Ｂ
と演算することができる。なお、Ａ、Ｂは定数であり、予め実験的に調べられる。
【００３６】
そして、ステップS７において全部品検出か否か、つまりヘッドユニット５に搭載されている部品のすべてについて撮像が終了したか否かを判断し、終了していない場合にはステップＳ２に移行し、以降、上記の処理を繰り返しながらタイマー値Ｔを更新する。一方、ステップS７ですべての部品の撮像が終了したと判断した場合には本フローチャートを終了するようになっている。
【００３７】
なお、上記のような構成においては、上記位置検出手段１６及び信号発生部３３が本発明の速度検出手段を構成し、信号発生部３３及び照明制御部３４が本発明の制御手段を構成するものである。
【００３８】
次に、以上のように構成された部品認識装置の作用を、実装機の実装動作とともに説明する。
【００３９】
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上に移動し、部品認識のためのカメラ２２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軸方向に移動させられる。
【００４０】
部品認識のための移動が開始されてからヘッドユニット５がヘッド検知センサ３１によって検知されると、図６のタイミングチャートに示すように、ヘッドユニット５が撮像用ユニット２１の直前に達するタイミングで撮像指令信号が出力され（ｔ１時点）、これにより一定時間だけ照明が行われてカメラ２２の各画素が露光され、部品の最初の１ライン（第１ライン目の像）が撮像される。
【００４１】
そして、さらにヘッドユニット５が移動して次の撮像指令信号が出力されると（ｔ２時点）、再び一定時間だけ照明が行われて部品の次の１ライン（第２ライン目の像）が撮像されるとともに、上記第１ライン目の各画素のデータがクロック信号に同期して順次画像認識部３５に取り込まれる。
【００４２】
以後、ヘッドユニット５の移動に伴いその移動速度に応じた間隔で撮像指令信号が繰り返し出力されることにより照明部２３による照明が間欠的に行われ、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、この画像データが画像認識部３５のメモリに記憶される。そして、一つの部品の画像取込みが完了すると一部品撮像終了信号が出力されて、次の部品の画像取込みが同様に行われる。こうして、全部品の部品画像の取込みが完了するまで、各部品の画像が順次取込まれていくこととなる。
【００４３】
このようにヘッドユニット５が移動しつつカメラ２２により吸着部品の画像が取り込まれていくが、この際、上記撮像用ユニット２１では、撮像指令信号の出力に基づいて照明が行われるとともに、この照明が一定の光度で、かつ一定の時間だけ行われるように照明部２３に対する電流供給が制御される。そのため、ヘッドユニット５の移動速度に変動等があった場合でも、各ライン毎の撮像に供される光量は一定となる。つまり、光源の光度が一定であれば光量は照明オン時間に略比例するため、上記のように照明部２３に対する電流供給が制御されることにより、各ライン毎の撮像に供される光量が一定となる。これによりカメラ２２に取り込まれる画像の明るさが一定とる結果、画像に明暗等が生じにくくなり部品の認識精度が高められることとなる。
【００４４】
とくに撮像中は、同図に示すように照明が行われるのに同期してその光量をフォトセンサ３０により検出し、この検出光量Ｙとその要求値に相当する指令値Ｘとに基づいて照明部２３の照明オン時間（すなわち上記タイマー値Ｔ）を補正するため、例えば、経時劣化により照明部２３におけるＬＥＤ２４ａ，２６ａの光度に変動があった場合でも、それに伴う光量の変動を打ち消すように照明オン時間が補正される。つまり、照明オン時間が定期的に見直されることとなり経時劣化等による光量変化が回避され、カメラ２２に取り込まれる画像の明るさが長期にわたって適正に保たれることとなる。
【００４５】
ところで、上記の表面実装機は、本発明に係る部品認識装置を備えた表面実装機の一の実施の形態であって、その具体的な構成は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００４６】
例えば、上記の例では、照明部２３による照明が行われる毎にそのときの光量を照明制御部３４に読込み、検出光量Ｙと指令値Ｘとに基づいて照明部２３の照明オン時間を更新するようにしているが、この処理は、例えば照明部２３による照明をカウントし、そのカウント数が所定値に達したときに行うようにしたり、あるいは部品吸装着動作１サイクル中に１度だけ行うようにしてもよい。要は、照明時の光量が適正な光量に対して大幅にずれることがないように適当なタイミングで照明オン時間を見直すようにすればよい。但し、実施形態のように、照明部２３による照明が行われる度に照明オン時間を見直す機会を設けるようにしておけば、撮像時の光量変化に起因した部品の認識精度の低下を未然に防止することができるという利点がある。
【００４７】
また、上記実施形態では詳しく説明していないが、撮像に適した光量は部品の種類により異なるため、例えば、上記指令値Ｘを部品の種類に応じて設定しておくようにすれば、部品認識精度をより高めることが期待できる。
【００４８】
なお、図５のステップＳ５でのタイマー値Ｔに対する更新値Ｔ₁の演算は、光量と照明オン時間とが比例関係にあるい場合には、上述のように予め演算式を記憶させておいき、この演算式に指令値Ｘ及び検出光量Ｙを代入することにより求めるようにしてもよいが、光量と照明オン時間とが比例関係になければ、例えば、変換テーブル、ニューラルネットワークあるいはファジイ演算により求めるようにしてもよい。また、これら以外に、予め適正光量を記憶させておきこの光量値と検出光量Ｙとの偏差に応じて更新値Ｔ₁を求めるようにしてもよい。この場合も、部品の種類やヘッドユニット５の移動速度等に応じて適正光量を設定しておくようすればよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ラインセンサからなる撮像手段に対してヘッドユニットを相対的に移動させながら、照明手段によりヘッドに吸着された部品に光を照射しつつ部品を撮像し、その部品画像に基づいて部品の認識を行うように構成された表面実装機の部品認識装置において、部品の画像１ライン毎に予め設定された照明オン時間だけ照明がオンするように上記移動速度検出手段による検出速度に応じて照明手段をオンオフ制御し、これにより各ラインの撮像時の光量を一定に保つようにしている。従って、撮像手段に取り込まれる画像の明るさを良好に一定に保ことができ、これにより部品の認識精度が高められる。
【００５０】
特に、照明時の光量を検出し、この検出光量に基づいて照明オン時間を補正するようにしているので、経時劣化により照明時の光量に変動が生じた場合でも、当該光量の変動を解消することができ、これにより経時劣化に起因する光量不足等を有効に回避することができる。
【００５１】
なお、適正光量は部品の種類により異なるため、適正光量に相当する照明オン時間の指令値を部品の種類に基づいて設定し、この指令値に応じて照明オン時間を制御するようにすれば、より部品の認識精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る部品認識装置の一例が適用された表面実装機の平面図である。
【図２】同正面図である。
【図３】撮像用ユニットを示す拡大概略断面図である。
【図４】部品認識装置を示すブロック構成図である。
【図５】照明制御動作を示すフローチャートである。
【図６】撮像用ユニットによる吸着部品の撮像動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
３プリント基板
５ヘッドユニット
１５Ｘ軸サーボモータ
１６位置検出手段
２０ヘッド
２１撮像用ユニット
２２カメラ
２３照明部
３０フォトセンサ
３１ヘッド検知センサ
３２システム制御部
３３信号発生部
３４照明制御部
３５画像認識部

Claims

部品吸着用のヘッドを有するヘッドユニットと、ヘッドユニットの移動経路内に配置され、上記ヘッドユニットが相対的に移動する間にヘッドに吸着された部品を撮像するラインセンサからなる撮像手段と、この部品の撮像時に、部品に光を照射する照明手段とを備え、上記撮像手段により取り込まれた部品の画像に基づいてヘッドに吸着された部品の認識を行うように構成された表面実装機の部品認識装置において、
上記撮像手段に対するヘッドユニットの移動速度を検出する移動速度検出手段と、
上記照明手段による照明時の光量を検出する光量検出手段と、
上記撮像手段による部品の撮像時に、部品の画像１ライン毎に予め設定された照明オン時間だけ照明がオンするように上記移動速度検出手段による検出速度に応じて上記照明手段をオンオフ制御する制御手段と、を備え、
上記光量検出手段は、上記画像１ライン毎にその照明時の光量を検出し、
上記制御手段は、前回の画像１ライン分における上記光量検出手段による検出光量と予め定められている適正光量とに基づき次回の画像１ライン分の上記照明手段による照明オン時間を補正することを特徴とする表面実装機の部品認識装置。
適正光量に相当する照明オン時間の指令値が部品の種類に応じて設定され、前記制御手段は、この指令値に基づき上記照明オン時間を制御することを特徴とする請求項１に記載の表面実装機の部品認識装置。