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機器人在各行業的應用
 
視覺係統將以次微米公差檢測 MEMS 的時間縮短了 90%

     微機電係統 (MEMS) 需要固定在達到次微米公差的塑料外殼內,從而校準晶片上的機器元件並連接外殼上的元件。使用顯微鏡的傳統人工檢測要花超過 5 分鍾的時間,並且無法在此應用中始終如一地保持所需的公差。位於美國俄勒岡州波特蘭市的 DWFritz Automation 公司研發了一種 MEMS 零件檢測工具,即使用兩個康耐視 CDC-200 攝像頭和一個康耐視 MVS-8100 板卡對全部 9 個生產步驟進行 500 多次測試,每個步驟的周期不超過 30 秒。檢測過程包括裝載、卸載和移動零件。這種自動化的視覺檢測係統可以保持所需的次微米公差,而係統的靈活性還可方便地滿足設計變更和改進的需要。

富有挑戰的檢測需求

家消費電子產品製造商最近引進了一款采用MEMS發揮獨特性能的新型產品。在複雜生產過程的各個階段,MEMS設備都需要極其精密的流程檢測。MEMS通常采用人工檢測,但由於這種應用的產量大,需要大約15名檢測員共同操作。另外一項困難是檢測員不可能穩定連貫地執行這種應用所需的精密測量。製造商擔心采用人工檢測會導致產品在使用中發生故障,從而影響產品的聲譽。但是,這種應用要實現自動化操作非常複雜,因為塑料外殼的柔韌性使其很難反複固定。

這家消費電子產品製造商與DWFritz Automation合作開發出一款自動化精密檢測係統,可以用比檢測員高15倍的速度連貫執行重複檢測。DWFritz擅長利用智能機器視覺、先進機器人和微米級精密技術,設計和建造精密的定製化“交鑰匙”自動化係統。這些係統通常在生產操作之後執行檢測,馬上發現流程中出現的問題,避免在不符合規格要求的總成上浪費更多資源。

測量總成特征點
元件被手動加載到Primatics 0.02-微米X-Y台上安裝的定製槽中。使用自定義計算機觸摸屏和標準計算機鍵盤,操作員可選擇一種方法並激活周期開始命令。在槽移動至檢測區域後,會通過機載的條形碼讀取器自動捕捉零件識別信息。使用配備低分辨率鏡頭的康耐視CDC-200相機檢測總成中特征點的位置。另一台配備高分辨率鏡頭的CDC-200相機可精密測量這些特征點。光幕可確保操作員的安全,如果在機器運行時任何物體穿破光幕,將立即停止所有機器。

康耐視CDC係列相機采用CMOS有源像素傳感器技術將光能直接轉換為數字圖像數據。相機將圖像數據轉換為數字流,根據康耐視CogLink相機通信協議分割為數據包,然後將數字流通過CogLink高速串行總線發送至康耐視MVS-8100D板卡。MVS-8100D重新組合圖像數據數據包,向在主機上運行的康耐視軟件提供捕捉到的相機圖像。CDC-200相機可在高達26 Hz的幀頻下捕捉最高達1280x1024像素的圖像並使用全域快門。

CDC-200相機設計用於康耐視MVS-8100D板卡。8100D配備經過考驗的完整視覺軟件工具庫,包括行業領先的康耐視PatMax®技術,無論角度、比例或外觀如何變化,均可準確定位物體。8100D可在單、雙和三通道配置中使用,能實現最多三台相機的任意組合互換,從而無需為不同類型的相機購買多個板卡。異步采集支持功能可實現各相機分別獨立地接受觸發信號並采集圖像。

一項難題是重複固定外殼由可變形塑料製成的零件。DWFritz采用六點運動限製固定技術和高重複性低摩擦夾持力技術研發出一種精密的機械設計。零件被置於真空床上,吸附在三個碳化物支撐球上,以保持平穩的平麵。零件兩側的對位銷可限製X軸的運動。然後,低摩擦滑動總成上的滑塊與零件的凹槽齧合並施力,使零件抵住夾具的背麵,以便在X軸固定零件。用力很小,防止塑料永久變形,並且力度可重複,避免了彈性變形導致的誤差。零件可從夾具中取出、更換並可再次測量,重複精度達到驚人的0.2微米。

檢驗粘合劑

總成包含一個粘貼在陶瓷底物(安裝在塑料外殼上)的方形芯片塊。而外殼上也粘貼有一個柔性電路。在粘貼芯片塊之前,下一項檢測檢驗並測量了陶瓷上的粘合劑。由於不需要高精度測量,采用低分辨率相機對粘合劑進行檢測。康耐視VisionPro® tool library 配備的數百個尋線器和卡鉗功能被用於測量底物上的粘合劑量,以確保符合規格要求。

無論圖像背景中是否存在噪點,均采用VisionPro卡鉗工具尋找邊緣或邊緣對。視覺檢測僅需幾秒鍾就可完成。30秒周期中的剩餘時間被用於加載、移動和卸載零件。

尋找芯片塊基點
底物粘合劑通過檢測後,將方形芯片塊放到底物上。Primatics台將基點逐個移動到第二台高分辨率相機的圖像中央。采用VisionPro PatMax工具,使用低分辨率相機在芯片塊上找到基點。無論流程變化、反射表麵、部分閉合、光線的非線性變化或成像不均勻而導致零件外觀發生任何變化,PatMax均可非常精確地定位物體。

然後,高分辨率相機捕捉圖像,用於確定基點偏差和旋轉量的亞微米級公差(根據國家標準與技術協會(NIST)測得的金標)。由負責控製檢測設備的軟件對比偏差值和公差,以判斷總成是否通過檢測。按照夾具來校準視覺係統。Galil運動控製器操縱工作台,使視覺係統能看到所有基點。然後由激光移位傳感器測量芯片塊的高度。傳感器具備0.01 微米的分辨率、±0.03%的精確度和50 kHz 的采樣速度。

檢測柔性電路的基點
生產流程的下一步是在底物上安裝柔性電路。借助柔性電路,可以將電路板製成所需的形狀,並使用用於剛性印刷電路板的相同元件來生產。柔性電路基點的檢測方法與MEMS芯片塊完全相同。柔性電路檢測完成後,下一步是在柔性電路和MEMS芯片塊之間連接導線。然後將導線束進行封裝。然後,按照在第一個檢測步驟中測量粘合劑的相同方式再次對總成進行檢測,以測量封裝情況。

精密檢測設備可在九個不同的流程步驟中完成超過500次測量,速率可達每小時120個零件,僅需一名操作員即可完成全部檢測。運動夾具可在拆卸和更換零件時保證高於0.2微米的重複精度。檢測係統測量相同零件上的大、小特征點,並將高、低分辨率相機的測量結果關聯起來。康耐視相機和板卡可提供所需的高分辨率,以確保交付給客戶的所有設備均滿足亞微米公差。

“如果製造商被迫采用人工檢測方法,那麽就沒有理由將這種產品推向市場,”DWFritz營銷與業務總監John Watt說。“精密夾具、高分辨率相機和強大視覺工具的組合使得迅速檢測零件成為可能, 從而獲得滿足最高品質標準的成功產品。”


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