机器视觉在热切机中的应用

2018-04-19肖方生

电子工业专用设备 2018年2期

肖方生

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

低温共烧陶瓷 (Low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技术，就是将低温烧结陶瓷粉经过流延制成厚度精确且致密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷片上打孔、微孔填充、精密导体浆料印刷、叠片以及层压等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900℃下烧结，制成三维电路网络的无源集成组件或基板。

由于烧结后的陶瓷基片切割起来很困难，所以LTCC工艺通常在烧结前切割，对层压后的多层生瓷片进行切割以形成单体。

1　热切机对机器视觉的要求

热切机是LTCC多层基板制造的关键设备之一，是通过计算机编程，并自动精确控制伺服系统对层压后带有Mark标识的多层生瓷片在一定加热温度条件下快速、高精度的切割，使其成为单体。特别适用于多品种小批量或中型产量的LTCC基板的研制与生产。

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

由于致密的多层生瓷片特性较软并有一定黏性，在多层生瓷片通过加热的钨钢刀体进行切割时,为了保证切割元件的精度和一致性，并且不损伤内置元件，热切过程需要实现高精度的控制。

热切过程如图1所示，主要包括多层生瓷片的上料、定位、自动对准、热切和出料等操作，其中定位、对准、切割过程是重要部分。在多层生瓷片热切过程中，精密定位显得尤为重要，直接关系着热切精度高低，是热切机关键技术之一。

图1　热切过程

2　热切机视觉系统方案设计

热切机视觉系统主要完成多层生瓷片热切前的精密定位功能，以保证热切后的图形精度。多层生瓷片由工作台吸附，视觉系统采集图像、识别计算并返回数据，运动控制系统接收到位移数据后驱动工作台完成定位。

热切精度主要取决于视觉对位精度和机械定位精度。根据±10 μm的精度要求，设计时进行精度分解：视觉系统要达到±3 μm的对位精度，机械定位精度和其他精度达到±7 μm，即可满足最终精度要求。

生瓷片上有两组用于对位的标记点（热切标识有两种：线条和孔），需要采集两个标记点的图像信息进行定位。采用两套相机和光源分别对两个标记点进行图像采集，如图2所示，两套相机分别倾斜安装在两个可独立左右移动的电机上。视觉系统硬件主要包括：相机、环形光源、普通镜头各两个以及图像采集处理模块。

图2　工作台结构

3　机器视觉的实施

3.1　工作过程

多层生瓷片尺寸203 mm×203 mm，片上有直径为0.02 mm的两列小孔(或宽度为0.02 mm的两列线段)。如图3所示，两个相机位置固定，分别对准红线两端的小孔采图。视场范围为3.6 mm×3.6 mm(如图3中小方框内，可以保证相机视场内只有一个小孔)。

根据两个相机得到的小孔位置和相机之间的位置关系，计算多层生瓷片在垂直方向上与标准位置的偏差以及多层生瓷片的偏转角度（图3中蓝线所示）。工作台机构将依据计算结果校准多层生瓷片的位置。校准结束后，刀片（固定在图3中横线位置处）将下落切割多层生瓷片，要求多层生瓷片被刀片从两个标志点的圆心连线处被准确切开（切开一条刀口，有一定深度但并不切断）。切割完毕后，工作台将推动多层生瓷片前进，相机将对准下一对标志点进行拍摄……，依次进行，直至所有标志点对被处理完毕。

横向切割完毕后，多层生瓷片旋转90°，如图4所示，以同理进行校准和切割。

3.2　定位的误差分析与补偿

由工作台机械结构所限，两个相机均不能垂直对准目标，会偏离垂直方向45°。相机视线如图5所示。工作台结构会给相机和镜头留出沿中轴线方向180 mm的空间，物距为75 mm。

切割坐标系和图像坐标系之间存在一个角度偏差，此偏差角度影响最终的加工精度，故要对其进行补偿。角度偏差的计算方法为：首先拍着一幅图像并在其上设定基准MARK；其次把基准MARK和这幅图像作对比，计算出其匹配中心位置坐标（X1，Y1），然后控制平台往Y轴正方向移动，移动尽量远的距离以保证计算精度，但不要移出相机视场；移动后把基准MARK和图像做第二次对比，并记录此时的匹配中心位置坐标（X2，Y2），则偏差角度A的计算公式为：