機(jī)器視覺(jué)在熱切機(jī)中的應(yīng)用

肖方生

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(shù)，就是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉經(jīng)過(guò)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(dǎo)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(gè)無(wú)源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在900℃下燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源集成組件或基板。

由于燒結(jié)后的陶瓷基片切割起來(lái)很困難，所以LTCC工藝通常在燒結(jié)前切割，對(duì)層壓后的多層生瓷片進(jìn)行切割以形成單體。

1　熱切機(jī)對(duì)機(jī)器視覺(jué)的要求

熱切機(jī)是LTCC多層基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，是通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，并自動(dòng)精確控制伺服系統(tǒng)對(duì)層壓后帶有Mark標(biāo)識(shí)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(chǎn)量的LTCC基板的研制與生產(chǎn)。

LTCC產(chǎn)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(guò)加熱的鎢鋼刀體進(jìn)行切割時(shí),為了保證切割元件的精度和一致性，并且不損傷內(nèi)置元件，熱切過(guò)程需要實(shí)現(xiàn)高精度的控制。

熱切過(guò)程如圖1所示，主要包括多層生瓷片的上料、定位、自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、熱切和出料等操作，其中定位、對(duì)準(zhǔn)、切割過(guò)程是重要部分。在多層生瓷片熱切過(guò)程中，精密定位顯得尤為重要，直接關(guān)系著熱切精度高低，是熱切機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1　熱切過(guò)程

2　熱切機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

熱切機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)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(tái)吸附，視覺(jué)系統(tǒng)采集圖像、識(shí)別計(jì)算并返回?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接收到位移數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)完成定位。

熱切精度主要取決于視覺(jué)對(duì)位精度和機(jī)械定位精度。根據(jù)±10 μm的精度要求，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行精度分解：視覺(jué)系統(tǒng)要達(dá)到±3 μm的對(duì)位精度，機(jī)械定位精度和其他精度達(dá)到±7 μm，即可滿足最終精度要求。

生瓷片上有兩組用于對(duì)位的標(biāo)記點(diǎn)（熱切標(biāo)識(shí)有兩種：線條和孔），需要采集兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的圖像信息進(jìn)行定位。采用兩套相機(jī)和光源分別對(duì)兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行圖像采集，如圖2所示，兩套相機(jī)分別傾斜安裝在兩個(gè)可獨(dú)立左右移動(dòng)的電機(jī)上。視覺(jué)系統(tǒng)硬件主要包括：相機(jī)、環(huán)形光源、普通鏡頭各兩個(gè)以及圖像采集處理模塊。

圖2　工作臺(tái)結(jié)構(gòu)

3　機(jī)器視覺(jué)的實(shí)施

3.1　工作過(guò)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?qū)挾葹?.02 mm的兩列線段)。如圖3所示，兩個(gè)相機(jī)位置固定，分別對(duì)準(zhǔn)紅線兩端的小孔采圖。視場(chǎng)范圍為3.6 mm×3.6 mm(如圖3中小方框內(nèi)，可以保證相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)只有一個(gè)小孔)。

根據(jù)兩個(gè)相機(jī)得到的小孔位置和相機(jī)之間的位置關(guān)系，計(jì)算多層生瓷片在垂直方向上與標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差以及多層生瓷片的偏轉(zhuǎn)角度（圖3中藍(lán)線所示）。工作臺(tái)機(jī)構(gòu)將依據(jù)計(jì)算結(jié)果校準(zhǔn)多層生瓷片的位置。校準(zhǔn)結(jié)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(gè)標(biāo)志點(diǎn)的圓心連線處被準(zhǔn)確切開(kāi)（切開(kāi)一條刀口，有一定深度但并不切斷）。切割完畢后，工作臺(tái)將推動(dòng)多層生瓷片前進(jìn)，相機(jī)將對(duì)準(zhǔn)下一對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行拍攝……，依次進(jìn)行，直至所有標(biāo)志點(diǎn)對(duì)被處理完畢。

橫向切割完畢后，多層生瓷片旋轉(zhuǎn)90°，如圖4所示，以同理進(jìn)行校準(zhǔn)和切割。

3.2　定位的誤差分析與補(bǔ)償

由工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)所限，兩個(gè)相機(jī)均不能垂直對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，會(huì)偏離垂直方向45°。相機(jī)視線如圖5所示。工作臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)給相機(jī)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(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間存在一個(gè)角度偏差，此偏差角度影響最終的加工精度，故要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。角度偏差的計(jì)算方法為：首先拍著一幅圖像并在其上設(shè)定基準(zhǔn)MARK；其次把基準(zhǔn)MARK和這幅圖像作對(duì)比，計(jì)算出其匹配中心位置坐標(biāo)（X1，Y1），然后控制平臺(tái)往Y軸正方向移動(dòng)，移動(dòng)盡量遠(yuǎn)的距離以保證計(jì)算精度，但不要移出相機(jī)視場(chǎng)；移動(dòng)后把基準(zhǔn)MARK和圖像做第二次對(duì)比，并記錄此時(shí)的匹配中心位置坐標(biāo)（X2，Y2），則偏差角度A的計(jì)算公式為：

圖3　橫向校準(zhǔn)和切割

圖4　旋轉(zhuǎn)90°后的校準(zhǔn)和切割

圖5　相機(jī)的放置

把此角度考慮在內(nèi)（以逆時(shí)針為正），則此時(shí)的偏移量為：

式中：Dy為考慮角度偏差后實(shí)時(shí)MARK相對(duì)于與基準(zhǔn)MARK的偏移量；W為兩個(gè)相機(jī)的中心距離；A為偏差角度。

3.3　定位計(jì)算

如圖6所示，小孔在左右兩個(gè)相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)相對(duì)于各自視場(chǎng)左上角點(diǎn)的坐標(biāo)分別為:(X1，Y1)，(X2，Y2)。由于相機(jī)經(jīng)過(guò)精確定位，兩相機(jī)位置在X方向上相同?？烧J(rèn)為多層生瓷片在Y方向上的偏差為：|Y1-Y2|。

圖6　多層生瓷片定位示意圖

多層生瓷片偏轉(zhuǎn)角度：

式中：W為兩個(gè)相機(jī)的中心距離，W1為相機(jī)水平方向上視場(chǎng)長(zhǎng)度。

4　結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的誕生和應(yīng)用，極大地解放了人力，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在熱切機(jī)中的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多層生瓷片的高精度快速熱切。

經(jīng)過(guò)客戶超過(guò)1 000個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，熱切機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的對(duì)位精度在±3 μm之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

LTCC正在以飛快的速度應(yīng)用在許多領(lǐng)域，在未來(lái)幾年中將需要大量的LTCC生產(chǎn)線來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的產(chǎn)量要求。

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