（机械电子工程专业论文）磁头浮动块自动化装配系统的研究与设计.pdf

摘要 信息产业的快速发展推动着相关硬件产品的不断发展。硬盘作为存储数 据的主要设备，需求量不断增大。当前生产硬盘的主要方式还是以手工为 主。手工生产中众多不可避免的因素使得生产的效率、产品的安全等受到极 大影响。手工操作速度大大限制了生产的效率。装配人员对产品的接触也增 大了静电对产品质量的影响，同时也使得环境的洁净度大大降低。为了满足 市场的需要，硬盘生产的自动化成为必要。 本文对半自动硬盘生产线中的s l i d e r ( 磁头前面的浮动块) 粘贴工位进 行了研发。该系统主要由运动控制模块、图像处理模块、数据模块等组成， 主要研究内容如下： 1 研究了s l i d e r 粘贴工位的电气系统、图像处理系统及软件控制系 统。 2 给出了s l i d e r 粘贴设备的机械设计方案，包括s l i d e r 的装载、移 动、粘贴等机构的设计原理。 3 研究了高精度的运动控制系统，由于系统要求的粘贴精度比较高， 只有o 0 2 5 m m ，因此本系统采用了高精度的运动控制设备实现整个机电伺服 系统的各个传动轴及输入输出信号的控制。 4 采用了图像处理的方案实现精密元件s l i d e r 的粘贴系统，提高了粘 贴精度，大大减小了系统的复杂程度，同时也降低了成本。给出了系统的软 件控制流程，实现了多线程控制。 本文所研究的自动粘贴系统安全、稳定、高速地完成s l i d e r 粘贴工 作，完全满足客户在速度、e s d 、洁净度方面的要求，并已经正式应用于生 产过程中。 关键词h g a ；自动化封装：图像处理 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi ti n d u s t r y t h ep r o “c t sr e q u i r e m e n tf o rd a t as a v i n g e q u i p m e n t ，s u c ha sh d d ，i sm o r ea n dm o r ee n l a r g e d b u tt h ea s s e m b l yo fh d d i sm o s t l ym a n u a ln o w m a n yi n e v i t a b l ef a c t o r so fm a n u a l 叩e r a t i n gg r e a t l ya f f c c t t h ep f o d u c i n ge 伍c i e n c ya n dt h ep r o d u c t sq u a n t yt h ep r o b h 瑚o fe s di s i n t r o d u c e di n t ot h ep r o d u c t i o np m c e s s a tt h es a m et i m e ， m a n u a la s s e m b l y d e c r e a s e sc l e a n n e s so fe n v i r o n m e n t a l t h u s ，t h ea u t o m a t i o na s s e m b l yo ft h e h d d p r o d u c t i o ni sm o r ea l l dm o r en e c e s s a r y i nt h i sp a p e rt h es “d e rb o n d i n gw o r kc e i ii ss t u d i e d t h es y s t e mi sm a i n l y m a d eu po f m o t i o nc o n t r 0 1m o d u l e ，i m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea i l dd a t ap r o c e s s i n g m o d u l e t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sd e s c r i b e da sf 1 0 1 l o w s ： 1 t h ee l e c t r i c a ls y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e ma n ds o r w a r ec o n t r o ls y s t e m o fm es l i d e rb o n d i n ga r er e s e a r c h e d 2 t h es c h e m eo ft h em e c h a n i c a ls y s t e mo ft h es l i d e rb o n d i n gs y s t e mi sg i v e n ， i n c l u d i n gm ep r i n c i p l eo f m a c h i n e so f t h eu p l o a d ，m o v i n g ，b o n d i n go fs l i d e r 3 t h eh i g hp r e c i s i o nm o t i o nc o n t m ls y s t e mi sr e s e a r c h e d ，b e c a u s eo f t h eh i g h p r e c i s i o nr e q u i r e m e n ti nt h em o t i o nc o n t r 0 1m o d u l e ，o n l y0 0 2 5 m m ，t h es y s t e m u s e st h eh i 曲p r e c i s i o nm o t i o nc o m r 0 1 l e r t oc o n t r o le a c ha x i sa 1 1 dt h ei os i 印a l s 4 t h eb o n d i n gs y s t e mo fs l i d e ri si m p l e m e n t e db yu s i n gt h ei m a g ep r o c e s s i n g t h eb o n d i n gp r e c i s i o ni si m p r o v e d t h ec o m p l e x i t yo fc o m r o ls y s t e m 觚dt h e c o s ta r er e d u c e d t h ep r o f a mo fc o n t r 0 1s y s t e mi sc o m p l e t e db yu s i n gt h em u l t i - t b r e a dc o n t r 0 1 ， t h ea u t o m a t i o nb o n d i n gs y s t e ms t u d i e di n t h i sp 印e rc a ns a t i s f y 恤e r e q u i r e m e n to fs p e e da n dp r e c i s i o n t h i ss y s t e mh a sb e e nu s e di nm ep r o d u c t i o n l j n e k e y w o r d s h g a ；a u t o m a t i o np a c k a 百n g ；i m a g ep r o c e s s i n g i i 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 随着科学技术的飞速发展，制造业与信息技术都有了长足的进步，具体 体现在我所作的课题方面，就是主要集中在计算机的硬盘制造方面。早期的 硬盘体积大，容量小，随着制造方法的不断改进，在相同体积的磁盘上容纳 更多的数据也就成为了现实。同时由于计算机的不断普及，市场对大容量、 高性能、低成本的计算机硬盘驱动器需求量也不断加大，因此也使硬盘驱动 器制造商们对硬盘的制造与装配的质量与效率提出了更高的要求。现有的硬 盘组装生产线已无法满足当前的需求。本课题来源于深圳开发科技股份有限 公司正着手开发设计的某品牌的2 5 寸的笔记本硬盘的半自动组装线。本课 题针对的设备是此生产线中的一个工位。本工位主要是把硬盘磁头前面的浮 动块( s l i d e r ) 安装到硬盘弹性臂上面。其具体过程是在前一道工序把胶已经点 到弹性臂的基础上，抓取s l i d e r ，并在视觉系统的帮助下，精确找到s l i d e r 的粘贴位置，然后用u v 光烘干使其粘贴牢固，完成s l i d e r 的粘贴工作。 1 1 2 研究的目的及意义 本生产线是应某公司的要求，为了提高硬盘组装的效率，同时减少因人 为因素引起的硬盘质量问题而在原有的手动生产线的基础上进行设计开发 的。原生产线以手动安装为主，生产效率受到了极大的限制，同时也因为操 作人员的过多参与给产品的质量保证也带来了极大的困难。鉴于以上种种原 因，手动装配线已经很难满足客户在硬盘驱动器的产量与质量上的要求，增 加了产品的生产成本。同时，客户也对影响装配过程和最终的产品质量的各 种因素提出了更高的要求。其中比较具体的要求，例如装配环境的洁净度要 求，也是以前的技术水平所无法达到的。而现在，可以设计出先进的自动化 设备来提高产品的生产率，同时产品的质量也能达到客户所提出的要求。自 动生产线的设计完成将大大减少生产中对生产工人的需要数量并大大提高工 厂的生产能力，实现企业利润的进一步增长，同时也将充分满足客户的需 求。 产商代工生产可知，其生产能力已经达到世界先进水平。由于国内的劳动力 成本比较低廉，所以，在硬盘组装生产线中大量加入装配人员的操作是有其 合理性的，这也正是国外厂商把硬盘驱动器的组装放在中国的根本原因。所 以，综上所述，国内的硬盘生产还是以人机结合、手动装配为主的方式。只 在定位精度高，装配速度快的工位采用精密机械实现，而在一些装配精度不 高、人为产生的影响小以及柔性较大的工位采用人工手动操作。 针对本工位而言，以前的设计，也就是现在正在使用的装备基本是由手 动装配完成。当然也就因为如此，使生产效率与生产要求受到了极大的限 制。现在，由于生产要求的迸一步提高，已经使生产线的升级换代成为必 然。其中，高性能、多功能、简单易用的视像系统使得s l i d e r 的定位很容 易实现。操作简便、功能强大的可视化界面编程使得整个控制系统得到进一 步的简化。高精度的执行机构在控制功能更为强大的控制器的控制下，只要 接受很简单的外部信号就可以完成很复杂的动作。高性能工控机的应用也使 得整个系统功能更强大、性能更稳定、反应更敏捷。而离子风机、无尘机构 等设备的应用也将使装配环境更加安全、清洁。 1 2 2 国内外在微电子自动化封装关键技术的研究状况 本课题涉及到的主要的领域是微电子自动化封装【。3 】与图像处理系统。 随着i c 器件尺寸的不断缩小和运行速度的不断提高，使工业界越来越清楚 地认识到，组装和封装是半导体工业最基本的、不可或缺的组成部分，在很 多产品市场中，封装技术已成为一个极为关键的竞争因素，它对于运行频 率、功耗、复杂性、可靠性和成本都有十分重大的影响。微电子封装自问世 后的约3 0 年中，先后经历过三次重大的技术转变。第一次发生在2 0 世纪 7 0 年代中期，由以d i p 为代表的针脚插入型转变为以q f p 为代表，由周边 引出i 0 端子为其主要特征的表面粘贴型；第二次发生在9 0 年代初期，其 标志是球栅阵列端子b g a 型封装的出现；第三次发生在新世纪初，多芯片系 统封装s i p ( s y s t e mi nap a c k a g e ) 的出现使得微电子技术以及封装技术进 入了一个全新的时代。 目前的主流技术集中在b g a 、c s p 以及小节距的q f p 等先进封装技术方 面，并正在进一步向三位封装( 埋置型三维封装、有源基板型三维封装、叠 层型三维封装) 和系统封装( 系统级芯片、系统级封装) 方向发展。系统封 装( s i p ) 从以存储器为中心的m c p ( m u l t ic h i pp a c k a g e ) 逐渐向存储器与逻 辑元件混载的s i p 进展，经历了从t s o p 、叠层型m c p 、多级型m c p 到逻辑元 件与存储器混载的发展过程。s i p 与s o c 比较，s i p 可缩短开发供货期，降 低开发费用，及时引入市场，可以用现有芯片，而且设计灵活度大，易于满 足不同的应用要求等。s i p 将把s o c 器件和其它非硅元件一起封入一个封装 之内。现在，芯片叠层或硅圆片叠层的s i p 已成为各公司的开发重点。由于 其系统集成优势，s i p 成为成长最快的领域。国外封装业的发展趋势可从以 下几个方面来阐述： ( 1 ) 一部分c s p 实现标准化，将标准化的c s p 投入规模生产； ( 2 ) 建立e s p 封装产业，形成与材料、装配、测试以及安装在板上等有 关的基础工业： ( 3 ) f c 芯片在无线应用、便携通讯、智能产品、汽车电子、显示驱动等 领域的应用越来越广泛，进一步发展f c 封装技术和相关的基础产业； ( 4 ) 深入开发w l p 技术，并建立相应的产业； ( 5 ) 无铅绿色封装，欧盟已规定了2 0 0 6 年7 月1 日为最后执行期，到 2 0 0 5 年7 月1 日，所有的电子产品均要实现无铅化绿色环保封装要求； ( 6 ) 微机械系统( m e m s ) 封装，未来的封装会将m e m s 、传感器、光学器件 集成在半导体子系统中。 在国内，随着半导体产业的快速发展，越来越多的半导体巨头把重点转 移到中国来，特别经过2 0 0 3 年全球半导体市场的逐步回暖之后，2 0 0 5 年又 迎来新一轮的增长高峰，几乎所有的全球半导体大厂都纷纷加强中国业务， 开始在中国“封装”财富。我国微电子封装发展呈如下特点： ( 1 ) 近年来我们微电子产业的产量和销售收入持续增长。2 0 0 0 年我国封 装电路5 6 亿块，销售收入突破了1 3 0 亿元。2 0 0 3 年为1 3 4 1 亿块，实现销 售收入3 5 1 4 亿元。 ( 2 ) 国内封装业的主流产品为p q f p 、p s o p 、p d i p ，近年来p q f p 、p s o p 迅速发展，p d i p 逐渐呈下降趋势。三资企业以p q f p 狿q f p 、p s o p 、p d i p ，近年来p q f p 、p s o p迅速发展， pdip逐渐呈下降趋势。三资企业以pqfp、psop和pbga为主。( 3 ) 三资 企业占主导地位，国有封装企业已步入良性循环，并在发展壮大。封装测 试是芯片行业中劳动相对密集的环节，其建设投资远远低于芯片加工厂 ，使整个半导体产业价值链中比较容易进入的领域，具有人力、资金需求较 高和技术门槛相对较低的特性，但由于国内的技术层次较低，与国外 大而不强，其根本原因就是作为电子信息产业基础电子元器件和集成电路产 业发展滞后，特别是半导体和集成电路制造业与国外先进水平差距很大。 1 3 本课题的主要研究内容 本文主要针对硬盘生产线中的s l i d e r ( 磁头前面的浮动块) 粘贴工位自 动化封装设备，进行了系统设计及研发，使其满足精度、速度、可靠性等方 面的要求。主要研究内容包括以下几个部分： 1 对视觉系统引导的硬盘s l i d e r 安装的研究现状与发展的简单介绍， 明确背景知识与设备选型根据。 2 系统总体结构的设计，包括总体的控制流程，外围电路的设计，控 制部件的选取和总体布局等。 3 控制系统的设计与实施，包括控制方案的设计，i o 接口信号分 配，控制程序的设计与调试。 4 控制软件的设计，包括用图像处理的知识对s l i d e r 进行定位和粘 贴，控制系统中多线程的研究和使用。 5 整个系统的试验研究，通过对产品的各种数据的采集和分析，进一 步对系统进行优化。 第2 章自动粘贴系统总体设计 地扩大了记录媒体上的存储容量。 图2 2g m r 磁头示意图例 f i g 2 - 2c o n s t m c t i o no fg m r s l i d e r 【5 】 2 1 2 硬盘的组装 硬盘在组装的过程中，有几个很重要的过程；把磁头折片组合 ( h g a ) ，磁头臂软线电路板组合( a 衄f l e x c a b l ea s s e m b ly a 队) ，轴承 ( b e a r i n g ) 组装成磁头臂组合( h s a ) ，如图2 3 所示。 由集成磁块( 竹a f e r ) 通过切割、涂胶、离子蚀刻、清洗等一系列工 序，最后切成h g a 前端粒状的磁头( s l i d e r ) ，它是硬盘读写过程中最主要 的部件。由图2 2 即可看到磁头的大体形状。 一个磁头的外形尺寸( 长度、宽度、高度) 是规格化的，通常称外型 为：4 0 6 4 m m 3 1 8 6 唧0 8 7 l m m 的磁头为1 0 0 标准磁头，5 0 的磁头外 形尺寸是将1 0 0 磁头长度、宽度、厚度各乘以5 0 ，3 0 磁头外形尺寸是 将1 0 0 磁头长度、宽度、高度( 厚度) 各乘以3 0 ，现在市场上更多的是 3 0 的磁头。磁头之所以能够平稳的飞行于磁碟碟面上，就是利用气垫面的 设计，让磁碟片转动时所带动的气流形成一层气垫将磁头浮起。 图2 3 硬盘中h s a 部分组装示意图【5 f i g2 - 3a s s e m b l yo fh a s 2 1 3 硬盘的工作过程 与其它磁记录设备相同，硬盘是通过磁头对磁记录介质的读写来存取信 息的，而与其它磁记录不同的是：由于马达驱动的硬盘碟片以每分钟数千甚 至上万转的速度转动，其带动的气流高速运动产生的浮力使磁头工作，实际 上是悬浮在碟片上面。磁头工作时，磁头和磁碟之间的距离称为飞行高度 ( f l y i n gh e i 曲t ，f h ) ，现在的f h 大约为2 5 4 u m 以下，最小只有1 2 7 u m 。 其大致的示意图如图2 4 所示。 由于最初s l i d e r 和弹性臂( a r m ) 是分离的，是单独的两个部件，为了 将两个部件组合在一起，即把s l i d e r 和a r m 组成一个完整的部件( h g a ) ， 需要将s l i d e r 放在a r m 的前端，又由于磁碟在工作时运转的速度非常快， 对s l i d e r 就会有个横向力，所以在将s l i d e r 和a r m 组合在一起的时候就要 非常牢固，使其不至于脱落下来，如果脱落下来，整个硬盘就要报废了。当 然了，要想固定的比较牢固用机械的方法( 比如用“螺钉”紧固) 是比较 好，但s l i d e r 是非常小而且非常灵敏、脆弱的元器件，所以这样做显然是 不太实际的。通常在现代的硬盘磁头的生产中，都是将s l i d e r 粘贴在a r m 第2 章自动粘贴系统总体设计 上面的。 图2 4 硬盘中s l i d e r 和a r m 位置示意图 f 培2 - 4 t h es l i d e ra n da r h lo f h d d 在前几年自动化程度还不是很普遍的时候，安装s l i d e r 都是手工操作 的，虽然这种方法对较大浮动块( 如n a n o 、p i c o 浮动块) 的安装还是可行 的，但随着硬盘容量越来越大，浮动块制造的越来越小( 如f e m t o 浮动 块) ，这就导致了上述安装方法很难保证浮动块的安装精度。另外，随着硬 盘技术的发展，硬盘制造商不但对磁头的安装精度方面要求很高，而且对其 安装环境( 安装污染、e s d 【6 7 】等方面) 要求更高，这就使依靠工装的手动安 装浮动块的方法很难满足要求，并且由于硬盘的更新换代速度很快，使手动 安装浮动块的方法也很难适应。研究的此系统就是将s d e r 自动粘贴到 a r m 上，提高安装的精度和效率。 2 2 系统设计的技术要求与总体方案选择 由于本系统是手动生产线的升级版，技术要求主要是针对速度、e s d 、 洁净度等方面。由于现在的生产还主要以手动操作为主，效率低下，主要的 工作由工人手动完成，这对于产品的质量稳定性很难保证。又由于手工操作 失误而损伤工件也在所难免，这也增加了产品的不合格率。应以上要求，本 系统完成工作的周期应限制在7 0 7 5 秒之间。同时应满足防静电和无尘度 方面的要求。 如前所述，根据系统设计的应用背景和功能要求，现在可以对系统的总 体方案进行设计。大体上说，本系统在控制功能和复杂性方面应该说是中小 型系统，但它本身还牵扯到以后进行功能扩展和联网的问题，所以在综合考 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 虑成本和实现难易程度以及可操作性等各个方面因素后，决定选择工控机、 运动控制器相结合的总体解决方案。 其主要工作过程为：在把h g a 放到机器上面进行粘贴s l i d e r 之前，已 经在每个h g a 上要粘贴s l i d e r 的地方点上胶了，以便于s l i d e r 的粘贴。而 在h g a 的下面有个c c d ，当机器开始运行的时候，驱动h g a 的马达将第 一个h g a 移动到c c d 上面，然后c c d 抓取h g a 的图像，找到其d i m p l e 点作为基准点。吸嘴伺服马达驱动吸嘴到s l i d e r 料盒处吸取一个s l i d e r ，然 后移动到推正片处，这时推正片推正吸附在吸嘴上面的s l i d e r ，使其角度在 一个粘贴所能承受的范围内( 理想角度为。度) ，此系统所要求的角度的范 围为1o 。在推正片的下面还有一个c c d ，当推正片推正完s l i d e r 后，推 正片下面的c c d 开始抓取s l i d e r 的图像，然后利用图像处理的知识找到 s l i d e r 的基准边，再根据先前找到的h g a 的d i m p l e 点，计算出吸嘴伺服马 达和h g a 马达要移动的距离，然后两个电机根据计算出的距离分别移动相 应的距离，把s l i d e r 粘贴到h g a 上。当两个马达到达适当的位置后，这时 吸嘴下移，把s l i d e r 放到h g a 上面，在放的同时，为了粘贴的更牢固，这 时要用u v 光来进行固化，固化的时间根据胶的多少、产品的要求来定。当 固化好后，吸嘴上移，然后吸嘴马达再到达s l j d e f 料盒处吸取下一个s l i de r ， h g a 马达也要移动两个h g a 之间的距离，使下一个h g a 到达c c d 上 面，以便下一个循环的开始。 上面只是简单的介绍了一下此系统的工作过程，更详细的过程及其相关 的知识后面各个部分介绍时再做详细研究。 2 3 机械系统设计 本系统的机械系统部分主要是由弹性臂进给机构、吸头移动机构、浮动 块进给机构以及底板等几部分组成。 1 ，弹性臂进给机构 每个工装可以放置1 0 个h g a ，装上h g a 后的工装如图2 5 所示。该机 构的主要功能是在s l i d e r 的粘贴过程中能让每个h g a 相继移动到粘贴的位 置，从而对每h g a 粘贴s l i d e r 。经比较，选用了日本 l i s u m i 的精密滚柱导 轨和丝杠，p a n a s o n i c 伺服电机控制驱动等方式，来保证该机构运行时的可 靠性和精度。此外还设计出了三方向u v 光照射机构，保证了短时间照射时 的光强度。为了防止u v 光照射到相邻已点上胶的弹性臂上( 在装浮动块之 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 吸头移动机构 吸头的作用是将方料中的浮动块吸取出来， 然后移动到推正片位置， 让推f 片进行推正，c c d 再进行取图像，然后再根据图像处理搿辑蟒；州 稀琴斋稼彝蓑奏囊褂需坦皱鞘苦：裔薹灞功噬型酒犯咭嚯唯，垡锚薷摧迄 滢j # 裂搿刽引掣是热型基雾善残剽；非摊翳殂裂骷州弼舜篓里i 囊耄 墓霎墓杂葡军素缘革喜圣囊稍许毒磊国强制子系统主要实现以下基本功能 ： 1 控制方式分为手动方式和自动方式。手动方式主要是用于机器调 试、故障恢复与维护。在正常工作的情况下，则采用自动方式。 2 紧急停止功能。由于整个系统各个动作相关性较强，一旦发生紧急 情况不能简单的停电和停气。否则可能对机器部件和操作者造成伤害。所 以，当急停按钮按下后，各执行机构应按要求停在或回到指定位置。 3 异常处理功能。在运行过程中，当各种意外情况发生时，能进行适 当处理。 4 安全保障与互锁功能而且各个动作要相 x 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 互协调，所以要作好安全保障与互锁。 2 4 2 控制系统总体结构设计 在前面已经说明，本系统是以工控机作为上位机，与运动控制器及相关 执行信号测量机构之间通信控制的控制结构。工控机主要是进行参数的修改 与设定、在线监视、传送信息、图像处理等工作。由于整个控制系统是建立 在众多的软、硬件基础上的，各种控制器的初始参数的设定大部分要通过接 口软件在微机上来完成。在运行期间，工控机通过对控制器发出触发信号进 行对各个输入输出信号进行控制，同时也作为人机接口，以完成调试工作。 图像处理是工控机的主要任务。图像采集系统采集到的图像经过图像处理软 件处理后转换为可以利用的数据。同时图像也可显示在显示器上，以便于监 控。完成的控制系统结构见图2 一l o 。 图2 一l o 控制系统示意图 f i g 2 1 0s t r u c t l l r eo f e l e e t r i cc o n t r 0 1s y s t e m 2 4 3 系统工作流程设计 开机之前，系统应该处于初始状态，即：料盒应在吸嘴能吸到s l i d e r 的初始位置，放h g a 的工装应处于第一个h g a 的位置。一个完整的循环过程 如图2 一l l 。从系统流程图中可以看到最初的设计思想得到很好的体现，即 用多线程来控制整个系统，这样当在系统处理h g a 图像时可以同时控制 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 互协调，所以要作好安全保障与互锁。 2 4 2 控制系统总体结构设计 在前面已经说明，本系统是以工控机作为上位机，与运动控制器及相关 执行信号测量机构之间通信控制的控制结构。工控机主要是进行参数的修改 与设定、在线监视、传送信息、图像处理等工作。由于整个控制系统是建立 在众多的软、硬件基础上的，各种控制器的初始参数的设定大部分要通过接 口软件在微机上来完成。在运行期间，工控机通过对控制器发出触发信号进 行对各个输入输出信号进行控制，同时也作为人机接口，以完成调试工作。 图像处理是工控机的主要任务。图像采集系统采集到的图像经过图像处理软 件处理后转换为可以利用的数据。同时图像也可显示在显示器上，以便于监 控。完成的控制系统结构见图2 一l o 。 图2 一l o 控制系统示意图 f i g 2 1 0s t r u c t l l r eo f e l e e t r i cc o n t r 0 1s y s t e m 2 4 3 系统工作流程设计 开机之前，系统应该处于初始状态，即：料盒应在吸嘴能吸到s l i d e r 的初始位置，放h g a 的工装应处于第一个h g a 的位置。一个完整的循环过程 如图2 一l l 。从系统流程图中可以看到最初的设计思想得到很好的体现，即 用多线程来控制整个系统，这样当在系统处理h g a 图像时可以同时控制 釜：茎! 塑塑些圣堑些堡篓墼 s “d e r 的位置及图像处理过程，这样做提高了系统的效率，充分体现了多 线程的优越性能。关于多线程的运用在后面的章节中将会有更详尽的介绍及 运用。 2 。4 。4 控制系统的主要器件的选择 本机的控制系统主要器件包括工控机、运动控制器、图像处理系统8 。o l 的光源、摄像头、图像采集卡等。 工控机根据系统需要完成的主要工作，同时考虑到系统的稳定性等要 求，为了更方便地进行系统扩展，来选择所需的工控机。 机器视觉系统机器视觉部分主要包括图像采集、图形处理、特征提 取、判决和控制几个过程。图像的采集系统包括镜头、相机、光源及其控制 器、图像采集卡等。图像采集设备的选定主要依据采集对象的尺寸、相机的 视野、图像处理的精度等要求。 1 ) 光源的选择 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的 质量和至少3 0 的应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针 对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。 2 ) 镜头与相机的选择 选择合适的镜头和相机时整个视相系统的第一步，也是很关键的一步。 机器视觉系统中通常采用远心镜头( t e l e c e n t r i cl e n s ) ，在一定的范围内， 不管物体靠近或远离相机，影像大小维持不变，它能降低放大误差和增加量 测景深。镜头的选择要考虑到：工作距离越近越好( 当然，这要根据系统的 安装环境而定) ；对于测量系统镜头的畸变越小越好；视野越大越好。焦距 越小，视野越大，同时最小工作距离越短，视野越大，而镜头的畸变与镜头 的焦距成反比。 3 ) 图像采集卡的选择 虽然图像采集卡只是完整的机器视觉系统的一个部件，但是它扮演一个 非常重要的角色。关于图像采集卡的作用及选择时考虑的因素在后面有更详 尽的阐述。 哈尔滨工业大学_ 丁学硕士学位论文 图2 一1 1 系统整体流程图 f i g 2 1lf l o w c h a r t o fw h 0 1 es y s t e m 第2 章自动粘贴系统总体设计 2 5 本章小结 本章完成了整个系统的控制设计总体方案，并对相关技术加以讨论。该 系统由执行机构、图像采集与处理机构、控制系统等组成。可以完成抓取 s l i d e r ：移动h g a 到抓取图像位置；定位h g a 及s l i d e r 的基准点：推正 s l i d e r ；根据基准点的坐标计算出电机所要移动的偏移量；粘贴s l i d e r ； u v 曝光等工作。该系统具有模块化、简洁、安全、高效、易调试等优点。 本章的主要研究内容有： 1 根据要完成的动作，确定了系统的各项指标； 2 简单介绍了系统的机械部分，并以此为基础确定了系统的整体控制 方案； 3 完成了具体设备的选型工作，完成了方案的具体化； 4 确定控制系统的网络化、可扩展性的思想。 量：薹丝型量竺堡竺里些塞薹萎垂雾 霜喈掣| ! i l ；簦皤鞋静矗# 豁豁裂。髓讳并箱藩童瓢斩赫翩；成的伦理 趔；熟裂匿终葛莶掣；恬以飘餮辑“斜粕乳懿躺烈螺鲤弘辩韶静。紧一燃 咯1 灌辉墨捌茎| 孽赢。释簿尔卓骊簖醋斟釜磊碧鬣。锚黧荇编衽蔫儒遵湔 强爱豁型龟琵j 男嚏攫铆峨湛灞鬣嘎潞攥国；薹彩；到掣爹甍静蔓商芥刊 邑未薯警兽；罾未髫耄；* 鲥嚣釜蚓割重新潇；靴羹 学的研究局限于道德概 念的语言和道德判断的逻辑分析上，摊斥道德的实际内容和客观标准，从而使伦 理学陷入了形式主义和相对主义。 规范伦理学( s t a n d a r de t h i c s ) 也叫德性伦理学，它立足于价值规范的方 法，侧重于道德规范的论证、判断和实施来研究道德，其中涵盏了理论伦理学和 应用伦理学的内容。它把道德品质判断当作最基本的东西，探讨的不仅仅是关于 “是什么”的闯题，而且是关于“做什么”的闯题。“1 由此我们可以看出。元伦理学只研究道德概念的含义，对道德概念、道德判 断进行语言豹逻辑分析，丽不涉及人们的道德行为、道德品质的实际内容，这些 内容对人们的行为和人际关系的调整不起指导性作用。而规范伦理学研究人的行 为规范，揭示道德现象的本质和功能及其在社会生活中的作用。因此，自伦理学 成为一门独立的学科起，它一直是伦理学的代表，并围绕着道德价值、道德义务 和道德品质阔题展开理论形式。它是伦理学体系中的主体与核心，它更具有实践 的品格。高技术的实践性决定了高技术伦理学在本质上是规范伦理学。伦理的精 神气质在高技术实践中被发挥的淋漓尽致，成为制约高技术发展的原初动力。 3 1 2 从“应然”到“实然”；高技术与伦理的内在统一 人的社会性体现在两个方面：一是人构成了社会，是社会的组成细胞即社会的 主体，没有人无所谓社会，它以一种“静态”表现了人的社会性特点，是构成各 种社会关系的必要条件；二是人又是社会实践的主体，它以一种“动态”表现了 人的各种需要及为满足这些需要所采取行动的行为主体性，从某种意义上讲它也 反映出来高技术本身发展就是人的社会性在利益和需要满足过程中的发展必然， 反映出来人类为了征服和改造自已的生存条件和环境所做的努力的实践结果。因 此说，人类是在实践中通过技术使自然成为为我之物，从而在客溉上也造就了人 成为社会的主体。 “应然”指人的本质需求。“实然”指人们经过努力实践所达到的结果。尽管 量：薹丝型量竺堡竺里些塞兰量童垩 电压为1 1 0 v ，经过断路器接入系统。断路器完成了瞬间过流、长时间过 载、漏电保护的功能。电脑在急停控制与系统停机时应不受到影响，所以放 在接触器触点m 1 之前。塔灯是显示系统状态的设备。在系统处于急停状态 时也应有所显示，所以也应放在接触器触点m 1 之前。稳定启动电磁阀用于 系统的保护。动作初期，只允许少量空气流过，当出口压力等与入口压力一 半时才会完全开启，达到最高流量，所以也必须在其他设备供气前启动，而 且不用频繁动作，所以也放在主控制回路中。只有在停机时才关掉塔灯与稳 定启动电磁阀，为使其可控，将其放在接触器m 2 之后，与整个系统的上断 电同步受控。 3 2 运动控制模块 在本系统中有三个电机，其中两个伺服电机一个步进电机，由于在粘贴 s l i d e r 时移动s l i d e r 和h g a 的电机要求的精度比较高，所以使用的是伺服电 机，在每个伺服电机上面都配有编码器，使整个系统组成一个半闭环系统， 因为如果用光栅尺等反馈部件构建全闭环系统的话，就会使得整个系统的成 本比较高，这在工业生产中是必须要考虑的问题。用半闭环系统已经能满足 整个系统的精度要求。由于要求移动s l i d e r 料盒精度没有粘贴时高，为了降 低生产成本，在此使用了步进电机。其控制接线图如图3 2 所示。使用的运 动控制器为深圳开发科技有限公司自动化研究所自行研发的四轴运动控制 器，控制器采用d s p f p g a 1 2 】架构，总线采用i s a b u s ，其中 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 为核心c p u ，负责与p c 机数据交换，运动轨迹和速度控 制，控制外设采用c x l 0f p g a ，发送高速脉冲控制电机运动。其主要性能 指标包括脉冲频率范围：1 5 2 h z 5 m h z ，加速度：2 0 k h z s 2 0 0 m h z s ，重 复性：1 脉冲，复位精度：2 脉冲。可实现4 轴点位控制及7 个高驱动 输出和4 个通用输入。 3 3 控制系统的主要器件的选择 基于上一章提到的各个器件的选择原则和对整个设备成本的考虑，可具 体选择所需要的器件。 工控机根据工控机需要完成的主要工作，同时考虑到系统的稳定性等 要求，选择i b m 品牌的m 5 0 系列8 1 8 9 型图形工作站，它的主板上有4 个 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3 2 控制系统电机接线图 f i g 3 2w i r ec o n f i g u r a t i o no f c o n t r o ls y s t e m p c i 总线插槽，可以方便地进行系统扩展，声卡、网卡集成在主板上，不需 要额外占用p c i 插槽。工控机中需要插放图像采集卡、i 0 扩展卡，此型号 p c 可以满足以上要求，同时也为将来的扩展留下空间，并且能胜任图像处 理工作。 机器视觉系统机器视觉部分主要包括图像采集、图形处理、特征提 取、判决和控制几个过程( 图3 3 ) 。图像的采集系统包括镜头、相机、光 源及其控制器、图像采集卡等。图像采集设备的选定主要依据采集对象的尺 寸、相机的视野、图像处理的精度等要求。 ( 1 ) 光源的选择 光源有各种不同的形状和种类，照明的方式也不同，一般有高频荧光 灯、l e d 、白炽灯和石英卤光纤。由于l e d 灯的发光稳定，寿命长，反应快 捷，颜色可选择，运行成本低等诸多优点，在此选择了l e d 灯作为光源。 此外在选择照明光源系统的时候还应考虑考咀下几个因素： 摄像机的视野，所谓视野就是摄像机所能观察到的范围。 照明系统与被测物体间的距离。 被测物体的形状，表面形状及颜色。照明方式的选择取决于被测物体 的形状和表面条件，即表面是否平滑、粗糙或有无光泽等待。最佳的光源颜 色( 如：红、蓝、绿、白) 的选择，同样取决于被测物体的颜色和被测部分 的颜色。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3 4l f v 一5 0 光源照明示意图 f i g3 - 41 1 l u m i n a t i o no ft h el f v - 5 0i i g h t 号，而不同于其它器件是以电流或者电压作为信号。这类成像器件通过光电 转换形成电荷，然后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的 c c d 相机由c c d 、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟数字信号处 理电路组成。在机器视觉系统中，相机的主要功能是将光敏组件所接受到的 光信号转换为电压的幅值信号输出。若要得到被计算机处理与识别的数字信 号，还需对视频信息量化处理。图像采集卡主要完成对模拟视频信号数字化 过程。视频信号首先经滤波器滤波，转换为在时间上连续的模拟信号；按照 应用系统对图像分辨率的要求，得用采样保持电路对连续的视频信号在时 间上进行间隔采样，把视频信号转换为离散模拟信号；然后再由d 转换 器转变为数字信号输出。 下面分别介绍这三个部分，图3 5 给出了检测系统镜头及相机的选择过 程。在此系统设计过程中，考虑： 确定工作距离( w o r k i n gd i s t a n c e ，w d ) ：w d = 5 0 8 0 唧，如果工作 距离过小，可能影响夹具的往复运动，甚至在工作时会损坏h s a ：工作距离 过大，会使整个工作平台很大，在此选取工作距离6 5 f f l i 左右。 3 0 的标准磁头大小为1 2 1 9 咖o 9 5 6 姗o 2 6 1 m m ( l w x h ) ，系统 所要达到的粘贴精度为o 0 2 5 i ! l m ，即分辨率( r e s 0 1 u t i o n ，r ) 最少要达到2 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 8 0 l 1 5 0 0 秒。 ( 3 ) 图像采集卡的选择 图像采集卡直接决定了摄像头的接口：黑白、彩色、模拟、数字等等。 使用模拟输入的图像采集卡，目标是尽量不变地将摄像头采集的图像转换为 数字数据。使用不正确的图像采集卡可能得到错误的数据。工业用的图像采 集卡通常用于检测任务，多媒体采集卡由于它通过自动增益控制、边沿增强 和颜色增强电路来更改图像数据，所以不用在这个领域里。使用数字输入的 图像采集卡的目标是将摄像头输出的数字图像数据转换并输送到p c 中作处 理。本文所研究的课题采用的是加拿大m a t r o x 公司的m a t r o xm e t e o r i i s t a n d a r d 图像采集卡。这是一款具有黑白、彩色采集功能的标准的模拟 图像采集卡。其核心v i a ( m a t r o xv i d e oi n t e r f a c ea s i c ) ，是一个高级存储 控制器。它可以对摄像机进行可编程控制，其中包括摄像机工作时序，如启 动时间、积分时间、像素时钟频率等。采样速率在2 0 k h z 到2 0 m h z 范围内可 调；像素灰度分辨力8 位，2 5 6 级灰度级；具有查表处理、二值化处理、运 行长度编码等功能。 3 4 信号处理模块 本系统中1 0 个双向气缸及2 0 个传感器，为了使这些气缸及传感器正常 工作，我们用运动控制器上面的输入输出端子对其进行控制，为了使系统的 动作更加连贯，在此传感器的作用就是监视系统的各个动作，当某一个动作 完成后它便给系统发出一个输入信号，以便使系统控制下一个动作的执行。 此外为了对本工位的上一个工位及下一个工位的产品信息情况能够及时的了 解，研制开发了一块工位信息板。主要的几个输入输出信号的连接如图3 6 所示。 3 4 1 工位信息板 在一条生产线中为了在各个工位之间进行通信以及进行它们各自之间信 息的保存，就要对各个工位之间的信息进行统一化，考虑到这个因素，研发 了一块“工位信息板”，现把其原理图及工作原理介绍一下。其原理接线图 如图3 7 所示。 哈尔滨_ t 业大学工学硕士学位论文 o u t + 、o u t 一、c l e a r 十、c l e a r 一。其中i n + 和i n 一为输入信号，当有信号输入 时，工位信息板就会触发，使其输出端的0 u t + 一直保持有信号状态，当输 出口的信息被读出后，然后对c l e a r + 发一个信号，使其清零，以便为以后 的输入信号做好准备。次信息板使用的为c d 4 0 1 3 触发器，这样当输入断即 使只有一个阶跃的输入信号，其输出端也会一直保持有信号状态，这样只要 没有清零，就可以随时读取其输出端的信号。 3 4 2 串行通信 数字终端设备数字终端设备 t x d= 汇t x d r x dr x d g n dg n d 图3 8r s 2 3 2 接线图 f i g 3 8r s 2 3 2c o n n e c t e df l g u r e 串行通讯【1 扣1 6 是将数据分解为二进制，用条信号线一位一位顺序传 送的方式。串行通讯时，数据、控制和状态信息都使用同一根信号线传送。 所以，收发双方必须遵守共同的通讯协议，才能解决传送速率、信息格式、 位同步、字符同步、数据校验的问题。串行异步通讯以字符为单位进行传 输，其通信协议是起止式异步通信协议。串行通信通常采用全双工或半双工 传输制式。若使用同一条传输线即用作发送又