TW202227245A

TW202227245A - 確定部件高度偏差

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Publication number: TW202227245A
Application number: TW110141260A
Authority: TW
Inventors: 湯姆法爾康; 西蒙斯圖爾特帕普
Original assignee: 新加坡商先進裝配系統新加坡有限公司
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2022-07-16
Also published as: KR20220085725A; TWI798916B; JP7295930B2; CN114636398A; JP2022094957A; EP4015988A1; GB2602011A; EP4015988B1; KR102600201B1; CN114636398B; US20220192031A1; GB202019749D0

Abstract

在印刷機內，部件或零件的高度測量是通過測量它們的相對高度而不是絕對高度來實現的。虛擬表面可以由測量的高度構造，並基於該虛擬表面採用公差水準。本發明特別適合測量印刷機內的工裝部件，例如工裝銷釘。

Description

確定部件高度偏差

本發明涉及一種部件高度感測系統、印刷機、確定機器內部件位置的高度偏差的方法和工裝銷釘放置方法。

大多數印刷電路板元件（PCBA）是使用通常稱為表面貼裝技術（SMT）的方法製造的。在SMT技術中，首先將焊膏沉積到預製的“裸”工件，例如電路板上。最常用的焊膏沉積方法是範本印刷。在範本印刷過程中，通過與金屬模板形成夾角的直邊刮刀將焊膏推過範本的整個表面。該範本包括小孔，其設置成與待焊接到印刷電路板（PCB）的部件的位置相對應。為了保持刮刀與範本之間的接觸，每隔50mm的刮刀長度向刮刀施加大約10N的下壓力。通過刮刀角度、刮刀對整個範本的側向力以及刮刀下壓力的組合將焊膏通過小孔推到工件上，從而實現焊膏的“範本印刷”。類似技術可用於印刷其它形式的印刷介質，例如黏合劑或導電墨水。雖然同樣適用於所有此類印刷介質的印刷，但是為了便於下文討論，本發明僅涉及焊膏的印刷。

為了防止範本印刷過程中焊膏沉積的不均勻性和較差重複性，必需為工件的下側提供平面支撐。這種支撐通常可以採用工裝銷釘（tooling pins）陣列或專用工裝板的形式，其中的任何一種都可以安裝到位於印刷機內的工裝台的平面水準上表面上。工裝銷釘可根據需要自動放置、移出或重新排列在工裝臺上，以適應各種不同形狀、大小和類型的待刷印工件。該自動銷釘放置系統例如可以採用安裝在工裝臺上方機架上的銷釘拾取工裝。圖1從上方示意性地示出了簡單的示例性銷釘放置系統。工裝台1包括在水平面（即，如圖所示平行於X-Y平面）中延伸的平坦的平面表面。料盒2設置為接近工裝台1。該料盒2包括多個隔間3，每個隔間3用於接收相應的工裝銷釘。圖1中總共示出了八個工裝銷釘，這些銷釘中的兩個銷釘4A、4B位於料盒2中的相應隔間3內，其餘的銷釘4C-4H則放置在工裝台1上。在使用中，銷釘可以存儲在料盒2中，並根據可由使用者選擇或基於待印刷工件的資料（例如Gerber資料）自動匯出的放置計畫，通過機架（未示出）上的拾取工裝（未示出）放置在工裝台1上，這是本領域公知的。

如果銷釘放置在已經包含一些碎片或焊膏污染物的工裝台的區域上，則此類系統可能出現一種可能的故障模式，在這種情況下，該銷釘的頂部可能高於其它銷釘。因此，在印刷操作期間，這個相對較高的銷釘會將工件和範本局部地抬高到預期或最佳印刷平面上方，使得施加到刮刀的大部分下壓力由範本/工件/銷釘的非常小的區域承擔，而不是均勻分佈在由多個銷釘支撐的整個印刷區域上。這可能會損壞工件、範本或刮刀，並導致較差的印刷均勻性。在圖1中的工裝台1上示出了三個碎片區域5A、5B和5C。

為了減輕這種故障模式，並保持所需的自動化水準，快速準確地檢查每個銷釘的高度將是有利的。由於工裝臺上每個銷釘的水準或X-Y位置在自動化系統中是已知的，因此一種潛在的方法是使用距離感測器，其與裝配頭一樣安裝在機架上，並將銷釘頂部表面的高度與緊鄰同一銷釘的工裝台的高度進行比較。這將為每個銷釘提供絕對高度測量值，因此可以從理論上確認所有銷釘的高度均勻性。不幸的是，該方法存在一個問題：在待測量的工裝台的區域內可能存在碎片或污染物，這會造成工裝台高度的錯誤測量，進而導致銷釘高度的錯誤測量。在圖1中，例如，由於銷釘4E、4F和4G均與碎片區域5A相鄰，因此可能無法準確地測量這些銷釘的高度。同時，由於銷釘4H放置在碎片區域5B的頂部，因此預計該銷釘具有更大的高度。然而，由於存在相鄰的碎片區域5C，可能無法檢測該更大的高度。其它潛在的測量誤差來源包括工裝台1平面度的偏差，以及感測器隨機架移動時的高度變化。

機器內工裝銷釘的高度測量如上所述存在特殊問題，同時，由於類似的原因，在機器其它零件的監控方面也存在問題。尤其是，印刷機普遍存在的問題是焊膏之類的印刷材料容易污染機器的許多不同的零件，從而難以在機器內進行準確的高度測量。

本發明旨在提供一種改進的方法，用於監控並在適當情況下校正機器（例如，但是不限於印刷機）內部件的高度。本發明特別適用於工裝銷釘，可以測量工裝銷釘的高度並在需要時校正錯誤放置的銷釘的位置，從而減少印刷缺陷並降低印刷設備損壞的風險。然而，本發明同樣適用於監控其它部件，下文提供了具體示例。

根據本發明，該目的是通過測量部件的相對高度而不是絕對高度來實現的。

根據本發明的第一態樣，提供了一種用於印刷機的部件高度感測系統，包括：高度感測器，其可操作為測量至少三個部件位置相對於高度感測器的相對高度，並輸出測量的相對高度資訊；以及控制裝置，用於從高度感測器接收測量的相對高度資訊，並根據接收的相對高度資訊確定至少三個部件位置中每一個部件位置相對於至少三個部件中其它部件位置的高度。

根據本發明的第二態樣，提供了一種包括根據第一態樣的部件高度感測系統的印刷機。

根據本發明的第三態樣，提供了一種確定機器內部件位置的高度偏差的方法，其包括以下步驟： i）使用高度感測器測量至少三個部件位置相對於高度感測器的相對高度； ii）根據測量的相對高度確定至少三個部件位置中每一個部件位置相對於至少三個部件中其它部件位置的高度；以及 iii）通過分析在步驟ii）中確定的至少三個部件位置中每一個部件位置相對於至少三個部件中其它部件位置的高度來識別任何部件位置的高度偏差。

根據本發明的第四態樣，提供了一種工裝銷釘放置方法，其包括根據協力廠商面的確定高度偏差的方法，且包括以下步驟： iv）在確定位於工裝臺上第一位置的工裝銷釘具有高度偏差的情況下，將工裝銷釘從第一位置移動到第二空間分離位置。

本發明的其它具體方面和特徵在所附請求項中描述。

圖2示意性地示出了根據本發明實施例的一種工裝銷釘放置系統的側視圖。該設備大體上類似於圖1所示的設備。所示的工裝台1上放置有多個工裝銷釘14A、14B。應當理解的是，雖然工裝台1的上表面有利地為平面的和平坦的，但是為了舉例，其在圖2中示為高度非平面的。具有大致線性感測軸的高度感測器10安裝在工裝台1上方的機架11上，使得其可操作為“俯視”工裝台1和放置在工裝台1上的任何銷釘14A、B，並由此輸出表示感測器10與其正下方的表面之間的垂直（即，如圖所示平行於Z軸）距離的信號。感測器10例如可以包括超聲波感測器、鐳射感測器或眾所周知的替代物。如圖所示，感測器10可相對於機架11平行於水準X軸移動，而機架11本身則可相對於工裝台1平行於水準Y軸移動。這樣，通過機架11和/或感測器10平行於X/Y軸的適當移動，可以將感測器10定位在工裝台1的任何水準分離位置上方以測量其到正下方的點的距離。機架11和感測器10的操作受到控制裝置12，例如運行合適的硬編碼或軟編碼控制程式的電腦、處理器或類似裝置的影響，這在本領域中是公知的。

對於圖2所示的銷釘放置，多個（此處為六個）銷釘14A顯示為正確地放置在工裝台1上。然而，因為立於碎片15的頂部，所以第七銷釘14B顯示為錯誤地放置，其因此延伸的比原本的高度更高以獲得最佳印刷性能。儘管感測器10可用於確定其自身與銷釘14B之間的距離，但是由於機架11的公差，感測器10的垂直位置本身也會出現誤差，因此為了準確地確定其下方物體的高度，還需要測量到已知高度的點，例如工裝台1的距離。然而，如先前參考圖1所述，這無法可靠地實現，因為碎片可能位於工裝台1上或者工裝台1的平面度可能存在偏差。

根據本發明，這個問題通過使用感測器10測量至少三個部件位置的相對高度，例如銷釘14A、B相對於高度感測器的相對高度並將測量的相對高度資訊輸出到控制裝置12來克服。可以在放置每個工裝銷釘後即刻進行測量，也可以在放置所有工裝銷釘之後再進行所有工裝銷釘的測量。然後，控制裝置12可以根據接收到的相對高度資訊確定至少三個部件位置中每一個部件位置相對於至少三個部件中其它部件位置的高度。因為僅僅通過相對銷釘高度，工裝台的平面度水準（受到碎片的存在、工裝台本身的平面度偏差或任何其它從上文看會造成的工裝台的平面度差異的影響）和感測器10的絕對高度偏差均在確定工裝銷釘高度偏差時被“過濾掉”，所以不需要直接測量工裝台1的高度。因此，在圖2所示的示例中，在放置所有工裝銷釘或者每個工裝銷釘之後，感測器10將被移動以測量每個工裝銷釘14A、14B的高度。一旦已經測量，就可以比較所有高度以確定表明錯誤放置的異常值。本領域技術人員可以理解的是需要測量至少三個部件高度，因為這是能夠識別異常值的最小數量，如果僅僅測量兩個高度並且它們明顯不同，則無法僅從該資訊中確認哪個高度表現出偏差。較佳地，如圖2所示，控制裝置可操作為將接收到的測量的相對高度資訊映射到虛擬表面16。有利地，虛擬表面16例如可以通過已知的乾淨工裝台1上的一次性設置或校準程式來創建。

然後，控制裝置12可以將測量的相對高度與預定的公差水準17進行比較，該預定公差水準17反映了允許的公差量，使得所測部件的高度被認為是“符合要求的”，即在特定應用的可接受範圍內。在實踐中，公差水準17例如可以基於工裝台平面度和銷釘高度變化的組合公差和加權公差。

在圖2中的實施例中，將公差水準17設置為跟隨虛擬表面16，即，使得在工裝台1的任何點處，公差水準17為同一點的虛擬表面16上方的恒定高度。因為都具有低於公差水準17的確定高度，因此銷釘14A被認為是可接受範圍內的“符合要求的銷釘”。然而，由於檢測高度高於公差水準17，顯示了不可接受的高度偏差，因此銷釘14B被認為是“不符合要求的銷釘”。

在其它實施例（未示出）中，公差水準17可以是局部的，並且在任何特定水準位置處的水準僅從該水準位置的預選水準半徑內的工裝銷釘檢測高度的平均值來計算。

通過總結較佳方法，執行以下步驟： i）將至少三個工裝銷釘放置在工裝臺上； ii）測量放置的工裝銷釘的相對高度； iii）根據這些測量的相對高度創建虛擬表面； iv）基於虛擬表面創建公差水準；以及 v）測量放置的工裝銷釘的相對高度並與公差水準進行比較。

對於該特定實施例，以下稱為“實施例A”，可以在整個印刷過程中的任何時間確定工裝銷釘高度的不可接受的偏差，且不需要進行“控制”測量。

圖3A和圖3B示出了虛擬表面的構造和使用，且以圖形方式示出了由電腦類比的通過測量九個工裝銷釘的線性陣列的高度構造的二維虛擬表面。在圖3A和圖3B中，將工裝銷釘設置為相距50mm，且認為中心的工裝銷釘與位置X=0重合。對於所使用的設備，工裝台和感測器機架中的至少一個具有彎曲度。如下文所述，由於這種非平面性被過濾掉，所以哪個部件是彎曲的並不重要。如圖3A所示，每個工裝銷釘的高度為83.0mm。表1列出了該測試情況的相關參數：

表 1 - 圖 3A 的參數

X（mm）	銷釘高度（mm）	台/感測器機架彎曲度（mm）	實驗誤差（mm）	感測器值（mm）
-200	83	0.04	0.00368	83.04368
-150	83	0.0225	0.00954	83.03204
-100	83	0.01	0.00298	83.01298
-50	83	0.0025	0.00004	83.00254
0	83	0	0.00815	83.00815
50	83	0.0025	0.00235	83.00485
150	83	0.01	0.00378	83.01378
200	83	0.0225	0.00719	83.02969
250	83	0.04	0.00453	83.04453

圖3A是感測器值（Y軸）相對於X的圖表，繪製的實線21是測量高度圖。繪製的虛線22示出了虛擬表面，其為從測量高度匯出的“最佳擬合”二次方程（此處y=1E-06x ²+8E-08x+83.004）。由於擬合優度R ²=0.967，因此可以看出測量高度很好地跟隨了虛擬表面。虛線23示出了選擇為跟隨虛擬表面22但是在其上方0.01mm的公差水準。可以看出，測量高度圖21沒有超過公差水準23，所以此處放置的所有工裝銷釘都將被認為是符合要求的。

圖3B與圖3A類似，除了其中一個工裝銷釘具有+40µm的高度偏差。表2列出了相關參數：

表 2 - 圖 3B 的參數

X	銷釘高度（mm）	台/感測器機架彎曲度（mm）	實驗誤差（mm）	感測器值（mm）
-200	83	0.04	0.00368	83.04368
-150	83	0.0225	0.00954	83.03204
-100	83.04	0.01	0.00298	83.05298
-50	83	0.0025	0.00004	83.00254
0	83	0	0.00815	83.00815
50	83	0.0025	0.00235	83.00485
150	83	0.01	0.00378	83.01378
200	83	0.0225	0.00719	83.02969
250	83	0.04	0.00453	83.04453

結果是虛擬表面22的最佳擬合曲線方程發生了變化（此處y=9E-07x ²-3E-05x+83.011），擬合優度R ²=0.5744，其明顯降低。可以看出，位於x=-100位置處的工裝銷釘明顯偏離虛擬表面22。因為在x=-100位置處測量的銷釘高度超過公差水準23，所以該銷釘將被識別為不符合要求的。

在替代實施例中，在將至少三個工裝銷釘放置在乾淨工裝臺上（因此用作“控制”測量）的同時執行上述步驟 i），並且在步驟v）中測量放置的工裝銷釘的相對高度並與步驟i）的放置銷釘之後的“即時”放置過程中的公差水準進行比較，其中在該即時放置過程中，無需清潔工裝台。這個特定的實施例，以下稱為“實施例B”，可以更準確地識別由碎片引起的放置的工裝銷釘的高度差異，但是需要額外的時間。然而，本領域技術人員可以理解的是，儘管不會因工裝臺上的碎片導致偏差，但是控制測量仍會由於例如工裝台本身的非平面性、機架/感測器高度在其整個移動範圍內的偏差以及卡在工裝銷底部的碎片等導致偏差。

在進一步的實施例中，上述實施例A和B可以組合，使得在工裝台1乾淨時，例如在印刷操作開始時或工裝台1的清潔操作之後執行實施例B，而實施例A在印刷操作期間被執行一次或多次。

雖然在圖2中僅示出了虛擬表面16上方的單個公差水準17，但是也可以在虛擬表面16下方定義第二公差水準，從而形成包圍虛擬表面的公差帶，使得高於或低於這個公差帶的部件高度被識別為不符合要求的。例如，如果局部放置在碎片上並由此稍微傾斜於垂直方向定向，則工裝銷釘的高度可以低於預期，因此其不符合要求。

對於上述所有實施例，可以在識別出不符合要求的工裝銷釘後採取校正措施。例如，控制裝置12對不符合要求的銷釘進行檢測能夠觸發其指示銷釘拾取工具從工裝台1移除不符合要求的銷釘14B以避免損壞放置在工裝臺上的工件。移除的銷釘可以移動到預計沒有任何碎片的不同位置，當然，這可以通過重複銷釘的高度測量和與公差水準16的比較來驗證。替代地或附加地，可以觸發清潔程式，例如在清潔程式中擦拭識別出的不符合要求的銷釘以去除附著的任何碎片。還可以在不符合要求的銷釘的位置附近清潔工裝台1的表面。例如，如果無法執行清潔操作，則可以將不符合要求的銷釘的位置標識為“禁區”，從而在通過執行清潔操作或進一步調查確定該位置乾淨之前不在該位置放置銷釘。在某個位置標記為“禁區”的情況下，該區域可以在由控制裝置12控制的圖形化使用者介面（GUI）內突出顯示且對操作員可見。當確定該位置乾淨時，可以將該區域將從GUI中清除。

存儲在料盒中的工裝銷釘的高度也可以使用類似的方法例如在銷釘放置操作開始之前來測量。如果檢測到任何工裝銷釘具有高度偏差，這表明某個碎片已經進入了料盒的相應隔室，應該再次執行清潔操作。

上述實施例可以有效地檢測工裝銷釘的高度不符合要求。然而，本發明的方法可以擴展到各種不同的使用情況。

例如，還可以檢測相對較大部件的不同零件的高度，而不是如檢測工裝銷釘等分立部件的高度。作為具體示例，可以測量工裝銷釘料盒本身零件的高度，從而在將工裝銷釘放入料盒中或從料盒取出工裝銷釘之前檢查料盒是否正確就位。

其它類型的工裝也可以用類似的方式進行分析。例如，利用本發明的方法，可以測量和監測例如專用工裝塊或用於單片襯底的單獨工裝塔或位於此類工裝塔上的任何襯底的平坦度、共面性和偏差。對於能移動的工裝塔，可以檢查其移動零件以確保它們正確移動和歸位。可以將偏差報告給用戶，並基於產生的資料進行維護或壽命終止預測。

本發明的方法還可以進一步擴展到工裝系統之外的印刷機的多種不同的使用情況。例如，可以測量和檢查用於工件的夾具的高度和/或共面性，例如包括當前使用的所謂的無箔夾具。這些測量可用於自動調整裝台的高度以補償不同的工件厚度。作為擴展，工件本身的高度可以使用這種方法測量，並可選地與夾具的確定高度進行比較以對不同的工件厚度直接進行補償。

重要地，相同的感測器和控制裝置可用於任何或所有上述實施例。

上述實施例僅僅是示例性的，在本發明範圍內的其它可能方案和可替代方案對於本領域技術人員來說是顯而易見的。

1:工裝台 2:料盒 3:隔室 4A~4H:工裝銷釘 5A~5C:碎片 10:感測器 11:機架 12:控制裝置 14A:符合要求的銷釘 14B:不符合要求的銷釘 15:碎片 16:虛擬表面 17:公差水準 21:測量高度圖 22:虛擬表面 23:公差水準

圖1示意性地從上方示出了一種已知的工裝銷釘放置系統；圖2示意性地示出了根據本發明實施例的工裝銷釘放置系統的側視圖；及圖3A及3B分別示意性地示出了符合要求的和不符合要求的工裝銷釘陣列的二維虛擬表面。

10:高度感測器

11:機架

12:控制裝置

14A:工裝銷釘

14B:工裝銷釘

15:碎片

16:虛擬表面

17:公差水準

Claims

一種用於印刷機的部件高度感測系統，包括：高度感測器，其可操作為測量至少三個部件位置相對於所述高度感測器的相對高度，並輸出測量的相對高度資訊；以及控制裝置，用於從所述高度感測器接收所述測量的相對高度資訊，並根據所述接收的相對高度資訊確定所述至少三個部件位置中每一個部件位置相對於所述至少三個部件中其它部件位置的高度。
如申請專利範圍第1項所述之部件高度感測系統，其中，所述控制裝置可操作為將接收到的所述測量的相對高度資訊映射到虛擬表面。
如申請專利範圍第1項所述之部件高度感測系統，其中，所述控制裝置可操作為將所述測量的相對高度資訊與預定公差水準進行比較。
如申請專利範圍第1至3項中任一所述之部件高度感測系統，其中，所述高度感測器包括具有大致線性感測軸的感測器，其安裝為俯視所述部件位置；可選地，所述感測器可移動地安裝為可在水準分離位置之間移動，且部件位置位於所述水準分離位置正下方。
一種印刷機，包括如申請專利範圍第1項所述之部件高度感測系統。
一種確定機器內部件位置的高度偏差的方法，包括以下步驟： i）使用高度感測器測量至少三個部件位置相對於所述高度感測器的相對高度； ii）根據測量的相對高度確定所述至少三個部件位置中每一個部件位置相對於所述至少三個部件中其它部件位置的高度；以及 iii）通過分析在步驟ii）中確定的所述至少三個部件位置中每一個部件位置相對於所述至少三個部件中其它部件位置的高度來識別任何部件位置的高度偏差。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，步驟ii）包括將所述測量的相對高度映射到虛擬表面。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，步驟iii）包括將所述測量的相對高度與預定公差水準進行比較以識別任何部件位置的高度偏差。
如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，步驟iii）包括將所述測量的相對高度與預定公差帶進行比較以識別任何部件位置的高度偏差；可選地，所述公差帶是相對於所述虛擬表面來定義的。
如申請專利範圍第6至9項中任一項所述之方法，其中，所述機器包括用於將印刷介質印刷到工件上的印刷機。
如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，所述部件位置位於在印刷操作期間用於夾持工件的夾持構件處。
如申請專利範圍第10項所述之方法，其中，所述部件位置包括工裝系統的位置。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，所述部件位置位於工裝塊的空間分離區域處。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，所述部件位置位於用於支撐單片襯底的相應工裝塔處。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，所述部件位置位於工裝銷釘料盒的空間分離區域處，使得高度偏差的存在表明所述工裝銷釘料盒未正確就位。
如申請專利範圍第12項所述之方法，其中，每個部件位置包括工裝銷釘；可選地，每個工裝銷釘位於存儲料盒中或工裝臺上。
一種工裝銷釘放置方法，包括如申請專利範圍第16項所述的確定高度偏差之方法，還包括以下步驟： iv）在確定位於工裝臺上第一位置的工裝銷釘具有高度偏差的情況下，將所述工裝銷釘從所述第一位置移動到空間分離的第二位置。
如申請專利範圍第17項所述之方法，包括以下步驟：將所述第一位置標記為錯誤位置，並防止所述工裝銷釘放置在所述第一位置處直到確定所述第一位置不再是錯誤位置為止。
如申請專利範圍第18項所述之方法，包括在圖形化使用者介面上突出顯示所述錯誤位置的步驟。
如申請專利範圍第17項所述之方法，其中，在步驟iv）中確定所述高度偏差將導致執行所述工裝台的清潔操作。