全自动热切机的设计与实践

赵忠志 张奇巍

摘要：热切工艺在LTCG （Low Temperature Go-fired Ceramic）产品加工过程中起着关键作用。传统的熱切机都是手动上下料，生产效率较低，不能满足企业的规模化生产。针对以往热切机效率低下的问题，设计并实现一款能够自动上下料的全自动热切机，具有深远的市场意义。在传统半自动热切机的基础上，设计自动上下料组件、定位预热组件、热切组件等机构，并配备视觉系统、运动平台控制系统、传输系统等软件，完成LTCC产品的全自动热切，提高生产效率，降低人工成本。

关键词：TB472 ;热切机;自动;视觉系统;运动控制

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）05-0143-02

LTCC （Low Temperature Co-fired Ceramic）技术是于 1982年休斯公司开发的新型材料技术，是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个被动组件埋入多层陶瓷基板中，然后叠压在一起，内外电极可分别使用银、铜、金等金属，在900°C下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路，也可制成内置无源元件的三维电路基板，在其表面可以贴装IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块，可进一步将电路小型化与高密度化，特别适合用于高频通讯用组件。LTCC产品加工工序流程包含：流延、裁片、冲孔、填孔及印刷、叠片、静压、热切、烧结、裂片等。

热切工序是对层压后的生瓷片进行热切，将产品切割成型，在LTCC加工工序中起着关键性作用。传统的热切机都是手动上下料，生产效率较低，不能满足企业的规模化生产。开发出一款能够自动上下料的全自动热切机具有广阔的市场前景。

1 机械设计

1.1 自动上下料组件

自动上下料组件主要由升降机构、上料传输机构、下料传输机构以及料盒机构组成，可为热切组件上料，待产品加工完成后，将产品取走。

工作原理：料盒机构可进行水平方向的推拉。当操作人员需要放置待加工料片时，将料盒机构的托料盘拉出，在托料盘上放置若干料片，再推回料盒机构内部，按下固定按钮进行固定。升降机构可进行垂直方向的运动。托盘上有产品时，则上升到指定位置。如果托盘上没有产品，则退回到原点。上料传输机构上的升降气缸下降，真空吸盘产生负压后吸附料片，同时对料片进行加热。电缸负责将料片传输至工作平台。产品在工作台被切割完成后，再由下料传输机构将料片传输至下料料盒机构。

1.2 定位预热组件

定位预热组件主要由预热吸附板、定位气缸、倾斜气缸以及移动模组构成，可实现对产品的初定位。

定位预热组件的原理是利用产品自身的重力往斜下方滑动，再由定位组件加以固定，完成生瓷片产品的初定位。移动模组移动至相应的位置，自动上料组件将料片吸附至预热吸附板上，定位气缸收缩，然后倾斜气缸收缩，预热吸附板吹气将料片与吸附板分离，依靠重力贴靠至定位气缸，进行定位，然后预热吸附板将料片真空吸附，同时倾斜气缸伸长，定位气缸伸出，等待自动上料组件将产品传输至工作台进行加工。

1.3 热切组件

热切组件主要由工作平台、视觉组件、刀架组件以及清扫组件构成，实现产品的高精度热切。

在工作的时候，工作台承载自动上料组件传输过来的层压后的生瓷片，并且工作台上设计有小孔，能够用负压真空吸附生瓷片，对生瓷片进行位置的固定。视觉组件由两个高精度CCD相机、远心镜头、光源等组成，可识别生瓷片上的Mark标记，与标准基准线进行比对，计算出误差，从而对生瓷片进行定位。刀架组件将特制钨钢刀片夹紧固定，进行垂直方向的精确定位运动，实现对生瓷片的高精度切深控制。生瓷片被热切完成后，自动下料机构将其传输到成品收集盒里。工作平台运动到设备后方，清扫组件将切割后的废料进行清理。

2 软件控制系统设计

2.1 视觉系统的控制

视觉系统设计目标是能够自动识别生瓷片上印刷的Mark标记，并且将左右两个Mark标记进行空间连线，与基准的刀线进行对比，判断是否小于设定的偏差阈值，并计算出偏差。

2.1.1 视觉系统的环境配置

视觉系统能够识别目标Mark并计算，首先需要进行视觉系统的环境设置。调节光源的光照强度，让目标能够清晰出现在CCD视野内。微调相机的焦距，让产品Mark清晰成像。在视觉软件里，调整相机的曝光和增益，让相机成像更清晰，对比度更大，相机能够清晰分辨出目标Mark的轮廓。

2.1.2 视觉系统的模板管理

视觉系统要做定位识别就必须建立模板，主要提供对LTCC（层压陶瓷）在线切割时的视觉对位功能，支持各种线形和非线形Mark的视觉对位。模板匹配是指在机器识别图像的过程中，需要把同一传感器在不同时间和不同成像条件下对同一事物得到的两幅或几幅事物的图片在空间上对准，或者根据已知图像到另一幅图像中寻找相应的模式。

2.1.3 坐标标定

视觉系统的最终目标是使机器能像人那样通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力。机器通过视觉传感器感测、获取目标区域及周围环境图像信息来计算、理解三维世界，二维维图像信息与三维空间信息的几何映射对应关系是由摄像机成像的几何模型、视觉系统装配结构决定的，标定视觉系统是视觉过程的基础且关键的问题之一。视觉系统中摄像机安装方式：固定于场景某处，这样视觉系统涉及的坐标包括：世界坐标系，摄像机坐标系，图像坐标系等。标定过程就是确定摄像机的几何和光学参数，确定2D图像像素坐标系与3D场景世界坐标系之间的几何映射对应关系。

2.1.4 自动对位

视觉系统对位需依据热切的刀线建立基准线。视觉系统计算产品的Mark线与基准线的偏差，给出偏移距离。运动机构进行位置校准，视觉系统再次计算确认偏差是否满足要求。

2.2 运动平台的控制

运动平台的运动控制全部选用高精度快速响应型伺服电机与直驱电机。这样的设计选型理由如下：

1） 大幅提高设备的性能，有助于超高速、超精密控制的伺服性能，最大限度发挥装置性能，解决课题。

2） 大幅提高设备使用便利性，伺服电机的“免调整功能”，无需繁琐的调谐作业，动作稳定。

3） 大幅提高耐环境性能，可在严酷环境下使用且节能，可顺利构建出最佳系统。

4） 让设备操作人员更加放心，符合安全标准，实现可视化，可安全运行系统。

5） 丰富的辅助功能，支持定制信息的管理和使用，必要时可立即使用所需的信息。

运动平台的控制具备了良好的硬件基础，还需要设计一套良好的软件系统来对各个伺服电机进行协调控制，完成高速高精度热切。

运动平台在上料等待位接收到自动上料机构传输过来的生瓷片以后，打开负压发生器，在运动平台内部形成负压环境，将生瓷片牢牢吸附在平台上进行固定。通过与操作员设定的热切工艺进行对比，判断热切是否已经完成。如果热切未完成，则移动运动平台，让生瓷片上的Mark标记出现在视觉系统的两个CCD相机视野范围内。视觉系统判断产品的偏差是否大于设定的偏差阈值。如果偏差过大，视觉系统则将偏差计算出，并反馈给运动平台。运动平台根据视觉系统给出的偏差，进行位置校正。校正完成后，视觉系统再次判断偏差是否满足要求，满足要求则刀架下降，按照设定的热切深度进行精确热切。如此循环，直到把整片生瓷片熱切完成。运动平台将产品运输到下料位，等待自动下料系统将热切完成的产品吸附传输离开。运动平台运动到废料清扫位，清扫组件将运动平台上残留的产品废料进行清扫。

2.3 传输系统的控制

设备从半自动升级为全自动，关键就在于自动上下料传输系统，能够准确稳定传输生瓷片，为工作平台提供待生产的生瓷片，并把加工完成的生瓷片及时取走。

当操作人员把生瓷片放置于上料托盒以后，上料升降组件自动识别托盒内具有产品，并上升到指定位置。控制传输电缸运动到托盒上方，纵向气缸伸出，产生负压，对生瓷片进行吸附，吸附牢固后，纵向气缸再回位，传输气缸将生瓷片运输到定位台上方并解除负压，让生瓷片自动落入定位台。定位台定位气缸回位，倾斜气缸回位，定位台腔体内部吹气，利用重力作用，让生瓷片紧贴定位气缸，从而进行初定位。定位台产生负压，吸附固定生瓷片，倾斜气缸伸出，定位气缸伸出。上料传输气缸运动到定位台，上料气缸伸出，产生负压吸附生瓷片，并回位。上料传输气缸将生瓷片运输到工作台进行热切。工作台热切完成后，自动下料机构运用类似原理，将成品运输到收料盒进行存放。

3 结语

随着LTCC行业的发展壮大，电子行业对LTCC产品的需求量越来越大，传统的半自动热切机已经无法满足高精度高产能的需求。全自动热切机的研制成功，投放市场，实际生产的生产效率提高了百分之三十以上。同时，由于设备的全自动化，一个操作人员即可完成之前三个操作人员的产量。这就解决了半自动热切人工上下料的低效率问题，同时也降低了操作人员人为操作时受伤的风险，还为企业降低了人力成本，具有广阔的市场前景。

参考文献

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