固晶机及其固晶系统逻辑设计

　　1 固晶机及其系统
　　固晶机是LED、芯片半导体、摄像头贴装的封装工艺中的关键设备之一，如图1所示，该设备是目前市面上典型的高速高精度、带视觉系统的全自动化设备。
　　如图2所示，固晶机主要由取料机构、推料机构、点胶机构、点胶平台、摆臂机构、固晶平台、找晶平台、夹具和出料机构组成。固晶系统的操作过程包括以下步骤：①LED晶片和LED支架板的图像识别、定位及图像处理。②通过银胶拾取装置对LED支架板的给定位置进行点胶处理。③利用晶片吸取装置把LED晶片准确无误地放置于点胶处。该设备的操作系统原理囊括了高速精密定位控制，视觉定位控制，气动吸取控制等光机电一体系统的相关技术。
　　
　　图2固晶机的总体结构
　　固晶机机构多、电机多、逻辑复杂，且对速度和机器视觉有很高要求，因此开发快速稳定的模板匹配算法、高效的多目标识别搜索算法、快捷的逻辑处理算法以及方便迅速的机器数据存储和交互方法是固晶控制系统关键。
　　固晶视觉控制系统的硬件基本组成如图3所示，该系统硬件由工业相机、工控机、运动控制卡、光源控制器和加密狗等构成。工业相机获取图像；工业PC机用于人机交互、运动调度和图像处理；运动控制卡进行运动控制；加密狗进行软件加密。
　　
　　图3固晶机控制系统硬件结构
　　
　　
　　（1） 单找晶单固晶
　　（2）单找晶多固晶
　　
　　（3）多找晶多固晶
　　图4 固晶系统的结构
　　固晶机根据视觉结构不同可以分为单找晶单固晶、单找晶多固晶和多找晶多固晶等类型，如图4所示。固晶机系统复杂且要求高速高精度的特征，固晶系统的设计过程在项目立项之后，分阶段进行的过程为：软件功能分析，硬件系统统计，输入输出点位分配与定义，电机分配与定义，电机位置分析，动作位置干涉分析，报警情况汇总，工艺参数采集，手动调机按键需求分析，逻辑对象划分，绘制逻辑流程图，模块化编码，测试和交付。
　　2 固晶系统人机界面
　　固晶系统是典型的带机器视觉的高速高精度复杂系统，主要包括人机交互、运动控制、图像识别定位和数据处理监控等部分。根据对固晶机的特点的分析，固晶机的人机按照功能组成可以划分为系统登录引导、用户登入及管理、视觉系统设置、文件管理和编辑、IO测试、参数处理、加密狗保护和状态会话等，固晶系统的软件功能组成如图5所示
　　
　　固晶系统软件结构组成
　　考虑到固晶机产品系列化，以及未来的可维护性、代码重用性和功能的通用性，对固晶机人机界面进行模块化划分为界面主框架、系统设置、影像矫正、支架编程、取晶编程、手动调试、位置设定、电机设定、I/O诊断、文件管理、用户管理、软件注册和系统日志等模块，固晶系统的界面组装后的主界面效果如图6所示。
　　3 固晶系统的控制逻辑
　　本文固晶系统实例的运动控制部分，其驱动硬件包括8个步进电机、12伺服电机和4个直线电机，输出执行机构有24个点，输入检测传感器有18个点。整个设备的运动由手动调机、摇杆操作、系统复位、单步运动和自动运行等组成，运动逻辑系统的组成如图7所示。手动调机的设计是为了方便调试人员维修设备，摇杆操作是为了晶框的移动更加方便，系统复位则是整个设备的输出点位和电机等执行机构回到原点与安全位置，单步运动是为了控制单颗晶元的贴装精准度而设置的方便试机的操作，自动运行则是无需人为操作的全自动固晶。
　　
　　图7 固晶机运动控制系统组成
　　此外，手动调机由点胶头1、点胶头2、吸晶、固晶、进料和出料的众多小段逻辑组成，共有63条，手动调机的操作页面如图8所示。各个小段逻辑是整机运动的部分动作，相当于把整机的逻辑按照机构随意取其中的某些段做成单个动作。
　　
　　图8 手动调试的动作
　　固晶运动系统包含2组点胶定位的双轴平面移动阵列机构平台，1组固晶的双轴平面移动阵列机构平台，1组晶元的目标位置搜索并动态计算的双轴位置移动机构平台等部分，这4组平台组成了固晶系统的逻辑最难的部分。对固晶机运动系统进行逻辑对象划分，如表1所示。
　　4 固晶系统逻辑设计
　　1、点胶机构和平台运动设计实例
　　鉴于固晶运动控制的复杂性和本文篇幅有限，本文仅对取点胶机构和点胶平台的设计进行说明。点胶机构负责点胶，点胶平台负责移动胶杯，二者相互配合组成固晶机的点胶系统。点胶机构的动作逻辑流程图如图6-11所示。点胶逻辑对象的运动过程由上下点胶和左右摆动共同完成，点完胶水后和平台交互，平台移动，往复循环，直到平台位置走完。
　　点胶平台逻辑对象的动作流程图如图9所示，点胶逻辑对象使能点胶平台移动时，伴随着CCD视觉摄像机的移动，运动平台做精确定位。2个点胶逻辑对象和2个双轴定位平台对象，其对应之间存在着使能引脚的交互。
　　
　　图9 点胶机构逻辑流程
　　
　　图10 点胶平台逻辑流程图