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1 引言
裝片機(jī)是電子元器件生產(chǎn)廠家用于將晶片從料盤(pán)(Wafer)取放到料帶上的一種自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備, 舊有的設(shè)計(jì)是不待機(jī)器視覺(jué)功能的，對(duì)晶片的檢測(cè)是采用一種價(jià)格昂貴的光電傳感器，其工作原理如圖1所示:
圖1 裝片機(jī)工作原理示意圖
料盤(pán)上的單個(gè)晶片面積非常小(約0.078mm2)，且數(shù)量極多(約9×104個(gè))，由此對(duì)裝片機(jī)的電機(jī)定位精度、工作穩(wěn)定性和速度提出了較高要求。傳統(tǒng)的不帶機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的裝片機(jī)存在以下幾個(gè)重要弊病:
(1) 定位不準(zhǔn)
晶片切割及料盤(pán)貼膜等原因很容易造成晶片在料盤(pán)上位置分布不均，而不帶視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的裝片機(jī)以固定步距及方向走動(dòng)，所以機(jī)器在取料時(shí)必定會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致無(wú)法正常拾取晶片;
(2) 晶片浪費(fèi)
晶片在料盤(pán)上呈圓形分布，采用傳感器定位邊界的方法勢(shì)必會(huì)造成邊界定位不準(zhǔn)而致使一些晶片拾取不到，從而在料盤(pán)上殘留一些晶片;
(3) 操作較為麻煩
由于機(jī)器以固定步距及方向行走，所以料盤(pán)與電機(jī)的水平一致性要求非常高，極小的角度偏差都會(huì)導(dǎo)致累加誤差過(guò)大，這就要求操作員在每次換料時(shí)耐心的將料盤(pán)與電機(jī)位置調(diào)到最佳，而且每次開(kāi)始時(shí)都需要操作員手工進(jìn)行晶片對(duì)位，因?yàn)檫吔缍ㄎ徊捎脗鞲衅鳎瑱C(jī)器需要操作員不斷手工調(diào)節(jié)邊界傳感器位置，較為繁瑣;
(4) 效率較低
由制作工藝本身造成的料盤(pán)上存在相當(dāng)數(shù)量的壞料或空料，傳統(tǒng)的光電傳感器識(shí)別準(zhǔn)確度不高，導(dǎo)致后期成品合格率下降，影響生產(chǎn)效率。
引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的裝配機(jī)采用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、分析及導(dǎo)航，有效地避免了上述的種種問(wèn)題，使得生產(chǎn)精度，穩(wěn)定性及效率得到極大的提高。
2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理
采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的裝片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示:
圖2 帶機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的裝片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖
工作原理:由工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC、CCD攝像頭、圖像采集卡和光源、鏡頭等組成的基于PC的機(jī)器視覺(jué)子系統(tǒng)，對(duì)料盤(pán)(Wafer)上的晶片(Die)進(jìn)行拍照，然后由視覺(jué)分析軟件對(duì)采集到的圖像(Image)進(jìn)行模式匹配，輸出相機(jī)視野內(nèi)所有實(shí)例(Instance)晶片的位置信息，如X、Y坐標(biāo)，晶片相對(duì)于圖像坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度等等。由視覺(jué)系統(tǒng)完成晶片的定位后，導(dǎo)航程序根據(jù)晶片分布，按照“先上后下，先左后右”的導(dǎo)航策略(詳見(jiàn)第三節(jié)“導(dǎo)航”部分)，確定將哪一顆晶片作為下一個(gè)抓取目標(biāo)，并將該晶片的坐標(biāo)換算成XY平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)，由串口發(fā)送到PLC。
攝像機(jī)的拍照是由PLC通過(guò)GPIO(General Purpose Input and Output, 通用IO信號(hào))傳遞給IPC的，IPC通過(guò)查詢檢測(cè)到該信號(hào)后，控制圖像采集卡采集一幀圖像。PLC何時(shí)發(fā)出相機(jī)拍照觸發(fā)信號(hào)，由取料桿位置傳感器的狀態(tài)決定。如此，可以避免取料桿擋住相機(jī)的視線。采用GPIO握手信號(hào)在PLC和IPC之間傳遞信息, 可以提高通訊速度。
3 軟件系統(tǒng)分析
(1) 功能需求
IPC進(jìn)行視覺(jué)定位及導(dǎo)航控制，在該控制系統(tǒng)中被稱為上位機(jī)。IPC軟件要求實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的采集、定位、黑點(diǎn)(Ink Die)分析，對(duì)晶片的導(dǎo)航，與下位機(jī)的通信，報(bào)警記錄，生產(chǎn)情況記錄等功能。定位精度要求達(dá)到0.004mm，圖像處理及導(dǎo)航時(shí)間必須控制在100ms以內(nèi)。生產(chǎn)情況記錄必須每天以不同文件采用數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存。
(2) 軟件主框圖
主程序框圖如圖3所示。
圖3 主程序框圖
(3) 實(shí)現(xiàn)方案
視覺(jué)定位部分是在HexSight視覺(jué)軟件包的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)，導(dǎo)航部分采用Visual C＋＋進(jìn)行編程。 HexSight軟件包是Adept公司出品的一款高性能的機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)包，其定位精度高，一次識(shí)別只需不到30ms，支持VB，VC＋＋等流行編程軟件，容易進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
(4) 子模塊介紹
· 圖像采集
圖像采集模塊通過(guò)Hexsight里面提供的的HSAcquisitionDevice控件實(shí)現(xiàn)，它實(shí)現(xiàn)采集卡的軟件接口，圖像的捕獲，鏡頭參數(shù)的調(diào)校及補(bǔ)償?shù)戎T多功能，是第一道工序，也是必做的工序。其部分界面如圖4所示。
圖4 圖像采集部分界面
·晶片定位
通過(guò)Hexsight的HSLocator實(shí)現(xiàn)，它主要提供圖像引入，模板制作及匹配參數(shù)設(shè)定等功能，其部分界面如圖5所示。
圖5 晶片定位部分界面
·晶片合格分析(Ink Die的查找)
通過(guò)Hexsight里的HSPatternLocator實(shí)現(xiàn)，其主要進(jìn)行模板圖與搜索圖間的匹配操作，并得出兩者間的匹配值，即相似度，部分界面如圖6所示。
圖6 晶片合格分析部分界面
·導(dǎo)航
導(dǎo)航方法為自行設(shè)計(jì)的拾取晶片時(shí)的優(yōu)先規(guī)則。大致原理:在捕獲圖像并經(jīng)過(guò)HexSight的定位及檢測(cè)操作后，系統(tǒng)根據(jù)分析結(jié)果找出當(dāng)前晶片周圍的八個(gè)晶片，并以從上到下、從中間到兩邊的優(yōu)先規(guī)則定位下一個(gè)晶片，如若晶片周圍沒(méi)有晶片，則定位到屏幕內(nèi)任一離當(dāng)前晶片最近的晶片，如若屏幕內(nèi)無(wú)一晶片，即系統(tǒng)報(bào)告晶片已經(jīng)全部拾取完畢。
·通信模塊
上下位機(jī)間的通信主要有兩種方式進(jìn)行:一種是GPIO方式，另一種為Rs-232串行通信方式。相機(jī)拍照觸發(fā)等信號(hào)以I/O方式進(jìn)行，晶片偏移值、晶片合格信號(hào)及報(bào)警信號(hào)等則以串行通信方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)采用高速的GPIO握手方式，可以彌補(bǔ)串行通訊在速度上的不足。
4 應(yīng)用狀況及測(cè)試結(jié)果分析
(1) 程序主界面圖
應(yīng)用程序采用VC++6.0實(shí)現(xiàn)，主界面如圖7所示:
圖7 主界面
(2) 效果
該程序界面簡(jiǎn)潔友好，使用方便，功能較為齊全。分為普通用戶級(jí)和高級(jí)用戶級(jí)兩種參數(shù)設(shè)置模式;部分設(shè)置采用密碼限制，保護(hù)程序的使用安全;每天的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)以數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存，方便查看和統(tǒng)計(jì)。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用測(cè)試，統(tǒng)計(jì)得出性能如附表:
該系統(tǒng)能快速定位并識(shí)別合格與不合格晶片，各項(xiàng)性能指標(biāo)都可以滿足甚至超出生產(chǎn)的預(yù)期要求。
5 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)采用了以機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)IPC為上位機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制及過(guò)程控制PLC為下位機(jī)的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，視覺(jué)系統(tǒng)PC提供定位信息，PLC控制運(yùn)動(dòng)及生產(chǎn)過(guò)程，兩者通過(guò)RS－232串口通訊和GPIO，傳遞運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)檢測(cè)/控制信號(hào)。集成的系統(tǒng)有效地克服了原有系統(tǒng)的種種問(wèn)題，使得生產(chǎn)精度，穩(wěn)定性及效率得到了極大的提高。該裝片機(jī)已批量生產(chǎn)，投產(chǎn)后性能一直十分穩(wěn)定。
本文介紹了用先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備，將PC式視覺(jué)系統(tǒng)引入原來(lái)由PLC控制系統(tǒng)，使之發(fā)揮更大的效能，具有一定的代表性。
參考文獻(xiàn)
[1] 顏發(fā)根,丁少華,陳樂(lè),劉建群. 基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)[J]. PLC & FA , 2004,(7):129~140.
[2] HexSight 用戶手冊(cè)[Z].
作者簡(jiǎn)介
姚強(qiáng)(1970-) 男 工程師 現(xiàn)在深圳市視覺(jué)龍科技有限公司作軟件開(kāi)發(fā)。 | 
