機器視覺在熱切機中的應用

2018-04-19 09:09:02肖方生

電子工業專用設備 2018年2期

肖方生

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

低溫共燒陶瓷 (Low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技術，就是將低溫燒結陶瓷粉經過流延制成厚度精確且致密的生瓷帶，作為電路基板材料，在生瓷片上打孔、微孔填充、精密導體漿料印刷、疊片以及層壓等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在900℃下燒結，制成三維電路網絡的無源集成組件或基板。

由于燒結后的陶瓷基片切割起來很困難，所以LTCC工藝通常在燒結前切割，對層壓后的多層生瓷片進行切割以形成單體。

1　熱切機對機器視覺的要求

熱切機是LTCC多層基板制造的關鍵設備之一，是通過計算機編程，并自動精確控制伺服系統對層壓后帶有Mark標識的多層生瓷片在一定加熱溫度條件下快速、高精度的切割，使其成為單體。特別適用于多品種小批量或中型產量的LTCC基板的研制與生產。

LTCC產品的切割要求：尺寸(max)203 mm×203 mm，切割精度Y軸±0.01 mm，Z軸±0.01 mm，θ軸±0.004°。

由于致密的多層生瓷片特性較軟并有一定黏性，在多層生瓷片通過加熱的鎢鋼刀體進行切割時,為了保證切割元件的精度和一致性，并且不損傷內置元件，熱切過程需要實現高精度的控制。

熱切過程如圖1所示，主要包括多層生瓷片的上料、定位、自動對準、熱切和出料等操作，其中定位、對準、切割過程是重要部分。在多層生瓷片熱切過程中，精密定位顯得尤為重要，直接關系著熱切精度高低，是熱切機關鍵技術之一。

圖1　熱切過程

2　熱切機視覺系統方案設計

熱切機視覺系統主要完成多層生瓷片熱切前的精密定位功能，以保證熱切后的圖形精度。多層生瓷片由工作臺吸附，視覺系統采集圖像、識別計算并返回數據，運動控制系統接收到位移數據后驅動工作臺完成定位。

熱切精度主要取決于視覺對位精度和機械定位精度。根據±10 μm的精度要求，設計時進行精度分解：視覺系統要達到±3 μm的對位精度，機械定位精度和其他精度達到±7 μm，即可滿足最終精度要求。

生瓷片上有兩組用于對位的標記點（熱切標識有兩種：線條和孔），需要采集兩個標記點的圖像信息進行定位。采用兩套相機和光源分別對兩個標記點進行圖像采集，如圖2所示，兩套相機分別傾斜安裝在兩個可獨立左右移動的電機上。視覺系統硬件主要包括：相機、環形光源、普通鏡頭各兩個以及圖像采集處理模塊。

圖2　工作臺結構

3　機器視覺的實施

3.1　工作過程

多層生瓷片尺寸203 mm×203 mm，片上有直徑為0.02 mm的兩列小孔(或寬度為0.02 mm的兩列線段)。如圖3所示，兩個相機位置固定，分別對準紅線兩端的小孔采圖。視場范圍為3.6 mm×3.6 mm(如圖3中小方框內，可以保證相機視場內只有一個小孔)。

根據兩個相機得到的小孔位置和相機之間的位置關系，計算多層生瓷片在垂直方向上與標準位置的偏差以及多層生瓷片的偏轉角度（圖3中藍線所示）。工作臺機構將依據計算結果校準多層生瓷片的位置。校準結束后，刀片（固定在圖3中橫線位置處）將下落切割多層生瓷片，要求多層生瓷片被刀片從兩個標志點的圓心連線處被準確切開（切開一條刀口，有一定深度但并不切斷）。切割完畢后，工作臺將推動多層生瓷片前進，相機將對準下一對標志點進行拍攝……，依次進行，直至所有標志點對被處理完畢。

橫向切割完畢后，多層生瓷片旋轉90°，如圖4所示，以同理進行校準和切割。

3.2　定位的誤差分析與補償

由工作臺機械結構所限，兩個相機均不能垂直對準目標，會偏離垂直方向45°。相機視線如圖5所示。工作臺結構會給相機和鏡頭留出沿中軸線方向180 mm的空間，物距為75 mm。

切割坐標系和圖像坐標系之間存在一個角度偏差，此偏差角度影響最終的加工精度，故要對其進行補償。角度偏差的計算方法為：首先拍著一幅圖像并在其上設定基準MARK；其次把基準MARK和這幅圖像作對比，計算出其匹配中心位置坐標（X1，Y1），然后控制平臺往Y軸正方向移動，移動盡量遠的距離以保證計算精度，但不要移出相機視場；移動后把基準MARK和圖像做第二次對比，并記錄此時的匹配中心位置坐標（X2，Y2），則偏差角度A的計算公式為：