全自動熱切機的設計與實踐

趙忠志 張奇巍

摘要：熱切工藝在LTCG （Low Temperature Go-fired Ceramic）產(chǎn)品加工過程中起著關鍵作用。傳統(tǒng)的熱切機都是手動上下料，生產(chǎn)效率較低，不能滿足企業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)。針對以往熱切機效率低下的問題，設計并實現(xiàn)一款能夠自動上下料的全自動熱切機，具有深遠的市場意義。在傳統(tǒng)半自動熱切機的基礎上，設計自動上下料組件、定位預熱組件、熱切組件等機構，并配備視覺系統(tǒng)、運動平臺控制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)等軟件，完成LTCC產(chǎn)品的全自動熱切，提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。

關鍵詞：TB472 ;熱切機;自動;視覺系統(tǒng);運動控制

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）05-0143-02

LTCC （Low Temperature Co-fired Ceramic）技術是于 1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術，是將低溫燒結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、精密導體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個被動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，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板，在其表面可以貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，可進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、裂片等。

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

1 機械設計

1.1 自動上下料組件

自動上下料組件主要由升降機構、上料傳輸機構、下料傳輸機構以及料盒機構組成，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：料盒機構可進行水平方向的推拉。當操作人員需要放置待加工料片時，將料盒機構的托料盤拉出，在托料盤上放置若干料片，再推回料盒機構內(nèi)部，按下固定按鈕進行固定。升降機構可進行垂直方向的運動。托盤上有產(chǎn)品時，則上升到指定位置。如果托盤上沒有產(chǎn)品，則退回到原點。上料傳輸機構上的升降氣缸下降，真空吸盤產(chǎn)生負壓后吸附料片，同時對料片進行加熱。電缸負責將料片傳輸至工作平臺。產(chǎn)品在工作臺被切割完成后，再由下料傳輸機構將料片傳輸至下料料盒機構。

1.2 定位預熱組件

定位預熱組件主要由預熱吸附板、定位氣缸、傾斜氣缸以及移動模組構成，可實現(xiàn)對產(chǎn)品的初定位。

定位預熱組件的原理是利用產(chǎn)品自身的重力往斜下方滑動，再由定位組件加以固定，完成生瓷片產(chǎn)品的初定位。移動模組移動至相應的位置，自動上料組件將料片吸附至預熱吸附板上，定位氣缸收縮，然后傾斜氣缸收縮，預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，進行定位，然后預熱吸附板將料片真空吸附，同時傾斜氣缸伸長，定位氣缸伸出，等待自動上料組件將產(chǎn)品傳輸至工作臺進行加工。

1.3 熱切組件

熱切組件主要由工作平臺、視覺組件、刀架組件以及清掃組件構成，實現(xiàn)產(chǎn)品的高精度熱切。

在工作的時候，工作臺承載自動上料組件傳輸過來的層壓后的生瓷片，并且工作臺上設計有小孔，能夠用負壓真空吸附生瓷片，對生瓷片進行位置的固定。視覺組件由兩個高精度CCD相機、遠心鏡頭、光源等組成，可識別生瓷片上的Mark標記，與標準基準線進行比對，計算出誤差，從而對生瓷片進行定位。刀架組件將特制鎢鋼刀片夾緊固定，進行垂直方向的精確定位運動，實現(xiàn)對生瓷片的高精度切深控制。生瓷片被熱切完成后，自動下料機構將其傳輸?shù)匠善肥占欣?。工作平臺運動到設備后方，清掃組件將切割后的廢料進行清理。

2 軟件控制系統(tǒng)設計

2.1 視覺系統(tǒng)的控制

視覺系統(tǒng)設計目標是能夠自動識別生瓷片上印刷的Mark標記，并且將左右兩個Mark標記進行空間連線，與基準的刀線進行對比，判斷是否小于設定的偏差閾值，并計算出偏差。

2.1.1 視覺系統(tǒng)的環(huán)境配置

視覺系統(tǒng)能夠識別目標Mark并計算，首先需要進行視覺系統(tǒng)的環(huán)境設置。調(diào)節(jié)光源的光照強度，讓目標能夠清晰出現(xiàn)在CCD視野內(nèi)。微調(diào)相機的焦距，讓產(chǎn)品Mark清晰成像。在視覺軟件里，調(diào)整相機的曝光和增益，讓相機成像更清晰，對比度更大，相機能夠清晰分辨出目標Mark的輪廓。

2.1.2 視覺系統(tǒng)的模板管理

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

2.1.3 坐標標定

視覺系統(tǒng)的最終目標是使機器能像人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應環(huán)境的能力。機器通過視覺傳感器感測、獲取目標區(qū)域及周圍環(huán)境圖像信息來計算、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應關系是由攝像機成像的幾何模型、視覺系統(tǒng)裝配結構決定的，標定視覺系統(tǒng)是視覺過程的基礎且關鍵的問題之一。視覺系統(tǒng)中攝像機安裝方式：固定于場景某處，這樣視覺系統(tǒng)涉及的坐標包括：世界坐標系，攝像機坐標系，圖像坐標系等。標定過程就是確定攝像機的幾何和光學參數(shù)，確定2D圖像像素坐標系與3D場景世界坐標系之間的幾何映射對應關系。

2.1.4 自動對位

視覺系統(tǒng)對位需依據(jù)熱切的刀線建立基準線。視覺系統(tǒng)計算產(chǎn)品的Mark線與基準線的偏差，給出偏移距離。運動機構進行位置校準，視覺系統(tǒng)再次計算確認偏差是否滿足要求。

2.2 運動平臺的控制

運動平臺的運動控制全部選用高精度快速響應型伺服電機與直驅電機。這樣的設計選型理由如下：

1） 大幅提高設備的性能，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） 大幅提高設備使用便利性，伺服電機的“免調(diào)整功能”，無需繁瑣的調(diào)諧作業(yè)，動作穩(wěn)定。

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

4） 讓設備操作人員更加放心，符合安全標準，實現(xiàn)可視化，可安全運行系統(tǒng)。

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

運動平臺的控制具備了良好的硬件基礎，還需要設計一套良好的軟件系統(tǒng)來對各個伺服電機進行協(xié)調(diào)控制，完成高速高精度熱切。

運動平臺在上料等待位接收到自動上料機構傳輸過來的生瓷片以后，打開負壓發(fā)生器，在運動平臺內(nèi)部形成負壓環(huán)境，將生瓷片牢牢吸附在平臺上進行固定。通過與操作員設定的熱切工藝進行對比，判斷熱切是否已經(jīng)完成。如果熱切未完成，則移動運動平臺，讓生瓷片上的Mark標記出現(xiàn)在視覺系統(tǒng)的兩個CCD相機視野范圍內(nèi)。視覺系統(tǒng)判斷產(chǎn)品的偏差是否大于設定的偏差閾值。如果偏差過大，視覺系統(tǒng)則將偏差計算出，并反饋給運動平臺。運動平臺根據(jù)視覺系統(tǒng)給出的偏差，進行位置校正。校正完成后，視覺系統(tǒng)再次判斷偏差是否滿足要求，滿足要求則刀架下降，按照設定的熱切深度進行精確熱切。如此循環(huán)，直到把整片生瓷片熱切完成。運動平臺將產(chǎn)品運輸?shù)较铝衔?，等待自動下料系統(tǒng)將熱切完成的產(chǎn)品吸附傳輸離開。運動平臺運動到廢料清掃位，清掃組件將運動平臺上殘留的產(chǎn)品廢料進行清掃。

2.3 傳輸系統(tǒng)的控制

設備從半自動升級為全自動，關鍵就在于自動上下料傳輸系統(tǒng)，能夠準確穩(wěn)定傳輸生瓷片，為工作平臺提供待生產(chǎn)的生瓷片，并把加工完成的生瓷片及時取走。

當操作人員把生瓷片放置于上料托盒以后，上料升降組件自動識別托盒內(nèi)具有產(chǎn)品，并上升到指定位置?？刂苽鬏旊姼走\動到托盒上方，縱向氣缸伸出，產(chǎn)生負壓，對生瓷片進行吸附，吸附牢固后，縱向氣缸再回位，傳輸氣缸將生瓷片運輸?shù)蕉ㄎ慌_上方并解除負壓，讓生瓷片自動落入定位臺。定位臺定位氣缸回位，傾斜氣缸回位，定位臺腔體內(nèi)部吹氣，利用重力作用，讓生瓷片緊貼定位氣缸，從而進行初定位。定位臺產(chǎn)生負壓，吸附固定生瓷片，傾斜氣缸伸出，定位氣缸伸出。上料傳輸氣缸運動到定位臺，上料氣缸伸出，產(chǎn)生負壓吸附生瓷片，并回位。上料傳輸氣缸將生瓷片運輸?shù)焦ぷ髋_進行熱切。工作臺熱切完成后，自動下料機構運用類似原理，將成品運輸?shù)绞樟虾羞M行存放。

3 結語

隨著LTCC行業(yè)的發(fā)展壯大，電子行業(yè)對LTCC產(chǎn)品的需求量越來越大，傳統(tǒng)的半自動熱切機已經(jīng)無法滿足高精度高產(chǎn)能的需求。全自動熱切機的研制成功，投放市場，實際生產(chǎn)的生產(chǎn)效率提高了百分之三十以上。同時，由于設備的全自動化，一個操作人員即可完成之前三個操作人員的產(chǎn)量。這就解決了半自動熱切人工上下料的低效率問題，同時也降低了操作人員人為操作時受傷的風險，還為企業(yè)降低了人力成本，具有廣闊的市場前景。

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