基于Halcon的新型引线框架排片机的设计

戚义鹏，黄希，许红健，王恒

(1.南通大学机械工程学院, 江苏南通 226019; 2.富金森(南通)科技有限公司, 江苏南通 226001)

0 前言

封装是IC芯片生产的关键工序之一，塑料封装(以下简称塑封)是IC产业中的主流封装成型工艺，其市场占有率在行业中达到90%以上[1-2]。塑封工艺可以将支撑芯片的引线框架、芯片和键合引线用塑料等树脂类聚合物材料包封起来，以保证IC芯片在使用过程中最大限度地发挥其电学特性[3]。根据GB/T 14663—2007[4]，引线框架在塑封压机的模具上安放位置应当定位准确、安放可靠，应有防错位措施。而上料排片预热作为进入塑封压机的前一个工位，引线框架是否精准放置会极大地影响塑封质量，因此引线框架高效精准入位与进行入位检测对于排片机至关重要。目前，国内IC封装企业的自动排片大多仍采用传统的X、Y伺服主轴型排片机，入位检测也仍依靠人工检验，其抓放效率低下、入位精度不足、劳动强度大的缺点势必容易导致IC芯片塑封失效，影响企业生产效率。

1 总体结构设计

引线框架排片机是实现IC芯片产品封装的重要设备，它要求能高效、准确地实现IC芯片引线框架的有序排片和均匀预热，实现工序自动化。新型引线框架排片机整体结构如图1所示，由进料部件、升降台部件、输送轨道、SCARA机械臂、抓取部件、预热平台等关键部分组成。

样机实物如图2所示。其工作流程：(1)通过进料部件推进满载料盒，将叠置于料盒内的料片逐片推出至输送轨道，并由拉针拖动至待抓取区；(2)通过SCARA机械臂驱动抓取部件抓取料片，并按一定序列逐片排放在矩阵式多工位封装托架上；(3)针对已放置料片进行入位视觉检测；(4)通过预热平台对料片进行均匀预热，并等待塑封。

1.1 进料部件

进料部件由料盒推入收回部件、料片推杆部件以及升降台部件三部分组成。料盒推入收回部件如图3所示，其作用是将满载料盒逐个推入升降台。本文作者采用无杆气缸驱动，并利用调压阀和调速阀配合调整气缸推力，避免料盒发生倾倒。满载料盒由无杆气缸4向前推入，导向轴和直线轴承保证推入过程的平稳性，空载料盒由气缸7从部件底部进行收回，在空载料盒达到一定数量时会触发传感器5，同时设计有可调挡板9，适用于不同形式的塑封产品。

升降台部件如图4所示，主要由步进电机、丝杠、直线导轨、压紧气缸以及上、下限传感器组成。由于料片在料盒中是按一定步距叠置的，该部分是通过料片推杆机构周期性地将料片从料盒中逐片推出，此部分要求往复精度高，以避免产生较大的累计误差。本文作者采用步进电机驱动高精度丝杠带动升降台上下动作，并且设计有直线导轨保证上下动作的平稳性。

1.2 料片输送轨道

输送轨道如图5所示，主要由步进电机、同步齿形带、拉针机构、轨道以及光纤传感器组构成。料片初进轨道时，光纤传感器组会根据其散热片的位置判断料片是否反向、位置是否正确。待机械臂抓取完前一料片后，处于当前料片定位孔正下方的拉针机构会在气缸与导向轴的作用下准确升入定位孔中。通过步进电机驱动同步齿形带并带动拉针机构，将料片拖动至待抓取区域。轨道下方设计有光纤传感器对准料片的中筋位置，检测料片是否准确到位。

预热平台工作时表面温度可达180 ℃，由于输送轨道距离预热平台较近，传统的皮带式柔性输送结构会受到高温的影响而出现皮带老化加速、定位精度降低等严重问题，并且皮带式输送结构无法实现料片的高速移动。本文作者采用拉针结构设计，整体部件中空体积更大，热量不易聚集，并且拉针结构可以实现料片快速输送时不会因惯性发生偏移或打滑的功能，料片平均输送速度可达1.1 s/片。

1.3 抓取部件

抓取部件如图6所示，单作用气缸1的向下动作可以使四边轴承与圆台发生相切挤压，在直线轴承的导向作用下会向外伸出5 mm，呈现卡爪张开的姿态。6根导向轴中段都设置有弹簧，在气缸向上动作时，6个卡爪同时收紧并夹住料片，此时传感器会检测料片是否被成功抓取。

该抓取部件仅用一个气缸完成了对6个卡爪的开合控制，而在X、Y、Z轴方向上的移动则依靠SCARA机械臂的驱动实现。SCARA机械臂有3个旋转关节，其轴线相互平行，可实现在平面内的精确定位[5]。另一个关节用于完成手臂末端在Z轴方向上的移动，大臂臂长为400 mm、小臂臂长为300 mm，复位精度均为±0.01 mm。末端参考点的位置坐标p是由两旋转关节的角位移φ1和φ2，及移动关节的位移z决定的，即:

p=f(φ1,φ2,z)

(1)

与传统的X、Y伺服主轴型相比，SCARA机械臂的精度更高、响应更快，并且适应环境的能力强，整合性更高[6]。

医疗旅游的重要元素是医疗服务，高质量的医疗服务是医疗旅游产业发展的基础。泰国和印度都视医疗质量为产业发展的根本。但医疗服务不同于制造业产品，具有无形性(intangibility)、不可分割性(inseparability)、与易逝性(perishability)特点[15]，因此，从业人员的资质与业界口碑对于医疗服务的竞争力至关重要。基于此，泰国和印度都高度重视医疗人才的引进和培养，从美国等发达国家引进了一大批高水平的医疗人才，医务人员具有良好的英语水平；另一方面，鼓励医疗机构通过国际认证，尤其是JCI认证，以展示其高水平的医疗服务能力。

进行了14个完整循环的系统排片测试，共计168片，测试结果中并未出现料片掉落或放置偏移等情况，入位率为100%。完成一个不含入位检测的排片循环平均需要61.4 s，完全满足生产现场实际的应用需求。

2 入位视觉检测

如今机器视觉已广泛应用于工业领域，主要用于保证产品质量、控制生产流程[7]。本文作者将图像处理技术运用于自动化塑封生产线上，在引线框架排片机中对料片的入位情况进行在线检测。入位检测模块如图7所示，主要由工业相机、镜头、工控机、PLC、环形光源以及图像处理软件组成。

2.1 硬件选型

为优化视觉检测速度，采用双工位在线检测方式。采用的相机型号为DMK 33GX265e，分辨率为2 048像素×1 536像素，采集帧率为36，输出黑白图像；镜头型号为SC-DLH06-5MP，焦距为6 mm，手动调节光圈。因为铜的电导率、强度、可成型性具有优势，铜合金替代了早期IC封装中使用的铁镍合金，成为制成引线框架的主要材料[8]。但铜合金表面易反光，所以系统采用白色环形光源BT-R7535W，其LED呈高密度环形分布，提供高亮、均匀的圆形照明，不易出现反光和阴影。

2.2 算法设计

入位检测系统软件在VS2019开发环境下基于Halcon视觉库开发，其核心部分为图像处理算法。算法主要包含区域定位与纠偏、图像预处理、特征提取以及入位情况分析4部分。文中以TO220封装引线框架作为研究对象，料片尺寸为228.1 mm×30.3 mm，初始视野大小为120 mm×90 mm，像素分辨率为0.06 mm/像素。

(1)目标区域定位并纠偏

图8所示为料片入位实物图，由于预热平台的工作温度高，为避免视觉系统快速老化，在实时获取图像时会将镜头物距放大，这会使图像初始视野较大并且存在小范围内的角度偏差，导致后续特征提取出现漏检现象，所以需要先对图像进行目标区域定位和纠偏。以固定的图像坐标截取视野640像素×480像素的目标区域，并进行阈值二值化与特征选择，提取出图像中部灰度值较低的区域，求出该区域与水平方向的角度θ，获得旋转矩阵R，并定义图像中心点P为旋转中心。

(2)

使用旋转矩阵R对图像进行仿射变换，可以输出如图9所示的标准初始图像，如图10所示的空置状态图像以及如图11所示的偏移状态图像。

(2)图像预处理

在图像采集过程中，由于SCARA机械臂复位精度较高，相机、镜头和光源等基本能够保持稳定的工作状态，所以图像的噪声主要来源于脉冲噪声。同时，为避免引线框架金属表面细纹的干扰，选择中值滤波对图像去噪。利用Blob分析法[9]先对待检测图像进行二值化，区分出前景与背景，然后进行连通区域处理，最终通过形态学运算保留一定的边缘特征，得到如图12所示的图像。为增强图像高频区域，并抑制一些冗余特征，对Blob分析后的图像进行低通滤波，再进行像素灰度值运算，得到如图13所示的图像。

(3)特征提取

利用Canny边缘检测法[10]提取亚像素精确边缘，经过非极大值抑制处理后得到最后的边缘图像，如图14所示。通过特征选择提取出符合阈值要求的圆特征，若数量大于3则继续进行边缘图像中竖直直线与水平直线的提取，反之，则可判定为空置状态。利用亚像素边缘的圆度、长度以及方向特征参数提取出竖直直线与水平直线。但此时所提取的直线特征处于离散状态，通过计算两个轮廓端点最小距离、两个轮廓端点最小距离与最长轮廓的比值，将距离相近的直线计算为并集，整合为同一条基准直线，处理后如图15所示。

(4)入位分析

通过水平直线的坐标位置再次分割图像，排除定位针弧形平台边缘的干扰，同时从该区域的边缘图像中根据坐标、圆度和圆半径等特征参数提取出定位孔的边缘特征，采用最小二乘法拟合得到圆的方程[11]，求出精确的圆心和半径等参数并创建标准圆。图16所示均为入位检测结果，计算圆心到两条竖直直线像素距离的比值a，判断定位孔是否位于封装托架的中心位置，再计算圆心到两条水平直线距离的差值b，判断料片整体与封装托架的位置关系。当料片发生偏移或掉落时，图像中定位孔圆特征的数量、比值a和差值b将不符合设定阈值，因此会被判定为NG。

2.3 实验结果与分析

实验结果如表1所示，入位检测系统检测准确率达98.8%，单个料片平均检测时长为339 ms，满足替代人工检验的需求。

表1 检测结果统计结果

实验中误检结果均是由于如图17所示的灯源照明问题所导致的误判，虽然可以通过设置严格的阈值参数的方法来避免照明过度，但是可能会造成频繁停机复位，从而影响生产效率。

3 控制系统设计

本文作者提出的新型引线框架排片机的控制核心为PLC，图18所示为控制流程图。其中，料盒推入与收回、料片输送与抓放、预热平台的温度控制都是采用OMRON的CP1H型PLC控制系统实现各动作的有效配合。它拥有Ethernet接口，用于与负责图像处理的工控机进行通信，并且其扩展性能强，可外接使用CP1W和CJ系列的单元，利用软件XC-programmer进行梯形图程序的设计。在视觉检测时，机械臂每到达一个料片坐标，就传输一个中断信号至PLC，同时触发相机拍照和环形光源闪烁，进行初始图像的采集，并传输到工控机。工控机利用Halcon视觉库方法对图像进行处理分析，再将结果传输至PLC。若料片中途掉落或未准确入位，则设备将会亮起报警指示灯，直至复位。

TOSHIBA的THL700型SCARA机械臂是通过控制器TSL3000控制的，将PLC与控制器进行串口通信，从而控制SCARA机械臂的运行状态。利用软件TSAssist示教25个坐标位，分别为12个料片放置点、12个入位检测点以及1个料片抓取点。

4 结论

针对传统引线框架排片机在生产过程中，进料部件平稳性差、效率低，X、Y伺服主轴型机械手抓取效率低、入位精度不足等问题，提出了一种基于Halcon检测入位情况的新型自动引线框架排片机。通过对进料各部件结构优化改进并采用SCARA四轴机械臂，实现了高效准确的排片均匀预热功能，提高了生产效率和产品质量的稳定性。入位检测系统的正检率达98.8%，单个料片平均检测时长为339 ms，在生产实际中能够极大地提高自动排片机的生产精度，并降低劳动强度，可为IC封测企业带来可观的经济效益。