G3型全自动印刷机对位光学机构安装与调试工艺分析与改进 毕业论文.doc

南京铁道职业技术学院 毕 业 论 文题 目： g3型全自动印刷机对位光学机构 安装与调试工艺分析与改进 作 者： 学 号: 431408101 系 部： 自动控制工程系 专 业： 机械制造与自动化 班 级： 08机械制造301 指导者: 工程师 评阅者： 副教授 2011年 6 月毕业设计（论文）中文摘要g3型全自动印刷机对位光学机构安装与调试工艺分析与改进摘要 随着欧盟提出rohs和weee两项指令，smt技术又面临一次技术变革，无铅制造成为smt必须要面对的新技术，随着元件、材料、设备的改变，smt在很大程度上又进行了一次技术升级。目前，绿色制造、超小型元器件、三维互连技术等新技术还在推动着smt进行不断的技术进步和升级。smt技术近年来发生了巨大的变化,电子产品朝着小型化，轻型化和高可靠性方向发展，使得表面贴装电子元器件不断朝着轻薄微小的高集成化发展，对印刷机设备也提出了更高的要求。印刷机的安装方式也由传统方式向现代化转变，传统的安装方式存在许多问题，不能使机器的故障率降低，这就要求将传统安装方式进行改进。以ccd相机为代表的视觉对位光源系统的品质直接决定锡膏印刷机的印刷精度，为不断提高全自动印刷机的印刷精度，需从硬件和软件方面着手，硬件既改进安装方法，软件就是不断更新。而g3印刷机又作为这一方面代表，更要适应时代发展需求，不断改进安装方法。关键词 smt 对位光学 安装 调试 g3印刷机 第 22 页 共 23页 目 次1 引言31.1 背景31.2 本文的主要内容31.3 课题的意义32 机械安装与调试工艺42.1 全自动锡膏印刷机的结构42.2 机架的安装与调试工艺42.2.1 锡膏印刷机的机架精度影响42.2.2 锡膏印刷机的结构特点及其基础结构42.2.3 机架安装过程与改进52.2.4 锡膏印刷机的机架装配特点及其影响62.3 刮刀的安装与调试82.3.1 新的带闭环压力控制系统82.3.2 刮刀压力和速度的选择92.4 锡膏准备103 对位光学的安装113.1 对位相机视觉系统的组成和装配113.2 图像识别定位的原理113.3 图像识别定位装置123.3.1 ccd相机光学原理123.3.2 ccd相机移测装置的机械设计及特点133.4 光学成像系统133.5 相机结构133.6 光源系统143.7 对位光学的调试154 光学对位系统安装与调试工艺实例17结论19致谢20参考文献21附录221 引言 1.1 背景国内生产的全自动锡膏印刷机因为种种原因与国际品牌存在差距,这就要求国内生产全自动锡膏印刷机在生产过程中需要不断改进。这就对生产过程提出了更高的要求，而此生产过程即安装与调试过程。印刷机的生产与产品的质量直接挂钩，足见安装与调试的重要性。由于现场的安装与调试工作不仅仅是一项单体的试验，而是包括单体实验、分系统试验及整台机组的整套启动安装与调试，在各项安装与调试过程中需要不断改进和完善。这样就会使得下一步的试验工作能正常顺利的开展，进而为机组及系统的稳定运行提供保障。1.2 本文的主要内容首先介绍了光学对位系统装配与调试的现实意义，及光学系统在整机中的重要性。接着是印刷机光学部分的组成与总体分析，根据印刷机的原理与构造来介绍各个系统的作用。通过对各个系统的分析来具体解决在实际生产中遇到的问题，并为以后的维修与维护做好理论基础。然后具体列出在实际中遇到的故障，依据其构造原理来判断故障之所在，为以后的生产提供便捷。同时也体现光学对位系统对生产过程的重要性。1.3 课题的意义随着smt生产节拍的不断提高，贴片机的速度越来越快。这反过来对锡膏印刷机的印刷周期提出了挑战。为了应对这个速度的挑战，锡膏印刷机供应商已采用多种技术措施，包括三段式送板结构以及并行印刷技术等。通过这些技术可明显提高锡膏印刷机的节拍速度。随着pcb板贴装器件的小型化和bga芯片大量采用，电子贴装密度越来越高，smt节拍越来越快，这奠定了锡膏印刷机在定位精度、拓印方式与工艺参数优化、刷机高速化结构，检测一体多功能的技术发展趋势。光学系统的安装与调试在整个印刷系统中起着十分重要的地位，直接影响着印刷机运行的可靠性和精度。因此，光学对位系统的安装与调试对于锡膏印刷机的生产有着不可估量的作用。2 机械安装与调试工艺2.1 全自动锡膏印刷机的结构 锡膏印刷机由平台、底座、导轨、相机ccd、钢网、网框定位、印刷横梁、刮刀部分等几个部分组成，图像如图2-1所示：图2-1 锡膏印刷机结构图2.2 机架的安装与调试工艺2.2.1 锡膏印刷机的机架精度影响印刷机是电路板组装自动线上的重要装备，其锡膏印刷质量是确保后续贴片机贴片质量及回流焊焊接质量的基础。而影响锡膏印刷质量的原因很多，包括刮刀压力的均匀性与恒定程度、锡膏的传递过程、钢网与电路板的对准精度、钢网的网孔的清洁度等。因此，锡膏印刷机是一个要求较高的机电一体化电子制造装备。为了降低造成锡膏印刷不良的机率、提高锡膏印刷的质量，必须详尽探讨锡膏印刷机的基础结构的特点及其对整机印刷精度的影响，以便可以更深入地了解各种结构形式的优势。2.2.2 锡膏印刷机的结构特点及其基础结构 基本分为两大类：一种是整体式机架，一种是可调式机架。一般认为，整体式机架结构刚度高，整机的动态精度可以得到保证。可调式机架降低了装配的难度，并可通过适当的调整获得较高的整机装配精度。由此可见，选择那种机架能否保证整机的装配精度，需要经过深入研究后得出可信的结论。为了保证印刷精度，一般要严格控制刮刀导轨的两个安装面的平面度以及其与机架平台安装面的平行度。同时，考虑到刮刀组件有一定的浮动调节能力，因此，整机装配的一个重要的装配精度是刮刀导轨的机架安装面与调整平台的平行度。2.2.3 机架安装过程与改进安装过程中水平占据着很要的位置。在机架安装之前首先要保证机架的水平，这就需要将机架打水平，机架打水平的主要方法是调整机架四个支撑脚的高度来调节水平位置，将机架打完水平才能进行下一步。机架导轨的安装，将静导轨安装在平台上的卡槽内，用螺丝将其固定并打水平，通过螺丝松紧来确定其是否水平。动导轨也是将其安装在平台上的卡槽内，用螺丝固定打水平，要跟平台水平，同时要跟静导轨水平，这要用千分表和高度尺来测量。因为我们公司机架都是从外面引进的，所以只要保证导轨的水平。如果导轨依旧不能平行，那就要在卡槽内垫最高2mm的铜片，这样就能保证导轨的完全水平。静导轨和动导轨在打水平时传统的方法是放在大理石桌上来进行，同时要用手来抓稳，这期间难免会因为手的抖动而造成精度影响，随着smt行业不断发展，这些问题逐渐显露出来，近几年，导轨打水平的方法也得到改进，目前在打水平时将两个夹块将其夹紧，这样就能固定导轨，从而保证导轨位置的水平。图2-2 平台导轨图ccd导轨分为x轴导轨和y轴导轨，x轴方向导轨用的是丝杆传动原理，ccdx轴横梁要保持水平，丝杆装配即将丝杆上装滑块，上面装相机，滑块移动，相机跟着移动。y轴导轨是将丝杆装进卡槽，x轴导轨和y轴导轨要求精度在0.02mm之间。钢网固定机架，首先量一下钢网的高度，平行度，同时要测量平台平行度和左右支架平行度。图2-3 平台导轨俯视图2.2.4 锡膏印刷机的机架装配特点及其影响前面已经分析了两种机架的静变形特点。这里，从而保证整机装配的角度来进一步分析两种机架结构对整机装配精度的影响。图是锡膏印刷机的相关装配尺寸链简图，其中图(a)为机架的装配尺寸链简图，图(b)为整机的装配尺寸链简图。图(a)中，z 1为尺寸链的封闭环，组成环a、b的灵敏度系数为+1，组成环c、d的灵敏度系数为一1，尺寸a表示调整式机架的调整环，对于整体式机架则表示横梁刮刀导轨安装面到上横梁底面定位基准的尺寸环，c、d是机架右侧部分尺寸环，且与a、b对应。z 1为左右横梁的平面度要求和左右横梁导轨安装面与机架平台安装面的平行度要求。根据尺寸链分析理论，按极值法存在以下公式：tz1=ta+t b+t c+td，这样为保证封闭环z 1的精度要求，需要控制组成环a、b、c、d的尺寸公差。调整式机架可以很容易地通过水平尺等测量工具对组成环a、b进行调整，而基本不受其它组成环的影响，而对于整体式机架要保证封闭环z 1的精度要求，只能是严格控制各组成环的精度或减少组成环数目。但在通常情况下，调整式与整体式机架组成环的数目基本一致。由此可见，调整式机架更能保证装配精度。而对图(b)反映的整机装配尺寸链， 封闭环z2为平台项面与机架刮刀导轨安装面的y方向平行度要求；尺寸环e反映了平台组件的整体尺寸，而没有详细画出内部的多个尺寸环，因而，组成环e的精度不可能很高；组成环f为平台顶面与机架刮刀导轨安装面的尺寸。同样，对于调整式机架结构的整机，可以借助水平尺等测量工具调整尺寸环a，这样可以很容易地保证封闭环z2的精度要求。而对于整体式机架结构的整机，由于其组成环数目很多，只有严格控制各组成环精度，这一方面增加了制造成本，同时也很难保证最终的装配精度。图2-4 整机装配尺寸2.3 刮刀的安装与调试2.3.1 新的带闭环压力控制系统 刮刀工作图如图所示：图2-5 刮刀工作图1）压力闭环，独立的前后刮刀悬臂系统，确保前后刮刀的一致性；2）钢网检测系统，z向印刷轴探测钢网表面实现钢网高度自动判断，减小钢网形变延长钢网使用寿命，确保脱模时不会由于钢网形变影响脱模；图2-6 钢网结构3）刮刀y向运动由原来同步带驱动改到丝杆驱动，确保y向运动的稳定性；4）弹性悬挂刮刀系统，确保pcb发生形变刮刀整体高度也随pcb翘曲跟随变化。可调角度并可适合刮刀片长短的刮刀架方便客户现场针对不同的工艺情形下快速调整（如对于锡膏颗粒大小，pcb板面上的fine pitch的大小，锡膏厚度的不同要求，成型饱满区分等），为客户提升效率，同时也为客户节省成本。图2-7 刮刀组件2.3.2 刮刀压力和速度的选择刮刀的压力及刮刀速度是钢网印刷中两个重要的工艺参数。刮刀速度：选取的原则是刮刀的速度和锡膏的粘稠度及pcb 板上smd的最小引脚间距有关，选择锡膏的粘稠度大，则刮刀的速度要低，反之亦然。对刮刀速度的选择，一般先从较小压力开始试印，慢慢加大，直到印出好的焊膏为止。速度范围为1550mm/s。在印刷细间距时应适当降低刮刀速度，一般为1530mm/s，以增加锡膏在窗口处的停滞时间，从而增加pcb焊盘上的锡膏；印刷宽间距元件时速度一般为3050mm/s。（0.5mm pitch为宽间距，0.5mm pitch 为细间距本机器刮刀速度允许设置范围为080mm/s。刮刀压力：压力直接影响印刷效果，压力以保证印出的焊膏边缘清晰，表面平整，厚度适宜为准。压力太小，锡膏量不足，产生虚焊；压力太大，导致锡膏连接，会产生桥接，因此刮刀压力一般是设定为0.510kg。图2-8 步进电机驱动器接线图2.4 锡膏准备1）在 smt中，焊膏的选择是影响产品质量的关键因素之一。不同的焊膏决定了允许印刷的最高速度，焊膏的粘度、润湿性和金属粉粒大小等性能参数都会影响最后的印刷品质。2）对焊膏的选择应根据清洗方式、元器件及电路板的可焊性、焊盘的镀层、元器件引脚间距、用户的需求等综合起来考虑。3）锡膏选定后，应根据所选锡膏的使用说明书要求使用。4）锡膏从冰柜中取出不能直接使用，必须在室温25左右回温（具体使用根据说明书而定）；锡膏温度应保持与室温相同才可开瓶使用。5）在使用之前必须搅拌均匀，直至锡膏成浓浓的糊状并用刮刀挑起能够很自然的分段落下即可使用。6）使用时应将锡膏均匀地刮涂在刮刀前面的模板上，且超出模板开口位置，保证刮刀运动时能将锡膏通过网板开口印到pcb板的所有焊盘上。3 对位光学的安装3.1 对位相机视觉系统的组成和装配对位相机视觉系统由一个数字相机，一个x方向伺服马达和一个y方向伺服马达组成。x、y伺服马达驱动相机到达指定的基准点，数字相机此时位于pcb和丝印模板之间，可同时获取基准点的位置坐标。对位相机视觉系统还包含停板器、停板器伸出传感器和板子在停板位置传感器。光学对位系统包括ccd运动部分和ccdcamera装置（摄像头、光源）及高分辨率显示器等，由视觉系统软件进行控制。相机安装时，主要要是将相机的关键部位里面的玻璃片插在相机的外套里。相机里有x轴和y轴，x轴是水平方向的，y轴是竖直方向，这两个方向轴要调正，跟显示器上的x、y轴要重合在一起，距离不能太近也不能太远，图像要清晰，调节方法是手动调节。图3-1 对位相机视觉系统控制图3.2 图像识别定位的原理如图3-2所示为相机接线原理图。 图3-2 相机接线原理图图像识别定位完全摒弃传统的机械定位方式概念，引人一种全新的定位方式。它是ccd(光电耦合器件)通过摄像机镜头分别对掩膜漏版及基板的基准标记加以识读。并通过定位图像处理装置处理上述图像数据，用两者的差(补偿量)进行位置演算并进行误差修正，以达到精确定位的目的。采用具有图像识别功能定位的ccd光学视觉对位系统有诸多的特点如：(1)采用图像识别功能定位的方法对掩膜漏版的安装精度没有特殊的要求，因而使用起来很方便。(2)该定位方法仅要求识别标记与图形位置间的精度，而不受基板加工等机械精度的影响，完全消除了机械加工偏差给定位带来的干扰。3.3 图像识别定位装置3.3.1 ccd相机光学原理：图3-3 集成成像系统结构示意图高精度图像识别定位装置“igs一512”的组成结构。它主要由定位用处理装置、tv监视器，光源、摄像机、驱动装置等组成，并和计算机、程序装置接口。该装置首先在印刷机上获得应用，不仅能用于焊膏的印刷，而且还可用于其它各种装置的图像识别定位，如对于薄膜的定位，玻璃板的定位，扁平构件的定位等的各种开孔装置，都有可能获得广泛的应用前景。3.3.2 ccd相机移测装置的机械设计及特点ccd相机移测装置是适用于1.4 m1.4 m风洞 3个线性位移加一绕水平轴旋转的移测装置。总体结构为 x、y、z 三个坐标方向的线位移机构正交叠加，总的高度为1.8m、宽度为1.78 m、长度为1.51 m，净重350 kg。x 轴在最下层，z轴在x轴之上，x和z轴水平正交；y轴通过支梁立于z 轴之上，并与水平面垂直。调整y轴与支梁间的相对位置，可增大y 方向的测量范围，调节步长为100mm。y 轴上的滑块通过连接板与电机和摆线减速器连接，摆线减速器平行于水平轴，ccd相机安装杆安装于摆线减速器上，从而实现ccd相机绕水平轴旋转。故ccd相机安装杆可旋转至某角度状态下工作，以适应ccd相机的需要。x 轴由摩擦系数很小的滚珠丝杠驱动和一对直线导轨幅导向，y和z轴选用精密线性模组导向。x、y、z 轴的交流伺服电机通过挠性联轴器直接与滚珠丝杠联结，驱动轴上的拖板实现直线运动。3.4 光学成像系统全自动锡膏印刷机视觉系统的集成成像系统主要用于视觉对中。因此将相机、镜头、光源集成于一体的集成成像系统。集成成像系统采用了双镜头的结构，可同时拍摄钢网和 pcb 的图像,其中1 和2为反射镜；3为低角度led环形光源；4和5为分光镜；6和7为led光源；8和10为成像透镜；9和11为ccd相机。采集图像时，钢网和pcb图像分别由上下两个通道，经反射镜、分光镜、光学镜头成像到ccd相机上。其中l1为反射镜长度，等于15mm；l2为分光镜长度，等于15mm；d1为反射镜下端与相机下端面间的距离，等于13 mm；d2为分光镜与镜头间的距离等于2mm。相机下端面与pcb间的距离为10mm，棱镜对光路的延长作用为5.3mm/15mm，所以相机的工作距离d为65.6mm。3.5 相机结构图3-4 相机结构原理图图3-5 ccd运动机构运动控制示意图3.6 光源系统光源系统是机器视觉系统中最关键的部件之一，光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体的感兴趣部分与不感兴趣部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度，同时保证足够的亮度，尽可能突出所要提取的特征。合适的光源系统能够改善视觉系统的分辨率，获得易于处理的图像，简化软件的运算。机器视觉领域的led光源照明方案有多种，可分为以下几类：均匀背光照明、前向低角度照明、环形光照明、同轴光照明等。同轴光照明是指光线平行的穿越固定式同轴镜头的垂直面照射到目标上，镜头接受到直接反射的光线来观察物整体（散射光呈暗色），同轴光源对于观察平整的表面是非常理想的。环形光源的led绕镜头圆周排列，光线方向和相机镜头轴线成一定角度，该角度的大小根据检测样品的特征所选择。环形光通过对象表面的漫反射的散射光来观察对象物整体（直射光呈暗色）如图3-6所示：图3-6 光线原理图3.7 对位光学的调试ccd相机实物，如图3-7所示。图3-7 相机实物图 全自动锡膏印刷机是smt行业的关键设备,印刷机在印刷过程中，网板和pcb板上对应的mark点要求精确对位，才能实现高精度的锡膏印刷。随着smt行业的深入发展，贴片元件的体积越来越小，引脚间距也越来越小。因此，对印刷机的印刷精度提出了较高的要求。视觉对位光源系统是集成照明光源、工业相机和镜头为一体的视觉模块。一种为双相机对位光源系统，另一种是单相机光源对位系统。两种光源系统均采用两个环形光源+两个同轴光源组合结构，通过控制环形光、同轴光源的亮度，将mark点的特征清晰体现出来，提高图像分析精度。如果电源转换电路设计采用清一色的开关电源，转换效率会很高，但是高频电磁波的干扰也会很大。在调试过程中，测量sw引脚的波形发现，当稳压器输出较大电流时，功率mos管工作在固定的频率和固定的脉宽下，占空比和开关波形处在正常状态，而当输出负载很轻（20ma以下）时，转换器的振荡频率虽然没有发生变化，但是占空比和开关波形出现了较大的畸变，由方波变成了阻尼振荡波，电路处在一种不稳定的工作状态，这是工作电流太小而引起的。根据实验结果，把ccd相机电源的系统结构设计规划成以下形式：采用线性稳压或ldo电路实现小电流负载的转换，而升压和大电流输出采用boost/buck开关型转换电路，同时实现关键稳压器的上电顺序控制。该形式的设计特点是：采用开关型稳压和线性稳压相混合的结构。4 光学对位系统安装与调试工艺分析实例 光学对位系统分为钢网、pcb板、相机三个部分。钢网在上面，相机在中间，pcb板在下面，相机在中间可以上下照点，先照钢网，再照pcb板，三者要在同一竖直线上，而且位置要重合。要mark点对奇，这样才能印刷，钢网上的mark点要和pcb板上的mark点重合，两者自动调节重合。图片重合后相机照相将图片传给平台，平台，平台上有x、y1、y2三个电机调整，是mark照在指定的位置，保证印刷质量。曾经在一次相机调试过程中经常会遇到取像时不出mark点，没有取像画面，以及mark点发生偏移现象。这就影响了印刷精度，导致机器不能正常运作，所以就要排查这其中的原因。全自动视觉锡膏印刷机由多种功能模块系统构成，包括机器视觉系统、pcb 传送系统、印刷系统、spc 系统、制程管理系统、功能调试系统、锡膏检测系统等。图4-1 全自动视觉锡膏印刷机构成图印刷机的图像采集模块主要是由光源和镜头组成的光学系统、图像传感器以及图像采集卡组成，造成的原因就要从其中找出。 首先要看光源出来的光线是否照在被测物体上以及位置是否正确。 再看被测物体位置是否摆放正确以让反射光线能够到达指定位置。 检查工业显微镜是否损坏不能达到预定目标,如果工业显微镜损坏就不能知道被测物体是否摆正。 检查ccd相机有没有安装正确，这也有可能造成mark点不能取像，相机安装不正确也有可能导致光源光线不正。图4-2 光源传送图（1） ccd信号线断了或者焊接不良也会导致mark点不能取像没有画面。（2） 也有可能是取像卡烧坏导致。（3） 驱动程序未安装好也会出现这个故障。后三种状况可以通过更换或者重新焊接ccd信号线、更换取像卡、重新安装驱动程序、更换新的软件来解决。但这次用以上的方法都不能解决，所以只能从光源方面来查找。当检查ccd相机时，发现反射转镜角度安装不对，因为反射转镜安装过程中与水平面倾斜角度过大，导致光线不能反射到ccd相机的指定位置，造成取像错误，因此mark点不能取像。结 论 在gkg实习半年的时间里，我学到了很多以前从没有学过的知识，包括各种专业知识。本文介绍了g3型印刷机的安装与调试，重点讲解了光学对位系统的安装与调试，本设计即g3印刷机的工作原理是先将要印刷的电路板制成印版，装在印刷机上，然后由人工或印刷机把锡膏涂衍于印版上有文字和图像的地方，再直接或间接地转印到电路板上，从而复制出与印版相同的pcb板。 本文重点介绍了g3印刷机光学对位系统的安装与调试，光学对位系统作为g3印刷机的核心部分，对整个印刷机的印刷精度有着不可估量的影响。 刚开始时，由于以前没有接触过类似方面的知识，所以很迷茫，遇到问题就不知所措。还好以前在学校学过一些次方面的专业知识，再通过向老师傅请教，所以这些问题也就没多久就解决了。 整个机器生产过程中，光学对位系统的安装与调试尤为重要，它控制着整个机器的印刷精度，光学对位系统是保证印刷品质的基础。只有安装调试过程中不放过任何一个环节，抓住问题之所在，解决问题，不留下质量隐患，这样就可以降低故障率，为客户负责。光学对位系统在安装与调试过程中如果出现故障，会造成pcb印刷位发生偏移，对后面的贴片也会带来巨大的影