DE112004002140T5

DE112004002140T5 - Bestückungsmaschine mit Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE112004002140T5
Application number: DE112004002140T
Authority: DE
Inventors: David D. Lakeland Madsen; Paul R. Bloomington Haugen; Steven K. Minnetonka Case; John D. Victoria Gaida; M. Hope Lakeland Madsen; Thomas W. Marblehead Bushman
Original assignee: Cyberoptics Corp
Current assignee: Cyberoptics Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2007-01-18
Also published as: KR20060116826A; WO2005048677A1; US20050123187A1; JP2007511094A; US7706595B2; JP4426585B2

Abstract

Bestückungsmaschine zum Platzieren eines Bauteils auf einem Werkstück, wobei die Maschine aufweist:
einen Platzierungskopf mit mindestens einer Düse zum lösbaren Halten des Bauteils;
ein Robotersystem zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Platzierungskopf und dem Werkstück;
eine Bildaufnahmeeinrichtung, die derart angeordnet ist, dass sie mehrere Bilder einer Platzierungsstelle des Bauteils aufnimmt; und
eine Bildverarbeitungseinrichtung zum Analysieren der durch die Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Bilder;
wobei durch eine Bildverarbeitungsanalyse mindestens eine Charakteristik der Werkstückbewegung während eines Platzierungszyklus gemessen wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Bestückungsmaschinen werden allgemein zum Herstellen elektronischer Leiterplatten verwendet. Eine unbestückte Leiterplatte wird normalerweise einer Bestückungsmaschine zugeführt, die dann elektronische Bauteile von Bauteilzufuhreinrichtungen aufnimmt und diese Bauteile auf der Leiterplatte platziert. Die Bauteile werden durch Lötpaste oder einen Klebstoff bis zu einem nachfolgenden Schritt, in dem die Lötpaste geschmolzen oder der Klebstoff vollständig ausgehärtet wird, vorübergehend auf der Leiterplatte gehalten.
Der Betrieb einer Bestückungsmaschine stellt eine Herausforderung dar. Weil die Maschinengeschwindigkeit dem Durchsatz entspricht, werden die hergestellten Leiterplatten umso kostengünstiger sein, je schneller die Bestückungsmaschine läuft. Außerdem ist die Platzierungs- oder Positionierungsgenauigkeit äußerst wichtig. Viele elektrische Bauteile, z.B. Chipkondensatoren und Chipwiderstände, sind relativ klein und müssen an entsprechend kleinen Montagepositionen exakt platziert werden. Andere Bauteile weisen, obwohl sie größer sind, eine große Zahl von Anschlüssen oder Leitern auf, die in einem relativ kleinen Abstand voneinander beabstandet sind. Derartige Bauteile müssen ebenfalls exakt platziert werden, um zu gewährleisten, dass jeder Anschluss an einer geeignete Anschlussfläche angeordnet ist. Daher muss die Maschine nicht nur sehr schnell betreibbar sein, sondern sie muss darüber hinaus auch Bauteile sehr präzise platzieren können.
Um die Qualität der Leiterplattenherstellung zu verbessern, werden im Allgemeinen vollständig oder teilweise bestückte Leiterplatten nach einem Platzierungsvorgang (Plat zierungsvorgängen) sowohl vor als auch nach dem Reflow-Lötvorgang geprüft, um Bauteile, die inkorrekt platziert sind oder fehlen, oder jegliche möglichen Fehler zu identifizieren. Automatische Systeme, die einen derartigen Arbeitsschritt (Arbeitsschritte) ausführen, sind sehr nützlich, weil sie dazu beitragen, Bauteilplatzierungsprobleme vor dem Reflow-Lötvorgang zu identifizieren. Dadurch wird eine wesentlich einfachere Überarbeitung und/oder Identifizierung defekter Leiterplatten nach dem Reflow-Lötvorgang ermöglicht, die Kandidaten für eine Überarbeitung sind. Ein Beispiel eines derartigen Systems ist unter der Handelsbezeichnung Model KS Flex von CyberOptics Corporation, Golden Valley, Minnesota erhältlich. Dieses System kann zum Identifizieren von Problemen, wie beispielsweise Ausrichtungs- und Rotationsfehler; fehlende und umgedrehte Bauteile; Billboard-Defekte, Tombstone-Defekte, Bauteildefekte, inkorrekte Polarität und falsche Komponenten, verwendet werden.
Die Identifizierung von Fehlern vor dem Reflow-Lötvorgang bietet mehrere Vorteile. Die Nacharbeitung wird vereinfacht; es wird eine geschlossene prozessgekoppelte Fertigung ermöglicht; und zwischen dem Auftreten und der Beseitigung eines Fehlers werden weniger unfertige Produkte erhalten. Obwohl durch derartige Systeme eine hochgradig zweckmäßige Prüfung ermöglicht wird, ist dafür Fabrikbodenraum sowie Programmierzeit und Wartungsaufwand erforderlich.
Ein relativ neuer Versuch zum Bereitstellen der Vorteile einer Prüfung nach der Bauteilplatzierung innerhalb einer Bestückungsmaschine selbst ist im US-Patent Nr. 6317972 von Asai et al. beschrieben. In diesem Dokument wird ein Verfahren zum Montieren elektrischer Bauteile beschrieben, wobei vor der Bauteilplatzierung ein Bild einer Montagestelle aufgenommen und mit einem Bild der Montagestelle nach der Bauteilplatzierung verglichen wird, um den Platzierungsvorgang auf der Bauteilebene zu prüfen.
Obwohl im Dokument von Asai et al. ein Versuch zum Verwenden einer Prüfung auf Bauteilebene innerhalb der Maschine dargestellt ist, muss noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden. Beispielsweise ist im Dokument von Asai et al. die Aufnahme zweier Bilder, d.h. eines Bildes vor und eines Bildes nach der Bauteilplatzierung, beschrieben, um die Platzierungscharakteristiken oder -merkmale des Bauteils zu bestimmen. Obwohl dieses Verfahren zum Bestimmen des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Bauteils nach der Platzierung geeignet ist, existieren mehrere sehr wichtige Maschinenkenngrößen der Bestückungsmaschine, die Bauteilplatzierungsfehler verursachen können und die in diesem Dokument nicht betrachtet werden.
Ein Hauptfaktor, der zur Qualität der Bauteilplatzierung beiträgt, ist eine Bewegung und die Schwingung des Werkstücks während des Platzierungsvorgangs. Eine derartige Schwingung und/oder Bewegung des Werkstücks kann verursacht werden durch: die Länge der Düse; den vertikalen Bewegungsweg der Düse während des Platzierungszyklus; die Steifigkeit des Werkstücks; und die Position eines Werkstückhalters.
Um die Zuverlässigkeit einer derartigen Prüfung auf Bauteilebene in einer Bestückungsmaschine zu erhöhen, wäre es vorteilhaft, die Effekte derartiger Bewegungen zu eliminieren oder zu minimieren. Durch eine Verminderung der Schwingungs- und/oder Bewegungseffekte könnten Bauteile präziser platziert werden, wodurch eine kosteneffiziente Fertigung ermöglicht oder kleinformatigere Werkstücke und/oder Werkstücke mit höherer Bestückungsdichte verwendet werden könnten. Außerdem können durch Vermindern oder Eliminieren von Bewegungseffekten Bauteile schneller platziert werden, weil die Bestückungsmaschine nicht so viel Zeit zwischen dem Ende einer relativen x-y-Bewegung zwischen der Düse und dem Werkstück und der Platzierung des Bauteils benötigen würde.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Verbesserungen bei der durch Bestückungsmaschinen ausgeführten Prüfung auf Bauteilebene bereitgestellt. Diese Verbesserungen beinhalten das Erfassen und Messen einer Bewegung oder Schwingung des Werkstücks während eines Platzierungszyklus zum Bestimmen der Steifigkeit des Werkstücks und der geeigneten Position von Werkstückhaltern und des Weges, den die Düse während des Platzierungszyklus zurücklegt. Unter Verwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Betrieb der Bestückungsmaschine durch eine Analyse der Werkstückschwingung, einer geeigneten Konstruktion und Positionierung von Leiterplattenhaltemechanismen, einschließlich der Eliminierung von Stiften, der Länge und des Zustands der Platzierungsdüsen und eine Verifizierung der Verwendung des korrekten vertikalen Bewegungsweges der Düsen optimiert oder mindestens verbessert werden.
In einer Ausführungsform werden vor und nach einer Bauteilplatzierung aufgenommene Bilder der Platzierungsstelle miteinander verglichen, um die Bewegung des Werkstücks während des Platzierungszyklus zu bestimmen.
In einer anderen Ausführungsform wird ein unter Verwendung einer langen Belichtungszeit aufgenommenes Bild verwendet, um die Bewegung des Werkstücks während des Platzierungszyklus zu messen. Unter Verwendung eines lang belichteten Bildes wird das Maß der Werkstückbewegung während des Platzierungszyklus durch Messen des Maßes der durch die Leiterplattenbewegung verursachten Bildverzerrung bestimmt.
In einer noch anderen Ausführungsform werden während eines einzelnen Platzierungszyklus mehrere Bilder aufgenommen, und die Bildfolge wird analysiert, um eine Charakteristik des Platzierungsvorgangs zu bestimmen.
In einer weiteren Ausführungsform werden während der Montage mehrerer Werkstücke mehrere Bilder aufgenommen, wobei jedes Bild während des Platzierungszyklus an einer geringfügig verschiedenen Stelle aufgenommen wird. Die mehreren Bilder werden kombiniert, um eine Folge von Bildern zu erzeugen, die einen Film des Platzierungsvorgangs bilden. Unter Verwendung dieser Bildfolge können mehrere Maschineneinstellungsparameter geprüft und eingestellt werden, um den Platzierungsvorgang zu optimieren.
In einer noch anderen Ausführungsform wird die Düse untersucht, um zu bestimmen, ob die Düse geeignet konfiguriert ist. Unter Verwendung dieser Technik werden die Düsenlänge und der durch die Düsenspitze zurückgelegte Weg gemessen, um zu bestimmen, ob die Bestückungsmaschine geeignet eingestellt ist.
Diese und andere Vorteile der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht einer kartesischen Bestückungsmaschine, auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind;
2 zeigt eine schematische Draufsicht einer Revolverkopf-Bestückungsmaschine, auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind;
3 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines mit dem Platzierungspunkt einer Bauteilplatzierungsmaschine ausgerichteten Bilderfassungssystems;
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Bildaufnahmesystems zur Verwendung in Bestückungsmaschinen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
5a zeigt eine schematische Seitenansicht einer Leiterplatte vor einer Bauteilplatzierung;
5b zeigt eine schematische Seitenansicht einer Leiterplatte zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Bauteil mit der Leiterplatte in Kontakt kommt;
5c zeigt eine schematische Seitenansicht einer Leiterplatte zum Darstellen einer Düsenbewegung, durch die das Werkstück nach unten ausgelenkt wird;
5d zeigt eine schematische Seitenansicht einer Leiterplatte, nachdem die Düse zurückgezogen wurde und das Werkstück nach oben zurückgefedert ist;
5e eine zeigt eine schematische Seitenansicht einer Leiterplatte, nachdem das Bauteil platziert ist und das Werkstück in seiner Ausgangs- oder Sollposition zur Ruhe gekommen ist;
6 zeigt einen typischen Plot der relativen vertikalen Bewegung eines Werkstücks während eines Platzierungszyklus;
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Werkstückbewegung während eines Platzierungszyklus;
8 zeigt eine schematische Ansicht eines durch die Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenen Bildes vor (8a) und nach (8b) der Platzierung eines Bauteils auf dem Werkstück;
9 zeigt eine schematische Ansicht des durch die Bildaufnahmevorrichtung während eines Platzierungszyklus unter Verwendung einer langen Belichtungszeit aufgenommenen Bildes; und
10a–10h zeigen schematische Ansichten einer Folge von Bildern zum Darstellen des Platzierungszyklus, die unter Verwendung der Bildaufnahmevorrichtung während der Montage mehrerer Werkstücke aufgenommen wurden.
Ausführliche Beschreibung exemplarischer Ausführungsformen
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Allgemeinen der Bewegungsweg einer Platzierungsdüse einer Bestückungsmaschine und die Bewegungscharakteristik des Werkstücks während des Platzierungsprozesses gemessen. Weil das Bauteil auf dem Werkstück mit einer gewissen Kraft platziert wird, um eine geeignete Anhaftung am Werkstück zu gewährleisten, tritt während des Platzierungszyklus erwartungsgemäß eine gewisse Auslenkung des Werkstücks auf. Die Platzierungskraft wird derart eingestellt, dass gewährleistet ist, dass das Bauteil in der Lötpaste oder im Klebstoff sicher platziert wird. Die Platzierungskraft wird gemäß mehreren Kenngrößen eingestellt, z.B. gemäß der Auswahl der Federspannung in der Düse, der Länge der Düse und dem Maß des zusätzlichen Hubwegs der Düse in die Leiterplatte, der Steifigkeit und dem Design der Leiterplatte und der Position der Leiterplattenhaltemechanismen. Durch eine geeignete Einstellung dieser Kenngrößen und Parameter können Platzierungen mit hoher Qualität auf dem Werkstück gewährleistet werden. Um diese Parameter geeignet einzustellen, ist ein Verfahren zum Messen der Werkstückbewegung und des Düsenbewegungsweges erforderlich.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer exemplarischen kartesischen Bestückungsmaschine 201, auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind. Die Bestückungsmaschine 201 empfängt ein Werkstück, z.B. eine Leiterplatte 203, über ein Transportsystem oder ein Förderband 202. Ein Platzierungskopf 206 erhält dann ein oder mehrere auf dem Werkstück 203 zu montierende elektrische Bauteile von (nicht dargestellten) Bauteilzufuhreinrichtungen und führt eine Relativbewegung bezüglich des Werkstücks in der x-, y- und z-Richtung aus, um das Bauteil mit der geeigneten Ausrichtung an der geeigneten Stelle auf dem Werkstück 203 zu platzieren. Der Platzierungskopf 206 kann einen Ausrichtungssensor 200 aufweisen, der sich unter durch Düsen 210 gehaltene Bauteile bewegen kann, wenn der Platzierungskopf 206 das Bauteil(e) von Aufnahmepositionen zu Platzierungsstellen bewegt. Der Sensor 200 ermöglicht es einer Platzierungsmaschine 201, die Unteransichten von durch die Düsen 210 gehaltenen Bauteilen zu betrachten, so dass die Bauteilausrichtung und in gewissem Grad auch eine Bauteilprüfung ausgeführt werden können, während das Bauteil von der Bauteilaufnahmeposition zur Platzierungsstelle bewegt wird. Andere Bestückungsmaschinen können einen Platzierungskopf verwenden, der sich über eine stationäre Kamera bewegt, um das Bauteil abzubilden. Der Platzierungskopf 206 kann außerdem eine nach unten blickende Kamera 209 aufweisen, die im Allgemeinen zum Lokalisieren von Vergleichsmarkierungen auf dem Werkstück 203 verwendet wird, so dass die Relativposition des Platzierungskopfes 206 bezüglich des Werkstücks 203 leicht berechnet werden kann.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer exemplarischen Revolverkopf-Bestückungsmaschine 10, auf die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anwendbar sind. Die Maschine 10 weist einige Komponenten auf, die denjenigen der Maschine 201 ähnlich sind, und ähnliche Komponenten sind durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet. Für die Revolverkopf-Bestückungsmaschine 10 wird das Werkstück 203 über eine Transporteinrichtung auf einem (nicht dargestellten) x-y-Tisch angeordnet. Platzierungsdüsen 210 sind am Hauptrevolverkopf 20 montiert und in regelmäßigen Winkelabständen um den sich drehenden Revolverkopf angeordnet. Während jedes Bestückungszyklus bewegt sich der Revolverkopf um einen dem Winkelabstand zwischen benachbarten Platzierungsdüsen 210 entsprechenden Winkelabstand schrittweise weiter. Nachdem der Revolverkopf sich in Position gedreht hat und das Werkstück 203 durch den x-y-Tisch positioniert ist, empfängt eine Platzierungsdüse 210 ein Bauteil (in 2 nicht dargestellt) von einer Bauteilzufuhreinrichtung 14 an einem definierten Aufnahmepunkt 16. Während des gleichen Intervalls platziert eine andere Düse 210 ein Bauteil auf dem Werkstück 203 an einer vorprogrammierten Platzierungsstelle 106. Außerdem erfasst eine nach oben blickende Kamera 30, während der Revolverkopf 20 für den Bestückungsvorgang pausiert, ein Bild eines anderen Bauteils, wodurch Ausrichtungsinformation für dieses Bauteil bereitgestellt wird. Diese Ausrichtungsinformation wird durch die Bestückungsmaschine 10 verwendet, um das Werkstück 203 zu positionieren, wenn die entsprechende Platzierungsdüse mehrere Schritte später positioniert wird, um das Bauteil zu platzieren. Nach Abschluss des Platzierungszyklus bewegt sich der Revolverkopf 20 zur nächsten Winkelposition, und das Werkstück 203 wird in der x-y-Richtung umpositioniert, um die Platzierungsstelle zu einer der Platzierungsstelle 106 entsprechenden Position zu bewegen.
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Platzierungskopfes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt eine Bildaufnahmeeinrichtung 100, die derart angeordnet ist, dass sie Bilder der Platzierungsstelle 106 des Bauteils 104 aufnimmt, bevor und nachdem das Bauteil 104 durch die Düse 210 an der Stelle 106 angeordnet wurde. Die Einrichtung 100 nimmt Bilder der Platzierungsstelle 106 auf dem Werkstück vor der Platzierung des Bauteils 104 und dann kurz danach auf. Ein Vergleich dieser vor und nach der Platzierung aufgenommenen Bilder ermöglicht eine Platzierungsprüfung und -verifizierung auf Bauteilebene. Außerdem wird auch der Umgebungsbereich der Bauteilplatzierungsstelle 106 abgebildet. Weil die Aufnahme der Bilder der Platzierungsstelle im Allgemeinen ausgeführt wird, wenn die Düse, z.B. die Düse 210, das Bauteil 104 über der Platzierungsstelle hält, ist es, um die Platzierungsstelle 106 geeignet aufnehmen zu können, wichtig, Störungen vom Bauteil selbst oder von benachbarten Bauteilen, die bereits auf dem Werkstück montiert sind, zu minimieren oder zu reduzieren. Daher ist es bevorzugt, wenn die Einrichtung 100 eine optische Achse verwendet, die Ansichten ermöglicht, die bezüglich der Ebene des Werkstücks 203 unter einem Winkel θ geneigt sind. Außerdem muss das Bildaufnahmeintervall präzise zeitgesteuert werden, so dass das Werkstück 203 und die Platzierungsdüse 210 relativ zueinander ausgerichtet sind und das Bauteil ausreichend hoch über dem Werkstück 203 angeordnet ist, um das Werkstück 203 von den Kamerawinkeln betrachten zu können. Nachdem das Bauteil 104 platziert ist, muss das zweite Bild geeignet zeitgesteuert werden, um ein Bild zu einem vorgewählten Zeitpunkt während des Platzierungszyklus aufzunehmen. Ein Verfahren zum präzisen zeitlichen Steuern der Aufnahmen dieser beiden Bilder ist in einer mitanhängigen Patentanmeldung mit der Seriennummer 10/xxxxxx, eingereicht am ------- mit dem Titel "Pick and Place Machine with Improved Component Placement Inspection" beschrieben.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Bildaufnahmesystems zur Verwendung in Bestückungsmaschinen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Bildaufnahmesystem 400 weist eine Bildverarbeitungseinrichtung 402 und eine Bildaufnahmeeinrichtung 100 auf. Die Bildverarbeitungseinrichtung 402 kann eine beliebige geeignete Recheneinrichtung sein, z.B. ein Mikroprozessor, ein Personalcomputer, ein verteiltes Rechensystem oder eine beliebige andere geeignete Einrichtung, die die Bilddaten von der Bildaufnahmeeinrichtung 100 verarbeiten kann. Die Bildverarbeitungseinrichtung 402 kann im gleichen Gehäuse angeordnet sein wie die Bildaufnahmeeinrichtung 100, oder die Bildver arbeitungseinrichtung 402 kann abgesetzt von der Bildaufnahmeeinrichtung 100 angeordnet sein. Das Bildaufnahmesystem 400 weist außerdem optional eine mit der Bildverarbeitungseinrichtung 402 verbundene Beleuchtungseinrichtung 110 auf. In Ausführungsformen, in denen die Umgebungsbeleuchtung für eine effektive Bildaufnahme ausreichend ist, kann die Beleuchtungseinrichtung 110 weggelassen werden. Durch die Verwendung der Beleuchtungseinrichtung, die vorzugsweise mit der Bildverarbeitungseinrichtung 402 verbunden ist, wird jedoch ermöglicht, die Beleuchtungszeit sowie den Bildaufnahmezeitpunkt zu steuern. Dadurch können im wesentlichen "eingefrorene" Bilder aufgenommen werden, weil die Beleuchtungseinrichtung stroboskopisch betreibbar ist.
Durch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Allgemeinen zwei oder mehr aufeinanderfolgende Bilder der vorgesehenen Platzierungsstelle erhalten (d.h. vor und nach der Bauteilplatzierung). Weil der Platzierungsvorgang relativ schnell erfolgt, und weil eine Verlangsamung des Maschinendurchsatzes äußerst unerwünscht ist, ist es manchmal erforderlich, zwei aufeinanderfolgende Bilder sehr schnell aufzunehmen, weil eine Unterbrechung der Relativbewegung zwischen dem Platzierungskopf und der Leiterplatte sehr rasch erfolgt. Beispielsweise kann es notwendig sein, zwei Bilder innerhalb einer Zeitdauer von etwa 10 ms aufzunehmen.
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung kann eine schnelle Aufnahme mehrerer aufeinanderfolgender Bilder auf verschiedene Weisen erfolgen. Eine Weise ist die Verwendung herkömmlich erhältlicher CCD-Vorrichtungen und deren Betrieb auf eine nicht standardmäßige Weise zum Aufnehmen von Bildern mit einer Geschwindigkeit, die höher ist als die Geschwindigkeit zum Auslesen der Bilddaten von der Vorrichtung. Weitere Details bezüglich dieser Bildaufnahmetechnik können im US-Patent Nr. 6549647 gefunden werden, das den gleichen Anmelder wie die gegenwärtige Erfindung hat. Eine noch andere Weise zum schnellen Aufnehmen mehrerer aufeinanderfolgender Bilder besteht in der Verwendung mehrerer CCD-Arrays, die derart angeordnet sind, dass die vorgesehene Platzierungsstelle durch eine gemeinsame Optik betrachtet wird.
Während des Platzierungsvorgangs wird das Bauteil 104 mit einer Kraft nach unten auf das Werkstück 203 gedrückt, die ausreichend ist, um eine geeignete Anhaftung am Werkstück 203 zu gewährleisten. Typischerweise wird Lötpaste oder ein Klebstoff auf die Platzierungsstelle 106 aufgebracht, bevor das Bauteil platziert wird, um die Anhaftung des Bauteils 104 am Werkstück 203 bereitzustellen. 5 zeigt den Platzierungszyklus in einer Seitenansicht. In 5a wird das Bauteil 104 in Ausrichtung mit dem Werkstück 203 bewegt, das durch eine Werkstücktransporteinrichtung 202 und einen Werkstückklemmmechanismus 204 in Position gehalten wird. In 5b bewegt ein Vertikalbewegungsmechanismus 215 des Platzierungskopfes 206 die Düse 210 nach unten, bis das Bauteil 104 das Werkstück 203 gerade berührt. Um eine geeignete Anhaftung am Werkstück 203 zu gewährleisten, wird das Bauteil 104 weiter nach unten auf das Werkstück 203 gedrückt, wodurch veranlasst wird, dass das Werkstück 203 nach unten ausgelenkt wird, wie in 5c dargestellt ist. Wenn die Düse 210 zurückgezogen wird, federt das Werkstück 203 typischerweise zurück und schwingt um seine Ausgangs- oder Sollposition, wie in 5d dargestellt ist. Schließlich wird die Werkstückbewegung gedämpft, und das Werkstück kommt in seiner Ausgangs- oder Sollposition zur Ruhe, wie in 5e dargestellt ist. Der Graph in 6 zeigt die Position des Werkstücks während des Platzierungszyklus. Bevor das Bauteil 104 das Werkstück 203 berührt, führt das Werkstück 203 nur eine geringfügige Vertikalbewegung 230 aus. Am Punkt 231 in 6 hat die Platzierungsdüse den vollen Hub ihrer Vertikalbewegung erreicht, wodurch das Werkstück 203 zu seinem tiefsten Punkt seines Bewegungsprofils gedrückt wird. Nachdem die Düse 210 zurückgezogen wurde, federt das Werkstück 203 zurück, bis es sich zu seinem höchsten Punkt 232 bewegt hat. Nach einiger Zeit ist die Bewegung derart ausgedämpft, dass das Werkstück in seine Ausgangs- oder Sollposition 233 zurückkehrt. Um die Qualität des Platzierungsvorgangs zu optimieren, sollte das Maß der Bewegung des Werk stücks 203 minimiert werden, während weiterhin eine ausreichende abwärts gerichtete Kraft bereitgestellt wird, um zu gewährleisten, dass das Bauteil 104 geeignet am Werkstück 203 anhaftet.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Arbeitsablaufs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In Block 371 erwartet ein Bildaufnahmesystem 100 ein Triggersignal, das unmittelbar vor der Bauteilplatzierung erzeugt wird. Nachdem das Triggersignal erzeugt wurde, nimmt das Bildaufnahmesystem 100 ein erstes Bild 372 auf. Nachdem das Bauteil 104 platziert wurde, wie in Block 373 dargestellt ist, wird das Bildaufnahmesystem 100 erneut getriggert, um ein zweites Bild aufzunehmen, wie in den Blöcken 374, 375 dargestellt ist. Nachdem die Bilder vor und nach der Bauteilplatzierung aufgenommen worden sind, werden Segmente der Bilder definiert und extrahiert, die keinen Bauteilplatzierungsbereich 106 und kein Bauteil 104 enthalten. Gemeinsame Segmente jedes der Bilder, die vor und nach der Bauteilplatzierung aufgenommen wurden, werden miteinander verglichen, um Änderungen in der Position des Werkstücks 203 zwischen den vor und nach der Bauteilplatzierung aufgenommenen Bildern zu erfassen. Weil das Bildaufnahmesystem 100 unter einem Winkel θ bezüglich des Werkstücks 203 angeordnet ist, wird durch jegliche Vertikalbewegung des Werkstücks 203 veranlasst, dass das Bild des Werkstücks 203 sich in den Bildern verschiebt. Eine herkömmliche Bildverarbeitungsfunktion, die diesen Vergleich ausführen kann, ist als Bildkorrelation bekannt, wobei die Position des Korrelationspeaks ein Maß für die Werkstückbewegung ist.
8 zeigt ein Beispiel der vorstehend beschriebenen Bildsegmentierung. 8a zeigt ein Beispiel eines vor der Bauteilplatzierung aufgenommenen Bildes 121, und 8b zeigt ein Beispiel eines nach der Bauteilplatzierung aufgenommenen Bildes 122. In jedem Bild ist mindestens ein Segment zum Verarbeiten der Werkstückbewegung definiert. Diese Segmente sind derart definiert, dass sie Information über das Werkstück, aber keine Information über den Bauteilplat zierungsbereich 106 enthalten. 8 zeigt zwei Segmente 123, 124 des Bildes 121 vor der Bauteilplatzierung und zwei entsprechende Segmente des Bildes 122 nach der Bauteilplatzierung. Zum Bestimmen der Bewegung des Werkstücks während des Platzierungszyklus wird das Segment 123 mit dem Segment 125 verglichen, und das Segment 124 wird mit dem Segment 126 verglichen, um die Relativbewegung des Werkstücks 203 zu bestimmen. Der Vergleich wird ausgeführt durch Korrelieren der beiden Bilder unter Verwendung eines beliebigen allgemeinen Bildverarbeitungsalgorithmus zum Vergleichen von Merkmalpositionen zwischen den beiden Bildern.
Durch zwei Bilder kann gewisse Information über die Schwingung des Werkstücks bereitgestellt werden. Wenn die Resonanzfrequenz des Werkstücks nicht bekannt ist, oder wenn das zweite Bild nicht während eines Spitzenwertes 231 der Leiterplattenauslenkung aufgenommen wird, kann aus den beiden Bildern jedoch nicht die maximale Auslenkung ermittelt werden, die das Werkstück während des Platzierungszyklus erfährt. Um zu gewährleisten, dass die maximale Auslenkung gemessen wird, kann eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. In dieser Ausführungsform wird das zweite Bild unter Verwendung einer bezüglich der Resonanzfrequenz des Werkstücks langen Belichtungszeit aufgenommen. Das durch die lange Belichtungszeit erhaltene Bild ist in 9 schematisch dargestellt. Durch Analysieren der Länge der Unschärfe bzw. der Verzerrung in den Bildern kann das Maß der Werkstückbewegung gemessen werden. Durch Korrelation des zuerst aufgenommenen Bildes mit dem verzerrten Bild kann die Länge der Verzerrung bestimmt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden während des Platzierungszyklus drei oder mehr Bilder aufgenommen, um das Bewegungsprofil wie in 10 dargestellt eindeutig zu erfassen. Mehrere Bilder wie die in 10 dargestellten Bilder können unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeitsbildaufnahmevorrichtung während eines Zyklus oder über einen sich über die Montage mehrerer Werkstücke erstreckenden Zeitraum aufgenommen werden. Unter der Voraussetzung, dass die Montagebedingungen von einem Werkstück zu einem anderen relativ stabil sind und Bilder an voneinander geringfügig verschiedenen Triggerpunkten für jedes Werkstück aufgenommen werden, wird eine Folge von Bildern zusammengesetzt, die einen vollständigen Platzierungszyklus darstellen. Um eine Bewegung zu erfassen, werden Segmente jedes der Bilder mit dem ersten Bild verglichen, um die Relativbewegung in jedem Bild zu bestimmen. Unter Verwendung mehrerer Bewegungsmessungen kann das Bewegungsprofil des Werkstücks während des Platzierungszyklus eindeutig ermittelt werden.
Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die gleichen Bilder zum Bestimmen der Länge der Düse und des programmierten Vertikalhubs der zum Platzieren des Bauteils verwendeten Düse verwendet. In dieser Ausführungsform werden die während des Platzierungsvorgangs aufgenommenen Bilder verglichen, um die Position der Düse am entferntesten Punkt ihrer Bewegung zu messen. Durch Messen der Position der Düse am entferntesten Punkt ihrer Bewegung können durch Düsenprobleme verursachte Platzierungsdefekte erfasst werden. Derartige Probleme sind beispielsweise verbogene Düsen, inkorrekte Düsenlängen, Kräfte, die während der Platzierung auf das Bauteil ausgeübt werden (wobei vorausgesetzt wird, dass die elastische Federkraft der Düse bekannt ist), und inkorrekte Programmierung.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist für Fachleute ersichtlich, dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Änderungen in den Ausführungsformen und im Detail vorgenommen werden können.
Zusammenfassung
Bestückungsmaschine mit Bildaufnahmevorrichtung
Durch die vorliegende Erfindung werden Verbesserungen einer durch Bestückungsmaschinen (201, 10) ausgeführten Prüfung auf Bauteilebene bereitgestellt. Derartige Verbesserungen beinhalten die Messung der Bewegung einer Platzierungsdüse (210) einer Bestückungsmaschine und die Bewegungscharakteristik des Werkstücks (203) während des Platzierungsvorgangs. Weil das Bauteil (104) mit einer gewissen Kraft auf dem Werkstück (203) platziert wird, um eine geeignete Anhaftung am Werkstück (203) zu gewährleisten, tritt während des Platzierungszyklus eine gewisse Auslenkung des Werkstücks (203) auf. Die Platzierungskraft wird eingestellt, um zu gewährleisten, dass das Bauteil (104) sicher in einer Lötpaste oder in einem Klebstoff platziert wird. Die Platzierungskraft wird gemäß mehreren Charakteristiken eingestellt, z.B. gemäß der Auswahl der Federspannung in der Düse (210); der Länge der Düse (210) und dem Maß der zusätzlichen Bewegung in die Leiterplatte (203); der Steifigkeit und dem Design der Leiterplatte (203) und der Position des Leiterplattenhaltemechanismus (202, 204). Durch eine geeignete Einstellung dieser Charakteristiken und Parameter können Platzierungen mit hoher Qualität auf dem Werkstück (203) gewährleistet werden. Um diese Parameter geeignet einzustellen, wird ein Verfahren zum Messen der Bewegung des Werkstücks (203) und der Düse (210) bereitgestellt.

Claims

Bestückungsmaschine zum Platzieren eines Bauteils auf einem Werkstück, wobei die Maschine aufweist: einen Platzierungskopf mit mindestens einer Düse zum lösbaren Halten des Bauteils; ein Robotersystem zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Platzierungskopf und dem Werkstück; eine Bildaufnahmeeinrichtung, die derart angeordnet ist, dass sie mehrere Bilder einer Platzierungsstelle des Bauteils aufnimmt; und eine Bildverarbeitungseinrichtung zum Analysieren der durch die Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Bilder; wobei durch eine Bildverarbeitungsanalyse mindestens eine Charakteristik der Werkstückbewegung während eines Platzierungszyklus gemessen wird.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Werkstückbewegung eine Vertikalbewegung ist.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 2, wobei die Bildverarbeitungseinrichtung die Vertikalbewegung durch Anwenden einer Bildkorrelation auf die mehreren Bilder mißt.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 3, wobei die Werkstückbewegung durch eine Position eines Korrelationspeaks angezeigt wird.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Bestückungsmaschine eine kartesische Bestückungsmaschine ist.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 1, wobei die Bestückungsmaschine eine Revolverkopf-Bestückungsmaschine ist.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der mehreren Bilder ein verzerrtes Bild ist, das unter Verwendung einer Belichtungszeit aufgenommen wird, die länger ist als eine Periode einer Resonanzfrequenz des Werkstücks.
Bestückungsmaschine nach Anspruch 7, wobei die gemessene Bewegung eine Funktion einer Verzerrungslänge im verzerrten Bild ist.
Bildaufnahmesystem zur Verwendung in einer Bestückungsmaschine, wobei das System aufweist: eine Bildaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines Bildes eines Werkstücks an einer vorgesehenen Platzierungsstelle; und eine mit der Bildaufnahmeeinrichtung betrieblich verbundene Bildverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des Bildes der Platzierungsstelle; wobei die Bildverarbeitungseinrichtung mindestens eine Charakteristik der Bewegung des Werkstücks während eines Platzierungszyklus bestimmt.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 9, wobei die Werkstückbewegung eine vertikale Bewegung ist.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 10, wobei die Bildverarbeitungseinrichtung die vertikale Bewegung durch Anwenden einer Bildkorrelation auf die mehreren Bilder misst.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 11, wobei die Werkstückbewegung durch eine Position eines Korrelationspeaks angezeigt wird.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 9, wobei mindestens eines der mehreren Bilder ein verzerrtes Bild ist, das unter Verwendung einer Belichtungszeit aufgenommen wird, die länger ist als eine Periode einer Resonanzfrequenz des Werkstücks.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 13, wobei die gemessene Bewegung eine Funktion einer Verzerrungslänge im verzerrten Bild ist.
Bildaufnahmesystem zur Verwendung in einer Bestückungsmaschine, wobei das System aufweist: eine Bildaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines Bildes eines Werkstücks an einer vorgesehenen Platzierungsstelle; und eine Bildverarbeitungseinrichtung, die dazu geeignet ist, das Bild der Platzierungsstelle zu verarbeiten; wobei die Bildverarbeitungseinrichtung mindestens eine Charakteristik einer Platzierungsdüse während eines Platzierungszyklus bestimmt.
Bildaufnahmesystem nach Anspruch 15, wobei die mindestens eine Charakteristik eine Position der Platzierungsdüse bei ihrem maximalen Abwärtshub ist.
Verfahren zum Erfassen einer Bewegung eines Werkstücks während eines Bestückungsvorgangs, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen einer Position des Werkstücks vor der Platzierung eines Bauteils; Erfassen der Position des Werkstücks mindestens einmal nach der Platzierung des Bauteils; und Vergleichen der Position des Werkstücks vor und nach der Platzierung zum Bestimmen der durch den Platzierungsvorgang verursachten Bewegung des Werkstücks.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner mit den Schritten: Erfassen einer Bewegungsverzerrung mindestens eines Bildes des Werkstücks; und Erfassen des Maßes der Bewegung basierend auf dem Maß der erfassten Verzerrung.
Verfahren zum Erfassen einer Position einer Platzierungsdüse während eines Bestückungsvorgangs, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen einer Position des Werkstücks vor der Platzierung eines Bauteils; Erfassen der Position des Werkstücks mindestens einmal nach der Platzierung des Bauteils; und Vergleichen einer Position der Düsenspitze bei ihrem maximalen Hub zum Bestimmen einer korrekten Position der Düse.
Verfahren zum Erfassen einer Position einer Platzierungsdüse während eines Bestückungsvorgangs, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen einer Position eines Werkstücks vor der Platzierung eines Bauteils; Erfassen der Position des Werkstücks mindestens einmal nach der Platzierung des Bauteils; und Vergleichen einer Position der Platzierungsdüsenspitze bei ihrem maximalen Hub zum Bestimmen einer durch die Düsenspitze auf das Bauteil ausgeübten Kraft.