JPWO2014045437A1 - 部品実装装置及び位置補正方法 - Google Patents

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Abstract

筐体部(3)と、上下方向に伸縮可能なノズル(4)と、電子部品(20)に対応する部品実装箇所(31)を撮像する第1画像センサ(5)と、ノズル(4)に保持される電子部品(20)を撮像する第2画像センサ(6)と、第1画像センサ(5)によって撮像される部品実装箇所(31)の画像と、第2画像センサ(6)によって撮像される電子部品(20)の画像とを用いて補正量を算出するデータ処理部と、データ処理部によって算出される前記補正量に応じて指令信号を生成する制御部と、制御部から入力される指令信号に従って駆動し、筐体部(3)及びノズル(4)を移動させる駆動部と、を備える部品実装装置及び位置補正方法である。当該部品実装装置及び位置補正方法により、実装箇所に対して部品を高精度に位置決めすることができる。

Description

本発明は、画像センサを用いて部品を実装する部品実装装置及び位置補正方法に関する。
電子機器に使用されるプリント基板には、抵抗やICチップなど多数の電子部品が実装されている。これらの電子部品は、部品実装装置(マウンタ)によって、所定の実装箇所に自動的に実装される。
ところで、近年、電子部品の微細化が急速に進んでおり、電子部品を実装する際の位置決め精度の向上が求められている。プリント基板に設けられた実装箇所に対して電子部品を正確に位置決めするために、例えば、部品実装装置に画像センサを搭載する技術が知られている。
特許文献1には、吸着ノズルが実装位置の上方に到着した状態で、この吸着ノズルに吸着された部品と実装位置とを斜め上方から撮影する撮像装置を備えた部品実装機について記載されている。なお、当該部品実装機は、撮像装置からの画像信号に基づいて、実装位置に対する部品の相対的な位置ずれを算出する演算手段と、算出された位置ずれに応じて吸着ノズルを水平面内で移動させ、部品の位置を補正する制御手段とを備えている。
特開平7−115296号公報
特許文献1に記載の技術では、吸着ノズルに吸着された部品と実装位置とを、1つの撮像手段によって斜め上方から撮像する。したがって、撮像手段の焦点距離などを設定する際、部品と実装位置との両方が視野(つまり、撮像画面)に入るようにする必要がある。
このように、部品と実装位置との両方を撮像しようとすると、部品及びその実装位置が撮像画面に占める割合が小さくなる。当該傾向は、部品(例えば、電子部品)が微細化するにつれて顕著になるため、部品を実装位置に正確に位置決めすることが困難になるという問題があった。
そこで、本発明は、実装箇所に対して部品を高精度に位置決めできる部品実装装置及び位置補正方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明は、筐体部に固定され、部品に対応する部品実装箇所を撮像する第1画像センサと、前記筐体部に固定され、部品保持部に保持される前記部品を撮像する第2画像センサと、前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の画像と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品の画像とを用いて、前記部品実装箇所に対する前記部品の位置及び角度の補正量を算出するデータ処理部と、を備えることを特徴とする。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
本発明によれば、実装箇所に対して部品を高精度に位置決めできる部品実装装置及び位置補正方法を提供できる。
本発明の第1実施形態に係る部品実装装置の構成図である。 第1画像センサによって部品実装箇所を撮像し、画像変換した後のVGA画像の説明図である。 第2画像センサによって撮像される電子部品の画像の説明図である。 部品実装装置が備えるデータ処理部、制御部、及び駆動部の構成を示す説明図である。 部品実装装置による位置補正処理の流れを示すフローチャートである。 電子部品が第1領域に位置している場合の説明図であり、(a)はy軸方向から視た場合の説明図であり、(b)はz軸方向から視た場合の説明図である。 (a)は部品実装箇所とノズルの位置との関係を示す説明図であり、(b)は理想位置と、第1画像センサによって撮像される部品実装箇所との関係を示す説明図である。 電子部品が第1領域に位置している場合の補正量の算出処理の流れを示すフローチャートである。 (a)は図7(b)の画像に関してエッジ抽出処理が実行された画像であり、(b)は実装箇所画像の重心と、理想位置の重心とを示す説明図である。 (a)は部品実装画像の重心が理想位置の重心に一致するように筐体部を移動させる場合の説明図であり、(b)は実装箇所画像の重心が理想位置の重心に略一致した状態を示す説明図である。 電子部品が第2領域に位置している状態において、y軸方向から視た場合の説明図である。 電子部品が第2領域に位置している場合の補正量の算出処理の流れを示すフローチャートである。 (a)は前処理後の実装箇所画像及び電子部品画像の説明図であり、(b)は(a)の画像に関してエッジ抽出処理が実行された画像である。 (a)は実装箇所画像の重心と、電子部品画像の重心とを示す説明図であり、(b)は電子部品画像が実装箇所画像に一致するように筐体部を移動させる場合の説明図であり、(c)は電子部品画像が実装箇所画像に略一致した状態を示す説明図である。 電子部品が第3領域に位置している状態において、y軸方向から視た場合の説明図である。 本発明の第2実施形態に係る部品実装装置の構成図である。 本発明の第3実施形態に係る部品実装装置の構成図である。 本発明の第4実施形態に係る部品実装装置の構成図である。 本発明の変形例に係る部品実装装置の模式図である。 本発明の変形例に係る部品実装装置の平面構成図である。
本発明を実施するための形態(以下、実施形態という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
≪第1実施形態≫
部品実装装置100は、プリント基板30(被実装部材)の部品実装箇所31に電子部品20(部品)を実装するための装置である。本実施形態では、1個の電子部品20(平面視で矩形状)をプリント基板30に実装する場合について説明するが、実際には多数の電子部品20がプリント基板30に逐次実装される。
<部品実装装置の構成>
図1は、本実施形態に係る部品実装装置の構成図である。図1に示すように、部品実装装置100は、支持部1と、アーム2と、筐体部3と、ノズル4と、第1画像センサ5と、第2画像センサ6と、を備えている。
支持部1は、その下部が固定台(図示せず)に固定されるとともに上方に向けて起立し、側面にアーム2の一端が固定されている。
アーム2は、その一端(紙面右側の端部)が支持部1の側面に固定され、x−y平面と平行に延びている。アーム2は、外形が方形板状であり、筐体部3をx軸方向・y軸方向に移動させる複数のモータ(図示せず:図4に示す駆動部9に相当)が内蔵されている。なお、アーム2の高さ(z座標)は、筐体部3の位置(x座標・y座標)に関わらず一定である。
筐体部3は、外形が直方体状であり、アーム2の下部に設置されている。筐体部3は、前記した駆動部9によってx軸方向(紙面の左右方向)・y軸方向(紙面の手前・奥方向)に平行移動できる構成となっている。なお、筐体部3には、後記するデータ処理部7(図4参照)及び制御部8に相当する電子回路(図示せず)が内蔵されている。
ノズル4(部品保持部)は、上側の端部が筐体部3に固定され、下方に向けて突出している。ノズル4は、制御部8(図4参照)からの指令に従ってz軸方向に伸縮可能であるとともに、z軸を中心軸として所定角度だけ回転可能となっている。また、ノズル4は、制御部8からの指令に従って、その先端(下側の端部)に電子部品20を真空吸着する機能を有している。
ちなみに、プリント基板30の部品実装箇所31(つまり、電子部品20が実装されるべき箇所)に電子部品20が到達すると、ノズル4による前記吸着は解除される。図1に示すプリント基板30は、載置台(図示せず)の所定位置に載置されている。
なお、電子部品20に対応する部品実装箇所31の位置情報(x座標、y座標、実装される際の向き)は、実装対象となるプリント基板30に対応して、予め記憶手段(図示せず)に格納されている。
(第1画像センサ)
第1画像センサ5は、電子部品20に対応する部品実装箇所31を撮像する撮像手段である。第1画像センサ5は、例えばレンズ(図示せず)を有するカメラであり、筐体部3の下面に固定されている。
なお、図1では、第1画像センサ5の光軸がz軸方向に沿うように記載しているが、前記光軸がz軸との間で所定角度を有するように設置してもよい。
第1画像センサ5は、レンズ(図示せず)の位置を光軸方向に移動することで、焦点距離、撮像する画像幅、被写界深度などを調整することができる。
ここで、「画像幅」とは、第1画像センサ5(又は、後記する第2画像センサ6)によって撮像される画面に対応する実空間の縦・横長さである。画像幅は、例えば、横長さA1=6.4mm、縦長さB1=4.8mmである(図2参照)。
また、「被写界深度」とは、光軸方向において対象物を鮮明に撮像することが可能な実空間での距離範囲を意味している。
図2は、第1画像センサによって部品実装箇所を撮像し、画像変換した後のVGA(Video Graphics Array)画像の説明図である。図2に示す例では、横長さA1、縦長さB1の画像幅を有する撮像画面G中に、プリント基板30に設けられた部品実装箇所31(図1参照)が、画像31aとして撮像されている。
なお、第1画像センサ5の焦点距離は、部品実装箇所31を鮮明に撮像できるように予め設定されている。以下では、撮像対象を画像センサによって鮮明に撮像できる(つまり、輪郭がぼけない)状態を、「焦点が合っている」と記す。
ところで、電子部品20を実装する際の位置決め精度を向上させるには、第1画像センサ5(及び第2画像センサ6)を高分解能とする必要がある。すなわち、第1画像センサ5の撮像画面に占める部品実装箇所31の画素数を多くする必要がある。
しかし、高分解能にしようとすると、それに伴って画像幅が狭くなり(換言すると、撮像できる実空間の領域が小さくなり)、被写界深度が浅くなる。このように画像幅が狭くなり、被写界深度が浅くなると、部品実装箇所31と電子部品20とを1つの画像センサで同時に撮像することが困難になる。
この問題を解決するために、本実施形態では、第1画像センサ5が部品実装箇所31を撮像し、第2画像センサ6が電子部品20を撮像することで、それぞれの撮像対象を一つに絞ることとした。これによって、第1画像センサ5、第2画像センサ6の被写界深度が浅くても、それぞれの撮像対象を高分解能で鮮明に撮像することができる。
前記したように、筐体部3はx−y平面(水平面)内を移動可能であり、かつ、z軸方向の高さは一定である。また、プリント基板30が載置される載置部(図示せず)の高さも一定である。したがって、筐体部3の移動及びノズル4の伸縮に関わらず、第1画像センサ5は、プリント基板30上に焦点が合う状態が維持される。
このような構成によって、第1画像センサ5の視野内に部品実装箇所31が入ると、その輪郭が非常に鮮明に撮像される。なお、図2に画像幅A1×B1において、例えば、A1=6.4mm、B1=4.8mmとすると、VGA画像は640×480の画素数であるため、1画素当たり10μm(=a1,b1)の高分解能を得ることができる。
(第2画像センサ)
第2画像センサ6は、部品実装箇所31に向けて移動する電子部品20を撮像するための撮像手段である。第2画像センサ6は、例えばレンズ(図示せず)を有するカメラであり、筐体部3の下面に固定されている。第2画像センサ6は、レンズの位置を光軸方向に移動することで、撮像する画像幅、被写界深度などを調整することができる。
図3は、第2画像センサによって撮像される電子部品の画像の説明図である。詳細については後記するが、第2画像センサ6は、z軸方向における所定領域(図6に示す第2領域)に電子部品20が位置する場合、当該電子部品20に焦点が合うように予め設定されている。すなわち、ノズル4に吸着された電子部品20が下方に向けて移動し、第2領域(図6(a)参照)に達すると、電子部品20が第2画像センサ6によって高分解能で撮像される。
本実施形態において第2画像センサ6は、ノズル4に吸着された電子部品20を斜め上方から撮像する(図1参照)。したがって、図3に示すように、第2画像センサ6の視野には、電子部品20の他ノズル4も存在している。
なお、前記した図1では、第1画像センサ5の光軸がz軸方向に沿うように記載しているが、前記光軸がz軸との間で所定角度を有するように設置してもよい。
以下では、第1画像センサ5によって撮像される部品実装箇所31の画像(所定の変換処理がなされたものを含む)を、実装箇所画像と記す。また、第2画像センサ6によって撮像される電子部品20の画像(所定の処理がなされたものを含む)を、電子部品画像と記す。
(データ処理部)
図4は、部品実装装置が備えるデータ処理部、制御部、及び駆動部の構成を示す説明図である。前記したように、データ処理部7及び制御部8に相当する電子回路(図示せず)が筐体部3に内蔵されている。また、駆動部9に相当するモータ(図示せず)などが、アーム2及びノズル4に設けられている。
データ処理部7は、CPU(Central Processing Unit)、FPGA(Field Programmable Gate Array)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、各種インタフェースなどの電子回路を備えて構成され、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。データ処理部7は、画像取得部71から入力される実装箇所画像及び電子部品画像に基づいて、電子部品20の位置及び角度の補正量を算出し、当該補正量を制御部8に出力する機能を有している。
データ処理部7は、画像取得部71と、画像処理部72と、を備えている。
画像取得部71は、第1画像センサ5及び第2画像センサ6によって撮像される画像をそれぞれ画像情報として取得し、データ処理部72に出力する機能を有している。すなわち、画像取得部71は、第1画像センサ5及び第2画像センサ6からアナログ信号として入力される画像情報をデジタル信号に変換し、画像処理部72に出力する。
なお、画像取得部71に相当する電子回路(図示せず)と、データ処理部7に相当する電子回路(図示せず)とは、共通のプリント基板(図示せず)に設けられている。これによって、画像取得部71によって取得された画像情報を、画像処理部72に対して高速に転送できるとともに、システムの小型化を図ることができる。
画像処理部72は、前処理部72aと、エッジ抽出部72bと、重心算出部72cと、補正量算出部72dと、を有している。
前処理部72aは、画像取得部71から入力される実装箇所画像及び電子部品画像のそれぞれについて、両者の相対位置を比較するための座標変換などを行う機能を有している。
エッジ抽出部72bは、前処理部72aから入力される画像からエッジを抽出する機能を有している。
重心算出部72cは、エッジ抽出部72bから入力される画像情報に基づいて、実装箇所画像の重心座標、及び、電子部品画像の重心座標を算出する機能を有している。ちなみに、前記した「重心」とは、エッジ抽出部72bによって抽出されたエッジで囲まれる領域(本実施形態では、矩形領域)の重心を意味している。
補正量算出部72dは、重心算出部72cから入力される実装箇所画像の重心座標と、電子部品画像の重心座標との差分に基づいて補正量を算出し、制御部8に出力する機能を有している。ちなみに、前記した補正量とは、筐体の移動量(x軸方向、y軸方向)と、z軸を中心軸とするノズル4の回転角度を含み、前記した差分を打ち消すように算出される。
このように、データ処理部7は補正量を算出し、制御部8に対して電子部品20の位置補正に必要なデータ(つまり、補正量)のみを転送する。したがって、第1画像センサ5、第2画像センサ6が高速に画像を撮像する場合でも、データの転送レートを抑えることができる。
なお、画像処理部72は、例えばプログラムを書き換え可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)であり、ケーブルコネクタK1を介して内部処理を変更することができる。当該変更処理は、ケーブルコネクタK1(例えば、JTAG:Joint Test Action Group)を介してコンピュータK2から入力される情報に基づいて実行される。
このように画像処理部72の内部処理を変更することで、撮像した画像のエッジが抽出しやすくなる。例えば、画像処理部72が有する前処理部72aにヒストグラム伸張、コントラスト改善の処理を追加したり、エッジ抽出部72bのプログラムを最適化したりすることができる。また、撮像した画像の位置を割り出すためにパターンマッチング処理を追加することもできる。
ちなみに、前記した内部処理の変更は、部品実装装置100を稼動させる前に、管理者がコンピュータK2を操作することによって行われる。
(制御部)
制御部8は、前記したデータ処理部7と電気的に接続され、CPU、RAM、ROM、各種インタフェースなどの電子回路を備えている。制御部8は、データ処理部7から転送されるデータ(前記した補正量)に応じた指令信号を生成し、駆動部9に出力する機能を有している。
(駆動部)
駆動部9は、制御部8から入力される指令信号に従って駆動し、筐体部3及び/又はノズル4を移動させる機能を有する。なお、前記移動とは、水平面(x−y平面)内における筐体部3の平行移動と、z軸まわりのノズル4の回転移動と、が含まれる。このように、駆動部9は、制御部8から入力される指令信号に従ってモータ(図示せず)を駆動することによって電子部品20の位置や角度を補正し、位置決めする機能を有している。
<位置補正処理>
図5は、部品実装装置による位置補正処理の流れを示すフローチャートである。なお、図5のSTART時において、プリント基板30が支持台(図示せず)の所定位置に載置され、ノズル4の先端には電子部品20が吸着された状態であるものとする。
ステップS101において制御部8は、駆動部9に指令信号を出力し、筐体部3を部品実装箇所31(図1参照)の略真上まで移動させる。なお、プリント基板30の種類、部品実装箇所31の位置、部品実装箇所31に対応する電子部品20の規格などに関する情報は、予め記憶手段(図示せず)に格納されている。
制御部8は、前記した情報を記憶手段から読み込んで、電子部品20が部品実装箇所31の略真上に来るように、筐体部3をx軸方向・y軸方向に移動させる。
ステップS102において制御部8は、下向きにノズル4を伸ばし、電子部品20を部品実装箇所31に向けて下降させる。当該処理は、電子部品20が部品実装箇所31に実装される(S112)まで連続的に実行される。
ステップ103以下の処理において制御部8は、ノズル4を伸ばして電子部品20を下降させつつ、電子部品20の位置、及びz軸まわりの角度を部品実装箇所31に対応させる位置補正処理を、所定周期で逐次実行する。
図6(a)は、電子部品が第1領域に位置している場合において、y軸方向から視た場合の説明図である。
なお、z軸方向においてプリント基板30と第1画像センサ5(第2画像センサ6)との間に位置し、第2画像センサ6の焦点が電子部品20に合う領域を第2領域とする。また、z軸方向において第2領域と第1画像センサ5(第2画像センサ6)との間に位置する領域を第1領域とする。また、z軸方向において第2領域とプリント基板30との間に位置する領域を第3領域とする。
つまり、第1領域は第2領域よりも上方に位置し、第3領域は第2領域よりも下方に位置している。
前記したように、z軸方向において第1画像センサ5と部品実装箇所31との距離は一定である。また、第1画像センサ5は、その直下に位置するプリント基板30の上面で焦点が合うように予め設定されている。
したがって、第1画像センサ5では、筐体部3の移動やノズル4の伸縮に関わらず(つまり、電子部品20が第1、第2、第3領域のどこに存在しても)、部品実装箇所31に焦点が合う状態が維持される。
一方、第2画像センサ6は、電子部品20が図6(a)に示す第2領域に存在する状態において、電子部品20に焦点が合うように設定されている。換言すると、電子部品20が第1領域又は第3領域に存在する状態において、電子部品20は第2画像センサ6の撮像範囲に入っていない(又は、撮像範囲に入ったとしても焦点が合わない)。
ちなみに、第2画像センサ6の焦点が合っている第2領域の位置(z座標)は、第2画像センサ6の被写界深度と、筐体部3への取り付け位置と、に依存している。
制御部8は、電子部品20を下降させる際、第1画像センサ5によって高速(例えば、数msecごとに1ショット)で部品実装箇所31を撮像する。また、制御部8は、電子部品20が第2領域に位置する場合、第2画像センサ6によって高速で電子部品20を撮像する(撮像工程)。
図6(b)は、電子部品が第1領域に位置している場合において、z軸方向から視た位置関係を示す説明図である。なお、実際には、筐体部3、ノズル4などによって電子部品20が隠れるため、電子部品20を真上から見下ろすことはできないが、図6(b)では筐体部3やノズル4を省略している。
図6(b)に示すように、電子部品20は、部品実装箇所31に対してx軸方向にΔX1、y軸方向にΔY1だけずれている。また、電子部品20は、部品実装箇所31に対してz軸まわりに角度θ1だけずれている。
次に、図5のステップS103においてデータ処理部7は、第1画像センサ5によって取得した実装箇所画像に基づいて補正量を算出する。ちなみに、この時点において電子部品20は第1領域(図6(a)参照)に存在するため、第2画像センサ6の撮像範囲に入っていない(又は、撮像範囲に入ったとしても焦点が合わない)。一方、部品実装箇所31は、第1画像センサ5によって鮮明に撮像される。
図7(a)は理想位置と、部品実装箇所との関係を示す説明図である。前記したように、第1画像センサ5は筐体部3の下面に固定されている。したがって、x−y平面においてノズル4に対する第1画像センサ5の相対位置は固定されている(つまり、図7(a)に示す距離ΔXは、常に一定である)。また、ノズル4は、z軸方向と平行に移動する。
そうすると、第1画像センサ5の撮像画面Gにおいて、部品実装箇所31が存在すべき理想位置31pは、ノズル4と第1画像センサ5との位置関係によって決まる。ここで、理想位置とは、撮像画面Gにおいて当該位置に部品実装箇所31が映っていれば、電子部品20のx座標・y座標が、部品実装箇所31のx座標・y座標に一致するといえる位置を意味している。
例えば、図7(a)に示すように、そのままノズル4を伸ばすと符号31gで示す位置に電子部品20が載置され、部品実装箇所31よりも右側にΔX1、手前側にΔY1だけずれた状態になる。
図7(b)は、理想位置と、第1画像センサによって撮像される実装箇所画像との関係を示す説明図である。図7(b)に示すように、第1画像センサ5によって撮像され、画像変換された実装箇所画像31aは、理想位置31pよりも右側にΔX1、手前側(紙面下側)にΔY1だけずれている。
したがって、データ処理部7は、実際に第1画像センサ5によって撮像される実装箇所画像31aが、撮像画面G内において理想位置31pに一致するようにx軸方向・y軸方向の補正量を算出する(補正量算出工程)。
制御部8は、データ処理部7から入力される前記補正量に応じて筐体部3を移動させることで、電子部品20の位置補正を行う。図7(a)、図7(b)に示す例では、制御部8は、筐体部3をx軸方向左向きにΔX1、y軸方向奥向きにΔY1だけ移動させる。
ちなみに、第1画像センサ5によって撮像される部品実装箇所31の位置(x座標・y座標)は、筐体部3の位置座標、第1画像センサ5の取付位置の座標、及び撮像した画像の分解能から求めることができる。例えば、ノズル4の位置座標が(X,Y)であり、ノズル4と第1画像センサ5との距離がΔXである場合、第1画像センサ5によって撮像される撮像画面Gの中心位置は(X−ΔX,Y)になる。当該中心位置の座標と、画像幅、分解能に基づいて、部品実装箇所31の位置を求めることができる。
図8は、第1画像センサによって撮像される画像を用いて実行される補正量の算出処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS1031においてデータ処理部7(エッジ抽出部72b:図4参照)は、エッジ抽出処理を実行する。エッジ抽出処理は、微分エッジ、sobelフィルタ、キャニー法などを用いることができる。
図9(a)は、図7(b)の画像に関してエッジ抽出処理が実行された画像である。データ処理部7は、前記したエッジ抽出処理を行うことによって、図9(a)に示す部品実装箇所31のエッジ31b(矩形状の輪郭)と、前記した理想位置のエッジ31pと、を抽出する。
次に、図8のステップS1032においてデータ処理部7(重心算出部72c:図4参照)は、重心座標の算出処理を実行する。図9(b)は、部品実装箇所の重心と、理想位置の重心とを示す説明図である。データ処理部7は、ステップS1031の処理で抽出した部品実装箇所31のエッジ31bに基づいて重心座標b1(Xb,Yb)を算出する。同様に、データ処理部7は、前記した理想位置31pの重心座標p1(Xp,Yp)を算出する。
次に、図8のステップS1033においてデータ処理部7(補正量算出部72d:図4参照)は、電子部品20の位置の補正量を算出する。すなわち、データ処理部7は、ステップS1032で算出した理想位置の重心座標(Xp,Yp)に、部品実装箇所31の重心座標(Xb,Yb)が一致するように補正量を算出する。
前記した例の場合、データ処理部7は、X軸方向の補正量として(Xp−Xb)を算出し、Y軸方向の補正量として(Yp−Yb)を算出する。
再び、図5のフローチャートに戻って説明を続ける。ステップS104においてデータ処理部7(補正量算出部72d:図4参照)は、ステップS1033で算出した補正量を制御部8にフィードバックする。
図10(a)は、実装箇所画像の重心が理想位置の重心に一致するように筐体部を移動させる場合の説明図である。データ処理部7から補正量が入力されると、制御部8は当該補正量に応じた指令信号を駆動部9に出力し、筐体部3を移動させる(位置決め工程)。つまり、制御部8は、x軸方向に(Xp−Xb=ΔX1:図7(a)参照)、y軸方向に(Yp−Yb=Y1:図7(a)参照)だけ筐体部3を移動させる。
そうすると、第1画像センサ5によって撮像される画像は、図10(b)のようになる。図10(b)は、実装箇所画像の重心が理想位置の重心に略一致した状態を示す説明図である。前記した筐体部3の移動によって、電子部品20のx−y平面における位置は、部品実装箇所31に近づく。
ちなみに、ステップS104の処理によって電子部品20のx座標・y座標が、部品実装箇所31のx座標・y座標に近づくものの、完全に一致するとは限らない。これは、筐体部3が移動する場合に生じる誤差などに起因するものである(図10(b)の距離ΔL参照)。
また、ステップS104の処理は、電子部品20のx軸方向・y軸方向の位置決めを行なうものであり、この段階では補正すべきz軸まわりの回転角(図6(b)に示す角度θ1)は求まっていない。
次に、図5のステップS105においてデータ処理部7は、電子部品20が第1領域に存在するか否かを判定する。当該判定は、例えば、z軸方向におけるノズル4の移動量に基づいて行う。
電子部品20が第1領域の存在する場合(S105→Yes)、データ処理部7の処理はステップS103に戻る。一方、電子部品20が第1領域に存在しない、つまり第2領域に存在する場合(S105→No)、データ処理部7の処理はステップS106に進む。つまり、データ処理部7(及び制御部8)は、電子部品20が第1領域に存在する限り、前記したステップS103〜S105の処理を繰り返す。
図11は、電子部品が第2領域に位置している状態において、y軸方向から視た場合の説明図である。ノズル4の先端に吸着された電子部品20が第2領域に入ると、第2画像センサ6の焦点が電子部品20に合う状態になる。一方、第1画像センサ5と部品実装箇所31との距離(z軸方向の距離)は変化しないため、第1画像センサ5の焦点は部品実装箇所31に合った状態で維持される。
つまり、電子部品20が第2領域に存在する場合、第1画像センサ5によって部品実装箇所31を鮮明に撮像できるとともに、第2画像センサ6によって電子部品20を鮮明に撮像できる。
図5のステップS106においてデータ処理部7は、第1画像センサ5によって撮像された部品実装箇所31の画像と、第2画像センサ6によって撮像された電子部品20の画像とに基づいて、補正量を算出する。
ちなみに、第2画像センサ6によって撮像される電子部品20の位置座標は、第1画像センサ5と同様に、筐体部3の位置座標、第2画像センサ6の取付位置の座標、及び撮像した画像の分解能に基づいて求めることができる。
図12は、電子部品が第2領域に位置している場合の補正量の算出処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS1061においてデータ処理部7(前処理部72a)は、座標変換処理を実行する。前記したように、第2画像センサ6は電子部品20を斜め上から撮像する。したがって、電子部品20が平面視で矩形状であったとしても、第2画像センサ6によって撮像される画像は矩形状にはならない(図3参照)。
前記したように、記憶手段(図示せず)には、予め入力された電子部品20の規格情報が格納されている。したがって、データ処理部7は、前記した規格情報(平面視での縦・横の長さなど)に基づいて座標変換処理を実行する。
ステップS1062においてデータ処理部7(前処理部72a)は、画像変換処理を実行する。すなわち、データ処理部7は、座標変換後の画像からノズル4の部分を除去し、電子部品20のみの画像を再現する。
図13(a)は、前処理後の実装箇所画像及び電子部品画像の説明図である。図13(a)に示す画像31cは、第1画像センサ5によって撮像された実装箇所画像を座標変換処理・画像変換処理したものである。同様に、画像20cは、第2画像センサ6によって撮像された電子部品画像を座標変換処理・画像変換処理したものである。
なお、電子部品20の画像20cと、部品実装箇所31の画像31cとの相対位置は、第1画像センサ5の撮像画面の領域と、第2画像センサの撮像画面の領域との座標を一致させることで取得できる。
図12のステップS1063においてデータ処理部7(エッジ抽出部72b)は、電子部品画像20cのエッジと、実装箇所画像31cのエッジと、を抽出する。そうすると、図13(b)に示す画像が取得される。
次に、図12のステップS1064においてデータ処理部7(重心算出部72c)は、ステップS1063で抽出したエッジ画像20c,31cを用いて、電子部品画像20cの重心20gと、実装箇所画像31cの重心31gと、を算出する。また、データ処理部7は、前記したエッジ画像20c,31cを用いて、部品実装箇所31に対して電子部品20がz軸まわりでなす角度θ2を算出する(図13(a)参照)。
ステップS1065においてデータ処理部7(補正量算出部72d)は、ステップS1064で算出した重心座標と角度θ2と、に基づいて補正量を算出する。
次に、図5のステップS107においてデータ処理部7は、ステップS1065で算出した補正量を制御部8にフィードバックする。
データ処理部7から補正量が入力されると、制御部8は当該補正量に応じた指令信号を駆動部9に出力する。つまり、制御部8は、実装箇所画像31cに対する電子部品画像20cの位置ずれを打ち消すように筐体部3を移動させる。また、z軸まわりに角度(−θ2)だけノズル4を回転させる(図14(b)参照)。
そうすると、筐体部3の移動によって電子部品20の位置は部品実装箇所31の位置に、さらに近づく(図14(c)参照)。また、ノズル4の回転によって、電子部品20が部品実装箇所31に対してz軸まわりになす角度は、略ゼロになる。
次に、図5のステップS108においてデータ処理部7は、電子部品20が第2領域に存在するか否かを判定する。
電子部品20が第2領域の存在する場合(S108→Yes)、データ処理部7の処理はステップS106に戻る。一方、電子部品20が第2領域に存在しない、すなわち第3領域に存在する場合(S108→No)、データ処理部7の処理はステップS109に進む。
ステップS109においてデータ処理部7は、第1画像センサ5によって撮像される実装箇所画像31cに基づいて、補正量を算出する。ちなみに、この時点において電子部品20は第3領域(図15参照)に存在するため、第2画像センサ6による電子部品20の像は、ぼけている(又は、撮像されない)。一方、前記したように、部品実装箇所31は第1画像センサ5によって鮮明に撮像される。
したがって、データ処理部7は、電子部品20が第1領域に位置する場合と同様の方法を用いて補正量を算出する。つまり、図5のステップS109,S110の処理は、前記したステップS103,S104の処理と同様であるから、説明を省略する。
ステップS111においてデータ処理部7は、電子部品20が第3領域に存在するか否かを判定する。電子部品20が第3領域に存在する場合(S111→Yes)、データ処理部7の処理はステップS109に戻る。一方、電子部品20が第3領域に存在しない場合(S111→No)、データ処理部7の処理はステップS112に進む。
次に、ステップS112において制御部8は、電子部品20を部品実装箇所31に実装する。当該実装処理は、ノズル4による電子部品20の真空吸着を解除する処理を含んでいる。
このように、電子部品20が第1、第2、第3領域と下降する過程において、電子部品20の位置(及び方向)を逐次補正することで、電子部品20を部品実装箇所31に正確に実装することができる。
<効果>
本実施形態に係る部品実装装置100によれば、第1画像センサ5によって部品実装箇所31を撮像し、第2画像センサ6によって電子部品20を撮像することで、撮像する画像幅を狭く取る(つまり、1画素に対応する実空間の距離を非常に小さくする)ことができる。つまり、第1画像センサ5、第2画像センサ6の被写界深度が浅くても、撮像対象を高分解能で撮像することができる。
したがって、部品実装箇所31の位置、及び電子部品20の位置を正確に把握することができ、電子部品20を高精度に位置決めできる。
また、画像取得部71に相当する電子回路(図示せず)と、データ処理部7に相当する電子回路(図示せず)とを共通のプリント基板(図示せず)に設けることによって、画像取得部71によって取得される画像情報を、高速に画像処理部72に転送することができる。また、画像取得部71と、画像処理部72との間にコネクタなどを設ける必要がなく、システムの小型化を図ることができる。
また、実装箇所画像に対する部品のずれを算出する際、それぞれの重心座標を用いることで、補正量を適切かつ容易に算出できる。
また、通常、画像センサを用いて高速に撮像する(1sec当たりの撮像回数が多い)場合、撮像したデータを転送するために、データ転送レートが高い配線を必要とする。しかし、本実施形態においてデータ処理部7は、制御部8に必要なデータ(つまり、前記した補正量)のみ制御部8に転送する。このように、データ処理部7で必要なデータのみを転送することで、データ転送レートを抑えつつ、高速に撮像することができる。換言すれば、細い配線で(低い転送レート)で制御部8と通信できるため、部品実装装置100の製作コストを削減できる。
また、データ処理部7を筐体部3に内蔵することで、第1画像センサ5及び第2画像センサ6から入力される画像情報をデータ処理部7に転送する配線の引き回しが容易になる。
また、前記した第1、第2、第3領域において、電子部品20のx軸方向・y軸方向での位置補正を逐次行うことで、電子部品20の重心を部品搭載箇所の重心に一致させるようにすることができる。特に、第2領域では、高分解能の電子部品画像、及び実装箇所画像を用いて位置補正や角度補正を行う。したがって、部品実装箇所31に対して電子部品20を高速かつ高精度に位置決めすることができる。
また、本実施形態では、筐体部3に設置された第1画像センサ5及び第2画像センサ6によって撮像される画像の相対的な位置関係を用いて補正を行うことで、駆動部9やノズル4の経時変化の影響を受けずに位置補正することができる。
≪第2実施形態≫
第2実施形態は、第1実施形態と比較して、電子部品20を撮像する第2画像センサ6Aがノズル4とともに上下する点が異なるが、その他の点については第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図16は、本実施形態に係る部品実装装置の構成図である。図16に示すように、電子部品20を撮像する第2画像センサ6Aがノズル4に設置され、ノズル4とともに上下動する構成になっている。この場合、電子部品20と第2画像センサ6とのz軸方向の距離は一定である。また、第1画像センサ5については、第1実施形態と同様に筐体部3の下部に設置されている。
本実施形態において、電子部品20のx軸方向・y軸方向の位置は、駆動部9に指令信号を出力する制御部8などから取得することができる。また、電子部品20の部品実装箇所31に対する傾き(z軸まわりの角度)は、第1画像センサ5によって撮像される部品実装箇所31と、第2画像センサ6によって撮像される電子部品20と、によって求めることができる。
制御部8は、データ処理部7から入力される補正量に応じて筐体部3を移動させ、ノズル4をz軸まわりに所定角度回転させることで、電子部品20の位置を補正する。なお、電子部品20が第1、第2、又は第3領域に位置する場合の制御については、第1実施形態と同様であるから説明を省略する。
<効果>
本実施形態によれば、電子部品20が部品実装箇所31に到達するまでの全ての領域(つまり、前記した第1、第2、第3領域)において、第2画像センサ6の焦点が電子部品20に合う状態が継続する。したがって、常に第1画像センサ5と第2画像センサ6とを用いて、部品実装箇所31に対して電子部品20の位置を高精度に補正できる。
≪第3実施形態≫
第3実施形態は、第1実施形態と比較して、反射部材支持部11Bに支持される反射部材12を用いて電子部品20を斜め下方から撮像する点が異なるが、その他の点については第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図17は、本実施形態に係る部品実装装置の構成図である。図17に示すように、筐体部3には、反射部材支持部11Bが溶接又はボルト締めなどによって剛に接続されている。反射部材支持部11Bは、筐体部3よりも下方に延びており、筐体部3とともにx軸方向・y軸方向に移動するようになっている。
また、反射部材支持部11Bの下端には、反射部材12が設置されている。反射部材12の反射面は、水平面に対して所定角度だけ傾斜し、第1実施形態で説明した第2領域において電子部品20に焦点が合うように設定されている。また、反射部材12の上方には第2画像センサ6が設置され、反射部材12で反射した光(電子部品20の像に相当)が第2画像センサ6に入射するようになっている。
<効果>
本実施形態に係る部品実装装置100Bによれば、第2画像センサ6で電子部品20を撮像する際、電子部品20の底面を撮像することができる。つまり、ノズル4など対象物以外の写り込みを防ぐことができる。これによって、画像変換処理(画面からノズル4を消去し、電子部品20の画像を再現する処理)を省略でき、データ処理部7による処理を簡略化できる。
≪第4実施形態≫
第4実施形態は、第1実施形態と比較して、第2画像センサ支持部11Cに支持される第2画像センサ6によって電子部品20を斜め下方から撮像する点が異なるが、その他の点については第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図18は、本実施形態に係る部品実装装置の構成図である。図18に示すように、筐体部3には、第2画像センサ支持部11Cが溶接又はボルト締めなどによって剛に接続され、筐体部3よりも下方に延びている。すなわち、第2画像センサ支持部11Cは、筐体部3とともにx軸方向・y軸方向に移動するようになっている。
第2画像センサ支持部11Cの下端には、第2画像センサ6が設置されている。第2画像センサ6は、その光軸が水平面に対して所定角度だけ上方を向くように設置され、第1実施形態で説明した第2領域において電子部品20に焦点が合うように設定されている。
<効果>
本実施形態に係る部品実装装置100Cによれば、第2画像センサ6で電子部品20を撮像する際、電子部品20の底面を撮像することができる。つまり、ノズル4など対象物以外の写り込みを防ぐことができる。これによって、画像変換処理を省略でき、データ処理部7による処理を簡略化できる。
≪変形例≫
以上、本発明に係る部品実装装置について各実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、図19に示すように、前記各実施形態において電子部品20を吸着保持するノズル4に代えて、ロボットハンド13を用いてもよい。また、部品40が電子部品以外の物体であってもよい。この場合でも、前記各実施形態と同様の方法で、設置箇所に対して物体を高精度に位置決めすることができる。
また、前記各実施形態において筐体部3は、その一端側が支持部1によって支持され、駆動部9によってx軸方向・y軸方向に移動可能な構成としていたが、これに限らない。
例えば、図20に示す平面模式図のように、筐体部3がXガイド61に取り付けられ、Xガイド61がYガイド62に取り付けられた構成でもよい。この場合において、筐体部3は、Xガイド61に沿ってx軸方向に移動可能である。また、Yガイド62は、Xガイド62に架け渡されている。筐体部3は、Yガイド62に沿ってy軸方向にも移動可能である。なお、前記各異動は、制御部8から指令信号を受けた駆動部9(モータなど)が駆動することで実行される。このような構成によって、部品実装箇所31がプリント基板30上のいずれの位置に存在しても、対応する位置に筐体部3を移動させ、電子部品20を適切かつ正確に実装することができる。
また、前記各実施形態では、データ処理部7が、第1画像センサ5と第2画像センサ6とが同じプリント基板(図示せず)に接続されている場合について説明したが、これに限らない。例えば、第1画像センサ5及び第2画像センサ6それぞれ個別にデータ処理部を持ってもよい。この場合において、補正量算出部72dは共通であり、それぞれのデータ処理部から入力される重心座標などに基づいて補正量を算出する。
また、前記各実施形態において、第1画像センサ5、第2画像センサ6に、認識対象以外の物体が移り込んだ場合、エッジ抽出した画像を用いて重心座標を計算することが困難となる可能性がある。このような場合、例えば、認識対象のパターンマッチングを行って認識対象を特定してもよい。
また、前記各実施形態において、画像のエッジ抽出処理を行う前に、データ処理部7が第1画像センサ5によって撮像される実装箇所画像と、第2画像センサ6によって撮像される電子部品画像のヒストグラムを伸張するヒストグラム伸張処理を行ってもよい。
また、画像のエッジ抽出処理を行う前に、データ処理部7が、第1画像センサ5によって撮像される実装箇所画像と、第2画像センサ6によって撮像される電子部品画像のコントラストを改善するコントラスト改善処理を行ってもよい。また、これらの処理を適宜組み合わせてもよい。
これによって、実装箇所画像又は電子部品画像のエッジをより適切に抽出することができ、ひいては電子部品20を正確に位置決めできる。
また、前記各実施形態では、電子部品を撮像する第2画像センサ6を筐体部3に1個設置する場合について説明したが、これに限らない。例えば、第2領域に電子部品20が位置する場合に焦点が合う第2画像センサ5に加えて、電子部品20が第1領域に位置する場合に焦点が合う画像センサと、電子部品20が第3領域に位置する場合に焦点が合う画像センサと、を第2画像センサとして追加してもよい。この場合において、電子部品20を撮像する第2画像センサを、当該電子部品20の移動に伴って切り替えることで、z軸方向における全ての領域で電子部品20を鮮明に撮像することができる。
すなわち、z軸方向における全ての領域において、電子部品画像と実装箇所画像の両方を用いて補正量を算出することで、より正確に位置決めすることができる。
また、第1領域、第2領域、及び第3領域のうち任意の2つの領域に対応して、第2画像センサを2個設ける構成でもよい。
また、前記各実施形態では、撮像手段として第1画像センサ5及び第2画像センサ6を用いる例を示したが、これに限定されない。すなわち、物体の位置情報又は距離情報が取得できるセンサであれば、画像センサ以外のセンサ(例えば、レーザ式センサや光電センサ)を用いてもよい。
100,100A,100B,100C,100D,100E 部品実装装置
3 筐体部
4 ノズル(部品保持部)
5 第1画像センサ
6 第2画像センサ
7 データ処理部
71 画像取得部
72 画像処理部
72a 前処理部
72b エッジ抽出部
72c 重心算出部
72d 補正量算出部
8 制御部
9 駆動部
20 電子部品(部品)
30 プリント基板(被実装部材)
31 部品実装箇所

Claims (10)

  1. 一つ又は複数の部品実装箇所が設けられる被実装部材の上方において水平面内で移動可能な筐体部と、
    上部が前記筐体部に設置され、部品を保持しつつ上下方向に伸縮可能な部品保持部と、
    前記筐体部に固定され、前記部品に対応する前記部品実装箇所を撮像する第1画像センサと、
    前記筐体部に固定され、前記部品保持部に保持される前記部品を撮像する第2画像センサと、
    前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の画像と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品の画像とを用いて、前記部品実装箇所に対する前記部品の位置及び角度の補正量を算出するデータ処理部と、
    前記データ処理部によって算出される前記補正量に応じて指令信号を生成する制御部と、
    前記制御部から入力される前記指令信号に従って駆動し、前記筐体部及び前記部品保持部を移動させる駆動部と、を備えること
    を特徴とする部品実装装置。
  2. 前記第1画像センサは、前記部品実装箇所に焦点が合うように予め設定され、
    前記第2画像センサは、当該第2画像センサと前記被実装部材との間の上下方向における所定領域に前記部品が位置する場合、当該部品に焦点が合うように予め設定され、
    前記データ処理部は、
    前記部品が前記所定領域に位置する場合、前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の座標値と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品の座標値と、に基づいて前記補正量を算出し、
    前記部品が前記所定領域よりも上方又は下方に位置する場合、前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の座標値と、前記第1画像センサの撮像画面において前記部品実装箇所が存在すべき理想位置の座標値と、に基づいて前記補正量を算出すること
    を特徴とする請求の範囲第1項に記載の部品実装装置。
  3. 前記データ処理部は、前記部品が前記所定領域に位置する場合、
    前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品と、の相対位置を算出するための座標変換処理を実行し、
    前記座標変換処理が行われた前記部品実装箇所の画像、及び前記部品の画像のエッジをそれぞれ抽出し、
    前記部品のエッジを、前記部品実装箇所のエッジに一致させるように前記補正量を算出すること
    を特徴とする請求の範囲第2項に記載の部品実装装置。
  4. 前記データ処理部は、前記部品が前記所定領域よりも上方又は下方に位置する場合、
    前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の重心座標と、前記理想位置に前記部品実装箇所が撮像される場合の当該部品実装箇所の重心座標と、の差分を算出し、
    前記差分を打ち消すように前記補正量を算出すること
    を特徴とする請求の範囲第2項に記載の部品実装装置。
  5. 前記データ処理部は、前記補正量のみを前記制御部に出力すること
    を特徴とする請求の範囲第1項に記載の部品実装装置。
  6. 前記第1画像センサ及び前記第2画像センサによって撮像される画像を、画像情報として取得し、前記データ処理部に出力する画像情報取得部を備え、
    前記画像情報取得部と、前記データ処理部と、が共通のプリント基板に設けられること
    を特徴とする請求の範囲第1項に記載の部品実装装置。
  7. 前記データ処理部は、前記補正量を算出する際の前処理として、
    前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品と、を含む画像のヒストグラムを伸張するヒストグラム伸張処理と、前記画像のコントラストを改善するコントラスト改善処理と、のうち少なくとも1つを実行すること
    を特徴とする請求の範囲第1項に記載の部品実装装置。
  8. 前記データ処理部が、前記筐体部に内蔵されること
    を特徴とする請求の範囲第1項に記載の部品実装装置。
  9. 水平面内で移動可能な筐体部に固定される第1画像センサによって、前記筐体部よりも下方に載置される被実装部材の部品実装箇所を撮像するとともに、
    前記筐体部に固定される第2画像センサによって、上下方向に伸縮可能な部品保持部に保持され前記部品実装箇所に対応する部品を撮像する撮像工程と、
    前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の画像と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品の画像とを用いて、前記部品実装箇所に対する前記部品の位置及び角度の補正量を算出する補正量算出工程と、
    前記補正量に応じて、前記筐体部及び/又は前記部品保持部を移動させ、前記部品を位置決めする位置決め工程と、を含むこと
    を特徴とする位置補正方法。
  10. 前記第1画像センサは、前記部品実装箇所に焦点が合うように予め設定され、
    前記第2画像センサは、上下方向において当該第2画像センサと前記被実装部材との間の所定領域に前記部品が位置する場合、当該部品に焦点が合うように予め設定され、
    前記補正量算出工程において、
    前記部品が前記所定領域に位置する場合、前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の座標値と、前記第2画像センサによって撮像される前記部品の座標値と、に基づいて前記補正量が算出され、
    前記部品が前記所定領域よりも上方又は下方に位置する場合、前記第1画像センサによって撮像される前記部品実装箇所の座標値と、前記第1画像センサの撮像画面において前記部品実装箇所が存在すべき理想位置の座標値と、に基づいて前記補正量が算出されること
    を特徴とする請求の範囲第9項に記載の位置補正方法。
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