趙忠志 張奇巍

摘要：熱切工藝在LTCG （Low Temperature Go-fired Ceramic）產(chǎn)品加工過(guò)程中起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的熱切機(jī)都是手動(dòng)上下料，生產(chǎn)效率較低，不能滿足企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。針對(duì)以往熱切機(jī)效率低下的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一款能夠自動(dòng)上下料的全自動(dòng)熱切機(jī)，具有深遠(yuǎn)的市場(chǎng)意義。在傳統(tǒng)半自動(dòng)熱切機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)自動(dòng)上下料組件、定位預(yù)熱組件、熱切組件等機(jī)構(gòu)，并配備視覺(jué)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等軟件，完成LTCC產(chǎn)品的全自動(dòng)熱切，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。

關(guān)鍵詞：TB472 ;熱切機(jī);自動(dòng);視覺(jué)系統(tǒng);運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0143-02

LTCC （Low Temperature Co-fired Ceramic）技術(shù)是于 1982年休斯公司開(kāi)發(fā)的新型材料技術(shù)，是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)被動(dòng)組件埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用銀、銅、金等金屬，在900°C下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無(wú)源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無(wú)源/有源集成的功能模塊，可進(jìn)一步將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通訊用組件。LTCC產(chǎn)品加工工序流程包含：流延、裁片、沖孔、填孔及印刷、疊片、靜壓、熱切、燒結(jié)、裂片等。

熱切工序是對(duì)層壓后的生瓷片進(jìn)行熱切，將產(chǎn)品切割成型，在LTCC加工工序中起著關(guān)鍵性作用。傳統(tǒng)的熱切機(jī)都是手動(dòng)上下料，生產(chǎn)效率較低，不能滿足企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。開(kāi)發(fā)出一款能夠自動(dòng)上下料的全自動(dòng)熱切機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)上下料組件

自動(dòng)上下料組件主要由升降機(jī)構(gòu)、上料傳輸機(jī)構(gòu)、下料傳輸機(jī)構(gòu)以及料盒機(jī)構(gòu)組成，可為熱切組件上料，待產(chǎn)品加工完成后，將產(chǎn)品取走。

工作原理：料盒機(jī)構(gòu)可進(jìn)行水平方向的推拉。當(dāng)操作人員需要放置待加工料片時(shí)，將料盒機(jī)構(gòu)的托料盤(pán)拉出，在托料盤(pán)上放置若干料片，再推回料盒機(jī)構(gòu)內(nèi)部，按下固定按鈕進(jìn)行固定。升降機(jī)構(gòu)可進(jìn)行垂直方向的運(yùn)動(dòng)。托盤(pán)上有產(chǎn)品時(shí)，則上升到指定位置。如果托盤(pán)上沒(méi)有產(chǎn)品，則退回到原點(diǎn)。上料傳輸機(jī)構(gòu)上的升降氣缸下降，真空吸盤(pán)產(chǎn)生負(fù)壓后吸附料片，同時(shí)對(duì)料片進(jìn)行加熱。電缸負(fù)責(zé)將料片傳輸至工作平臺(tái)。產(chǎn)品在工作臺(tái)被切割完成后，再由下料傳輸機(jī)構(gòu)將料片傳輸至下料料盒機(jī)構(gòu)。

1.2 定位預(yù)熱組件

定位預(yù)熱組件主要由預(yù)熱吸附板、定位氣缸、傾斜氣缸以及移動(dòng)模組構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的初定位。

定位預(yù)熱組件的原理是利用產(chǎn)品自身的重力往斜下方滑動(dòng)，再由定位組件加以固定，完成生瓷片產(chǎn)品的初定位。移動(dòng)模組移動(dòng)至相應(yīng)的位置，自動(dòng)上料組件將料片吸附至預(yù)熱吸附板上，定位氣缸收縮，然后傾斜氣缸收縮，預(yù)熱吸附板吹氣將料片與吸附板分離，依靠重力貼靠至定位氣缸，進(jìn)行定位，然后預(yù)熱吸附板將料片真空吸附，同時(shí)傾斜氣缸伸長(zhǎng)，定位氣缸伸出，等待自動(dòng)上料組件將產(chǎn)品傳輸至工作臺(tái)進(jìn)行加工。

1.3 熱切組件

熱切組件主要由工作平臺(tái)、視覺(jué)組件、刀架組件以及清掃組件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高精度熱切。

在工作的時(shí)候，工作臺(tái)承載自動(dòng)上料組件傳輸過(guò)來(lái)的層壓后的生瓷片，并且工作臺(tái)上設(shè)計(jì)有小孔，能夠用負(fù)壓真空吸附生瓷片，對(duì)生瓷片進(jìn)行位置的固定。視覺(jué)組件由兩個(gè)高精度CCD相機(jī)、遠(yuǎn)心鏡頭、光源等組成，可識(shí)別生瓷片上的Mark標(biāo)記，與標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)線進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出誤差，從而對(duì)生瓷片進(jìn)行定位。刀架組件將特制鎢鋼刀片夾緊固定，進(jìn)行垂直方向的精確定位運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生瓷片的高精度切深控制。生瓷片被熱切完成后，自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)將其傳輸?shù)匠善肥占欣铩９ぷ髌脚_(tái)運(yùn)動(dòng)到設(shè)備后方，清掃組件將切割后的廢料進(jìn)行清理。

2 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 視覺(jué)系統(tǒng)的控制

視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠自動(dòng)識(shí)別生瓷片上印刷的Mark標(biāo)記，并且將左右兩個(gè)Mark標(biāo)記進(jìn)行空間連線，與基準(zhǔn)的刀線進(jìn)行對(duì)比，判斷是否小于設(shè)定的偏差閾值，并計(jì)算出偏差。

2.1.1 視覺(jué)系統(tǒng)的環(huán)境配置

視覺(jué)系統(tǒng)能夠識(shí)別目標(biāo)Mark并計(jì)算，首先需要進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)的環(huán)境設(shè)置。調(diào)節(jié)光源的光照強(qiáng)度，讓目標(biāo)能夠清晰出現(xiàn)在CCD視野內(nèi)。微調(diào)相機(jī)的焦距，讓產(chǎn)品Mark清晰成像。在視覺(jué)軟件里，調(diào)整相機(jī)的曝光和增益，讓相機(jī)成像更清晰，對(duì)比度更大，相機(jī)能夠清晰分辨出目標(biāo)Mark的輪廓。

2.1.2 視覺(jué)系統(tǒng)的模板管理

視覺(jué)系統(tǒng)要做定位識(shí)別就必須建立模板，主要提供對(duì)LTCC（層壓陶瓷）在線切割時(shí)的視覺(jué)對(duì)位功能，支持各種線形和非線形Mark的視覺(jué)對(duì)位。模板匹配是指在機(jī)器識(shí)別圖像的過(guò)程中，需要把同一傳感器在不同時(shí)間和不同成像條件下對(duì)同一事物得到的兩幅或幾幅事物的圖片在空間上對(duì)準(zhǔn)，或者根據(jù)已知圖像到另一幅圖像中尋找相應(yīng)的模式。

2.1.3 坐標(biāo)標(biāo)定

視覺(jué)系統(tǒng)的最終目標(biāo)是使機(jī)器能像人那樣通過(guò)視覺(jué)觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力。機(jī)器通過(guò)視覺(jué)傳感器感測(cè)、獲取目標(biāo)區(qū)域及周圍環(huán)境圖像信息來(lái)計(jì)算、理解三維世界，二維維圖像信息與三維空間信息的幾何映射對(duì)應(yīng)關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型、視覺(jué)系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)決定的，標(biāo)定視覺(jué)系統(tǒng)是視覺(jué)過(guò)程的基礎(chǔ)且關(guān)鍵的問(wèn)題之一。視覺(jué)系統(tǒng)中攝像機(jī)安裝方式：固定于場(chǎng)景某處，這樣視覺(jué)系統(tǒng)涉及的坐標(biāo)包括：世界坐標(biāo)系，攝像機(jī)坐標(biāo)系，圖像坐標(biāo)系等。標(biāo)定過(guò)程就是確定攝像機(jī)的幾何和光學(xué)參數(shù)，確定2D圖像像素坐標(biāo)系與3D場(chǎng)景世界坐標(biāo)系之間的幾何映射對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1.4 自動(dòng)對(duì)位

視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)位需依據(jù)熱切的刀線建立基準(zhǔn)線。視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算產(chǎn)品的Mark線與基準(zhǔn)線的偏差，給出偏移距離。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置校準(zhǔn)，視覺(jué)系統(tǒng)再次計(jì)算確認(rèn)偏差是否滿足要求。

2.2 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制全部選用高精度快速響應(yīng)型伺服電機(jī)與直驅(qū)電機(jī)。這樣的設(shè)計(jì)選型理由如下：

1） 大幅提高設(shè)備的性能，有助于超高速、超精密控制的伺服性能，最大限度發(fā)揮裝置性能，解決課題。

2） 大幅提高設(shè)備使用便利性，伺服電機(jī)的“免調(diào)整功能”，無(wú)需繁瑣的調(diào)諧作業(yè)，動(dòng)作穩(wěn)定。

3） 大幅提高耐環(huán)境性能，可在嚴(yán)酷環(huán)境下使用且節(jié)能，可順利構(gòu)建出最佳系統(tǒng)。

4） 讓設(shè)備操作人員更加放心，符合安全標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)可視化，可安全運(yùn)行系統(tǒng)。

5） 豐富的輔助功能，支持定制信息的管理和使用，必要時(shí)可立即使用所需的信息。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制具備了良好的硬件基礎(chǔ)，還需要設(shè)計(jì)一套良好的軟件系統(tǒng)來(lái)對(duì)各個(gè)伺服電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，完成高速高精度熱切。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在上料等待位接收到自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)傳輸過(guò)來(lái)的生瓷片以后，打開(kāi)負(fù)壓發(fā)生器，在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部形成負(fù)壓環(huán)境，將生瓷片牢牢吸附在平臺(tái)上進(jìn)行固定。通過(guò)與操作員設(shè)定的熱切工藝進(jìn)行對(duì)比，判斷熱切是否已經(jīng)完成。如果熱切未完成，則移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，讓生瓷片上的Mark標(biāo)記出現(xiàn)在視覺(jué)系統(tǒng)的兩個(gè)CCD相機(jī)視野范圍內(nèi)。視覺(jué)系統(tǒng)判斷產(chǎn)品的偏差是否大于設(shè)定的偏差閾值。如果偏差過(guò)大，視覺(jué)系統(tǒng)則將偏差計(jì)算出，并反饋給運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)給出的偏差，進(jìn)行位置校正。校正完成后，視覺(jué)系統(tǒng)再次判斷偏差是否滿足要求，滿足要求則刀架下降，按照設(shè)定的熱切深度進(jìn)行精確熱切。如此循環(huán)，直到把整片生瓷片熱切完成。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)较铝衔?，等待自?dòng)下料系統(tǒng)將熱切完成的產(chǎn)品吸附傳輸離開(kāi)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到廢料清掃位，清掃組件將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上殘留的產(chǎn)品廢料進(jìn)行清掃。

2.3 傳輸系統(tǒng)的控制

設(shè)備從半自動(dòng)升級(jí)為全自動(dòng)，關(guān)鍵就在于自動(dòng)上下料傳輸系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確穩(wěn)定傳輸生瓷片，為工作平臺(tái)提供待生產(chǎn)的生瓷片，并把加工完成的生瓷片及時(shí)取走。

當(dāng)操作人員把生瓷片放置于上料托盒以后，上料升降組件自動(dòng)識(shí)別托盒內(nèi)具有產(chǎn)品，并上升到指定位置。控制傳輸電缸運(yùn)動(dòng)到托盒上方，縱向氣缸伸出，產(chǎn)生負(fù)壓，對(duì)生瓷片進(jìn)行吸附，吸附牢固后，縱向氣缸再回位，傳輸氣缸將生瓷片運(yùn)輸?shù)蕉ㄎ慌_(tái)上方并解除負(fù)壓，讓生瓷片自動(dòng)落入定位臺(tái)。定位臺(tái)定位氣缸回位，傾斜氣缸回位，定位臺(tái)腔體內(nèi)部吹氣，利用重力作用，讓生瓷片緊貼定位氣缸，從而進(jìn)行初定位。定位臺(tái)產(chǎn)生負(fù)壓，吸附固定生瓷片，傾斜氣缸伸出，定位氣缸伸出。上料傳輸氣缸運(yùn)動(dòng)到定位臺(tái)，上料氣缸伸出，產(chǎn)生負(fù)壓吸附生瓷片，并回位。上料傳輸氣缸將生瓷片運(yùn)輸?shù)焦ぷ髋_(tái)進(jìn)行熱切。工作臺(tái)熱切完成后，自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)運(yùn)用類似原理，將成品運(yùn)輸?shù)绞樟虾羞M(jìn)行存放。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著LTCC行業(yè)的發(fā)展壯大，電子行業(yè)對(duì)LTCC產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的半自動(dòng)熱切機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足高精度高產(chǎn)能的需求。全自動(dòng)熱切機(jī)的研制成功，投放市場(chǎng)，實(shí)際生產(chǎn)的生產(chǎn)效率提高了百分之三十以上。同時(shí)，由于設(shè)備的全自動(dòng)化，一個(gè)操作人員即可完成之前三個(gè)操作人員的產(chǎn)量。這就解決了半自動(dòng)熱切人工上下料的低效率問(wèn)題，同時(shí)也降低了操作人員人為操作時(shí)受傷的風(fēng)險(xiǎn)，還為企業(yè)降低了人力成本，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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