點膠機流體控制與視覺定位
- 來源：歐力克斯
- 發布時間：2021-07-21
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一、點膠機簡介
點膠機是一種專門對膠液點滴、涂覆的自動化機器，常應用于電子、照明、汽車、工業電氣等行業對集成電路、零件、玻璃進行封裝，所以點膠機的主要功能是對零件、集成電路等部件進行膠液涂覆。點膠技術是隨著 SMT 技術發展而發展的，它是將一定量的微量流體通過一種可控的方式按照預定軌跡點到指定位置，以實現元器件之間的封裝連接的過程。點膠技術不僅應用在電子封裝領域，在當今人們生活的各個方面也得到了廣泛的應用。
流體點膠技術作為電子封裝領域的關鍵技術之一，實質上就是通過特定的參數控制將事先裝入注射器的膠體擠出從而實現連接與保護元器件的作用。點膠技術不僅在電子封裝領域應用廣泛，也廣泛應用于通信/電子工業、LED 照明行業、供電行業、汽車工業、家電/五金/小商品工業、工業電氣工業、太陽能光伏產業、建筑工程等領域。自動化點膠技術就是將流體學、過程控制學、機器視覺技術以及計算機圖形學綜合運用在點膠系統的研制開發過程中，以提高點膠機的自動化、智能化水平。
1.1接觸式點膠
接觸式點膠設備可在點膠系統的三個維度上運動，該點膠方式對于高粘度膠體，特別是膠滴質量小的情況容易掛膠和拖尾，這是一個至今懸而未決的問題。點膠設備因作用于膠體的壓力方式的不同，常分為三種：時間-壓力點膠、螺旋泵點膠、活塞點膠。
a)時間-壓力點膠技術的組成結構有穩壓裝置、控制裝置和氣路，點膠過程是先將出氣閥鏈接針筒的底部，調節氣體壓力控制裝置，開啟運行系統，高壓氣體傳送到針筒內，推動活塞使膠體流出針頭，在這個過程中，根據設置氣體壓力大小和運行時間長短可以控制基板上出膠質量的大小。
優點：易清洗，操作方便，靈活度高。缺點：溫度和壓力對膠體粘度影響較大。
b)螺旋泵點膠技術采用全新設計的阿基米德計量管點膠頭來提高點膠性能，該方式是通過螺桿旋轉產生作用力推動膠液，使膠體沿著螺線運動，再從點膠頭擠出，螺桿的作用力克服掉膠體內部及點膠頭上的阻力可以進而控制點膠量的大小。優點：可以軟件編程決定點膠量，適用粘度較高的流體，控制靈活，精度較高。缺點：膠體由于受到剪切作用力從而降低粘度，同時也受溫度、氣壓的影響。
c)活塞泵點膠技術是由電機驅動活塞將氣缸密閉并推動腔內的膠液從點膠頭擠出。優點：該點膠方式的本質是靠氣缸內流體體積點膠，并不需要考慮膠體自身的粘度，并且出膠量對環境溫度和壓力的變化不敏感，一致性良好。缺點：點膠效率低，對于帶填料的膠體尤其不易清洗。
1.2非接觸式點膠
非接觸型點膠系統在工作時，噴嘴不與工作面相接觸，不需要點膠頭上下運動，在噴嘴尺寸不變的情況下,在同一位置連續噴涂多個點可達到調整膠料尺寸的目的，從而減少了點膠周期，提高了點膠效率。有兩種非接觸型點膠方式：噴射式點膠、壓電式點膠。
a)噴射式點膠原理與噴墨打印機類似，膠體被恒壓擠到噴嘴和活塞之間的空腔內，受活塞驅動噴射出膠體，優點是點膠迅速，但復雜的內部結構使其具有不易清潔，維護成本高等缺點。
b) 壓電陶瓷是具有雙向作用的介質，通過電能轉換成動能使壓電陶瓷沿噴嘴軸向震動，擠出腔內的膠體。該點膠系統具有復雜的機械問題，不易拆卸清洗，因此，該點膠方式不適合具有大顆粒填料的膠體。
目前，絕大多數的企業都在使用接觸式點膠。隨著點膠技術的發展，點膠方式正由接觸式向非接觸式發生轉變，但目前非接觸式點膠系統在國內還處于起始階段，所占市場份額不足 15%，還有待進一步發展和提高，存在行業機會。
二、膠體流變特性
在整體的點膠應用領域中，企業常用的點膠系統為時間-壓力型點膠系統，因為該系統對環境的適應性強，操作程序簡單，易于清潔和維護，成為了現代最為普遍的點膠方式之一。但是時間-壓力型點膠系統適用的膠的粘度范圍不廣，不適合點高粘度的膠體，也是企業更偏愛低粘度膠體的原因，而且有利于提高點膠效率。因此，針對目前大部分企業而言，對時間-壓力型點膠系統的研究有著十分重要的意義。
點膠效果很大程度上依賴膠體的特性。膠體的流變特性決定其粘度不是常數， 粘度與溫度、剪切、應變、時間等因素有關。若要對點膠過程進行控制，必須得先對膠體流變性進行重點分析。自然界中能流動的物質就能稱為流體。根據剪切力和剪切速率在剪切作用下的比例關系,可將流體分為兩類:牛頓流體和非牛頓流體。當牛頓流體受力時,剪切應力與剪切速率之比是常數，即粘性不隨剪切速率的變化而變化，不具備這種流動特性的其他流體稱作“非牛頓流體”。作為導熱介質的流體絕大多數為非牛頓流體，膠體的流變特性對流速有很大影響。
非牛頓流體的粘度不為常數，與諸多流動條件諸如剪切速率、剪切應變、應力持續時間有關。非牛頓流體可分為：時間獨立流體；非時間獨立流體；粘彈性流體。雖然它通常是兩個或三個流體特性的組合,但主要的非牛頓流體可以用這種方式加以區分，給實際應用提供理論依據。
三、點膠過程控制與點膠控制器
點膠過程工藝控制是影響點膠最終效果的關鍵因素之一。生產中易出現以下工藝缺陷：膠點大小不合格、拉絲、膠水浸染焊盤、固化強度不好易掉片等。解決這些問題應整體研究各項技術工藝參數，從而找到解決問題的辦法。
點膠過程的主要影響方式為：1. 點膠量的大小；2. 點膠壓力(背壓)；3. 溫度曲線；4. 針頭與目標面間的距離；5. 膠水溫度；6. 膠水的粘度；7. 固化8. 氣泡。
比如采用螺旋泵供給點膠針頭膠管采取一個壓力來保證足夠膠水供給螺旋泵。背壓壓力太大易造成膠溢出、膠量過多;壓力太小則會出現點膠斷續現象，漏點，從而造成缺陷。應根據同品質的膠水、工作環境溫度來選擇壓力。環境溫度高則會使膠水粘度變小、流動性變好，這時需調低背壓就可保證膠水的供給，反之亦然。一般環氧樹脂膠水應保存在0--50C的冰箱中，使用時應提前1/2小時拿出，使膠水充分與工作溫度相符合。膠水的使用溫度應為230C--250C;環境溫度對膠水的粘度影響很大，溫度過低則會膠點變小，出現拉絲現象。環境溫度相差50C，會造成50%點膠量變化。因而對于環境溫度應加以控制。同時環境的溫度也應該給予保證，濕度小膠點易變干，影響粘結力。膠的粘度直接影響點膠的質量。粘度大，則膠點會變小，甚至拉絲;粘度小，膠點會變大，進而可能滲染焊盤。點膠過程中，應對不同粘度的膠水，選取合理的背壓和點膠速度。對于膠水的固化，一般生產廠家已給出溫度曲線。在實際應盡可能采用較高溫度來固化，使膠水固化后有足夠強度。膠水一定不能有氣泡。一個小小氣就會造成許多焊盤沒有膠水;每次中途更換膠管時應排空連接處的空氣，防止出現空打現象。
常規點膠控制器設置確定的開閥持續時間，將確定壓力的壓縮空氣從氣壓輸出口輸出，擠壓膠桶內置的膠液，膠液受壓后從膠桶末端的針頭流出。隨著點膠作業的進行，膠桶內膠液液面從滿膠位逐漸下降，直至膠桶底部。膠液液面的變化導致膠桶內部的空腔容積逐漸變大，需要更多的壓縮空氣涌入膠桶方可保證設定的工作壓力作用于膠桶內置膠液，從而實現膠液的排出。由于現有的控制方法采用同樣的設定壓力及開閥持續時間，因此，從膠桶末端針頭流出的膠液量波動大且不可預測。尤其對于出膠量要求比較精確的技術領域，這種控制方法的出膠精度是十分不理想的。一般情況下，點膠控制精度會隨著膠桶內膠液液面的下降而產生波動的不足，出膠量與膠液下移速度間并非線性關系，難以實現真正的點膠定量控制。
點膠控制器的出現就是為了解決點膠過程控制的工藝問題，每個廠家的性能和價格也相差甚遠，點膠控制器，閥體等，都是影響點膠過程控制的關鍵因素。
四、點膠機運動控制與視覺識別定位系統
4.1 點位運動控制點膠機的點位控制主要包括上下料部分的執行，膠槍的快速移動和回原點，以及手動微調操作的設置。點位控制運動的特點是在移動機構移動過程中不進行加工動作，只要求達到最快的速度準確定位從一點移動到另外一點，其移動的軌跡（路徑與方向）并無嚴格要求，各坐標軸之間的運動并不相關，要求坐標位置具有較高的定位精度。在點膠機控制系統中，點位運動主要用于預備、輔助與進出目標點膠物料，為了提高生產效率，采用伺服設定的較高進給速度進行定位運動，在初始啟動和接近定位點時進行加速和降速，從而減少運動部件的慣性過沖所引起的磨損和定位誤差。
4.2 輪廓軌跡控制輪廓控制是能夠對兩個或兩個以上的運動軸的位移和速度同時進行連續相關控制，使膠槍與工件間的相對運動符合點膠軌跡要求，在工件平面進行各種軌跡的點膠。在這類控制方式中，要求點膠機運動控制器具有插補運算的功，即根據加工程序輸入的基本數據（如直線的終點坐標、圓弧的終點坐標和原系坐標或半徑），通過插補運算器把直線或曲線形狀的相關坐標點計算出來，并在計算的同時根據計算結果控制兩個或兩個以上的坐標軸協調運動。
由于點膠軌跡的多樣性，需要控制軟件具備編輯軌跡的能力，或者導入相關圖檔，再在此基礎上進行軌跡數據的提取能力。通常情況下，圖形軟件模塊給出的圖形數據不能直接反應點膠連續軌跡的控制要求，在連續軌跡的控制過程中，往往為了滿足特定點膠工藝要求，會進行插入、打散、提前開膠，提前關膠等控制命令插入操作。
4.3 圖像識別定位在點膠控制系統中引入圖像，主要目的是為了定位工件，增加設備的柔性，減少甚至無需夾具的使用，少了系統中加入圖像進行點膠后效果檢測。
學習一個Mark點模板，工作時候來料搜索該點，計算得到圖像偏差，進而換算成點膠坐標數據來定位工件，該方法只能定位平移，不能得到旋轉偏差。為此大部分引用采用2點定位的方式，識別兩個點，計算得到平移和旋轉偏差。有時候，產品本身會有變形，如果要更精確，則可以選擇定位3個Mark點位置。
點膠機是一種專門對膠液點滴、涂覆的自動化機器，常應用于電子、照明、汽車、工業電氣等行業對集成電路、零件、玻璃進行封裝，所以點膠機的主要功能是對零件、集成電路等部件進行膠液涂覆。點膠技術是隨著 SMT 技術發展而發展的，它是將一定量的微量流體通過一種可控的方式按照預定軌跡點到指定位置，以實現元器件之間的封裝連接的過程。點膠技術不僅應用在電子封裝領域，在當今人們生活的各個方面也得到了廣泛的應用。
流體點膠技術作為電子封裝領域的關鍵技術之一，實質上就是通過特定的參數控制將事先裝入注射器的膠體擠出從而實現連接與保護元器件的作用。點膠技術不僅在電子封裝領域應用廣泛，也廣泛應用于通信/電子工業、LED 照明行業、供電行業、汽車工業、家電/五金/小商品工業、工業電氣工業、太陽能光伏產業、建筑工程等領域。自動化點膠技術就是將流體學、過程控制學、機器視覺技術以及計算機圖形學綜合運用在點膠系統的研制開發過程中，以提高點膠機的自動化、智能化水平。
1.1接觸式點膠
接觸式點膠設備可在點膠系統的三個維度上運動，該點膠方式對于高粘度膠體，特別是膠滴質量小的情況容易掛膠和拖尾，這是一個至今懸而未決的問題。點膠設備因作用于膠體的壓力方式的不同，常分為三種：時間-壓力點膠、螺旋泵點膠、活塞點膠。
a)時間-壓力點膠技術的組成結構有穩壓裝置、控制裝置和氣路，點膠過程是先將出氣閥鏈接針筒的底部，調節氣體壓力控制裝置，開啟運行系統，高壓氣體傳送到針筒內，推動活塞使膠體流出針頭，在這個過程中，根據設置氣體壓力大小和運行時間長短可以控制基板上出膠質量的大小。
優點：易清洗，操作方便，靈活度高。缺點：溫度和壓力對膠體粘度影響較大。
b)螺旋泵點膠技術采用全新設計的阿基米德計量管點膠頭來提高點膠性能，該方式是通過螺桿旋轉產生作用力推動膠液，使膠體沿著螺線運動，再從點膠頭擠出，螺桿的作用力克服掉膠體內部及點膠頭上的阻力可以進而控制點膠量的大小。優點：可以軟件編程決定點膠量，適用粘度較高的流體，控制靈活，精度較高。缺點：膠體由于受到剪切作用力從而降低粘度，同時也受溫度、氣壓的影響。
c)活塞泵點膠技術是由電機驅動活塞將氣缸密閉并推動腔內的膠液從點膠頭擠出。優點：該點膠方式的本質是靠氣缸內流體體積點膠，并不需要考慮膠體自身的粘度，并且出膠量對環境溫度和壓力的變化不敏感，一致性良好。缺點：點膠效率低，對于帶填料的膠體尤其不易清洗。
1.2非接觸式點膠
非接觸型點膠系統在工作時，噴嘴不與工作面相接觸，不需要點膠頭上下運動，在噴嘴尺寸不變的情況下,在同一位置連續噴涂多個點可達到調整膠料尺寸的目的，從而減少了點膠周期，提高了點膠效率。有兩種非接觸型點膠方式：噴射式點膠、壓電式點膠。
a)噴射式點膠原理與噴墨打印機類似，膠體被恒壓擠到噴嘴和活塞之間的空腔內，受活塞驅動噴射出膠體，優點是點膠迅速，但復雜的內部結構使其具有不易清潔，維護成本高等缺點。
b) 壓電陶瓷是具有雙向作用的介質，通過電能轉換成動能使壓電陶瓷沿噴嘴軸向震動，擠出腔內的膠體。該點膠系統具有復雜的機械問題，不易拆卸清洗，因此，該點膠方式不適合具有大顆粒填料的膠體。
目前，絕大多數的企業都在使用接觸式點膠。隨著點膠技術的發展，點膠方式正由接觸式向非接觸式發生轉變，但目前非接觸式點膠系統在國內還處于起始階段，所占市場份額不足 15%，還有待進一步發展和提高，存在行業機會。
二、膠體流變特性
在整體的點膠應用領域中，企業常用的點膠系統為時間-壓力型點膠系統，因為該系統對環境的適應性強，操作程序簡單，易于清潔和維護，成為了現代最為普遍的點膠方式之一。但是時間-壓力型點膠系統適用的膠的粘度范圍不廣，不適合點高粘度的膠體，也是企業更偏愛低粘度膠體的原因，而且有利于提高點膠效率。因此，針對目前大部分企業而言，對時間-壓力型點膠系統的研究有著十分重要的意義。
點膠效果很大程度上依賴膠體的特性。膠體的流變特性決定其粘度不是常數， 粘度與溫度、剪切、應變、時間等因素有關。若要對點膠過程進行控制，必須得先對膠體流變性進行重點分析。自然界中能流動的物質就能稱為流體。根據剪切力和剪切速率在剪切作用下的比例關系,可將流體分為兩類:牛頓流體和非牛頓流體。當牛頓流體受力時,剪切應力與剪切速率之比是常數，即粘性不隨剪切速率的變化而變化，不具備這種流動特性的其他流體稱作“非牛頓流體”。作為導熱介質的流體絕大多數為非牛頓流體，膠體的流變特性對流速有很大影響。
非牛頓流體的粘度不為常數，與諸多流動條件諸如剪切速率、剪切應變、應力持續時間有關。非牛頓流體可分為：時間獨立流體；非時間獨立流體；粘彈性流體。雖然它通常是兩個或三個流體特性的組合,但主要的非牛頓流體可以用這種方式加以區分，給實際應用提供理論依據。
三、點膠過程控制與點膠控制器
點膠過程工藝控制是影響點膠最終效果的關鍵因素之一。生產中易出現以下工藝缺陷：膠點大小不合格、拉絲、膠水浸染焊盤、固化強度不好易掉片等。解決這些問題應整體研究各項技術工藝參數，從而找到解決問題的辦法。
點膠過程的主要影響方式為：1. 點膠量的大小；2. 點膠壓力(背壓)；3. 溫度曲線；4. 針頭與目標面間的距離；5. 膠水溫度；6. 膠水的粘度；7. 固化8. 氣泡。
比如采用螺旋泵供給點膠針頭膠管采取一個壓力來保證足夠膠水供給螺旋泵。背壓壓力太大易造成膠溢出、膠量過多;壓力太小則會出現點膠斷續現象，漏點，從而造成缺陷。應根據同品質的膠水、工作環境溫度來選擇壓力。環境溫度高則會使膠水粘度變小、流動性變好，這時需調低背壓就可保證膠水的供給，反之亦然。一般環氧樹脂膠水應保存在0--50C的冰箱中，使用時應提前1/2小時拿出，使膠水充分與工作溫度相符合。膠水的使用溫度應為230C--250C;環境溫度對膠水的粘度影響很大，溫度過低則會膠點變小，出現拉絲現象。環境溫度相差50C，會造成50%點膠量變化。因而對于環境溫度應加以控制。同時環境的溫度也應該給予保證，濕度小膠點易變干，影響粘結力。膠的粘度直接影響點膠的質量。粘度大，則膠點會變小，甚至拉絲;粘度小，膠點會變大，進而可能滲染焊盤。點膠過程中，應對不同粘度的膠水，選取合理的背壓和點膠速度。對于膠水的固化，一般生產廠家已給出溫度曲線。在實際應盡可能采用較高溫度來固化，使膠水固化后有足夠強度。膠水一定不能有氣泡。一個小小氣就會造成許多焊盤沒有膠水;每次中途更換膠管時應排空連接處的空氣，防止出現空打現象。
常規點膠控制器設置確定的開閥持續時間，將確定壓力的壓縮空氣從氣壓輸出口輸出，擠壓膠桶內置的膠液，膠液受壓后從膠桶末端的針頭流出。隨著點膠作業的進行，膠桶內膠液液面從滿膠位逐漸下降，直至膠桶底部。膠液液面的變化導致膠桶內部的空腔容積逐漸變大，需要更多的壓縮空氣涌入膠桶方可保證設定的工作壓力作用于膠桶內置膠液，從而實現膠液的排出。由于現有的控制方法采用同樣的設定壓力及開閥持續時間，因此，從膠桶末端針頭流出的膠液量波動大且不可預測。尤其對于出膠量要求比較精確的技術領域，這種控制方法的出膠精度是十分不理想的。一般情況下，點膠控制精度會隨著膠桶內膠液液面的下降而產生波動的不足，出膠量與膠液下移速度間并非線性關系，難以實現真正的點膠定量控制。
點膠控制器的出現就是為了解決點膠過程控制的工藝問題，每個廠家的性能和價格也相差甚遠，點膠控制器，閥體等，都是影響點膠過程控制的關鍵因素。
四、點膠機運動控制與視覺識別定位系統
4.1 點位運動控制點膠機的點位控制主要包括上下料部分的執行，膠槍的快速移動和回原點，以及手動微調操作的設置。點位控制運動的特點是在移動機構移動過程中不進行加工動作，只要求達到最快的速度準確定位從一點移動到另外一點，其移動的軌跡（路徑與方向）并無嚴格要求，各坐標軸之間的運動并不相關，要求坐標位置具有較高的定位精度。在點膠機控制系統中，點位運動主要用于預備、輔助與進出目標點膠物料，為了提高生產效率，采用伺服設定的較高進給速度進行定位運動，在初始啟動和接近定位點時進行加速和降速，從而減少運動部件的慣性過沖所引起的磨損和定位誤差。
4.2 輪廓軌跡控制輪廓控制是能夠對兩個或兩個以上的運動軸的位移和速度同時進行連續相關控制，使膠槍與工件間的相對運動符合點膠軌跡要求，在工件平面進行各種軌跡的點膠。在這類控制方式中，要求點膠機運動控制器具有插補運算的功，即根據加工程序輸入的基本數據（如直線的終點坐標、圓弧的終點坐標和原系坐標或半徑），通過插補運算器把直線或曲線形狀的相關坐標點計算出來，并在計算的同時根據計算結果控制兩個或兩個以上的坐標軸協調運動。
由于點膠軌跡的多樣性，需要控制軟件具備編輯軌跡的能力，或者導入相關圖檔，再在此基礎上進行軌跡數據的提取能力。通常情況下，圖形軟件模塊給出的圖形數據不能直接反應點膠連續軌跡的控制要求，在連續軌跡的控制過程中，往往為了滿足特定點膠工藝要求，會進行插入、打散、提前開膠，提前關膠等控制命令插入操作。
4.3 圖像識別定位在點膠控制系統中引入圖像，主要目的是為了定位工件，增加設備的柔性，減少甚至無需夾具的使用，少了系統中加入圖像進行點膠后效果檢測。
學習一個Mark點模板，工作時候來料搜索該點，計算得到圖像偏差，進而換算成點膠坐標數據來定位工件，該方法只能定位平移，不能得到旋轉偏差。為此大部分引用采用2點定位的方式，識別兩個點，計算得到平移和旋轉偏差。有時候，產品本身會有變形，如果要更精確，則可以選擇定位3個Mark點位置。
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