打孔機運動平臺精度自補償技術(shù)研究

高 峰，李 欣

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

LTCC基板是一種高密度電路封裝基板，其生產(chǎn)制造工藝極其復(fù)雜，是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶，在生瓷帶上利用打孔、填孔、印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個被動組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器、耦合器等）埋入多層陶瓷基板中，然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分別使用金、銀、銅等金屬，在900℃下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路[1]。

在LTCC技術(shù)中，有很多影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素存在于打孔、填孔、印刷、疊片、層壓、燒結(jié)、劃片等十幾道工序中，每道工序進行過程中出現(xiàn)的誤差都可能導(dǎo)致產(chǎn)品的不合格。其中，生瓷帶打孔機是LTCC基板制造的關(guān)鍵工藝設(shè)備之一[2]。

隨著電路模塊體積和質(zhì)量的減小，對生瓷片打孔工藝提出了更高的要求。衡量該工藝的重要指標有沖孔精度、沖孔速度以及邊緣質(zhì)量。其中，沖孔精度會對之后印刷、疊片、層壓等工序的精度造成極大的影響。沖孔速度則會對生產(chǎn)效率造成影響。沖孔邊緣質(zhì)量問題，比如邊緣有毛刺、未沖透（尤其帶膜工藝）以及孔有殘屑等，極有可能導(dǎo)致基板開路，甚至失效。

在目前工藝生產(chǎn)中，孔位置精度是從后續(xù)工序的檢測設(shè)備獲取的，有一定的滯后性，在成本和時間上造成很大的浪費。由于運動平臺在定位時存在誤差，擬對打孔機進行逐點定位精度補償[3]。然而實際生產(chǎn)中，逐點補償（量化為0）的難度較高，因此本文結(jié)合歷史數(shù)據(jù)及相應(yīng)算法對X、Y軸定位數(shù)據(jù)進行定位精度補償時，采用的方法是對運動平臺進行劃分區(qū)域量化補償，通過分析比較不同的相關(guān)算法與量化值，得到補償后偏差最小的結(jié)果。之后，根據(jù)補償結(jié)果，對設(shè)備是否可以繼續(xù)生產(chǎn)做出決策，從而減少產(chǎn)品報廢。

1 打孔機運動平臺精度自補償算法

打孔機精度補償技術(shù)是利用激光干涉儀獲取平臺位置與理論位置之間的偏差，并將該偏差反饋給控制系統(tǒng)從而提高運動平臺的定位精度。除此之外，在打完第一片產(chǎn)品之后，通過公式對不同區(qū)域中的點進行補償來完成精度補償。這一算法的精度影響著整個設(shè)備的性能指標，為減少這一過程浪費的成本和時間，可以利用算法對打孔機運動平臺進行精度自補償。

在打孔機運動平臺系統(tǒng)中，精度自補償算法實際上就是利用機器學(xué)習(xí)中相關(guān)算法學(xué)習(xí)歷史補償數(shù)據(jù)，對不同區(qū)域中的點進行量化補償，獲取每個區(qū)域的補償數(shù)據(jù)，從而預(yù)測新的坐標點需要補償?shù)臄?shù)值。精度自補償算法流程如圖1所示。

由圖1可知，精度自補償算法的研究主要集中在兩個方面，即數(shù)據(jù)集的獲取以及量化算法的研究。

圖1 精度自補償算法流程圖

1.1 數(shù)據(jù)集的獲取

1.1.1 傳感器設(shè)置

（1）傳感器安裝位置

水平振動：XY軸上大理石平臺

垂直振動：沖針氣缸附近

（2）傳感器沖擊量程（g=9.8 m/s2）

水平振動：低于10g

垂直振動：2g～10g

（3）傳感器參數(shù)

傳感器安裝類型：優(yōu)先采用接觸式，螺釘安裝諧波頻率范圍：有效諧波范圍初定為4 kHz（高頻），0.5 kHz（低頻）

采樣間隔周期與采樣時間：方案測試階段每10 s采3 s，運行階段每20 s采3 s

1.1.2 打孔機水平移動臺故障分析

水平方向XY移動平臺可能的故障有：

（1）根據(jù)水平振動情況確定直線電機、水平臺狀態(tài)，判斷是否由于安裝誤差、螺絲松動、粉塵，缺油等引起振動異常、機械囂叫等異常；

（2）根據(jù)直線電機電流情況，判斷囂叫原因是否為電氣囂叫、是否產(chǎn)生過大扭矩等異常情況；

（3）根據(jù)打孔產(chǎn)品位置偏差確定直線電機累計誤差，確定補償方案。

1.1.3 打孔機數(shù)據(jù)采集

針對不同情況下的故障，需要將大量打孔機X、Y軸坐標及其對應(yīng)位置的精度補償數(shù)據(jù)作為該算法的輸入，求得參數(shù)，以便于以后對新的產(chǎn)品直接進行精度補償。為獲取大量數(shù)據(jù)，基于不同的產(chǎn)品，利用激光干涉儀和3D圖像測量儀測出每個區(qū)域需要補償?shù)臄?shù)值。

1.2 量化補償算法

目前主流的量化補償?shù)姆椒ò↘-means算法、Lloyd算法和LBG算法[4]。LBG算法是一種矢量量化算法，由Linde、Buzo和Gray將Lloyd算法推廣到輸入為矢量的情形，而Lloyd算法由源于K均值算法（K-means算法）聚類方法。

Lloyd算法是一種K-means迭代算法，其步驟為：

（4）當(dāng)D(k)-D(k-1)＜ε時迭代停止，否則繼續(xù)；

從步驟（2）繼續(xù)迭代。

各種方法相比，Lloyd Max非均勻量化在打孔機精度補償中，其MSE（均方誤差）損失最小，基本滿足打孔機運動補償要求。

2 實驗環(huán)境

由于打孔機已有的系統(tǒng)是32位WIN 7操作系統(tǒng)，因此本文基于這一系統(tǒng)進行實驗。在實現(xiàn)區(qū)域補償?shù)臅r候，利用python代碼實現(xiàn)算法部分，之后在VB界面中實現(xiàn)這一過程，并進行測試。

Python代碼是在anaconda平臺中實現(xiàn)的。相比單獨安裝python程序，該軟件是一個開源的Python發(fā)行版本，包含了Python、Conda等180多個科學(xué)包及其依賴項，可以省去很多繁瑣。

3 精度自補償算法實驗

3.1 VB界面

在進行精度自補償算法操作時，需要將打孔文件和檢測文件作為輸入，通過1.2節(jié)中提到的算法，計算出每個區(qū)域的X、Y需要補償?shù)臄?shù)值，對打孔文件中不同的孔進行補償，輸出一個新的打孔文件，VB界面設(shè)置如圖2所示。

圖2 VB界面設(shè)置

3.2 Python代碼運行

當(dāng)安裝好Anaconda時，在cmd中運行python代碼。操作步驟如下：

（1）利用activate切換到base環(huán)境，如圖3所示。當(dāng)運行不同的項目時，可以利用activate+環(huán)境名來創(chuàng)建新的環(huán)境，而不是在根目錄下運行。

圖3 切換環(huán)境

（2）利用cd命令行切換當(dāng)前文件夾到代碼所在的文件夾，如圖4所示。

圖4 切換文件夾

（3）運行代碼，如圖5所示。

圖5 命令行運行代碼

3.3 VB與python通訊

當(dāng)VB和python進行通訊時，借助了cmd程序。首先，在txt文檔中保存3.2節(jié)中需要執(zhí)行的代碼語句，并修改其后綴為.cmd，如圖6所示；之后，利用vb6.0中的shell語句進行cmd文件的調(diào)用。

圖6 cmd文件

3.4 實驗結(jié)果分析

本實驗中打孔文件主要有43204_D17（測試了2次），49553_D09（測試了8次），49553_D11（測試了10次），相同文件每次的補償范圍及偏移量趨勢近似相同，因此取其中一次測試進行實驗比較?，F(xiàn)對不同文件進行對比分析。下面以49553_D09文件為例，展示該方法在運動精度補償中的統(tǒng)計分析與具體過程。

3.4.1 X軸精度補償

對X軸進行精度補償時，X方向偏移分布圖和X方向偏移量直方圖如圖7、圖8所示。

圖7 X方向偏移分布圖

圖8 X方向偏移量直方圖

在對X軸進行精度補償時，將數(shù)據(jù)分為8個區(qū)間，每個區(qū)間的代替補償值為：

在補償時，需要數(shù)據(jù)所在的8個區(qū)間分別進行補償，每個補償值在實際坐標中的位置如圖9所示。

圖9 某一補償值在實際坐標中的位置

3.4.2 Y軸精度補償

對Y軸進行精度補償時，Y方向偏移分布圖和Y方向偏移量直方圖如圖10、圖11所示。

圖10 Y方向偏移分布圖

圖11 Y方向偏移量直方圖

在對Y軸進行精度補償?shù)臅r候，將數(shù)據(jù)分為8個區(qū)間，每個區(qū)間的代替補償值為：

在補償時，需要數(shù)據(jù)所在的8個區(qū)間分別進行補償，每個補償值在實際坐標中的位置如圖12所示。

圖12 某一補償值在實際坐標中的位置

4 結(jié)束語

隨著LTCC工藝水平的飛速發(fā)展，高速打孔機的技術(shù)不斷受到挑戰(zhàn)。目前，對運動平臺的精度補償已成為提高設(shè)備精度必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，代表著先進制造技術(shù)的前沿技術(shù)。隨著打孔機的廣泛應(yīng)用，需求增多，對打孔精度和速度的要求增大，運動平臺精度補償算法的提出有利于提升打孔機設(shè)備的打孔精度和打孔效率，這一新技術(shù)，必將推動打孔機設(shè)備的快速發(fā)展，從而推動LTCC行業(yè)的發(fā)展。