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机器视觉技术在装片机中的应用

关键词： 机器视觉 HexSight 装片机 PLC

1 引言
装片机是电子元器件生产厂家用于将晶片从料盘(Wafer)取放到料带上的一种自动化生产设备, 旧有的设计是不待机器视觉功能的，对晶片的检测是采用一种价格昂贵的光电传感器，其工作原理如图1所示:


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图1 装片机工作原理示意图


料盘上的单个晶片面积非常小(约0.078mm2)，且数量极多(约9×104个)，由此对装片机的电机定位精度、工作稳定性和速度提出了较高要求。传统的不带机器视觉检测技术的装片机存在以下几个重要弊病:

(1) 定位不准
晶片切割及料盘贴膜等原因很容易造成晶片在料盘上位置分布不均，而不带视觉检测技术的装片机以固定步距及方向走动，所以机器在取料时必定会出现偏差，导致无法正常拾取晶片;
(2) 晶片浪费
晶片在料盘上呈圆形分布，采用传感器定位边界的方法势必会造成边界定位不准而致使一些晶片拾取不到，从而在料盘上残留一些晶片;
(3) 操作较为麻烦
由于机器以固定步距及方向行走，所以料盘与电机的水平一致性要求非常高，极小的角度偏差都会导致累加误差过大，这就要求操作员在每次换料时耐心的将料盘与电机位置调到最佳，而且每次开始时都需要操作员手工进行晶片对位，因为边界定位采用传感器，机器需要操作员不断手工调节边界传感器位置，较为繁琐;
(4) 效率较低
由制作工艺本身造成的料盘上存在相当数量的坏料或空料，传统的光电传感器识别准确度不高，导致后期成品合格率下降，影响生产效率。

引入机器视觉技术的装配机采用图像识别技术进行实时定位、分析及导航，有效地避免了上述的种种问题，使得生产精度，稳定性及效率得到极大的提高。

2 整机结构及工作原理
采用机器视觉技术的装片机结构框图如图2所示:


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图2 带机器视觉技术的装片机结构框图


工作原理:由工业计算机IPC、CCD摄像头、图像采集卡和光源、镜头等组成的基于PC的机器视觉子系统，对料盘(Wafer)上的晶片(Die)进行拍照，然后由视觉分析软件对采集到的图像(Image)进行模式匹配，输出相机视野内所有实例(Instance)晶片的位置信息，如X、Y坐标，晶片相对于图像坐标系的旋转角度等等。由视觉系统完成晶片的定位后，导航程序根据晶片分布，按照“先上后下，先左后右”的导航策略(详见第三节“导航”部分)，确定将哪一颗晶片作为下一个抓取目标，并将该晶片的坐标换算成XY平台的运动步长，由串口发送到PLC。

摄像机的拍照是由PLC通过GPIO(General Purpose Input and Output, 通用IO信号)传递给IPC的，IPC通过查询检测到该信号后，控制图像采集卡采集一帧图像。PLC何时发出相机拍照触发信号，由取料杆位置传感器的状态决定。如此，可以避免取料杆挡住相机的视线。采用GPIO握手信号在PLC和IPC之间传递信息, 可以提高通讯速度。

3 软件系统分析
(1) 功能需求
IPC进行视觉定位及导航控制，在该控制系统中被称为上位机。IPC软件要求实现对图像的采集、定位、黑点(Ink Die)分析，对晶片的导航，与下位机的通信，报警记录，生产情况记录等功能。定位精度要求达到0.004mm，图像处理及导航时间必须控制在100ms以内。生产情况记录必须每天以不同文件采用数据库形式保存。
(2) 软件主框图
主程序框图如图3所示。


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图3 主程序框图


(3) 实现方案
视觉定位部分是在HexSight视觉软件包的基础上进行的二次开发，导航部分采用Visual C＋＋进行编程。 HexSight软件包是Adept公司出品的一款高性能的机器视觉开发包，其定位精度高，一次识别只需不到30ms，支持VB，VC＋＋等流行编程软件，容易进行二次开发。

(4) 子模块介绍
· 图像采集
图像采集模块通过Hexsight里面提供的的HSAcquisitionDevice控件实现，它实现采集卡的软件接口，图像的捕获，镜头参数的调校及补偿等诸多功能，是第一道工序，也是必做的工序。其部分界面如图4所示。


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图4 图像采集部分界面


·晶片定位
通过Hexsight的HSLocator实现，它主要提供图像引入，模板制作及匹配参数设定等功能，其部分界面如图5所示。


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图5 晶片定位部分界面


·晶片合格分析(Ink Die的查找)
通过Hexsight里的HSPatternLocator实现，其主要进行模板图与搜索图间的匹配操作，并得出两者间的匹配值，即相似度，部分界面如图6所示。


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图6 晶片合格分析部分界面


·导航
导航方法为自行设计的拾取晶片时的优先规则。大致原理:在捕获图像并经过HexSight的定位及检测操作后，系统根据分析结果找出当前晶片周围的八个晶片，并以从上到下、从中间到两边的优先规则定位下一个晶片，如若晶片周围没有晶片，则定位到屏幕内任一离当前晶片最近的晶片，如若屏幕内无一晶片，即系统报告晶片已经全部拾取完毕。
·通信模块
上下位机间的通信主要有两种方式进行:一种是GPIO方式，另一种为Rs-232串行通信方式。相机拍照触发等信号以I/O方式进行，晶片偏移值、晶片合格信号及报警信号等则以串行通信方式实现。通过采用高速的GPIO握手方式，可以弥补串行通讯在速度上的不足。

4 应用状况及测试结果分析
(1) 程序主界面图
应用程序采用VC++6.0实现，主界面如图7所示:


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图7 主界面


(2) 效果
该程序界面简洁友好，使用方便，功能较为齐全。分为普通用户级和高级用户级两种参数设置模式;部分设置采用密码限制，保护程序的使用安全;每天的生产数据自动以数据库形式保存，方便查看和统计。

经过一段时间的使用测试，统计得出性能如附表:
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该系统能快速定位并识别合格与不合格晶片，各项性能指标都可以满足甚至超出生产的预期要求。

5 结束语
本系统采用了以机器视觉系统IPC为上位机，运动控制及过程控制PLC为下位机的控制系统体系结构，视觉系统PC提供定位信息，PLC控制运动及生产过程，两者通过RS－232串口通讯和GPIO，传递运动数据和状态检测/控制信号。集成的系统有效地克服了原有系统的种种问题，使得生产精度，稳定性及效率得到了极大的提高。该装片机已批量生产，投产后性能一直十分稳定。
本文介绍了用先进的机器视觉技术改造传统的生产设备，将PC式视觉系统引入原来由PLC控制系统，使之发挥更大的效能，具有一定的代表性。

参考文献
[1] 颜发根,丁少华,陈乐,刘建群. 基于PC的机器视觉系统[J]. PLC & FA , 2004,(7):129~140.
[2] HexSight 用户手册[Z].

作者简介
姚强(1970-) 男 工程师 现在深圳市视觉龙科技有限公司作软件开发。