（通信与信息系统专业论文）led晶粒的自动分拣技术研究.pdf

l e d 晶粒的自动分拣技术研究 学科：通信与信息系统 研究生签字： 旧奄 指导教师签字3 澎阿寺 摘要 本论文以l e d 晶粒自动分拣仪为研究对象，对其自动分拣技术做了深入研究。包括： ( 1 ) 确定了晶粒的抓取和放置方案。由于晶粒的分拣过程可以是多种多样的，因此， 通过对不同分拣方式的分析，用于拾取和放置晶粒的机械手最终选用了固定点到固定点的 运动方式，而用于分拣的其它元件的运动方式也就据此被确定了。在该运动方式下，分别 对所有分拣元件的运动方向进行了分解，明确了所有的控制轴，从而确定了l e d 晶粒的 分拣方案。 ( 2 ) 为了实现该方案，对分拣控制系统中用于实现多轴控制的运动控制卡进行了选择， 并对每个控制轴上的电机及其驱动器进行了选型，从而完成了所有被控对象各方向轴上的 硬件连线设计。 ( 3 ) 在此硬件平台的基础上，以v c h 6 0 作为软件开发工具对分拣控制系统进行了软 件设计。首先，结合本课题的研究内容指出了软件的功能要求。根据该要求划分了分拣控 制模块，并设计了软件层次图。由于抓取和放置晶粒的过程在软件实现中非常重要，因此， 分别设计了分拣控制的整体流程图和抓晶、置晶流程图。为了能够将晶粒按照等级并有序 地放置，设计了置晶算法且给出了任意等级晶粒的放置位置坐标值，由此可以确定每次放 置晶粒时，在x 轴和y 轴上所需的脉冲数。此外，对分拣控制中的直线插补和圆弧插补 算法进行了设计，并对运动控制卡进行了操作，选择了所需的运动控制函数。最后，设计 了分拣控制系统的界面并对各被控对象进行了软件调试，实现了对l e d 晶粒的取放控制。 关键词：l e d 晶粒自动分拣仪；运动控制卡；分拣控制；多轴控制 a u t o m a t i cs o r t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hf o rl e dd i e d i s c i p l i n e ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 7 = ，口h 鸟所 跏i ：) 眇n j a b s t r a c t w ec o n s i d e rl e dd i ea u t o m a t i cs o r t e ra st h er e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r , a n dh a v em a d e ad e 印s t u d yi na u t o m a t i cs o r t i n gt e c h n o l o g y i ti n c l u d e s ： ( 1 ) w ed e t e r m i n et h ed i ec r a w la n dp l a c e m e n tp r o g r a m a st h es o r t i n gp r o c e s sc a nb e d i f f e r e n t i a l ，s om a n i p u l a t o rw h i c hi su s e dt oc r a w la n dp l a c ed i ef i n a l l yh a v eb e e ns e l e c t e dt h e f l x e d - p o i n tt of l x e d - p o i n tm o d et h r o u g ht h ea n a l y s i so fd i f f e r e n ts o r t i n gm o d e s ，a n dt h e m o v e m e n tm o d e so fo t h e rs o r t i n gc o m p o n e n t sa l s oh a v eb e e nd e t e r m i n e da c c o r d i n g l y u n d e r t h i sm o v e m e n tm o d e ，t h em o v e m e n td i r e c t i o n so fa l lc o m p o n e n t sa r ed i s c o m p o s e dr e s p e c t i v e l y , a l lt h ec o n t r o la x e sa r ec l e a ra n dt h e nt h es o r t i n gp r o g r a mo fl e dd i ei sd e t e r m i n e d ( 2 ) i no r d e rt oa c h i e v et h ep r o g r a m ，t h em o t i o nc o n t r o lc a r d sw h i c hc a ni m p l e m e n t m u l t i a x i sc o n t r o li ns o r t i n gc o n t r o ls y s t e ma r eb e e ns e l e c t e d ，a n dt h e nt h em o t o r sa n dd r i v e r s f o re a c hc o n t r o la x i sa r ea l s ob e e ns e l e c t e d ，t h u sw ec o u l dc o m p l e t eh a r d w a r ec o n n e c td e s i g no f e a c hd i r e c t i o na x i sf o ra l lt h ec o n t r o l l e do b j e c t s ( 3 ) b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m , t h es o f t w a r ed e s i g n 砸n lv c 十硒0a st h es o t h v a r e d e v e l o p m e n tt o o lh a v eb e e nd o n e f i r s to fa l l ，t h es o f t w a r ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sc o m b i n i n g t h es t u d yo ft h i si s s u ea r eb e e np o i n t e do u t , t h e nw ed i v i d es o r t i n gc o n t r o lm o d u l ea n dd e s i g n t h es o f t w a r eh i e r a r c h y a st h ep r o c e s so fc r a w la n dp l a c e m e n ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n , w ed e s i g nt h eo v e r a l lf l o w c h a r t , c r a w la n dp l a c e m e n tf l o w c h a r tr e s p e c t i v e l y f o rp l a c i n gt h ed i ea c c o r d a n c ew i t hg r a d ea n di no r d e r l ym a n n e r , t h ep l a c e m e n ta l g o r i t h mi s b e e nd e s i g n e da n dt h ep l a c e m e n tl o c a t i o nc o o r d i n a t ev a l u e so fa n yg r a d ed i ea r eg i v e n , s ot h e r e q u i r e dn u m b e ro fp u l s e so fx - a x i sa n dy a x i sc a l lb ed e t e r m i n e dw h e np l a c i n ge a c hd i e i n a d d i t i o n , t h el i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma r ea l s od e s i g n e di n s o r t i n gc o n t r o l ，a n dt h e nw eo p e r a t et h em o t i o nc o n t r o lc a r da n ds e l e c tt h er e q u i r e dm o t i o n c o n t r o lf u n c t i o n s f i n a l l y , t h ei n t e r f a c e sf o rs o r t i n gc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n ds o t t w a r e d e b u g g i n gf o re a c hc o n t r o l l e do b j e c tt oa c h i e v et h et a k i n ga n dp l a c e m e n tc o n t r o lf o rl e d d i e a r ee x e c u t e d k e yw o r d s ：l e d d i e sa u t o m a t i cs o r t e r ；m o t i o nc o n t r o lc a r d ；s o r t i n gc o n t r o l ；m u l t i a x i sc o n t r o l 目录 1 绪论1 1 1 引言l 1 2l e d 晶粒自动分拣仪简介1 1 3 分拣技术简介2 1 4l e d 晶粒分拣技术的研究意义4 1 5 国内外研究现状5 1 6 本章小结6 2 分拣方案设计7 2 1 引言7 2 2 系统组成。7 2 2 1 分拣平台7 2 2 2 视觉系统8 2 2 - 3 控制系统8 2 3 分拣方案设计9 2 2 1p p t 的运动1 0 2 2 2w a f e r 的j 主动1 1 2 2 3b i n 的运动1 1 2 2 4n e e d l e 的运动12 2 4 自动分拣仪的功能及总体性能要求1 2 2 5 本章小结1 3 3 分拣控制系统硬件设计1 4 3 1 引言。1 4 3 2 分拣控制系统硬件总体设计1 4 3 3 分拣控制系统元件选型1 5 3 3 1 运动控制卡的选型1 5 3 3 2 电机和驱动器的选型2 0 3 4 系统硬件设计2 3 3 5 本章小结2 5 4 分拣控制系统软件设计2 7 4 1 引言2 7 4 。2 软件介绍2 7 4 3 软件设计要求2 7 4 4 分拣控制系统软件层次设计2 8 4 5 分拣控制系统软件流程设计2 9 4 5 1 整体流程设计一2 9 4 5 2 抓取晶粒流程设计3 0 4 5 3 放置晶粒流程设计3 1 4 6 算法设计3 2 4 6 1 插补算法3 2 4 6 2 置晶算法4 0 4 7 多线程处理4 3 4 7 运动控制卡的操作4 7 4 7 1 卡的初始化4 7 4 7 2 运动控制函数的选择。4 8 4 8 界面设计51 4 9 实验结果仿真与分析5 4 4 10 本章小结一5 5 5 结j 沧5 6 5 1 结论5 6 5 2 展望5 6 参考文献一5 8 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 至j 【谢6 1 学位论文知识产权声明一6 2 学位论文独创性声明6 3 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是一种可以直接把电转化为光的半导体固体发光器件，只 需给一些电压，它便会发出光亮。早在5 0 年前，半导体材料可以产生光线的基本知识就已 为人们所了解，因此在1 9 6 0 年便诞生了第一个商用二极管。 l e d 的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的晶片，将这两种半导体相连时， 它们之间就会形成一个过渡层，被称为p n 结。当导线中的电流作用于该晶片的时候，电子 就都会被推向p 区并与p 区中的空穴复合，之后就会以光子的形式发出能量，这就是l e d 的发光原理。由于它具有节能、环保、色彩好、体积小( 小于2 r a m ) 、寿命长、响应速度快 等多种特点，也被称为第四代照明光源或绿色光源，广泛应用于照明，指示灯，显示屏，汽 车信号灯等多种领域。 随着l e d 晶粒应用范围的不断扩大，它在电子市场上的地位也越来越重要。特别是征 照明用电中以l e d 代替，可大大降低能源消耗和二氧化碳的排放量。在全球能源短缺忧虑 再度升高的大背景下，它在照明市场上的前景更加备受瞩目。虽然已研究开发的节能照明器 具对于实现这一目标起到了一定的成效，但距离我们的”绿色照明”要求仍然相差甚远。在这 种形势下，迫切要求我们能开发并应用更为高效、可靠、耐用、安全的新型光源。为此，许 多国家都投入了大量的人力物力进行l e d 照明产品的研究开发及生产，并积极地制定了适 合各国国情的半导体照明计划，甚至还开展起了激烈的技术竞赛。伴随着l e d 应用市场盼 不断涌现，不仅带动了l e d 市场规模近年来的快速发展，也给生产商和国家带来了非常可 观的经济效益。毫无疑问，l e d 的产量成为了推进l e d 市场发展的基础前提。如何更好地 利用先进的技术来不断提高l e d 的生产效率，已经成为了许多企业关注和亟待解决的问题。 1 2l e d 晶粒自动分拣仪简介 自动分拣系统曾是二战后少数工业发达国家物流中心所广泛采用的一种物流技术。随着 工业自动化的不断进步，大至包裹、物料，小至邮件、药丸，甚至及其微小的晶粒，都已采 用了自动分拣系统。与工人相比，自动分拣系统表现出了许多优势。它不仅可以把工人从重 复繁杂的工作中解放出来，而且还能保证较高的灵活性和精度。自动分拣仪是机电一体化的 高技术产品，目前已在许多生产领域中得到了广泛的应用，它在提高劳动生产率、产品质量、 经济效益和改善工人作业条件等方面都起到了不可替代的作用。随着人类社会的不断发展， 对医药、食品和电子等轻工行业产品的需求将越来越多，对产品实施抓取和传递等的操作也 肯定必不可少。因此，根据产品类型与大小尺寸所专门研制的自动分拣系统的大范围使用， 无疑是全世界生产水平发展的必然结果。 两安t 业大学硕十学位论文 本课题设计开发的l e d 晶粒自动分拣仪，是一种把机器视觉技术和运动控制技术相结合 应用的分选仪器。它具有将l e d 晶粒( 约o 1 7 m m - l m m ) 按照已知质量等级进行分类并有 序排列放置的功能，很好地解决了由于晶粒尺寸非常微小所带来的分拣难、生产效率低等问 题。其外观如下图1 1 所示： 1 3 分拣技术简介 图1 1l e d 晶粒自动分拣仪外观图 为了提高l e d 的生产效率，l e d 晶粒自动分拣仪采用了机械手来替代人工分拣晶粒。机 械手抓取物品是一个复杂的过程，在抓取晶粒的过程中，最为关键的就是控制机械手精确地 定位到目标晶粒位置，完成抓取动作。 目前，世界上已投入使用的l e d 晶粒自动分拣系统，大多是采用基于视觉的控制系统， 与其它技术相比，它具有以下几方面的明显优势：首先，通过使用机器视觉系统，不仅能够 迅速获取大量信息，便于自动处理，而且还便于同加工控制信息及设计信息之间的集成。因 2 】绪论 此，它对于提高生产的柔性与自动化程度有着非常重要的作用；其次，即便是大部分信息丢 失，它所提供的有关周围环境的信息要更多并且更准于激光雷达和超声波所提供的信息；此 外，由于视觉的采样周期短于激光雷达和超声波，因此，相对而言视觉系统的实时性好，更 适合对l e d 晶粒的识别、定位等l l l 。正因为具有以上诸多优点，基于视觉的运动控制系统具 有广阔的发展空间和重要的研究价值。 本课题在机器视觉技术的基础上，力求设计出一套控制系统。通过视觉系统做出的质量 等级判断以及自动、准确、快速识别的晶粒位置，对机械手等被控对象自动发出相应的移位 指令，使机械手分拣l e d 晶粒实现自动化。 运动控制起源于早期的伺服控制，一般是指在复杂条件下，将预订的控制方案和规划指 令转变为所期望的机械运动。运动控制系统是实现被控机械精准的速度控制、位置控制、加 速度控制等的控制，以及对这些被控机械量的综合控制。这种技术作为自动化技术的一个分 支，是随着电驱动技术、电力电子技术、微电子技术、伺服控制技术等的不断发展，于2 0 世纪9 0 年代初开始逐渐形成的- - f 3 综合性、多学科的交叉技术1 2 】。它能够通过综合应用机械、 电力电子、微电子、信息、自动控制、传感测量、接口以及软件编程等群体技术，对运动机 械进行高性能、高精度、高可靠性、高质量、低能耗意义上的综合性系统设计与实现的工程 技术1 2 7 1 。运动控制技术正不断、迅速地深入到各个领域中，其应用范围几乎已经涵盖了所 有的工业领域。不难想象，运动控制技术之所以能够快速发展主要有两大原因：首先，得益 于计算机技术、自动控制技术、数字信号处理技术、网络技术的发展；其次，拥有庞大的市 场需求。如传统制造领域技术提升的需求，芯片制造、电子加工和新型光机电一体化设备控 制等的需求都已离不开运动控制。 随着机电一体化技术的快速发展，开放式的控制技术逐渐受到人们的关注。这种开放体 系的结构包括两种：一种是c n c + p c 主板，这种结构将主要运行非实时控制的p c 主板插入用 来完成以运动控制为主的实时控制c n c 机器中。另一种是p c + 运动控制卡，它通过在p c 机的 标准总线槽中插入运动控制卡进行实时控制 3 1 。 目前，在开放式数控系统的研究中，国外影响较大的研究计划有欧洲的自动化系统中控 制器的开放式计划，美国的n o e 与o m a c 计划，以及日本的o s e c 计划。各国均取得了非常 显著的研究成果，并且提出了一些采用闭环控制并具有高速、高精度、高安全性和高可靠性 特点的模式和方法所构建的开放式数控系统。除此之外，在控制系统的软硬件上也具备良好 的开放性。随着p c 机的迅速发展与普及，p c + 运动控制卡的位置控制装置将成为主要发展趋 势之一。由于该方式能够充分利用计算机资源，故在复杂、柔性较大的机器和设备中得到了 很好地应用。这种现代开放式的控制系统在硬件结构中提供了总线接口和通信接口，并且通 过增强浮点计算功能，提高网络通讯功能和数据处理功能以满足实时性的要求，使其具有了 高集成度和高可靠性的特点。在软件方面，开放式的控制系统为运动控制提供了开发平台， 也就是基本的开发环境与软硬件操作系统。例如基本的运动函数库，简便的编程环境、底层 的开发空间与方式、简捷的操作方式等；更为先进的系统上还提供方便快捷的程序下载器和 西安- t 业大学硕十学位论文 编译器，并有基本内部操作系统和基本安全操作系统【4 】。这样，软硬件工程师在现场工程人 员的需求指引下，便能够通过在平台上快速有效的二次开发完成对各种机器设备的控制以及 操作任务，并据此逐步形成用户应用端的高端产品。 运动控制器伴随着运动控制技术的不断进步和完善，逐渐地成为了一个独立的控制类产 品为愈来愈多的产业领域所接受，并形成了引人瞩目的市场规模。作为控制设备中的核心元 件，开放性、可靠性、通用性和高速高精度性是衡量其能否在工业界立足的关键。近年来， 运动控制类产品得到了加速发展，不断有新产品涌现。目前，主导电子市场的产品有嵌入式 结构的运动控制器，基于网络的开放式结构运动控制器，基于p c 总线的开放式结构运动控 制器等，它们都得到了极为广泛的应用。其中，基于p c 总线的运动控制器把具有开放体系 结构且独立于计算机的运动控制器与计算机相结合而构成。这种运动控制器的c p u 通常为 d s p 或微机芯片，可完成运动规划、伺服滤波控制、伺服驱动、高速实时插补和外部i o 间 的标准化通用接口功能。在d o s 或w i n d o w s 等平台下，它开放的函数库能使用户依据不同 需求对应用软件进行自行开发，从而组成各种控制系统1 5 】。目前市场上这种运动控制器已作 为了主流产品。 总之，只要要求对运动机构进行精确的位置控制，运动控制系统就不可或缺。当前，运 动控制技术作为一个专门的技术领域得到了各个国家的重视。如何通过把握国内外运动控制 技术的最新发展动态深入细致地对运动控制技术进行研究以提高运动控制技术的水平，对我 国的工业发展具有极其重要的意义，同时也是摆在我们面前的重大课题之一。 1 4l e d 晶粒分拣技术的研究意义 - l e d 因自身所固有的诸多特点，不仅能够带动环境的良性循环和科技的深入发展，同时 也带来了巨大的经济效益。据统计，目前整个电力消耗中的2 0 用于照明。因此，大大降低 照明用电成为了节省能源的重要途径。虽然许多业界研究开发的节能照明器具为实现这一目 标起到了一定的成效，但是距离我们的”绿色照明”要求还相差甚远。在这种形势下，务必需 要开发并应用更为安全、高效、可靠、耐用的新型光源。此时的l e d 便以其固有的优越性深 深地吸引着世界各国的目光。美国、日本等国家及台湾地区就l e d 的照明效益进行了预测： 若美国5 5 白炽灯和5 5 的日光灯被l e d 取代，则每年可以节省3 5 0 亿美元电费，并且每年减 少7 5 5 亿吨二氧化碳排放量；若日本1 0 0 白炽灯换成l e d ，则能够减少1 2 座核电厂发电量， 每年节省高达1 0 亿公升多的原油消耗；若台湾2 5 8 炽灯和所有日光灯被白光l e d 取代，每 年则可节省1 1 0 亿度电。实际上，日本早在1 9 9 8 年在编制”2 1 世纪计划”时针对新世纪用l e d 光源照明进行了实用性研究。近几年来，日本的丰田合成、s o n y 、日亚化工、佳友电工等 都已有l e d 照明产品相继问世。飞利浦、欧司朗、g e 等世界著名的照明公司也同样投入了 大量的人力物力进行l e d 照明产品的研究开发及生产。其中，美国的g e 公司还与e m c o r e 公司合作成立了新公司，专门开发白光l e d 来取代白炽灯、紧凑型荧光灯、汽车灯和卤钨灯。 而德国的欧司朗公司则与西门子公司合作开发l e d 照明系统。台湾自从1 9 9 8 年就开始投入6 4 1 绪论 亿台币进行l e d 的相关开发工作，目前的l e d 产量仅次于日本而列于美国之前。虽然l e d 发 展历史已有几十年，但在照明领域的应用却还是新技术。 随着l e d 技术的不断迅猛发展，其发光效率的也将逐步提高，l e d 的应用市场范围将越 来越广泛，尤其是在全球能源短缺的忧虑再度升高的大背景下，l e d 在照明市场的前景更加 备受瞩目，被业界认为是未来l o 年中最看好的市场和最大的市场，将是取代其他照明灯的最 大潜力商品。l e d 的应用领域已经从当初简单的电器指示灯、l e d 显示屏发展到l c d 背光源、 室内装饰灯、景观照明等多种领域。由于应用市场不断出现，l e d 还广泛应用于家用电器、 仪器仪表、通讯、交通、金融、贸易等各个领域。不仅带动了l e d 市场规模的快速发展，而 且带来了非常可观的经济效益。仅2 0 0 5 年l e d 在中国的产量已达2 6 2 1 亿只，市场规模则突 破百亿元的大关达至11 4 9 亿元。 近年来，世界上各个国家就l e d 的研究与应用这方面展开了激烈的技术竞赛。从2 0 0 0 年起，美国投资5 亿美元实施“国家半导体照明计划”。2 0 0 0 年7 月，欧盟则也宣布启动类似 的计划。2 0 0 3 年6 月，中国也在“8 6 3 ”计划的支持下首次提出了发展半导体照明计划。2 0 0 9 年4 月，阿拉丁照明网邀请国内权威专家在深圳举办了“大热背后的理性呼唤一0 0 9 年 l e d 应用产品成果与趋势研讨会”，在研讨会上为l e d 照明企业、设计师及终端业主一起分 享了高水平的智慧成果，最终为行业贡献了一场高、精、深的专业技术研讨。 据此可以看出，如何应用现有的先进电子技术来满足l e d 的巨大市场需求，对于研发 l e d 应用产品和整个电子市场具有十分重要的意义。 本课题正是针对l e d 晶粒生产过程中的分拣技术进行了具体深入的研究，它对于解决 由于晶粒非常微小所带来的分拣难、生产效率低等问题有着极其重要的意义。由于分拣仪采 用运动控制技术中“p c + 运动控制器”这一新型开放式数控系统，不仅具有信息处理能力强、 开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且还在很大程度上提高了现有加工制 造的精度、柔性和应付市场需求的能力1 6 1 。因此，本课题研究成果的推广应用，对于研制具 有自主知识产权的l e d 分拣设备，发展我国的民族半导体装备工业具有重要的意义。同时， l e d 晶粒分拣技术的推广使用性强，还可应用于l e d 晶粒的测试、封装等其它生产环节中， 这对于建立一套高速，高精度的l e d 自动生产设备起到重要作用。 1 5 国内外研究现状 进入2 1 世纪，发达国家把装备制造业置于更为优先发展的重要地位，不仅体现在装备 制造业占本国工业总量的比重、资本累积、就业贡献等指标上均居前列，更体现在装备制造 业为新技术、新工艺、新产品的开发、设计和生产提供了重要的物质基础。装备制造业的发 展水平直接影响其它产业的竞争力，决定着各国现代化的进程。 随着计算机控制技术与机器视觉技术的进步，l e d 分拣机自动化程度不断提高，正在向 高速、高精度和智能化方向发展。随着国家半导体照明工程的不断起步，国内芯片设备的巨 大需求又再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，世界各大半导体设备生产商均意识 两安工业大学硕士学位论文 到了半导体照明市场的巨大前景，并积极投入人力物力开发相应的l e d 生产设备。 在国外，l e d 分拣设备已具备了先进的水平，可达到每秒钟分拣3 4 次，运动精度也可 达n o 5 u m 。由于他们拥有雄厚的技术力量和基础，因此在我国的大多数市场中占有主导地 位，尤其是关键设备方面甚至可以说是垄断。 而我国在该领域的研究尚处于起步阶段，虽然进行了相关的研究，但仍没有相应的成品 出现，所以在实际生产中整个设备都是采用进口的。目前，我国的l e d 生产厂家多采用台湾 地区的分拣装置，每秒可执行3 次分拣动作。 1 6 本章小结 本章首先通过自动分拣系统对分拣物体所带来的高效性、便利性引出了研究l e d 晶粒 自动分拣仪的必要，同时对该设备进行了简要介绍。l e d 晶粒自动分拣设备是由机器视觉 技术和运动控制技术共同配合完成，其中的运动控制系统是本课题的主要研究内容，因此对 其起源、应用范围和发展趋势等进行了大体的介绍。然后，通过对l e d 晶粒在照明等领域 所带来的环境效益和经济效益，以及各国对于l e d 应用产品研发的持续热情，进一步说明 了自动分拣技术作为l e d 生产环节之一对于提高其产量的重要意义。最后l e d 自动分拣设 备的国内外研究现状进行了介绍。 6 2 分拣方案设计 2 1 引言 2 分拣方案设计 l e d 晶粒自动分拣仪是在分拣平台的基础上，通过视觉系统和控制系统的紧密协作实现 抓取和放置晶粒任务的。其中，分拣控制技术是本课题研究的主要内容。机械手作为设备的 主要元件之一，它在控制系统中的运动方式极其重要。因为，其抓取和放置晶粒的方式直接 决定了系统中其它元件的运动方式，而整个运动过程又对于系统研究方案的确定具有重要的 意义。因此，机械手是以何种运动方式抓取和放置晶粒是必须经过仔细考虑后进行选择的。 2 2 系统组成 l e d 晶粒自动分拣仪由分拣平台、视觉系统和控制系统3 部分组成。 2 2 1 分拣平台 该仪器的分拣平台由p p t 、w a f e rt a b l e 、b i nt a b l e 、n e e d l e 、吸嘴和2 个c c d 组成，其 结构如下图2 1 所示。它主要用于完成抓取l e d 晶粒，并按相应等级和次序将其放置的任务。 图2 】l e d 晶粒自动分拣仪的结构图 p p t - 机械手，用于抓取和放置晶粒，其末端上带有吸嘴。 w a f e rt a b l e ：放置晶粒的圆盘。 b i nt a b l e ：可分割成多个置晶区域的载晶台。 n e e d l e ：顶针，用于项起所要分拣的晶粒。 a f e rt a b l e 西安工业大学硕+ 学位论文 为了准确实现晶粒的抓取和放置任务，还安装有2 个c c d 相机。其中，c c d l 位于w a f e r t a b l e 的上方，c c d 2 则位于b i nt a b l e 的上方。 2 2 2 视觉系统 视觉系统主要由2 个c c d 和安装在主控计算机上的图像采集卡组成。如图2 2 所示， 摄像机的图像信息通过视频电缆线传送到图像采集卡上，进而对c c d 输出的视频信号进行 采集。而主控计算机通过处理图像采集卡所配置的软件，将摄像机传来的模拟图像转化为数 字图像。其中，c c d l 通过定位w a f e rt a b l e 上待分拣晶粒的位置，提供目标物的坐标数据， 便于p p t 每次能准确地分拣晶粒；c c d 2 则可以经图像采集后显示b i nt a b l e 中己分拣晶粒 的放置图像，查看其摆放情况。 w a f e rt a b l e 一壁坠 一- 了) 一i 磊虿叵 晶粒图像一 图2 2 视觉系统结构图 b i nt a b l e 2 2 3 控制系统 在l e d 晶粒自动分拣仪中，控制系统主要用于实现机械平台中元件的运动。由于每个 执行电机单独控制某一个方向的运动。因此，在进行控制系统设计时，首先应根据研究方案 确定系统中所有被控对象总的运动方向数目，然后由此确定所需的运动控制卡的类型和电机 数目。实际应用中，通常的控制系统由主控制器，运动控制器，驱动器，电机，起反馈作用 的传感器，加上一些传动机械系统部件组成。如下图2 3 所示： 图2 3 控制系统结构图 8 2 分拣方案设计 其控制原理为：主控制器向运动控制卡发送相应的速度、位置指令，运动控制卡接受指 令并将其转换为脉冲信号传递给驱动器，其中脉冲信号的频率决定了电机的旋转速度，这样 通过改变脉冲的频率便能满足运动过程中对于不同速率的需求。同时，在应用程序中通过控 制脉冲的个数可以实现对电机中传动元件位移的控制，也就间接地控制了被控对象的位移。 驱动器接受脉冲信号后，便作为系统的执行元件把驱动线路的电信号转换为机械运动，提供 电机功率使得电机做旋转运动，最终利用电机中的传动元件带动相应的被控对象运动f 7 】。反 馈传感器在系统中用于检测电机的位置，并将结果告知控制器，以形成闭环控制。 其中，运动控制卡是控制系统的核心元件，能方便地实现对一个或多个电机的控制。它 不需要进行复杂的硬件和控制算法设计，而只要考虑上层的软件管理和机械结构的设计。因 此，使用运动控制卡在开发新项目时具有非常高的效率。 电机是系统组成中非常关键的组成部件。它对于提高随动系统的精度和快速性起着重要 的作用。控制系统的运动精度，静态特性和动态特性均与该系统的伺服电机性能有直接的关 系。对电机的选择不同，运动控制系统的性能会有所差异。因此，必须按照具体的设计要求 选择合适类型的执行电机。 在传动元件中，广为使用的有谐波齿轮和滚珠丝杠这两种。谐波齿轮传动具有结构简单、 体积小、传动比大、相对滑动速度低和运动精度高等特点，现在已广泛应用于航空、航天技 术、电子工业、机床工业、军事工业、电动工具以及电动车辆等领域。但由于其存在齿轮间 隙，使得电机正反转过程中的精确位置要求难以实现。滚珠丝杠是一种在机器人的直线移动 关节中常用的器件。这种传动方式具有摩擦阻力小、运动响应速度快、传动效率高和传动运 转平稳等优点，并能有效地消除传动间隙和低速运动时的爬行现象。但由于价格较高，被广 泛应用于要求较高的数控传动系统中。 2 3 分拣方案设计 l e d 晶粒自动分拣仪的工作过程为：根据w a f e r 上晶粒的质量等级整体分布图，调整 w a f e r 的位置，使摄像头对准晶粒质量等级相同的局部区域，经图像识别与判断之后确定分 拣的目标晶粒，并将该晶粒的位置调整到摄像头c c d l 的中心，即n e e d l e 的正上方。这时， 系统已完成了p p t 抓取晶粒前的所有工作，等待抓取。然后令p p t 运动，使其上面的吸嘴 准确地运动到目标晶粒的正上方，保证吸嘴、顶针及c c d l 的中心位置正好在一条垂直直线 上。在吸嘴向下运动吸取晶粒的同时，n e e d l e 向上顶起目标晶粒。同时，依据该目标晶粒的 已知质量等级，相应级别的b i nt a b l e 运动到p p t 指定的放置位置，p p t 完成放置任务后便 又开始进行下一次的分拣。 下图2 4 所示为l e d 晶粒的分拣过程示意。 9 西安工业大学硕十学位论文 图2 4l e d 晶粒分拣过程示意 2 2 1p p t 的运动 作为抓取和放置晶粒的核心元件，p p t 具有两个自由度，并可实现一定范围内水平方向 上的摆动以及垂直方向的运动。在分拣晶粒的过程中，它可以选择不同的运动方式：一种是 只有p p t 被控运动，它负责每次抓取不同位置上的晶粒，并且将其放置于不同的位置；另 一种是p p t 在w a f e rt a b l e 、b i nt a b l e 和n e e d l e 的配合下完成整个分拣过程。从形式上看， 前者的被控对象只有一个，而后者较多。但是从运动的复杂程度上看，前者p p t 的运动形 式太过复杂，每次分拣时所需的位移量都不同且需要计算两次的位移量，因此需要处理的数 据多容易出错，不符合高速高精度的设计目的。后者虽然被控对象多，但是每个对象的运动 形式简单，并且过程容易快速实现。 因此，在本课题中，p p t 采用固定点到固定点的运动方式。在该方式下，p p t 可设定一 个初始位置，当不需进行分拣时可停于此处，而进行晶粒的分拣动作时，先从此初始位置运 动到c c d l 中心抓取晶粒，再运动到c c d 2 中心放置晶粒，最后回到初始位置。 不难看出：在此分拣过程中，p p t 的运动包括从w a f e r t a b l e 到b i n t a b l e 之间的点到点 运动和抓取放置晶粒的动作，故p p t 有2 个控制轴，包括p p tx 轴上的水平摆动和p p tz 轴上垂直方向的升降。下图2 5 所示为p p t 的运动分解示意图。 l l p p tz 辘： ， p p tx 辕 图2 5p p t 的运动分解示意图 1 0 2 分拣方案设计 2 2 2w a r e r 的运动 w a f e rt a b l e 是一个直径为1 1 7 m m 的圆盘，它上面放置着需要分拣的整张l e d 晶粒蓝膜。 p p t 每次都会在w a f e rt a b l e 上完成抓取l e d 晶粒的动作。根据前面p p t 的运动方式可以看 出：每次抓取晶粒时，它都需要将每个目标晶粒移动到c c d i 中心，即p p t 抓取晶粒的固 定点处。由于w 疵rt a b l e 的高度是固定的，因此w a f e r 需要通过前后、左右方向的平动将 目标晶粒调整到摄像头的中心位置，而有些晶粒虽然在c c d 的中心但存在角度上的偏离， 为了能够摆正晶粒的位置，还需要w a f e r 可以进行任意角度的旋转，故w a f e rt a b l e 包括三 个控制轴，在w a f e rx 轴和w a f e ry 垂直轴所在平面上的移动，以及w a f e ro 轴上的旋转。 下图2 6 所示为w a f e r 的运动分解示意图。 磺漱y 辙产 ，一、w a t b r o ， 一一 、 、 ，、 ， 、 、 、 、 、 i l 一一- w a f e r x 轴 图2 6w a f e r 的运动分解示意 2 2 3b i n 的运动 b i nt a b l e 用于放置分拣后晶粒。它分为若干个相同大小的矩形块，称为b i n 。在此规格 下，它共有4 8 个b i n ，每个b i n 的面积为4 8 m m x 4 0 m m 。这样，不同质量等级的晶粒就可 以被有序地放置在不同的区域中。并且，每个b i n 上放置有粘膜，待每个b i n 中的晶粒放置 满后，便可得到整张同质量等级的晶粒，非常方便。 b i n t a b l e 的高度因为是可以设为固定值的，所以只需要通过平面上的移动放置晶粒，它 包括b i n x 和b i n y 这2 个相互垂直的控制轴。 下图2 7 所示为b i nt a b l e 的运动分解示意图。 两安工业大学硕士学位论文 b i ny 辘 一一- 一一 2 2 4n e e d l e 的运动 图2 7b i nt a b l e 的运动分解示意图 n e e d l e 是位于w a f e rt a b l e 下方的顶针。它主要用于顶起蓝膜上的晶粒，以协助p p t 上 的吸嘴更加准确容易地吸取晶粒。待其使用磨损后，还可换上新的顶针取代。 由于n e e d l e 只有顶起晶粒的动作，故只在n e e d l e 轴上有垂直方向的升降。下图所示2 8 为n e e d l e 的运动分解示意图。 簟 n e e d l c 辘i l l l l i l l 圈 图2 8n e e d l e 的运动分解示意图 2 4 自动分拣仪的功能及总体性能要求 ，l e d 晶粒自动分拣设备是光机电一体化的高科技产品。它将视觉系统，控制系统和机械 平台有机地结合起来，组成了一套能够自动分拣晶粒的系统。根据本课题中所确定的控制系 统方案，要求设计的l e d 晶粒自动分拣设备能够完成以下任务：